平成12年度 研究報告 大分県産業科学技術センター

放電加工面の機械的特性の評価法に関する研究
城門由人傘。松田健次…
機械電子部。ヰ寧九州工業大学工学部

Ev盈且u盈鮎孤⑬ぎMee詭am量e盈星野訂⑬pe訂鮎§￠mE旦ee富riea旦わ呈＄e臨毯訂geM亀鑑鮎皇mi態gS隠訂君aee
Yukibito監‡DO＊・KenjiMATSUDA＊＊＊＊

Mechanics＆ElectronicsDivisionBKyushuInstituteofTechnology
要旨
放電加工面のようにやや粗い面における機械的特性の評価法について検討した．鏡面に対しては，マイクロピッカース硬さ試験を通して硬さの評価や加工変質層域の把握などが可能であるが，粗い面には対応できない，
本研究では，ショア硬度計を改良した衝撃試験機による評価法を実施し，その妥当性について検討した．
1．緒言

2．実験方法金型の作製に際し，工程の一つとして放電加工が利用

2．l．評価手段の検討

一般的にワーク表面層の加工による影響は，硬さ試験される．放電加工は，要求される形状に型取られた電極や摩擦摩耗試験あるいは切断面の組織観察などにより評（工具）をワーク（被加工物）に接近させ，その間隙に発生する放電現象によりワークを溶融させながら電極形状価されているが，機械的特性の評価としては硬さ試験ををワークへ転写する加工であり，特に，複雑な表面形状利用する方法が多く用いられている。表面硬さの測定方の型の作製には不可欠な加工手段である．従来は，放電法としては，ピッカース硬度計やブリネル硬度計など測加工後に熟練者による磨き工程が行われ，仕上げはその定条件に応じた多種多様な計測器臭が存在する。ここで，工程に左右されてきた．しかし，近年では放電加工技術放電加工面の評価という観点から，ピッカース硬さ試験の進歩から，磨きレスまたは磨き工程の簡略化がはからのような圧こん形状から推定する方法ではなく，ハンマれており，放電加工面がそのまま利用される場合が増えの衝撃挙動から推定するショア硬さ試験法を採用したつつある．このことは加工時間の短縮や熟練者への負担（1J，なぜなら，放電加工面は，表面の凹凸が激しいための低減につながる．一方で，これまで磨き工程があったに明瞭な圧こんが残らず，その形状を正確に計測できなために，放電加工表面の機械的特性は重要視さていなかいからである。

った．つまり，表面層の加工による影響はそれほど考慮されていなかった．しかし，放電加工が熱エネルギーを利用した加工であることを考慮すれば，加工による表面層への影響は多大と考えられる．
また，放電加工面は研削面や切削面と異なり表面層が非常に粗く，鏡面放電加＝以外の加工面に対する一般的な表面硬さ試験を用いた機械的特性の評価は不可能である．例えば，庄子を測定面に押し付けタ その庄こん形状から硬さを測定し評価する方法の場合，放電加工面では圧こんを正確に計測できず評価は不可能である．

本研究では，ワーク加工面に及ぼす放電加工の影響を捉えることを目的として，加工層近傍にお：ナる機械的特性の評価方法について検討した．

Fig．1Pictlユre Oデexperlmentalapparatus（The Shorehardnesstester）【84−平成12年度 研究報告 大分県産業科学技術センター
ショア硬さ試験は，代表的な数的硬さ試験であり，一2．2．実験方法

定の重さb形状のハンマを一定の高さから試験片に落下Fig。iに，衝撃試験システム（改良型ショア硬さ試験機）させた際のはね上がり高さを尺度として硬さを定義すしるの外観写真を示す。値頃した試験機は，市販の指示形（Dものである．このショア硬さ試験は，試験機が小型，軽形）ショア硬さ試験機である．ただし，硬度計付属の指量，安価かつ操作法の簡便さから，現場の検査手段とし示部を除去し，レーザードップラー振動計のレーザーーをて広く普及している．

ハンマ上端部に当てることによりハンマの衝撃挙動を測定した．振動計の周波数帯域は旦．5M壬izであり，100k壬izのローバスフィルタを使用しサンプリング速度1MHzで計測した．

試験片表面近傍の衝撃挙動をとらえやすくするため
こ，質量，先端形状の異なる4種類のハンマを使用した
2）．各ハンマの詳細をTabielに，写真をFig．2に示す．
ショア硬さ試験に使用するハンマは，日本工業規格（JISB7727）に質量∽は約36．2g，先端のダイヤモンドチッ
プ庄子の半径月は約1mm，ハンマ落下高さ‰は約19mmと記載されているが，使用したハンマの実測値はやや異なった。ハンマÅおよびBの庄子には，ボールペン先端の球を，ハンマCには，市販のセラミックボールベア
ング（窒化珪素）の球（‖6i王1）をハンマ先端に圧入しFig．2 PictⅥreOFhammers

た。また，作製したハンマA，B，Cの落下高さゐは，Tabiei Detaiisofhammers
StandardHammer＝ammerA

HammerB

fiammer C

Aiuminumailoy

Steel

Material of body

Steel

Steel

Mass（g），椚

37．50

40，30

i4．37

Diamondtip

Stainiesssteei

Stainlesssteei

1．00

0．70

0．70

1．59

965

197

197

315

0．2

0．3

0．3

0．25

i9

1．321．32

i★ユニ

Material of indenter
Diameter ofindenter（mm），R
Young smodulusof
indenter（GPa），EPoisson，sratioof
indenter，γDropping height（mm），カ

39．94
Commercial bearingsiiiconnitride

Table2 ConditionofelectricdischargeprocessAnvilA
Diameter（mm）Ånvi王B25

Anヽ7iiC

2525

Copper（Cu）

Copper（Ctヱ）

500

200Height（mm）
Electrode
Setupofradiusofshaking
process（mm）
Setupof貞nishingsurface
roughness，Rmax（〟m）
Measuredsurねceroughness，Ra（〟m）
Measuredsurねceroughness，Ry（〟m）

6

0．58

0．15

0．97

3．15

0．9i

5．00

＊M汀SUBiSH‡co∴EA一三2E（EDCOAT）＊E・S・P・A・R。Program＊Anvi1A‥Nonelectricdischargeprocess

一85−

リ平成12年度 研究報告 大分県産業科学技術センター
ハンマ強度を考慮してすべて約1．32mmとした．

母材の硬さを示していると考えられる．放電加工面では，試験片は，直径25mm，高さiOmmのS50Cの両面を低荷重において研削面より高い硬さを示しており，加工研削加工し，試験面に対し銅電極による放電加工を施しによる影響が大きいことが分かる．

た。比較のために，放電加工を施さない研削面のみの試

このようにビッカース硬さ試験では，計測面粗さが小験片も用意した．試験片作製には，三菱電機株式会社製さい場合において表面層の状態をとらえるのに十分な能形彫放電加工機EA−12E（EDCOAT仕様）を使用した．

力を発揮するが，粗い面に対しては適用できない．

加工条件をTabまe2に示す．

3．2．衝撃による機械的特性の評価
Fig．4は，標準ハンマおよび作製した3種のハンマによる衝撃試験の結果を示す．評価法としてレ…ザードップ

3．実験結果3．L ピッカ鵬ス硬さ試験による評価

ラー振動計により実測される衝突速度㌢ノと反発速度り

試験片Å，B，C に対してピッか−ス硬さ試験を行っの比により求められる反発係数とを用いた．

たヾ 試験片ÅおよびBは，面粗さが小さくピッカース硬ど＝−−りさ試験による硬さの計測が可能であったが，試験片Cに；■ついては，表面が非常に粗く計測不能であった．Fig。3に，反発係数は，衝撃の際にエネルギー損失が全くなけれ

ハンマÅ，Bにおける荷重とビッカース硬さ（HV）の関ばと＝1となるが，実際は接触体の変形エネルギーや摩擦係を示す。一般的に，研削面は加工硬化により高い硬さエネルギーなどによる損失エネルギーのためにぞ＜1とを示す傾向がある．事象Fig．3から低荷重での硬さが高なる。Fig．5に，実測される速度変化を示す．

荷重の場合に比べ高い値を示していることから理解でき

Fig．4から標準ハンマでは，衝撃力が強いために表面層る，低荷重側での極端な硬さの上昇は加工硬化による影よりむしろ母材の影響が現れてい響を，高荷重側での硬さの収束（HV250程度）は試験片による違いは認められない．ÅnvilAとAnvi柑は，各ハると考えられ，試験片ンマにおいてほぼ同程度の反発係数を示すが，ハンマBにおいて試験片による違いが現れ，ÅnvHÅ（研削面），一々トん吊A（研削五億A州B（放電面1〟血）郁ト層劇】ÅnvilB（放電面1〃mRmax），AnviiC（放電面6〃mRmax）の順に高い値を示した．

◆j き

●二丘き

3訂

したがってヲ ハンマBによる衝撃試験はラ マイクロビ

盛三詔●ユ長ッカース硬さ試験レベルの表面層近傍での機械的特性の評価が可能である．また，ピッカース硬さ試験で対応不苧縫●点可能であった比較的粗い面での評価も可能にした．

4．考察
151 101 151

ニわ1251カ1

こ好1 J氾14515〕1

4．1．圧こんによる評価

We離，gF

Fig．6は，標準ハンマおよびハンマBによる試験後のFig．3 Vickershardnesstest

試験片に残る圧こんの断面形状を示す．ここで，ハンマ▲言00芯＞

ー2〔氾−300−ヰ00ー500

急ぎ融伽

A 腫

臨ATime，mS∝占5

Fig．5 Ve呈ocityoデモbehammermeas11redtiSlng々＼jこ踊㈲7

職4

thelaserdoppほrvibrometer，StandardHammer−

F唱．ヰ 王mpact盲est

AnviiB

ー86−平成12年度 研究報告 大分県産業科学技術センター

・430・柏。54a（b）HammerB，ÅnviiA（a）Standardbammer，ÅnvilÅ

1．

（C）Standardhammer，AilVilB（d）Hammer重量，ÅnviiB（e）Stan（皇ardhammer，ÅnviiC（りHammerB，ÅmもーiiC

Fig．6 Sectionoデdentonanvii
8は，他ハンマに比べて試験片による相違が大きいこと

種類に関係無くほぼ等しい．一方，ハンマ鋸こよる圧こから採用した．標準ハンマによる圧こんは，試験片の表ん深さは，標準ハンマの約1／3程度であり，試験片表面面粗さに比べて明らかに大きく深い．このことからハン近傍での挙動を捉えていると考えることができる．Anvil

マの挙動が試験片表面よりむしろ試験片母材の影響を捉C（放電面6〃mRmax）の場合，圧こん深さは粗さのレえていると考えられる．このとき，反発係数は試験片のベルであり，ハンマ挙動は明らかに加工層域の特性を捉−87−

平成12年度 研究報告 大分県産業科学技術センター
Table3 Resultsofnumericalsolution
StandardHammer
Maximum displacement（〃m），∂
Maximumcontactfbrce（N），P

MeanHertzianpressure（GPa），Pm

HammerA

HammerB

HammerC

21．911．77．8

iO．8798

1‖60120＝．68．6

710．08＊Anvil：Young smodulus206GPa，Poisson sratioO．3

えている．

5．結言

したがって，本実験で行ったハンマBによる衝撃試験

本実験は，放電加工面のような比較的粗い面の機械的は，加工表面層の機械的特性について的確に捉えること特性の評価方法について検討しが可能である．

価方法として衝撃試験を採用し，ハンマの衝撃挙動（反，その解析を行った．評

4．2．衝撃挙動の理論的評価

発係数および圧こん形状）から加工層の機械的特性の評

本実験によるハンマの挙動は，ハンマの自由衝撃と考価を試みた．試験機は，一般に普及しているショア硬さえられる．つまり，ハンマは試験片に対し自由落下で衝試験機を使用し，表面層の的確な評価が行えるようにハ突し跳ね返る単純な衝撃挙動である．そこで，この衝撃ンマを改良した．以下に，本評価法の妥当性について述

を球と平面の純粋な衝突と考え，弾性理論（3）により理論べる。

解を導出する。

1．ハンマBの使用により，評価面の表層を的確に捉えヘルツ接触による最大変位∂は，ることができた．

2．本衝撃評価試験では，ハンマ庄子の形状からピッカース硬さ試験のような微小領域での評価ではなく，∂＝〔；羞リニア

やや広範囲での平均的な面の評価となる一 したがって，放電加工面のようなやや粗い面に対しても対応で導出され，最大接触力㌘は，可能である．

p＝三、仔．g′，∂了

以上のように，放電加工面のような粗い面に対応でき3となる．このとき，最大ヘルツ圧ク椚mおよび平均ヘルツる評価法を確立できた．今後は，本試験法を用いて相対圧ク〃王は，的な評価から絶対的な評価が行えるよう試験方法および試験機の改良を図る予定である．

3 丘 ′2p

J 【・ニユ、； ．．

2 7r3月2謝辞＝ 亡ユ．…・、

1．5

最後に，本研究は平成12年度先端技術研修事業（平成13年1月9日から平成13年3月31日）において九州工により算出される．ここで，等価弾性係数g，は，つ2業大学工学部で着手した研究の報告である．研究に協力

ヱ1コ」ユニヱこ＋g′ gl 丘■2

いただいた九州工業大学工学部兼田植宏教授，西川宏志により求まる．

助手，村上清人技官，大学院生石井矢寿子さんおよび学

上記の数式を用いて計算した結果をTable3に示す．た部生松村仁君に謝意を表す．

だし，試験片（S50C）のヤング率は206GPa，ポアソン比0．3である．

参考文献

買出した平均ヘルツ任はタ 最低のハンマBでも7GPa（り松田健次。兼田植宏，有限要素法によるショア硬さのと非常に高圧であり，実際に金型や機械部晶が受ける圧解析，機論，66−652，A（2000）5 2113−2121．

力に比べれば高い値である．したがって，実用上さらに（2）K．Matsuda and M．Kanet勘Rebound hardness oざ

表層の評価が必要であるが，本試験においてこれまで捉electroplated coatlngS，EIsevier Science B・V・，2000，えることのできなかった層域での評価を卜分行えること

163−172．

が明らかである．

（3）S。P．TimoshenkoandJ．N．Goodier，TheoryofElasticity，
McGraw−Hi王1Kogakt王Sha，Tokyo，1970，420−421．

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