せん断加工における焼付き発生機構の解明
近畿大学 工学部 機械工学科
助教 山田 智裕
（平成 27 年度奨励研究助成 AF-2015045）
キーワード：焼付き，せん断加工，熱化学

１．研究の目的と背景
塑性加工において，せん断加工は初期の工程で材料を分離して後工程へつなげる役割や，順送型の最終工程で材料を分離する等，量産に欠かせない加工法である．せん断加工により得られる切口面はだれ，せん断面，破断面，バリからなり，せん断面以外は製品によっては欠陥として扱われる．これら欠陥を防ぐためにこれまで様々な精密せん断パンチ
ブランク
ホルダー
被加工材
ダイ法が開発されてきた．代表的な精密せん断法として，シェービング加工 1)，対向ダイスせん断法 2) ,3)，ファインブランキング 4)，仕上げ抜き法 5)などがある．現在，最も簡易

図 1 仕上げ抜き法の模式図

的にせん断面割合を増加させる精密せん断法として仕上げ抜き法が注目されている．これは図 1 に示すように小さなクリアランスで工具刃先を丸み形状または面取り形状とするだけの簡便な加工法である．
仕上げ抜き法は表面積拡大を抑制する特性をもっているため，クラッド材等において表層の異種材料を切口面に引張り込み，切口面を異種材料で覆うせん断被覆法 6)としても利用されている．図 2 に酸化膜の追従を有限要素法に加工前より解析した結果を示す．加工開始前のパンチの刃先直下に位置する被加工材表面にポイントを付け，ポイントの移動を追跡した．ポイントを酸化膜と仮定すると，仕上げ抜きの方が酸化膜の追従性が高いことがわかる．したがって，慣用の直角刃で鋼板をせん断加工すると，パンチと被加工材内部の鉄との接触となり，仕上げ抜き法では被加工材表面の酸化膜との接触となることが推定される．
一般に材料の強度が上がるほど，被加工材が金型に付直角刃せん断加工後仕上げ抜き加工後

図 2 直角刃せん断と仕上げ抜きの接触の違い着・積層する焼付き現象が起きやすくなる．この状態でせん断加工を行うと，成形品に引っ掻いたようなキズが発生

２．解析方法し，製品価値が低下する．上記の問題から，せん断加工に解析には熱化学計算等を行うためのデータベースソフおける焼付きの発生機構を明らかにすることが求められ

ト MALT・Gaussian を使用した．ギブスエネルギー最小ている．同種材料同士の加工では焼付きが起こりやすいた化法により，データベースから各物質・各温度のギブスエめ一般的には工具に TiCN コーティングを施して鉄鋼材料ネルギーを抽出し，化学反応が進み切った状態の熱化学計をせん断加工することが行われているが，仕上げ抜き加工算を行うことができる．と直角刃加工では接触する物質が異なるため，仕上げ抜き結果の考察を簡略化できるように TiCN を TiC と TiNにおいても TiCN コーティングが有用であるかは判明してに分けて解析を行った．
実際の TiCN コーティングは Ti，いない．

C と N の 3 種により NaCl 型の構造をとっている 7)ため，焼付きの発生機構の解明のアプローチとして、今日までこの解析条件は妥当であると考えられる．各種反応物をは物理的なパラメーター（温度、すべり距離、面圧）で整1mol と設定し，圧力 100atm，温度を 323,453,1273K の理する試みが多くなされているが，本研究では熱化学解析

条件でギブスエネルギー最小化法による計算を行った．

により焼付き発生機構を解明することを試みる．また，熱323K は冷間加工での温度を，453K は酸化膜の性状が変化学解析による結果が実際に起こっているかを実証する化するとされる温度 8),9)，1273K は工具と被加工材の真実ために実験と分析を行った．

接触部で発生する閃光温度 10)をそれぞれ想定している．

５．２ コーティングと酸化鉄：Fe2O3 との接触

３．実験条件本 研 究 で は 被 加 工 材 と し て 板 厚 6mm ， 引 張 強 さ

図 6・7 に TiN・TiC と Fe2O3 の熱化学解析結果をそれ780MPa の高張力鋼板 WEL-TEN 780RE を使用した．

ぞれ示す． TiN・TiC 共に Fe2O3 とすべて反応して消失

図 3 にパンチ形状を示す．一般的な直角刃のパンチと刃先し，Fe が生成している．また，両コーティング共に新たに 1.5mm のフィレットをとった 2 種類を比較した．両パな化合物 FeTiO3 が生成していることから，TiCN の焼付

ンチとも TiCN をコーティングし，クリアランスを 0.5%t

きの起点に FeTiO3 が存在するのではないかと推定できる．と設定した．加工前にパンチをアセトンで脱脂し，無潤滑FeTiO3の状態で実験を行った．

TiN
Fe4N
Fe2O3FeN2(a)直角刃パンチ(b)仕上げ抜きパンチ

図 3 パンチ形状

４．分析条件
島津製作所の EPMA-1720 を用いて，実験後のパンチと被加工材の元素分布を分析した．焼付きが発生した後，パンチの断面の分析を行った．加速電圧 15V，試料電流100nA に設定しマッピング分析を行った．被加工材についても，せん断面への酸化膜の流入状況を分析するため，断面の分析を行った．

５．解析結果図 6 TiN:1mol，Fe2O3:1mol の反応物による熱化学解析果

FeTiO3TiC
Fe3C
Fe2O3FeC：graphite

５．１ コーティングと被加工材母材(Fe)との接触
図 4・5 に TiN・TiC と Fe の熱化学解析結果をそれぞれ示す． TiN・TiC 共に Fe とはすべての温度で反応は起図 7 TiC:1mol，Fe2O3:1mol の反応物による熱化学解析果こっていない．したがって，TiCN と被加工材母材の Feとの摩擦条件下では焼付きは発生しないと推定される．

５．３ コーティングと酸化鉄：Fe3O4 との接触
図 8・9 に TiN・TiC と Fe3O4 の熱化学解析結果をそれTiNFeぞれ示す．TiN・TiC 共には Fe3O4 と反応を起こし，323Kと 453K のとき Fe と FeTiO3 が生成している． また，1273K では Fe2TiO4 が生成している．
Fe2TiO4FeTiO3

図4TiN:1mol，Fe:1mol の反応物による熱化学解析結果
TiN
Fe4N
TiC

Fe3O4FeFe
N2

図5

TiC:1mol，Fe:1mol の反応物による熱化学解析結果
図 8 TiN:1mol，Fe3O4:1mol の反応物による熱化学解析果Fe2TiO4
FeTiO3TiC
Fe3C
Fe3O4Fe
C：graphite

図 11 被加工材の仕上げ抜き加工後断面被加工材表面

図 9 TiC:1mol，Fe3O4:1mol の反応物による熱化学解析果A点

６．実験結果図 10 に加工回数 1 回後の仕上げ抜きパンチの写真を示

B点す．図 8 より，R の終端からすぐ上の平行部に焼付きが発生していることが分かる．直角刃パンチについては加工回C点

数 100 回後でも焼付きが発生せず，熱化学解析の予測通D点りとなった．
図 12 被加工材の分析箇所

樹脂被加工材
図 10 仕上げ抜きパンチの焼付き写真 (加工回数 1 回)

3 H C / FiL SEM 像

LiF/CH3(counts)
100

７．分析結果88

７．１ 被加工材の酸化膜の流入

75

図 11 に被加工材の仕上げ抜き加工後断面写真を示す．

63

また，図 12 に分析位置を示す．O と Fe の EPMA による

50
38

仕上げ抜き加工後被加工材の断面の分析を被加工材の表25面，A 点，B 点，C 点，D 点で行った結果を図 13～図 17に示す．
表面にあった約 20μm の酸化膜が D 点のせん断面の終13Feのマッピング分析結果
Fe Ka
15.0kV50μm
LiF/CH3k0 .51 aK e F
2 H C /07AV
SL0(counts)
100

端まで全面に流入していることがわかる．このことから，

88

仕上げ抜きパンチではパンチとせん断面は酸化膜と75TiCN コーティングとの接触であることが判明した．

6350

A 点，B 点では安定して酸化膜が表面の酸化膜の厚みと38同等の厚みで流入しているのに対し，C 点の箇所ではまば25らで一定の厚みで酸化膜が付着していない．このことから，仕上げ抜きでの酸化膜の流入は，不均一にパンチの導入部からバリ部まで酸化膜が流入していることが判明した．

1350μmO のマッピング分析結果
V k0 .51 aK
O

Fe Ka 15.0kV

図 13 被加工材表面の EPMA 分析結果

0

LiF/CH350μm
Fe のマッピング分析結果

Fe Ka 15.0kV

O Ka 15.0kV

LiF/CH3

SEM 像(counts)
100

LiF/CH388757563635050383825251313050μm
Fe のマッピング分析結果

Fe Ka 15.0kV

LiF/CH3(counts)
10088756363505038382525013樹脂

O Ka 15.0kV

LiF/CH3LSA70/CH250μm
O のマッピング分析結果

Fe Ka 15.0kV

SEM 像(counts)
100

LiF/CH3(counts)
100

8888757563635050383825251313050μm
Fe のマッピング分析結果

Fe Ka 15.0kV

LiF/CH3(counts)
1000(counts)
100

88887575636350503838252513130

図 15 被加工材 B 点の EPMA 分析結果

LSA70/CH2

LiF/CH350μm
Fe のマッピング分析結果

Fe Ka 15.0kV

樹脂

被加工材

LiF/CH3

Fe Ka 15.0kV

LiF/CH30

図 16 被加工材 C 点の EPMA 分析結果

O Ka 15.0kV

SEM 像

50μm
O のマッピング分析結果

Fe Ka 15.0kV

Fe Ka 15.0kV

LSA70/CH2

図 14 被加工材 A 点の EPMA 分析結果
被加工材

(counts)
10075

LSA70/CH250μm
O のマッピング分析結果

088

13
Fe Ka 15.0kV(counts)
10088

LiF/CH3

Fe Ka 15.0kV

LiF/CH3

樹脂

被加工材

O Ka 15.0kV

SEM 像

樹脂

Fe Ka 15.0kV

被加工材

50μm
O のマッピング分析結果

Fe Ka 15.0kV0

図 17 被加工材 D 点の EPMA 分析結果

謝

７．２ 仕上げ抜きパンチの焼付き部の分析結果

辞図 18 に仕上げ抜きパンチの焼付き部の断面の SEM 像

本研究は，公益財団法人天田財団からの奨励研究助成と元素（Ti，C，N，Fe，O）のマッピング分析結果を示（交付番号 AF-2015045）を受けて実施されました．ここす．N の分布によりコーティングの剥離は起こっておらず，に深く感謝の意を表します．

コーティングの表面に付着物がついていることが確認できた．5 章の熱化学解析結果から，TiCN と酸化鉄が反応参考文献した結果，FeTiO3 と Fe2TiO4 が発生すると推定したとお

1) 日本塑性加工学会編：せん断加工，(1992)，85，コロり，焼付きの起点となる箇所に Fe，Ti ，O が検出されてナ社．

いることが分かる．これらの結果から，せん断加工，さら2) 近藤一義：塑性と加工，10-99 (1969)，236.には塑性加工一般において，工具の表面物質と被加工材の3) 近藤一義・渡辺亮・高田久於男・吉田元昭：塑性と加表面または内部の母材との接触を双方考慮し，塑性加工特有のトライボロジー現象を物理化学的知見で整理できる可能性がある．

工，12-129 (1971)，733-741.
4) 中川威雄：ファインブランキング，(1988)，40，日刊工業新聞社．
5) R. Tilsley・F. Howard：Sheet Metal Ind.，35 (1958)，

８．まとめ

817-828.

直角刃のせん断加工と仕上げ抜き加工を想定した熱化

6) 前田禎三：プレス技術，8-7 (1970)，3-9．

学解析と実験・分析を行うことにより，以下の知見を得た．

7)山口正治：金属間化合物，(1984)，12.

(1)

TiN，TiC と Fe の接触は熱化学的に安定であり，こ8)F. Hirano：Proc. 6th Leeds-Lyon Symp., (1980), 298

れらコーティング材と被加工材母材の Fe との摩擦

9)山本雄二：トライボロジー， (2010)，206．

条件化では付着物が生成されない．

10)Bowden,F.P.：固体の摩擦と潤滑，(1961)，31.

(2)

化学反応により新たに生成した化合物が焼付きの起点となり，そこに被加工材が堆積し焼付きに至るモデルが示唆された．

焼付きTiCN コーティング

樹脂

工具母材
LiF/CH3(counts)
5LSA120/CH1175

4150

3125

3100

275

150251
Ti Ka 15.0kV

LSA80/CH5C Ka 15.0kV20μm

LiF/CH3(counts)
170

N のマッピング分析結果

C のマッピング分析結果
LSA70/CH2(counts)
170(counts)
3026128

23106

106

1985

85

1564

64

114343212100

12820μm

20μm

149149N Ka 15.0kV00

Ti のマッピング分析結果

SEM 像(counts)
200

4Fe Ka 15.0kV

840
O Ka 15.0kV

20μm

Fe のマッピング分析結果

20μm

O のマッピング分析結果

図 18 仕上げ抜きパンチ焼付き部断面の SEM 像と EPMA 分析結果