薄板 の熱応 力割断 における空気吹 き付 けによる冷却効果

長崎大学工学部研究報告 第29巻 第52号 平成 11年

薄板 の熱応 力割断 における空気吹 き付 けによる冷却効果

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本 村 文 孝●･今 井 康 文書 才 本 明 秀●

Ef f e c tofCool i ngbyAi r bl owont heThe m a lSt r e s sCl e a vl ng ofaThi nPl a t e

by

FumitakaM OTOM URA*,YasufumiIM AI* AkihideSAIM OTO*

Thethermal Stressfieldinducedbyalineheatsourcelikean electricresistaJICeWirecausescrackextension.

Takingadvantageofthisphenomenon,someglassymaterialscan becleavedwithoutanymicrocracksonthecleaving surface.OnthecleavlngprocessOfglassplates,airblowhasbeenconfirmedtobeeffective.Inthispaper,anoptlmum heatingpositionandalleffectiveairblowtimingareinvestlgatedtoincreasethethem alstressintensityfactors･

1.緒言

電 気 ヒー ター等 に使用 されているニ クロム線の よ う な熱線 をぜ い性材料 に接触 させ ると,き裂 が加熱線 に 沿 って進展 し薄板 を割断 で きることが ある. これ は不 均一 な温度変化 によって材料内に生 じた熱応 力による もの である. この現象 を利用す ると,長方形 の ガラス 板 を等分す る割断では高 い直進精度 が期待 で き,創成 され た破面 にはマイクロクラ ックや残留応 力 を発生 し ないので ,外荷重が掛 って も端面 か ら破断 しに くくな る. また ,温度上昇 を極 力抑 えた迅速 な割断 は必要不 可欠 であ る.そ こで ,線加熱 と局所冷却 を併用 した加 工法 に注 目 してみた.

本文で は ,解析 的に局所冷却の影響 を確認 す るため , 点熱源 が作用す る矩形板 の二次元熱弾性 問題 を利 用 し た. また線形破壊力学 に もとづ き,熱応 力拡大係数 を 上昇 させ る最適 な吹 き付 け位置 および吹 き付 け開始時 間の検討 を数値解析 によ り行 なった.

2.線熱源および点熱源 による非定常熱弾性 場

始 め に,Fig.1の よ うに中心線上 に線加熱 を受 け , き裂線上 を中心 に吹 き付 けを受 ける薄板 を考 える.港 板片面 か らの 自然放熱 を考慮 した線熱源 によって生 じ

る非定常温度域 は次の よ うになる.

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Fig.1AnalyticalModel

平成10年10月28日受理

'横械 システム工学科 (DeparlI耽ntOfMechanicalSystemsEngineering)

12 本村 文孝 ･今井 康文 ･才本 明秀

ここで ,F.は均一温度上昇の項で あ り,Flは位置 に依存す る項 で ある. また,Qlは単位厚 さ,単位長 さ,単位時間当 りの熱量であ り,九,て,(A.･九),は 熱伝導率 ,熱拡散率 ,自然対流熱伝達係数である.

空気吹 き付 けの効果 は分布 した負の熱源によって評 価 した.その大 きさは ,線熱源によって生 じた温度上

昇 と強制対流熱伝達係数の横によって表す ことがで き る.分布熱源 を点熱源の集合 と見倣 し,き裂線 に上下 対称 に位置す る2つの点熱源によって生 じる矩形板の 特異熱応 力場 はFig2の よ うな周期熱源の重ね合わせ によって評価 した.

次式 はその ときの非定常応力場で ある.

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ここで,h(r),E,αは強制対流熱伝達係数 ,縦 弾 性係数 ,線膨張係数で ある.

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Fig.2MethodofmakingarectaJlgularplatehaving them allyinsulatededges

3.強制対流熱伝達係数

ガラス板に空気吹 き付 けを行 なった時の強制対流熱 伝達係数 を実験 的 に求めた.Fig.3は実験装置の枕崎 で あ る .最 初 , ガ ラス板 をオ ー プ ンで 約 1時 間 , 200℃ に保持 した. そ して,0.5lMPa]の圧縮空気 を吹

き付 け ,ガラス表面温度の時間的変化 を測定 した.莱

〟

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(8)

(9) (10)

験 は4種類の流量につ いて ,ガラスか らノズル先端 ま での距離 を変 えて行 なった.

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Fig.3Experimentalsetup

結果 をFig.4に示す.図 中縦軸のh(∫)は ビオ数 をノ ズル直径 で除 した値 である.h(r)は吹 き付 け中心 か ら 離れ るにつれ減少 し,吹 き付 け流量 が増す につれ ,よ

り遠 くまで影響 していた.

薄板の熱応力割断 における空気吹 き付 けによる冷却効果

0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 r 【m】

Fig.4ExpenmBntal1ylneaSuredconvectionheat transfercoefGcient

13

4.点熱源 による熟応 力拡大係数

Fig.5は き裂延長線上の上下対称 な負の熱源対の位 置 によって き裂先端 に生 じる熱応 力拡大係数の等強度 線 を示 してい る.試験 片 サ イズはW

=

2(状 )【mm],B=1.8【tnm],C= 鮒 0【mm]である.無次元 加熱時間 d W2は 1.E‑5で ある. これ らの結果 を影 響係数 と して冷却効果 を評価 した.負の熱源対 が き裂 後方 に作用す ると,熱応力拡大係数 は正 とな った.特 に ,き裂先端 に近 ければ近 いほ ど,値 は大 きくなった.

0

Fig.5Thetrajectoryofheatinglocationwhichgivesthesamethermalstressintensityfactor

5.吹 き付 けによって奪 われたエネルギ dW2=1.OE14に吹 き付 けを開始 し,K〟W2=1.1E‑4 Fig.6は き裂先端 か ら後方5[mm]に吹 き付 け中心 が 後の場合で ある.奪われ るエ ネル ギは線熱源 及び吹 き あ る時 に ,奪 われ るエ ネル ギの分布 を示 して い る. 付 け中心 か ら離れ ると,急激 に減少 した.

0100200300400BOO600700800 9001000【JnJn】

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ユ5.0 20.0 15.0 10.0 5.0 0.0

500550600650700 Fig.6Thedistributionofcarried‑awayenergybyairblow

14 本村 文事 ･今井 康文 ･才本 明秀

6.冷却効果

Fig.7吹 き付 け位置 による熟応力拡大係数の時間的 変化 を示 している.氾/W

Q =

595【ntm]で長大 となった. もし吹 き付 け中心がき裂前 方 にあるならば ,冷却 は熟応力拡大係数 を抑圧す る.

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E･5 E･5 E･5 E･5 E.4 E.4 E.4 E.4

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Fig.7Effectofaitblowposlt10n

Fig.8は吹 き付 け開始時間の効果 を示 してい る.吹 き付 け開始時間に関わ らず ,最大の熱応力拡大係数 は a=595【mm]で得 られ た.よ り大 きな熱応力拡大係数 は十分発達 した温度域の元で ,吹 き付 けを開始す ると 良い と考 える.

Ⅰ出

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4.00E.4 3.50E.4 3.00E●4 2.50E.4 2.00E..4 1.50E.4 1.00E.4

5.00E̲5 0.00E̲○

400 450 500 550 601 650 PosltlonolAlrbloy 【mnJ Fig.8Effectofaifblowtimi ng

7.結言

比較的大 きな試巌片 をモデルに吹 き付 けによる冷却 の効果 について ,次の ことが確かめ られ た.

1.適切 な吹 き付 け位置 は き裂後方 5‑10【mm]と き裂先端 に近いところにある.

2.吹 き付 け無 しの堵合 と比較す ると,吹 き付 けを 開始 して,て〟

M=

3.十分発達 した温度鳩 で吹 き付 けを開始すれば , 熱応 力判断 にプ ラスの影響 とな る と考 え られ

る.

参 考 文 献

1)沢田 ,今井 ,才本 ,線熱源による帯板の熱応力割 断 ,精密工学会誌,64‑2(1998),302.

2)才本 ,沢田 ,今井 ,ぜい性薄板の熱線割断 と寸法 効果 ,材料,47‑8(1998),813.

3)本村 ,今井 ,才本 ,長崎大学工学部研究報告,27, 49,(1997),179.