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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。
2023/09/06 16:34
- 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。
S45Cのシャフトが破断します。サイズアップせず…
2007/12/21 10:12
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のシャフトが破断します。サイズアップせずに強度アップしたい。
材料の形状、使用条件
A：ｼｬﾌﾄ S45C-D 直径30ｍｍ長さ670ｍｍ熱処理なし。
B：ﾎﾞｽ SUS304 外径40ｍｍ内径30＋0.010－０長さ300
C：羽根 巾50厚さ9長さ150 ボスBに180℃位相を変え溶接。
使用目的：味噌orﾓﾙﾀﾙのような物を撹拌。Aの中央にB溶接。
過去の経過
AとBを開先を取り溶接後旋盤加工（ﾌﾚｰﾑが有り要段付き部90℃）
溶接部にて破断（溶接歪でｼｬﾌﾄのブレが発生が原因？）
溶接後ｼｬﾌﾄ部削り出し加工。⇒溶接部にて破断。
AとBを径8ｍｍの平行ﾋﾟﾝで固定後、ﾋﾟﾝとBを溶接
ﾋﾟﾝ貫通部にてｼｬﾌﾄ破断。（ﾋﾟﾝはABの芯を貫通）
⇒ﾋﾟﾝをABの芯をすらせて打ち込み手配中。・・・現在進行中
?今後の予定（上の時点で部下より私に相談が来た）
Bの両端約40ｍｍをH7にする。
ABを組立て8ｍｍのﾋﾟﾝを打つ。
分解しAに熱処理をする。（新造する為材質変更も可）
この熱処理と、材質変更に関してどうすればモアベターかアドバイスを頂きたい。又は?の案自体がベターかワースかもっと発想を変えた、良い案がないか？についてのご意見、ご助言もお願いします。
現在稼動している設備のため、製造（攪拌）条件の変わる改造は困難です。ご理解の上のアドバイスをお願い致します。
現状の穴径は、30ｍｍ+0.1-0ｍｍでした。記入間違いでした。
調査時間は（初めての質問で回答希望時間と）勘違いしてました。約60分です。
たくさんの回答を頂き感謝してます。回答時間に結構時間を使ってます。
破断面の写真の添付の仕方どなたか解りませんか？
寸法を変えずに、強度アップしたい。
材質、熱処理方法のプロの方、助けて下さい。
ＳＣＭで焼き入れ、焼きなまし？焼きならし？
が現状ではＢｅｓｔでしょうか？
Ｓ45Ｃ生材より、50％アップで実施判断します。
Ｓ45ＣをＨＲｃ45程度で高周波焼入れするとか・・・。
熱処理方法と材質についてのアドバイスをお願いします。
計算値は不要です。材質、熱処理について計算するには
データが不足と推定します。責任は勿論私が負います。
現場のプロの経験による、アドバイスをお願いします。
１月９日 ０時４５分記入
皆様、お正月を挟んで、多数のアドバイスありがとうございました。
ツクルさんの案で行きます。
1/23に回答を締め切らせて頂きます。ありがとうございました。
質問者が選んだベストアンサー
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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その他の回答 （21件中 1～5件目)
ボスに穴をまんべんなく多数あけて栓溶接します（Φ６～８）
見た目悪いですが・・・
簡単な方法ですがいかがでしょうか
ちょっと状況が把握しかねます
ですので対応策も思いつきです
破断はシャフトそのものが破断したのか 溶接部がはずれただけなのか
ボスへの羽根の付き方 ３００の長さへ９ｘ５０ｘ１５０ｘの羽根が何枚、どのように付いているか
荷重のかかり方 一定方向の回転だけか 正逆で交番荷重がかかっているか
回転数は？ 一定回転か
＞数、溶接棒の太さ、種類、電流値
これらのことは厳しく制限するほどの用途では無いと思います
溶接棒は ステンレス用を使ってますよね
３００の長さのボスとシャフトの接合が両端部のみになっているのが問題
溶接ひずみによる芯ブレを懸念されるような高回転ですか？
溶接ひずみをとるため焼鈍すべきです
S45C を SS400にした方がよい結果がいられるかもしれません
お礼
2008/01/09 20:43
ありがとうございます。
勿論対角線上に、考えて溶接するとは思いますが、
溶接による、歪により軸の芯ブレが起こり・・・。
多数の穴の 穴径と、数、溶接棒の太さ、種類、電流値
を具体的にアドバイス（書面では困難とは存じますが）
頂けますと、保全のベテランに相談しますが・・・。
ありがとうございます。シャフトそのものが破断しました。
ボスへの羽根の付き方は、中央の羽根長さが300で、両サイドの羽根は180度
位相がずれています。中央の羽根と両サイドの羽根の先端部に
パイ15程度のシャフトを溶接し、180度位相のずれたパイ15
のシャフトで、材料を練りながら供給しています。
回転方向は一方向です。一定回転で約200ＲＰＭです。
羽根を溶接してから、焼鈍ですか？
なお、溶接は上の方に回答してます様に、ほぼ断念です。
こんにちは！３回目の投稿です。
発想の転換でＢボスを締め付け方のカップリングと見立てて
Ｂボスを立てに片方切断、イメージはhttp://www.nbk1560.com/couplicon/products/mlr-c/index.html
こんな感じで締め付けはセットカラーhttp://www.nbk1560.com/m_m/set_collar/products/nscs/index.html
で締め付ければ均一に圧着出来るとおもいます。
これにより応力集中が分散できます。
回転軸Ｓ45Ｃの強度は投稿検索すれば読みきれないほど出てきます
勿論、現場のプロの意見として。（因みにココに回答を寄せている方々も
設計のベテランのプロの方々です）その方々は色々な計算（経験値）によって材料が決められ熱処理業者さんに指示がいきます。ＪＩＳ規格以上の数値は出てこないとおもいます。由ってベテラン設計者より的確なアドバイスは頂けないと思いますが？
後、話は変わって
＜本日、書店で破断面について書かれた文献を二種類も見つけました
専門家に聞くのが一番と思うが、この文献でも十分に判断可能と思います
その文献で導き出した破断面はどの種類の破断だったのか気になります。
ボスＢの径はそのままでセットカラーで締め付けです
参考画像は割りカラー自体が締め付けますがＢボスの場合
径が小さい為加工が困難だと思います。
そこでセットカラーで締め付けを思いつきました。
寸法を変えずに強度ＵＰですね！
色んな方法とか勉強になります。
溶接なしです。
３箇所ほど締め付ければかなり効果ありかと思います。
色んな意見が聞けて勉強になります。
頑張って下さい。
ボスを立てに２５ｍｍの溝を入れ（割りカラー状態になります）
そのボスの外周をセットカラー（三箇所程）で締め付け
シャフトとボスを圧着します。均等に応力が分散すると思います。
すみません。溝は３８ｍｍでした。
衝撃加重でしたか
私は珈琲屋なのでスイス製のコーヒーグラインダーに
異物が混入すると刃が外れて電源を停止する機械は見たことが
あります。衝撃加重は力を逃がすかモーターを停止する仕組みが必要か
もしれません。ある一定以上の加重が加わると外れるとか
スプリング機構で逃げるとか。
このテーマでもかなり有意義な意見とかが出そうで残念です。
なにはともあれ勉強になりました。
お仕事頑張って下さい。
お礼
2008/01/09 20:37
ありがとうございます。私よりも熱心そうで頭が下がります。
ボスＢを割りカラーの如くする。と解釈しました。
しかしこれではボス径が大きくなり、製造条件が・・・。
解釈の仕方が間違っている場合は、ご連絡下さい。
ありがとうございます。
セットカラーとボスは溶接ですか？
ありがとうございます。
ボスとシャフト、とセットカラーとボスはどのように固定しますか？
ボスの外周から割りカラーで締め付ける？
センスが無くてイメージが湧きません。
ありがとうございます。
ボスに羽根を溶接後、ボス全長方向にスリットを入れ、
スプリングピンの大きい物、の様な形状にさせておいて、
ボス外形を、割りカラーで締めつけるという、斬新なアイデアですね？
この方法は、割りカラーの体積分が、従来の製造条件を変える可能性がある
のを無視しても、羽根への予期せぬ衝撃加重及び組立時のミスにより、
羽根とシャフトの位相が変わる欠点が有ります。（シュパンリング、
パワーロックも同様の欠点が有ります）実は簡略化のため説明しませんでしたが、
シャフトは複数本有り、寸法形状が違い、この特定のシャフトが破断します。
よって、位相の変化が、製造条件を可能性が有ります。ナゼ衝撃加重が
かかる可能性が有るかと言いますと、ねじ等の緩みによる
上部部品の混入、作業者のミスによる工具治具の混入、休日前の清掃不足等による、
材料の固着（モルタル、味噌の様な材料）等が経験が有ります。
説明不足で、話しを振り出しに戻した事を、お詫びします。
回答は、明日会社で時間の有るとき、締め切らせて頂きます。
軸曲げが 変位強制になっているようですので、むしろ細くして、ピン部分だけ 穴とはめあいにしてあとは、よけるように、軸を 細く加工すればいいです。 普通は 両端支持でしたら 中央を太く残して、両端を細く加工します。穴は 両端をおおきくまたは加工できなり。
違います。中央部の軸を太くして、穴は馬鹿にします。ボスの両端を
支持しているのでしたら 軸は、まげ曲げ剛性を下げて逃げますから。
軸加工はトルク入力限界まで細く削ります。これは曲げ変位を吸収するためです。 はめあいは 円筒では圧入力が大きくなりすぎるので、締め代を持たせるのは、ごく短い部分にします。このしめしろ部は、ボスの長さ方向で
中央部としてはいかがですか。 ボス穴は寸胴ですよ。ばかの意味は逃げを大きくするという意味です。中央部を太くというのは 馬鹿を少なめにするという意味ですので、 入ることは入る程度のクリアランスにするという意味です。
荷重はトルクと曲げがあります。ベアリングは曲げを受け、トルクは受けません。軸を細くして、曲げをよけるほうが 応力上は有利と思います。
2点支持では圧入時の初期応力が高くなるので 軸とボスの曲げ方向支持は1箇所にすべきです。 ベアリング部であれば 軸が長くなるガワの1箇所だけにしてはいかがですか。
荷重はトルクと曲げがあります。ベアリングは曲げを受け、トルクは受けません。軸を細くして、曲げをよけるほうが 応力上は有利と思います。
2点支持では圧入時の初期応力が高くなるので 軸とボスの曲げ方向支持は1箇所にすべきです。 ベアリング部であれば 軸が長くなるガワの1箇所だけにしてはいかがですか。
お礼
2008/01/09 20:29
ありがとうございます。
両端支持ですので、ボスＢ300の両端約５０だけ、はめあいにして、
中央部は穴を太くする。と言う、
私の考えと反対ですね。
第三者の方（読者）のアドバイスをお願いします。
ありがとうございます。
申し訳有りませんが、両端の小さいボス穴に、中央部の太い
シャフトを入れれません。何か勘違いでは？
おはようございます。 ありがとうございます。
両端支持のシャフトの中央部に、集中荷重を与えたくない。
両端支持の支持部に近い左右2箇所で、集中荷重を受けさせる。
と、言うのが私の主張になります。
御反論があろうと存じますので、回答締め切りは
1/24 20時以降とさせて頂きます。
宜しくお願いします。
ありがとうございます。参考にさせていただきます。
多分応力集中を、逃がす為に・・・。軸を細くする？
軸が、破断している。その強度を寸法を変えずに強度アップしたい。
目標強度現在の50％アップ ← に対し軸を細くする。
の発想に私の古い頭では、ついて行けません。
御反論有ろうかと思います。回答締切りは本日正午以降とします。
どのように使用されているのか良く理解してませんが、軸折れ対策としてよくやっているのは、ボスと軸の溶接構造を止め、KANAロックのような物で固定するやり方です。また、軸材の強度アップとしては、SCM435を使用します。KANAの他のメーカーは、TSUBAKIのパワーロック等を良く使います。ただ、使用時のトルクや表面処理荒さ等が分かってないと滑りを生じることがありますが、私は、あまり気にせず使っています。
参考までに・・・。
お礼
2008/01/09 00:18
ありがとうございます。
回答（２？）に有りますように、
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。
ボスサイズ変更⇒製造条件変更⇒品質に影響？？
気になったのでひとこと。軸が曲がっていませんか？ 曲がっていると
ピンではなくて軸が折れます。
よく見ると、ボスＢ長さ３００もありますね。 少し逃げないと初期に曲げ応力を持ってしまいそうに思います。 中央部 ５０ぐらいを残して
ガタはめにしておいたら？
お礼
2008/01/07 17:53
明けましておめでとうございます。
当初軸AにボスBを溶接していました。
軸が曲がっている恐れが有ると思い、ピンにした。
経緯がありますが、変更後も経時変化（疲れ)で
曲がっているかもしれませんね？
どうして検証すれば良いのか？・・・。
恥ずかしい話ですが、
分解組立に約半日、その後の調整に約2時間かかります。
ありがとうございます。
実際にはパイ３００を、指定の公差で加工するのは、
かなり困難で、50ｍｍ両サイド位が公差内で、
中央部はガタに加工していると推定しています。
中央集中加重より、両端支持の両サイド近くで力を受けるのが
ベターと考えています。このような薄肉で長いボスに、
溶接で攪拌羽を溶接する設計が、歪を生じて悪いのは、承知しています。
ン十年前よりの設計で、新しく製作（設備を）の際は、
テスト期間を取り、設計変更したいが、儲かっていませんので・・・。
お礼
2008/01/12 13:21
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。