JP4578918B2 - 残留応力部分低減方法および残留応力部分低減装置 - Google Patents

Description

本発明は、例えば鋳造、ダイキャスト等によって成形される金属部品の引張り残留応力部に、高周波振動用ホーンによりキャビテーションの衝撃波を作用させて圧縮残留応力を付与する残留応力部分低減方法および残留応力部分低減装置に関する。

例えば鋳造、ダイキャスト等によって成形される金属部品には、各部分の肉厚差、あるいは形状変化等による冷却速度の差に起因して、引張り残留応力や圧縮残留応力が存在することが知られている。このような金属部品において、引張り残留応力部の表面には、繰返し荷重等によってき裂が発生し易い。

従来一般的には、金属部品を変態点前後まで再加熱し、その後除冷することによって引張り残留応力を除去する等の手段が採用されている。しかし、このような熱処理を施した場合には、再加熱により結晶粒が粗大化し、材料の機械的強度が低下する問題がある。

また、鋼球等を用いたショットピーニングなどにより、引張り残留応力部に対して部分的に圧縮残留応力を付与することも試みられているが、硬化深さが十分でないため大きな圧縮残留応力を付与することができず、必ずしも十分な効果が得られないという問題がある。

一方、近年では、水中環境でノズルからの噴出流体を金属材料表面に噴射するウォータジェット等の技術を利用して金属材料表面を打撃し、引張り残留応力をキャビテーション気泡が崩壊するときの衝撃圧力によって圧縮残留応力に改善し、機械的強度を高める技術も提案されている（例えば、特許文献１，２等参照）。

さらに、本願出願人においては、被改質材の表面に振動板を対向配置するとともに、その対向間隙に液体を介在させ、振動板を高周波振動させることにより液体中にてキャビテーション気泡の連続的な生成と崩壊とを繰返させ、そのキャビテーション気泡の崩壊時に発生する衝撃波を被改質材の表面に連続的に与えることによりショットピーニングを行ない、被改質材の表面に圧縮残留応力を形成する技術を提案している（特許文献３参照）。
特開平７−２７０５９１号公報 特開平８−３３６７５５号公報 特開２００３−２２０５２３号公報

上述した従来の技術のうち、キャビテーションを利用するものは、金属部品に対して大きな圧縮残留応力を付与することが可能である。

しかしながら、ノズルからの噴出流体を金属材料表面に噴射してウォータジェットにより引張り残留応力を圧縮残留応力に改善する技術の場合には、ウォータジェットの発生設備、噴射設備等に極めて大掛かりな装置が必要となる一方で、金属部品の一部分に対して緻密な作業を行うことが困難であり、特に圧縮残留応力と引張り残留応力とが混在するような場合の処理には採用が困難である。

これに対し、本願出願人の提案による従来技術、すなわち振動板を高周波振動させることにより液体中にてキャビテーション気泡の連続的な生成と崩壊とを繰返させ、そのキャビテーション気泡の崩壊時に発生する衝撃波を被改質材の表面に連続的に与えることによりショットピーニングを行なう技術では、金属部品の一部分に対して緻密な作業を行うことが可能となり、圧縮残留応力と引張り残留応力とが混在するような場合の処理にも良好に採用することができる。

本発明は、このような事情のもとになされたものであり、金属部品の一部分に対してさらに一層の緻密な作業を行うことができ、圧縮残留応力と引張り残留応力とが混在するような処理に対しても極めて良好な処理を行うことができる残留応力部分低減方法および残留応力部分低減装置を提供することを目的とする。

また、本発明は、キャビテーションの衝撃波により大きな圧縮残留応力を付与することができ、マスキングなどの前処理が不要であり、キャビテーションの衝撃波を作用させる条件を変えることにより、付与する圧縮残留応力の大きさを変えることができる残留応力部分低減方法および残留応力部分低減装置を提供することを目的とする。

さらに、本発明は、金属部品の表面応力のばらつきを小さくすることができ、同一形状、同一製法の量産部品に対し、予め応力分布や処理条件を確認しておくことにより、数値データを基にして、連続的に処理を可能とし、熱応力を発生させることなく、仕上げ加工を施した後の部品でも処理を可能とする残留応力部分低減方法および残留応力部分低減装置を提供することを目的とする。

前記の目的を達成するために、請求項１に係る発明では、金属部品の引張り残留応力を検出する残留応力検出工程と、この残留応力検出工程で検出された引張り残留応力に関するデータを基に前記引張り残留応力部の引張り残留応力を圧縮残留応力に変換するための圧縮応力付与エネルギの値、場所、範囲および作用時間を設定する圧縮応力付与エネルギ設定工程と、この圧縮応力付与エネルギ設定工程で設定されたデータを基に、前記金属部品にキャビテーション作用による圧縮残留応力を付与する圧縮残留応力付与工程とを備え、前記圧縮残留応力付与工程では、高周波振動をするホーンを、このホーンと前記金属部品の引張り残留応力部の表面との間隙に液体を介在させて相対的にトラバース動作させることを特徴とする残留応力部分低減方法を提供する。

請求項２に係る発明では、金属部品の引張り残留応力および圧縮残留応力を検出する残留応力検出工程と、この残留応力検出工程で検出された引張り残留応力に関するデータを基に前記引張り残留応力部の引張り残留応力を圧縮残留応力に変換するための圧縮応力付与エネルギの値、場所、範囲および作用時間を設定する圧縮応力付与エネルギ設定工程と、この圧縮応力付与エネルギ設定工程で設定されたデータを基に、前記金属部品にキャビテーション作用による圧縮残留応力を付与する圧縮残留応力付与工程とを備え、前記圧縮残留応力付与工程では、高周波振動をするホーンを、このホーンと前記金属部品の引張り残留応力部の表面との間隙に液体を介在させて相対的にトラバース動作させることを特徴とする残留応力部分低減方法を提供する。

請求項３に係る発明では、前記金属部品の表面に発生している引張り残留応力の大きさに従って、キャビテーションの衝撃波の強さおよび作用時間の少なくともいずれかを調整することにより、表面の応力のばらつきを少なく抑える請求項１または２記載の残留応力部分低減方法を提供する。

請求項４に係る発明では、前記ホーンを、前記金属部品の施工面に倣わせながら、前記間隙を制御して、キャビテーションの衝撃波を前記施工面に作用させる請求項１または２記載の残留応力部分低減方法を提供する。

請求項５に係る発明では、前記間隙値を、１０ｍｍ以下に設定する請求項４記載の残留応力部分低減方法を提供する。

請求項６に係る発明では、金属部品の引張り残留応力を検出する残留応力検出手段と、この残留応力検出手段によって検出された前記金属部品の応力値、場所および範囲を特定する残留応力特定手段と、この残留応力特定手段によって特定された前記金属部品の応力値、場所および範囲に関するデータを保存する残留応力データ保存手段と、この残留応力データ保存手段に保存された引張り残留応力に関するデータを基に前記引張り残留応力部の引張り残留応力を圧縮残留応力に変換するための圧縮応力付与エネルギの値、場所、範囲および作用時間を設定する圧縮応力付与エネルギ設定手段と、この圧縮応力付与エネルギ設定手段により設定された前記圧縮応力付与エネルギに関するデータを保存する圧縮応力付与エネルギデータ保存手段と、この圧縮応力付与エネルギデータ保存手段に保存されたデータを基に、前記金属部品にキャビテーション作用による圧縮残留応力を付与する圧縮残留応力付与機構とを備え、前記圧縮残留応力付与機構は、高周波振動を発生させる高周波振動発生装置と、この高周波振動発生装置に連結されて高周波振動をするホーンと、このホーンと前記金属部品の引張り残留応力部の表面との少なくともいずれか一方を他方に対して相対的にトラバース動作させる動作機構と、少なくとも前記ホーンと前記金属部材の表面との間隙に液体を介在させる液体保持装置とを備えたことを特徴とする残留応力部分低減装置を提供する。

請求項７に係る発明では、金属部品の引張り残留応力および圧縮残留応力を検出する残留応力検出手段と、この残留応力検出手段によって検出された前記金属部品の応力値、場所および範囲を特定する残留応力特定手段と、この残留応力特定手段によって特定された前記金属部品の応力値、場所および範囲に関するデータを保存する残留応力データ保存手段と、この残留応力データ保存手段に保存されたデータ中から引張り残留応力に関するデータを抽出し、そのデータを基に前記引張り残留応力部の引張り残留応力を圧縮残留応力に変換するための圧縮応力付与エネルギの値、場所、範囲および作用時間を設定する圧縮応力付与エネルギ設定手段と、この圧縮応力付与エネルギ設定手段により設定された前記圧縮応力付与エネルギに関するデータを保存する圧縮応力付与エネルギデータ保存手段と、この圧縮応力付与エネルギデータ保存手段に保存されたデータを基に、前記金属部品にキャビテーション作用による圧縮残留応力を付与する圧縮残留応力付与機構とを備え、前記圧縮残留応力付与機構は、高周波振動を発生させる高周波振動発生装置と、この高周波振動発生装置に連結されて高周波振動をするホーンと、このホーンと前記金属部品の引張り残留応力部の表面との少なくともいずれか一方を他方に対して相対的にトラバース動作させる動作機構と、少なくとも前記ホーンと前記金属部材の表面との間隙に液体を介在させる液体保持装置とを備えたことを特徴とする残留応力部分低減装置を提供する。

請求項８に係る発明では、前記圧縮残留応力付与機構は、前記金属部品の表面に発生している引張り残留応力の大きさに従って、キャビテーションの衝撃波の強さおよび作用時間の少なくともいずれかを調整することにより、表面の応力のばらつきを少なく抑える機能を有する請求項６または７記載の残留応力部分低減装置を提供する。

請求項９に係る発明では、前記圧縮残留応力付与機構は、前記ホーンを、前記金属部品の施工面に倣わせながら、前記間隙を制御して、キャビテーションの衝撃波を前記施工面に作用させる機能を有する請求項６または７記載の残留応力部分低減装置を提供する。

請求項１０に係る発明では、前記間隙値は、１０ｍｍ以下に設定されている請求項９記載の残留応力部分低減装置を提供する。

本発明によれば、金属部品の一部分に対してさらに一層の緻密な作業を行うことができ、圧縮残留応力と引張り残留応力とが混在するような処理に対しても極めて良好な処理を行うことができる。

また、本発明によれば、キャビテーションの衝撃波により大きな圧縮残留応力を付与することができ、マスキングなどの前処理が不要であり、キャビテーションの衝撃波を作用させる条件を変えることにより、付与する圧縮残留応力の大きさを変えることができ、表面応力のばらつきを小さくすることができる。

そして、同一形状、同一製法の量産部品に対しては、予め応力分布や処理条件を確認しておくことにより、数値データを基にして、連続的に処理も可能となり、熱応力が発生しないため、仕上げ加工を施した後の部品でも処理が可能である。

以下、本発明に係る残留応力部分低減方法および残留応力部分低減装置の実施形態について、図面を参照して説明する。

［第１実施形態］（図１〜図４）
本実施形態では、金属部品に引張り残留応力と圧縮残留応力とが混在する場合に、その金属部品の引張り残留応力部に高周波振動によるキャビテーションの衝撃波を作用させて圧縮残留応力を付与する残留応力部分低減装置、および同装置を使用する残留応力部分低減方法について説明する。

図１は、本実施形態による残留応力部分低減装置の構成を示す全体構成図である。図２は、図１に示した残留応力部分低減装置の圧縮残留応力付与機構の構成を一部断面として示す拡大側面図であり、図３は作用説明図である。図４は本実施形態による残留応力部分低減方法の手順を示す工程図である。

まず、図１〜図３によって処理対象となる金属部品１および圧縮残留応力付与機構２について説明する。

図１に示すように、本実施形態では処理対象となる金属部品１として、管部１ａの両端にフランジ１ｂを設けたフランジ付き配管部品が適用されている。なお、図１の下部には、金属部品１としてのフランジ付き配管部品を、中心線を水平にした状態で上半部のみ拡大断面として示している。

この金属部品１は、鋳造またはダイキャストにより成形されており、肉厚が略一定である管部１ａの中央部外表面ａと、フランジ外端面ｂ１と、フランジ対向面ｂ２とが圧縮残留応力部となっている。そして、管部１ａとフランジ１ｂとの連結部である肉厚の大きい外表面ｃが、引張り残留応力部となっている。さらに、圧縮残留応力部ａ、ｂ２と引張り残留応力部ｃとの境界部分ｄは、低引張り応力部となっている。

圧縮残留応力付与機構２は、図１〜図３に示すように、高周波振動発生装置２ａに振動発生部として圧電素子からなる超音波振動子３を組込み、この超音波振動子３に例えば先端側が次第に細くなるホーン４を連結した構成となっている。高周波振動発生装置２ａには、商用電源等の電源２１を介して駆動ユニット２３が接続され、この駆動ユニット２３から高周波振動発生装置２ａに高周波電流が供給され、ホーン４が長手方向に高周波振動する。

高周波振動発生装置２ａおよびホーン４は、ホーン４と金属部材１の表面との間隙に液体を介在させる液体保持装置、例えば清浄水５を収容する水槽６内に配置可能とされている。そして、例えば水槽６を支持する基台７上に設けられた駆動源としてのモータ８と、このモータ８の出力軸８ａに連結した上向きの回動アーム９とが備えられ、この回動アーム９の先端側に高周波振動発生装置２ａを移動可能に支持することにより、図１に示した一点Ｏを中心とする回動、図２に示した横方向（ｘ，ｙ方向）の移動、あるいは図３に示した上下方向（ｚ方向）の移動が可能となっている。

このホーン４の移動は、後述するシーケンサ２２からの制御指令によって行われ、例えば、水槽６の清浄水５内に浸漬状態で収容された金属部品１に対し、引張り残留応力部ｃおよび低引張り応力部ｄの表面に沿って三次元方向でのトラバース動作として行われる。すなわち、ホーン４は引張り残留応力部ｃの表面に沿って位置変化および姿勢変化可能とされ、これによりホーン４の先端を金属部品１の引張り残留応力部ｃに対して所定角度で回動および移動することができる。

次に、残留応力部分低減装置の制御構成について説明する。図１に示すように、本実施形態では、金属部品１を処理対象として、引張り残留応力および圧縮残留応力を検出する非破壊式の残留応力検出手段、例えばＸ線応力測定ユニット１１を備えている。このＸ線応力測定ユニット１１は、金属部品１の表面から数μｍの深さにおける応力を検出することができる。

また、本実施形態では、Ｘ線応力測定ユニット１１によって検出された金属部品１の応力値、場所および範囲を特定する残留応力特定手段として、ホスト計算機１２および演算ユニット１３を備えている。

ホスト計算機１２は、残留応力部分低減処理に係る手順、信号処理等を総合的に行うものであり、送信器１４および受信器１５を介してＸ線応力測定ユニット１１に接続されるとともに、操作用の入力器１６および表示器１７に接続されている。

演算ユニット１３は残留応力の場所、残留応力値の大きさの数値化、範囲特定、高周波振動発生装置２ａおよびホーン４等の動作値および振動値設定等に関する演算等を行うものであり、ホスト計算機１２、表示器１７、記憶ユニット１８およびシーケンサ２２に接続されている。記憶ユニット１８には、ホスト計算機１２および演算ユニット１３による演算結果、例えばＸ線応力測定ユニット１１により特定された金属部品１の応力値、場所および範囲等に関するデータの保存、すなわち残留応力データ保存手段としての機能、高周波振動発生装置２ａおよびホーン４等の動作値、および後の確認データの保存等が行われる。

また、演算ユニット１３には、圧縮応力付与エネルギ設定手段としての演算部が含まれており、この演算部では、記憶ユニット１８に保存されたデータ中から引張り残留応力に関するデータを抽出し、そのデータを基に引張り残留応力部ｃの引張り残留応力を圧縮残留応力に変換するための圧縮応力付与エネルギの値、場所、範囲および作用時間の設定等も行われる。

また、記憶ユニット１８には、演算部１９により設定された圧縮応力付与エネルギに関するデータを保存する圧縮応力付与エネルギデータ保存手段としての記憶部が含まれている。この記憶部に保存されたデータを基に、金属部品１にキャビテーション作用による圧縮残留応力を付与する圧縮残留応力付与機構として、電源２１、シーケンサ２２、駆動ユニット２３およびこれにより駆動されて高周波振動を発生させる高周波振動発生装置２とが接続されている。

次に、図４も参照して、残留応力部分低減方法について説明する。

まず、図１左上部に示したＸ線応力測定ユニット１１に被処理物である金属部品１をセットし、金属部品１の表面をＸ線測定することにより、引張り残留応力および圧縮残留応力を検出する（残留応力検出工程；Ｓ１０１）。

ここで得られるＸ線測定データは具体的に、金属部品１の管部１ａの圧縮残留応力部（中央部外表面ａ１、フランジ外端面ｂ１、フランジ対向面ｂ２）、引張り残留応力部（管部１ａとフランジ１ｂとの連結部である肉厚の大きい外表面ｃ）、および低引張り応力部（圧縮残留応力部ａ１、ｂ２と引張り残留応力部ｃとの境界部分ｄ）等の場所、残留応力値の大きさ等であり、これらのデータは演算ユニット１３で数値化される（Ｓ１０２）。

数値化されたデータは、ホスト計算機１２の処理および演算ユニット１３の演算によって、引張り残留応力部ｃおよび低引張り残留応力部ｄのデータとして抽出され（Ｓ１０３）、また圧縮残留応力部のデータとして抽出される（Ｓ１０４）。これにより、残留応力検出工程Ｓ１０１）で検出された金属部品１の残留応力の種類、応力値、場所、応力分布および範囲が特定される（残留応力特定工程；Ｓ１０５）。

残留応力が特定されると、金属部品１の応力値、場所および範囲に関するデータが記憶ユニット１８に、初期の残留応力測定データとして保存される（残留応力データ保存工程；Ｓ１０６）。これらのデータは、表示器１７によって確認することができる。

また、残留応力データ保存工程（Ｓ１０６）で保存されたデータ中から、引張り残留応力に関するデータが抽出され、そのデータを基に、ホスト計算機１２および演算ユニット１３により、引張り残留応力部の引張り残留応力を圧縮残留応力に変換するための圧縮応力付与エネルギの値、場所、処理範囲、装置振動部のストローク、振動数、動作距離、動作時間および作用時間等が設定される（圧縮応力付与エネルギ設定工程；Ｓ１０８）。そして、設定された圧縮応力付与エネルギに関するデータは、記憶ユニット１８に保存される（圧縮応力付与エネルギデータ保存工程）。

なお、処理対象となる金属部品１に直接、残留応力低減処理を行う場合には、上記工程の前に、金属部品１をＸ線応力測定ユニット１１から水槽６に移動し、清浄水５内に浸漬状態で収容設置し、引張り残留応力除去装置の高周波振動発生装置２ａおよびホーン４をセットし、処理を行うことができる（Ｓ１０７）。

この場合、準備終了後、初めに、入力器１６からの指令により、高周波振動発生装置２ａを駆動させ、圧縮応力付与エネルギデータ保存工程（Ｓ１０６）で保存されたデータを基に、金属部品１の低引張り残留応力部ｄの表面にキャビテーション作用による圧縮残留応力を付与する（圧縮残留応力付与工程（１）；Ｓ１０９）。すなわち、超音波振動子３にてホーン４の先端部にキャビテーションを発生させ、低引張り応力部ｄの表面を硬化させ、表面に圧縮残留応力を付与し、表面に発生している引張り応力を低減させる。

次いで、入力器１６からの指令により、高周波振動発生装置２ａを駆動させ、圧縮応力付与エネルギデータ保存工程（Ｓ１０６）で保存されたデータを基に、金属部品１にキャビテーション作用による圧縮残留応力を付与する（圧縮残留応力付与工程（２）；Ｓ１１０）。すなわち、超音波振動子３にてホーン４の先端部にキャビテーションを発生させ、引張り応力部表面を硬化させ、表面に圧縮残留応力を付与し、表面に発生している引張り応力を低減させる。

この場合、ホーン４を、金属部品１の施工面に倣わせながら、ギャップ値δを一定の制御範囲内に維持して、キャビテーションの衝撃波を施工面に作用させる。また、ギャップ値δを、１０ｍｍ以下、例えば６ｍｍ以下に設定する。

そして、金属部品１の表面に発生している引張り残留応力の大きさに従って、キャビテーションの衝撃波の強さおよび作用時間の少なくともいずれかを調整することにより、表面の応力のばらつきを少なく抑える。

さらに、ギャップ値δを変化させることにより、表面の応力のばらつきを低く抑えることが可能である。

引張り応力が大きい個所では、キャビテーションの作用時間を長くするか、またはホーン４とのギャップを小さくし、衝撃波の作用密度を大きくし、大きな圧縮残留応力が付与できるように作用条件を付与する。また、低引張り残留応力部の場合には、引張り応力部への作用条件に比べ、小さめの衝撃波を作用させる。

そして、処理後、部品表面の応力分布を測定し、部品表面の引張り応力が予め決められた値以下になっていることを確認する。

同一条件で製作される多数の部品については、上記の処理を行なった後、一定数ごとにＸ線測定を実施し、品質を確保し、処置済みデータを保存する（Ｓ１１１）。

処理用データ、処理済データに基づき同態様の被処理物についての処理を行うことが可能である（Ｓ１１２）。

なお、本実施形態では、高周波振動発生装置２に連結されて高周波振動をするホーン４の位置を金属部品１の引張り残留応力部の表面に対して移動させる動作機構を有する構成としたが、処理対象となる金属部品１の形状によっては、金属部品１を移動させる構成としてもよい。要するに、ホーン４と金属部品１との少なくともいずれか一方を他方に対して相対的にトラバース動作させる動作機構を採用してもよい。

また、本実施形態では被処理物全体を清浄水５中に浸漬したが、処理部のみを何らかのカバーによって被覆するようにして、ホーン４と金属部材１の表面との間隙に液体を介在させる構成としてもよく、また清浄水以外の水、または他液体、例えばエマルジョン等の液体を適用することも可能である。少なくとも、ホーン４と金属部材１の表面との間隙に液体を介在させる液体保持装置を備えた構成とすればよい。

また、本実施形態では、引張り残留応力および圧縮残留応力を検出する非破壊式の残留応力検出手段として、Ｘ線応力測定ユニット１１を適用したが、Ｘ線応力測定ユニット１１以外の非破壊測定ユニットを適用することも可能である。また、配管部品以外の各種部品にも適用可能であることは勿論である。

［第２実施形態］（図１〜図３、図５）
本実施形態では、金属部品に引張り残留応力のみが存在する場合について適用したものである。この場合には、第１実施形態における圧縮残留応力部のデータを抽出する工程（Ｓ１０４）が不要であり、また残留応力特定工程（Ｓ１０５）における圧縮残留応力部のデータとして抽出される金属部品１の残留応力の種類、応力値、場所、応力分布および範囲の特定が不要である。また、低引張り残留応力部ｄの表面にキャビテーション作用による圧縮残留応力を付与する工程（圧縮残留応力付与工程（１）；Ｓ１０９）も不要である。

したがって、本実施形態の場合には、図５に示すように、Ｘ線応力測定ユニット１１に被処理物である金属部品１をセットし、金属部品１の表面をＸ線測定することにより、引張り残留応力を検出する残留応力検出工程（Ｓ２０１）、数値化工程（Ｓ２０２）が行われる。

数値化されたデータは、ホスト計算機１２の処理および演算ユニット１３の演算によって、引張り残留応力部ｃおよび低引張り残留応力部ｄのデータとして抽出される（Ｓ２０３）。そして、残留応力検出工程（Ｓ２０１）で検出された金属部品１の残留応力値、場所、応力分布および範囲が特定される（残留応力特定工程；Ｓ２０５）。

残留応が特定されると、金属部品１の応力値、場所および範囲に関するデータが記憶ユニット１８に、初期の残留応力測定データとして保存される（残留応力データ保存工程；Ｓ２０５）。これらのデータは、表示器１７によって確認することができる。

また、残留応力データ保存工程（Ｓ２０５）で保存されたデータ中から、引張り残留応力に関するデータが抽出され、そのデータを基に、ホスト計算機１２および演算ユニット１３により、引張り残留応力部の引張り残留応力を圧縮残留応力に変換するための圧縮応力付与エネルギの値、場所、処理範囲、装置振動部のストローク、振動数、動作距離、動作時間および作用時間等が設定される（圧縮応力付与エネルギ設定工程）。そして、設定された圧縮応力付与エネルギに関するデータは、記憶ユニット１８に保存される（圧縮応力付与エネルギデータ保存工程）。

なお、処理対象となる金属部品１に直接、残留応力低減処理を行う場合には、上記工程の前に、金属部品１をＸ線応力測定ユニット１１から水槽６に移動し、清浄水５内に浸漬状態で収容設置し、引張り残留応力除去装置の高周波振動発生装置２ａおよびホーン４をセットし、処理を行うことができる（Ｓ２０６）。

この場合、準備終了後、入力器１６からの指令により、高周波振動発生装置２ａを駆動させ、圧縮応力付与エネルギデータ保存工程（Ｓ２０５）で保存されたデータを基に、金属部品１にキャビテーション作用による圧縮残留応力を付与する（圧縮残留応力付与工程（２）；Ｓ２０８）。すなわち、超音波振動子３にてホーン４の先端部にキャビテーションを発生させ、引張り応力部表面を硬化させ、表面に圧縮残留応力を付与し、表面に発生している引張り応力を低減させる。

この場合、ホーン４を、金属部品１の施工面に倣わせながら、ギャップ値δを一定の制御範囲内に維持して、キャビテーションの衝撃波を施工面に作用させる。また、ギャップ値δを、１０ｍｍ以下に設定する。

そして、金属部品１の表面に発生している引張り残留応力の大きさに従って、キャビテーションの衝撃波の強さおよび作用時間の少なくともいずれかを調整することにより、表面の応力のばらつきを少なく抑える。

さらに、ギャップ値δを変化させることにより、表面の応力のばらつきを低く抑えることが可能である。

引張り応力が大きい個所では、キャビテーションの作用時間を長くするか、またはホーン４とのギャップを小さくし、衝撃波の作用密度を大きくし、大きな圧縮残留応力が付与できるように作用条件を付与する。この場合には、引張り応力部への作用条件に比べ、小さめの衝撃波を作用させる。

そして、処理後、部品表面の応力分布を測定し、部品表面の引張り応力が予め決められた値以下になっていることを確認する。

同一条件で製作される多数の部品については、上記の処理を行なった後、一定数ごとにＸ線測定を実施し、品質を確保し、処置済みデータを保存する（Ｓ２０９）。

処理用データ、処理済データに基づき同態様の被処理物についての処理を行うことが可能である（Ｓ２１０）。

なお、本実施形態でも、高周波振動発生装置２に連結されて高周波振動をするホーン４の位置を金属部品１の引張り残留応力部の表面に対して移動させる動作機構を有する構成としたが、処理対象となる金属部品１の形状によっては、金属部品１を移動させる構成としてもよい。要するに、ホーン４と金属部品１との少なくともいずれか一方を他方に対して相対的にトラバース動作させる動作機構を採用してもよい。

また、本実施形態では被処理物全体を清浄水５中に浸漬したが、処理部のみを何らかのカバーによって被覆するようにして、ホーン４と金属部材１の表面との間隙に液体を介在させる構成としてもよく、また清浄水以外の水、または他液体、例えばエマルジョン等の液体を適用することも可能である。少なくとも、ホーン４と金属部材１の表面との間隙に液体を介在させる液体保持装置を備えた構成とすればよい。

また、本実施形態では、引張り残留応力および圧縮残留応力を検出する非破壊式の残留応力検出手段として、Ｘ線応力測定ユニット１１を適用したが、Ｘ線応力測定ユニット１１以外の非破壊測定ユニットを適用することも可能である。また、配管部品以外の各種部品にも適用可能であることは勿論である。

本発明の第１実施形態による残留応力部分低減装置の構成を示す全体構成図。 図１に示した残留応力部分低減装置の圧縮残留応力付与機構の構成を一部断面として示す拡大側面図。 本発明の第１実施形態の作用説明図。 本発明の第１実施形態による残留応力部分低減方法の手順を示す工程図。 本発明の第２実施形態による残留応力部分低減方法の手順を示す工程図。

符号の説明

１ 金属部品
１ａ 管部
１ｂ フランジ
２ 圧縮残留応力付与機構
２ａ 高周波振動発生装置
３ 超音波振動子
４ ホーン
５ 清浄水
６ 水槽
７ 基台
８ モータ
８ａ 出力軸
９ 回動アーム
１１ Ｘ線応力測定ユニット
１２ ホスト計算機
１３ 演算ユニット
１４ 送信器
１５ 受信器
１６ 入力器
１７ 表示器
１８ 記憶ユニット
２１ 電源
２２ シーケンサ
２３ 駆動ユニット
ａ 管部１ａの中央部外表面（圧縮残留応力部）
ｂ１ フランジ外端面
ｂ２ フランジ対向面（圧縮残留応力部）
ｃ 外表面（引張り残留応力部）
ｄ 境界部分（低引張り応力部）

Claims (10)

1. 金属部品の引張り残留応力を検出する残留応力検出工程と、この残留応力検出工程で検出された引張り残留応力に関するデータを基に前記引張り残留応力部の引張り残留応力を圧縮残留応力に変換するための圧縮応力付与エネルギの値、場所、範囲および作用時間を設定する圧縮応力付与エネルギ設定工程と、この圧縮応力付与エネルギ設定工程で設定されたデータを基に、前記金属部品にキャビテーション作用による圧縮残留応力を付与する圧縮残留応力付与工程とを備え、前記圧縮残留応力付与工程では、高周波振動をするホーンを、このホーンと前記金属部品の引張り残留応力部の表面との間隙に液体を介在させて相対的にトラバース動作させることを特徴とする残留応力部分低減方法。
2. 金属部品の引張り残留応力および圧縮残留応力を検出する残留応力検出工程と、この残留応力検出工程で検出された引張り残留応力に関するデータを基に前記引張り残留応力部の引張り残留応力を圧縮残留応力に変換するための圧縮応力付与エネルギの値、場所、範囲および作用時間を設定する圧縮応力付与エネルギ設定工程と、この圧縮応力付与エネルギ設定工程で設定されたデータを基に、前記金属部品にキャビテーション作用による圧縮残留応力を付与する圧縮残留応力付与工程とを備え、前記圧縮残留応力付与工程では、高周波振動をするホーンを、このホーンと前記金属部品の引張り残留応力部の表面との間隙に液体を介在させて相対的にトラバース動作させることを特徴とする残留応力部分低減方法。
3. 前記金属部品の表面に発生している引張り残留応力の大きさに従って、キャビテーションの衝撃波の強さおよび作用時間の少なくともいずれかを調整することにより、表面の応力のばらつきを少なく抑える請求項１または２記載の残留応力部分低減方法。
4. 前記ホーンを、前記金属部品の施工面に倣わせながら、前記間隙を制御して、キャビテーションの衝撃波を前記施工面に作用させる請求項１または２記載の残留応力部分低減方法。
5. 前記間隙値を、１０ｍｍ以下に設定する請求項４記載の残留応力部分低減方法。
6. 金属部品の引張り残留応力を検出する残留応力検出手段と、この残留応力検出手段によって検出された前記金属部品の応力値、場所および範囲を特定する残留応力特定手段と、この残留応力特定手段によって特定された前記金属部品の応力値、場所および範囲に関するデータを保存する残留応力データ保存手段と、この残留応力データ保存手段に保存された引張り残留応力に関するデータを基に前記引張り残留応力部の引張り残留応力を圧縮残留応力に変換するための圧縮応力付与エネルギの値、場所、範囲および作用時間を設定する圧縮応力付与エネルギ設定手段と、この圧縮応力付与エネルギ設定手段により設定された前記圧縮応力付与エネルギに関するデータを保存する圧縮応力付与エネルギデータ保存手段と、この圧縮応力付与エネルギデータ保存手段に保存されたデータを基に、前記金属部品にキャビテーション作用による圧縮残留応力を付与する圧縮残留応力付与機構とを備え、前記圧縮残留応力付与機構は、高周波振動を発生させる高周波振動発生装置と、この高周波振動発生装置に連結されて高周波振動をするホーンと、このホーンと前記金属部品の引張り残留応力部の表面との少なくともいずれか一方を他方に対して相対的にトラバース動作させる動作機構と、少なくとも前記ホーンと前記金属部材の表面との間隙に液体を介在させる液体保持装置とを備えたことを特徴とする残留応力部分低減装置。
7. 金属部品の引張り残留応力および圧縮残留応力を検出する残留応力検出手段と、この残留応力検出手段によって検出された前記金属部品の応力値、場所および範囲を特定する残留応力特定手段と、この残留応力特定手段によって特定された前記金属部品の応力値、場所および範囲に関するデータを保存する残留応力データ保存手段と、この残留応力データ保存手段に保存されたデータ中から引張り残留応力に関するデータを抽出し、そのデータを基に前記引張り残留応力部の引張り残留応力を圧縮残留応力に変換するための圧縮応力付与エネルギの値、場所、範囲および作用時間を設定する圧縮応力付与エネルギ設定手段と、この圧縮応力付与エネルギ設定手段により設定された前記圧縮応力付与エネルギに関するデータを保存する圧縮応力付与エネルギデータ保存手段と、この圧縮応力付与エネルギデータ保存手段に保存されたデータを基に、前記金属部品にキャビテーション作用による圧縮残留応力を付与する圧縮残留応力付与機構とを備え、前記圧縮残留応力付与機構は、高周波振動を発生させる高周波振動発生装置と、この高周波振動発生装置に連結されて高周波振動をするホーンと、このホーンと前記金属部品の引張り残留応力部の表面との少なくともいずれか一方を他方に対して相対的にトラバース動作させる動作機構と、少なくとも前記ホーンと前記金属部材の表面との間隙に液体を介在させる液体保持装置とを備えたことを特徴とする残留応力部分低減装置。
8. 前記圧縮残留応力付与機構は、前記金属部品の表面に発生している引張り残留応力の大きさに従って、キャビテーションの衝撃波の強さおよび作用時間の少なくともいずれかを調整することにより、表面の応力のばらつきを少なく抑える機能を有する請求項６または７記載の残留応力部分低減装置。
9. 前記圧縮残留応力付与機構は、前記ホーンを、前記金属部品の施工面に倣わせながら、前記間隙を制御して、キャビテーションの衝撃波を前記施工面に作用させる機能を有する請求項６または７記載の残留応力部分低減装置。
10. 前記間隙値は、１０ｍｍ以下に設定されている請求項９記載の残留応力部分低減装置。

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