熱間鍛造用摩擦センサの開発
金沢大学

理工研究域 機械工学系
教授 米山 猛（平成 25 年度一般研究開発助成 AF-2013006）
キーワード：熱間鍛造，摩擦，センサ，工具１．研究の目的と背景

ームの下端には段差が生じる．この段差に対応してビーム

塑性加工において，工具表面と材料との接触面におけるの下端をつなぐ平板が変形するので，ひずみゲージの片方摩擦条件を解明することは，加工精度を向上し，良好な塑には伸びが，一方にはちぢみが生じる．したがって，両者性加工品質を得るために重要である．塑性変形の有限要素のひずみの差と負荷した摩擦応力との関係を求めておき，解析が進み，変形をかなり正確に予測できるようになって摩擦応力を検出する．

きたが，工具表面における摩擦条件については，実測する

工具表面

工具表面の薄肉部分センサが確立していないために，せん断摩擦係数 m 値（せん断降伏応力に対する比）を仮定して，実物の全体の変形

ビームAと解析における変形を照合する程度で，実際の摩擦応力のビーム B
2本のビームに結合する薄肉平板状況については解明されていない．
筆者は，塑性加工工具表面で圧力のみでなく，摩擦応力ひずみゲージAを検出するセンサの構造を発案し，アルミニウム熱間押出ひずみゲージB(a) センサの基本構造しで実測し，等温押出しに活用した．しかし，このセンサ
圧力はサイズが 20 ㎜程度と大きく，各種の塑性加工に適用す摩擦応力るためには，サイズの小型化が求められていた．また摩擦センサの出力を検定する方法が確立しておらず，検定方法の確立も課題として残っていた．
そこで，本研究では，熱間鍛造に適用できる圧力・摩擦センサを開発することを目的とした。また摩擦センサの出力を検定する装置を開発することも目的とした。

ちぢみ(b) 圧力による変形

のびちぢみ(c) 摩擦による変形

図１ 摩擦センサの基本構造と検出原理

２．摩擦センサの設計と製作
この基本原理に基づいて，熱間鍛造用の圧力・摩擦セン
2.1 摩擦センサの設計

サを設計した．図１では，センサの構造部分と工具とが一摩擦センサの基本的な構造と検出原理を図１に示す．基体化しているが，様々な工具表面に埋め込みが可能なセン本的な構造は，図 1(a)に示すように，工具表面に薄肉平サとしては，ピンタイプのセンサが好ましいと考え，工具板部分をつくり，その背面から 2 本のビームを突き出して，表面に取り付け穴を設けて，そこにセンサピンを埋め込む

その 2 本のビームの下端を薄肉平板でつないだものであことを想定してセンサの設計を行った．図１のようなセンる．2 本のビームが並んだ方向を摩擦応力検出方向とする．

サ構造を製作する場合，最大の問題は，工具表面と 2 本の2 本のビーム下端の薄肉平板の表面上，ビームが接続されビームそしてビーム下端部の薄肉平板ではさまれる四角ている位置にそれぞれひずみゲージを貼り付ける．工具表

穴部分の加工である．この横穴を放電加工でくり抜くため面に圧力が作用すると，工具表面の薄肉平板部がたわみ，には，そのための放電加工電極を挿入できる空間をビーム

この変形によって 2 本のビームが外側に傾くので，ビームの横に設けなくてはならず，加工費用も高価になる．そこ

下端の平板は図１(b)のようにたわみ，平板との付け根ので，新たに図２のような構造を発案した．この構造の特徴

ひずみゲージの貼り付け部には，ちぢみが両方に生じる．

は，この横穴をセンサピンの外側からピンの側面を通して二つのひずみの和と負荷した圧力との関係をあらかじめ貫通加工することである．これによってピンの内部は，円求め，圧力を検出する．工具表面に摩擦力が作用した場合

筒の軸方法にそって，工具表面から円柱ブロックが突き出には，工具表面の薄肉部分が図 1(c)のように変形し，工るような形にまで加工し，その後ピンの側方から四角穴を具の厚肉部から薄肉に突き出した部分は工具表面が下に加工する（順序は逆でもよい）ことで容易に製作すること倒れ，工具表面の薄肉部から厚肉部に接続する部分では，ができる．ただし，この構造にした場合の懸念も残る．そ

工具表面が上方向にめくられる変形が生じる．この変形にれは，センサピンの側面から穴をあけたために，検出部のよって 2 本のビームが傾く変形が生じ，これによって，ビ外側にも工具表面の薄肉部分が形成され，この部分の剛性が落ちて，この部分に作用する力がセンサの出力に影響しセンサの受圧面に摩擦応力 200MPa のみを作用させたやすくなることである．しかし，この部分は摩擦がはたら場合のセンサブロックの変形（中心断面図において変位をく方向にそって，センサの位置と同一な位置になるため，拡大して示した図）とビーム下端薄肉平板部（ひずみゲージ貼付面）に発生するひずみの解析例を図 4 に示す．摩擦影響は小さいと判断した．

応力の負荷に対して，ひずみゲージ貼付け面においては，摩擦方向に沿って，のびからちぢみへとひずみが変わる分布をもつことが確認できる．図３に示した h や t，e，Lの値を変えて，ひずみ出力の状況を調べ，各部の寸法を決定した．
200MPaの摩擦応力
300
200100ひずみ出力， μst
ひずみ出力，μｓｔ(b) 検出部の断面(a) 摩擦センサの3次元モデル

図２ 摩擦センサの 3 次元モデル

0-100-200-300-400

摩擦センサの設計にあたっては，工具表面に負荷される-500

ビーム下端平面

圧力や摩擦応力に応じて，図３に示すような各部の寸法を-2-1.5-1-0.5

00.511.5

2

下端面中心からの距離，ｍｍ下端面中心からの距離，mm(b) ビーム下端平面上に生じるひずみ決める必要がある．工具表面に負荷される圧力と摩擦応力(a) 中心断面における変形の目安として，圧力 500MPa，摩擦応力 200MPa を想定した．
有限要素法を用いて負荷に対するひずみ出力を予測し，

図４ 摩擦センサへの摩擦応力負荷に対する変形各部の寸法を決める．図２で示したような 3 次元ブロックとひずみ出力の解析例の受圧面に圧力および摩擦応力を与えて，ひずみ出力を解析し，各部の寸法を決定する。

各部寸法を決めた摩擦センサの構造を図５に示す．セン
サブロックの寸法は，直径 10 ㎜，高さ 8 ㎜とした．材質は SKD61 で製作する．圧力・摩擦応力を検出する受圧面

eは幅 4.6 ㎜の部分である．なお，この図で，センサの断面図は受圧面を上に描いてあるが，製作したブロックの写真
工具表面に圧入する側面t

センサピン（円柱ブロック形状）

h

センサピン上面（受圧面）は，検出部の構造が見えやすいように，受圧面を下側にして示してある．

L底面

ひずみゲージ貼付け面
工具表面

図３ センサの設計で検討する各部寸法32.45

ンサの底面は固定とし，センサピンの側面をどう拘束すべ

0.4

解析にあたっては，センサの拘束条件（工具表面に埋め込んだ場合の拘束条件）をどう与えるかが問題となる．セきか考慮する必要がある．受圧面に圧力を受けるとセンサφ4ピンは全体として上下方向に圧縮されるので，ピンの円筒φ4.6

側面も上下方向には可動である必要がある．一方，受圧面

82.6

φ102φD

ひずみゲージ貼付け面
工具表面に摩擦応力が作用してもセンサピンの側面は垂直を保ったままに拘束すればよいかというと，周囲の工具表面にも(a) 設計したブロック(b) 製作したブロック

同様な摩擦応力がはたらいて工具表面と平行な方向に何らかの変形を生じるので，このセンサピンの側面も周囲の

図５ 圧力・摩擦応力検出ブロックの構造工具と同様に変形するはずである．これらのことを考えると，センサピンの円筒側面を上下にだけ可動で，横方向に2.2 摩擦センサの製作は動かないと仮定することは適切ではないと考えられる．

センサブロックへのひずみゲージ貼付けの様子を図６

そこで，適切ではないかもしれないが，センサピンの底面に示す．熱間鍛造の際，加工される鉄材料の温度は，だけを固定した状態で受圧面に圧力と摩擦応力を与え，こ1000℃前後であるが，金型温度は 250℃程度に収めるこれによってビーム下端の薄肉平板部に発生するひずみをとが可能なため，250℃の耐熱性があるひずみゲージとし求め，センサ各部の寸法を決めていくこととした．て，共和電業 KFH-02-120-C11-11H4M3(耐熱温度 250℃)

を使用した．ひずみゲージには 350℃の耐熱温度のものも面に負荷したブロックとの接触面において，作用する圧力市販されているが，ベースサイズが大きいため，本センサ分布が均等になるとは限らない．そこで，この負荷する円への貼り付けには適さないため，ベースサイズの小さいこ柱ブロックをゴム材料にした場合なども調べた結果，熱間のひずみゲージを採用した．ひずみゲージからのリード線

鍛造における被加工材の変形抵抗に近い変形抵抗を持つは 3 線式になっており，1 ゲージ法で検出した場合，リーと考えられるアルミニウムブロックを採用した．一方摩擦ド線部分の抵抗変化を相殺することができる．ひずみゲー応力の負荷についても，センサの接触面において均一な摩ジの接着剤には 2 種類あるが，接着剤の加熱硬化処理の前擦応力が作用するとは限らない．あくまでこの検定装置でに，半硬化して固定が容易な接着剤として PC600 を使用し負荷した摩擦応力の値は，センサの受圧面に沿った方向にた．センサのひずみゲージ貼り付け面が小さいため，ひずはたらいた横方向の力を，接触させたブロックの接触面積

みゲージのベースの外周部分を，貼り付けができるサイズで割った値である．なお，センサの受圧面に横方向の荷重に切り取って貼り付けを行った．ひずみゲージの数は貼りを作用させる場合，その荷重の一部は，ブロックの上面側付け面のスペースの都合から，2 枚とした．ひずみゲージの加圧面側にも伝わる．そこで，ブロックを加圧する側ののリード線部分（ひずみゲージから 20 ㎜の長さの部分）ロードセルを 2 軸ロードセルとして，加圧荷重と横荷重のにはガラス繊維テープが貼られており，はがすことは困難両方を検出できるようにして，センサにはたらく横荷重は，であることと，はがすとリード線の被覆が絶縁されていな引張ロードセルで検出した荷重からロードセルにはたらいことから，このガラス繊維テープの幅を極力細くなるよいた横荷重を差し引いて求めるようにした．

うに切断して使用した．ひずみゲージの貼り付けは，接着圧力剤 PC600 の加熱硬化法にそって，まず，貼り付け面にひずアルミニウム
ブロック

みゲージを貼り付けた後，シリコンゴムを用いて，ひずみゲージを加圧した状態で電気炉に入れて，所定の温度―時摩擦力

摩擦センサセンサとブロックの接触部分

圧力付加ハンドル

間プロセスで加熱硬化させた．ひずみゲージの貼り付け後⑲は，ひずみーゲージとリード線のつけ根部分をシリコンゴムで覆い，リード線をシリコンチューブに入れて，このシリコンチューブをセンサピンの空洞部に樹脂で固定した．

引張ロードセル

2軸ロードセル

摩擦力付
加ハンドル

⑥

摩擦センサ

8

図６ 摩擦センサ出力の検定装置
ひずみゲージ①

ひずみゲージ②

3.2 摩擦センサの検定結果
摩擦センサの検定出力例を図７に示す。図７(a)は負荷

ひずみ
ゲージ②した圧力と摩擦応力である．はじめに円柱ブロックをセンサ受圧面に押し付け，その後摩擦応力を負荷している．摩ひずみゲージ①

擦応力を負荷した際，円柱ブロックとセンサ受圧面との間に多少のすべりが生じるとともに，負荷圧力が多少減少している．摩擦応力負荷時の負荷圧力の減少は，圧力負荷装

図５ 圧力・摩擦センサブロックへのひずみゲージ貼付け

置を電動装置等にして，圧力を保持するように制御すれば，防ぐことが可能であると考えられるが，今回製作した装置

３．検定装置の設計・製作と検定

は，手動装置で，圧力を負荷するハンドルを止めた状態で，3.1 検定装置の設計と製作摩擦力の負荷を行ったので，このような減少が生じたもの

センサの出力を検定するため，図６のような検定装置をである．これに対して，図７(b)がセンサのひずみゲージ設計・製作した．センサをホルダにセットし，アルミニウ①，②の出力である．負荷圧力に対して，ひずみゲージ①，ム円柱ブロックをセンサの受圧面に垂直に押し当てて，そ②ともほぼ同様な出力（圧縮ひずみ）を発生している．一の荷重から負荷した圧力を求め，これをセンサの出力と比方，摩擦応力の負荷に対し，片方のひずみゲージは，ひず較する．圧力を付加した状態で摩擦方向にブロックを引っみが＋方向に移動しており，摩擦応力に対して伸びひずみ張り，この引張荷重から負荷した摩擦応力を求めて，センを発生していることがわかる．またもう一つのひずみゲーサからの出力と比較する．このような装置による圧力と摩ジは圧縮ひずみが増加する方向に変化している．これらの擦応力の負荷が検定装置として適切かどうかについてはひずみ出力には，圧力が低下したことによるひずみの変化検討の余地がある．圧力の検定については，センサの受圧が重畳しており，圧力によるひずみ分を取り除けば，摩擦応力によるひずみ出力分を取り出すことができると考え-140られる．そこで，ひずみゲージ出力 O1,O2 と圧力 p, 摩擦-120

応力 f との関係を，-100

センサ５ゲージ２Output, μst(1)センサ５ゲージ１-80-60-40-20とし，検定出力から，各係数を求める．ｐに対する出力係

00数α１，α２は，圧力負荷時の各ひずみゲージの出力と圧

20406080100120140160

Pressure, MPa力との関係から求めることができる．また摩擦応力に対す(a) 圧力に対するひずみ出力15る出力係数β１，β２は，検定において，摩擦を負荷した
Output of strain gauges, μst時点のひずみ出力から上記の p に対する出力係数を用いて，ｐによる出力ひずみを除去して求めることができる．
このようにして，図７の出力例から，圧力に対するひずみ出力，摩擦応力にするひずみ出力を求めたのが図８である．
測定に際しては，（１）式を，ひずみ出力からｐおよびｆを求める式に変換して，測定したひずみから圧力および

10

ひずみゲージ①50-5-10ひずみゲージ②-15-200

摩擦応力を求める．

1020Frictional stress, MPa

30

Applied pressure and friction, MPa(b) 摩擦応力に対するひずみ出力200

図８ 圧力および摩擦応力に対するひずみ出力の例
圧力150

生じる直前のセンサの出力値をゼロ点として，波形を処理すれば，応力が求められることを確認した．

100

もう一つの問題は，鍛造過程で最初は材料と接触していなかったセンサ受圧面に，鍛造の変形途中で接触する場合，摩擦応力50センサの受圧面全体に材料が接触した以降でないとデー
00510152025303540Time, sて圧力がかかった場合などは，受圧面がかたよった変形を(a) 負荷した圧力と摩擦応力生じるため，適切な出力が発生しない．このような過渡状態における出力を除外して，センサの受圧面全体に接触しOutput of strain gauges, μst-140
センサ5-1 μst-120タを扱えないことである．材料が受圧面に半分だけ接触してからのデータを扱うことが必要である．

センサ5-2 μst-100-80５．まとめ-60

熱間鍛造において工具面にはたらく圧力と摩擦応力を-40検出するセンサを開発した．センサの出力を検定する装置-20を製作し，検定性能について検討した．開発したセンサを

00510152025303540Time, s(b) センサのひずみゲージ出力用いて，鍛造における据え込みにおける圧力・摩擦応力の測定を行い，開発したセンサによる測定性能を確認した．

謝

図７ 圧力・摩擦センサの検定出力例

辞

本研究に対し，天田財団より貴重な助成を賜ったことを４．鍛造における測定による確認

心より御礼申し上げる．

開発したセンサを用いて，熱間の据え込み鍛造における圧力・摩擦応力の測定を行った。実際の熱間鍛造における測定から確認できた事柄について報告する．

参考文献
1) 米山猛・高橋昌也，摩擦センサの開発とアルミニウム

実際の測定にあたって懸念された事項の一つは，高温の熱間押出しにおける測定，塑性と加工，45-521，470-474.

材料との接触によるセンサ部の温度上昇による温度ドリ2) 米山猛，センサ，摩擦力計測方法，圧力計測方法，及フトである．しかし，熱間鍛造において材料と金型とが接触する時間は 20ms 以下であり，その時間において，材料と接触する前と接触した後の出力の差（ゼロドリフト）は非常に小さいことを確認した．つまり，材料との接触がび摩擦力・圧力同時計測方法，特許番号 3632089