40

あいち産業科学技術総合センター

研究報告2021

研 究 ノ ート

リング圧 縮 試 験 による テクスチャを有 する金 型 表 面 の摩 擦 評 価河 田 圭 一 * 1 、 児 玉 英 也 *1 、 菅 野 祐 介 * 1 、 永 縄 勇 人 *2

Eval uation o f F rictio n on T exture d Die S urface by Ring Com pression T estKeiichi KAWATA *1 , Hideya KODAMA *1 , Yusuke KANNO *1 and Hayato NAGANAWA *2
Industrial Research Center * 1 * 2
鍛造による部品成形において形状の複雑化・高精度化 に対応するため、金型と材料間の摩擦低減が求められている。そこで、本研究では、レーザによりテクスチャを付与した金型表面の摩擦低減効果について調べた。摩擦の評価方法にはリング圧縮試験を用いた。その結果、レーザで加工された溝のバリの影響で摩擦は上昇するが、バリを除去することにより摩擦が低減できることが分かった。

1 . は じめ に 

リング圧縮試験は、サーボプレス機(SDE1522、(株)生産効率の高い鍛造による部品成形は、自動車や家電アマダ)を用いて行った。金型には SKD11(HRC60)、供など幅広い分野で利用されている。ネットシェイプ化 1)

試材には S45C を用いた。金型と供試材に冷間鍛造用油が進み、切削などの後処理工程の必要ない高精度な鍛造剤(ユニプレステラミ CFH150、JXTG エネルギー(株))成型部品が多く生産されているが、EV 用自動車部品をを塗布し、10spm の速度で圧縮した。圧縮した供試材中心に、より形状の複雑化・高精度化が求められている。の内径は測定顕微鏡(MF-B3017C、(株)ミツトヨ)を用いそのため、成形精度、焼付、型寿命に大きく影響する金て測定した。圧縮率は 20、40、50、60%とし、試験は型と材料間の摩擦低減が必要となっている 2)。

各条件において 3 回実施し、内径変化率の平均を求めた。

一方、しゅう動表面にディンプルや溝形状のテクスチRa1.8µmャを付与することで摩擦を低減できることは、従来から荷重6知られており、様々な研究が行われている。特に、切削金型（上）加工における高温、高面圧下においても同様な摩擦低減

圧縮前供試材効果が期待できることがこれまでに示されている 3)。

φd金型（下）そこで、本研究ではテクスチャを有する金型による鍛圧縮後造成形の高精度化を目標に、テクスチャが型面摩擦に及(a) リング圧縮試験(b) 供試材
図 1 リング圧縮試験の概略

2 . 1 リング 圧 縮 試 験 及 び 摩 擦 校 正 曲 線
金型と成形材料との摩擦は、従来から広く利用されているリング圧縮試験で評価した。リング圧縮試験は、
図 1 のようにリング状の供試材を金型で圧縮し、圧縮前内径変化率 %ぼす影響について検討を行った。

2. 実 験 方 法 

後のリング内径の変化率を測定し、摩擦係数を求める手法である。各摩擦係数に対応した圧縮率と内径変化率と706050403020100-10-20

摩擦係数 µ00.010.020.030.040.050.060.070.080.090.1010203040

圧縮率 %5060

図2 CAEによる摩擦校正曲線の計算結果の関係を、予め CAE(Computer Aided Engineering)を用いて解析することにより得られた摩擦校正曲線から、

φ18φ92 . 2 テ ク ス チ ャ の加 工摩擦係数を推定した。本研究では、校正曲線を得るため、テクスチャは、金型表面の中央に配置した同心円状の塑 性 加 工 用 CAE ソ フ ト で あ る DEFORM(Scientific溝状とした。図
図 3 にテクスチャの概略図を示す。溝の加Forming Technologies Corporation 社製)を使用した。

工は、粗さが Sa30nm 程度に平面研削した金型表面に、計算結果を図
図 2 に示す。

ピコ秒パルスレーザ(Atlantic6、EKSPLA 社)を用いて*1 産業技術センター

自動車・機械技術室*2 産業技術センター

金属材料室

41
行っ た 。幅 30µm、 深さ 3µm の 溝を φ6mm か らφ試験後に金型表面をマイクロスコープにより観察した30mm の間にピッチ 0.1mm で 121 本加工した。干渉式結果を図
図 6 に示す。(a)のレーザ加工のみで形成したテ非接触三次元粗さ計(WykoNT9100、Veeco 社)を用いてクスチャ面には、外周部に供試材が激しく凝着した。さ溝の断面形状を測定した結果を図
図 4 に示す。(a)のようらに、凝着により溝の一部が埋まっている様子も観察さに、レーザ加工した溝の縁には 0.3µm 程度のバリ状のれた。一方、(b)のレーザ加工後ハンドラップしたテク盛り上がりが形成された。このバリをダイヤモンドペースチャ面には激しい凝着はほとんど見られなかった。図ストによるハンドラップにより除去した溝の断面形状を4(a)で示した溝縁に形成されたバリにより溝からの油剤(b)に示す。溝の縁には平坦部から緩やかに変化する幅の引込が阻害され、凝着が発生し摩擦が上昇したと考え20µm 程度のダレが形成され、平坦部の粗さは Sa10nmられる。一方、図 4(b)のように溝の縁にダレのある溝形以下であった。本実験では、前述 2 種類のテクスチャに状では、油が引き込まれやすくなり、凝着が抑えられ摩ついて評価した。また、比較としてテクスチャを加工し擦は小さくなったと考えられる。特に圧縮率 60%の場ていない平面研削後の金型及び研削後ハンドラップをし合のような変形量が大きい条件では、変形速度が大きいた金型についても同様の実験を行った。

ため油の引込量が多くなったと推測される。

µmµm図310-1-2-3-4
10-1-2-3-4

摩擦係数

φ30100φ6100
テクスチャの概略図

0.08
0.07
0.06
0.05
0.04
0.03
0.020.010バリ050(a)

100150200250

テクスチャ無テクスチャ無（ハンドラップ）
テクスチャ有テクスチャ有（ハンドラップ）

010203040
圧縮率 ％

50

図5

摩擦係数の推定結果

6070

凝着

300 µm

凝着

レーザ加工のみ
ダレ

2mm

(a)
0

図425(b)5075

100125 µm

ハンドラップ後

テクスチャ断面の形状測定結果

3. 実 験 結 果 及 び 考 察 
各条件において内径変化率を測定した結果から、図 2を用いて摩擦係数を推定した結果を図
図 5 に示す。2 つのテクスチャ有の摩擦を比べると、レーザ加工のみの溝にレーザ加工のみ
図62mm(b)ハンドラップ有

試験後の金型表面の観察結果

4. 結 び
本研究の結果は、以下のとおりである。
(1) レーザ加工によりテクスチャを付与した金型では、溝のバリが摩擦を大きくする要因となった。
(2) 溝のバリをダイヤモンドペーストで除去することにより、摩擦を小さくできることが分かった。

比べ、ハンドラップした溝の方が全体的に摩擦は小さくなった。一方、テクスチャ無の摩擦には、ハンドラップ付記の有無による大きな差は見られなかった。溝と溝の間の本研究は、「知の拠点あいち重点研究プロジェクトⅢ

平坦部の粗さはテクスチャの無い金型とほぼ同じである期」で行った研究の一部である。

ので、今回の実験条件では平坦部の粗さが摩擦に与える影響は小さく、溝の形状が大きく影響したと考えられる。

文献

テクスチャ有ではテクスチャ無と比較して全般的に摩1) 小坂田宏造: 精密工学会誌, 80 (12), 1045(2014)

擦係数は大きくなる傾向が見られた。しかし、圧縮率

2) 北村憲彦: 精密工学会誌, 80 (12), 1053(2014)

60%の条件においてハンドラップしたテクスチャの摩擦

3) 河田圭一, 石川和昌: あいち産業科学技術総合センタ

係数は最も小さくなった。

ー研究報告, 2 , 8(2013)