JP5910391B2 - トーションビームの残留応力診断方法及び装置並びに製造方法 - Google Patents
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Description
トーションビームの製造方法として、円管を素材とし上下のプレス金型にて前記円管の長手方向の一部を径方向に押し潰して断面略U或いはV字形状に成形すると云う方法(通常プレス法と記す)が知られている(例えば特許文献1、特許文献2など参照)。前記通常プレス法で得られた成形品であるトーションビームにおいて、U或いはVの字形の両端に相当する部位である耳部(当該部位は兎の耳を思わせる断面形状なので、耳部と呼ばれる)、とくに、前記押し潰しを受けた部分(押し潰し部)と受けなかった部分(非押し潰し部;但し、軽微な程度に潰されて断面楕円形状となった部分も含む)との境界部分である徐変部に位置する耳部は、残留応力が高く疲労亀裂発生の危険性が高い部位(疲労亀裂発生危険部位と記す)である。そこで、特許文献2では、前記耳部とくに前記徐変部に位置する耳部の疲労強度を向上させるために、前記断面略U字形状或いは断面略V字形状の成形品を対象に、U或いはVの字形の底に相当する部位であるボトムラインを曲げ内側として前記疲労亀裂発生危険部位が塑性変形域(ひずみε≧0.2%)に入る曲げ-曲げ戻しを加える旨の方法(特許文献2[0050]参照;曲げ矯正法と記す)を提案している。尚、此処に云うひずみεとは最大主応力方向のひずみ(=最大主ひずみ)である。前記曲げ矯正法によれば、トーションビームの耳部の引張残留応力を低減させるとともに、加工硬化させることができて、疲労強度が向上する。工程としては通常プレス法の工程後に軽度の曲げ-曲げ戻しの工程が付加されるだけであって、造管長さの制約は通常の場合と同じで、研磨、捻り、熱処理の工程付加もないので、生産性や製造コストの面での不利は無視できる程度に小さい(特許文献2[0016]参照)。
一方、品質保証を十分に行う観点からすれば、前記通常プレス法や前記曲げ矯正法によるトーションビームの実生産ラインで生産されたトーションビーム(製品)の残留応力レベルを全数検査により管理するのが望ましい。残留応力測定手法としては、ひずみゲージ切出し法が汎用され、特許文献2でもこの手法にて残留応力測定を行った旨記載されている(特許文献2[0050][0051]参照)。しかし、ひずみゲージ切出し法は、製品耳部へのひずみゲージ貼付→切出し工程を有し、製品の毀損を伴う破壊検査となるから、全数検査は不可能で抜き取り検査となって信頼性が十分とは云えなくなり、然も抜き取り検査した製品は屑化せざるを得ず製品歩留が低下する。従って、製品の残留応力レベルの管理は全数検査が可能な非破壊検査で行うことが望ましい。
以上の様に、従来技術では、トーションビームの生産ラインで製品の残留応力レベルを管理するのに適した非破壊検査方法が無く、品質保証のレベルアップが難しいという課題があった。
1) 弾性係数の温度依存性を考慮した熱弾性効果の非線形性理論(非特許文献3,4参照)によると、熱弾性効果によって生じる温度変化は、応力変化だけでなく残留応力を含む静的応力にも依存する。
2) 廣川らの理論式(非特許文献4参照)を用い、鋼材について単軸モデルの場合の温度振幅ΔTに及ぼす、応力比R=−1の周期的外力による応力振幅Δσ(≦1000MPa)と周期的外力負荷前の残留応力σr(=±500MPa)の影響を計算で求めたところ、ΔT=A(σr)*Δσ、なる単調増加型の直線関係(此処にA(σr)は正の係数であり、σrに依存する)となり、Δσ=500MPa,σr=0MPaの場合に対するΔσ=500MPa,σr=±500MPaの場合の温度振幅ΔTの偏差ΔΔTは、ΔΔT≒±0.03℃、であった。
3) 従って、測定温度分解能の良い赤外線カメラを用いて残留応力の異なる2つの試料のうち一方を基準試料として双方に同じ周期的外力を負荷して温度振幅を測定し、双方の温度振幅測定結果を比較する事で、他方の試料の残留応力を相対評価する事が可能である。
4) 前記周期的外力は、反復曲げ-曲げもどし加工、反復捻り-捻りもどし加工、反復引張-圧縮加工の何れかの加工で負荷することができる。
(1)円管の長手方向の一部を径方向に押し潰して断面略U又はV字形状でそのU又はV字両端相当部位が耳部をなす押し潰し部の長手方向両端に断面形状が長手方向で徐々に変わる部位である徐変部を介して断面略円形状の非押し潰し部が連なるものとした第1の成形品、及び、該第1の成形品にそのU又はV字底相当部位であるボトムラインを曲げ内側として前記徐変部内の前記耳部が塑性変形域に入る曲げ-曲げもどしを加えてなる第2の成形品の何れかであるトーションビーム、及び該トーションビームをひずみ取り焼鈍してなる基準材を測定対象として、
該測定対象に其の弾性変形域内で周期的外力を負荷しつつ前記徐変部内の前記耳部における熱弾性効果による温度振幅を赤外線カメラで測定し、
前記基準材に対する前記トーションビームの前記温度振幅の偏差から前記トーションビームの残留応力を評価することを特徴とするトーションビームの残留応力診断方法。
(2)前記(1)に記載されたトーションビームの残留応力診断方法の実施に用いる装置であって、前記第1又は第2の成形品であるトーションビームの前記押し潰し部を含む長手方向範囲の少なくとも一部分を挟持する中央クランプ手段と、前記押し潰し部の両側の各非押し潰し部を夫々含む各長手方向範囲の少なくとも一部を把持する両管端クランプ手段と、前記温度振幅測定用の赤外線カメラと、該両管端クランプ手段を上下方向に下記振動モードA,Bの何れかで振動させる外力負荷手段と
を有することを特徴とするトーションビームの残留応力診断装置。
振動モードA:前記第2の成形品を出発素材とし、前記徐変部内の耳部が弾性変形域内で複数回の曲げ‐曲げもどしを受ける振動モード。
振動モードB:前記第1の成形品を出発素材とし、前記徐変部内の耳部が塑性変形域内で1回の反復曲げ‐曲げもどしを受け、次いで弾性変形域内で複数回の反復曲げ‐曲げもどしを受ける振動モード。
(3)前記(1)に記載されたトーションビームの残留応力診断方法に従って前記第1又は第2の成形品であるトーションビームを得る成形製造工程と、該得られたトーションビームを測定対象として前記温度振幅の測定を行う検査工程とを有するトーションビームの製造方法であって、
前記検査工程において前記基準材に対する前記トーションビームの温度振幅偏差を閾値と比較し、閾値以下は合格、閾値超は不合格とし、前記不合格となったトーションビームは製品から除外することを特徴とするトーションビームの製造方法。
本発明診断法の診断対象であるトーションビームは、前記第1の成形品又は前記第2の成形品であり、これらは前記測定対象でもある。
前記第1の成形品は、円管の長手方向の一部を径方向に押し潰して断面略U又はV字形状でそのU又はV字両端相当部位が耳部をなす押し潰し部の長手方向両端に断面形状が長手方向で徐々に変わる部位である徐変部を介して断面略円形状の非押し潰し部が連なるものであり、これは、前記通常プレス法(例えば特許文献1に記載の製造方法)で製造される。前記円管は金属管、中でも特に鋼管である。図1に示す様に、前記第1の成形品10は、長手方向中央部が断面略U又はV字形状(図1(b)(c))でそのU又はV字両端相当部位が耳部5をなす押し潰し部1であり、該押し潰し部1の両端に夫々前記徐変部2が連なり、更に前記徐変部2の両端に夫々前記非押し潰し部3が連なる。前記耳部5は前記押し潰し部1から前記徐変部2にかけて延在する。前記徐変部2内の前記耳部5は残留応力が比較的高いことから疲労亀裂発生危険部位AFとなっている。尚、前記断面略U又はV字形状におけるU又はV字底相当部位をボトムライン6と称する(図1(a)(b)(c))。
そして、前記基準材に対する前記トーションビームの温度振幅測定値の偏差から前記トーションビームの残留応力を評価する。
又、前記測定温度振幅は、前記周期的外力に対応して周期的波形を呈する測定温度データの1サイクル毎の温度振幅値を所定の連続付与サイクル数に亘って平均して求めるが、該平均をする統計処理の信頼度を確保する観点から、該平均をするデータの個数(=n数)は10以上である事が好ましく、従って、前記n数に該当する前記周期的外力の連続付与サイクル数は、10サイクル以上とすることが好ましい。
次に、前記(2)に記載の本発明(以下、本発明装置とも云う)について説明する。本発明装置は、請求項1に記載されたトーションビームの残留応力診断方法の実施に用いられる。其の例を図5に示す。この図において、13はクランク機構、14はベルト、15はモータ、70は外力負荷手段であり、前掲図と同一又は相当部材には同じ符号を付し説明を省略する。
外力負荷手段70は、前記両管端クランプ手段8を上下方向に下記振動モードA,Bの何れかで振動60させる。
振動モードA:前記徐変部内の耳部が弾性変形域内で複数回の曲げ‐曲げもどしを受ける振動モード。
振動モードB:前記徐変部内の耳部が塑性変形域内で1回の反復曲げ‐曲げもどしを受け、次いで弾性変形域内で複数回の反復曲げ‐曲げもどしを受ける振動モード。
前記振動モードBは、図3(b)における図2(a)時点から振動終了までのひずみ付与形態、即ち本発明診断法において前記第1の成形品を出発素材とした場合の実施形態に対応し、これによれば、前記工程Y([発明の効果]参照)を1つの装置で実施できる。
前記外力負荷手段70は、図5の例では、左右の各チャック8に連結したクランク機構13が、これへモータ15からベルト14経由で伝達された回転運動を、上下方向の振動60に変換する構成としたが、これ以外の構成、例えば、左右の各チャック8に連結した油圧シリンダ(図示せず)が直接的に上下方向の振動60を付勢する構成としてもよい。
次に、前記(3)に記載の本発明(以下、本発明製法ともいう)について説明する。本発明製法は、本発明診断法に従って前記第1又は第2の成形品であるトーションビームを得る成形製造工程と、得られたトーションビームを測定対象として前記温度振幅測定を行う検査工程とを有するものであると云う前提のもとに、前記検査工程において前記トーションビームの温度振幅測定値から計算した温度振幅偏差を閾値と比較し、閾値以下は合格、閾値超は不合格とし、該不合格となったトーションビームは製品から除外することを特徴とするものである。
予備調査実験として、前記第1の成形品(=通常プレス材)、前記第2の成形品(=曲げ矯正材)、前記基準材(=ひずみ取り焼鈍材=SRA材)の全3種(3種とも同一形状)から夫々1本ずつ抽出したサンプル品を測定対象として前記装置DD1により前記温度振幅の測定を行った。前記通常プレス材は、引張強度780MPa級の電縫鋼管(外径89.1mm、肉厚2.6mm、長さ1100mm)からなる素材を前記通常プレス法([背景技術]参照)により、図1(a)(b)(e)に示した形状に成形して得られた。前記曲げ矯正材は、前記通常プレス材からなる素材に、図2の要領で前記曲げ矯正法による加工を施して得られた。前記SRA材は、前記通常プレス材からなる素材にひずみ取り焼鈍を施して得られた。
そして、前記トーションビームの工程品について逐一、前記装置DD1を用いて、捻り角度φを前記予備調査実験範囲内の一定値φcとし、其の余の条件は前記予備調査実験のと同じにして、前記反復捻り‐捻りもどしによる周期的外力を負荷しつつ前記赤外線カメラにて前記エリア80の箇所を測定して得た熱弾性温度振幅ΔT(φc)から、φ=φcにおける前記SRA材に対する温度振幅偏差ΔΔT(φc)を求め、これと前記式(1)とから残留応力σrを算出するようにした。
此処に、σr1、σr2は夫々、前記通常プレス材、前記曲げ矯正材の、前記ひずみゲージ切出し法による残留応力測定値であり、ΔΔT1(Δσ)は、ΔΔT1(Δσ)=(前記通常プレス材の前記関係直線上でΔσ値に対応するΔT値)−(前記基準材の前記関係直線上でΔσ値に対応するΔT値)であり、ΔΔT2(Δσ)は、ΔΔT2(Δσ)=(前記曲げ矯正材の前記関係直線上でΔσ値に対応するΔT値)−(前記基準材の前記関係直線上でΔσ値に対応するΔT値)である。
2 徐変部
3 非押し潰し部
5 耳部
6 ボトムライン
7 中央クランプ手段(上下の金型)
8 両管端クランプ手段(左右のチャック)
9 赤外線カメラ
10 第1の成形品(トーションビーム)
11 被加工材
12 測定対象
13 クランク機構
14 ベルト
15 モータ
20 第2の成形品(トーションビーム)
30 押下げ
31 押上げ
50 反復曲げ-曲げもどし
51 反復捻り-捻りもどし
52 反復引張-圧縮
60 振動
70 外力負荷手段
80 エリア
AF 疲労亀裂発生危険部位(徐変部内の耳部)
ΔT 温度振幅
ΔΔT 温度振幅偏差
Claims (3)
- 円管の長手方向の一部を径方向に押し潰して断面略U又はV字形状でそのU又はV字両端相当部位が耳部をなす押し潰し部の長手方向両端に断面形状が長手方向で徐々に変わる部位である徐変部を介して断面略円形状の非押し潰し部が連なるものとした第1の成形品、及び、該第1の成形品にそのU又はV字底相当部位であるボトムラインを曲げ内側として前記徐変部内の前記耳部が塑性変形域に入る曲げ-曲げもどしを加えてなる第2の成形品の何れかであるトーションビーム、及び該トーションビームをひずみ取り焼鈍してなる基準材を測定対象として、
該測定対象に其の弾性変形域内で周期的外力を負荷しつつ前記徐変部内の前記耳部における熱弾性効果による温度振幅を赤外線カメラで測定し、
前記基準材に対する前記トーションビームの前記温度振幅の偏差から前記トーションビームの残留応力を評価することを特徴とするトーションビームの残留応力診断方法。 - 請求項1に記載されたトーションビームの残留応力診断方法の実施に用いる装置であって、前記第1又は第2の成形品であるトーションビームの前記押し潰し部を含む長手方向範囲の少なくとも一部分を挟持する中央クランプ手段と、前記押し潰し部の両側の各非押し潰し部を夫々含む各長手方向範囲の少なくとも一部を把持する両管端クランプ手段と、前記温度振幅測定用の赤外線カメラと、該両管端クランプ手段を上下方向に下記振動モードA,Bの何れかで振動させる外力負荷手段と
を有することを特徴とするトーションビームの残留応力診断装置。
振動モードA:前記第2の成形品を出発素材とし、前記徐変部内の耳部が弾性変形域内で複数回の曲げ‐曲げもどしを受ける振動モード。
振動モードB:前記第1の成形品を出発素材とし、前記徐変部内の耳部が塑性変形域内で1回の反復曲げ‐曲げもどしを受け、次いで弾性変形域内で複数回の反復曲げ‐曲げもどしを受ける振動モード。
- 請求項1に記載されたトーションビームの残留応力診断方法に従って前記第1又は第2の成形品であるトーションビームを得る成形製造工程と、該得られたトーションビームを測定対象として前記温度振幅の測定を行う検査工程とを有するトーションビームの製造方法であって、
前記検査工程において前記基準材に対する前記トーションビームの温度振幅偏差を閾値と比較し、閾値以下は合格、閾値超は不合格とし、前記不合格となったトーションビームは製品から除外することを特徴とするトーションビームの製造方法。
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