平成6年度 研究報告 大分県産業科学技術センター（10）圧縮変形におげる超音波の影響

材料開発部 鶴 岡 一 廣
要 旨
非定常変形の圧縮加工に超音波振動を適用するための基礎研究として、圧縮加工において、チタン酸ジルコソ酸鉛磁器製のボルト締めランジュバン型振動子による超音波振動を付加した場合の挙動について研究を行っている。本報
告書では側面を拘束しない状態でアルミニウム材にパンチを押し込んだ時の超音波付加出力による変化、振動モードによる差違等について検討を行った。

その結果、加圧速度V＝5mm／Sec、圧下量gs＝如mの条件で、①最大超音波付加出力Emax≒600Wで約27％の押圧荷重の低下がみられた。②振動振幅が最大の振動モードの方が押圧荷重の低下が著しい、等がわかった。

1．緒 言子に付加する。振動子は周波数約20k重態のチタン酸ジル超音波振動を金属の塑性加工に適用すると、加工荷重コソ酸鉛磁器製のボルト締めラソジュバン型振動子（日の低減が図れることが報告されている。しかし圧縮加工

本特殊陶業㈱製、D4520）で、この振動子より発振器へは非定常状態の変形であり、安定した超音波振動の適用の反射入力（Er）の差が負荷吸収電力となる。振動子のを困難にしている。そこで圧縮を伴う加工に超音波振動エネルギー変換効率を考慮すると、っ実際に試験片に付加を応用するための基鍵研究として、アルミニウム材の圧される超音波振動はこの負荷吸収電力と異なるが、ここ縮試験において、超音波転勤を付加した場合の挙動につでは負荷吸収電力を付加超音波出力（E）とした。

いて研究を行っている。
これまで、チタン酸ジルコソ酸鉛磁器製のボルト締めランジエバソ型振動子を用いて、純アルミニウム材の単軸圧縮試験において、超音波振動付加による効果の有無、加圧速度および振動モードの影響について検討した。その結果超音波出力E＝200Ⅶの条件で、①プラハ効果によると思われる材料の変形抵抗の減少、②潤滑剤がない
場合、振動振幅最大の振動モードの方が効果が大きい、

囲頂 超音波党旗◎計測概略③振幅拡大率R＝1と3のあいだにはほとんど差はない、④潤滑剤を使用した場合、プラハ効果に比べて摩擦低減振動子の共振周波数の設定、および発振器と振動子と効果の方が大きく汗振動応力最大の振動モードの方が効の整合は、まず高周波発振器（日本イーーー・・≡エヌ℡アイ㈱果的である、などの知見が得られた1）2）。

社製EG毘一1600B）の周波数調整により、出力表示メー一

しかし超音波出力を大きくした場合については検討が夕一に示される負荷吸収電力が最大となる共振周波数を不十分である。そこで本報告書では、ホビソグ加工のよ設定し、次に進行渡出力と負荷吸収電力とが一致するように治具との接触面積が大きい圧縮加工に適用し、振動うに、整合器で負荷整合インピーダソスを調整する。

モードや超音波出力の大小についての検討を行った。

振動子、コ∬ソ、ホーソからなる振動系ほ、コーンおよびホーンの材料中の音速度を5100m／Sec，振動周波数2E 実験方法

を20kHzとして構成しており、コーンは軟鋼材で、全長2．1 実験装置は約1／2波長の13伽mとした。加圧部のパソチ（ホーン）は超音波振動の付加棟構は図1に示すように、高周波発振器からの進行波出力（Ef）を周波数整合器を通して振動−68 【ダイス鋼を使用し、コ【ソとの結合はネジ固定で、必要に応じて交換が出来るようにした。

平成6年度 研究報告 大分県産業科学技術センター

パソチは試験片接触部分で振動応力が最大となる振動kHz付近に、パソチHL130では、f＝21。60kHz付近に整モードに対応したパソチHL65（長さHL＝65m汀l）と、最小合点があった。

（振動振幅が最大）となる振動モ劇1ごに対応したパソチHL130（長さHL＝130mm）を作製した。振動子、コーソは2．2 実験条件

フラソジ部を除いて申50m郡の円柱状とし、パンチは端面

試験片はアルミニウム材（AlO50ぺBDH24）から￠20

径申15mm（振幅拡大率R＝1りとした。超音波振動は振動×1如mに削り出し試験に供した。この試験片に、外周を子からコーン、パソテを経て試験片へ付加される。受圧拘束しない状態で、パンチ（端面径垂15mm）を押L込み、板の加圧端面は、受圧坂端面での摩擦低減効果の影響を師匠荷重と超音波出力変動を測定した。超音波出力は最短刀少なくするために、図2に示すような凹凸形状とし大付加出力がEmax≒300、450、600Wになるように設た。

定した。押圧速度は既報2）の結果より、Ⅴ＝5mm′／′secとLた。

パンチ（ポ叫ン）

また整合設定荷重をP＝20kNとしたことから、搾圧12が＼鞭初期の予荷重Pr＝0さ3、1翫2髄創成ついて検討Lた。
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試験片

迂下量は試験績の夕＝スヘッドの移動量を計測Lている＼＼、 ＼ ！

ために、パンチやコーンの弾性変形量を考慮Lて、予荷

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パ重Pr＝0亡3kNの場合は圧下量ノ㌔s＝4。如隅、Pr＝10、20ノカ2ご量畏志脛定』

kNの場合はぜs＝如mに慧▼冠Lた。

受圧板端面形状

罰望 遠音波振動腎カロ庄治異3。嚢験結果および考察振動系仁パソテHL65、およ甘梢ユ錐を取り付ゆた状

振動振幅が最大となる振動モード㌍L130と霹動応力が態のインピ【ダンスを計測した結果、フランジを膚定L最大となる振戟モード㌍L65の場合について、予荷重をない場合の共振周波数はぎr＝19。3kHz近辺であった。

パラメmタとして、最大超音波出力と最大荷重の関係をフランジを固定し、試験片に荷重P＝20kNをかけた状示したのが図3、4である。囲3に示すように振動モー態でぅ 高周波発振器による周波数調整およびインピ血ダドH工．130の場合は超音波振動付加による効果は明らかにンス整合を行った場合は、パンチHL65でほ、f＝21。7ヱ

押圧荷重の減少として現れている。その減少量は、最大︑P二reloa〔蔓む：0。3kN
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詔3 最大超音波出力と最大押圧荷重

回考 最大超音波出力と最大搾圧荷重（振動モードHL130）

600800（振動モードHL65）

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平成6年虔 研究報告 大分県産業科学技術センター
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図5 超音波出力

図6 押圧荷重と超音波出力

超音波出力Emax≒3001Vで約19％、600Wで約27％であは、超音波付加出力がEmax≒200Wと小さかったことる。一方振動モードHL65の場合は、図4に示すようにが原因であると推定できる。

その減少量は小さく、最大超音波出力Emax≒6001Vで約6％程度である。

この振動モードによる差違をみるために、予荷重Pr＝0．3kNの場合について、超音波出力と圧下変位の関係

超音波振動の塑性加工特に圧縮加工において、被加工を示したのが図5である。これから、振動モードHL65部の振動振幅が最大となるような、超音波振動の往復動の場合は全圧下範囲においてほぼ安定して、超音波出力作による高速繰り返し衝撃作用を利用する方式と、振動Emax≒300、450、600Wが付加されているが、振動モー応力が最大となるような、超音波振動により発生する振ドHL130の場合は最大値超音波出力Emax≒300、450、動応力の重畳作用を利用する方式とがある。一般的に超600Wに対して、最小値はそれぞれEmin≒80、120、150

音波振動を付加した圧縮加工においては、被加工部で振Ⅶとなっており、押圧荷重が最大となる近傍で超音波出動応力が最大となる位置が最大効果を発揮するとされて力がほぼ最大値となっている。

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しかし本実験の振動モードHL130（振動振幅最大）、HL65（振動応力最大）に関する結果からは、振動振幅が最大となる振動モードHL130の方が押圧荷重の低減率がこのことば超音波振動は押圧時に荷重が最大となる付近で超音波出力が最大となるような設定であればよいことになる。
また圧下量変位に対する押圧荷重及び超音波出力の変大きくなっている。

化を、予荷重をパラメⅥタとして、最大超音波出力

これは試験片の寸法から被加工部が正確に応力振幅、あEmax≒600Wの場合について示したのが図6である。

るいは振動振幅が最大となる位置にはないが、パンチとこれから、振動系の整合調整時の設定荷重をP＝20kNの接触面積が大きい押圧試験において、摩擦抵抗の低減としたが、押圧荷重および超音波出力において、この条効果が大きく現れたと考えられる。

件範囲では予荷重による差違は見られない。これは設定

このことから前報1）の荷重低減効果において、両端面荷重が最大押圧荷重の約70％と大きいため変動が少ないを凹凸のパンチで圧縮した場合は振動振幅最大の方が、と思われる。しかし圧下量が長くなった場合即ち最大押一方一端を平面パンチとし潤滑剤を使用した場合には振圧荷重が整合調整時の設定荷重に比べて大きくなった場

動応力最大の方が効果的であるといった結果となったの合の挙動については今後の課題である。非定常状態の塑】−70−こ）平成6年度 研究報告 大分県産業科学技術センタ山

性加工において、確実に超音波振動の効果を得るようにするためにほ最大押圧荷重時に超音波出力が最大になるように整合設定を行う必要がある。

（4）予荷重による押圧荷重、超音波出力への影響はみられない。
今後の課題として、振動振幅が最大の振動モードでの整合設定荷重と超音波振動付加出力の変イヒ、圧下量を長鼻 緒 言
超音波振動の塑性加工時に圧縮加工への応用を図るた

くした場合の押圧荷重の増大に伴う超音波振動付加出力の変イヒなどについて検討を行う。

めに、アルミニウム材（Å1050一塁DH24、￠20×16mm）

また超音波振動付加の効果を最大限利用できる超音波付に、パンチ径申15「〔mで、揮圧速度Ⅴ＝5mm／Sec、圧下量加条件やそのための方法、振幅量の計測方法を検討し、ぜs＝如mの条件で、外周を拘束せずパンチを押し込む超超音波振動の非定常状態への利用を検討する。

音波振動付加押圧試験を行った結果以下の知見を得た。
（1）超音波振動付加出力Emax≒600Wを付加することによって、押圧荷重が最大27％低減した。
（2）振動振幅が最大の振動モードの方が超音波振動付加の効果が大きい。
（3）振動振幅が最大の振動モードの場合、超音波出力は押圧荷重とともに増大し、押圧荷重最大の付近で出力が最大となる。

参考文献
1）鶴岡一廣：平成5年慶大分県産業科学技術セソタ一
研究報告、（1995）、8。
2）鶴岡一贋：平成4年度大分県工業試験場研究報告、（1993）、6。
3）例えば（社）日本電子激機工業全編：超音波工学、コロナ社、（1993）。

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