WO2015072391A1 - 残留応力測定方法 - Google Patents

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WO2015072391A1
WO2015072391A1 PCT/JP2014/079458 JP2014079458W WO2015072391A1 WO 2015072391 A1 WO2015072391 A1 WO 2015072391A1 JP 2014079458 W JP2014079458 W JP 2014079458W WO 2015072391 A1 WO2015072391 A1 WO 2015072391A1
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residual stress
measurement
measuring
cutting
strain
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PCT/JP2014/079458
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真理子 山田
圭介 沖田
村上　賢治
正寛 宮川
Original Assignee
株式会社神戸製鋼所
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    • G01L1/20—Measuring force or stress, in general by measuring variations in ohmic resistance of solid materials or of electrically-conductive fluids; by making use of electrokinetic cells, i.e. liquid-containing cells wherein an electrical potential is produced or varied upon the application of stress
    • G01L1/22—Measuring force or stress, in general by measuring variations in ohmic resistance of solid materials or of electrically-conductive fluids; by making use of electrokinetic cells, i.e. liquid-containing cells wherein an electrical potential is produced or varied upon the application of stress using resistance strain gauges
    • G—PHYSICS
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    • G01L5/00—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes
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    • G01M5/00—Investigating the elasticity of structures, e.g. deflection of bridges or air-craft wings
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    • G01M5/0058—Investigating the elasticity of structures, e.g. deflection of bridges or air-craft wings by determining deflection or stress by means of external apparatus, e.g. test benches or portable test systems of elongated objects, e.g. pipes, masts, towers or railways

Definitions

  • the present invention relates to a method for measuring residual stress.
  • the inherent strain method measures the release strain (elastic strain) caused by the release of residual stress and derives the distribution of the inherent strain from the measured release strain by inverse analysis using the finite element method. And further calculating the distribution of residual stress by forward analysis using a finite element method.
  • a measurement piece (T piece) obtained by cutting the structure in the axial direction and measurement obtained by cutting the structure in a direction perpendicular to the cutting direction of the T piece A TL method using a piece (L piece) is known.
  • the release strain is measured for each of the T piece and the L piece
  • the intrinsic strain is derived from the release strain using a finite element method in a model on cylindrical coordinates
  • the residual stress Has been proposed see Japanese Patent Application Laid-Open No. 2005-181172, “Measurement of Welding Residual Stress by Inherent Strain Method”, etc.).
  • the inherent strain method does not necessarily require direct measurement of the release strain of the part to be measured because of its principle.
  • the measurement of the release strain involves an error
  • measuring the release strain at a position where the residual stress is higher in the initial state makes it possible to improve the prediction accuracy of the residual stress. Therefore, it is desirable to set more measurement points in the portion where the gradient of the residual stress is steep.
  • a columnar shaft portion and a plate-like portion (flange) projecting radially outward from the outer peripheral surface of the shaft portion are provided, and stress concentration is performed at a portion connecting the shaft portion and the plate-like portion.
  • a surface treatment technique may be applied to increase the strength of the fillet surface that is the weakest part.
  • residual stress is intensively distributed in the vicinity of the fillet surface to which the surface treatment technique is applied.
  • the entire fillet surface is included in one L piece, so that the local residual stress distribution near the fillet surface is analyzed with sufficient accuracy. The disadvantage of not being able to do so can occur.
  • This method includes a columnar shaft portion and a plate-like portion protruding outward in the radial direction over the entire circumference from the outer peripheral surface of the shaft portion, and connecting the shaft portion and the plate-like portion.
  • a method of measuring a residual stress of a target object provided with a fillet surface comprising repeatedly performing a measurement cycle, wherein the measurement cycle is performed by cutting the target object and being concentric with the central axis of the shaft portion. Forming a new cutting surface which is a conical surface or a cylindrical surface, wherein an extension surface of the conical surface or the cylindrical surface passes through a reference position which is not changed in the repeated measurement cycle; Measuring the residual stress at a plurality of locations.
  • FIG. 1 It is sectional drawing which shows the 3rd example of the reference position determined in the reference position determination process shown by FIG. It is a perspective view which shows the example of the target object to which a strain gauge is stuck in the strain gauge sticking process shown by FIG. It is a perspective view which shows the example of the target object in which an adjacent groove
  • FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of a shaft-like member showing a measurement direction of release strain in the sequential cutting release strain measurement step and the measurement piece cutout and release strain measurement step of FIG. 1. It is a figure which shows distribution of the residual stress measured in the Example of the residual stress measuring method of FIG.
  • FIG. 1 is a flowchart showing a residual stress measurement method for measuring the residual stress of a shaft-shaped member.
  • FIG. 1 shows the case where the residual stress of the shaft-shaped member 1 of FIG.
  • the residual stress measurement method includes steps S01, S02, S03, S04 and S05 shown in FIG.
  • Step S01 is a target object collecting step of collecting a plurality of target objects (test pieces) used for actual measurement from the shaft-shaped member 1.
  • Step S02 is a sequential cutting release strain measurement step of measuring the release strain by sequential cutting using a part of the objects.
  • Step S03 is a measurement piece cut-out and release strain measurement step in which a measurement piece is cut out from the remaining object and the release strain is measured.
  • Step S04 is an inherent strain derivation step for deriving the inherent strain distribution from the released strain distribution measured in step S03 by finite element method inverse analysis.
  • step S05 is a residual stress calculation step of calculating the residual stress distribution by the finite element method forward analysis from the inherent strain distribution.
  • the shaft-shaped member 1 of FIG. 2 includes a columnar shaft 2 and a plate-like portion 3 that protrudes outward in the radial direction from the outer peripheral surface of the shaft 2 over the entire circumference.
  • the shaft 2 and the plate A fillet surface 5 is provided at a connection portion with the shape portion 3.
  • the plate-like portions 3 are provided at four positions arranged at equal intervals in the axial direction of the shaft 2, and each plate-like portion 3 is a disk. Shape.
  • each object 4 includes a columnar shaft portion 2a obtained by dividing the shaft 2 and the plate-like body 3, and the plate-like body 3 is an intermediate portion in the axial direction of the shaft portion 2a. At the position, it protrudes outward in the radial direction from the outer peripheral surface of the shaft portion 2a over the entire circumference.
  • the fillet surface 5 is located at a connection portion between the shaft portion 2 a and the plate-like portion 3.
  • first object 4 a two objects to be used for the sequential cutting release strain measurement in step S 02, which will be described in detail later, are referred to as a first object 4 a and will be described in detail later.
  • second target object 4b One target object used for the measurement piece cutout and the release strain measurement in step S03 to be described is referred to as a second target object 4b.
  • the release strain measurement process by sequential cutting which is step S02 of FIG. 1 includes obtaining a release strain by repeating a specific measurement cycle a plurality of times.
  • the measurement cycle includes a first step of sequentially forming the cutting surface 6 shown in FIG. 3 and a second step of cutting out a small piece from each cutting surface 6 and measuring the released strain with a strain gauge.
  • the first object 4a is repeatedly cut along with the repetition of the measurement cycle, whereby the cutting surface 6 is formed a plurality of times, and each cutting surface 6 is formed on the shaft portion 2a. It is a conical surface or a cylindrical surface that is concentric with the central axis C and has a different inclination angle with respect to the central axis C by a certain angle.
  • FIG. 4 shows a detailed flow of the sequential cutting release strain measurement process in step S02 of FIG.
  • This sequential cutting release strain measurement step includes setting a reference position (step S11), determining a cutting angle and the total number of measurement cycles (step S12), and repeating the above measurement cycle by the total number (steps S13 to S19). ,including.
  • a reference position Ps is determined in the vicinity of the fillet surface 5 outside the first object 4a.
  • the fillet surface 5 is formed of an arc having a single radius R1 in the central longitudinal section (plane passing through the central axis C) of the first object 4a as shown in FIG. It is preferable to be determined at the center position of the arc.
  • the fillet surface 5 is composed of a plurality of arcs having different radii (R1, R2) as shown in FIG. 5B
  • the reference is based on the center of the arc having the largest radius (R1) particularly in the range where the residual stress is to be accurately known.
  • the position Ps is preferably determined. Further, as shown in FIG. 5C, the reference position Ps may be determined at the center of an arc having the longest length (an arc having a radius R1 smaller than the radius R3), particularly within a range where the residual stress is to be accurately known.
  • step S12 of FIG. 4 the angle between the cutting surfaces 6 adjacent to each other among the plurality of cutting surfaces 6 shown in FIG. 3 and the total number (number of cuttings) of the measurement cycle are determined. .
  • the angle between the cutting surfaces 6 adjacent to each other is determined such that the distance between the fillet surface 5 and the intersection of each cutting surface 6 is greater than the depth of the adjacent groove in step S16 described later.
  • the total number of measurement cycles is determined by the range in which residual stress is to be confirmed and the angle between the cutting surfaces 6.
  • the interval of the angle of the cutting surface 6 that can be obtained can be substantially reduced.
  • the angle between the cutting surfaces 6 shown in FIG. 3 is 20 °
  • the use of two first objects 4a makes it possible to obtain a measurement of the release strain at 10 ° intervals.
  • Step S13 to Step S19 are repeated as many times as the total number of measurement cycles determined as described above. That is, the measurement cycle is repeated the number of times.
  • step S14 a new cutting surface 6 composed of a conical surface (or a cylindrical surface) is formed by cutting the first object 4a.
  • step S15 as shown in FIG. 6, a plurality of first strain gauges 7 are adhered to the newly formed cutting surface 6.
  • first strain gauges 7 are respectively affixed to a plurality of locations arranged along the ridgeline direction (the direction of a straight line included in the conical surface) of the cutting surface 6 (conical surface or cylindrical surface).
  • the first strain gauges 7 are attached at a small interval (for example, an interval of 6 mm) in a region close to the fillet surface 5 and at a large interval as the distance from the fillet surface 5 increases. Since the residual stress and the inherent strain existing in the first object 4a, which is a rotating body, are equivalent in the circumferential direction, the first strain gauge 7 is divided into a plurality of rows arranged in the circumferential direction as shown in FIG. By attaching the first strain gauge 7 so that the position of the first strain gauge 7 is shifted in the ridge line direction, the interval between the measurement points in the ridge line direction can be substantially reduced.
  • each first strain gauge 7 is capable of detecting strains in two orthogonal directions, and also has a ridgeline direction D1 of the cutting surface 6 and a tangential direction (circumferential direction) D2 orthogonal to the ridgeline direction. It is preferable to orient the first strain gauge 7 so that can be detected.
  • the biaxial first strain gauges 7 that can be arranged in such a manner, for example, those having a base diameter of 4.5 mm, a gauge length of 1 mm, and a gauge width of 0.7 mm are available.
  • adjacent grooves 8 are formed along the rows of the first strain gauges 7 arranged in the ridge line direction.
  • the adjacent groove 8 can be formed by an end mill 9, for example, as shown in FIG.
  • the adjacent groove 8 may be formed so as to surround each first strain gauge 7.
  • step S17 the strip-shaped surface layer portion including the row of the first strain gauges 7 is separated from the cutting surface 6.
  • This separation is performed by inserting a tool, such as a T-slot cutter 10 as shown in FIG.
  • the T-slot cutter 10 is driven to rotate about a predetermined rotation axis, thereby performing cutting that cuts a workpiece in a side direction, that is, a rotation radial direction orthogonal to the rotation axis.
  • one of the adjacent grooves 8 on both sides of the first strain gauge 7 has a direction in which the T slot cutter 10 is perpendicular to the adjacent groove 8, that is, a direction parallel to the rotation axis thereof. And has a wide width that allows insertion.
  • the strip-shaped surface layer portion including the row of the first strain gauges 7 can be separated from the cutting surface 6.
  • a plurality of small pieces 11 each including the first strain gauge 7 can be cut out as shown in FIG.
  • Each piece 11 has a thickness of about 2.3 mm, excluding the first strain gauge 7, for example. Release stress is generated in the small piece 11 by releasing the residual stress from the small piece 11 cut out in this way. This release strain is measured by the first strain gauge 7 in step S18.
  • step S19 if the measurement cycle is repeated as many times as the number determined in step S12, this sequential cutting release strain measurement process ends. If the number of repetitions of the measurement cycle is less than the determined number, steps S14 to S18 are repeated.
  • FIG. 11 shows a detailed flow of the process of step S03 of FIG. 1, that is, a measurement piece cutting-out and release strain measurement process in which a measurement piece is cut out to measure a release strain.
  • the internal measurement piece 12 and the surface measurement piece 13 are cut out by cutting the second object 4b.
  • the internal measurement piece 12 is used for measurement of the release strain inside the second object 4b using a plurality of second strain gauges 7a as shown in FIG. 13, and the surface measurement piece 13 is a fillet as shown in FIG. It is used for the measurement of the release strain of the surface of the fillet surface 5 performed by sticking the third strain gauge 7b to the surface 5.
  • step S21 a plurality of third strain gauges 7b are respectively provided at a plurality of locations on the fillet surface 5 of the second object 4b. Affixed. Each sticking location is set such that the center of each third strain gauge 7b is positioned on a plane passing through the central axis C of the shaft portion 2a.
  • Each third strain gauge 7b is oriented so as to be able to detect the strain in the direction of the intersection line between the surface of the second object 4b and the plane passing through the central axis C and the direction orthogonal to the intersection line (circumferential direction D2). It is preferable.
  • step S22 as shown in FIG. 12, the plurality of internal measurement pieces 12 and the plurality of surface measurement pieces 13 are cut out by cutting the second object 4b along a plane with a saw.
  • each internal measurement piece 12 is defined by two planes (central longitudinal section) that intersect at an angle of 5 ° on the central axis C, and the surface measurement piece 13 is 10 ° on the central axis C. It is defined by two planes (central longitudinal section) that meet at an angle.
  • two surface measurement pieces 13 adjacent to each other are cut out, and one internal measurement piece 12 is cut out from both sides of the two surface measurement pieces 13.
  • step S23 X-ray residual stress measurement is performed using the internal measurement piece 12 cut out in this way.
  • polar coordinates are set, and measurement points are determined based on the polar coordinates.
  • the polar coordinate is set so as to correspond to the ridgeline of the conical surface or the cylindrical surface constituting the cutting surface 6 of the first object 4a in the above-described sequential cutting release strain measuring step in the central longitudinal section of the internal measurement piece 12.
  • the interval between the measurement points may be smaller than the interval between the first strain gauges 7 (for example, 0.5 mm).
  • step S24 the residual stress is converted into a value equivalent to the release strain so that the residual stress measured in step S23 can be used in combination with other measured values.
  • step S25 the plurality of second strain gauges 7a are aligned and adhered to the internal measurement piece 12.
  • These second strain gauges 7a are respectively arranged at a plurality of positions arranged on a straight line corresponding to the ridgeline of the conical surface or the cylindrical surface constituting the cutting surface 6 of the first object 4a in the above-described sequential cutting release strain measuring step.
  • the Furthermore, the second strain gauge 7a is preferably at the same interval as the first strain gauge 7 on the cutting surface 6 of the first object 4a, that is, at a position that matches the measurement position of the release strain in the sequential cutting release strain measurement. Affixed.
  • these second strain gauges 7a include a conical surface constituting the cutting surface 6 of the first object 4a or a direction D1 corresponding to a ridge line of the cylindrical surface and a conical surface constituting the cutting surface 6 of the first object 4a. Or it is oriented so as to detect strain in the normal direction D3 of the cylindrical surface.
  • step S26 the internal measurement piece 12 and the surface measurement piece 13 are further cut to release the residual stresses in the portions including the second strain gauge 7a and the third strain gauge 7b.
  • the release strain is measured by the strain gauge 7a and the third strain gauge 7b, respectively.
  • step S23 The residual stress measurement using X-rays in step S23 is theoretically highly accurate and can reduce the measurement interval, but the measurement conditions such as the surface roughness are greatly affected, so that the measurement is performed with high accuracy. Takes a lot of work.
  • the measurement of the released strain inside the second object 4b using the second strain gauge 7a from step S25 to step S27 is relatively easy although the measurement interval is limited depending on the size of the second strain gauge 7a. It can be carried out.
  • step S27 the measured value of the residual stress measured using X-rays is converted into the release strain in step S24, and the release strain measured using the second strain gauge 7a in steps S25 to S27.
  • the component in the D1 direction that is the ridge line direction of the cutting surface 6 and the D1 direction A component in the D2 direction that is perpendicular to the coordinate plane (peripheral direction of the first object 4a and the second object 4b) and a component in the D3 direction that is orthogonal to the D1 direction and the D2 direction in the internal measurement piece 12 And are measured.
  • the accuracy of deriving the inherent strain is improved and the calculation is easy.
  • the inherent strain distribution is derived by inverse analysis using the finite element method based on the released strain data obtained in step S03.
  • the elastic response matrix [H] represents the sensitivity of the inherent strain component to the measured release strain measurement condition (measurement shape). That is, the component of the matrix [H] depends on the measurement shape, and is calculated by iterative calculation for obtaining an elastic response when unit strain is given to each intrinsic strain component.
  • the most probable value of the inherent distortion component is uniquely given from the condition that minimizes the residual sum of squares (least square method).
  • a technique for displaying the inherent distortion distributed in an object as a function is applied. Instead of directly calculating the inherent strain, the inherent strain distribution is obtained by calculating the coefficient value of the set function. In this case, the coefficients of the distribution function are calculated as unknowns in place of the inherent distortion components and the most probable values in the equations (1) and (2). By using such a function display, the number of unknowns can be greatly reduced.
  • the residual stress distribution is calculated by forward analysis of the finite element method based on the inherent strain distribution derived in step S04.
  • the elastic response matrix representing the relationship between intrinsic strain and residual stress is derived by finite element analysis.
  • a cutting surface 6 made of a conical surface or a cylindrical surface passing through the reference position Ps is sequentially formed on the first object 4a, and a small piece 11 is cut out from the cutting surface.
  • the internal measurement piece 12 cut out from the second target body 4b by cutting the second target body 4b equivalent to the first target body 4a in two central longitudinal sections is used. Measuring the release strain in the two directions D1 and D2 measured by the first object 4a and the release strain in the direction D3 orthogonal to the directions D1 and D2 at the measurement point corresponding to the measurement point set for the one object 4a. Is done. Thereby, since all the orthogonal three-dimensional components are obtained as the data of the release strain at each measurement point, it is possible to measure the accurate intrinsic strain and consequently the residual stress. Moreover, since the release strain in the direction D2 and the direction orthogonal to the direction D2 is also measured on the surface of the second object 4b, the measurement accuracy of the residual stress is increased.
  • the subject of the residual stress measurement method is to form a cutting surface made of a conical surface or a cylindrical surface that is concentric with the shaft portion of the object and passes through a reference position, and analyzes the distortion of the cutting surface. Therefore, this other process may be omitted or replaced with another process.
  • measurement using the internal measurement piece 12 and the surface measurement piece 13 is not an essential process.
  • the non-destructive measurement of the strain of each cutting surface may be performed by the X-ray diffraction method, the neutron diffraction method, the acoustoelastic method or the like.
  • the tool for cutting out the small piece 11 from the cutting surface 6 may be any tool that can cut so as to cut a workpiece in a rotation radial direction perpendicular to the rotation axis,
  • a tool such as a V-groove cutter may be used instead of the T-slot cutter 10.
  • the first target body 4a and the second target body 4b are not limited to those cut out from the same shaft-shaped member 1, but are cut out from different shaft-shaped members 1. Also good.
  • the number of the first target body 4a and the second target body 4b may be arbitrarily increased, and the angle difference of the cutting surface 6 may be set to a smaller angle.
  • the reference position Ps is not limited to the center of the arc of the fillet surface 5, and the interval between measurement points (interval between cutting surfaces to be sequentially formed) at a portion where the residual stress is desired to be determined in detail. Any position that can be reduced is acceptable.
  • FIG. 15 illustrates the distribution of the residual stress measured by the residual stress measurement method in the central longitudinal section based on the above-described embodiment.
  • the first object and the second object used for this measurement have a shaft part with a diameter of 280 mm and a plate-like part with a thickness of 80 mm and a diameter of 500 mm, and a fillet between the shaft part and the plate-like part.
  • a surface is provided and the main part of the fillet surface has a radius of 22 mm.
  • the residual stress measurement method is applied using the shaft part of the crankshaft as the shaft part, and the web with the arm and the counterweight integrated as a plate-like part, as well as the pin as the shaft part and the arm as the plate-like part.
  • a stress measurement method can also be applied.
  • the residual stress measurement method can be used for analysis of various structures other than the crankshaft.
  • the shaft portion and the plate-like portion including the columnar shaft portion and the plate-like portion protruding outward in the radial direction from the outer peripheral surface of the shaft portion.
  • a residual stress measurement method capable of accurately measuring the distribution of residual stress in the vicinity of the fillet surface of an object provided with a fillet surface at a portion connecting the two.
  • This method has a columnar shaft portion and a plate-like portion that protrudes outward in the radial direction over the entire circumference from the outer peripheral surface of the shaft portion, and has a connection portion between the shaft portion and the plate-like portion.
  • a method for measuring a residual stress of an object provided with a fillet surface comprising repeatedly performing a measurement cycle, wherein the measurement cycle is a cone concentric with a central axis of the shaft portion by cutting the object. Forming a new cutting surface that is a surface or a cylindrical surface, wherein the conical surface or the extended surface of the cylindrical surface passes through a reference position that is not changed in the repeated measurement cycle, and a plurality of the cutting surfaces on the cutting surface. Measuring the residual stress at the location.
  • the residual stress measurement method it is possible to repeatedly form a cutting surface that is a conical surface or a cylindrical surface that passes through the reference position, characterized in that the measurement points in the vicinity of the reference position are densely set. In addition, it is possible to obtain a large amount of measurement data by reducing the interval between the measurement points of the residual stress. As a result, the residual stress measurement method makes it possible to accurately measure the distribution of residual stress in the vicinity of the fillet surface.
  • the reference position is preferably the center position of an arc having the largest diameter among the arcs included in the fillet surface in the central longitudinal section of the object. Since this center position is the origin of the polar coordinates (local coordinates) for representing the position of the measurement point of the release strain in the central longitudinal section, the center of the most dominant arc of the fillet surface is used as the reference position as described above. This makes it possible to place many measurement points in the vicinity of the fillet surface. Thereby, the measurement accuracy of the inherent strain and consequently the residual stress is increased.
  • the residual stress is measured at each of a plurality of locations arranged in the ridge line direction of the conical surface or the cylindrical surface. Setting a plurality of measurement points arranged in the ridge line direction in this way makes it possible to efficiently measure the distribution of the inherent strain of the object over substantially the entire cylindrical surface or circumferential surface. Further, the positions of a plurality of measurement points arranged in the ridge line direction may be divided in a zigzag pattern in the circumferential direction.
  • the object when the object is not axial, by dispersing the plurality of measurement positions arranged in the direction of the ridge line of the conical surface or the cylindrical surface in the circumferential direction, the inherent strain of the object on the entire cylindrical surface or the circumferential surface is reduced. Distribution can be measured.
  • the residual stress component in the ridge line direction of the conical surface or the cylindrical surface and the tangential direction perpendicular to the ridge line may be measured.
  • the radial direction of the polar coordinates (the direction of the measurement point viewed from the origin) related to the arrangement of the measurement points on the central vertical section matches the measurement direction by the strain gauge, which facilitates analysis.
  • the step of measuring the residual stress on the cutting surface includes a step of attaching a strain gauge to the cutting surface, a step of cutting out a small piece including the strain gauge from the cutting surface, And measuring the release strain of the small piece using the strain gauge.
  • the measurement of the release strain makes it possible to accurately measure the residual stress.
  • the step of cutting out the small piece includes a step of forming a groove adjacent to the strain gauge, and a rotational radial direction orthogonal to the rotational axis by being driven to rotate about a predetermined rotational axis.
  • a step of separating a surface layer of the cutting surface by inserting a tool for cutting so as to cut a workpiece into the groove and cutting a lower portion of the cutting surface with the tool to cut the workpiece.
  • the cutting groove formed on the surface of the cutting surface can be shallowed. This makes it possible to reduce the angular difference between the formed cutting surface and the next cutting surface, thereby increasing the measurement accuracy of the inherent strain and consequently the residual stress by setting the measurement points densely. enable.
  • the residual stress measurement method further includes a step of measuring a residual stress of the second target object equivalent to the target object, and the step of measuring the residual stress of the second target object includes the step of measuring the second target object.
  • the residual stress component in the direction corresponding to the ridge line and normal line of the conical surface or cylindrical surface may be measured.
  • the calculation is facilitated by setting one of the measurement directions of the residual stress in the measurement piece of the second object as the radial direction of the polar coordinate related to the arrangement of the measurement points. Further, by setting the other of the measurement directions of the residual stress in the measurement piece of the second object as a direction corresponding to the normal line of the cutting surface of the object, the residual stress component in a direction that cannot be measured on the cutting surface of the object Can be measured. For this reason, the residual stress measurement method can measure the residual stress more accurately.
  • a plurality of steps of measuring residual stress at a plurality of locations on the cut surface of the measurement piece may be performed on a straight line corresponding to the ridgeline of the conical surface or the cylindrical surface on the cut surface of the measurement piece.
  • Arranging the second strain gauges side by side, and further measuring the release strain using each of the second strain gauges by further cutting the measurement piece to release the residual stress of the measurement piece It is good to include.
  • the residual stress can be measured more accurately by measuring the release strain also in the second object.
  • the residual stress measurement method may further include a step of measuring residual stresses at a plurality of locations on the surface of the second object. Measuring the residual stress on the outer surface of the second object in this way enables further improvement in the measurement accuracy of the residual stress.
  • the direction of the line of intersection between the surface of the second object and the plane passing through the central axis and the direction perpendicular to the line of intersection The residual stress component should be measured.
  • the analysis becomes easy.
  • the step of measuring the residual stress at a plurality of locations on the surface of the second object may include a step of attaching a third strain gauge to the surface of the second object.
  • the shaft portion of the target body and the shaft portion of the second target body may be formed integrally.

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Abstract

　円柱状の軸部とこの軸部の外周面よりも径方向の外向きに突出する板状部とを有する対象体においてその軸部と板状部とを接続するフィレット面の近傍の残留応力の分布を精度よく測定できる方法を提供する。この方法は、測定サイクルを繰り返すことを含み、当該測定サイクルは、上記対象体を切削して新たな切削面を形成する工程と、上記切削面上の複数箇所の残留応力を測定する工程と、を含む。上記切削面は、上記軸部の中心軸と同心の円錐面又は円筒面であり、上記円錐面又は円筒面の延長面が、繰り返される上記測定サイクルで不変の基準位置を通る。上記基準位置は、上記対象体の中央縦断面で最大の径を有する上記フィレット面の円弧の中心位置であるのが好ましい。

Description

残留応力測定方法
　本発明は、残留応力測定方法に関する。
　構造物の内部の残留応力を正確に測定することが望まれる。なぜならば、当該残留応力は、当該構造物の強度や寿命に影響を及ぼすからである。残留応力の発生源となっている熱歪、塑性歪等の歪は、固有歪と呼ばれ、この固有歪から残留応力を算出する固有歪法が提唱されている。固有歪法は、残留応力が解放されることにより生じる解放歪（弾性歪）を測定することと、有限要素法を用いた逆解析により、計測した解放歪から固有歪の分布を導出することと、さらには有限要素法を用いた順解析により残留応力の分布を算出することと、を含む。
　例えば、軸状部材の残留応力を上記固有歪法に基づき測定する方法として、構造物を軸方向に切断した測定片（Ｔ片）と、このＴ片の切断方向と直交する方向に切断した測定片（Ｌ片）とを用いたＴ－Ｌ法が知られている。具体的には、上記Ｔ片と上記Ｌ片のそれぞれについて解放歪を測定することと、円筒座標上のモデルにおいて有限要素法を用いて上記解放歪から固有歪を導出することと、さらに残留応力を算出することと、を含む方法が提唱されている（特開２００５－１８１１７２号公報、「固有歪法による溶接残留応力の測定」等参照）。
　固有歪法は、その原理上、必ずしも測定したい部位の解放歪を直接測定することを要しない。しかし、解放歪の測定は誤差を伴うため、初期状態において残留応力がより高い位置での解放歪を測定することが残留応力の予測精度を高めることを可能にする。したがって、残留応力の勾配が急峻な部分にはより多くの測定点を設定することが望ましい。しかし、対象体を切断する間隔を狭めるには物理的な限界があり、従来のＴＬ法を適用すると残留応力の勾配が急峻な部分が一つの切断片に含まれてしまう場合がある。このため、構造物の形状によっては残留応力の算出精度が不十分となることがある。
　特に、円柱状の軸部と、この軸部の外周面よりも径方向の外向きに突出する板状部（フランジ）と、を備え、軸部と板状部とを接続する部分に応力集中を緩和するためのフィレット面が設けられた構造物の残留応力を測定する場合に、上記不都合が顕著となるおそれがある。具体的に、このような構造物では、上記フィレット面が最弱部位となる可能性が高く、最弱部位であるフィレット面を高強度化するために表面処理技術が適用される場合がある。このように表面処理技術が適用されたフィレット面の近傍には集中的に残留応力が分布する。しかしながら、従来のＴ－Ｌ法による円筒座標モデルを用いた解析では、フィレット面全体が１つのＬ片に含まれてしまうことにより、フィレット面近傍の局所的な残留応力分布を十分な精度で解析できないという不都合が生じ得る。
特開２００５－１８１１７２号公報
中長啓治、他５名「固有歪法による溶接残留応力の測定」、溶接学会論文集、平成２１年３月、第２７巻、第１号、Ｐ．１０４－１１３
　本発明は、円柱状の軸部とこの軸部から径方向に突出する板状部とを有して当該軸部と当該板状部とを接続する部分にフィレット面が設けられる対象体の当該フィレット面近傍における残留応力の分布を精度よく測定できる残留応力測定方法を提供することを目的とする。
　この方法は、円柱状の軸部とこの軸部の外周面よりも全周にわたって径方向の外向きに突出する板状部とを有して上記軸部と上記板状部とを接続する部分にフィレット面が設けられた対象体の残留応力を測定する方法であって、測定サイクルを繰り返し行うことを含み、この測定サイクルは、上記対象体を切削して上記軸部の中心軸と同心の円錐面又は円筒面である新たな切削面を形成する工程であって、上記円錐面又は円筒面の延長面が、繰り返される上記測定サイクルで不変の基準位置を通るものと、上記切削面上の複数箇所の残留応力を測定する工程と、を含む。
本発明の一実施形態の残留応力測定方法の流れを示す流れ図である。 図１の残留応力測定方法により残留応力が測定される軸状部材を示す断面図である。 上記軸状部材から切り出される対象体の断面図であって図１に示される逐次切削解放歪測定工程において順次形成される切削面を示す図である。 図１に示される逐次切削解放歪測定工程の詳細な流れを示す流れ図である。 図４に示される基準位置決定工程において決定される基準位置の第１の例を示す断面図である。 図４に示される基準位置決定工程において決定される基準位置の第２の例を示す断面図である。 図４に示される基準位置決定工程において決定される基準位置の第３の例を示す断面図である。 図４に示される歪ゲージ貼着工程において歪ゲージが貼着される対象体の例を示す斜視図である。 図４の隣接溝形成工程において隣接溝が形成される対象体の例を示す斜視図である。 図４に示される隣接溝形成工程における隣接溝の形成の例を示す、対象体の断面図である。 図４に示される表層分離工程の例を示す、対象体の断面図である。 図４の層分離工程により切り出された小片の例を示す平面図である。 図１に示される測定片切り出し及び解放歪測定工程の詳細な流れを示す流れ図である。 図１１の表面測定片及び内部測定片切り出し工程における対象体の切断方法を示す一部断面斜視図である。 測定片において歪ゲージが貼着される位置を示す部分拡大平面図である。 図１の逐次切削解放歪測定工程及び測定片切り出し及び解放歪測定工程における解放歪の測定方向を示す、軸状部材の模式的断面図である。 図１の残留応力測定方法の実施例において測定された残留応力の分布を示す図である。
　以下、適宜図面を参照しつつ、本発明の実施の形態を詳説する。 
［残留応力測定方法］
　図１は、軸状部材の残留応力を測定する残留応力測定方法を示す流れ図である。以下、当該残留応力測定方法について、図２の軸状部材１の残留応力を測定する場合について説明する。
　当該残留応力測定方法は、図１に示されるステップＳ０１，Ｓ０２，Ｓ０３，Ｓ０４及びＳ０５を含む。ステップＳ０１は、上記軸状部材１から実際の測定に使用する複数の対象体（試験片）を採取する対象体採取工程である。ステップＳ０２は、一部の対象体を用いて逐次切削による解放歪の測定を行う逐次切削解放歪測定工程である。ステップＳ０３は、残る対象体から測定片を切り出してその解放歪の測定を行う測定片切り出し及び解放歪測定工程である。ステップＳ０４は、ステップＳ０３で測定した解放歪の分布から有限要素法逆解析により固有歪の分布を導出する固有歪導出工程である。最後に、ステップＳ０５は、上記固有歪の分布から有限要素法順解析により残留応力の分布を算出する残留応力算出工程である。
　図２の軸状部材１は、円柱状の軸２と、全周にわたって上記軸２の外周面よりも径方向に外向きに突出する板状部３と、を備え、上記軸２と上記板状部３との接続部分にフィレット面５が設けられている。具体的に、図２に例示される上記軸状部材１では、上記軸２においてその軸方向に等間隔で並ぶ４つの位置にそれぞれ上記板状部３が設けられ、各板状部３は円盤状をなす。
＜対象体採取工程＞　
　図１のステップＳ０１である対象体採取工程では、上記軸状部材１が図１に二点鎖線で示す位置で切断され、これにより、互いに同一の形状を有し、残留応力について均等とみなせる３つの対象体４が採取される。各対象体４は、上記軸２を分割することにより得られる円柱状の軸部２ａと、上記板状体３と、を含み、この板状体３は、上記軸部２ａの軸方向の中間位置において全周にわたり当該軸部２ａの外周面よりも径方向の外向きに突出する。上記軸部２ａと上記板状部３との接続部分に上記フィレット面５が位置する。この実施の形態では、便宜上、上記３つの対象体４の内、後で詳述するステップＳ０２の逐次切削解放歪測定に供される２つの対象体を第１対象体４ａと呼び、後で詳述するステップＳ０３の測定片切り出し及び解放歪測定に供される１つの対象体を第２対象体４ｂと呼ぶ。
＜逐次切削解放歪測定工程＞ 
　図１のステップＳ０２である逐次切削による解放歪測定工程は、特定の測定サイクルを複数回にわたり繰り返して解放歪を得ることを含む。上記測定サイクルは、図３に示す切削面６を順次形成する第１工程と、各切削面６から小片を切り出してその解放歪を歪ゲージにより測定する第２工程と、を含む。上記第１工程では、上記測定サイクルの繰り返しに伴って上記第１対象体４ａが繰り返し切削されることにより、上記切削面６が複数回にわたって形成され、それぞれの切削面６は上記軸部２ａの中心軸Ｃと同心で当該中心軸Ｃに対する傾斜角が一定の角度ずつ異なる円錐面又は円筒面である。
　図４に、図１のステップＳ０２における上記逐次切削解放歪測定工程の詳細な流れを示す。この逐次切削解放歪測定工程は、基準位置の設定（ステップＳ１１）と、切削角度及び測定サイクルの総数の決定（ステップＳ１２）と、上記測定サイクルを上記総数だけ繰り返すこと（ステップＳ１３～Ｓ１９）と、を含む。
　ステップＳ１１では、上記第１対象体４ａの外側で上記フィレット面５の近傍に基準位置Ｐｓが定められる。この基準位置Ｐｓは、図５Ａに示すように上記第１対象体４ａの中央縦断面（中心軸Ｃを通る平面）において上記フィレット面５が単一の半径Ｒ１を有する円弧からなる場合には、当該円弧の中心位置に定められることが好ましい。図５Ｂのように上記フィレット面５が互いに異なる半径（Ｒ１，Ｒ２）を有する複数の円弧からなる場合、特に残留応力を正確に知りたい範囲において最も大きい半径（Ｒ１）を有する円弧の中心に基準位置Ｐｓが定められることが好ましい。また、図５Ｃのように、特に残留応力を正確に知りたい範囲内において最も長さが大きい円弧（半径Ｒ３より小さい半径Ｒ１の円弧）の中心に基準位置Ｐｓが定められてもよい。
　続いて、図４のステップＳ１２において、図３に示される複数の切削面６のうち互いに隣接する切削面６同士の間の角度と、上記測定サイクルの総数（切削回数）と、が決定される。互いに隣接する切削面６同士の間の角度は、上記フィレット面５と各切削面６との交点との間の距離が後述するステップＳ１６における隣接溝の深さより大きくなるように、定められる。測定サイクルの総数は、残留応力を確認したい範囲と上記切削面６間の角度とによって定められる。複数の第１対象体４ａを使用する場合、最初に形成される切削面６の角度を互いに等価な複数の第１対象体４ａ間で異ならせてそれらの測定結果を統合することにより、測定データを得られる切削面６の角度の間隔を実質的に小さくできる。図３に示される切削面６間の角度は２０°であるが、２つの第１対象体４ａの使用が、１０°間隔で解放歪の測定値を得ることを可能にする。
　上記のように決定された測定サイクルの総数と同じ回数だけ、ステップＳ１３からステップＳ１９までの工程が繰り返される。すなわち当該回数だけ上記測定サイクルが繰り返される。
　ステップＳ１４では、第１対象体４ａを切削することにより円錐面（又は円筒面）からなる新たな切削面６が形成される。ステップＳ１５では、図６に示すように、新しく形成された切削面６に複数の第１歪ゲージ７が貼着される。
　これらの第１歪ゲージ７は、切削面６（円錐面又は円筒面）の稜線方向（円錐面に含まれる直線の方向）に沿って並ぶ複数箇所にそれぞれ貼着される。好ましくは、それぞれの第１歪ゲージ７は、フィレット面５に近い領域においては小さい間隔（例えば６ｍｍ間隔）で、フィレット面５から離れるほど大きい間隔で、貼着される。回転体である第１対象体４ａに存在する残留応力及び固有歪は周方向に等価であるため、図示するように第１歪ゲージ７を周方向に並ぶ複数の列に分けて、列同士の間で第１歪ゲージ７の位置を稜線方向にずらすようにして当該第１歪ゲージ７を貼着することにより、実質的に測定点の稜線方向の間隔を小さくできる。
　また、各第１歪ゲージ７には、直交する２方向の歪を検出できるものを使用し、かつ、切削面６の稜線方向Ｄ１及びこの稜線方向に直交する接線方向（周方向）Ｄ２の歪を検出できるよう当該第１歪ゲージ７を配向することが好ましい。そのように配列できる２軸の第１歪ゲージ７としては、例えば、ベース径４．５ｍｍ、ゲージ長１ｍｍかつゲージ幅０．７ｍｍのものが入手可能である。
　第１歪ゲージ７を貼着した後、ステップＳ１６において、図７に示すように、上記稜線方向に並ぶ第１歪ゲージ７の列に沿って隣接溝８が形成される。隣接溝８は、例えば図８に示すように、エンドミル９により形成されることができる。隣接溝８は、個々の第１歪ゲージ７を取り囲むように形成されてもよい。
　ステップＳ１７では、切削面６から第１歪ゲージ７の列を含む帯状の表層部分が分離される。この分離は、工具、例えば図９に示すようなＴスロットカッター１０、を隣接溝８内に挿入することにより、行われる。このＴスロットカッター１０は、所定の回転軸回りに回転駆動されることにより、側方すなわちその回転軸と直交する回転径方向、に加工物を切り込むような切削を行う。図８及び図９に示す例では、第１歪ゲージ７の両側の隣接溝８のうちの一方が、当該隣接溝８内に上記Ｔスロットカッター１０が垂直に、すなわちその回転軸と平行な方向に、挿入されることを許容する広い幅を有している。このように挿入されたＴスロットカッター１０によって第１歪ゲージ７の下層を側方から切除することにより、切削面６から第１歪ゲージ７の列を含む帯状の上記表層部分を分離できる。こうして分離した帯状の表層部分をさらに第１歪ゲージ７同士の間の位置で切断することによって、図１０に示すようにそれぞれが第１歪ゲージ７を含む複数の小片１１を切り出すことができる。各小片１１は、例えば、第１歪ゲージ７を除いて約２．３ｍｍの厚みを有する。このようにして切り出した小片１１から残留応力が解放されることにより当該小片１１に解放歪が生じる。この解放歪は、ステップＳ１８において第１歪ゲージ７により測定される。
　ステップＳ１９において、ステップＳ１２で決定された数と同じ回数だけ測定サイクルが繰り返されていれば、この逐次切削解放歪測定工程は終了する。測定サイクルの繰り返し回数が上記決定された回数に満たない場合にはステップＳ１４～Ｓ１８の工程が繰り返される。
＜測定片切り出し解放歪測定工程＞
　図１１は、図１のステップＳ０３の工程、すなわち測定片を切り出して解放歪の測定を行う測定片切り出し及び解放歪測定工程、の詳細な流れを示す。
　この測定片切り出し及び解放歪測定工程では、図１２に示すように、第２対象体４ｂを切断することにより内部測定片１２及び表面測定片１３が切り出される。内部測定片１２は、図１３に示すような複数の第２歪ゲージ７ａを用いた第２対象体４ｂ内部の解放歪の測定に供され、表面測定片１３は、図１２に示すようにフィレット面５に第３歪ゲージ７ｂを貼着して行うフィレット面５の表面の解放歪の測定に供される。
　詳しく説明すると、この測定片切り出し及び解放歪測定工程では、先ず、ステップＳ２１において、図１２に示すように、第２対象体４ｂのフィレット面５の複数箇所にそれぞれ複数の第３歪ゲージ７ｂが貼着される。それぞれの貼着箇所は、軸部２ａの中心軸Ｃを通る平面上に各第３歪ゲージ７ｂの中心が位置するように、設定される。各第３歪ゲージ７ｂは、第２対象体４ｂの表面と中心軸Ｃを通る平面との交線の方向及びこの交線に直交する方向（周方向Ｄ２）の歪をそれぞれ検出できるよう配向されることが好ましい。そして、ステップＳ２２において、図１２に示すように、第２対象体４ｂを鋸で平面に沿って切断することにより複数の内部測定片１２及び複数の表面測定片１３が切り出される。
　図示した実施形態では、各内部測定片１２は、中心軸Ｃ上で５°の角度で交わる２つの平面（中央縦断面）によって画定され、表面測定片１３は、中心軸Ｃ上で１０°の角度で交わる２つの平面（中央縦断面）によって画定されている。この実施の形態では、互いに隣接する２つの表面測定片１３が切り出され、これら２つの表面測定片１３の両側からそれぞれ１つの内部測定片１２が切り出される。対象体の切断間隔には物理的な限界があるが、内部測定片１２及び表面測定片１３の切り出しに際して、第２対象体４ｂを上記中央縦断面に沿って切断する前に、２つの表面測定片１３の間を分離する切断面に直交しかつ中心軸Ｃと平行な２つの切断面により第２対象体４ｂの中央部を予め切除することが、上記各内部測定片１２の切り出しを可能にする。このようにして切り出された内部測定片１２及び表面測定片１３はそれぞれ中心軸Ｃ側の部分が切除された形状を有する。
　このようにして切り出された内部測定片１２を用いて、ステップＳ２３において、Ｘ線残留応力測定が行われる。このＸ線残留応力測定では、極座標が設定されてこの極座標を基準に、測定点が決定される。上記極座標は、上記内部測定片１２の中央縦断面において、上述の逐次切削解放歪測定工程における第１対象体４ａの切削面６を構成する円錐面又は円筒面の稜線に対応するように設定される。上記測定点同士の間隔は第１歪ゲージ７の貼着間隔よりも小さくてもよい（例えば０．５ｍｍ）。
　そして、ステップＳ２４において、ステップＳ２３で測定された残留応力を他の測定値と合わせて利用できるように、当該残留応力が解放歪と等価な値に換算される。
　さらに、ステップＳ２５において、図１３に示すように内部測定片１２に上記複数の第２歪ゲージ７ａが並べて貼着される。これらの第２歪ゲージ７ａは、上述の逐次切削解放歪測定工程における第１対象体４ａの切削面６を構成する円錐面又は円筒面の稜線に対応する直線上に並ぶ複数箇所にそれぞれ配置される。さらに、第２歪ゲージ７ａは、好ましくは、第１対象体４ａの切削面６における第１歪ゲージ７と同じ間隔で、つまり逐次切削解放歪測定における解放歪の測定位置と合致する位置に、貼着される。また、これらの第２歪ゲージ７ａは、第１対象体４ａの切削面６を構成する円錐面又は円筒面の稜線に対応する方向Ｄ１及び第１対象体４ａの切削面６を構成する円錐面又は円筒面の法線方向Ｄ３の歪を検出するように、配向される。
　そして、ステップＳ２６において、内部測定片１２及び表面測定片１３をさらに切断することにより、第２歪ゲージ７ａ及び第３歪ゲージ７ｂを含む部分の残留応力がそれぞれ解放され、ステップＳ２７において、第２歪ゲージ７ａ及び第３歪ゲージ７ｂによってそれぞれ解放歪が測定される。
　ステップＳ２３におけるＸ線を用いた残留応力の測定は、理論的には高い精度を有し、測定間隔を小さくできるものの、表面粗さ等の測定条件の影響が大きいため、精度よく測定を行うためにはかなりの手間がかかる。一方、ステップＳ２５からステップＳ２７における第２歪ゲージ７ａを用いた第２対象体４ｂ内部の解放歪の測定は、第２歪ゲージ７ａの大きさにより測定間隔に制約はあるが、比較的容易に行うことができる。このため、ステップＳ２７では、Ｘ線を用いて測定した残留応力の測定値をステップＳ２４において解放歪に換算した値と、ステップＳ２５からステップＳ２７において第２歪ゲージ７ａを用いて測定した解放歪の測定値とを組み合わせて用いることにより、正確性と簡便性とのバランスをとることができる。
　図１４に示すように、中央縦断面上の基準位置Ｐｓを中心とする極座標における各測定点における解放歪の測定データとして、切削面６の稜線方向であるＤ１方向の成分と、このＤ１方向に直交するとともに座標平面に直交する方向（第１対象体４ａ及び第２対象体４ｂの周方向）であるＤ２方向の成分と、内部測定片１２においてＤ１方向及びＤ２方向と直交するＤ３方向の成分と、が測定される。このように、各測定点における解放歪の、互いに直交する三方向の成分すべてが三次元的に得られるため、固有歪の導出精度が向上すると共に演算が容易である。
＜固有歪導出工程＞
　図１のステップＳ０４である固有歪導出工程では、ステップＳ０３で得られた解放歪のデータを基に、有限要素法による逆解析により固有歪の分布が導出される。
　ここで、解放歪（弾性歪）と固有歪との関係は、次の式（１）で表わされる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
　弾性応答マトリックス［Ｈ］は、計測した解放歪の測定条件（測定形状）に対する固有歪成分の感度を表している。つまり、マトリックス［Ｈ］の成分は、測定形状に依存し、個々の固有歪成分に単位歪を与えた際の弾性応答を求める繰返し計算により算出される。
　また、計測した解放歪には必ず誤差が含まれるため、固有歪の最確値と解放歪との間には次の式（２）の関係がある。 
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
　固有歪成分の最確値は、残差の平方和を最小にする条件から一意的に与えられる（最小二乗法）。近年では、物体内で分布している固有歪を関数で表示する手法が適用される場合が多い。固有歪を直接計算するのではなく、設定した関数の係数の値を計算することで固有歪分布が求められる。この場合、式（１）及び式（２）の固有歪成分及び最確値に代わって、分布関数の係数が未知数として計算される。このような関数表示を用いることにより、未知数の数を大幅に減少できる。
＜残留応力算出工程＞
　当該残留応力測定方法では、最後に、図１のステップＳ０５である残留応力算出工程において、ステップＳ０４で導出した固有歪の分布に基づいて、有限要素法の順解析により残留応力の分布が算出される。
　対象体４に最初に存在していた残留応力と固有歪の関係は、次の式（３）で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
　固有歪と残留応力との関係を表す弾性応答マトリックスは、有限要素解析により導出される。
＜利点＞
　当該残留応力測定方法は、第１対象体４ａに基準位置Ｐｓを通る円錐面又は円筒面からなる切削面６を順次形成することと、その切削面から小片１１を切り出すことにより、中央縦断面において基準位置Ｐｓを中心とする極座標上に設定される複数の測定点の解放歪を測定することと、を含み、これにより、第１対象体４ａの内部のフィレット面５の近傍に多数の測定点を設定してそれぞれの測定点の歪を測定するため、フィレット面５の近傍の残留応力分布を詳細に測定することを可能にする。
　さらに、当該残留応力測定方法では、第１対象体４ａと均等な第２対象体４ｂを２つの中央縦断面で切断することにより当該第２対象体４ｂから切り出した内部測定片１２を用い、第１対象体４ａについて設定した測定点と対応する測定点において、第１対象体４ａで測定した２方向Ｄ１，Ｄ２の解放歪及び当該方向Ｄ１，Ｄ２と直交する方向Ｄ３の解放歪を測定することが行われる。これにより、各測定点における解放歪のデータとして直交三次元成分すべてが得られるため、正確な固有歪、ひいては残留応力を測定できる。また、第２対象体４ｂの表面においても、方向Ｄ２とこれに直交する方向の解放歪が測定されるので、残留応力の測定精度が高められる。
［その他の実施形態］
　今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記実施形態の構成に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。
　前記残留応力測定方法は、対象体の軸部と同心かつ基準位置を通る円錐面又は円筒面からなる切削面を形成し、この切削面の歪を解析することを主題とする。したがって、この他の工程は、省略又は他の工程と置換してもよい。例えば、内部測定片１２及び表面測定片１３を用いた測定は、必須の工程ではない。また、例えば、歪ゲージ７を用いた解放歪の測定による解析に替えて、各切削面の歪をＸ線回折法、中性子回折法、音弾性法等によって非破壊測定が行われてもよい。
　当該残留応力測定方法において、切削面６から小片１１を切り出すための工具は、その回転軸に対して直交する回転径方向に加工物を切り込むように切削することが可能な工具であればよく、Ｔスロットカッター１０に替えてＶ溝カッターのような工具を用いてもよい。
　また、当該残留応力測定方法において、第１対象体４ａと第２対象体４ｂとは、同一の軸状部材１から切り出したものに限らず、別の軸状部材１から切り出したものであってもよい。
　さらに、第１対象体４ａ及び第２対象体４ｂの個数を任意に増加して、切削面６の角度差をより小さい角度としてもよい。
　また、当該残留応力測定方法において、基準位置Ｐｓは、フィレット面５の円弧の中心に限定されず、残留応力を詳細に求めたい部分における測定点の間隔（順次形成する切削面間の間隔）を小さくできる位置であればよい。
　以下、実施例によって本発明をさらに詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
　上述の実施形態に基づいて、当該残留応力測定方法により測定した残留応力の中央縦断面における分布を図１５に図示する。この測定に用いた第１対象体及び第２対象体は、直径２８０ｍｍの軸部と、厚さ８０ｍｍ及び直径５００ｍｍの板状部と、を有し、軸部と板状部との間にフィレット面が設けられていて当該フィレット面の主要部は２２ｍｍの半径を有する。
　図１５に示されるように、当該残留応力測定方法では、詳細な残留応力の分布を求めることができる。
　当該残留応力測定方法が適用される軸状部材として、例えばクランクシャフトがある。クランクシャフトのシャフト部を軸部、アーム及びカウンターウェイトが一体となったウェブを板状部として当該残留応力測定方法が適用されるのはもちろん、ピンを軸部、アームを板状部として当該残留応力測定方法を適用することもできる。当該残留応力測定方法は、クランクシャフト以外の多様な構造物の解析にも利用できる。
　以上のように、本発明によれば、円柱状の軸部とこの軸部の外周面よりも径方向の外向きに突出する板状部とを有して当該軸部と当該板状部とを接続する部分にフィレット面が設けられた対象体の当該フィレット面の近傍における残留応力の分布を精度よく測定できる残留応力測定方法が提供される。
　この方法は、円柱状の軸部とこの軸部の外周面よりも全周にわたって径方向の外向きに突出する板状部とを有して上記軸部と上記板状部との接続部分にフィレット面が設けられた対象体の残留応力を測定する方法であって、測定サイクルを繰り返し行うことを含み、この測定サイクルは、上記対象体を切削して上記軸部の中心軸と同心の円錐面又は円筒面である新たな切削面を形成する工程であって、上記円錐面又は円筒面の延長面が、繰り返される上記測定サイクルで不変の基準位置を通るものと、上記切削面上の複数箇所の残留応力を測定する工程と、を含む。
　当該残留応力測定方法では、上記基準位置を通る円錐面又は円筒面である切削面を繰り返し形成することが、基準位置の近傍の測定点を密に設定することを特徴とする可能にし、これにより、残留応力の測定点の間隔を小さくして多くの測定データを得ることを可能にする。その結果、当該残留応力測定方法は、フィレット面近傍の残留応力の分布を精度よく測定することを可能にする。
　当該残留応力測定方法において、上記基準位置は、好ましくは、上記対象体の中央縦断面において上記フィレット面に含まれる円弧のうち最大の径を有する円弧の中心位置であるとよい。この中心位置は、中央縦断面において解放歪の測定点の位置を表すための極座標（局所座標）の原点であるため、上記のようにフィレット面の最も支配的な円弧の中心を基準位置とすることにより、フィレット面の近傍に多くの測定点を配置することが可能になる。これにより、固有歪、ひいては残留応力の測定精度が高くなる。
　また、上記切削面上の残留応力を測定する工程において、上記円錐面又は円筒面の稜線方向に並ぶ複数の箇所でそれぞれ残留応力が測定されるのが、好ましい。このように稜線方向に並ぶ複数の測定点を設定することが、実質的に円筒面又は円周面の全体について対象体の固有歪の分布を効率よく測定することを可能にする。また、稜線方向に並ぶ複数の測定点の位置が周方向に千鳥状に分割されても良い。一方、対象体が軸状ではない場合、上記円錐面又は円筒面の稜線方向に並ぶ複数の測定位置を周方向に分散させることにより、円筒面又は円周面の全体について対象体の固有ひずみの分布を測定することができる。
　上記切削面上の残留応力を測定する工程において、上記円錐面又は円筒面の稜線方向及びこの稜線に直交する接線方向の残留応力の成分を測定するとよい。これにより、中央縦断面上での測定点の配置に係る極座標の動径方向（原点から見た測定点の方向）と歪ゲージによる測定方向とが一致するので、解析が容易になる。
　また、当該残留応力測定方法において、上記切削面上の残留応力を測定する工程が、上記切削面に歪ゲージを貼着する工程と、上記切削面から上記歪ゲージを含む小片を切り出す工程と、上記歪ゲージを用いて上記小片の解放歪を測定する工程と、を含むとよい。当該解放歪の測定は、残留応力を正確に測定することを可能にする。
　また、当該残留応力測定方法において、上記小片を切り出す工程が、上記歪ゲージに隣接する溝を形成する工程と、所定の回転軸回りに回転駆動されることにより当該回転軸と直交する回転径方向に加工物を切り込むように切削を行う工具を上記溝に挿入して上記切削面の下側の部位を当該工具により切削して切断することにより当該切削面の表層を分離する工程と、を含むとよい。このような工具による切削により小片を切り出すことで、切削面表面に形成される切削溝を浅くできる。このことは、形成された切削面と次の切削面との角度差を小さくすることを可能にし、これにより、測定点を密に設定して固有歪、ひいては残留応力の測定精度を高めることを可能にする。
　また、当該残留応力測定方法が、上記対象体と均等な第２対象体の残留応力を測定する工程をさらに備え、上記第２対象体の残留応力を測定する工程が、上記第２対象体の軸部の中心軸を通る２つの平面に沿って上記第２対象体を切断することにより当該２つの平面で画定される測定片を得る工程と、上記測定片の切断面において上記円錐面又は円筒面の稜線に対応する直線上に位置する複数箇所の残留応力を測定する工程と、を含むとよい。これにより、測定点をより多くして残留応力の測定精度をさらに向上させることが可能である。
　上記測定片の切断面上の複数箇所の残留応力を測定する工程において、上記円錐面又は円筒面の稜線及び法線に対応する方向の残留応力の成分を測定するとよい。第２対象体の測定片における残留応力の測定方向の一方を、測定点の配置に係る極座標の動径方向とすることで、演算が容易となる。また、第２対象体の測定片における残留応力の測定方向の他方を、対象体の切削面の法線に対応する方向とすることで、対象体の切削面において測定できない方向の残留応力の成分を測定できる。このため、当該残留応力測定方法は、より正確に残留応力を測定できる。
　また、当該残留応力測定方法において、上記測定片の切断面上の複数箇所の残留応力を測定する工程が、上記測定片の切断面において上記円錐面又は円筒面の稜線に対応する直線上に複数の第２歪ゲージを並べて貼着する工程と、上記測定片をさらに切断して上記測定片の残留応力を解放することにより、上記各第２歪ゲージを用いて解放歪を測定する工程と、を含むとよい。このように第２対象体においても解放歪を測定することにより、残留応力をより正確に測定できる。
　また、当該残留応力測定方法が、上記第２対象体の表面上の複数箇所の残留応力を測定する工程をさらに備えるとよい。このように第２対象体の外表面の残留応力を測定することが、残留応力の測定精度のさらなる向上を可能にする。
　また、上記第２対象体の表面上の複数箇所の残留応力を測定する工程において、上記第２対象体の表面と上記中心軸を通る平面との交線方向及びこの交線に直交する方向の残留応力の成分を測定するとよい。この測定では、第２対象体の表面上の残留応力の測定方向の一方が測定点の配置に係る極座標の偏角方向と一致するので、解析が容易になる。
　また、当該残留応力測定方法において、上記第２対象体の表面上の複数箇所の残留応力を測定する工程が、上記第２対象体の表面に第３歪ゲージを貼着する工程を含むとよい。このように、第２歪ゲージを用いて解放歪を測定するのに合わせて第３歪ゲージを用いて第２対象体の外表面の解放歪を測定することが、残留応力の測定精度の向上を可能にする。
　また、当該残留応力測定方法において、上記対象体の上記軸部と上記第２対象体の上記軸部とが一体に形成されているとよい。１つの構造体から対象体と第２対象体とを採取することで、当該残留応力測定方法に使用するサンプルの数を少なくできる。

Claims (13)

  1. 　円柱状の軸部とこの軸部の外周面よりも全周にわたって径方向の外向きに突出する板状部とを有して上記軸部と上記板状部とを接続する部分にフィレット面が設けられた対象体の残留応力を測定する方法であって、
    　測定サイクルを繰り返し行うことを含み、この測定サイクルは、上記対象体を切削して上記軸部の中心軸と同心の円錐面又は円筒面である新たな切削面を形成する工程であって、上記円錐面又は円筒面の延長面が、繰り返される上記測定サイクルで不変の基準位置を通るものと、上記切削面上の複数箇所の残留応力を測定する工程と、を含む、残留応力測定方法。
  2. 　上記基準位置が、上記対象体の中央縦断面において上記フィレット面に含まれる円弧のうち最大の径を有する円弧の中心位置である、請求項１に記載の残留応力測定方法。
  3. 　上記切削面上の残留応力を測定する工程において、上記円錐面又は円筒面の稜線方向に並ぶ複数の箇所でそれぞれ残留応力が測定される、請求項１又は請求項２に記載の残留応力測定方法。
  4. 　上記切削面上の残留応力を測定する工程において、上記円錐面又は円筒面の稜線方向及びこの稜線に直交する接線方向の残留応力の成分が測定される、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の残留応力測定方法。
  5. 　上記切削面上の残留応力を測定する工程が、
    　上記切削面に歪ゲージを貼着する工程と、
    　上記切削面から上記歪ゲージを含む小片を切り出す工程と、
    　上記歪ゲージを用いて上記小片の解放歪を測定する工程と、
    を含む、請求項１に記載の残留応力測定方法。
  6. 　上記小片を切り出す工程が、
    　上記歪ゲージに隣接する溝を形成する工程と、
    　所定の回転軸回りに回転駆動されることにより当該回転軸と直交する回転径方向に加工物を切り込むように切削を行う工具を上記溝内に挿入して上記切削面の下側の部位を当該工具により切削して切断することにより当該切削面の表層を分離する工程と、
    を含む請求項５に記載の残留応力測定方法。
  7. 　上記対象体と均等な第２対象体の残留応力を測定する工程をさらに備え、 
    　上記第２対象体の残留応力を測定する工程が、
    　上記第２対象体の軸部の中心軸を通る２つの平面に沿って上記第２対象体を切断することにより当該２つの平面により画定される測定片を得る工程と、
    　上記測定片の切断面において上記円錐面又は円筒面の稜線に対応する直線上に位置する複数の箇所の残留応力を測定する工程と、
    を含む、請求項１に記載の残留応力測定方法。
  8. 　上記測定片の切断面上の複数箇所の残留応力を測定する工程において、上記円錐面又は円筒面の稜線及び法線に対応する方向の残留応力の成分が測定される、請求項７に記載の残留応力測定方法。
  9. 　上記測定片の切断面上の複数箇所の残留応力を測定する工程が、 
    　上記測定片の切断面において上記円錐面又は円筒面の稜線に対応する直線上に複数の第２歪ゲージを並べて貼着する工程と、 
    　上記測定片をさらに切断して上記測定片の残留応力を解放することにより、上記各第２歪ゲージを用いて解放歪を測定する工程と、
    を含む請求項７に記載の残留応力測定方法。
  10. 　上記第２対象体の表面上の複数箇所の残留応力を測定する工程をさらに備える請求項７に記載の残留応力測定方法。
  11. 　上記第２対象体の表面上の複数箇所の残留応力を測定する工程において、上記第２対象体の表面と上記中心軸を通る平面との交線の方向及びこの交線に直交する方向の残留応力の成分が測定される請求項１０に記載の残留応力測定方法。
  12. 　上記第２対象体の表面上の複数箇所の残留応力を測定する工程が、上記第２対象体の表面に第３歪ゲージを貼着する工程を含む請求項１０に記載の残留応力測定方法。
  13. 　上記対象体の上記軸部と上記第２対象体の上記軸部とが一体に形成されている、請求項７から請求項１２のいずれか１項に記載の残留応力測定方法。
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