超高速水中水噴流ピーニングによる機械部品の疲れ強度向上に関する流体工学的研究

2001 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 12305013
• Research Institution: Saitama Institute of Technology
• Principal Investigator: 大場 利三郎 埼玉工業大学, 工学研系, 教授 (40006169)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 島本 聡 埼玉工業大学, 工学部, 教授 (10118664) ; 伊藤 幸雄 八戸工業大学, エネルギー工学科, 教授 (70006196) ; 井小萩 利明 東北大学, 流体科学研究所, 教授 (90091652) ; 根岸 利一郎 埼玉工業大学, 先端科学研究所, 研究員 (70237808) ; 巨 東英 埼玉工業大学, 工学部, 助教授 (10255143)
• Keywords: 噴流 / ピーニング / 残留応力 / 脆性破壊 / キャビテーション / 気泡 / 衝撃波 / 渦

Research Abstract

高速水中水噴流の周りには多数の高壊食性渦キャビテーションを含むキャビテーション気泡雲が生じ、この気泡雲の崩壊時には噴流水撃圧の数千倍にも達する数GPaの局所的高衝撃圧を発生する。この高衝撃圧を用いたピーニング加工法が高速水中水噴流ピーニング法であり、原子炉圧力容器の脆性破壊を防止し、炉の寿命と安全性を大幅に高める技術としてすでに実用化されている。しかし、従来の高速水中水噴流ピーニング法には、多くの機械部品のように非対称性複雑形状物の加工が困難という致命的欠点があった。そこで、この欠点を除去し、適用範囲の飛躍的拡大を目的として、本研究では、どのように複雑な形状の機械部品でも、十分大きな気泡雲中に置かれると、流体圧は局所壁面に垂直にかかるから、ほぼ一様残留応力が迅速に付加され、非常に簡単かつ安全にピーニング加工が可能になるという一様大気泡雲式高速水中水噴流ピーニング法(以下LCWJPと言う)を提案し、本法の有効性を、実際の機械部品(SCR420H3V2製トルコン用はす歯歯車)に対してLCWJP加工した供試片表面の残留応力をx線応力測定法により計測し、ほぼ一様残留応力が付加されている事実から、本LCWJP法の高い実用性を確かめた。さらに、ピーニングした歯面の顕微鏡観察より、機械の騒音源とされている表面粗さが著しく軽減される事実も確認した。また、ピーニング作用をより増大する目的で、作用の根元である高壊食性渦形気泡雲に関する組織的研究を行い、気泡雲が、キャビテーション核、ヤコブ数(水温)、局所マッハ数、過渡流効果に敏感である事実も解明した。

Research Products

• [Publications] 山部正博, 大場利三郎: "円管壁小円孔からの空中水平水噴出の挙動"日本機械学会論文集(B編). 67-656. 882-888 (2001)
• [Publications] 井小萩利明, 大場利三郎: "翼形周りの過渡渦流れに生じる流体損失の数値解析"日本機械学会論文集(B編). 67-658. 1353-1359 (2001)
• [Publications] 井小萩利明, 大場利三郎: "前後縁丸みを持つスーパキャビテーション翼形の実用迎え角特性の解析(後縁丸みの顕著な影響)"ターボ機械. 29-7. 432-437 (2001)
• [Publications] 大場利三郎: "キャビテーション発生形態と損傷事例"ターボ機械. 29-11. 649-655 (2001)
• [Publications] 伊藤幸雄, 大場利三郎: "Project 1 水中水噴流が形成する気泡雲の超音速挙動"埼工大ハイテクリサーチセンター研究報告会講演論文集. 23-26 (2001)
• [Publications] 井小萩利明, 大場利三郎: "Project 1 翼形周りの過渡渦流れに生じる流体損失の数値解析"埼工大ハイテクリサーチセンター研究報告会講演論文集. 19-22 (2001)
• [Publications] 大場利三郎: "産学連携の中核拠点・埼玉工業大学先端科学研究所"熊谷地区工場懇談会. 1-5 (2001)
• [Publications] 大場利三郎: "超高速水中水噴流用垂直形回流式試験水槽のキャビテーション核分布"日本機械学会年次大会講演会(福井)講演論文集. No.01-1. 145-146 (2001)
• [Publications] 大場利三郎: "最高衝撃圧を呈する水温近傍におけるキャビテーションの様相"日本機械学会年次大会講演会(福井)講演論文集. No.01-1. 258-259 (2001)
• [Publications] 巨東英, 大場利三郎: "一様大気泡雲式高速水中水噴流による機械部品へのピーニング効果"日本ウオータージェット学会第16回研究発表講演会論文集. 11-16 (2002)
• [Publications] 大場利三郎: "第1プロジェクト「高信頼性環境制御知能システムの開発」"埼工大ハイテクリサーチセンター2001年度研究成果報告書. 1-2 (2001)
• [Publications] 大場利三郎: "Project 1 超高速水噴流に関する研究"埼工大ハイテクリサーチセンター2001年度研究成果報告書. 3-6 (2001)
• [Publications] 大場利三郎, 島本聡, 巨東英: "ウォータージェットピーニングによるギヤ強度の向上"平成12年度スズキ財団助成研究研究報告書. 1-22 (2001)
• [Publications] 大場利三郎: "キャビテーションを伴う超音速水中水噴流の挙動"日本ウオータージェット学会WJシステムに関する調査研究委員会(埼玉). 1-5 (2001)
• [Publications] 巨 東英, 向井 竜二: "Simulation and Experimental Verification of Metallo-Thermo-Mechanical Behavior in Stirring Quenching Process"Proc. of 8^<th> Seminar of International Federation for Heat Treatment and Surface Engineering. Vol.1. 317-324 (2001)
• [Publications] 巨 東英, Chuncheng Jiu: "Numerical Modeling and Simulation of Carburized and Nitrided Quenching"Proc. of International Conference on Advances in Materials and Processing Technologies. Vol.3. 1025-1032 (2001)
• [Publications] Chuncheng Liu, 巨 東英: "Study of Bainitic Transformation Kinetics and Stress-assisted Transformation"Journal of Material Science and Technology. Vol.96. 218-232 (2001)
• [Publications] Chuncheng Liu, 巨 東英: "Numerical Modeling for Simulating Metallo-Thermal-Mechanical Behavior during Carburized and Nitrided Quenching"Journal of Materials Science Research International. Special Issue. 469-474 (2001)
• [Publications] 巨 東英, 大場利三郎: "IMPROVEMENT OF RESIDUAL STRESS IN GEAR USING WATER PEENING BY A CAVITATION JET TECHNIQUE"Journal of Materials Science Forum, Trans Tech Publications. Vol.354(to appear). (2002)
• [Publications] 巨 東英, 向井 竜二: "RESIDUAL STRESS MEASUREMENT OF QUENCHED STEEL BASED ON NEUTRON DIFFRACTION METHOD"Journal of Materials Science Forum, Trans Tech Publications. Vol.354(to appear). (2002)
• [Publications] 根本 哲也, 島本 聡: "光塑性ひずみ凍結法の定ひずみ場への適用"非破壊検査. Vol.50. 724-728 (2001)
• [Publications] 島本 聡, 古屋 泰文, 阿部 博之: "形状記憶TiNiファイバ強化複合材料での疲労き裂進展抑制"日本機械学会論文集. Vol.67, No.663, A. 72-79 (2001)
• [Publications] Akira Shimamoto, Cheong Cheon Lee, Hiroshi Isui: "Active Control of Crack Closure Acts by The Shrinkage Effect of Shape Memory TiNi Fiber Embedded / Polymer Matrix Composite"LiMAT-2001. Vol.II. 911-916 (2001)
• [Publications] Akira SHIMAMOTO, Jeonghwan NAM, Jai-Sug HAWONG: "Effect of KI Reduction in SMA Fiber of TiNi Reinforced Epoxy Matrix Composite"APCFS & ATEM '01. vol.2. 645-650 (2001)
• [Publications] R.Negishi, M.Yoshizawa, S.Zhou, I.Matsumoto, T.Fukamachi, T.Kawamura: "Image Contrast of Lattice Defects in X-Ray Topography by Resonant Scattering"Jpn. J. Appl. Phys.(Japanese Journal of Applied Physics). Vol.40. L884-L887 (2001)
• [Publications] 井小萩利明, 大場利三郎: "TSJターボ機械協会指針「ポンプのキャビテーション損傷の予測と防止」、TSJ G 00"ターボ機械協会. 81 (2001)