JP6268373B2 - 残留応力測定方法、及び、残留応力測定装置 - Google Patents
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Description
本発明は、溶接構造物などの表面および内部の残留応力を測定する技術に関するものである。
従来、深穴穿孔法（ＤＨＤ：Deep Hole Drilling）による残留応力評価方法は、図１３に示すような４つの手順により、応力解放前後の孔径を測定し孔径変化量から板厚内部の残留応力値を算出する。まず、被測定物の穴あけ箇所に当金（Front bush）を装着し、ガンドリル（Gun drill）を用いて、孔あけ加工による貫通もしくは未貫通孔（Reference hole）を加工する（図１３（ａ）のステップ１参照）。次に、この加工孔に関して孔深さ方向に１箇所以上、周方向に３箇所以上、エアプローブ（Air probe）を用いて、孔径を測定する（図１３（ｂ）のステップ２参照）。次に、この加工孔に対して、電極（Electrode）を用いて、同軸に円筒状にくり抜き加工（トレパニング加工）などの除去加工を行い、周辺の拘束を開放し、応力を開放する（図１３（ｃ）のステップ３参照）。そして、再度、周辺除去加工後の加工孔に関して孔深さ方向に１箇所以上、周方向に３箇所以上、孔径を測定する（図１３（ｄ）のステップ４参照）。これらの測定値より、弾性材料であること、無限平板における孔であること、平面応力状態であることなどの仮定をすることで、孔径に対して垂直方向成分の残留応力（σx、σｙ、σｘｙ）が算出できる。
また、同軸に円筒状にくり抜き加工を施す応力解放過程に生じる塑性変形の影響を排除するために、くり抜き加工と孔径測定を逐次実施する逐次深穴穿孔法（ｉＤＨＤ法：incremental Deep Hole Drilling）などがあり、上述の深穴穿孔法で算出できる孔軸方向成分(σz)も算出することができる。
しかしながら、深穴穿孔法および逐次深穴穿孔法ともに孔径に及ぼす三次元的な応力状態や塑性変形の影響が織り込まれておらず、理論値からの乖離があり精度があがらないという課題があった。
また、従来の深孔穿孔法および逐次深孔穿孔法による残留応力測定方法は、測定対象が弾性材料であること、無限平板における孔であること、平面応力状態であることなどを仮定し、孔径に対して垂直方向成分の残留応力（σx、σｙ、σｘｙ）を算出する方法である。したがって、仮定条件により残留応力の精度が落ちるため、仮定条件を実現象に近づける三次元応力状態、塑性変形の影響を考慮できる高精度の板厚内部残留応力測定方法が切望されていた。
そこで、本発明は、仮定条件を実現象に近づける三次元応力状態、及び、塑性変形の影響を考慮できる高精度の残留応力測定方法、及び、残留応力測定装置を提供することを目的とする。
（１）本発明の残留応力測定方法は、加工によって測定対象部材に形成された元孔の孔径を測定する工程と、前記元孔の周辺にくり抜き加工を施した後、前記元孔の孔径を再測定する工程と、前記くり抜き加工の前後における元孔の形状変化に基づき、前記測定対象部材の表面および内部の残留応力値を算出する工程と、を備えた残留応力測定方法であって、前記残留応力値の算出工程において、前記元孔の孔径、長さ変化、及び、軸の傾きを考慮することを特徴とする。
上記（１）の構成によれば、くり抜き加工の前後における元孔の孔径に加えて、元孔の長さ変化、及び、軸の傾きを考慮して、測定対象部材の表面および内部の残留応力値が算出されるので、元孔の長さ変化、及び、軸の傾きの考慮により、本発明の残留応力測定方法では、（σx、σy、σz、σxy、σyz、σzx）の６成分からなる残留応力成分まで考慮した残留応力測定が可能となり、これまでの仮定条件では省略されていた三次元の残留応力成分を高精度に測定することができる。
（２）上記（１）の残留応力測定方法においては、前記元孔の中心軸の周りに等角度おきであって、且つ、前記中心軸から等距離となる位置に複数個設けられた各測定点の前記くり抜き加工の前後における測定結果の平均値に基づき、前記元孔の長さ変化を算出する工程を更に備えることが好ましい。
上記（２）の構成によれば、元孔の中心軸の周りに等角度おきであって、且つ、前記中心軸から等距離となる位置に複数個設けられた各測定点の測定結果を平均して、元孔の長さ変化が算出されるので、外部からの影響を受け難くして、高精度な残留応力値の算出を実現できる。
（３）上記（１）又は（２）の残留応力測定方法においては、前記元孔の内周面において前記測定対象部材の上面から予め定められた深さだけ下方向の位置に設けられた点であって、前記元孔の中心軸の周りに等角度おきであって、且つ、前記中心軸から等距離となる位置に複数個設けられた各測定点の前記くり抜き加工の前後における測定結果の平均値に基づき、前記元孔の軸の傾きを算出する工程を更に備えることが好ましい。
上記（３）の構成によれば、元孔の内周面において測定対象部材の上面から予め定められた深さだけ下方向の位置に測定点が設けられるので、前記くり抜き加工の前後において元孔の中心軸の位置ズレを見ることで、前記くり抜き加工の前後における元孔の軸の傾き（倒れ量）の測定が実現可能となる。また、各測定点は、元孔の中心軸の周りに等角度おきであって、且つ、前記中心軸から等距離となる位置に複数個設けられるので、各測定点の測定結果を平均することで、外部からの影響を受け難くして、高精度な残留応力値の算出を実現できる。
（４）本発明の残留応力測定装置は、加工によって測定対象部材に形成された元孔の孔径を測定する孔径測定部と、前記元孔の周辺にくり抜き加工が施された後に、前記孔径を再測定する孔径再測定部と、前記くり抜き加工の前後における孔の形状変化に基づき、前記測定対象部材の表面および内部の残留応力値を算出する応力値算出部と、を備えた残留応力測定装置であって、前記応力値算出部が、前記残留応力値の算出において、前記元孔の孔径、長さ変化、及び、軸の傾きを考慮することを特徴とする。
上記（４）の構成によれば、くり抜き加工の前後における元孔の孔径に加えて、元孔の長さ変化、及び、軸の傾きを考慮して、測定対象部材の表面および内部の残留応力値が算出されるので、元孔の長さ変化、及び、軸の傾きの考慮により、本発明の残留応力測定方法では、（σx、σy、σz、σxy、σyz、σzx）の６成分からなる残留応力成分まで考慮した残留応力測定が可能となり、これまでの仮定条件では省略されていた三次元の残留応力成分を高精度に測定することができる。
（５）上記（４）の残留応力測定装置においては、前記元孔の中心軸の周りに等角度おきであって、且つ、前記中心軸から等距離となる位置に複数個設けられた各測定点の前記くり抜き加工の前後における測定結果の平均値に基づき、前記元孔の長さ変化を算出する長さ変化算出部を更に備えることが好ましい。
上記（５）の構成によれば、元孔の中心軸の周りに等角度おきであって、且つ、前記中心軸から等距離となる位置に複数個設けられた各測定点の測定結果を平均して、元孔の長さ変化が算出されるので、外部からの影響を受け難くして、高精度な残留応力値の算出を実現できる。
（６）上記（４）又は（５）の残留応力測定装置においては、前記元孔の内周面において前記測定対象部材の上面から予め定められた深さだけ下方向の位置に設けられた点であって、前記元孔の中心軸の周りに等角度おきであり、且つ、前記中心軸から等距離となる位置に複数個設けられた各測定点の前記くり抜き加工の前後における測定結果の平均値に基づき、前記元孔の軸の傾きを算出する傾き算出部を更に備えることが好ましい。
上記（６）の構成によれば、元孔の内周面において測定対象部材の上面から予め定められた深さだけ下方向の位置に測定点が設けられるので、前記くり抜き加工の前後において元孔の中心軸の位置ズレを見ることで、前記くり抜き加工の前後における元孔の軸の傾き（倒れ量）の測定が容易に実現可能となる。また、各測定点は、元孔の中心軸の周りに等角度おきであって、且つ、前記中心軸から等距離となる位置に複数個設けられるので、各測定点の測定結果を平均することで、外部からの影響を受け難くして、高精度な残留応力値の算出を実現できる。
本発明の残留応力測定方法、及び、残留応力測定装置によれば、（σx、σy、σz、σxy、σyz、σzx）の６成分からなる残留応力成分まで考慮した残留応力測定が可能となり、これまでの仮定条件では省略されていた三次元の残留応力成分を高精度に測定することができる。
以下、図１〜図１２を参照しつつ、本発明の一実施形態に係る残留応力測定方法及び残留応力測定装置について説明する。
（残留応力測定方法）
図２（ａ）〜（ｅ）は、本発明の一実施形態に係る残留応力測定方法の各工程を示した説明図である。本実施形態による残留応力評価方法では、図２（ａ）〜（ｅ）に示すような５つの手順により、板厚内部の残留応力値を算出する。ここで、図中の符号１は、溶接構造物などの測定対象部材であり、符号２は測定対象部材１に元孔１０を形成可能なドリルである。また、符号３は、測定対象部材１に形成された元孔１０の内径を測定可能なエアプローブ（孔径測定部及び孔径再測定部）であり、符号４は、放電によって元孔１０の周辺にくり抜き加工（トレパニング加工）を施してくり抜き孔１１を形成可能な放電加工機である。符号５は、円筒部分１２の軸方向の伸び量ΔＺ及び倒れ量Δθのそれぞれを測定可能なタッチプローブである。ここで、本実施形態による残留応力測定装置は、少なくとも、エアプローブ３を備えると共に、前記くり抜き加工（トレパニング加工）の前後における元孔１０の形状変化に基づき、測定対象部材１の表面および内部の残留応力値を算出する応力値算出部（不図示）を備えるものであって、応力値算出部は、残留応力値の算出において、元孔１０の孔径、元孔１０の長手方向の長さ変化（伸び量ΔＺ）、及び、元孔１０の軸の傾き（倒れ量Δθ）を考慮することを特徴とする。
図２（ａ）〜（ｅ）は、本発明の一実施形態に係る残留応力測定方法の各工程を示した説明図である。本実施形態による残留応力評価方法では、図２（ａ）〜（ｅ）に示すような５つの手順により、板厚内部の残留応力値を算出する。ここで、図中の符号１は、溶接構造物などの測定対象部材であり、符号２は測定対象部材１に元孔１０を形成可能なドリルである。また、符号３は、測定対象部材１に形成された元孔１０の内径を測定可能なエアプローブ（孔径測定部及び孔径再測定部）であり、符号４は、放電によって元孔１０の周辺にくり抜き加工（トレパニング加工）を施してくり抜き孔１１を形成可能な放電加工機である。符号５は、円筒部分１２の軸方向の伸び量ΔＺ及び倒れ量Δθのそれぞれを測定可能なタッチプローブである。ここで、本実施形態による残留応力測定装置は、少なくとも、エアプローブ３を備えると共に、前記くり抜き加工（トレパニング加工）の前後における元孔１０の形状変化に基づき、測定対象部材１の表面および内部の残留応力値を算出する応力値算出部（不図示）を備えるものであって、応力値算出部は、残留応力値の算出において、元孔１０の孔径、元孔１０の長手方向の長さ変化（伸び量ΔＺ）、及び、元孔１０の軸の傾き（倒れ量Δθ）を考慮することを特徴とする。
本実施形態では、説明の便宜上、ＸＹＺ三次元座標系を定義し、この座標系を参照しながら残留応力の測定方法について説明する。従って、図２では、元孔１０の中心位置を原点Ｏ、紙面右方向をＸ軸、紙面に垂直奥方向をＹ軸、上垂直方向をＺ軸としてそれぞれ定義する。すなわち、測定対象部材１の上側表面はＸＹ平面を規定し、元孔１０の長手方向（深さ方向）に沿ってＺ軸が通ることになり、円筒部分１２の軸方向はＺ軸方向を規定する。
まず、図２（ａ）において、測定対象部材１の穴あけ箇所に当金（不図示）を装着し、ドリル２を用いた孔あけ加工によって元孔１０を形成する。なお、この元孔１０は、貫通孔であっても未貫通孔であっても良い。次に、図２（ｂ）において、この元孔１０に関して長手方向（Ｚ方向）に１箇所以上、周方向に３箇所以上、エアプローブ３を用いた孔径の測定を行う。次に、図２（ｃ）において、元孔１０の周辺に対してくり抜き加工（トレパニング加工）を行い、元孔１０の周辺部分の拘束を解放すると共に、同軸に円筒状の円筒部分１２を形成する。そして、図２（ｄ）において、再度、周辺除去加工後の元孔１０に関して長手方向（Ｚ方向）に１箇所以上、周方向に３箇所以上、エアプローブ３を用いた孔径の測定を行う。そして、図２（ｅ）において、タッチプローブ５を用いて、円筒部分１２の軸方向（Ｚ方向）の伸び量（ΔＺ）、及び、ＸＹ方向の倒れ量（Δθ）を測定する。これら伸び量（ΔＺ）及び倒れ量（Δθ）の測定により、従来法（深穴穿孔法、逐次深穴穿孔法）で残留応力測定が、（σｘ、σy、σxy）の３つからなる残留応力成分のみを考慮するものであるのに対して、本発明の残留応力測定方法では、（σx、σy、σz、σxy、σyz、σzx）の６成分からなる残留応力成分まで考慮した残留応力測定が可能となり、これまでの仮定条件では省略されていた三次元の残留応力成分を高精度に測定することができる。
《トレパニング前後における元孔１０の長さ変化（伸び量ΔＺ）の測定方法》
次に、図１を参照しながら、トレパニング加工の前後における元孔１０の長さ変化（伸び量ΔＺ）の測定方法について説明する。図１（ａ）は、元孔１０及びくり抜き孔１１が形成された測定対象部材１を示した斜視図である。図１（ｂ）は、測定対象部材１の上面視図である。図１（ｃ）は、トレパニング加工後において円筒部分１２の軸方向（Ｚ方向）の長さが変化した状態を示す図である。なお、図１（ｂ）中の黒い正方形で示した記号■は、トレパニング加工前における測定対象部材１の高さ方向（Ｚ方向）の測定点を示し、黒い正三角形で示した記号▲は、トレパニング加工後における測定対象部材１の高さ方向（Ｚ方向）の測定点を示す。本実施形態では、図１（ｂ）に示すように、各測定点■、▲は、測定対象部材１の上面であって、元孔１０の中心軸Ｏの周りに等角度（本実施形態では９０°）おきであって、且つ、中心軸Ｏから等距離となる位置に４つずつ設けられている。本実施形態では、トレパニング加工の前後において各測定点■、▲で測定された測定値の平均値が、測定対象部材１の高さ変化（ΔＺ）、つまり、円筒部分１２の軸方向（Ｚ方向）の伸び量（ΔＺ）として測定され、その測定結果が応力値算出部（不図示）に入力される。これにより、応力値算出部は、トレパニング加工の前後における残留応力値の算出において、元孔１０の長手方向の長さ変化（伸び量ΔＺ）を考慮することが可能となる。なお、各測定点■、▲の点数は４点に限らず、２点以上であれば何点でも良い。
次に、図１を参照しながら、トレパニング加工の前後における元孔１０の長さ変化（伸び量ΔＺ）の測定方法について説明する。図１（ａ）は、元孔１０及びくり抜き孔１１が形成された測定対象部材１を示した斜視図である。図１（ｂ）は、測定対象部材１の上面視図である。図１（ｃ）は、トレパニング加工後において円筒部分１２の軸方向（Ｚ方向）の長さが変化した状態を示す図である。なお、図１（ｂ）中の黒い正方形で示した記号■は、トレパニング加工前における測定対象部材１の高さ方向（Ｚ方向）の測定点を示し、黒い正三角形で示した記号▲は、トレパニング加工後における測定対象部材１の高さ方向（Ｚ方向）の測定点を示す。本実施形態では、図１（ｂ）に示すように、各測定点■、▲は、測定対象部材１の上面であって、元孔１０の中心軸Ｏの周りに等角度（本実施形態では９０°）おきであって、且つ、中心軸Ｏから等距離となる位置に４つずつ設けられている。本実施形態では、トレパニング加工の前後において各測定点■、▲で測定された測定値の平均値が、測定対象部材１の高さ変化（ΔＺ）、つまり、円筒部分１２の軸方向（Ｚ方向）の伸び量（ΔＺ）として測定され、その測定結果が応力値算出部（不図示）に入力される。これにより、応力値算出部は、トレパニング加工の前後における残留応力値の算出において、元孔１０の長手方向の長さ変化（伸び量ΔＺ）を考慮することが可能となる。なお、各測定点■、▲の点数は４点に限らず、２点以上であれば何点でも良い。
《トレパニング前後における元孔１０の軸の傾き（倒れ量Δθ）の測定方法》
次に、図３を参照しながら、トレパニング加工の前後における元孔１０の軸の傾き（倒れ量Δθ）の測定方法について説明する。図３（ａ），（ｂ）は、トレパニング加工の前後における元孔１０の軸の傾き（倒れ量Δθ）の測定方法を説明するための図である。図３（ｃ）は、トレパニング加工後において円筒部分１２が傾斜した状態の一例を示す図である。ここで、図３（ｂ）は、測定対象部材１の高さ方向（Ｚ方向）から見た元孔１０の外形であって、紙面左側に太線で示す円形状は、トレパニング加工前における元孔１０の外形を示し、紙面右側に破線で示す円形状は、トレパニング加工後における元孔１０の外形を示す。また、図３（ａ）中の点ａ、ｂは、元孔１０の内周面において測定対象部材１の上面から紙面下方向（Ｚ軸方向）に深さｈの箇所に位置する点であって、図３（ｂ）中の線分ａｂは、元孔１０のＸ方向の直径を示し、線分ｃｄは、元孔１０のＹ方向の直径を示す。なお、深さｈ［ｍｍ］は、２．５ｍｍ程度に設定されることが好ましい。なお、図３（ａ）では図示を省略したが、点ｃ、ｄも、点ａ、ｂと同様に、元孔１０の内周面において測定対象部材１の上面から紙面下方向（Ｚ軸方向）に深さｈの箇所に位置している。また、図３（ｂ）中の点Ｏ、Ｏ´は、トレパニング加工前後における元孔１０の各中心を示す。中心Ｏ、Ｏ´の位置座標は、４点ａ〜ｄの位置座標を平均することによって取得可能である。本実施形態では、中心Ｏ、Ｏ´の位置座標に基づき、中心Ｏ、Ｏ´の位置ズレを見ることで、元孔１０の軸の傾き（倒れ量Δθ）が測定される。
次に、図３を参照しながら、トレパニング加工の前後における元孔１０の軸の傾き（倒れ量Δθ）の測定方法について説明する。図３（ａ），（ｂ）は、トレパニング加工の前後における元孔１０の軸の傾き（倒れ量Δθ）の測定方法を説明するための図である。図３（ｃ）は、トレパニング加工後において円筒部分１２が傾斜した状態の一例を示す図である。ここで、図３（ｂ）は、測定対象部材１の高さ方向（Ｚ方向）から見た元孔１０の外形であって、紙面左側に太線で示す円形状は、トレパニング加工前における元孔１０の外形を示し、紙面右側に破線で示す円形状は、トレパニング加工後における元孔１０の外形を示す。また、図３（ａ）中の点ａ、ｂは、元孔１０の内周面において測定対象部材１の上面から紙面下方向（Ｚ軸方向）に深さｈの箇所に位置する点であって、図３（ｂ）中の線分ａｂは、元孔１０のＸ方向の直径を示し、線分ｃｄは、元孔１０のＹ方向の直径を示す。なお、深さｈ［ｍｍ］は、２．５ｍｍ程度に設定されることが好ましい。なお、図３（ａ）では図示を省略したが、点ｃ、ｄも、点ａ、ｂと同様に、元孔１０の内周面において測定対象部材１の上面から紙面下方向（Ｚ軸方向）に深さｈの箇所に位置している。また、図３（ｂ）中の点Ｏ、Ｏ´は、トレパニング加工前後における元孔１０の各中心を示す。中心Ｏ、Ｏ´の位置座標は、４点ａ〜ｄの位置座標を平均することによって取得可能である。本実施形態では、中心Ｏ、Ｏ´の位置座標に基づき、中心Ｏ、Ｏ´の位置ズレを見ることで、元孔１０の軸の傾き（倒れ量Δθ）が測定される。
以下では、実施例１〜４により本発明を具体的に説明する。ここでは、従来法（深穴穿孔法、逐次深穴穿孔法）との比較のもとで、本発明の有用性を検討した実験結果（数値シミュレーションによる検証結果）について説明する。なお、本発明は、以下の実施例に限定されるものではない。
《単純な面内応力成分のみを有する残留応力場でのＦＥＭ（Finite Element Method）実験例》
図４は、三種類の初期応力場の変化を示したグラフであって、（ａ）は、一様分布（Uniform distribution）時の初期応力場を示し、（ｂ）は、曲げ応力（Bending distribution）時の初期応力場を示し、（ｃ）は、二次関数分布（Quadric distribution）時の初期応力場を示す。図４（ａ）〜（ｃ）の縦軸［ｍｍ］は、底面からの距離（Distance from bottom of surface）を示し、横軸［ＭＰａ］は、負荷応力（Applied stress）を示す。
図４は、三種類の初期応力場の変化を示したグラフであって、（ａ）は、一様分布（Uniform distribution）時の初期応力場を示し、（ｂ）は、曲げ応力（Bending distribution）時の初期応力場を示し、（ｃ）は、二次関数分布（Quadric distribution）時の初期応力場を示す。図４（ａ）〜（ｃ）の縦軸［ｍｍ］は、底面からの距離（Distance from bottom of surface）を示し、横軸［ＭＰａ］は、負荷応力（Applied stress）を示す。
図５は、一様応力分布時の残留応力比較評価の結果を示したグラフであって、（ａ）は、Ｘ方向における応力σxの分布を示し、（ｂ）は、Ｙ方向における応力σyの分布を示し、（ｃ）は、Ｚ方向における応力σzの分布を示す。図５（ａ）〜（ｃ）の縦軸［ｍｍ］は、底面からの距離（Distance from bottom of specimen）を示し、横軸［ＭＰａ］は、評価応力（Evaluated stress）を示す。図５（ａ）〜（ｃ）中の点○は、本発明に係る残留応力測定方法（MDHD technique）を示し、点□は、ＤＨＤ（Deep Hole Drilling）法による残留応力評価方法を示し、点◇は、ｉＤＨＤ（incremental Deep Hole Drilling）法による残留応力評価方法を示す。
図６は、曲げ応力分布時の残留応力比較評価の結果を示したグラフであって、（ａ）は、Ｘ方向における応力σxの分布を示し、（ｂ）は、Ｙ方向における応力σyの分布を示し、（ｃ）は、Ｚ方向における応力σzの分布を示す。図６（ａ）〜（ｃ）の縦軸［ｍｍ］は、底面からの距離（Distance from bottom of specimen）を示し、横軸［ＭＰａ］は、評価応力（Evaluated stress）を示す。図６（ａ）〜（ｃ）中の点○は、本発明に係る残留応力測定方法（MDHD technique）を示し、点□は、ＤＨＤ法による残留応力評価方法を示し、点◇は、ｉＤＨＤ法による残留応力評価方法を示す。
図７は、二次関数応力分布時の残留応力比較評価の結果を示したグラフであって、（ａ）は、Ｘ方向における応力σxの分布を示し、（ｂ）は、Ｙ方向における応力σyの分布を示し、（ｃ）は、Ｚ方向における応力σzの分布を示す。図７（ａ）〜（ｃ）の縦軸［ｍｍ］は、底面からの距離（Distance from bottom of specimen）を示し、横軸［ＭＰａ］は、評価応力（Evaluated stress）を示す。図７（ａ）〜（ｃ）中の点○は、本発明に係る残留応力測定方法（MDHD technique）を示し、点□は、ＤＨＤ法による残留応力評価方法を示し、点◇は、ｉＤＨＤ法による残留応力評価方法を示す。
本実験では、単純な面内応力成分を有する残留応力場として、図４に示した三種類の初期応力場を負荷しているものに関して、従来法（深穴穿孔法、逐次深穴穿孔法）と、本発明による残留応力測定方法とで、残留応力評価を比較した。その実験結果を図５〜図７に示す。図５〜図７を見る限り、本発明による残留応力測定方法は、従来法（深穴穿孔法、逐次深穴穿孔法）に比べ、ほとんどの領域において負荷応力理論値に良い精度でできており、応力値が大きい領域でも負荷応力理論値より低い値を示すこともないことが確認できた。
《面内応力および面外垂直応力を有する残留応力場でのＦＥＭ実験例》
図８は、面内及び面外における初期応力場の変化を示したグラフである。ここで、図８の縦軸Ｚ´［ｍｍ］は、底面からの距離（Distance from bottom of specimen）を示し、横軸［ＭＰａ］は、残留応力（Residual stress）を示す。また、図８中の実線で示す曲線は、Ｘ方向における応力σxの分布を示し、一点鎖線で示す曲線は、Ｙ方向における応力σyの分布を示し、破線で示す曲線は、Ｚ方向における応力σzの分布を示す。
図８は、面内及び面外における初期応力場の変化を示したグラフである。ここで、図８の縦軸Ｚ´［ｍｍ］は、底面からの距離（Distance from bottom of specimen）を示し、横軸［ＭＰａ］は、残留応力（Residual stress）を示す。また、図８中の実線で示す曲線は、Ｘ方向における応力σxの分布を示し、一点鎖線で示す曲線は、Ｙ方向における応力σyの分布を示し、破線で示す曲線は、Ｚ方向における応力σzの分布を示す。
本実験では、面内応力（ＸＹ平面内の応力）、及び、面外垂直応力（ＸＹ平面の法線方向の応力）を有する残留応力場に相当する初期応力として、図８に示すように、孔周囲のＸ方向、Ｙ方向、及び、Ｚ方向に応力を負荷した。その実験結果を図９に示す。
図９は、面内応力、及び、面外垂直応力分布時の残留応力比較結果を示したグラフであって、（ａ）は、Ｘ方向における応力σxの分布を示し、（ｂ）は、Ｙ方向における応力σyの分布を示し、（ｃ）は、Ｚ方向における応力σzの分布を示し、（ｄ）は、せん断応力σxyを示す。図９（ａ）〜（ｄ）の縦軸［ｍｍ］は、底面からの距離（Distance from bottom of specimen）を示し、横軸［ＭＰａ］は、評価応力（Evaluated stress）を示す。図９（ａ）〜（ｄ）中の点○は、本発明に係る残留応力測定方法（MDHD technique）を示し、点□は、ｉＤＨＤ法による残留応力評価方法を示す。
図９を見る限り、本発明による残留応力測定方法は、従来法に比べ、ほとんどの領域において負荷応力理論値に近い精度でできており、面内応力に加え、面外垂直応力の残留応力場においても高精度な残留応力評価が可能であることが判明した。
《面内応力および面外垂直応力を有する残留応力場でのＦＥＭ実験例》
図１０は、部分加熱による複雑な三次元残留応力場でのＦＥＭ実験例を説明するための図である。本発明者は、図１０に示すように、図中に示す加熱領域（Heating region）を部分加熱することで複雑な三次元残留応力場を発生させることで、本発明に係る残留応力測定方法（MDHD technique）と、ｉＤＨＤ法による残留応力評価方法とを比較実験した。その実験結果を図１１に示す。
図１０は、部分加熱による複雑な三次元残留応力場でのＦＥＭ実験例を説明するための図である。本発明者は、図１０に示すように、図中に示す加熱領域（Heating region）を部分加熱することで複雑な三次元残留応力場を発生させることで、本発明に係る残留応力測定方法（MDHD technique）と、ｉＤＨＤ法による残留応力評価方法とを比較実験した。その実験結果を図１１に示す。
図１１は、部分加熱による複雑な三次元残留応力分布時の残留応力評価の結果を示したグラフであって、（ａ）は、Ｘ方向における応力σxの分布を示し、（ｂ）は、Ｙ方向における応力σyの分布を示し、（ｃ）は、Ｚ方向における応力σzの分布を示し、（ｄ）は、せん断応力σxyを示し、（ｅ）は、せん断応力σyzを示す。図１１（ａ）〜（ｅ）の縦軸［ｍｍ］は、底面からの距離（Distance from bottom of specimen）を示し、横軸［ＭＰａ］は、評価応力（Evaluated stress）を示す。図１１（ａ）〜（ｅ）中の点○は、本発明に係る残留応力測定方法（MDHD technique）を示し、点□は、ｉＤＨＤ法による残留応力評価方法を示す。
図１１（ａ）〜（ｅ）中の実線は、孔あけ前に存在した残留応力分布理論値を示している。図１１（ａ）〜（ｅ）の結果を見る限り、本発明による残留応力測定方法は、従来のｉＤＨＤ法と比べて理論値に近い値となっている。特に応力σx、及び、応力σyにおいては、絶対値が大きい領域において、理論値より小さくなることがなく、安全側の値となることが判明した。
《元孔１０の軸の傾き（倒れ量Δθ）を測定する方法》
図１２（ａ）、（ｂ）は、元孔１０の軸の傾き（倒れ量Δθ）を測定する方法を説明するための図である。本実験では、図１２（ａ）のパターン１に示すように、測定対象部材１の表面近傍の元孔１０を２方向（ＸＹ方向）から４つの位置で計測し、その中心位置を割り出した。また、図１２（ｂ）のパターン２に示すように、測定対象部材１の表面に当金を装着しておき、元孔１０の水平方向（ＸＹ方向）の変化量を変位計で読み取っても良い。トレパニング加工前における表面近傍の中心位置と底面の中心位置は同じものとして考えθ＝０°とし、トレパニング加工後の底面の中心位置は変わらないものとし、表面近傍の中心位置の変位と深さから、元孔１０の軸の傾き（倒れ量Δθ）を測定する。
図１２（ａ）、（ｂ）は、元孔１０の軸の傾き（倒れ量Δθ）を測定する方法を説明するための図である。本実験では、図１２（ａ）のパターン１に示すように、測定対象部材１の表面近傍の元孔１０を２方向（ＸＹ方向）から４つの位置で計測し、その中心位置を割り出した。また、図１２（ｂ）のパターン２に示すように、測定対象部材１の表面に当金を装着しておき、元孔１０の水平方向（ＸＹ方向）の変化量を変位計で読み取っても良い。トレパニング加工前における表面近傍の中心位置と底面の中心位置は同じものとして考えθ＝０°とし、トレパニング加工後の底面の中心位置は変わらないものとし、表面近傍の中心位置の変位と深さから、元孔１０の軸の傾き（倒れ量Δθ）を測定する。
上記各実施例１〜４に示した数値シミュレーションによる検証では、本発明に係る残留応力測定方法（MDHD technique）が従来法に比べ精度良く評価できる測定方法であることが再現された。すなわち、実試験体において、正確に孔径、高さ、及び、傾き測定が出来れば、精度良く評価できる測定方法であることが判明した。
《本実施形態に係る残留応力測定方法及び残留応力測定装置の特徴》
上記構成によれば、くり抜き加工（トレパニング加工）の前後における元孔１０の孔径に加えて、元孔１０の長さ変化、及び、軸の傾きを考慮して、測定対象部材の表面および内部の残留応力値が算出されるので、元孔の長さ変化（伸び量（ΔＺ））、及び、軸の傾き（倒れ量Δθ）の考慮により、本発明の残留応力測定方法では、（σx、σy、σz、σxy、σyz、σzx）の６成分からなる残留応力成分まで考慮した残留応力測定が可能となる。その結果、これまでの仮定条件では省略されていた三次元の残留応力成分を高精度に測定することができる。
上記構成によれば、くり抜き加工（トレパニング加工）の前後における元孔１０の孔径に加えて、元孔１０の長さ変化、及び、軸の傾きを考慮して、測定対象部材の表面および内部の残留応力値が算出されるので、元孔の長さ変化（伸び量（ΔＺ））、及び、軸の傾き（倒れ量Δθ）の考慮により、本発明の残留応力測定方法では、（σx、σy、σz、σxy、σyz、σzx）の６成分からなる残留応力成分まで考慮した残留応力測定が可能となる。その結果、これまでの仮定条件では省略されていた三次元の残留応力成分を高精度に測定することができる。
上記構成によれば、元孔１０の中心軸Ｏの周りに等角度おきであって、且つ、中心軸Ｏから等距離となる位置に４つずつ設けられた各測定点■、▲の測定結果を平均して、くり抜き加工（トレパニング加工）の前後における元孔１０の長さ変化が算出されるので、外部からの影響を受け難くして、高精度な残留応力値の算出を実現できる。
上記構成によれば、元孔１０の内周面において測定対象部材１の上面から予め定められた深さｈだけ下方向の位置に各測定点ａ〜ｄが設けられるので、くり抜き加工（トレパニング加工）の前後において元孔１０の中心軸Ｏの位置ズレを見ることで、くり抜き加工（トレパニング加工）の前後における元孔１０の軸の傾き（倒れ量）の測定が容易に実現可能となる。
上記構成によれば、各測定点ａ〜ｄは、元孔１０の中心軸Ｏの周りに等角度おきであって、且つ、中心軸Ｏから等距離となる位置に４つ設けられるので、各測定点ａ〜ｄの測定結果を平均することで、外部からの影響を受け難くして、高精度な残留応力値の算出を実現できる。
以上、本発明の実施形態について図面に基づいて説明したが、具体的な構成は、これらの実施形態に限定されるものではないことは言うまでもない。本発明の範囲は、上記した実施形態の説明ではなく特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。
１ 測定対象部材
２ ドリル
３ エアプローブ
４ 放電加工機
５ タッチプローブ
１０ 元孔
１１ くり抜き孔
１２ 円筒部分
２ ドリル
３ エアプローブ
４ 放電加工機
５ タッチプローブ
１０ 元孔
１１ くり抜き孔
１２ 円筒部分
Claims (6)
- 加工によって測定対象部材に形成された元孔の孔径を測定する工程と、
前記元孔の周辺にくり抜き加工を施した後、前記元孔の孔径を再測定する工程と、
前記くり抜き加工の前後における元孔の形状変化に基づき、前記測定対象部材の表面および内部の残留応力値を算出する工程と、を備えた残留応力測定方法であって、
前記残留応力値の算出工程において、前記元孔の孔径、長さ変化、及び、軸の傾きを考慮することを特徴とする残留応力測定方法。 - 前記元孔の中心軸の周りに等角度おきであって、且つ、前記中心軸から等距離となる位置に複数個設けられた各測定点の前記くり抜き加工の前後における測定結果の平均値に基づき、前記元孔の長さ変化を算出する工程を更に備えることを特徴とする請求項１に記載の残留応力測定方法。
- 前記元孔の内周面において前記測定対象部材の上面から予め定められた深さだけ下方向の位置に設けられた点であって、前記元孔の中心軸の周りに等角度おきであって、且つ、前記中心軸から等距離となる位置に複数個設けられた各測定点の前記くり抜き加工の前後における測定結果の平均値に基づき、前記元孔の軸の傾きを算出する工程を更に備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の残留応力測定方法。
- 加工によって測定対象部材に形成された元孔の孔径を測定する孔径測定部と、
前記元孔の周辺にくり抜き加工が施された後に、前記孔径を再測定する孔径再測定部と、
前記くり抜き加工の前後における孔の形状変化に基づき、前記測定対象部材の表面および内部の残留応力値を算出する応力値算出部と、を備えた残留応力測定装置であって、
前記応力値算出部が、前記残留応力値の算出において、前記元孔の孔径、長さ変化、及び、軸の傾きを考慮することを特徴とする残留応力測定装置。 - 前記元孔の中心軸の周りに等角度おきであって、且つ、前記中心軸から等距離となる位置に複数個設けられた各測定点の前記くり抜き加工の前後における測定結果の平均値に基づき、前記元孔の長さ変化を算出する長さ変化算出部を更に備えることを特徴とする請求項４に記載の残留応力測定装置。
- 前記元孔の内周面において前記測定対象部材の上面から予め定められた深さだけ下方向の位置に設けられた点であって、前記元孔の中心軸の周りに等角度おきであって、且つ、前記中心軸から等距離となる位置に複数個設けられた各測定点の前記くり抜き加工の前後における測定結果の平均値に基づき、前記元孔の軸の傾きを算出する傾き算出部を更に備えることを特徴とする請求項４又は５に記載の残留応力測定装置。
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