JPH02305930A - 振動式残留応力除去方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は金属等の残留応力の振動除去処理に関する。

〔従来技術〕

従来より、振動式金属残留応力の除去は金属弾性限下の
応力除去の有効手段として、省エネルギー、又側面的経
済効果として短時間処理、運搬不要、設備費用の大幅削
減、金属材料の変質を伴わない金属残留応力除去方法と
して注目されてきた。

しかし、日本においては単純振動による繰り返し応力に
よる試験での結果のみが報告されているのみである。こ
のために単純振動である電気式バイブレータ−１油圧式
振動発生器等による場合の実施例が挙げられているに止
まる。その結果は焼鈍処理に比較してｌＯ％程度の応力
除去と記載報告されている。

又、振動処理による残留応力の除去装置として公知のも
のは、例えば米国、英国で下記の処理装置が知られてい
る。

米国では・５ＴＲＥＳＳ　Ｒ［！ＬＩＥＦ　ＥＮＧＩＮ
ＥＥＲＩＮＧＣｏ、１７２５　ＭＯＮＲＯＶＩＡ　ＡＶ
ＥＮＵＥ　ＢＬＤＧ、ＡＩ　Ｃ０５ＴＡ　ＭＥＳＡ。

ＣＡＬＩＦＯＲＮＴＡ　９２６２７．Ｕ、Ｓ、Ａ製品名
″ＦＯＩＩＭＵＲＡ　６２” 英国・ＶＩＢＲＡＴＯＲＹ　５ＴＲＥＳＳ　ＲＥＬＩＥ
ＶＩＮＧ　ＣＯＭＰＡＮＹ。

ＦＥＲＮＦＩＬＬ　ＨＥＡＴＨ，讐０ＲＣＥＳＴＥＲ，
ＥＮＧＬＡＮＤ。

製品名“Ｖ、Ｓ、Ｒ” 等の報告記載によれば焼鈍処理に比較して５０％程度の
残留応力除去結果が報告されている。

これは単に被処理物に振動子と加速度計の取りつけを行
い、その共振点、複合共振点を検出して残留応力除去、
経時変化或いは経年変化の防止を行うものである。

〔発明が解決しようとする課題〕

ところで、振動による残留応力除去、再分布は、被処理
物の金属残留応力レベル（ｋｇ／ｍｍ”　）と加振によ
る繰り返し応力（ｋｇ／ｍｅ”　）の和によって塑性変
形を発生させ、残留応力の弛緩、消滅をはかる原理にも
とづくものであり、残留応力のレベル、分布状態の異な
る被処理物においては、同一振動を与えても、残留応力
除去及び再分布の効果は、不均一となる。

したがって、上記従来の処理法は、残留応力のレベル、
分布状態を加味していないため、その処理効果は不均一
なものであった。すなわち、信顛性の低いものであった
。

そこで、本発明の目的は、残留応力除去を効率よく行い
得て、偉績性の高い処理効果を常に得られるようにする
ことにある。

〔課題を解決するための手段〕

上記！Ｉ題を解決するため、本発明にあっては、まず、
被処理金属の残留応力分布及びレベルを測定し、その測
定値に基づき、前記被処理金属を回転振動させて残留応
力を除去するようにしたのである。

また、同品質、寸法、形状ものにおいても、振動伝達は
固有な特性をもち、均一化処理に極めて大きく影響する
興味ある作用が存在する事実を発見した。このため、同
品質、同重量、同形状の被処理物においては、予め設定
された振動加速度レベルに基づき、振動周波数を上昇さ
せるとよい。

上記回転振動は、方向転換、及び被処理物の共振点で行
うこと、が好ましく、さらに、被処理物の任意複数点に
おける共振点に基づくと、より効果的である。

上記加速度レベルは、共振点変位に追従させることがで
きる。

被処理物の共振点検出に至る加速度レベル中、共振点検
出の取りつけ位置は、残留応力分布及びレベルに基づき
適宜に選択する。

本発明を以下に詳細に説明する。

本発明は回転振動による繰り返し振動が円運動から共振
域でのＸ軸、Ｙ軸に対して曲げ、引張り、圧縮の力が単
純振動と異なり複雑でより有効な振動力であることは試
験、実例で確認している。

しかし、金属材料に対して、溶接や機械加工等を行った
場合の残留応力のレベル、分布は一様ではない。

更に振動子、加速度計の取りつけ位置によって共振点の
加振周波数、振動の伝達係数も異なった条件となる。

即ち同形状、同重量、同材質（品質）であっても振動処
理結果は異なることは明白である。

被処理物に対し、非破壊試験器による残留応力レベル、
分布を知り最も効果的処理の加速度レベル巾、時間を標
準にした最高共振点処理を行う処理結果は著しく均一な
処理結果となる。

本発明の応力除去の機構には不明な点もあるが、加振中
、被処理物の最高共振点は応力再分布の結果わずかにず
れる。この移動は繰り返し応力のレベル（ｇ）を大きく
変化させ、最高振幅に至る過程の応力再分布が′処理結
果に影響することは明らかである。

従って、被処理物の極部応力や応力分布に係わらず、被
処理物の共振点迄の加速度レベル、時間を一定巾に保つ
加振力を与える。

この結果は、図１、点Ａ、Ｂ、Ｃ域に至る振動の伝達は
全て一定となり、局部応力を伴う低いレベルの応力再分
布は安定すると考えられる。

この結果、最高共振点は、同形状、同品質、同重量の場
合移動せず安定した処理結果となることが証明される。

重量、形状、工程等による被処理物の残留応力レベル、
振動伝達の特性に対し、被破壊試験器による応力レベル
測定により、効果的振動レベルの供給と加速度計設定位
置による最高共振点のずれ、加振中の共振点移動を正確
に検出、追従し、知りえた最も効果的な処理パターンを
基本上する振動処理によって驚くほど均一な残留応力除
去と再分布が得られた。

本処理の基本的な処理方法は上述の処理を正確に行い、
時計方向と現時方向の反復回転振動処理で更に向上した
結果が達成される。

これは回転力による振動は一般に複雑な振動伝達を行う
が、振動子の回転方向による影響を大きく受ける。

この結果、被処理物の残留応力は一様でないので、振動
処理結果は回転方向により処理結果も相違する。

この相違を均一化する正逆振動処理によって飛躍的向上
が計れる。

従うて、本発明において利用される被処理物は鉄金属、
非鉄金属に限らずガラス類、硬質樹脂材料等材質を選ば
ず使用できるものである。

応力測定は磁力線歪みを応用した被破壊試験器を利用す
るのが便利で現実的である（特開昭５３−８３７７５号
公報参照）。

これら被破壊試験器で被処理物の残留応力のレベル、分
布を測定し、この数値処理で強制された任意のパターン
による加速度レベルと時間軸で振動処理される。

このような処理で振動伝達を一定化し、規定共振域の正
確な処理は残留応力の安定化処理、寸法安定化に驚くべ
き効果を発揮するものである。

更に、振動処理による共振点は加振処理中の応力再分布
により、わずかに変動するが、振動応力は非常に大きく
変化する。

このため、共振点の正確な追随の処理結果は上述と同様
に残留応力除去効果は非常に大である。

加速度レベル信号は一ケ所の信号より、複数加速度計に
よるチャンネル信号を選択して、その共振点域の周波数
上でより高いレベルの加振を行う。

複数加速度計の信号レベルの選択は被処理物の加振中に
おいて自動的に最高共振点を検出しながら選択するのが
好ましい。

複数加速度計とは二ケ所以上の加速度計取りつけを言う
、加速度計による最高共振レベルは被処理物の応力分布
により変化する。このために加振電動機の回転サイクル
を自動調整することで驚く程均−な処理結果をえること
が出来る。

このような一連の処理で残留応力の除去、再分布は完了
するが、品質管理上からは不均一処理とされることがあ
る。

このような点から、共振点処理が完了後、回転振動の方
向転換による再処理を行うことで、不均一処理が取り除
かれる。

これは単に回転振動モーターの正逆による方向性による
ものであり、回転方向を例えば時計方向で最高共振点選
択理が終了した後、反時計方向の一連処理を行うもので
ある。

゛　このような処理は材料のもつ残留応力、加工時の応
力分布や方向性が加振時の応力伝達方向に影響されると
考えられ、事実回転方向の転換処理により均一化される
ことで証明される。

通常のパイブレーク−振動ではこのような結果は得られ
ない。

使用する振動電動機は直流、交流の種類には限定されな
い、即ち加振伝達能力のみで良い。

これら応力測定による被処理物の振動処理パターンと加
速度レベルの制御パターンＡ、加速度計取りつけ位置に
よる最高共振点選択と共振点追随Ｂ、回転方同切り、換
え処理Ｃとすると、これら三者の処理は処理目的と製品
の仕上がり規格により選択使用する。

処理方法は単独でもよく、Ａ＋Ｂ、Ａ＋Ｃ，Ｂ＋Ｃ１の
ように三方法を組み合わせても良い、三方法処理よりも
、Ａ＋Ｂ＋Ｃの組み合わせ使用法がさらに良い結果とな
ることは明白である。

これら王者は、作業手順として予めプログラムしておき
、被処理物の重量、形状パターンから処理時間設定をす
るのが便利である。

振動電動機の回転数が増大すると加速度（ｇ）は増加す
るが、成る回転周波数になると加速度は周波数に比例増
加しない域があり、共振域になると周波数増加で急激に
加速度低下と次いで急激な加速度増加を示すようになる
。

このようなパターンは、どのような場合も同様である。

構造物や機械加工物等の被処理物に重量、形状で処理時
間、処理パターンが設定できる。重量が増大すれば共振
による繰り返し応力は増大するので１０ｔｏｎ域、２０
　ｔｏｎ域、２０　ｔｏｎ以上域と処理時間は短縮さ耗
る。

更に、このような繰り返し応力の異状に長い処理は金属
疲労の原因となる場合が発生すると考え、タイムスケジ
ュール内の処理を行う様にすると安全で経済的にも有利
である。

上記の処理システムのフロチャートを第４図に示す。こ
の図に基づいて、説明すれば、被処理物に、ピックアッ
プセンサー等の応力検査器を取りつけて振動機に電力を
供給する。被処理物の最高共振点を自動的にサーチしな
がら電力周波数を決定し、時間、回数等のプログラムに
したがい処理される。処理後、残留応力の測定確認を行
ない振動処理を終了する。

第１図に材料の共振点に至る標準パターンを示す。

折れ点としては例えばＡ点、Ｂ点は被処理物に対して、
極端な曲げ応力を与えるので振動処理待悪影響をきたす
。

この間の周波数は２５１（ｚ（ヘルツ）迄にあるので０
）（Ｚより２５Ｈｚまでの周波数立ち上がりを１５秒以
内に指定する。

加振される被処理物のエネルギー伝達は様々である。更
に受は台の材質、形式により変化するので加振中の残留
応力除去が一定しない原因となる。

このような伝達特性を補償するために被処理物に対する
加振周波数と加速度レベルを一定の効果的範囲を保ちな
がら最高共振点まで加振力の安定化出力を供給すること
で驚くほど均一な処理が出来る。

このために加速度レベルに対し加振周波数と時間軸の補
償パターンが必要であり、強制的に共振点までの加速度
レベルと時間を規定し振動力を被処理物に加える。

３０１（ｚ以上最高共振域に到達する迄の間、複合共振
点（Ｓｕｂ　Ｒｅ５ｏｎａｎｃｅ）が、少なくとも２点
の発生を見る。この複合共振点は無視するジャンプ機能
を持たせる。

最高共振点の発生直前の周波数域で加速度レベルが急激
に低下する域Ｃ点がある。この０点から共振振動数を追
いながら絶えず最高共振点の加振を行う。

このような一連のパターンを、品質、重量、形状による
時間処理を種々に規定する。

ＯＨｚより２５Ｈｚ迄を１５秒以内で加振周波数の増加
を計る。

２５Ｈｚ以上最高共振点迄の加振周波数の増加時間を重
量比で規定する。

例えば、 １００瞳／１処理物　３０秒以上　７０秒以内５００ｋ
ｇ／　１処理物　３５秒以上　８０秒以内１０００ｋｇ
／　１処理物　４０秒以上　８０秒以内１７０００ｋｇ
／　１処理物　５５秒以上　２０秒以内５５０００ｋｉ
ｒ／　１処理物　７０秒以上　２０秒以内１０００００
瞳／ｌ処理物　９０秒以上　２０秒以内最高共振点域の
加振時間 １００ｋｇ／ｌ処理物　３０秒以上２４０秒以内５００
ｋｇ／ｌ処理物　３０秒以上３００秒以内１０００ｋｉ
ｒ／１処理物　３０秒以上４２０秒以内１７０００ｋｇ
／　１処理物　３０秒以上１０２０秒以内５５０００ｋ
ｇ／　１処理物　３０秒以上１３８０秒以内１００００
０　ｋｇ　／　１・処理物　３０秒以上１５００秒以内
最高共振点から２５Ｈｚ迄の加振周波数の減衰時間を重
量比で規定する。

１０００ｋｇ／ｌ処理物　　　　　１２０秒以内１７０
００ｋｒ／　１処理物　　　　　１８０秒以内５５００
０ｋｒ／　１処理物　　　　　３００秒以内１００００
０ｋｇ／　１処理物　　　　　４８０秒以内このように
指定された強制的な共振点域までの処理は驚くべき効果
を発揮する。

〔実施例１〕 表１に溶接構造の試験体による試験結果を示す。

表　１　母材と溶接金属の組成と機械的性質表　２　試
験体の寸法変化の絶対値比較表　３１回目開放後より２
回目の放置開放後に変化した寸法の絶対値 回転振動処理においても熱処理と寸法変化量の差が無い
が、回転方向転換処理のみにも拘らず本発明によるパタ
ーン処理によって大幅な寸法変化量改善の事実が得られ
た。

Ｃ実施例２〕 ５Ｓ４１材とＳＣＨ３の調質材を使用し、溶接によって
組立てたコラムに適用した。

外形寸法　１７００巾　　　　　　　質量４６ｔｏｎ１
９５０高さ ８５００長さ　　　　皇位！ 標点間距離は横ケタ内面に設はインサイドマイクロにて
測定した。

１７００　Ｘ　１９５０の横ケタをＸ軸、Ｙ軸として長
手方向に５ケ所を標点間距離を測定した。

各々左、中間、右の寸法変化を絶対値で示した。

加振前後、機械加工前後の変化を記録確認したものであ
る。

表　４　横ケタ（左） 単位　ｉ 」 表　５　横ケタ（右） 単位　鶴 表　６　横ケタ（中間） 単位　宵ｌ 従来のデーターより機械加工、組立時においても、焼き
鈍しされたものと比較して何ら変化なく、機械機能の傷
害となる因子も確認されなかった。

〔実施例３〕　（０社） 機械加工によるメタルケースの振動処理材’Ｊｉ　　５
３５Ｃ 機械加工後、各処理品の寸法変化量を、焼き入れ前、焼
き入れ後に測定し、それを表に記載した。

表７ このように比較すると本発明による処理の優れているこ
とが明らかである。

〔実施例４〕 ストレンゲージの歪み量による測定比較材質　５Ｓ４１ 表　８　　　（Ｍ社との比較） 〔実施例５）Ｍ社との比較 材質　５Ｓ４１ 測定　Ｘ線測定法による 焼鈍は６２５’Ｃ１１時間処理 振動処理は通常方法、振動パターン処理はＸ線応力測定
器による。各試験体は処理方法毎に４検体の平均値とし
た。

表　　９ 〔発明の効果〕 以上の説明から理解できるように、本発明によれば、被
処理金属の残留応力を、効率よく除去できるとともに、
十分に許容できる寸法変化量とすることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、加速度レベルと振動周波数の関係図、第２図
は加速度レベルと振動周波数のスペクトラム図、第３図
は最高共振点の移動説明図、第４図は本発明に係る一実
施例の概略図である。 特許出願人　株式会社メタレフクス研究所同　代理人　
　鎌　　　　１）　　　文　　　　二第１図 第３図 第２図 第４図

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. （１）被処理物の残留応力分布及びレベルを測定し、そ
   の測定値に基づき、前記被処理物を回転振動させて残留
   応力を除去する方法。
2. （２）同品質、同重量、同形状の被処理物においては、
   予め測定された振動加速度レベルに基づき、振動周波数
   を上昇させるようにしたことを特徴とする請求項１記載
   の残留応力除去方法。
3. （３）回転振動を方向転換するようにしたことを特徴と
   する請求項１又は２記載の残留応力除去方法。
4. （４）回転振動を被処理物の共振点で行うようにしたこ
   とを特徴とする請求項１、２又は３記載の残留応力除去
   方法。
5. （５）被処理物の任意複数点における共振点に基づき、
   回転振動を行うようにしたことを特徴とする請求項４記
   載の残留応力除去方法。
6. （６）請求項２記載の残留応力除去方法において、共振
   点変位に加速度レベルを追従させるようにしたことを特
   徴とする請求項４又は５記載の残留応力除去方法。