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S45Cのシャフトが破断します。サイズアップせずに強度アップしたい。
- S45Cのシャフトが破断する問題について、サイズアップせずに強度アップする方法をアドバイスしてください。
- 現在稼働している設備の制約から、製造条件の改造は困難です。寸法を変えずに強度を向上させるための材質や熱処理の方法についてのアドバイスをお願いします。
- S45Cのシャフトが破断している問題に対して、寸法を変えずに強度をアップさせるための材質や熱処理の方法についてのアドバイスをお願いします。
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お困りの状況に少しでも御参考になればと破断の原因を考えてみました ?溶接前後の予熱と後熱が適切な温度であったか？ S45C程度の炭素量になりますと、溶接熱で素材が”焼入れ”され、 焼き割れと同じ現象が発生し、これから亀裂→破断が発生します。 （予熱と後熱で大幅に改善されます。） これらの割れは、時間経過で発生しますので検査時に見落としがちで、 客先に届いてから割れたりします。 ?破断面のビーチマーク等を確認。 破断面の基点が明確であれば、破断の理由は?による亀裂か、 溶接後の旋盤加工でのツールマーク痕が原因の可能性が高く、 グラインダー等で磨き加工を入れたりして改善します。 ?締メ代と溶接開先の確認 １／１００台の締メ代との事ですので特に問題はでないと思います。 内径の加工精度に不安があるのでしたら、予め大き目のボス材を購入し ガンドリルと内径ホーニング加工を行った後に、内側の穴から芯出しして 外形加工されては如何ですが？ シャフトとボスの組立て後の溶接開先が、破断の基点になる場合が あります。（開先形状と位置により原因となります） また、溶接後に熱処理でＳＲ（ストレスリリース）する工程を 入れてみては如何でしょうか？ ?シャフトの調質。 生材よりも調質材を使用される事を強くお勧め致します。 高周波熱処理等は、シャフト表面の硬度が上がるだけで、S45Cの機械的な 改善には向きませんし、その後に溶接が出来なくなります。 再発の恐れが払拭出来ないのであれば、ボスとシャフトの溶接構造を 無くし、焼嵌め構造でSCM調質材を利用すれば、S45C軸よりも 粘りのある軸材として（感覚的な表現で申し訳ありません） 破断対策に有効な場合があります。 思いつくまま書いてみましたが、参考になれば幸いです。頑張って下さい。 熱処理設備をお持ちの業者さんにS45Cの調質依頼を出されて Hs30～38の硬度指示を出されれば、あとは処理して貰えると思います。 S45Cは、調質(Quench Temperingの略でＱＴとも言います)を行うことで 生材の粗い結晶粒子が微細化され強じん性の特性が現れ、軸材として 適した性質になってくれます。 （結晶粒子が粗く大きなままだと、結晶境界に応力が集中し割れ等の 問題が発生し易くなる様です） 高周波焼入れ等では、表面組織(1mm～5mm程度)のみに熱を与え 組織変化させ耐磨耗性と耐食性をUpさせますが、調質の場合は素材を まるごと熱し素材全体を変化させる効果が得られますので、 内部まで微細化されじん性のある材料となります。 (ただしφ30材の場合です) 強度自体を硬度で求められるのか、否かは判断出来兼ねますが、 常時、振動や応力を受ける部品であればこれらの処理を行っても 損は無いと思います。 軸を新規製作し既存のシェルと組み合わせる場合の加工手順を ｲﾒｰｼﾞしてみました。 ?SCM440調質材を調達する場合、調質後硬度がHs硬度(ｼｮｱ硬度)で 40～45程度になりますから、低目のHs40位の品を購入します。 手に入らない場合は、生材を購入し熱処理屋さんに依頼されれば 良いと思います。 （調質で硬度が上がり過ぎると、後加工の穴あけ等の難易度が上がり、 設備に拠っては低目のHs40位でも厳しい場合があります。） ?軸を単体で加工し完成させます。 ?シェルと軸を組合わせ後に、固定ピン用の穴加工を実施。 （φ6mm程度のﾃｰﾊﾟｰﾋﾟﾝか、沈みﾌﾟﾗｸﾞによる固定と思いますが、 複数の加工を実施する場合は、穴位置に注意し動バランスが 壊れない様な注意が必要です） ?穴加工終了後に再組立を行いシェル端と両軸受け部のフレ測定を実施。 ?静・動バランスを確認しウェイト修正を実施。 （稼動設備が判らないのでｳｪｲﾄ許容値は不明ですが、確認し ｳｴｲﾄ修正を行う事で減速機の偏磨耗や異音、ｷｬﾋﾞﾃｰｼｮﾝの防止、 長寿命化などが図れると思います）
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眠り人間 です。 使用温度が不明です。それと化学物質の問題が在るかも知れませんが 機械構造的接合ではなくて接着剤による方法はどうでしょうか？ 金属用接着剤は各種出ておりますから選択可能と思います。 失礼かも知れませんがボス片側５ミリだとハメアイ寸法0.02を正確に 加工できているとは思えません。形状の不具合が起きていないでしょうか。 現場的に言うと軸とボスに方向によりガタが在るのではという事です。 ガタが有れば回転のたびに、かなりの衝撃力が軸にかかりますよね。 繰り返しの力により軸の破断が起きるのでは？ 接着剤の使用に不安が有るのでしたら昔からの方法はどうでしょうか。 焼きばめ、冷やしばめですね。１００分台の加工差で固定します。 キーもピンも溶接も必要ありません。 強度ですが４０センチ砲などの砲身を作る時、内外の一体化にも使われた という方法です。４６センチ砲の何重もの砲身も焼きばめによるものです。 これでも破断するなら。うーーー。材質変更でしょうかねえ・・・ 私なら４０ミリのSUS-304の両端を３０ミリに加工します、そして攪拌羽根を溶接します。これが出来ない事情が在るので悩んでいるのでしょうが・・・ 現状を数値解析するのは難しいのではないでしょうか？ それは力がかかった時のボス変形量、軸のたわみ、羽根にかかる力、溶接の影響などが複雑。 軸の破断を考える前にこのようなボスを正確に加工するにはかなり高度の 機械加工術が必要です。内径３０ミリ外形４０ミリで長さ３００ミリの SUS-304ですから。0～0.1の範囲でまるく出来ているかも疑問です。また S45Cは焼入れ材ですからこの溶接にも高度の熟練が必要です。溶接後の細かいひび割れが多数発生しているものと思います。今の構造を実現するには ３００ミリ全長でボス内径30.03～30.05に加工する、ゲージ２本で確認。 焼き入れ研磨29.99～30.01ぐらいのシャフトを購入して軸に使用する。 組み立ては金属用接着剤で300ミリ接触面全部を利用する。こうすればかなり 計算の出来る前提が整うのではないでしょうか。 部品製作はプロ中のプロでも本気を出す仕事。接着組み立てもプロの仕事。 こんな費用と苦労なら304で削りだし非常時の分解はプラズマ切断を業者に 依頼しますがねえ～。30ミリなら切断出来ると思います。
お礼
ありがとうございます。現状の、軸はｈ7です。穴は+0.1ｍｍ－0mmの公差です。 パイ35ｍｍの軸よりも強い接着剤を思いつきません。 温度は50℃以下です。ﾍﾟｰﾊｰ７位の中性です。 ありがとうございます。ヤキバメはボスの長さが長さだけに（両端のみ焼ばめとしても）自信が有りません・・・。 削り出しですが、段付き部はR-0.5程度です。今までの方法、溶接及びパイ８平行ピンと比べて、 何％くらい強度アップとなるのか教えて頂けませんでしょうか？ 材質はSUSは万が一の分解の際、ガス切断し難いので、見送りたいのが本音です。 ありがとうございます。テスト候補 No1号にさせて頂きます。 ところで、SUS304とS45Cの削り出し（ボスBを止め、パイ40から削り出す）では、どちらが強度が強いか？ご存知の方居られませんか？ 私は（直感、データなし） S45Cが強そうに思います。
度々、失礼します。 素人なりに考えたのですが材料工学のページにこんな事が 書かれてました (1) 応力集中 丸棒や四角い板材などの単純な形状の部品であれば，部品の内部には一様な応力が加わる。しかし，部品に溝，穴，段違い部などがあると，局部的に高い応力が加わる。これを応力集中という。 応力集中を小さくするためには，大きな荷重が加わる部品に急激な形状変化を与えないことである。 つまりシャフトに穴を空けてはいけないらしいです。 (2) 繰り返し荷重 荷重の有無や強弱が繰り返されている場合，小さい荷重であっても部材が破損することがある。繰り返し荷重が加わる部材を設計する場合，材料の強度や性質について十分に検討しなければならない。 シャフトはSNCM630 最優秀強靭鋼。とありました後、Ｓ５５Ｃはトラックの車軸用とありました。シャフトの強度を上げるのは必須かと思いますが そこは専門家の領域になりますので素人的には引張り強さのみで選択しております。 シャフト破断を防ぐにはシャフトに細工しない ボスに何箇所かネジ穴をあけてボルトで締め付ける キーがダメならボルト締めしか発想できませんでした 色々調べて勉強になりました。
お礼
ありがとうございました。参考にさせて頂きます。いろんなアイデアが有りますね。
捕捉の条件から、トルクが未だ不明ですが両端支持なので参考URLの図と解釈 図は左側支点２に500kgfの荷重（恐らく鎖車での駆動と予想しました）を掛け た場合のモノです。ネジリ応力18.9kg/mm2、相当曲げ37.7kg/mm2になるので 曲げによる応力の方の影響が大きい。S45C生材ならばコレでも壊れそうです 支点３が最も曲げとネジリが加わりますがココでの破壊は生じていないよう なので、3-4中点にあるボス・羽部分が破壊するというのは応力集中か、溶接 の施工不良による熱影響で軸が脆くなったことでは無いか？と思われます また、あるいは味噌には塩分が多く含まれていることから予想されるのは、 電蝕もある。ステンと鉄部が接触していると鉄部が一方的に著しく腐食します これを防ぐには接触させないか、同じ材質同士にすることで解決できます 切れた破断面を良く見ることです。錆びはありませんか？縞模様はないか？ 縞模様は疲れ限度から生じます。ある一点から壊れているようなら脆性破壊 現場検証なくして事件の真相には迫れません。破断面の画像を見たいですねぇ
お礼
ありがとうございます。計算ソフト良いですね。 画像アップの方法不明です。データ会社に有り、休み明けに、部下に相談します。
こんにちは。 私は、設計者ではありませんが、 加工現場で働いているものからの意見として。 S45CとSUSを熔接することが問題ではと思います。 異種金属はうまく熔接されません。 シャフトをSUS304に変更してはどうでしょうか? SUS同士での熔接の方が強度は上だと思います。 もしくはボスをS45Cにするかですね。 追加意見です。 ピン固定ではなく、キーは使えませんか? キーであれば軸の中心を貫通しないため、 軸の強度を落とさないと思うのですが、いかがでしょう。 一案ですが、 ボス穴をワイヤーカットにてキー形状一体物で 切り出し加工してはいかがでしょうか？ コストは多少アップしますが、強度は確保できますよ。 色々と資料をあさってみましたが、 やはり、軸をSUS304に変更が良いのではと思います。 SUS自体は、引張り強さはS45Cとさほど変わらないようですし SUS同士にすることで、熔接でのトラブルとか、 異種金属間の腐食の問題も解決でき良いのではと思います。 先に提案の、ボスのワイヤーカット加工ですが、 コスト的には、加工賃が１万円前後、 軸にキー溝加工、数千円といったところでしょうか。 キー溝幅8mmもあれば十分かと。 キー溝は、片側端からボス取り付け位置まで加工しておけば、 ボスをセットするのは簡単ですね。 固定にM6ぐらいのホローセットを2本入れればいいと思います。 SUSの軸にキー溝加工、ボス内径ワイヤー加工、 このような加工、よく加工してます。 たびたびすみません。 今思いついたのですが、B部品をボスにせず、 B部品両端にM27ねじ加工、口元に軸径インロー部10mm加工、 軸端にM27ねじ加工。 ねじは、回転方向を考慮し右ねじもしくは左ねじを決定。 B部品と軸をねじ込み組み立て。 これなら、ねじ部がねじ切れるまで行けますよ。 この場合、なぜ持たないのかを再度考えてみて…。 熔接、異種金属熔接のための不良とみます。 SUSとS45C、ひっついているようでひっついていない。 (原則異種金属は熔接ではひっつかない) ピン固定、8mmのピンで、軸断面積が30％無くなってしまいます。 このピンに、ボスの荷重がすべてかかるわけで、 ピン破断前に軸がねじ切れているとみます。 よって、軸にボスを固定では、固定部に応力集中がかかりすぎ 保たないのではと考えます。(ボスを数個に分割も考えましたが) ならば、ボスをやめて軸の一部にすることで強度アップするかと。 後は、軸との連結ですが、同心度を保つためにもインローは必要です。 M27*P3(並目ねじ) にて組み付けにより負荷に対して、ねじが締まるとインロー部段付き部にて摩擦力増加により、強度確保かと。 M27で弱いというのであれば、M30にて、軸先端が、B部品ねじ部奥に突き当たるようにし摩擦を確保、ではいかがでしょうか?(口元インロー)
お礼
ありがとうございます。S45CとSUSを溶接するのは、おっしゃる通り不適切です。問題はパイ8ｍｍのピンが破断せず、パイ35mmmのシャフトが破断している。という事実です。シャフトとボスをS45Cにして、強度アップを図るという貴殿の意見に、私は賛成です。試してみたいと思います。流石現場の意見です。踊る大捜査線と一緒です。『問題は現場で起きているんだ！！会議室で起きているんじゃネエ！！）貴重なご意見ありがとうございます。回答受付けは、継続させて頂きます。ご了解下さい。 ありがとうございます。キー締結はモアベターですが、片肉5mm（外形40ｍｍ内径30ｍｍ）自信が有りません。が、汎用のキーではなく、どちらかといえば、特殊キーなら可能性があります。調べてみます。回答受付は継続させて頂きます。ご了解下さい。 私信ですが野口君見てますか？ ありがとうございます。特殊キーは軸もボスもキーも特殊となり不経済ですので見送らせて頂きます。 初志貫徹 『サイズアップせずに、強度アップ』 ご了解下さい。 重ね重ねありがとうございます。私よりも真剣に考えて頂いてるみたいです。 口元に軸径インロー部10mm加工、・・・小憎い現場の妙手ですね。 下のほうにあり気付くのが遅れ、。お礼が遅くなり失礼しました。 細目ネジにして、谷の径24ｍｍくらいですか？ インロー段付き加工部での応力集中が有り、パイ30での溶接：最初の条件 に比べると（私の力量では計算不能で直感ですが）弱いような気がします。 これ（私の直感）には反論、ご助言等有ると思います。よろしくお願いします。 ありがとうございます。 削り出しについては、上方のアイデアに回答していますので、恐れ入りますが見てください。 組立式のシャフトは、もし折れた際の分解再組立に時間がかかりそうですね。 私としては、サイズを変えずにに材質及び熱処理にて現状の50％アップになればGO!と思ってますが、熱処理で脆くなる恐れが有る為、 熱処理屋さんからの回答が、頂けないのかな？とも思っています。
【現状】S45C-Dで熱処理なし ⇒ 引張強さ；570N/mm2以上、降伏点；345N/mm2 というのは、大きな間違いだと思いまが。。。熱処理なしのS45Cというのは、 ミルシート上でROLLEDつまり圧延した素材のままであるから、組織が粗大化し た個所があっても仕方ない。従い上記機械的性質も得られるとは全く思えない まづ現状の荷重条件が知りたい（材質を上げるのは最後の手段にしたい） 何kwのモーターで減速比が幾らで、先端は自由なのか支点端なのか。。。 つまり軸にはネジリと曲げの両方が働く状況なのか判れば設計検討可能です もし片持ちならば、ネジリ怖さというのも考えなければなりません。 基本設計が出来ていれば応用は利くしバリエーションも自在になるでしょう 恐らく内容物の粘土が高いので相当なネジリと曲げが掛かるのでしょうねー 下記回答にあるように羽根の形状がモロに軸に掛かる構造なのも問題と思う 粘度が高いならそれなりの工夫がだと思います。味噌 攪拌機で検索すると 殆どは底に攪拌軸があり羽根も工夫があるようだし、支点距離も短いですね
お礼
ありがとうございます。両端支持です。幅約450mm。ピローブロックで受けています。中央にボスと羽根が有るとしてアドバイス下さい。この条件で、寸法変更せずに、形状変更を最小限にして（製造条件が変わる為）強度アップ（破断しない）を目指しています。加重条件は（私のレベルでは）測定不能です。解っているのは約1ヶ月で破断する。事だけです。私のレベルの低さをご理解いただけます様お願いします。
素人の意見なのですが・・・ 羽根の抵抗が大きいのでは？ 大体の攪拌機は抵抗の少ない羽根が空洞になってると思います 練るのであればパン生地を練るフック 混ぜるのであればビーターが最適かと思います
お礼
ありがとうございます。現在量産中につき大幅な条件変更は困難です。実は攪拌羽根はフック形状ですが、アドバイスを得る為にわざと簡略化して説明しています。ご了解ください。
S45Cを高周波焼入れ熱処理するは、高周波を利用して表面を焼入れする事です。 中心部分は、素材の粘り強さが残り、SCM材の熱処理と同じ効果となります。 S45Cの焼入れ焼き戻し強度は、 硬度；HB201～269、引張強さ；690N/mm2以上、降伏点；490N/mm2以上です。 小生は、白銅?さんのカタログの付属のデータ資料を活用しています。 http://www.hakudo.co.jp/prod/prod.html#03 その他は、ネット検索で、 http://www.netushori.co.jp/story/index.html http://www.forming.co.jp/database/index.html ↑ 材料特性をクリック
お礼
ありがとうございます。参考にさせていただきます。
あまり力のかかるものを設計してないで、適切なアドバイスは出来ませんがイロイロと見解を述べたいと思います。 攪拌機と言うことで、結構な負荷が初期に掛かる気がします。 焼き入れ無しのシャフトとしても、φ30 L670なら結構な耐久トルクはあるでしょう。 シャフトは高周波の焼き入れ品がミスミで買えるのでそちらどうでしょう。 なお、負荷もとの羽根とシャフトは、ピン連結が良いでしょうが、過大負荷が掛かれば、羽根やシャフトはそのままで、ピンだけ壊れて、そこだけ簡単に交換できる構造が良いと思います。（現場対応が簡単にできるように） なお、食品とそうでないものとは、破片の有無が重要だからその点はご注意ください。 なお、元々の駆動側（モーター）も、シャフトをねじ切るパワー（過大？）があると見ます。 ですから、モーター側も何か回路追加して、過大負荷トルクに、出力ダウンなりの対応が良いかと思います。 （モーターメーカーなりに聞いてもらえば、何かあると思います。） 完全ではないですが、アドバイスになればと思います。
お礼
ありがとうございます。 ﾋﾟﾝを破断させるのは、良い案ですね。 入力側のキー締結を、6mmのﾋﾟﾝにして、そこで破断させて、修理時間とコストを減らすのは良い案です。 但し根本対策で無いので、トラブル（ﾋﾟﾝ折れ）回数は増加止む無しですが。 もう少し回答受付を継続します。
先ず、φ30mmのS45Cシャフト強度アップは、 【現状】S45C-Dで熱処理なし ⇒ 引張強さ；570N/mm2以上、降伏点；345N/mm2以上 ↓ 【改良】SCM415材で、浸炭焼入れ焼き戻しにする <浸炭した表面部は、> 硬度がHRc58～63になり、引張強さは2100N/mm2（降伏点は90％弱）となる。 ↓ 【結果】表面の硬化層のみだが、引張強さ；4倍弱、降伏点；5倍程度となる パイプ効果で、曲げ/ねじりの強度アップは、略同じと考えても良くなる 次に、φ30mmのシャフトに応力が集中する様な加工をしない 【現状】溶接によるアンダーカット？？、溶接２番の材料劣化 過去は、ノックピン加工+溶接を実施 ↓ 【改良】シュパンリングやパワーロック等の締結金具を使用する ↓ 【結果】応力の集中や材料劣化が発生しない を考慮した方が良いです。
お礼
ありがとうございます。SCM材で検討します。 S45Cを高周波焼入れ等の熱処理で強度アップするとどの程度強くなるかご存知有りませんか？熱処理方法の種類及び効果。 組立、加工方法、手順等は、私の手順でよろしいのでしょうか？ シュパンリングやパワーロック等の締結金具は、ボスサイズ変更必要で見送らせて頂きます。 回答受付は、継続させて頂きます。ご了解ください。
全体的なトルク（動的）計算はされてから部品設計が成されているのか判りませんが、溶接自体このくらいのサイズであれば却って強度低下を招いているのではないかとの危惧があります。 ボス内部、軸部共にセレーションを加工されるほうが熱影響からのウイークポイントを除去出来るかと判断します。 インペラーの固定にはネジタイプ（ロックナット方式）にてされるほうがいいかと思われれます。 （ボス外径を大きく、インペラーサイズを可能な限り小さく）
お礼
早速の回答ありがとうございます。稼動中の生産設備のため、ボスサイズ変更で製造条件が変わる可能性があります。セレーションはメンテナンス（ﾓﾙﾀﾙのような材料）＆加工コスト＆サイズ変更必要？で見送らせて頂きます。
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お礼
ありがとうございます。溶接は溶接歪、焼け、割れの可能性が有り 事実上断念し、ピン構造に変更しています。よって、 ピン構造で、組立後再分解し、熱処理して、50％程度の 強度アップになる、熱処理方法を質問しているつもりです。 言葉足らずをお許し下さい。調質も熱処理の一部と思いますが、 調質の詳細、条件、を業者に指示するための、仕様を決めたい。 貴殿のメールを読み、調質を検索しましたが、 http://detail.chiebukuro.yahoo.co.jp/qa/question_detail/q1011579005 今ひとつ解りません。よろしくお願いいたします。 ありがとうございます。 材料代は大きく変わらないと思いますので、ＳＣＭ材で 超質依頼をし、Hs30～38の硬度指示をします。 Ｈｓ ショア硬さですか？可能なら返信ください。 加工手順は、組立⇒ピン打ち込み⇒分解⇒調質（外注）⇒再組み立て で宜しいですか？ ありがとうございます。 生材を購入し、加工、組立、分解、調質、再組立でメーカーと相談します。