塑性発熱を利用した自己昇温プレス成形法の開発
地方独立行政法人 大阪府立産業技術総合研究所 加工成形科研究員
四宮 徳章（平成 22 年度一般研究開発助成 AF-2010020）
キーワード：サーボプレス，深絞り成形，衝撃押出し成形

１．研究の目的と背景

３．圧縮試験による検討

プレス成形時の塑性変形仕事のうち 90％程度は熱に3.1 実験条件変わると言われている（以下，「塑性発熱」と称す）．理圧縮試験は，富士電波工機㈱製の熱間加工再現試験装論的に計算すると，変形抵抗 1000MPa の鋼系材料を相当

置 THERMECMASTOR-Z（FTZ-203A）を用いて行った．

塑性ひずみ 1.0 まで圧縮した場合，材料温度が約 250℃上

図 1 に試験装置の概略を模式的に示す．被加工材は純チ昇するほどその発熱量は大きい．一般的に，材料の変形タン 2 種（TW340）および SUS304 とし，直径 8mm の引抵抗は温度上昇に伴って低下することから，この塑性発抜き材から直径 8mm，高さ 12mm（±0.05mm）の円柱試

熱を利用して被加工材の温度上昇を達成できれば，通常験片を切り出して試験に用いた．金型形状は直径 20mm，の冷間加工と比較して低荷重での成形が可能になると考高さ 10mm の円柱状圧板とし，金型材料には，一般的なえられる．しかし現実には，成形中の被加工材は金型に冷間加工用金型材料である SKD11，熱伝導率の低い材料接しているため，発生した熱の大半は金型に伝導し，発としてジルコニア（ZrO2）とステライト，熱伝導率の高生熱を成形に利用できるほど効果的な被加工材の温度上い材料として超硬合金（WC）を採用した．被加工材と昇は望めない．

金型材料の熱物性（熱伝導率，比熱，密度，温度伝導率）

温間加工では，被加工材を炉で加熱することや金型をの参考値を表 1 に示す．なお，温度伝導率は，熱伝導率ヒータで加熱して成形を行うことで，冷間加工に比べ成を熱容量（比熱と密度の積）で除したもので，材料内の形荷重の低減や成形限界の向上を達成できるが，被加工温度の伝わりやすさを示す物性である．

材や金型を積極的に加熱するため，エネルギー消費は大試験片が金型に凝着する程度は金型材種によって異なきい．地球温暖化対策の観点から生産現場では省エネルるため，試験片と各金型との摩擦条件を統一することをギー化が一層求められており，エネルギー消費を抑えた目的に試験片と金型の間に天然雲母板（直径 20mm，厚新しい成形方法の開発が望まれている．

さ 0.2mm，熱伝導率 0.7W/(m・K)，比熱 206J/(kg・K)，

本研究では，金型材料に熱伝導率の低い材料を用いる

密度 2,700kg/m3）をセットして試験を行った．また，試ことや，サーボプレスのスライドモーション制御を活用

験片が大気から熱的影響を受けないように，チャンバーすることにより，被加工材－金型間の熱移動の調整を行内を真空（1.5Pa 程度）にすることで対流の影響を小さくう．それにより，塑性発熱を被加工材の均一な昇温に活し，試験片周辺をアルミ箔で覆うことで放射の影響を小かし，省エネルギー効果が高く，成形性・寸法精度に優さくした．圧縮速度は，0.1mm/s，1.0mm/s，10mm/s の三れた冷間加工法の確立を目指すものである．

段階に設定し，試験片の温度上昇に及ぼす圧縮速度の影響を調べた．圧縮中の試験片の温度は，R 型熱電対（素２．研究の手順

線径 0.2mm）を円柱試験片の側壁中央部表面に溶着して本研究では，まず，①単純な圧縮試験により，断熱効測定した．

果の高い金型材料が何かや，変形抵抗に及ぼす材料の昇3.2 実験結果
各金型および各圧縮速度条件における，圧縮率 60%（ス

温の影響が大きい素材（被加工材）は何かについて調べ1)．その後，②実成形において効果を検証するため，トローク 7.2mm）時の荷重を図 2 に示す．SUS304，TW340

昇温による変形抵抗の低下が大きい素材を対象に，深絞ともに，どの金型材料を用いた場合においても，圧縮速り成形実験を行った．断熱効果の高い金型材料を用いて度が高いほど荷重が低かった．また，ほとんどの条件で，成形した場合に，成形性の向上や他の有用な効果がある

金型材料の熱伝導率が低いほど荷重が低く，金型材料にた

2)．また，加工時の発熱が製品の寸法精度

ZrO2 を用いた場合では，他の金型材料を用いた場合と比に及ぼす影響も大きいと考え，③素材の温度上昇が大き較して，SUS304，TW340 ともに，どの速度条件においい衝撃押出し成形において，サーボプレスのスライドモても荷重は低かった．また，素材により荷重に及ぼす圧ーション制御により素材温度を適切にコントロールし，縮速度の影響は異なり，SUS304 では 0.1mm/s において，のかを調べた

3)

寸法精度の向上を図ることを試みた ．以下，順に，そTW340 では 1.0mm/s において，金型材料に ZrO2 を用いれぞれの検討結果を示す．

ることで，荷重を大きく低減できた．SUS304 と TW340

ー 93 ーTable 1

Chamber (Vacuum atmosphere)

Thermophysical properties of specimen anddie

Thermocouple
ThermalSpecific heat
conductivity
cpλ[J/(kg・K)][W/(m・K)]

Upper die
φ20×10specimen
φ8×12Micaρ[kg/m3]10-6[m2/s]

sheet
φ20×0.2

Aluminum

Lower diefoil

φ20×10

Fig.1

Thermometricconductivity
λ/(c p ・ρ )Density

Schematic illustration of experimental
apparatus for compression test

SUS304

16.3

502

8,030

4.0

TW340

16.7

522

4,500

7.1

A5052

138963

2,700

53.1

SKD1129.3

460

7,800

8.2

ZrO2

3.0

500

6,000

1.0Stellite

15.0

381

8,500

4.6WC

41.9

250

13,90012.1(a)(b)
0.1
Ram speed [mm/s]

Ram speed [mm/s]

0.1

1.0
SKD11ZrO2
Stellite
WC

10.0

1.0
SKD11ZrO2
StelliteWC

10.060100 110 120 130 140 150 160
Load [kN]Fig.2

708090100 110120

Load [kN]

Variation of compressive load in each case :(a)SUS304, (b)TW340 (stroke 7.2mm)の熱伝導率はほぼ同等であることから，素材の温度伝導o率が荷重の低減に影響を及ぼすと考えられ，温度伝導率下した．

C までの間で，引張り強さ，および，全伸びは大きく低潤滑油はプレス油（豊国石油㈱製 A101）を用い，素板が低い材料ほど荷重低減効果の大きい圧縮速度は低いとの両面に塗布した．工具には，SKD11 製の平頭パンチ（外思われる．
以上より，断熱効果が高い ZrO2 は，加工時の発熱を成

径 40mm，肩 R=4mm）と，SKD11 製および ZrO2 製（冨士ダイス㈱製 FCY20A，熱伝導率;5W/(m・K)）のダイ（内形に利用するのに有効な材料であった．

径 42.5mm，肩 R=8mm）およびしわ抑えを用いた．また，４．断熱工具を用いた深絞り加工

素板両面に厚み 0.055mm の表面保護テープ（トラスコ中次に，上述の発熱による荷重低減効果を実成形におい

山 TSP-510B，熱伝導率 0.2W/(m・K）程度，以降，フィて検証するために，SUS304 の深絞り成形において，熱ルムと称す）を貼付することにより，SKD11 製の工具を伝導率の低い ZrO2 を金型材料に用いることや，断熱フィ使用した場合でも，工具への熱移動が抑制できるのかをルムを素材に貼付することを検討した．また，加工誘起調べた．

変態に及ぼす成形温度の影響を調べるために，成形品の4.1.2

試験機器および試験条件

深絞り実験には，自動型万能絞り試験機（㈱東京試験

残留オーステナイト量を調べた．
4.1 実験方法

機製 SAS-200D）を用いた．成形速度は 200mm/min およ4.1.1

び 60mm/min に，しわ抑え力は 8kN に設定した．素板温供試材料および工具供試材料には公称板厚 1.0mm で，直径 80mm に打抜きo

度は，素板圧延方向の端部にあらかじめ K 型熱電対（素加工を行った SUS304 板を使用した．室温から 150 C ま線径 0.2mm）を溶着することによって測定した．また，でで引張り試験を行った結果を図 3 に示す．室温から 150

残留オーステナイトの測定は，X 線応力測定装置（㈱リー 94 ー(a)Fig.3

Mechanical property of specimen(b)Fig.5
Fig.4

Punch load-stroke curve : punch speed(a)200mm/s ,(b)60mm/s

Effect of tool and punch speed on blanktemperature

図より，200mm/min，60mm/min いずれの成形速度でも，ガク製 AutoMATE）を用いて素板の圧延方向について行

ZrO2，SKD11，フィルムの順に成形荷重が低いことがわった．なお，X 線の線源としては Co-Kα 線を用いた．

かる．ZrO2 は成形中の温度が高いにもかかわらず成形荷4.2 実験結果

重が高い結果となったが，これは素板と工具間の摩擦係4.2.1数によるところが大きい．また，同図(a)(b)から成形荷重

素板温度

まず，成形中の素板温度に及ぼす工具およびフィルムに及ぼす成形速度の影響を調べると，200mm/min ではの影響を調べた．成形中の素板温度を図 4 に示す．成形60mm/min と比較して，最大成形荷重はやや低かった．の後期で熱電対は外れてしまうが，フランジ端部がダイ

これは，潤滑油の速度効果による摩擦係数の低減と，素R 部に到達するストローク 30mm 程度まで，素板温度を板の温度上昇による材料強度の低下の両者の影響が考え測定できた．いずれの型条件においても成形速度られるが，最大成形荷重の低減は 3%程度であり，加工200mm/min の方が素板温度は高く，ZrO2 やフィルムを用時の発熱による成形荷重の低減効果は小さいと思われる．

いた場合には，SKD11 を用いた場合より素板温度が高く4.2.2残留オーステナイト量なった．成形速度 200mm/min では，フィルムを用いた場

SUS304 の深絞り成形品に見られる時期割れは，加工合に素板温度が最も高く，ストローク 28mm 付近で概ね誘起変態や残留応力に深く関係すると言われている．成o

100 C にまで達した．また，成形速度 60mm/min では，形中の温度は加工誘起変態に大きく影響を及ぼすことかフィルムを用いた場合より ZrO2 を用いた場合の方が素ら，加工時の発熱も影響を及ぼすものと考えられる．そ板温度が高く，成形速度により工具への熱移動の様子がこで，成形品の残留オーステナイト量を調べることで，異なることがわかった．いずれにせよ，熱伝導率の低い加工発熱が加工誘起変態に及ぼす影響を調べた．図 6 に工具やフィルムを用いると加工時の発熱を素板の温度上成形品側壁の残留オーステナイト量を示す．成形品高さ昇に活用できることが明らかになった．の高い位置（端部に近い位置）ほど残留オーステナイト4.2.2

量は少なく，加工誘起変態率が高かった．これは，端部成形荷重

素板温度の上昇が成形荷重に及ぼす影響を調べるため，パンチ荷重線図を比較・検討した．結果を図 5 に示す．に近い位置ほど加工度（塑性ひずみ）が高いためである．
また，成形中の素板温度が高い条件ほど，残留オーステ

ー 95 ー

(a)

(a)

(b)
Strain gauge
φ17.6
Punch

3°

Work piece
Die5φ20Fig.72φ18φ9Knockout

Schematic illustrations of (a)cross section ofexperimental apparatus and (b) front edge of punch.

止するモーションの 6 種類を検討した．以降，①②を一(b)定モーション，③④を減速モーション，⑤⑥を停止モーションと称す．
解析には，鍛造シミュレータ（NTT データエンジニアリングシステムズ，simufact.forming10.0）を用いた．二次元の軸対称問題とし，素材は弾塑性体，工具は弾性体と定義した．工具形状は上述の三次元形状測定機を用いてパンチ外径について 2 断面およびコンテナ内径について 9 断面の測定を行い，解析に用いた．また，素材および工具の機械的特性には，ソフトウェアに収録されているライブラリデータをそれぞれ引用し，素材には速度依
Fig.6

Effect of tool on austenite fraction : punch speed

存性（ひずみ速度 0.001～10s-1）および温度依存性（20(a)200mm/s, (b)60mm/s～120 C）を考慮した 1000 番系のアルミニウム，工具にoは SKD11 を設定した．実際の成形では，スライド条件にナイト量が多かった．つまり，加工時の発熱を利用するよりひずみ速度 10s-1 や素材温度 120 C を超える変形箇所ことにより，残留オーステナイト量を増大でき，時期割が存在すると思われるが，素材の変形抵抗はひずみ速度れ防止に活用できる可能性を見出した．の低い範囲で支配的に変化し，また，温度依存性につい５．サーボプレスによる衝撃押出し加工による検討ては変形時の素材温度を概ね包含していると考えられる

5.1 実験および解析条件ため，大きな差異はないものと思われる．摩擦係数としo成形には 2000kN リンク式 AC サーボプレス（コマツては，素材－パンチ，素材－コンテナともせん断摩擦係産機，H1F200）を用い，工具には，SKD11 製のパンチお数を 0.1 に設定し，素材および工具の初期温度は 20 C，oよびコンテナを用いた．また，パンチ上部に設置した素材－工具間の熱伝達率は 20kW/(m ･K)に設定した．サSKD11 製の円柱ブロックにひずみゲージを貼付して，成ーボプレスのスライドモーションの設定には，実際にプ形荷重を測定した．図 7 に概略図を示す．素材には，化レスから出力される時間－ストロークデータを用いた．

成皮膜処理を行った直径 19.5mm，高さ 6mm の A1070 材

また，直径は，加工発熱により昇温した成形品の冷却解（耐力:86MPa，引張強さ:95MPa，伸び:28%）を用いた．

析を行い，熱収縮後の最終形状を三次元の STL 形式で出成形品の内・外径の測定には，三次元形状測定機（ミツ力して求めた．

トヨ，Quick Vision PRO）を用いて，スタイラスにより内5.2 実験および解析結果とその考察径で 8 点，外径で 6 点の座標を測定し，円近似すること

5.2.12で直径を求めた．

実験および解析結果

設定したスライドモーションと実際のスライド動作に今回検討を加えたサーボプレスのスライドモーション

かい離がないかを確認するために，まず，各モーションを図 8 に示す．リンクモーションの 50spm を 100%としのスライド速度について調べた．図 9 は，スライド速度て，①100%一定モーション，②20%一定モーション，③を下死点からの距離で整理したものである．100%一定モ

下死点上 5mm で 100%から 20%に減速するモーション，ーションでは，下死点上 5mm の位置まで急激に速度が④下死点上 4mm で 100%から 20%に減速するモーション，低下し，その後 1mm 付近まで 40mm/s 程度のほぼ一定速⑤100%の速度で下死点上 4mm において 0.1s 停止するモになった．これは実験に使用したサーボプレスのリンクーション，⑥100%の速度で下死点上 4mm において 1s 停機構に起因するものである．また，20%一定モーションー 96 ー

(a)

Fig.8

Various slide motion patterns used in this study.
(b)

Fig.10
Fig.9

Variation of inner diameters of impact extruded
cup : (a)experimental, (b)calculated

Slide speed of various slide motion patterns usedin this study

内径が小さかった．これらは成形時の加工発熱に応じたでは，100%の 20%程度の速度（8mm/s 程度）になってお加工後の熱収縮が原因と考えられる．一方，減速モーシ

り，設定どおりに動作したと言える．減速モーションでョンでは，高さ方向に対する直径の差が他のモーションは，下死点上 5mm および 4mm において 20%の速度に向に比べて小さく，下死点上 5mm の減速モーションではけて減速を開始するため，2mm および 1mm 付近まで 20%内径の差が小さかった．停止モーションでは，0.1s，1sの速度に減速できていなかった．また，停止モーションともに高さ方向に対する直径の差が大きかった．また，

では，常に 100%の速度設定であるにも関わらず，成形外径についても同様の傾向が確認できた 3)．これらは成開始の 6mm 付近から 1mm 付近まで，0.1s，1s の両停止

形中の素材温度に起因するものと考えられるが，詳しくモーションとも，100%一定モーションより速度が低かっは次項で考察する．以上より，スライドモーションが製た．これは，4mm での停止に向けた減速区間とその後の品寸法精度に及ぼす影響は大きく，スライドを適切に制再起動による加速区間が必要なためである．素材と金型御することで高さ方向の直径の差を小さくすることがでの熱移動に及ぼすスライド速度の影響は大きく，それにきた．また同図(b)に示した解析結果においても，内径・よる素材の熱収縮は大きいと思われる．寸法精度の向上

外径に及ぼすスライドモーションの影響は実験結果に近を達成するためには，このような実際のスライド動作をい傾向を示し，減速モーションでは，高さ方向の直径の把握することが非常に重要と考えられる．

差が小さいことを確認できた．

成形品の内径の測定結果を図 10 に示す．なお図中，縦5.2.2

成形中の素材温度と寸法精度の考察

軸は成形品の底部を 0mm としてその高さを示し，本報

内径寸法および外径寸法は成形中の素材温度によって告書では，高さ方向の直径の差が小さい場合に寸法精度大きく影響を受けると考え，成形中に最も素材温度が高が良いものとして評価した．図 10(a)より，減速モーショくなると考えられるパンチ肩近傍の素材温度の推移を，ンを除く他のモーションでは，内径は，底部（高さ 5mm）解析により調べた．結果を図 11 に示す．図より，スライから端部（高さ 21mm）に向かって徐々に大きくなるこ

ド速度が 100%と高い場合は素材温度の上昇が大きく，とがわかる．また，20%一定モーションと比較して，100%一定モーションでは，底部から端部のいずれにおいても最高で約 140oC に達することがわかる．一方，スライド速度が 20%と低い場合は，最高温度が 85oC 程度であっー 97 ー

Fig.11 Effect of slide motion patterns on maximum

Fig.12Distribution of work piece temperature as passwork piece temperature (calculated)though the punch shoulder (calculated)

た．これは，スライド速度が低速の場合，加工により発や寸法精度の向上を試みた．SUS304,TW340 の圧縮試験生した熱が金型へ多く移動するためと考えられる．また，では，金型材料や加工速度を検討した結果，金型材料に減速モーションでは，成形初期に素材温度が上昇した後，ZrO2 を用いることで荷重を低減できた．また，SUS304

成形中期以降で素材の昇温が抑制された．特に，下死点の深絞り実験では，金型材料に ZrO2 あるいは素材に保護上 5mm の減速モーションでは，下死点上 3mm 以降の素フィルムを貼付することで成形中の素材温度を大きく上o

材温度が 80～85 C 程度でほぼ一定であった．一方，停止昇でき，加工誘起変態を抑えることができた．また，衝モーションでは，スライド停止の下死点上 4mm までに撃押出し成形では，サーボプレスのスライドモーション

素材温度の上昇がほとんどないため，素材温度の低下に制御を活用することで，素材温度の調整を行うことがで対する効果は小さかった．また，再起動後は素材の温度き，その結果，成形品の寸法精度を高めることができた．

が急激に上昇し，100%一定モーションとほぼ同程度の約

謝o

140 C にまで達した．

辞次に，成形品側壁部の各部位が成形中パンチ肩近傍を本研究は、公益財団法人天田財団平成 22 年度一般研究

通過する際の温度を図 12 に示す．図より，100%一定モ開発助成（AF-2010020）により実施したものであり，こーションや停止モーションでは，成形品底部に近いほどこに感謝の意を表します．また，金型設計および各成形成形時の温度がきわめて高く，熱収縮により寸法が小さ実験にあたり多大なご協力をいただいた地方独立行政法くなると考えられる．一方で，下死点上 5mm の減速モ人大阪府立産業技術総合研究所の白川信彦氏に謝意を表oーションは，各高さの成形温度が約 80 C で一定であり，します．

成形高さごとの熱膨張，熱収縮の差が小さいと考えられ

参考文献

る．これらは，図 10 に示した内径と同様の傾向を示し，成形途中のスライドの減速は，素材温度の適切な制御を

1）四宮徳章，白川信彦，中本貴之：日本機械学会論文集可能にするため，成形品高さ方向の直径の差を小さくで(A 編)，77-779(2011)，1051-1055.

きることがわかった．

2) 四宮徳章，白川信彦，中本貴之：第 63 回塑性加工連合講演会，(2012)，137-138.

６．結言

3) 四宮徳章，白川信彦：日本機械学会論文集(A 編)，

加工時の発熱を素材の昇温に利用し，成形荷重の低減(2013)，掲載予定

ー 98 ー