JP6630046B2 - 疲労限度評価方法および疲労限度評価装置 - Google Patents

Description

本発明は、機器を構成する部材の疲労限度評価方法および疲労限度評価装置に関する。

機器の破損原因の多くは、機器を構成する部材の金属疲労による破壊である。金属疲労とは、荷重が繰返し加えられることよって、機器の部材表面に発生した微小なき裂（亀裂）が部材内部に進展して、最終的には当該部材を貫通して破損に至る現象である。このような金属疲労において、部材が破壊しない限界の応力である疲労限度は、当該部材の表面状態の影響を受けることが知られている。

ところで、実際の機器の部材の表面状態としては、設計・製作時の部材の表面状態だけでなく、供用期間中に付いた想定外の傷や腐食の影響などを考慮する必要がある。すなわち、機器の部材の表面状態は、機器の供用期間中に刻々と変化する。従って、部材の表面状態が経年変化したときの機器の継続運転可否判断のためには、部材の表面状態を定量的に計測し、その計測結果に基づき疲労限度を評価する技術の確立が重要となる。

非特許文献１には、旋盤加工痕のような周期的な微小な切欠きプロファイル（周期的な表面粗さ）を有する部材の疲労限度を定量的に評価する方法が開示されている。すなわち、非特許文献１では、部材表面に形成された周期的な微小な切欠きを部材表面のき裂とみなし、その周期的なき裂の応力拡大係数から疲労限度の支配因子である√areaを求め、当該部材の疲労限度を算出する方法が示されている。

村上敬宜，高橋宏治，山下晃生，「疲労強度に及ぼす表面粗さの影響の定量的評価（粗さの深さとピッチの影響）」，日本機械学会論文集Ａ編，１９９７年８月，第６３巻６１２号，ｐ．１６１２−１６１９

しかしながら、非特許文献１に開示されている疲労限度の評価方法は、周期的な表面粗さプロファイルを有する部材の疲労限度の評価には有効であっても、非周期的な表面粗さプロファイルを有する部材の疲労限度の評価には、必ずしも有効であるとは限らない。

そこで、本発明は、非周期的な表面粗さプロファイルを有する部材に適用可能な疲労限度評価方法および疲労限度評価装置を提供することを目的とする。

本発明に係る疲労限度評価方法は、評価対象部材の表面プロファイルを計測する表面粗さ計測装置に接続されたコンピュータが、
前記表面粗さ計測装置から、前記評価対象部材の表面プロファイルの計測値を取得するステップと、
前記取得した表面プロファイルの計測値に含まれる山のピーク座標値および谷のピーク座標値を抽出するステップと、
前記評価対象部材の表面プロファイルの計測値に基づき、前記評価対象部材の表面の粗さの程度を表す表面粗さパラメータの値を求め、前記抽出した山のピーク座標値および谷のピーク座標値からなるデータに対して、互いに隣接する山および谷の高低差が前記表面粗さパラメータの種類およびその値に応じて定められる閾値よりも小さい場合にその一方または両方の山または谷のピーク座標値を除去するフィルタリング処理を施し、互いに隣接する山および谷の高低差が前記閾値以上となるような評価用プロファイルのデータを生成するステップと、
前記評価用プロファイルに含まれるそれぞれの谷について前記谷の深さとその谷に隣接する２つの山と山の距離を求め、前記それぞれの谷ごとに前記谷の深さと前記２つの山と山の距離を用いて求められる谷の断面積の平方根のうち、その最大値を前記評価用プロファイルの表面粗さ指標値として算出するステップと、
前記算出した表面粗さ指標値を用いて前記評価対象部材の疲労限度推定値を算出するステップと、
を実行することを特徴とする。

本発明によれば、非周期的な表面粗さプロファイルを有する部材に適用可能な疲労限度評価方法および疲労限度評価装置が提供される。

本発明の実施形態に係る疲労限度評価装置の機能構成の例を示した図。 （ａ）は、評価対象部材の表面プロファイルの例を模式的に示した図、（ｂ）は、表面プロファイル計測値のデータ構造の例を示した図。 （ａ）は、評価対象部材の表面プロファイルにおけるピーク点の例を模式的に示した図、（ｂ）は、ピーク座標値のデータ構造の例を示した図。 （ａ）は、評価用プロファイルの例を模式的に示した図、（ｂ）は、評価用プロファイルデータのデータ構造の例を示した図。 本実施形態に係る表面粗さ指標値√areaＡを算出するのに必要なき裂（谷）の大きさを評価するパラメータａおよび２ｂを説明するための表面プロファイルの例を示した図。 評価対象部材で実測された表面プロファイルおよびその表面プロファイルから生成された評価用プロファイルの例を示した図。 各種評価対象部材の疲労限度推定値と疲労限度実測値との関係の例を表した図であり、（ａ）は、閾値Ｈ（＝Ｃ・Ｒ）の定数Ｃ＝０．１のときの疲労限度推定値と疲労限度実測値との関係を表した図、（ｂ）は、定数Ｃ＝０．３のときの疲労限度推定値と疲労限度実測値との関係を表した図。 本実施形態に係る疲労限度評価装置を評価対象部材の疲労限度の定期検査に適用した場合の検査手順の例を示した図。 本発明の実施形態の第１の変形例に係る疲労限度評価装置の機能構成の例を示した図。 本発明の実施形態の第２の変形例に係る疲労限度評価装置の機能構成の例を示した図。 本発明の実施形態の第３の変形例に係る疲労限度評価装置の機能構成の例を示した図。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本発明の実施形態に係る疲労限度評価装置１０の機能構成の例を示した図である。図１に示すように、疲労限度評価装置１０は、表面プロファイル計測値取得部１１、ピーク座標値抽出部１２、評価用プロファイルデータ生成部１３、表面粗さ指標値算出部１４、疲労限度推定値算出部１５、疲労限度診断部１６、表面プロファイル計測値記憶部２１、ピーク座標値記憶部２２、評価用プロファイルデータ記憶部２３、入力装置２５、出力装置２６などの機能ブロックを含んで構成される。

以上のような機能構成を有する疲労限度評価装置１０は、ハードウエア的には、図示しない中央演算処理装置（ＣＰＵ：Central Processing Unit）と記憶装置とを備えた一般的なコンピュータによって実現される。その場合、表面プロファイル計測値取得部１１、ピーク座標値抽出部１２、評価用プロファイルデータ生成部１３、表面粗さ指標値算出部１４、疲労限度推定値算出部１５および疲労限度診断部１６のそれぞれ機能は、前記コンピュータの中央演算処理装置がその記憶装置に格納された所定のプログラムを実行することによって実現される。また、表面プロファイル計測値記憶部２１、ピーク座標値記憶部２２および評価用プロファイルデータ記憶部２３は、前記記憶装置の一部に割り当てられた記憶領域として実現される。また、入力装置２５は、キーボード、マウス、タッチパネルなどによって構成され、疲労限度評価装置１０のユーザが様々な情報を中央演算処理装置に入力するのに用いられる。また、出力装置２６は、液晶表示装置などによって構成され、中央演算処理装置が所定のプログラムを実行して得られた結果などを表示するのに用いられる。

さらに、疲労限度評価装置１０は、図示しない評価対象部材の表面プロファイルを計測する表面粗さ計測装置３１、同評価対象部材の硬さを計測する硬さ計測装置３２、同評価対象部材の残留応力を計測する残留応力計測装置３３などに通信ケーブルを介して接続されている。なお、通信ケーブルは、コンピュータとの間の情報通信を可能にするものであれば、ＬＡＮ（Local Area Network）ケーブルやＵＳＢ（Universal Serial Bus）ケーブルなど、どのようなものであってもよい。

以下、疲労限度評価装置１０の各機能ブロックの機能について、図１に加え、図２以下の図面も参照しつつ詳細に説明する。なお、以下の説明では、表面粗さプロファイルを、表面プロファイル、または、単に、プロファイルという。

図２（ａ）は、評価対象部材の表面プロファイルの例を模式的に示した図、図２（ｂ）は、表面プロファイル計測値のデータ構造の例を示した図である。評価対象部材の表面プロファイルとは、同評価対象部材の表面の凹凸の高さ方向の断面形状を意味し、その計測値（表面プロファイル計測値２１１）は、通常、評価対象部材の表面に平行なｘ軸方向の座標値と同評価対象部材の表面に垂直なｙ軸方向の座標値とによって表される。

すなわち、表面粗さ計測装置３１は、評価対象部材の表面に平行な直線（ｘ軸）に沿って所定の間隔（例えば、１０μｍ間隔）で、同評価対象部材の表面に垂直な方向（ｙ軸方向）の表面の位置（被計測点の位置）を計測する。図２（ａ）の例では、評価対象部材の表面の凹凸の高さ方向（ｙ軸方向）の断面形状が実線で表され、被計測点ｐ_１，ｐ_２，ｐ_３，・・・が黒丸印で表されている。

従って、表面プロファイル計測値取得部１１（図１参照）は、次の［１］，［２］の処理を実行する。
［１］表面粗さ計測装置３１から、被計測点ｐ_１，ｐ_２，ｐ_３，・・・の座標値（ｘ_１，ｙ_１），（ｘ_２，ｙ_２），（ｘ_３，ｙ_３），・・・を取得する。
［２］前記取得した被計測点ｐ_１，ｐ_２，ｐ_３，・・・の座標値（ｘ_１，ｙ_１），（ｘ_２，ｙ_２），（ｘ_３，ｙ_３），・・・を、評価対象部材の表面プロファイル計測値２１１として表面プロファイル計測値記憶部２１に格納する（図２（ｂ）参照）。

図３（ａ）は、評価対象部材の表面プロファイルにおけるピーク点の例を模式的に示した図、図３（ｂ）は、ピーク座標値のデータ構造の例を示した図である。ここで、ピーク点とは、表面プロファイル計測値２１１が表す表面プロファイルにおいて、凹凸の谷または山のピークに該当する点をいう。すなわち、被計測点ｐ_ｎのｙ軸方向の座標値ｙ_ｎが、隣接する被計測点ｐ_ｎ−１，ｐ_ｎ＋１のｙ軸方向の座標値ｙ_ｎ−１，ｙ_ｎ＋１のいずれよりも大きいか、または、いずれよりも小さい場合、その被計測点ｐ_ｎをピーク点Ｐ_Ｎという。なお、図３（ａ）では、ピーク点Ｐ_１，Ｐ_２，Ｐ_３，・・・は白丸印で表されている。

従って、ピーク座標値抽出部１２（図１参照）は、次の［１］〜［３］の処理を実行する。
［１］表面プロファイル計測値記憶部２１から被計測点ｐ_１，ｐ_２，ｐ_３，・・・の座標値（ｘ_１，ｙ_１），（ｘ_２，ｙ_２），（ｘ_３，ｙ_３），・・・を読み出す。
［２］前記読み出した被計測点ｐ_１，ｐ_２，ｐ_３，・・・の座標値（ｘ_１，ｙ_１），（ｘ_２，ｙ_２），（ｘ_３，ｙ_３），・・・から、ピーク点Ｐ_１，Ｐ_２，Ｐ_３，・・・に該当する座標値（Ｘ_１，Ｙ_１），（Ｘ_２，Ｙ_２），（Ｘ_３，Ｙ_３），・・・を抽出する。
［３］前記抽出した座標値（Ｘ_１，Ｙ_１），（Ｘ_２，Ｙ_２），（Ｘ_３，Ｙ_３），・・・を、ピーク座標値２２１としてピーク座標値記憶部２２に格納する（図３（ｂ）参照）。

図４（ａ）は、評価用プロファイルの例を模式的に示した図、図４（ｂ）は、評価用プロファイルデータのデータ構造の例を示した図である。ここで、評価用プロファイルとは、図４（ａ）に示すように、表面粗さ計測装置３１で計測された表面プロファイルにおける互いに隣接するピーク点Ｐ_Ｎ，Ｐ_Ｎ＋１の高低差が所定の閾値Ｈよりも小さい場合、一方または両方のピーク点Ｐ_Ｎ，Ｐ_Ｎ＋１の存在を無視し、高低差が所定の閾値Ｈ以上になるようなピーク点Ｑ_１，Ｑ_２，Ｑ_３，・・・で構成される表面プロファイルのことをいう。なお、図４（ａ）では、評価用プロファイルは太い実線で表され、表面粗さ計測装置３１で計測された表面プロファイルは、破線で表されている。また、図４（ｂ）に示すように、評価用プロファイルデータ２３１は、評価用プロファイルにおけるピーク点Ｑ_１，Ｑ_２，Ｑ_３，・・・の座標値（Ｘ’_１，Ｙ’_１），（Ｘ’_２，Ｙ’_２），（Ｘ’_３，Ｙ’_３），・・・により構成される。

従って、評価用プロファイルデータ生成部１３（図１参照）は、次の［１］〜［４］の処理を実行する。
［１］ピーク座標値記憶部２２からピーク点Ｐ_１，Ｐ_２，Ｐ_３，・・・の座標値（Ｘ_１，Ｙ_１），（Ｘ_２，Ｙ_２），（Ｘ_３，Ｙ_３），・・・を読み出す。
［２］前記読み出したピーク点Ｐ_１，Ｐ_２，Ｐ_３，・・・に対して、互いに隣接するピーク点Ｐ_ｉ，Ｐ_ｉ＋１の高低差が所定の閾値Ｈよりも小さい場合、そのピーク点Ｐ_ｉ，Ｐ_ｉ＋１の一方または両方の座標値（Ｘ_ｉ，Ｙ_ｉ），（Ｘ_ｉ＋１，Ｙ_ｉ＋１）を除去するフィルタリング処理を施す。
［３］前記フィルタリング処理後に互いに隣接するピーク点Ｑ_Ｎ，Ｑ_Ｎ＋１の高低差が所定の閾値Ｈ以上となるような評価用プロファイルデータ２３１を生成する。
［４］前記生成した評価用プロファイルデータ２３１であるピーク点Ｑ_１，Ｑ_２，Ｑ_３，・・・の座標値（Ｘ’_１，Ｙ’_１），（Ｘ’_２，Ｙ’_２），（Ｘ’_３，Ｙ’_３），・・・を、評価用プロファイルデータ記憶部２３に格納する。

また、本実施形態では、以上の処理で用いられる閾値Ｈは、評価対象部材の表面プロファイル計測値２１１から得られる表面粗さパラメータＲに正の定数Ｃを乗じた値、すなわち、Ｈ＝Ｃ・Ｒと表されるものとする。そして、その表面粗さパラメータＲとしては、例えば、日本工業規格（ＪＩＳ Ｂ０６０１「製品の幾何特性仕様（ＧＰＳ）−表面性状：輪郭曲線方式−用語，定義及び表面性状パラメータ」）で、その算出法が規定されている十点平均粗さＲ_ｚｊｉｓ、算術平均粗さＲ_ａ、最大高さＲ_ｚなどから１つを選んで採用するのが好ましい。

なお、表面粗さパラメータＲとして、１０点平均粗さＲ_ｚｊｉｓまたは最大高さＲ_ｚを採用した場合には、定数Ｃの値は、通常、１以下になるが、算術平均粗さＲ_ａを採用した場合には、１を超える場合もある。いずれにせよ、定数Ｃの適切な値は、表面粗さパラメータＲの種類に応じて実験的または経験的に定められる。

また、日本工業規格（ＪＩＳ Ｂ０６０１）では、十点平均粗さＲ_ｚｊｉｓの計算方法については言及される一方で、例えば、８点平均粗さや２０点平均粗さなどについては言及されていない。しかしながら、８点平均粗さや２０点平均粗さなどｎ点平均粗さについても、十点平均粗さＲ_ｚｊｉｓと同様にして計算することができる。従って、表面粗さパラメータＲとしては、十点平均粗さＲ_ｚｊｉｓの代わりにｎ点平均粗さを用いるものとしてもよい。ただし、ここでいうｎは、正の整数である。

ところで、非特許文献１によれば、周期的なき裂（凹部）を有する評価対象部材の表面粗さ指標値√areaは、その周期的なき裂のピッチ２ｂおよびき裂の深さａを変数とする関数ｆで表わされるとしている。すなわち、√area＝ｆ（ａ，２ｂ）と表される。

さらに、非特許文献１では、この表面粗さ指標値√areaを用いれば、疲労限度σ_ｗは、次の式（１）によって精度よく推定されるものとしている。

ここで、σ_ｗ：疲労限度の推定値
Ｈｖ：ビッカース硬さ
Ｒｏ：応力比（＝σ_ｍｉｎ／σ_ｍａｘ）
σ_ｍａｘ：最大応力
σ_ｍｉｎ：最小応力

そこで、本実施形態では、表面粗さ指標値算出部１４（図１参照）は、非特許文献１でいう表面粗さ指標値√areaに対応する表面粗さ指標値√areaＡを算出する。次に、疲労限度推定値算出部１５は、前記により算出された表面粗さ指標値√areaＡを用いて疲労限度推定値σ_ｗを算出する。以下、表面粗さ指標値算出部１４および疲労限度推定値算出部１５の処理について説明する。

図５は、本実施形態に係る表面粗さ指標値√areaＡを算出するのに必要なき裂（谷）の大きさを評価するパラメータａおよび２ｂを説明するための表面プロファイルの例を示した図である。図５において、破線は、表面粗さ計測装置３１で計測された表面プロファイルを表し、太い実線は、評価用プロファイルを表している。

ここで、表面粗さ指標値算出部１４は、評価用プロファイルデータ２３１を用いて当該評価用プロファイルにおけるパラメータａおよび２ｂに相当するデータを求め、その後、これらのデータを用いて表面粗さ指標値√areaＡを算出する。

すなわち、表面粗さ指標値算出部１４は、次の［１］〜［４］の手順に従って表面粗さ指標値√areaＡを算出する。
［１］評価用プロファイルデータ２３１を参照し、評価用プロファイル（図５に描かれた太い実線）における山のピーク点Ｑ_Ｎ，Ｑ_Ｎ＋２を抽出し、さらに、谷のピーク点Ｑ_Ｎ＋１，Ｑ_Ｎ＋３を抽出する。ここで、Ｎは２から始まる偶数（Ｎ＝２，４，・・・）であるとする（以下、同様）。
［２］前記抽出した山のピーク点Ｑ_Ｎ，Ｑ_Ｎ＋２のｘ方向の座標値を用いて、２つの山のｘ方向のピッチ２ｂ_Ｎを算出する。すなわち、２ｂ_Ｎ＝Ｘ’_Ｎ＋２−Ｘ’_Ｎを算出する。
［３］前記抽出した山のピーク点Ｑ_Ｎ，Ｑ_Ｎ＋２とその中間の谷のピーク点Ｑ_Ｎ＋１のｙ方向の座標値を用いて、それぞれの谷の深さａ_Ｎを算出する。このとき、谷の深さａ_Ｎは、隣接する山のうち、高いほうの山と当該谷との高低差であるとする。すなわち、谷のピーク点Ｑ_Ｎ＋１の谷の深さａ_Ｎ＝max（Ｙ’_Ｎ，Ｙ’_Ｎ＋２）−Ｙ’_Ｎ＋１を計算する。ここで、maxは、最大値を求める関数を表す。
［４］以上のようにして求めた｛（ａ_Ｎ，２ｂ_Ｎ）：Ｎ＝２，４，・・・｝を用いて、次の式（２）に従って√areaＡを計算する。
√areaＡ＝max｛ｆ_Ａ（ａ_Ｎ，２ｂ_Ｎ）：Ｎ＝２，４，・・・｝ （２）

また、式（２）では、√areaＡとして、値の集合｛ｆ_Ａ（ａ_Ｎ，２ｂ_Ｎ）：Ｎ＝２，４，・・・｝のうちから最大値を求めているが、これに限定されず、例えば、最大値と２番目に大きい値の平均値をとるなどとしてもよい。

以上の手順により、表面粗さ指標値√areaＡが求められると、疲労限度推定値算出部１５は、前記の式（１）または式（１）の一部を現実に合せた修正した式に従って、疲労限度推定値σ_ｗを算出する。なお、式（１）を用いる場合、√area＝√areaＡとする。

また、疲労限度推定値σ_ｗを算出するに当たっては、評価対象部材の硬さ（ビッカース硬さＨｖ）や評価対象部材に加える応力比Ｒｏが必要となる。その場合、評価対象部材の硬さは、硬さ計測装置３２で計測した値を用いるものとする。また、応力比Ｒｏの計算に必要な評価対象部材における残留応力は、残留応力計測装置３３で計測した値を用いるものとする。

図６は、評価対象部材で実測された表面プロファイルおよびその表面プロファイルから生成された評価用プロファイルの例を示した図である。なお、図６において、細い実線は実測された表面プロファイルを表し、太い実線は評価用プロファイルを表す。また、白の四角印は、評価用プロファイルの山または谷のピーク点を表し、黒丸印は、√areaＡが最大となる谷のピーク点を表している。

なお、図６の例では、実測された表面プロファイル（細い実線）における互いに隣接するピーク点の高低差を判定する閾値Ｈ（＝Ｃ・Ｒ）の基準となる表面粗さのパラメータＲとしては、日本工業規格でいう十点平均粗さＲ_ｚｊｉｓが用いられ、定数Ｃの値としては、０．３が用いられている（すなわち、Ｃ＝０．３）。

以上、図６の例からも分かるように、評価用プロファイルとは、実測された表面プロファイルから小さな山と谷をフィルタリングにより除去したもの、すなわち、実測されたいわばミクロな表面プロファイルを大きな山と谷からなるマクロな表面プロファイルに変換したもの、ということができる。さらに、図６、式（２）などによれば、疲労限度推定値算出部１５で算出される疲労限度推定値σ_ｗは、√areaＡが最大となる、マクロな谷（き裂）とその隣接する谷の影響によって決まると仮定するものである。

これは、評価用プロファイルにおける谷のうち、最も応力集中の大きい谷の応力に、その谷に隣接する谷の応力の干渉を考慮した値が疲労限度の決定要因となっていることを意味する。普通、切欠きなどの応力集中部が隣接すると、干渉によって応力は分散し、応力集中の影響は相対的に小さくなるため、この解釈は、自然といえる。しかしながら、実測された表面プロファイルにおける小さな山と谷を適切にフィルタリングできなければ、適切な評価用プロファイルを得ることができない。そこで、発明者らは、次に示すような様々な評価試験を行った。ここでは、その結果だけを示す。

図７は、各種評価対象部材の疲労限度推定値と疲労限度実測値との関係の例を表した図であり、（ａ）は、閾値Ｈ（＝Ｃ・Ｒ）の定数Ｃが０．１のときの疲労限度推定値と疲労限度実測値との関係を表した図、（ｂ）は、定数Ｃが０．３のときの疲労限度推定値と疲労限度実測値との関係を表した図である。なお、このときに採用した表面粗さのパラメータＲは、十点平均粗さＲ_ｚｊｉｓである。

図７（ａ），（ｂ）のグラフにおいて、横軸は疲労限度実測値、縦軸は疲労限度推定値を表し、その値は相対化されている。また、そのグラフの左下から右上に対角線状に描かれた直線は、疲労限度実測値と疲労限度推定値とが一致することを意味する。また、この直線に沿って上下に描かれた一点鎖線は、疲労限度推定値が疲労限度実測値に対し、プラスまたはマイナス１０％外れていることを表している。

また、図７（ａ），（ｂ）のグラフにおいて、白または黒の丸印、四角印、三角印は、それぞれ異なる評価対象部材の異なる表面状態に異なる応力を加えた場合の評価試験結果を示したものである。ここで、表面状態とは、評価対象部材の材料や加工条件（例えば、グラインダ加工、ブラスト加工）などで決まる状態をいう。また、ここでは、応力比Ｒｏ（＝σ_ｍｉｎ／σ_ｍａｘ）が０および−１の応力条件についてのみ評価されている。

図７（ａ）、すなわち、Ｃ＝０．１である場合には、評価対象のほとんどの部材の表面状態および応力条件について、疲労限度推定値と疲労限度実測値とが１０％以上乖離している。一方、図７（ｂ）、すなわち、Ｃ＝０．３である場合には、評価対象のほとんどの部材の表面状態および応力条件について、疲労限度推定値と疲労限度実測値との乖離は、１０％以内に収まっている。このことは、疲労限度推定値の推定精度を向上させるには、適切な評価用プロファイルを得るための適切な閾値Ｈ（＝Ｃ・Ｒ）、すなわち、表面粗さパラメータＲに応じて適切な定数Ｃの値またはその範囲を定めることが重要であることが分かる。

また、本実施形態に係る疲労限度評価装置１０において、定数Ｃの値を、評価対象部材の表面プロファイル計測値２１１から得られる表面粗さパラメータＲに基づいて定めるとしていることは、閾値Ｈを決定する基準が明確化されるという効果をもたらす。すなわち、定数Ｃの値またはその範囲が実験的あるいは経験的に予め求められていれば、疲労限度評価装置１０のユーザは、評価対象部材の表面プロファイルを計測し、その表面粗さパラメータを求めることによって、誰であっても容易に閾値Ｈを決定することができる。従って、どのようなユーザであっても、本実施形態に係る疲労限度評価装置１０によって適切な評価用プロファイルを得ることができ、高精度な疲労限度の推定が可能となる。

以上のような疲労限度評価装置１０に、さらに、疲労限度診断部１６（図１参照）を追加することによって、その疲労限度評価装置１０を疲労限度検査装置として用いることができる。その場合、疲労限度診断部１６は、例えば、次の［１］〜［３］の処理を実行する。
［１］別途評価された評価対象部材が受ける負荷応力値を、キーボードなどの入力装置２５を介して読み込む。
［２］疲労限度推定値算出部１５で算出された評価対象部材の疲労限度推定値を、前記読み込んだ負荷応力値と比較する。
［３］前記比較の結果、負荷応力値が疲労限度推定値以下であった場合には、液晶表示装置などの出力装置２６に当該評価対象部材が「継続使用可」であることを表示し、また、負荷応力値が疲労限度推定値を超えていた場合には、同様の出力装置２６に当該評価対象部材が「補修」または「交換」すべきものであることを表示する。

図８は、本実施形態に係る疲労限度評価装置１０を評価対象部材の疲労限度の定期評価に適用した場合の検査手順の例を示した図である。ただし、この検査手順は、主として検査員の作業手順として示されており、疲労限度評価装置１０が実行する処理については、とくに破線で囲って示されている。

図８に示すように、検査員は、まず、表面粗さ計測装置３１を用いて評価対象部材の表面プロファイルを計測する（ステップＳ２１）。この際、表面プロファイルの計測は、可搬式の粗さ計で計測してもよいし、現地で評価対象部材の表面形状を転写したレプリカの表面を検査室などに据え付けられた表面粗さ計測装置３１で計測してもよい。

次に、検査員は、硬さ計測装置３２を用いて評価対象部材の硬さを計測し（ステップＳ２１）、さらに、残留応力計測装置３３を用いて評価対象部材の残留応力を計測する（ステップＳ２３）。続いて、検査員は、別途、実験やシミュレーションなどの評価で得られた評価対象部材が受ける負荷応力値を、キーボードなどの入力装置２５を介して疲労限度評価装置１０へ入力する（ステップＳ２４）。

以上のような検査員による作業が行われると、その作業の進行とともに、疲労限度評価装置１０は、表面プロファイル計測値取得部１１、ピーク座標値抽出部１２、評価用プロファイルデータ生成部１３、表面粗さ指標値算出部１４および疲労限度推定値算出部１５がなすべき処理を順次実行し、これらの処理結果として、疲労限度推定値を算出する（ステップＳ２５）。

以下、疲労限度診断部１６の処理として、疲労限度評価装置１０は、前記算出された疲労限度推定値を、ステップＳ２４で入力した負荷応力値と比較する（ステップＳ２６）。その比較の結果、負荷応力値が疲労限度推定値以下であった場合には（ステップＳ２６でＹｅｓ）、疲労限度評価装置１０は、当該評価対象部材が「継続使用可」であることを示すメッセージなどを、液晶表示装置などの出力装置２６に表示する（ステップＳ２７）。また、負荷応力値が疲労限度推定値を超えていた場合には（ステップＳ２６でＮｏ）、当該評価対象部材が「補修」または「交換」すべきものであること示すメッセージなどを、液晶表示装置などの出力装置２６に表示する（ステップＳ２８）。なお、この場合の出力装置２６は、「補修」または「交換」を音声や警報ランプなどで報知するものであってもよい。

以上のように、本実施形態に係る疲労限度評価装置１０を評価対象部材の疲労限度の定期検査に適用した場合には、検査員は、とくに判断が伴うような作業をしなくても済むので、その作業効率を向上させることが可能になるとともに、作業員に依存しない検査結果を得ることが可能になる。

以上に説明した実施形態では、疲労限度評価装置１０の評価用プロファイルデータ生成部１３は、表面粗さ計測装置３１で計測された評価対象部材の表面プロファイルにおける小さな山や谷をフィルタリングして除去し、いわば、評価対象部材のマクロな粗さを表す評価用プロファイルを生成する。そして、表面粗さ指標値算出部１４は、その評価用プロファイルに含まれるすべてのき裂（谷）について算出した表面粗さ指標値のうち、最大のものを表面粗さ指標値√areaＡとして算出し、疲労限度推定値算出部１５は、その表面粗さ指標値√areaＡを用いて疲労限度推定値を算出する。

従って、本実施形態に係る疲労限度評価装置１０では、評価対象部材から得られる表面プロファイル計測値２１１が非周期的な表面粗さプロファイルを表すものであっても、その表面プロファイル計測値２１１からその評価対象部材の疲労限度推定値を算出することができる。よって、本実施形態により、非周期的な表面粗さプロファイルを有する機器の部材に適用可能な疲労限度評価方法および疲労限度評価装置が提供される。

（実施形態の第１の変形例）
図９は、本発明の実施形態の第１の変形例に係る疲労限度評価装置１０ａの機能構成の例を示した図である。この第１の変形例に係る疲労限度評価装置１０ａは、外部の硬さ計測装置３２および残留応力計測装置３３に代わって、その内部に硬さ・残留応力データベース２４を備えている点で、図１に示した疲労限度評価装置１０と相違している。

一般に、評価対象部材の硬さや残留応力は、主に部材の材料や表面の加工条件などに依存してほぼ一意的に決まるので、本変形例に係る疲労限度評価装置１０ａは、部材の材料や表面の加工条件などにその部材の硬さおよび残留応力が対応づけられて構成された情報が登録される硬さ・残留応力データベース２４を備えている。そして、疲労限度評価装置１０ａには、硬さ計測装置３２および残留応力計測装置３３は接続されていなくてもよいものとしている。

以上のような構成の疲労限度評価装置１０ａでは、硬さ計測装置３２を用いた評価対象部材の硬さの計測作業や残留応力計測装置３３を用いた残留応力の計測作業をしなくても済む。その結果、疲労限度推定値を算出する疲労限度の評価作業や疲労限度の定期検査作業の効率が向上する。

（実施形態の第２の変形例）
図１０は、本発明の実施形態の第２の変形例に係る疲労限度評価装置１０ｂの機能構成の例を示した図である。この第２の変形例に係る疲労限度評価装置１０ｂは、その内部に表面粗さ計測装置３１が取り込まれている点で、図１に示した疲労限度評価装置１０と相違している。

すなわち、図１に示した疲労限度評価装置１０は、ハードウエア的には、いわゆるコンピュータだけで構成されたものであるが、本変形例に係る疲労限度評価装置１０ｂは、コンピュータとそのコンピュータに接続された表面粗さ計測装置３１によって構成される。近年のコンピュータは、高性能化とミニサイズ化が進行しているので、本変形例は、表面粗さ計測装置３１を内蔵した疲労限度評価装置１０ｂというよりも、疲労限度評価機能を有する表面粗さ計測装置を実現可能にするものともいえる。

（実施形態の第３の変形例）
図１１は、本発明の実施形態の第３の変形例に係る疲労限度評価装置１０ｃの機能構成の例を示した図である。この第３の変形例に係る疲労限度評価装置１０ｃは、その内部に表面粗さ計測装置３１に加え、硬さ計測装置３２および残留応力計測装置３３が取り込まれている点で、図１に示した疲労限度評価装置１０と相違している。

本変形例は、いわば、オールインワンの機能を備えた疲労限度評価装置１０ｃが実現されたものといえる。従って、本変形例に係る疲労限度評価装置１０ｃでは、評価対象部材の硬さや残留応力が、例えば、経時変化などで変化した場合でも、その硬さや残留応力を素早く計測できるので、より高精度の疲労限度推定値を素早く得ることが可能になる。

なお、本発明は、以上に説明した実施形態および変形例に限定されるものではなく、さらに、様々な変形例が含まれる。例えば、前記した実施形態および変形例は、本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施形態や変形例の構成の一部を、他の実施形態や変形例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施形態や変形例の構成に他の実施形態や変形例の構成を加えることも可能である。また、各実施形態や変形例の構成の一部について、他の実施形態や変形例に含まれる構成を追加・削除・置換することも可能である。

１０，１０ａ，１０，ｂ，１０ｃ 疲労限度評価装置
１１ 表面プロファイル計測値取得部
１２ ピーク座標値抽出部
１３ 評価用プロファイルデータ生成部
１４ 表面粗さ指標値算出部
１５ 疲労限度推定値算出部
１６ 疲労限度診断部
２１ 表面プロファイル計測値記憶部
２２ ピーク座標値記憶部
２３ 評価用プロファイルデータ記憶部
２４ 硬さ・残留応力データベース
２５ 入力装置
２６ 出力装置
３１ 表面粗さ計測装置
３２ 硬さ計測装置
３３ 残留応力計測装置
２１１ 表面プロファイル計測値
２２１ ピーク座標値
２３１ 評価用プロファイルデータ

Claims (13)

1. 評価対象部材の表面プロファイルを計測する表面粗さ計測装置に接続されたコンピュータが、
   前記表面粗さ計測装置から、前記評価対象部材の表面プロファイルの計測値を取得するステップと、
   前記取得した表面プロファイルの計測値に含まれる山のピーク座標値および谷のピーク座標値を抽出するステップと、
   前記評価対象部材の表面プロファイルの計測値に基づき、前記評価対象部材の表面の粗さの程度を表す表面粗さパラメータの値を求め、前記抽出した山のピーク座標値および谷のピーク座標値からなるデータに対して、互いに隣接する山および谷の高低差が前記表面粗さパラメータの種類およびその値に応じて定められる閾値よりも小さい場合にその一方または両方の山または谷のピーク座標値を除去するフィルタリング処理を施し、互いに隣接する山および谷の高低差が前記閾値以上となるような評価用プロファイルのデータを生成するステップと、
   前記評価用プロファイルに含まれるそれぞれの谷について前記谷の深さとその谷に隣接する２つの山と山の距離を求め、前記それぞれの谷ごとに前記谷の深さと前記２つの山と山の距離を用いて求められる谷の断面積の平方根のうち、その最大値を前記評価用プロファイルの表面粗さ指標値として算出するステップと、
   前記算出した表面粗さ指標値を用いて前記評価対象部材の疲労限度推定値を算出するステップと、
   を実行することを特徴とする疲労限度評価方法。
2. 前記表面粗さパラメータの種類およびその値に応じて定められる閾値は、
   前記表面粗さパラメータの種類が十点平均粗さの場合、前記表面粗さパラメータの値に１以下の正の定数で０．３程度の定数を乗じた値であり、
   前記表面粗さパラメータの種類が算術平均粗さの場合、前記表面粗さパラメータの値に１以下の正の定数を乗じた値であり、
   前記表面粗さパラメータの種類が最大高さの場合、前記表面粗さパラメータの値に１以下の正の定数を乗じた値であること
   を特徴とする請求項１に記載の疲労限度評価方法。
3. 前記コンピュータは、
   入力装置を介して入力される前記評価対象部材が受ける負荷応力値を前記算出した疲労限度推定値と比較し、前記負荷応力値が前記疲労限度推定値を超えていた場合には、前記評価対象部材の補修または交換を促すメッセージを出力装置に出力するステップをさらに実行すること
   を特徴とする請求項１に記載の疲労限度評価方法。
4. 前記コンピュータは、
   前記評価対象部材の疲労限度推定値を算出するステップにおいて、
   前記表面粗さ指標値を算出するステップで算出される表面粗さ指標値に加え、硬さ計測装置で計測される前記評価対象部材の硬さの値および残留応力計測装置で計測される前記評価対象部材の残留応力の値を用いて、前記評価対象部材の疲労限度推定値を算出すること
   を特徴とする請求項１に記載の疲労限度評価方法。
5. 前記コンピュータは、
   前記評価対象部材の加工条件に硬さと残留応力とを対応づけて構成された硬さ・残留応力データベースをさらに備え、
   前記評価対象部材の疲労限度推定値を算出するステップにおいて、
   前記表面粗さ指標値を算出するステップで算出される表面粗さ指標値に加え、前記評価対象部材の加工条件に応じて前記硬さ・残留応力データベースから得られる前記評価対象部材の硬さおよび残留応力を用いて、前記評価対象部材の疲労限度推定値を算出すること
   を特徴とする請求項１に記載の疲労限度評価方法。
6. 評価対象部材の表面プロファイルを計測する表面粗さ計測装置から、前記評価対象部材の表面プロファイルの計測値を取得する表面プロファイル計測値取得部と、
   前記取得した表面プロファイルの計測値に含まれる山のピーク座標値および谷のピーク座標値を抽出するピーク座標値抽出部と、
   前記評価対象部材の表面プロファイルの計測値に基づき、前記評価対象部材の表面の粗さの程度を表す表面粗さパラメータの値を求め、前記抽出した山のピーク座標値および谷のピーク座標値からなるデータに対して、互いに隣接する山および谷の高低差が前記表面粗さパラメータの種類およびその値に応じて定められる閾値よりも小さい場合にその一方または両方の山または谷のピーク座標値を除去するフィルタリング処理を施し、互いに隣接する山および谷の高低差が前記閾値以上となるような評価用プロファイルのデータを生成する評価用プロファイルデータ生成部と、
   前記評価用プロファイルに含まれるそれぞれの谷について前記谷の深さとその谷に隣接する２つの山と山の距離を求め、前記それぞれの谷ごとに前記谷の深さと前記２つの山と山の距離を用いて求められる谷の断面積の平方根のうち、その最大値を前記評価用プロファイルの表面粗さ指標値として算出する表面粗さ指標値算出部と、
   前記算出した表面粗さ指標値を用いて前記評価対象部材の疲労限度推定値を算出する疲労限度推定値算出部と、
   を備えることを特徴とする疲労限度評価装置。
7. 前記表面粗さパラメータの種類およびその値に応じて定められる閾値は、
   前記表面粗さパラメータの種類が十点平均粗さの場合、前記表面粗さパラメータの値に１以下の正の定数で０．３程度の定数を乗じた値であり、
   前記表面粗さパラメータの種類が算術平均粗さの場合、前記表面粗さパラメータの値に１以下の正の定数を乗じた値であり、
   前記表面粗さパラメータの種類が最大高さの場合、前記表面粗さパラメータの値に１以下の正の定数を乗じた値であること
   を特徴とする請求項６に記載の疲労限度評価装置。
8. 入力装置を介して入力される前記評価対象部材が受ける負荷応力値を前記算出した疲労限度推定値と比較し、前記負荷応力値が前記疲労限度推定値を超えていた場合には、前記評価対象部材の補修または交換を促すメッセージを出力装置に出力する疲労限度診断部を、さらに、備えること
   を特徴とする請求項６に記載の疲労限度評価装置。
9. 前記疲労限度推定値算出部は、
   前記表面粗さ指標値算出部で算出される表面粗さ指標値に加え、硬さ計測装置で計測される前記評価対象部材の硬さの値および残留応力計測装置で計測される前記評価対象部材の残留応力の値を用いて、前記評価対象部材の疲労限度推定値を算出すること
   を特徴とする請求項６に記載の疲労限度評価装置。
10. 前記評価対象部材の加工条件に硬さと残留応力とを対応づけて構成された硬さ・残留応力データベースをさらに備え、
    前記疲労限度推定値算出部は、
    前記表面粗さ指標値算出部で算出される表面粗さ指標値に加え、前記評価対象部材の加工条件に応じて前記硬さ・残留応力データベースから得られる前記評価対象部材の硬さおよび残留応力を用いて、前記評価対象部材の疲労限度推定値を算出すること
    を特徴とする請求項６に記載の疲労限度評価装置。
11. 評価対象部材の表面プロファイルを計測する表面粗さ計測装置と、
    前記表面粗さ計測装置から、前記評価対象部材の表面プロファイルの計測値を取得する表面プロファイル計測値取得部と、
    前記取得した表面プロファイルの計測値に含まれる山のピーク座標値および谷のピーク座標値を抽出するピーク座標値抽出部と、
    前記評価対象部材の表面プロファイルの計測値に基づき、前記評価対象部材の表面の粗さの程度を表す表面粗さパラメータの値を求め、前記抽出した山のピーク座標値および谷のピーク座標値からなるデータに対して、互いに隣接する山および谷の高低差が前記表面粗さパラメータの種類およびその値に応じて定められる閾値よりも小さい場合にその一方または両方の山または谷のピーク座標値を除去するフィルタリング処理を施し、互いに隣接する山および谷の高低差が前記閾値以上となるような評価用プロファイルのデータを生成する評価用プロファイルデータ生成部と、
    前記評価用プロファイルに含まれるそれぞれの谷について前記谷の深さとその谷に隣接する２つの山と山の距離を求め、前記それぞれの谷ごとに前記谷の深さと前記２つの山と山の距離を用いて求められる谷の断面積の平方根のうち、その最大値を前記評価用プロファイルの表面粗さ指標値として算出する表面粗さ指標値算出部と、
    前記算出した表面粗さ指標値を用いて前記評価対象部材の疲労限度推定値を算出する疲労限度推定値算出部と、
    を備えることを特徴とする疲労限度評価装置。
12. 前記表面粗さパラメータの種類およびその値に応じて定められる閾値は、
    前記表面粗さパラメータの種類が十点平均粗さの場合、前記表面粗さパラメータの値に１以下の正の定数で０．３程度の定数を乗じた値であり、
    前記表面粗さパラメータの種類が算術平均粗さの場合、前記表面粗さパラメータの値に１以下の正の定数を乗じた値であり、
    前記表面粗さパラメータの種類が最大高さの場合、前記表面粗さパラメータの値に１以下の正の定数を乗じた値であること
    を特徴とする請求項１１に記載の疲労限度評価装置。
13. 前記評価対象部材の硬さを計測する硬さ計測装置と、前記の評価対象部材の残留応力を計測する残留応力計測装置と、をさらに備え、
    前記疲労限度推定値算出部は、
    前記表面粗さ指標値算出部で算出される表面粗さ指標値に加え、前記硬さ計測装置で計測される前記評価対象部材の硬さの値および前記残留応力計測装置で計測される前記評価対象部材の残留応力の値を用いて、前記評価対象部材の疲労限度推定値を算出すること
    を特徴とする請求項１１に記載の疲労限度評価装置。

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