高速重畳スキャンにより空間強度分布を最適成形したレーザによる隅角部焼入れ法の開発
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19K04116
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 18020:Manufacturing and production engineering-related
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| Research Institution | Ryukoku University |
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Principal Investigator |
小川 圭二 龍谷大学, 先端理工学部, 教授 (80405232)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
田邉 裕貴 滋賀県立大学, 工学部, 教授 (00275174)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2024-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2022)
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| Budget Amount *help |
¥4,290,000 (Direct Cost: ¥3,300,000、Indirect Cost: ¥990,000)
Fiscal Year 2021: ¥1,040,000 (Direct Cost: ¥800,000、Indirect Cost: ¥240,000)
Fiscal Year 2020: ¥1,170,000 (Direct Cost: ¥900,000、Indirect Cost: ¥270,000)
Fiscal Year 2019: ¥2,080,000 (Direct Cost: ¥1,600,000、Indirect Cost: ¥480,000)
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| Keywords | レーザ / 空間強度分布 / 焼入れ / 硬度分布 / 高精度 / 機械工作・生産工学 / 精密部品加工 / 材料加工・処理 |
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| Outline of Research at the Start |
隅角部に所定深さ以上の硬化領域を形成するために、熱シミュレーションを用いて、隅角部形状及び寸法に応じた適正なレーザ照射法を迅速に導出するシステムを開発する。さらに、そのために、小スポットレーザをガルバノミラーにより超高速重畳スキャンすることで、疑似的に任意の空間強度分布を有するレーザビームを成形し、これを熱源とする新しいレーザ焼入れ技術を確立する。そして、本技術の環境負荷低減効果を明らかにする。
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| Outline of Annual Research Achievements |
レーザ焼入れは、必要箇所のみを硬化させることが可能で、強度向上はもちろん、ひずみレス、クリーンな作業環境も実現できるため、産業界で急速に利用が進んでいる注目技術である。本研究課題では、隅角部（凹凸部）を有する鉄鋼材部品を対象とし、超高速重畳スキャンにより空間強度分布を最適成形したレーザを用いた焼入れ法を開発し、多種多様な隅角部に確実に硬化領域を形成する技術を確立することを最終目的にしている。令和4年度も、引き続き、熱シミュレーションによる硬化領域予測技術の確立とその検証実験に取り組んだ。令和元年度は、トップハット分布矩形レーザを想定また実際に用いて、平面階段形状工作物の隅角部の焼入れについて検討し効果を見出し、令和2年度は高速スキャンレーザでの検討を開始したが、研究を進めるなかで、焼入れ試験においても強度分布測定においても、スキャンレーザ特有の課題が顕在化し、その課題克服に注力することになった。令和3年度は、まずはラインビームを成形して段付き部を模したモデルに対して、熱シミュレーションによる適正条件の検討とその効果の検証試験を中心に研究を進めた。工作物隅角部に応じて、レーザ出力を制御する手法を考案し、熱シミュレーションを用いて適正化を図った。令和3年度は、これを深耕し、工作物寸法に応じて適正な出力制御を行うことで角部と隅部両方に硬化領域を形成することに成功した。(1)角部、中間部、隅部の熱容量の大きさに応じて段階的にレーザ出力を調節する照射方法は隅角部へのレーザ焼入れの均一化に有効である。(2)熱シミュレーションを用いて工作物内の温度履歴を分析することにより、2つ目の温度ピークが冷却速度の定義範囲内で生じると冷却速度が臨界冷却速度まで上がらず、焼入れできない場合がある。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
4: Progress in research has been delayed.
Reason
本研究課題では、隅角部（凹凸部）を有する鉄鋼材部品を対象とし、超高速重畳スキャンにより空間強度分布を最適成形したレーザを用いた焼入れ法を開発し、多種多様な隅角部に確実に硬化領域を形成する技術を確立することを最終目的にしており、令和4年度は、引き続き、熱シミュレーションによる硬化領域予測技術の確立とその実証実験に取り組み、工作物寸法に応じて適正な出力制御を行うことで角部と隅部両方に硬化領域を形成することに成功した。しかしながら、新型コロナウィルス感染拡大の影響が残り、予定していた(3)赤外線サーモカメラによるレーザ照射部温度計測および(4)環境負荷の定量評価が十分に実施できなかった。これらの結果、研究期間延長せざるを得ない状況になったため、遅れているとした。
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| Strategy for Future Research Activity |
昨年度と同じく、実施内容の計画変更は行わないが、研究期間についてはさらに1年延長した。熱シミュレーションによる硬化領域予測技術については、ほぼ計画通り技術確立が進められたため、これらの深耕を実施する。これに加えて、焼入れ品質を保証するためのレーザ照射部温度計測技術、そしてLCA解析による環境負荷の定量評価に取り組み、本研究課題技術を確立する。
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Report
(4 results)
Research Products
(2 results)
