JP4351427B2

JP4351427B2 - 鋼加工端部の疲労強度向上方法

Info

Publication number: JP4351427B2
Application number: JP2002279565A
Authority: JP
Inventors: 厚司瀬戸
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2002-09-25
Filing date: 2002-09-25
Publication date: 2009-10-28
Anticipated expiration: 2022-09-25
Also published as: JP2004115856A; AU2003266631A1; WO2004029303A1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は自動車、船舶、橋梁、建設機械、建築構造物、海洋構造物、貯槽、ペンストック等に利用される鋼加工端部の疲労強度向上方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
打抜き加工、ドリル加工、切断加工等の加工により新たに生じる加工端面をもつ鋼に繰返し荷重が作用すると、加工部は切り欠きとなって、加工端面から疲労き裂が発生して破壊に至る。加工端面からの疲労亀裂発生は、鋼の静的強度を向上させてもさほど向上せず、疲労強度向上法が切望されている。このような状況に対し、溶接部等の疲労強度向上を目的とした超音波衝撃処理が近年開発され、超音波衝撃処理を溶接部および機械加工穴に適用することにより疲労強度を向上させる方法が特許文献１、特許文献２等に開示されている。なお、超音波衝撃処理とは、超音波発生機から発生された数十KHzの超音波振動をピン等の工具を介して対象物に押し当てて、塑性変形により表面形状の改善および残留応力の緩和・再配置等を行う処理である。
【０００３】
【特許文献１】
米国特許第６１７１４１５号明細書
【特許文献２】
米国特許第６３３８７６５号明細書
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記特許文献１では、溶接構造物の補修を目的として溶接部への超音波衝撃処理、ならびに疲労亀裂先端に開けたドリル穴縁への超音波衝撃処理の適用技術が開示されている。溶接部への適用は、処理部の詳細な記述は無いが溶接部全般を溶接の跡を後ろから追いかけるように処理を行っている。またドリル穴への超音波衝撃処理は、ドリル穴縁の上下の角部全周にわたって面取りを行うように処理することが示されており、処理後の残留応力の分布を考慮して荷重作用方向と直角方向に超音波衝撃処理を行い、広範囲に圧縮残留応力を分布させる本発明とは異なる方法である。
【０００５】
また、特許文献２では、超音波エネルギーを振動に変換するトランスデューサーのヘッドに針状の工具を取り付けた装置によるドリル穴への処理方法を開示しており、その方法は特許文献１と同じくドリル穴の端面および角部全周に対して一様に処理する方法であり、処理方向を制御することにより圧縮残留応力を広範囲に発生させることを目的として、荷重作用方向と直角方向に超音波衝撃処理を行う本発明とは異なる方法である。
【０００６】
本発明の目的は、切り欠き部を有する鋼加工端部の疲労強度を向上させる方法を得ようとするものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、これら課題を解決するためになされたもので、その要旨は、
（１）鋼板を打抜き加工、ドリル加工、又は切断加工した後、加工部に作用する鋼板表面の面内方向の荷重のうち、最も大きな荷重の方向と直角方向の切断面が存在する場合における該切断面、及び該切断面から板厚以上の長さの鋼板表面について、超音波衝撃処理を行うことを特徴とする鋼加工端部の疲労強度向上方法、但し、切断面とは、打抜き加工、ドリル加工、又は切断加工により新たに生じる加工端面をいう。
（２）前記鋼板表面について行った超音波衝撃処理の操作方向の長さが、少なくとも超音波衝撃処理された部分の幅の２倍以上であることを特徴とする請求項１記載の鋼加工端部の疲労強度向上方法。
（３）鋼板表面の切断面全周にわたって超音波衝撃処理を施した後、（１）又は（２）記載の超音波衝撃処理を行うことを特徴とする鋼加工端部の疲労強度向上方法。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下に本発明を詳細に説明する。
【０００９】
超音波衝撃処理は、超音波エネルギーを振動エネルギーに変換して対象物に塑性変形を与え、主に工具の形状にならって表面形状を滑らかに改善する効果、および塑性変形に伴って圧縮残留応力を発生させる効果の２つの効果により対象物の疲労強度を向上させる。ドリル穴に対して、特許文献１に記載のように穴端面および穴縁周辺に沿って全周にわたり連続的に超音波衝撃処理を施すものである。
【００１０】
本発明者は、鋼の加工により発生する加工端部の疲労強度向上のために適切な残留応力の分布を検討した。上述のように加工端面周辺にそって全周に超音波衝撃処理を行うと、加工端面および加工縁が塑性変形により平滑化される結果、応力集中が低減されるが、図2（ａ）に示すように超音波衝撃処理の方向、すなわち工具の進行方向は加工端面１に沿った円周方向であるため、図2（ｂ）に示すように図2（ａ）のＡ−Ａ'断面において超音波処理部２には圧縮残留応力が発生するが、すぐに隣の部分にはこの圧縮残留応力と釣り合う引張残留応力が発生し、外力による荷重方向３とこの引張残留応力の方向がほぼ同じであると、疲労強度が著しく低下することを見出した。この問題の解決のため、超音波衝撃処理の方向と残留応力の方向を鋭意検討した結果、図1（ａ）に示すように加工端面１から荷重作用方向３と直角方向に超音波衝撃処理する方法が有効であることを見出した。本発明の場合、荷重作用方向３の残留応力は、超音波衝撃処理部２はすべて圧縮であり、超音波衝撃処理部２の外側に引張残留応力が生じるが、その場は加工端から十分離れているため外力による応力は小さく加工部の疲労強度に影響を及ぼさない。
【００１１】
超音波衝撃処理により疲労強度を向上させるための処理範囲は、加工に伴って形成される周辺の塑性変形領域およびそれに伴って発生する残留応力が発生する領域をカバーする範囲まで行うことが必要である。本発明では、打抜き加工、切断加工、切削加工等の加工によって発生する塑性変形領域および残留応力分布を調べた結果、概ね加工端から素材の板厚相当の長さの範囲までは加工の影響により変形・残留応力が発生していることから、超音波衝撃処理も加工端から板厚以上の範囲の鋼表面に対して行うこととした。
【００１２】
なお、本発明において、荷重作用方向とは加工部に作用する面内方向の荷重のうち、最も大きな荷重の方向と定義し、荷重方向が不明もしくは変化する場合には、加工部近傍の種々の方向の応力もしくはひずみを一定時間連続的に測定するか、あるいは数値解析等を行って応力またはひずみ分布を明らかにし、応力もしくはひずみの変動幅が最も大きな値を示す方向をもって荷重作用方向とする。
【００１３】
次に、引張残留応力を加工端面から十分離れた位置で発生させるための超音波衝撃処理の長さを検討した結果、少なくとも処理幅の２倍以上の長さであれば加工部の疲労強度の影響を及ぼさないことが判明した。処理長さが幅の2倍より小さいと引張残留応力の発生する位置は、超音波衝撃処理を加工縁に沿って行う場合に発生する引張残留応力の位置と比べ改善効果が充分には得られず、好ましくない。
【００１４】
なお、加工端部の角部および端面からも疲労き裂が発生する可能性があるため、この部分の応力集中を低減することを目的に、事前に角部および端面を超音波衝撃処理により平滑にした後、端部から荷重作用方向に直角な方向へ超音波衝撃処理を施すことにより、さらに加工部の疲労強度を向上させることが可能である。この場合、加工部の取り合い上可能であれば、加工端部の角部および端面の超音波衝撃処理に引き続き荷重に直角方向への超音波衝撃処理を連続して行うことが好ましい。
【００１５】
本発明の方法を適用する加工端部の形状は特に規定されるものではなく、超音波衝撃処理の適用、すなわち工具の適用が可能な形状であれば本発明の方法を適用することが可能である。
【００１６】
また本発明の方法は鋼加工端部の疲労強度向上方法について述べているが、鋼は薄鋼板、厚鋼板などの板材に限るものではなく、鋼管・棒鋼など他の鋼材の加工部にも適用可能である。
【００１７】
【実施例】
試験片の形状を板厚１．２ｍｍ、幅９０ｍｍ、長さ５００ｍｍとした４４０ＭＰａ級薄鋼板の中心に、直径３０ｍｍの円形状の穴を打抜き、加工端部に超音波衝撃処理を行った。超音波衝撃処理装置は、振動周波数２６ｋＨｚ、ピン振幅２５〜３０μｍ、工具は直径５ｍｍの円筒状ピンを用いて、人手により加工端部に押し当てることにより処理を施した。処理は長さ１ｃｍ当たり５秒の速さで一方向にピンを移動させて行い、同じ箇所を２度以上処理することはしなかった。従って、処理幅はピン直径と同じくほぼ５ｍｍであった。処理した試験片を荷重制御、応力比Ｒ＝０（完全片振り）の条件で室温大気中で疲労試験を行った。荷重作用方向は試験片の長手方向とした。その結果を表１に示す。また一部の試験片には平滑化処理を行った。平滑化処理は上記の超音波衝撃処理条件と同じ条件により、円穴の全周にわたって加工端面（加工端部の角部および端面をいう）のみについて１周するように人手によってピンを押し当てて処理を行った。
【００１８】
【表１】

【００１９】
No.1〜4は本発明の方法を適用した試験片の例であり、No.5〜7は比較例を示す。No.1〜4はNo.5および6よりも約10％以上疲労強度が向上している。穴角部および穴端面に事前に超音波衝撃処理を行い、平滑化も行ったNo.3および４は特に疲労強度が高い。No.7は超音波衝撃処理を全く施していない試験片の例であり、No.5および6よりもさらに疲労強度が低い。
【００２０】
【発明の効果】
以上説明したように本発明の方法は、超音波衝撃処理の処理方向および長さを規定して加工部近傍に圧縮残留応力を配置しているため、その原理は鋼材、加工方法などによらず広範囲にわたり適用可能である。従って、疲労破壊が問題となる加工物での使用に際し、設計面で特別な配慮を必要とせず高い疲労強度を安定して得ることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は、本発明における超音波衝撃処理方法の模式図であり、
（ｂ）は、図１（ａ）のＡ−Ａ'断面における端面近傍の残留応力を示す模式図である。
【図２】（ａ）は、従来技術における超音波衝撃処理方法と模式図であり、
（ｂ）は、図２（ａ）のＡ−Ａ'断面における端面近傍の残留応力を示す模式図である。
【符号の説明】
１…加工部端面
２…超音波衝撃処理された部分
３…荷重作用方向

Claims

鋼板を打抜き加工、ドリル加工、又は切断加工した後、加工部に作用する鋼板表面の面内方向の荷重のうち、最も大きな荷重の方向と直角方向の切断面が存在する場合における該切断面、及び該切断面から板厚以上の長さの鋼板表面について、超音波衝撃処理を行うことを特徴とする鋼加工端部の疲労強度向上方法。
但し、切断面とは、打抜き加工、ドリル加工、又は切断加工により新たに生じる加工端面をいう。
鋼板表面について行った前記超音波衝撃処理の操作方向の長さが、少なくとも超音波衝撃処理された部分の幅の２倍以上であることを特徴とする請求項１記載の鋼加工端部の疲労強度向上方法。
鋼板表面の切断面全周にわたって超音波衝撃処理を施した後、請求項１又は２記載の超音波衝撃処理を行うことを特徴とする鋼加工端部の疲労強度向上方法。