JP6347201B2 - 摩擦係数測定装置及び方法 - Google Patents

Description

本発明は、直方体の試験片を対象として摩擦係数を測定するのに利用して好適な摩擦係数測定装置及び方法に関する。

摩擦係数は、プレス成形等の塑性変形を活用した加工において、成形状態に影響を及ぼす重要な因子であり、成形中の摩擦状態の変化により、成形中の被加工材の割れや金型凝着、応力集中による金型破損、成形品形状不良等が生じる場合がある。
そこで、成形中の摩擦状態を模擬した各種の摩擦係数測定手法が考案され、実際に測定に用いられている（非特許文献１や特許文献１を参照のこと）。

特開昭６２−１１８２３９号公報

機械学会論文集（Ｃ編）５５巻、５１６号、２２１３−２２２０、（１９８９−８）、小坂田宏造、白石光信他、リング圧縮試験による変形抵抗測定法

しかしながら、非特許文献１では、高面圧下の塑性域において、圧縮力が塑性材料の変形と摩擦の両方に作用し、変形抵抗と摩擦係数の切り分けの必要があり、摩擦係数を直接求めることができない。
また、特許文献１では、圧縮力を付与していくと、ガイド装置等の機械損失が大きくなり、測定値の誤差が大きくなる。

本発明は上記のような点に鑑みてなされたものである、高面圧下の塑性域においても変形抵抗や機械損失の影響を受けないようにして摩擦係数を高精度で測定できるようにすることを目的とする。

上記課題を解決するための本発明の要旨は以下のとおりである。
［１］先端に矩形の溝を有する押付パンチと、
前記押付パンチと中心軸が同軸上に配置され、先端に矩形の先端突起を有する背圧パンチと、
前記押付パンチと前記背圧パンチとを挟み込むように対向配置した一対の水平パンチとを備え、
直方体の試験片の６面を、前記押付パンチの溝の側面及び底面からなる３面の拘束面と、前記背圧パンチ３の先端面からなる１面の拘束面と、前記一対の水平パンチの２面の摺動面とで拘束した状態で、前記押付パンチを駆動し、前記試験片が前記水平パンチの前記摺動面上を摺動するときの前記押付パンチ、前記背圧パンチ及び前記水平パンチの各荷重を測定する構成にしたことを特徴とする摩擦係数測定装置。
［２］ 前記押付パンチの駆動速度を可変としたことを特徴とする［１］に記載の摩擦係数測定装置。
［３］ 前記押付パンチにおいて前記溝の周囲には、前記３面の拘束面から板厚を減じるようにテーパ部が設けられ、前記背圧パンチにおいて前記先端突起には、前記１面の拘束面から板厚を減じるようにテーパ部が設けられていることを特徴とする［１］又は［２］に記載の摩擦係数測定装置。
［４］ ［１］乃至［３］のいずれか一つに記載の摩擦係数測定装置により測定した前記押付パンチ、前記背圧パンチ及び前記水平パンチの各荷重Ｆ_M、Ｆ_B、Ｆ_Hを用いて、下式（１）から摩擦係数μを導出することを特徴とする摩擦係数測定方法。
Ｆ_M−Ｆ_B＝μ×Ｆ_H・・・（１）
［５］ ［１］乃至［３］のいずれか一つに記載の摩擦係数測定装置により測定した前記押付パンチ、前記背圧パンチ及び前記水平パンチの各実測荷重Ｆ_M、Ｆ_B、Ｆ_Hのうちの２つと、仮の摩擦係数とを、［１］乃至［３］のいずれか一つに記載の摩擦係数測定装置を模擬した数値解析モデルに代入することにより、他の１つの荷重を算出し、
前記数値解析モデルから算出した前記１つの荷重と、前記摩擦係数測定装置により実測した前記他の１つの荷重とが略一致するように摩擦係数を同定することを特徴とする摩擦係数測定方法。

本発明によれば、高面圧下の塑性域においても変形抵抗や機械損失の影響を受けないようにして摩擦係数を高精度で測定することができる。

実施形態に係る摩擦係数測定装置の要部の概略構成を示す図である。 実施形態に係る摩擦係数測定装置の要部の概略構成を示す図である。 実施形態に係る摩擦係数測定装置による荷重測定方法を説明するための図である。 実施形態に係る摩擦係数測定装置を含むプレス機の構成例を示す図である。 摩擦係数を同定する処理を示すフローチャートである。

以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態について説明する。
（第１実施形態）
図１、図２に、実施形態に係る摩擦係数測定装置の要部の概略構成を示す。図１（ａ）は試験開始前（試験片非拘束状態）の摩擦係数測定装置の斜視図であり、（ｂ）は（ａ）のI-I線（中心軸１に沿う線）の断面図である。また、図２（ａ）は試験開始時（試験片拘束状態）の摩擦係数測定装置の斜視図であり、（ｂ）は（ａ）のII-II線（中心軸１に沿う線）の断面図である。
摩擦係数測定装置は、押付パンチ２と、背圧パンチ３と、一対の水平パンチ４とを備え、直方体の試験片（金属やプラスチック等の塑性材料）を対象として摩擦係数を測定するのに利用される。なお、図１（ａ）、図２（ａ）では、説明の便宜上、一対の水平パンチ４のうち片方だけを図示する。

押付パンチ２の中心は中心軸１と同軸上にあり、その先端には矩形の溝２１が設けられている。溝２１の側面及び底面からなる拘束面２２は、図２に示すように、試験片５を溝２１に配置したときに、試験片５の対面する３面と接触する。
背圧パンチ３の中心は中心軸１と同軸上にあり、その先端には矩形の先端突起３１が設けられている。先端突起３１の先端面からなる拘束面３２は、図２に示すように、溝２１に配置された試験片５の１面と接触する。先端突起３１は溝２１に入り込んで摺動可能であるが、試験中に試験片５がパンチ２、３間に入り込めないようする必要があり、寸法公差を中間嵌め又は締り嵌めの領域に設定するのが好ましい。
押付パンチ２の端面２３と背圧パンチ３の端面３３とは、試験開始から終了まで接触しない構成としている。

一対の水平パンチ４は、押付パンチ２と背圧パンチ３とを挟み込むように対向配置された金型であり、各々摺動面４３を有する。一対の水平パンチ４は、摺動面４３が押付パンチ２の拘束面２２及び背圧パンチ３の拘束面３２に直交し、溝２１と先端突起３１とで試験片５を挟み込む位置で対向配置され、各摺動面４３が試験片５の面に接触する。

溝２１の周囲にはテーパ部２４が設けられ、拘束面２２から板厚を減じるようになっている。また、先端突起３１にはテーパ部３４が設けられ、拘束面３２から板厚を減じるようになっている。これにより、押付パンチ２及び背圧パンチ３と水平パンチ４の摺動面４３との接触面積を可能な限り減らしている。摩擦係数の測定誤差を少なくする観点から、押付パンチ２及び背圧パンチ３と摺動面４３との接触面積は、試験片５と摺動面４３との接触面積の５％以下となることが望ましい。

図３は、実施形態に係る摩擦係数測定装置による荷重測定方法を説明するための図であり、図２（ｂ）と同じく中心軸１に沿う断面図である。図中の矢印７は、加圧方向を示す。
押付パンチ２は、押付パンチ用ロードセル２５を介して、押付パンチ動力軸２６から力が伝えられる。したがって、押付パンチ用ロードセル２５は、押付パンチ２が試験片５を押す力のみを測定することになる。
背圧パンチ３は、背圧パンチ用ロードセル３５を介して、背圧パンチ動力軸３６から力が伝えられる。したがって、背圧パンチ用ロードセル３５は、背圧パンチ３が試験片５を押す力のみを測定することになる。
一対の水平パンチ４は、測定側水平パンチ４１と、非測定側水平パンチ４２とに分けられる。非測定側水平パンチ４２は、固定フレーム６１に固定される。測定側水平パンチ４１は、水平パンチ用ロードセル４５を介して、水平パンチ駆動ユニット４６から力が伝えられる。したがって、水平パンチ用ロードセル４５は、水平パンチ４が試験片５を押す力のみを測定することになる。なお、図３に示す構成に対し、後述する図４に示すように、水平パンチ用ロードセル４５を固定フレーム６１に固定し、非測定側水平パンチ４２を水平パンチ駆動ユニット４６で押す構成としても構わない。

図４は、実施形態に係る摩擦係数測定装置を含むプレス機の具体的な構成例を示す図であり、図２（ｂ）と同じく中心軸１に沿う断面図である。
プレス機は、プレス機メイン軸（押付パンチ動力軸）２６と、同軸上に対向配置されたプレス機背圧軸（背圧パンチ動力軸）３６とを備え、プレス機ステージ６に固定フレーム６１が設置されている。
固定フレーム６１には、押付パンチ２を通すための穴が設けられており、押付パンチ２は、プレス機メイン軸２６から押付パンチ用ロードセル２５を介して加圧され、中心軸１に沿って移動可能である。
また、プレス機ステージ６には、背圧パンチ３を通すための穴が設けられており、背圧パンチ３は、プレス機背圧軸３６から背圧パンチ用ロードセル３５を介して加圧され、中心軸１に沿って移動可能である。
一対の水平パンチ４は、プレス機ステージ６及び固定フレーム６１に取付けられた水平パンチガイド４８に設置され、摺動面４３の法線方向に移動可能である。測定側水平パンチ４１は、固定フレーム６１に取り付けられた水平パンチ用ロードセル４５に接している。非測定側水平パンチ４２は、固定フレーム６１に取り付けられた水平パンチ駆動ユニット４６により、摺動面４３の法線方向に加圧され、試験片５及び測定側水平パンチ４１を介し、水平パンチ用ロードセル４５が力を受ける。

摩擦係数測定は、図２に示すように、直方体の試験片５の６面が、押付パンチ２の３面の拘束面２２と、背圧パンチ３の１面の拘束面３２と、一対の水平パンチ４の２面の摺動面４３と接している状態から開始する。このとき、測定側水平パンチ４１の摺動面４３は、テーパ部２４及びテーパ部３４の最大板厚部とぴたりと接触するように、固定フレーム６１と水平パンチ用ロードセル４５の間にシムを挟んで調整している。

プレス機メイン軸２６及び水平パンチ駆動ユニット４６を位置制御により固定した状態で、プレス機背圧軸３６に一定荷重を加える。水平パンチ４がない場合、押付パンチ２と背圧パンチ３とにより、試験片５が中心軸１方向に圧縮力を受けると、低荷重の弾性域においてはポアソン比分が、高荷重の塑性域においては、非圧縮材では中心軸１方向に潰された体積分が、圧縮材料では中心軸１方向に潰された体積に材料の圧縮特性をかけた分が、摺動面４３方向に膨出する。それに対して、本実施形態のように水平パンチ４を配置することにより、摺動面４３によって、験片５は摺動面４３方向に膨出することはできない。その結果、弾性域及び塑性域の非圧縮材は材料の変形が生じず、塑性域の圧縮材料ではプレス機背圧軸３６によって加えられた荷重に応じ、中心軸１方向に材料が圧縮されるが、一旦圧縮された後は非圧縮材と同様に材料の変形は生じない。そして、プレス機背圧軸３６によって加えられた荷重に比例した面圧が試験片５の全６面に生じる。

次に、プレス機背圧軸３６によって加えられた荷重に比例した面圧が試験片５の全６面に生じた状態で、プレス機メイン軸２６を速度制御により、中心軸１に沿って背圧パンチ３方向に駆動させる。これにより、試験片５の摺動面４３に接する２面は、摺動面４３上を摺動し始める。そして、試験片５の摺動面４３に接する２面が、摺動面４３上を摺動中の押付パンチ用ロードセル２５の測定荷重（押付荷重）をＦ_M、背圧パンチ用ロードセル３５の測定荷重（背圧荷重）をＦ_B、水平パンチ用ロードセル４５の測定荷重（水平荷重）をＦ_H、摩擦係数をμと定義すると、下式（１）が成立し、その関係から摩擦係数μが導出される。
Ｆ_M−Ｆ_B＝μ×Ｆ_H・・・（１）

上述の測定中、試験片５の全６面が拘束されているため、プレス機背圧軸３６によって加えられた荷重に比例した面圧が、試験片５の弾性域を超えた塑性変形域においても材料の変形は生じない。このため、材料の変形抵抗の影響を受けない。また、測定中水平パンチ４は、水平パンチ駆動ユニット４６から力を受けるが、水平パンチガイド４８を介して移動することはなく、機械的な損失を生じず、水平パンチ用ロードセル４５は、水平パンチ４に加えられた摺動面４３の法線方向の荷重を直接測定する。押付パンチ用ロードセル２５は、押付パンチ２に加えられた中心軸１方向の荷重を、背圧パンチ用ロードセル３５は、背圧パンチ３に加えられた中心軸１方向の荷重を直接測定しており、材料の変形抵抗及び測定装置構成部品の機械的な損失の影響を受けずに、高精度に直接摩擦係数μを測定することができる。

プレス機背圧軸３６に加える一定荷重を変えながら、同様の測定を行うことで、低面圧下の弾性域から高面圧下の塑性域までの摩擦係数を高精度で測定することができる。

本実施形態では、水平パンチ駆動ユニット４６に油圧サーボを用いることを想定しているが、本発明はこれに限るものではなく、水平パンチ駆動ユニット４６にサーボモータ等を用いてもよい。また、水平パンチガイド４８にリニアガイドを用いることを想定しているが、本発明はこれに限るものではなく、水平パンチガイド４８に各種のガイド機構を用いてもよい。また、水平パンチ４とプレス機ステージ６及び固定フレーム６１を接触させてガイド機構としてもよい。

摩擦係数μは速度依存性を有するため、プレス機背圧軸３６に加える荷重を一定とし、押付パンチ２の駆動速度を可変とすることにより、摩擦係数μに成形速度の影響を組み込むことができる。

（第２の実施形態）
第１の実施形態では、押付パンチ用ロードセル２５の測定荷重Ｆ_M、背圧パンチ用ロードセル３５の測定荷重Ｆ_B、水平パンチ用ロードセル４５の測定荷重Ｆ_Hから、直接式（１）により摩擦係数μを導出した。
第２の実施形態では、測定荷重Ｆ_M、Ｆ_B、Ｆ_Hに基づいて、ＦＥＭ解析により摩擦係数μを導出する。本実施形態で用いられる摩擦係数測定装置の装置構成及び測定手法は、第１実施形態と同様であるため、その説明は省略する。

まず、第１実施形態と同様に、プレス機背圧軸３６に加える一定荷重を変えながら、低面圧下の弾性域から高面圧下の塑性域まで必要とする領域の測定荷重Ｆ_M、Ｆ_B、Ｆ_Hのデータを測定する。

図５は、摩擦係数を同定する処理を示すフローチャートである。この処理は、例えばＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ等を備えたコンピュータ装置が所定のプログラムを実行することにより実現される。
摩擦係数測定装置を模擬した数値解析モデルに、前述の測定荷重のデータから１条件を選び、測定荷重Ｆ_B、Ｆ_Hを入力する（ステップＳ１０１）。
次に、摩擦係数μに適当な値（仮の摩擦係数）を代入し（ステップＳ１０２）、第１の実施形態で説明した摩擦係数測定を数値解析モデル上で行い、数値解析から押付荷重Ｆ’_Mを算出する（ステップＳ１０３）。
そして、下式（２）に示すように、実測したデータの押付荷重Ｆ_Mと数値解析から算出した押付荷重Ｆ’_Mとの差の絶対値をΔＦ_Mと定義する。
ΔＦ_M＝｜Ｆ_M−Ｆ’_M｜・・・（２）

次に、ΔＦ_Mと許容誤差Ｅ_rとの大小を比較し（ステップＳ１０４）、二分法やニュートン・ラフソン法等の求根アルゴリズムを用い、押付荷重Ｆ_M、Ｆ’_Mが略一致するように、すなわちΔＦ_Mが許容誤差Ｅ_r以下となるようにステップＳ１０２、Ｓ１０３で摩擦係数μの値を変更しながら数値解析を繰り返し計算する。そして、ΔＦ_Mが許容誤差Ｅ_r以下となったとき、そのときの仮の摩擦係数を摩擦係数μとして確定し（ステップＳ１０５）、繰り返し計算を終了する。
その後、測定データの全条件について同様の操作を繰り返し、各面圧における摩擦係数を算出する。

数値解析モデルは、実現象において影響が大きいと判断した因子のみを考慮した理想モデルであり、影響が小さいと判断した因子、また想定外の因子については未考慮で数値解析結果に反映されておらず、実現象との乖離は避けられない。本実施形態においては、未考慮の影響因子に関して、許容誤差Ｅ_r以下になるように摩擦係数を繰り返し計算により算出することにより、数値解析モデルにおいて未考慮の因子の影響を摩擦係数μのパラメータの一つとして組み込んだことに相当する。

許容誤差Ｅ_rを入力する押付荷重Ｆ_Mの０．１以下とし、ニュートン・ラフソン法を用いて求めた面圧依存の摩擦係数μを、鋼管の管端のアップセット成形及び、鋼板の冷間鍛造の各数値解析モデルに適用し、成形実験と数値解析それぞれの成形荷重の値を比較した。その結果、数値解析により成形荷重の値を高精度に予測できた。

また、第１の実施形態と同様に、押付パンチ２の駆動速度を変えた測定データを加えることで、摩擦係数μに成形速度の影響を組み込むこともできる。

以上、本発明を種々の実施形態と共に説明したが、本発明はこれらの実施形態にのみ限定されるものではなく、本発明の範囲内で変更等が可能である。

１：中心軸、２：押付パンチ、２１：溝、２２：拘束面、２３：端面、２４：テーパ部、２５：押付パンチ用ロードセル、２６：プレス機メイン軸（押付パンチ動力軸）、３：背圧パンチ、３１：先端突起、３２：拘束面、３３：端面、３４：テーパ部、３５：背圧パンチ用ロードセル、３６：プレス機背圧軸（背圧パンチ動力軸）、４：水平パンチ、４１：測定側水平パンチ、４２：非測定側水平パンチ、４３：摺動面、４５：水平パンチ用ロードセル、４６：水平パンチ駆動ユニット、４８：水平パンチガイド、５：試験片、６：プレス機ステージ、６１：固定フレーム

Claims (5)

1. 先端に矩形の溝を有する押付パンチと、
   前記押付パンチと中心軸が同軸上に配置され、先端に矩形の先端突起を有する背圧パンチと、
   前記押付パンチと前記背圧パンチとを挟み込むように対向配置した一対の水平パンチとを備え、
   直方体の試験片の６面を、前記押付パンチの溝の側面及び底面からなる３面の拘束面と、前記背圧パンチ３の先端面からなる１面の拘束面と、前記一対の水平パンチの２面の摺動面とで拘束した状態で、前記押付パンチを駆動し、前記試験片が前記水平パンチの前記摺動面上を摺動するときの前記押付パンチ、前記背圧パンチ及び前記水平パンチの各荷重を測定する構成にしたことを特徴とする摩擦係数測定装置。
2. 前記押付パンチの駆動速度を可変としたことを特徴とする請求項１に記載の摩擦係数測定装置。
3. 前記押付パンチにおいて前記溝の周囲には、前記３面の拘束面から板厚を減じるようにテーパ部が設けられ、前記背圧パンチにおいて前記先端突起には、前記１面の拘束面から板厚を減じるようにテーパ部が設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載の摩擦係数測定装置。
4. 請求項１乃至３のいずれか１項に記載の摩擦係数測定装置により測定した前記押付パンチ、前記背圧パンチ及び前記水平パンチの各荷重Ｆ_M、Ｆ_B、Ｆ_Hを用いて、下式（１）から摩擦係数μを導出することを特徴とする摩擦係数測定方法。
   Ｆ_M−Ｆ_B＝μ×Ｆ_H・・・（１）
5. 請求項１乃至３のいずれか１項に記載の摩擦係数測定装置により測定した前記押付パンチ、前記背圧パンチ及び前記水平パンチの各実測荷重Ｆ_M、Ｆ_B、Ｆ_Hのうちの２つと、仮の摩擦係数とを、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の摩擦係数測定装置を模擬した数値解析モデルに代入することにより、他の１つの荷重を算出し、
   前記数値解析モデルから算出した前記１つの荷重と、前記摩擦係数測定装置により実測した前記他の１つの荷重とが略一致するように摩擦係数を同定することを特徴とする摩擦係数測定方法。

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