(57)【要約】      （修正有）【課題】特に専門的な装置を必要とすることなく、既存の装置を使用してワークピース内の厚さ方向にわたる応力分布を測定する方法を提供する。【解決手段】ワークピースを第１ポジション及び該第１ポジションから離間した第２ポジションでクランプするステップ４４と、第１の材料除去作業を前記第１ポジションと前記第２ポジションとの中間における第３ポジションで行うステップと、前記ワークピースを前記第２ポジションで釈放するステップ５４と、前記ワークピースにおける前記第１変形量を測定するステップ５６と、前記第１変形量から前記ワークピース内の前記残留応力を決定するステップ６０と、を有する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
コンポーネント内の厚さ方向にわたる残留応力を測定する方法であって、
ワークピースを第１ポジション及び該第１ポジションから離間した第２ポジションでクランプするステップと、
第１の材料除去作業を前記第１ポジションと前記第２ポジションとの中間における第３ポジションで行うステップと、
前記ワークピースを前記第２ポジションで釈放するステップと、
前記ワークピースにおける前記第１変形量を測定するステップと、
前記第１変形量から前記ワークピース内の前記残留応力を決定するステップと、
を有する、方法。
【請求項２】
請求項１に記載の方法において、前記ワークピースにおける前記第１変形量を測定するステップに引き続き、
前記ワークピースを前記第２ポジションで再クランプするステップと、
前記第３ポジションでさらなる前記材料除去作業を行うステップと、
さらなる前記材料除去作業後の、前記ワークピースにおけるさらなる変形量を測定するステップと、
前記ワークピースにおけるさらなる前記変形量に基づいてさらなる前記残留応力を決定するステップと、
を有する、方法。
【請求項３】
請求項２に記載の方法において、前記再クランプするステップ、さらなる前記材料除去作業を行うステップ及びさらなる前記残留応力を決定するステップを繰り返して、前記ワークピース内の厚さ方向にわたる前記残留応力分布を表出させる、方法。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法において、前記測定ステップは、前記第３ポジションで行う、方法。
【請求項５】
請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法において、前記残留応力を決定するステップは、前記測定ポジション以外のポジションで前記ワークピースの最大変形量を算出するステップを有する、方法。
【請求項６】
金属コンポーネント内の厚さ方向にわたる残留応力を測定する装置であって、
第１クランプと、
前記第１クランプから離間した第２クランプと、
前記クランプ相互間のポジションで、前記クランプにより保持されたワークピースの材料除去作業を行うよう構成した加工工具と、
前記第１及び第２のクランプ相互間に配置したたわみ測定装置と、
を備えた、装置。
【請求項７】
請求項６に記載の金属コンポーネント内の厚さ方向にわたる残留応力を測定するための装置において、前記たわみ測定装置は、前記クランプ相互間の前記加工工具と同一ポジションに配置した、装置。
【請求項８】
請求項７に記載の金属コンポーネント内の厚さ方向にわたる残留応力を測定するための装置において、前記たわみ測定装置は、使用にあたり、前記加工工具に対して、前記ワークピースの反対側に位置するよう配置した、装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、コンポーネント内（構成部材）の残留応力を測定する方法及び装置に関する。より具体的には、特に金属で構成したエンジニアリング・コンポーネント内の厚さ方向にわたる残留応力であって、圧延（ロール）成形などの製造工程から発生した残留応力を測定する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
圧延成形などの製造工程は、コンポーネントの厚さ方向にわたる残留応力を発生させる。このような応力は、即座に表顕するものではなく、なぜならこのような応力は、基本的にビレット（鋼片）の厚さ全体にわたって対称的になる傾向がある（従って正味歪みを生ずるものではない）からである。残留応力は、コンポーネントの使用時に問題を引き起こす。なぜなら加えた荷重が、コンポーネント内に予想以上の応力を発生することがあるからである。さらに、コンポーネントを圧延後にある大きさに機械加工する場合、残留応力により、機械加工後に予期しない歪みを生ずることがある。
【０００３】
これら残留応力を測定することができ、従ってコンポーネントの使用時又は後の機械加工時にこれらの残留応力を考慮できることは有益である。このことにより、予想外に大きな応力に起因してコンポーネントの寿命が予期しないほど短縮するのをすべて回避すると共に、コンポーネントの製造時に歪みが生ずるのを回避できるよう、残留応力を考慮に入れることが可能になる。
【０００４】
残留応力を測定するための既知の方法には、スリット形成法や深穴穿孔法などの技術があり、これら方法においては、歪みゲージを使用してコンポーネント内部の歪みを測定し、この歪みに基づいて該当箇所の残留応力を測定する。これら技術は、専門的な装置及び歪みゲージを必要とするが、いずれも基本的には製造環境で使用するものではなく、主に試験室で使用するシステムである。従って残留応力場の測定は、時間のかかる高コストなプロセスであり、コンポーネントを適切な施設に運搬して検査することを含む。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の目的は、上述した欠点を軽減するための方法を得ることにある。本発明の方法は、特に専門的な装置を必要とすることなく、既存の装置を使用して適用できる。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の第１態様においては、コンポーネント内の厚さ方向にわたる残留応力を測定する方法を提供し、この方法は、
ワークピースを第１ポジション及びこの第１ポジションから離間した第２ポジションでクランプするステップと、
第１の材料除去作業を第１ポジションと第２ポジションとの中間における第３ポジションで行うステップと、
ワークピースを第２ポジションで釈放するステップと、
ワークピースにおける第１変形量から残留応力を決定するステップと、
を有する。
【０００７】
好適には、上述の方法は、ワークピースの第１変形量を測定するステップに引き続き、
ワークピースを第２ポジションで再クランプするステップと、
第３ポジションでさらなる材料除去作業を行うステップと、
さらなる材料除去作業後に、ワークピースにおけるさらなる変形量を測定するステップと、
ワークピースにおけるさらなる変形量に基づいてさらなる残留応力を決定するステップと、
を有する。
【０００８】
好適には、再クランプするステップ、さらなる材料除去作業を行うステップ及びさらなる残留応力を決定するステップを繰り返して、ワークピース内の厚さ方向にわたる残留応力分布を表出させる。
【０００９】
好適には、上述の測定ステップは、第３ポジションで行う。
【００１０】
本発明の第２態様においては、金属コンポーネント内の厚さ方向にわたる残留応力を測定する装置を提供し、この装置は、
第１クランプと、
第１クランプから離間した第２クランプと、
クランプ相互間のポジションにおいて、クランプにより保持されたワークピースの材料除去作業を行うよう構成した加工工具と、
第１及び第２のクランプ相互間に配置したたわみ測定装置と、
を備える。
【００１１】
好適には、たわみ測定装置は、クランプ相互間の加工工具と同一ポジションに配置する。
【００１２】
好適には、たわみ測定装置は、使用にあたり加工工具に対して、ワークピースの反対側に位置するよう配置する。
【００１３】
以下、本発明による例示的なプロセス及び装置を以下の添付図面につき説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】例示的な応力分布を示す一例としてのワークピースの概略的側断面図である。
【図２】本発明の第２態様による装置における概略的側面図である。
【図３】本発明による方法のプロセス図である。
【図４】図２に示す装置において、一方のクランプアセンブリを釈放したワークピースの変形量を示す説明図である。
【図５】ワークピースに生ずる応力の算出方法を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
図１は、圧延（ロール）成形などの既知の製造プロセスにより形成したワークピース１０を示す。応力プロット１２は、どのように残留応力が、ワークピース１０の厚さ全体にわたって、圧縮（Ｃ）から引張（Ｔ）までの範囲で変化するかを示す。図に示すように、応力プロットは、ワークピースの長手方向軸線Ｌ周りに対称的であり、またこのように応力のバランスが取れているため、ワークピースはこの状態では幾何学的に安定している（即ち、残留応力は材料の変形から観測できない）。
【００１６】
本発明によれば、切削ライン１４及び１６で示すような切削の機械加工作業を実施することにより、非対称的な応力分布１２を生じ、従ってワークピース１０にたわみを生じさせる。応力分布における非対称性の結果、ワークピース１０に曲げ応力を誘発する。ワークピースを釈放し、また非対称的な応力下で変形させることにより、残留応力の度合いを測定することができる。
【００１７】
図２は、本発明による方法を実施するための装置１８を示す。
【００１８】
工作台２０は、この工作台２０に据え付けたジグベース２２を有し、このジグベース２２は、ジグベース２２の互いに対向する両側の端部から突出する第１支持体２４及び第２支持体２６を有する。支持体２４，２６は、距離Ｄだけ互いに離間させ、またワークピースを支持するよう構成する（例えば、支持部２４，２６の相対間隔は調整可能にし、ワークピース１０の適切な支持を行うことができるようにする）。各支持体２４，２６は、ワークピース１０を垂直方向に支持する。
【００１９】
たわみプローブ２８は、ジグベース２２から上方に突出させて、支持部２４，２６の中間位置でワークピース１０に接触させ、またワークピースにおけるいかなるたわみをも測定するよう構成する。
【００２０】
第１及び第２の支持体２４，２６の両側には、調整可能なクランプアセンブリ３０，３２を設ける。各クランプアセンブリ３０，３２はクランプ部材３４を有し、このクランプ部材３４は、ワークピース１０をクランプ部材３４と各支持体との間でクランプするよう構成する。クランプ部材３４はシリンダ３６に連結し、このシリンダ３６はピストン３８に着座し、またレバー４０を使用して上方及び下方に移動させることにより、ワークピース１０をクランプ及び釈放することができる。
【００２１】
加工工具４２は、ワークピース１０の上面に対して、たわみプローブ２８の対応する位置で降下することができる。加工工具４２は、ワークピース１０内に既知の距離だけシーケンシャル（逐次的）に切削を施すことができ、また運動変換器を設けることにより、ワークピース１０に対する切削深さを記録することができる。
【００２２】
留意すべきは、クランプ３２のうち一方又は双方は、以下により詳細に述べるように、コンピュータ制御したアクチュエータにより自動で作動させることができる。
【００２３】
図３は、本発明による例示的な方法をフローチャートとして示す。
【００２４】
ステップ４４において、ジグ及びワークピースをセットアップし、ワークピース１０を装置１８内にクランプする。
【００２５】
ステップ４６において、切削条件を加工センサ又は制御コンピュータに手動で入力する。例えばシステムは、Ｎ＝５０回の切削をそれぞれｄ＝１ｍｍの量で施すよう設定することができる。
【００２６】
ステップ４８において、カウント変数ｎは、ｎ＝１に初期化する。
【００２７】
ステップ５０において、ｎの値は、ｎ＝Ｎであるかを確認するために照合する（即ち、システムが所望の切削回数に達したか否かを確認する）。
【００２８】
ステップ５２において、ｎを切削深さｄに乗算した後、加工工具４２は、ｎ×ｄの距離だけワークピースの初期上面データからワークピース１０に向け前進する。
【００２９】
ステップ５４において、クランプ３２をコンピュータにより釈放する。
【００３０】
ステップ５６において、たわみプローブ２８を使用してワークピース１０のたわみ量を測定する。このデータをコンピュータに保存する。
【００３１】
ステップ５８において、クランプ３２を再度適用してたわみプローブを初期状態（ゼロ）に戻す。
【００３２】
ステップ６０において、ｎ＝ｎ＋１とし、このポイントでプロセスはステップ５０に戻る。ステップ５０において、ｎ＝Ｎ（要求した最大切削回数）であれば、プロセスはステップ６２に進み、このステップ６２においてプロセスが完了する。
【００３３】
上述したプロセスに従って、ｎの各値に対する複数のたわみ量が取得される。材料内の残留応力がこれら各たわみ量に対して算出することができ、従ってワークピース全体にわたる応力分布のプロファイルを得ることができる。図１に示すような対称的な応力分布に関して留意すべきは、材料１０の厚さの半分だけを加工すればよいことである。
【００３４】
ワークピース全体にわたる応力は、以下のように算出することができる：
図４及び図５において、ワークピース１０のたわみ量は、円セグメントに近似するものと仮定され、この円セグメントは一般方程式ｒ２＝ｘ２＋ｙ２に支配される。
図５に示すように、曲率半径をｙｍとし、測定を左側のクランプからxIの距離で行い、またyIが測定した変位量であると仮定した場合、次式のとおりである。
【数１】
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【００３５】
試料の所定基準長さｌｆに対して、基準点からの最大変形距離であるｆを求めるためには、次式のとおりである。
【数２】
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【００３６】
したがって、ワークピース１０に沿うポイントで測定した変形量を利用して、最大変形距離を算出することができる。
ワークピースの最大たわみ量を利用して、切削深さでの残留応力を算出することができる。
【００３７】
本発明の改変も、本発明の範囲に含まれる。本発明によるプロセスはＣＮＣシステムにより制御することができ、このＣＮＣシステムにおいて、制御は、図２に示す装置に委ねられ、また結果、すなわちたわみ量測定値を、分析用にＰＣにフィードバックする。
【００３８】
代案として、本発明によるプロセスは手動で実施することができる。この場合、ユーザーが手動でクランプ３２をクランプ及びクランプ解除を行い、また手動の測定装置を使用し、再クランプし及び再加工を行って適切な測定をする。
【００３９】
本発明によるプロセスは、垂直方向及び水平方向のベッドテーブルで実施することができる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
2013083647.tif 000008
【図５】
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【外国語明細書】
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