JP2015141180A - 金属板の静止摩擦係数取得方法 - Google Patents

Abstract

【課題】金属板のプレス成形性の評価に好適な静止摩擦係数を安定して求める。【解決手段】静止摩擦係数取得方法は、金属板からなる被試験材に、接触面が平面形状の摺動体を設定押し付け荷重で押し付けた状態で相対的に摺動させながら、押し付け荷重及び摺動抵抗のうちの少なくとも摺動抵抗を設定サンプリングタイムで測定する摺動試験を行って、設定押し付け荷重及び摺動抵抗から静止摩擦係数を算出する際に、設定サンプリングタイムを摺動体の金属板に対する摺動速度に応じて設定変更する。【選択図】図１

Description

本発明は、金属板のプレス成形性、特に金属板の摺動特性の評価に好適な静止摩擦係数の取得に関する。

特許文献１では、摺動摩擦試験機を用い、被試験材に対し金属体を摺動させ、その際に摺動速度を１〜１０００ｍｍ／ｍｉｎで総摺動長を５〜２００００ｍｍとして、摺動長において測定される摺動抵抗の変動から摩擦係数の変化を求める。そして、この摩擦係数の変化から摩擦係数の平均値と標準偏差値とを求めて、プレス成形性を評価することが記載されている。なお、段落番号００３８に最大摩擦係数を考慮することも可能である旨の記載があるが、段落番号００４０に最大摩擦係数は局所情報に過ぎる危険がある旨の記載もある。
特許文献２には、成形シミュレーションによって各節点における金型から受ける面圧及び摺動速度を算出し、算出した面圧及び摺動速度を満たす条件下で摺動試験を行うことが記載されている。そして、摺動開始直後のピーク値を静止摩擦係数として取得することが記載されている。

特開２００３−１３６１５１号公報 特開２００９−００２９２６号公報

特許文献１の方法は、動摩擦係数を測定対象とするものであり、特許文献１には静止摩擦係数の取得方法については具体的な記載は無い。
特許文献２においても、静止摩擦係数の具体的な取得方法について記載が無い。
一般に、測定値の取得は、設定したサンプリングタイム毎に離散的に実施される。ここで、精度を上げるために単純にサンプリングタイムを小さく設定すると試験の簡便性に欠ける。また、サンプリングタイムが必要以上に大きい場合には測定値のバラツキが大きくなる。

また同じサンプリングタイムに設定したとしても、採用する摺動速度によっても上記バラツキは異なってくる。
そして、安定した静止摩擦係数を取得出来ない場合、静止摩擦係数を指標の一つとした、金属板のプレス成形性、特に金属板の摺動特性の評価の精度に悪影響が出る。
本発明は、上記のような点に着目したもので、金属板のプレス成形性の評価に好適な静止摩擦係数を安定して求めることを目的としている。

上記課題を解決するために、本発明の一態様の静止摩擦係数取得方法は、金属板からなる被試験材に、接触面が平面形状の摺動体を設定押し付け荷重で押し付けた状態で相対的に摺動させながら、上記押し付け荷重及び摺動抵抗のうちの少なくとも摺動抵抗を設定サンプリングタイムで測定する摺動試験を行って、上記設定押し付け荷重及び上記摺動抵抗から静止摩擦係数を算出する際に、上記設定サンプリングタイムを上記摺動体の上記金属板に対する摺動速度に応じて設定変更することを特徴とする。

例えば、サンプリングタイムをＹ、上記摺動速度をＸとした場合に、下記（１）式を満足するサンプリングタイムに上記設定サンプリングタイムを設定するとよい。
Ｙ ≦ （０．５／Ｘ） ・・・（１）
また、同じ摺動体を使用した上記摺動試験を３回以上実施し、１回目を除く２回目以降の摺動試験に基づき算出した静止摩擦係数から最終的な静止摩擦係数を求めると良い。
上記摺動速度は、１［ｍｍ／ｍｉｎ］以上１００００［ｍｍ／ｍｉｎ］以下の範囲であればよい。

本発明によれば、摺動体の摺動速度に応じてサンプリングタイムを設定することで、様々な摺動速度で摺動試験を行っても、安定して静止摩擦係数を取得可能となる。

摺動試験を説明する概念図である。 摺動時間と摩擦係数μとの関係を示す図である。 実施例における摩擦係数−変位線図である。 サンプリングタイムＹと乖離量Δμの関係を示す図である。

次に本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
本実施形態は、金属板からなる被試験材のプレス成形性を評価する指標の一つのとしての静止摩擦係数を取得する方法である。
本実施形態は、摺動摩擦試験機を用いて摺動摩擦試験を行う。すなわち、金属板からなる被試験材の表面に、接触面が平面形状の摺動体を設定押し付け荷重で押し付けた状態で、金属板若しくは摺動体の一方を移動させることで相対的に摺動させ、そのときの摺動抵抗を測定する。

そして、測定した摺動抵抗と押し付け荷重に基づき、下記（２）式によって摩擦係数を求める。ここで、摺動抵抗は、金属板若しくは摺動体の一方を移動させるに要する引張力や回転力等として測定される。
摩擦係数 ＝（摺動抵抗／押し付け荷重）・・・（２）
このとき、摺動開始初期において摩擦係数が最大値となる値が静止摩擦係数となる。例えば、押し付け荷重一定の場合であれば、摺動抵抗の最大値である極大摺動抵抗から求めた摩擦係数が静止摩擦係数となる。このように、摩擦係数は、摺動抵抗と押し付け荷重とをパラメータとした（２）式のような関数で演算される。ただし、後述のように摺動による摺動体の相対移動に伴って摺動抵抗は変化する。
ここで、本実施形態の摺動摩擦試験機の構成は特に制限が無く、従来のピンオンディスクなどの公知の摺動摩擦試験機を採用すればよい。但し、金属板と金型との摺動時による摩擦係数を推定するため、摺動体の接触面を平面状としている。なお、摺動体の材質は、対象とする金型と同じ材料からなることが好ましい。

図１は、摺動試験機を説明する概念図である。図１に示す例では、摺動体２に対し金属板からなる被試験材１側を移動させる場合を例にしているが、摺動体２側を移動させて摺動するようにしても良い。また移動方向についても直線移動に限定されず、回転移動などによって摺動させても良い。
図１に示す例では、平坦な台３の上に被試験材１を載置して固定する。次に、その被試験材１の上面に摺動体２を接触させ、一定の設定押し付け荷重Ｎを摺動体２に負荷する。すなわち、摺動体２を設定押し付け荷重Ｎで被試験材１に押し付ける。この状態で、予め設定した摺動速度で台３を移動させ、台３を移動させる引張力を摺動抵抗Ｆとして測定する。図１中、符号４は、荷重検出器を示し、符号５は荷重検出器４が検出した検出値に基づき摩擦係数を算出する演算器である。この例では、押し付け荷重Ｎを一定とする場合であるが、押し付け荷重Ｎについても測定して演算器５で使用するようにしても良い。

ここで、摺動開始からの時間に対する摩擦係数は、図２のように変化する。なお、摺動速度Ｘが一定である場合には、摺動時間と摺動距離とは線形の関係にあるので、図２の横軸は、摺動距離に置き換えることが出来る。
そして、摺動による摺動抵抗Ｆと押し付け荷重Ｎの測定値は、離散値として取得される。つまり測定値は設定サンプリングタイム毎の離散値となる。
このため、設定サンプリングタイムで離散的に測定した測定値から（２）式を使用して静止摩擦係数を求めた場合、実際の静止摩擦係数μｓを測定出来る時間と実際に測定した時間とのずれによって、測定した静止摩擦係数がばらつくことになる。すなわち、設定サンプリングタイムが大きいほど、測定して求めた静止摩擦係数の安定性が悪くなる。
ここで、採用する測定装置の精度一杯までサンプリングタイムを小さくすることも考えられるが、簡便性に欠ける。
また同一のサンプリングタイムに設定しても、摺動速度Ｘによっても、上記測定した静止摩擦係数がばらつくことになる。

本実施形態では、上記のようなことに着目して、摺動速度Ｘに応じて設定サンプリングタイムの上限値を設定変更することとした。
このように摺動体２の摺動速度Ｘに応じてサンプリングタイムを設定変更することで、様々な摺動速度Ｘで摺動試験を行っても、安定した静止摩擦係数を取得可能となる。すなわち、摺動速度Ｘによるバラツキを所定の精度以下に揃えることが可能となる。

例えば、押し付け荷重Ｎ及び摺動抵抗Ｆ（引張力）を測定するサンプリングタイムをＹ、摺動速度をＸとした場合に、下記（３）式を満足するサンプリングタイムＹｍａｘを、設定するサンプリングタイムＹの上限値として設定する。
Ｙｍａｘ ＝Ａ／Ｘ・・・（３）
ここで、Ａは固定値である。
このように設定することで、測定する静止摩擦係数のバラツキ度合を、摺動速度Ｘに関係なく一定以下に抑えることが可能となる、
具体的には、Ａ＝０．５つまり、下記（４）式を満足するように設定するサンプリングタイムＹの上限値Ｙｍａｘとして設定することが好ましい。
Ｙｍａｘ ＝０．５／Ｘ・・・（４）

後述するように設定サンプリングタイムＹを、摺動速度Ｘに応じて求めたサンプリングタイムＹｍａｘ以下に設定することで、実際の静止摩擦係数と測定した静止摩擦係数との乖離量Δμを０．００５未満に抑えることが可能となる。更に、Ａ＝０．２とすると、乖離量Δμを０．００２５未満に抑えることが可能となる。
摺動速度Ｘに応じて変更する設定サンプリングタイムＹは、上限のサンプリングタイムＹｍａｘに設定する必要はなく、サンプリングタイムＹｍａｘ以下の適当な値に設定すればよい。後述の図３から分かるように、摺動速度Ｘに応じたサンプリングタイムに関する値「Ｘ×Ｙｍａｘ」は、小さいほど乖離量Δμが小さくなるので、求める精度に応じて、「Ｘ×Ｙｍａｘ」が０．５以下となる値から適宜選択すればよい。

ここで、設定サンプリングタイムを０．５より小さくすることで、より正確な測定が可能であるが、小さくすることで測定データ点数が大きくなる。このため、「Ｘ×Ｙ」の範囲を０．５以下且つＯ．１以上の範囲で設定サンプリングタイムを決定することが好ましい。
実際に採用する測定した静止摩擦係数は、複数回の試験の統計値（例えば平均値）を採用することが好ましい。
この場合に、同じ摺動体２を使用し、その摺動体２を使用した摺動による静止摩擦係数の算出を、３回以上行い、１回目を除く２回目以降に算出した複数の静止摩擦係数から最終的な静止摩擦係数を求めるようにすると良い。

特に、被試験材１がめっき鋼板の場合に、このように１回目を除いて処理することが好ましい。
好ましくは摺動試験を５回実施する。５回以降の試験では測定値の変化が小さくなる。また１０回以上の摺動試験を実施することは測定試験としての簡便性を損なうため好ましくない。
ここで、実際のプレス加工では、同じ金型を使用してプレス成形を繰り返し行う。このため、成形することによって金属板から金型へのめっきなどの転写などが発生して、金型と金属板との間の摩擦係数が変化する。このことを考慮して被試験材１と最初に接触する一回目の試験結果を除くことで、最終的に求めた静止摩擦係数の値が、実施のプレス成形時の静止摩擦係数に近づく。尚、予備的に摺動体２を被試験材１に対して適宜摺動させて、なじませてから摺動試験を実施するようにしても良い。

また、摺動速度Ｘは、１［ｍｍ／ｍｉｎ］以上、１００００［ｍｍ／ｍｉｎ］の範囲で設定すればよい。この範囲であれば、摺動速度Ｘに応じたサンプリングタイムと乖離量との関係は上記関係にあると思われる。好ましくは、１［ｍｍ／ｍｉｎ］＜Ｘ≦１０［ｍ／ｍｉｎ］（０．０１３ｍｍ／ｓ≦Ｘ＜１３０ｍｍ／ｓ）である。実際のプレス成形において想定される摺動速度Ｘは成形品の形状等により異なるが、概ね上記の上下限値の範囲に入ることを考慮すると、プレス成形性における影響因子のひとつとして静止摩擦係数の取得を実施する際に、上記範囲を超えた摺動速度Ｘでの実施は好ましくない。尚、実際のプレス成形での金型の移動速度から摺動速度Ｘを設定しても良い。

板厚が０．７５ｍｍで機械的性質が日本鉄鋼連盟規格ＪＳＣ２７０相当の素材をベースにした表１に示す各種めっき鋼板を準備し、それらを被試験材１として本発明に基づく静止摩擦係数の取得と「摺動特性評価」との関係を調査した。

すなわち表１に示す被試験材１に対して静止摩擦係数を測定した。
その際の良否判定の判断基準としては、静止摩擦係数が０．０１変わると成形性に影響が現れることから、下記のように、摺動速度Ｘに対してサンプリングタイムＹの十分小さい条件での静止摩擦係数測定値μｎからの乖離量Δμが０．００２５未満を優（◎）、０．００２５以上且つ０．００５未満を良（○）、０．００５以上０．００７５未満を可（△）、０．００７５以上を不適（×）と判断した。

◎：Δμ＜０．００２５
○：０．００２５≦Δμ＜０．００５
△：０．００５≦Δμ＜０．００７５
×：０．００７５≦Δμ
また、その際の試験条件は表２に示す内容を条件する。そのときの、各サンプリングタイムＹにおける摩擦係数−変位線図を求めたところ図３に示す結果となった。また、サンプリングタイムＹと乖離量Δμの関係を求めたところ図４に示す結果となった。この結果は、後述の表３に基づくものである。
図４から分かるように、「Ｘ×Ｙ」が０．５以下では、乖離量を０．００５未満に抑えられることが分かる。更に、「Ｘ×Ｙ」が０．２以下では、乖離量を０．００２５未満に抑えられることが分かる。

表１に記載した内容のサンプルについて、摺動特性評価時の測定データサンプリングタイムを変化させることにより、本発明に係る方法で測定した静止摩擦係数と、その測定能の評価結果を表３に示す。

続いて、更なる比較検討を実施するために、種々の鋼種に対して取得した静止摩擦係数に基づいて球頭張出し成形のシミュレーションを実施し、割れが発生する成形高さを予測した。また、球頭張出し成形試験も実施し、割れが発生する成形高さを記録した。下記表５における、「シミュレーション結果」が「割れが発生する成形高さの予測結果」に相当し、「実成形結果」が「割れが発生する成形高さ」に相当する。
成形試験の試験条件を表４に示す。

以上の条件下で成形シミュレーション及び球頭張出し試験を実施し、得られた結果を表５に示す。

なお、発明例の結果は、摺動試験において同一の摺動体２を使用して３回以上摺動試験を連続して実施し、１回目を除いた平均値を用いて成形シミュレーションを実施した結果である。
また、比較例の結果は、静止摩擦係数の取得について上記発明例に該当しない連続摺動１回目の静止摩擦係数を用いたり、１回目を含めての平均値としての静止摩擦係数を用いたりした値を用いて成形シミュレーションを実施した結果である。

表５に示すように、発明例を用いたシミュレーション結果と実成形試験により得られた結果（実成形結果）との誤差が２ｍｍ以内に抑えられており、発明例ではシミュレーションと実成形試験において成形高さがほぼ同じ結果になっている。これに対して、比較例の成形高さはシミュレーションと実成形試験において、誤差が絶対値で３ｍｍ以上になっており、静止摩擦係数の取得方法によってシミュレーション結果と実成形試験結果とが大きく異なる結果となった。

１ 被試験材
２ 摺動体
３ 台
４ 荷重検出器
５ 演算器
Ｆ 摺動抵抗
Ｎ 押し付け加重荷重
Ｘ 摺動速度
Ｙ 設定サンプリングタイム
Ｙｍａｘ サンプリングタイムの上限値
Δμ 乖離量
μ 摩擦係数
μｓ 静止摩擦係数

Claims (4)

1. 金属板からなる被試験材に、接触面が平面形状の摺動体を設定押し付け荷重で押し付けた状態で相対的に摺動させながら、上記押し付け荷重及び摺動抵抗のうちの少なくとも摺動抵抗を設定サンプリングタイムで測定する摺動試験を行って、上記設定押し付け荷重及び上記摺動抵抗から静止摩擦係数を算出する際に、
   上記設定サンプリングタイムを上記摺動体の上記金属板に対する摺動速度に応じて設定変更することを特徴とする金属板の静止摩擦係数取得方法。
2. サンプリングタイムをＹ、上記摺動速度をＸとした場合に、下記（１）式を満足するサンプリングタイムに上記設定サンプリングタイムを設定することを特徴とする請求項１に記載した金属板の静止摩擦係数取得方法。
   Ｙ ≦ （０．５／Ｘ） ・・・（１）
3. 同じ摺動体を使用した上記摺動試験を３回以上実施し、１回目を除く２回目以降の摺動試験に基づき算出した静止摩擦係数から最終的な静止摩擦係数を求めることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載した金属板の静止摩擦係数取得方法。
4. 上記摺動速度は、１［ｍｍ／ｍｉｎ］以上１００００［ｍｍ／ｍｉｎ］以下の範囲であることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載した金属板の静止摩擦係数取得方法。

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