振動疲労強度におけるショットピーニングによる表面塑性加工の効果の検討
岡山大学 大学院自然科学研究科助教 坂本 惇司（平成 29 年度 奨励研究助成 B（萌芽的研究） AF-2017042）
キーワード：ショットピーニング，振動疲労強度，圧縮残留応力

１．研究の目的と背景

その際に，中央部以外に投射材が当たらないように，マス自動車，航空機等の輸送機器に代表されるように，振動キングテープで他の部分を覆った．また，図２より，ショを受ける実機械において，その振動の大きさ，方向，周波

ットピーニング処理により，表面に微小な凹凸ができたた

１）

数等はランダムである場合が多い ．複数の方向に負荷がめ，表面の光沢が無くなっていることが分かる．本研究で加わる多軸負荷の場合，一方向の同一荷重の単軸負荷に比は，それらの 2 種類の試験片を用いて試験を行った．

べて，大幅に低下することがあることが知られている．そのため，それらの機械の長期信頼性を確保するためには，

表１

アルミニウム合金 A5056 の化学成分

振動の大きさ，方向，周波数がランダムである多軸ランダ

SiFeCuMnMg

CrZn

Al

ム振動を受ける材料の疲労強度評価を適切に行う必要が0.05

0.12

0.01

0.06

4.5

0.06

0.01

Bal.

あり，その疲労強度向上も望まれる．しかし，多軸ランダ
ム振動を受ける材料の疲労強度に関する研究は行われて

表２いるもの２），３）の不明な点が多く，さらに，振動疲労強度

0.2%耐力

引張り強さ

伸び120 MPa

250 MPa

41%を向上させる方法についても不明な点が多い．

アルミニウム合金 A5056 の機械的性質

そこで，本研究では，多軸ランダム振動下の材料の疲労強度とその振動下の疲労強度におけるショットピーニン

15 mm

グの効果を検討することを目的とし，ショットピーニング

R20処理をしていない試験片とショットピーニング処理をしf18 mmた試験片を用いて振動試験を行い，3 軸ひずみゲージを用いて試験片に負荷されるひずみを測定し，振動疲労時の応120°

力場とそれに及ぼすショットピーニングの影響を考察した．

84 mm

２．実験方法2・1材料

材料は，市販のアルミニウム合金 A5056 押出棒材を用いた．表１および表２に，その化学成分と機械的性質をそれ15 mmぞれ示す．図１に，試験片の形状および寸法を示す．試験片は，破壊起点が多軸状態となるよう，Y 字型の試験片の中央部に貫通穴を導入した．また，Y 字の先端に重りを装

図１

試験片の形状および寸法着できるようにねじ穴を設けた．
2・2

ショットピーニング処理

ショットピーニング処理は，新東工業株式会社製の重力吸引式エアーブラスト装置 My BLAST MY-24 を用いて行った．投射材として直径 0.2 mm のスチールを用いて，投射圧力 0.6 MPa で，投射時間はカバレージ 300～400%となるようにショットピーニング処理を行った．ショットピーニ
ング処理を行っていない試験片をショットピーニング未処理材，ショットピーニング処理を行った試験片をショットピーニング処理材と呼ぶ．図２に，ショットピーニング未処理材とショットピーニング処理材の様子を示す．図２に示すように，ショットピーニング処理は，試験片で応力が集中する中央部のみに，360 度全ての方向から行った．

ショットピーニング未処理材

ショットピーニング処理材

図２ ショットピーニング未処理材とショットピーニング処理材

2・3振動試験

振動試験は，Qualmark 社の Typhoon2.5 を用いて行った．
振動試験は，25℃の窒素環境中で，振動台を 10～5000 Hzのランダムな周波数で，x, y, z 軸の 3 方向とそれらの各回転軸の計 6 軸の振動をランダムに発生させて行った．試験条件は，重力加速度 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70 Grmsの 7 条件でそれぞれ 2 分間の振動試験を行い，各重力加速度によるショットピーニングの有無による応力場の違いを測定した．また，ショットピーニング処理により導入された残留応力の緩和を調べるために，70 Grms の条件で 60

図４

ショットピーニング未処理材の重力加速度 70 Grms
時の 0.1 秒間における 3 方向のひずみの変化分間の振動試験を行い，ショットピーニングの有無による応力場の変化を測定した．図３に，振動試験装置内の振動台に試験片を設置した状態を示す．図３に示すように，ひずみゲージは 3 軸方向のひずみが測定可能な 3 軸ひずみゲージを用いて Y 字試験片の上面において，x 方向および x方向から±45°方向のひずみを測定した．本研究で試験片に負荷されたひずみは，ほぼ弾性範囲内であったため，ヤング率 70 GPa，ポアソン比 0.3 として，ひずみから応力を算出した．

試験片

振動台

重り

3軸ひずみゲージ

z y

図５x冶具

ショットピーニング未処理材の重力加速度 70 Grms時の 0.1 秒間における主応力と主応力方向の変化

図３ 振動台に設置した重りを付けた試験片

３．結果および考察
図４に，ショットピーニング未処理材の重力加速度 70
Grms 時の 0.1 秒間における 3 方向のひずみの変化を示す．0度方向のひずみが一番大きく，-45 度と 45 度方向のひずみはほぼ同程度であることが分かる．また，3 方向のひずみはほぼ同位相であることが分かる．この 3 方向のひずみを基に，主応力と主応力方向を算出した．
図５に，ショットピーニング未処理材の重力加速度 70
Grms 時の 0.1 秒間における最大主応力と最小主応力の変化と主応力方向の変化を示す．最大主応力と最小主応力のピーク値が一定値でないことが分かる．また，最大主応力が最大となるとき，主応力方向はほぼ 0 度であり，最小主応力が最小となるとき，主応力方向はほぼ±90 度である．
このことから，本試験片の測定箇所においては，0 度方向である長手方向に引張圧縮の荷重が繰返し負荷されていることが分かる．また，0.1 秒間の間に，最大主応力と最小主応力ともにおよそ 40 回のピークが確認されるため，その負荷周波数はおよそ 400 Hz である．

図６

ショットピーニング処理材の重力加速度 70 Grms 時の 0.1 秒間における主応力と主応力方向の変化

図６に，ショットピーニング処理材の重力加速度 70 Grms

るため，その負荷周波数はおよそ 400 Hz である．したが時の 0.1 秒間における最大主応力と最小主応力の変化とって，ショットピーニング処理材の主応力の方向と負荷周主応力の変化を示す．ショットピーニング処理材において，波数は，ショットピーニング未処理材と同等であり，その最大主応力が最大となるとき，主応力方向はほぼ 0 度であ点に関してはショットピーニングによる影響は見られな

り，最小主応力が最小となるとき，主応力方向はほぼ±90かった．

度である．また，負荷周波数は，0.1 秒間の間に，最大主図７に，ショットピーニング未処理材およびショットピ応力と最小主応力ともにおよそ 40 回のピークが確認されーニング処理材の各重力加速度負荷時の 0.1 秒間における 40 回の最大主応力のピーク値の分布を示す．ショット
ピーニング未処理材とショットピーニング処理材で同様の傾向が見られ，最大主応力のピーク値は分布を持ち，重力加速度が大きくなるにつれて，最大主応力のピーク値の分布は広がり，最大主応力のピーク値の最頻値は大きくなる．グラフの横軸のスケールの関係上，低重力加速度時の最大主応力のピーク値の分布はグラフに表れていないが，分布の形は各重力加速度で同様の形であった．
図８に，ショットピーニング未処理材およびショットピーニング処理材の最大主応力のピーク値の平均値と重力加速度の関係を示す．両者ともに，重力加速度が増加するにつれて，最大主応力の平均値もほぼ増加しているが，重力加速度が増加するにも関わらず，最大主応力の平均値が増加しない箇所（ショットピーニング未処理材における50 Grms と 60 Grms，ショットピーニング処理材における 40Grms と 50 Grms）が見られる．重り部分に加わる荷重は，重力加速度に比例して増加するため，一方向の振動モードであれば，理論的には重力加速度と最大主応力のピーク値の平均値の関係は比例関係になると考えられる．したがって，重力加速度が増加するにも関わらず，最大主応力の平均値が増加しない理由としては，わずかに主応力方向が変化す

図７

ショットピーニング未処理材およびショットピーニング処理材の各重力加速度負荷時の 0.1 秒間における 40 回の最大主応力のピーク値の分布ることが考えられる．
図９に，70 Grms で 1 時間の振動試験を行ったショットピーニング処理材の最大主応力のピーク値の平均値の時間変化を示す．プロットの値は，各時間帯の 2 秒間（800 個）の平均値である．図８の重力加速度 70 Grms 時の値と異な

図８

ショットピーニング未処理材およびショットピーニング処理材における 0.1 秒間における最大主応力のピーク値の平均値と重力加速度の関係

図９

ショットピーニング処理材における最大主応力のピーク値の平均値の時間変化

るのは，データを算出した試験片と平均値を算出するため(2) ショットピーニング処理材の振動試験中において，に使用したデータ数が異なるためである．ショットピーニ

70 Grms で 1 時間の試験を行った場合でも応力の変化

ング処理材において，振動を受けることによって，残留応が見られなかった．したがって，弾性範囲の負荷を力が緩和され応力が増加すると考えていたが，70 Grms で 1受けても，残留応力の緩和はほぼしないと考えられ時間の試験を行った場合でも応力の変化が見られなかっる．

謝た．今回の振動条件はほぼ弾性範囲の負荷であり，その範囲においては，残留応力の緩和はほぼしないと考えられる．

辞本研究は，公益財団法人天田財団の平成 29 年度奨励研
究助成 B（萌芽的研究）AF-2017042 の支援を受けて実施し４．結言ました．心より深く感謝いたします．振動試験の実施にお本研究では，アルミニウム合金 A5056 を対象として，シいては横浜国立大学リスク共生社会創造センターの HALTョットピーニング未処理材とショットピーニング処理材研究コンソーシアムに，ショットピーニングの実施においの 2 種類の試験片を用いて多軸ランダム振動試験を行っては兵庫県立大学の原田泰典教授にご支援いただきました．3 軸ひずみゲージを用いたひずみの測定を行い，応力た．心より深く感謝いたします．

場およびそれに及ぼすショットピーニングの影響を考察参考文献した．その結果，以下の知見が得られた．

1)藤田真治・小山雄史：CAE 活用による車載用機構部品の(1) 主応力の方向は，重力加速度によらず，ほぼ一方向試作レス開発，富士通テン技報，33-1 (2016), 45-50.

であり，そのピークの周波数はおよそ 400 Hz であっ

2)D. Gregory et al.: Comparison of the response of a

た．主応力の大きさは，一定ではなく分布をもつ．

simple structure to single axis and multiple axis

大まかな傾向としては，主応力の大きさの平均値とrandom vibration inputs, Proc. 79th Shock and重力加速度はほぼ比例するが，重力加速度が増加す

Vibration, (2008).

るにも関わらず，最大主応力の平均値が増加しない

3)J. Sakamoto, T. Shibutani: Analysis of fatigue

箇所が見られた．この理由としては，わずかに主応

damage of aluminum alloy under multiaxial random

力方向が変化することが考えられる．

vibration, Procedia Structural Integrity, 13 (2018),
529-534.