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あいち産業科学技術総合センター

研究報告 2022

研 究 ノート

テクスチャによる金型表面摩擦の低減
河 田 圭 一 * 1 、 石 川 和昌 *1 、 児 玉 英 也 * 1 、 菅 野 祐 介 *2 、 永 縄 勇 人 * 3

Friction Reduction of Die Surface by Texture
Keiichi KAWATA * 1 , Kazumasa ISHIKAWA *1 , Hideya KODAMA *1 ,Yusuke KANNO *2 and Hayato NAGANAWA * 3
Industrial Research Center *1 *2 *3
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加工した金型表面の摩擦低減効果について
調 べ た 。 リ ン グ 圧 縮 試 験 を 行 っ た 結 果 、 溝 深 さ が 0.3μm 程 度 の テ ク ス チ ャ を 金 型 表 面 に 加 工 す る こ と で 、テ ク ス チ ャ の 無 い 金 型 と 比 較 し て 摩 擦 係 数 を 最 大 で 1/10 以 下 に で き る こ と が 分 か っ た 。

1. はじめにTechnologies Corporation)を使用して、各摩擦係数に生産効率の高い鍛造による部品成形は、自動車や家電

おける圧縮率と内径変化率との関係を摩耗校正曲線としなど幅広い分野で利用されているが、EV 用自動車部品て算出した。

を中心に、より形状の複雑化・高精度化が進められてい圧縮試験は、サーボプレス機(SDE1522、アマダ)をる。そのため、成形精度、焼付、型寿命に大きく影響す用いて行った。金型には SKD11(HRC60)、供試材にはる金型と材料間の摩擦低減が求められている。

S45C を用いた。金型と供試材に冷間鍛造用油剤(ユニプ

前報 1)では、金型表面に付与したテクスチャによる摩レステラ ミ CFH150、JXTG エネ ルギー)を 塗布し 、擦低減効果についてリング圧縮試験により評価を行った。

10spm の速度で圧縮した。圧縮した供試材の内径は測

その結果、圧縮率の高い条件でテクスチャにより摩擦が定顕微鏡により測定した。圧縮率は 20、40、50、60%低減することを示した。そこで、本研究ではより高い摩とし、試験は各条件において 3 回実施し、内径変化率の擦低減効果を得るためにテクスチャ形状を見直した。

平均を求めた。
Ra1.8µm2. 実験方法

荷重φ 18φ962.1 テクスチャ加工

金型（上）前報同様、金型中心 φ6mm から φ30mm の間に同心供試材

円状の溝状テクスチャを、ピコ秒パルスレーザ

金型（下）(Atlantic6、EKSPLA)を用 いて加工した。テクチャにφd
圧縮後よる油膜の動圧効果を高めるため 2)、前報の溝深さ 3μm(a) リング圧縮試験に対し、本実験では 0.3μm とした。テクチャの油保持

図1

量が少なくなるため、溝ピッチは前報の 100μm から(b) 供試材

リング圧縮試験の概略

3. 実験結果及び考察

50μm に変更し、溝本数を増加した。レーザ加工後、ダイヤモンドペーストを使用したハンドラッピングにより圧縮前

3.1 テクチャの形状評価
レーザでテクスチャを加工した金型を図 2 に、干渉式溝周辺の盛り上がりを除去した。干渉式非接触三次元粗さ計を用いて溝の断面形状を評価した。

非接触三次元粗さ計によるテクスチャ形状の測定結果を2.2 リング圧縮試験方法

図 3 に示す。加工された溝の形状は、測定位置により異金型と成形材料との摩擦は、図 1 に示すリング圧縮試なる傾向が見られた。本実験で用いたレーザ加工システ

験により評価した。試験前後のリングの内径変化率からムの加減速の影響によりステージ速度が一定にならない摩擦係数を推定するため、塑性加工用 CAE(Computer

ため、特に φ30mm の外周付近では、周期的に溝内部にAided Engineering) の DEFORM(Scientific Forming

深い穴が形成された。しかしながら、中央付近まではお*1 産業技術センター*3 産業技術センター

自動車･機械技術室
金属材料室*2 産業技術センター

自動車･機械技術室(現総合技術支援・人材育成室)

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およそ目標の溝形状が加工できていること、また、外周

い金型に対し 1/10 以下の摩擦係数を示した。一般的な付近の周期的な穴部の深さは約 1μm であり、前報の溝しゅう動部では、油剤の膜厚と溝深さが同程度の場合に、深さ 3μm より小さいことから、本金型によりリング圧最も動圧効果が高くなることが知られている 2)が、結果縮試験を実施した。

から冷間鍛造のような厳しい潤滑環境においても、溝深さを小さくすることで摩擦を大幅に低減できることが明らかとなった。
圧縮前 テクスチャ無 テクスチャ有加工されたテクスチャ（φ 6～φ 30mm ）図2テクチャを加工した金型
図4-1050100
X mm

150

200

φ6mm 付近の溝形状
溝断面0.5Z µmµ0µ0.015µ0.025µ0.035µ0.045µ0.055
テクスチャ有50

内径変化率(%)

Z µm

600-0.5(a)リング圧縮試験後の供試材外観(圧縮率 60%)

溝断面0.54030201000-0.501020-1050

100
X mm

150

図520030
圧縮率(%)

Z µm

0-0.5-1050

100
X mm(c)φ30mm 付近の溝形状

図3

テクチャ形状の測定結果

1502003.2 リング圧縮試験

5060

テクスチャ無テクスチャ有（前報）
テクスチャ有（本実験）0.08

溝断面0.540

内径変化率の測定結果

φ18mm 付近の溝形状

摩擦係数(b)µ0.01µ0.02
µ0.03
µ0.04
µ0.05
µ0.060.060.040.0200

図62040
圧縮率 %6080

各金型表面における摩擦係数推定結果

3.2.1 供試材の様子

4. 結び

圧縮率 60%におけるリング圧縮試験前後の供試材の外観を図 4 に示す供試材の内径の拡がりは、テクスチャ

リング圧縮試験を行った結果、溝深さが 0.3μm 程度無しの金型による場合と比較して、テクスチャ有りの方のテクスチャを金型に加工することで、摩擦を大幅に低が大きくなった。

減できることが分かった。特に、圧縮率 60%の時の摩3.2.2 金型表面摩擦の評価

擦係数は、テクスチャ無しの金型に対し 1/10 以下とな

CAE で算出した摩擦校正曲線に、実験より得られたった。

内径変化率をプロットした結果を図 5 に示す。この結果
より、各試験条件における摩擦係数を推定した。推定し付記た摩擦係数を前報の結果と併せて図 6 に示す。前報では

本研究は、「知の拠点あいち重点研究プロジェクトⅢ圧縮率 20~50%の範囲において、テクスチャを有する金期」で行った研究の一部である。

型による摩擦係数は大きくなり、テクスチャの効果が得られなかった。しかし、溝深さを小さくした本実験の金文献

型では、全ての圧縮率において摩擦係数は小さくなり、

1) 河田圭一, 児玉英也, 菅野祐介, 永縄勇人: あいち産テクスチャの有効性が確認できた。特に、圧縮率 60%

業科学技術総合センター研究報告, 10, 40(2021)の摩擦係数は 0.003 と最も小さくなり、テクスチャの無2) 沢田博司: トライボロジスト, 63(10), 659(2018)