1. 残留応力の基本概念

残留応力とは、外力がなくても平衡を維持するために部品内部に存在する内部応力を指します。 さまざまな応力特性に応じて、残留応力は残留圧縮応力と残留引張応力に分けることができます。

1. 残留圧縮応力 (-σ)

残留圧縮応力は、部品の表面材料が圧縮される応力状態であり、応力圧力は通常、部品の疲労強度の向上に役立ちます。

2. 残留引張応力 (+σ)

残留引張応力は、部品の表面材料が引張している応力状態であり、通常、部品の性能に悪影響を及ぼします。 残留応力の存在は、機械部品の加工寸法安定性、疲労強度、耐応力腐食性、その他の特性に重要な影響を与えるため、部品の加工プロセスには特別な注意を払う必要があります。

 

2. 残留応力に影響を与える主な要因

1、ツールジオメトリパラメータの影響

1)フロントアングルインパクト

• 工具のすくい角は、残留応力の存在深さに大きな影響を与えます。
• 負のすくいは切削抵抗と塑性変形を増加させ、応力の影響を受ける層が深くなるため、負のすくい工具を使用すると残留応力層の深さを 2 倍にすることができます。

2)工具の摩耗状態

• 工具の摩耗量が増加すると、部品の表面から離れた深い点での圧縮応力値が大幅に増加します
• 工具がひどく摩耗すると、発熱や機械的変形が大きくなり、残留応力の分布が大幅に変化する可能性があります。

2、切削パラメータの影響

1)供給量

• 送り量が増加すると、表層の引張応力が増加します。
• 送り速度が増加すると、最大圧縮応力の位置はワークピースの内側に向かって移動します。
• 大きな送りを処理する場合、表層に好ましくない引張応力状態を形成しやすくなります。

2) 切削速度

• 高速切削時に発生する熱が最も重要な影響要因であり、このとき引張応力が発生しやすくなります。
• 中低速で切削する場合、機械的変形が支配的であり、このとき圧縮応力が発生します。
• 切削速度には妥当な臨界速度があり、熱と機械的変形の影響のバランスが取れて残留応力を最小限に抑えます。

3. 加工方法の影響

異なる処理方法によって生成される残留応力分布は、異なる特性を持っています。

• 旋削加工は通常、表面圧縮応力と表面下引張応力を生成します。
• 研削は表面引張応力を受けやすく、研削焼傷を引き起こす可能性もあります。
• フライス加工応力状態は最も複雑で、工具形状や切削パラメータと密接に関係しています。
• 穴の端に応力集中が明らかで、残留応力が大きい。
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3. 残留応力を低減するためのプロセス対策

1. 工具の選択とメンテナンス

1) 工具形状の最適化

• 部品の材料特性に応じて、適切な工具すくい角を選択してください。
• 工具の刃先を鋭く保ち、小さなギザギザの切り欠きを避けてください。
• 制御ツールの後ろの摩耗は約0.2mmで、ツールは定期的にチェックされます。

2) 工具材料の選択

• 耐摩耗性に優れた工具材料を選択し、工具の状態を安定させてください。
• コーティングツールは、加工時の摩擦を低減し、発熱の影響を低減します。

2. プロセスパラメータの最適化

1)切断量制御

部品の性能に対する応力の影響を軽減するには、切削速度、送り速度、連続カッター量の適切な組み合わせを選択して、加工効率と応力制御の要件のバランスをとる適切なバランスポイントを見つける必要があります。

2) 冷却と潤滑

処理中の温度を下げるためには、高圧冷却などの効果的な冷却方法が使用されており、熱の影響を受ける領域を効果的に減らすことができます。

3.プロセスシステムの厳格な保証

1) 工作機械および治具

• 機械をできるだけ剛性にすることで、加工中の振動を軽減できます。
• 治具工具の合理的な設計により、クランプによる変形を軽減できます。

2) 掘削工程の改善

• ガイドスリーブを使用すると、ドリルビットの剛性を向上させることができます。
• 穴あけ後に穴の端を面取りすると、応力の集中を減らすことができます。

4. 後処理プロセス

1) 機械的強化プロセス

• 押し出し法は、表層の残留圧縮応力を増加させるために使用されます。
• ショットピーニングプロセスにより、部品の耐疲労性が大幅に向上します。
• 微細な押出歯車は、歯を削るよりも高い歯面圧縮応力を達成できます。

2) 熱処理工程

デストレスアニーリング残留応力を効果的に低減でき、特殊部品材料の場合は時効処理を採用できます。

3)複合プロセス

放電加工や電解加工後のショットピーニングは、超合金などの材料に特に効果的です。

残留応力は機械加工において避けられない状態ですが、プロセスの最適化によって効果的に制御できます。 残留応力の形成原理を科学的に分析し、その原因を効果的に制御することで、機械部品の性能と耐用年数を大幅に向上させることができます。