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引言
锥齿轮精锻工艺是指模锻齿轮时轮齿直接被锻出,齿面不再进行切削加工的精密模锻工艺。锥齿轮广泛应用于汽车、拖拉机、摩托车、坦克等的差速器中,应用面广,需求量大。用传统机械切削方式生产锥齿轮,速度慢、效率低、精度差。锥齿轮的热精锻成形技术已基本成熟,但在冷锻闭式成形技术方面,还有待进一步地改进和提高,采用冷精锻方法成形零件,可节约原材料,提高零件的力学性能,并能获得理想尺寸精度和表面粗糙度的制件,是一种高产、优质、低消耗的工艺技术,其经济效益十分可观?。但也存在变形抗力大,对模具和设备要求较高等问题。因此对锥齿轮冷精锻工艺及模具进行设计和分析十分必要的。
三维CAD系统有较好的造型工具,能实现"自顶向底"和"自底向顶"等设计方法,实现装配等复杂设计过程,使设计更加符合实际设计过程;三维造型系统能方便地与CAE系统相连,进行仿真分析;能提供数控加工所需的信息,实现CAD/CAE/CAPP/CAM的集成。基于三维CAD系统这些优点,本文利用SolidWorks三维设计软件来完成锥齿轮及其模具的设计。
l 锥齿轮精锻成形工艺
冷精锻是随着汽车工业而迅速发展起来的一种净成形工艺。精锻锥齿轮有连续的沿齿廓合理分布的金属流线和致密的组织,轮齿的强度、齿面的耐磨能力、热处理变形量和啮合噪声等都比切削齿轮的加工优越。齿轮材料为中高强度合金钢20Cr,其供应状态强度高、变形抗力大、塑性较差,存在加工硬化现象,难以进行大变形量的冷模锻成形。但若对毛坯进行充分软化退火处理,就可降低变形抗力和提高材料塑性指标。精锻锥齿轮的强度和抗弯疲劳寿命提高,热处理变形减少,生产成本降低。综上分析,决定采用冷锻成形工艺。其工艺过程为:下料一退火叶冷锻一精加工一检验一入库。冷锻成形前,要对坯料进行软化处理,在各道工序之间要进行退火处理,在冷锻前进行磷化处理。
2 模具设计
2.1 锻件
根据锥齿轮零件图及冷模锻工艺的基本要求,设计了齿轮锻件。分模面的位置选择在零件最大的外径处。在保证有效齿长的前提下,锥齿轮的大端留有冷锻成形工艺自然形成的过度圆角,如图1所示。

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精锻锥齿轮的模具型腔都是曲面造型,形状比较复杂,为快速准确获得高质量的曲面形状,选用三维造型软件SolidWorks来完成模具和坯料的几何模型设计。由于锥齿轮的理论齿廓曲线为球面渐开线,不能展开成平面,给锥齿轮的三维造型带来极大困难。本文从背锥理论出发,结合渐开线方程和绘图软件中的造型命令,最大限度地实现了锥齿轮的真实三维造型,图2所示为锥齿轮零件的三维造型。图3所示为利用SolidWorks软件中的分型面、分型线等命令设计的锥齿轮成形模具,同时为锥齿轮工艺的数值模拟分析作准备。
2.2 模具结构设计
锥齿轮精锻模具的工作条件极其恶劣,因而对模具精度、强度、刚度以及寿命提出了更高的要求。模具的装配图如图4所示,其工作过程如下。用于普通液压机上对工件进行闭式模锻成形。工作时将毛坯放入

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下凹模13空腔内,待毛坯放置好后,上模3下行;当上模3开始接触毛坯时,缩挤形成开始;随着上模3的继续下压,应力圈10由于受到压力作用,挤压下部的弹簧并随之下移,坯料进入封闭状态的模腔内,缩挤完成,开始镦挤成形阶段;上模3继续下移,至达到规定行程为止。上模回程后,下凹模13和应力圈10在弹簧 8的作用下恢复初始状态。成形后的锥齿轮锻件在上顶杆19的作用下脱模,取走锻件,至此锥齿轮精锻成形过程完成。

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齿形凹模是锥齿轮精锻成形最关键的零件,它的精度决定锥齿轮锻件的精度。齿形凹模的强度和寿命不仅要从所用材料上来考虑,更要从凹模的结构设计上来保证。为了提高齿形凹模的强度,采用组合式结构。采用浮动的上模芯和浮动的下组合模套结构,使锻件在封闭的环形模腔中变形,锻件无飞边,径向尺寸精度高。由于锻件无飞边,水平投影面积(锻造面积)小,所需的锻造力小,降低了压力机吨位。由于采用浮动模结构,浮动模形成的凹腔较深,确保上下模导向准确。此模具利用弹簧实现压边,实现闭式模锻。
3 精锻模具3D模型
SolidWorks是一款功能强大的CAD软件。在完成产品三维造型的基础上,还能实现模型的动态可视化,对模具的装配过程、拆卸过程和运行过程进行模拟。锥齿轮精锻模具的三维造型如图5所示,通过对锥齿轮模具进行了干涉检查和运动仿真,及早发现了设计过程中出现的问题,并对相关零件进行了改进。最后生成了装配体和零件的二维工程图纸。

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4 结束语
采用精锻工艺生产齿轮,既可减少原材料和能源消耗,降低制造成本,又可改善齿轮的机械性能。根据锥齿轮精锻成形工艺,设计了锻件的合理形状。利用 SolidWorks三维设计软件完成了锥齿轮工件及精锻模具的三维实体建模,通过对模具运动过程的模拟,能够及早发现设计问题,有利于快速发现问题改进结构设计,从而实现精锻模的快速设计,为精锻工艺的数值模拟等研究工作奠定基础。(end)

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弊社の全般供給体制及び技術自慢の総合専門製造メーカーに貴方のご体験を御待ちしております。

Bewise Inc. talaşlı imalat sanayinde en fazla kullanılan ve üç eksende (x,y,z) talaş kaldırabilen freze takımlarından olan Parmak Freze imalatçısıdır. Çok geniş ürün yelpazesine sahip olan firmanın başlıca ürünlerini Karbür Parmak Frezeler, Kalıpçı Frezeleri, Kaba Talaş Frezeleri, Konik Alın Frezeler, Köşe Radyüs Frezeler, İki Ağızlı Kısa ve Uzun Küresel Frezeler, İç Bükey Frezeler vb. şeklinde sıralayabiliriz.

BW специализируется в научных исследованиях и разработках, и снабжаем самым высокотехнологичным карбидовым материалом для поставки режущих / фрезеровочных инструментов для почвы, воздушного пространства и электронной индустрии. В нашу основную продукцию входит твердый карбид / быстрорежущая сталь, а также двигатели, микроэлектрические дрели, IC картонорезальные машины, фрезы для гравирования, режущие пилы, фрезеры-расширители, фрезеры-расширители с резцом, дрели, резаки форм для шлицевого вала / звездочки роликовой цепи, и специальные нано инструменты. Пожалуйста, посетите сайт  www.tool-tool.com  для получения большей информации.

BW is specialized in R&D and sourcing the most advanced carbide material with high-tech coating to supply cutting / milling tool for mould & die, aero space and electronic industry. Our main products include solid carbide / HSS end mills, micro electronic drill, IC card cutter, engraving cutter, shell end mills, cutting saw, reamer, thread reamer, leading drill, involute gear cutter for spur wheel, rack and worm milling cutter, thread milling cutter, form cutters for spline shaft/roller chain sprocket, and special tool, with nano grade. Please visit our web  www.tool-tool.com  for more info.

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1 引言
精密冲裁是一种先进的精密成形加工技术。它以金属板材为原料,通过精冲模具,在专用l力机上采用较少或无切削的塑性加工方法,使板料在三向压应力作用下,沿着所需的轮廓进行纯剪切和挤压分离,一次成形即可得到断面光洁、垂直、冲切面平整度好、尺寸精度高、剪切而粗糙度低的板类冲裁零件川。由于精冲模具结构复杂,设计工作量繁重,因此,针对精冲模具而开发的软件将起到十分重要的作用。
本文基于SolidWorks。对精冲模零件进行三维建模,应用程序语言Visual Basic 6.0实现参数化设计,并在此基础上实现了零件的自动建模、模具的自动装配及工程图的自动生成,有效地提高了模具的设计效率。
2 SolidWorks二次开发原理概述
2.1 SolidWorks二次开发接口API
SolidWorks API (Application Programming Interface,应用程序接n)是SolidWorks的OLE ( ObjectLinking and Embedding,对象链接或嵌人)编程接口,提供了大量功能完整的开发工具。SolidWorks,支持ActiveX Automation技术,用户可以通过调用VB.VBA.VC提供的函数开发、建立适合用户需要的模块,并在此基础上实现零件及模具的参数化驭动。 SolidWorks基于OLE可开发生成exe形式的程序,基于COM的可以生成**.dll格式的文件,作为插件使用冈。由于VB易学易用,满足基本设计要求,因此.本文采用VB做为开发语言。
2.2 VB环境下程序的编写
SolidWorks二次开发中最重要的是程序的编写。由于SolidWorks API函数繁多,函数功能较大,因此,一个简单实用的方法是先录制用户执行的操作即录制宏.获得宏操作代码,将其复制到VB环境下程序所需部分,然后编辑修改以达到程序要求。
2.3 参数化设计的实现
在模具设计中参数分为两类:一类是在同一系列型号的各个模具中始终保持不变的参数,如导柱的直径、上模座的厚度等,此类参数占多数;另一类是具体到某一个模具设计中,根据零件的尺寸要求而确定的参数,如顶杆的个数、推板的形状等,此类参数占少数。
对于第一类参数,运用Access建立数据库,其中包括各系列精冲模中各零件所需要的参数,在程序运行时,利用数据控件的访问技术与特定的数据表相连,可以轻松的实现参数化设计对于第二类参数,从程序界面直接输人参数,引用到程序中,直接实现参数化设计。
3 精冲模开发实例
3.1 总体设计思想及程序界面设计
在模具的设计过程中,最容易出错的地方是零件在尺寸、布局等方面的各种关联性。例如,在精冲模中,锁模销的布局就要考虑到对原料的干涉问题。因此,在应用程序的开发中,必须考虑设计者的设计习惯,让设计者能够根据实际情况更好地实时控制整个精冲模的造型设计过程和进度。
基于此,本设计采用了基于OLE技术开发生成的.exe形式的独立程序。在程序中采用了多界面的输人形式,在每个界面上均采用对话框、命令按键等形式来完成人机交互。使设计者能够从整体到局部的把握精冲模的设计,依次输入零件参数。同时,对全部零件的参数进行优化组合,使从程序界面输人的参数个数达到最少。既照顾到了零件之间的关联性,又不至于使设计者顾此失彼,疲于纠正各种关联性错误。另外,在程序内部,通过逻辑编程发现并提醒设计者参数形式是否正确及参数间是否相互冲突,有效避免了因设计者主观因素造成的失误。程序界面之一如图1所示。

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程序界面

3.2 零件的自动建模
在零件的建模过程中,针对要建立的实休,先分析其结构,使所建立的特征尽可能简单,参数尺寸尽可能少。利用SolidWorks。建立模型,并利用宏录制其建模过程,建立宏文件。然后复制宏代码到VB中并对其进行再编译,删除无用语句,用变量代替代码中的具体数值。
程序运行时,首先链接Access和程序界面的文本框,为变量赋值。然后在内部自动执行编译好的程序,无需人工干预,即可实现模型的建立和更新。值得注意的是,模型中零件的空间放置情形应尽量与实际的情形相一致,以便于零件的装配。以下模座为例,程序运行结果如图2所示。

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源程序主要代码如下:

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3.3 模具的自动装配
运用程序实现模具的装配时必须用程序协调两个问题:一是指定插人的零件文件必须在调用函数之前就已经在内存中加载了,否则零件模型将无法添加;二是零件模型在添加到装配空间后必须转化为安全实体,否则在装配空间内将无法对零件及特征进行选择,进而无法装配。
模具装配有三种方法:一是利用选择和遍历技术选中零件上带有所需要特征的表面进行配合;二是利用零件的参考几何体进行配合;三是利用坐标直接选中所需要的零件表面进行配合。三种方法各有利弊,例如,第一种方法是最可靠的,但也是程序最复杂的。实际编程中应根据情况的不同进行选择。程序运行结果如图 3所示。

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3.4 工程图的自动生成
SolidWorks将工程图分为三个层面:工程图纸、图纸格式、工程视图。设计程序时,设计者应预先根据图纸要求建立图纸模板,选择好图纸幅面,绘制好图纸格式,然后保存在SolidWorks目录下的某一文件夹中。绘制工程图时,首先用程序引用模板,设置文件属性,然后把零件或装配体引用到工程图中,生成工程视图,派生所需视角的视图并进行定位,最后添加适当的标注和注释等。
4 结束语
本软件系统是以Visual Basic 6.0为基本开发语言,以SolidWorks,为基本设计平台开发的。运行时,只需进行简单的人机交互,即可实现模具零件的自动建模、模具的自动装配及工程图的自动出图,实现了精冲模的参数化设计。从而使设计人员从繁重的重复性绘图工作中解放出来,集中精力进行设计工作,极大地提高了模具的设计效率。
本文用于程序设计的基本原理、总体思路和开发过程,对SolidWorks,的二次开发工作,具有一定的参考价值。(end)

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模具表面的质量对模具使用寿命、制件外观质量等方面均有较大的影响,因此在模具使用之前,同时也是模具制造的最后阶段,通常要进行研磨与抛光处理,以提高模具表面质量。而在研磨与抛光处理后,有很多模具制造企业和模具使用企业还运用了表面处理技术,目的在于延长模具使用寿命,提高工件的加工品质,降低模具使用成本,提高生产效率。

    目前,市场上有很多种表面处理技术,形成的表面涂层也是多种多样,我们按照表面处理技术的历史选择三类具有代表性的涂层,进行比较,如下:氮化钛膜类金刚石膜非晶金刚石膜TiNDLCta-C技术历史40年20年5年硬度HV24002000~60007000~8500成膜技术化学气相沉积化学气相沉积滤质阴极真空电弧成膜温度500℃500℃<80℃膜层厚度范围1~7um0.5~4um0.002~2um表面摩擦系数0.550.150.08膜基结合力低低高工作环境最高温度600℃400~600℃600℃耐腐蚀性较好较好好装饰性好较好一般价格较低较高较高重要参数说明:

    1.成膜温度会影响原有钢材的质量,较高的温度使钢材产生退火或回火效应,降低基材的硬度和韧性。

    2.成膜技术决定了膜层是否容易脱落,通常,较新的技术都采用离子注入法,使膜层嵌入基体表面,从而提高了膜基结合力。

    3.膜层硬度决定了镀件的耐磨性能。

    4.膜层表面摩擦系数低,有利于工件表面的润滑,也是提高耐磨性的一个因素。

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(3)小Lot生産~大量発注対応供給

(4)オートメーション整備調達

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Bewise Inc. talaşlı imalat sanayinde en fazla kullanılan ve üç eksende (x,y,z) talaş kaldırabilen freze takımlarından olan Parmak Freze imalatçısıdır. Çok geniş ürün yelpazesine sahip olan firmanın başlıca ürünlerini Karbür Parmak Frezeler, Kalıpçı Frezeleri, Kaba Talaş Frezeleri, Konik Alın Frezeler, Köşe Radyüs Frezeler, İki Ağızlı Kısa ve Uzun Küresel Frezeler, İç Bükey Frezeler vb. şeklinde sıralayabiliriz.

BW специализируется в научных исследованиях и разработках, и снабжаем самым высокотехнологичным карбидовым материалом для поставки режущих / фрезеровочных инструментов для почвы, воздушного пространства и электронной индустрии. В нашу основную продукцию входит твердый карбид / быстрорежущая сталь, а также двигатели, микроэлектрические дрели, IC картонорезальные машины, фрезы для гравирования, режущие пилы, фрезеры-расширители, фрезеры-расширители с резцом, дрели, резаки форм для шлицевого вала / звездочки роликовой цепи, и специальные нано инструменты. Пожалуйста, посетите сайт  www.tool-tool.com  для получения большей информации.

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凹版印刷主要应用在食品包装、人革、卷烟包装、建筑家居装饰材料、地板材料、布料等广泛领域。凹版印刷墨色光泽度高、着色力强、色彩鲜明、转印与叠印性能好,印刷密度高、反差大、网点阶调扩大均衡、印版耐印力高、印刷速度快等优越性。

    国内众多凹印厂家使用的制版方式很多,但随着近年印刷制版技术的迅速提高,数字制版逐渐占据了市场主流。数字制版就是原稿在被复制到印版上的过程中色彩信息以数字信号的形式在传递。它的主要优点是:

    ①简化了制版流程,制作好的图文文件通过计算机控制就能得到印版;②降低了制版直接成本,免除了菲林的使用费用;

    ③减少了色彩还原过程中信号的损失,更有利于色彩管理;

    ④解决了图形在滚筒上的连续无缝拼接,对于装饰、纺织等领域实用性大大加强;

    ⑤幅面尺寸变化更自由,目前国内可制2800mm×2000mm 幅面的印版,完全不用受照排机输出软片的限制;⑥可为在同一滚筒上实施多次工艺提供精确定位,同一版上可以有不同线数、不同网线角度的网点。

    根据国内现有实际情况,凹印的数字制版有三种方式:

    ①电子雕刻机方式;

    ②激光刻膜及后腐蚀处理方式;

    ③电镀合金的激光直接烧蚀制版方式。

    一、电子雕刻机方式

    电子雕刻机是应用集成自动化控制等现代化技术,具有高度质量稳定性的精密机械。以德国Hell 机为例,雕刻频率4000Hz- 8000Hz 网线范围: 40- 140线/ 厘米,原稿经过分色制作后,通过RIP 后以1- Bit Tiff 图形格式或票据单元传送到电雕机工作站,通过数字信号驱动金刚石雕刻针在印版铜滚筒表面进行震动,雕刻出凹坑。金刚石雕刻头呈四棱锥状。电雕头打出的v 形凹坑不仅有深浅的变化,还有面积大小的变化,从而完成了图文的半色调复制。

    电雕所有生产数据都以数字化形式采集,可在后续活件中使用,可靠性强。原稿从被扫描开始就变成数字信号送经软件分色再传输至电雕机或彩色打样机,这样对生产工艺的标准化和规范化非常有利,从而对印刷品的质量更有保证。而且电雕工作站使用TIFF 图文数据进行传递,经过HelioLight 组版工作站进行方便的整合并设定工作参数配置,由雕刻软件产生电雕曲线,记录电雕参数和显示雕刻状态,直至刻录光盘保存档案(方便多次使用和改版)。

    电雕工艺相对成熟,控制简单,层次还原逼真。缺点是实地的上墨量有限,墨层对有些粗糙的承印物遮盖力不足;由于机械雕刻的网穴与网穴之间有网墙分割,由网穴组成的线条边缘不可避免锯齿边的出现,印刷时细小文字不清晰且易断线或糊版。不过德国海尔最近新推出了Xtreme 雕刻技术,它可以在高达400 线/ 厘米的网线数下非常精细地再现最细微的部分,精细文字可不依赖于雕刻网线数而独立选定记录分辨率,通过优化油墨流使轮廓平滑并产生轮廓线。既可以实现常规网点,也能实现调频加网复制。

    电雕设备厂商除了美国俄亥俄、德国海尔、日本网屏和瑞士mdc 的产品比较成熟外,国内也有厂家研制出性能相近的产品。

二、激光刻膜及后腐蚀工艺

    激光刻膜及后腐蚀工艺是继电雕之后又一种先进的数字制版方式,它和电雕一样通过接口接受分色处理过的图像文件,将加网后的图文信号送至激光调制器,激光作用于滚筒表面预涂的保护层而使铜或铁底露出,再经过不同时间的腐蚀在滚筒上形成大小不同的网点凹坑。

    以德国的西巴斯·俄亥俄SCHEPERS激光机为例,它使用掺钕钇铝石榴石(Nd3+:YAG)固体激光器,激光功率不高于50W,经透镜聚焦成20μ 的光斑。激光击碎滚筒表面的黑胶,残渣由  吸气管排入收集袋,保留下来的黑胶在滚筒表面形成抗腐蚀保护层,最后在腐蚀槽中控制FeCL3 液的浓度和喷淋时间,在铜层或铁辊表面生成深度一致而大小不同的网点。

    激光刻膜工艺克服了电雕版文字及细线条发毛、发虚的弱点,突出了含墨量高、颜色厚实、字迹清晰、经久耐用的特点,同传统的照相凹版制版相比又具有加网精度高,任意编辑网形,无接缝等优点。适用于烟版、防伪印刷等文字特别细小但要求清晰度高的印版,被广泛用于货币、证券、票务等高精度防伪印刷以及高档烟酒包装,在精细压纹辊和涂胶辊制作工艺中更具优势。

    另外还有一种感光剂激光方式,利用紫激光对图文部分的感光层曝光再冲洗。其它工艺同激光刻膜方式基本相同。

    三、电镀合金的激光直接烧蚀制版方式

    目前市场应用的有Dōwyler 公司的DLS(Direct- Laser- System)系统,大功率的YAG 脉冲激光以无接触的照射方式将镀锌辊的表面锌层气化而形成网点,再镀硬铬就完成了整个工序,选择锌是因为它的物理特性(熔点、沸点、硬度)和反射特性比铜更适合激光烧蚀。DLS系统支持通用的PS、PDF、TIFF 数据格式,通过调整每一个激光脉冲点的能量和聚焦点直径来生成不同大小、不同深度的网点,目前最大网点140μ、深35μ,主要适用烟包和防伪印刷。激光烧蚀技术在凹版的广泛应用会随着激光技术的发展而迅速普及,它不需机械调整、细线和文字较清晰、比腐蚀更容易控制层次。

    目前德国HELL 公司又推出全新的激光雕刻机,Cu- Diretlaser 系统。它应用高分辨率的激光直接在铜的滚筒表面进行精细的雕刻。可以任意改变所雕刻信息的轮廓、网点分布及深度,从而实现以前只有激光照排机才能达到的输出效果。

歡迎來到Bewise Inc.的世界,首先恭喜您來到這接受新的資訊讓產業更有競爭力,我們是提供專業刀具製造商,應對客戶高品質的刀具需求,我們可以協助客戶滿足您對產業的不同要求,我們有能力達到非常卓越的客戶需求品質,這是現有相關技術無法比擬的,我們成功的滿足了各行各業的要求,包括:精密HSS DIN切削刀具協助客戶設計刀具流程DIN or JIS 鎢鋼切削刀具設計NAS986 NAS965 NAS897 NAS937orNAS907 航太切削刀具,NAS航太刀具設計超高硬度的切削刀具醫療配件刀具設計複合式再研磨機PCD地板專用企口鑽石組合刀具粉末造粒成型機主機版專用頂級電桿PCD V-Cut捨棄式圓鋸片組粉末成型機主機版專用頂級電汽車業刀具設計電子產業鑽石刀具木工工業用圓鋸片木工產業鑽石刀具銑刀與切斷複合再研磨機銑刀與鑽頭複合再研磨機銑刀與螺絲攻複合再研磨機等等。我們的產品涵蓋了從民生刀具到工業級的刀具設計;從微細刀具到大型刀具;從小型生產到大型量產;全自動整合;我們的技術可提供您連續生產的效能,我們整體的服務及卓越的技術,恭迎您親自體驗!!

BW Bewise Inc. Willy Chen willy@tool-tool.com bw@tool-tool.com www.tool-tool.com skype:willy_chen_bw mobile:0937-618-190 Head &Administration Office No.13,Shiang Shang 2nd St., West Chiu Taichung,Taiwan 40356 http://www.tool-tool.com / FAX:+886 4 2471 4839 N.Branch 5F,No.460,Fu Shin North Rd.,Taipei,Taiwan S.Branch No.24,Sec.1,Chia Pu East Rd.,Taipao City,Chiayi Hsien,Taiwan

Welcome to BW tool world! We are an experienced tool maker specialized in cutting tools. We focus on what you need and endeavor to research the best cutter to satisfy users demand. Our customers involve wide range of industries, like mold & die, aerospace, electronic, machinery, etc. We are professional expert in cutting field. We would like to solve every problem from you. Please feel free to contact us, its our pleasure to serve for you. BW product including: cutting toolaerospace tool .HSS  DIN Cutting toolCarbide end millsCarbide cutting toolNAS Cutting toolNAS986 NAS965 NAS897 NAS937orNAS907 Cutting Tools,Carbide end milldisc milling cutter,Aerospace cutting toolhss drillФрезерыCarbide drillHigh speed steelCompound SharpenerMilling cutterINDUCTORS FOR PCDCVDD(Chemical Vapor Deposition Diamond )’PCBN (Polycrystalline Cubic Boron Nitride) Core drillTapered end millsCVD Diamond Tools Inserts’PCD Edge-Beveling Cutter(Golden FingerPCD V-CutterPCD Wood toolsPCD Cutting toolsPCD Circular Saw BladePVDD End Millsdiamond tool. INDUCTORS FOR PCD . POWDER FORMING MACHINE Single Crystal Diamond Metric end millsMiniature end millsСпециальные режущие инструменты Пустотелое сверло Pilot reamerFraisesFresas con mango PCD (Polycrystalline diamond) ‘FresePOWDER FORMING MACHINEElectronics cutterStep drillMetal cutting sawDouble margin drillGun barrelAngle milling cutterCarbide burrsCarbide tipped cutterChamfering toolIC card engraving cutterSide cutterStaple CutterPCD diamond cutter specialized in grooving floorsV-Cut PCD Circular Diamond Tipped Saw Blade with Indexable Insert PCD Diamond Tool Saw Blade with Indexable InsertNAS toolDIN or JIS toolSpecial toolMetal slitting sawsShell end millsSide and face milling cuttersSide chip clearance sawsLong end millsend mill grinderdrill grindersharpenerStub roughing end millsDovetail milling cuttersCarbide slot drillsCarbide torus cuttersAngel carbide end millsCarbide torus cuttersCarbide ball-nosed slot drillsMould cutterTool manufacturer.

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(6)ダイヤモンドエンドミル

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フライス削りには、上向き削りと下向き削りがある。上向き削りでワークの“島”の輪郭を加工する場合は、フライスの回転方向とワークの送り方向が逆で、バリが大きく出やすい。逆に、下向き削りはカッターとワークの運動方向が同一となる。切れ刃とワークの間に滑りが発生せず、高精度で切削面もきれいに仕上がるのが特徴である。この加工では、仕上り精度が重要なため、下向き削りで行っている。
  NC工作機械では、通常、移動軸に高精度なボールネジが使用され、スケールとサーボモーターによってバックラッシを制御しているためバックラッシを気にすることはないが、もし汎用機であれば、下向き削りで重切削を行う場合、バックラッシが大きいとその分多く送られてしまうため、切れ刃部やワークを損傷することもあり、十分な注意が必要である。

下向き削り

カッターによるワークの“島”加工の説明
(例)(下向き削り)

カッターによるワークの“島”加工の説明

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 今回は機械設計に関連した話題です.機械や構造物を設計する場合,荷重を受ける構造部材が壊れないように頑丈な構造にするわけですが,頑丈かどうかの判断をするための尺度が必要になります.機械が頑丈かどうかの判断には「強度」や「剛性」といわれるものさしが用いられています.

 ここでは,機械設計で重要な問題である「はりの曲げ」をとりあげて強度や剛性について考えていきたいと思います.

■5-1 曲げに強い断面形状とは

 図5.1 のように片持ばりの先端に力を加えるとはりは曲げられてたわみます.力の大きさとはりの材質は一定とすると,はりのたわみ量を支配しているものはなんでしょうか.直感的にははりの長さと太さといえると思います.たわみ量を小さくするためには,はりを太く短くすればよいわけです.

図5.1 片持ばりの曲げ

 しかし本当にはりの長さと断面積が等しければ,たわみ量は同じになるでしょうか?... 次の事実は経験的に知られていると思います.「たわみ量は断面形状に依存する」ということです.ここで次の問題を考えてみてください.

【問題5.1】

 図5.1に示す片持ばりの断面形状が図5.2の(a)~(c)の場合を考えます.この中で最もたわみ量が小さくなる形状はどれでしょうか.

図5.2 はりの断面形状

さてどの形状が曲げにくいでしょうか.答えは(a)ですね.断面二次モーメントという尺度で比較すればよいのです.また断面係数という尺度を用いると曲げ強さを評価することもできます.

■5-2 曲げ応力

 物体を曲げようとするときに作用するモーメントのことを曲げモーメントといいます.はりに外力が作用して曲げられている場合,はりの内部にはせん断力と曲げモーメントが作用します.その結果として応力が発生するわけですが,せん断力による応力は曲げモーメントによる応力に比べて無視できる程度ですので,一般に設計では曲げモーメントによる応力だけを問題にします.

 図5.3 のようにはりが曲げられている場合,はりの内部がどのような状態になっているかを考えてみます.この場合,はりの上部は縮み下部は伸びるわけですが,この境目には伸びも縮みもしない層があり,これを中立面,また中立面と横断面との交線を中立軸と呼んでいます.さて中立面から距離yにある層はどれだけ伸びるでしょうか.ひずみεは,

 ………………………………………(5-1)

これより,中立面から距離yにある層で発生している応力(曲げ応力)は次式のようになります.

 ………………………………(5-2)

図5.3 曲げ応力

■5-3 断面二次モーメントと断面係数

(1)断面一次モーメント

 図5.4 のように中立軸から距離yにある微小要素を考えます.この層では応力σが発生していますから,微小要素に働く軸方向力は,次式で表されます.

 …………………………………(5-3)

ここで,はりには外力として軸方向力は働いていません.断面に作用する引張応力と圧縮応力は全体でみると相殺されるので,上式を断面全体にわたって積分すればゼロになります.

 ………………………………(5-4)

この式が成り立つ条件は次式となります.

 ……………………………………(5-5)

これは中立軸まわりの断面積の一次モーメント(断面一次モーメント)の総和がゼロということを表しており,中立軸が断面の図心を通るということを意味しています.

図5.4 微小要素に働く軸方向応力

(2)断面二次モーメント

 次に曲げモーメントに関する重要な式を導きましょう.曲げモーメント(符号については絶対値を考える)は力と距離の積ですから,図5.5 のような微小要素では,

となり,断面全体では次式のようになります.

 …………(5-6)

ここで,中立軸に関する断面二次モーメントを,

 …………………………………(5-7)

とおくと,式(5-6)は次のようになります.

 ………………………………………(5-8)

ここで,EIを曲げ剛性といいます.

 この式より,一定の曲げモーメントに対し,曲げ剛性EIが大きいほど曲率1/ρが小さく(曲率半径ρが大きく)なることがわかります.すなわち,曲げ剛性EIが大きいほど曲げにくいということです.

図5.5 曲げモーメント

(3)断面係数

 式(5-2)と(5-8)より曲率半径ρを消去すると,

 ………………………………………(5-9)

これより,応力は中立軸からの距離に比例するということがわかります.すなわち,一番外縁の曲げ応力の値が強さの尺度になるわけです.曲げ応力の最大値と最小値は,図5.6 のように中立軸から下縁までの距離と上縁までの距離をそれぞれとすると,

 …………………(5-10)

ここで,

 ……………………………(5-11)

とおくと,

 ………………………(5-12)

ここで,を断面係数といいます.断面係数が大きいほど最大曲げ応力は小さくなります.すなわち曲げに強いということです.なぜ断面係数で曲げ強さが評価できるのかが理解できたでしょうか.

 設計では部材に生じる曲げ応力を許容応力以下に抑える必要があります.このためには最大曲げモーメント の作用する断面で,許容応力 を用いて,

 ……………………………………(5-13)

を計算し,この より大きな断面係数をもつ断面形状・寸法を選べばよいわけです.いろいろな形状に対する断面二次モーメントと断面係数の計算式は機械設計便覧などに載っています.

図5.6 最大曲げ応力

 ここで断面係数の利用例として,次の問題に取り組んでみてください.

【問題5.2】

 図5.7 に示すように中央に集中荷重を受ける両端支持はりの厚さは何mm以上必要でしょうか.ここで許容応力を90MPaとします.

[ヒント]

 長さlの両端支持はりが,中央に荷重Wを受けている場合,最大曲げモーメントは中央の位置に発生し,その大きさは次式で表されます.

 ……………………………………(5-14)

 いかがでしょうか,最大曲げモーメントが与えられれば,式(5.13)より35mm以上と答えが求まりますね.

図5.7 両端支持はり(集中荷重)

■5-4 最大曲げモーメントはどこか

 問題5.2 のようにはりの設計では最大曲げモーメントの大きさや,それがどこで生じるかが問題にされます.特に最大曲げモーメントが作用する断面で最大曲げ応力が発生しますので,ここが最も破壊しやすい断面ということができます.

 最大曲げモーメントの大きさと位置は,はりを仮想的に分割し,力のつりあいとモーメントのつりあいを考えることで求めることができます.例えば図5.8 のように長さがlの両端支持はりに等分布荷重wが作用している場合について考えてみましょう.支点AとBに作用する反力 は,左右対称なので力のつりあいから次のように求まります.

 …………………………………(5-15)

次に仮想的に分割した要素ついて,力のつりあいは,

 ………………………………(5-16)

これよりせん断力は次式のようになります.

 ………………………………(5-17)

またA点まわりのモーメントのつりあい

 ……………………………(5-18)

より曲げモーメントは

 ………………………………(5-19)

と求められます.これより曲げモーメントはxl/2で最大値をとることがわかります.

図5.8 両端支持はり(等分布荷重)

 このように両端支持はりと片持ばりの場合の最大曲げモーメントは簡単に求めることができますが,両端固定はりの場合は問題が複雑になります.というのも固定はりでは,図5.9 のように支点で固定曲げモーメントが作用するため,未知数が4つに増えてしまうからです.こうなると力のつりあい式とモーメントのつりあい式だけでは未知量を決定することができません.このようなはりを不静定はりといい,はりのたわみ角やたわみなどの幾何学的な条件式を導くことで未知量が決定できます.この他にも不静定はりの解法としては,面積モーメント法やひずみエネルギー法などがありますが,ここでは三連モーメントの定理を適用する方法を紹介します.

図5.9 両端固定はり(集中荷重)

 図5.10のように支点が3個以上あるはりを連続はりといいます.連続はりでは互いに隣り合う三つの支点に働く曲げモーメント の間には次の関係式が成り立ちます.

 ………………………(5-20)

これを連続はりの三連モーメントの定理式といいます.ここで, はスパンの部分に加わる荷重と同一の荷重を受ける両端支持はりの右支点のたわみ角, はスパンの部分に加わる荷重と同一の荷重を受ける両端支持はりの左支点のたわみ角です.

図5.10 連続はり

 各スパンがそれぞれの中央に集中荷重を受けるときには,

 ……………(5-21)

となります.

 では,図5.9に示した中央に集中荷重を受ける両端固定はりの反力と固定モーメントを求めてみましょう.この例では左右対称なので左右の反力と固定モーメントは等しく,となります.

 三連モーメントの定理を適用するために,ここで左端に長さ0の仮想スパンを考えて,その端の固定モーメントを0と置きます.すなわち,図5.10の連続はりにてと考えるわけです.式(5-21)より

 …………………………………(5-22)

また,力のつりあいより

 ……………………………………(5-23)

と求まります.

 このように未知の反力と固定モーメントを求めることができれば,最大曲げモーメントの大きさと位置は静定はりの場合と同様にして導くことができます.

■5-5 曲げ剛性を改善する方法

 昨今では機械装置の高速化やコストダウンを行う目的で軽量化への要求が大きくなっています.ところが,軽量化のために単純に部材の径を細くすると剛性が大幅に低下してしまいます.こうした曲げ剛性の低下を抑えるには部材の断面形状を工夫することが有効です.

 例えば,図5.11 に示すように矩形断面のはりをI形になるように肉抜きをします.曲げ剛性はEIで評価できますが,同一材料なので断面二次モーメントIだけで比較します.すると断面二次モーメントについては22%ほど低下してしまいますが,重量的には50%もの軽量化が達成できることがわかります.

図5.11 軽量化と曲げ剛性

 さて次の問題は,曲げ剛性を改善する方法の一例です.

【問題5.3】

 図5.12の形状ではどちらの剛性が高いでしょうか.

図5.12 中空形状と曲げ剛性

 答えは中空形状ですね.同一の断面積の場合には中空形状にすることで曲げ剛性を改善することができます.例えば孟宗竹は曲げに対してとても強いのですが,これは「自然」による改善例といえるのではないでしょうか.

■5-6 板ばねのばね定数の求め方

(1)たわみ量

 これまで,はりの曲げ強さについて説明してきました.機械の設計では,はりが変形して他の部材と干渉しないかどうかの検討も行う必要があります.検討した結果,たわみ量が許容できない場合には曲げ剛性を高めるわけです.

 はりの最大たわみδは次式で求めることができます.

 …………………………………(5-24)

ここで,係数αははりの種類と荷重の状態によって決まります.例えば図5.13に示すような先端に集中荷重を受ける片持ばりではα=3であり,最大たわみδは,

 …………………………………(5-25)

となります.この式は荷重Pに対するたわみ量δの関係を表したものなので,図5.13は片持ちの板ばねと考えることもできます.この場合,ばね定数kは板の幅b,板厚hとして,

 ……………………………………(5-26)

なので,

 ……………………(5-27)

となります.

図5.13 片持ばりのたわみ量

 片持ばり以外の例では,中央に集中荷重を受ける両端支持はりではα=48であり,両端固定はりではα=192となります.

 では次の問題に取り組んでみましょう.

【問題5.4】

 図5.14に示す長さl=300mmの軸の中央にP=300Nの集中荷重がかかっています.許容できるたわみ量δを0.01mmとして,両端支持および両端固定の場合について軸径を求めてください.ここで,ヤング率をE=206GPaとします.

図5.14 はりのたわみ

 答えは,両端支持では36mm,両端固定では26mmとなります.このように両端固定とすることで,変形しにくくなり,細い軸ですむので材料費も節約できることがわかります.もう一問,取り組んでみましょう.

【問題5.5】

 問題5.4の両端支持はりの場合について考えます.たわみ量δを0.005mmに抑えるように仕様変更してください.要求を効率的に満足するには,どの仕様を変更すればよいでしょうか.

 さて,この場合のたわみ量は,

 ………………………………(5-28)

となりますので軸径d,または長さlを変更すればよいです.軸径については4乗で,長さについては3乗で効いてきますので,dの場合は36mmを43mmに,lの場合は300mmを238mmに変更すればよいわけです.

(2)危険速度

 はりの変形は,機械の位置精度の低下や部材間の干渉などの要因となりますが,振動にも関係してきます.例として,回転体を有する機械を考えてみましょう.

 図5.15に示すように,角速度ωで回転している回転体に偏心εがある場合,遠心力Poが生じます.

 …………………………………(5-29)

この遠心力により軸がδだけたわむので,動的つりあい状態における遠心力Pは,

 ……………………………(5-30)

これが軸の復原力kδとつりあいますので,

 …………………………(5-31)

ここで,ばね定数kは,はりの最大たわみの関係から,

 ……………………………………(5-32)

式(5-31)と式(5-32)より,たわみδは次式となります.

 ……………………………(5-33)

この式の右辺の分母が零,すなわち,

 ……………………………(5-34)

のときにたわみδは無限大となります.このときの回転速度をと表し,軸のふれまわりに対する危険速度(固有振動数)といいます.危険速度で機械を運転した場合には,振動の振幅が大きく成長(共振)して機械を破壊させる原因となりますので注意が必要です.

図5.15 偏心している回転体

 ここで式(5-34)でαの値をどうするかということが問題ですが,軸を両端支持はりと考えるとα=48となりますし,両端固定はりと考えた場合にはα=192となります.このように両端固定はりにすると剛性を4倍も高くすることができるわけです.

 しかし,実際にはどちらと考えて設計すればよいでしょうか.例えば軸の支持に深溝玉軸受を用いている場合には,転がり軸受ではすきまがありますので,図5.16のように,軸受が1つでは両端支持はり,軸受けを2つ並べた場合には両端固定はりとしてモデル化すればよいわけです.

図5.16 回転軸のモデル化

■5-7 ばねがばねで無くなるとき

 はりのたわみの式(5-24)を用いれば,設計時に変形量について検討できるわけですが,注意すべき点があります.それは式(5-24)は弾性限度内でのみ成り立つということです.ここで弾性限度を超えるとどうなるのでしょうか.金属材料では弾性限度を超えると塑性変形を生じて急激に変形が大きくなります.しかし荷重については弾性限度を超えても極限荷重までは耐えることができます.このように弾性限度を超えた曲げのことを塑性曲げといい,断面全体が降伏するときの曲げモーメントを全塑性曲げモーメントといいます.

 例えば図5.17に示すような,中央に集中荷重を受ける両端支持はりの場合,中央での曲げモーメントが全塑性曲げモーメントに等しくなると,中央断面は全てが塑性部分となり(塑性関節ができたといいます),はりは全体が不安定となって崩壊します.このときの荷重を崩壊荷重といいます.このように弾性限度を超えたはりは,もはや板ばねとよぶことはできません.

 もちろん通常の機械設計では最大使用応力として比例限度以下の設計値を用います.このような設計法に対し,構造物の設計法では材料を有効に利用し軽量化を図るための手法として,全塑性曲げモーメントを基準に考える塑性設計法というものがあります.

 塑性設計法は建築構造物の設計分野で主に発展してきた考え方で,大地震など発生確率が低い強大な外力に対して弾性範囲内で設計するのは不経済であることから,部材や接合部の一部塑性化を許すというものです.

 両端支持はりのような静定はりでは、上述のように塑性関節を生ずるとすぐに崩壊しますが,両端固定はりのような不静定はりでは,一箇所に塑性関節が生じたとしてもすぐには崩壊せず,十分な数の塑性関節が形成されて全体が不安定となるまでは崩壊に至りません.

 このように塑性設計法では,限界状態として崩壊荷重を選ぶことができ,合理的な手法と考えられています.

図5.17 塑性曲げ

■5-8 強度不足ではないはずですが

 はりの曲げ強さを考慮して設計したつもりでも,機械が破壊してしまう場合があります.「こんなはずでは…」とならないために注意すべき点を挙げておきます.

(1)座屈

 これまでの話の中では,軸方向の力は考えていませんでした.ここでは軸方向の圧縮力を受ける棒をとりあげます.これは「はり」ではなく「柱」と呼ばれています.

 まず柱の強さを考えてみましょう.柱に圧縮力をかけていきますと柱は降伏し,最後は破壊にいたるわけです.部材として柱を使用する場合には,この降伏点より小さな許容応力を用いて設計します.

 例として,一辺が105mmの正方形断面の柱,いわゆる三寸五分柱を考えます.許容圧縮応力を6MPa(61kgf/cm2)とすると,最大使用荷重は66kNとなり,6.7t程度までの荷重を支えることができるはずです.

 しかし,この考え方は必ずしも正しくはありません.なぜなら圧縮力が許容応力以下でも,図5-18に示すように柱が突然側方に曲がって逃げる現象が発生する場合があるからです.この現象を座屈といいます.このときの座屈荷重は,次式に示すオイラーの公式で求めることができます.

 …………………………………(5-35)

ここで,nは柱の両端の支持方法により定まる係数で,

  (a)一端固定,他端自由端 n=0.25

  (b)両端とも回転端    n=1

  (c)一端固定,他端回転端 n=2.046

  (d)両端とも固定端    n=4

となります.通常は荷重を支持する構造として自由端を有する(a)の場合は考えられません.このため(b)~(d)の値をとると考えられます.設計時には安全を考えてn=1とするとよいでしょう.

 式(5-35)から,座屈荷重は柱の曲げ剛性EIと長さlにのみ依存することがわかります.そして,断面積をA,断面二次半径をkとするとなので座屈応力は,

 …………………………………(5-36)

となります.ここでlkを細長比といい,柱の細長さの尺度です.またここで注意すべき点は,オイラーの公式は棒の比例限度内での曲げの式をもとにしています.ですから細長比が小さくなり座屈応力が比例限度を超えた場合には適用できません.この場合には,ランキン,テトマイヤー,ジョンソンなどの実験公式で計算することになります.

 ここで,先ほどの三寸五分柱の例を式(5-35)で計算してみましょう.柱の長さl=4m,ヤング率E=6GPa(61tonf/cm2)としますと,座屈荷重は37kNとなり,66kNで使用した場合には柱は座屈してしまうことがわかります.

図5.18 座屈

(2)疲れ限度

 ここまで延々と話を進めてきてさすがに私も少々疲れてきました.ここでは材料も疲れるんだという話をします.

 金属材料は繰り返し応力を受けることにより疲労して破壊することがあります.この場合,比例限度内の応力で破壊にいたりますので注意が必要です.

 図5.19に示すように,疲れ破壊が生じる応力と繰り返し数の関係を図示したものを曲線といいます.図より,応力振幅が大きければ少ない繰り返し回数でも壊れ,応力振幅が小さくなると壊れるまでの繰り返し回数は大きくなります.ところが,例えば鋼材では繰り返し数が100万~1000万回になると,曲線の傾きが変わりほぼ水平になります.これは,これ以下の応力では何回繰り返し応力を受けても疲れないということで,疲れ限度とよばれています.

図5.19 曲線

 疲れ限度は平均応力(図5.20)の影響を受けるので,図5.21に示すように縦軸に応力振幅をとり,横軸に平均応力をとって疲れ限度を示します.これを疲れ限度線図といい設計で利用されます.

図5.20 応力振幅と平均応力

図5.21 疲れ限度線図(Goodman線図)

(3)強度向上のために

 さて,金属材料の疲労はどのようにして起こるのでしょうか.定説では,まずどこかに小さなき裂が発生し,それが進展して破壊にいたるといわれています.では,き裂が発生しやすい場所はどこでしょうか.この問題を解く鍵は材料の形状にあります.微小き裂の発生する場所では,図5.22に示すように穴や切欠きなど形状の急変があり,ここに大きな応力が生じています.これを応力集中といいます.

図5.22 応力集中

 機械や構造物の破壊は,その大部分が繰り返し応力を受ける部材の応力集中部を起点に,き裂が進展して起こります.このため,設計で応力集中が生じにくい形状とすることがきわめて重要です.

 応力集中が発生する部品の形状を変更することで,疲れ強度を向上させることができます.いくつかの対策例をあげます.

(a)コーナーR

 応力集中は凹んだ角に生じやすいのです.図5.23に示すように凹んだ角にはコーナーRを付けましょう.

図5.23 コーナーR

(b)応力どめ

 図5.24に示すように,もともと材料にき裂がある場合,このまま放置しておいてはすぐに破壊してしまいます.蟻の穴から堤もくずれます.き裂の先端部に応力どめとよばれる円孔を空けて,き裂の進展を防ぎましょう.

図5.24 応力どめ

(c)近接した切欠き

 図5.25に示すように,切欠きなど応力集中が発生する要素が近接して存在するときには応力集中が緩和される場合があります.毒をもって毒を制すですね.

図5.25 近接した複数の切欠き

 おしまいに応力集中が生じているかどうかをイメージ的に把握する方法を紹介しましょう.まずは流体力学を勉強することです.材料の応力線を流体の流線と考えてください.流線が密になっている部分に応力が集中しています.もちろん応力線と流線は相似ではありませんが,傾向的には一致します.ここだけの話ですが,機械の強度設計の極意は,流体の流線をイメージしながらコーナーRをつけることかもしれません.

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 さぁ,連載講座も第4話となりいよいよ後半に入りました.今回から材料力学らしい話題を中心にお話を展開したいと思います.併せて文章の装いも少~し変えてみましたがいかがでしょうか…….

 さてそれでは,役立つ材料力学,「ハハァ,なるほど」と材力の威力が分かって頂けるような解説を心がけて,具体的なお話を始めることに致します.

■4-1 『材料力学物語』の事件簿

 一見平穏に見える『材料力学物語』ですが,実はさまざまなダイナミックな事件が巻き起こります.ならばどんなものがあるのか? ではその事件簿をめくってみることにしましょう.

【問題4.1】

 図4.1 のようなアルミニウムの段付棒に引張荷重が作用するとき全長の伸びを求めよ.

図4.1 段付棒の引張り

 いかがですか? 簡単そうです.それではこちらはどうでしょう.

【問題4.2】

 図4.2 のように同心に配置されたそれぞれ異なる材質の円柱と円筒が剛体板に挟まれて圧縮力を受けるとき,これらに生ずる応力と圧縮量を求めよ.

図4.2 異種の円柱と円筒の圧縮 

 前の問題は材料が直列につながって引っ張られてるのに対して,この問題は並列におかれてるに過ぎないようなものですが,なかなかどうして意味深長な問題です.

 それから,引張り,圧縮に関してはこんな問題もあります.天井に固定してぶら下げられた直棒には,たとえ棒を引っ張らなくても,棒自身の自重によって引張応力が生じます.当然下端に比べ天井に近い上端の方に大きな応力が生じます.そこでこんな事件が起きてきます.

【問題4.3】

 上端を太くし下端を細くして各横断面に生ずる応力が等しくなるような棒の形状を求めよ.

図4.3 平等強さの棒

 自重による影響が大きくなる上端ほど太くして面積当たりの自重,すなわち応力を上でも下でも同じくしようというのがこの問題の主旨です.こういう棒を“平等強さの棒”と呼びますが,いったいどんな形状の棒になるでしょうか(円錐形状の棒でしょうか?).

【問題4.4】

 3本の軟鋼棒を図4.4 のようにピン接合(ヒンジ支点,滑節)し,D点に荷重をBDの方向に加えるとき,各棒に生ずる応力ならびにD点の変位を求めよ.

              図4.4 トラス

 こういった,直線部材がピンジョイントのみで接合された骨組みをトラスと呼びますが(一カ所でも動かない剛節のあるものはラーメンと呼ばれる),ちょっと厄介です.これをたくさんつなげたトラスは鉄橋のようになりますが,これも材力の世界です.それから……,

【問題4.5】

 図4.5 のように同じ高さの鉄塔のAB間に一様な太さのケーブルを張り,その両端CとDを地面に固定する.この時ケーブルに生ずる最大応力を求めよ.

図4.5 地面に固定されたケーブル

 高圧電線やロープウェイなどに見られる光景ですが,この問題で応力を下げるつもりで太いケーブルを使っても実はなんの解決にもなりません.不思議なことですが,これも材力の世界です.このほかにも……,

【問題4.6】

 図4.6 のように直径=60mmのポンチで厚さ=5mmの板に円孔を打ち抜くとき,板のせん断強さを400N/mm2とすればいくらの打ち抜き力を必要とするか.

 またポンチに生ずる圧縮応力が1000N/mm2を超えないためには板の厚さの限界はいくらか.

図4.6 板の打ち抜き

 まだまだあります――.

【問題4.7】…圧力容器

 図4.7 のように3個の部品からなる圧力容器がM20のボルト6本で締め付けられている.水圧=0.8MPaが作用するとき,ボルトに生ずる引張応力を求めよ.

図4.7 圧力容器

【問題4.8】…L形フレームのたわみ

 図4.8 のようにL形フレームの面内(フレームの作る平面内)に集中荷重が作用するとき加重点のたわみを求めよ.

図4.8 L形フレーム

 フレームが剛体ならたわみませんし,たわむのであれば「剛体の力学」では解けません.変形を考える材力の世界であればこそ,このたわみ量を計算できるのです.

【問題4.9】…曲りはり

 図4.9 のような波板がなめらかな平面で圧縮されている.このとき,高さの変化量および波のピッチの変化量

を求めよ.

図4.9 波板の圧縮

【問題4.10】…切欠きを持つ板の引張(応力集中)

 図4.10のように側面に半径a の半円切欠きをもつ厚さの板を等分布荷重(合力をとする)で引っ張ったとき,最小断面A-Bに生ずる応力を求めよ.

図4.10 切欠きをもつ板

【問題4.11】…柱の座屈

 図4.11のように直径の両端回転支点の柱の一端に軸方向荷重を受けて座屈するときの荷重を求めよ.

図4.11 柱の座屈

 以上はみな,ものづくりに携わる人たちなら誰にでも身の回りで起こる問題ばかりですが,これらはいずれも材料力学の世界で起こる事件なのです.

 さて,改めてこれらの問題を眺めてみると,これらの問題が求めているのは,概ね,

   ①応力を求めよ.

   ②変形量(圧縮量やたわみなど)を求めよ.

といったことに集約されるようです.応力については基本的には力の釣り合いから未知な力を求める作業が中心です.変形量はその力に基づいてフックの法則から求まります.そしてこれら2つのプロセスが独立して行われることもあれば(問題としては簡単),互いに関わり合って連立している場合(難しい)もあります.

■4-2 垂直ひずみとせん断ひずみ

 第3話まで進めてきた応力やひずみについて,ここでもう一度まとめておきましょう.

(1)座標系

 と,その前に座標系を決めておきます.通常下図のように,棒の軸線に沿って横軸(軸)を,数学の教科書とは違って鉛直下向きに縦軸(軸,重力の向きを基準にしている)を定めるのが一般的です.もちろん,軸を上向きに取っているテキストもありますが,基本的に変わりはありません.コンピュータ計算や宇宙空間を想定する場合にはその方が都合がいいのかもしれません.

図4.12 座標系

 また,伸びとせん断について,力の正方向は上図の通りです.軸方向については棒の+側端面に正の向きに(-側端面に負の向きに)働く力がプラス,したがって伸びがプラス.せん断については棒の切断面より+側部材が縦軸正の向きに(-側部材が縦軸負の向きに)ずれるような力をプラスとします.

(2)伸び・縮み

 ではそこで,垂直方向の応力とひずみですが,垂直応力は次のようなものでした.

 …………(4.1)

図4.13 棒の引張り

 一方,垂直ひずみは

 …………………(4.2)

図4.14 垂直ひずみ

 そしてひずみと応力の関係は(フックの法則といいました),

 …………………………………………(4.3)

 これを伸びと力の形で表せば,上式の両辺に面積を乗じ式(4.2)を代入して次式を得ます.

 ………………………………………(4.4)

(3)せん断(ずれ)

 せん断応力は次のようなものでした.

 ………………(4.5)

図4.15 棒のせん断

 それではせん断ひずみは,

 ………(4.6)

図4.16 せん断ひずみ

 そして,ひずみと応力の関係は,

 …………………………………………(4.7)

 これを伸びと力で表して,

 ……………………………………(4.8)

■4-3 引張・圧縮から見えるキーポイント

 材料力学の理解を深めるには,まず問題に当たってみるのが早道です.考えているだけでは見えてこない事柄もありますし,ごちゃごちゃやっているうちに今までの知識が一気につながるということも間々あります.ともかく,やってみないと分からないものです…….

 では,先ほどめくった事件簿の中から幾つか取り上げることにしましょう.

【例題4.1】

 図4.1 のようなアルミニウムの段付棒に引張荷重が作用するとき全長の伸びを求めよ.ただし,l=100mm,=15mm,=5.88kN,ヤング率=73GPaとする.

図4.1再 段付棒の引張り

【解答4.1】

 引張荷重は,棒の形はどうであれ,太かろうが細かろうが,とにかく1本の棒に作用します.つまり太い軸にも細い軸にも等しく引張荷重が作用するのです(太い軸は細い軸を取っ手として,細い軸は太い軸を取っ手として荷重が作用する).したがって,この問題は棒を太い軸と細い軸に分け,各々の伸び量を合計してやればよいということになります.これをもう少し科学的に説明しましょう.

(1)原因となる力

 段付棒を段の部分で2つに分け,その境界での反力をそれぞれ します.

 このとき,境界面は動かないので,互いの反力は釣り合っています(力の釣合条件/力学的条件).よって,

 一方,太い部材(細い部材)は移動しないので,外力と反力)は釣り合っています(力の釣合条件).すなわち,

 以上から,

(2)太い部分の伸びΔL

 力と伸びの関係は,式(4.4)をΔLについて解いて該当の数値を代入すれば得ることができます.

 ……(A)

(3)細い部分の伸びΔL

 …(B)

(4)全長の伸びΔL

…(C)

 だいたいこんな調子です.では次――.

【例題4.2】

 図4.2 のように同心に配置された,それぞれ異なる材質の円柱と円筒が剛体板に挟まれて圧縮力を受けるとき,これらに生ずる応力と圧縮量を求めよ.

図4.2再 異種の円柱と円筒の圧縮

【解答4.2】

 これは前問と似ているような気もしますが,実は同じようにはいきません.どこが違うかというと,圧縮荷重 は,「1本の棒…」でなく「並列した2本の棒(円柱と円筒)」に作用している点です.つまり一つの荷重を二人で分担しているために,どちらがどれだけの力を分担しているかが分からないということなのです.おそらくは圧縮に強い方がそれだけ大きな力を受け持っているに違いないと推測できますが,所詮推測でしかありません.推測で答えを決めるわけにはいきません.

 そのようなことで,原因となる力が確定できないわけですから,したがって応力はもちろん結果である圧縮量も分からないということになるのです.

 その意味でちょっと変った問題なのです.

 そこでどうするか.それは力は分かったものとしてとりあえず形式的に答え(結果である変位)を求めてみます.そこで変位に関する条件を求め,それを力の確定作業にフィードバックしてやる,ということを考えます.

(1)原因となる力

 円柱および円筒に働く力をそれぞれとします.これらの確定した値は分かりませんが,少なくとも次のことだけは分かっています(力の釣合条件).

 ………………………………(D)

(2)結果でなる圧縮量

 円柱および円筒の圧縮量をそれぞれλ1λ2とします.その圧縮量は,前の例題と同様に式(4.4)に基づいて次のように求められます.

 ……………………(E)

(3)変位に関する条件

 とりあえず答えは求められましたが,当然が未確定ですので本当に求まったわけではありません.しかし,この段階でハッキリしている重要な条件が一つ見出されます.それは円柱も円筒も剛体板で平行に挟まれているのでどちらも同じ圧縮量だということです(変形の釣合条件/幾何学的条件).すなわち,

 ………………………………(F)

 この変形に関する条件を先ほどの力を求めるステップに戻してやって,改めて荷重の計算をやり直してみます.

(4)続・原因となる力

 式(D)だけでは決められなかった荷重,は,幾何学的条件式(F)をフィードバックしてやることで(に関する連立方程式を解いて)確定してやることができるのです.すなわち,

  ……………………………(G)

 これから分かるように,荷重の比率によって円柱と円筒に分配されていることが分かります.AEは伸び剛性と呼ばれますから(第3話に登場),確かに「圧縮に強い方がそれだけ大きな力を受け持っているに違いない」という推測がここで裏付けられました.

(5)応力と圧縮量

 さて以上で,各々の部材に作用する力が求まったので,4-2節の公式に則って円柱および円筒に生ずる応力ならびに圧縮量が次の通り求まります.

  ……………………(H)

■4-4 せん断の基本問題

 残念ながら,紙数がもうありません.ついつい引張の話題が長くなってしまいました.ここではせん断の問題を一つ,ザッと解くだけに致します.

【例題4.3】

 図4.6 のように直径=60mmのポンチで厚さ=5.0mmの板に円孔を打ち抜くとき,板のせん断強さを400N/mm2とすればいくらの打ち抜き力を必要とするか.

 またポンチに生ずる圧縮応力が1000N/mm2を超えないためには板の厚さの限界はいくらか.

図4.6再 板の打ち抜き

【解答4.3】

 この問題は基本的には応力に言及しながら,力の釣り合いだけを考えて解決する問題です.ところで,材料力学において力のや力のモーメント釣り合いを考えるときには,物体が変形する前の状態でその釣り合いを考えて条件式を導きます.その意味では「剛体の力学」と同様の手続きといえるでしょう.

 さて,この問題における力の釣り合いは,打ち抜き力と打ち抜かれる穴に生ずるせん断応力τの合力が等しいときが板の耐えられる限界ということになります.したがって,

 ……………………………………………(I)

穴のせん断面の面積は,

 ……………………………………………(J)

よって,打ち抜き力は式(J)を式(I)に代入し,

 …………………………………………(K)

 打ち抜き力は,式(K)に板のせん断強さ他の該当数値を代入して,

 一方,板の厚さの限界は,ポンチの圧縮応力,すなわち,打ち抜き力をポンチの横断面積で除した値が1000N/mm2を超えてはならないという要請から,

 ………………(L)

 ポンチと板厚の間には上記のような関係があることがわかります.そして,ポンチの直径が60mmのときの打ち抜ける板厚の限界は,

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