JP5718690B2 - Method and apparatus for evaluating shear fatigue characteristics of rolling contact metal materials - Google Patents

Method and apparatus for evaluating shear fatigue characteristics of rolling contact metal materials Download PDF

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Description

この発明は、転がり接触金属材料のせん断疲労特性評価方法および装置に関し、例えば、軸受用鋼等の転がり軸受用の高強度金属材料のせん断疲労特性を迅速に評価する方法および装置に関する。   The present invention relates to a method and apparatus for evaluating shear fatigue characteristics of a rolling contact metal material, for example, a method and apparatus for quickly evaluating the shear fatigue characteristics of a high strength metal material for rolling bearings such as bearing steel.

せん断疲労特性を評価には、油圧サーボ型ねじり疲労試験機、シェンク式ねじり疲労試験機があるが、負荷周波数は、前者が最高で10Hz程度、後者が30Hz程度であり、疲労限度を求める場合など、超長寿命域までのせん断疲労特性を評価するには多大な時間を要する。
転がり軸受用の高強度金属材料として、現在最もよく用いられているのは、高炭素クロム軸受鋼JIS-SUJ2であり、還元雰囲気中でA1変態点以上の温度(850℃程度) に加熱してから焼入し、比較的低温(180℃程度) で焼戻され、硬さは750HV 程度になる。動力伝達シャフト用の高強度金属材料として、現在最もよく用いられているのは,約0.4mass%の炭素を含み,焼入性向上元素(Mn ,B など) を添加した鋼であり、高周波焼入した後に低温(150℃程度) で焼戻され,硬さは650HV 程度になる。
There are hydraulic servo type torsional fatigue testing machines and Schenck type torsional fatigue testing machines for evaluating shear fatigue characteristics, but the load frequency is about 10 Hz at the maximum for the former and about 30 Hz for the latter. It takes a lot of time to evaluate the shear fatigue characteristics up to the ultra-long life region.
The most commonly used high-strength metal material for rolling bearings is JIS-SUJ2, a high-carbon chromium bearing steel that is heated to a temperature above the A1 transformation point (approximately 850 ° C) in a reducing atmosphere. It is quenched from a low temperature and tempered at a relatively low temperature (about 180 ° C), resulting in a hardness of about 750HV. The most commonly used high-strength metal material for power transmission shafts is steel containing about 0.4 mass% carbon and containing hardenability enhancing elements (Mn, B, etc.). After tempering, it is tempered at a low temperature (about 150 ° C), and the hardness becomes about 650HV.

転がり軸受の場合、良好な潤滑条件下で寿命を全うして起きる内部起点型はく離は、表層内部で振幅が最大となる交番せん断応力( ほぼ両振り) の繰り返しによってき裂が発生,進展する過程をたどると考えられている。引張圧縮疲労試験( 軸荷重疲労試験,回転曲げ疲労試験) の場合、107 回における垂直応力振幅を疲労限度σW0とすることが慣習的である。それに対し、転がり軸受の場合、かなり高い接触負荷を与えても、107 回程度の負荷回数では内部起点型はく離は起こらない。例えば、負荷周波数が10Hzの油圧サーボ型ねじり疲労試験機で109 回の負荷回数に到達するには3年以上を要する.そのため、超長寿命域までのせん断疲労特性を求めることは実質不可能である。 In the case of rolling bearings, internal origin-type debonding that occurs at the end of its life under good lubrication conditions is a process in which cracks are generated and propagated by repeated alternating shear stress (approximately double swing) with the maximum amplitude inside the surface layer. It is thought to follow. In the case of a tensile compression fatigue test (axial load fatigue test, rotary bending fatigue test), it is customary to set the normal stress amplitude at 10 7 times to the fatigue limit σ W0 . On the other hand, in the case of a rolling bearing, even if a considerably high contact load is applied, the internal origin type separation does not occur at a load frequency of about 10 7 times. For example, it takes more than 3 years to reach 10 9 load cycles with a hydraulic servo torsional fatigue tester with a load frequency of 10 Hz. Therefore, it is practically impossible to obtain the shear fatigue characteristics up to the ultra-long life range.

その代わりに、転がり軸受用鋼中に不可避に含まれ、組織的に不連続なため応力集中源となる非金属介在物が内部起点型はく離の起点になるとの考えから、任意の体積中に含まれる非金属介在物の最大サイズを極値統計解析によって推定する手法が考案され、非金属介在物の最大サイズを鋼の品質の指標とする方法がとられている(例えば、特許文献1〜4)。   Instead, it is inevitably included in rolling bearing steel, and non-metallic inclusions, which are a source of stress concentration due to structural discontinuity, are included in an arbitrary volume because it is considered as the starting point of internal starting type separation. A method for estimating the maximum size of non-metallic inclusions by extreme statistical analysis has been devised, and a method has been adopted in which the maximum size of non-metallic inclusions is used as an index of steel quality (for example, Patent Documents 1 to 4). ).

特開2004−251898号公報JP 2004-251898 A 特開2005−105363号公報JP 2005-105363 A 特開2006−128865号公報JP 2006-128865 A 特開2006−349698号公報JP 2006-349698 A

藤井幸生, 前田喜久男, 大塚昭夫, NTN Technical Review, 69 (2001) 53-60.Yukio Fujii, Kikuo Maeda, Akio Otsuka, NTN Technical Review, 69 (2001) 53-60. ワイ.ムラカミ、シー.サカエ、エス.ハマダ( Y. Murakami, C.Sakae and S. Hamada), 疲労工学(Engineering Against Fatigue), Univ. of Sheffield) , UK, (1997), 473p.Wy. Murakami, Sea. Sakae, S. Y. Murakami, C. Sakae and S. Hamada, Engineering Against Fatigue, Univ. Of Sheffield, UK, (1997), 473p. 日本材料学会, 改訂材料強度学, 日本材料学会, 京都, (2006), 94p.Material Society of Japan, Revised Material Strength Science, Material Society of Japan, Kyoto, (2006), 94p.

内部起点型はく離に先立つ転がり接触面表層における疲労き裂の進展様式はモードII型と考えられている。上記の非金属介在物の最大サイズから疲労限面圧を推定する方法として、非特許文献1の考察に記載の考え方がある。非特許文献1の図13にあるように、ヘルツ接触圧力が移動する場合について、交番せん断応力振幅がおよそ最大になる深さb/2(bは接触楕円の短軸半径)に直径2aの円板状き裂が存在すると考える。このき裂を最大介在物の直径に見立てる。非特許文献1では、独自のモードII疲労き裂進展実験を行い、疲労き裂進展しなくなる応力拡大係数の下限界値をΔKIIth=3MPa√mと求めている。非特許文献1の図14では、ΔKIIth=3MPa√mの場合について、き裂面間の摩擦係数を0.5と仮定し、最大接触面圧と疲労き裂進展するか否かの臨界き裂直径2aの関係が示されている。例えば、2a=50μmとすると、疲労限面圧はPmaxlim=2.5GPaと推定されている。しかしながら、この方法では、き裂面間の摩擦係数は未知であり、ある値に仮定しなければならない。また、非特許文献2でも、独自のモードII疲労き裂進展実験を行い、疲労き裂進展しなくなる応力拡大係数の下限界値をΔKIIth=13MPa√mと求めており、非特許文献1のΔKIIthとは大きく異なる。 The mode of fatigue crack propagation at the surface of the rolling contact surface prior to internal origin type delamination is considered to be mode II. As a method of estimating the fatigue limit surface pressure from the maximum size of the non-metallic inclusions, there is a concept described in the consideration of Non-Patent Document 1. As shown in FIG. 13 of Non-Patent Document 1, when the Hertz contact pressure moves, a circle having a diameter 2a at a depth b / 2 (b is the minor axis radius of the contact ellipse) at which the alternating shear stress amplitude is approximately maximized. It is considered that a plate crack exists. Think of this crack as the diameter of the largest inclusion. In Non-Patent Document 1, an original mode II fatigue crack growth experiment is performed, and the lower limit value of the stress intensity factor at which fatigue crack growth does not occur is determined as ΔK IIth = 3 MPa√m. In FIG. 14 of Non-Patent Document 1, in the case of ΔK IIth = 3 MPa√m, it is assumed that the coefficient of friction between the crack surfaces is 0.5, and the critical pressure on whether or not the maximum contact surface pressure and fatigue crack progress. The relationship of the crack diameter 2a is shown. For example, when 2a = 50 μm, the fatigue limit surface pressure is estimated to be P maxlim = 2.5 GPa. However, in this method, the coefficient of friction between the crack surfaces is unknown and must be assumed to be a certain value. Non-Patent Document 2 also conducted an original mode II fatigue crack growth experiment and found that the lower limit value of the stress intensity factor at which fatigue crack growth does not occur is ΔK IIth = 13 MPa√m. Very different from ΔK IIth .

この発明の目的は、転がり接触する金属材料のせん断疲労特性を、試験により迅速に、かつ精度良く評価できる方法および装置を提供することを目的とする。   An object of the present invention is to provide a method and an apparatus capable of quickly and accurately evaluating the shear fatigue characteristics of a metal material in rolling contact with a test.

この発明における第1の発明のせん断疲労特性評価方法は、転がり接触する金属材料のせん断疲労特性を、前記金属材料からなる試験片を用いて試験し評価する方法であって、
交流電力が印加されることで回転中心軸回りの正逆の回転となるねじり振動を発生するねじり振動コンバータと、先端に同心に試験片を取付ける取付部を有し基端でねじり振動コンバータに固定され、基端に与えられた前記ねじり振動コンバータのねじり振動の振幅を拡大する振幅拡大ホーンと、発振器と、この発振器の出力を増幅して前記ねじり振動コンバータに印加するアンプと、このアンプに前記制御の入力を与える制御手段とを用い、
前記振幅拡大ホーンの形状、寸法を、前記ねじり振動コンバータの駆動によるねじり振動に共振する形状、寸法とし、
前記試験片の形状,寸法を、前振幅拡大ホーンのねじり振動に共振する形状,寸法とし、
前記ねじり振動コンバータを超音波領域の周波数範囲で駆動し、前記振幅拡大ホーンと前記試験片を共振させて、試験片をせん断疲労破壊させる試験を行い
前記振幅拡大ホーンの形状は、前記試験片の取付部となる先端側が細くなる指数関数型であり、
験により得られたせん断応力振幅と負荷回数との関係を用いて、前記金属材料のせん断疲労特性を評価することを特徴とする。
前記アンプは、出力の大きさおよびオンオフが外部からの入力により制御可能であっても良い。
なお、この明細書において、「超音波領域の周波数範囲」は、広義となる16000Hz以上の音波の周波数領域を言う。
Shear fatigue properties evaluation method of the first invention in this inventions is the shear fatigue property of the metal material in rolling contact, a method of testing is evaluated using a test piece made of the metal material,
A torsional vibration converter that generates torsional vibration that rotates forward and backward around the rotation center axis when AC power is applied, and a mounting part that attaches a test piece concentrically to the tip, and is fixed to the torsional vibration converter at the base end And an amplitude expansion horn that expands the amplitude of the torsional vibration of the torsional vibration converter applied to the base end, an oscillator, an amplifier that amplifies the output of the oscillator and applies it to the torsional vibration converter, Using control means for providing control input,
The shape and dimensions of the amplitude expanding horn are the shapes and dimensions that resonate with torsional vibration caused by driving the torsional vibration converter,
The shape and dimensions of the test piece are those that resonate with the torsional vibration of the front amplitude expansion horn,
Drive the torsional vibration converter in the frequency range of the ultrasonic region, resonate the amplitude expanding horn and the test piece, and perform a test for shear fatigue failure of the test piece ,
The shape of the amplitude expanding horn is an exponential function type in which the tip side that becomes the mounting portion of the test piece becomes thin,
Using the relationship between the shear stress amplitude and the load count obtained by testing, and evaluating the shear fatigue property of the metallic material.
The amplifier may be capable of controlling the output size and on / off by external input.
In this specification, the “frequency range of the ultrasonic region” refers to a frequency region of sound waves of 16000 Hz or higher in a broad sense.

この方法によると、加振周波数が超音波領域となる極めて高速な超音波ねじり疲労試験機を行うため、転がり接触する金属材料のせん断疲労特性を評価するにつき、短時間で必要な負荷回数に達し、せん断疲労特性を迅速に評価することができる。例えば、20000Hzで連続加振すれば,わずか半日余りで109 回の負荷回数に到達する。また、実際にせん断疲労破壊を生じさせる試験を行うため、従来の非金属介在物の最大サイズを鋼の品質の指標とする方法に比べて、精度良くせん断疲労特性を求めることができる。試験片は共振させるため、僅かなエネルギの投入で効率良くせん断疲労破壊を生じさせることができる。
なお、材料の疲労破壊を支配する応力は、突き詰めれば垂直応力かせん断応力のどちらかである。垂直応力による疲労特性を高速に評価するため、超音波軸荷重疲労試験機(完全両振り)が市販されてから数年が経つ。それに対し、せん断疲労特性を高速に評価するための超音波ねじり疲労試験の研究はほとんど行われておらず、これまでに評価された材料は、最大せん断応力振幅(完全両振り)が250MPa以下で疲労破壊する軟鋼やアルミ合金である。この発明は、このような技術水準下で、転がり接触する金属材料につき、超音波領域の加振周波数となるねじり振動の付与によりせん断疲労破壊させ、迅速なせん断疲労特性の評価を実現可能としたものである。
According to this method, an extremely high-speed ultrasonic torsional fatigue testing machine in which the excitation frequency is in the ultrasonic range is performed. Therefore, the required number of loads can be reached in a short time to evaluate the shear fatigue characteristics of the metal material in rolling contact. Shear fatigue characteristics can be quickly evaluated. For example, if continuous excitation is performed at 20000 Hz, the load count reaches 10 9 times in just half a day. In addition, since a test that actually causes shear fatigue failure is performed, the shear fatigue characteristics can be obtained with higher accuracy than the conventional method in which the maximum size of the non-metallic inclusions is used as an index of steel quality. Since the test piece resonates, shear fatigue failure can be efficiently generated with a small amount of energy input.
It should be noted that the stress governing the fatigue fracture of the material is either normal stress or shear stress. Several years have passed since the ultrasonic axial load fatigue tester (full swing) was put on the market to evaluate fatigue characteristics due to normal stress at high speed. In contrast, ultrasonic torsional fatigue tests for evaluating shear fatigue properties at high speed have hardly been studied, and the materials evaluated so far have a maximum shear stress amplitude (full swing) of 250 MPa or less. It is mild steel or aluminum alloy that undergoes fatigue failure. The present invention makes it possible to realize a rapid evaluation of shear fatigue characteristics by applying a torsional vibration with an excitation frequency in the ultrasonic region to a metal material that is in rolling contact under such a technical level. Is.

前記ねじり振動コンバータにより発生するねじり振動は、正回転方向と逆回転方向とが対称となる振動である完全両振りとすることが好ましい。
前記ねじり振動コンバータを駆動する周波数の下限値が(20000−500+α)Hz、上限値が(20000+500)Hz、ただしαは試験片の試験中の性状変化に対する余裕値であって200Hz以下、であっても良い。このように周波数の下限値を(20000−500+α)Hzとし、上限値を(20000+500)Hzとし、ねじり振動コンバータを実施可能な最大出力で試験する場合、共振不安定を生じないようにし得る。
前記周波数の下限値および上限値が前記周波数である場合に、前記余裕値が200Hzであっても良い。また、前記試験片を前記振幅拡大ホーンの振動に共振させてせん断疲労破壊させる試験を行うときに、前記振幅拡大ホーンを前記ねじり振動コンバータの振動に共振させることが好ましい。この場合に、前記振幅拡大ホーンは、横断面形状が円形であって、基端部を除く部分の縦断面形状が、先細り形状とするのが良い。この形状とすることで、振幅拡大が効果的に行われる。
It is preferable that the torsional vibration generated by the torsional vibration converter is a complete swing that is a vibration in which the forward rotation direction and the reverse rotation direction are symmetric.
The lower limit value of the frequency for driving the torsional vibration converter is (20000-500 + α) Hz, the upper limit value is (20000 + 500) Hz, where α is a margin value for property change during the test of the test piece, and is 200 Hz or less, Also good. In this way, when the lower limit value of the frequency is (20000−500 + α) Hz and the upper limit value is (20000 + 500) Hz and the torsional vibration converter is tested at the maximum possible output, resonance instability can be prevented.
When the lower limit value and the upper limit value of the frequency are the frequency, the margin value may be 200 Hz. Further, when performing a test for causing the test piece to resonate with the vibration of the amplitude expansion horn to cause shear fatigue destruction, it is preferable that the amplitude expansion horn is resonated with the vibration of the torsional vibration converter. In this case, the amplitude expanding horn preferably has a circular cross-sectional shape, and a vertical cross-sectional shape of a portion excluding the base end portion is a tapered shape. By adopting this shape, amplitude expansion is effectively performed.

前記振幅拡大ホーンの材質がチタン合金であっても良い。
前記振幅拡大ホーンの材質であるチタン合金が、少なくともAlを6%以上、Moを3%以上含有するものであっても良い。
前記振幅拡大ホーンの材質であるチタン合金のロックウェルC硬さが35以上であっても良い
この発明における第2の発明のせん断疲労特性評価方法は、転がり接触する金属材料のせん断疲労特性を、前記金属材料からなる試験片を用いて試験し評価する方法であって、
交流電力が印加されることで回転中心軸回りの正逆の回転となるねじり振動を発生するねじり振動コンバータと、先端に同心に試験片を取付ける取付部を有し基端でねじり振動コンバータに固定され、基端に与えられた前記ねじり振動コンバータのねじり振動の振幅を拡大する振幅拡大ホーンと、発振器と、この発振器の出力を増幅して前記ねじり振動コンバータに印加するアンプと、このアンプに前記制御の入力を与える制御手段とを用い、前記振幅拡大ホーンの形状、寸法を、前記ねじり振動コンバータの駆動によるねじり振動に共振する形状、寸法とし、前記試験片の形状、寸法を、前記振幅拡大ホーンのねじり振動に共振する形状、寸法とし、前記ねじり振動コンバータを超音波領域の周波数範囲で駆動し、前記振幅拡大ホーンと前記試験片を共振させて、試験片をせん断疲労破壊させる試験を行い、前記振幅拡大ホーンは、横断面形状が円形であって、基端部を除く部分の縦断面形状が、先細り形状であり、前記振幅拡大ホーンの材質がチタン合金であり、この振幅拡大ホーンの材質であるチタン合金のロックウェルC硬さが35以上であり、
記振幅拡大ホーンは、その基端部の端面の中央から突出して前記ねじり振動コンバータへ取付けられる取付部、および先端の前記試験片を取り付ける雌ネジ部を除いた振幅拡大ホーン形状モデルにつき、物性値をE=1.16×1011Pa、ν=0.27、ρ=4460kg/ m3 を物性値としたとき、有限要素解析による自由ねじり共振の固有値解析で求まる、小径側端面のねじり角の大径側端面のねじり角に対する比である拡大率が43倍以上であり、先端のねじり角が0.018radのとき、先細り部表面に作用する最大せん断応力が180MPa以下となる。
The material of the amplitude expanding horn may be a titanium alloy.
The titanium alloy that is the material of the amplitude expanding horn may contain at least 6% Al and 3% Mo.
The Rockwell C hardness of the titanium alloy that is the material of the amplitude expanding horn may be 35 or more .
The shear fatigue property evaluation method of the second invention in this invention is a method for testing and evaluating the shear fatigue property of a metal material in rolling contact using a test piece made of the metal material,
A torsional vibration converter that generates torsional vibration that rotates forward and backward around the rotation center axis when AC power is applied, and a mounting part that attaches a test piece concentrically to the tip, and is fixed to the torsional vibration converter at the base end And an amplitude expansion horn that expands the amplitude of the torsional vibration of the torsional vibration converter applied to the base end, an oscillator, an amplifier that amplifies the output of the oscillator and applies it to the torsional vibration converter, A control means for providing a control input, and the shape and size of the amplitude expanding horn is set to a shape and size that resonates with torsional vibration generated by driving the torsional vibration converter, and the shape and size of the test piece is set to expand the amplitude. The shape and dimensions resonate with the torsional vibration of the horn, and the torsional vibration converter is driven in the ultrasonic frequency range, The test piece is resonated and the test piece is subjected to a shear fatigue fracture test.The amplitude expanding horn has a circular cross-sectional shape, and a vertical cross-sectional shape of a portion excluding the base end portion is a tapered shape. The material of the amplitude expansion horn is a titanium alloy, and the Rockwell C hardness of the titanium alloy that is the material of the amplitude expansion horn is 35 or more,
Before SL amplitude expansion horn, for its mounting portion mounted from the center of the end surface of the proximal end portion to the torsional vibration converter projects, and the tip the amplitude larger horn shape model except the female threaded portion for attaching the test piece, the physical properties The torsion angle of the end face on the small diameter side obtained by eigenvalue analysis of free torsional resonance by finite element analysis, where E = 1.16 × 10 11 Pa, ν = 0.27, and ρ = 4460 kg / m 3 magnification, which is the ratio twist angle of the large diameter side end face is not less 43 times or more, when the torsional angle of the tip of 0.018Rad, the maximum shear stress acting on the tapered section surface that follows Do 180 MPa.

この発明において、前記試験片が、両端の円柱形状の肩部と、これら両側の肩部に続き軸方向に沿う断面形状が円弧曲線となる中細り部とでなるダンベル形であることが好ましい。上記ダンベル形であると、中細り部でせん断疲労破壊を生じさせ易い。試験片は共振させる必要があり、そのため各部の形状,寸法を適切に設計することが必要である。
共振可能な適正な形状,寸法の試験片を設計,製作するには、次の方法が好ましい。
試験片の前記肩部の長さをL1 、前記中細り部の半分の長さである半弦長さをL2 、前記肩部の半径をR2 、前記中細り部の最小半径をR1 ,前記円弧曲線の半径をR(いずれも単位はm,RはR1 ,R2 ,L2 から求まる) とし、共振周波数をf(単位はHz)、ヤング率E(単位はPa),ポアソン比ν( 無次元) ,密度ρ( 単位はkg/m3)とし、
前記L2 ,R1 ,R2 を任意の値とし、前記共振周波数fを前記振動コンバータが駆動可能な周波数範囲20000±500Hzの任意の値として、次式(1) 〜(6) により、前記共振周波数fで試験片がねじり共振する肩部の長さをL1 を理論解として求め、前記L2 、R1 、R2 、Rおよび理論解として求まったL1 を僅かに短くした複数の試験片形状モデルを作成し、
これらの形状モデルにつき、E、ν、ρを試験片とする金属材料の実測物性値とし、有限要素解析による自由ねじり共振の固有値解析により、前記共振周波数fでねじり共振する解析解L1Nを求め、前記L2 、R1 、R2 、R、L1Nの寸法の試験片を作製して試験に用いる。

Figure 0005718690
In this invention, it is preferable that the said test piece is a dumbbell shape which consists of the cylindrical shoulder part of both ends, and the cross-sectional shape along an axial direction following the shoulder part of these both sides becomes a circular curve. When the shape is the dumbbell shape, shear fatigue failure is likely to occur at the thinned portion. The test piece needs to resonate, and accordingly, the shape and dimensions of each part must be designed appropriately.
In order to design and manufacture a test piece having an appropriate shape and size capable of resonating, the following method is preferable.
The length of the shoulder portion of the test piece is L 1 , the half chord length that is half the length of the thinned portion is L 2 , the radius of the shoulder portion is R 2 , and the minimum radius of the thinned portion is R 1 , the radius of the arc curve is R (all are m, R is determined from R 1 , R 2 , L 2 ), the resonance frequency is f (unit is Hz), Young's modulus E (unit is Pa), Poisson's ratio ν (dimensionless), density ρ (unit: kg / m 3 ),
The L 2 , R 1 , and R 2 are set to arbitrary values, the resonance frequency f is set to an arbitrary value in a frequency range of 20000 ± 500 Hz that can be driven by the vibration converter, and the following equations (1) to (6) are used. determined the length of the shoulder portion of the test piece at a resonant frequency f is torsional resonance of L 1 as the theoretical solution, the L2, R1, R2, R and a plurality of specimen geometry model the L1 that Motoma' slightly shortened as theoretical solution Create
For these shape models, E, ν, and ρ are measured physical property values of a metal material, and an analytical solution L1N that undergoes torsional resonance at the resonance frequency f is obtained by eigenvalue analysis of free torsional resonance by finite element analysis. Test pieces having the dimensions L2, R1, R2, R, and L1N are prepared and used for the test.
Figure 0005718690

この理論解として求めた肩部長さL1 およびこの解の計算に用いた上記各部の寸法L2 ,R1 ,R2 ,Rの試験片を作成して試験しても良いが、共振を生じない場合がある。
その場合は、上記理論解として求まったL1 を僅かに短くした複数の試験片形状モデルを作成し、
これらの各形状モデルにつき、E,ν,ρを試験片とする金属材料の実測物性値とし、有限要素解析による自由ねじり共振の固有値解析により、前記共振周波数fでねじり共振する解析解L1Nを求め、前記L2 、R1 、R2 、R、L1Nの寸法の試験片を作成して試験に用いる。
このような試験片の形状,寸法とすることで、試験片の共振が生じる。
A test piece having the shoulder length L 1 obtained as the theoretical solution and the dimensions L 2 , R 1 , R 2 , and R of the above parts used for the calculation of the solution may be prepared and tested. There may not be.
In that case, a plurality of specimen shape models with slightly shortened L1 obtained as the above theoretical solution are created,
For each of these shape models, an analytical solution L1N for torsional resonance at the resonance frequency f is obtained by eigenvalue analysis of free torsional resonance by finite element analysis using E, ν, and ρ as measured physical property values. , Test pieces having dimensions of L2, R1, R2, R, and L1N are prepared and used for the test.
By setting the shape and dimensions of such a test piece, resonance of the test piece occurs.

前記ねじり振動コンバータの定格出力を300Wとし、前記試験片の前記振動拡大ホーン先端に取り付ける雄ネジ部、および試験片加工に必要な反取付部端面のセンター穴部を除いた体積が1.2×10-63 以下であっても良い
この発明における第3の発明のせん断疲労特性評価方法は、転がり接触する金属材料のせん断疲労特性を、前記金属材料からなる試験片を用いて試験し評価する方法であって、
交流電力が印加されることで回転中心軸回りの正逆の回転となるねじり振動を発生するねじり振動コンバータと、先端に同心に試験片を取付ける取付部を有し基端でねじり振動コンバータに固定され、基端に与えられた前記ねじり振動コンバータのねじり振動の振幅を拡大する振幅拡大ホーンと、発振器と、この発振器の出力を増幅して前記ねじり振動コンバータに印加するアンプと、このアンプに前記制御の入力を与える制御手段とを用い、
前記振幅拡大ホーンの形状、寸法を、前記ねじり振動コンバータの駆動によるねじり振動に共振する形状、寸法とし、
前記試験片の形状、寸法を、前記振幅拡大ホーンのねじり振動に共振する形状、寸法とし、
前記ねじり振動コンバータを超音波領域の周波数範囲で駆動し、前記振幅拡大ホーンと前記試験片を共振させて、試験片をせん断疲労破壊させる試験を行い、
試験により得られたせん断応力振幅と負荷回数との関係を用いて、前記金属材料のせん断疲労特性を評価するものであり、
前記試験片が、両端の円柱形状の肩部と、これら両側の肩部に続き軸方向に沿う断面形状が円弧曲線となる中細り部とでなるダンベル形であり、
前記肩部の長さをL1 、前記中細り部の半分の長さである半弦長さをL2 、前記肩部の半径をR3 、前記中細り部の最小半径をR1 、前記円弧曲線の半径をR(いずれも単位はm,RはR1 、R2 、L3 から求まる)とし、共振周波数をf(単位はHz)、ヤング率E(単位はPa),ポアソン比ν(無次元)、密度ρ(単位はkg/ m 3 )とし、
前記L2 、R1 、R2 を任意の値とし、前記共振周波数fを前記振動コンバータが駆動可能な周波数範囲20000±500Hzの任意の値として、次式(1)〜(6)により、前記共振周波数fで試験片が共振する肩部長さL1 を理論解として求め、

Figure 0005718690
前記L2 、R1 、R2 、Rおよび理論解として求まったL1 を僅かに短くした複数の試験片形状モデルを作成し、
これらの形状モデルにつき、E、ν、ρを試験片とする金属材料の実測物性値とし、有限要素解析による自由ねじり共振の固有値解析により、前記共振周波数fでねじり共振する解析解L1Nを求め、前記L2 、R1 、R2 、R、L1Nの寸法の試験片を作製して試験に用い、
前記ねじり振動コンバータの定格出力を300Wとし、前記試験片の前記振動拡大ホーン先端に取り付ける雄ネジ部、および試験片加工に必要な反取付部端面のセンター穴部を除いた体積が1.2×10 -6 3 以下であり、
記試験片の端面ねじり角が0.01radのとき、前記振幅拡大ホーンの先端に取り付ける雄ネジ部、および試験片加工に必要な反取付部端面のセンター穴部を除いた試験片形状モデルにつき、物性値をE=2.04×1011Pa、ν=0.29、ρ=7800kg/ m3 としたとき、有限要素解析による自由ねじり共振の固有値解析で求まる、試験片最小径部の表面に作用する最大せん断応力が520MPa以上となる。 The rated output of the torsional vibration converter is 300 W, and the volume excluding the male screw part attached to the tip of the vibration magnifying horn of the test piece and the center hole part of the end face of the non-attachment part necessary for processing the test piece is 1.2 × It may be 10 −6 m 3 or less .
According to a third aspect of the present invention, there is provided a method for evaluating a shear fatigue property of a metal material that is in rolling contact with a test piece made of the metal material.
A torsional vibration converter that generates torsional vibration that rotates forward and backward around the rotation center axis when AC power is applied, and a mounting part that attaches a test piece concentrically to the tip, and is fixed to the torsional vibration converter at the base end And an amplitude expansion horn that expands the amplitude of the torsional vibration of the torsional vibration converter applied to the base end, an oscillator, an amplifier that amplifies the output of the oscillator and applies it to the torsional vibration converter, Using control means for providing control input,
The shape and dimensions of the amplitude expanding horn are the shapes and dimensions that resonate with torsional vibration caused by driving the torsional vibration converter,
The shape and dimensions of the test piece are the shapes and dimensions that resonate with the torsional vibration of the amplitude-amplifying horn,
Drive the torsional vibration converter in the frequency range of the ultrasonic region, resonate the amplitude expanding horn and the test piece, and perform a test for shear fatigue failure of the test piece,
Using the relationship between the shear stress amplitude obtained by the test and the number of loads, the shear fatigue property of the metal material is evaluated,
The test piece is a dumbbell shape having a cylindrical shoulder portion at both ends, and a thinned portion in which the cross-sectional shape along the axial direction follows the shoulder portions on both sides is an arc curve,
The length of the shoulder is L1, the half chord length which is half the length of the thinned portion is L2, the radius of the shoulder is R3, the minimum radius of the thinned portion is R1, and the radius of the arc curve Is R (unit is m, R is determined from R1, R2, and L3), resonance frequency is f (unit is Hz), Young's modulus E (unit is Pa), Poisson's ratio ν (dimensionless), density ρ (Unit: kg / m 3 )
L2, R1, R2 are set to arbitrary values, the resonance frequency f is set to an arbitrary value in the frequency range 20000 ± 500 Hz that can be driven by the vibration converter, and the resonance frequency f is expressed by the following equations (1) to (6). The theoretical length of the shoulder length L1 at which the test piece resonates is obtained.
Figure 0005718690
A plurality of test piece shape models in which L1, R1, R2, R, and L1 obtained as a theoretical solution are slightly shortened are created,
For these shape models, E, ν, and ρ are measured physical property values of a metal material, and an analytical solution L1N that undergoes torsional resonance at the resonance frequency f is obtained by eigenvalue analysis of free torsional resonance by finite element analysis. Test pieces having the dimensions of L2, R1, R2, R, L1N were prepared and used for the test.
The rated output of the torsional vibration converter is 300 W, and the volume excluding the male screw part attached to the tip of the vibration magnifying horn of the test piece and the center hole part of the end face of the non-attachment part necessary for processing the test piece is 1.2 × 10 -6 m 3 or less,
When the end surface twisting angle before the SL test piece of 0.01 rad, the male screw portion attached to the distal end of said amplitude expansion horn, and specimen test piece shape model except the center hole of the opposite mounting end surface required for processing per When the physical properties are E = 2.04 × 10 11 Pa, ν = 0.29, ρ = 7800 kg / m 3 , the surface of the minimum diameter part of the specimen obtained by eigenvalue analysis of free torsional resonance by finite element analysis the maximum shear stress acting on the that Do equal to or greater than 520MPa.

この発明において、前記のように有限要素解析による自由ねじり共振の固有値解析により求めた各部の寸法L1 、L2 、R2 、R1 ,Rの試験片を用いて試験する場合に、前記共振周波数fを、20000±500Hzの範囲とし、前記ねじり振動コンバータの最大出力を300Wとした場合、前記試験片の振幅拡大ホーンへの取付用の雄ねじ部からなる取付用突部を除く重量を、9.36g以下とすることが好ましい。
試験片を共振可能な形状,寸法としても、共振不安定を生じることがある。研究の結果、共振不安定には試験片重量に重量が大きく影響することが分かった。また、上記形状,寸法の試験片あって、加振周波数が20000±500Hz、ねじり振動コンバータの最大出力が300Wの試験を行う場合、試験片重量が9.36g以下であると、共振不安定が生じないことが確認できた。
In the present invention, when the test is performed using the test pieces having the dimensions L 1 , L 2 , R 2 , R 1 , and R obtained by the eigenvalue analysis of the free torsional resonance by the finite element analysis as described above, When the frequency f is in the range of 20000 ± 500 Hz, and the maximum output of the torsional vibration converter is 300 W, the weight excluding the mounting projection consisting of the male thread for mounting the test piece on the amplitude expansion horn is 9 .36 g or less is preferable.
Resonance instability may occur even if the shape and size of the test piece can resonate. As a result of the research, it was found that the resonance instability greatly affects the weight of the specimen. In addition, when a test piece having the above shape and size is used and a test is performed with an excitation frequency of 20000 ± 500 Hz and a maximum output of the torsional vibration converter of 300 W, if the weight of the test piece is 9.36 g or less, resonance instability occurs. It was confirmed that it did not occur.

また、上記のように試験片重量を9.36g以下とする場合に、前記アンプの出力が90%で試験片の端面ねじり角の実測値が0.018rad 以上となり、有限要素解析による自由ねじり共振の固有値解析で求まる端面ねじり角が0.018rad のときの試験片最小径部の表面に作用する最大せん断応力が951MPa以上となるようにすることが好ましい。   In addition, when the test piece weight is 9.36 g or less as described above, the output of the amplifier is 90% and the measured value of the torsion angle of the test piece is 0.018 rad or more, and free torsional resonance by finite element analysis is achieved. It is preferable that the maximum shear stress acting on the surface of the minimum diameter part of the test piece when the torsion angle of the end face obtained by eigenvalue analysis of 0.018 rad is 951 MPa or more.

この発明方法において、試験片の温度上昇を抑制するために、試験片を強制空冷しても良い。また、試験片の温度上昇を抑制するために、前記ねじり振動コンバータによる試験片に対するねじり振動の負荷と休止を交互に繰り返しても良い。試験片の発熱が試験結果に対して問題にならない低負荷域では連続負荷しても良く、これにより迅速に試験が行える。
ある程度高いせん断応力振幅で連続加振すると試験片が発熱する。そのため、試験片を強制空冷することが好ましい。強制空冷だけでは試験片の発熱抑制が不十分な場合は、加振と休止を交互に繰り返すことが好ましい。休止することで実質の負荷周波数は小さくなるが、休止時間を加振時間の10倍程度としても実質の負荷周波数は2000Hz程度と依然高速であり、1週間もあれば109 回の負荷回数に到達する。
In the method of the present invention, the test piece may be forcibly air-cooled in order to suppress the temperature rise of the test piece. Further, in order to suppress the temperature rise of the test piece, the torsional vibration load on the test piece and the pause by the torsional vibration converter may be alternately repeated. In the low load region where the heat generation of the test piece does not become a problem with respect to the test result, a continuous load may be applied, thereby enabling a quick test.
When the sample is continuously vibrated with a somewhat high shear stress amplitude, the test piece generates heat. Therefore, it is preferable to forcibly air-cool the test piece. If the heat generation of the test piece is not sufficiently suppressed by forced air cooling alone, it is preferable to alternately repeat excitation and pause. It becomes smaller substantially the load frequency by pauses, real load frequencies downtime as 10 times the vibration time is still fast and about 2000 Hz, the load count of 10 9 times Some 1 week To reach.

この発明方法において、前記試験により得た負荷回数とせん断応力振幅の関係から求まる、超長寿命領域におけるせん断疲労強度に対する85%の値を、せん断疲労特性の評価に用いるための、超長寿命領域におけるせん断疲労強度τw0としても良い。超音波ねじり疲労試験では、従来の疲労試験に対し、大きな負荷を受ける体積(危険体積)が略等しい場合、せん断疲労強度を高めに評価する傾向があるためである。 In the method of the present invention, a value of 85% with respect to the shear fatigue strength in the ultralong life region, which is obtained from the relationship between the number of loads obtained by the test and the shear stress amplitude, is used for the evaluation of the shear fatigue characteristics. It is good also as shear fatigue strength (tau) w0 in . This is because in the ultrasonic torsional fatigue test, when the volume subjected to a large load (dangerous volume) is substantially equal to the conventional fatigue test, the shear fatigue strength tends to be evaluated higher.

この発明方法において、前記試験により得た負荷回数とせん断応力振幅の関係から求まる、超長寿命領域におけるせん断疲労強度に対する80%の値を、せん断疲労特性の評価に用いるための、超長寿命領域におけるせん断疲労強度τw0としても良い。上記試験片にねじり振動を与えた場合、試験片の断面内の各部の応力は、中心部で最も低く外周面で最大となるように応力勾配が生じる。このため、試験により得た負荷回数とせん断応力振幅の関係から求まる、超長寿命領域におけるせん断疲労強度に対する80%の値が、せん断疲労特性の評価に用いるのに適切な値となる。 In the method of the present invention, a value of 80% relative to the shear fatigue strength in the ultralong life region obtained from the relationship between the number of loads obtained by the test and the shear stress amplitude is used for evaluating the shear fatigue properties. It is good also as shear fatigue strength (tau) w0 in . When torsional vibration is applied to the test piece, a stress gradient is generated so that the stress of each part in the cross section of the test piece is the lowest at the center and the maximum at the outer peripheral surface. For this reason, the value of 80% with respect to the shear fatigue strength in the ultra-long life region, which is obtained from the relationship between the number of loads obtained by the test and the shear stress amplitude, is an appropriate value for use in evaluating the shear fatigue characteristics.

この発明方法において、前記試験により得たせん断応力振幅と負荷回数との関係から、任意の破壊確率のP−S−N線図を求め、このP−S−N線図における超長寿命領域におけるせん断疲労強度を、せん断疲労特性の評価に用いるための、超長寿命領域におけるせん断疲労強度τw0としても良い。 In the method of the present invention, a PSN diagram having an arbitrary failure probability is obtained from the relationship between the shear stress amplitude obtained by the test and the number of loads, and in the super long life region in the PSN diagram. The shear fatigue strength may be the shear fatigue strength τ w0 in the ultra-long life region for use in the evaluation of shear fatigue characteristics.

この発明方法において、超長寿命領域におけるせん断疲労強度を安全に見積もるため、前記試験により得たせん断応力振幅と負荷回数との関係から、任意の破壊確率のP−S−N線図を求め、このP−S−N線図から超長寿命領域におけるせん断疲労強度を、せん断疲労特性の評価に用いるための、超長寿命領域におけるせん断疲労強度τw0とする補正である破壊確率補正と、前記試験により得たせん断応力振幅と負荷回数の関係から求まる、超長寿命領域におけるせん断疲労強度に対する85%の値を、せん断疲労特性の評価に用いるための、超長寿命領域におけるせん断疲労強度τw0とする補正である過大評価補正と、前記試験により得た負荷回数とせん断応力振幅の関係から求まる、超長寿命領域におけるせん断疲労強度に対する80%の値を、せん断疲労特性の評価に用いるための、超長寿命領域におけるせん断疲労強度τw0とする補正である寸法効果補正との、いずれか2つ以上の補正を組み合わせて求まる値を、せん断疲労特性の評価に用いるための、超長寿命領域におけるせん断疲労強度τw0としてもよい。これにより、より一層、超長寿命領域におけるせん断疲労強度を安全に見積もることができる。 In the method of the present invention, in order to safely estimate the shear fatigue strength in the ultra-long life region, from the relationship between the shear stress amplitude obtained by the test and the number of loads, a PSN diagram of an arbitrary fracture probability is obtained, Fracture probability correction, which is correction for setting the shear fatigue strength in the ultralong life region to be used as the shear fatigue strength τ w0 in the ultralong life region in order to use the shear fatigue strength in the ultralong life region from the PSN diagram for evaluation of shear fatigue characteristics, obtained from the relationship between the shear stress amplitude and the load times obtained by the test, the value of 85% relative to the shear fatigue strength in ultra long life region, for use in the evaluation of shear fatigue properties, shear fatigue strength in ultra long life region tau w0 80% of the shear fatigue strength in the ultra-long life region obtained from the relationship between the overestimation correction that is The value obtained by combining any two or more corrections with the dimensional effect correction, which is the correction for setting the shear fatigue strength τ w0 in the ultra-long life region to use the value of The shear fatigue strength τ w0 in the ultra-long life region for use in the evaluation of fatigue characteristics may be used. As a result, the shear fatigue strength in the ultra-long life region can be more safely estimated.

この発明のせん断疲労特性評価装置は、転がり接触する金属材料のせん断疲労特性を、前記金属材料からなる試験片を用いて試験し評価する装置であって、交流電力が印加されることで回転中心軸回りの正逆の回転となるねじり振動を発生するねじり振動コンバータと、先端に同心に試験片を取付ける取付部を有し、基端でねじり振動コンバータに固定され、基端に与えられた前記ねじり振動コンバータのねじり角を拡大する振幅拡大ホーンと、発振器と、この発振器の出力を増幅して前記ねじり振動コンバータに印加するアンプと、このアンプに前記制御の入力を与え、かつ試験中の加振周波数、前記アンプの状態、および負荷回数を含むデータを採取する制御・データ採取手段とを備え、前記振幅拡大ホーンの形状、寸法を、前記ねじり振動コンバータの駆動によるねじり振動に共振する形状、寸法とし、前記試験片の形状、寸法は、前記振幅拡大ホーンのねじり振動に共振する形状、寸法であり、前記ねじり振動コンバータを超音波領域の周波数範囲で駆動し、前記振幅拡大ホーンと前記試験片を共振させて、試験片をせん断疲労破壊させるようにし、前記振幅拡大ホーンの形状は、前記試験片の取付部となる先端側が細くなる指数関数型であることを特徴とする。
この構成のせん断疲労特性評価装置を用いることにより、前述のこの発明のせん断疲労特性評価方法を実施することができる。
The apparatus for evaluating shear fatigue characteristics of the present invention is an apparatus for testing and evaluating the shear fatigue characteristics of a metal material that is in rolling contact with a test piece made of the metal material. A torsional vibration converter that generates a torsional vibration that rotates forward and backward about an axis, and a mounting portion that attaches a test piece concentrically to the distal end; fixed to the torsional vibration converter at the proximal end; and provided to the proximal end An amplitude-enlarging horn that expands the torsion angle of the torsional vibration converter, an oscillator, an amplifier that amplifies the output of the oscillator and applies it to the torsional vibration converter, an input for the control to the amplifier, and an addition during the test Control / data collection means for collecting data including vibration frequency, the state of the amplifier, and the number of loads, and the shape and dimensions of the amplitude magnifying horn The shape and size of the specimen resonate with torsional vibration due to the drive of the dynamic converter, and the shape and size of the test piece are the shape and size that resonate with torsional vibration of the amplitude-enhancing horn. Driven in a range, the amplitude expanding horn and the test piece are caused to resonate, and the test piece is subjected to shear fatigue fracture, and the shape of the amplitude expanding horn is an index where the tip side that becomes the mounting portion of the test piece becomes narrower and said that it is a function type.
By using the shear fatigue characteristic evaluation apparatus of this configuration, the above-described shear fatigue characteristic evaluation method of the present invention can be implemented.

前記ねじり振動コンバータを駆動する周波数範囲の下限値が(2000−500+α)Hz、上限値が(2000+500)Hz、ただしαは試験片の試験中の性状変更に対する余裕値であって200Hz以下であっても良い。   The lower limit value of the frequency range for driving the torsional vibration converter is (2000−500 + α) Hz, and the upper limit value is (2000 + 500) Hz, where α is a margin value for property change during the test of the test piece and is 200 Hz or less. Also good.

前記ねじり振動コンバータは、発生するねじり振動が、正回転方向と逆回転方向とが対称となる振動である完全両振りであることが好ましい。また、前記振幅拡大ホーンは、ねじり振動コンバータの試験中の加振周波数による振動に共振するものであることが好ましい。この場合に、前記振幅拡大ホーンは、横断面形状が円形であって、基端部を除く部分の縦断面形状が、指数関数で表される先細り形状とするのが良い。この形状とすることで、振幅拡大が効果的に行われる。   In the torsional vibration converter, it is preferable that the generated torsional vibration is a complete double swing in which the normal rotation direction and the reverse rotation direction are symmetrical. Moreover, it is preferable that the said amplitude expansion horn resonates with the vibration by the excitation frequency during the test of a torsional vibration converter. In this case, the amplitude expanding horn preferably has a circular cross-sectional shape, and a vertical cross-sectional shape of a portion excluding the base end portion is a tapered shape represented by an exponential function. By adopting this shape, amplitude expansion is effectively performed.

この発明における第2の発明のせん断疲労特性評価装置は、転がり接触する金属材料のせん断疲労特性を、前記金属材料からなる試験片を用いて試験し評価する装置であって、
交流電力が印加されることで回転中心軸回りの正逆の回転となるねじり振動を発生するねじり振動コンバータと、先端に同心に試験片を取付ける取付部を有し、基端でねじり振動コンバータに固定され、基端に与えられた前記ねじり振動コンバータのねじり角を拡大する振幅拡大ホーンと、発振器と、この発振器の出力を増幅して前記ねじり振動コンバータに印加するアンプと、このアンプに前記制御の入力を与え、かつ試験中の加振周波数、前記アンプの状態、および負荷回数を含むデータを採取する制御・データ採取手段とを備え、
前記振幅拡大ホーンの形状、寸法を、前記ねじり振動コンバータの駆動によるねじり振動に共振する形状、寸法とし、
前記試験片の形状、寸法は、前記振幅拡大ホーンのねじり振動に共振する形状、寸法であり、
前記ねじり振動コンバータを超音波領域の周波数範囲で駆動し、前記振幅拡大ホーンと前記試験片を共振させて、試験片をせん断疲労破壊させるようにし、
記振幅拡大ホーンは、その基端部の端面の中央から突出して前記ねじり振動コンバータへ取付けられる取付部、および先端の前記試験片を取り付ける雌ネジ部を除いた振幅拡大ホーン形状モデルにつき、物性値をE=1.16×10111Pa、ν=0.27、ρ=4460kg/ m3 を物性値としたとき、有限要素解析による自由ねじり共振の固有値解析で求まる、小径側端面のねじり角の大径側端面のねじり角に対する比である拡大率が43倍以上であり、先端のねじり角が0.018radのとき、先細り部表面に作用する最大せん断応力が180MPa以下となる。
A shear fatigue property evaluation apparatus according to a second aspect of the present invention is an apparatus for testing and evaluating the shear fatigue property of a metal material in rolling contact with a test piece made of the metal material,
It has a torsional vibration converter that generates torsional vibration that rotates forward and backward around the rotation center axis when AC power is applied, and a mounting part that attaches a test piece concentrically to the distal end. An amplitude-amplifying horn that expands the torsion angle of the torsional vibration converter fixed to the base end, an oscillator, an amplifier that amplifies the output of the oscillator and applies the output to the torsional vibration converter, and the control to the amplifier And a control / data collection means for collecting data including the excitation frequency under test, the state of the amplifier, and the number of loads.
The shape and dimensions of the amplitude expanding horn are the shapes and dimensions that resonate with torsional vibration caused by driving the torsional vibration converter,
The shape and dimensions of the test piece are shapes and dimensions that resonate with torsional vibration of the amplitude-amplifying horn,
The torsional vibration converter is driven in the frequency range of the ultrasonic region, the amplitude expanding horn and the test piece are resonated, and the test piece is subjected to shear fatigue fracture,
Before SL amplitude expansion horn, for its mounting portion mounted from the center of the end surface of the proximal end portion to the torsional vibration converter projects, and the tip the amplitude larger horn shape model except the female threaded portion for attaching the test piece, the physical properties The torsion angle of the end face on the small diameter side obtained by eigenvalue analysis of free torsional resonance by finite element analysis, where E = 1.16 × 10 11 1Pa, ν = 0.27, and ρ = 4460 kg / m 3 magnification, which is the ratio twist angle of the large diameter side end face is not less 43 times or more, when the torsional angle of the tip of 0.018Rad, the maximum shear stress acting on the tapered section surface that follows Do 180 MPa.

この発明のせん断疲労特性評価装置において、試験片を強制空冷する試験片冷却手段を設けても良い。また、この発明のせん断疲労特性評価装置において、前記制御・データ採取手段は、前記ねじり振動コンバータにねじり振動の発生と休止を交互に繰り返えさせる間欠発振の制御を行う間欠発振制御部を有し、間欠発振と連続発振とを切換可能としても良い。上記強制空冷や間欠発振により、試験片の発熱による温度上昇が防止でき、適正な評価が行える。   In the shear fatigue characteristic evaluation apparatus of the present invention, a test piece cooling means for forcibly air-cooling the test piece may be provided. In the shear fatigue characteristic evaluation apparatus according to the present invention, the control / data collection unit includes an intermittent oscillation control unit that controls intermittent oscillation that causes the torsional vibration converter to alternately repeat generation and pause of torsional vibration. It is also possible to switch between intermittent oscillation and continuous oscillation. Due to the forced air cooling and intermittent oscillation, temperature rise due to heat generation of the test piece can be prevented, and appropriate evaluation can be performed.

この発明のせん断疲労特性評価装置において、前記制御・データ採取手段は、前記ねじり振動コンバータを駆動する条件、および前記データを採取する条件を含む試験条件を入力に従って設定する試験条件設定部と、この試験条件設定部に設定された試験条件に従って前記ねじり振動コンバータの駆動、および前記データの採取を行う試験制御部とを有するものとしても良い。
このように、ねじり振動コンバータの駆動条件およびデータ採取条件を含む試験条件を入力によって設定可能とし、その設定された試験条件で試験が行われるように制御可能とすることで、種々の条件に応じた適切な試験、評価を行うことができる。
In the shear fatigue characteristic evaluation apparatus according to the present invention, the control / data collection means includes a test condition setting unit for setting a test condition including a condition for driving the torsional vibration converter and a condition for collecting the data according to an input, A test control unit that drives the torsional vibration converter and collects the data according to the test conditions set in the test condition setting unit may be included.
In this way, the test conditions including the torsional vibration converter drive conditions and data collection conditions can be set by input, and control can be performed so that the test is performed under the set test conditions. Appropriate tests and evaluations.

この発明のせん断疲労特性評価方法は、転がり接触する金属材料のせん断疲労特性を、前記金属材料からなる試験片を用いて試験し評価する方法であって、交流電力が印加されることで回転中心軸回りの正逆の回転となるねじり振動を発生するねじり振動コンバータと、先端に同心に試験片を取付ける取付部を有し基端でねじり振動コンバータに固定され、基端に与えられた前記振動コンバータのねじり振動の振幅を拡大する振幅拡大ホーンと、発振器と、この発振器の出力を増幅して前記ねじり振動コンバータに印加するアンプと、このアンプに前記制御の入力を与える制御手段とを用い、前記振幅拡大ホーンの形状、寸法を、前記ねじり振動コンバータの駆動によるねじり振動に共振する形状、寸法とし、前記試験片の形状,寸法を、前記振幅拡大ホーンのねじり振動に共振する形状,寸法とし、前記振動コンバータを超音波領域の周波数範囲で駆動し、前記振幅拡大ホーンと前記試験片を共振させて、試験片をせん断疲労破壊させる試験を行い、前記振幅拡大ホーンの形状は、前記試験片の取付部となる先端側が細くなる指数関数型であり、試験により得られたせん断応力振幅と負荷回数との関係を用いて、前記金属材料のせん断疲労特性を評価するため、転がり接触する金属材料のせん断疲労特性を、試験により迅速に、かつ精度良く評価することができる。 The shear fatigue property evaluation method of the present invention is a method for testing and evaluating the shear fatigue property of a metal material that is in rolling contact with a test piece made of the metal material. The torsional vibration converter that generates torsional vibration that rotates forward and backward around the axis, and the vibration applied to the proximal end that is fixed to the torsional vibration converter at the proximal end with a mounting part for concentrically attaching the test piece to the distal end Using an amplitude expansion horn that expands the amplitude of the torsional vibration of the converter, an oscillator, an amplifier that amplifies the output of this oscillator and applies it to the torsional vibration converter, and a control means that gives the input of the control to the amplifier, The shape and dimensions of the amplitude expanding horn are the shapes and dimensions that resonate with torsional vibration caused by driving the torsional vibration converter, and the shape and dimensions of the test piece are The shape and dimensions resonate with the torsional vibration of the amplitude expanding horn, the vibration converter is driven in the frequency range of the ultrasonic region, and the test is performed by causing the amplitude expanding horn and the test piece to resonate and causing the test piece to shear fatigue. performed, the shape of the amplitude expansion horn, said an exponential function type tip side becomes narrower as the attachment portion of the test piece, by using the relationship between the shear stress amplitude and the load count obtained by testing, the metallic material In order to evaluate the shear fatigue characteristics of the metal, the shear fatigue characteristics of the metal material in rolling contact can be evaluated quickly and accurately by a test.

この発明のせん断疲労特性評価装置は、転がり接触する金属材料のせん断疲労特性を、前記金属材料からなる試験片を用いて試験し評価する装置であって、交流電力が印加されることで回転中心軸回りの正逆の回転となるねじり振動を発生するねじり振動コンバータと、先端に同心に試験片を取付ける取付部を有し、基端でねじり振動コンバータに固定され、基端に与えられた前記ねじり振動コンバータのねじり角を拡大する振幅拡大ホーンと、発振器と、この発振器の出力を増幅して前記ねじり振動コンバータに印加するアンプと、このアンプに前記制御の入力を与え、かつ試験中の加振周波数、前記アンプの状態、および負荷回数を含むデータを採取する制御・データ採取手段とを備え、前記振幅拡大ホーンの形状、寸法を、前記ねじり振動コンバータの駆動によるねじり振動に共振する形状、寸法とし、前記試験片の形状、寸法は、前記振幅拡大ホーンのねじり振動に共振する形状、寸法であり、前記ねじり振動コンバータを超音波領域の周波数範囲で駆動し、前記振幅拡大ホーンと前記試験片を共振させて、試験片をせん断疲労破壊させるようにし、前記振幅拡大ホーンの形状は、前記試験片の取付部となる先端側が細くなる指数関数型であるため、転がり接触する金属材料のせん断疲労特性を、試験により迅速に、かつ精度良く評価することができる。 The apparatus for evaluating shear fatigue characteristics of the present invention is an apparatus for testing and evaluating the shear fatigue characteristics of a metal material that is in rolling contact with a test piece made of the metal material. A torsional vibration converter that generates a torsional vibration that rotates forward and backward about an axis, and a mounting portion that attaches a test piece concentrically to the distal end; fixed to the torsional vibration converter at the proximal end; and provided to the proximal end An amplitude-enlarging horn that expands the torsion angle of the torsional vibration converter, an oscillator, an amplifier that amplifies the output of the oscillator and applies it to the torsional vibration converter, an input for the control to the amplifier, and an addition during the test Control / data collection means for collecting data including vibration frequency, the state of the amplifier, and the number of loads, and the shape and dimensions of the amplitude magnifying horn The shape and size of the specimen resonate with torsional vibration due to the drive of the dynamic converter, and the shape and size of the test piece are the shape and size that resonate with torsional vibration of the amplitude-enhancing horn. Driven in a range, the amplitude expanding horn and the test piece are caused to resonate, and the test piece is subjected to shear fatigue fracture, and the shape of the amplitude expanding horn is an index where the tip side that becomes the mounting portion of the test piece becomes narrower because the is functional, shear fatigue properties of the metallic material to be rolling contact, it can be rapidly and accurately evaluated by tests.

この発明の一実施形態に係るせん断疲労特性評価方法に用いるせん断疲労特性評価装置における試験機本体の正面図、およびその制御系のブロック図とを組み合わせた説明図である。It is explanatory drawing which combined the front view of the testing machine main body in the shear fatigue characteristic evaluation apparatus used for the shear fatigue characteristic evaluation method which concerns on one Embodiment of this invention, and the block diagram of the control system. 同せん断疲労特性評価装置の概念構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the conceptual structure of the same shear fatigue characteristic evaluation apparatus. 試験片の模式図である。It is a schematic diagram of a test piece. 試験片の正面図である。It is a front view of a test piece. ねじり角θと表面のせん断応力τ (端面のねじり角θend が0.01rad の場合) の軸方向分布を示すグラフである。It is a graph which shows axial direction distribution of torsion angle (theta) and the surface shear stress (tau) (when the torsion angle (theta) end of an end surface is 0.01 rad). 静止時の試験片肩部円筒面下端を示す顕微鏡写真である。It is a microscope picture which shows the test piece shoulder part cylindrical surface lower end at the time of stationary. 加振時の試験片肩部円筒面下端を示す顕微鏡写真である。It is a microscope picture which shows the test piece shoulder part cylindrical surface lower end at the time of vibration. 図7の範囲2aと端面ねじり角θend の関係を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the relationship between the range 2a of FIG. 7, and end surface torsion angle (theta) end . アンプ出力Pと端面ねじり角θend の関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between amplifier output P and end surface twist angle | corner (theta) end . ねじり疲労破壊した試験片の例の顕微鏡写真および試験片全体の説明図である。It is the microscope picture of the example of the test piece which carried out torsional fatigue destruction, and explanatory drawing of the whole test piece. 油圧サーボ型ねじり疲労試験機で評価する試験片の正面図である。It is a front view of the test piece evaluated with a hydraulic servo type torsional fatigue testing machine. 超音波ねじり疲労試験で得たせん断応力振幅と負荷回数の関係とS-N 線図(実線) を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the shear stress amplitude obtained by the ultrasonic torsional fatigue test and the number of loads, and the SN diagram (solid line). 図12の関係から求めた破壊確率10%のP-S-N 線図(破線) と元のS-N 線図(実線)を示すグラフである。13 is a graph showing a P-S-N diagram (broken line) with a fracture probability of 10% and an original S-N diagram (solid line) determined from the relationship of FIG. せん断疲労特性評価装置の試験条件入力画面例を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the example of a test condition input screen of a shear fatigue characteristic evaluation apparatus. 初期設定過程の流れ図である。It is a flowchart of an initialization process. 試験条件の入力過程の流れ図である。It is a flowchart of the input process of test conditions. 試験準備過程の流れ図である。It is a flowchart of a test preparation process. 試験過程の詳細の流れ図である。5 is a flowchart of details of a test process.

この発明の一実施形態を図面と共に説明する。この実施形態では、転がり接触する金属材料のせん断疲労特性評価方法に用いるせん断疲労特性評価装置の一例を示す。このせん断疲労特性評価装置は、ねじり振動コンバータ7および振幅拡大ホーン8を有する試験機本体10と、発振器4と、アンプ5と、制御・データ採取手段3とを備える。前記「転がり接触する金属材料」とは、例えば、転がり軸受の軌道輪または転動体となる金属材料である。この金属材料として、日本工業規格;略称JISのSUJ2、SCr420等の軸受用鋼、M50、M50NiL、SNCM420、SUJ3、SCr420、S53C、SUS440C等が挙げられる。なおSUJ2は、米国AISI規格でSAE52100に相当する。   An embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. In this embodiment, an example of a shear fatigue property evaluation apparatus used for a method for evaluating a shear fatigue property of a metal material in rolling contact is shown. This shear fatigue characteristic evaluation apparatus includes a testing machine main body 10 having a torsional vibration converter 7 and an amplitude expanding horn 8, an oscillator 4, an amplifier 5, and a control / data collection means 3. The “metal material in contact with rolling” is, for example, a metal material that becomes a race or a rolling element of a rolling bearing. Examples of this metal material include Japanese Industrial Standards; bearing steels such as JIS SUJ2 and SCr420, M50, M50NiL, SNCM420, SUJ3, SCr420, S53C, and SUS440C. SUJ2 corresponds to SAE52100 in the US AISI standard.

試験機本体10は、フレーム6の上部に設置したねじり振動コンバータ7に、下向きに突出する振幅拡大ホーン8を取付け、その先端に試験片1を着脱可能に取付け、ねじり振動コンバータ7で発生した超音波振動を、振幅拡大ホーン8の軸心O回りの正逆回転方向の振動として拡大して試験片1に伝えるものである。試験機本体10は、試験片1の強制空冷を行う試験片空冷手段9を有している。試験片空冷手段9は、例えば、ブロワー等の圧縮空気発生源(図示せず)に配管等で接続されて試験片1に対して空気を吹き付けるノズル等からなり、電磁バルブ(図示せず)または前記圧縮空気発生源のオンオフによって、空気の吹き付けと吹き付け停止との切換が可能である。   The testing machine main body 10 is attached to a torsional vibration converter 7 installed on the upper part of the frame 6 with an amplitude-amplifying horn 8 projecting downward, and a test piece 1 is detachably attached to the tip of the torsional vibration converter 7. The sound wave vibration is expanded and transmitted to the test piece 1 as vibration in the forward and reverse rotation directions around the axis O of the amplitude expansion horn 8. The test machine main body 10 has a test piece air cooling means 9 that performs forced air cooling of the test piece 1. The test piece air cooling means 9 includes, for example, a nozzle or the like that is connected to a compressed air generation source (not shown) such as a blower by a pipe and blows air against the test piece 1, and is an electromagnetic valve (not shown) or By switching on and off the compressed air generation source, it is possible to switch between blowing air and stopping blowing.

ねじり振動コンバータ7は、2相の交流電力が印加されることで、その交流電力の周波数で回転中心軸O回りの正逆の回転となるねじり振動を発生する装置である。ねじり振動コンバータ7に与える交流電力は、電圧がサイン波等の正負対称の交流電力とされ、発生するねじり振動は、完全両振り、つまり正回転方向と逆回転方向とは対称となる振動とされる。
振幅拡大ホーン8は、先細り形状に形成されて先端面に同心に試験片を取付ける雌ねじ孔からなる取付部を有し、基端でねじり振動コンバータに固定される。振幅拡大ホーン8は、基端に与えられた振動コンバータ7のねじり振動の振幅を、先端部で拡大した振幅とする。振幅拡大ホーン8の素材は、例えばチタン合金である。
The torsional vibration converter 7 is a device that generates torsional vibration that rotates in the forward and reverse directions around the rotation center axis O at the frequency of the alternating current power when two-phase alternating current power is applied. The AC power supplied to the torsional vibration converter 7 is a positive / negative symmetrical AC power such as a sine wave, and the generated torsional vibration is a complete double swing, that is, a vibration in which the positive rotation direction and the reverse rotation direction are symmetric. The
The amplitude expanding horn 8 is formed in a tapered shape and has a mounting portion including a female screw hole for attaching a test piece concentrically to a distal end surface, and is fixed to a torsional vibration converter at a proximal end. The amplitude expansion horn 8 sets the amplitude of the torsional vibration of the vibration converter 7 applied to the base end to an amplitude expanded at the distal end. The material of the amplitude expanding horn 8 is, for example, a titanium alloy.

発振器4は、振幅拡大ホーン8を加振する周波数となる超音波領域の周波数の電圧信号を生成する電子機器からなる。発振器4は、発振周波数が、例えば±500Hzの範囲で、固定の周波数とされ、または周波数調整可能とされている。   The oscillator 4 includes an electronic device that generates a voltage signal having a frequency in the ultrasonic region that is a frequency at which the amplitude expanding horn 8 is vibrated. The oscillator 4 has a fixed frequency or an adjustable frequency within an oscillation frequency of, for example, ± 500 Hz.

アンプ5は、発振器4の出力を増幅して超音波領域の周波数の交流電力をねじり振動コンバータ7に印加する電子機器である。アンプ5は、前記交流電力の出力の大きさ、およびオンオフが外部からの入力により制御可能なものとする。アンプ5の最大出力は、この実施形態では300Wとされている。   The amplifier 5 is an electronic device that amplifies the output of the oscillator 4 and applies AC power having a frequency in the ultrasonic region to the torsional vibration converter 7. The amplifier 5 is assumed to be capable of controlling the output magnitude and on / off of the AC power by an external input. The maximum output of the amplifier 5 is 300 W in this embodiment.

制御・データ採取手段3は、前記アンプ5に前記出力の大きさおよびオンオフ等の制御の入力を与え、かつ試験中の加振周波数、アンプ5の出力等の状態、および負荷回数を含むデータをアンプ5から採取する手段である。制御・データ採取手段3は、上記の他に、試験片冷却手段9を制御する機能を備える。制御・データ採取手段3は、パーソナルコンピュータ等のコンピュータと、これに実行させるプログラム(図示せず)とでなり、キーホード、マウス等の入力機器11と、液晶表示装置等の画像を画面で表示する画面表示装置12が接続され、または上記コンピュータの一部として設けられている。   The control / data collection means 3 gives the amplifier 5 control inputs such as the magnitude and on / off of the output, and data including the excitation frequency under test, the state of the output of the amplifier 5 and the number of loads. Means for collecting from the amplifier 5. In addition to the above, the control / data collection unit 3 has a function of controlling the test piece cooling unit 9. The control / data collection means 3 includes a computer such as a personal computer and a program (not shown) to be executed by the computer. The control / data collection means 3 displays an input device 11 such as a keyboard and a mouse and an image of a liquid crystal display device on a screen. A screen display device 12 is connected or provided as part of the computer.

制御・データ採取手段3は、前記コンピュータとプログラムとにより、図2に概念構成をブロックで示す各部13〜18が構成されている。すなわち、制御・データ採取手段3は、試験条件設定部13、試験条件・採取データ記憶部14、および試験制御部15を有する。
試験条件設定部13は、ねじり振動コンバータ8を駆動する条件、およびデータを採取する条件を含む試験条件が入力機器11から入力されると、試験条件・採取データ記憶部14に記憶させる処理、すなわち制御の条件として設定する手段である。試験条件設定部13は、詳しくは、図14に示す入力用画面を画面表示装置12に表示し、かつ図16に流れ図で示す処理を行う手段である。
The control / data collection means 3 includes the respective units 13 to 18 whose blocks are conceptually shown in FIG. That is, the control / data collection unit 3 includes a test condition setting unit 13, a test condition / collection data storage unit 14, and a test control unit 15.
When a test condition including a condition for driving the torsional vibration converter 8 and a condition for collecting data is input from the input device 11, the test condition setting unit 13 stores data in the test condition / collected data storage unit 14, that is, It is means for setting as a control condition. Specifically, the test condition setting unit 13 is a means for displaying the input screen shown in FIG. 14 on the screen display device 12 and performing the processing shown in the flowchart in FIG.

試験制御部15は、試験条件設定部13により設定された試験条件に従って、前記ねじり振動コンバータ8の駆動、および前記データの採取を行う手段である。試験制御部15は、基本制御部16と、連続発振制御部17と、間欠発振制御部18とで構成される。試験制御部15は、図18に流れ図で示す処理を行う手段である。同図のステップR8〜R13の処理を行う手段が連続発振制御部17であり、ステップR14〜R24の処理を行う手段が間欠発振制御部18であり、残りの各ステップの処理を行う手段が基本制御部16である。   The test control unit 15 is means for driving the torsional vibration converter 8 and collecting the data in accordance with the test conditions set by the test condition setting unit 13. The test control unit 15 includes a basic control unit 16, a continuous oscillation control unit 17, and an intermittent oscillation control unit 18. The test control unit 15 is means for performing the processing shown in the flowchart in FIG. The means for performing the processing of steps R8 to R13 in the figure is the continuous oscillation control unit 17, the means for performing the processing of steps R14 to R24 is the intermittent oscillation control unit 18, and the means for performing the processing of the remaining steps is basically. It is the control unit 16.

この実施形態のせん断疲労特性評価方法について説明する。この評価方法は、図1のせん断疲労特性評価装置用い、転がり接触する金属材料のせん断疲労特性を、前記金属材料からなる試験片1を用いて試験し評価する方法であって、試験片1の形状,寸法を、ねじり振動コンバータ7の駆動による振幅拡大ホーン8の振動に共振する形状,寸法とし、振動コンバータ7を超音波領域の周波数(この例では、20000±500Hzの範囲)で駆動し、試験片1を振幅拡大ホーン8の振動に共振させてせん断疲労破壊させる試験を行う。ねじり振動コンバータ7を駆動する周波数範囲の下限値を(2000−500+α)Hzとしても良い。ただしαは試験片の試験中の性状変更に対する余裕値であって200Hz以下であっても良い。この試験の間に各種のデータを採取し、得られたせん断応力振幅と負荷回数との関係を用いて、前記金属材料のせん断疲労特性を評価する。前記金属材料は、転がり軸受用の高強度金属材料としては、例えば高炭素クロム軸受鋼(JIS-SUJ2)等の軸受鋼である。参考例として、動力伝達シャフト用の高強度金属材料としては、例えば、約0.4mass%の炭素を含み、焼入性向上元素(Mn ,B など) を添加した鋼である。   The shear fatigue characteristic evaluation method of this embodiment will be described. This evaluation method is a method for testing and evaluating the shear fatigue characteristics of a metal material in rolling contact using the test piece 1 made of the metal material, using the shear fatigue characteristic evaluation apparatus shown in FIG. The shape and size are made to resonate with the vibration of the amplitude expanding horn 8 driven by the torsional vibration converter 7, and the vibration converter 7 is driven at an ultrasonic frequency (in this example, 20000 ± 500 Hz), A test is performed in which the specimen 1 is resonated with the vibration of the amplitude expanding horn 8 to cause shear fatigue fracture. The lower limit value of the frequency range for driving the torsional vibration converter 7 may be (2000−500 + α) Hz. However, α is a margin value for property change during the test of the test piece, and may be 200 Hz or less. Various data are collected during this test, and the shear fatigue characteristics of the metal material are evaluated using the relationship between the obtained shear stress amplitude and the number of loads. The metal material is, for example, bearing steel such as high carbon chromium bearing steel (JIS-SUJ2) as a high-strength metal material for rolling bearings. As a reference example, the high-strength metal material for the power transmission shaft is, for example, steel containing about 0.4 mass% carbon and adding a hardenability improving element (Mn, B, etc.).

このせん断疲労特性評価方法によると、加振周波数が超音波領域となる極めて高速な超音波ねじり疲労試験機を行うため、転がり接触する金属材料のせん断疲労特性を評価するにつき、短時間で必要な負荷回数に達し、せん断疲労特性を迅速に評価することができる。例えば、20000Hzで連続加振すれば,わずか半日余りで109 回の負荷回数に到達する。また、実際にせん断疲労破壊を生じさせる試験を行うため、従来の非金属介在物の最大サイズを鋼の品質の指標とする方法に比べて、精度良くせん断疲労特性を求めることができる。試験片は共振させるため、僅かなエネルギの投入で効率良くせん断疲労破壊を生じさせることができる。 According to this shear fatigue property evaluation method, an extremely high-speed ultrasonic torsional fatigue testing machine in which the excitation frequency is in the ultrasonic range is performed. Therefore, in order to evaluate the shear fatigue property of a metal material in rolling contact, it is necessary in a short time. The number of loads can be reached, and shear fatigue characteristics can be evaluated quickly. For example, if continuous excitation is performed at 20000 Hz, the load count reaches 10 9 times in just half a day. In addition, since a test that actually causes shear fatigue failure is performed, the shear fatigue characteristics can be obtained with higher accuracy than the conventional method in which the maximum size of the non-metallic inclusions is used as an index of steel quality. Since the test piece resonates, shear fatigue failure can be efficiently generated with a small amount of energy input.

以下、このせん断疲労特性評価方法および評価装置の具体的内容を説明する。ねじり振動コンバータ7は、市販されていてアンプ制御できるのものが、調べた範囲では1機種しかなく、選択の余地がなかったため、振幅拡大ホーン8や試験片1の形状を工夫して最適化し、高強度金属材料にせん断疲労を与えるようにした。   The specific contents of this shear fatigue property evaluation method and evaluation apparatus will be described below. The torsional vibration converter 7 that is commercially available and can be controlled by the amplifier is only one model in the examined range, and there was no room for selection. Therefore, the shape of the amplitude expanding horn 8 and the test piece 1 was optimized and optimized. Shear fatigue was applied to high-strength metal materials.

振幅拡大ホーン8の工夫につき説明する。上記市販のねじり振動コンバータ7と共に販売されている標準振幅拡大ホーン(指数関数型)は、ねじり振動コンバータ7に固定する大径側端面の直径は38mm、試験片1を固定する小径側端面の直径は15mmである。この振幅拡大ホーンは20000Hz付近で共振するように設計・調整されている。なお、振幅拡大ホーンの大径側の端面の中央にはねじり振動コンバータに固定するための取付部である雄ネジ部が突出して設けられ、小径側の端面には試験片を固定するための雌ネジからなる取付部が空けられている。振幅拡大ホーン8の素材はチタン合金である。ヤング率E、ポアソン比ν、密度ρを実測した結果、それぞれE=1.16×1011Pa、ν=0.27、ρ=4460kg/mであった。FEM解析ソフト(Marc Mentat 2008 r1)(登録商標)を用い、上記のE 、ν、ρを物性値として、自由ねじり共振の固有値解析を行っ
た。その結果、拡大率(小径側のねじり角の大径側のねじり角に対する比)は25.8倍になった。
A device for the amplitude expansion horn 8 will be described. The standard amplitude expansion horn (exponential function type) sold together with the commercially available torsional vibration converter 7 has a diameter of the large-diameter side end face fixed to the torsional vibration converter 7 of 38 mm and a diameter of the small-diameter side end face fixing the test piece 1. Is 15 mm. This amplitude expansion horn is designed and adjusted to resonate around 20000 Hz. In addition, a male screw portion, which is a mounting portion for fixing to the torsional vibration converter, protrudes from the center of the large-diameter end face of the amplitude-enhancing horn, and a female screw for fixing the test piece to the small-diameter end face. The attachment part which consists of a screw is vacated. The material of the amplitude expanding horn 8 is a titanium alloy. As a result of actually measuring Young's modulus E, Poisson's ratio ν, and density ρ, they were E = 1.16 × 10 11 Pa, ν = 0.27, and ρ = 4460 kg / m 3 , respectively. Using the FEM analysis software (Marc Mentat 2008 r1) (registered trademark), eigenvalue analysis of free torsional resonance was performed using the above E 1, ν, and ρ as physical property values. As a result, the enlargement ratio (ratio of the small-diameter side torsion angle to the large-diameter side torsion angle) was 25.8 times.

図3に試験片1の模式図を示す。試験片1は、両端の円柱形状の肩部1a,1aと、これら両側の肩部1a,1aに続き軸方向に沿う断面形状が円弧曲線1baとなる中細り部1bとでなるダンベル形である。この試験片1の形状,寸法は、肩部1aの長さL1 、中細り部1bの半分の長さである半弦長さL2 、肩部1aの半径R2 、中細り部1bの最小半径R1 ,前記円弧曲線1baの半径をR(いずれも単位はm)で決定される。
試験片の設計にあたっては、任意の半弦長さL2 、肩部半径R2 、最小半径R1 を与え(いずれも単位はm)、共振周波数をf(単位はHz)、ヤング率E(単位はPa),ポアソン比ν( 無次元) ,密度ρ( 単位はkg/m3)(標準熱処理した軸受鋼SUJ2の実測値はE=2.04×1011Pa,ν=0.29 ,ρ=7800kg/m3)とともに、次式(1) 〜(6) 式に代入することで理
論解としての肩部長さL1 (単位はm )を求めた。RはR1 ,R2 ,L2 から求まる。
FIG. 3 shows a schematic diagram of the test piece 1. The test piece 1 has a dumbbell shape including cylindrical shoulder portions 1a and 1a at both ends and a thinned portion 1b whose cross-sectional shape along the axial direction is an arc curve 1ba following the shoulder portions 1a and 1a on both sides. . The shape and dimensions of the test piece 1 are as follows: the length L 1 of the shoulder portion 1a, the half chord length L 2 that is half the length of the thinned portion 1b, the radius R 2 of the shoulder portion 1a, and the thinned portion 1b. The minimum radius R 1 and the radius of the arc curve 1ba are determined by R (both units are m).
In designing the test piece, an arbitrary half chord length L 2 , a shoulder radius R 2 , a minimum radius R 1 are given (all are in m), a resonance frequency is f (unit is Hz), and Young's modulus E ( (Unit: Pa), Poisson's ratio ν (dimensionless), density ρ (unit: kg / m 3 ) (Measured values for standard heat-treated bearing steel SUJ2 are E = 2.04 × 10 11 Pa, ν = 0.29, ρ = 7800 kg / The shoulder length L 1 (unit: m) as a theoretical solution was obtained by substituting it into the following equations (1) to (6) together with m 3 ). R is obtained from R 1 , R 2 and L 2 .

Figure 0005718690
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ここで、L2 =0.0070m ,R2 =0.0060m ,R1 =0.0030m を,上記のf ,E ,ν,ρとともに(1) 〜(6) 式に代入すると、L1 =0.01012mとなる。しかし、標準焼入焼戻した軸受鋼SUJ2( 合金成分は表1 参照) でL1 =0.01012mとした試験片1を製作したところ、共振しなかった。そこで、有限要素法(FEM )解析ソフト(Marc Mentat 2008 r1) (登録商標)を用い、上記のE ,ν,ρを物性値として自由ねじり共振の固有値解析を行った。その結果、L1 =0.01012m でねじり共振する周波数はf=19076 Hzとなり、ねじり振動コンバータ7の加振周波数範囲である20000±500Hzを外れていた。f=20000Hzでねじり共振するL1 を同解析で求めた結果、L1 =0.00915mとなった。L1 =0.00915mとした試験片1を製作したところ20000Hz付近で共振した。常温大気中、アンプ出力100%にて、加振と休止を交互に繰り返す間欠運転(加振時間: 110msec ,休止時間: 1100msec) で評価した結果、負荷回数が107 回のオーダーで破断した。高強度金属材料をせん断疲労破壊させることはできたが、さらに低サイクル域でせん断疲労破壊させるためには高効率化が必要である。なお,破断形態については後述する(図10参照)。 Here, when L 2 = 0.0070 m, R 2 = 0.0060 m and R 1 = 0.0030 m are substituted into the equations (1) to (6) together with the above f, E, ν, and ρ, L 1 = 0.01012 m Become. However, when the test piece 1 with L 1 = 0.01012 m was manufactured from the standard hardened and tempered bearing steel SUJ2 (see Table 1 for alloy components), it did not resonate. Therefore, using the finite element method (FEM) analysis software (Marc Mentat 2008 r1) (registered trademark), eigenvalue analysis of free torsional resonance was performed using the above E, ν, and ρ as physical properties. As a result, the frequency of torsional resonance at L 1 = 0.01012 m was f = 19076 Hz, which was outside the range of 20000 ± 500 Hz that is the excitation frequency range of the torsional vibration converter 7. The L 1 to torsional resonance at f = 20000 Hz results obtained in the analysis was the L 1 = 0.00915m. When the test piece 1 with L 1 = 0.00915 m was manufactured, it resonated around 20000 Hz. As a result of evaluation by intermittent operation (vibration time: 110 msec, pause time: 1100 msec) in which vibration and pause are alternately performed at room temperature in the air at an amplifier output of 100%, the load was broken on the order of 10 7 times. Although high-strength metallic materials could be subjected to shear fatigue failure, higher efficiency is required in order to cause shear fatigue failure in a lower cycle region. The breaking mode will be described later (see FIG. 10).

振幅拡大ホーン8のねじり振幅を大きくすべく、大径側の端面の直径がφ38mm、小径側の端面の直径がφ13mmの振幅拡大ホーン8の製作を行った。高効率振幅拡大ホーン(指数関数型)は20000Hz付近で共振するように設計・調整されている。高効率振幅拡大ホーンの素材はチタン合金である。ヤング率E、ポアソン比ν、密度ρを実測した結果、それぞれE=1.16×1011Pa、ν=0.27、ρ=4460kg/mであった。FEM解析ソフト(Marc Mentat 2008 r1)(登録商標)を用い
、上記のE 、ν、ρを物性値として、自由ねじり共振の固有値解析を行った。その結果
、拡大率(小径側のねじり角の大径側のねじり角に対する比)は43.1倍になった。したがって、高効率振幅拡大ホーンは標準振幅拡大ホーンに対し、拡大率が67%向上したことになる。しかしながら、常温大気中、アンプ5の出力50%にて、上記の寸法のSUJ2製の試験片1を取り付け、上述の間欠運転条件で評価を開始したところ、間もなく共振が不安定になる現象が起きた。
In order to increase the torsional amplitude of the amplitude expanding horn 8, the amplitude expanding horn 8 having a diameter of 38 mm on the end face on the large diameter side and a diameter of 13 mm on the end face on the small diameter side was manufactured. The high-efficiency amplitude expansion horn (exponential function type) is designed and adjusted so as to resonate around 20000 Hz. The material of the high efficiency amplitude expansion horn is a titanium alloy. As a result of actually measuring Young's modulus E, Poisson's ratio ν, and density ρ, they were E = 1.16 × 10 11 Pa, ν = 0.27, and ρ = 4460 kg / m 3 , respectively. Using the FEM analysis software (Marc Mentat 2008 r1) (registered trademark), eigenvalue analysis of free torsional resonance was performed using the above E 1, ν, and ρ as physical property values. As a result, the enlargement ratio (ratio of the small-diameter side torsion angle to the large-diameter side torsion angle) was 43.1 times. Therefore, the high-efficiency amplitude expansion horn is improved by 67% in comparison with the standard amplitude expansion horn. However, when the test piece 1 made of SUJ2 with the above dimensions was attached at room temperature and the output of the amplifier 5 was 50%, and the evaluation was started under the above-mentioned intermittent operation conditions, the phenomenon that resonance became unstable soon occurred. It was.

共振不安定現象が起きないようにするため、試験片1の形状の見直しを行った。試験片最小径部の表面に作用する最大せん断応力振幅τmax の理論解は(7) 式で与えられる。

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In order to prevent the resonance instability phenomenon from occurring, the shape of the test piece 1 was reviewed. The theoretical solution of the maximum shear stress amplitude τ max acting on the surface of the minimum diameter part of the specimen is given by Eq. (7).
Figure 0005718690

ただし、R1 ,L1 ,L2 は、それぞれ試験片1の最小半径,肩部長さ,半弦長さである(いずれも単位はm )。g,α,k ,βは、それぞれ上述の(1) ,(3) ,(4) ,(5) 式で求まる。θend は後述する試験片1の端面ねじり角である(単位はrad)。同一の端面ねじり角θend では、概略、試験片最小径部に作用する最大せん断応力τmax は、試験片を大きくするほど大きくなり、小さくするほど小さくなる。ここで、ねじり角の拡大率(小径側のねじり角の大径側のねじり角に対する比)を向上させた上記の高効率振幅拡大ホーン8で試験片形状を変更して共振不安定現象を起こすことなく試験片1をせん断疲労破壊させるための指針として、次の2案を考えた。
(1) 試験片を大きくし、小さいアンプ出力でも試験片最小径部表面に大きな最大せん断応力τmax を作用させる。
(2) 上述のように、高効率振幅拡大ホーンは標準品に対してねじり角の拡大率が67%向上した。試験片を小さくすると、試験片最小径部表面に作用する最大せん断応力τmax
は小さくなるが、試験片を小さくする。
Here, R 1 , L 1 , and L 2 are the minimum radius, shoulder length, and half chord length of the test piece 1 (the unit is m). g, α, k, and β are obtained by the above-described equations (1), (3), (4), and (5), respectively. θ end is an end surface torsion angle of the test piece 1 described later (unit: rad). At the same end surface twist angle θ end , the maximum shear stress τ max acting on the test piece minimum diameter portion generally increases as the test piece increases and decreases as the test piece decreases. Here, the test piece shape is changed by the high-efficiency amplitude-expanding horn 8 in which the torsion angle enlargement ratio (ratio of the small-diameter side torsion angle to the large-diameter side torsion angle) is improved to cause a resonance instability phenomenon. The following two plans were considered as guidelines for causing the test specimen 1 to undergo shear fatigue failure without any failure.
(1) The test piece is enlarged and a large maximum shear stress τ max is applied to the surface of the minimum diameter part of the test piece even with a small amplifier output.
(2) As described above, the high-efficiency amplitude-enlarging horn has a 67% improvement in the torsion angle expansion rate compared to the standard product. When the specimen is made smaller, the maximum shear stress τ max acting on the surface of the smallest diameter part of the specimen
Is smaller, but the test piece is smaller.

上記2指針の下、表2のA〜Eの試験片を、表1の軸受鋼SUJ2を用いて製作した。試験片Aは上記の初回形状であり、振幅拡大ホーン8に固定するネジ部からなる取付用突部を除く重量は21.7g である。試験片B,Cは、指針(1) に沿って試験片を大きくしたものであり、同一端面ねじり角でのτmax 比(対A) は大きくなり、重量比(対A) も大きくなる。一方、試験片D,Eは指針(2) に沿って試験片を小さくしたものであり、同一端面ねじり角ではτmax 比(対A)は小さくなり、重量比(対A)も小さくなる。なお、表2中の肩部長さL1 は、上記(6) 式で求めた理論解ではなく、上述のようにFEM による自由ねじり共振の固有値解析にて、20000Hzでねじり共振するように求めた値である。 Under the two guidelines, specimens A to E in Table 2 were manufactured using the bearing steel SUJ2 in Table 1. The test piece A has the above-mentioned initial shape, and the weight excluding the mounting protrusion composed of the screw portion fixed to the amplitude expanding horn 8 is 21.7 g. The test pieces B and C are obtained by enlarging the test piece in accordance with the guideline (1), and the τ max ratio (to A) at the same end face torsion angle is increased, and the weight ratio (to A) is also increased. On the other hand, the test pieces D and E are obtained by reducing the test piece along the guideline (2). At the same end face twist angle, the τ max ratio (vs. A) is reduced and the weight ratio (vs. A) is also reduced. The shoulder length L 1 in Table 2 is not the theoretical solution obtained by the above equation (6), but is obtained by the eigenvalue analysis of the free torsional resonance by FEM as described above so as to cause the torsional resonance at 20000 Hz. Value.

Figure 0005718690
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各試験片1を上記の高効率振幅拡大ホーン8に取り付け、常温大気中、上述の間欠運転条件で評価を行った。その結果、指針(1) に沿う試験片Bはアンプ出力50%で共振不安定現象が起きた。試験片Cはアンプ出力10%でも共振すらしなかった。一方、指針(2)に沿う試験片Dはアンプ出力80%で共振不安定現象が起きた。試験片Eはアンプ出力90%まで共振不安定現象は起きなかった。アンプ出力90%では負荷回数が105 回のオーダーの低サイクル域でせん断疲労破壊した。以上のことから、試験片重量が共振不安定現象に強く関連することがわかった。ねじり振動コンバータ7の最大出力が300Wと非力なためと考えられる。Eを評価試験片に採用することに決定した。 Each test piece 1 was attached to the high-efficiency amplitude-expanding horn 8 and evaluated in the above-mentioned intermittent operation conditions in a room temperature atmosphere. As a result, the test piece B along the guideline (1) had a resonance instability phenomenon at an amplifier output of 50%. The test piece C did not even resonate even when the amplifier output was 10%. On the other hand, the test piece D along the pointer (2) had a resonance instability phenomenon at an amplifier output of 80%. In the test piece E, resonance instability did not occur until the amplifier output reached 90%. At an amplifier output of 90%, shear fatigue failure occurred in a low cycle range where the number of loads was on the order of 10 5 times. From the above, it was found that the specimen weight is strongly related to the resonance instability phenomenon. This is considered to be because the maximum output of the torsional vibration converter 7 is as low as 300 W. It was decided to adopt E as an evaluation specimen.

上述のように、試験片Aの振幅拡大ホーン8に固定するネジ部を除く重量は21.7g である。それに対し、試験片Eのネジ部を除く重量は9.36g である。なお、実際の試験片のフリー端( 反ネジ側) には、研削加工精度をよくするため、旋削加工でセンター穴を設ける必要があり、取付用突部を除く重量は9.36g よりも若干軽くなる。   As described above, the weight excluding the screw portion fixed to the amplitude-amplifying horn 8 of the test piece A is 21.7 g. On the other hand, the weight of the test piece E excluding the threaded portion is 9.36 g. In addition, in order to improve the grinding accuracy on the free end (on the opposite thread side) of the actual test piece, it is necessary to provide a center hole by turning, and the weight excluding the mounting projection is slightly lighter than 9.36 g. Become.

図4に、表2の試験片Eの寸法をもとに描いた試験片図面を示す(単位はmm)。図5は,図4の試験片モデルで自由ねじり共振の固有値解析を行って求めた,ねじり角θと表面のせん断応力τである。図5は端面ねじり角θend が0.01rad の場合であり、このときの試験片最小径部の表面に作用する最大せん断応力τmax は526.18MPaとなった。すなわち、線形弾性の範疇では、端面ねじり角θendと試験片最小径部の表面に作用する最大せん断応力τmax の関係は(8) 式のようになる。ただし、τmax の単位はMPa、θend の単位はradである。
τmax =52618θend (8)
FIG. 4 shows a test piece drawing drawn based on the dimensions of the test piece E in Table 2 (unit: mm). FIG. 5 shows the torsion angle θ and the surface shear stress τ obtained by eigenvalue analysis of free torsional resonance using the specimen model of FIG. FIG. 5 shows the case where the end surface twist angle θ end is 0.01 rad, and the maximum shear stress τ max acting on the surface of the minimum diameter portion of the test piece at this time is 526.18 MPa. That is, in the category of linear elasticity, the relationship between the torsion angle θ end of the end surface and the maximum shear stress τ max acting on the surface of the minimum diameter portion of the test piece is expressed by equation (8). However, the unit of τ max is MPa, and the unit of θ end is rad.
τ max = 52618θ end (8)

図4の形状の標準焼入焼戻した軸受鋼SUJ2製(合金成分は表1参照)の試験片を3本用い、アンプ出力P(%)を変えて端面ねじり角θend (rad)を測定した。試験片の硬さは722HV であった。加振中の試験片肩部下端の写真をデジタルマイクロスコープ(キーエンス製VHX-900 )にて200 倍で撮影した。それに先立ち、ボール盤で試験片肩部にエメリー研磨(#500、#2000)とダイヤモンドラッピング(粒径1μm)を施して鏡面状態にした。試験片1を上記の高効率振幅拡大ホーン8に取り付けた後、肩部にカラーチェックの現像剤を塗布した。 Using the three specimens made of standard hardened and tempered bearing steel SUJ2 (see Table 1 for alloy components) with the shape shown in FIG. 4, the end face twist angle θ end (rad) was measured while changing the amplifier output P (%). . The specimen hardness was 722HV. A photograph of the lower end of the shoulder of the test piece during vibration was taken with a digital microscope (Keyence VHX-900) at 200x magnification. Prior to that, emery polishing (# 500, # 2000) and diamond wrapping (particle diameter: 1 μm) were applied to the shoulder of the test piece with a drilling machine to obtain a mirror surface state. After the test piece 1 was attached to the high-efficiency amplitude-enlarging horn 8, a color check developer was applied to the shoulder.

図6は静止時の写真であり、所々に現像剤が塗布されない箇所ができる。それら塗布されない箇所の加振時の挙動を観察した。図6の場合、矢印を付した箇所の挙動に着目した。アンプ出力Pを10%から90%まで5%刻みで変えて1秒間加振し、その間にシャッタースピード1/15sec で写真撮影した。図7はP=50%での加振時に撮影した写真で、範囲2aが図6の着目箇所の軌跡である。アンプ出力P(%)を変えて測定した範囲2aから、図8のように端面ねじり角θend を求めた。その結果、図9のように、3本の試験片ともPとθend の間にはほぼ同一の直線関係が見られ、回帰直線として(9) 式が得られた.(9) 式から、P=90%でθend =0.018radとなる。(8) 式と(9) 式から、アンプ出力Pと試験片最小径部の表面に作用する最大せん断応力τmax の関係は(10)式のようになった。(10)式から、P=90%でτmax =951 MPaとなり、高強度金属材料にねじり疲労を与えられることが十分に見込める。 FIG. 6 is a photograph at rest, where there are places where the developer is not applied. The behavior at the time of vibration was observed in the uncoated areas. In the case of FIG. 6, attention is paid to the behavior of the part with an arrow. The amplifier output P was changed from 10% to 90% in 5% increments, and shaken for 1 second, during which time a photo was taken at a shutter speed of 1/15 sec. FIG. 7 is a photograph taken at the time of vibration at P = 50%, and a range 2a is a locus of a point of interest in FIG. From the range 2a measured by changing the amplifier output P (%), the end surface torsion angle θ end was obtained as shown in FIG. As a result, as shown in FIG. 9, almost the same linear relationship was observed between P and θ end in all three test pieces, and equation (9) was obtained as a regression line. From the equation (9), θ end = 0.018 rad when P = 90%. From the equations (8) and (9), the relationship between the amplifier output P and the maximum shear stress τ max acting on the surface of the minimum diameter portion of the test piece is as shown in the equation (10). From equation (10), P = 90% and τ max = 951 MPa, and it is sufficiently expected that torsional fatigue can be given to a high-strength metal material.

Figure 0005718690
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製作した試験機本体10は、図1,図2と共に前述したパーソナルコンピュータ等からなる制御・データ採取手段3で、アンプ5を制御するようになっている。図14に、超音波ねじり疲労試験機2の試験条件を入力する画面を示す。図15は初期設定過程の流れ図、図16は試験条件の入力過程の流れ図、図17は試験準備過程の流れ図である。図18は試験過程の詳細の流れ図であり、試験過程では、入力された試験条件に従って、同図のようにアンプ出力の制御や、連続発振または間欠発振を選択した制御、情報取得(周波数とアンプ状態の取得)、試験の終了等の制御等が行われる。   The manufactured testing machine main body 10 controls the amplifier 5 by the control / data collecting means 3 including the personal computer described above with reference to FIGS. FIG. 14 shows a screen for inputting test conditions of the ultrasonic torsional fatigue testing machine 2. FIG. 15 is a flowchart of the initial setting process, FIG. 16 is a flowchart of the test condition input process, and FIG. 17 is a flowchart of the test preparation process. FIG. 18 is a detailed flowchart of the test process. In the test process, according to the input test conditions, control of amplifier output, control for selecting continuous oscillation or intermittent oscillation, information acquisition (frequency and amplifier) as shown in FIG. (Acquisition of status), control of the end of the test, etc.

図14の入力画面例で、計測準備の欄に共振周波数が19.97 と表示されているのは、アンプ出力10%で試験片が19.97kHzで共振したことを示しており、ねらいの20000Hzにほぼ等しい。計測条件の入力欄にアンプ出力を入力すると、あらかじめ初期設定画面に入力しておいた(10)式の直線の傾きと切片から、試験最小径部の表面に作用する最大せん断応力振幅τmax に変換される(なお、この変換処理は試験条件設定部13(図2)が行う)。同欄では、加振し続ける連続運転か加振と休止を交互に繰り返す間欠運転のどちらかを選択する。 In the example of the input screen in FIG. 14, the resonance frequency of 19.97 is displayed in the measurement preparation column, indicating that the test piece resonated at 19.97 kHz with an amplifier output of 10%, which is almost equal to the target 20000 Hz. . When the amplifier output is entered in the measurement condition input field, the maximum shear stress amplitude τ max acting on the surface of the test minimum diameter is calculated from the slope and intercept of the straight line of equation (10) entered in advance on the initial setting screen. (The conversion process is performed by the test condition setting unit 13 (FIG. 2)). In the same column, select either continuous operation for continuous vibration or intermittent operation for alternately repeating vibration and pause.

き裂が発生し、ある程度の寸法に成長すると、試験片1の共振周波数が低下する。同欄の周波数変動幅に50.00 と入力されているのは、共振周波数が試験時よりも50Hz以上低下したら疲労破壊したとして試験を停止させるためである。なお、この値は可変であり、試験片材質に応じて適切な値を入力すべきである。図10にねじり疲労破壊した試験片の例を示す。軸方向のせん断き裂が発生し、ある程度の長さに成長した後、引張型に遷移して斜め方向に逸れていったことを示している。   When a crack occurs and grows to a certain size, the resonance frequency of the test piece 1 decreases. The reason why 50.00 is entered in the frequency fluctuation range in the same column is to stop the test because the fatigue failure occurs when the resonance frequency is lowered by 50 Hz or more from the time of the test. This value is variable, and an appropriate value should be input according to the test piece material. FIG. 10 shows an example of a test piece subjected to torsional fatigue failure. It shows that an axial shear crack occurred, grew to a certain length, then shifted to a tensile mold and deviated obliquely.

常温大気中にて、上記の端面ねじり角の測定に用いた試験片と同ロットのものを、加振と休止を交互に繰り返す間欠運転で評価した。最大せん断応力振幅の大小によらず、一貫して加振時間は110msec 、休止時間は1100msecとした。評価に先立ち,試験片節部にエメリー研磨(#500、#2000)とダイヤモンドラッピング(粒径1μm)を施した。1010回まで損傷が起きなければ試験を打ち切った。 In the air at normal temperature, the test piece used for the measurement of the torsion angle of the end face and the same lot were evaluated by intermittent operation in which vibration and rest were alternately repeated. Regardless of the magnitude of the maximum shear stress amplitude, the vibration time was consistently 110 msec and the rest time was 1100 msec. Prior to the evaluation, emery polishing (# 500, # 2000) and diamond wrapping (particle diameter: 1 μm) were applied to the test piece joints. The test was terminated if no damage occurred 10 times.

図12に超音波ねじり疲労試験で得られたせん断応力振幅と負荷回数の関係を示す。図12中の実線は日本材料学会の金属材料疲労信頼性評価標準JSMS-SD-6-02の疲労限度型折れ線モデルにあてはめて求めたS-N 線図(破壊確率50%の疲労強度線図)であり、せん断疲労限度はτW0=564MPaとなった。 FIG. 12 shows the relationship between the shear stress amplitude obtained by the ultrasonic torsional fatigue test and the number of loads. The solid line in Fig. 12 is the SN diagram (fatigue strength diagram with 50% fracture probability) obtained by fitting to the fatigue limit type broken line model of JSMS-SD-6-02, a metal material fatigue reliability evaluation standard of the Japan Society of Materials Science. Yes, the shear fatigue limit was τ W0 = 564 MPa.

表1の軸受鋼SUJ2を素材に用い、図11のように、直径10mmの平行部に、超音波ねじり疲労試験片と同じ最小直径4mmの中細り部を設けたねじり疲労試験片(標準焼入焼戻)を製作した(図中の寸法の単位はmmである)。中細り部を設けたのは、危険体積を略等しくするためである。なお、図11のねじり疲労試験片はR=11.4mmに対し、超音波ねじり疲労試験片はR=9.7mmである。Rを変えた理由は応力集中係数を揃えるためである。ねじり疲労試験に先立ち、表面粗さの影響をなくす目的で、中細り部にエメリー研磨(#500、#2000)とダイヤモンドラッピング(粒径1μm)を施した。ねじり疲労試験は油圧サーボ型ねじり疲労試験機にて、完全両振り、負荷周波数10Hzで行った。その結果、図12中の白丸プロットのようになり、油圧サーボねじり疲労試験結果の時間強度は,超音波ねじり疲労試験結果のものよりも約15%低くなった。超音波ねじり疲労試験は、従来のねじり疲労試験よりも、せん断疲労強度を高めに評価する傾向がある。したがって、せん断疲労限度564MPaの85%である479MPa(図12中の点線)をτWOとする。 The torsional fatigue test piece (standard quenching) using the bearing steel SUJ2 of Table 1 as a raw material and providing a thin part with the same minimum diameter of 4 mm as the ultrasonic torsional fatigue test piece in the parallel part with a diameter of 10 mm as shown in FIG. (Temperature unit in the figure is mm). The reason why the thinned portion is provided is to make the dangerous volumes substantially equal. The torsional fatigue test piece in FIG. 11 has R = 11.4 mm, whereas the ultrasonic torsional fatigue test piece has R = 9.7 mm. The reason for changing R is to make the stress concentration factor uniform. Prior to the torsional fatigue test, emery polishing (# 500, # 2000) and diamond wrapping (particle size 1 μm) were applied to the thinned portion for the purpose of eliminating the influence of the surface roughness. The torsional fatigue test was performed with a hydraulic servo type torsional fatigue tester with a complete swing and a load frequency of 10 Hz. As a result, a white circle plot in FIG. 12 was obtained, and the time strength of the hydraulic servo torsional fatigue test result was about 15% lower than that of the ultrasonic torsional fatigue test result. The ultrasonic torsional fatigue test tends to be evaluated with higher shear fatigue strength than the conventional torsional fatigue test. Therefore, 479 MPa (dotted line in FIG. 12), which is 85% of the shear fatigue limit of 564 MPa, is defined as τ WO .

ねじり疲労試験では、せん断応力は試験片表面で最大、軸芯でゼロになる。すなわち、応力勾配をもつ疲労試験である。ここで、引張圧縮疲労試験のうち、軸荷重疲労試験では平滑部断面内の垂直応力は均一であり、平滑部直径によらず一定の疲労限度を示すことが知られている。それに対し、応力勾配をもつ回転曲げ疲労試験では、平滑部直径が大きくなるにつれて疲労限度が低下し、軸荷重疲労試験での疲労限度に漸近していく寸法効果を示すことが知られている。引張強度が異なる3鋼種について、軸荷重疲労試験と平滑部直径を種々変えた回転曲げ疲労試験を行い、それぞれの疲労限度を求めた報告がある(非特許文献3参照)。それによると、鋼種によらず、軸荷重疲労試験での疲労限度は、平滑部直径が4mmの回転曲げ疲労試験での疲労限度の約80%となっている。   In the torsional fatigue test, the shear stress is maximum on the specimen surface and zero on the shaft core. That is, a fatigue test with a stress gradient. Here, in the tensile compression fatigue test, it is known that in the axial load fatigue test, the vertical stress in the cross section of the smooth portion is uniform and shows a constant fatigue limit regardless of the diameter of the smooth portion. On the other hand, in the rotating bending fatigue test having a stress gradient, it is known that the fatigue limit decreases as the diameter of the smooth portion increases, and a dimensional effect that gradually approaches the fatigue limit in the axial load fatigue test is known. There is a report that the three steel types having different tensile strengths were subjected to an axial load fatigue test and a rotating bending fatigue test in which the diameter of the smooth part was variously changed, and the respective fatigue limits were obtained (see Non-Patent Document 3). According to this, regardless of the steel type, the fatigue limit in the axial load fatigue test is about 80% of the fatigue limit in the rotating bending fatigue test with a smooth part diameter of 4 mm.

引張圧縮疲労試験では、応力勾配をもたない軸荷重疲労試験での疲労限度が安全側の基準になるが、ねじり疲労試験では、平滑部直径をいくら大きくしても応力勾配をもつため基準が存在しない。応力勾配をもつ以上、ねじり疲労試験でも寸法効果は避けられない。そこで、ねじり疲労試験についても引張圧縮疲労試験の基準がそのまま適用できると仮定する。つまり、超音波ねじり疲労試験片の最小直径は4mmなので、上記の超音波ねじり疲労試験の過大評価補正をしたせん断疲労限度479MPaの80%である383(図12中の点線)をτWOとする。 In the tensile and compression fatigue test, the fatigue limit in the axial load fatigue test without a stress gradient is the safety standard, but in the torsional fatigue test, the stress gradient is maintained no matter how large the diameter of the smooth part is. not exist. As long as it has a stress gradient, dimensional effects are unavoidable even in torsional fatigue tests. Therefore, it is assumed that the standard of the tensile compression fatigue test can be applied as it is to the torsional fatigue test. That is, since the minimum diameter of the ultrasonic torsional fatigue test piece is 4 mm, 383 (dotted line in FIG. 12) which is 80% of the shear fatigue limit of 479 MPa corrected for overestimation of the ultrasonic torsional fatigue test is τ WO . .

上記の応力勾配をもつ疲労試験で現れる寸法効果は、応力勾配という力学的要因と、大きな負荷を受ける体積(危険体積)が増減するという統計的要因によってもたらされる。統計的要因という観点から、複数応力水準で複数本の評価を行ってP-S-N 線図を得ればよい。しかしながら、時間的制約から実施が困難な場合が多いであろう。図12でせん断疲労限度τW0を求めるのに日本材料学会の金属材料疲労信頼性評価標準JSMS-SD-6-02を用いた。それには少ないデータ数でP-S-N 線図を得る機能がある。 The size effect that appears in the fatigue test with the above stress gradient is brought about by a mechanical factor called a stress gradient and a statistical factor that increases or decreases the volume subjected to a large load (dangerous volume). From the viewpoint of statistical factors, a PSN diagram may be obtained by evaluating multiple lines at multiple stress levels. However, it will often be difficult to implement due to time constraints. The metal material fatigue reliability evaluation standard JSMS-SD-6-02 of the Japan Society of Materials was used to determine the shear fatigue limit τ W0 in FIG. It has a function to obtain a PSN diagram with a small number of data.

図13は、それによって得た破壊確率10%のP-S-N 線図(図13中の破線) であり、10%せん断疲労限度は500MPaとなった。その値に対し、上記の超音波ねじり疲労試験の過大評価補正をすると、500×0.85=425MPaとなる(図13中の点線)。さらに、上記の寸法効果補正をすると、425×0.8=340MPa(図13中の一点鎖線)となる。この値が最も安全なτlimの見積といえる。ここでは適当な破壊確率として10%としたが、超音波ねじり疲労試験片の危険体積と実際の部品の危険体積を比較し、妥当な破壊確率を考慮すれば良い。 FIG. 13 is a PSN diagram (broken line in FIG. 13) with a fracture probability of 10% obtained thereby, and the 10% shear fatigue limit was 500 MPa. When overestimation correction of the ultrasonic torsional fatigue test is performed on the value, 500 × 0.85 = 425 MPa (dotted line in FIG. 13). Further, when the above-described dimensional effect correction is performed, 425 × 0.8 = 340 MPa (a chain line in FIG. 13). This value is the safest estimate of τ lim . Here, the appropriate fracture probability is set to 10%, but the critical volume of the ultrasonic torsional fatigue test specimen and the critical volume of the actual part are compared, and an appropriate fracture probability may be considered.

図1、図2の制御・データ採取手段3について、整理して図14〜図18と共に説明する。図2の試験条件設定部13は、図14に示す試験条件の入力画面を画面表示装置12により表示させる。この入力画面には、試験片材料の材料名の入力欄、コメントの入力欄と、ねじり振動コンバータ7を駆動する条件となる、アンプ出力の入力欄、間欠運転か連続運転かを選択する選択入力欄、間欠運転の場合の1回の加振時間および休止時間の入力欄、試験終了条件の入力欄(試験を終了する負荷回数、および周波数変動幅)と、データ取得条件となる初期サイクル、終了サイクル、サイクル間隔の入力欄とが表示され、またファイル名の入力欄が表示される。試験条件設定部13は、図14の入力画面で入力された試験条件の情報を、一つの試験ファイルとして試験条件・採取データ記憶部14に記憶し、入力されたファイル名を付す。入力する手順は、例えば、図16に流れ図を示す順に行われる。
なお、図2の試験条件設定部13は、図14の入力画面の他に、初期設定の入力画面を画面表示装置12に表示させ、図15に流れ図で示すように、アンプ5で出力する電圧値や物理量の入力、せん断振幅応力係数の入力を促し、入力された値で電圧および物理量の初期設定を行い、前記試験ファイル等に記録する。ここで言う「物理量」は、次の振幅IN、振幅OUT、超音波パワー、周波数、メモリ周波数等の量である。次の各事項の説明中に「コントローラー(PC)」とあるのは、制御・データ採取手段3のことである。
振幅IN:アンプ出力振幅アンプ出力振幅のことで、コントローラー(PC)より 0〜100%を-10V〜+10Vにて指示する。
振幅OUT:実際のアンプ出力振幅に比例した電圧出力のことで、コントローラー(PC)にて 0〜100%を0V〜+10Vにて指示する。
超音波パワー:超音波パワーの出力に比例した電圧出力のことで、コントローラー(PC)にて 0〜100%を0V〜+10Vにて指示する。
周波数:アンプ運転周波数の出力に比例した電圧出力のことで、コントローラー(PC)にて19.50 〜20.50kHzを-10V〜+10Vにて指示する。
メモリ周波数:アンプメモリ内に記録されている相対周波数の出力に比例した電圧出力のことで、コントローラー(PC)にて19.50 〜20.50kHzを-10V〜+10Vにて指示する。
The control / data collection means 3 of FIGS. 1 and 2 will be described together with FIGS. 14 to 18. The test condition setting unit 13 in FIG. 2 causes the screen display device 12 to display the test condition input screen shown in FIG. In this input screen, the input field for the material name of the specimen material, the input field for the comment, and the input field for the amplifier output, which is a condition for driving the torsional vibration converter 7, a selection input for selecting between intermittent operation and continuous operation Field, input field for one excitation time and pause time in the case of intermittent operation, input field for test end condition (number of loads to end test, and frequency fluctuation range), and initial cycle as data acquisition condition, end Cycle and cycle interval input fields are displayed, and a file name input field is displayed. The test condition setting unit 13 stores the test condition information input on the input screen of FIG. 14 in the test condition / collected data storage unit 14 as one test file, and gives the input file name. The input procedure is performed, for example, in the order shown in the flowchart in FIG.
The test condition setting unit 13 in FIG. 2 displays an initial setting input screen on the screen display device 12 in addition to the input screen in FIG. 14, and the voltage output by the amplifier 5 as shown in the flowchart in FIG. Prompts the input of values and physical quantities, and the input of shear amplitude stress coefficient, initializes voltages and physical quantities with the input values, and records them in the test file or the like. The “physical quantity” mentioned here is a quantity such as the next amplitude IN, amplitude OUT, ultrasonic power, frequency, memory frequency, and the like. In the following explanation of each item, “controller (PC)” refers to the control / data collection means 3.
Amplitude IN: Amplifier output amplitude This is the amplifier output amplitude, and the controller (PC) instructs 0-100% from -10V to + 10V.
Amplitude OUT: Voltage output proportional to the actual amplifier output amplitude. 0-100% is indicated from 0V to + 10V by the controller (PC).
Ultrasonic power: A voltage output proportional to the output of ultrasonic power. 0-100% is indicated from 0V to + 10V by the controller (PC).
Frequency: A voltage output proportional to the output of the amplifier operating frequency. The controller (PC) instructs 19.50 to 20.50kHz from -10V to + 10V.
Memory frequency: Voltage output proportional to the relative frequency output recorded in the amplifier memory. The controller (PC) indicates 19.50 to 20.50 kHz from -10V to + 10V.

図14の入力画面における「発振開始」のボタンが押されると、10%の出力で共振周波数がサーチされる。共振することが確認されたら、「試験情報」のタブの画面に移り、「試験開始」のボタンを押すと開始命令が与えられ、図2の試験制御部15は試験を開始させる。   When the “oscillation start” button on the input screen of FIG. 14 is pressed, the resonance frequency is searched with 10% output. When it is confirmed that the resonance occurs, the screen shifts to the screen of the “test information” tab, and when the “test start” button is pressed, a start command is given, and the test control unit 15 in FIG. 2 starts the test.

図2の試験制御部15は、上記のように入力されて試験ファイルと記憶された試験条件に従い、アンプ5および試験片冷却手段9の制御を行い、かつアンプ5からデータを採取する。概略を説明すると、試験開始(R1)の後、振幅出力を定め(R3)、連続運転か間欠運転かの試験条件を判別して(R4)、連続運転の場合はステップR5〜R13の処理を行い、間欠運転の場合はステップR14〜R24の処理を行う。いずれの場合も、加振周波数およびアンプの出力状態を採取し(R6,R18)、その採取したデータで前記試験ファイルを更新する(R12,R22)。試験終了条件を満たすと、超音波出力を停止し(R26)、試験を終了する。   The test control unit 15 shown in FIG. 2 controls the amplifier 5 and the test piece cooling means 9 and collects data from the amplifier 5 according to the test conditions input as described above and stored in the test file. Briefly, after the start of the test (R1), the amplitude output is determined (R3), the test condition of continuous operation or intermittent operation is determined (R4), and in the case of continuous operation, the processing of steps R5 to R13 is performed. In the case of intermittent operation, steps R14 to R24 are performed. In either case, the excitation frequency and the output state of the amplifier are collected (R6, R18), and the test file is updated with the collected data (R12, R22). When the test end condition is satisfied, the ultrasonic output is stopped (R26), and the test is ended.

1…試験片
1a…肩部
1b…中細り部
3…制御・データ採取手段
4…発振器
5…アンプ
6…フレーム
7…ねじり振動コンバータ
8…振幅拡大ホーン
9…試験片空冷手段
10…試験機本体
13…試験条件設定部
18…間欠発振制御部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Test piece 1a ... Shoulder part 1b ... Thin part 3 ... Control and data collection means 4 ... Oscillator 5 ... Amplifier 6 ... Frame 7 ... Torsional vibration converter 8 ... Amplitude expansion horn 9 ... Test piece air cooling means 10 ... Test machine main body 13 ... Test condition setting unit 18 ... Intermittent oscillation control unit

Claims (28)

転がり接触する金属材料のせん断疲労特性を、前記金属材料からなる試験片を用いて試験し評価する方法であって、
交流電力が印加されることで回転中心軸回りの正逆の回転となるねじり振動を発生するねじり振動コンバータと、先端に同心に試験片を取付ける取付部を有し基端でねじり振動コンバータに固定され、基端に与えられた前記ねじり振動コンバータのねじり振動の振幅を拡大する振幅拡大ホーンと、発振器と、この発振器の出力を増幅して前記ねじり振動コンバータに印加するアンプと、このアンプに前記制御の入力を与える制御手段とを用い、
前記振幅拡大ホーンの形状、寸法を、前記ねじり振動コンバータの駆動によるねじり振動に共振する形状、寸法とし、
前記試験片の形状、寸法を、前記振幅拡大ホーンのねじり振動に共振する形状、寸法とし、
前記ねじり振動コンバータを超音波領域の周波数範囲で駆動し、前記振幅拡大ホーンと前記試験片を共振させて、試験片をせん断疲労破壊させる試験を行い
前記振幅拡大ホーンの形状は、前記試験片の取付部となる先端側が細くなる指数関数型であり、
験により得られたせん断応力振幅と負荷回数との関係を用いて、前記金属材料のせん断疲労特性を評価することを特徴とする転がり接触金属材料のせん断疲労特性評価方法。
A method for testing and evaluating the shear fatigue characteristics of a metal material in rolling contact with a test piece made of the metal material,
A torsional vibration converter that generates torsional vibration that rotates forward and backward around the rotation center axis when AC power is applied, and a mounting part that attaches a test piece concentrically to the tip, and is fixed to the torsional vibration converter at the base end And an amplitude expansion horn that expands the amplitude of the torsional vibration of the torsional vibration converter applied to the base end, an oscillator, an amplifier that amplifies the output of the oscillator and applies it to the torsional vibration converter, Using control means for providing control input,
The shape and dimensions of the amplitude expanding horn are the shapes and dimensions that resonate with torsional vibration caused by driving the torsional vibration converter,
The shape and dimensions of the test piece are the shapes and dimensions that resonate with the torsional vibration of the amplitude-amplifying horn,
Drive the torsional vibration converter in the frequency range of the ultrasonic region, resonate the amplitude expanding horn and the test piece, and perform a test for shear fatigue failure of the test piece ,
The shape of the amplitude expanding horn is an exponential function type in which the tip side that becomes the mounting portion of the test piece becomes thin,
Using the relationship between the shear stress amplitude and the load count obtained by test, shear fatigue properties evaluation method of contacting the metal material in rolling, characterized in that to evaluate the shear fatigue property of the metallic material.
請求項1において、前記アンプは、出力の大きさおよびオンオフが外部からの入力により制御可能である転がり接触金属材料のせん断疲労特性評価方法。   2. The method for evaluating a shear fatigue property of a rolling contact metal material according to claim 1, wherein the amplifier is capable of controlling the output magnitude and on / off by an external input. 請求項1または請求項2において、前記ねじり振動コンバータにより発生するねじり振動は、正回転方向と逆回転方向とが対称となる振動である完全両振りとする転がり軸受用または転がり接触金属材料のせん断疲労特性評価方法。   3. The rolling bearing or rolling contact metal material according to claim 1, wherein the torsional vibration generated by the torsional vibration converter is a perfect double swing in which the forward rotation direction and the reverse rotation direction are symmetrical. Fatigue property evaluation method. 請求項1ないし請求項3のいずれか1項において、前記ねじり振動コンバータを駆動する周波数の下限値が(20000−500+α)Hz、上限値が(20000+500)Hz、ただしαは試験片の試験中の性状変化に対する余裕値であって200Hz以下、である転がり接触金属材料のせん断疲労特性評価方法。   The lower limit value of the frequency for driving the torsional vibration converter is (20000-500 + α) Hz, the upper limit value is (20000 + 500) Hz, where α is during the test of the test piece. A method for evaluating a shear fatigue property of a rolling contact metal material, which is a margin value for property change and is 200 Hz or less. 請求項4において、前記余裕値が200Hzである転がり接触金属材料のせん断疲労特性評価方法。   5. The method for evaluating a shear fatigue property of a rolling contact metal material according to claim 4, wherein the margin value is 200 Hz. 請求項1ないし請求項5のいずれか1項において、前記振幅拡大ホーンは、横断面形状が円形であって、基端部を除く部分の縦断面形状が、先細り形状である転がり接触金属材料のせん断疲労特性評価方法。   6. The rolling contact metal material according to claim 1, wherein the amplitude-amplifying horn has a circular cross-sectional shape, and a vertical cross-sectional shape of a portion excluding the base end portion is a tapered shape. Shear fatigue property evaluation method. 請求項6において、前記振幅拡大ホーンの材質がチタン合金である転がり接触金属材料のせん断疲労特性評価方法。   7. The method for evaluating shear fatigue characteristics of a rolling contact metal material according to claim 6, wherein the material of the amplitude expanding horn is a titanium alloy. 請求項7において、前記振幅拡大ホーンの材質であるチタン合金が、少なくともAlを6%以上、Moを3%以上含有する転がり接触金属材料のせん断疲労特性評価方法。   8. The method for evaluating a shear fatigue property of a rolling contact metal material according to claim 7, wherein the titanium alloy, which is a material of the amplitude expanding horn, contains at least Al at least 6% and Mo at least 3%. 請求項7または請求項8において、前記振幅拡大ホーンの材質であるチタン合金のロックウェルC硬さが35以上である転がり接触金属材料のせん断疲労特性評価方法。   9. The method for evaluating a shear fatigue property of a rolling contact metal material according to claim 7 or 8, wherein the Rockwell C hardness of a titanium alloy that is a material of the amplitude expanding horn is 35 or more. 転がり接触する金属材料のせん断疲労特性を、前記金属材料からなる試験片を用いて試験し評価する方法であって、
交流電力が印加されることで回転中心軸回りの正逆の回転となるねじり振動を発生するねじり振動コンバータと、先端に同心に試験片を取付ける取付部を有し基端でねじり振動コンバータに固定され、基端に与えられた前記ねじり振動コンバータのねじり振動の振幅を拡大する振幅拡大ホーンと、発振器と、この発振器の出力を増幅して前記ねじり振動コンバータに印加するアンプと、このアンプに前記制御の入力を与える制御手段とを用い、
前記振幅拡大ホーンの形状、寸法を、前記ねじり振動コンバータの駆動によるねじり振動に共振する形状、寸法とし、
前記試験片の形状、寸法を、前記振幅拡大ホーンのねじり振動に共振する形状、寸法とし、
前記ねじり振動コンバータを超音波領域の周波数範囲で駆動し、前記振幅拡大ホーンと前記試験片を共振させて、試験片をせん断疲労破壊させる試験を行い、
前記振幅拡大ホーンは、横断面形状が円形であって、基端部を除く部分の縦断面形状が、先細り形状であり、
前記振幅拡大ホーンの材質がチタン合金であり、この振幅拡大ホーンの材質であるチタン合金のロックウェルC硬さが35以上であり、
前記振幅拡大ホーンは、その基端部の端面の中央から突出して前記ねじり振動コンバータへ取付けられる取付部、および先端の前記試験片を取り付ける雌ネジ部を除いた振幅拡大ホーン形状モデルにつき、物性値をE=1.16×1011Pa、ν=0.27、ρ=4460kg/ m3 を物性値としたとき、有限要素解析による自由ねじり共振の固有値解析で求まる、小径側端面のねじり角の大径側端面のねじり角に対する比である拡大率が43倍以上であり、先端のねじり角が0.018radのとき、先細り部表面に作用する最大せん断応力が180MPa以下となり、
試験により得られたせん断応力振幅と負荷回数との関係を用いて、前記金属材料のせん断疲労特性を評価することを特徴とする転がり接触金属材料のせん断疲労特性評価方法。
A method for testing and evaluating the shear fatigue characteristics of a metal material in rolling contact with a test piece made of the metal material,
A torsional vibration converter that generates torsional vibration that rotates forward and backward around the rotation center axis when AC power is applied, and a mounting part that attaches a test piece concentrically to the tip, and is fixed to the torsional vibration converter at the base end And an amplitude expansion horn that expands the amplitude of the torsional vibration of the torsional vibration converter applied to the base end, an oscillator, an amplifier that amplifies the output of the oscillator and applies it to the torsional vibration converter, Using control means for providing control input,
The shape and dimensions of the amplitude expanding horn are the shapes and dimensions that resonate with torsional vibration caused by driving the torsional vibration converter,
The shape and dimensions of the test piece are the shapes and dimensions that resonate with the torsional vibration of the amplitude-amplifying horn,
Drive the torsional vibration converter in the frequency range of the ultrasonic region, resonate the amplitude expanding horn and the test piece, and perform a test for shear fatigue failure of the test piece,
The amplitude expanding horn has a circular cross-sectional shape, and the vertical cross-sectional shape of the portion excluding the base end portion is a tapered shape,
The material of the amplitude expansion horn is a titanium alloy, and the Rockwell C hardness of the titanium alloy that is the material of the amplitude expansion horn is 35 or more,
The amplitude expansion horn is a physical property value per amplitude expansion horn shape model excluding a mounting portion protruding from the center of the end face of the base end portion and attached to the torsional vibration converter, and a female screw portion attaching the test piece at the tip. Where E = 1.16 × 10 11 Pa, ν = 0.27, and ρ = 4460 kg / m 3 , the torsion angle of the end face on the small diameter side obtained by eigenvalue analysis of free torsional resonance by finite element analysis When the enlargement ratio, which is a ratio to the torsion angle of the large-diameter end face, is 43 times or more and the torsion angle of the tip is 0.018 rad, the maximum shear stress acting on the tapered portion surface is 180 MPa or less ,
A method for evaluating the shear fatigue property of a rolling contact metal material, wherein the shear fatigue property of the metal material is evaluated using the relationship between the shear stress amplitude and the number of loads obtained by the test .
請求項1ないし請求項10のいずれか1項において、前記試験片が、両端の円柱形状の肩部と、これら両側の肩部に続き軸方向に沿う断面形状が円弧曲線となる中細り部とでなるダンベル形であり、
前記肩部の長さをL1 、前記中細り部の半分の長さである半弦長さをL2 、前記肩部の半径をR3 、前記中細り部の最小半径をR1 、前記円弧曲線の半径をR(いずれも単位はm,RはR1 、R2 、L3 から求まる)とし、共振周波数をf(単位はHz)、ヤング率E(単位はPa),ポアソン比ν(無次元)、密度ρ(単位はkg/ m3 )とし、
前記L2 、R1 、R2 を任意の値とし、前記共振周波数fを前記振動コンバータが駆動可能な周波数範囲20000±500Hzの任意の値として、次式(1)〜(6)により、前記共振周波数fで試験片が共振する肩部長さL1 を理論解として求め、
Figure 0005718690
前記L2 、R1 、R2 、Rおよび理論解として求まったL1 を僅かに短くした複数の試験片形状モデルを作成し、
これらの形状モデルにつき、E、ν、ρを試験片とする金属材料の実測物性値とし、有限要素解析による自由ねじり共振の固有値解析により、前記共振周波数fでねじり共振する解析解L1Nを求め、前記L2 、R1 、R2 、R、L1Nの寸法の試験片を作製して試験に用いる、
転がり接触金属材料のせん断疲労特性評価方法。
The test piece according to any one of claims 1 to 10, wherein the test piece includes cylindrical shoulder portions at both ends, and a thinned portion having a cross-sectional shape along the axial direction following the shoulder portions on both sides, which is an arc curve. Is a dumbbell shape,
The length of the shoulder is L1, the half chord length which is half the length of the thinned portion is L2, the radius of the shoulder is R3, the minimum radius of the thinned portion is R1, and the radius of the arc curve Is R (unit is m, R is determined from R1, R2, and L3), resonance frequency is f (unit is Hz), Young's modulus E (unit is Pa), Poisson's ratio ν (dimensionless), density ρ (Unit: kg / m 3 )
L2, R1, R2 are set to arbitrary values, the resonance frequency f is set to an arbitrary value in the frequency range 20000 ± 500 Hz that can be driven by the vibration converter, and the resonance frequency f is expressed by the following equations (1) to (6). The theoretical length of the shoulder length L1 at which the test piece resonates is obtained.
Figure 0005718690
A plurality of test piece shape models in which L1, R1, R2, R, and L1 obtained as a theoretical solution are slightly shortened are created,
For these shape models, E, ν, and ρ are measured physical property values of a metal material, and an analytical solution L1N that undergoes torsional resonance at the resonance frequency f is obtained by eigenvalue analysis of free torsional resonance by finite element analysis. A test piece having the dimensions L2, R1, R2, R, L1N is prepared and used for the test.
A method for evaluating the shear fatigue characteristics of rolling contact metal materials.
請求項11において、前記ねじり振動コンバータの定格出力を300Wとし、前記試験片の前記振動拡大ホーン先端に取り付ける雄ネジ部、および試験片加工に必要な反取付部端面のセンター穴部を除いた体積が1.2×10-63 以下である転がり接触金属材料のせん断疲労特性評価方法。 In Claim 11, the rated output of the torsional vibration converter is 300 W, and the volume excluding the male screw part attached to the tip of the vibration expansion horn of the test piece and the center hole part of the end face of the non-attachment part necessary for processing the test piece Is a method for evaluating the shear fatigue properties of rolling contact metal materials having a thickness of 1.2 × 10 −6 m 3 or less. 転がり接触する金属材料のせん断疲労特性を、前記金属材料からなる試験片を用いて試験し評価する方法であって、
交流電力が印加されることで回転中心軸回りの正逆の回転となるねじり振動を発生するねじり振動コンバータと、先端に同心に試験片を取付ける取付部を有し基端でねじり振動コンバータに固定され、基端に与えられた前記ねじり振動コンバータのねじり振動の振幅を拡大する振幅拡大ホーンと、発振器と、この発振器の出力を増幅して前記ねじり振動コンバータに印加するアンプと、このアンプに前記制御の入力を与える制御手段とを用い、
前記振幅拡大ホーンの形状、寸法を、前記ねじり振動コンバータの駆動によるねじり振動に共振する形状、寸法とし、
前記試験片の形状、寸法を、前記振幅拡大ホーンのねじり振動に共振する形状、寸法とし、
前記ねじり振動コンバータを超音波領域の周波数範囲で駆動し、前記振幅拡大ホーンと前記試験片を共振させて、試験片をせん断疲労破壊させる試験を行い、
試験により得られたせん断応力振幅と負荷回数との関係を用いて、前記金属材料のせん断疲労特性を評価するものであり、
前記試験片が、両端の円柱形状の肩部と、これら両側の肩部に続き軸方向に沿う断面形状が円弧曲線となる中細り部とでなるダンベル形であり、
前記肩部の長さをL1 、前記中細り部の半分の長さである半弦長さをL2 、前記肩部の半径をR3 、前記中細り部の最小半径をR1 、前記円弧曲線の半径をR(いずれも単位はm,RはR1 、R2 、L3 から求まる)とし、共振周波数をf(単位はHz)、ヤング率E(単位はPa),ポアソン比ν(無次元)、密度ρ(単位はkg/ m 3 )とし、
前記L2 、R1 、R2 を任意の値とし、前記共振周波数fを前記振動コンバータが駆動可能な周波数範囲20000±500Hzの任意の値として、次式(1)〜(6)により、前記共振周波数fで試験片が共振する肩部長さL1 を理論解として求め、
Figure 0005718690
前記L2 、R1 、R2 、Rおよび理論解として求まったL1 を僅かに短くした複数の試験片形状モデルを作成し、
これらの形状モデルにつき、E、ν、ρを試験片とする金属材料の実測物性値とし、有限要素解析による自由ねじり共振の固有値解析により、前記共振周波数fでねじり共振する解析解L1Nを求め、前記L2 、R1 、R2 、R、L1Nの寸法の試験片を作製して試験に用い、
前記ねじり振動コンバータの定格出力を300Wとし、前記試験片の前記振動拡大ホーン先端に取り付ける雄ネジ部、および試験片加工に必要な反取付部端面のセンター穴部を除いた体積が1.2×10 -6 3 以下であり、
前記試験片の端面ねじり角が0.01radのとき、前記振幅拡大ホーンの先端に取り付ける雄ネジ部、および試験片加工に必要な反取付部端面のセンター穴部を除いた試験片形状モデルにつき、物性値をE=2.04×1011Pa、ν=0.29、ρ=7800kg/ m3 としたとき、有限要素解析による自由ねじり共振の固有値解析で求まる、試験片最小径部の表面に作用する最大せん断応力が520MPa以上となる転がり接触金属材料のせん断疲労特性評価方法。
A method for testing and evaluating the shear fatigue characteristics of a metal material in rolling contact with a test piece made of the metal material,
A torsional vibration converter that generates torsional vibration that rotates forward and backward around the rotation center axis when AC power is applied, and a mounting part that attaches a test piece concentrically to the tip, and is fixed to the torsional vibration converter at the base end And an amplitude expansion horn that expands the amplitude of the torsional vibration of the torsional vibration converter applied to the base end, an oscillator, an amplifier that amplifies the output of the oscillator and applies it to the torsional vibration converter, Using control means for providing control input,
The shape and dimensions of the amplitude expanding horn are the shapes and dimensions that resonate with torsional vibration caused by driving the torsional vibration converter,
The shape and dimensions of the test piece are the shapes and dimensions that resonate with the torsional vibration of the amplitude-amplifying horn,
Drive the torsional vibration converter in the frequency range of the ultrasonic region, resonate the amplitude expanding horn and the test piece, and perform a test for shear fatigue failure of the test piece,
Using the relationship between the shear stress amplitude obtained by the test and the number of loads, the shear fatigue property of the metal material is evaluated,
The test piece is a dumbbell shape having a cylindrical shoulder portion at both ends, and a thinned portion in which the cross-sectional shape along the axial direction follows the shoulder portions on both sides is an arc curve,
The length of the shoulder is L1, the half chord length which is half the length of the thinned portion is L2, the radius of the shoulder is R3, the minimum radius of the thinned portion is R1, and the radius of the arc curve Is R (unit is m, R is determined from R1, R2, and L3), resonance frequency is f (unit is Hz), Young's modulus E (unit is Pa), Poisson's ratio ν (dimensionless), density ρ (Unit: kg / m 3 )
L2, R1, R2 are set to arbitrary values, the resonance frequency f is set to an arbitrary value in the frequency range 20000 ± 500 Hz that can be driven by the vibration converter, and the resonance frequency f is expressed by the following equations (1) to (6). The theoretical length of the shoulder length L1 at which the test piece resonates is obtained.
Figure 0005718690
A plurality of test piece shape models in which L1, R1, R2, R, and L1 obtained as a theoretical solution are slightly shortened are created,
For these shape models, E, ν, and ρ are measured physical property values of a metal material, and an analytical solution L1N that undergoes torsional resonance at the resonance frequency f is obtained by eigenvalue analysis of free torsional resonance by finite element analysis. Test pieces having the dimensions of L2, R1, R2, R, L1N were prepared and used for the test.
The rated output of the torsional vibration converter is 300 W, and the volume excluding the male screw part attached to the tip of the vibration magnifying horn of the test piece and the center hole part of the end face of the non-attachment part necessary for processing the test piece is 1.2 × 10 -6 m 3 or less,
When the torsion angle of the end face of the test piece is 0.01 rad, the test piece shape model excluding the male screw part attached to the tip of the amplitude expanding horn and the center hole part of the end face of the non-attachment part necessary for processing the test piece, When the physical property values are E = 2.04 × 10 11 Pa, ν = 0.29, ρ = 7800 kg / m 3 , the surface of the minimum diameter part of the specimen is obtained by eigenvalue analysis of free torsional resonance by finite element analysis. A method for evaluating the shear fatigue characteristics of a rolling contact metal material in which the maximum shear stress to act is 520 MPa or more.
請求項1ないし請求項13のいずれか1項において、試験片の温度上昇を抑制するために、試験片を強制空冷する転がり接触金属材料のせん断疲労特性評価方法。   14. The method for evaluating shear fatigue characteristics of a rolling contact metal material according to claim 1, wherein the test piece is forcibly air-cooled in order to suppress a temperature rise of the test piece. 請求項1ないし請求項14のいずれか1項において、試験片の温度上昇を抑制するために、前記ねじり振動コンバータによる試験片に対するねじり振動の負荷と休止を交互に繰り返す転がり接触金属材料のせん断疲労特性評価方法。   15. The shear fatigue of a rolling contact metal material according to any one of claims 1 to 14, wherein a torsional vibration load on the test piece by the torsional vibration converter and a pause are alternately repeated in order to suppress a temperature rise of the test piece. Characterization method. 請求項1ないし請求項13のいずれか1項において、試験片の発熱が試験結果に対して問題にならない低負荷域では連続負荷する転がり接触金属材料のせん断疲労特性評価方法。   14. The method for evaluating a shear fatigue property of a rolling contact metal material that is continuously loaded in a low load region in which heat generation of a test piece does not cause a problem with respect to a test result according to any one of claims 1 to 13. 請求項1ないし請求項16のいずれか1項において、200Hz以下の共振周波数低下で破壊を検出する転がり接触金属材料のせん断疲労特性評価方法。   The shear fatigue property evaluation method for a rolling contact metal material according to any one of claims 1 to 16, wherein the fracture is detected by a resonance frequency drop of 200 Hz or less. 請求項1ないし請求項17のいずれか1項において、前記試験により得たせん断応力振幅と負荷回数との関係から、任意の破壊確率のP−S−N線図を求め、このP−S−N線図から超長寿命領域におけるせん断疲労強度を、せん断疲労特性の評価に用いるための、超長寿命領域におけるせん断疲労強度τwoとする転がり接触金属材料のせん断疲労特性評価方法。   18. The PSN diagram having an arbitrary failure probability is obtained from the relationship between the shear stress amplitude obtained by the test and the number of loads in any one of claims 1 to 17, and this PS— A method for evaluating the shear fatigue characteristics of a rolling contact metal material, in which the shear fatigue strength in the ultralong life region is used as the shear fatigue strength τwo in the ultralong life region in order to use the shear fatigue strength in the ultralong life region from the N diagram. 請求項1ないし請求項16のいずれか1項において、前記試験により得たせん断応力振幅と負荷回数の関係から求まる、超長寿命領域におけるせん断疲労強度に対する85%の値を、せん断疲労特性の評価に用いるための、超長寿命領域におけるせん断疲労強度τwoとする転がり接触金属材料のせん断疲労特性評価方法。   The shear fatigue property evaluation according to any one of claims 1 to 16, wherein a value of 85% with respect to the shear fatigue strength in the ultralong life region obtained from the relationship between the shear stress amplitude obtained by the test and the number of loads is obtained. A method for evaluating the shear fatigue properties of rolling contact metal materials with shear fatigue strength τwo in the ultra-long life region. 請求項1ないし請求項16のいずれか1項において、前記試験により得た負荷回数とせん断応力振幅の関係から求まる、超長寿命領域におけるせん断疲労強度に対する80%の値を、せん断疲労特性の評価に用いるための、超長寿命領域におけるせん断疲労強度τwoとする転がり接触金属材料のせん断疲労特性評価方法。   The shear fatigue property evaluation according to any one of claims 1 to 16, wherein a value of 80% with respect to the shear fatigue strength in the ultra-long life region obtained from the relationship between the number of loads obtained by the test and the shear stress amplitude is obtained. A method for evaluating the shear fatigue properties of rolling contact metal materials with shear fatigue strength τwo in the ultra-long life region. 請求項1ないし請求項20のいずれか1項において、超長寿命領域におけるせん断疲労強度を安全に見積もるため、前記試験により得たせん断応力振幅と負荷回数との関係から、任意の破壊確率のP−S−N線図を求め、このP−S−N線図から超長寿命領域におけるせん断疲労強度を、せん断疲労特性の評価に用いるための、超長寿命領域におけるせん断疲労強度τwoとする補正である破壊確率補正と、前記試験により得たせん断応力振幅と負荷回数の関係から求まる、超長寿命領域におけるせん断疲労強度に対する85%の値を、せん断疲労特性の評価に用いるための、超長寿命領域におけるせん断疲労強度τwoとする補正である過大評価補正と、前記試験により得た負荷回数とせん断応力振幅の関係から求まる、超長寿命領域におけるせん断疲労強度に対する80%の値を、せん断疲労特性の評価に用いるための、超長寿命領域におけるせん断疲労強度τwoとする補正である寸法効果補正との、いずれか2つ以上の補正を組み合わせて求まる値を、せん断疲労特性の評価に用いるための、超長寿命領域におけるせん断疲労強度τwoとする転がり接触金属材料のせん断疲労特性評価方法。   In any one of Claims 1 thru | or 20, in order to estimate safely the shear fatigue strength in a super-long life area | region, P of arbitrary fracture probabilities is obtained from the relationship between the shear stress amplitude obtained by the said test, and the load frequency. -S-N diagram is obtained, and from this P-S-N diagram, the shear fatigue strength in the ultra-long life region is used as the shear fatigue strength τwo in the ultra-long life region for use in evaluating the shear fatigue characteristics. In order to use the value of 85% of the shear fatigue strength in the ultra-long life region obtained from the relationship between the fracture probability correction and the relationship between the shear stress amplitude obtained by the test and the number of loads, for the evaluation of the shear fatigue characteristics, Overestimation correction, which is the correction for shear fatigue strength τwo in the life region, and the super long life region obtained from the relationship between the number of loads and the shear stress amplitude obtained by the above test. Combining any two or more corrections together with the dimensional effect correction, which is a correction for setting the shear fatigue strength τwo in the ultra-long life region to use the value of 80% for the shear fatigue strength for the evaluation of the shear fatigue characteristics A method for evaluating the shear fatigue property of a rolling contact metal material, in which the obtained value is used for evaluating the shear fatigue property, with the shear fatigue strength τwo in the ultra-long life region. 転がり接触する金属材料のせん断疲労特性を、前記金属材料からなる試験片を用いて試験し評価する装置であって、
交流電力が印加されることで回転中心軸回りの正逆の回転となるねじり振動を発生するねじり振動コンバータと、先端に同心に試験片を取付ける取付部を有し、基端でねじり振動コンバータに固定され、基端に与えられた前記ねじり振動コンバータのねじり角を拡大する振幅拡大ホーンと、発振器と、この発振器の出力を増幅して前記ねじり振動コンバータに印加するアンプと、このアンプに前記制御の入力を与え、かつ試験中の加振周波数、前記アンプの状態、および負荷回数を含むデータを採取する制御・データ採取手段とを備え、
前記振幅拡大ホーンの形状、寸法を、前記ねじり振動コンバータの駆動によるねじり振動に共振する形状、寸法とし、
前記試験片の形状、寸法は、前記振幅拡大ホーンのねじり振動に共振する形状、寸法であり、
前記ねじり振動コンバータを超音波領域の周波数範囲で駆動し、前記振幅拡大ホーンと前記試験片を共振させて、試験片をせん断疲労破壊させるようにし、前記振幅拡大ホーンの形状は、前記試験片の取付部となる先端側が細くなる指数関数型であることを特徴とする、転がり接触金属材料のせん断疲労特性評価装置。
An apparatus for testing and evaluating the shear fatigue characteristics of a metal material in rolling contact with a test piece made of the metal material,
It has a torsional vibration converter that generates torsional vibration that rotates forward and backward around the rotation center axis when AC power is applied, and a mounting part that attaches a test piece concentrically to the distal end. An amplitude-amplifying horn that expands the torsion angle of the torsional vibration converter fixed to the base end, an oscillator, an amplifier that amplifies the output of the oscillator and applies the output to the torsional vibration converter, and the control to the amplifier And a control / data collection means for collecting data including the excitation frequency under test, the state of the amplifier, and the number of loads.
The shape and dimensions of the amplitude expanding horn are the shapes and dimensions that resonate with torsional vibration caused by driving the torsional vibration converter,
The shape and dimensions of the test piece are shapes and dimensions that resonate with torsional vibration of the amplitude-amplifying horn,
The torsional vibration converter is driven in a frequency range of an ultrasonic region, the amplitude expanding horn and the test piece are resonated, and the test piece is subjected to shear fatigue failure. The shape of the amplitude expanding horn is the test piece. become the distal end side mounting portion is characterized that it is an exponential function type narrowing of the shear fatigue property evaluation apparatus of rolling contact metallic material.
請求項22において、前記ねじり振動コンバータを駆動する周波数範囲の下限値が(2000−500+α)Hz、上限値が(2000+500)Hz、ただしαは試験片の試験中の性状変更に対する余裕値であって200Hz以下、である転がり接触金属材料のせん断疲労特性評価装置。   23. The lower limit value of the frequency range for driving the torsional vibration converter according to claim 22 is (2000−500 + α) Hz, and the upper limit value is (2000 + 500) Hz, where α is a margin value for property change during the test of the test piece. An apparatus for evaluating shear fatigue characteristics of a rolling contact metal material having a frequency of 200 Hz or less. 請求項22または請求項23において、前記ねじり振動コンバータは、発生するねじり振動が、正回転方向と逆回転方向とが対称となる振動である完全両振りである転がり接触金属材料のせん断疲労特性評価装置。   24. The shear fatigue characteristic evaluation of a rolling contact metal material according to claim 22 or claim 23, wherein the torsional vibration converter generates a torsional vibration that is a perfect double swing in which a forward rotation direction and a reverse rotation direction are symmetrical. apparatus. 転がり接触する金属材料のせん断疲労特性を、前記金属材料からなる試験片を用いて試験し評価する装置であって、
交流電力が印加されることで回転中心軸回りの正逆の回転となるねじり振動を発生するねじり振動コンバータと、先端に同心に試験片を取付ける取付部を有し、基端でねじり振動コンバータに固定され、基端に与えられた前記ねじり振動コンバータのねじり角を拡大する振幅拡大ホーンと、発振器と、この発振器の出力を増幅して前記ねじり振動コンバータに印加するアンプと、このアンプに前記制御の入力を与え、かつ試験中の加振周波数、前記アンプの状態、および負荷回数を含むデータを採取する制御・データ採取手段とを備え、
前記振幅拡大ホーンの形状、寸法を、前記ねじり振動コンバータの駆動によるねじり振動に共振する形状、寸法とし、
前記試験片の形状、寸法は、前記振幅拡大ホーンのねじり振動に共振する形状、寸法であり、
前記ねじり振動コンバータを超音波領域の周波数範囲で駆動し、前記振幅拡大ホーンと前記試験片を共振させて、試験片をせん断疲労破壊させるようにし、
前記振幅拡大ホーンは、その基端部の端面の中央から突出して前記ねじり振動コンバータへ取付けられる取付部、および先端の前記試験片を取り付ける雌ネジ部を除いた振幅拡大ホーン形状モデルにつき、物性値をE=1.16×1011Pa、ν=0.27、ρ=4460kg/ m3 を物性値としたとき、有限要素解析による自由ねじり共振の固有値解析で求まる、小径側端面のねじり角の大径側端面のねじり角に対する比である拡大率が43倍以上であり、先端のねじり角が0.018radのとき、先細り部表面に作用する最大せん断応力が180MPa以下となる転がり接触金属材料のせん断疲労特性評価装置。
An apparatus for testing and evaluating the shear fatigue characteristics of a metal material in rolling contact with a test piece made of the metal material,
It has a torsional vibration converter that generates torsional vibration that rotates forward and backward around the rotation center axis when AC power is applied, and a mounting part that attaches a test piece concentrically to the distal end. An amplitude-amplifying horn that expands the torsion angle of the torsional vibration converter fixed to the base end, an oscillator, an amplifier that amplifies the output of the oscillator and applies the output to the torsional vibration converter, and the control to the amplifier And a control / data collection means for collecting data including the excitation frequency under test, the state of the amplifier, and the number of loads.
The shape and dimensions of the amplitude expanding horn are the shapes and dimensions that resonate with torsional vibration caused by driving the torsional vibration converter,
The shape and dimensions of the test piece are shapes and dimensions that resonate with torsional vibration of the amplitude-amplifying horn,
The torsional vibration converter is driven in the frequency range of the ultrasonic region, the amplitude expanding horn and the test piece are resonated, and the test piece is subjected to shear fatigue fracture,
The amplitude expansion horn is a physical property value per amplitude expansion horn shape model excluding a mounting portion protruding from the center of the end face of the base end portion and attached to the torsional vibration converter, and a female screw portion attaching the test piece at the tip. Where E = 1.16 × 10 11 Pa, ν = 0.27, and ρ = 4460 kg / m 3 , the torsion angle of the end face on the small diameter side obtained by eigenvalue analysis of free torsional resonance by finite element analysis When the enlargement ratio, which is the ratio to the torsion angle of the large-diameter end face, is 43 times or more and the torsion angle of the tip is 0.018 rad, the maximum shear stress acting on the tapered portion surface is 180 MPa or less. Shear fatigue property evaluation equipment.
請求項22ないし請求項25のいずれか1項において、試験片を強制空冷する試験片冷却手段を設けた転がり接触金属材料のせん断疲労特性評価装置。   26. The apparatus for evaluating a shear fatigue property of a rolling contact metal material according to any one of claims 22 to 25, comprising a test piece cooling means for forcibly air-cooling the test piece. 請求項22ないし請求項26のいずれか1項において、前記制御・データ採取手段は、前記ねじり振動コンバータにねじり振動の発生と休止を交互に繰り返えさせる間欠発振の制御を行う間欠発振制御部を有し、間欠発振と連続発振とを切換可能とした転がり接触金属材料のせん断疲労特性評価装置。   27. The intermittent oscillation control unit according to claim 22, wherein the control / data collection unit controls intermittent oscillation that causes the torsional vibration converter to alternately repeat generation and pause of torsional vibration. An apparatus for evaluating the shear fatigue characteristics of a rolling contact metal material that can be switched between intermittent oscillation and continuous oscillation. 請求項22ないし請求項25のいずれか1項において、前記制御・データ採取手段は、前記ねじり振動コンバータを駆動する条件、および前記データを採取する条件を含む試験条件を入力に従って設定する試験条件設定部と、この試験条件設定部に設定された試験条件に従って前記ねじり振動コンバータの駆動、および前記データの採取を行う試験制御部とを有する転がり接触金属材料のせん断疲労特性評価装置。   26. The test condition setting according to claim 22, wherein the control / data collection unit sets a test condition including a condition for driving the torsional vibration converter and a condition for collecting the data according to an input. And a test control unit that drives the torsional vibration converter and collects the data in accordance with the test conditions set in the test condition setting unit.
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