JPH04198823A - 薄板材の残留応力測定方法および装置 - 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、薄板材の表面を溶解剤等を用いて所定深さま
で除去したときに、残留応力に基づいて前記薄板材に生
じる反り面の曲率半径から前記所定深さでの薄板材の残
留応力を測定する薄板材の。

残留応力測定方法および装置に関するものである。

［従来の技術］ 従来より、　ＩＣ用リードフレームや精密機器等に用い
られるプレス用の薄板材（よ　その製造工程で圧延等の
塑性加工をしたり、コイル状に巻き取ったりすることに
より内部に残留応力が発生する場合があり、この測定が
必要となった このため、製造された薄板材から所定寸法の試料を切り
出し、これの片方の表面を塩化第２鉄溶液で所定深さま
で溶かすことで残留応力のバランスを崩して試料に反り
を発生させ、その反り面にダイヤルゲージを押し付けて
反り量を測定し、当該深さでの残留応力を求めるといっ
たことが実施されていた。ほかにも、回折Ｘ線によって
直接残留応力を測定する方法が知られている。

［発明が解決しようとする課題］ ところが、ダイヤルゲージを用いる従来方法で（上計測
時の押圧力で反り面が変形してしまい、正確なそり量が
測定できなかった。このため、残留応力を精度よく測定
することができないという問題があった。また、残留応
力測定の自動化が困難であり、計測ポイントの特定や移
動に時間がかかることから、非効率的であるという問題
もあった。

一方、回折Ｘ線を用いる方法で（良精度よく残留応力が
測定できる代わり１：、装置が高価となるという問題や
、Ｘ線照射をすることからその遮蔽をしなければならな
いという安全対策上の要件も満たさなければならかった
　また、深さ方向に残留応力を求めるに当たって１表表
層除去等が必要であるが、表層の除去によって薄板材が
反るため、回折角度を計測するに当たっての装置の配置
や取り扱いが複雑となり、さらには結果の解析に専門的
知識を要するなど操作性にも問題があった。

［発明の目的］ 本発明（友　かかる従来の方法における不都合をなくし
、薄板材の残留応力を精度よく測定することができると
共に、測定の自動化に適し、しかも装置構成が簡単で高
価とならず、高度の専門知識を要求されず、簡単にしか
も安全に残留応力を測定することができる方法および装
置を提供することを目的として完成された。

［課題を解決するための手段］ 本発明において（よ 薄板材の表面を溶解剤等を用いて所定深さまで除去した
とき１′ニー残留応力に基づいて前記薄板材に生じる反
り面の曲率半径から前記所定深さでの薄板材の残留応力
を測定する薄板材の残留応力測定方法において、 レーザや渦電流や超音波等を用いて非接触状態で目標物
までの距離を計測する装置によって、該装置から薄板材
の反り面までの距離を計測し、該計測結果から前記反り
面の曲率半径を求めることを特徴とする構成を採用して
、前記目的を達成する薄板材の残留応力測定方法を完成
したまた、 薄板材の表面を溶解剤等を用いて所定深さまで除去した
ときに、残留応力に基づいて前記薄板材に生じる反り面
の曲率半径から前記所定深さでの薄板材の残留応力を測
定する薄板材の残留応力測定装置であって、 薄板材を載置する載置手段と、 該載置手段の上方に配設されたレーザや渦電流や超音波
等を用いて非接触状態で目標物までの距離を計測する非
接触式距離計測手段と、該非接触式距離計測手段と前記
載置手段との水平方向の相対位置関係を変更する相対位
置変更手段と、 該相対位置変更手段により前記非接触式距離計測手段と
前記載置手段との水平方向の相対位置関係を変更しつつ
前記非接触式距離計測手段にて計測された薄板材の反り
面までの距離に基づいて、該反り面の曲率半径を演算す
る曲率半径測定方法と、 該演算された曲率半径に基づいて前記所定深さでの薄板
材の残留応力を演算−する残留応力測定方法と を備えることを特徴とする構成を採用して前記目的を達
成する薄板材の残留応力測定装置を完成した。

［作用］ 本発明の方法および装置の作用を説明するに当り、薄板
材の表面を溶解剤等を用いて所定深さまで除去したとき
に、残留応力に基づいて薄板材に生じる反り面の曲率半
径から所定深さでの薄板材の残留応力を測定することが
できる物理的根拠について第４図および以下の演算式に
基づいて説明する。なお、図中点線で示したのが表層除
去前の残留応力分布であり、実線で示したのが表層除去
後の残留応力分布である。また、−点鎖線で示したのが
表層除去後に曲げを起こさないと仮定したときの応力分
布である。なお、図中二点鎖線は表層除去前の薄板材の
表面である。

板厚りの薄板材の表面から深さａの位置での残留応力σ
（上表面から深さａの表層を除去されたときの表層除去
後の表面に作用する残留応力（以下、表層残存分店力と
いう）σ８と、この表層除去により板材の長手方向の力
が除かれることに基づき解放された残留応力（以下、長
手方向力除去性応力という）σ。と、表層除去による曲
げモーメントに関する平衡条件に基づき解放された残留
応力（以下、曲げ除去分店力という）σｂとの総和とし
て捉えられる。

σ＝σ８＋σ、＋σ。　　　　・・・（１）まず、表層
残存分店力σ６の求め方を示す。

いま、深さａの位置からさらに薄層ｄａが除去されたと
すると、この除去される薄層ｄａに存在する残留応力の
存在による単位幅当りの曲げモーメントＭ１は次式で表
される。

Ｍ、　＝ｃｒ、　　・ｄ　ａ　・（ｈ−ａ）　／２・・
・　（２） 一方、薄層ｄａを除去した後の薄板材に作用する曲げモ
ーメントＭ２（ｉ　　そのときの薄板材の反り面の曲率
の変化量ｄ（１／ρ）を用いて次式で表される。

Ｍ２＝Ｅ・１・ｄ　（１／ρ）　　・・・　（３）ここ
で、単位幅についての断面二次モーメントｌ　ｆｔ、　
　ｌ　＝　（ｈ−ａ）　３／　１２となるから、　（３
）式は次の様に変形することができる。

Ｍ２　＝Ｅ　−（（ｈ　　ａ）　３／　１２）・ｄ（１
／ρ）　　・・・　（４） そして、ＭにＭ２でなければならないから、表層残存分
店力σａ（よ次式で表されることになる。

一方、長手方向力除去性応力σ。は、断面内で一様であ
ると仮定すると、次の釣合式が成立する。

ｆａｄａ＋ａ。−（ｈ−ａ）、＝０ ・・・　（６） よって、 σ。ニー（１／　（ｈ−ａ））ｆσｄａ・・・　（７） となる。

ざら（ミ　曲げ除去分店力σｂ（友　薄板材の残った部
分に曲げを起こさせるモーメントＭと釣り合従って、 Ｍ二Ｅｌ／ρ となるから、 と導かれる。

以上の結果、残留応力σ（よ と表される。

なお、　（１０）式の右辺第３項は、ｆσｄａを含んで
いるが、数段階に深さａと曲率半径ρとを計測して、逐
次近似法を適用すれ（よ残留応力σを算出することがで
きる。深さａ、（Ｌ　元々の板厚りと、溶解剤により薄
板材表面を除去したあとの残存板厚（ｈ　−ａ　）とか
ら簡単に特定することができる。従って、薄板材の所定
深さａでの残留応力σは、薄板材の反り面の曲率半径を
求めれば算出することができるのである。

以上の様に、所定深さでの薄板材の残留応力を測定する
に当たっては、薄板材の表面を塩化第２鉄の様な溶解剤
等を用いて所定深さまで除去したときに、残留応力に基
づいて前記薄板材に生じる反り面の曲率半径を求めれば
よい。本発明の方法においては、レーザや渦電流や超音
波等を用いて非接触状態で目標物までの距離を計測する
装置によって、装置から薄板材の反り面までの距離を計
測して反り面の湾曲状態を特定し、この計測結果から反
り面の曲率半径を求めることとしたから、薄板材に外力
が加わることがなく、ダイヤルゲージによる場合の様な
反り面の変形に基づく計測誤差が生じない。また、距離
を測定するだけであるから、装置の取り扱いや設定等も
極めて簡単であり、解析も容易である。そして、Ｘ線遮
蔽に見られる様な安全対策や、極端な遠隔操作を要求さ
れたりしない。

また、本発明の残留応力測定装置においては、反り面を
有する薄板材を載置手段に載置し、相対位置変更手段に
て非接触式距離計測手段と載置手段との水平方向の相対
位置関係を変更しつつ、非接触式距離計測手段にて計測
された薄板材の反り面までの距離に基づいて、曲率半径
測定方法が反り面の曲率半径を演算する。そして、こう
して演算された曲率半径に基づいて、残留応力測定方法
が、例えば（１０）式に基づく逐次近似演算を実行する
ことで、所定深さでの薄板材の残留応力を演算する。な
お、演算に当たって１ｉ（１０）式に限らず、実験式や
経験茂　あるいは逐次近似が不要となる様に変形した近
似式等を用いてもよいことは勿論である。

この装置（よ相対位置を変更しつつ反り面の曲率半径を
求めるものであるから、薄板材の反り面までの距離を連
続的に計測するのに適しており、反り面の曲率半径を精
度よく求めることができる。

［実施例］ 次に、本発明を一層明らかにするために、本発明を適用
した好適な実施例について説明する。

実施例の残留応力測定装置］は、第１図に示す様に、薄
板材から切り出した試料３を載置するＸＹテーブル５と
、このＸＹテーブル５の上方に所定距離をおいて配設さ
れたレーザ変位計７と、このレーザ変位計７によりＸＹ
テーブル５上の試料３からの反射波として検出されたア
ナログ信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器９と
、このＡ／Ｄ変換器９からのデジタル信号を取り込んで
試料の反り面の曲率半径を演算するパーソナルコンピュ
ータ］１とを備えている。なお、パーソナルコンピュー
タ１１１１ＸＹテーブル５の駆動制御およびレーザ変位
計７のレーザ光出力制御も司っている。

次に、この残留応力測定装置１により薄板材の所定深さ
ａでの残留応力σを測定する手順を説明する。

まず、薄板材から切り呂した試料３の表層を深さａだけ
除去する。この除去には、従来のダイヤルゲージによる
場合と同様に、塩化第２鉄溶液を用いる。こうして表層
を除去した試料３を×Ｙ子テーブル上に、下に凸の状態
で載置する。

次に、パーソナルコンピュータ］］による×Ｙ子テーブ
ルの駆動制御と、レーザ変位計７のレーザ光出力制御を
開始する。具体的には、レーザ変位計７からのレーザ光
照射を開始すると共に、×ＹテーブルをまずＸ軸方向に
所定速度で移動開始するのである。この結果、レーザ光
の周波数の関係から、この移動方向に所定間隔でのレー
ザ反射波が検出さね　これがＡ／Ｄ変換器９を経てデジ
タル信号に変換されてパーソナルコンピュータ１］に取
り込まれる。パーソナルコンピュータ］］で（よ　この
取り込んだデジタル信号に基づいて、反り面の各計測点
までの変位を演算する。

このとき、計測はＸ方向−直線に沿って実施し、１００
程度の計測点での変位が算出される。そして、この算量
結果からノイズ等の影響を除去するため、異常な値をカ
ットして試料３の反り二を算出し、これからＸ方向曲率
半径ρヶを求める。

同様に、ＸＹテーブル５３Ｙ方向に移動させつつ変位計
測を行ない、Ｙ方向曲率半径ρ、を演算する。

これらを、除去深さａを段階的に変えつつ板厚中央まで
複数回実施する。

そして、これら曲率半径ρ８．ρ、に基づいて、（１０
）式による逐次近似を実施して各深ざａでの×方向残留
応力σ　、Ｙ方向残留応力σ、を演算する。

実際に、長尺のＦｅ−４２Ｎｉ製リードフレーム材から
長さ＝１５０鳴　幅＝３０〜７０ｍ　板厚＝０．１〜０
．　３ｒｍ＋の試料を切り出し、塩化第２鉄にて深さ０
．○２５ｒｒｒｎの表層除去を行ない、×Ｙ子テーブル
の移動速度を調整することで、長さ方向（Ｙ方向）につ
いて各１００点の変位を計測した結果からパーソナルコ
ンピュータ１］にて演算した反り量と表層除去厚さとの
関係を、第２図に示す様に、３次式で近似した こうして求めた反り量と表層からの深さとの関係から、
逐次近似演算によって最終的に求めた深さ方向の残留応
力分布の一例を第３図に示す。

以上の様に、実施例によれば、レーザ変位計７を用いて
非接触で試料３の反り面の変位分布を求めているから、
ダイヤルゲージを用いた従来の手法における様な反り面
への外力が加わらず、正確な反り面の曲率半径を求める
ことができ、残留応力を精度よく演算することができる
。また、非接触であるから、変位計測中に試料３の載置
位置もずれたりしないから、位置ずれ防止のための試料
固定等の面倒な取り扱いを必要としない。

しかも、レーザ光ｆｉ　　Ｘ線の様な人体への蓄積の問
題がないから安全であり、Ｘ線遮蔽に見られる様な安全
確保のための要件も極めて少ないものとなっている。

また、ＸＹ子テーブルをパーソナルコンピュータ］］に
より駆動制御しているから、レーザ変位計による計測ラ
インが精度よく一直線となり、この点ても正確な曲率半
径を求める上で有利となっている。

さらに、ＸＹ子テーブルをコンピュータ制御で駆動する
こともそうであるが、レーザ変位計７という試料３に対
して外力を加えずに反り面の変位分布を計測し得る手段
を採用したことにより、最初に試料３を適切な位置に載
置しさえすれば、後の処理は自動化することができる。

この様］ミ　本実施例によれば、従来の方法における不
都合をなくし、薄板材の残留応力を精度よく測定するこ
とができると共に、測定の自動化に適し、しかも装置構
成が簡単で高価とならず、高度の専門知識を要求されず
、簡単にしかも安全に残留応力を測定することができる
。

なお、本発明はこれら実施例に限定されるものではなく
、その要旨を逸脱しない範囲内で種々なる態様にて実現
することができることはいうまでもない。

例えば、レーザ変位計以外にも、渦電流変位計や超音波
変位計等を用いても、全く同様に構成でき、同様の優れ
た作用・効果を奏する。これは、これら三者に限るとい
う意味ではなく、目的物と非接触で変位（距離）を測定
できるものであれば何でもよいということである。

また、実施例では×Ｙテーブルを移動させたが、変位計
側を移動させる構成であっても構わない。

加えて、試料は上に凸に載置しても構わない。

［発明の効果］ 本発明の方法および装置によれば、薄板材の残留応力を
精度よく測定することができると共に、測定の自動化に
適し、しかも装置構成が簡単で高価とならず、解析に高
度の専門知識を要求されず、簡単にしかも安全に誤差の
ない残留応力を測定することができる。

そして、従来のダイヤルゲージによる測定方法・装置に
比較して、試料のずれ防止等も簡単であり、変位の計測
時間が短くてよい上に、多数の点について測定でき、準
備作業を含めた測定作業全体の工数を節減することがで
きる。

【図面の簡単な説明】 第１図は実施例の残留応力測定装置の構成を示すブロッ
ク諷第２図は反り量と表層除去厚さとの関係を示す計測
例のグラフ、第３図は最終的に求められた残留応力分布
の様子を例示する説明図、第４図は反り面の曲率半径か
ら残留応力を求める物理的根拠を説明する際に用いた説
明図である。 １・・・残留応力測定装置　　３−・・試料５・・・Ｘ
Ｙテーブル　　　　７・・・レーザ変位計９・・・Ａ／
Ｄ変換器 ］］・・・パーソナルコンピュータ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １　薄板材の表面を溶解剤等を用いて所定深さまで除去
   したときに、残留応力に基づいて前記薄板材に生じる反
   り面の曲率半径から前記所定深さでの薄板材の残留応力
   を測定する薄板材の残留応力測定方法において、 レーザや渦電流や超音波等を用いて非接触状態で目標物
   までの距離を計測する装置によって、該装置から薄板材
   の反り面までの距離を計測し、該計測結果から前記反り
   面の曲率半径を求めることを特徴とする薄板材の残留応
   力測定方法。 ２　薄板材の表面を溶解剤等を用いて所定深さまで除去
   したときに、残留応力に基づいて前記薄板材に生じる反
   り面の曲率半径から前記所定深さでの薄板材の残留応力
   を測定する薄板材の残留応力測定装置であって、 薄板材を載置する載置手段と、 該載置手段の上方に配設されたレーザや渦電流や超音波
   等を用いて非接触状態で目標物までの距離を計測する非
   接触式距離計測手段と、 該非接触式距離計測手段と前記載置手段との水平方向の
   相対位置関係を変更する相対位置変更手段と、 該相対位置変更手段により前記非接触式距離計測手段と
   前記載置手段との水平方向の相対位置関係を変更しつつ
   前記非接触式距離計測手段にて計測された薄板材の反り
   面までの距離に基づいて、該反り面の曲率半径を演算す
   る曲率半径演算手段と、 該演算された曲率半径に基づいて前記所定深さでの薄板
   材の残留応力を演算する残留応力演算手段とを備えるこ
   とを特徴とする薄板材の残留応力測定装置。