JPH07225229A - 摩擦試験装置および摩擦試験方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 コイル板圧延における素板とロール間の潤滑
条件を変えて摩擦係数が測定可能な摩擦試験装置および
その試験方法を提供する。 【構成】 試験用素板コイルの巻取りおよび張力調節を
するテンションリールとペイオフリールと、ハウジング
内に設けられたロールと、ハウジング内に設けらえたブ
ロック状の工具と、工具表面に対する素板のなす角を調
節するディフレクターロールと、工具と素板の間に潤滑
剤を随時供給する装置と、素板の進行方向に工具に作用
する力を検出するロードセルと、ロールの圧下力を検出
するロードセルと、両者の検出された力の比から摩擦係
数を算出する手段を有してなり、前記ロールとブロック
状の工具は、これらの間で素板が圧延可能となるように
配置されていることを特徴とする摩擦試験装置。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、コイル板圧延における
素板とロール間の潤滑条件を変えて摩擦係数が測定でき
る摩擦試験装置および摩擦試験方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】塑性加工においては、加工力の低減、製
品品質の向上および工具の損傷防止のため、多くの場合
潤滑剤が使用されるが、工具を熱処理したり、異種材料
を被膜するなどして工具に特殊な表面処理を施したりし
て潤滑特性を向上させる場合も少なくない。したがって
実機で製品を加工する前に、潤滑剤やその潤滑特性を評
価し、最適な潤滑条件を確立しておく必要がある。

【０００３】潤滑剤を評価する方法としては、日本潤滑
学会編潤滑ハンドブック（１９８２年発行）の３７１頁
以下などに発表されている四球式、ティムケン等の基礎
試験方法およびその改良試験方法が広く知られている。

【０００４】塑性変形を伴う潤滑特性の評価方法として
は、日本塑性加工学会編〔塑性加工におけるトライボロ
ジ〕（１９８８年発行）に様々な方法が紹介されてい
る。その中で板圧延形式のものはＷｈｉｔｔｏｎや小豆
島の後方張力圧延形摩擦試験法、木原の連続引抜き圧延
形摩擦試験法などがある。

【０００５】また、特公平４ー４７２６０号公報にはロ
ールと工具とで切り板を圧延し、工具に作用する摩擦力
を測定して潤滑性を評価する方法が提案されている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】四球式やティムケン等
の基礎試験法およびその改良型による試験においては、
荷重を負荷する接触部は弾性体相互の接触なので点ある
いは線接触になるため接触面積は小さく、局所的には高
荷重になるが塑性変形による新生面の大きな露出はない
ので、実際の塑性加工における摩擦特性を評価するには
不十分である。

【０００７】後方張力圧延形摩擦試験法、連続引抜き圧
延形摩擦試験法では、前者は後方張力を、後者は前方張
力を過大に負荷することにより実現可能な方法である
が、張力を任意に設定できないという制約がある。ま
た、ロールを頻繁に交換するのは困難であるので表面粗
さの維持に多大な労力を要する。さらに、ロールに関し
て多品種の材質を評価したい場合、あるいはロールの粗
さ等の表面状態を多数変化させて評価したい場合には、
それぞれの条件におけるロールを造らなくてはならずコ
スト的に不利となる共に、条件を変える度にロールの組
み替えが必要となり作業性も悪い。

【０００８】特公平４ー４７２６０号公報で紹介されて
いる方法は、シームレスパイプの製造工程の一つである
マンドレル圧延をイメージした摩擦試験法であり、通常
の板の圧延のように潤滑剤を随時導入しながら連続試験
するものではない。また被加工物も切り板であり、コイ
ル圧延のような非常に長尺な板の圧延の評価には適応し
きれない。

【０００９】以上のことから、実際のコイル圧延の条件
に近い状態で、潤滑剤の潤滑性能や、潤滑剤、素板、ロ
ールの相乗効果（相性）などを評価しうる方法が求めら
れていた。

【００１０】本発明はこのような課題を解決するために
なされたもので、実際の圧延条件に近いかたちで効率良
く摩擦特性を評価することができる装置およびその方法
を提供することを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記課題は、試験用素板
コイルの巻取りおよび張力調節をするテンションリール
およびペイオフリールと、ハウジング内に設けられたロ
ールと、ハウジング内に設けられたブロック状の工具
と、工具表面に対する素板のなす角を調節するディフレ
クターロールと、工具と素板の間に潤滑剤を随時供給す
る装置と、素板の進行方向に工具に作用する力を検出す
るロードセルと、ロールの圧下力を検出するロードセル
と、両者の検出された力の比から摩擦係数を算出する手
段を有してなり、前記ロールとブロック状の工具は、こ
れらの間で素板が圧延可能となるように配置されている
ことを特徴とする摩擦試験装置によって解決される。

【００１２】また、工具を加熱するヒーターと、圧延前
の素板を加熱するヒーターと、工具と素板の接触部近傍
の温度を検出する温度計とを備えた前記装置を用いるこ
とにより、より実際に近いかたちでコイル板圧延の摩擦
特性が評価できる。

【００１３】さらに、前記装置において、素板の幅方向
エッヂ部における工具との摩擦条件を素板の幅方向中央
部における工具との摩擦条件より小さくなるようにして
摩擦試験を行うことにより、装置における幅方向中央部
の試験を適切に実施できるものである。

【００１４】

【作用】テンションリールとペイオフリールで張力調整
され、ペイオフリールから供給される試験用コイル状素
板を、ハウジング内に設けられたロールと工具で、潤滑
剤供給装置により潤滑剤を供給しながら圧延し、そのと
きの圧延方向と垂直な圧下力Ｐと圧延方向に平行な摩擦
力Ｆを検出することにより、摩擦の法則から摩擦係数μ
を、μ＝Ｆ／Ｐで求めることができる。

【００１５】この摩擦係数μの経時変化から工具表面に
おける潤滑膜の強度、あるいは材料の焼付き性などを評
価することができる。

【００１６】さらに本摩擦試験装置は、実際の圧延にお
ける条件に合わせ込むことが可能である。駆動ロールの
ロール粗さを大きくすることにより、圧延材に十分な送
り力が与えられるので、前、後方張力を通常の圧延条件
とほぼ同様に変化させることができる。これらの張力
と、素板とロールとの摩擦係数、すなわちロール表面の
粗さを調節することにより、広範囲の面圧分布のコント
ロールが可能となる。

【００１７】潤滑油の導入量は、圧延速度や工具と素板
のなす角、すなわちディフレクターロールの高さを調節
することにより実際の圧延の状態に合わせることができ
る。

【００１８】また、工具を加熱するヒーターと、圧延前
の素板を加熱するヒーターと、工具と素板の接触部近傍
の温度を検出する温度計によって、所定の温度に工具と
素板を加熱したり、圧延中の温度を測定できるので、よ
り実際の圧延に近い条件で摩擦試験ができる。すなわ
ち、加工発熱を織り込んだ冷間圧延のみならず熱間圧
延、温間圧延の場合も摩擦特性の評価が可能である。

【００１９】ロールの代わりにブロック状の工具を使用
しているので、加工が容易であり、材質や表面状態を多
種多様に設定することができる。

【００２０】さらに、本装置において素板の幅方向エッ
ヂ部における工具との摩擦条件を素板の幅方向中央部に
おける工具との摩擦条件より小さくすることで幅方向エ
ッヂ部における摩擦熱の発生が抑えられ、試験の外乱因
子としての幅方向エッヂ部における素板と工具の焼付き
を防止できる。これは、装置の剛性、ロールの剛性、工
具の剛性にもよるが、変形によりエッヂ部の面圧が高ま
り易いこと、エッヂ部は潤滑剤が流失し易いこと、素板
とロールと工具との相互の接触関係も幅方向中央部とは
異なること、回転するロールに代えてブロック状の工具
を用いていることもあって焼付きが発生し易いことを防
止するものである。

【００２１】即ち、素板、ロール、工具の１以上が焼付
き易い材料の評価をする場合とか、特に、差の少ない材
料間の評価、例えば、潤滑剤の潤滑性能や、潤滑剤、素
板、ロールの相乗効果（相性）などを評価する場合に
は、このようなエッヂ部の影響を軽減すべきである。

【００２２】この摩擦条件を変える具体的方法は、面
圧、温度、表面状況、潤滑剤の供給方法などがあるが、
通常は以下の方法を用いる。

【００２３】１）素板の幅方向エッヂ部と接する部分の
粗さをそれ以外の部分の粗さに比べ小さくした工具を用
いる。

【００２４】２）素板の幅方向エッヂ部と接する部分の
厚みを素板の幅方向中央部と接する部分の厚みより薄く
した工具を用いる。

【００２５】３）素板の幅方向エッヂ部と接する部分の
径が素板の幅方向中央部と接する部分の径より小さい、
すなわちクラウンの付いたロールを用いる。

【００２６】

【実施例】

（実施例１）図１に本発明装置の一例を示す。本装置は
実際のコイル圧延機において、下ロールの代わりに工具
５を工具ホルダー１３に固定しハウジング１４に組み込
んだ形となっている。工具はここでは直方体であり、試
験用素板４との接触面は平面となっているが、必要に応
じて曲面にすることも可能である。素板４は駆動ロール
１と工具５との間で圧延される。工具ホルダー１３は、
台１２の上に載っており、水平に動かせる状態にある。
さらに工具ホルダー１３は、素板４の進行方向に対し摩
擦力ロードセル９で受け止められている。台１２の下に
は圧下力ロードセル１０があり、駆動ロール１にかけら
れた圧下力を検出できるようになっている。そしてこの
摩擦力と圧下力の比を算出して摩擦係数が求められる。

【００２７】ハウジング１４の両側には、テンションリ
ール２とペイオフリール３が設けられている。ペイオフ
リール３に巻かれた素板４のコイルは、ディフレクター
ロール６に導かれ、圧延されてテンションリール２に巻
き取られていく。このとき実際の圧延のように素板４に
は前方、後方に張力がかけられている。

【００２８】また潤滑油は潤滑剤供給装置１１によって
工具５と素板４との接触部分に供給される。なお、潤滑
油の供給方法は、図１に示したようなノズルを用いたス
プレー式方法でも、潤滑油で濡らしたフェルトを用いて
素板４にこすりつける方法などでも可能である。潤滑油
の導入量は、圧延速度と、ロールと素板との噛み込み角
によって左右されるが、本発明では圧延速度だけでな
く、ディフレクターロール６の高さを変えて工具５と素
板４のなす角を調節することで潤滑油の導入量を調節す
ることができる。

【００２９】潤滑油の特性は温度依存性があるので、工
具ホルダー１３の中にヒーター８と、圧延機の入側に素
板を加熱するストリップヒーター１５とを備え、圧延中
の温度を調節できるようになっている。さらに、工具の
中に温度計７を設けることによって、圧延中の接触部分
近傍の温度をモニターしながら潤滑性を評価できるよう
になっている。もちろんヒーター８とストリップヒータ
ー１５とを使用しなければ、加工発熱のみの温度上昇の
試験となる。

【００３０】図２は、本試験装置を用いて測定した圧下
力Ｐと摩擦力Ｆおよびこれらの測定値から算出した摩擦
係数μ（＝Ｆ／Ｐ）の経時変化を示したものである。
（ａ）は素板４と工具５との間に焼付きが発生していな
い場合で（ｂ）は焼付きが生じた場合である。焼付きが
発生していない場合は、摩擦力Ｆおよび摩擦係数μが圧
延時間に対し一定であるが、焼付きが発生すると摩擦力
Ｆと摩擦係数μが時間と共に上昇することがわかる。

【００３１】図３は、ＳＵＳ３０４の素板を用い摩擦試
験を行った結果である。横軸に圧下率、縦軸に圧延開始
から１２０秒後の摩擦係数μをプロットしたものである
が、焼付き限界と摩擦係数μの上昇とが良く一致してい
ることが分かる。

【００３２】（実施例２）上記図２や図３の結果は、い
ずれも素板の幅方向中心部近傍で測定したデータによる
ものであり、摩擦試験にとって好ましくない素板の幅方
向エッヂ部での焼付きが起こらなかったときの結果であ
る。しかしフェライト系ステンレス鋼などの焼付き易い
材料からなる素板や工具を用いると素板の幅方向エッヂ
部で焼付きが生じ、正確な摩擦試験ができなくなった
り、素板が蛇行したり、破断したりする場合がある。

【００３３】その解決方法としては、本発明の一つであ
る素板の幅方向エッヂ部における工具との摩擦条件を素
板の幅方向中央部における工具との摩擦条件よりも小さ
くしたものが本実施例である。

【００３４】図４は本発明の摩擦試験装置の圧延部分を
拡大した実施例で、図において、４は被圧延材である素
板、１は駆動ロールでエッヂ部の面圧（荷重）を下げる
ために相対的にロールの幅中央部に中高のプロフィル
（クラウン）を付与し、更に５は工具で所定の幅中央部
の粗さ条件に対してエッヂ部を鏡面研磨し、かつ素板の
エッヂ部に接する部分の面圧を下げるために当該部の厚
さを相対的に薄くしている。

【００３５】図５の（ａ）は図４に示す本発明の摩擦試
験装置により、焼付き易いＳＵＳ４３０の摩擦試験を行
った結果である。素板の幅方向均一に焼付きが発生し、
本来の試験条件に対する評価が明確にできた。

【００３６】これに対して、図５の（ｂ）は図４のよう
な処置をとらない装置での試験の結果であり、素板の幅
方向エッヂ部で焼付きが起こったため、焼付きにより真
の摩擦挙動を評価できなかった。

【００３７】

【発明の効果】本発明は、以上説明したように構成され
ているので、実際の圧延に近いかたちで効率良くコイル
板圧延の摩擦特性を評価できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の１実施例であるコイル板圧延における
摩擦試験装置を示す図である。

【図２】本発明の摩擦試験装置で測定した圧下力、摩擦
力および摩擦係数の経時変化を示す図である。

【図３】ＳＵＳ３０４の素板を用い、本発明の摩擦試験
装置で測定した摩擦係数と焼付き限界の対応を示す図で
ある。

【図４】素板の幅方向エッヂ部における異常な焼付け発
生を防止する方法の採られた本発明の摩擦試験装置の圧
延部分を拡大した実施例を表す図である。

【図５】素板の幅方向エッヂ部における異常な焼付け発
生を防止する方法を採った場合（ａ）と採らない場合
（ｂ）のＳＵＳ４３０の摩擦試験結果を表す図である。

【符号の説明】

１ 駆動ロール ２ テンションリール ３ ペイオフリール ４ 素板 ５ 工具 ６ ディフレクターロール ７ 温度計 ８ ヒーター ９ 摩擦力ロードセル １０ 圧下力ロードセル １１ 潤滑剤供給装置 １２ 台 １３ 工具ホルダー １４ ハウジング １５ ストリップヒーター

フロントページの続き (72)発明者 曽谷 保博 東京都千代田区丸の内一丁目１番２号 日 本鋼管株式会社内

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 試験用素板コイルの巻取りおよび張力調
   節をするテンションリールおよびペイオフリールと、ハ
   ウジング内に設けられたロールと、ハウジング内に設け
   られたブロック状の工具と、工具表面に対する素板のな
   す角を調節するディフレクターロールと、工具と素板の
   間に潤滑剤を随時供給する装置と、素板の進行方向に工
   具に作用する力を検出するロードセルと、ロールの圧下
   力を検出するロードセルと、両者の検出された力の比か
   ら摩擦係数を算出する手段を有してなり、前記ロールと
   ブロック状の工具は、これらの間で素板が圧延可能とな
   るように配置されていることを特徴とする摩擦試験装
   置。
2. 【請求項２】 工具を加熱するヒーターと、圧延前の素
   板を加熱するヒーターと、工具と素板の接触部近傍の温
   度を検出する温度計とを備えた請求項１に記載の摩擦試
   験装置。
3. 【請求項３】 請求項１または請求項２に記載の摩擦試
   験装置を用い、素板の幅方向エッヂ部における工具との
   摩擦条件を素板の幅方向中央部における工具との摩擦条
   件より小さくなるようにして行う摩擦試験方法。