JPS5977337A - 摩擦試験装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

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。

一般番二、塑性加工の際（二は２つの材料、すなわち被
塑性材と型との間Ｃ二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（二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−とロールとの間で加圧
される構造となっており、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
となっている等、必ず被塑性材が型と塑性加工具の間で
加圧袋れる構造となっている。

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が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１
００ｋｇ／■２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．
１〜２．５％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−の表面と圧延によって新し
く生じた素管の而（新生面）とによる面摺動（新生面摺
動）が起っている。

従って、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つの部材別間における摩擦力、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
、例えは銘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
−１．５０８２６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（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、上記銘木式や伊藤式
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℃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った。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（
−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
題もあった。

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Ｃ二面接触さ
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Ｃ二当接芒せて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（二対芯させ
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
保持して回転させる駆動軸と、一端には上記試験材と面
接触する平板状摺動材が収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
摺動利保持具と、」＝記摺動材の反対側から上記試験材
に当接してこの試験材を摺動材に圧接する圧子と、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（二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な第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（二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
じ材質で形成でれる。また、符号（２）は平板状Ｃ二形
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ｆ二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っている。

このような設定で、圧子（８）に所定の加圧力を与え、
摺動材（２）に対して試験材（１）を摺動させると同時
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な冷間加工で
あれは常温で、また、熱間加工であれば所定温度（二加
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、このとき試験材（１）
が摺動材（２）に圧接して摺動することによりこの摺動
材（２）に作用する力をロードセル（４）によって検出
する。

このときの塑性加工圧力は、圧子（８）先端部の中心（
０）から試験材（１）と摺動拐（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（ａｈａ’）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
、試験料（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（二作用する圧力と
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（］）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（二係る摩擦試験装置
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拐
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（月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
００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って回転するよう
になっている。

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（１
１）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α埠を有し、かつ、下端がスラスト軸受Ｑ
３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）（＝ト
ルクを伝達するトルクレバー（１４１とからなるトルク
検出機構（７）が設けられている。

また、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αυにより上下方向摺動可能に案内される外筒
αＱと、この外ｍｏｏｌ二軸受０の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
α枠とを備えた加圧機構０９）が配設されており、上記
加圧軸０句の下端に設けられたフランジ部翰にはその軸
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（８）が着脱可能Ｃ二取付けられている。

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０樽の下部とは、例えば加熱炉
の如き加熱機構（８）で加熱できるようになっており、
熱間圧延、冷間圧延、プレー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っている。

この実施例において、試験材（１１の中央部には四角形
の嵌合孔Ｑηを有す連結部（イ）が設けられており、こ
の連結部Ｑ功の嵌合孔Ｇ！ｐ内に駆動軸（５）の上端に
形成された四角柱状の連結部−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
ようになっている。また、摺動材（２）にはその中央部
に上記試験材（１）の連結部（イ）が所定のクリアラン
スを維持して貫通する透孔（ハ）が穿設されていると共
にその周縁部に係合孔（ハ）が穿設されており、摺動材
保持具（６）の上端フランジ部αつの周縁部（−突設し
た係止突起（ハ）を上記係合孔（ハ）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
なっている。なお、図中符号（ロ）は断熱フランジであ
り、符号（ハ）はオイルンールである。

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）にセットする。また、予
め塑性加工温度、例えば１００ト１２００°Ｃに加熱し
ておいた試験材（１１を装置の駆動軸（５１ＩＸセット
し、ただちに駆動軸（５）を回転させると共に加圧軸０
些を回転させ、試験材（１１と圧子（３）とを所定の相
対速度で回転させなから圧子（８）（二より試験材（１
）を加圧し、試験材（１）に塑性変形を起させてこのと
きの摩擦力をトルク検出機構（７）のロードセル（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α印の回転速度をそれぞれ調節し
て行ってもよいが、いずれか一方の回転速度を一定（＝
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（＝
はこの雰囲気を経時的に変化させてもよい。

上記実施例（−おいては、試験材（１）及び摺動材（２
）が平−根固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
上端が千坦な突条を形成ビ、この突条の上端面と圧子（
８）との間で試験材（１）を挾み込むようにし、これに
よって試験材（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、潤滑面モ均圧力を容易
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（二形成された弾丸形状
となっていて試験材（ｌｌｉ二塑性変形を起させるよう
になっているが、この圧子（３）については特にこれに
限定されるものではなく、例えばスラストベアリング等
で構成して試験料（１）と摺動材（２）との間に加圧力
のみを与え、従来の銘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ようにしてもよ（、
さらには、リング状に形成してこのリングを試験料（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（二より圧子（８）と試
験材（１１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α引ニ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、試験料を実際に塑性変
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
試験料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−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、銘木
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である。 符号説明 （１）・・・・・・試験材　　　　　（２）・・・・・
・摺動材（８）・・・・・・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）・・印・加熱機構特許出願人
　　新日本製鉄化学工業株式会社同　　　新日本製鐵株
式會社 第１頁の続き ■出　願　人　新日本製鉄株式会社 東京都千代田区大手町２丁目６ 番３号

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 平板状試験材を軸方向摺動可能に保持して回転させる駆
   動軸と、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−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この試験材を
   摺動材（二圧接する圧子と、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。