Report
写真位置
削除しないでください

冷間アルミニウム押出し製品曲がり量と冷間アルミニウム押出し製品曲がり量と
トライボロジカル制御
トライボロジカル制御
上谷*
上谷俊平
俊平

S. Kamitani
１．まえがき拘束が塑性変形に及ぼす影響についても検討を行った．

 塑性加工において，工具と被加工材間に生じる摩擦をト

ライボロジー技術により低減させることは，生産性の向上

２．実験方法に貢献するばかりかエネルギーや材料の消費を削減し，環  実験装置の概要

境保全，地球温暖化防止へ寄与する．塑性加工における摩図１の平面ひずみ押出し加工タイプの試験装置は，ダイ擦低減は，工具や被加工材表面への表面テクスチャの活用とコンテナは一体で，平面工具本（試験面側，それぞれ

 ～

，潤滑方法の工夫，潤滑剤の開発，工具表面処理の検厚さPP）とダイ１本（平面ダイ，テーパダイ，厚さPP）

討，等により取り組みが行われている．これらの技術活用から構成され，共に分割構造になっており，金型開口部はには，使用する潤滑剤のトライボロジー特性を考慮する必図２に示す平面ダイを使用した場合，押出し比，及び要があり，どのような潤滑剤を適材適所に使用するか，すに設定した．また，図３に示すテーパダイを使用し，テなわち「潤滑剤の選択」は重要な鍵となるが，その選択のーパ部長さを変える実験では，押出し比をとした．
本試験装置は，平面工具試験面全体が潤滑試験面となり，ためのデータベースは十分であるとはいえない．
素材を金型内に充填して所定のダイス孔から押出してすべり摩擦の影響によるせん断力の変化を材料流動状態

製品を加工する押出し加工では，押出される製品の曲がりに実現できる．試験面（平面工具）は変形が試験面におけをコントロールするために，ダイス形状，押出し条件，ダる摩擦に伴うせん断変形に限定される利点をもつ．
試験面工具材質は 6.' で，焼入れ，焼戻しを施し，平イス内メタルフローの制御，ダイス出口に設けるダイベアリング部の設定等についての検討が必要である．また，押面工具試験面のビッカース硬さは，約 +9 である．平面出し製品の曲がりは型形状や工具摩擦と関連し  ，押出し工具の表面粗さは，算術平均粗さで µP5a に仕上げて製品の曲がりを積極的に利用する加工法も提案 されている．被加工材試験片（ビレット）には工業用純アルミニいる．ダイスやダイベアリング部と被加工材間のトライボウム$（-,6）の焼なまし材を使用した．試験片の実条件（摩擦・潤滑条件）の把握は，高い精度の製品加工を験前のビッカース硬さは約+9である．試験面表面粗さ

行うためのトライボロジカル制御（摩擦や潤滑状態の制御）を行う上で重要である．
著者らは，これまでに，工具接触面潤滑条件（潤滑油粘

度や塗布量）の違いが，潤滑面近傍の塑性流動の違いとして明確に現れる平面工具を用いた金型からなる，平面押出

し加工装置を試作し，アルミニウムを加工材として，一連

の潤滑特性評価に関する検討   や摩擦力測定 を行ってきた．

本研究では，押出し製品の曲がりに及ぼす摩擦面の影響



を実験的に調べることにより，押出し加工における押出し

製品曲がりのトライボロジカル制御に関する基礎データ

を得ることを目的とする．



本論文では，冷間押出し加工における製品曲がりに及ぼす工具摩擦面の摩擦拘束状態の影響を平面工具を用いた



押出し加工実験装置により実験的に検討する．製品曲がり



量と製品表面性状の測定・観察を行うとともに，格子線解析法により被加工材の金型内部での変形機構 塑性流れ速度 を実験結果（被加工材の変形状態）から算出して摩擦* 鹿児島大学

学術研究院理工学域工学系教授- 28 -

図１ 平面ひずみ押出し加工実験装置



は，算術平均粗さで約µP5aに仕上げた．試験片は，

PP×PP×PPの寸法のものを  枚合わせて使用した．
試験片は格子線解析  により金型内の変形機構を調べるために押出し方向に平行な面で半分割の構造であり，塑性流れの観察面となる分割面（合わせ面）の一方にはPP
間隔で幅 PP，深さ PPの9字溝による正方格子模様を機械加工にて設けた．
 実験条件
試験面（平面工具）に塗布する試験用潤滑油には，粘度の異なるナフテン系無添加鉱油1 9* ，1 9* ，
1 9* ，1 9* ，1 9* ，1 9* ，1 9*，7の実験のみ を使用した．金型内部の潤
図２ 平面ダイとビレット形状寸法（押出し比）


滑条件は，試験面（平面工具）については，質量PJまで読みとり可能な分析用電子天秤により，試験用潤滑油の初期塗布油量を塗布質量で平面工具 本につきPJ（1

については，PJ，PJ，PJ，PJ）とした．実験結果

は潤滑油粘度で示した．塗布前に工具と被加工材の試験面



はアセトンで脱脂を行い，試験用潤滑油は平面工具試験面

側に塗布した．試験面以外の被加工材との接触面については，パラフィン系無添加鉱油9*（一部9*を使用）



を毎回ほぼ同量となるよう塗布した．実験は室温にて実施

した．



 実験方法と格子線解析



実験は， トン複動油圧プレスを使用して冷間平面ひ

ずみ押出し加工を行い，押出し速度が一定となり材料の変

形が定常状態となったとき，加工を停止して試験片を取り出した．押出し加工実験中の押出し荷重，プレスラム変位


図３ テーパダイの形状寸法（テーパ部長さ/）

を荷重変換器，変位センサ－にて測定し，動ひずみ増幅器で増幅後，アナライジングレコ－ダ－で記録した．



実験終了後に試験片をコンテナから取り出して，分割面の格子線模様を写真撮影し，この拡大図から流れ場を求め，
格子線解析  ， を行い，試験片の金型内変形領域における塑性流れ速度分布を算出した．図  に格子線解析で用いた座標系を示す．ここで，; 軸は押出し方向と直交方向，<D

実験後のビレット格子線模様





E



座標系

図  製品曲がり量の測定方法

図  格子線解析に用いた座標系
- 29 -

軸は押出し方向に座標をとっている．X と Y はそれぞれ押出し方向に直交する方向と押出し方向の塑性流れ速度成分である．
実験後のビレット製品曲がり量を潤滑状態（平面工具面の摩擦拘束）との関連から明らかにするために，製品曲がり量の違いを，加工により成形されたビレット製品試験面側の表面粗さと金型内部の塑性流れ速度に着目して検討を行った．製品の曲がり量は，図 に示すように，製品出口部付近のビレット平面工具側の製品曲率を算出して評価した．また，ビレット試験面の表面粗さは押出し方向と直交する方向に接触式表面粗さ測定機で測定した．
３．実験成果 潤滑油粘度と製品表面粗さ

図  算術平均粗さと最大山高さの関係（実験条件：7）

図  は，平面工具試験面に塗布した潤滑油の実験時の粘度と，その潤滑油で加工実験を行ったビレット加工面の金 型出口部付近の平面工具側表面粗さを比較している．塗布量がPJの場合について，平面ダイとテーパダイを使用した場合の実験結果を整理した．粘度が高くなると加工表押出し方向

面粗さは大きくなった．また，押出し比やテーパ部長さの違いによる影響はほとんど見られない．

D 実験条件：71PJ，5a µP，5 ×PP


押出し方向

 D

平面ダイを使用した実験の場合


E 実験条件：71PJ，5a µP，5 ×PP
図  製品表面写真（平面工具側，< PP）

図  にテーパダイ 7 を使用した加工実験における製品 

表面粗さを二つのパラメータ算術平均粗さ 5aと最大山高さ 5Sで整理した．最大山高さは，工具表面への焼付きなE テーパダイを使用した実験の場合

どによる材料凝着が生じない場合，工具／被加工材間のお図  潤滑油粘度と製品表面粗さの関係

およその油膜厚さに相当する  ．本実験では，工具表- 30 -

面に肉眼で観察できる被加工材の凝着は見られなかった
ので，算術平均粗さが大きいと，試験面における油膜も厚く形成されていることになる．
図  にテーパダイ 7 を使用した場合の低粘度 1 と高粘度 1 の加工条件における製品部の表面拡大写真を示す．低粘度 1 の条件では，加工中の平面工具と被加工材間の形成される油膜が薄くなるため，塑性変形で生じる表面あれが工具表面に拘束，転写され平坦化している．また
高粘度 1 の条件では，油膜が 1の場合より厚く形成されるため，工具表面の拘束が弱く，表面に凹凸が多く観察された．
以上のように，本実験では，ビレット加工面の平面工具



側の表面粗さが油膜厚さと関連することから，工具面の摩図  押出し後のビレット形状（押出し比による比較）

擦拘束の影響（潤滑状態）を表面性状パラメータの算術平均粗さ 5aで整理する．
 製品曲がり量に及ぼす押出し比の影響
図  に押出し比の異なる押出し後のビレット形状例を示す．押出し比が小さいほど，曲がり量は大きくなっているのがわかる．この製品曲がり量を図に示した方法で，曲率を算出した．
塑性加工における被加工材の表面は，工具表面，潤滑剤等との相互作用の結果として創成される ．従って，表面創成と平面工具面の摩擦拘束状態は密接に関連すると考えられる．曲がり量が摩擦面の潤滑状態の影響でどのように変化するかを調べるために，図 に示すように，被加工材の金型出口部付近の算術平均粗さ5aで，製品曲がり量を整理した．本実験では，押出し比が同じであれば，摩擦拘束の違いは平面工具上の潤滑状態の違いに起因す
図  製品曲がり量と製品表面粗さの関係

るので，得られた曲がり量を金型出口付近の製品表面粗さで整理した．それぞれの押出し比に対して，平面工具に塗布する潤滑油の粘度と塗布量を変えて潤滑状態（製品表面（押出し比による比較）
粗さ）を変化させた．
製品曲がり量は，押出し比の小さい条件で，曲がり量が大きくなっている．また，曲がり量は異なるが，曲がり量の変化幅は押出し比にかかわらずほぼ同一であった．また，どの押出し条件においても，押出し比にかかわらず，曲がり量の増減の変化が同じ表面粗さに対応する傾向を示している．すなわち，どの条件においても，µP5aより小さくなると製品曲がり量は小さくなっていき，µP5a～．µP5aで，曲がり量の大きくなるピークがあり，µP5a付近で極小値を示す．また，～µP5aより大きくなるとほとんど変化しないということが図からわ
かる．

図  押出し後のビレット形状

 製品曲がり量に及ぼすテーパダイ・テーパ部長さ      （テーパ部長さ/による比較）の影響
押出し比を  に設定し，平面工具と相対するダイ形状を

テーパダイとし，テーパ部長さを  種類変えて，同様の実テーパ部長さが長くなるほど曲がり量は小さくなった．ま験を行った．図 に押出し後のビレット形状例を示す．

た，曲がり量の変化幅もテーパ部長さが長くなるほど小さ

図 に製品曲がり量を製品表面粗さに対して示した．こくなった．テーパ部長さが異なるにも関わらず，また，曲の場合も，テーパ部長さの違いで，曲がり量は異なるが，がり量の変化幅も異なるにもかかわらず，表面粗さに対す- 31 - 
図  製品曲がり量と製品表面粗さの関係

図  金型変形領域内のビレットすべり面相対すべり速度（テーパ部長さによる比較）

（実験条件：7，潤滑油：1 と 1，

表面粗さ：5a µP>1@，5a µP>1@，

る曲がり量の増減変化は，押出し比の異なる実験結果と同

曲がり量：5 ×PP>1@，

様の結果を示し，曲がり量の変化に対応する表面粗さの値

5 ×PP>1@）

もほぼ同じ範囲であった．このことから，曲がり量の大き



さは金型形状によっておおよそ決定されるが，曲がり量の変化は，工具面の潤滑状態の変化によって生じ，トライボ
ロジカル制御を行うためには，摩擦面の表面性状（表面粗さ）に着目した対策を検討する必要があることがわかった．

 D 71PJ（曲がり量：5=11.3×10PP）

 製品曲がり量に及ぼす相対すべり速度の影響
図 は，金型変形領域内のビレットの平面工具面上における相対すべり速度と，相対するダイ側（ここではテーパダイ側）のダイとコンテナ部の工具面上の相対すべり速度分布の一例を示す．押出し方向の塑性流れ速度を YS，押 E 71PJ（曲がり量：5=5.5×10PP）

出し方向と直交する方向の塑性流れ速度を XSとして，定常プレスラム速度（押出し速度）を9とするとき，9S9 を相対すべり速度とした ．9Sは YS ＋XS 
図  実験後のビレット形状である．

ここでは，実験条件として，テーパダイ 7を使用し，



押出し比 ，使用した試験用潤滑油 1と 1の場合を示した．図 に加工後のビレット試験片の写真を示す．
1 の実験ビレットのほうが，1 の場合よりも製品曲がり量が大きくなっている．図 には，両実験の押出し荷重（押出し最終荷重）を示す．曲がり量の大きい 1 の条件の押出し荷重がわずかに低い値を示した．
ビレット平面工具側の相対すべり速度は1＞1となっている．本試験装置を使用した場合，平面工具面での摩擦拘束が小さくなると平面工具側の相対すべり速度は大きくなる傾向を示すことから ～ ，図 の押出し荷重の結果と合わせて考えると，1の条件のほうが1の条件よりも平面工具側の摩擦が小さかったと予想される．
押出し製品曲がり量には金型出口部での被加工材の流出速度分布が影響する  ．図 に平面工具側の相対すべり速度とテーパダイ側の相対すべり速度の差（相対すべり速度差）の分布を示す．曲がり量の大きい 1 のほうが1の場合より，金型内部出口付近で相対すべり速度差

- 32 -図  押出し荷重の比較（71 と 71）

は小さくなっていき，µP5a～µP5aで，曲がり量の大きくなるピークがあり，µP5a付近で極小値を示した．また，～µP5aより大きい領域では曲がり量はほとんど変化しない．
（）製品曲がり量は，金型出口部付近での平面工具側とダイ側の相対すべり速度の差が大きいほど，大きくなる傾向を示した．
謝 辞
本研究は，公益財団法人天田財団からの平成  年度一般研究開発助成（$)）のご支援を受けて実施したことを付記するとともに，同財団に感謝いたします．

図  相対すべり速度差の比較（71 と 71）



が大きくなっている．曲がり量の大きな条件は，金型出口  +.XGRDQG$$]XVKLPD3URFQG,&73  部付近で平面工具側と平面ダイ側の相対すべり速度の差  王志剛・堂田邦明・春山義夫・横井信安：機論&，

参考文献



  ，．

が大きくなる傾向を示した．

  66+(8/*+HFWRU-UDQG25LFKPRQG$60(-

４．結論

7ULERORJ\  ．

冷間押出し加工実験により，押出し製品曲がりに及ぼす  木内学・陳仁泰・新谷賢塑性と加工，
 

平面工具摩擦面の摩擦拘束の影響を，平面ダイを使用して押出し比を変える条件と，テーパダイを使用してテーパダ  白石光信・新川真人・山口正史塑性と加工，
 

イ部長さを変える条件について，平面工具試験面に塗布する潤滑油の粘度を変えて加工実験を行い，実験的に調査し  楊从新・中西賢二・上谷俊平：トライボロジスト，
 ．て以下のことがわかった．

  シャルライルサミオン・中西賢二・上谷俊平：トライ（）平面ダイを使用して押出し比を変える条件では，製ボロジスト，（），

品曲がり量は，押出し比の小さい条件で曲がり量が大きくなった．また，曲がり量は異なるが，曲がり量の変化幅は  6.DPLWDQL.1DNDQLVKL70DWVXVKLWDDQG6
6\DKUXOODLO：7ULERORJ\2QOLQH，（），

押出し比にかかわらずほぼ同一であった．
（）テーパダイを使用してテーパダイ部長さを変える条  中西賢二・岡村俊一・中村正久：塑性と加工，
 ，件では，テーパ部長さの違いで製品曲がり量は異なるが，テーパ部長さが長くなるほど曲がり量は小さくなった．ま 大矢根守哉・小坂田宏造：日本機械学会論文集，
 ，

た，曲がり量の変化幅もテーパ部長さが長くなるほど小さくなった．

 大矢根守哉：塑性と加工，（），（）すべての条件において，製品曲がり量の増減変化は 日本塑性加工学会：プロセストライボロジー， ），

表面性状パラメータである算術平均粗さ 5aで整理することが有効であることがわかった．本実験では，ビレット製

，コロナ社 木場博文・中西賢二・上谷俊平：塑性と加工，

品部表面粗さがµP5aより小さくなると製品曲がり量 ，


- 33 -