JP2005337918A - 摺動試験方法および摺動試験装置 - Google Patents

Abstract

【課題】試験片と摺動工具の間に潤滑剤の膜を介して引抜摺動試験を行うような場合でも、摺動工具を試験片から離し、また接触させて摺動させ、という一連の動作を繰り返すことなく、長い連続摺動距離をとることができるようにする。
【解決手段】試験片５０で摺動工具１０を荷重をかけて挟んでおき、摺動工具を引抜き、引抜きに要する荷重を測定する。
【選択図】図１

Description

本発明は、プレス成形における薄鋼板の摺動特性評価等に用いて好適な摺動試験方法および摺動試験装置に関する。

従来の摺動試験方法としては、
（１）バウデン試験に代表されるように、２つの異なる試験片の各同一部位を相対的に往復するように摺動させて磨耗等を測定する方法、
（２）図５に模式的に示すごとく、試験片５０を、ホルダー２０に保持された２つの異なる摺動工具１０で表裏両側から荷重をかけて挟んでおき、試験片５０をロードセル（荷重測定手段）付引抜手段３２により引抜く引抜摺動試験による方法、
（３）特許文献１に記載の技術のように、図６に模式的に示すごとく、試験片５０を、路面１２に荷重をかけて接触させておき、試験片５０の側をスライドさせる方法、
等がある。特許文献１に記載の技術は、路面に代えて摺動工具に相当するものを配置すれば、上記（２）の引抜摺動試験を模することができるので、（３）は（２）と同様、引抜摺動試験の一つの形態と考えて良い。

（１）のバウデン試験による方法は、各種軸受や、互いに摺動を繰り返すピストンとシリンダー、等の摺動特性や磨耗特性を評価する方法として、互いに接触して摺動する両方の材料の変化を同時に測定できる点において有効な試験方法である。しかし、薄鋼板のプレス成形を模するには、（２）（３）等の引抜摺動試験による方法の方が実現象を正確に再現するのに好適と言える。

（２）（３）等の引抜摺動試験による方法は、薄鋼板の摺動特性を評価する方法として、最も良く用いられる方法であり、静止摩擦係数と動摩擦係数を測定することで、各種薄鋼板の摺動特性を評価できる。

特開平０４−１０６４５５号公報

従来の方法はいずれも、接触部の面圧を１０〜１００ＭＰａとして試験するのが一般的である。しかし、時として８００ＭＰａを超える高い面圧で、即ち高い荷重をかけて、試験する場合がある。そのような場合、摺動試験装置の仕様上印加可能な荷重の上限を考慮して、摺動工具と試験片の接触面積を小さくする場合が殆どである。接触面積を小さくするとは、先述の（２）の例として示した図５中の摺動工具１０を断面の小さなものにするということであり、こうして試験した場合、試験片５０の表面は、最大でも摺動工具１０の引抜き方向の長さの分しか接触を受けない。従って、引抜摺動試験の連続摺動距離を長くとった場合でも、試験片５０の表面は、ある特定の部位に限ってみると、１回の摺動では摺動工具１０の引抜き方向の長さの分しか接触を受けないことになる。

このような試験法では、摺動工具の側の表面性状の変化については摺動距離と対応させて評価することができるが、試験片の側の表面性状の変化を摺動距離と対応させて評価することは難しい。従来は、試験片の同一部位を繰り返し摺動することで評価を行っていた。

しかし、例えば、薄鋼板のプレス成形のような場合、プレス油等により、試験片に該当する金属板と、摺動工具に該当する金型の間を潤滑しながらプレス成形を行う場合が多い。プレス油等の潤滑剤の膜を介しての金属板と金型の摺動においては、金属板と金型の相対移動に対して、潤滑剤の膜の厚さがある一定の関係で変化することはよく知られている。

これを模そうと、潤滑剤の膜を介して摺動工具で挟んだ試験片を引抜くようにした場合、摺動工具が断面の小さなものであると、試験片の表面は、ある特定の部位に限ってみると、先述のように、最大でも摺動工具の引抜き方向の長さの分しか接触を受けない問題が生じるから、連続摺動距離を長くとるには、やむなく摺動工具を試験片から離し、また接触させて摺動させ、という一連の動作を繰り返して、試験片の同一部位を繰り返し摺動するようにせねばならない。

すると、試験片と摺動工具の接触が途中で何度も中断してしまうことになる。このように試験片と摺動工具の接触が中断することは、そのたびに荷重が除荷されることを意味するから、油膜の状態も大きく変化し、再度接触させて摺動を行っても、連続的な摺動の場合とは異なった現象となり、試験片の側の表面性状の変化を正確に再現するものとは言えなくなると考えられる。よって、このような方法は、必ずしも最適な方法とはいえなかった。

自動車部品等のプレス成形では、最大で２００〜３００ｍｍの連続的な摺動が起こると想定される。連続摺動距離を長くとれるようにするには、先述の図６で示した、特許文献１に記載の方法のように、摺動試験装置の路面１２(以下、摺動工具を以ってこれに代えた場合を想定し、摺動工具と称す)の引抜き方向の長さを、想定しうる連続摺動距離以上の寸法となるように設計するのが一つの方法ではあるが、摺動工具の引抜き方向の長さあるいは試験片の移動距離を長くすればするほど、摺動試験装置が大型化して高額化してしまう。実際、図６の装置も相当大型である。

本発明は、このような従来技術の問題を解決することを課題としており、試験片と摺動工具の間に潤滑剤の膜を介して引抜摺動試験を行うような場合に、摺動工具を試験片から離し、また接触させて摺動させ、という一連の動作を繰り返すことなく、連続摺動距離を長くとれる摺動試験方法および摺動試験装置を提供することを課題とする。

即ち、本発明は、第１に、試験片と対向部材で摺動工具を荷重をかけて挟んでおき、該摺動工具を引抜き、引抜きに要する荷重を測定することを特徴とする摺動試験方法である。

又、本発明は、第２に、前記対向部材も試験片とすることを特徴とする摺動試験方法である。

更に、本発明は、第３に、摺動工具と、試験片を介して該摺動工具を挟む方向に少なくとも一方が動作する、少なくとも一対のホルダーと、該摺動工具の引抜手段と、該摺動工具の引抜きの際の荷重測定手段と、を備えたことを特徴とする摺動試験装置である。

本発明によれば、試験片と摺動工具の間に潤滑剤の膜を介して引抜摺動試験を行うような場合でも、摺動工具を試験片から離し、また接触させて摺動させ、という一連の動作を繰り返すことなく、長い連続摺動距離をとることができる。

以下図面を参照して、本発明の実施形態を詳細に説明する。

図１に本発明の一つの実施の形態を示す。摺動工具１０と、試験片５０を介して該摺動工具１０を挟む方向に少なくとも一方が動作する一対のホルダー２０と、摺動工具１０の引抜手段３０と、を備え、更に、摺動工具１０の引抜きの際の荷重測定手段（例えばロードセル）４０を備えている。

このような摺動試験装置１００を用いて、ホルダー２０に保持した試験片５０で摺動工具１０を荷重をかけて挟んでおき、摺動工具１０を引抜手段３０にて引抜き、引抜きに要する荷重を荷重測定手段４０で測定する。

摺動工具１０の引抜きの際に、摺動工具１０の上下に同じだけ摺動抵抗が働くよう、試験片５０は、同じ材質、寸法のものを用いるのが好ましいが、必ずしもこれに限らなくてもよい。又、上下片方が試験片で、もう片方の対向部材が単なる緩衝材というような組み合わせでもよい。更に、ホルダー２０は必ずしも一対に限るものではない。

又、各種の厚みの摺動工具１０を容易に取り付けられるようにするため、摺動工具１０と引抜手段３０との結合部には、垂直方向への自由回転（図１中上下方向）および引抜き方向まわりの自由回転が可能な構造、例えばユニバーサルジョイント式のもの（図１では、ユニバーサルジョイント式のチャック部６０）を備えるようにするのが好ましく、摺動工具１０を引抜く際の蛇行を防止するために、水平方向(図１中紙面に垂直な方向)の自由回転はさせずに拘末する方が好ましいが、必ずしもこれに限らなくてもよい。

更に、試験片５０を介して摺動工具１０を挟む方向に動作する一対のホルダー２０のうち、上側のものだけを動作できるようにしても、下側のものだけを動作できるようにしても、両側を動作できるようにしても、いずれでもよい。そして、摺動工具１０を挟む際の荷重を測定できるよう、荷重測定手段４０を備えるようにするのが好ましいが、それに限るものではない。又、摺動工具１０を挟む荷重は、ある一定の値に固定してもよいし、可変に調整できるようにしておいて所望の値に一定にして引抜摺動試験するようにしてもよい。

図１に示すような形態の本発明の摺動試験装置１００によれば、試験片５０と摺動工具１０の間に潤滑剤の膜を介して引抜摺動試験を行うような場合でも、一対の試験片５０で摺動工具１０を荷重をかけて挟んでおき、摺動工具１０を引抜き、引抜きに要する荷重を測定するようにすれば、摺動工具１０を試験片５０から離し、また接触させて摺動させ、という一連の動作を繰り返すことなく、長い連続摺動距離をとることができる。摺動工具１０を試験片５０から離し、また接触させて摺動させ、という一連の動作を繰り返さなくてよくなるから、試験片５０と摺動工具１０の接触が中断し、そのたびに荷重が除荷され、油膜の状態が大きく変化してしまうのを抑制した状態で、連続的に引抜摺動試験を行うことができる。

このような方法で連続的に引抜摺動試験を行うことにより、摺動工具１０と試験片５０の相対移動に対して、潤滑剤の膜の厚みが、ある一定の関係で変化する状態を連続的に維持できるため、実際に自動車部品等のプレス成形を行う場合の、２００〜３００ｍｍに及ぶ連続摺動距離の場合を正確に再現できる最良の状態で、引抜摺動試験が可能になる。

又、各種の厚みの摺動工具１０を容易に取り付けられるようにするため、摺動工具１０と引抜手段３０との結合部には、垂直方向の自由回転および引抜き方向まわりの自由回転が可能な構造、例えばユニバーサルジョイント式のもの（図１では、ユニバーサルジョイント式のチャック部６０）を備えるようにするのが好ましいことは先述した通りであるが、これには、試験片５０の材質が、高硬度であったり、低靭性であったりすると、摺動工具１０を引抜く際に、まっすぐに引抜けない場合があるから、そのような場合でも、引抜手段３０に無理な力が加わらないようにするという狙いもある。

試験片５０の材質は、金属、プラスチック、樹脂、セラミック等、引抜摺動試験のできる形状の固形物質であれば特段に制限すべきものではないが、例えば粘弾性のゴム様物質や引抜き時の摺動抵抗で容易に破断しうる脆弱な物質では正確な測定と評価ができないため、このような物質は除くものとする。

摺動工具１０の材質も同様に、粘弾性のゴム様物質や引抜き時の摺動抵抗で容易に破断しうる脆弱な物質を除いて特段の制限はなく、又、摺動工具１０の表面に、粗度等の表面性状の調整、硬化処理、等を適宜施した上で引抜摺動試験することも勿論可能である。図２に摺動工具１０の例を示す。（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図、（ｃ）は斜視図である。材質はＳＫＤ１１の例を示している。

摺動工具１０の形状としては、直方体状のものが好ましいが、必ずしもこれに限るものではなく、例えば、円柱状等であってもよい。

摺動工具１０が直方体の場合、各寸法は、幅（ｗ）、厚み（ｔ）または引抜き方向の長さ（Ｌ）とも特段の制限はなく、摺動試験装置の仕様上のストローク上限や試験片５０の寸法（何らかの規格により決定する場合もある）に応じて適宜決定してよい。ｗとｔの比率については、引抜き時の安定性を考慮するとｗ≧ｔ、より好ましくはｗ≧２ｔとするのが好ましい。コーナーカット量ａ、ｂについても、適宜決定してよい。経済性や加工性を勘案すると、ａ≦０．１ｗ、ｂ≦０．２ｔとするのが好ましい。

引抜きに用いる摺動工具の断面は、下式の関係を満たすように決定するのが好ましい。

２・μ・Ｎ ＜ ｆ・ＴＳ・（ｔ・ｗ−２・ａ・ｂ）
ここに、
Ｎ：引抜摺動試験時、試験片で摺動工具を挟む荷重の想定される最大値（ｋＮ）
μ：引抜摺動試験時、摺動工具と試験片の間の想定される摩擦係数の最大値
ＴＳ：摺動工具の引張強さ（ＭＰａ）
ｔ：摺動工具の厚み（ｍｍ）
ｗ：摺動工具の幅（ｍｍ）
ａ，ｂ：コーナーカット長さ（ｍｍ）
ｆ：疲労強度を勘案した安全率（０．４≦ｆ≦０．５）
を示す。

ここで、摩擦係数μは、従来の特許文献１に開示の技術等で実施していた平板の摺動試験等で、一般的に用いられる摺動工具１０と試験片５０の材質の組み合わせで摺動試験して経験的に得られていた摩擦係数の最大値を暫定的に使ってもよい。

本発明の方法を適用した場合のデータを図３に示し、従来の図５で示した摺動試験装置により、摺動工具を試験片から離し、また接触させて摺動させ、という一連の動作を繰り返す、従来の方法を適用した場合のデータ図４（ａ）と比較してみる。ちなみに図４（ｂ）は、繰り返し回数が１回目、５回目、１０回目の場合に、各回の引抜摺動試験中の、摩擦係数の時間推移を測定したものである。

いずれのデータも、試験片５０として一般防錆油（ダフニーオイルコート(登録商標)ＳＫ：出光興産（株）製）を１．５ｇ／ｍ²塗布した冷延鋼鈑（ＳＰＣＤ 板厚０．８ｍｍ。本発明の方法のように２枚で挟む場合は２枚とも。）、摺動工具１０に図２で示した材質ＳＫＤ１１のものを使用したデータである。引抜摺動試験は、試験片５０で摺動工具１０を挟む荷重の面圧２０ＭＰａ、摺動速度２０ｍｍ／ｓにて実施した。図３、４中の縦軸を示す指標である摩擦係数は、引抜きに要する荷重を、摺動工具１０と試験片５０の接触領域にて垂直方向に印加された、前述の、試験片５０で摺動工具１０を挟む荷重で除した値を更に２で除した値を示している。

本発明の方法を適用した場合は、摺動初期の０〜１０ｍｍまでの非定常部分（静止摩擦の影響を受ける部分）以降は、摩擦係数の推移が連続的に測定できていることがわかる。これに対し、図５で示した摺動試験装置により、摺動工具を試験片から離し、また接触させて摺動させ、という一連の動作を繰り返す、従来の方法を適用した場合の図４（ａ）は、図４（ｂ）に示した１回の引抜摺動試験中の、摩擦係数の時間推移のうち初期の１．０秒間の非定常部分を除いた定常部分の平均値をプロットしたものである。

摺動工具を試験片から離し、また接触させて摺動させ、という一連の動作を繰り返す、従来の図５に示した方法を適用した場合の、図４（ａ）に示した引抜摺動試験の結果によれば、摺動距離による摩擦係数の変化は、（１）試験片表面の平滑化による摩擦係数の減少、（２）試験片−摺動工具間のミクロ的な凝着部位の進展により（１）との相殺が起こることによる摩擦係数の略一定化、（３）いわゆる重かじりと呼ばれるマクロ的な凝着発生による摩擦係数の急増、という３つのステージに分かれるのが一般的である。このうち（３）は摺動工具の表面性状の変化の影響が強く現れることによるものであるが、本発明の方法を適用した場合の、図３に示した引抜摺動試験の結果によれば、摺動初期の０〜１０ｍｍまでの非定常部分（静止摩擦の影響を受ける部分）以降は、摺動工具の表面性状の変化の影響を受けないことから、従来の方法と同じ距離の摺動を行っても、異なった特性を示すことがわかる。即ち、本発明によれば、例えば、実際に自動車部品等のプレス成形を行う場合の、２００〜３００ｍｍに及ぶ連続摺動距離の場合をも、正確に再現できる最良の状態で、引抜摺動試験が可能になる。

本発明の摺動試験装置の一つの実施の形態を模式的に示した図 本発明に用いる摺動工具の例を模式的に示した図 本発明の方法を適用した場合のデータを示した線図 従来の方法を適用した場合のデータを示した線図 従来の摺動試験装置の一例を模式的に示した図 従来の摺動試験装置の他の例を模式的に示した図

符号の説明

１０…摺動工具
２０…ホルダー
３０…引抜手段
４０…荷重測定手段
５０…試験片
６０…ユニバーサルジョイント式チャック部
１００…摺動試験装置

Claims (3)

1. 試験片と対向部材で摺動工具を荷重をかけて挟んでおき、該摺動工具を引抜き、引抜きに要する荷重を測定することを特徴とする摺動試験方法。
2. 前記対向部材も試験片とすることを特徴とする請求項１に記載の摺動試験方法。
3. 摺動工具と、
   試験片を介して該摺動工具を挟む方向に少なくとも一方が動作する、少なくとも一対のホルダーと、
   該摺動工具の引抜手段と、
   該摺動工具の引抜きの際の荷重測定手段と、
   を備えたことを特徴とする摺動試験装置。

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