(57)【要約】【課題】小型の装置で簡易にピーニング処理することのできるピーニング処理方法およびその装置を提供する。【解決手段】液体２中で被加工物３の表面から所定距離を隔てて対向するように設置した振動子５を高周波振動させて液体にキャビテーションを発生させ、このキャビテーション気泡の崩壊衝撃力により被加工物３の表面に圧縮応力を残留させる。【選択図】図３
2005254367.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体中で被加工物の表面から所定距離を隔てて対向するように設置した振動子を高周波振動させて液体にキャビテーションを発生させ、このキャビテーション気泡の崩壊衝撃力により前記被加工物の表面に圧縮応力を残留させることを特徴とするピーニング処理方法。
【請求項２】
前記振動子を超磁歪材料を用いたアクチュエータにより高周波振動させることを特徴とする請求項１記載のピーニング処理方法。
【請求項３】
前記振動子および被加工物間の所定距離を５ｍｍ以下に保つことを特徴とする請求項１記載のピーニング処理方法。
【請求項４】
前記振動子の高周波振動の振幅を１０μｍ以上にすることを特徴とする請求項１記載のピーニング処理方法。
【請求項５】
前記振動子の高周波振動の周波数を１ｋＨｚ以上にすることを特徴とする請求項１記載のピーニング処理方法。
【請求項６】
被加工物の表面に液体を保留する液体保留部と、この保留されている液体中で被加工物の表面に対し所定距離を隔てて設置された振動子と、この振動子を高周波振動させるアクチュエータと、このアクチュエータに動作信号を供給して高周波振動を発生させるように駆動する電源とから構成され、前記振動子の振動により液体にキャビテーションを発生させ、このキャビテーション気泡の崩壊衝撃力により前記被加工物の表面に圧縮応力を残留させることを特徴とするピーニング装置。
【請求項７】
超磁歪材料を用いたアクチュエータにより前記振動子を高周波振動させることを特徴とする請求項６記載のピーニング装置。
【請求項８】
前記アクチュエータを収納するアクチュエータ収容部およびこのアクチュエータ収容部の下部に位置する開口部に固定されて前記被加工物の表面に接して液体貯留部を形成する台座部を備えたケースと、
前記台座部の下側に位置する脚部の下端部に取り付けられ、ピーニング処理時前記被加工物の表面に密着して液体貯留部に貯留した液体が外部に漏れるのを抑制する環状のシール材とを設けたことを特徴とする請求項６または７記載のピーニング装置。
【請求項９】
前記台座部の下側で前記振動子を囲む位置に設けられたピーニング装置の荷重を支えるための支持部と、この支持部の先端部に設けられ、前記被加工物の表面に接してピーニング装置を滑らかに移動させるための移動用ローラとを設けたことを特徴とする請求項６、７または８のいずれかに記載のピーニング装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属部材に存在する残留応力を改善するピーニング処理方法および装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ピーニング処理は、金属部材表面に存在する残留応力を改善し、硬化することにより疲労強度などを向上させたり、溶接部の引張残留応力を解放金属部材に存在する残留応力を改善する処理方法として用いられており、代表的なピーニング法として、ショットピーニング、レーザーピーニング、ウオータージェットピーニング等が知られている。このうち、ショットピーニング処理法は特許文献１等に記載されているように、金属部材の表面に小さな金属球（ショット）を高速度で当てることにより、金属表面に圧縮応力を残留させる技術であり、また、レーザーピーニング処理法は特許文献２等に記載されているように、液体中で金属部材表面にパルスレーザー光を照射することにより、金属表面に圧縮応力を残留させる技術である。さらに、ウオータージェットピーニング処理法は特許文献３等に記載されているように、液体中でノズルから高圧流体を流すことによりキャビテーション噴流を金属部材表面にあてることにより、金属表面に圧縮応力を残留させる技術である。
【特許文献１】特開平３−１７０２６８号公報（第４−５頁、図８）
【特許文献２】特開平７−２４６４８３号公報（第３−５頁、図１）
【特許文献３】特開平６−１１４７３５号公報（第４−６頁、図１−４）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
上記特許文献１記載のショットピーニングでは金属粒子（ショット）を噴出させるための高圧空気発生源や金属粒子の回収装置などが必要となり、大型の装置が必要である。また、特許文献２記載のレーザーピーニングでも大型のレーザー発生装置が必要となる。さらに、特許文献３記載のウオータージェットピーニングにおいても、高圧液体流を発生させるための大型装置が必要である。
【０００４】
このように現状のピーニング処理法はいずれも大型の装置を必要とし、小型の装置で簡易にピーニング処理することのできる方法および装置は今のところ見当たらない。  
本発明は以上述べた従来技術の課題に鑑みなされたもので、小型の装置で簡易にピーニング処理することのできるピーニング処理方法およびその装置を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記の目的を達成するため、請求項１に係るピーニング処理方法の発明は、液体中で被加工物の表面から所定距離を隔てて対向するように設置した振動子を高周波振動させて液体にキャビテーションを発生させ、このキャビテーション気泡の崩壊衝撃力により前記被加工物の表面に圧縮応力を残留させることを特徴とする。
【０００６】
また、請求項６に係るピーニング装置の発明は、被加工物の表面に液体を保留する液体保留部と、この保留されている液体中で被加工物の表面に対し所定距離を隔てて設置された振動子と、この振動子を高周波振動させるアクチュエータと、このアクチュエータに動作信号を供給して高周波振動を発生させるように駆動する電源とから構成され、前記振動子の振動により液体にキャビテーションを発生させ、このキャビテーション気泡の崩壊衝撃力により前記被加工物の表面に圧縮応力を残留させることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明に係るピーニング処理方法およびピーニング装置は高周波振動により発生させたキャビテーションを用いることにより、簡易なピーニング処理方法、小型のピーニング装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、図面を参照して本発明の実施例について説明する。
【実施例】
【０００９】
図１は本発明のピーニング装置によるピーニング実験方法を示す概略図である。図１において、水槽１に貯留した液体（例えば、水あるいは沸点の低いアルコールやアセトンなどの溶媒）の２内で被加工物３とアクチュエータ４の先端部に取り付けた振動子５とを対向配置し、このアクチュエータ４により振動子５を高周波振動させることにより、振動子５と被加工物３との間にキャビテーションを発生させ、被加工物３をピーニング処理するようにしものである。前記アクチュエータ４に超磁歪材料を用いることにより、大面積を有する振動子を振動させることができるため、被加工物の大面積に同時にキャビテーションによるピーニング処理を行うことができる。なお、６はアクチュエータ４を振動させるための電気信号を供給する電源である。
【００１０】
ここで、超磁歪材料とは、従来の磁歪材料に比較して２桁以上歪み量が大きい材料を言うものである。すなわち、従来の磁歪材料で得られる歪み量は高々数十μｍ程度であるが、本発明で用いる超磁歪材料では約２０００μｍという歪み量が得られるものを言う。そして、このような磁歪材料の１例として、テルビウム、ディスプロシム、鉄から構成される単結晶材料がある。また、別の例としてはＲＴｘ（Ｒはランタノイド元素のうちの１種または２種以上、Ｔは鉄、コバルト、ニッケルの１種または２種以上、ｘは０＜ｘ＜１０）と一般式で記載される金属間化合物で形成される超磁歪材料もある。
【００１１】
この実験では、条件を種々変えてキャビテーション発生試験をした結果、以下の（１）〜（３）の条件にて多くのキャビテーションを発生させて高いピーニング効果を得ることができた。  
（１）振動子５と被加工物３の距離を５ｍｍ以下に保つ。  
（２）高周波振動の振幅幅を１０μｍ以上にする。  
（３）高周波振動の周波数を１ｋＨｚ以上にする。
【００１２】
次に、この実験による材料表面硬化グラフを図２に示す。図中、Data１はピーニング処理前のデータ、Data２はピーニング処理後のデータである。  
この実験は、次の（ａ）〜（ｅ）の条件下で行ったものである。  
（ａ）被加工物；ＳＵＳ３１６Ｌオーステナイトステンレス鋼
（ｂ）アクチュエータ；超磁歪材料
（ｃ）振動子〜被加工物間距離；１．０(ｍｍ)
（ｄ）振動子の振幅；３０(μｍ)
（ｅ）振動子の周波数；２(ｋＨｚ)
（ｆ）キャビテーション時間；３分間
ここで、硬度は荷重１００(ｇ)のヌープ硬さ（Ｈｋ）により測定している。
【００１３】
図２に示した実験結果のグラフから明らかなように、キャビテーションによるピーニング処理を施した被加工物の場合、材料表面から約１００(μｍ)の深さの範囲まで硬化しており、本発明により十分なピーニング効果が得られた。
【００１４】
次に、図１の原理に基づいて製作したハンディタイプのピーニング装置の一実施例を図３に示す。  
図１の原理図では、水槽１に貯留した液体２中で被加工物３と振動子５とを対峙させるようにしたが、現場で実際にピーニング処理する被加工物３は大型の構造物である場合が多い。したがって、大型の被加工物３を水槽１中に収容することは実用的ではないので、本実施例では水槽１内に液体２を貯留する構成を採用せずに、替わりに次のような構成を採用している。
【００１５】
図３において、符号２〜６で示す要素は図１の原理図の場合と同様の要素であるが、本実施例はピーニング処理時に被加工物３の表面にピーニング装置ケース７を戴置したとき、このケース７と被加工物３の表面とで形成した空間部に液体貯留部８を形成するようにし、この液体貯留部８内で振動子５を被加工物３の表面と対峙させるように構成したものである。
【００１６】
ところで、前記ピーニング装置ケース７は一端を蓋で塞ぎ他端を開口部とした筒状（円筒状、角筒状のいずれでもよい）のアクチュエータ収容部７ａと、このアクチュエータ収容部７ａの開口部側すなわちアクチュエータ収容部７ａの下部に一体的に固定され、液体貯留部８を形成する台座部７ｂとから構成されている。
【００１７】
この台座部７ｂは、前記被加工物３の表面との間に液体貯留部８を形成するのに十分な高さを有する筒状（円筒状、角筒状のいずれでもよい）脚部７ｂ１を一体的に固定しており、且つその脚部７ｂ１の下端には弾性体からなる環状のシール材１０を取り付けることにより、ピーニング装置を移動させる際、液体貯留部８に貯留した液体２が外部に漏れるのを抑制している。このシール材１０は、例えば、ブタジエンゴム、ウレタンゴム、シリコンゴム等の弾力性に富んだゴムや樹脂を用いる。  
前記筒状脚部７ｂ１は振動子５の位置よりも若干高い位置（被加工物表面からの高さ）に孔７ｂ２を開けており、この孔７ｂ２から液体２がオーバーフローするようにしている。
【００１８】
そして、台座部７ｂは前記筒状脚部７ｂ１の内側の振動子５を囲む位置にピーニング装置の荷重を支えて前記シール材１０が被加工物３の表面に適切に密着するような長さを有する支持部７ｂ３を設け、そしてこの支持部７ｂ３の先端部にはピーニング装置を滑らかに移動させるための移動用ローラ９を複数個設けている。なお、この支持部７ｂ３は前記脚部７ｂ１と相似した筒状あるいは筒を円周方向に複数に分割した形状のものでもよい。
【００１９】
一方、前記アクチュエータ収容部７ａは上部すなわち台座部７ｂの反対側にピーニング装置を移動させる際に把持される移動用取手１１を取り付け、さらに、側面に前記液体貯留部８に連通して液体を補給する液体補給孔７ａ１を設けている。
【００２０】
以上のように構成されたピーニング装置ケース７に対して、前記アクチュエータ４は台座部７ｂの脚部７ｂ１側からアクチュエータ収容部７ａに挿入され、振動子５が液体貯留部８内で被加工物３の表面から所定の距離に位置するように取り付けられる。
【００２１】
このように構成された簡易型ピーニング装置において、先ず、前記振動子５が被加工物３表面から所定の距離（例えば５ｍｍ以下）に位置するように調整し、その後液体補給孔７ａ１から液体２を液体貯留部８に注入し、振動子５が液体２中に没するようにする。
【００２２】
なお、前記振動子５と被加工物３の表面との距離は、近いほど振動子５によるキャビテーションのエネルギが被加工物３に負荷されるため、振動子に与えるエネルギは小さくても必要な圧縮応力を残留させることができるが、振動子５自体の位置制御が難しくなる。よって、本実施例ではその距離を好適には５ｍｍ以下とし、且つ、少なくとも１ｍｍ程度の距離を確保するものとした。
【００２３】
液体２は常時注入されるようになっており、支持部７ｂ３と被加工物３の表面との間の隙間もしくは、支持部７ｂ３が円周方向に分割されている場合は支持部７ｂ３相互間の隙間を通って、脚部７ｂ１と支持部７ｂ３とで形成した環状の隙間に入り、脚部７ｂ１に明けられた孔７ｂ２を通って外部に流出する。このため、液体貯留部８の液位は常に孔７ｂ２の液位に維持される。
【００２４】
この状態で電源６からアクチュエータ４に動作信号を送ってアクチュエータ４を動作させ、振動子５を液体２中で高周波振動させる。このときの振動子５の周波数は２（ｋＨｚ）であり、振幅は１０（μｍ）である。
【００２５】
なお、現在得られる振動子５としては、振幅が大きいものでも２００〜５００μｍ、周波数としては５０ｋＨｚ程度のものであると言われている。しかし、あまり振幅が大きいと、本実施の形態のような限られた空間でのキャビテーションの発生には好ましくない。同様に、周波数も高いほどキャビテーションのエネルギは大きくなるが、振動子５と被加工物３との距離との関係もあり、必ずしも最大の周波数を必要としない。
【００２６】
よって、本実施の形態では実験の結果より、振動子の振幅を１０μｍ以上、好ましくは３０μｍ程度までが望ましく、その周波数も１ｋＨｚ以上、好ましくは２ｋＨｚ程度までが望ましい。
【００２７】
この振動子５の振動により、液体貯留部８内で液体２にキャビテーションが発生する。このキャビテーション気泡の崩壊衝撃力は非常に大きいため、被加工物表面にてキャビテーション気泡を崩壊させることにより、被加工部３表面に圧縮応力が残留し、被加工部３表面の疲労強度を高め、応力腐食の改善、溶接部の引張残留応力を解放させることができる。
【００２８】
ピーニング装置を移動させる際は、シール材１０と被処理部３の表面との接触面から液体２が僅かづつ漏れるが、常時液体補給孔７ａ１から液体２が補給されているので、液位は一定に維持されている。
【００２９】
以上述べたように、本発明のピーニング処理方法および装置によれば、ケースから液体を供給することによって、振動子５と被加工物３の間に液体２を貯留したままの状態で、被加工物３の表面を自由に移動させてピーニング処理することができ、しかも台座部７ｂに移動用ローラ９を設けるようにしたので、ピーニング装置を簡単に移動させることができる。  
したがって、本発明のピーニング装置は小型でありながら、大型プラントの溶接部等の引張残留応力解放や疲労強度向上の現地施工に適したピーニング処理を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】ピーニング実験方法概略図。
【図２】ピーニングによる材料表面硬化グラフ。
【図３】ピーニング装置の一実施例の構成図。
【符号の説明】
【００３１】
１…水槽、２…液体、３…被加工物、４…アクチュエータ、５…振動子、６…電源、７…ピーニング装置ケース、７ａ…アクチュエータ収納部、７ａ１…液体補給孔、７ｂ…台座部、７ｂ１…脚部、７ｂ２…孔、７ｂ３…支持部、８…液体貯留部、９…移動用ローラ、１０…シール材、１１…移動用取手。
【図１】
2005254367.tif 000003
【図２】
2005254367.tif 000004
【図３】
2005254367.tif 000005