スーパー・ハイテン材の高精度せん断加工に用いる工具の長寿命化技術の開発
地方独立行政法人東京都立産業技術研究センター 機械技術グループ
副主任研究員 中村健太
（平成 23 年度一般研究開発助成 AF－2011027）
キーワード：せん断加工，高張力鋼板，潤滑油
１．研究の目的と背景な加工への社会的要求も高まっており，潤滑油に含まれ近年，自動車用部品を中心に，安全性の向上，軽量化る添加剤の成分も再検討する必要があるように思われる．の観点から，高張力鋼板（以下，ハイテン材と称す）のそこで，スーパー・ハイテン材の高精度せん断加工に適用が進んでいる．また，ハイテン材は従来の 500MPaおいてストリッピング時に生ずる工具への被加工材の凝級や 700MPa 級に比べて引張強度が高い 1GPa 級のいわ着と工具のチッピングを抑制するための，低環境負荷型

ゆるスーパー・ハイテンが出回ってきている．スーパー・

潤滑技術の開発が求められている．

ハイテン材の魅力は未処理の生材のままで十分な強度を本研究では，工具へのコーティングと低環境負荷型潤有することから，一般構造用鋼や数百 MPa 級のハイテン滑油を組み合せることで，スーパー・ハイテン材の高精を用いるよりも軽量化できる点や，同一強度を一般構造

度せん断加工時の工具寿命を一般構造用鋼の加工時と同用鋼で得ようとしたときに必要な熱処理などの後工程を程度にしたいとの発想のもと，コーティングの開発とコ省略することができる点であり，これまで以上に需要がーテッド工具と無添加油との組合せ効果について検討し伸びる材料といえる．

た．

一方，ハイテン材のせん断には高精度せん断加工法がコーティングには近年ステンレスの無潤滑条件での絞用いられており，加工時に問題となるのがパンチの欠け，りしごき加工でも実績のあるダイヤモンドライクカーボすなわち工具寿命である．これはハイテン材の最大の特ン（以下，DLC と称す）を採用することとした．しごき徴である高張力が原因で起きるものである．すなわち，加工に関する報告では，DLC を成膜する基材の表面にシパンチの欠けは，せん断により開放された材料の圧縮応ョットブラスト処理などで凹凸を付与することで密着性力によってパンチに締付力が作用し，その状態でストリが向上するとの報告がある．ところが，DLC は基材の表ッピングが行われることで凝着が生じ，それが繰り返さ面形状に沿って表面に成長することから，成膜時に作成れることで凝着部を基点として生じると考えられている．

した凹凸が成膜後にも残ってしまう．一方，せん断加工

このような問題は，引張強度の高いスーパー・ハイテン

においては工具の表面粗さが製品の切口面性状，特に，材では顕著であり，スーパー・ハイテン材のせん断加工せん断面に影響を与えることが知られているので，工具を行うには工具寿命の問題を解決させる必要がある．

表面の粗さを小さくすることが望まれる．そこで，本研

現在，スーパー・ハイテンを含むハイテン材の高精度究ではまず，基材の表面性状と DLC 膜の耐久性（密着せん断加工に用いるパンチの寿命のコントロールには，性・耐摩耗性）の関係を調べ，最適成膜条件を検討した．

技術者の経験に基づく研磨が有効とされているが，技術また，高精度せん断加工に用いられる潤滑油には塩素の継承や寿命の定量的な管理が出来ないといった問題が系添加剤や活性添加剤が処方されており，この添加剤がある．潤滑油の側からは，ハイテン材などの難加工材を分解・反応し，焼付き防止性能のある境界潤滑膜を工具対象とした高精度せん断加工には活性な添加剤を含んだ表面に形成している．本研究では，その役割をコーティ潤滑油が用いられており，これらの添加剤の焼却処分のング膜が担うことが出来ると考え，添加剤を含まない潤プロセスを考えると環境負荷型の加工ともいえる．また，滑油を用いて，せん断時の加工性を評価した．

工具へのコーティングは，凝着の防止といった目的から利用されているが，潤滑油との組み合わせによる寿命延

２．DLC 膜の耐久性評価

長のメカニズムの検討は十分に行われていないと思われ

2．1

表面粗さの調整方法

る．つまり，一般的には，コーテッド工具と専用潤滑油DLC を成膜する基材の材質は工具鋼 SKD11 で，高温を組み合わせることで，工具寿命が延長できるとの発想焼き戻し処理を施したものである．試験片は直径 20 mm，がある．

厚さ 4 mm の円盤状である．

一方，近年の社会的動向からも，地球環境負荷の小さ－ 87 －準備した試験片は 5 種類で，鏡面に仕上げたもの（算術平均粗さ Ra = 0.002 m），鏡面に仕上げた試験片を，2．4粗さの方向性の影響を小さくするためにショットブラス

密着性の評価には，スクラッチテスタを用いた．スク

ト処理して Ra の値を 0.05 m，0.14 m，0.58 m に調整

ラッチテスタは，被測定物にダイヤモンド製の圧子を任したものである．なお，投射物や投射時間を変えること意の荷重で押し当て，圧子を移動させる際に生じる摩擦で表面粗さを調整した．

力やアコースティック・エミッションを定量的に測定す

2．2

密着性る装置である．測定は，圧子の移動速度を 10 mm/分としDLC の成膜

本研究では，CVD 法と PVD 法を用いて 2 種類の DLCて，1 分間かけて荷重を 0.3 N から 100 N に変化させて行を成膜した．いずれの方法でもアルゴンを用いた基材表った．測定項目は，スクラッチ時の摩擦抵抗とスクラッ面のボンバード処理を行った後，中間層を成膜してからチ面全体の顕微鏡観察とした．測定は同一の試料に対しDLC を成膜した．なお，凹凸を持った DLC 膜を想定して 2 回行い，それぞれ異なった箇所で測定した．て，表面形状と耐久性を評価するため，それぞれの成膜測定例を図 2 に示す．図は Ra を 0.05 m とした場合の方法において，膜厚が 2 m 程度になるように DLC の成CVD による DLC 膜を対象に試験を行った結果であるが，1 箇所目では 20N 辺りで摩擦係数の上昇が認められる．

膜時間を調整した．
2．3

また，同図の上段は顕微鏡写真であるが，摩擦係数が上耐摩耗性耐摩耗性の評価には，ピンオンディスクタイプのトラ昇した辺りから，基材が露呈していることがわかる．しイボメータを用いた．測定は荷重を 10 N から 60 N までたがって，摩擦係数が急上昇した箇所で DLC 膜が剥離し10 N ずつ増大させていくステップロード法により行い，たと判断できる．全ての試験片に対して行った結果を，1 荷重条件で 10 分間行った．しゅう動速度は 0.1 m/s と表面粗さ Ra に対して整理したものが表 2 である．表中した．ボールにはステンレス鋼 SUS304 を用い，その寸の記号は，2 箇所で剥離がなければ「○」，1 箇所でも剥法は直径 6 mm である．

離が認められれば「△」，2 箇所で剥離が認められれば「×」

図 1 は，表面の Ra を 0.05 m に調整した場合の，CVDとしてある．

による DLC 膜を対象に試験を行った結果であるが，1800

つまり，今回の DLC 膜の耐久性の評価の結果と，従来秒付近から摩擦係数が上昇している．この現象は，DLCの研究結果 1)を組合せて考えると，基材表面に凹凸を付が摩耗により消失した箇所が金属接触の状態になり，そ与した状態で DLC を厚く成膜し，DLC 膜を研磨して表こでのせん断抵抗が大きくなったためと考えられる．し面を鏡面に近い状態にすることで耐剥離性・耐摩耗性にたがって，摩擦係数が上昇する 1 つ前の荷重を，耐摩耗優れた DLC 膜が成膜できると考えられる．

性を示す荷重として評価することとした．
表 1 には評価結果をショットブラスト処理後の Ra に対して整理したものを示した．表より，表面粗さが小さい方が耐摩耗性に優れることがわかる．

図1

耐摩耗試験の測定例（Ra = 0.05 m）
表1

図2

表2

耐摩耗性と表面粗さの関係

表面粗さ Ra／m
CVD

0.002

0.050.140.583030<10<10<10<10

剥離性と表面粗さの関係

表面粗さ Ra／m
CVD

耐摩耗性／NPVD剥離性の測定例（Ra = 0.05 m）

0.002

0.05

0.14

0.58〇

△△×△××

耐スクラッチ性<10PVD－ 88 －

公差を含めて 1%未満となるように設計した．クリアラ

３．精密せん断加工実験
3．1

ンスが極めて小さいために，加工時の工具の位置精度はプレス機および金型実験にはクランクプレスを用いた．また，金型は図 3
スクラップ
カッター

パンチバック
プレート

サブガイド
ポスト
パンチ

サブガイドポストにより保証している．
3．2

ガイド
ポスト

パンチ，ダイ，加工油，被加工材

パンチの材質は，コーティングを施していないものでは，超硬と SKD11 を用い，コーティングを施したものは，固定ストリッパー

超硬に DLC を成膜したもの，ハイスに TiCN をコーティングしたものを用いた．ここで，DLC は 2 章で得られたダイセット結果に基づいて，基材表面にショットピーニング処理を被加工材施した後に DLC を成膜し，それを研磨したものを用い，穴側製品

ブランク

ダイTiCN は市販品を用いた．また，ダイはいずれのパンチにダイプレート対しても超硬製のものを用いた．
図3

精密せん断加工用金型の概略図

加工油には，活性タイプの硫黄化合物が添加された，非塩素系油（40℃動粘度 120 mm2/s）と，動粘度を非塩に示すようなもので，板押えを有さない固定ストリッパ素系油と揃えた鉱物無添加油の 2 種類を用いた．また，ータイプの打抜き型を用いた．固定ストリッパーはダイ

被加工材には 980MPa 級の高張力鋼板を用いた．の刃先より 1.4mm 高い位置に設置されており，パンチ引抜時に被加工材をパンチから引き離すために組み込んで実験は加工速度 100spm で，温度に関する管理は積極的には行わず，周囲温度として行った．

ある．パンチはシャープエッジのもので，外径寸法は3．310mm，ダイ もシャープ エ ッジのもの で ，内径寸法 は

本実験では，パンチの摩耗に与える潤滑油とコーティ10.02mm とし，クリアランス（片側）がパンチとダイのングの組合せ効果を調べることを目的としているため，

(a)

(a)

(b)

現行油（非塩素系）を用いた場
図4

無添加油を用いた場合

パンチに超硬を用いた場合の穴側切り口面の様子(b)

現行油（非塩素系）を用いた場
図5

潤滑油添加剤が切り口面性状に与える影響

無添加油を用いた場合

パンチに工具鋼（SKD11）を用いた場合の穴側切り口面の様子－ 89 －

評価項目としては，パンチの外径寸法と打抜かれた穴側ての加工回数で観察される．なお，加工後のパンチの直の切り口面により評価する．

径は加工前に比べて 5 m 程度細くなっていた．一方，

本実験では，まず，基準となる超硬と非塩素系油の組無添加油を用いた場合には 1 回目の加工から切り口面は合せによる結果を図 4(a)に示す．なお，加工は紙面の左荒れた状態となり，200 回の加工でパンチが著しく摩耗側からパンチが侵入する方向で行った．切り口面の状態したため実験を終了した．

は，いずれの加工回数においても，せん断面と破断面かここで，非塩素系油を用いた場合には，パンチの材質ら形成されており，それぞれの加工回数においてせん断によらず，穴の破断面において腐食のようなものが観察面と破断面の割合は同程度である．一方で，加工回数にされた．つまり，潤滑油により腐食が発生したと考えら

よりせん断面の様子が異なり，加工回数が増えるにつれれ，工具と被加工材間に添加剤由来の反応膜が形成されて加工方向に擦過状痕が認められるようになる．また，たことが推察される．そこで，試験後のパンチの刃先を非塩素系油と同じ粘度に調整した鉱物油を用いて実験しEDS により元素分析を行ったところ，刃先付近では摩耗た結果を同図の(b)に示す．せん断面の割合は，いずれのが進行していたが，刃先よりやや根元寄りで潤滑油に由

加工回数においても非塩素系油を用いた場合と同程度と来する元素の分布があった．すなわち，潤滑油に含まれいえるが，加工方向への擦過状痕に違いがあり，無添加る添加剤に由来する反応膜が形成されたために，切り口油を用いた場合には，筋状の傷の幅が大きいことがわか面の性状をある程度維持したまま，連続的な加工ができる．

たと推察できる．
3．4

ここで，15,000 回加工後のパンチの直径は加工前の直コーティングの効果径に比べて 3 m 程度細くなっていた．したがって，擦2 章で述べた方法により DLC をコーティングしたパン過条痕が残るせん断面は，加工によりパンチに摩耗が進

チと無添加油を用いて，コーティングによる効果を調べ行するものの，クリアランスが極小なためにせん断面とた．図 6 に穴側切り口面の写真を示すが，100 回の加工により破断面が形成されることが分かる．また，2000 回なったために生じたものと推察される．
次に，SKD11 と非塩素系油の組合せによる結果を図

加工時には凹凸の小さな鏡面に近いせん断面は消失して5(a)に示す．切り口面の性状は超硬製のパンチを用いた

おり，擦過状痕が支配的なせん断面となることが分かる．

場合と同じ結果であるが，加工方向への擦過状痕はすべ同様の実験をコーティングの種類を TiCN にしたパン
チを用いて行った結果を図 7 に示す．DLC を用いた場合と同様に 100 回の加工により破断面が形成されることが分かる．一方， DLC を用いた場合とは異なり，5,000 回以降では破断面が支配的な切り口面となり，せん断面の割合は小さくなるものの，15,000 回まで凹凸の小さなせん断面が存在するといった傾向があることが分かる．
試験後のパンチを図 8 に示すが，DLC をコーティングした場合，刃先付近の DLC 膜がなくなっていることが分かる．一方，TiCN をコーティングした場合には，膜が残っている．すなわち，今回準備した DLC 膜は 1000 回強の加工により DLC 膜が消失してしまい，基材と被加工材

図6

DLC と無添加油の組合せ時の切り口面の様子

図7

TiCN と無添加油の組合せ時の切り口面の様子間の摩擦が支配的になり，擦過状のせん断面が形成され，TiCN 膜においてはコーティングが残存しているものの，

図8－ 90 －加工後のパンチの様子

摩耗によりパンチ直径が小さくなることで破断面が成長

3）工具鋼をパンチ材料として用いた場合，現行油（非塩素系油）との組合せでは，15,000 回の加工においてせしたものと考えられる．
3．5

ん断面が支配的な加工が行えたが，無添加油との組合コーティングと組み合わせる潤滑油

せでは 200 回の加工でパンチが激しく摩耗し，擦過条今回の実験結果より，無添加油であっても工具に DLC痕と破断面が混在する切り口面となることが分かった．

を成膜することでスーパー・ハイテン材の精密せん断加工が 1,000 回程度行え，TiCN を成膜することで 15,000

4）1）で得られた知見に基づく DLC を成膜したパンチと回まで平滑なせん断面が残存する加工が行えることがわ

無添加油の組合せでは，鏡面のようなせん断面と破断かった．つまり，無添加油であってもコーティングによ面が混在する切り口面となるが，1,000 回の加工ができり工具の摩耗を抑制できることが示された．したがって，ることが分かった．また，一般的な TiCN を成膜したコーティングを用いた場合には，工具摩耗を抑制する添工具を用いた場合，DLC を用いた同一加工回数の切り加剤は少なくすることができ，代わりに，摩擦を小さく口面に比べてせん断面の割合が高く，コーティングにすることができる油性剤を添加することが，コーテッド損傷がない状態で 15,000 回の加工ができることが分かった．

工具を用いた場合の切り口面性状を良くする方策と考え

5）DLC 膜や TiCN 膜を用いた場合に得られるせん断面は，られる．
近年では，自動車用潤滑油に添加されているポリマー

コーティングをしていないパンチと現行油との組合せに油性剤や極圧剤としての効果があることが見出されてにより得られるせん断面よりも鏡面に近いことが分かいる 2)．ポリマーは水素 H,った．これは，コーティングの表面粗さに基づく現象

炭素 C，酸素 O から構成さと考えられる．

れている物質であり，環境負荷も小さいものといえる．
したがって，コーテッド工具とポリマー添加油の組合せ

また，本研究では無添加油のみでの評価となったが，効果についても引き続き検討する必要がある．

油性剤程度の添加剤を含む潤滑油を用いることで，せん断面の支配的な切り口面を得る加工が可能と考えら

４．まとめ

れ，今後の課題とする．

工具へのコーティングと低環境負荷型潤滑油を組み合謝せることで，スーパー・ハイテン材の高精度せん断加工

辞

時の工具寿命を一般構造用鋼の加工時と同程度にしたい

本研究は公益財団法人天田財団（天田金属加工機械技との発想のもと，コーティングの開発とコーテッド工具術振興財団）平成 23 年度一般研究開発助成にて実施したと無添加油との組合せ効果について検討した結果以下のものである．記して深甚なる謝意を表す．また，工具のことがわかった．

作成に協力いただいた冨士ダイス株式会社 春日井氏に

1）DLC 膜の耐久性を耐摩耗性・密着性の観点から評価も謝意を表す．

したところ，DLC 膜の相手材とのしゅう動面は平滑で参考文献ある必要があることが分かった．
2）超硬をパンチ材料として用いた場合，無添加油との組

1) 片岡征二・基昭夫・玉置賢次・村川正夫・野口裕之・
木原諄二：塑性と加工, 46-532 (2005), 412.

合せでは，15,000 回の加工において，せん断面比率は現行油（非塩素系油）と同程度であったが，せん断面

2)中村健太・村木正芳・瀬上高博・鈴木真・山本賢二：トライボロジー会議 2013 秋福岡予稿集, A11, USB.

は工具による擦過条痕が残る切り口面となった．

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