JP2022151703A - 摩耗試験装置におけるワーク保持機構および摩耗試験装置並びに摩耗試験方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 実際の加工状態を模擬した金型を作製することなく、加熱したワークの摩耗状態を高精度かつ定量的に評価・モニタリングすることができる摩耗試験装置におけるワーク保持機構および摩耗試験装置並びに摩耗試験方法を提供する。【解決手段】摩耗試験装置におけるワーク保持機構は、本体部と、本体部に対して進退するアーム部と、アーム部の一端に装着され、ワークを先端に装着するワーク取付機構と、接触治具がワークに接触したときに、アーム部の進退方向の反発力を付与する反発部とを備え、接触治具側にワークの一面を露出状態で装着するワーク取付部と、ワークの一面の反対側の面を加熱するように配設されるヒータと、ヒータから伝達された熱をアーム部に伝達することを抑制する断熱機構と、を備える。【選択図】 図１

Description

本発明は、実際の加工状態を模擬した金型を作製することなく、加熱したワークの摩耗状態を高精度かつ定量的に評価・モニタリングすることができる摩耗試験装置におけるワーク保持機構および摩耗試験装置並びに摩耗試験方法に関する。

加熱した金属材料のプレス加工や鍛造加工では、加工される金属材料を上下に配置された金型の間に挟み込んで大きな加圧力を負荷することにより、金属材料を塑性変形させて加工を行う。このような加工においては、金型が被加工体である金属材料に直接接触するとともに大きな加圧力によって、金型と金属材料との間には繰り返しの摩擦が生じる。このとき金型と加熱された金属材料との間に生じる摩耗により金型の損傷が大きいと、金型の変形や割れ等が発生して金型の寿命が短くなる等の弊害を有する。

上記弊害対策として、例えば特許文献１では実際の鍛造加工状態を模擬した試験装置により、所定の繰り返し回数の加工を行った後に潤滑剤を噴射し、金型材料の評価をする方法が開示されている。特許文献２では同じく実際の鍛造加工状態を模擬した試験装置を用いて金型形状を変更し、鍛造加工時の応力負荷量を変化させた繰り返しの摩耗試験を実施して、金型の摩耗等を評価する方法が開示されている。

しかしながら、特許文献１及び２に記載された評価方法では、実際の加工状態を模擬した金型の摩耗状態を評価するものであり、鍛造されるワークの材料や形状等の仕様が変更されると、改めてその試験のための金型を準備する必要があった。このため、多大な費用や時間を要してしまうという問題がある。また、特許文献１や２に記載された方法では、高温・高圧の環境下での凝着や焼き付きといった摩耗形態の評価を行うことができない。また、特許文献３には、変位可能な回転体を用いた摩耗試験方法が開示されている。しかし、特許文献１～３には常温を超える所定温度での摩耗試験を可能とする方法に関しての開示も示唆も無い。試験環境全体を加熱することも考えられるが、その際、多量の加熱エネルギーが投入されるため摩耗試験装置全体が高熱化してしまい、試験装置の安定稼働が維持出来ないという新たな課題が生じてしまう。

このようなことを踏まえて特許文献４では、保持機構で保持されたワーク（金型等に相当）に対して回転機構の主軸で把持され接触・離反を繰り返す連結接触治具（鍛造物等の製造対象に相当）を有し、この連結接触治具の端部を加熱機構により間欠的に加熱するようにした摩擦試験装置が提供されている。この摩耗試験装置では、実際の加工状態を模擬した金型を作製することなく、加熱された被加工体の金属材料と金型材料の摩耗状態の評価を行うことができる。

しかしながら、特許文献４の摩耗試験装置の場合、加熱機構により加熱されるのは、主軸で把持回転される連結接触治具側であり、実際の熱間鍛造における金型を想定したワークへの影響を高精度に再現するものとは言えなかった。また、ワーク保持機構には高温耐久性が低い動力計や加圧機構などの周辺電子機器が備えられており、これらの周辺電子機器が熱により損傷しないように配慮する必要があった。さらに、実際の熱間鍛造工程においては、金型の耐久性を向上させるためにワーク表面に潤滑剤を噴射しており、これを踏まえた評価ができることが望ましい。

特開２００９－０００６９４号公報 特開２０１４－２２３６５３号公報 特表２００７－５１３３５４号公報 特開２０１８－２１９０７号公報

上記課題の解決を鑑みて本発明は創作されたものであり、実際の加工状態を模擬した金型を作製することなく、熱間鍛造におけるワーク（金型材料）を実際の温度や潤滑剤を噴射する環境を制御しながら、その摩耗状態を高精度かつ定量的に評価・モニタリングすることができる摩耗試験装置におけるワーク保持機構および摩耗試験装置並びに摩耗試験方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は、ワークに対して接触治具を繰り返し接触・離反させてワークの摩耗状態を測定する摩耗試験装置におけるワーク保持機構であって、
本体部と、該本体部に対して進退するアーム部と、該アーム部の一端に装着され、ワークを先端に装着するワーク取付機構と、前記接触治具がワークに接触したときに、前記アーム部の進退方向の反発力を付与する反発部と、を備え、
前記ワーク取付機構は、ワークの一面を前記接触治具側に露出状態で前記ワークを装着するワーク取付部と、前記ワークの前記一面の反対側の面を加熱するように配設されるヒータと、前記ヒータから伝達された熱を前記アーム部に伝達することを抑制する断熱機構と、を備える。

本発明の摩耗試験装置におけるワーク保持機構では、ヒータをワーク保持機構側に設けて温度制御装置（後述）により温度制御している。このためワークを熱間鍛造等における金型に極めて近い状態にすることができるため、高精度かつ定量的に摩耗状態をモニタリングすることができる。さらに、ワーク取付機構の後方側（露出面の反対側）にヒータを設けた場合に、ワークからアーム部へ熱伝導が生じるが、ヒータの背面側に断熱機構を備えているのでアーム部への熱伝導を低減し、周辺電子機器への影響を低減できる。

また、前記断熱機構は、前記ヒータと前記アーム部の先端側との間に設けられた第１断熱機構と、前記ワーク取付機構の前記本体部側後方に設けられた第２断熱機構と、を有することが好ましい。

上記断熱機構は第１断熱機構を設けるだけでも良いが、この例における断熱機構では、第１断熱機構と第２断熱機構とが存在する。第１断熱機構は、アーム部に装着されるワーク取付機構内部でヒータとアーム部先端との間に挟まれて配設され、ワークからアーム部先端への直接的な熱伝導を遮断している。また、第２断熱機構は、間接的にアーム部に伝達される熱、すなわちワークやヒータからワーク取付機構を介してアーム部に伝達される熱を遮断している。この構成により、ヒータからの熱がアーム部先端に直接伝達されることを防止しつつ、ワークやヒータからワーク取付機構を回った熱が間接的にアーム部に伝達されることも防止しており、断熱性を向上させている。また、このような断熱機構によれば、ワークの昇温速度を高めることにも寄与する。これにより、潤滑剤がワークに噴射された際にも、設定した温度まで迅速に戻すことができる。

また、前記第２断熱機構の前記本体部側後方には、放熱フィンを有することができ、好ましくはこの放熱フィンの前記本体部側後方には、放射状に配列された複数のブレードを有している。

本発明のワーク保持機構では、第１断熱機構及び第２断熱機構に加え、さらにワーク取付機構の後方に放熱フィンを設けている。この放熱フィンは、例えば冷却性の高い熱伝導率３０Ｗ／ｍＫ以上の高熱伝導性材料を使用し、後方に放射状の複数のブレードを設けて表面積を増やし、前方のワークとの温度差から生じる空気流（乱流を含む）を後方に流すようにしている。このような放熱フィンの機構により、ワーク取付機構内から前記断熱機構を経て漏れてくる熱を効率的に外部に放散することができる。その結果、ヒータの発熱とワークの露出面他から空気によって送られてきた熱がワーク取付機構の後方に蓄積することを防止することができる。これによりアーム部への熱移動をさらに低減することができる。

また、前記ヒータから送信されたヒータの温度信号及び／又は前記アーム部から送信されたアーム部の温度信号を受信し、前記ヒータ及び／又は前記アーム部の温度を所定温度になるように前記ヒータの動作信号を送信する温度調節機構を備えることができる。なお、前記アーム部から送信されたアーム部の温度信号を受信し、前記アーム部の温度を所定温度になるように前記ヒータの動作信号を送信する温度調節機構を備える場合もある。

温度調節機構を備えたことにより、ヒータやアーム部又はその両者の温度を所定温度となるようにそれぞれのＯＮ／ＯＦＦ等の動作信号を制御することで実際の熱間鍛造工程等における金型やアーム部の高温状態を疑似して高精度かつ定量的な摩耗試験を提供することができる。

また、前記温度調整機構は、前記ワークの加熱中の前記アーム部の温度を１００℃以下となるように制御することが好ましい。

アーム部の温度を１００℃以下に維持すると、概ねその周辺に置かれた電子機器（計測器）の動作に影響することがなく安定した摺動試験ができる。

また、前記断熱機構は、前記本体部と前記アーム部とを熱伝導率１０Ｗ／ｍＫ以下の断熱材料を介して接続していることが好ましい。

次に、本発明は、上記ワーク保持機構と、少なくともワークに対して接触・離反を繰り返す接触治具と、前記ワークの温度を制御する温度調節機構と、を備えている摩耗試験装置をも提供する。また、この摩耗試験装置は、前記ワークに対して潤滑剤を噴射する潤滑剤噴射機構をさらに備えることが好ましい。

また、本発明は、ワークに対して接触治具を繰り返し接触・離反させてワークの摩耗状態を測定する摩耗試験方法であって、
前記接触治具に取付けた押付板部材を位置決めして前記ワークに所望の面圧及び速度で摺動するための摺動条件と、潤滑剤を噴射するときの噴射条件とを設定するステップ１と、
前記ワークを装着したワーク保持機構に内蔵したヒータにより、前記ワークを加熱し、ワークの温度を予め設定した温度に制御するステップ２と、
前記ワークと対向配置された前記押付板部材を偏心回転させることにより、前記押付板部材が前記ワークに接触・離反を繰り返し、所定の摺動サイクルおよび潤滑剤の噴射サイクルを繰り返すステップ３とを含む、摩耗試験方法をも提供する。

本発明の摩耗試験方法によれば、工作機械の回転主軸を利用して偏心回転させる押付板部材を加熱されたワークに接触・離反させてワークを所定の面圧、速度で摺動させることにより摩耗状態の評価を行うことができる。このときワーク側にヒータを設けているので熱間鍛造のように高温化するワークに近い状態で摩耗試験を行うことができる点で有利である。

また、上記摩耗試験方法は、
ワークに対して接触治具を繰り返し接触・離反させると共に、潤滑剤を摺動部に噴射及び無噴射させながらワークの摩耗状態を測定する摩耗試験方法であって、
前記ステップ２では、前記ヒータの加熱温度又は前記ワークの温度を計測して計測した温度に基づいて前記ヒータの加熱温度を制御することにより前記ワークの温度を予め設定した温度に制御し、
上記ステップ３の後に、
前記押付板部材と前記ワークとが接触する摺動面に、前記潤滑剤の噴射と無噴射とを行うステップ４と、を有し、
その後、前記ステップ３～ステップ４を繰り返し、所定の摺動サイクル回数になるまで繰り返す、ことが好ましい。

この場合、冷却のための潤滑剤の噴射の制御とワークの温度を計測しながらのヒータの加熱制御とを行っているので、実際の鍛造工程における金型等で想定される状況を分析しながらリアルタイムに温度制御することができ、高精度、且つ定量的な摩耗評価ができる。又これまで実証されていなかった現象、すなわち、指定した温度、面圧、滑り速度において潤滑剤が塗布された断続的な摺動環境における摩擦力、垂直抗力、摩擦係数の取得・評価を行うことができる。これらは、実際の温熱間鍛造金型の表面状態を局所的に模擬できることを意味し、金型材材料や潤滑剤の効果を評価する際に有益である。

なお、前記摺動条件は、押付板部材がワークに接触する位置、前記押付板部材の回転方向の速度および前記押付板部材の総回転回数を含み、前記噴射条件は、前記潤滑剤の噴射時間および無噴射時の乾燥時間を含んでいることが好ましい。

本発明によれば、実際の加工状態を模擬した金型を作製することなく、加熱された金属材料の接触による金型材料の摩耗状態の評価を行うことができる。このときワーク保持機構側のヒータでワークを直接加熱することで、高精度かつ定量的な摩耗試験装置及び摩耗試験方法を提供することができる。また、同時にワークを加熱するヒータを背面から冷却し、後方への断熱を効率的に行うことができ、アーム部を熱伝達して周辺電子機器等に影響を与えることを防止している。

本摩耗試験装置におけるワーク保持機構を備えた摩耗試験装置全体の構成を示す模式図である。 本摩耗試験装置におけるワーク保持機構を示す模式図である。具体的には（ａ）は斜視図、（ｂ）は側面図が示されている。 ワーク保持機構におけるワーク取付機構を示す模式図である。具体的には（ａ）は図２（ｂ）の左斜め上方から見た斜視図、（ｂ）には図２（ｂ）の右斜め上方から見た斜視図が示されている。 同じくワーク取付機構を示す模式図である。具体的には（ａ）は図２（ｂ）と同視点のワーク取付機構の側面図が示されており、（ｂ）には図２（ａ）と同視点のワーク取付機構の断面図が示されている。 本摩耗試験装置におけるワーク保持機構の動作を説明する図である。（ａ）は離反時、（ｂ）は（ａ）から接触治具が９０°回転した状態を示している。 同じく（ａ）は図５（ｂ）からさらに接触治具が９０°回転した状態、（ｂ）は（ａ）からさらに接触治具が９０°回転した状態を示している。 本摩耗試験装置におけるワーク保持機構の各構成機構の動作フロー図であり、（a）は摺動面に潤滑剤を噴射しない場合、（b）は摺動面に潤滑剤の噴射を行った場合における動作フロー図を示している。 本摩耗試験装置におけるワーク保持機構に第１断熱機構を設置した場合のワーク表面の温度の時間変化を示すグラフ図である。 図８におけるワーク保持機構の第１断熱機構を取り外した場合のワーク表面の温度の時間変化を示すグラフ図である。 本摩耗試験装置においてワーク保持機構のワークの温度変化に対する第１断熱機構としてのアーム部及び第２断熱機構としての放熱フィンの温度測定結果を示すグラフ図である。 本摩耗試験方法において潤滑剤を塗布して潤滑膜を形成させたワークＷの表面写真図を示している。 本摩耗試験方法において２つの異なる潤滑剤を塗布して摺動させた試験後のワークＷの表面写真図を示している。 本摩耗試験装置の潤滑剤噴射機構における各噴射条件での潤滑膜の写真図およびワークＷの表面温度をそれぞれ示している。

本発明の摩耗試験装置におけるワーク保持機構の実施形態について、以下図面を参照しつつ説明する。

図１は、本発明の摩耗試験装置におけるワーク保持機構を備えた摩耗試験装置全体の構成を示す模式図である。摩耗試験装置１００は、例えば旋盤等の工作機械が適用され、これに改造を加えることで実施できる。以下、旋盤装置に適用する場合を例に説明する。
摩耗試験装置１００は、タレット１７０に設けられ、先端にワークＷを取り付けて保持するワーク保持機構１１０と、ワークＷに対して接触・離反を繰り返す接触治具１２０と、接触治具１２０を偏心回転自在に保持する回転機構の主軸１３０と、ワークＷの温度を制御する外部パソコン又は旋盤装置に備えられる温度調節機構１６０と、ワークＷに対して潤滑剤を噴射する潤滑剤噴射機構１５０とを備えている。さらに、図１では省略するが摩耗試験中に接触治具１２０を加熱する加熱機構を備えていてもよい。また摩擦摩耗試験機として、接触治具１２０がワークＷに接触を繰り返すときの摩擦力、垂直荷重、温度などのデータを採るときは、ワーク保持機構１１０にデータ解析機構（外部パソコン（図示せず））を接続して摩擦係数の解析を行うことも出来る。

摩耗試験される対象物であるワークＷは、ワーク保持機構１１０の先端側に露出するように取り付けられ、ワークＷと対向する位置に、ワークＷとの接触・離反を繰り返す接触治具１２０が配置される。接触治具１２０は、回転駆動部を内蔵した回転機構の主軸１３０に回転自在に保持されており、主軸１３０が回転することによりワークＷとの接触・離反の動作が行われる。この動作については後述する。

図２は、ワーク保持機構１１０の一例を示す模式図である。具体的には（ａ）は斜視図、（ｂ）には側面図が示されている。
ワーク保持機構１１０は、本体部１１２と、本体部１１２に対して進退するアーム部１１４と、このアーム部１１４の一端に装着され、ワークＷを先端に装着するワーク取付機構１８０と、アーム部１１４の進退方向の反発力を受けて押圧力を付与する反発部１１２ｂを備えている。そして、ワーク取付機構１８０は、板状のワークＷの一面を接触治具１２０側に露出状態で装着するワーク取付部１８０ｄ（図３参照）と、ワークＷの露出側の反対面を加熱するように配設されたセラミックヒータ１８０ｅ（図４（ｂ）参照）と、このセラミックヒータ１８０ｅからの熱を前記アーム部１１４に伝達することを防止する断熱機構（第１断熱機構１８０ｇおよび第２断熱機構１８０ｉ）とを備えている。以下、ワーク保持機構１１０を構成する機構について説明する。

本体部１１２の一方の側面は動力計１７２（図１参照）に装着する設置部１１２ａを有し、動力計１７２を介挿させてタレット１７０に固定される。動力計１７２（固定式動力計（KISTLER社））は、ワークＷへの摩耗試験工程における抵抗力を内部の３成分センサで測定し、測定結果を電気信号として出力する。本体部１１２の内部には、スプライン軸であるアーム部１１４を進退させるようになっており、後方にはアーム部１１４に長手方向に負荷される垂直抗力を受けると共に、接触治具１２０へのワークＷの押圧力を付与する反発部１１２ｂ、ここではバネ機構が内挿されている。バネ機構は、無負荷の状態では所定の長さを有するが、ワークＷが垂直抗力を受けてアーム部１１４に押し込まれる方向に移動しようとすると、垂直抗力に反発して押し返す反力を生じるように構成されている。反発部１１２ｂの他の例としては、例えばサーボモータや電気式、油圧式、空圧式などのピストン等が例示できる。

また、アーム部１１４の先端に連結されたワーク取付機構１８０の先端には、上述したようにワークＷが取り付けられている。図３はワーク取付機構１８０の斜視図が示されており、（ａ）には図２（ｂ）の左斜め上方から見た斜視図、（ｂ）には図２（ｂ）の右斜め上方から見た斜視図が示されている。さらに、図４は、同じくワーク取付機構１８０を図示しており、（ａ）は図２（ｂ）と同視点のワーク取付機構１８０の側面図が示されており、（ｂ）にはその断面図が示されている。

ワーク取付機構１８０は、本体部１１２より進退するアーム部１１４の先端周囲を覆って固定されており、概ね先端側から箱状部材１８０ａと放熱フィン１８０ｂとで構成されている。箱状部材１８０ａは、先端側に開放された枠状のワーク取付部１８０ｄが設けられ、ワークの被摩耗表面側を接触治具１２０側に露出させるようにワークＷを嵌め込み、ネジ等でワーク取付部１８０ｄの先端に装着している。なお、本実施形態においてワークＷは直方体の部材として形成しているが、接触治具１２０との接触面を確保できる形状であれば、円筒状や半球状としてもよい。

また、ワーク取付機構１８０の箱状部材１８０ａは、ワーク取付部１８０ｄの後方にヒータが設けられている。ここではセラミックヒータ１８０ｅが配設され、ワークＷの背面（摩耗側と反対の面）にセラミックヒータ１８０ｅがワークＷに当接又は接近している。セラミックヒータは、直接ワークＷと接するように設置してあるため、熱伝達によってワークＷを加熱する。これによりセラミックヒータ１８０ｅが加熱されるとワークＷは加熱され、熱間鍛造時等における金型に疑似した高温状態を作ることができる。これにより疑似環境における摩耗評価をすることができる。なお、セラミックヒータ１８０ｅは、通電することでジュール熱を発生させ加熱する。セラミックヒータの他には、例えばダイオードレーザを用いることができる。

セラミックヒータ１８０ｅの後方には、セラミックヒータ１８０ｅからアーム部１１４への直接の熱伝導を遮断するための断熱機構が設けられる。ここでは、例えばセラミック製の第１断熱機構１８０ｇが設けられており、第１断熱機構１８０ｇの後面にはアーム部１１４の先端との間に弾性部材１８０ｈ（巻ばね）が介挿されている。この弾性部材１８０ｈによりアーム部１１４の進退による衝撃力を減衰させることで第１断熱機構１８０ｇやワークＷ、接触治具１２０の押付板部材１２２の損傷を防止することができる。

また、セラミックヒータ１８０ｅからの放熱が箱状部材１８０ａを介してアーム部１１４に伝導することを防止するために箱状部材１８０ａの後方にも第２断熱機構１８０ｉが設けられる。第２断熱機構１８０ｉは図４（ｂ）にも示すようにそれぞれ間隔を空けて積層する複数の板状部材で形成されている。第１断熱機構１８０ｇ及び第２断熱機構１８０ｉは、熱伝導率が１０Ｗ／ｍＫ以下の断熱材料であることが好ましい。例えば、強度と靭性及び軽量性を備える点でアルミナあるいはジルコニア等のセラミックスが用いられ得る。さらに、第２断熱機構１８０ｉの後方にはアーム部１１４の周囲を覆う放熱フィン１８０ｂが配列されている。放熱フィン１８０ｂは、その後側の表面積を増やして熱を放出するように放射状に複数のブレード１８０ｂ１が配設されている（図３（ｂ）参照）。尚、ヒータからの熱流入速度を抑え、放熱フィンによる排熱速度と同等にするには、放熱フィン１８０ｂの熱伝導率は高い方が良く、３０Ｗ／ｍＫ以上の熱伝導率にすることでアーム部１１４への熱流入を抑制することができる。例えば、アルミニウム、銅、マグネシウム、鉄やそれらの合金が用いられる。フィンは可動部となるため、密度が小さい方が好ましい。そのため、アルミニウムやマグネシウムやそれらの合金がより好ましい。

セラミックヒータ１８０ｅは内蔵の温度センサや熱電対等の温度検出手段でワークＷの温度を計測し、デジタル化された計測データを有線配線により温度調節機構１６０に出力する。また、温度調節機構１６０からはセラミックヒータ１８０ｅのＯＮ／ＯＦＦ信号を配線１８０ｆを介して出力し、受信した信号に従ってセラミックヒータ１８０ｅがＯＮ／ＯＦＦされて温度調節が行われる。尚、ＯＮ／ＯＦＦ信号など温度調節機構への信号の出入力はアンテナを用いた無線で行うことも出来る。

次に、接触治具１２０とワークＷとの接触・離反の動作について説明する。
図５～図６は、図１の右側から見たワーク保持機構１１０及び接触治具１２０との位置関係を示す略図であって、図５（ａ）は離反時、図５（ｂ）は図５（ａ）から接触治具１２０が９０°回転した状態、図６（ａ）は図５（ｂ）からさらに接触治具１２０が９０°回転した状態、図６（ｂ）は図６（ａ）からさらに接触治具１２０が９０°回転した状態を示している。なお、図５～図６は位置関係を示す略図であり、視認容易の観点からワーク取付機構１８０をアーム部１１４の先端として一体に図示している。

図１、図５～図６に示すように接触治具１２０は、その側面の少なくとも一部がワークＷに接触する断面円形の押付板部材１２２を挟んで、押付板部材１２２よりも小さい径を有する軸部材１２４が、互いに偏心する態様で取り付けられた構成となっている。このとき、押付板部材１２２の中心軸（重心軸）Ｃｄは、軸部材１２４の回転軸Ｃａに対して偏心するように取り付けられる。押付板部材１２２は、ワークＷに接触することにより、ワークＷの摩耗状態を再現できるような材料で構成されている。例えば、ワークＷに熱間鍛造加工やプレス加工で使用される金型を構成する金属材料、例えば熱間ダイス鋼（JIS SKD61）、冷間ダイス鋼（JIS SKD11）、超硬合金等を選択した場合、接触治具１２０の押付板部材１２２には、金型で成形する被加工材の材料、例えば炭素鋼（S45C，S50C）、クロモリ鋼（SCM440）等の金属材料を採用する。

接触治具１２０を構成する押付板部材１２２と軸部材１２４とは、実際に評価を所望する材料が好ましく、また押付板部材１２２のＹ方向の幅は、ワーク保持機構１１０に取り付けられたワークＷの接触面の幅よりも小さく設定されるのが好ましい。またワークＷ側は、図３（ａ）や図４（ａ）に示すように枠状のワーク取付部１８０ｄに装着されたワークＷの露出面側の隅部に、接触治具１２０側に突出するスペーサ１８０ｃが装着され、ワークＷが接触治具１２０の軸部材１２４に接触することを防止している。

図５（ａ）に示す段階では、押付板部材１２２の中心軸Ｃｄは、軸部材１２４の回転軸Ｃａを基準とすると、ワークＷとは反対側に位置するため、結果的に中心軸ＣｄとワークＷとが最も離間する位置関係となり、押付板部材１２２はワークＷと非接触（離反）の状態となる。また、図５（ｂ）に示す段階では、押付板部材１２２が軸部材１２４の回転軸Ｃａを中心に時計回りに回転し、押付板部材１２２の中心軸Ｃｄが軸部材１２４の回転軸Ｃａの直上に位置している。したがって、押付板部材１２２とワークＷとの距離が縮まることとなり、押付板部材１２２の外周面１２２ａがワークＷの対向する面と接触する。このとき、ワークＷには、図中－Ｘ方向の垂直抗力Ｎと押付板部材１２２の回動方向（図中－Ｚ方向）の摩擦力Ｆとの合力Ｐが押付板部材１２２から負荷される。

また、図６（ａ）に示す段階では、押付板部材１２２が軸部材１２４の回転軸Ｃａを中心にさらに時計回りに回転し、押付板部材１２２の中心軸Ｃｄが軸部材１２４の回転軸ＣａとワークＷとを結ぶ線上に位置する。これにより、中心軸ＣｄとワークＷとが最も近接する位置関係となり、ワークＷは押付板部材１２２から受ける垂直抗力Ｎにより、最も押し付けられた状態となる。さらに、図６（ｂ）に示す段階では、押付板部材１２２が軸部材１２４の回転軸Ｃａを中心にさらに時計回りに回転し、押付板部材１２２の中心軸Ｃｄが軸部材１２４の回転軸Ｃａの直下に位置している。これにより、図６（ａ）の段階に比べて押付板部材１２２とワークＷとの距離が広がる方向に変化することとなり、回動が進むと、押付板部材１２２の外周面１２２ａがワークＷの対向する面から離間（離反）して、図５（ａ）に示す段階に戻る。

また、本実施形態の説明では省略するが本摩耗試験装置では特許文献４に示すように接触治具１２０の加熱機構を設けても良い。この加熱機構の加熱パッド部が接触治具１２０の押付板部材１２２を挟んでワーク保持機構１１０と対向する位置に配置されることにより、押付板部材１２２が加熱される。加熱パッド部の加熱は、加熱機構に内蔵する温度制御手段又は前述した温度調節機構１６０により加熱パッド部への電力供給信号が有線送信又は無線送信されることで行われる。ただし、ワークＷとして熱間鍛造における金型のような高温環境下における高精度な評価を想定する場合、ワーク保持機構１１０側で直接的にワークＷを加熱できる上記セラミックヒータ１８０ｅのような加熱手段が必要となる。

また、図１に示すように摩耗試験装置１００では実際の鍛造工程やプレス加工で行われる金型への潤滑剤の噴射を疑似すべく、試験中に接触治具１２０とワークＷとの間に潤滑剤を供給する潤滑剤噴射機構１５０が設けられる。

潤滑剤噴射機構１５０は、潤滑剤を貯蔵する潤滑剤供給源１５２と、潤滑剤を接触治具１２０とワークＷの間に供給する供給管（スプレーガン）１５４と、供給管１５４及び潤滑剤供給源１５２に圧縮空気を送り込むコンプレッサ１５６と、を備えている。供給管１５４には、コンプレッサ１５６により圧縮空気と潤滑剤とが混合した空気流が供給され、先端のノズルから潤滑剤が噴射される。ワーク保持機構１１０に保持されたワークＷに接触する直前に、接触治具１２０の押付板部材１２２の外周面１２２ａに潤滑剤Ｌが供給され、潤滑剤が押付板部材の外周面１２２ａに保持された状態である押付板部材１２２とワークＷとの接触状態と、押付板部材１２２とワークＷとが離反した状態とが繰り返される。

以上のような構成及び動作により、本摩耗試験装置１００では、接触治具１２０の押付板部材１２２に潤滑剤を介在させた状態でのワークＷとの繰り返し摩耗試験を実施することができるため、プレス加工や鍛造加工等で金型と被加工材との間に潤滑剤を供給した状態により、金型と被加工材との間の動摩擦係数を変化させた場合を想定した摩耗状態の評価を行うことができる。

次に、本発明の摩耗試験装置１００を用いた摩耗試験方法について概説する。図７には本摩耗試験装置１００の各構成機構の動作フロー図が示されている。図７（a）は摺動面に潤滑剤を噴射しない場合、図７（b）は摺動面に潤滑剤の噴射を行った場合のフロー図である。本実施形態において摩耗試験装置１００はＮＣ旋盤を活用しており、動作制御はＮＣ旋盤におけるＣＮＣ（computerized numerical control）を設定又は元々の旋盤加工を実行するＣＮＣの内部情報に外部ＰＣから割り込み処理することで実行する。まず、ＣＮＣの数値情報に基づいて動作条件が設定される（ＳＴ１）。具体的には、接触治具１２０で固定された押付板部材１２２が回転によりワークＷに所望の面圧で摺動する位置（摺動位置）や、当該押付板部材１２２のワークＷへの面圧、回転方向の速度（摺動速度）、当該押付板部材１２２の総回転回数（摺動回数）などの摺動条件、潤滑剤噴射機構１５０における潤滑剤の噴射時間又は無噴射時の乾燥時間（潤滑剤乾燥時間）などの噴射条件、その他の摩耗試験の条件設定が実行される。

摩耗試験の条件設定が実行されるとＮＣ旋盤の主軸１３０が、偏芯回転する押付板部材１２２の最外周部の周速が所望の速度となるように回転を始める（ＳＴ２）。押付板部材１２２が偏心回転すると、温度調節機構１６０や図示しない加熱機構により、それぞれワーク保持機構１１０内のセラミックヒータ１８０ｅ、接触治具１２０の押付板部材１２２が加熱される（ＳＴ３）。

セラミックヒータ１８０ｅ等が加熱され、所定温度が検出されるとワーク保持機構１１０が設置されたタレット１７０が、設定された面圧に応じた摺動位置になるように押付板部材１２２側に移動し、指定回数の摺動が行われる（ＳＴ４）。潤滑剤を噴射しない場合は、指定回数の摺動試験が完了したのち、押付板部材１２２とワークＷの加熱が終了する（ＳＴ６）。その後、主軸回転が停止し（ＳＴ７）、ＮＣ旋盤の主軸１３０が元の位置に移動すると、試験が終了する（ＳＴ８）。
一方、潤滑剤を噴射する場合は、ワークＷの表面に摺動１サイクルごとに設定された潤滑剤噴射機構１５０からの潤滑剤噴射・乾燥（無噴射）が実行される（ＳＴ５）。そして接触治具１２０の押付板部材１２２が１回転し１サイクルを終えた後、サイクル回数を判定し、指定した繰り返し回数となったとき摺動が終了する（ＳＴ４～ＳＴ５）。こうして、評価対象となる熱間鍛造工程等における金型への潤滑剤の噴射が疑似される。

そして、設定された総摺動回数が経過すると摩耗試験が終了したとしてセラミックヒータ１８０ｅ等の加熱が終了し（ＳＴ６）、ＮＣ旋盤の主軸１３０の回転及び接触治具１２０の軸部材１２４の偏心回転が停止し（ＳＴ７）、ＮＣ旋盤の主軸１３０が元の位置に移動すると、摩耗試験が終了する（ＳＴ８）。

以下、実施例について説明する。
［実施例１］
ワーク保持機構１１０を準備し、１５×１５×５ｍｍのワークＷを取り付けた。ワーク材質はＳＫＤ６１の焼き戻し材とした。ワークＷを加熱するため、セラミックヒータ１８０ｅを設定値４００℃としてＰＩＤ制御しながら加熱した。図８に第１断熱機構１８０ｇを設置した場合のワークＷ表面の温度の時間変化を示す。また、図９に第１断熱機構１８０ｇを取り外した場合のワークＷ表面の温度の時間変化を示す。第１断熱機構１８０ｇを設置した場合には、図８に示すように短時間でワークＷ表面が４００℃に到達するのに対し、第１断熱機構１８０ｇを取り外すと、図９のようにワークＷの表面が４００℃に到達するのに長時間要したことがわかる。このことは、第１断熱機構１８０ｇの設置により、効率的なワークＷの加熱を可能とし、潤滑剤噴射時においても指定温度に瞬時に回復することを示す。さらには、ワークＷを加熱した時の熱がアーム部１１４を通じて設置部１１２aや反発部１１２ｂへ伝達されるのを防いでいる効果と言える。

［実施例２］
実施例１で用いたワーク保持機構１１０に第１断熱機構１８０ｇ、第２断熱機構１８０i、放熱フィン１８０ｂを設置し、１５×１５×５ｍｍのワークＷを取り付けた。ワーク材質はＳＫＤ６１の焼き戻し材とした。セラミックヒータ１８０ｅにより、ワークＷ表面の温度をＰＩＤ制御しながら加熱したときのアーム部１１４と放熱フィン１８０ｂの温度を測定した。図１０にワークＷの温度（横軸の試験片温度）に対するアーム部１１４と放熱フィン１８０ｂの温度変化の測定結果を示す。ワークＷ（試験片温度）の温度が５３０℃程度となった場合でも、アーム部１１４の温度は１５０℃以下であった。アーム部をスライドさせながら保持するスプライン潤滑用グリスの耐熱温度が１５０℃であることから、アーム部のスライド機構を損なうことなく、摺動試験ができることが確認できた。なお、放熱フィン１８０ｂの温度は１８０℃程度まで上昇した。すなわち、ワークＷの加熱時に生じた熱は放熱フィン１８０ｂまで到達しているが放散されるので、アーム部１１４への伝熱は防がれたことがわかる。

［実施例３］
次に、潤滑剤の噴射有無による摺動特性を評価した。
ワークＷは、ＳＫＤ６１の焼き戻し材（４５ＨＲＣ）とし、押付板部材１２２は炭素鋼のＳ４５Ｃを準備した。接触治具１２０は動力計１７２に設置した。動力計には、ＫＩＳＴＬＥＲ社製、型式９１２９ＡＡを使用した。摺動速度３０ｍ／ｍiｎ、荷重設定値は３００Ｎとした。ワークＷを３００℃に加熱し、潤滑剤塗布の有無の条件で２００回摺動させた。潤滑剤は１０回摺動後に１回噴射した。潤滑剤は大同化学株式会社製Ｆ－１０Ｍとし、１０％濃度となるように希釈して用いた。図１１に潤滑剤塗布ありの条件で摺動させた試験後のワークＷの表面写真を示す。図１２は摺動回数ごとの摩擦係数を示したものである。

潤滑剤Ｆ－１０Ｍは、２５０℃程度の温度域で乾燥され潤滑効果を示す。図１１に示されるようにワークＷの表面には十分に乾燥された潤滑剤が付着し、その状態で摺動試験が行われたことがわかる。図１２において、潤滑剤の有無によって摩擦係数が異なることがわかる。潤滑剤有りの条件であっても、１００回程度摺動させると、潤滑成分が失われることがあり、摩擦係数が不安定となることがわかる。潤滑成分が不足する場合は、摺動回数に対する噴射回数を増加させ、潤滑剤の存在する状態を確保することができる。あるいは、摩耗は潤滑成分が不足した状態で起こりやすいため、摺動回数に対する噴射回数を減じて、潤滑成分が失われた状態での摩耗試験としてもよい。このようにワークＷの加熱機構を有することにより、高温環境下で潤滑剤の効果を確認する試験が可能となった。

［実施例４］
次に、加熱されたワークＷの表面に潤滑剤噴射による潤滑膜が均一に形成される噴射条件を検討した。ここで、均一な潤滑膜とは、ワーク表面全体に潤滑剤がムラなく塗布され、かつ表面の凹凸が少ない状態を指す。
ワークＷは、ＳＫＤ６１の焼き戻し材（４５ＨＲＣ）とし、ワークＷの温度は２００℃とした。潤滑剤は大同化学株式会社製Ｆ－１０Ｍとし、１０％濃度となるように希釈して用いた。潤滑剤の噴射条件は，潤滑剤の流量、噴射距離、噴射時間、空気圧の４つをパラメータとして設定した。噴射距離は供給口（スプレーガン）１５４の先端からワークＷ表面までの距離とし，潤滑剤がワークＷの表面に対して垂直方向に噴射されるようスプレーガンの位置を調整した。ここで、空気圧とはコンプレッサ１５６から供給される圧縮空気の圧力のことを指す。各噴射条件において、潤滑剤噴射後に形成された潤滑膜の均一性をそれぞれ目視で評価した。また、ワークＷの表面温度を熱電対で計測し、各噴射条件において潤滑剤の噴射後に最も低下した温度をワーク最低温度として記録した。

図１３に各噴射条件における潤滑膜の写真とワーク最低温度をそれぞれ示す。図１３に示すように、噴射距離２００ｍｍ以下の場合、ワーク表面には潤滑膜がほとんど形成されなかった。一方で、噴射距離を２２０ｍｍとすることで潤滑膜が形成され、ワーク表面温度は１６０℃前後まで低下した。加えて、噴射距離を２２０ｍｍ、噴射時間を２ｓ、流量を４９ｍＬ／ｍｉｎ、空気圧を０．２ＭＰａとした場合、潤滑膜には気泡の跡による凹凸が見られたが、空気圧を上げて流量を下げることで気泡の跡は減少し、潤滑膜の均一性は改善される傾向が見られた。図１３に示す検討結果から、均一な潤滑膜が形成される噴射条件は、噴射距離２２０ｍｍ、噴射時間２ｓ、流量２２ｍＬ／ｍｉｎ、空気圧０．３９ＭＰａとなり、かつワークの温度低下も１６０℃前後まで抑えられることが分かった。これは一例ではあるが、潤滑剤噴射機構１５０において潤滑剤の噴射条件を変えることで、ワーク表面に均一な潤滑膜を形成することが可能となった。

なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。さらに、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

１００ 摩耗試験装置
１１０ ワーク保持機構
１１２ 本体部
１１２ａ 設置部
１１２ｂ 反発部（バネ機構）
１１４ アーム部
１１４ａ ボルト
１２０ 接触治具
１２２ 押付板部材
１２２ａ 押付板部材の外周面
Ｃｄ 押付板部材の中心軸
１２４ 軸部材
Ｃａ 軸部材の回転軸
１３０ 回転機構の主軸
１５０ 潤滑剤噴射機構
１５２ 潤滑剤供給源
１５４ 供給管（スプレーガン）
１５６ コンプレッサ
１６０ 温度調節機構
１７０ タレット
１７２ 動力計
１８０ ワーク取付機構
１８０ａ 箱状部材
１８０ｂ 放熱フィン
１８０ｂ１ ブレード
１８０ｃ スペーサ
１８０ｄ ワーク取付部
１８０ｅ セラミックヒータ
１８０ｆ 配線
１８０ｇ 第１断熱機構
１８０ｈ 弾性部材
１８０ｉ 第２断熱機構
Ｗ ワーク

Claims (15)

1. ワークに対して接触治具を繰り返し接触・離反させてワークの摩耗状態を測定する摩耗試験装置におけるワーク保持機構であって、
   本体部と、該本体部に対して進退するアーム部と、該アーム部の一端に装着され、ワークを先端に装着するワーク取付機構と、前記接触治具がワークに接触したときに、前記アーム部の進退方向の反発力を付与する反発部と、を備え、
   前記ワーク取付機構は、前記接触治具側にワークの一面を露出状態で装着するワーク取付部と、前記ワークの前記一面の反対側の面を加熱するように配設されるヒータと、前記ヒータから伝達された熱を前記アーム部に伝達することを抑制する断熱機構と、を備える摩耗試験装置におけるワーク保持機構。
2. 前記断熱機構は、前記ヒータと前記アーム部の先端側との間に設けられた第１断熱機構である請求項１に記載の摩耗試験装置におけるワーク保持機構。
3. 前記ワーク取付機構の前記本体部側後方に設けられた第２断熱機構と、を有する請求項１または２に記載の摩耗試験装置におけるワーク保持機構。
4. 前記第２断熱機構の前記本体部側後方には、放熱フィンを有する、請求項３に記載の摩耗試験装置におけるワーク保持機構。
5. 前記放熱フィンの前記本体部側後方には放射状に配列された複数のブレードを有する、請求項４に記載の摩耗試験装置におけるワーク保持機構。
6. 前記ヒータから送信されたヒータの温度信号及び／又は前記アーム部から送信されたアーム部の温度信号を受信し、前記ヒータ及び／又は前記アーム部の温度を所定温度になるように前記ヒータの動作信号を送信する温度調節機構を備える、請求項１～５のいずれか１項に記載の摩耗試験装置におけるワーク保持機構。
7. 前記温度調節機構は、前記ワークを加熱したときの前記アーム部の温度を１００℃以下となるように制御する、請求項６に記載の摩耗試験装置におけるワーク保持機構。
8. 前記断熱機構は、熱伝導率１０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以下の断熱材料からなる、請求項１～７のいずれか１項に記載の摩耗試験装置におけるワーク保持機構。
9. 請求項１～８のいずれか１項に記載のワーク保持機構と、少なくともワークに対して接触・離反を繰り返す接触治具と、前記ワークの温度を制御する温度調節機構と、を備えている摩耗試験装置。
10. 前記ワークに対して潤滑剤を噴射する潤滑剤噴射機構をさらに備えている請求項９に記載の摩耗試験装置。
11. 前記潤滑剤噴射機構は噴射圧力と噴射流量の調整ができる請求項１０に記載の摩擦試験装置。
12. ワークに対して接触治具を繰り返し接触・離反させてワークの摩耗状態を測定する摩耗試験方法であって、
    前記接触治具に取付けた押付板部材を位置決めして前記ワークに所望の面圧及び速度で摺動するための摺動条件と、潤滑剤を噴射するときの噴射条件とを設定するステップ１と、
    前記ワークを装着したワーク保持機構に内蔵したヒータにより、前記ワークを加熱し、前記ワークの温度を予め設定した温度に制御するステップ２と、
    前記ワークと対向配置された前記押付板部材を偏心回転させることにより、前記押付板部材が前記ワークに接触と離反とを繰り返す摺動サイクルを有し、その後、所定の摺動サイクル回数まで繰り返すステップ３とを含む、摩耗試験方法。
13. 前記ステップ２では、前記ヒータの加熱温度又は前記ワークの温度を計測し、計測した温度に基づいて前記ヒータの加熱温度を制御することにより前記ワークの温度を予め設定した温度に制御する、請求項１２に記載の摩耗試験方法。
14. 前記ステップ３の後に、
    前記押付板部材と前記ワークとが接触する摺動面に、前記潤滑剤の噴射と無噴射とを行うステップ４と、を有し、
    前記ステップ３～ステップ４を所定の摺動サイクル回数になるまで繰り返す、請求項１２または１３に記載の摩耗試験方法。
15. 前記摺動条件は、前記押付板部材が前記ワークに接触する位置、前記押付板部材の回転方向の速度および前記押付板部材の総回転回数を含み、前記噴射条件は、前記潤滑剤の噴射時間および無噴射時の乾燥時間を含んでいる、請求項１２～１４のいずれか１項に記載の摩耗試験方法。

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