JPH0447260B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 「発明の目的」 本発明は、塑性加工における被加工材と工具の
界面の真の摩擦係数を圧延方向に垂直に作用する
力と圧延方向に平行に工具に作用する力との検出
値から求め塑性加工における摩擦特性を的確に評
価しようとするものである。

産業上の利用分野 本発明は、塑性加工における工具と被加工材と
の界面の摩擦特性を評価するための試験機および
その試験方法に関する。

従来の技術 圧延、押出し、鍛造などの塑性加工において
は、加工力の低減、製品品質の向上および工具の
損傷防止などの目的で潤滑剤が使用されることが
多い。また、工具を熱処理したり、異種材料を被
覆するなどの方法で工具に特殊な表面処理を施す
ことも少なくない。

熱間における定常塑性加工の１つである孔形ロ
ールとマンドレルバーの間で管の肉厚を減ずるマ
ンドレル圧延を例として説明すると、マンドレル
バーの摩擦抵抗を低減する目的で、あらかじめマ
ンドレルバー表面に黒鉛系の潤滑剤を塗布するの
が通常である。しかし潤滑状態が悪く摩擦係数が
高くなると、圧延された管の形状が悪化するだけ
でなく、管材とマンドレルバーが焼付きを起して
管内面やバー表面が損傷する。また圧延後の管か
らマンドレルバーを抜き取ることが困難になるこ
ともある。更に近年多く採用されている圧延中に
マンドレルバー速度を一定に拘束する方法におい
ては、潤滑不良によりバーの負荷が過大になると
バーの折損を引き起こすなど、潤滑状態の良否が
加工の成否を左右すると言つても過言ではない。
しかし潤滑剤の選定および潤滑条件の決定は経験
に頼つているのが現状である。このためマンドレ
ル圧延用潤滑剤の摩擦係数、耐久性および管材と
マンドレルバーの焼付き性を簡便に評価する手法
の確立が切望されている。

また、鍛造などの１加工行程で圧下率、負荷な
どの加工条件が変化する非定常塑性加工において
も、ダイスや金型の表面に潤滑剤を塗布するのが
通常である。これらの加工においても、潤滑剤の
摩擦係数が高い場合には、金型への材料の充満不
足による製品価値の低下、更に圧下率が大きくな
ると金型への材料の焼付き、かじりにより金型の
損傷を引き起こすため、前記同様、潤滑剤の摩擦
係数、耐久性および金型と材料の焼付き性を簡便
に評価する手法の確立が求められている。

以上のような塑性加工における工具と被加工材
の接触界面の条件は、非常に高い圧力が大きな接
触面積にわたつて作用し、被加工材の塑性変形に
伴つて新生面が露出する。また熱間加工であれば
接触界面が高温にさらされる。

従来より潤滑剤の評価試験に、例えば日本潤滑
学会編潤滑ハンドブツクの371頁以下などに発表
されている四球式、テイムケンなどの基礎試験機
およびその改良機が多く用いられており、また熱
間加工用潤滑剤の評価には、リング圧縮法が用い
られることもある。

発明が解決しようとする問題点 しかし、四球式、テイムケンなどの基礎試験機
およびその改良機による試験において荷重を負荷
する接触部は弾性体相互の接触であり、点あるい
は線接触のため接触面積は小さく、局所的には高
荷重にはなるが、塑性変形による新生面の大きな
露出はなく、試験結果は単に摩擦現象を解明する
だけに留まり、実際の塑性加工における摩擦特性
を正当に評価できるに到つてない。

またリング圧縮法は、単純圧縮での表面伸びお
よび新生面の露出は実際の塑性加工と比べると小
さいものであるため、この方法により測定された
摩擦係数による潤滑剤の潤滑性の順位と、実際の
押出し加工などを行つたときの加工力や焼付き性
から判定した順位とでは入れ替わることもよくあ
り、潤滑剤の摩擦係数、耐久性および焼付性の評
価が実際の加工に対し正当に行われているとは言
いがたい。

そのため、実際の塑性加工を模擬するため、操
業設備と同規模かあるいはその何分の１かの特別
な設備を用いて加工を行い、加工力による摩擦係
数の評価や、工具と被加工材の焼付き性の評価が
行われることもあるが、これらの設備は通常大型
で、制作費も高額であり、かつ操作方法も複雑で
あるとういう欠点を有している。

「発明の構成」 問題点を解決するための手段 回転する圧延ロールと固定した板状の工具の間
で板状の被加工材を圧延し、圧延方向に垂直に働
らく作用力と、圧延方向と平行に工具に働らく作
用力とを共に検出し、塑性加工における工具と被
加工材との界面における摩擦特性を評価すること
を特徴とする摩擦潤滑試験方法。

作 用 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を夫々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。

前記摩擦係数μの経時変化から工具表面におけ
る潤滑膜の如きの持続性、耐久性および焼付き性
などを評価し判定することができる。

定常塑性加工、非定常塑性加工などの何れに対
しても試験、評価をなし得る。

実施例 上記したような本発明について更に説明するな
らば、本発明による試験機は、回転する圧延ロー
ルと固定された板状の工具との間で板状の被加工
材を圧延することにより、第１に被加工材に大き
な塑性変形を与え、第２に、大きく露出した被加
工材の新生面と工具表面との接触界面に高い圧力
を生ぜしめた状態で、被加工材と工具に相対すべ
りを与えて、実際の塑性加工における工具と被加
工材の接触状態に近い状態を作らしめるものであ
り、このような状態で圧延方向に垂直に作用する
力と圧延方向に平行に工具に作用する力を同時に
検出する機構を用い、両者の検出値から被加工材
と工具との界面における真の摩擦係数を算定せし
めることにより、塑性加工における摩擦特性を正
当に評価できるようにしたものである。

斯かる本発明を添付図面を用いて説明するなら
ば、第１図は本発明の原理的関係の１例を示した
ものであり、潤滑剤の塗布その他により所定の表
面状態をもつた膜６を有する板状の工具１は、ベ
アリング等の上に無摩擦条件で固定設置され、こ
の工具１と圧延ロール２との間で板状の被加工材
３を圧延すると、圧延方向と垂直な圧下力Ｐがロ
ール２あるいは工具１に作用すると同時に、被加
工材３と工具１との界面における摩擦により工具
１には圧延方向に平行な力Ｆが作用する。このよ
うなそれぞれの力ＰおよびＦを荷重検出器４およ
び５で検出すると、摩擦の法則により被加工材３
と工具１との界面の摩擦係数μは、μ＝Ｆ／Ｐで
求められる。このようにして求めた摩擦係数の圧
延開始からの経時変化を追うことによつて、工具
表面の潤滑膜６の持続性、耐久性および被加工材
３と工具１との焼付き性も評価できる。ロール２
として板圧延用の円筒ロールを用いれば、ロール
回転中の圧下条件は一定であるから定常塑性加工
における試験が可能であり、一方偏芯ロールある
いはピルガー圧延ロールなどのロール回転に伴い
圧下条件が変化するロールを用いれば、非定常塑
性加工における試験が可能になる。

また、素材をあらかじめ加熱炉で所定の温度に
加熱すれば熱間での試験が可能である。ロール２
と工具１の間隔を変化させることで塑性変形の大
きさ、工具１と被加工材３の接触部に作用する圧
力および接触面積を変化させることができ、更に
ロール２の回転数を変化させることで工具１と被
加工材３間の相対すべり速度を変化させることが
できる。

更に工具１の形状を単純な形状にすることによ
り潤滑剤６の塗布、工具１の表面処理、材質の変
更ならびに工具１の交換も容易になり、種々の潤
滑状態での試験を簡便に行うこともできる。

なお、より長時間における摩擦特性を評価する
ためには、長尺の被加工材３を用いるか、あるい
は短尺の被加工材３を多パス圧延すればよい。ま
た第１図において圧下力Ｐはロール２に作用する
力を検出するようになつているが、工具１に作用
する力を検出してもよい。

次に、具体例によつて本発明をより詳細に説明
すると、第２図〜第４図は本発明者等の作製した
試験機の構成を示すものであつて、第２図に示す
ように市販の双ロール圧延機における上側ロール
１４と対設された下側ロールセツトを固定ブロツ
ク１１に置き換えてベアリング１８上に設置し、
固定ブロツク１１の工具保持部１２において板状
に加工した工具１３を固定させ、斯かる工具１３
と上側ロール１４の間で板材の被加工材を圧延す
るように成つており、第４図に示すようなロール
ハウジング１５の出側に圧縮型ロードセル１６を
取り付け、このロードセル１６に前記したような
固定ブロツク１１を押し付けて固定ブロツク１１
を圧延方向に固定すると共に、上記のようにロー
ル１４と工具１３との間に位置した被加工材と工
具１３との間に働く摩擦力を検出する。圧延方向
に垂直な力は、ロールハウジング１５の上部に取
付けたロール圧下力検出用ロードセル１７で検出
するように成つている。

上記のような本発明における試験機を用いて、
まず円筒ロールを採用して、定常塑性加工を模擬
する試験法と試験結果の１例を述べる。被加工材
には炭素鋼（0.2％Ｃ）を用い、電気炉で1000℃
に昇温させた。形状は厚さ15mm、幅40mm、長さ
150mmであり、噛込み性を向上させるために先端
部に約10°のテーパをもたせた。工具１３には厚
さ25mm、幅60mm、長さ150mmの合金鋼（５％Cr−
１％Mo）を用い、ロール１４と工具１３の間隔
は７mm（圧下率53％）に設定し、直径130mmのロ
ールを回転数20rpmで直流モータにより駆動し試
験した。

第５図と第６図にはそれぞれ水溶性黒鉛系の潤
滑材ＡおよびＢを予め工具表面に約50μm塗布し
た場合の試験結果を示すが、圧延時間の経過に対
するロードセル１７からの出力である圧下力Ｐ、
ロードセル１６からの出力である摩擦力Ｆおよび
摩擦係数μを、μ＝Ｆ／Ｐの演算結果として示し
たものである。即ち第５図においては、圧延中の
摩擦係数はほぼ一定であり、その値も極めて低く
安定な潤滑状態が得られていることが分かる。一
方第６図においては、圧延開始早々に摩擦係数が
0.2まで上昇し、圧延途中で摩擦係数が小刻みに
変動し、実際はここで工具１３に板材が焼付きを
起こしている。

このように円筒ロールを用いた本発明による試
験法により、潤滑剤の摩擦係数、耐久性および工
具と被加工材の焼付き性を的確に評価できること
が判明した。

次に、ロールの回転に伴い圧下率が変化する偏
芯ロールを用いて非定常塑性加工を模擬する試験
法と試験結果の１例を述べると、ロールには直径
130mm、偏芯量6.5mmのものを用い、ロール半回転
でロールと工具の間隔が２mm〜15mm（圧下率０〜
80％）で変化できる設定とした。潤滑剤には上記
Ａを用い、その他の条件は上記したところと同条
件にした。第７図には試験結果として圧下率に対
する摩擦係数の変化を示す。この図より圧下率の
上昇に従い摩擦係数も上昇し、圧下率が約58％で
被加工材と工具が焼付きを起こしていることが分
かる。

このように本発明によるものは、偏芯ロールを
用いる場合の試験法において、逐次圧下率が変化
する場合の潤滑剤の摩擦係数、耐久性および工具
と被加工材の焼付き性が評価できることが明かで
ある。無論同様な条件での評価は前記円筒ロール
で板厚が長手方向に逐次変化する素材を用いても
実現できる。

以上、本発明試験機による潤滑剤の評価法を例
にとつて試験方法を述べたが、潤滑剤なしで試験
すれば工具材質の摩擦特性を、あるいは工具に熱
処理または異種材被覆などの表面処理を施して試
験すれば各表面層の潤滑性をそれぞれ評価できる
ことは明らかである。

発明の効果 以上説明したような本発明によるときは、回転
する圧延ロールと固定された板状の工具との間で
板状の被加工材を圧延することにより、被加工材
に大きな塑性変形を与えると同時に、大きく露出
した被加工材の新生面と工具表面との接触界面に
高い圧力を生ぜしめた状態で、被加工材と工具に
相対すべりを与えて実際の塑性加工における工具
と被加工材の接触状態に近い状態を作らしめ、圧
延方向に垂直に作用する力と圧延方向に平行な工
具に作用する力を同時に検出することができ、両
者の検出値から被加工材と工具界面における真の
摩擦係数を算定ならしめることによつて塑性加工
における摩擦特性を正当に評価でき、しかも小型
で、制作費が安価であり、試験操作方法が簡便で
ある等の効果を有しており、工業上のその効果の
大きい発明である。

【図面の簡単な説明】

図面は本発明の技術的内容を示すものであつ
て、第１図は本発明における試験測定の原理的関
係の説明図、第２図は本発明等の作製した試験機
の正面図、第３図はその側面図、第４図はその立
面図、第５，６，７図はそれぞれ試験結果を示す
グラフである。 然して、これらの図面において、１は工具、２
はロール、３は被加工材、４は圧下力検出器、５
は摩擦力検出器、６は潤滑膜、１１は固定ブロツ
ク、１２は工具支持部、１３は工具、１４はロー
ル、１５はロールハウジング、１６は摩擦検出用
ロードセル、１７は圧下力検出用ロードセル、１
８はベアリングを夫々示すものである。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 回転する圧延ロールと固定した板状の工具の
   間で板状の被加工材を圧延し、圧延方向に垂直に
   働らく作用力と、圧延方向と平行に工具に働らく
   作用力とを共に検出し、塑性加工における工具と
   被加工材との界面における摩擦特性を評価するこ
   とを特徴とする摩擦潤滑試験方法。