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1 平成 24 年度機械 知能系 5 セメ 平成 23 年機械 知能系 5 セメスター そうせいがく 創成学 1. 材料加工法概説 機械システムデザイン工学専攻准教授山口健 yamatake@gdl.mech.tohoku.ac.jp

2 創成学とは? 創成 初めて出来上がること. 初めてつくること.( 大辞林 ) 創成とは,( ) の基本である. 工業界においてそれを可能にするのは, 新しいものを考え出す とそれを現実に作り出すための新しい である. 創成学の目的 に必要な工学技術について, に関する知識と発想を学ぶ.

3 創成学授業計画 1. 材料加工法概説 (4 月 12 日 ) 2. 素材の創成 : 設計と材料の関係 (4 月 19 日 ) 3. 素材の創成 : 表面の性状 (4 月 26 日 ) 4. 成形加工 : 鋳造 (5 月 10 日 ) 5. 成形加工 : 塑性加工 (5 月 17 日 ) 6. 成形加工 : 粉末成形 (5 月 24 日 ) 7. 中間テスト (5 月 31 日 ) 8. 除去加工 : 切削加工 (6 月 7 日 ) 6 月 14 日,28 日は休講 9. 除去加工 : 研削加工 (6 月 21 日 ) 10. 除去加工 : 特殊加工 (7 月 5 日 ) 11. 付加加工 : 接合 溶接 (7 月 12 日 ) 12. 付加加工 : 表面処理 表面加工 (7 月 19 日 ) 13. 環境にやさしい創成 (7 月 26 日 ) 14. 期末テスト (8 月 2 日 ) 出席を重視します. 講義の最初に毎回小テストを行います.

4 自動車の構成材料と生産工程 ガラス銅合金 2% 3% ゴムその他 7% アルミニウム 9% 自動車に使用プラスされているチック自動車に使用 13% 材料の構成されている鋳鉄材料の構成 11% 鉄鋼材料 55% アルミ合金エンジン銅合金 ( 電気配線 ) 鉄鋼材料ガラスプラスチック ウレタン ゴム 繊維皮革 部品製造 製品製造 機械部品製造 部品製造 溶接 ボデー組付け 塗装 プラスチック部品製造 電子部品製造 外注部品 組立 自動車 1 台の部品点数 : およそ 3 万点

5 製品の加工プロセス 原料 砂型鋳造 ロストワックス ダイキャスト etc. ポリマー成形 ガラス成形 etc. 圧延 鍛造 引き抜き etc. 焼結 HIP etc. レーザ加工 CVD エッチング etc. 1 次加工 切削加工 研削加工 焼入れ 焼戻し 時効 etc. 2 次加工 ボルト リベット 溶接 接着 etc. 研磨 めっき 陽極酸化 塗装. M.F. Ashby 機械設計のための材料選定, 内田老鶴圃 (1997)

6 材料加工において考慮すべき事項 最適な製品を ( ) で短時間に製作する そのためには多くの加工法の知識が必要

7 材料加工法の種類 成形加工 除去加工 付加加工 加工 加工 成形 加工 加工 固相接合ろう接機械接合 ( ねじ ボルト ) 接着剤接合 加工 めっき 蒸着

8 機械加工の種類 成形加工 原料から製品 部品を製造する加工法 させる鋳造 型になじませる塑性加工 押し固める粉末加工 加熱して 成形する射出成形 除去加工 切削工具を使って工作物を 切削 を使って工作物を削ったり, 磨く 研削 機械的エネルギーの代わりに 特殊加工 を利用して, 慣例の方法では加工が難しい ( 付加加工 溶接, 接合, めっき, 溶射, 蒸着, 表面処理, 表面付加加工 ) を行う

9 各種方法で加工された製品の例 鐘の補修に鋳掛を用いた例 : どうたく 銅鐸 ( 加茂岩倉遺跡 ) : 金剛力士像 : 自転車のハンドル : 2 ピース缶 : 縄文式土器 : プラスティック注射器 : 金の指輪 :

10 成形加工 除去加工 付加加工 加工法の特性比較 大分類 加工法の種類 鋳造 工具の汎用性 生産速度 材料のロス 寸法精度 表面性状 中空構造 材質改善 塑性加工 粉末成形 射出成形 切削加工 研削 砥粒加工 特殊加工 溶接 接着剤による接合 表面付加加工 : 良 : やや良 : 不良

11 製品の精度,m 加工品の大きさと寸法精度 高精度化 大型の鋳物 ( ミリメートル ) アルミ箔 ( マイクロメートル ) 精密機械加工 ( サブミクロン ) 原子 1 個ずつの加工 ( ナノ加工 ) 製品の大きさ,m

12 材料加工における技術的課題 (1) 化 (2) 化 は永遠の課題超精密加工のためのクリーンルーム内での加工 (3) 化加工速度の高速化による経済性の向上生産を始めるまでに必要な準備を行う時間 の短縮 (4) の開発 に対する新しい加工法 (5) 加工技術 技術

13 本日のまとめ 創成学では ものづくり に必要な工学技術について, 材料と成形加工技術に関する知識と発想を学ぶ. 最適な製品を最小工程で短時間に製作するには 多くの加工法の知識が必要 材料加工には 成形加工 除去加工 付加加工の 3 種類の加工方法がある 加工方法にはそれぞれメリット デメリットがあり 材料や形状 寸法等に合わせた方法を選択する必要がある

14 今週の授業内容と来週のテキストは下記ホームページからダウンロードしてください 授業のことなどで相談があれば山口健 まで

15 平成 23 年度機械 知能系 5 セメ 平成 23 年機械 知能系 5 セメスター そうせいがく 創成学 2. 素材の創成 設計と材料の関係

16 材料と設計 新しい材料 新しい機械システム 製品を開発する過程で製品の機能 ( 働き ) にふさわしい素材を選ぶ. 素材の材料特性の理解が必要加工工程を素材にあわせて決める. 機能にふさわしいように素材の特性を改良する. 良い素材がなければ設計者の意図を実現出来ない. 航空機, 橋, 超高層ビル, 集積回路

17 工業材料の分類 金属 ポリマー 複合材料 セラミックス エラストマー ガラス

18 工業材料の分類 金属 ポリマー した結晶 弾性率が高く 延性に富み 複合材料 ( を有する 腐食しやすい セラミックス ) が可能 エラストマー ガラス

19 工業材料の分類 金属 性の結晶 系 系 系に分類される ポリマー 剛性が高く 硬い ( 複合材料工具など ) 高温強度に優れ 耐食性に優れる である セラミックス エラストマー ガラス

20 工業材料の分類 金属 主成分は ( 長周期な周期構造をもたない ) セラミックス同様セラミッポリマークスー剛性が高く 硬い - 耐摩耗性に優れる 複合材料 - 脆性である ( もろい ) エラストマー ガラス

21 工業材料の分類 ポリマー 分子量が大きい (10,000 以上 ) 有機化合物 金属 高分子鎖が( ) によって結合されている セラミッ 弾性率は低い クス ( 複雑な形状でも 射出成形によって複合材料 1 回の操作で 成形可能 ) 金属材料の代替として利用されつつある エラストマーガラス エンジニアリングプラスチック スーパーエンジニアリングプラスチック

22 工業材料の分類 金属 を有する高分子材料 高分子鎖同士がところどころでつながっている セラミッため ポリマークス伸びても元に戻る性質がある 複合材料 エラストマー ガラス

23 工業材料の分類 異なる材料の長所を併せ持ち 短所を排除した材料 エポキシなどのポリマーを母材とし 金属 などを強化材とした材料 (FRP: Fibre Reinforced Plastic, CFRP: Carbon Fibre Reinforced ポリマー Plastic) 複合材料 セラミックス コスト : 高 エラストマー ガラス

24 自動車を構成する材料自動車に使用されている材料の構成自動車に使用されている材料の構成鉄鋼材料 55% 鋳鉄 11% プラスチック 13% アルミニウム 9% ガラス 2% ゴムその他 7% 銅合金 3% 自動車に使用されている材料の構成自動車に使用されている材料の構成自動車に使用されている材料の構成鉄鋼材料 55% 鋳鉄 11% プラスチック 13% アルミニウム 9% ガラス 2% ゴムその他 7% 銅合金 3% ゴムアルミ合金エンジン銅合金 ( 電気配線 ) ウレタンプラスチック繊維皮革鉄鋼材料ガラスゴムアルミ合金エンジン銅合金 ( 電気配線 ) ウレタンプラスチック繊維皮革鉄鋼材料ガラス

25 自動車構成材料比の推移 鉄鋼材料 非鉄 ( 主として ) および が年々増加し, 鉄系材料, 特に鋼板の比率が低下 藤根学ほか :TOYOTA Technical Review, Vol.53, 219(2004), p.40.

26 相対的重要度 工業材料の変遷 金属 金属 ポリマーエラストマー 複合材料 ポリマーエラストマー 複合材料 セラミックスガラス セラミックスガラス M.F. Ashby, 機械設計のための材料選択, 内田老鶴圃 (1997)

27 工業材料の変遷 金属 : 金, 銅, 青銅, 鉄, 鋼, 軽合金, 超合金 ポリマー エラストマー : 木材, 皮革, 天然繊維, 人工ポリマー セラミックス ガラス : 石器, 土器, 陶器, セラミックス, ガラス 複合材料 : 日干しレンガ, 土壁,FRP,CMC 材料から使われ, 発展してきた. 機能として必要なものは何か? 最適材料の選択例 ) 道具 強さ, 硬さ, ねばさ : 強さとは何か? 材料を知ることの意味

28 材料と設計のつながり 許容応力 力と熱の伝達 エネルギー貯蔵量 最小の重さとコスト 引張, 曲げ, 圧縮 ねじり, 座屈 形状因子 形状を考慮した性能指標 < 材料特性 > 物理的性質 熱的性質 腐食特性 力学的性質 耐摩耗性 成形性 切削性 溶接性 熱処理性 寸法と形状 許容誤差 ( 精度 ) 表面粗さ

29 素材の価格と入手しやすさ 用途分野材料トン当たりの価格 ( ) 基本構造物 木材, コンクリート, 構造用鋼 大量に使われる 中 軽工業航空機, 自動車, 器具用金属 合金 作業工程での付加価値が大きい, 材料選択が経済的理由であまり制約を受けない. 材料間の競合が激しい ( ステンレス, アルミ合金など ) 特殊材料タービンブレード用合金, 先進複合材料 貴金属など サファイアベアリング, 銀接点, 回路用金線, 触媒用白金 工業用ダイヤモンド, 切削工具, 研磨工具など 材料選択にあたっては, が必要. 品質が安定しているか? 低価格か? 市場に多く流通していて材料調達の期間は短いか? など

30 材料単価と製品単価 製品の価格を決めるもの : 原材料のコスト 研究開発コスト 製造 流通コスト 流行 品薄感 競争に関する意識的な価値 材料のキログラム単価 製品のキログラム単価 特殊材料 性能向上のための新素材の開発 材料の改良 スポーツ用品 航空宇宙 自動車家電製品 健康 医療 金属 ポリマーセラミックスとガラス 複合材料 梱包材安価で信頼性の高い 建築物 加工方法の開発 燃料 構造材料 製品のkg 単価が材料コストの2 倍程度 製品のkg 単価が材料コストの100 倍程度 M.F. Ashby, 機械設計のための材料選択, 内田老鶴圃 (1997)

31 設計に制約を及ぼす材料特性 分類性質単位 一般 相対価格 ( ー ) 密度 Mg/m 3 力学的性質 弾性率 GPa 強度 MPa 靭性 KJ/m 2 破壊靭性 MPa m 1/2 熱的性質 熱伝導率 W/mK 熱拡散率 m 2 /s 比熱 J/kg K 融点 K ガラス転移点 K 線膨張率 K -1 熱衝撃抵抗 K クリープ抵抗 (-) 腐食 酸化特性 腐食速度 (-) 酸化速度定数 m 2 /s

32 ヤング率 E, GPa 材料間の特性比較 強度 s f, MPa 密度の増加 密度 r, Mg/m 3 密度 r, Mg/m 3 M.F. Ashby, 機械設計のための材料選択, 内田老鶴圃 (1997)

33 素材から形状を創成する方法 変形させて ( または液体にして ) 目的の形状を形成する 鋳造 圧延 押出し 加圧成形 射出成形 材料の塊から余分な部分を除去して形状を形成する 切削加工 研削加工 放電加工 いくつかの部分をあわせて ( 接合して ) 形状を形成する 組立て 溶接 被覆 形状創成のためには 材料のさまざまな特性を理解する必要がある

34 材料を変形させるには? あらゆる物質は応力を加えたり温度を変えたりすると形状または容積が変化する 変形の分類 弾性変形 : 材料に小さい応力が作用するとき 弾性的に変形し 応力によって生じるひずみが可逆的に変化する場合 フックの法則が成立 塑性変形 : 応力がさらにかかると大きく変形し 応力がゼロになっても変形が元に戻らない場合 弾性変形 曲げても元に戻る 塑性変形 曲げた後 元に戻らない ( 永久変形 ) わずかに戻るのは弾性変形分

35 身近な材料の変形挙動 素材サンプル アルミニウム ステンレス鋼 ピアノ線 銅 真鍮 ( しんちゅう ) はんだ アクリル 木 ゴム アルミナ これらの材料を使ってどのように形状を作っていくのか? まずは 曲げてみよう! どのような変形が起こるか どのように破壊するか? どのように変形させて形状を作るのか? このままではうまく変形できないものはどうやったらよいか?

36 各種材料の変形挙動 変形の挙動とメカニズム : 永久変形が起こるメカニズム 材料ごとの特徴 材料構造 ( 結合様式 ) 変形挙動 金属 : 炭素鋼 アルミニウムなど 主に した結晶 : 面心立方構造 ちゅう密六方構造 体心立方構造 が生じる セラミックス : アルミナ 窒素化ケイ素など ) の結晶 わずかな弾性変形の後に破壊する ポリマー : プラスチック ゴム エラストマーなど ) 鎖状に共有結合した炭素原子の骨格をもつ高分子 ( ポリマー ) が ( ) したもの 極めて ( ) が生じる

37 変形挙動を調べる方法 荷重を測定する装置 引張試験 圧縮試験 曲げ試験など 荷重 一定の速度で引張る 変位 一定の速度で引張る ( ゲージ部のみが変形する ) 一定の速度で長さの変化を与える 荷重 - 変位線図が得られる 応力 - ひずみ線図が得られる

38 応力ひずみ線図 s 弾性 Ds ヤング率 弾性変形 曲げても元に戻る 塑性変形 曲げた後 元に戻らない ( 永久変形 ) わずかに戻るのは弾性変形分 De 応力 s F s T F s y F F 可逆的弾性変形 e 永久ひずみ F=0 F=0 l 0 A 0 アルミニウム合金の応力 -ひずみ曲線ひずみ e

39 公称応力 F/A 0 [N/m 2 ] 各種材料の典型的な応力ひずみ曲線 公称応力 F/A 0 [N/m 2 ] 公称ひずみ (DL/L 0 ) 100 [%] 注意 : ゴムの場合の目盛り アルミナ (Al 2 O 3 ) 弾性変形 塑性変形 低炭素鋼 架橋した天然ゴム 応力ひずみ曲線から 材料の変形の特性を読み取れるようにする ポリメチルメタクリレイト ( アクリル樹脂,122 で試験 ) 素材の変形特性から応力 - ひずみ曲線の概略を書けるようにする 公称ひずみ (DL/L 0 ) 100 [%] A.G.Guy 材料科学 ( 丸善 )

40 各材料の特性の概数 ( 機械的特性は室温の値 ) 融点 ( ) 密度 (g/cm 3 ) 弾性率 (GPa) 降伏応力 (MPa) 最大引張強さ (MPa) 破断伸び (%) アルミニウム ~50 銅 ~55 ステンレス鋼 約 ~200 ~ ピアノ線 約 ~250 ~ しんちゅう ~ はんだ 300 ~10 ~ アクリル樹脂 <200 ~ ~70 - 木 ゴム <200 ~ >500 アルミナ

41 本日のまとめ 工業材料は 金属 セラミックス ガラス ポリマー エラストマーとそれらの複合材料に分類される 機械設計における材料選定では 機能だけでなく 形状や生産プロセス 経済的考慮を考える必要がある 形状創成のためには材料の様々な特性 ( 変形特性など ) を理解する必要がある

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