プレス成形時の高速成形における摩擦特性計測に関する研究
日本大学 生産工学部 機械工学科教授 高橋 進
（平成 24 年度一般研究開発助成 AF-2012021）
キーワード：摩擦，高速，アルミニウム合金板

１． 研究の背景と目的⑥構造を簡素化して，製作費用を削減する．

現在，自動車メーカーは地球温暖化対策として自動車の排出ガス削減が求められており，車体の軽量化が積極的に進められている．車体軽量化には高張力鋼板やアルミニ
ウム合金板など軽量化材料が適用されているが，普通鋼板と比較してスプリングバックが大きく，また成形性が低いことから金型開発に多大な時間を必要としている．
自動車の車体を構成する板材のプレス成形部品は，われ，しわ，スプリングバックおよび面ひずみに代表される不具合が発生する場合がある．これらの不具合の発生事前予測は，金型開発及び製品開発の期間短縮に大きく貢献する．事前予測技術としては，有限要素法による成形シミュレーションが，適用されている．成形シミュレーションの高精度化のためには，降伏関数等の高精度化が進められているが，成形性に影響を及ぼすと考えられる成形中の板材と金型間の摩擦に関する研究は，見当たらないのが現状である．
自動車のパネル部品等のプレス成形時では，材料の引張図１

摩擦試験に使用したサーボプレス速度は，300mm/s の高速に達する．その時は，板材と金型との間の摺動速度も同程度になると考えられる．そこで本研究では，300mm/s 以上で素材が金型間を摺動する時の荷重を計測可能な，ジグを開発する．摩擦計測試験は，高速でかつ一定速度で行われる必要があり，通常の引張試験機ではクロスヘッドの速度が最大で 5mm/s 程度なので，材料の引抜きの駆動力としてサーボプレスを活用する．高速でかつできるだけ定速で金型間を材料が引抜ける様な，治具を開発すると共に，金型材質，素材と金型との接触圧力および摺動速度を変化させた時の摩擦特性を検討したので報告する．

２． 摩擦試験治具の設計
2.1 治具設計における基本方針
摩擦試験治具の開発において，駆動力の発生源として，治具の試験片を固定しているチャックの位置および速度共に精度良く制御可能なサーボプレスを使用することとしているので，当該プレスの仕様に適した治具の考案を行った．サーボプレスは，図１に示す，2000kN の能力を有する SDE-2025（アマダ製）を用いることとして，構造等を考案した．
設計の基本方針を以下に示す．
① 指定した摺動速度で，摩擦試験が行える．
② 素材と金型との接触圧力を自由に設定可能とする．
③ 素材に均等に金型から圧力が作用する．
④ 金型の設置位置を容易に決められる．
⑤ 試験片のセッティングを容易にする．

2.2 設計の基本方針に対応した治具設計
設計した治具を図 2 に示す．治具の高さは，適用したサーボプレスのスライドとボルスター間の寸法を参考にして決定した．前述した設計指針の各項目に対して，開発した治具への対応結果を以下に示す．
① 指定した摺動速度で，摩擦試験が行える．
サーボプレスは，スライドの速度および位置をプログラムで任意に設定・制御が可能なのが特徴である．しかしながら，モータによってスライドを制御しているので，速度が速くなると，設定速度に達するまでに時間を要する．したがって，スライドが設定速度に達するまでの間に，試験片には荷重が作用しないようにする必要がある．そこで，
図 2 示されているように，試験片下端のチャックは，試験開始直後は，治具の他の部品と接しておらず，スライドが，50mm 上昇した時点で，治具のフレームに接触して上昇が停止し，試験片に荷重を作用させる機構とした．この機構は，既開発の同様にサーボプレスを使用した高速引張試験の開発時に考案した機構 １）を参考に設計を行った．
本実験で採用したサーボプレスの場合，スライドの上昇速度 500mm/s に充分な，加速距離として 50mm の試験片の空走距離を設定した．
② 素材と金型との接触圧力を自由に設定可能とする．
摩擦試験の場合，素材の金型との摺動速度の制御と共に，金型を素材に押さえ付ける圧力の制御も大切である．そこで任意の圧力を発生させるために，油圧ジャッキを使用した．実験では，ジャッキに作動油を送り込む油圧式の手動ポンプ(TWA-0.3：大阪ジャッキ製)とフラットジャッキ(EF10S1.1：大阪ジャッキ製)を使用して片側の金型から圧縮荷重をかけることとした．
③ 素材に均等に金型から圧力が作用する．
油圧ジャッキは，金型の中央を押すように配置した．その作用圧力の測定には，油圧ジャッキが荷重を作用させている金型の反対側の金型と治具のフレームとの間に，2 個のロードセルを配置した．ジャッキによる荷重点とロードセルによる金型の支持点は，2 等辺三角形をなすように配置し，素材に金型から均等な圧力が作用するようにした．
④ 金型の設置位置を容易に決められる．
金型の中央に素材を配置し，かつ素材と金型の表面が平行になるように，荷重を付加する前の金型を配置するために，金型の両側に金型の側面と平行にガイドを配置した．
また，金型がガイドと接すると計測荷重に影響するので，両者間に 1mm 程度の一定の隙間を設けられるように，隙間と同じ板厚の治具を用いて，金型の容易な位置設定を可能とした．
⑤ 試験片のセッティングを容易にする．
試験片は，図 2 に示されているように，治具の中央に配置されている．治具への試験片のセッティングを容易にするために，チャックに固定した試験片を治具内に装着できるように，治具のフレームの一部にスリットを加工して，試験片がスリットを通って治具中央に設置可能とした．
⑥ 構造を簡素化して，製作費用を削減する．
治具の部品形状をできるだけ簡単にして，加工費を削減するために，鋼のプレートをボルトで締結する構造とした．
ただし，金型を試験片に押付けるために油圧ジャッキを作用させると，フレームの縦板を変形させる可能性が考えられるので，フレームの縦板をサポートするために，タイロッドを金型の両脇に各 2 本配置して，治具の剛性向上により試験片へ作用する圧力の均一化を狙った．

その他の実験上の配慮として，金型と治具のフレーム間の摩擦の低減にために，金型とフレーム間にテフロンシートを配置して実験を行った．図 3 に金型等のセッティング状況，図 4 にサーボプレスに装着した試験前の状態の高速摩擦試験治具を示す．
油圧ジャッキから金型に伝えられた荷重を圧縮型ロードセル(LCX-A-10kN：共和電業製)を２個使用して測定する．
金型から試験片に圧力を負荷した状態で，サーボプレスのスライドに装着されている金型を高速で上昇させる．この時に，金型と試験片間の摩擦力を引張型ロードセル(LUK-A100kN：共和電業製)で測定する．摩擦力を金型の圧縮力で除することで摩擦係数を求めた．

ロードセル 1, 2金型

図3

試験片

油圧ジャッキ金型

試験開始前の金型等セッティング状況

ロードセル 1, 2 (2 個) ロードセル 3
試験片
タイロッド
図4

金型
チャック

油圧ジャッキa)試験前（試験片装着時）b)試験終了時
図 2 開発した摩擦試験治具

試験前の高速摩擦試験治具

上記の設計による治具を製作し，トライアルの試験を行ったところ，金型の試験片への圧縮力を計測する 2 個のロードセルの荷重が，40％異なる結果となった．左右の金型の値が異なる場合は，試験片への圧力が不均一になっていることが考えられる．金型の油圧ジャッキで押されている面を確認したところ，金型の油圧ジャッキとの接触面に片当たりしている痕跡が確認された．そこで，図 5 に示すよ
うに，油圧ジャッキの可動面に球面座を配置することにより，圧力の均一化を行った．
球面座は，1 点に大きな荷重が作用するので，金型材料の SKD11 を熱処理して使用した．球面座はジャッキへ両面テープを用いて接着した．

球面座

油圧ジャッキ金型

図5

球面座の設置位置

また，実験において，試験片が金型上を滑り出す時の時間を正確に計測するために，荷重の計測と同時期にスタートさせた高速度カメラによって試験片の移動状態を把握し，摩擦力の評価領域を正確に求めた．

３． 高速摩擦実験
3.1 試験片
試験片は長さ 300mm，幅 30mm，厚さ 1mm とし，材料は，アルミニウム合金板（A5052-O）の表面がダル仕上げを使用した．試験片の切り出し方向は，試験片の長手方向が圧延方向とした．試験片の写真を図 6 に示す．

型形状を拡大して計測を行った．計測位置は，金型の接触面の長手方向の中心と，その中心より左右に 17mm の位置での平面部分の長さを計測して，平均値を当該金型の接触面の幅とした．接触面の両側の R 部分もバフ仕上げを行っているが，その部分は，手仕上げであることから，接触面の幅に影響をおよぼす．そこで，それぞれの金型での計測値で，値の差が近くなる組み合わせを探して，実験を行った．接触面の幅は，ペアの金型の計測値の平均値とした．
摩擦試験では，金型の表面状態が測定結果に大きく影響すると考えられる．金型の試験片との接触面は，金型の接触面の長手方向にバフ仕上げを施している．金型の素材との接触部分である，金型の中央部分の顕微鏡写真（200 倍）を図 8 に示す．観察には，顕微鏡（EPIPHOT 200：NIKON製）を用いた．図の縦方向が，素材が移動する方向となっている．したがって，バフ仕上げによる傷と垂直方向に材料が接触しながら移動することになる．傷の方法と材料の移動方向が垂直なので，潤滑剤は，試験中に接触部分外に流れにくく，潤滑効果としては良い方法に作用すると考えられる．

5μ5μ図6試験片の外観写真a)

3.2 金型
金型の写真を図７に示す．ロードセル側は，ロードセルを 2 個並べるので，ジャッキ側より幅が広くなっている．
金型の材質は，SKD11（HRC60）および FCD600（HRC10）とした．

a)ロードセル側b)ジャッキ側SKD11b)FCD600
図 8 金型の表面状態

金型の試験片との接触面での表面粗さを，表面粗さ計（サーフコム 2900SD3-12：東京精密製）を用いて計測した．計測で得られたグラフを，図 9 に示す．図より，SKD11の方が FCD600 よりも，表面が平滑であることがわかる．
SKD11 の Ra と Rz の平均は，それぞれ，0.436（μm）と 3.6（μm）であった．また，FCD600 の Ra と Rz の平均は，それぞれ，0.508（μm）と 4.0（μm）であった．
3.3 実験条件
実験条件は，面圧を 5～10MPa に変化させ，引抜速度を，5, 500mm/s に変化させて試験を行った．潤滑剤は，洗浄防錆油（プレトン R303P：スギムラ科学工業社製）を使用した．試験毎に金型表面をウエスで拭いて傷の有無を確認し，付着物がある場合は，取り除いて実験を行った．

図 7 ロードセル側およびジャッキ側の金型金型と素材との接触面積は，面圧を計算するために重要である．接触面の長さは，試験片の幅となるので，接触面の幅の寸法計測が重要となる．また，金型の接触部分の両側は，試験片表面を傷つけないように，R 形状となっているので，接触幅の長さは，R 止まり間の距離とした．距離の計測には，読取顕微鏡（NRM-D-ZXZ：ミツトヨ製）で金3.4 実験結果
面圧が 5MPa，引抜速度が 500mm/s の場合の実験結果を以下に示す．図 9 に，金型の押付力を計測した結果を示す．
縦軸が押付力，横軸が時間である．また，図 10 に引抜荷重と時間の関係を示す．実験結果は，計測を開始してからプレスのスライドが動き出すまで，当該スライドの加速域，計測（定速）域および減速域を含む．本実験結果の場合は，

0.3FCD600
SKD115mm/s0.25

摩擦係数

測定開始から，2.2s 後に計測域が始まっている．図 11 に示す摩擦係数と時間の関係において，摩擦係数が変動しているので，計測域の摩擦係数を平均した．
各実験条件での摩擦係数と面圧の関係を図 12 に示す．
面圧は，5～10MPa に変化させて計測した．金型材料（2種）と引抜速度（2 条件）の合計４条件の実験を行った．
SKD11 を使用し，引抜速度が 500mm/s の時のみ，試験片に変形なく引抜けたが，他の条件の場合は，試験片が変形した．これは，SKD11 の方が，表面粗さが小さいことが影響していると思われる．金型材料が FCD600 の場合，面圧の摩擦係数への影響は少なかった．引抜速度が上昇すると，500mm/s
0.20.150.1468
面圧（MPa)1012

図 12 面圧と摩擦係数の関係
750700

押付力(N)

650
600
550500

Load cell1450
Load cell2

400
00.5

11.522.5時間(s)図 9 圧縮荷重と時間の関係

引抜荷重(N)（面圧：5MPa, 引抜速度：500mm/s）
1000
800
600
400
200
0-200 0-400-600-800-1000-1200

摩擦係数が減少した．500mm/s の高速での摩擦試験の結果，摩擦係数は，約 0.15 であった．これは，自動車部品の板成形シミュレーションで，一般的に使用される値に近いことから，高速での成形域における摩擦係数が適用されていることが分かった．一方 SKD11 では，面圧が上昇すると摩擦係数が減少した．同じ面圧の場合は，引抜速度が増加しても，両者の摩擦係数の差は少なかった．
SKD11 と FCD600 で同様の摩擦と面圧の関係の傾向が観察されず摩擦の発生メカニズムに差があると思われるが，その理由については，今後検討したい．
自動車の板成形部品を成形用金型の材料の一つである
FCD600 の場合は，引抜速度の摩擦係数への影響が大なので，成形シミュレーションの解析精度を向上させるために，摺動速度に依存した摩擦モデルの構築が有効と思われる．

４． 結言
1)
0.5

1

1.52

2.52)

3)
時間 (s)

図 10 引抜荷重と時間の関係

4)（面圧：5MPa, 引抜速度：500mm/s）
0.255)

摩擦係数0.2

自動車部品のプレスの成形速度でのサーボプレスを活用した高速摩擦試験方法を提案した．
金型材料が FCD600 の場合，面圧の摩擦係数への影響は少なかった．引抜速度が上昇すると，摩擦係数が減少した．
金型材料が SKD11 の場合は，面圧が上昇すると摩擦係数が減少した．引抜速度が増加しても，同じ面圧の場合は，摩擦係数の差が少なかった．
金型材料が SKD11 の場合，FCD600 と比較して,引抜速度が 500mm/s の場合，高い面圧まで摩擦係数の計測が可能であった．
FCD600 と SKD11 では，摩擦係数と試験片・金型間の面圧の関係の傾向が異なっており，摩擦の発生メカニズムに差がある可能性があることが分かった．

0.15

謝辞

0.1

本研究は，公益財団法人天田財団の一般研究開発助成

0.05

摩擦係数（AF-2012021）により行われました．ここに深甚なる謝平均値

意を表します．

000.020.04
0.06
時間 (s)

0.080.1

図 11 計測域での摩擦係数と時間の関係（面圧：5MPa, 引抜速度：500mm/s）

参考文献
1)

日本塑性加工学会：サーボプレス利用技術報告書, (2011), 6-8.

研究成果