(57)【要約】【課題】厳しい鍛造条件下における塑性加工用潤滑剤の潤滑性能を評価できる方法を提供する。【解決手段】外側が拘束されていて、かつ、評価対象の塑性加工用潤滑剤１０で表面が被覆されている材料３に対し、先端近傍８ａが前方に絞り込まれた形状になっているパンチ８を用いて後方押出し加工を行い、そのときの成形荷重またはストリッパ荷重を測定し、成形荷重またはストリッパ荷重の大小で塑性加工用潤滑剤の潤滑性能を評価する塑性加工用潤滑剤の評価方法であって、パンチ８は、先端近傍にテーパ部８ａを備え、パンチの中心線に対するテーパ部８ａのテーパ角度が５°〜６０°であることが好ましい。【選択図】　　　図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
外側が拘束されていて、かつ、評価対象の塑性加工用潤滑剤で表面が被覆されている材料に対し、先端近傍が前方に絞り込まれた形状になっているパンチを用いて後方押出し加工を行い、そのときの成形荷重またはストリッパ荷重を測定し、前記成形荷重またはストリッパ荷重の大小で前記塑性加工用潤滑剤の潤滑性能を評価することを特徴とする塑性加工用潤滑剤の評価方法。
【請求項２】
前記パンチは、先端近傍にテーパ部を備え、前記パンチの中心線に対する前記テーパ部のテーパ角度が５°〜６０°である請求項１の塑性加工用潤滑剤の評価方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は塑性加工用潤滑剤の評価方法に関し、更に詳しくは、金属材料の鍛造時に用いる塑性加工用潤滑油などの潤滑剤の潤滑性能を評価する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
鋼材などの被加工材を、熱間、温間、または冷間で鍛造する際には、鍛造パンチと被加工材間におけるかじりや焼付きの発生を防ぐために、塑性加工用潤滑剤（以下、単に潤滑剤という）が使用される。
鍛造前に鍛造パンチと被加工材の間にそれらと面接触した状態で存在しているある質量の潤滑剤は、鍛造時に、鍛造パンチの被加工材への押込み量に対応して２次元的に延伸し、鍛造前に比べると、より広く、より薄い膜（潤滑膜）へと変化する。
【０００３】
なお、潤滑剤の上記した挙動において、鍛造パンチの押込み量から演算される鍛造後の潤滑膜の面積を、鍛造前の潤滑剤（膜）の面積で除算した値は表面拡大比と呼ばれており、鍛造量の大小を示す目安となっている。
そして、上記した潤滑膜が膜切れを起こさなければ、潤滑性が確保されているので、鍛造パンチと被加工材の間ではかじりや焼付きなどは起こさない。しかしながら、膜切れを起こすと、鍛造パンチと被加工材の間では部分的にせよ潤滑性が消失するので、両者の間で部分的なかじりや焼付きが発生する。そして、そのような事態が起こったということは、鍛造パンチを駆動したときの鍛造荷重（成形荷重）の増加として認識することができる。
【０００４】
このようなことから、表面拡大比が大きくても膜切れを起こさない潤滑剤は、潤滑剤としての性能に優れていると評価することができる。逆にいえば、表面拡大比が小さくても膜切れを起こす潤滑剤は、潤滑性能に劣るものであると評価される。
この潤滑剤の潤滑性能の評価方法に関しては、従来から各種の方法が採用されている。例えば、リング圧縮試験法、ボール通し試験法などである。また、最近では、特許第３２２７７２１号として登録されているスパイク試験法も採用されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、リング圧縮試験法は、潤滑剤の表面拡大比が高々３程度であるような鍛造条件時における潤滑剤の潤滑性能を評価できるのみであり、またボール通し試験法の場合も、表面拡大比が高々５程度となるような鍛造条件時の潤滑性能を評価できるにすぎない。
【０００６】
スパイク試験法の場合は、表面拡大比が１２程度の鍛造条件時における評価が可能である。しかしながら、例えば大型品を冷間鍛造する場合には、用いる潤滑剤の表面拡大比は３０程度になることもあり、また高面圧で鍛造されることを考えると、上記したスパイク試験法による評価結果を、実使用時における潤滑剤の潤滑性能を表示するものとして採用することは問題である。
【０００７】
本発明は、上記したように、従来の評価方法は過酷な鍛造条件時に用いる潤滑剤の評価方法としては信頼性に欠ける方法であるという問題を解決し、高いパンチ面圧、高い表面拡大比となるような鍛造条件下で用いる潤滑剤の潤滑性能を評価することができる新規な潤滑剤の評価方法の提供を目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記した目的を達成するために、本発明においては、外側が拘束されていて、かつ、塑性加工用評価対象の潤滑剤で表面が被覆されている材料に対し、先端近傍が前方に絞り込まれた形状になっているパンチを用いて後方押出し加工を行い、そのときの成形荷重またはストリッパ荷重を測定し、前記成形荷重またはストリッパ荷重の大小で前記塑性加工用潤滑剤の性能を評価することを特徴とする塑性加工用潤滑剤の評価方法が提供される。
【０００９】
好ましくは、前記パンチは、先端近傍にテーパ部を備え、前記パンチの中心線に対する前記テーパ部のテーパ角度が５°〜６０°である塑性加工用潤滑剤の評価方法が提供される。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明方法の実施に用いる金型構造の１例の概略を図１に示す。
この金型構造は、面内中央に貫通孔を有するダイ１が架台２の上に固定配置されている。したがって、貫通孔の内壁と架台の上面との間には、上方のみが開口する材料収容孔４が形成されている。そして、材料収容孔４の周囲には、ダイ１を加熱する適宜な数のヒータ用孔１ｂが設けられている。
【００１１】
なお、上記した材料収容孔４の平面視形状は格別限定されるものではなく、円形、四角形、三角形など任意であってよいが、要は後述する材料を収容でき、かつその材料の外側を拘束できる形状になっていればよい。
そして、ダイ１の上面１ａには一対のバネ機構５，５が配置され、その上に、１枚の板材であり、その面内中央には後述するパンチの上下動を可能とする大きさの貫通孔６ａが穿設されているストリッパ６が配置され、このストリッパ６を介して前記バネ機構５の直上にはロードセル７が配置されている。
【００１２】
パンチ８は、その軸心が前記した材料収容孔４の面内中心と合致した状態で、図示しないパンチ駆動機構に配置され、その上部にはロードセル９が取り付けられていて、パンチ駆動時における成形荷重をそのロードセル９で測定することができるようになっている。
ここで、パンチ８は、その先端近傍に、前方（材料３が配置されている方向）に向かって絞り込まれた形状の箇所８ａが形成されている。すなわち、その絞り込み形状の箇所は、前方から後方に向かうほどその表面積が広がっている。
【００１３】
なお、図１の場合、パンチ８の先端は平坦面になっている。しかし、この先端は必ずしも平坦面である必要はなく、例えば曲率の大きい球面であってもよい。そして、材料３に対する後述の後方押出し加工時に、パンチ８が材料３に押し込まれると、この絞り込み形状の箇所８ａで潤滑剤１０が２次元的に延伸され、潤滑膜の膜表面積の拡大が進む。
【００１４】
上記した作用効果を発揮する絞り込み形状箇所８ａとしては、パンチ８を前方に移動させたときに、その移動に応じて材料との接触面積が拡大するような形状になっていればよく、例えばテーパ形状であることが好適である。また球面形状であってもよい。
なお、上記した絞り込み形状の箇所８ａをテーパ形状にした場合、そのテーパ部のテーパ角度（θ）は、図１で示したように、パンチ８の中心線に対して５°〜６０°の範囲に設定することが好ましい。角度（θ）を５°より小さくすると、パンチ８の上記箇所８ａは事実上ストレート面になってしまい、後述する潤滑剤の表面拡大比を大きくすることができず、また角度（θ）を６０°より大きくすると、後方押出し加工時の面圧は高くなるが、同じく大きな表面拡大比をだすことができなくなるからである。
【００１５】
そして、この絞り込み形状の箇所８ａに続いて、ストレートのランド部８ｂが設けられる。このランド部８ｂは適宜の長さ、例えば３ｍｍ程度でよく、箇所８ａとは３〜５Ｒでつながっている。
また、前記ランド部８ｂに続いてパンチ８の長手方向の略中央部には、逃がし部８ｃが形成されていて、この逃がし部８ｃは、後述する後方押出し加工時に材料が材料収容孔４の上方に押し出されるときの逃がし道になっている。
【００１６】
パンチ８の全体形状は、上記した要件を満たしていれば格別限定されるものではなく、例えば上記したテーパ部を有する円柱、円錐、角錐、先端近傍が球面形状になっている円柱など、各種の形状であってよい。
本発明方法は、この金型構造を用い、次のような後方押出し加工を適用して実施される。
【００１７】
まず、図２で示したように、評価対象の潤滑剤１０で被覆した材料３をダイの材料収容孔４の中に配置する。なお、材料収容孔４には若干の抜き勾配をつけることが好ましい。
なおこのとき、材料３の外側形状は、材料収容孔４の平面視形状に適合するように加工して、当該材料３の外側を拘束できるようにすることが必要である。また、配置した材料の上面を所定量の潤滑剤１０で覆った形態にして、次の後方押出し加工を行ってもよい。
【００１８】
ついで、パンチ８を図２の矢印で示したように下方へ駆動して、当該パンチを材料３に押し込む。
このとき、パンチ８の押込み量は、無負荷の状態で予め設定しておく。すなわち、材料収容孔４に予め軟質な例えば粘土などを充填しておき、その粘土に対して、設定した押込み量となるようにパンチ８を駆動して、パンチの無負荷状態における下死点を決めておく。
【００１９】
そして、パンチ８を設定した押込み量で材料３に押し込む。そのときの成形荷重をロードセル９で測定する。
材料３は、その外側が材料収容孔４の内壁と架台２の上面で拘束されているので、図３で示したように、パンチ８の押込み量（押込み体積）に対応する量の材料３がランド部を通って材料収容孔４の上部へ押し出されていく。
【００２０】
そして同時に、後方押出し加工後の材料収容孔４の中には、カップ形状をした成形体３ａが成形される。この成形体の底部の厚み（ｔ）は、パンチ８の設定押込み量の大小に対応して薄くまたは厚くなる。
すなわち、厚み（ｔ）が薄いときは、パンチ８の押込み量が大きく、したがって、潤滑剤の２次元的延伸は進み、その表面拡大比が大きくなっている状態である。厚み（ｔ）が厚いときはその逆の状態である。このようなことから、底部の厚み（ｔ）の大小で、潤滑剤の表面拡大比の大きさを把握することができる。
【００２１】
したがって、成形体３ａの底部の厚み（ｔ）を測定し、それをベースにした有限要素シュミレーションを行うことにより、その設定押込み量の後方押出し加工時における潤滑剤の表面拡大比を算出することができる。
一方、潤滑剤の膜切れが起こっているか否かは、ロードセル９の測定データで判断することができる。膜切れが起こっていなければロードセル９による成形荷重の測定値は小さく、また押込み量を変化させても増加しない。しかし、膜切れが起こっていれば成形荷重は、膜切れが起こっていないときに比べて増加する。
【００２２】
換言すれば、潤滑性能が優れている潤滑剤は、成形体の底部の厚み（ｔ）が小さくなるような領域（押込み量が大きい領域）で後方押出し加工を行っても膜切れを起こさないので、成形荷重は増加しない。逆に、潤滑性能が劣る潤滑剤の場合は、成形体の底部の厚み（ｔ）が小さくなるような加工（押込み量が大きくなるような加工）を行うにつれて膜切れが起こりはじめてその成形荷重は増加していく。
【００２３】
したがって、材料３へのパンチの押込み量を順次変化させて、成形体の底部の厚み、すなわち、潤滑剤の表面拡大比を順次変化させ、その都度、成形荷重を測定してその大小を把握することにより潤滑剤の潤滑性能を評価することができる。
なお、以上の説明は、後方押出し加工時の成形荷重で潤滑剤の評価を行った場合である。
【００２４】
しかしながら、本発明においては、後方押出し加工後にストリッパ荷重を測定することによっても評価可能である。
すなわち、図４で示したように、後方押出し加工後に、パンチ８を上方に駆動して成形体３ａをダイ１から離型する。成形体３ａの上端部分は、ストリッパ６の貫通孔６ａを通過できないので、当該ストリッパで係止される。そして、パンチ８は引き抜かれる。この引抜き力は、ストリッパ６に配置されているロードセル７でストリッパ荷重として測定される。潤滑性能が優れた潤滑油を用いた場合は、このロードセル７で測定されるストリッパ荷重は小さく、潤滑性能に劣る潤滑剤を用いた場合は、例えば焼付きなどに基因してストリッパ荷重は大きくなる。
【００２５】
したがって、前記した成形荷重の測定の場合と同様の態様で、押込み量を変化させたときのストリッパ荷重の変化を測定することにより、潤滑剤の評価を行うことができる。
【００２６】
【実施例】
実施例１
下記の潤滑剤を用意した。
潤滑剤１：ボンデ皮膜
潤滑剤２：鉱物油
図１で示した金型構造を用い、直径４６．０ｍｍ、高さ３０．０ｍｍのＳ５３ＢＣ材３の表面を上記した潤滑剤１，２で被覆し、それぞれを直径４６．４ｍｍ、深さ５０．０ｍｍの材料収容孔４の中に配置した。なお、Ｓ５３ＢＣ材の硬度はＨＲＢ７４であった。
【００２７】
パンチ８は、全体の直径が３７．０ｍｍであり、先端は直径１２．５ｍｍの平坦面になっていて、テーパ角度が３５°であるテーパ部８ａが形成されているものを用いた。ダイ１の温度は１５０℃、パンチ８の温度は１００℃に設定した。
また、無負荷時における架台２の上面からのギャップを、９ｍｍ、７ｍｍ、５ｍｍ、４ｍｍの４水準に設定し、それぞれの場合につき、後方押出し加工を行い、そのときの成形荷重をロードセル９で測定した。
【００２８】
成形されたカップの底部の厚み（ｔ）を測定し、その値をベースにして有限要素シュミレーションを行って潤滑剤の表面拡大比を算出した。
以上の結果を図５に示した。図中、●印は潤滑剤１に関する結果であり、◇印は潤滑剤２に関する結果である。
図５から明らかなように、潤滑剤１と潤滑剤２を対比すると、潤滑剤１の場合は、無負荷ギャップを９ｍｍから４ｍｍへと小さくする、すなわち、強加工して潤滑剤１の表面拡大比を大きくしていっても、成形荷重は、少々のばらつきは認められるものの、約２１５６ｋＮ（２２０ｔｏｎｆ）で一定している。すなわち、表面拡大比が３５．１程度になっても、いまだ膜切れを起こしていない。
【００２９】
これに反し、潤滑剤２の場合は、無負荷ギャップが９ｍｍ（表面拡大比が約２０．２）である加工を行った時点で、その成形荷重は既に約３０９０ｋＮと高い値になっている。そして、無負荷ギャップを狭くして強加工を行うと、そのときの成形荷重は増加していく。
このようなことから、潤滑剤１の方が強加工をしても膜切れを起こさず、優れた潤滑性能を有するとの評価を下すことができる。
【００３０】
実施例２
潤滑剤として実施例１で用いた潤滑剤１を選び、材料として、Ｓ５５Ｃ焼ならし材（硬度：ＨＲＢ９３）、Ｓ５３ＢＣ球状化焼鈍材（硬度：ＨＲＢ７４）、Ｓ１０Ｃ焼ならし材（硬度：ＨＲＢ６４）の３種を選び、それぞれにつき、実施例１と同様のパンチを用いて後方押出し加工を行い、そのときの面圧を測定した。
【００３１】
このとき、無負荷ギャップを変化させて、潤滑剤１の表面拡大比を変化させた。結果を図６に示した。
なお、従来の評価方法における表面拡大比と面圧の関係、および大変形部品の冷間鍛造時における実際の表面拡大比と面圧との関係についても示した。
図６から明らかなように、従来の評価試験では、表面拡大比が最高でも１２程度の場合（スパイクテストの場合）までしか評価を下すことができない。しかしながら、実際の冷間鍛造では、潤滑剤の表面拡大比は３０近くにまで大きくなっていて、またその面圧も高い状態になっている。
【００３２】
したがって、従来の評価試験で合格した潤滑剤であっても、それが実際の冷間鍛造に有効であると評価するには難がある。
一方、本発明の評価方法によれば、潤滑剤の表面拡大比が４０近くになるまで評価可能になっている。したがって、本発明の評価方法で合格した潤滑剤は、充分に冷間鍛造用の潤滑剤として使用できるという評価を下すことができる。
【００３３】
なお、図６に示した破線は、潤滑剤使用時において成形が可能な限界ラインを示す。
実施例３
潤滑剤として実施例１で用いた潤滑剤２を選び、材料として、Ｓ５５Ｃ焼ならし材（硬度：ＨＲＢ９３）、Ｓ５３ＢＣ球状化焼鈍剤（硬度：ＨＲＢ７４）、Ｓ１０Ｃ焼ならし材（硬度：ＨＲＢ６４）の３種を選び、それぞれにつき、実施例１と同様のパンチを用いて後方押出し加工を行い、そのときの面圧を測定した。
【００３４】
このとき、無負荷ギャップを変化させて、潤滑剤２の表面拡大比を変化させた。結果を図７に示した。なお、図７に示した破線は潤滑剤使用時において成形が可能な限界ラインを示す。
図７から明らかなように、鉱物油の成形限界は表面拡大比が１４〜１８付近にあり、冷間鍛造領域の半分程度しかカバーできない。
【００３５】
従来の潤滑剤の評価試験では、鉱物油の限界点以下の領域でしか評価できず、実際の冷間鍛造で発生しうる潤滑剤の膜切れの領域での評価ができていないことがわかる。
【００３６】
【発明の効果】
以上の説明で明らかなように、本発明によれば、鍛造時に用いる潤滑剤の潤滑性能の評価を高い信頼性をもって行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の評価方法の実施に用いる金型構造例を示す概略図である。
【図２】パンチを材料に押込む状態を示す概略図である。
【図３】後方押出し加工を終了した時点の状態を示す概略図である。
【図４】ストリッパ荷重を測定する状態を示す概略図である。
【図５】実施例１の結果を示すグラフである。
【図６】実施例２の結果を示すグラフである。
【図７】実施例３の結果を示すグラフである。
【符号の説明】
１　　　ダイ
１ａ　　ダイ１の上面
１ｂ　　ヒータ用孔
２　　　架台
３　　　材料
３ａ　　カップ成形体
４　　　材料収容孔
５　　　バネ構造
６　　　ストリッパ
６ａ　　ストリッパ６の貫通孔
７，９　ロードセル
８　　　パンチ
８ａ　　前方に絞り込まれた形状の箇所（テーパ部）
８ｂ　　ランド部
８ｃ　　逃がし部
１０　　潤滑剤
【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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