高効率回転曲げ疲労試験機の開発とその使用事例

YAMAMOTO METAL GOODS FACTORY

2010年3月

株式会社 山本金属製作所

生産技術部 國分 昭雄

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1. ギガサイクル疲労の重要性

2. 4連式回転曲げ疲労試験機の特徴

3. 4連式回転曲げ疲労試験機をもちいた研究活動

①A7075 中国鋼と日本鋼の比較

②加工製品の表面粗さと疲労強度

・発表の流れ

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2. 4連式回転曲げ疲労試験機の特徴

・発表の流れ

1. ギガサイクル疲労の重要性

3. 4連式回転曲げ疲労試験機をもちいた研究活動

①A7075 中国鋼と日本鋼の比較

②加工製品の表面粗さと疲労強度

1954年世界初のイギリスジェット旅客機

コメットは機体窓コーナーからの疲労破壊

が原因で空中分解

1988年アメリカアロハ航空243便事故は、

金属疲労破壊によって機体外壁が損壊し

大きな穴が空き緊急着陸

1998年ドイツ新幹線ＩＣＥが

防振タイヤの疲労破壊により脱線

金属疲労による過去の重大な事故例

70%以上の破壊原因が疲労によるもの

1. ギガサイクル疲労の重要性

従来のデータベース ギガサイクル疲労

・地球資源の節約

・環境負荷の低減

設計寿命を超え既設の機械を

長期に渡って使用

安全性確保するために・・・

ギガサイクル疲労領域の疲労特性データが必要（107以上）

長期の実験期間が必要

4連式回転曲げ疲労試験機は有効

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実験期間を縮めるために・・・

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・発表の流れ

2. 4連式回転曲げ疲労試験機の特徴

1. ギガサイクル疲労の重要性

3. 4連式回転曲げ疲労試験機をもちいた研究活動

①A7075 中国鋼と日本鋼の比較

②加工製品の表面粗さと疲労強度

2． 4連式回転曲げ疲労試験機の特徴

・最大負荷荷重 : 15kg/1ケ所

・回転数 : 3150rpm

・大きさ : 380×460×700mm

・回転軸系材料の疲労強度調査

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用途

仕様

・把握範囲 : φ3～13mm

試験片

荷重

YAMAMOTOの疲労試験機

4つの特徴

1) 4連式

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3) 芯振れ±0.01mm （JIS規定 ±0.025mm）

2) 把持部・・コレットタイプ

4) 片持ち式

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1) 4連式のメリット

・４種類の試験が同時に可能

1）107回（2日間）以上での試験結果が必要（JIS規定）

2）108（20日間）、109（200日間）での実験データの需要が

高まっている

・S-N線図を高効率で作成！！

取付① 取付② 取付③ 取付④

例 金属Mのギガサイクル疲労試験データ採集にかかる時間

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226日間の短縮！！ 金属MのS-N線図

1) 4連式のメリット

①試験片挿入 ②ナット締め

①試験片挿入 ②ボルト締め ③ボルト緩め ④ボルト締め

＜キー溝タイプ（従来式）＞

2) コレットタイプのメリット

＜コレットタイプ（YAMAMOTO）＞

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「取り付け作業」

取り付け時間は半分に！

メリット

①ナット緩め ②引き抜き

①ボルト緩め ②ボルト締め ③ボルト緩め ④クサビ打ち ⑤引き抜き

「取り外し作業」

＜キー溝タイプ(従来式) ＞・・・サビた時は抜けないことも！

＜コレットタイプ(YAMAMOTO)＞

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1）取り外し時間は半分に！

2）取り外しによる試験機への

ダメージ無し！

3）必ず試験片をはずせる！

2) コレットタイプのメリット

3つのメリット

・試験機にダメージ

・ハンマーでクサビ打ち

・試験精度の劣化！

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3) 芯振れ±0.01mmのメリット

芯振れ小 芯振れ大

振れによる 上下振動

余分な負荷減少 信用性の高いデータ

余分な負荷

4) 片持ち式のメリット

破断前 破断後

破断後はおもり側の試験片のみ落下するので破断面を保護できます！

SEMによる破断面観察

破断面の観察に最適

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・発表の流れ

3. 4連式回転曲げ疲労試験機をもちいた研究活動

①A7075 中国鋼と日本鋼の比較

②加工製品の表面粗さと疲労強度

1. ギガサイクル疲労の重要性

2. 4連式回転曲げ疲労試験機の特徴

中国鋼の疲労強度は再計測が必要！！

製造メーカー 疲労破壊

までの寿命（260MPa）

日本鋼との

寿命の比較

日本A社 564,100 -

中国B社 192,100 1/3倍

中国A社 76,380 1/10倍

中国C社 420 1/1300倍

中国鋼は日本鋼と同じ材種でも

早期に疲労破壊が起こる

中国鋼では日本鋼の疲労強度

データを参考に構造物の設計ができない

もし参考にすると・・・・

設計よりも早期に構造物が破壊する

① A7075 中国と日本メーカーの比較

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現状の中国鋼は日本材料の代替えとしては寿命が短いため使えない

実験結果

1.材料購入時には必ず疲労強度を測定し材料が

GB規格を満たしているか検査する

2. 疲労試験を意識した新金属の開発や、

金属製法の改善を行う必要がある

3.中国材料メーカーは大量の疲労試験を行い、現状生産されている

金属材料の疲労強度最低ラインを把握し提示しておく必要がある

中国材料を使用するために

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① A7075 中国鋼と日本鋼の比較

② 製品表面の粗さと疲労強度

試験片

Ra 大 Ra値が大きい

大きな破断起点が存在

Ra 小

② 製品表面の粗さと疲労強度

・Ra値が低いほど

破断までの寿命が長い

・同じ粗さ指定範囲でも

2倍寿命が延びる

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

19000 29000 39000 49000 59000

Ra

繰り返し破断回数 N

Ra(粗さ)と疲労強度

Ra2.4付近

Ra1.3付近

Ra0.6付近

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弊社加工製品に展開し、

製品寿命を延長！！

実験応力500MPa

kokubu@yama-kin.co.jp

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・切削加工による加工製品の長寿命化

注文図面の中には粗さ・形状の指示しかない

切削加工条件を変えることで長寿命化

① 製品表面近傍の硬さ

② 製品表面近傍の圧縮残留応力

② 加工製品の粗さ

長寿命化のキーポイント

顧客満足度をUP

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加工条件

仕上げ深さ

回転数

送り速さ

工具(チップ)

・切削加工による加工製品の長寿命化

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試験片

・切り込み深さによる硬さと残留応力の変化

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・切り込み深さによる硬さの変化

11%UP

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仕上げ深さを浅くすることで表面の硬度が上昇

・切り込み深さによる残留応力(深さ0.02mm)の変化 0°

270°

180°

90°

270%圧縮側へ

仕上げ深さを浅くすることで

表面の圧縮残留応力が上昇

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・切り込み深さによる表面近傍(深さ0.02mm)の硬さと残留応力の変化

11%UP

270%UP 仕上げ深さを浅くすることで

表面の硬度が11%

圧縮残留応力が270%上昇

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