改良型深孔穿孔法を可能とする加工・計測法 -高精度板厚内部残留応力測定法の開発㈱山本金属製作所大阪大学大学院工学研究科 ○河合真二、新堂正俊、山本憲吾北野萌一、岡野成威、望月正人 Machining and Measurement of Modified Deep Hole Drilling Technique. - Development of High Accuracy Internal Residual Stress Measurement Methodby KAWAI Shinji, SHINDO Masatoshi, YAMAMOTO Kengo, KITANO Houichi, OKANO Shigetaka, MOCHIZUKI Masahito and SUGA Tetsuo キーワード：深孔穿孔法、残留応力、厚板 Keyword: deep hole drilling technique, residual stress, thick plates 1. はじめに溶接構造物をはじめとする構造物の残留応力を評価することは部材の健全性評価、信頼性評価、余寿命評価の観点から非常に重要である。深穴穿孔法（以下DHD（Deep Hole Drilling）法）1) は100mm厚以上の内部残留応力を測定できる手法である。DHD法では小さな穴をガンドリルで深さ方向に開け、その穴の深さ方向の内径変化量を複数方向に計測する。次に穴に対して一回り大きい穴を円筒状に削り落として先にあけた穴の深さ方向・円周方向に寸法変化を計測する。その寸法変化をひずみ開放として残留応力を計算する手法である2)。しかし、DHD法では対象を二次元弾性体と仮定しており、三次元性や塑性変形の影響が十分に考慮されていない。そこで三次元性や塑性変形の影響を考慮した改良型深孔穿孔法3)~4)を開発した。本報では、改良型深孔穿孔法を実現するための加工方法と孔形状変化量の計測方法について報告する。 2. 開発手法 Fig.1に本穿孔法の概略手順を示す。初めに基準となる参照孔を精密にあけ、エアマイクロを使って深さ方向の内径変化量を30度毎に計測する。次に一回り大きい穴を円筒状に開ける（以下トレパニング）。トレパニング後の (1)drilling (2)Measurement 計測はDHD法では穿孔径のみとしているが、本穿孔法ではトレパニング後の計測対象を穿孔径の変化のみならずトレパニングにて生成される円筒部分の伸び、傾きを逐次計測している。 2.1 穴あけ加工方法深穴穿孔法における参照孔は限りなく真円に近く、真 (3)Trepanning (4)Measurements 直な孔であることが Fig.1 Modified DHD method 望ましい。なぜならば、トレパニングにより円筒自体が伸縮変形するため、 0.15 drilling トレパニング前後で同一箇所を測定し helical machining (First time) ているはずが異なる部分での測定とな 0.10 helical machining (second time) ってしまう。参照孔が真円かつ真直であれば、基準がどこで測定しても同じ 0.05 値となるため、計測誤差がなくなる。しかしながら、溶接部材への穴あけ加工では残留応力の影響で真円・真直な 0.00 穴あけ加工が困難となる。 straightness circularity そこでヘリカル加工をドリル加工の後で行った。ヘリカル加工とは回転工 Fig.2 Comparison of machining accuracy 具をらせん状に移動させながら穴を繰り広げていく加工方法である。ヘリカル加工を取り入れることによりFig.2に示すように真円度で約1/3、真直度で約 1/27に大きく改善されている。 2.2. 円筒倒れ・伸び計測方法円筒倒れ・円筒伸びの計測には工作機械上のプローブセンサーを用いて測定する。ここで問題となるのが、材料自体の変形である。工作機械上のセンサーを用いて計測すると Fig.3 に示すように円筒の変形に加え材料の変形を計測してしまう。つまり、工作機械上での測定では円筒部の頂点位置の変化 Fig.3 Measuring error ⊿z’ 量⊿z の計測は可能である。しかし測定部分の材料自体が変形して底面が浮いたような状態になった際には⊿z’も含めた変化量として計測してしまう。そこで、Fig.4 に示すように円筒部および円筒外周に基準面を設ける測定を実施し補正を加えた。このことにより、材料変形の影響を最小に抑えることができ、かつ基準面を設けることで溶接の凹凸による測定誤差も排除することができる。円筒部のみの測定データと基準面との差異としての測定データを比較すると両者の間にはおよそ Fig.4 0.04mm の差があり測定精度が大幅に改善されていた。 3. まとめ改良型深孔穿孔法について、穴あけ加工にヘリカル加工を取り入れ、溶接部に真円度で 7m、真直度で 5m の精密な参照孔をあけることに成功した。トレパニングによる応力開放に伴う材料変形を考慮した円筒倒れ・伸び量計測手法を確立した。参考文献 1）Leggatt R H et al.：Journal of strain Analysis，31-3 (1996)，177-186． 2）三上隆男：IIC REVIEW, 2008/4.No.39． 3）北野ら：溶接学会全国大会講演概要，91(2012)，284-285．4）北野ら：溶論集，31-4(2013)， 124-128．