JPH0466863A - 鋼材の加工による残留応力の測定方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、歯車、車軸等の部品に用いられる鋼材にショ
ットピーニング等の残留応力が残る加工を行なった場合
における残留応力の測定方法に関する。この測定方法は
加工された鋼材の硬さ、疲労強度等のめヤすとして利用
できる。

［従来の技術］ 特開昭’１８−４３９５４号公報には材料（ｉｉｌｌ材
）の非破壊選別方法が開示されている。この選別方法は
、材料の硬さと保磁力との間に一定の関係かあることを
利用し、硬さを選別すべき所望の段階に区分設定し、各
選別限界の硬さに対応する保磁力を求めてあき、材料を
飽和励磁した１変、選別限界の硬さに対応する保磁力に
それぞれ減磁し、各減磁状態にあける磁束密度の正、負
を検出し、その磁束密度の正あるいは負の数の多少によ
り所望の段階の硬さに選別するものである。

また、磁気による高周波焼入れ軸の残留応力の測定方法
か知られている。この測定方法は、積層珪素鋼板からな
るコ字形状の磁芯に励磁コイル及び゛検出コイルを巻き
つけた２個のセンサを用いるものであって、Ｘ線応力測
定装置より求めた基準となる残留応力値と、各センサを
車軸に軸方向及び円周方向に当接することにより得られ
る出力とを比較し、その車軸の残留応力を求めるもので
ある。また、上記２個のセンサを互いに直角に組合せた
磁気異方性センサを用い、軸方向及び円周方向の出力検
出を同時に行なう方法も知られている（非破壊検査第３
５巻第２号（６２，２，２０））［発明が解決しようと
する課題］ しかし、上記各従来の技術はいずれも、軸方向及び円周
方向にあける引張り及び圧縮による保磁力の変化に着目
したものであり、つまり直角方向において主応力差と主
応力方向の透磁率の差とに比例関係かあることを利用し
たものであり、その適用範囲は応力状態か異方性である
場合の測定に限られるものであった。このため、かかる
技術では、応力状態が等方性でおるショットピーニング
加工を行なった場合には直角方向に透磁率の差を生じな
いため、残留応力を正確に測定することか不可能であっ
た。

また、特開昭４８−４３９５４号開示の方法では、まず
直流電流を用いて鋼材を磁気的に飽和させ、しかる後に
磁気飽和に達したときの磁場とは逆方向に磁場を増加さ
せることにより、磁化かＯとなる保磁力を測定する。こ
のため、この方法ては、磁気飽和に到達させる磁場と、
磁化をＯにする磁場とを測定対象たる鋼材に加える必要
があり、操作性に劣ることから生産ラインへの適用か困
難であった。

さらに、上記公報記載の方法では、磁性体を磁化させる
と歪みを生じるという「磁気歪み効果」の逆の作用から
、鋼材を磁気飽和に到達させる際、歪みか鋼材に生じて
しまい、この歪みに基づいて鋼材の残留応力か変化して
しまう。このため、測定した保磁力と鋼材の硬さの一要
素たる残留応力との相関関係がくずれ、鋼材の硬さを正
確に測定するのに不十分な場合かあった。

したかつて、従来の技術により、例えばショットピーニ
ング後の鋼材の残留応力を正確に測定せんとすれば、Ｘ
線応力測定装置を用いて個々（こ測定を行なわざるをえ
ず、各ｖＡ材の表面を電解研磨する必要性から測定後の
鋼材の使用等が不能になるとともに、正確な測定値を求
めるべく測定数を増やす必要か生じるため測定に長時間
を要するという不具合かあった。

本発明は、上記従来の不具合に鑑みてなされたものであ
って、鋼材の加工による応力状態が等方性である加工を
行なった場合にも、鋼材を破壊することなく、操作性よ
くかつ正確に残留応力を測定可能な残留応力の測定方法
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］ 本発明者は、残留応力が発生する加工を行なった場合に
おける鋼材の特性変化を鋭意研究した結果、以下の測定
方法を発見するに至った。

すなわち、本発明の鋼材の加工による残留応力の測定方
法は、残留オーステナイト組織をもつ加工前の鋼材の透
磁率を検出する加工前透磁率検出工程と、 該鋼材の加工後にあける透磁率を検出する加工後透磁率
検出工程と、 検出された加工前透磁率と加工後透磁率との変化値から
残留応力を算出する算出工程とからなることを特徴とす
るものである。

ここに、加工前とは、鋼材の一部に加工を施す場合であ
れば、その加工を施す部分以外の部分を含む意である。

透磁率の検出は、積層珪素鋼板等からなる磁芯と、この
磁芯に巻きつけられ交流電流か印加される励磁コイルと
、磁芯に巻きつけられ透ｍ率を電圧値として出力する検
出コイルとからなるセンサを用いて行なうことかできる
。

残留応力の算出は、予めＸ線応力測定装置等より求めた
基準となる残留応力値と透磁率の変化値との相対関係を
求めておき、かかる相対関係から個々の変化値に相当す
る残留応力を求めることにより行なうことかできる。

［作用］ 本発明者は、鋼材の残留オーステナイト組織か加工によ
って加工誘起マルテンザイ１〜組織に変態し、これによ
って大きく透磁率か変化１−るとともに、この透磁率の
変化値が残留応力と比例的関係にあることを見出した。

したかつて、まず残留オースナナ１１〜組織をもつ加工
前の鋼材の透ｆｔｉ率を検出し、しかる後に鋼材の加工
後にお（ブる透磁率を検出し、これら検出された加工前
透磁率と加工後透磁率との変化値を求めれば、加工後の
鋼材の残留応力を算出することができる。

［実施例］ 以下、本発明を具体化した実施例を図面を参照しつつ説
明する。

（鋼材） 本実施例では、第１図に示すように、鋼材として車両用
ドライブピニオン１を用いている。このドライブピニオ
ン１は、傘部１１と軸部１２とをもつ。加工前のドライ
ブピニオン１は、浸炭鋼を浸炭処理したものであり、約
８０％のマルテンサイト組織と約２０％の残留オーステ
ナイト組織とからなる。

（測定装置） 使用した測定装置２も第１図に示す。この測定装置２は
、ドライブピニオン１の傘部１１に当接される傘部セン
サ２１と、ドライブピニオン１の軸部１２に当接される
軸部センサ２２と、これら傘部センサ２１及び軸部セン
サ２２と接続される計測器２３とからなる。

傘部センサ２１は、第２図に示すように、積層珪素鋼板
からなるコ字形状の磁芯２１０と、この磁芯２１０に巻
きつけられ交流電流が印加される励磁コイル２１１と、
磁芯２１０に巻きつけられ電磁誘導により電圧値を出力
する検出コイル２１２とからなる。磁芯２１０は、第３
図に示すように、各先端部分かドライブピニオン１の傘
部１１の歯溝とほぼ確実に当接するように型対称に形成
されており、各先端部分の側壁には磁束を各先端部分に
集中させるとともに耐摩耗性を向上させるべくセラミッ
ク等からなるコーティング層２１０ａか形成されている
。

第１図に示す軸部センサ２２は、第２図及び第３図に示
す傘部センサ２１と基本的に同一であるが、ただ磁芯の
各先端部分かドライブピニオン１の軸部１２とほぼ確実
に当接するように型対称に形成されている点か異なる。

計測器２３は、第２図に示すように、発振器２３１と、
この発振器２３１と接続され励磁コイル２１１に交流電
流を印加する増幅器２３２と、検出コイル２１２と接続
され電圧値を増幅させる増幅器２３３と、増幅器２３３
と接続された入出力装置２３４と、入出力装置２３４と
接続されたマイコン２３５と、入出力装置２３４と接続
された表示装置２３６とからなる。

（測定方法１） 本実施例では、加工としてショットピーニング（以下、
単にショットという。）を上記ドライブピニオン１に行
ない、上記測定装置２を用いて残留応力の測定を行なっ
た。

（加工前透磁率検出工程） 第１図に示すように、まずショッｉ〜前のドライブピニ
オン１の傘部１１に傘部センサ２１を当接する。これに
より、第２図に示すように、ドライブピニオン１の傘部
１１は深ざｔの範囲内で磁束を生じる。これにより、計
測器２３ては、傘部センサ２１の電圧値（加工前電圧値
；Ｖｏ）が検出される。この加工前電圧値（Ｖｏ　）は
加工前透磁率（μ０）と以下の相関関係をもつ。

すなわち、傘部センサ２１の励磁コイル２１１に１５ｋ
Ｈｚの交流電流を印加することにより、ドライブピニオ
ン１の傘部１１には、第２図に示すように、表面より１
００μｍ程度までの深さ士で磁束（Φ）か発生する。こ
の磁束（Φ）の発生量は、深さｔにおける透磁率（μ）
によって決定される。

この透磁率（μ）と磁気抵抗（Ｒｍ）とは次の関係をも
つ。

Ｒｍ＝ｆ（１／μｍ５）ｄｓ−・−（１）式％式％） この（１）式かられかるように、磁気抵抗（Ｒｍ）と透
磁率（μ）とは反比例の関係にあり、透磁率（μ）か小
さいと、磁気抵抗（Ｒｍ）は高くなる。この磁気抵抗（
Ｒｍ）と磁束（Φ）とは次の関係をもつ。

Φ＝Ｖｍ／Ｒｍ・・・・・・・・・・・・・・・・・・
・・・・・・（２）式（但し、Ｖｍ；センサの起磁力（
Ｖｍ＝Ｉ−Ｎ）ここに、■；励磁電流、Ｎ；］イル巻数
）この（２）式かられかるように、磁束（Φ）は磁気抵
抗（Ｒｍ）が小さいほど、つまり透磁率（μ）が大きい
ほど、発生量か多くなる。よって、一定の起磁力（Ｖｍ
）でドライブピニオン１を励磁すると、深さｔ内の透磁
率（μ）によって磁気抵抗（Ｒｍ）か定まり、最終的に
（２）式に基づいて磁束（Φ）の発生状態か決定される
。

この磁束（Φ）によって検出コイル２１２に誘起される
電圧値（Ｖ）が次の関係で求まる。

■＝−ｄΦ／ｄｔ・・・・・・・・・・・・・・・・・
・・・・・・・（３）式以上の相関関係の下、計測器２
３の表示装置２３６に加工前電圧値（ＶＯ）が表示され
る。一方、この加工前電圧値（Ｖｏ　）をもつドライブ
ピニオン１の最大残留圧縮応力（以下残留応力（Ｒ５ｏ
　）という。〉をＸ線応力測定装置等より求めておく。

（加工後透磁率検出工程） 次いて、傘部１１に所定のショットを施したドライブピ
ニオン１を用意し、第１図に示すように、このドライブ
ピニオン１の傘部１１に傘部センサ２１を当接する。こ
れにより、計測器２３ては、上記（加工前透磁率検出工
程）と同様、傘部センサ２１の電圧値（加工後電圧値；
Ｖｌ）か検出される。この加工後電圧値（Ｖｌ）も、上
記加工前電圧値（Ｖｏ　）と加工前透磁率（μ０）との
関係と同様、加工後透磁率（μｍ）と相関関係をもつ。

こうして、表示装置２３６に加工後電圧値（Ｖｌ）か表
示される。この加工後電圧値（ｖｌ）をもつドライブピ
ニオン１の残留応力（Ｒ８Ｉ）をもＸ線応力測定装置等
より求めてあく。

そして、複数のショットの段階において、上記（加工後
透磁率検出工程）を同様に行い、各加工後電圧値（Ｖ２
〜Ｖ４）をもつドライブピニオン１の各残留応力（Ｒ５
２〜Ｒ５４）をＸ線応力測定装置等より求めておく。

（締出工程） ドライブピニオン１における各力Ｕ工後電ｒＦ値（ｖｏ
〜Ｖ４）と、各残留応力（Ｒ５２〜Ｒ５４）との関係を
第４図に示す。これを入出力装置２３４より入力する。

以下、新たなドライブピニオン１に傘部センサ２１を当
接するたび、計測器２３ては、加工後電圧値（ＶＸ）か
検出され、この加工後電圧値（ＶＸ）と加工前電圧値（
Ｖｏ　）との変化量（Ｖ。

ＶＸ−ΔＶ）か求められ、この変化量（△Ｖ）と上記第
４図に示す関係とから残留応力（Ｒ５ｘ　）が算出され
る。

こうして計測器２３によって測定された残留応力と残留
オーステナイトの減少率との関係を第５図に示す。第５
図から残留オーステナイトの減少率と残留応力との間に
は比例的関係かあることか確認される。これは、第６図
及び第７図に示すように、残留オーステナイト組織かシ
ョットされることにより、加工誘起マルテンサイト変態
による体積膨張を受けるものと、残留オーステナイト組
織のままで塑性変形を受（プるものとに分けられ、これ
らにより傘部１１に残留応力か付与されると考えられる
からである。

また、残留オーステナイトの減少率と傘部センサ２１の
電圧値（加工前電圧値及び加工後電圧値）との関係を第
８図に示す。この第８図より、残留オーステナイトの減
少率か増すと、電圧値が高くなることがわかる。これは
、オーステナイト組織が常磁性であり、マルテンサイト
組織が強磁性であるため、ショットによって残留オース
テナイト組織か加工誘起マルテンサイト組織に変態する
ことにより、大きく透磁率が変化し、磁気抵抗が減少し
、磁束の発生量か増加して電圧値か高くなるからである
。

さらに、計測器２３によって測定された残留応力と電圧
値との関係を第９図に示す。この第９図より、残留応力
と電圧値とは比例的関係にあることがわかる。したかっ
て、１−ライブピニオン１のショット前の電圧値を検出
し、この後にショット後の電圧値を検出し、これらの電
圧値の変化量を求めることにより、ショット後のドライ
ブピニオン１の残留応力を締出てきることかわかる。ま
た、このとき、直流電流により磁気飽和に到達させる磁
場と、磁化をＯにする磁場とをドライブピニオン１に加
える必要かなく、かつ磁気歪み効果により誤差となる歪
みかドライブピニオン１に生じることもない。このため
、この測定方法によれば、測定後のドライブピニオン１
の使用が可能であるとともに、その測定を操作性よく、
かつ正確に行なうことができる。

なお、第１０図にショット前の残留オーステナイト量と
残留応力との関係を示す。第１０図かられかるように、
ショット前の残留オーステナイト量によって、残留応力
が最大とされる領域が存在する。本実施例では、この残
留応力が最大とされる残留オーステナイト量の範囲を適
用範囲としている。また、第１１図に示すように、この
適用範囲をショット条件の目安とされるアークハイト量
で示せば、比較的高強度領域の０．６〜０．８８の範囲
である。

（測定方法１の利用１） 上記測定方法１は生産ラインへ適用可能である。

この場合、例えば第１２図に示すように、ライン上で搬
送される個々のドライブピニオン１のショット後の加工
後電圧値（Ｖｘ　）を検出し、−旦求めた加工前電圧値
（＼１０）と各加工後電圧値（ＶＸ）とから各変化量（
Ｖｏ　　Ｖｘ−△Ｖ）を求める。そして、各変化量（Δ
Ｖ）が所定範囲内にあるか否かの判定をマイコン２３５
で行ない、ライン上のドライブピニオン１の選別を行な
う。このときの残留応力と電圧値との関係を第１３図に
示す。これにより、所定の疲労強度等をもつドライブピ
ニオン１を充分な精度で選別できることかわかる。

（測定方法１の利用２） また、個々のドライブピニオン１において残留オーステ
ナイト量が変動するようであれば、例えば第１４図に示
すように、ライン上で搬送される個々のドライブピニオ
ン１のショット前の加工前電圧値（Ｖｙ　）及びショッ
ト後の加工後電圧値（Ｖｚ）を検出し、各加工前電圧値
（Ｖｙ　）及び各加工後電圧値（Ｖｚ）から各変化量（
Ｖｙ　−ＶＺ＝△Ｖ）を求める。そして、各変化量（△
Ｖ）か所定範囲内にあるか否かの判定をマイコン２３５
て行ない、ライン上のドライブピニオン１の選別を行な
う。このときの残留応力と電圧値との関係を第１５図に
示す。これにより、個々のドライブピニオン１の残留オ
ーステナイト量の変動を無視できるため、所定の疲労強
度等をもつドライブピニオン１をより一層精度よく選別
できることがわかる。

（測定方法２） 上記測定方法１では、傘部センサ２１のみにより加工前
及び加工後の電圧値を測定したが、傘部センサ２１によ
りショットを施した部分の電圧値（ショット電圧値：Ｖ
ａ）を測定し、軸部センサ２２によりショットを施さな
い部分の電圧値（未ショット電圧値：Ｖｂ）を測定する
ことにより残留応力を測定することも可能である。この
場合、ショット電圧値（Ｖａ）と未ショット電圧値（■
ｂ）との変化率（Ｖａ　／Ｖｂ　＝ｒ　（％））が求め
られ、この変化率（ｒ）から残留応力が算出される。こ
のとき、残留応力と変化率との関係を第１６図に示す。

この第１６図より、残留応力と変化率とは比例的関係に
あることかわかり、これにより、個々のドライブピニオ
ン１の残留オーステナイト量の変動にも充分対応でき、
所定の疲労強度等をもつドライブピニオン１を精度よく
選別できることかわかる。

なお、上記実施例では電圧値の変化量や変化率によりド
ライブピニオンの選別を行なったか、本発明の測定方法
によれば、これらの変化量や変化率により所望の疲労強
度等を付与するショット等の加工条件の制御を行なうこ
とも可能である。

また、上記実施例ではドライブピニオンにショットを施
した場合について残留応力を測定したか、車軸等の鋼材
についても適用可能であることは勿論である。

［発明の効果］ 以上詳述したように、本発明の鋼材の加工による残留応
力の測定方法では、残留オーステナイト組織をもつ加工
前の鋼材の透ｌａ率を検出し、しかる後に！１ｉ１１祠
の加工後にあ（プ透ｌａ率を検出し、これら検出された
加工前透磁率と加工後透磁率との変化値から残留応力を
算出するため、鋼材の加工による応力状態か等方性であ
る加工を行なった場合にも、鋼材を破壊することなく、
操作性よくかつ正確に残留応力を測定することができる
。

したがって、本発明の測定方法により鋼材の残留応力を
測定すれば、測定後の鋼材の使用が可能であるとともに
全数自動検査も可能になり、ひいては加工条件へのフィ
ードバック制御も可能になるため、鋼材の品質か確実に
保証される。

【図面の簡単な説明】

第１〜１１図は本発明の一実施例である測定方法１に係
り、第１図は測定装置の正面図、第２図は測定装置のブ
ロック図、第３図は測定装置の傘部センサの一部断面図
、第４図は残留応力と電圧値との関係を示すグラフ、第
５図は残留オーステナイトの減少率と残留応力との関係
を示すグラフ、第６図及び゛第７図は実施例の測定方法
の作用を示す説明図、第８図は残留オーステナイトの減
少率と電圧値との関係を示すグラフ、第９図は残留応力
と電圧値との関係を示すグラフ、第１０図はショツｌ〜
前にあける残留オーステナイト量と残留応力との関係を
示すグラフ、第１１図はアークハイトと残留応力との関
係を示すグラフである。第１２図及び第１３図は測定方
法１０利用］に係り、第１２図は工程を示す説明図、第
１３図は残留応力と電圧値との関係を示すグラフである
。第１４図及び第１５図は測定方法１の利用２に係り、
第１４図は工程を示す説明図、第１５図は残留応力と電
圧値との関係を示すグラフである。第１６図は測定方法
２に係る残留応力と変化率との関係を示すグラフである
。 １・・・ドライブピニオン（鋼材） １１・・・傘部　　　　　１２・・・軸部２・・・測定
装置　　　　２１・・・傘部センサ２２・・・軸部セン
サ　　２３・・・計測器特許出願人　　　トヨタ自動車
株式会社代理人　　　　弁理士　　大川　家 弟１図 １・・・ドライブピニオン １］、・・・傘部 ２・・・測定装置 ２２・・・軸部センサ （鋼材） １２・・・軸部 ２１・・・傘部センサ ２３・・・計測器 第３図 第６図 浸炭組成 残Ｗ山ら刀 第４図 残 式η 田 応 力 （ｋ≠圃２） 残留オ ステナイト減少率（％） 第８図 第９図 残 留 応 力 （ｋｇ／ｍｍ　２） 第１０図 第１１図 ０．４　　　　０．６　　　　０．８ アークハイト（ｍｍ） 第１６図 残 留 応 力 （ｋｇ／ｍｍ２）

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）残留オーステナイト組織をもつ加工前の鋼材の透
   磁率を検出する加工前透磁率検出工程と、該鋼材の加工
   後における透磁率を検出する加工後透磁率検出工程と、 検出された加工前透磁率と加工後透磁率との変化値から
   残留応力を算出する算出工程とからなることを特徴とす
   る鋼材の加工による残留応力の測定方法。