加工仕上がりに基づく疲労特性の推定方法及びその装置
【課題】任意の加工仕上がりを有する機械部品の低サイクル域における疲労寿命を簡便に評価できる加工仕上がりに基づく疲労強度推定方法及びその装置を提供する。
【解決手段】リファレンス材の修正グッドマン線図を作成しておき、他方、疲労強度と硬さとの関係式を求めると共に、疲労強度と粗さとの関係式を求めておき、機械部品の表面加工層の残留応力σresと硬さＨｖと粗さＲａとを測定した後、硬さＨｖを用いて疲労強度と硬さとの関係式から硬さ係数αを求めると共に、粗さＲａを用いて疲労強度と粗さとの関係式から粗さ係数βを求め、次に、残留応力σresを、機械部品に作用する平均応力σmと共に修正グッドマン線図に入力して、残留応力作用時の疲労強度Δεtを求め、求めた残留応力作用時の疲労強度Δεt,resに硬さ係数αと粗さ係数βとを乗算して機械部品の疲労強度Δεt,wrkを求める。
【解決手段】リファレンス材の修正グッドマン線図を作成しておき、他方、疲労強度と硬さとの関係式を求めると共に、疲労強度と粗さとの関係式を求めておき、機械部品の表面加工層の残留応力σresと硬さＨｖと粗さＲａとを測定した後、硬さＨｖを用いて疲労強度と硬さとの関係式から硬さ係数αを求めると共に、粗さＲａを用いて疲労強度と粗さとの関係式から粗さ係数βを求め、次に、残留応力σresを、機械部品に作用する平均応力σmと共に修正グッドマン線図に入力して、残留応力作用時の疲労強度Δεtを求め、求めた残留応力作用時の疲労強度Δεt,resに硬さ係数αと粗さ係数βとを乗算して機械部品の疲労強度Δεt,wrkを求める。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、機械加工や表面処理された機械部品の疲労特性をその表面性状から推定する方法及びその装置に係り、特に、リファレンス材の疲労特性に基づいて、機械部品の表面性状とリファレンス材の表面性状とから機械部品の疲労特性を推定する加工仕上がりに基づく疲労強度推定方法及びその装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
機械加工や表面処理（例えば、ショットピーニング、浸炭、窒化など）によって、機械部品の表面に形成される加工層は、その部位の疲労強度に著しい影響を与えることが知られている。
【０００３】
疲労とは、材料に繰返し負荷を加えたとき、静的な破壊強度よりも充分小さい場合でも、ある繰返し数の後に材料内に割れが発生し、これが成長して破壊に至る現象のことを言う。材料に作用した応力（またはひずみ）と、破断繰返し数の間には、図４に示すように両対数で直線関係があり、これをＳＮ線図と呼ぶ。
【０００４】
一般に、加工によって疲労強度に影響を与える因子として、表面の凹凸（粗さ）、表面加工硬化層、表面残留応力が挙げられる。従来、これらの表面性状から疲労強度を評価する方法は、いくつか提案されてきた。
【０００５】
例えば、非特許文献１では、表面粗さ、表面硬さ、表面残留応力等を考慮して、評価対象となる機械部品の疲労限を予測する方法が提案されている。なお、一般に、１０7サイクルまで繰返し負荷を加えても破壊を生じない限界の応力（またはひずみ）を、疲労限と呼ぶ。
【０００６】
非特許文献２では、表面粗さ、表面硬さ、表面残留応力等を考慮して、割れ（き裂）がどのように進展するかを予測し、疲労強度を予測する方法が提案されている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】村上敬宜、小林幹和、牧野泰三、鳥山寿之、栗原義昭、高崎惣一、江原隆一郎、「ばね鋼の疲労強度に影響を及ぼす介在物、ショットピーニング、脱炭層、微小表面ピットの総合的評価」、ばね論文集、３９号、１９９４年、ｐｐ．７−１６
【非特許文献２】高橋文雄、丹下彰、小野芳樹、安藤柱、「ばね鋼の切欠き疲労強度予測」、ばね論文集、５１号、２００６年、ｐｐ．９−１５
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ところで、疲労強度（疲労寿命）を考慮した設計では、疲労限となる１０7サイクルよりも短い低サイクル域（例えば、１０4サイクル）での疲労強度の評価が必要となる場合がある。
【０００９】
しかし、非特許文献１では、疲労限（１０7サイクルでの疲労強度）のみを対象とした評価法であるため、このような低サイクル域での疲労強度を評価することはできない。
【００１０】
また、非特許文献２では、割れ（き裂）が最初からある状態での評価法であるため、低サイクル域での疲労強度を十分に評価することはできない。
【００１１】
本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、任意の加工仕上がりを有する機械部品の表面性状から、低サイクル域における疲労寿命を評価することができる加工仕上がりに基づく疲労強度推定方法及びその装置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】
【００１２】
上記目的を達成するために本発明は、機械加工や表面処理によって表面加工層が形成された機械部品の疲労強度を推定する方法において、前記機械部品と同じ材料で作製したリファレンス材のＳＮ線図を取得して、そのＳＮ線図から求めた疲労強度と、前記リファレンス材の引張強度とから修正グッドマン線図を作成しておき、他方、前記機械部品の表面加工層を模して表面硬化させた試験片のＳＮ線図を取得して、その試験片の疲労強度と硬さとの関係式を求めると共に、前記機械部品の表面加工層を模して表面粗さを有する試験片のＳＮ線図を取得して、その試験片の疲労強度と粗さとの関係式を求めておき、前記機械部品の表面加工層の残留応力と硬さと粗さとを測定した後、前記機械部品の表面加工層の硬さを用いて前記疲労強度と硬さとの関係式から硬さ係数を求めると共に、前記機械部品の表面加工層の粗さを用いて前記疲労強度と粗さとの関係式から粗さ係数を求め、次に、前記機械部品の表面加工層の残留応力を、前記機械部品に作用する平均応力と共に前記修正グッドマン線図に入力して、残留応力作用時の疲労強度を求め、求めた残留応力作用時の疲労強度に前記硬さ係数と前記粗さ係数とを乗算して前記機械部品の疲労強度を求める加工仕上がりに基づく疲労強度推定方法である。
【００１３】
前記疲労強度と硬さとの関係式は、下式
α＝Δεt／Δεt,ref
＝１＋（Ｈｖ−Ｈｖref）／ｍ×Ｈｖref ・・・（１）
但し、α：硬さ係数
Δεt：機械部品の疲労強度
Δεt,ref：リファレンス材の疲労強度
Ｈｖ：機械部品の表面硬さ
Ｈｖref：リファレンス材の表面硬さ
ｍ：材料定数
により表されてもよい。
【００１４】
前記疲労強度と粗さとの関係式は、下式
β＝Δεt／Δεt,ref
＝ａ＋ｂ×ｌｏｇＲａ （Ｒａ＞１０(1-a)/b）
＝１ （Ｒａ≦１０(1-a)/b） ・・・（２）
但し、β：粗さ係数
Δεt：機械部品の疲労強度
Δεt,ref：リファレンス材の疲労強度
ａ：材料定数
ｂ：材料定数
Ｒａ：粗さ（機械部品表面）
により表されてもよい。
【００１５】
また本発明は、機械加工や表面処理によって表面加工層が形成された機械部品の疲労強度を推定する装置において、前記機械部品と同じ材料で作製したリファレンス材のＳＮ線図を取得して、そのＳＮ線図から求めた疲労強度と、前記リファレンス材の引張強度とから修正グッドマン線図を作成しておく修正グッドマン線図作成部と、前記機械部品の表面加工層を模して表面硬化させた試験片のＳＮ線図を取得して、その試験片の疲労強度と硬さとの関係式を求めると共に、前記機械部品の表面加工層を模して表面粗さを有する試験片のＳＮ線図を取得して、その試験片の疲労強度と粗さとの関係式を求めておき、前記機械部品の表面加工層の残留応力と硬さと粗さとを測定した後、前記機械部品の表面加工層の硬さを用いて前記疲労強度と硬さとの関係式から硬さ係数を求めると共に、前記機械部品の表面加工層の粗さを用いて前記疲労強度と粗さとの関係式から粗さ係数を求め、次に、前記機械部品の表面加工層の残留応力を、前記機械部品に作用する平均応力と共に前記修正グッドマン線図に入力して、残留応力作用時の疲労強度を求め、求めた残留応力作用時の疲労強度に前記硬さ係数と前記粗さ係数とを乗算して前記機械部品の疲労強度を求める疲労強度推定部と、を備える加工仕上がりに基づく疲労強度推定装置である。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、任意の加工仕上がりを有する機械部品の表面性状から、低サイクル域における疲労寿命を評価することができる加工仕上がりに基づく疲労強度推定方法及びその装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の一実施の形態に係る、加工仕上がりに基づく疲労強度推定装置の構成を示す概要図である。
【図２】本発明の一実施の形態に係る、加工仕上がりに基づく疲労強度推定方法を示すフロー図である。
【図３】表面粗さと粗さ係数との関係を示す図である。
【図４】ＳＮ線図を示す図である。
【図５】修正グッドマン線図を示す図である。
【図６】材料の降伏現象による平均応力の緩和を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明の好適な実施の形態について図面に基づき説明する。
【００１９】
まず、本実施の形態に係る加工仕上がりに基づく疲労強度推定方法に用いるための疲労強度推定装置について説明する。なお本願明細書において「疲労強度」を定義する「疲労」とは、材料に割れが生じた状態、その材料に破損が生じた状態、さらに材料に破断が生じた状態など、の種々の状態を想定してよい。望ましくは、疲労強度を推定する対象物の、実用上で問題となる大きさの割れ（き裂）が生じた状態を「疲労」と想定するのがよい。
【００２０】
図１は、加工仕上がりに基づく疲労強度推定装置の構成を示す図である。
【００２１】
図１に示すように、疲労強度推定装置１１は、リファレンス材特性入力部１５と設定疲労負荷入力部１６と表面パラメータ入力部１７と材料定数入力部１８とからなる入力部１２と、リファレンス材特性記憶部１９と設定疲労負荷記憶部２０と修正グッドマン線図作成部２１と修正グッドマン線図記憶部２２と表面パラメータ記憶部２３と材料定数記憶部２４と疲労特性推定部２５と推定結果記憶部２６とからなる解析部１３と、推定結果出力部２７からなる出力部１４と、を備える。
【００２２】
リファレンス材特性入力部１５には、機械部品と同じ材料で作製したリファレンス材を用いて行う疲労試験の結果（ＳＮ線図）と、リファレンス材の引張特性（降伏応力および引張強さ）とが入力され、入力されたデータはリファレンス材特性記憶部１９に記憶される。
【００２３】
設定疲労負荷入力部１６には、評価対象となる機械部品に作用する疲労負荷の平均応力と、その繰返し数との設定値が入力され、入力された平均応力と繰返し数は設定疲労負荷記憶部２０に記憶される。
【００２４】
表面パラメータ入力部１７には、仕上げ加工により機械部品の表面に形成された表面加工層の残留応力と硬さと粗さとが入力され、入力された残留応力と硬さと粗さとは表面パラメータ記憶部２３に記憶される。
【００２５】
材料定数入力部１８には、疲労特性を推定するために予め求められた種々の材料定数が入力され、材料定数記憶部２４には、その種々の材料定数が記憶される。
【００２６】
修正グッドマン線図作成部２１は、リファレンス材特性記憶部１９に記憶されるリファレンス材のＳＮ線図と設定疲労負荷記憶部２０に記憶される疲労負荷の繰返し数とを読込み、設定された繰返し数に対応する疲労強度（全ひずみ範囲）をＳＮ線図から求めると共に、リファレンス材特性記憶部１９に記憶されるリファレンス材の引張強さを読込み、その引張強さと求めた全ひずみ範囲を応力に換算し修正グッドマン線図を作成する。
【００２７】
このとき、修正グッドマン線図作成部２１は予めリファレンス材特性記憶部１９からリファレンス材の降伏応力を読み込んでおき、リファレンス材に作用する疲労負荷の最大応力が降伏応力を超えるときには、後述するように材料の降伏現象による平均応力の緩和（シェイクダウン）を考慮して、修正グッドマン線図を作成する。
【００２８】
修正グッドマン線図作成部２１が作成した修正グッドマン線図は、修正グッドマン線図記憶部２２に記憶される。
【００２９】
疲労特性推定部２５は、修正グッドマン線図記憶部２２に記憶される修正グッドマン線図と、設定疲労負荷記憶部２０に記憶される平均応力と、表面パラメータ記憶部２３に記憶される残留応力とを読込み、これらから機械部品の残留応力作用時の疲労強度を求める。
【００３０】
さらに疲労特性推定部２５は、表面パラメータ記憶部２３に記憶される機械部品の表面加工層の硬さおよび粗さと、材料定数記憶部２４に記憶される種々の材料定数とを読込み、これらパラメータと、予め疲労特性推定部２５が記憶している、疲労強度と硬さとの関係式および疲労強度と粗さとの関係式とから、硬さ係数および粗さ係数を求めると共に、求めた硬さ係数と粗さ係数とを、残留応力作用時の疲労強度に乗算して、機械部品の疲労強度を求める。
【００３１】
疲労特性推定部２５が求めた疲労強度は、推定結果記憶部２６に記憶される。
【００３２】
推定結果出力部２７は、推定結果記憶部２６に記憶された疲労強度を、ディスプレイなどの表示器に出力する。
【００３３】
次に、本実施の形態に係る加工仕上がりに基づく疲労強度推定方法の推定手順について、疲労強度推定装置１１の動作フローと共に詳述する。
【００３４】
図２および図３に示すように、まずステップＳ２１において、評価対象となる機械部品と同じ材料を用いたリファレンス材（ＲＥＦ材）のＳＮ線図と引張特性（降伏応力σyおよび引張強さσB）とを求め、これらをリファレンス材特性入力部１５に入力する。リファレンス材は、機械部品と同じ材料で作製した後、鏡面加工と化学研磨処理などにより、表面粗さと表面残留応力ができるだけ小さくされると共に、表面硬さが材料固有の値となるように仕上げ加工される。なお本実施の形態では、疲労負荷の最大応力と最小応力の比が０となる（すなわち、最小応力が０である）片振り疲労試験により、各種ＳＮ線図を作成する。このようにすると、後述の修正グッドマン線図を簡便に作成することができるが、本発明は疲労試験の疲労負荷の形態を特に限るものではなく、例えば疲労負荷の最大応力と最小応力の比が−１となる（すなわち、最大応力と最小応力が等しく、かつそれらの平均応力σmが０となる）両振り疲労試験を用いることもできる。
【００３５】
次に、ステップＳ２２では、後述する疲労強度と硬さの関係式と、疲労強度と粗さの関係式とに入力するための材料定数ｍ、ａ、ｂを材料定数入力部１８に入力し、入力された材料定数ｍ、ａ、ｂは材料定数記憶部２４に記憶される。
【００３６】
材料定数ｍは、機械部品の表面加工層を模して、機械部品と同じ材料を用い、硬化加工（例えば、ショットピーニング、浸炭、窒化など）を行った種々の硬化試験片の表面硬さＨｖと疲労試験結果と、リファレンス材の表面硬さＨｖrefと疲労試験結果とを基に、下式（１）
α＝Δεt／Δεt,ref
＝１＋（Ｈｖ−Ｈｖref）／ｍ×Ｈｖref ・・・（１）
但し、α：硬さ係数
Δεt：機械部品の疲労強度
Δεt,ref：リファレンス材の疲労強度
Ｈｖ：機械部品の表面硬さ
Ｈｖref：リファレンス材の表面硬さ
ｍ：材料定数
で表される関係で回帰式を作成することにより求められ、機械部品の表面硬さＨｖおよびリファレンス材の表面硬さＨｖrefを用いて直線関係で表される。
【００３７】
また材料定数ａ、ｂは、機械部品の表面加工層を模して、機械部品と同じ材料を用い、図３に示すように、種々の粗さを有する試験片の表面粗さＲａと、リファレンス材の疲労試験結果とを基に、下式（２）
β＝Δεt／Δεt,ref
＝ａ＋ｂ×ｌｏｇＲａ （Ｒａ＞１０(1-a)/b）
＝１ （Ｒａ≦１０(1-a)/b） ・・・（２）
但し、β：粗さ係数
Δεt：機械部品の疲労強度
Δεt,ref：リファレンス材の疲労強度
ａ：材料定数
ｂ：材料定数
Ｒａ：粗さ（機械部品表面）
で表される関係で回帰式を作成することにより求められる。なお、図３では、各粗さを有する試験片の、所定の繰返し数（図３では１．０×１０4、５．０×１０4、１．０×１０5）における疲労強度Δεtの、リファレンス材の疲労強度Δεt,refに対する比を、試験片の有する粗さＲａの対数で整理したものを表しており、任意の粗さを有する試験片のリファレンス材に対する疲労強度比（すなわち、粗さ係数β）は、所定の粗さＲａ以上において、直線関係を示す。また所定の粗さ以下では、粗さは疲労強度に寄与しなくなるので、疲労強度比（すなわち、粗さ係数β）は１となる。
【００３８】
任意の粗さを有する試験片は、リファレンス材を任意の条件で加工して作製した試験片の表面を化学研磨したり、加工後に応力除去焼鈍するなどして、試験片表面に残留応力や加工硬化層を生じさせないように作製する。また硬化試験片は、リファレンス材から作製した試験片の表面をひずみ加工や研削加工後に鏡面研磨するなどし、表面粗さができるだけ小さくなるように作製する。また、表面硬さＨｖ、Ｈｖrefは超マイクロビッカース硬度計などを用いて測定し、試験片表面のビッカース硬さを求める。また、表面粗さＲａはプローブ走査式の表面粗さ測定機などを用いて測定し、試験片表面の算術平均粗さを求める。
【００３９】
求まったｍ、ａ、ｂは、後述するように、式（１）および式（２）に入力することで、リファレンス材の疲労特性から、機械部品の疲労特性を推定するための硬さ係数αと粗さ係数βを求めるためのものである。
【００４０】
なお、材料ごとに予め材料定数を求めて入力しておき、これをデータベース化しておくと、より低コストに機械部品の加工仕上がりに基づく疲労特性を推定できるため、好適である。
【００４１】
しかる後、ステップＳ２３において、評価対象である機械部品の表面加工層（すなわち、機械部品表面）の残留応力σres、硬さＨｖ、粗さＲａを測定する。残留応力σresの測定には、微小部Ｘ線応力測定装置を用いることができる。測定された残留応力σres、硬さＨｖ、粗さＲａは表面パラメータ入力部１７に入力される。
【００４２】
さらにステップＳ２４では、評価対象である機械部品に作用する疲労負荷の平均応力σmと、その繰返し数Ｎｆとを設定すると共に、これらを設定疲労負荷入力部１６に入力し、入力された平均応力σmおよび繰返し数Ｎｆは設定疲労負荷記憶部２０に記憶される。
【００４３】
次に、ステップＳ２５では、修正グッドマン線図作成部２１が、リファレンス材特性記憶部１９に記憶されるリファレンス材のＳＮ線図と、設定疲労負荷記憶部２０に記憶される繰返し数Ｎｆとを読込み、図４に示すように、繰返し数Ｎｆに対応する疲労強度Ｓ（ここでは、疲労強度Δεt,ref）をＳＮ線図から求める。
【００４４】
さらに修正グッドマン線図作成部２１は、ステップＳ２６において、リファレンス材特性記憶部１９から読み込んだリファレンス材の降伏応力σyおよび引張強さσBと、求めておいた疲労強度Δεt,ref（より詳細には、片振り疲労試験のＳＮ線図から求めておいた疲労強度Δεt,refの半値に、弾性率Ｅを乗算して求まる平均応力σmおよび応力振幅σa）とから、図５に示すような修正グッドマン線図を作成する。修正グッドマン線図は、部材に作用する疲労負荷の平均応力σmから、破断繰返し数Ｎｆとなる応力振幅σa（疲労強度Δεtの半値に弾性率Ｅを乗算して求まる値と等しい）を求めるための図である。なお、図５においては、正の応力値は引張応力（すなわち、負の応力値は圧縮応力）を表している。
【００４５】
このとき、設定した疲労負荷の最大応力（片振り疲労試験の場合、疲労強度Δεt,refに弾性率Ｅを乗算して求める値と等しい）が降伏応力σyを超えるときには、材料の降伏現象による平均応力σmの緩和（シェイクダウン）が発生する。シェイクダウンは、図６に示すように、材料の変形特性を弾完全塑性（塑性変形中に加工硬化を示さず、一定の降伏応力σy（＝Ｅ×εy）となる）で表現した場合（図６（ａ））、疲労負荷の最大応力が材料の降伏応力σy以下のσ1であるときには、平均応力σm1＝σ1／２（＝Ｅ×ε1／２）となる（図６（ｂ））が、疲労負荷の最大応力σ2が材料の降伏応力σyを超えると、材料が塑性変形し、その後の弾性除荷によって、想定された平均応力σm2＝σ2／２よりも低い平均応力σm3（＝σy−Ｅ×ε2／２）となる現象である。従って、最大応力が降伏応力σyを超えるときには、疲労負荷の平均応力σmを下式
σm＝σy−Ｅ×Δεt／２ ・・・（３）
から求め、シェイクダウンを考慮して修正グッドマン線図を作成する。作成した修正グッドマン線図は、修正グッドマン線図記憶部２２に記憶される。
【００４６】
その後、ステップＳ２７において、疲労特性推定部２５は、修正グッドマン線図記憶部２２に記憶される修正グッドマン線図と、設定疲労負荷記憶部２０に記憶される平均応力σmと、表面パラメータ記憶部２３に記憶される残留応力σresとを読込み、これらから機械部品の残留応力作用時の疲労強度Δεt,resを求める。
【００４７】
すなわち、図５に示すように、修正グッドマン線図に、設定された平均応力σmと、機械部品の表面加工層の残留応力σresの値（σm＋σres）を入力し、これに対応する疲労強度Δεt（応力振幅σaを２倍に乗算すると共に、弾性率Ｅで除算した値に等しい）を、残留応力作用時の疲労強度Δεt,resとする。
【００４８】
さらに疲労特性推定部２５は、ステップＳ２８において、表面パラメータ記憶部２３に記憶される硬さＨｖと、材料定数記憶部２４に記憶される材料定数ｍとを読込んで、予め疲労特性推定部２５が記憶している、疲労強度と硬さとの関係式である式（１）に入力して硬さ係数αを求めると共に、続くステップＳ２９では、表面パラメータ記憶部２３に記憶される粗さＲａと、材料定数記憶部２４に記憶される材料定数ａ、ｂとを読込んで、予め疲労特性推定部２５が記憶している、疲労強度と粗さとの関係式である式（２）に入力して粗さ係数βを求める。
【００４９】
しかる後、ステップＳ３０において、疲労特性推定部２５は、求めた残留応力作用時の疲労強度Δεt,resに、硬さ係数αと粗さ係数βとを乗算して、機械部品の推定疲労強度Δεt,wrkを求める。求めた疲労強度Δεt,wrkは、推定結果記憶部２６に記憶される。
【００５０】
推定結果記憶部２６に記憶された疲労強度Δεt,wrkは、推定結果出力部２７に出力され、この結果を基にユーザあるいは機械部品の設計者は、部材のメンテナンスの要否を判断したり、機械部品の仕上げ加工方法を検討するなどできる。
【００５１】
以上要するに、本発明の加工仕上がりに基づく疲労強度推定方法及びその装置においては、リファレンス材の疲労特性を予め取得しておくと共に、種々の硬化試験片及び粗さを有する試験片の疲労強度と表面性状との関係を求めておき、これらを用いることで、任意の加工仕上がりを有する機械部品の表面性状から、疲労限となる１０7サイクルよりも短い低サイクル域（例えば、１０4サイクル）における疲労強度（疲労寿命）の評価を簡便に行うことができる。
【００５２】
また、統計処理を行う必要がないために、低コストで低サイクル域の疲労強度を評価することができる。
【００５３】
本発明は上記実施の形態に限るものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で変更を加えることができる。
【符号の説明】
【００５４】
σres 残留応力
Ｈｖ 硬さ
Ｒａ 粗さ
α 硬さ係数
β 粗さ係数
σm 平均応力
Δεt,res 残留応力作用時の疲労強度
Δεt,wrk 疲労強度
【技術分野】
【０００１】
本発明は、機械加工や表面処理された機械部品の疲労特性をその表面性状から推定する方法及びその装置に係り、特に、リファレンス材の疲労特性に基づいて、機械部品の表面性状とリファレンス材の表面性状とから機械部品の疲労特性を推定する加工仕上がりに基づく疲労強度推定方法及びその装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
機械加工や表面処理（例えば、ショットピーニング、浸炭、窒化など）によって、機械部品の表面に形成される加工層は、その部位の疲労強度に著しい影響を与えることが知られている。
【０００３】
疲労とは、材料に繰返し負荷を加えたとき、静的な破壊強度よりも充分小さい場合でも、ある繰返し数の後に材料内に割れが発生し、これが成長して破壊に至る現象のことを言う。材料に作用した応力（またはひずみ）と、破断繰返し数の間には、図４に示すように両対数で直線関係があり、これをＳＮ線図と呼ぶ。
【０００４】
一般に、加工によって疲労強度に影響を与える因子として、表面の凹凸（粗さ）、表面加工硬化層、表面残留応力が挙げられる。従来、これらの表面性状から疲労強度を評価する方法は、いくつか提案されてきた。
【０００５】
例えば、非特許文献１では、表面粗さ、表面硬さ、表面残留応力等を考慮して、評価対象となる機械部品の疲労限を予測する方法が提案されている。なお、一般に、１０7サイクルまで繰返し負荷を加えても破壊を生じない限界の応力（またはひずみ）を、疲労限と呼ぶ。
【０００６】
非特許文献２では、表面粗さ、表面硬さ、表面残留応力等を考慮して、割れ（き裂）がどのように進展するかを予測し、疲労強度を予測する方法が提案されている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】村上敬宜、小林幹和、牧野泰三、鳥山寿之、栗原義昭、高崎惣一、江原隆一郎、「ばね鋼の疲労強度に影響を及ぼす介在物、ショットピーニング、脱炭層、微小表面ピットの総合的評価」、ばね論文集、３９号、１９９４年、ｐｐ．７−１６
【非特許文献２】高橋文雄、丹下彰、小野芳樹、安藤柱、「ばね鋼の切欠き疲労強度予測」、ばね論文集、５１号、２００６年、ｐｐ．９−１５
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ところで、疲労強度（疲労寿命）を考慮した設計では、疲労限となる１０7サイクルよりも短い低サイクル域（例えば、１０4サイクル）での疲労強度の評価が必要となる場合がある。
【０００９】
しかし、非特許文献１では、疲労限（１０7サイクルでの疲労強度）のみを対象とした評価法であるため、このような低サイクル域での疲労強度を評価することはできない。
【００１０】
また、非特許文献２では、割れ（き裂）が最初からある状態での評価法であるため、低サイクル域での疲労強度を十分に評価することはできない。
【００１１】
本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、任意の加工仕上がりを有する機械部品の表面性状から、低サイクル域における疲労寿命を評価することができる加工仕上がりに基づく疲労強度推定方法及びその装置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】
【００１２】
上記目的を達成するために本発明は、機械加工や表面処理によって表面加工層が形成された機械部品の疲労強度を推定する方法において、前記機械部品と同じ材料で作製したリファレンス材のＳＮ線図を取得して、そのＳＮ線図から求めた疲労強度と、前記リファレンス材の引張強度とから修正グッドマン線図を作成しておき、他方、前記機械部品の表面加工層を模して表面硬化させた試験片のＳＮ線図を取得して、その試験片の疲労強度と硬さとの関係式を求めると共に、前記機械部品の表面加工層を模して表面粗さを有する試験片のＳＮ線図を取得して、その試験片の疲労強度と粗さとの関係式を求めておき、前記機械部品の表面加工層の残留応力と硬さと粗さとを測定した後、前記機械部品の表面加工層の硬さを用いて前記疲労強度と硬さとの関係式から硬さ係数を求めると共に、前記機械部品の表面加工層の粗さを用いて前記疲労強度と粗さとの関係式から粗さ係数を求め、次に、前記機械部品の表面加工層の残留応力を、前記機械部品に作用する平均応力と共に前記修正グッドマン線図に入力して、残留応力作用時の疲労強度を求め、求めた残留応力作用時の疲労強度に前記硬さ係数と前記粗さ係数とを乗算して前記機械部品の疲労強度を求める加工仕上がりに基づく疲労強度推定方法である。
【００１３】
前記疲労強度と硬さとの関係式は、下式
α＝Δεt／Δεt,ref
＝１＋（Ｈｖ−Ｈｖref）／ｍ×Ｈｖref ・・・（１）
但し、α：硬さ係数
Δεt：機械部品の疲労強度
Δεt,ref：リファレンス材の疲労強度
Ｈｖ：機械部品の表面硬さ
Ｈｖref：リファレンス材の表面硬さ
ｍ：材料定数
により表されてもよい。
【００１４】
前記疲労強度と粗さとの関係式は、下式
β＝Δεt／Δεt,ref
＝ａ＋ｂ×ｌｏｇＲａ （Ｒａ＞１０(1-a)/b）
＝１ （Ｒａ≦１０(1-a)/b） ・・・（２）
但し、β：粗さ係数
Δεt：機械部品の疲労強度
Δεt,ref：リファレンス材の疲労強度
ａ：材料定数
ｂ：材料定数
Ｒａ：粗さ（機械部品表面）
により表されてもよい。
【００１５】
また本発明は、機械加工や表面処理によって表面加工層が形成された機械部品の疲労強度を推定する装置において、前記機械部品と同じ材料で作製したリファレンス材のＳＮ線図を取得して、そのＳＮ線図から求めた疲労強度と、前記リファレンス材の引張強度とから修正グッドマン線図を作成しておく修正グッドマン線図作成部と、前記機械部品の表面加工層を模して表面硬化させた試験片のＳＮ線図を取得して、その試験片の疲労強度と硬さとの関係式を求めると共に、前記機械部品の表面加工層を模して表面粗さを有する試験片のＳＮ線図を取得して、その試験片の疲労強度と粗さとの関係式を求めておき、前記機械部品の表面加工層の残留応力と硬さと粗さとを測定した後、前記機械部品の表面加工層の硬さを用いて前記疲労強度と硬さとの関係式から硬さ係数を求めると共に、前記機械部品の表面加工層の粗さを用いて前記疲労強度と粗さとの関係式から粗さ係数を求め、次に、前記機械部品の表面加工層の残留応力を、前記機械部品に作用する平均応力と共に前記修正グッドマン線図に入力して、残留応力作用時の疲労強度を求め、求めた残留応力作用時の疲労強度に前記硬さ係数と前記粗さ係数とを乗算して前記機械部品の疲労強度を求める疲労強度推定部と、を備える加工仕上がりに基づく疲労強度推定装置である。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、任意の加工仕上がりを有する機械部品の表面性状から、低サイクル域における疲労寿命を評価することができる加工仕上がりに基づく疲労強度推定方法及びその装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の一実施の形態に係る、加工仕上がりに基づく疲労強度推定装置の構成を示す概要図である。
【図２】本発明の一実施の形態に係る、加工仕上がりに基づく疲労強度推定方法を示すフロー図である。
【図３】表面粗さと粗さ係数との関係を示す図である。
【図４】ＳＮ線図を示す図である。
【図５】修正グッドマン線図を示す図である。
【図６】材料の降伏現象による平均応力の緩和を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明の好適な実施の形態について図面に基づき説明する。
【００１９】
まず、本実施の形態に係る加工仕上がりに基づく疲労強度推定方法に用いるための疲労強度推定装置について説明する。なお本願明細書において「疲労強度」を定義する「疲労」とは、材料に割れが生じた状態、その材料に破損が生じた状態、さらに材料に破断が生じた状態など、の種々の状態を想定してよい。望ましくは、疲労強度を推定する対象物の、実用上で問題となる大きさの割れ（き裂）が生じた状態を「疲労」と想定するのがよい。
【００２０】
図１は、加工仕上がりに基づく疲労強度推定装置の構成を示す図である。
【００２１】
図１に示すように、疲労強度推定装置１１は、リファレンス材特性入力部１５と設定疲労負荷入力部１６と表面パラメータ入力部１７と材料定数入力部１８とからなる入力部１２と、リファレンス材特性記憶部１９と設定疲労負荷記憶部２０と修正グッドマン線図作成部２１と修正グッドマン線図記憶部２２と表面パラメータ記憶部２３と材料定数記憶部２４と疲労特性推定部２５と推定結果記憶部２６とからなる解析部１３と、推定結果出力部２７からなる出力部１４と、を備える。
【００２２】
リファレンス材特性入力部１５には、機械部品と同じ材料で作製したリファレンス材を用いて行う疲労試験の結果（ＳＮ線図）と、リファレンス材の引張特性（降伏応力および引張強さ）とが入力され、入力されたデータはリファレンス材特性記憶部１９に記憶される。
【００２３】
設定疲労負荷入力部１６には、評価対象となる機械部品に作用する疲労負荷の平均応力と、その繰返し数との設定値が入力され、入力された平均応力と繰返し数は設定疲労負荷記憶部２０に記憶される。
【００２４】
表面パラメータ入力部１７には、仕上げ加工により機械部品の表面に形成された表面加工層の残留応力と硬さと粗さとが入力され、入力された残留応力と硬さと粗さとは表面パラメータ記憶部２３に記憶される。
【００２５】
材料定数入力部１８には、疲労特性を推定するために予め求められた種々の材料定数が入力され、材料定数記憶部２４には、その種々の材料定数が記憶される。
【００２６】
修正グッドマン線図作成部２１は、リファレンス材特性記憶部１９に記憶されるリファレンス材のＳＮ線図と設定疲労負荷記憶部２０に記憶される疲労負荷の繰返し数とを読込み、設定された繰返し数に対応する疲労強度（全ひずみ範囲）をＳＮ線図から求めると共に、リファレンス材特性記憶部１９に記憶されるリファレンス材の引張強さを読込み、その引張強さと求めた全ひずみ範囲を応力に換算し修正グッドマン線図を作成する。
【００２７】
このとき、修正グッドマン線図作成部２１は予めリファレンス材特性記憶部１９からリファレンス材の降伏応力を読み込んでおき、リファレンス材に作用する疲労負荷の最大応力が降伏応力を超えるときには、後述するように材料の降伏現象による平均応力の緩和（シェイクダウン）を考慮して、修正グッドマン線図を作成する。
【００２８】
修正グッドマン線図作成部２１が作成した修正グッドマン線図は、修正グッドマン線図記憶部２２に記憶される。
【００２９】
疲労特性推定部２５は、修正グッドマン線図記憶部２２に記憶される修正グッドマン線図と、設定疲労負荷記憶部２０に記憶される平均応力と、表面パラメータ記憶部２３に記憶される残留応力とを読込み、これらから機械部品の残留応力作用時の疲労強度を求める。
【００３０】
さらに疲労特性推定部２５は、表面パラメータ記憶部２３に記憶される機械部品の表面加工層の硬さおよび粗さと、材料定数記憶部２４に記憶される種々の材料定数とを読込み、これらパラメータと、予め疲労特性推定部２５が記憶している、疲労強度と硬さとの関係式および疲労強度と粗さとの関係式とから、硬さ係数および粗さ係数を求めると共に、求めた硬さ係数と粗さ係数とを、残留応力作用時の疲労強度に乗算して、機械部品の疲労強度を求める。
【００３１】
疲労特性推定部２５が求めた疲労強度は、推定結果記憶部２６に記憶される。
【００３２】
推定結果出力部２７は、推定結果記憶部２６に記憶された疲労強度を、ディスプレイなどの表示器に出力する。
【００３３】
次に、本実施の形態に係る加工仕上がりに基づく疲労強度推定方法の推定手順について、疲労強度推定装置１１の動作フローと共に詳述する。
【００３４】
図２および図３に示すように、まずステップＳ２１において、評価対象となる機械部品と同じ材料を用いたリファレンス材（ＲＥＦ材）のＳＮ線図と引張特性（降伏応力σyおよび引張強さσB）とを求め、これらをリファレンス材特性入力部１５に入力する。リファレンス材は、機械部品と同じ材料で作製した後、鏡面加工と化学研磨処理などにより、表面粗さと表面残留応力ができるだけ小さくされると共に、表面硬さが材料固有の値となるように仕上げ加工される。なお本実施の形態では、疲労負荷の最大応力と最小応力の比が０となる（すなわち、最小応力が０である）片振り疲労試験により、各種ＳＮ線図を作成する。このようにすると、後述の修正グッドマン線図を簡便に作成することができるが、本発明は疲労試験の疲労負荷の形態を特に限るものではなく、例えば疲労負荷の最大応力と最小応力の比が−１となる（すなわち、最大応力と最小応力が等しく、かつそれらの平均応力σmが０となる）両振り疲労試験を用いることもできる。
【００３５】
次に、ステップＳ２２では、後述する疲労強度と硬さの関係式と、疲労強度と粗さの関係式とに入力するための材料定数ｍ、ａ、ｂを材料定数入力部１８に入力し、入力された材料定数ｍ、ａ、ｂは材料定数記憶部２４に記憶される。
【００３６】
材料定数ｍは、機械部品の表面加工層を模して、機械部品と同じ材料を用い、硬化加工（例えば、ショットピーニング、浸炭、窒化など）を行った種々の硬化試験片の表面硬さＨｖと疲労試験結果と、リファレンス材の表面硬さＨｖrefと疲労試験結果とを基に、下式（１）
α＝Δεt／Δεt,ref
＝１＋（Ｈｖ−Ｈｖref）／ｍ×Ｈｖref ・・・（１）
但し、α：硬さ係数
Δεt：機械部品の疲労強度
Δεt,ref：リファレンス材の疲労強度
Ｈｖ：機械部品の表面硬さ
Ｈｖref：リファレンス材の表面硬さ
ｍ：材料定数
で表される関係で回帰式を作成することにより求められ、機械部品の表面硬さＨｖおよびリファレンス材の表面硬さＨｖrefを用いて直線関係で表される。
【００３７】
また材料定数ａ、ｂは、機械部品の表面加工層を模して、機械部品と同じ材料を用い、図３に示すように、種々の粗さを有する試験片の表面粗さＲａと、リファレンス材の疲労試験結果とを基に、下式（２）
β＝Δεt／Δεt,ref
＝ａ＋ｂ×ｌｏｇＲａ （Ｒａ＞１０(1-a)/b）
＝１ （Ｒａ≦１０(1-a)/b） ・・・（２）
但し、β：粗さ係数
Δεt：機械部品の疲労強度
Δεt,ref：リファレンス材の疲労強度
ａ：材料定数
ｂ：材料定数
Ｒａ：粗さ（機械部品表面）
で表される関係で回帰式を作成することにより求められる。なお、図３では、各粗さを有する試験片の、所定の繰返し数（図３では１．０×１０4、５．０×１０4、１．０×１０5）における疲労強度Δεtの、リファレンス材の疲労強度Δεt,refに対する比を、試験片の有する粗さＲａの対数で整理したものを表しており、任意の粗さを有する試験片のリファレンス材に対する疲労強度比（すなわち、粗さ係数β）は、所定の粗さＲａ以上において、直線関係を示す。また所定の粗さ以下では、粗さは疲労強度に寄与しなくなるので、疲労強度比（すなわち、粗さ係数β）は１となる。
【００３８】
任意の粗さを有する試験片は、リファレンス材を任意の条件で加工して作製した試験片の表面を化学研磨したり、加工後に応力除去焼鈍するなどして、試験片表面に残留応力や加工硬化層を生じさせないように作製する。また硬化試験片は、リファレンス材から作製した試験片の表面をひずみ加工や研削加工後に鏡面研磨するなどし、表面粗さができるだけ小さくなるように作製する。また、表面硬さＨｖ、Ｈｖrefは超マイクロビッカース硬度計などを用いて測定し、試験片表面のビッカース硬さを求める。また、表面粗さＲａはプローブ走査式の表面粗さ測定機などを用いて測定し、試験片表面の算術平均粗さを求める。
【００３９】
求まったｍ、ａ、ｂは、後述するように、式（１）および式（２）に入力することで、リファレンス材の疲労特性から、機械部品の疲労特性を推定するための硬さ係数αと粗さ係数βを求めるためのものである。
【００４０】
なお、材料ごとに予め材料定数を求めて入力しておき、これをデータベース化しておくと、より低コストに機械部品の加工仕上がりに基づく疲労特性を推定できるため、好適である。
【００４１】
しかる後、ステップＳ２３において、評価対象である機械部品の表面加工層（すなわち、機械部品表面）の残留応力σres、硬さＨｖ、粗さＲａを測定する。残留応力σresの測定には、微小部Ｘ線応力測定装置を用いることができる。測定された残留応力σres、硬さＨｖ、粗さＲａは表面パラメータ入力部１７に入力される。
【００４２】
さらにステップＳ２４では、評価対象である機械部品に作用する疲労負荷の平均応力σmと、その繰返し数Ｎｆとを設定すると共に、これらを設定疲労負荷入力部１６に入力し、入力された平均応力σmおよび繰返し数Ｎｆは設定疲労負荷記憶部２０に記憶される。
【００４３】
次に、ステップＳ２５では、修正グッドマン線図作成部２１が、リファレンス材特性記憶部１９に記憶されるリファレンス材のＳＮ線図と、設定疲労負荷記憶部２０に記憶される繰返し数Ｎｆとを読込み、図４に示すように、繰返し数Ｎｆに対応する疲労強度Ｓ（ここでは、疲労強度Δεt,ref）をＳＮ線図から求める。
【００４４】
さらに修正グッドマン線図作成部２１は、ステップＳ２６において、リファレンス材特性記憶部１９から読み込んだリファレンス材の降伏応力σyおよび引張強さσBと、求めておいた疲労強度Δεt,ref（より詳細には、片振り疲労試験のＳＮ線図から求めておいた疲労強度Δεt,refの半値に、弾性率Ｅを乗算して求まる平均応力σmおよび応力振幅σa）とから、図５に示すような修正グッドマン線図を作成する。修正グッドマン線図は、部材に作用する疲労負荷の平均応力σmから、破断繰返し数Ｎｆとなる応力振幅σa（疲労強度Δεtの半値に弾性率Ｅを乗算して求まる値と等しい）を求めるための図である。なお、図５においては、正の応力値は引張応力（すなわち、負の応力値は圧縮応力）を表している。
【００４５】
このとき、設定した疲労負荷の最大応力（片振り疲労試験の場合、疲労強度Δεt,refに弾性率Ｅを乗算して求める値と等しい）が降伏応力σyを超えるときには、材料の降伏現象による平均応力σmの緩和（シェイクダウン）が発生する。シェイクダウンは、図６に示すように、材料の変形特性を弾完全塑性（塑性変形中に加工硬化を示さず、一定の降伏応力σy（＝Ｅ×εy）となる）で表現した場合（図６（ａ））、疲労負荷の最大応力が材料の降伏応力σy以下のσ1であるときには、平均応力σm1＝σ1／２（＝Ｅ×ε1／２）となる（図６（ｂ））が、疲労負荷の最大応力σ2が材料の降伏応力σyを超えると、材料が塑性変形し、その後の弾性除荷によって、想定された平均応力σm2＝σ2／２よりも低い平均応力σm3（＝σy−Ｅ×ε2／２）となる現象である。従って、最大応力が降伏応力σyを超えるときには、疲労負荷の平均応力σmを下式
σm＝σy−Ｅ×Δεt／２ ・・・（３）
から求め、シェイクダウンを考慮して修正グッドマン線図を作成する。作成した修正グッドマン線図は、修正グッドマン線図記憶部２２に記憶される。
【００４６】
その後、ステップＳ２７において、疲労特性推定部２５は、修正グッドマン線図記憶部２２に記憶される修正グッドマン線図と、設定疲労負荷記憶部２０に記憶される平均応力σmと、表面パラメータ記憶部２３に記憶される残留応力σresとを読込み、これらから機械部品の残留応力作用時の疲労強度Δεt,resを求める。
【００４７】
すなわち、図５に示すように、修正グッドマン線図に、設定された平均応力σmと、機械部品の表面加工層の残留応力σresの値（σm＋σres）を入力し、これに対応する疲労強度Δεt（応力振幅σaを２倍に乗算すると共に、弾性率Ｅで除算した値に等しい）を、残留応力作用時の疲労強度Δεt,resとする。
【００４８】
さらに疲労特性推定部２５は、ステップＳ２８において、表面パラメータ記憶部２３に記憶される硬さＨｖと、材料定数記憶部２４に記憶される材料定数ｍとを読込んで、予め疲労特性推定部２５が記憶している、疲労強度と硬さとの関係式である式（１）に入力して硬さ係数αを求めると共に、続くステップＳ２９では、表面パラメータ記憶部２３に記憶される粗さＲａと、材料定数記憶部２４に記憶される材料定数ａ、ｂとを読込んで、予め疲労特性推定部２５が記憶している、疲労強度と粗さとの関係式である式（２）に入力して粗さ係数βを求める。
【００４９】
しかる後、ステップＳ３０において、疲労特性推定部２５は、求めた残留応力作用時の疲労強度Δεt,resに、硬さ係数αと粗さ係数βとを乗算して、機械部品の推定疲労強度Δεt,wrkを求める。求めた疲労強度Δεt,wrkは、推定結果記憶部２６に記憶される。
【００５０】
推定結果記憶部２６に記憶された疲労強度Δεt,wrkは、推定結果出力部２７に出力され、この結果を基にユーザあるいは機械部品の設計者は、部材のメンテナンスの要否を判断したり、機械部品の仕上げ加工方法を検討するなどできる。
【００５１】
以上要するに、本発明の加工仕上がりに基づく疲労強度推定方法及びその装置においては、リファレンス材の疲労特性を予め取得しておくと共に、種々の硬化試験片及び粗さを有する試験片の疲労強度と表面性状との関係を求めておき、これらを用いることで、任意の加工仕上がりを有する機械部品の表面性状から、疲労限となる１０7サイクルよりも短い低サイクル域（例えば、１０4サイクル）における疲労強度（疲労寿命）の評価を簡便に行うことができる。
【００５２】
また、統計処理を行う必要がないために、低コストで低サイクル域の疲労強度を評価することができる。
【００５３】
本発明は上記実施の形態に限るものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で変更を加えることができる。
【符号の説明】
【００５４】
σres 残留応力
Ｈｖ 硬さ
Ｒａ 粗さ
α 硬さ係数
β 粗さ係数
σm 平均応力
Δεt,res 残留応力作用時の疲労強度
Δεt,wrk 疲労強度
【特許請求の範囲】
【請求項１】
機械加工や表面処理によって表面加工層が形成された機械部品の疲労強度を推定する方法において、
前記機械部品と同じ材料で作製したリファレンス材のＳＮ線図を取得して、そのＳＮ線図から求めた疲労強度と、前記リファレンス材の引張強度とから修正グッドマン線図を作成しておき、
他方、前記機械部品の表面加工層を模して表面硬化させた試験片のＳＮ線図を取得して、その試験片の疲労強度と硬さとの関係式を求めると共に、前記機械部品の表面加工層を模して表面粗さを有する試験片のＳＮ線図を取得して、その試験片の疲労強度と粗さとの関係式を求めておき、
前記機械部品の表面加工層の残留応力と硬さと粗さとを測定した後、
前記機械部品の表面加工層の硬さを用いて前記疲労強度と硬さとの関係式から硬さ係数を求めると共に、前記機械部品の表面加工層の粗さを用いて前記疲労強度と粗さとの関係式から粗さ係数を求め、
次に、前記機械部品の表面加工層の残留応力を、前記機械部品に作用する平均応力と共に前記修正グッドマン線図に入力して、残留応力作用時の疲労強度を求め、
求めた残留応力作用時の疲労強度に前記硬さ係数と前記粗さ係数とを乗算して前記機械部品の疲労強度を求めることを特徴とする加工仕上がりに基づく疲労強度推定方法。
【請求項２】
前記疲労強度と硬さとの関係式は、下式
α＝Δεt／Δεt,ref
＝１＋（Ｈｖ−Ｈｖref）／ｍ×Ｈｖref ・・・（１）
但し、α：硬さ係数
Δεt：機械部品の疲労強度
Δεt,ref：リファレンス材の疲労強度
Ｈｖ：機械部品の表面硬さ
Ｈｖref：リファレンス材の表面硬さ
ｍ：材料定数
により表される請求項１記載の疲労特性推定方法。
【請求項３】
前記疲労強度と粗さとの関係式は、下式
β＝Δεt／Δεt,ref
＝ａ＋ｂ×ｌｏｇＲａ （Ｒａ＞１０(1-a)/b）
＝１ （Ｒａ≦１０(1-a)/b） ・・・（２）
但し、β：粗さ係数
Δεt：機械部品の疲労強度
Δεt,ref：リファレンス材の疲労強度
ａ：材料定数
ｂ：材料定数
Ｒａ：粗さ（機械部品表面）
により表される請求項１記載の加工仕上がりに基づく疲労強度推定方法。
【請求項４】
機械加工や表面処理によって表面加工層が形成された機械部品の疲労強度を推定する装置において、
前記機械部品と同じ材料で作製したリファレンス材のＳＮ線図を取得して、そのＳＮ線図から求めた疲労強度と、前記リファレンス材の引張強度とから修正グッドマン線図を作成しておく修正グッドマン線図作成部と、
前記機械部品の表面加工層を模して表面硬化させた試験片のＳＮ線図を取得して、その試験片の疲労強度と硬さとの関係式を求めると共に、前記機械部品の表面加工層を模して表面粗さを有する試験片のＳＮ線図を取得して、その試験片の疲労強度と粗さとの関係式を求めておき、
前記機械部品の表面加工層の残留応力と硬さと粗さとを測定した後、
前記機械部品の表面加工層の硬さを用いて前記疲労強度と硬さとの関係式から硬さ係数を求めると共に、前記機械部品の表面加工層の粗さを用いて前記疲労強度と粗さとの関係式から粗さ係数を求め、
次に、前記機械部品の表面加工層の残留応力を、前記機械部品に作用する平均応力と共に前記修正グッドマン線図に入力して、残留応力作用時の疲労強度を求め、
求めた残留応力作用時の疲労強度に前記硬さ係数と前記粗さ係数とを乗算して前記機械部品の疲労強度を求める疲労強度推定部と、
を備えることを特徴とする加工仕上がりに基づく疲労強度推定装置。
【請求項１】
機械加工や表面処理によって表面加工層が形成された機械部品の疲労強度を推定する方法において、
前記機械部品と同じ材料で作製したリファレンス材のＳＮ線図を取得して、そのＳＮ線図から求めた疲労強度と、前記リファレンス材の引張強度とから修正グッドマン線図を作成しておき、
他方、前記機械部品の表面加工層を模して表面硬化させた試験片のＳＮ線図を取得して、その試験片の疲労強度と硬さとの関係式を求めると共に、前記機械部品の表面加工層を模して表面粗さを有する試験片のＳＮ線図を取得して、その試験片の疲労強度と粗さとの関係式を求めておき、
前記機械部品の表面加工層の残留応力と硬さと粗さとを測定した後、
前記機械部品の表面加工層の硬さを用いて前記疲労強度と硬さとの関係式から硬さ係数を求めると共に、前記機械部品の表面加工層の粗さを用いて前記疲労強度と粗さとの関係式から粗さ係数を求め、
次に、前記機械部品の表面加工層の残留応力を、前記機械部品に作用する平均応力と共に前記修正グッドマン線図に入力して、残留応力作用時の疲労強度を求め、
求めた残留応力作用時の疲労強度に前記硬さ係数と前記粗さ係数とを乗算して前記機械部品の疲労強度を求めることを特徴とする加工仕上がりに基づく疲労強度推定方法。
【請求項２】
前記疲労強度と硬さとの関係式は、下式
α＝Δεt／Δεt,ref
＝１＋（Ｈｖ−Ｈｖref）／ｍ×Ｈｖref ・・・（１）
但し、α：硬さ係数
Δεt：機械部品の疲労強度
Δεt,ref：リファレンス材の疲労強度
Ｈｖ：機械部品の表面硬さ
Ｈｖref：リファレンス材の表面硬さ
ｍ：材料定数
により表される請求項１記載の疲労特性推定方法。
【請求項３】
前記疲労強度と粗さとの関係式は、下式
β＝Δεt／Δεt,ref
＝ａ＋ｂ×ｌｏｇＲａ （Ｒａ＞１０(1-a)/b）
＝１ （Ｒａ≦１０(1-a)/b） ・・・（２）
但し、β：粗さ係数
Δεt：機械部品の疲労強度
Δεt,ref：リファレンス材の疲労強度
ａ：材料定数
ｂ：材料定数
Ｒａ：粗さ（機械部品表面）
により表される請求項１記載の加工仕上がりに基づく疲労強度推定方法。
【請求項４】
機械加工や表面処理によって表面加工層が形成された機械部品の疲労強度を推定する装置において、
前記機械部品と同じ材料で作製したリファレンス材のＳＮ線図を取得して、そのＳＮ線図から求めた疲労強度と、前記リファレンス材の引張強度とから修正グッドマン線図を作成しておく修正グッドマン線図作成部と、
前記機械部品の表面加工層を模して表面硬化させた試験片のＳＮ線図を取得して、その試験片の疲労強度と硬さとの関係式を求めると共に、前記機械部品の表面加工層を模して表面粗さを有する試験片のＳＮ線図を取得して、その試験片の疲労強度と粗さとの関係式を求めておき、
前記機械部品の表面加工層の残留応力と硬さと粗さとを測定した後、
前記機械部品の表面加工層の硬さを用いて前記疲労強度と硬さとの関係式から硬さ係数を求めると共に、前記機械部品の表面加工層の粗さを用いて前記疲労強度と粗さとの関係式から粗さ係数を求め、
次に、前記機械部品の表面加工層の残留応力を、前記機械部品に作用する平均応力と共に前記修正グッドマン線図に入力して、残留応力作用時の疲労強度を求め、
求めた残留応力作用時の疲労強度に前記硬さ係数と前記粗さ係数とを乗算して前記機械部品の疲労強度を求める疲労強度推定部と、
を備えることを特徴とする加工仕上がりに基づく疲労強度推定装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１２−２１５３９７（Ｐ２０１２−２１５３９７Ａ）
【公開日】平成２４年１１月８日（２０１２．１１．８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−７９１３５（Ｐ２０１１−７９１３５）
【出願日】平成２３年３月３１日（２０１１．３．３１）
【出願人】（０００００００９９）株式会社ＩＨＩ (5,014)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１１月８日（２０１２．１１．８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年３月３１日（２０１１．３．３１）
【出願人】（０００００００９９）株式会社ＩＨＩ (5,014)
【Ｆターム（参考）】
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