(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
疲労強度の向上処理が図られる処理対象物と対向して、前記向上処理を補助する補助具を配置し、
前記処理対象物と前記補助具との間にスパークを発生させ、
互いに締結される第一部材と第二部材が前記処理対象物を構成し、
前記第一部材と前記第二部材を締結する締結具が前記補助具を構成し、
前記第一部材と前記第二部材の一方又は双方と、前記締結具と、の間で前記スパークを発生させる、
ことを特徴とする疲労強度の向上方法。
【請求項２】
前記処理対象物における前記補助具が対向する対向面に、前記スパークの発生による溶着を生じさせることにより、前記対向面に生じている亀裂を修復する、
ことを特徴とする請求項１に記載の疲労強度の向上方法。
【請求項３】
前記対向面は、
前記処理対象物に形成される溝又は貫通孔に臨む周縁面からなる、
ことを特徴とする請求項２に記載の疲労強度の向上方法。
【請求項４】
前記補助具は、
前記スパークを発生させる前記向上処理を行う前から前記処理対象物に取り付けられている、
ことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載の疲労強度の向上方法。
【請求項５】
前記補助具は、
前記スパークを発生させる前記向上処理を行う際に、前記処理対象物に対向される、
ことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載の疲労強度の向上方法。
【請求項６】
互いに締結される第一スプライスプレートと第二スプライスプレートが前記処理対象物を構成し、
前記第一スプライスプレートと前記第二スプライスプレートを締結するファスナが前記補助具を構成することで、
前記処理対象物と前記補助具はファスナ継手を構成し、
前記第一スプライスプレートと前記第二スプライスプレートの一方又は双方と、前記ファスナと、の間で前記スパークを発生させる、
ことを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載の疲労強度の向上方法。
【請求項７】
前記対向面は、
前記処理対象物に形成される溝の周囲を区画する周縁面からなり、
前記対向面と対向する前記補助具の面は、前記周縁面と相似形である、
ことを特徴とする請求項２、請求項３および請求項５のいずれか一項に記載の疲労強度の向上方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属部材の疲労強度を向上する方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
繰り返して応力を受ける金属部材は、引張強度、圧縮強度などの静的強度だけでなく、疲労強度が要求される。したがって、種々の手段により疲労強度を向上することが行われている。
典型的な疲労強度の向上方法として、疲労強度を向上させたい部位の表面に圧縮残留応力を付与することが知られている。例えば、特許文献１は、ショットピーニングを利用してギア表面に圧縮残留応力を付与することによってギアの疲労強度を向上させる方法を開示する。また、特許文献２は、金属部材を超音波衝撃処理して圧縮残留応力を付与するとともに、超音波衝撃処理を施している間、好ましくその直後に、超音波衝撃処理が施された部分を所定の速度で冷却することを提案している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００２−３９３２８号公報
【特許文献２】特開２００８−３８２２２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
圧縮残留応力を付与する疲労強度の向上方法は、対象となる金属部材を構成する金属材料に関わらず適用することができるし、金属部材の使用前に限らず、使用を継続した後にも適用できるので、使い勝手のよい方法と言える。
ところが、典型的な圧縮残留応力の付与方法であるショットピーニングは、投射材を投射する必要があるために、疲労強度を向上させたい部位が露出していることが前提となる。したがって、疲労強度を向上させたい部位が他の部材により隠れている場合には、他の部材を取り外すことができなければ、ショットピーニングを適用できないことになる。
また、例えば、ファスナにより複数の被締結部材を貫通して締結するファスナ継手の場合に、ファスナが貫通する被締結部材の貫通孔の内周面である周縁面は、疲労強度向上を狙った残留応力付与の重要な対象面であるが、仮にファスナを取り外したとしても、あるいは、貫通孔を切削により形成した後でファスナの締結前であったとしても、このような狭隘な部分へは、投射材を投射できない。
【０００５】
以上より、本発明は、狭隘でかつ他の部材によって覆われている部分にでも適用できる、新規な疲労強度の向上方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の疲労強度の向上方法は、疲労強度の向上処理が図られる処理対象物と対向して、向上処理を補助する補助具を配置し、処理対象物と補助具との間にスパークを発生させることを特徴とする。
本発明の疲労強度の向上方法によれば、処理対象物と補助具との間にスパークを発生させればよいので、狭隘でかつ他の部材によって覆われている部分にでも適用できる。
【０００７】
本発明の疲労強度の向上方法において、処理対象物における補助具が対向する対向面に、スパークの発生による溶着を生じさせることにより、対向面に生じている亀裂を修復することができる。
切削加工された処理対象物は、切削時には切削加工面に目視では確認できない程度の微小な亀裂が生じるが、この微小亀裂が疲労破壊の一因となり得る。そこで、スパークの発生による溶着を生じさせることにより亀裂を修復すれば、疲労強度を向上できる。
【０００８】
本発明の疲労強度の向上方法において、対向面を、処理対象物に形成される溝又は貫通孔に臨む周縁面にすることが好ましい。
本発明の疲労強度の向上方法が適用される部位は任意であるが、溝又は貫通孔は応力集中が生じやすいこと、また、他の部材で隠されることが多いので、本発明を適用する対象として好適である。
【０００９】
本発明の疲労強度の向上方法において、補助具は、スパークを発生させる向上処理を行う前から処理対象物に取り付けられている場合もあるし、補助具は、スパークを発生させる向上処理を行う際に、処理対象物に対向される場合もある。前者の場合には当該補助具は処理対象物の一部をなすこともあり、例えば、前述したファスナ継手のファスナが該当する。
【００１０】
つまり、本発明の疲労強度の向上方法において、処理対象物は、互いに締結される第一スプライスプレートと第二スプライスプレートをなし、補助具は、第一スプライスプレートと前記第二スプライスプレートを締結するファスナをなすことで、処理対象物と補助具はファスナ継手を構成することができる。この場合には、第一スプライスプレートと第二スプライスプレートの一方又は双方と、ファスナとの間でスパークを発生させることができる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の疲労強度の向上方法によれば、処理対象物と補助具との間にスパークを発生させればよいので、狭隘でかつ他の部材によって覆われている部分にでも適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の疲労強度の向上方法を実施する供試材を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のIｂ−Ｉｂ線矢視断面図、（ｃ）は（ｂ）の部分拡大図である。
【図２】本発明の疲労強度の向上方法を実証する試験の結果を示す図である。
【図３】本発明の実施例及び比較例の静的強度の評価結果を示す表である。
【図４】本発明の疲労強度の向上方法を実現する他の形態を示す図である。
【図５】本発明の疲労強度の向上方法を実現する他の形態を示す図である。
【図６】本発明の疲労強度の向上方法を実現する他の形態を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、添付図面を参照しながら、実施形態に基づいて本発明の疲労強度の向上方法を説明する。
本実施形態による疲労強度の向上方法は、図１に示される一対の第一スプライスプレート２Ａと第二スプライスプレート２Ｂとが、一列に並んだ複数のファスナ３により接続されたファスナ継手１に対して適用される。本実施形態の疲労強度の向上方法は、第一スプライスプレート２Ａと第二スプライスプレート２Ｂの間に高電流を印加することにより、第一スプライスプレート２Ａ及び第二スプライスプレート２Ｂの疲労強度を向上させる。
【００１４】
ファスナ継手１を構成する第一スプライスプレート２Ａ、第二スプライスプレート２Ｂは、鉄及び鉄基合金、アルミニウム及びアルミニウム合金、その他の金属材料から構成される。第一スプライスプレート２Ａ及び第二スプライスプレート２Ｂは、ファスナ３が貫通して挿入される複数の締結孔５を備える。第一スプライスプレート２Ａ及び第二スプライスプレート２Ｂは、お互いの締結孔５の位置が一致するように位置合わせされた状態で、それぞれの締結孔５にファスナ３が挿入されることで、締結される。
【００１５】
ファスナ継手１は、実際に構造要素として使用されていると、第一スプライスプレート２Ａ及び第二スプライスプレート２Ｂにおける締結孔５を取り囲む周縁面７がファスナ３を介して繰り返して応力を受け、かつ、この周縁面７には応力集中が生じる。しかも、締結孔５を切削により形成するが、切削時には切削加工面に目視では確認できない程度の微小な亀裂が生じ、周縁面７に残るので、この微小亀裂が疲労破壊の一因となり得る。
【００１６】
本実施形態は、この微小亀裂Ｃを溶着することにより修復して消失させるか、または、亀裂の程度を軽減する。本実施形態は、母材を溶着するために、図１（ａ）に示すように、電源４を用いて第一スプライスプレート２Ａと第二スプライスプレート２Ｂの間に高エネルギの電流を印加する。そうすることで、図１（ｃ）に示すように、第一スプライスプレート２Ａ及び第二スプライスプレート２Ｂの双方とファスナ３との間にスパークＳを発生させ、このスパークに伴うアーク熱により周縁面７の表層を溶融させ、溶融成分が微小亀裂Ｃに流動した後に凝固することで、微小亀裂Ｃを埋める。この一連の動作を、本発明では溶着と称する。スパークＳは、不連続な面ほど発生しやすいことから、周縁面７の微小亀裂Ｃのない連続的な面に比べて、微小亀裂Ｃが生じている部分に優先的に発生するので、スパークＳの発生による微小亀裂Ｃの修復は、本実施形態にとって好都合である。
【００１７】
次に、高電流印加による本実施形態による疲労強度の向上方法を実証する試験の結果を説明する。
試験は、図１に示すファスナ継手１を用意し、高電流を印加した後に、引張荷重を繰り返して付与する疲労強度試験を行い、破断応力の挙動を測定した。印加した電流は、最大２１０Ｃ（クーロン）である。この高電流を印加した例を実施例と称す。比較のために、高電流を印加しないことを除いて、実施例と同様の疲労強度試験を行った。これを比較例と称す。なお、実施例及び比較例に用いたファスナ継手１は、同じ素材を用い、かつ、同じ加工条件により作製されている。
また、実施例及び比較例に係るファスナ継手１について、静荷重を印加する引張強度試験を行った。
疲労強度試験の結果を図２（ａ）に、また、静荷重を印加する強度試験の結果を図３に示す。なお、図２において、横軸が破断に至るまでに繰り返して印加された荷重の回数（cycle）、縦軸が最大荷重である。
【００１８】
図２（ａ）に示すように、高電流を印加しない比較例に係るファスナ継手１に比べて、高電流を印加した実施例に係るファスナ継手１は、疲労強度が向上していることが確認された。特に、印加する荷重（最大荷重）が小さいほど疲労強度の向上効果が大きく、比較例に比べて破断繰り返し数が１０倍以上に延びている。一方で、図３に示すように、静荷重として破断荷重を測定（ｎ＝３）したが、実施例と比較例の間に有意な差はない。
以上の通りであり、高電流を印加することにより、静強度に影響を与えることなく、疲労強度を向上できることが確認された。
【００１９】
本実施形態による疲労強度の向上により、得られる効果を説明する。
一般的に寸法を大きくするだけでは疲労強度の向上は見込めない。例えばファスナ継手１の場合には、第一スプライスプレート２Ａ及び第二スプライスプレート２Ｂの板厚を厚くしても、継ぎ手の応力は下がるが、荷重のオフセットが大きくなるため疲労強度の向上は期待できない。
それに対して、本実施形態は、疲労強度の向上処理が図られる処理対象物である第一スプライスプレート２Ａ及び第二スプライスプレート２Ｂと対向して、向上処理を補助する補助具であるファスナ３を配置し、両者の間にスパークを発生させるので、設計変更なしに疲労強度を向上できるため有効である。
【００２０】
疲労強度を改善する方法として疲労強度の高い材料を用いることもできるが、コストの上昇を招くし、また、既存の構造要素の場合には設計変更が必要になることもある。これに対しても、本実施形態によれば、材料コストはそのままであり、また、設計変更を伴うことがない。
【００２１】
また、疲労強度の向上方法として知られている、例えばショットピーニングにより圧縮残留応力を付与する方法は、ショットピーニングに要する作業の負担が大きい。しかも、使用後に適用する場合には、圧縮残留応力を付与する部位を覆う部材があれば、それを取り除く必要があるので、例えば、覆う部材が多いと、現実的ではない。さらに、本実施形態の周縁面７のように狭隘な部分には、例えばショットピーニングを適用しにくい。
以上に対して、本実施形態は、スパークが生じさえすれば溶着による微小亀裂Ｃの修復を行うことができるので、疲労強度の向上を図ることができる。しかも、締結孔５の周縁面７のように狭隘な部分であって、かつ、ファスナ３に隠れていても、スパークが生じさえすれば、疲労強度の向上を図ることができる。したがって、疲労強度の向上のための作業の負担が小さく、かつ、使用後に無理なく適用することができる。
【００２２】
以上、本発明を好ましい実施形態に基づいて説明したが、本発明の主旨を逸脱しない限り、上記実施形態で挙げた構成を取捨選択したり、他の構成に適宜変更したりすることが可能である。
例えば、本発明において、スパークを生じさせたい領域の表面に非導電性の層を設けることができる。上述した実施形態を例にすると、図４（ａ）に示すように、第一スプライスプレート２Ａ，第二スプライスプレート２Ｂに塗装を施してその表面に非導電性の被覆層９を形成すると、周縁面７からファスナ３へのスパークが発生しやすくなる。図４（ｂ）に示すように、ファスナ３だけに塗装を施して被覆層９を形成することもできるし、図示を省略するが、第一スプライスプレート２Ａ，第二スプライスプレート２Ｂとファスナ３の両方に塗装を施して非導電性の被覆層９を形成することもできる。
【００２３】
図２（ｂ）は、上述した実施例の第一スプライスプレート２Ａ，第二スプライスプレート２Ｂに図４（ａ）に示すように塗装を施して表面に非導電性の層を形成した以外は実施例と同様にして疲労強度を測定した結果を示している。図２（ｂ）に示すように、非導電性の層を形成することにより、荷重の小さい領域において、さらに疲労強度を向上できることが確認された。これは、スパークが発生しやすくなり、微小亀裂Ｃの修復が促進されたためと推察される。
【００２４】
次に、上述した実施形態はファスナ３が取り付けられているファスナ継手１を例にしているが、本発明の適用対象はスパークを発生させられる限り任意である。例えば、図５（ａ）に示すように、処理対象物６に形成され、ファスナ３に相当する部材が設けられていない貫通孔１１に適用することができる。この形態において、貫通孔１１の径が小さければ、図５（ｂ）に示すように、他の部材を宛がわなくても、周縁面１３の異なる部位の間でスパークＳが発生する。また、径が大きい場合には、図５（ｃ）に示すように、上述したファスナ３に相当し、スパークＳの発生を補助する補助具１５を貫通孔１１に挿入してから、高電流を印加すればよい。
【００２５】
また、締結孔５も含めて貫通孔は、本発明の効果を得るのに好適な対象であるが、本発明が適用される構造は任意である。
例えば、図６（ａ）に示すように、処理対象物６の一端面にＶ字状の溝である切欠１７が形成されている場合に、この切欠１７に本発明の疲労強度の向上方法を適用できる。この場合には、図６（ｂ）に示すように、処理対象物６との間にスパークＳを発生させるための補助具１５を切欠１７の相似形とし、これを切欠１７に対向させて、処理対象物６と補助具１５の間に高電流を印加する。そうすれば、溝である切欠１７の周囲を区画する周縁面７と補助具１５との間にスパークが発生し、周縁面７に生じている微小亀裂Ｃを溶着により修復する。
また、例えば、本発明は図６（ｃ）に示すように、処理対象物６の平坦面１９に補助具１５を対向させて、処理対象物６と補助具１５の間に高電流を印加して、処理対象物６の平坦面１９と補助具１５との間にスパークを発生させることもできる。
以上の通りであり、本発明は、補助具が、スパークＳを発生させる向上処理を行う前に処理対象物に取り付けられている場合もあるし、スパークＳを発生させる向上処理を行う際に、処理対象物に対向させる場合がある。
【００２６】
また、本発明において印加する電流は、スパークを発生させて疲労強度を向上するプロセスが生じる限り任意であり、疲労強度向上の対象に適した条件を試験により確認することができる。
【符号の説明】
【００２７】
１    ファスナ継手
２Ａ  第一スプライスプレート
２Ｂ  第二スプライスプレート
３    ファスナ
４    電源
５    締結孔
６    処理対象物
７    周縁面
９    被覆層
１１  貫通孔
１５  補助具
１７  切欠
１９  平坦面
Ｃ    微小亀裂
Ｓ    スパーク
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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