JPS6334419B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は、摩擦試験装置に係り、更に詳しく
は熱間圧延、冷間圧延、プレス成形等の塑性加工
時における摩擦力や摩擦係数あるいは塑性加工時
に使用される潤滑剤の性能等を測定するための摩
擦試験装置に関する。

一般に、塑性加工の際には２つの材料、すなわ
ち被塑性材と型との間における相対的な摺動に基
づく摩擦が発生し、製品表面のキズや動力損失の
重大な原因となるほか、型の耐用寿命にも重大な
影響を与える。そこで、このような摩擦の発生を
できるだけ軽減するために潤滑剤が使用される
が、これから行なおうとする塑性加工に適した潤
滑剤を選定することが極めて重要な課題になり、
また、これを達成するには実際の塑性加工におけ
る条件下での摩擦力や摩擦係数あるいは使用され
た潤滑剤の性能等を正確に把握することが必要不
可欠である。

ところで、実際に行なわれる種々の塑性加工の
際の状況を観察してみると、例えばマンドレルの
場合には素管からなる被塑性材がマンドレルバー
とロールとの間で加圧される構造となつており、
また、プレスにおいては板状の被塑性材が一対の
雄型及び雌型の間で加圧される構造となつている
等、必ず被塑性材が型と塑性加工具の間で加圧さ
れる構造となつている。

また、実際に行なわれる塑性加工の条件につい
ては、特に加熱することなく行う冷間加工から加
熱して高温条件下で行う熱間加工まであり、例え
ばシームレス鋼管製造工程における熱間圧延条件
をみると、最大圧延圧力が100Kg／mm²程度、最大
圧延速度が５ｍ／ｓ程度、圧延時間が７〜８秒程
度、素管加工温度が1200℃程度及びマンドレルバ
ーと素管との間の相対摺動速度が0.1〜2.5ｍ／ｓ
程度であり、しかも、マンドレルバーと素管との
間にはマンドレルバーの表面と圧延によつて新し
く生じた素管の面（新生面）とによる面摺動（新
生面摺動）が起つている。

従つて、このような塑性加工の際において互い
に摩擦現象を起している２つの部材料間における
摩擦力、摩擦係数、使用される潤滑剤の性能等を
正確に把握するためには、実際の塑性加工に近い
条件を作り出すことができる摩擦試験装置が必要
になる。

しかしながら、従来のこの種の試験装置を調べ
てみると、例えば鈴木式や伊藤式で代表される円
柱管端面摩擦試験機では、潤滑剤を介在させる試
験は可能ではあるが塑性加工条件に設定すること
ができず、また、特開昭56−150326号の高温摩擦
装置では高温条件は設定することができても、高
圧にすれば相対摺動速度を高速にすることができ
ず、反対に相対摺動速度を速くすると高圧にする
ことができないという問題がある。

さらに、高温、高圧及び高速度という条件を満
足し得る摩擦試験装置として、例えば特公昭54−
21274号の高温摩擦装置が知られているが、上記
鈴木式や伊藤式の円柱管端面摩擦試験機や特開昭
56−150326号の高温摩擦試験装置をも含めて、従
来の摩擦試験装置は、そのいずれも単に２つの部
材の間に圧力を加えながら互いに摺動させるだけ
にすぎず、実際の塑性加工の場合のように被塑性
材が型と塑性加工具の間で加圧され、新生面を生
じてこの新生面が型との間で面摺動を起す、いわ
ゆる新生面摺動による摩擦現象を生じさせること
ができず、実際の塑性加工の場合の摩擦現象との
間の整合性が悪いという問題があり、いずれも満
足し得る摩擦試験装置とは言い難いものであつ
た。しかも、これら従来の摩擦試験装置では、あ
る特定の塑性加工における条件に適合した条件で
摩擦力、摩擦係数、摩耗の程度等を測定すること
ができても他の塑性加工における条件での摩擦試
験は不可能である、等その汎用性に乏しいという
問題もあつた。

本発明者等は、かかる観点に鑑み、実際に行な
われる種々の塑性加工時の条件に則した条件で実
際の塑性加工の場合と整合性のある摩擦力、摩擦
係数、使用される潤滑剤の性能等を測定すること
ができる装置について鋭意研究を重ねた結果、塑
性加工の際における型に対応する摺動材と被塑性
材に相当する試験材とを互いに面接触させ、塑性
加工具に相当する圧子を摺動材とは反対側から試
験材に当接させて試験材に実際に塑性変形を起さ
せながらこの試験材を摺動材に圧接させ、実際に
試験材の表面に塑性加工を行う模擬塑性加工部分
を構成し、この模擬塑性加工部分の圧力、温度、
相対摺動速度、加工速度等を実際の塑性加工条件
に対応させることにより、実際の塑性加工と極め
て整合性の高い結果を得ることができることを見
い出し、本発明に到達したものである。

すなわち、本発明は、平板状試験材を軸方向摺
動可能に保持すると共にこの試験材を回転させる
駆動軸と、回転自在に支承され、一端には上記試
験材と面接触する平板状摺動材が取付けられると
共に他端側にはロードセルを備えたトルク検出機
構を有する回転自在の摺動材保持具と、上記摺動
材の反対側から上記試験材に当接して試験材に塑
性変形を起させながらこの試験材を摺動材に圧接
させる圧子と、上記試験材、摺動材及び圧子が構
成する模擬塑性加工部分を所定温度に設定する加
熱機構とを備えている摩擦試験装置である。

本発明の摩擦試験装置の原理を第１図に示す模
擬塑性加工部分を例にして説明する。第１図にお
いて、符号１が平板状に形成された試験材であ
り、この試験材１はこれから塑性加工を行なおう
とする被塑性材と同じ材質で形成される。また、
符号２は平板状に形成されて試験材１と面接触を
する摺動材であり、この摺動材２は使用する塑性
加工装置の型と同じ材質で形成される。さらに、
符号３は塑性加工装置において被塑性材に圧力を
加える塑性加工具に対応する圧子であり、耐熱・
耐摩耗性に優れた超合金で形成され、その先端部
分は略半球形状になつている。

このような設定で、上記試験材１を回転せしめ
ると共に圧子３に所定の加圧力を付与し、この試
験材１を摺動材２に対して摺動させると同時に試
験材１と圧子３との間に所定の相対摺動速度を与
え、さらに、この模擬塑性加工部分を冷間加工で
あれは常温で、また、熱間加工であれば所定温度
に加熱して所定時間試験を行い、第１図に示すよ
うに試験材１に塑性加工を施し、また、このと
き、回転する試験材１が摺動材２に圧接して摺動
することによりこれらの間に摩擦力が働き、摺動
材２が試験材１と共に回転しようとする。この摺
動材２に作用する摩擦力を第１図紙面垂直方向に
作用する回転トルクとして後述する機構によりロ
ードセル４によつて検出する。

このときの塑性加工圧力は、圧子３先端部の中
心０から試験材１と摺動材２との間で直接力が作
用している範囲を示す点ｂ，b′とを結び、圧子３
先端部との交点ａ，a′を求め、このａ，a′点の範
囲に作用する圧力として求められる。また、試験
材１と摺動材２との間の潤滑面平均圧力は、ｂ，
b′点で囲まれる範囲に作用する圧力として求めら
れる。

上記試験材１と摺動材２との間の接触状態は試
験後にこれら試験材１及び摺動材２のｂ，b′点間
に生じる痕跡の状態により観察することができ、
また、これら試験材１と摺動材２との間の摩擦力
及び摩擦係数はロードセル４により検出される力
から求められる。

また、本発明の摩擦試験装置を用いて潤滑剤の
性能試験を行うには、試験材１及び摺動材２の材
質をそれぞれ一定にし、摺動材２の表面に潤滑剤
を塗布して摩擦試験を行い、ロードセル４により
検出される力から摩擦力、摩擦係数を求め、潤滑
剤を塗布しない場合、あるいは基準となる潤滑剤
を使用した場合と比較してその性能を求める。

このようにして求められる摩擦力、摩擦係数、
潤滑剤の性能等の結果は、模擬塑性加工部分の圧
力、相対摺動速度、温度、加工時間等を実際の塑
性加工条件と対応させることにより、実際の塑性
加工の場合と極めて良好な整合性があり、信頼性
の高いものである。

以下、添付図面に示す実施例に基づいて、本発
明の摩擦試験装置を具体的に説明する。

第２図において、本発明の実施例に係る摩擦試
験装置の要部が示されている。図中、符号１は平
板円盤状に形成された試験材であり、符号２は平
板円盤状に形成されて上記試験材１の下面と面接
触する摺動材であり、また、符号３は上記摺動材
２の反対側、すなわち上方から試験材１に当接し
てこの試験材１を摺動材２に圧接させる圧子であ
る。

上記試験材１は、フレーム９に設けられた軸受
１０を介して回転自在に、かつ、垂直に立設され
た駆動軸５の上端にその軸方向摺動可能に、か
つ、着脱可能に保持されており、この駆動軸５の
下端方に連動連結された図示外の回転駆動機構に
よつて回転するようになつている。

そして、上記駆動軸５の上部には、この駆動軸
５が所定のクリアランスを維持して貫通する貫通
孔１１を有すると共に上端には上記試験材１の下
面側に面接触する上記摺動材２が着脱可能に取付
けられるフランジ部１２を有し、かつ、下端がス
ラスト軸受１３を介してフレーム９に回転自在に
支承された摺動材保持具６が配設されており、こ
の摺動材保持具６にロードセル４とこのロードセ
ル４にトルクを伝達するトルクレバー１４とから
なるトルク検出機構７が設けられている。

第３図は摺動材保持具６の下端近傍における上
記トルク検出機構７の配置を要部平面図として示
したものであり、上記摺動材保持具６の下端近傍
の外周面にトルクレバー１４が突設され、このト
ルクレバー１４の端部にロードセル４が当接して
いる。また、摺動材２を保持する摺動材保持具６
はスラスト軸受１３により回転駆動軸５から独立
した回転自在な構成部となつており、試験材１と
摺動材２との間に生じる摩擦力を伝達することが
できる。このような機構の下で試験材１を回転せ
しめると、試験材１と摺動材２との間の摩擦によ
り生じる摺動材２の回転力が摩擦力Ｆとして上記
摺動材保持具６に伝達され、さらにこの摩擦力Ｆ
が上記トルクレバー１４を介してトルクＴとして
ロードセル４に伝達され、このロードセル４によ
つて圧力として検出される。

一方、上記駆動軸５の上方には、フレーム９の
上部に設けられた図示外のベロフラムシリンダー
等の加圧駆動手段に支承され、かつ、フレーム９
に設けられた軸受１５により上下方向摺動可能に
案内される外筒１６と、この外筒１６に軸受１７
を介して回転自在に支承されると共に図示外の回
転駆動機構を備えた加圧軸１８とを備えた加圧機
構１９が配設されており、上記加圧軸１８の下端
に設けられたフランジ部２０にはその軸心から外
れた位置で下方に向けて突出する弾丸形状の圧子
３が着脱可能に取付けられている。

さらに、上記試験材１と摺動材２とが互いに面
接触する接触部分を含む駆動軸５及び摺動材保持
具６の上部及び加圧軸１８の下部とは、例えば加
熱炉の如き加熱機構８で加熱できるようになつて
おり、熱間圧延、冷間圧延、プレス成形等の塑性
加工の際の、温度条件を作り出すことができるよ
うになつている。

この実施例において、試験材１の中央部には四
角形の嵌合孔２１を有す連結部２２が設けられて
おり、この連結部２２の嵌合孔２１内に駆動軸５
の上端に形成された四角柱状の連結部２３が軸方
向摺動可能に嵌合し、この駆動軸５の回転を試験
材１に伝達するようになつている。また、摺動材
２にはその中央部に上記試験材１の連結部２２が
所定のクリアランスを維持して貫通する透孔２４
が穿設されていると共にその周縁部に係合孔２５
が穿設されており、摺動材保持具６の上端フラン
ジ部１２の周縁部に突設した係止突起２６を上記
係合孔２５内に嵌合させてこの摺動材２を摺動材
保持具６に取付けるようになつている。なお、図
中符号２７は断熱フランジであり、符号２８はオ
イルシールである。

次に、上記実施例の摩擦試験装置を使用した摩
擦試験方法を、例えば熱間加工の場合を例にして
説明すると次の通りである。

まず、装置の加熱機構８を所定の温度にしてお
く。次に、摺動材２を潤滑剤の塗布温度、例えば
200℃前後に加熱し、スプレーで所定の潤滑剤を
塗布し、これを装置の摺動材保持具６にセツトす
る。また、予め塑性加工温度、例えば1000〜1200
℃に加熱しておいた試験材１を装置の駆動軸５に
セツトし、ただちに駆動軸５を回転させると共に
加圧軸１８を回転させ、試験材１と圧子３とを所
定の相対速度で回転させながら圧子３により試験
材１を加圧すると、圧子３により付与される荷重
は駆動軸５に取付けられた試験材１に塑性変形を
起させ、試験材１の回転力が摩擦力として第１図
のｂ，b′の幅で摺動材２に伝達される。次いで、
この摩擦力が上端フランジ部１２の周縁部に突設
した係止突起２６を介して摺動材保持具６に伝達
され、さらにこの摺動材保持具６に突設されたト
ルクレバー１４に回転トルクとして伝達される。
そしてこのトルクレバー１４に伝達された回転ト
ルクをロードセル４により検出し、レコーダ等に
より測定して記録する。なお、試験材１と圧子３
との間の相対速度は、駆動軸５と加圧軸１８の回
転速度をそれぞれ調節して行つてもよいが、いず
れか一方の回転速度を一定にしておき、他方を同
一方向に回転させたり、停止させたり、あるいは
逆方向に回転させて調節してもよい。また、試験
材１、摺動材２及び圧子３が構成する模擬塑性加
工部分を加熱する加熱機構８内には、例えば摺動
材２に塗布した潤滑剤と同じ潤滑剤を投入し、試
験中模擬塑性加工部分の雰囲気を潤滑剤燃焼雰囲
気と同じ雰囲気に制御したり、その他必要により
潤滑剤燃焼雰囲気以外の雰囲気を作りだすために
活性ガスや不活性ガスを注入して雰囲気の制御を
したり、さらにはこの雰囲気を経時的に変化させ
てもよい。

上記実施例においては、試験材１及び摺動材２
が平板円盤状に形成されているが、両者が互いに
面接触できる構造であればこれに限定されるもの
ではなく、例えば摺動材２には圧子３に対応する
位置に上端が平坦な突条を形成し、この突条の上
端面と圧子３との間で試験材１を挾み込むように
し、これによつて試験材１と摺動材２との間の接
触圧力を一定にしてその分布を少なくし、潤滑面
平均圧力を容易に把握できるようにしてもよい。

また、上記実施例においては、塑性加工具に相
当する圧子３はその先端部が半球状に形成された
弾丸形状となつていて試験材１に塑性変形を起さ
せるようになつているが、この圧子３について
は、試験材１に実際に塑性変形を起させることが
できる形状であれば特にこれに限定されるもので
はなく、例えばリング状に形成してこのリングを
試験材１に自転させながら公転させ、リングを従
動させたり、リングの回転数を制御することによ
り圧子３と試験材１との間の相対速度を制御する
ようにしてもよい。また、加圧軸１８にダイヤル
ゲージを付設し、摩耗量（試験材の変形量）を測
定することができる。

さらに、上記実施例では、摩擦試験装置を縦型
に構成しているが、この摩擦試験装置の姿勢につ
いては縦型に限るものではなく、この装置を使用
して行う試験に応じて横型に構成することもで
き、また、例えば四球試験と同様の試験の場合に
は縦型とし、通常の摩擦試験と同様の試験の場合
には横型にする等、縦型と横型とを試験の種類に
応じて変更できるように構成することもできる。

以上の通り、本発明の摩擦試験装置は、平板状
試験材の一側面に平板状摺動材を面接触させると
共にこの摺動材の反対側から圧子を当接させて試
験材を摺動材に圧接させて模擬塑性加工部分を構
成し、試験材を実際に塑性変形させながら摩擦試
験を行うので、実際の塑性加工の場合と同じよう
な条件下で摩擦力、摩擦係数、潤滑剤の性能等を
測定できるほか、この模擬塑性加工部分における
試験材と摺動材との間の接触状態により実際の塑
性加工における接触状態を調べることもでき、例
えば熱間圧延におけるマンドレルバーの耐摩耗性
をテストしたり、シームレス鋼管の表面状態をテ
ストすることもできる。

しかも、圧子の形状を適宜変更したり、あるい
は、この圧子をスラストベアリングで構成するこ
とにより、種々の塑性加工に適応した模擬塑性加
工部分を形成して実機と整合性のある測定結果を
得ることができるほか、鈴木式や伊藤式の円柱管
端面摩擦試験機と同様な方法で摩擦試験を行うこ
ともでき、各種の摩擦試験に汎用できるものであ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の摩擦試験装置による模擬塑性
加工部分の一例を示す説明図、第２図は本発明の
実施例に係る摩擦試験装置の要部を示す部分断面
図、第３図は第２図に示された摩擦試験装置の摺
動材保持具下端近傍におけるトルク検出機構の配
置を示す要部平面図である。 符号説明、１……試験材、２……摺動材、３…
…圧子、４……ロードセル、５……駆動軸、６…
…摺動材保持具、７……トルク検出機構、８……
加熱機構。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 平板状試験材を軸方向摺動可能に保持すると
   共にこの試験材を回転させる駆動軸と、回転自在
   に支承され、一端には上記試験材と面接触する平
   板状摺動材が取付けられると共に他端側にはロー
   ドセルを備えたトルク検出機構を有する摺動材保
   持具と、上記摺動材の反対側から上記試験材に当
   接し、この試験材に塑性変形を起させながらこの
   試験材を摺動材に圧接させる圧子と、上記試験
   材、摺動材及び圧子が構成する模擬塑性加工部分
   を所定温度に設定する加熱機構とを備えているこ
   とを特徴とする摩擦試験装置。