技術紹介

穿孔法による超高張力鋼板カップ絞り品の残留応力測定
郡亜美 *1Kohri Ami

鈴木優平 *1

三上Suzuki Yuhei

落合勇太

隆男 *2

Mikami Takao*3

Ochiai Yuta

松野崇 *4

Matsuno Takashi

製品の表面付近の高い引張残留応力は疲労破壊や遅れ破壊の原因となる。今回、超高張力鋼板をプレス加工した供試体を用い、穿孔法で残留応力測定した例を紹介する。

キーワード：残留応力、内部応力、プレス加工品、穿孔法、X 線回折法、sin2y 法の穿孔法が有効であるが、プレス加工品のような1. はじめに薄肉の製品は規格の適用外となることがある。

自動車産業では、軽量化と高い強度を保つため

今回、カップ絞り品を供試体として用い、内部に超高張力鋼板が用いられている。超高張力鋼板の残留応力を穿孔法によって測定した。また、結のプレス加工では高い残留応力が発生し、さまざ果の妥当性評価のために、X 線回折法による表層まな不具合を引き起こす要因となる。切削加工に部の残留応力測定を実施した。

より残留応力が解放されることで反りなどの変形2. 供試体が発生したり、表面付近の高い引張残留応力によって疲労破壊や遅れ破壊が発生したりする。製供試鋼は自動車用冷間圧延薄鋼板である品の性能や品質のために残留応力を把握すること

JSC1180Y の 1.4mm 厚材を用いた。これを図 1 には必要である。

示す要領で絞り加工し、カップ状に成形したもの

プレス加工品の残留応力測定には X 線回折法にを供試体とした。供試体外観写真を図 2 に示す。

よる表層部の測定が用いられており、内部の応力成形品の全周には、金型との擦れによる摺動痕が状態についてはあまり評価されていない。内部の残発生していた。表 1 に供試鋼の機械特性を、表 2しゅう（1）に供試体の寸法を示す。

留応力状態を把握するには ASTM E837-13a 規格*1：計測事業部 計測技術部 磯子グループ*2：元フェロー 博士（工学）、技術士（機械部門）、環境計量士（騒音・振動関係）、一般計量士、JSNDI ひずみ測定・レベル 3*3：鳥取大学大学院工学研究科*4：鳥取大学工学研究科 准教授 博士（工学）—36—

（a）パンチ側（b）ダイ側

図1

絞り加工の概略図

図2

供試体外観写真

表1

供試鋼の機械特性

表2

供試体寸法

図 2 の赤いマーカー 5 か所であり、カップ端部か

3. 残留応力測定

ら の 距 離 は 1mm、7mm、12mm、16mm、21.5mm

3.1 X 線回折法である。測定方向は、カップの周方向と、高さ方X 線回折法による測定には、sin2y 法の X-stress3000向の 2 方向を測定した。

を用いた。測定条件を表 3 に示す。測定位置は、—37—

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表3X 線回折法の測定条件

3.2 穿孔法

測定では貫通穴を採用し、均一応力解析を適用す

穿孔法は ASTM E837-13a で規格化された残留る。
“厚肉”の場合は t ≧ 1.0D であり、均一応力解応力測定方法である。この規格は、測定対象物が析と、深さ方向に大きな変化がある不均一応力解穿孔径に比べて十分小さい厚さを有する“薄肉”ま析の両方が規定されている。薄肉と厚肉の中間のたは穿孔径に比べて十分大きい厚さを有する“厚肉厚については規定されておらず、今回の測定に肉”の場合について測定方法、解析方法を定めてい用いた供試体（t = 1.4mm）はロゼットひずみゲージ（1）る 。薄肉と厚肉の分類は、用いるロゼットひず（f 2.57mm）との関係から中間肉厚にあたる。本供

みゲージのゲージ円と供試体の厚みで決定され試体には深さ方向に応力分布が発生していると想る。ゲージ円とは、図 3 に示すようにゲージ受感定して、不均一応力解析を適用した。穿孔径は部の中心を通る円の直径のことである。供試体のf 1mm、測定深さは 0.5mm で、応力解析ピッチは肉厚を t、ロゼットひずみゲージのゲージ円直径0.025mm × 20 step である。測定位置は図 4 に示すを D とすると、“薄肉”の定義は t ≦ 0.2D であり、ように、摺動痕のないエッジから 4.5mm 離れた位

図3（1）

ロゼットひずみゲージ概略図

図4

穿孔法の測定位置—38—

置と、摺動痕のあるエッジから 11mm の位置で測と ほ ぼ 応 力 が な い 状 態 か ら 0.1mm 付 近 ま で で定した。穿孔の影響がないように、これら 2 つの測200MPa 程まで上昇し、深さと共に引張応力が約定点は 180 度回転させた位置となっている。

600MPa まで上昇した。
これらの結果と、X 線回折法による表層部の測4. 測定結果

定結果を比較するために、摺動痕がない 7mm 位
置の X 線回折法の測定結果を図 6 にプロットす4.1 表層部の残留応力測定結果
X 線回折法によって測定した表層部分の残留応る。X 線回折法による表層部の応力測定値は、穿力測定結果を図 5 に示す。図中の灰色の塗りつぶ孔法の表面付近の値を外挿した線状にあり、両測し部分（約 8 ～ 17mm）は、摺動痕のあった領域で定結果は良い関係性を示した。

ある。周方向の応力は、摺動痕以外の位置では全摺動痕がある位置の深さ方向の残留応力測定結て引張であり、約 150 ～ 500MPa という高い引張応果を図 7 に示す。周方向の測定値は表面で -8MPa力が測定された。摺動痕のある範囲では、圧縮の応と残留応力はほぼ 0 である。0.1mm 付近までで力となっており -300 ～ -150MPa という結果であっ500MPa まで上昇し、0.25mm 付近で 300MPa までた。高さ方向の残留応力は表層付近では小さく、摺一度減少したあと再度 500MPa まで上昇しその後動痕のある 12mm の位置では圧縮の -300MPa となこの値を維持していた。応力の変動の度合いは摺り、端部から一番遠い位置では 600MPa と高い引張動痕がない部分と比べて大きいが、内部に行くに応力が測定された。

つれて 500MPa 付近の応力が維持している状態は似ていた。

4.2 深さ方向の残留応力測定結果

高さ方向の応力変動は、周方向と同じような挙摺動痕がない位置の深さ方向の残留応力測定結動を示しているが、表面で 300MPa の引張応力が果を図 6 に示す。周方向の残留応力は、表面からあり、0.1mm 付近では 900MPa まで上昇しその後深さ約 0.1mm で 270MPa から 500MPa まで上昇し、1000MPa 以上の値となっている。穿孔法の測定

0.1mm 以降は 500MPa 付近の引張応力状態を維持は、材料挙動が線形弾性を示す場合に適用が可能していた。高さ方向の測定結果は、表面では -5MPaである。規格には降伏応力の 80％未満の範囲で満図5X 線回折法による残留応力測定結果—

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図6

摺動痕がない位置（高さ 4.5mm）の穿孔法残留応力測定結果

図7

摺動痕位置（高さ 11mm）の穿孔法残留応力測定結果（1）

摺動痕がなかったものと同様に、穿孔法の表面付足のいく測定値が得られると記載があり 、降伏（2）応力に近い値は過大評価される 。絶対値として

近の測定値の外挿線上に X 線回折法の応力測定値満足のいく値は得られないが、この測定値から降が乗っていた。今回測定した全ての結果で X 線回伏応力に近い大きな応力が内部に発生していると折法と穿孔法は良い関係性を示し、規格で規定さ推測できる。

れていない中間肉厚の測定でも有効性が認められた。

摺動痕がある位置での X 線回折法の比較では、—40—

5. まとめ

参考文献

カップ絞り品の残留応力を X 線回折法と穿孔法（1） ASTM E837-13a：Standard Test Method forによって測定した。摺動痕のある位置において、Determining Residual Stresses by the Hole-

表層部には圧縮の残留応力が存在していたが、そDrilling Strain-Gauge Method, 2013のすぐ内側には高い引張応力が存在していること（2） P. V. Grant, J. D. Lord, P. S. Whitehead：Theがわかった。また、今回適用した穿孔法の測定方

Measurement of Residual Stresses by the法は規格で規定されていない中間肉厚であった

I n c r e m e n t a l H o l e D r i l l i n g Te c h n i q u e ,が、X 線回折法との比較から測定の有効性が認めMeasurement Good Practice Guide No.53,られた。

National Physical Laboratory, 2002

計測事業部
計測技術部
磯子グループ

計測事業部
計測技術部
磯子グループ郡鈴木 優平

亜美

TEL. 045-759-2085
FAX. 045-759-2119

TEL. 045-759-2085
FAX. 045-759-2119

元フェロー 博士（工学）、技術士（機械部門）、環境計量士（騒音・振動関係）、一般計量士、JSNDI ひずみ測定・レベル 3

鳥取大学大学院工学研究科

落合 勇太
TEL. 0857-31-5196
FAX. 0857-31-5210

三上 隆男
鳥取大学工学研究科准教授
博士（工学）

松野崇

TEL. 0857-31-5196
FAX. 0857-31-5210—41—

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