2020 Fiscal Year Research-status Report
ショットピーニングにおけるショット速度計測と残留応力へのショット材質の影響の解明
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20K05158
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| Research Institution | Tokai University |
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Principal Investigator |
太田 高裕 東海大学, 工学部, 准教授 (00759160)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
麻 寧緒 大阪大学, 接合科学研究所, 教授 (10263328)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | ショットピーニング / 残留応力 / 粒子画像流速測定 / ショット速度 / アルミニウム合金 / 有限要素解析 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
ショットピーニングはショットが高速で金属に衝突することで金属表面に圧縮残留応力を与える加工法である．ショットピーニングは簡便に疲労強度を向上できるため，航空機・自動車をはじめ多くの製品の部品に適用されている．しかし，ショット速度の計測は難しく，最も重要な物理量であるショット速度の計測が十分に行われていない．特に，ノズルからの距離によるショット速度の変化は計測された事例が報告されていない．そこで，本研究では，ショット速度の計測に近年開発された高速ビデオカメラと粒子画像流速測定（PIV）を適用し，ノズルから供試体までの広い領域でショット速度の変化を計測し，ショット径・ショット材質のショット速度に及ぼす影響を定量的な関係式を明らかにする．
本年度は，粒径3種類の低合金鋼製ショット，および粒径3種類のセラミック（ジルコン）製ショットについて，高速度カメラとPIVを用いて，ノズルから約100mmの間のショット速度変化を計測した．ショットはノズルから投射後に，高圧エアで加速されて，ショット速度が増加する．その後に，ショット速度は定常となった．ショット材質およびショット粒径に関わらず，同じ傾向であった．ショット速度はエア圧の増加に伴って増加した．同じエア圧・材質では，粒径が小さいほどショット速度は速くなる．同じ程度の粒径においては，密度の低いジルコン製ショットでは密度の高い低合金鋼製ショットに比べて，ショット速度が速い．以上のように，ショット粒径・ショット材質，エア圧のショット速度に及ぼす影響を定量的に把握できた．
さらに，アルミニウム合金を対象に，低合金鋼製ショットを用いた場合の板厚内残留応力分布を有限要素法で解析した．ショット速度が速くなった場合，導入される圧縮残留応力が大きくなり，かつ，圧縮残留応力の深さが深くなることを確認した．板厚内の残留応力分布の実験結果と解析結果が一致した．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本研究の2020年度の計画では，１）低合金鋼ショットを対象にショット径がショット速度に与える影響を調査，２）ショット速度の残留応力分布に及ぼす影響の有限要素解析による調査（アルミニウム合金），３）残留応力の計測（アルミニウム合金），が実施内容であった．本年度の実施状況は以下のとおりである．
１）高速度カメラと粒子画像流速測定（PIV）を用いて，3種類の粒径の低合金鋼製ショットについて，0.2~0.6MPaのエア圧において，ショット速度を計測した．さらに，3種類の粒径のジルコン製ショットについても0.2~0.6MPaのエア圧において，ショット速度を計測した．この結果，ショット粒径・ショット材質，エア圧のショット速度に及ぼす影響を定量的に把握できた．
２）アルミニウム合金に対して，低合金鋼製ショットの場合について，板厚内の残留応力分布に及ぼすショット速度の影響を有限要素法で解析を実施した．ショット速度が増加すると板厚内の残留応力分布が変化することを定量的に把握した．
３）アルミニウム合金に対して，低合金鋼製ショットの場合について， 電解研磨による逐次除去とX線回折法を用いて，板厚内の残留応力分布を計測した．計測した残留応力分布は有限要素法解析の結果と一致した．
以上のように，当初の計画通りに進捗している．
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| Strategy for Future Research Activity |
計画では2021年度に，１）粒径の異なるジルコンショットのエア圧とショット速度の計測，２）オーステナイト系ステンレス鋼にショットピーニングを行った場合の加工誘起マルテンサイトを考慮した数値解析手法の検討，３）オーステナイト系ステンレス鋼におけるショットピーニング後の残留応力の計測，４）残留応力へのショット径・材質の影響の検討，を計画している．
１）粒径の異なるジルコンショットのエア圧とショット速度の計測では，すでに高速度カメラでの撮影は完了しており，計画通りに2021年度にショット速度の解析を実施する．
２）オーステナイト系ステンレス鋼にショットピーニングを行った場合の数値解析手法の検討については，文献調査とモデル化の方針を決めている．2021年度に共同研究者（大阪大学・麻 教授）において，解析のサブルーチンを作成する．
３）オーステナイト系ステンレス鋼におけるショットピーニング後の残留応力の計測については，試験体を作成し，ショットピーニングを行い，残留応力を計画通りに計測する．さらに，解析手法の検証には単純な引張・圧縮，および単球の押し込み試験を計画している．
４）残留応力へのショット径・材質の影響の検討については，2021年度は相変態のないアルミニウム合金を先行で検討する．アルミニウム合金ついては2020年度にほぼ実験を終えており，解析と比較を行う計画である．
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