(57)【要約】【課題】加工中における工具と加工材料との摩擦面における潤滑状態を再現し、潤滑剤の潤滑性能を簡単かつ定量的に評価することができる潤滑剤の潤滑性能試験方法および摩擦試験装置を提供する。【解決手段】成形加工用の工具に見立てた試験用球５とこの試験用球５と対向する状態で配置され金型に見立てた試験用プレート８との間に、潤滑剤が塗布された帯板状試験片９を挿入し、上記試験用球５を介して上記帯板状試験片９に荷重Ｐを加え、荷重Ｐが加えられた上記帯板状試験片９をその長手方向Ｂに引き抜き、その引抜荷重および上記帯板状試験片９の表面状態から上記潤滑剤の潤滑性能を評価することを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
成形加工用の工具に見立てた試験用球とこの試験用球と対向する状態で配置され金型に見立てた試験用固定材との間に、潤滑剤が塗布された帯板状試験片を挿入し、上記試験用球を介して上記帯板状試験片に荷重を加え、荷重が加えられた上記帯板状試験片をその長手方向に引き抜き、その引抜荷重および上記帯板状試験片の表面状態から上記潤滑剤の潤滑性能を評価することを特徴とする潤滑剤の潤滑性能試験方法。
【請求項２】
上記試験用球および上記試験用固定材の少なくともいずれか一方を、材質またはサイズの異なる別の試験用球、別の試験用固定材に交換して試験を行なう請求項１記載の潤滑剤の潤滑性能試験方法。
【請求項３】
上記潤滑剤が金属材料の塑性加工に使用されるものである請求項１または２記載の潤滑剤の潤滑性能試験方法。
【請求項４】
可動部材に保持され成形加工用の工具に見立てられた試験用球と、この試験用球と対向する状態で固定部材に設けられ金型に見立てられた試験用固定材と、上記試験用球と上記試験用固定材との間に、潤滑剤が塗布された状態で挿入される帯板状試験片と、上記可動部材を移動させることにより上記試験用球を上記帯板状試験片に対し所望の荷重で押し付ける面圧付加手段と、上記帯板状試験片をその長手方向に引き抜く引抜手段とを備えてなることを特徴とする摩擦試験装置。
【請求項５】
上記試験用球が上記可動部材に対して着脱可能に構成され、上記試験用固定材が上記固定部材に対して着脱可能に構成されている請求項４記載の摩擦試験装置。
【請求項６】
上記試験用固定材として、平板、円筒棒または円柱、凹面板が含まれる請求項４または５記載の摩擦試験装置。
【請求項７】
上記面圧付加手段による押し付け力を検出する面圧検出手段が備えられている請求項４〜６のいずれか１項に記載の摩擦試験装置。
【請求項８】
上記引抜手段による引抜力を検出する引抜力検出手段が備えられている請求項４〜７のいずれか１項に記載の摩擦試験装置。
【請求項９】
上記潤滑剤が金属材料の塑性加工に使用されるものである請求項４〜８のいずれか１項に記載の摩擦試験装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、塑性加工用潤滑剤を評価するのに好適な潤滑剤の潤滑性能試験方法およびその試験方法に使用される摩擦試験装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
金属材料の塑性加工である例えば引抜き加工やしごき加工において、ダイス等の工具の焼付きは生産性を阻害するため、その焼付きを抑制するための各種潤滑剤が使用されている。
【０００３】
潤滑剤の潤滑性能を向上させるための開発においては、数多くの潤滑油成分が配合されて試験されるが、潤滑剤の潤滑性能を的確に評価するには、実際の塑性加工に即した条件で試験を実施することが重要になる。
【０００４】
そこで、高強度ステンレス鋼板の板材加工において、型かじり対策が重要な課題として取り上げられた際に、帯板圧縮引張形、帯板引抜き形、帯板Ｕ字曲げしごき形、帯板引張曲げ形、絞りビード形等の型かじりシミュレーション試験法が開発された（例えば、非特許文献１参照）。
【０００５】
一方、プレス加工には様々な加工形態があり、その加工形態に即した摩擦状態で潤滑性能を評価しなければならないが、上記した各試験法では、工具に相当する部分の形状によって荷重（面圧）が決まってしまうため、例えば絞り量を大きくした場合の潤滑性能を試験するような場合には、試験片の板厚を増やし工具間の隙間を狭くすることによって間接的に荷重を増加させる必要があり、したがって試験片を多種類用意しなければならない。
【０００６】
また、これとは逆に、試験片の板厚を変えないで荷重を大きくするには、工具に相当する部分の形状を変更しなければならず、いずれにしても所望の圧力を設定するには、複数種類の工具若しくは試験片を用意しなければならず、試験に多大な時間とコストを費やさなければならないという不都合があった。
【０００７】
このような事情から、摩擦状態で潤滑剤の潤滑性能を評価する、下記(ａ)〜（ｆ）に示す簡易試験方法が実施されている。
【０００８】
(ａ) 図５に示すように、JIS K 2519に規定されている四球摩擦試験は、ボールの中心が正三角形の各頂点に位置するようにして固定された３つのボール５０ａ〜５０ｃに対し、ボール５０ｄを上方から押し付け回転させることにより接触面に摩擦状態を形成する。
【０００９】
(ｂ) 図６に示すボールオンディスク型摩擦試験は、回転する円盤５０ｅ上にボール５０ｆを押し付けることにより摩擦状態を形成する。
【００１０】
(ｃ) 図７に示すボールオンフラット型摩擦試験は、主に往復摺動運動する対象の試験方法として用いられ、水平方向に往復移動する平板５０ｇに対し、ボール５０ｈを押し付けることにより、摩擦状態を形成する。
【００１１】
(ｄ) 図８に示すチムケン試験は、回転する円盤５０ｉの周面５０ｊに平板５０ｋを押し付けることにより摩擦状態を形成する。
【００１２】
(ｅ) 図９に示すように振子試験は、２個ずつ固定された合計４個のボール５０ｌ，５０ｍおよび５０ｎ，５０ｐ上に支持された１本のローラピン５０ｑを振子の支点としてローラピン５０ｑの支持体５０ｒを矢印Ａ方向に振子運動させることにより、摩擦状態を形成する。
【００１３】
(ｆ) 図１０に示すＶブロック／ピン摩擦試験は、ピン５０ｓの外周部分を、対向する２つのＶブロック５０ｔ，５０ｕの溝部に挟み込み、それらのＶブロック５０ｔ，５０ｕを互いに近接させる方向の荷重を加えた状態でピン５０ｓをその軸まわりに回転させ、摩擦状態を形成する。
【非特許文献１】「日本塑性加工学会編：塑性加工におけるトライボロジ」、コロナ社出版、1988年6月20日、ｐ88−110
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
しかしながら、上記した従来の各試験方法は、試験片同士が繰り返し摩擦することや、試験片が弾性限界内で加圧されるものであるから、例えば、面圧が非常に大きく且つ表面積の拡大が大きい塑性加工中の潤滑状態をシミュレートすることができないという欠点があった。
【００１５】
なお、潤滑剤の潤滑性能を測定する何らかの手段をプレス機等の実機に付設することも考えられるが、この場合、装置が大掛かりになり潤滑性能を簡便に評価することができなくなる。しかも、別の潤滑剤について評価する場合には、工具等に付着したすべての潤滑剤を拭き取る必要があり、さらには、工具における試験片接触面に生成された化学吸着膜についても除去する必要がある。
【００１６】
本発明は以上のような従来の潤滑剤の潤滑性能試験方法における課題を考慮してなされたものであり、加工中における工具と加工材料との摩擦面における潤滑状態を再現し、潤滑剤の潤滑性能を簡単かつ定量的に評価することができる潤滑剤の潤滑性能試験方法および摩擦試験装置を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明に係る潤滑剤の潤滑性能試験方法は、成形加工用の工具に見立てた試験用球とこの試験用球と対向する状態で配置され金型に見立てた試験用固定材との間に、潤滑剤が塗布された帯板状試験片を挿入し、上記試験用球を介して上記帯板状試験片に荷重を加え、荷重が加えられた上記帯板状試験片をその長手方向に引き抜き、その引抜荷重および上記帯板状試験片の表面状態から上記潤滑剤の潤滑性能を評価することを要旨とする。
【００１８】
上記潤滑性能試験方法において、上記試験用球および上記試験用固定材の少なくともいずれか一方を、材質またはサイズの異なる別の試験用球、別の試験用固定材に交換して試験を行なえば、実際の加工状態にほぼ近い面圧が得られ、潤滑性能評価の精度を高めることができる。
【００１９】
また、上記潤滑剤は金属材料の塑性加工に使用することが好ましい。
【００２０】
本発明に係る摩擦試験装置は、可動部材に保持され成形加工用の工具に見立てられた試験用球と、この試験用球と対向する状態で固定部材に設けられ金型に見立てられた試験用固定材と、上記試験用球と上記試験用固定材との間に、潤滑剤が塗布された状態で挿入される帯板状試験片と、上記可動部材を移動させることにより上記試験用球を上記帯板状試験片に対し所望の荷重で押し付ける面圧付加手段と、上記帯板状試験片をその長手方向に引き抜く引抜手段とを備えてなることを要旨とする。
【００２１】
上記摩擦試験装置において、上記試験用球を上記可動部材に対して着脱可能に構成し、上記試験用固定材を上記固定部材に対して着脱可能に構成することが好ましい。
【００２２】
また、上記試験用固定材として、平板、円筒棒または円柱、凹面板を含むことができる。
【００２３】
また、上記面圧付加手段による押し付け力を検出する面圧検出手段が備えることが好ましく、上記引抜手段による引抜力を検出する引抜力検出手段を備えることが好ましい。
【００２４】
また、上記潤滑剤は金属材料の塑性加工に使用することが好ましい。
【発明の効果】
【００２５】
本発明の潤滑剤の潤滑性能試験方法および摩擦試験装置によれば、加工中における工具と加工材料との摩擦面における潤滑状態を再現し、潤滑剤の潤滑性能を簡単かつ定量的に評価することができる。
【００２６】
また、本発明の摩擦試験装置によれば、引抜手段による引抜き速度や面圧付加手段による荷重を所望の値に設定したり、帯板状試験片については表面粗さ、材質、厚さを選択し、また、試験用球や試験用固定材としてのプレート（もしくは円筒棒、円柱、凹面板等）についてはそれらの粗さや材質を選択することで、実際の加工状態にほぼ近い面圧が得られ、評価の精度を高めることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
以下、図面に示した実施の形態に基づいて本発明を詳細に説明する。
【００２８】
図１は、本発明に係る潤滑剤の潤滑性能試験方法に使用される摩擦試験装置の原理図である。
【００２９】
同図において、摩擦試験装置１は、上下方向に対向して配置される上側バッキングプレート（可動部材）２と下側バッキングプレート（固定部材）３を備えている。
【００３０】
上側バッキングプレート２の下面にはホルダプレート４が取り付けられ、このホルダプレート４の下面には試験用球５を固定するための球ホルダ６が固定され、この球ホルダ６の下面から下方に向けて試験用球５が半球状に突出するようになっている。
【００３１】
一方、下側バッキングプレート３の上面には試験用プレートホルダ７が取り付けられている。この試験用プレートホルダ７上には試験用プレート（試験用固定材）８の形状に合わせて凹部が形成されており、その凹部に試験用プレート８が取り外し可能に装着されている。
【００３２】
上記試験用球５と上記試験用プレート８の間には、加工材を想定した帯板状試験片９が水平方向に挿通され、この帯板状試験片９の一方端は、ロードセル（引抜力検出手段）１０付きのチャック１１によって把持され、このチャック１１は帯板状試験片９を矢印Ｂ方向に引っ張ることができるようになっている。
【００３３】
例えば、成形加工であるしごき加工を例に取ると、上記試験用球５は工具としてのダイスに相当し、上記試験用プレート８は金型（ポンチ）に相当し、上記帯板状試験片９はダイスと金型に挟まれて加工される加工材に相当する。
【００３４】
また、上側バッキングプレート２は、所望の垂直荷重Ｐを下向きに加えることができるようになっている。なお、上記垂直荷重Ｐは、試験用プレートホルダ７と下側バッキングプレート３との間に挟み込まれたロードセル（面圧検出手段）１２によって測定することができるようになっている。
【００３５】
したがって、上記摩擦試験装置１において、垂直荷重Ｐを加えた状態で帯板状試験片９を矢印Ｂ方向に引き抜くとき、垂直荷重Ｐはロードセル１２によって測定され、試験用球５と試験用プレート８の間に挟まれた帯板状試験片９の両面で発生した摩擦力はロードセル１０によって検出されるようになっている。
【００３６】
なお、摩擦試験を行なう際、帯板状試験片９の上下両面に評価対象となる潤滑剤が塗布されるが、内面シゴキ加工、外面シゴキ加工、液圧バルジ加工のような加工を想定する場合には、いずれか一方の面にのみ潤滑剤を塗布する場合もある。
【００３７】
上記摩擦試験装置１の構成によれば、帯板状試験片９を一方向にリニヤに移動させるため、従来の摩擦試験装置のように、回転や摺動によって繰り返し摩擦が作用することがない。また、試験用球５、試験用プレート８の材質を、実機における工具や金型に対応させるとともに、帯板状試験片９の材質を実際の加工材に合わせることで、実際の成形加工に相似した状態で摩擦試験を行なうことが可能になる。
【００３８】
なお、上記摩擦力を検出する手段としては上記したロードセルに限らず、チャック１１に働く引抜力を油圧セルで検出するように構成することもできる。
【００３９】
なお、油圧セルとは、装置内部に油圧シリンダを内蔵し、引抜荷重によるシリンダ内部の油圧の変化を、予め測定されている荷重−圧力関係式を参照することにより荷重に換算することができるものである。
【００４０】
また、試験用球５や試験用プレート８の材質を、実機の工具、金型材質よりも焼き付き易いものの組み合わせとすることもできる。実機の工具、金型材質と焼き付き易いものとの間で摩擦力の相関関係が求められていれば、意図的に焼き付き易い材質を使用することでより短時間に摩擦試験結果を求めることが可能になる。
【００４１】
また、試験用球５や試験用プレート８を並列または直列に複数配置して摩擦試験を行なえば、短時間で試験結果を多数得ることが可能になる。
【００４２】
また、試験用プレート８の形態はプレート状に限らず、円筒棒であってもよく、また、凹面板に代えることができる。それにより、実際の加工条件に近い環境での摩擦試験を行なうことができるようになる。
【００４３】
詳しくは、試験用プレート８を円筒棒に代えると、帯板状試験片９に対する接触面積が減少するため、同じ垂直荷重Ｐで帯板状試験片９における摩擦面の面圧を高めることができる。試験用プレート８を凹面板に代えると、帯板状試験片９について凹面状に変形した状態での摩擦試験することができ、実機における潤滑不良状態を再現することが可能になる。
【００４４】
図２は上記摩擦試験装置１に対して垂直荷重Ｐおよび引抜荷重を加えるための装置全体構成を示した正面図である。
【００４５】
なお、以下の説明において摩擦試験装置１を含む全体構成を示す場合は試験装置２０と呼ぶ。
【００４６】
同図において、上記球ホルダ６は凸形断面形状を有し、上面に形成された突条６ａは、ホルダプレート４の下面に形成されたキー溝４ａと係合するようになっている。また、ホルダプレート４にはキー溝４ａに向けて雌ねじ部が水平方向に形成されており、この雌ねじ部に対して固定ねじ４ｂが螺合するようになっている。
【００４７】
それにより、試験用球５を保持した球ホルダ６の突条６ａを上記キー溝４ａ内に係合させた状態で、上記固定ねじ４ｂを雌ねじ部に螺合させ締め付ければ、試験用球５を持つ球ホルダ６をホルダプレート４に固定することができ、また、固定ねじ４ｂを取り外せば、試験用球５を持つ球ホルダ６をホルダプレート４から取り外すことができるようになっている。
【００４８】
また、試験用プレート８も上記したように、試験用プレートホルダ７から取り外すことができるように構成されているため、摩擦試験を行なう毎に上記試験用球５を持つ球ホルダ６と上記試験用プレート８を取り替えれば、摩擦試験を迅速かつ簡便に行なうことが可能になる。
【００４９】
図３は図２に示した試験装置２０の左側面図を示したものである。
【００５０】
同図において、試験装置２０は、台座２１上に略正方形に組まれた架台２２を有しており、この架台２２は、図中左側に平行な状態で立設された２本の垂直フレーム２２ａ，２２ｂと、同じく右側に立設された２本の垂直フレーム２２ｃ，２２ｄと、垂直フレーム２２ａ〜２２ｄの各上端に固定された水平フレーム２２ｅとから構成されている。
【００５１】
また、台座２１の上面には矩形状のベースプレート２２ｆが設けられ、このベースプレート２２ｆの各コーナー寄りに、昇降プレート２３を水平姿勢で昇降動作させるための４本のガイドシャフト２４ａ〜２４ｄが立設されている。
【００５２】
上記昇降プレート２３の上面には、さらに、矩形状の上プレート２５と、同じく矩形状の下プレート２６と、両プレート２５および２６を垂直方向に接続する４本の接続シャフト２７ａ〜２７ｄとが籠状に組み立てられている。
【００５３】
上プレート２５の中心に垂直方向に形成された雌ねじ部２５ａは、ボールねじ２８に螺合しており、このボールねじ２８は、サーボモータ２９からカップリング３０を介して垂下されている駆動軸３１の下部に設けられている。
【００５４】
なお、上プレート２５における雌ねじ部２５ａの周囲には４つの貫通孔が垂直方向に穿設されており、各貫通孔には、水平フレーム２２ｅから垂下された４本のガイドシャフト３２ａ〜３２ｄが軸通している。それにより、上プレート２５はそれらガイドシャフト３２ａ〜３２ｄをガイドとして水平姿勢を維持したまま安定に昇降できるようになっている。
【００５５】
また、上プレート２５は接続シャフト２７ａ〜２７ｄおよび下プレート２６を介して昇降プレート２３と接続されているため、上プレート２５と昇降プレート２３は連動し、昇降プレート２３は、下降動作において試験用球５を帯板状試験片９の上面に押し付け、それにより、成形加工時に発生する面圧に相当する垂直荷重Ｐを帯板状試験片９に加えることができるようになっている。
【００５６】
次に、帯板状試験片９を矢印Ｂ方向に引抜く引抜き手段の構成について説明する。
【００５７】
図２において、ロードセル付きのチャック１１は、７０ｃｍ以上のストロークを持つ油圧シリンダ３３のロッド３３ａに接続されている。
【００５８】
油圧シリンダ３３のロッド側油室およびヘッド側油室は方向制御弁３４に接続されており、この方向制御弁３４はポンプ３５から供給される圧油の流量および方向を制御するようになっている。
【００５９】
方向制御弁３４を中立位置ａから切替位置ｂに切り替えると、ロッド側油室に圧油が導入されてロッド３３ａが格納され、帯板状試験片９が矢印Ｂ方向に引き抜かれる。また、切替位置ｃに切り替えると、ヘッド側油室に圧油が導入されてロッド３３ａが引き出され、帯板状試験片９が矢印Ｂ方向と反対側に移動する。
【００６０】
帯板状試験片９が試験用球５と試験用プレート８の間に挟まれて押圧されている状態でその帯板状試験片９を上記油圧シリンダ３３によって矢印Ｂ方向に引き抜くと、帯板状試験片９に摩擦力が発生し、発生した摩擦力はロードセル１０によって検出される。
【００６１】
なお、試験用球５（または試験用プレート８）と帯板状試験片９との間に焼付きが生じると摩擦が急激に増大する。したがってロードセル１０によって検出される摩擦力を監視することによって焼付きが起こり始めたどうかを判断することができる。
【実施例】
【００６２】
本実施例では、従来より成形加工に使用されていた塩素系潤滑剤を塩素フリーとし、塑性加工用として使用できる潤滑剤を開発する際の潤滑性能評価例について説明する。
【００６３】
下記表１は、実機によって円筒絞り加工を行なった際の試験結果と、本発明による摩擦試験方法による試験結果と、比較例としてのピンオンプレート型試験方法、四球摩擦試験方法、Ｖブロック／ピン試験方法による各試験結果とを比較したものである。
【００６４】
【表１】
2008170352.tif 000003
【００６５】
上記連続成形可能加工数とは、実際の加工においてダイスやパンチを研磨せずに連続して成形した際に、ワークに焼付きによるキズが生じるまでの加工数を示している。一方、耐荷重能とは、焼付きが生じるまでに加えられた引抜荷重である。
【００６６】
上記連続成形可能加工数と耐荷重能は、共に焼付きを共通項としているため相関関係がある。
【００６７】
詳しくは、焼付きとは、一般に、二面がはげしい凝着あるいは摩擦熱による融着を生じ、急に摩擦が増加するか、または付着して滑らなくなる現象を意味し、その主因である凝着摩耗が少ないほど焼付きも生じにくいことが知られている。
【００６８】
上記凝着摩耗における摩耗量は、滑り距離と荷重に比例し、軟らかい側の材料の硬さに反比例すると言われている。これを式にすると、
Ｖ＝ｋ・Ｗ・Ｌ／Ｈ    ……(1)  （Holmの法則）
で表される。
ただし、Ｖ：摩耗量［mm３］、ｋ：摩耗係数、Ｗ：荷重［N］、Ｌ：滑り距離［mm］、
Ｈ：材料の硬さ［N／mm２］である。
【００６９】
上記(1)式の関係において、連続成形可能加工数を求める試験は、荷重Ｗが一定で、異なる滑り距離Ｌを求めることを相当し、また、耐荷重能を求める試験は、滑り距離Ｌが一定で異なる荷重Ｗを求めることに相当する。
【００７０】
このような相関関係が存在することを前提として、上記表１に示した連続成形可能加工数と本発明による耐荷重能との関係をグラフにしたものを図４に示す。
【００７１】
同図に示されるように、各潤滑剤Ａ〜Ｅによる連続成形可能加工数を結ぶグラフＥと、各潤滑剤Ａ〜Ｅによる耐荷重能を結ぶグラフＦとは同じ傾向を示している。したがって、同グラフによれば、塩素系潤滑剤を非塩素系潤滑剤に代える場合、非塩素系潤滑剤Ｃと非塩素系潤滑剤Ｅを採用すれば、引抜き加工やしごき加工等の塑性加工用潤滑剤として適用可能なことが分かる。
【図面の簡単な説明】
【００７２】
【図１】本発明に係る摩擦試験装置の構成を示す斜視図である。
【図２】本発明に係る摩擦試験装置の全体構成を示す正面図である。
【図３】図２の左側面図である。
【図４】連続成形可能加工数と本発明の耐荷重能の傾向を示したグラフである。
【図５】従来の四球摩擦試験の測定原理を示す説明図である。
【図６】従来のボールオンディスク型摩擦試験の測定原理を示す説明図である。
【図７】従来のボールオンフラット型摩擦試験の測定原理を示す説明図である。
【図８】従来のチムケン試験の測定原理を示す説明図である。
【図９】従来の振子試験の測定原理を示す説明図である。
【図１０】従来のＶブロック／ピン摩擦試験の測定原理を示す説明図である。
【符号の説明】
【００７３】
１    摩擦試験装置
２    上側バッキングプレート
３    下側バッキングプレート
４    ホルダプレート
４ａ  キー溝
４ｂ  固定ねじ
５    試験用球
６    球ホルダ
６ａ  突条
７    試験用プレートホルダ
８    試験用プレート（試験用固定材）
９    帯板状試験片
１０    ロードセル
１１    チャック
１２    ロードセル
２０    試験装置
２１    台座
２２    架台
２３    昇降プレート
２４ａ〜２４ｄ  ガイドシャフト
２５    上プレート
２６    下プレート
２７ａ〜２７ｄ  接続シャフト
２８    ボールねじ
２９    サーボモータ
３０    カップリング
３１    駆動軸
３２ａ〜３２ｄ  ガイドシャフト
３３    油圧シリンダ
３４    方向制御弁
３５    ポンプ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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