JP2022153799A

JP2022153799A - 治具、摩耗試験装置および摩耗試験方法

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Publication number: JP2022153799A
Application number: JP2021056506A
Authority: JP
Inventors: 真ノ将寺本; Shinnosuke Teramoto; 秀峰小関; Hidemine Koseki; 雄士川畑; Yuji Kawabata
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 2021-03-30
Filing date: 2021-03-30
Publication date: 2022-10-13
Anticipated expiration: 2041-03-30
Also published as: JP7219872B2

Abstract

【課題】脱着しやすい治具、治具を用いた摩耗試験装置および摩耗試験方法を提供すること。【解決手段】軸中心に回転する治具であって、凹部を有する基材部と、一部が前記基材部の外周面から突出した状態で前記基材部の凹部に固定された接触部材とを有し、前記接触部材の、治具回転方向の一端側は、前記基材部との段差によって前記基材部に係止され、前記接触部材の、治具回転方向の他端側は、楔によって固定されていることを特徴とする治具。【選択図】図２

Description

本発明は、摩耗試験装置に関し、例えば、加熱した金属の成形加工に用いる金型の繰り返しの使用に伴う摩耗状態を測定するための摩耗試験装置に関する。

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、金型が直接金属材料に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すべり変形が生じる。このとき、金型と加熱された金属材料との間には摩耗が生じるため、当該摩耗による金型の損傷が大きいと、金型の割れ等が発生して金型の寿命が短くなってしまう。そのため、金属材料の摩耗特性を評価することが重要となる。

特許文献１には、ワークの摩耗状態を測定する摩耗試験装置について、前記ワークを保持するワーク保持機構と、前記ワークに対して接触及び非接触を繰り返す接触ワークと、前記接触ワークを回転自在に保持する回転機構と、前記接触ワークの端部を間欠的に加熱する加熱機構とを備えた摩耗試験装置について開示されている。

特開２０１８－２１９０７号公報

しかしながら、特許文献１のような接触ワーク（治具）では、着脱性が乏しく、試験効率向上の妨げになっていた。

そこで本発明の目的は、脱着しやすい治具、治具を用いた摩耗試験装置および摩耗試験方法を提供することである。

本発明は、軸中心に回転する治具であって、凹部を有する基材部と、一部が前記基材部の外周面から突出した状態で前記基材部の凹部に固定された接触部材とを有し、前記接触部材の、治具回転方向の一端側は、前記基材部との段差によって前記基材部に係止され、前記接触部材の、治具回転方向の他端側は、楔によって固定されていることを特徴とする治具である。

また本発明は、ワークの摩耗状態を測定する摩耗試験装置であって、前記ワークを保持するワーク保持機構と、前記ワークに対して接触及び非接触を繰り返す、上述の接触治具と、前記接触治具を回転自在に保持する回転機構と、前記接触治具の端部を間欠的に加熱する加熱機構と、を備えることを特徴とする摩耗試験装置である。

また本発明は、ワークの摩耗状態を測定する摩耗試験方法であって、上述の接触治具の外周部を、前記ワークに接触および非接触させて、前記ワークに掛かる垂直抗力Ｎ及び摩擦力Ｆを測定することを特徴とする摩耗試験方法である。

本発明によれば、脱着しやすい治具、治具を用いた摩耗試験装置および摩耗試験方法を提供することができる。

摩耗試験装置の概要図である。接触治具の実施形態の一例を示す図である。接触治具の実施形態の一例を示す図である。接触治具の実施形態の一例を示す図である。実施形態の接触治具を保持機構に取り付けたときの概略図である。従来の接触治具を示す図である。別実施形態の接触治具を示す図である。摩耗試験の実施結果を示す図である。

本発明は、軸中心に回転する治具であって、凹部を有する基材部と、一部が前記基材部の外周面から突出した状態で前記基材部の凹部に固定された接触部材とを有し、前記接触部材の、治具回転方向の一端側は、前記基材部との段差によって前記基材部に係止され、前記接触部材の、治具回転方向の他端側は、楔によって固定されていることを特徴の一つとする治具である。

以下、本発明に係る治具（接触治具）、かかる治具（接触治具）を備えた摩耗試験装置の実施形態について説明する。まず、図１を用いて摩耗試験装置の概要を説明し、次に図２～図７を用いて、治具および治具を用いた摩耗試験装置の実施形態について説明する。なお、本明細書でいう摩耗試験とは、例えば、摩擦係数を測定する摩擦試験を含んだ試験としてもよく、摩擦・摩耗試験と換言することもできる。

＜摩耗試験装置＞
ワークの摩耗状態を測定する摩耗試験装置の実施形態としては、前記ワークを保持するワーク保持機構と、前記ワークに対して接触及び非接触を繰り返す接触治具と、前記接触治具を回転自在に保持する回転機構と、前記接触治具の端部を間欠的に加熱する加熱機構と、を備え、前記接触治具として後述の構成を有することを特徴の一つとする摩耗試験装置である。

図１に、摩耗試験装置の概要の斜視図を示す。図１に示すように摩耗試験装置１００は、ワークＷを取り付けて保持するワーク保持機構１１０と、上記ワークＷに対して接触及び非接触を繰り返す接触治具１２０と、接触治具１２０を回転自在に保持する回転機構１３０と、上記ワーク保持機構１１０に接続線１４２を介して接続されたデータ解析機構１４０と、接触治具１２０を加熱する加熱機構１５０と、を備えている。

ワークＷは、摩耗性能を評価する材料（試料）のことを指す。ワークＷは、ワーク保持機構１１０の一側面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と接触する接触治具１２０が配置される。図１中に図示しないが、回転駆動部を内蔵した回転機構１３０に回転自在に保持されており、接触治具は回転機構１３０によって回転力を付与されることにより、ワークＷとの接触動作が行われる。回転機構１３０は、例えば旋盤等の工作機械の回転機構にそのまま適用することが可能であり、その場合、接触治具１２０の一端を支持する芯押し部１３２を流用することができる。

ワークＷは、例えば、（材種列挙）、適宜評価したい材料を選定すればよい。

＜摩耗試験方法＞
上記の摩耗試験装置を用いた試験方法の一例を説明する。まず、接触治具１２０を回転させ、接触治具１２０の外周から突出した部分をワークＷに接触する状態と非接触となる状態とを繰り返す。このとき、センサー等を用いてワークＷにかかる垂直抗力Ｎ及び摩擦力Ｆを測定する。測定されたこれらのデータは、図１に示す接続線を介してデータ解析機構１４０に送られて時系列データとして蓄積される。

また、上記した垂直抗力Ｎ及び摩擦力Ｆに加えて、例えば試験前後におけるワークＷの表面変位をレーザー計測器などで測定することで、ワークＷと接触治具１２０との接触回数に対するワークＷの摩耗量の相関を評価することも可能となる。以上のような構成及び動作により、ワークＷの摩耗特性を評価（試験）することができる。また、ワークＷに対して接触治具を回動させて接触させることにより、ワークＷに対する垂直抗力Ｎだけでなく摩擦力Ｆのリアルタイムの測定ができるため、ワークＷの動摩擦係数を得ることも可能となる。

＜治具（接触治具）＞
次に、上記で説明した治具の一実施形態について説明する。図２に示すように、本発明に係る治具２００は、凹部を有する基材部２１０と、一部が基材部２１０の外周面から突出した状態で基材部２１０の凹部に固定された接触部材２２０とを有し、接触部材２２０の、治具回転方向の一端側は、基材部２１０との段差によって基材部２１０に係止され、接触部材２２０の、治具回転方向の他端側は、楔２３０によって固定されていることを特徴の一つとする治具である。

上記のような構成を有することで、本実施形態の接触治具２００が回転する際に、接触部材２２０が脱落しないように固定（拘束）することができ、かつ着脱しやすい治具を提供できる。また、摩耗試験や摩耗試験装置に用いることが好ましい。

［基材］
基材２１０は凹部を有しており、凹部に接触部材２２０を固定する。また、接触部材２２０を係止するための段差を有している。図２に示した実施形態では、基材２１０の凹部の一方側の側面は、へこみが形成されており、オーバーハング状の形態を有する。材質は特に限定されず、ＳＵＳ３０３などを用いることができ、また加熱温度に応じた耐熱性を備える材質を選定すればよい。

［接触部材］
接触部材２２０は、摩耗試験にてワーク保持機構で保持されたワークＷと接触する部材である。後述するが、接触部材２２０の、治具回転方向の一端側は、基材部２１０との段差（凹凸）によって基材部２１０に係止され、接触部材２２０の、治具回転方向の他端側は、楔２３０によって固定されることで、摩耗試験中、接触部材２２０が、高速回転の遠心力やワークＷの押し付け力を受けても脱落することを防ぐことができる。接触部材２２０の材質は特に限定されず、摩耗試験の内容に応じて選定すればよい。例えば、Ｓ４５Ｃなどの炭素鋼に加えて、超硬合金、耐熱材料などの材質を用いることができる。接触部材２２０の形状としては、例えば、円弧状とすることができる。

［楔］
楔２３０は、治具の回転軸中心側を先端側、外周側を末端側と称したとき、末端側は、接触部材２２０よりも突出しない長さとし、接触治具２００が回転したときにワークＷに楔２３０が接触しないにする。材質は特に限定されず、例えばＳＵＳ３０３などを用いることができ、また接触部材２２０を加熱する場合には、その加熱温度に応じた耐熱性を備える材質を選定すればよい。

また、図２に示すように、接触部材２２０と楔２３０とが接する面を延長した仮想面２５０と、基材２１０と接触部材２２０との段差（凹凸）のうち、接触治具２００の周方向に延びた基材２１０と接触部材２２０との接触面を延長させた仮想面２５１とが、平行であることが好ましいが、角度を有していても良い。

［間隙空間（切り欠き部）］
また、接触治具２００は、治具回転軸中心付近に空隙空間（切り欠き部）２４０を設けることが好ましい。この空隙空間２４０を設けることで、ワークＷとの接触や熱膨張による接触部材２２０の変形を逃がすことができる。具体的には、接触治具２００の総表面積Ｓ１に対する間隙空間２４０の表面積Ｓ２の比（Ｓ２／Ｓ１）が、０．５～０．２０程度の空隙空間２４０を設けることが好ましく、例えば、軸方向から見た接触部材２２０の形状と楔２３０の先端部の形状を適宜変更して、間隙空間２４０が形成されるようにすればよい。

［作用］
接触治具２００が回転する際には、接触部材２２０が遠心力（周方向に飛び出そうとする力）とワークＷの押し付け力の２つの力を受けても脱落しないようにする必要がある。そこで、本実施形態の接触治具２００では、回転方向の他端側で基材２１０と接触部材２２０との間に形成された間隙空間２４０に楔２３０を挿入することで、基材２１０と接触部材２２０とに押圧力が付与されるため、接触部材２２０が周方向に飛び出しにくいようにできる、すなわち、接触部材２２０を固定することができる。

またさらに、接触部材２２０は、図３に示すように、治具回転方向の一端側を基材部２１０との段差によって基材部２１０に係止され、かつ治具回転方向の他端側を楔２３０によって固定されている。すなわち、図３のＡ部拡大図に示すように、基材２１０と接触する面に、基材に設けられた凸部と略同一の凹部とを有しており、それら凹凸により、接触部材２２０が周方向に飛び出す力を受けることができるため、接触部材２２０が周方向に飛び出しにくいようにすることができる。

また、図４にワークＷを接触治具２００に押し付けたときに生じる力の方向を示す。図４に示すワークＷの押し付け力方向に対して、接触部材２２０は、治具回転方向の一端側を基材部２１０との段差（凹凸）によって基材部２１０に係止され、かつ治具回転方向の他端側を楔２３０によって固定されていることにより、ワークＷの押し付け力を受け止めることができる。

［接触治具の固定方法］
接触治具の固定方法について説明する。図５に、保持機構として旋盤加工機のチャックを用いて取り付る方法の一例を示す。接触治具は、摩耗試験装置の保持機構に取り付けることができる。図５に示すように、旋盤のチャック３００に把持させる固定土台３１０と、チャック側固定治具３２０と、テールストック側固定治具３４０とを用いて、接触治具３３０（基材：３３１、接触部材３３２、楔３３３）を固定すればよい。

固定土台３１０に、チャック側固定治具３２０、接触治具３３０、テールストック側固定治具３４０の順で固定すればよい。このとき、チャック側固定治具３２０、接触治具３３０、テールストック側固定治具３４０とは、取り外し可能な締結部材、例えば、ボルトなどの締結手段を用いて固定することが好ましい。また、固定土台３１０に固定する際、少なくとも接触治具３３０の基材が締結部材で締結されていれば良く、接触部材３３２も締結部材で締結されているとより好ましい。

上記固定方法により、接触治具３３０は、旋盤の回転動力により回転することができるようになる。なお、旋盤加工機のチャックを用いる場合の固定方法を例示したが、回転土台を把持または固定する機能を有する装置を用いればよく、旋盤加工機に限定されない。

さらに、接触部材を強固に固定（拘束）をする方法についても説明する。
接触部材をより強固に固定（拘束）するために、接触部材に生じる遠心力以上の力で回転中心方向に押し付ける力が作用する構造を追加されれば良い。

例えば、楔の中央に穴を設け、その穴に棒材を通す。そして、この棒材と、チャック側固定治具の周方向側面またはテールストック側固定治具の周方向側面、またはそのどちらか一方とを、締結部材で固定したり、張力付与機構で両者を引き合うようにして固定すればよい。締結部材としてはボルトを用いることができる。張力付与機構としては、例えば、チャック側固定治具の周方向側面またはテールストック側固定治具の周方向側面、またはそのどちらか一方にフック付きのばねのフック機構を配し、そのフックを棒材に掛けることで接触治具の中心への張力を生じれされればよい。

以上、締結部材や張力付与機構を追加することで、楔を接触治具の回転中心方向に押し付ける力を増強することができ、接触部材をより強固に固定できるようになり、接触部材に掛かる外力による接触部材の脱落をより一層抑制することができる。

また、図６に従来の接触治具を固定した状態を例示する。図６に示すように、従来の接触治具は円形の接触治具であった。本発明に係る接触治具であれば、従来の接触治具に比べて、取り替え頻度が高い接触部材の面積を小さくすることができ、接触部材の製造コスト、および搬送性を高める効果も期待できる。接触部材の面積低減効果としては、例えば、約１／３程度の面積で構成することが可能となる。

また、図６に示すように、接触部材の取り替える際、従来の接触治具は接触部材と接触治具とが一体物であった。そのため、テールストック側固定治具の締結部材を全て取り外して接触治具を取り替える必要があり、作業工程が多かった。また、摩耗試験の試験条件の一つには、加熱した接触治具を用いて試験を行う場合があるため、加熱によって締結部材などが変形する恐れがあり、接触治具を取り出すまでに時間を要することも課題となっていた。

これに対して、本実施形態の接触治具であれば、接触部材を固定している締結部材を取り外し、張力付与機構を備えている場合には、張力付与機構の張力を緩めることで、接触部材のみを取り外すことが可能となる。すなわち、固定治具の取り外しも必要なくなり、取り替え、すなわち脱着を容易に行うことができる。

以上、本発明に係る接触治具の一実施形態について説明してきたが、上記のような接触治具であれば、締結せず、または少数の締結部材を用いるだけで接触部材を固定するためことができることから、接触部材の取り替えを容易に行うことができる。また仮に、締結部材を用いる場合であっても、従来の接触治具よりも少ない締結箇所で良いことから、やはり接触部材の取り替えを容易に行うことができる。

（別実施形態）
図７を用いて接触治具の別実施形態について説明する。

図７（ａ）のように、接触治具７００の別実施形態としては、基材７１１と接触部材７１２とに設ける段差（凹凸）を複数設けても良い。段差（凹凸）を複数設けることで、高速回転の遠心力やワークＷの押し付け力に対して、より強力な固定が可能となる。

また図７（ｂ）に示すように、基材７２１と接触部材７２２の接触部分を増加させても良い。接触治具７２０の周方向に延びる部分をＸ、接触治具７２０の径方向に延びる部分をＹとしたき、Ｘの長さがＹの長さに対して、好ましくは０．５～５倍であり、より好ましくは０．８～３倍であり、さらに好ましくは１～２倍である。または、基材７２１と接触部材７２２との接触面積を１．５～２倍程度に増加させることが好ましい。

また、図７（ｃ）に示すように、基材７３１と接触部材７３２との接触部分の形状を斜めに変形しても良い。例えば、図７（ｃ）では、図７（ｂ）におけるＸに相当する部分が周方向から傾けられている。接触部材７３２と楔７３３とが接する面を延長したものを仮想面７３５とし、基材７３１と接触部材７３２との段差（凹凸）のうち、前記Ｘに相当する傾けられた面（基材７３１と接触部材７３２との接触面であって、基材７３１の凹部の底部から外周側に立ち上がる面）が仮想面７３５となす角度をθとしたとき、例えば、θが９０°未満であればよく、好ましくは６０°以下であり、より好ましくは３０°以下である。図７（ｃ）には一例として、角度がθが３０°の場合を示している。なお、図７（ｂ）に示す例のようにθが０°、すなわち、基材７３１と接触部材７３２との接触面と、仮想面７３５とが平行であることがよりこの好ましい。

図７（ｄ）は、楔７４３の外周面側に凸部を設け、その凸部を接触部材７４２の外周面の一部に接触させた状態を示している。凸部により接触部材７４２を接触治具７４０の回転軸方向に押し込む働きをすることで、遠心力により脱落するのを抑制することができる。

摩耗試験（摩擦・摩耗試験）を実施すると接触部材の取替作業が必要になる。この接触部材の取付作業では、従来方法と本発明方法には下記の違いが生じる。また、摩耗試験では、常温で実施する試験や接触部材を加熱し行う実験があり、実施例では、２つの形態で取替作業（取付け取外し時間）の時間を計測した。

常温（２５℃）で実施した摩耗試験において、接触部材の取付け取外し時間を表１に記載する。従来治具に加え、本発明治具は簡便な取り付け機構を具備しているため、短時間で接触部材の交換ができた。特に６００℃で加熱した状態の摩耗試験後は、接触部材に試験片を押し当てて加熱（６００℃）で実施した摩耗試験において、接触部材の取付け取外し時間を表２に記載する。

図８に室温（２５℃）で実施した、摩擦・摩耗試験の実施例を示す。実試験条件は、押付け荷重を６００Ｎ、周速３０ｍ／ｍｉｎとし、１０回摺動させた。図８（ａ）は、摩耗試験回数が１０回目の基材からの垂直荷重と水平方向の荷重をグラフ化している。また、図８（ｂ）は、この時の摩擦係数（水平方向の荷重／垂直荷重）を示している。この実験での摩擦係数は、試験の立上りと試験の立下りの平均で０．４９となることがわかった。図８（ａ）に示すように本試験条件の押付け荷重６００Ｎに対して、垂直荷重も同等の６００Ｎであることから、押付け荷重が分散していないことがわかり、摩擦試験が正常に実施できたことを確認した。以上から、摩耗評価装置に実施例の接触治具を用いて摩擦・摩耗試験を実施しても、正常に摩擦・摩耗試験できることを確認した。

１００：摩耗試験装置
１１０：ワーク保持機構
１１２：本体部
１１４：アーム部
１２４：軸部
１３０：回転機構
１４０：データ解析機構
２００：接触治具
２１０：基材
２２０：接触部材
２３０：楔
２４０：間隙空間
２５０：仮想面
２５１：仮想面
３００：チャック
３１０：固定土台
３２０：チャック側固定治具
３３０：接触治具
３３１：基材
３３２：接触治具
３３３：楔
３４０：テールストック側固定治具
３９０：回転軸
６００：接触治具
７１０：接触治具
７１１：基材
７１２：接触部材
７１３：楔
７２０：接触治具
７２１：基材
７２２：接触部材
７２３：楔
７３０：接触治具
７３１：基材
７３２：接触部材
７３３：楔
７３５：仮想面
７３６：仮想面
７４０：接触治具
７４１：基材
７４２：接触部材
７４３：楔

Claims

軸中心に回転する治具であって、
凹部を有する基材部と、
一部が前記基材部の外周面から突出した状態で前記基材部の凹部に固定された接触部材とを有し、
前記接触部材の、治具回転方向の一端側は、前記基材部との段差によって前記基材部に係止され、
前記接触部材の、治具回転方向の他端側は、楔によって固定されていることを特徴とする治具。
ワークの摩耗状態を測定する摩耗試験装置であって、
前記ワークを保持するワーク保持機構と、
前記ワークに対して接触及び非接触を繰り返す、請求項１に記載の接触治具と、
前記接触治具を回転自在に保持する回転機構と、
前記接触治具の端部を間欠的に加熱する加熱機構と、を備える
ことを特徴とする摩耗試験装置。
ワークの摩耗状態を測定する摩耗試験方法であって、
請求項１に記載の接触治具の外周部を、前記ワークに接触および非接触させて、前記ワークに掛かる垂直抗力Ｎ及び摩擦力Ｆを測定する
ことを特徴とする摩耗試験方法。