JP2017036992A - 試験片の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】車軸の平行部の疲労強度の簡易評価試験に用いる試験片の製造方法を提供する。
【解決手段】金属材料からなる車軸の平行部の疲労強度の簡易評価試験に用いる試験片の製造方法であって、旋削加工により、前記金属材料に対応する素材に対して、［０．４０≦Ｒ_ｓ／Ｒ_ｒ≦０．８０］（但し、Ｒ_ｒは車軸の平行部における仕上加工時の周速（ｍ／ｍｉｎ）、Ｒ_ｓは試験片の平行部における仕上加工時の周速（ｍ／ｍｉｎ）である。）を満足する条件で仕上加工を施し、直径が５〜２０ｍｍである平行部を形成する、試験片の製造方法。
【選択図】 なし

Description

本発明は、試験片の製造方法に係り、特に、車軸の平行部の疲労強度の簡易評価試験に用いる試験片の製造方法に関する。

鉄道車両等の車両に用いられる車軸は、車両の安全走行にとって最も重要な部品の一つである。そのため、車軸の疲労特性を明らかにすることは、極めて重要な課題といえる。車軸の疲労特性に関する試験方法として、実物大の車軸を用いた疲労試験がしばしば行われている。

実物大の車軸を用いた疲労試験機の一つに共振型輪軸疲労試験機がある。共振型輪軸疲労試験機は、車軸の一端部に設けられた車輪の外周部を台座に固定し、車軸の他端部に偏芯マス付きのモーターを取り付けて回転させることで、車軸の車輪とのはめ合い部近傍に回転曲げの負荷を与える仕組みのものである。なお、圧入部に対して平行部の直径が小さいと、き裂は車軸の平行部において生じる。そして、き裂が発生する限界の応力を評価することによって、車軸の平行部における疲労限度を求めることができる。非特許文献１には、共振型輪軸疲労試験機を用いた実物大車輪を用いた疲労試験評価について記載されている。この試験機では、実物大車軸の疲労試験評価を行うことも可能である。

Y. OKAGATA, K. KIRIYAMA and T. KATO, Fatigue strength evaluation of the Japanese railway wheel, Fatigue & Fracture of Engngineering Materials & Structures, 30 (2007), p356-371.

しかしながら、実物大車軸を用いた疲労試験では、試験ごとに実際の車軸を準備する必要があるだけでなく、大型な試験装置が必要となるため、試験に要するコストが過大であるという問題がある。そのため、車軸の疲労特性を簡易的に評価する試験方法が望まれる。

車軸の疲労特性を簡易的に調査するためには、小型の試験片を用いた疲労試験を行う必要がある。しかしながら、同一の化学組成、金属組織および機械的特性等を有する金属材料を用いたとしても、小型の試験片を用いた試験によって得られる疲労限度の値と、実物大車軸における疲労限度の値とが必ずしも一致するとは限らない。そのため、簡易的な方法によって車軸の疲労特性を評価するためには、実物大車軸と同等の疲労特性を示す小型試験片を作製する必要がある。

本発明は、上記の問題を解決し、車軸の平行部の疲労強度の簡易評価試験に用いる試験片の製造方法を提供することを目的とする。

本発明者らは、実際の車軸に用いられる金属材料に対応する素材を用いて、軸力試験片および回転曲げ試験片を作製した。なお、一般的な試験片の作製方法と同様に、エメリー紙による研磨によって仕上加工を施した。

上記の軸力試験片および回転曲げ試験片を用いて、それぞれ軸力疲労試験および回転曲げ疲労試験を実施し、疲労限度を求めたところ、実物大車軸を用いた疲労試験によって求められた疲労限度の値と比較して、著しく高い値となった。

そこで、実物大車軸と試験片との表面性状の違いに注目し、実際の車軸の仕上加工条件を模擬した条件で試験片を作製した。種々の仕上加工条件で複数の試験片を作製し、疲労試験を実施した結果、実物大車軸の疲労限度と同等の値を再現することが可能となった。

発明者らがさらに検討した結果、仕上加工条件に起因する試験片の表面粗さおよび軸方向の残留応力が、疲労限度に大きく影響を及ぼし、これらの値を実際の車軸と試験片とで同等の値に調整することによって、疲労限度についても同等の値とすることが可能であることが判明した。

仕上加工条件と表面粗さおよび軸方向の残留応力との関係についてより詳細に検討した結果、表面粗さの大きさは、旋削加工における送り、切込み量およびチップ形状の３つの要素に支配されており、実物大車軸と試験片との仕上加工におけるこれらの３つの条件をそろえることによって、同等の表面粗さが得られることが分かった。

一方、軸方向の残留応力は引張残留応力であり、旋削加工時におけるごく表層の局所的な発熱による発熱部の降伏強度の低下および周囲からの変形拘束に起因して生じると考えられる。そして、引張残留応力の大きさについては、旋削加工における周速が大きく関係していることが分かった。しかしながら、実物大車軸と試験片とでは、寸法が大きく異なり、その差によって熱容量が異なるため、仕上加工において単純に周速を同じにしても同等の引張残留応力は得ることができない。

本発明は、上記の知見に基づいて完成されたものであり、下記の試験片の製造方法を要旨とする。

（１）金属材料からなる車軸の平行部の疲労強度の簡易評価試験に用いる試験片の製造方法であって、
旋削加工により、前記金属材料に対応する素材に対して、下記（ｉ）式を満足する条件で仕上加工を施し、直径が５〜２０ｍｍである平行部を形成する、試験片の製造方法。
０．４０≦Ｒ_ｓ／Ｒ_ｒ≦０．８０ ・・・（ｉ）
但し、上記（ｉ）式中の各記号の意味は下記のとおりである。
Ｒ_ｒ：車軸の平行部における仕上加工時の周速（ｍ／ｍｉｎ）
Ｒ_ｓ：試験片の平行部における仕上加工時の周速（ｍ／ｍｉｎ）

（２）前記仕上加工における加工条件が、さらに、下記（ii）式を満足する、上記（１）に記載の試験片の製造方法。
０．０３≦Ｄ_ｓ／Ｄ_ｒ≦０．１２ ・・・（ii）
但し、上記（ii）式中の各記号の意味は下記のとおりである。
Ｄ_ｒ：車軸の平行部の直径（ｍｍ）
Ｄ_ｓ：試験片の平行部の直径（ｍｍ）

（３）前記試験片の平行部における表面粗さが、前記車軸の平行部における表面粗さとの関係において、下記（iii）式を満足する、上記（１）または（２）に記載の試験片の製造方法。
０．７５≦Ｒｚ_ｓ／Ｒｚ_ｒ≦１．２５ ・・・（iii）
但し、上記（iii）式中の各記号の意味は下記のとおりである。
Ｒｚ_ｒ：車軸の平行部の表面粗さ（μｍ）
Ｒｚ_ｓ：試験片の平行部の表面粗さ（μｍ）

（４）前記試験片の平行部における残留応力が、前記車軸の平行部における残留応力との関係において、下記（iv）式を満足する、上記（１）から（３）までのいずれかに記載の試験片の製造方法。
０．７≦σ_ｓ／σ_ｒ≦１．３ ・・・（iv）
但し、上記（iv）式中の各記号の意味は下記のとおりである。
σ_ｒ：車軸の平行部の残留応力（ＭＰａ）
σ_ｓ：試験片の平行部の残留応力（ＭＰａ）

（５）前記車軸が、鉄道用車軸である、上記（１）から（４）までのいずれかに記載の試験片の製造方法。

本発明によれば、車軸の平行部の疲労強度の簡易評価試験に用いる試験片を安定的に製造することが可能となる。

試験片の形状を説明するための図である。 疲労試験で得られたＳ−Ｎ線図である。 疲労試験で得られたＳ−Ｎ線図である。

本発明の製造方法を用いて製造される試験片は、金属材料からなる車軸の平行部の疲労強度の簡易評価試験に用いるものである。本発明の試験片は特に、鉄道用車軸の平行部の疲労強度を簡易的に評価するのに好適に用いることが可能である。

試験片を作製するにあたっては、車軸を構成する金属材料に対応する金属材料を素材として用いる必要がある。なお、車軸を構成する金属材料に対応する金属材料とは、同等の化学組成、金属組織および機械的性質を有する金属材料を意味する。したがって、試験片の素材は、車軸と同等の化学組成を有する原料を用い、同様の条件での熱処理を施すことによって、製造することが好ましい。なお、上記の化学組成および熱処理条件については、必ずしも厳密に同一にする必要はなく、疲労強度に大きく影響を及ぼさない範囲で許容されるものとする。

本発明に係る試験片は、直径が５〜２０ｍｍである平行部を有する。平行部の直径が５ｍｍ未満では、試験中に座屈のおそれが生じるため、疲労強度を評価する際の誤差が過大となり正確な評価が行えなくなる。一方、２０ｍｍを超えると試験片の寸法が大きくなるため、簡易的な評価方法とはいえなくなる。

車軸は通常、旋削加工によって製造される。したがって、実際の車軸と試験片との表面性状を同等とするため、試験片は旋削加工によって最終的な仕上加工が行われる必要がある。なお、試験片を製造するに際しては、素材を最初から仕上まで全て旋削加工によって作製してもよいし、仕上のみ旋削加工によって行ってもよい。

試験片の仕上加工は、下記（ｉ）式を満足する条件で行う必要がある。試験片の仕上加工時の周速が小さすぎて、Ｒ_ｓ／Ｒ_ｒの値が０．４０未満となると、試験片表面に付与される引張残留応力が車軸と比較して小さくなり、疲労限度を過大評価することとなる。一方、試験片の仕上加工時の周速が大きすぎて、Ｒ_ｓ／Ｒ_ｒの値が０．８０を超えると、試験片表面に過大な引張残留応力が付与されることとなり、疲労限度が著しく低くなってしまう。
０．４０≦Ｒ_ｓ／Ｒ_ｒ≦０．８０ ・・・（ｉ）
但し、上記（ｉ）式中の各記号の意味は下記のとおりである。
Ｒ_ｒ：車軸の平行部における仕上加工時の周速（ｍ／ｍｉｎ）
Ｒ_ｓ：試験片の平行部における仕上加工時の周速（ｍ／ｍｉｎ）

試験片の仕上加工は、さらに下記（ii）式を満足する条件で行うことが好ましい。試験片の平行部の直径が車軸の平行部の直径に比べて著しく小さく、Ｄ_ｓ／Ｄ_ｒの値が０．０３未満となると、評価試験の精度が低下するおそれがある。一方、Ｄ_ｓ／Ｄ_ｒの値が０．１２を超えると、実物大車軸に近い寸法の試験片を用意する必要があり、評価試験を簡易的に行うことが困難になるおそれがある。
０．０３≦Ｄ_ｓ／Ｄ_ｒ≦０．１２ ・・・（ii）
但し、上記（ii）式中の各記号の意味は下記のとおりである。
Ｄ_ｒ：車軸の平行部の直径（ｍｍ）
Ｄ_ｓ：試験片の平行部の直径（ｍｍ）

また、前記試験片の平行部における表面粗さが、前記車軸の平行部における表面粗さとの関係において、下記（iii）式を満足することが好ましい。上述のように、表面粗さは疲労限度に大きく影響を及ぼす要素の一つである。試験片と実際の車軸とで平行部における表面粗さの大きさはできる限り同等とすることが好ましい。表面粗さの大きさは、旋削加工における送り、切込み量およびチップ形状の３つの要素に支配されているため、実物大車軸と試験片との仕上加工におけるこれらの３つの条件をそろえることによって、下記（iii）式を満足することが可能となる。なお、本発明においては、表面粗さの値としては、ＪＩＳ Ｂ ０６０１（２０１３）で規定される十点平均粗さＲ_ｚＪＩＳを採用するものとする。
０．７５≦Ｒｚ_ｓ／Ｒｚ_ｒ≦１．２５ ・・・（iii）
但し、上記（iii）式中の各記号の意味は下記のとおりである。
Ｒｚ_ｒ：車軸の平行部の表面粗さ（μｍ）
Ｒｚ_ｓ：試験片の平行部の表面粗さ（μｍ）

さらに、前記試験片の平行部における残留応力が、前記車軸の平行部における残留応力との関係において、下記（iv）式を満足することが好ましい。上述のように、残留応力も表面粗さと同様に、疲労限度に大きく影響を及ぼす要素の一つである。試験片と実際の車軸とで平行部における残留応力の値が大きく異なると疲労限度にも大きな差が生じてしまうおそれがある。残留応力の値は、実物大車軸と試験片との寸法の差に応じて、旋削加工における周速を調整することによって、下記（iv）式を満足することが可能となる。なお、車軸および試験片の平行部における残留応力の値は、Ｘ線回折法により求めることが可能である。
０．７≦σ_ｓ／σ_ｒ≦１．３ ・・・（iv）
但し、上記（iv）式中の各記号の意味は下記のとおりである。
σ_ｒ：車軸の平行部の残留応力（ＭＰａ）
σ_ｓ：試験片の平行部の残留応力（ＭＰａ）

以下、実施例によって本発明をより具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。

＜参考実験１＞
まず、共振型輪軸疲労試験機（SincoTec社製）を用いて、実物大車軸を用いた疲労試験を行った。共振型輪軸疲労試験機は、車軸の一端部に設けられた車輪の外周部を台座に固定し、車軸の他端部に偏芯マス付きのモーターを取り付けて回転させることで、車軸の車輪とのはめ合い部近傍に回転曲げの負荷を与える装置である。

実物大車軸は、表１に示す化学組成を有する中炭素鋼に対して焼入れ焼戻しの熱処理を施すことによって製造されたものである。車軸の寸法は、圧入部の直径Ｄが１９１ｍｍ、平行部の直径ｄが１６６ｍｍであり、段径比Ｄ／ｄが１．１５である。また、車輪は圧入部からのオーバーハング量が５ｍｍとなるような状態で固定されている。なお、車軸表面から深さが１０ｍｍの位置を中心として引張試験片を切り出し、引張試験を行うことによって機械的性質を調査した。その結果を表２に示す。

共振型輪軸疲労試験機を用いた疲労試験は室温大気中で行い、試験周波数を約２０Ｈｚ、打切り繰り返し数を１×１０^７回とした。疲労試験中は共振条件下で車軸平行部に貼付したひずみゲージの出力が一定となるよう試験周波数が制御される。き裂が発生すると試験周波数が変化するため、き裂発生を検知することができる。そして、き裂発生を検知するとモーターの回転が自動停止する機構となっている。平行部にき裂が発生して自動停止した場合、き裂は車軸断面の１／３程度の領域まで進展していたため、これを「破断」と呼ぶことにする。なお、平行部の試験応力には、フィレットＲ上に貼付した５連ゲージの出力より得た最大応力を用い、最小破断点と最大未破断点の応力の中間値を平行部の疲労限度とした。

次に、試験片を用いた疲労試験を実施した。試験片に用いた素材も車軸と同じ中炭素鋼であり、焼入れ焼戻しの熱処理を施している。そして、試験片表面から深さが１０ｍｍの位置を中心として引張試験片を切り出し、引張試験を行うことによって機械的性質を調査した。化学組成および機械的性質の調査結果を表１および２にあわせて示す。表１および２に示されているように、試験片の化学組成および機械的性質は、車軸と同等であることが分かる。

図１（ａ）および（ｂ）に示す形状の軸力試験片および回転曲げ試験片の２種類の試験片を作製し、一般的な試験片の作製方法と同様に、エメリー紙による研磨によって仕上加工を施した。上記の軸力試験片および回転曲げ試験片を用いて、それぞれ軸力疲労試験および回転曲げ疲労試験を実施した。

軸力疲労試験には容量５０ｋＮの電気油圧サーボ型疲労試験機を、回転曲げ疲労試験には容量１００Ｎｍの小野式回転曲げ疲労試験機を用いた。試験周波数は、軸力疲労試験で１０Ｈｚ、回転曲げ疲労試験で５７Ｈｚとし、いずれも応力比は−１（両振り）、試験環境は室温・大気中、打切り繰返し数は１×１０^７回とした。

図２に疲労試験で得られたＳ−Ｎ線図を示し、その結果から得られた疲労限度を表３に示す。図２および表３においては、実物大車軸の疲労限度に対する比で整理している。ここで、表中の疲労限度は図中の最小破断点とこれより低応力の最大未破断点の応力の中間値（繰返し数１×１０^７回で判定）とした。その結果、実物大車軸の疲労限度に対して、表面を研磨した試験片の疲労限度は、軸力試験片で１．３３倍、回転曲げ試験片で１．３７倍と高いレベルにあることが分かる。

＜実施例１＞
続いて、実際の車軸の仕上加工条件を模擬した条件で図１（ｃ）に示す形状の試験片を作製した。すなわち、旋削加工の仕上加工条件における送り、切込み量およびチップ形状については、実際の車軸での条件と同一にした。周速については、表４に示すように種々の条件として、複数の試験片を作製した。なお、試験片の化学組成および機械的性質は、上記の参考実験１で用いた試験片と同一である。

表４に仕上加工時の周速比、試験片の平行部における表面粗さ、残留応力および実物大車軸に対する疲労限度比を示す。表４には実物大車軸の結果も合わせて示している。

表４から分かるように、本発明の規定を全て満足している試験番号１〜３では、表面粗さおよび残留応力が実物大車軸の値と同等となり、その結果、疲労限度についても同等の値となった。なお、試験番号１について疲労試験を行った結果のＳ−Ｎ線図を、参考実験１における試験片（軸力試験片および回転曲げ試験片）との比較のために図２にあわせて示しており、実物大車軸との比較のために図３に示している。図３においても、図２と同様に実物大車軸の疲労限度に対する比で整理している。

一方、周速が低い比較例の試験番号４では、表面粗さについては実物大車軸と同等であったが、残留応力が著しく低くなり、その結果、疲労限度が高くなった。また、周速が高い比較例の試験番号５では、残留応力が過大となり、その結果、疲労強度が低くなり、実物大車軸の値を再現することができなかった。

表５は、実物大車軸と試験番号１の試験片との仕上加工条件を比較した表である。なお、表面粗さを両者で同等の値とするために、送り、チップ形状および最終切込み量は全て同じにしている。一方、周速が異なるにも拘わらず同等の引張応力が得られた理由として、実物大車軸と試験片との直径および回転数の違いが関係していると考えられる。

表５に示しているように、実物大車軸の回転数に対して、試験片の回転数は１３倍であった。加工時の発熱量は、工具（チップ）の押し付け力が一定であるとすると周速が高いほど大きくなる。一方、車軸および試験片の表面上のある周方向位置で見たとき、発熱源である工具との接触部がその位置に到達する単位時間あたりの頻度は回転数に比例する。よって、車軸および試験片の表面上では周速が大きいほど、そして回転数が大きいほど発熱量が大きくなると考えられる。以上より、試験片では車軸より周速は遅いが回転数が高いため、車軸と同等の残留応力が発生したものと推定される。

なお、直径が小さいほど熱容量が小さくなり、試験片全体の温度が上昇しやすくなる。よって、試験片で実体車軸と同等の周速で仕上加工すると、試験片全体の温度上昇によって焼き戻され、強度低下が生じたり、表層に脱炭が生じたりするおそれがある。上記の試験番号５においても、試験片表面が黒変しており、断面ミクロ観察の結果、一部脱炭が認められた。

本発明によれば、車軸の平行部の疲労強度の簡易評価試験に用いる試験片を安定的に製造することが可能となる。

Claims (5)

1. 金属材料からなる車軸の平行部の疲労強度の簡易評価試験に用いる試験片の製造方法であって、
   旋削加工により、前記金属材料に対応する素材に対して、下記（ｉ）式を満足する条件で仕上加工を施し、直径が５〜２０ｍｍである平行部を形成する、試験片の製造方法。
   ０．４０≦Ｒ_ｓ／Ｒ_ｒ≦０．８０ ・・・（ｉ）
   但し、上記（ｉ）式中の各記号の意味は下記のとおりである。
   Ｒ_ｒ：車軸の平行部における仕上加工時の周速（ｍ／ｍｉｎ）
   Ｒ_ｓ：試験片の平行部における仕上加工時の周速（ｍ／ｍｉｎ）
2. 前記仕上加工における加工条件が、さらに、下記（ii）式を満足する、請求項１に記載の試験片の製造方法。
   ０．０３≦Ｄ_ｓ／Ｄ_ｒ≦０．１２ ・・・（ii）
   但し、上記（ii）式中の各記号の意味は下記のとおりである。
   Ｄ_ｒ：車軸の平行部の直径（ｍｍ）
   Ｄ_ｓ：試験片の平行部の直径（ｍｍ）
3. 前記試験片の平行部における表面粗さが、前記車軸の平行部における表面粗さとの関係において、下記（iii）式を満足する、請求項１または請求項２に記載の試験片の製造方法。
   ０．７５≦Ｒｚ_ｓ／Ｒｚ_ｒ≦１．２５ ・・・（iii）
   但し、上記（iii）式中の各記号の意味は下記のとおりである。
   Ｒｚ_ｒ：車軸の平行部の表面粗さ（μｍ）
   Ｒｚ_ｓ：試験片の平行部の表面粗さ（μｍ）
4. 前記試験片の平行部における残留応力が、前記車軸の平行部における残留応力との関係において、下記（iv）式を満足する、請求項１から請求項３までのいずれかに記載の試験片の製造方法。
   ０．７≦σ_ｓ／σ_ｒ≦１．３ ・・・（iv）
   但し、上記（iv）式中の各記号の意味は下記のとおりである。
   σ_ｒ：車軸の平行部の残留応力（ＭＰａ）
   σ_ｓ：試験片の平行部の残留応力（ＭＰａ）
5. 前記車軸が、鉄道用車軸である、請求項１から請求項４までのいずれかに記載の試験片の製造方法。

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