ヘテロ表面ダイによるしごき加工性の向上 豊橋技科大安部洋平 パンチ しわ押え 焼付き 電気自動車 素板 深絞りダイス (a) 工具鋼 SKD11 二次電池用ケースステンレス鋼板 しごき加工 しごきダイス (b) TiCN サーメット TiCN サーメットダイスは耐焼付き性が高く有効 良好
パンチ ヘテロ表面サーメットダイ しごき加工後容器 しごきダイス 容器 ラッピング 潤滑剤 ダイ (a) ラッピング (b) ヘテロ表面ヘテロ表面 潤滑剤保持 容器の凹凸が潤滑剤持ち込み 変形とともに潤滑剤が流出 ダイ表面にくぼみ 目的 : TiCN サーメットヘテロ表面ダイによる加工性の向上
目次 ヘテロ表面サーメットダイとしごき 加工条件 ヘテロ表面ダイのしごき加工 潤滑メカニズム
パンチ速度 v=5~15mm/s d p パンチ R2 c φ34 深絞り容器のしごき加工条件 d p =32.85~33.41mm 容器 潤滑剤 R5 ヘテロ表面ダイ 公称しごき率 r n =1~5% 板厚.6mm ステンレス鋼 :SUS43, SUS34 アルミニウム合金 :A33-O SUS: 塩素系極圧添加剤あり低粘度潤滑剤 (2.9mm 2 /s) A33: 極圧添加剤なし高粘度潤滑剤 (562mm 2 /s) 材料引張強さ [MPa] 伸び [%] n 値 r 値硬さ [HV5] SUS43 547 25.7.2 1.17 167
ダイ材料 TiCN サーメット ダイ製作プロセス 放電加工 観察部 研磨処理 研削 凹凸処理 ラッピング ショットピーニング 研磨処理 ヘテロ表面
ダイ しごきダイランド部の軸方向表面性状.1mm 高さ [µm] 1-1 R h =.5µmRa -2 1 2 3 4 軸方向の位置 [µm] R h =.12µmRa (a) ヘテロ表面 (b) ラッピング.2µmRa R s =.5µmRa R s =.17µmRa (c) ショットピーニングのみ
9 8 [µm] 7 6 5 4 3 2 1 しごきダイランド部の 3 次元表面性状 軸方向 観察部 円周方向 2 2 1 1 /µm (b) ショットピーニングのみ (.17μmRa) 2 2 1 1 /µm 2 1 1 /µm (a) ラッピング (.2μmRa) (c) ヘテロ表面 (.6μmRa) 2
容器表面と表面粗さ 高さ [µm] 1-1 1 2 3 4 軸方向の位置 [µm] (a) ヘテロ表面, R h =.5µmRa (b) SUS43 容器,.27μmRa (c) SUS34 容器,.3μmRa.1mm (d) A33 容器,.35μmRa
目次 ヘテロ表面サーメットダイとしごき 加工条件 ヘテロ表面ダイのしごき加工 潤滑メカニズム
SUS43 におけるしごき加工後の容器 1mm.2mm (a) 加工前 焼付き (b) ヘテロ (.12μmRa), r=26.7% 破断 良好 焼付き (c) ラッピング, r=17.7% (d) ショットピーニングのみ (.37μmRa), r=7.4%
しごき率 r [%] 成形限界に及ぼすダイランド部の影響 ( 塩素系低粘度潤滑剤, v=1mm/s) ダイ.1mm 25 2 15 1 破断 焼付き 欠陥なし焼付き 5 SKD11 ラッピング.5.1.15.2 ダイの表面粗さ R s [µmra] (a) ショットピーニングのみ しごき率 r [%] 35 3 25 2 破断 焼付き 15 焼付き 1 欠陥なし SKD11 5 ラッピング焼付き.5.1.15.2 ダイの表面粗さ R h [µmra] (b) ヘテロ表面
焼付き限界付近におけるしごき荷重 - ストローク線図 ( 塩素系低粘度潤滑剤, v=1mm/s) しごき荷重 [kn] 7 6 5 ラッピング,r=14.1% 4 3 2 1 ヘテロ表面, r=26.7% 5 1 15 2 25 3 35 ストローク [mm]
焼付き限界付近におけるしごき荷重 - ストローク線図 ( 塩素系低粘度潤滑剤, v=1mm/s) しごき荷重 /kn 7 6 5 ラッピング,r=14.1% 4 3 2 1 ヘテロ表面, r=26.7% 加工仕事量 5 1 15 2 25 3 35 ストローク /mm
加工仕事量に及ぼすヘテロダイ表面の影響 加工仕事量 [kj] 1.6 1.2.8.4 ショットピーニングのみ ラッピング ヘテロ表面 5 1 15 2 25 3 しごき率 r [%]
摩擦係数に及ぼすヘテロ表面ダイの影響 摩擦係数.2.15.1.5 ラッピング (.2μmRa) ヘテロ表面 (.6μmRa~.15μmRa) ショットピーニングのみ (.6μmRa~.14μmRa) 5 1 15 2 25 3 しごき率 r [%]
容器表面粗さに及ぼすヘテロ表面の影響 x.1mm 円周方向の平均粗さ [μmra].4.3.2.1 しごき加工前 ラッピング, r r =13.76% しごき加工前 ラッピング,.2 µmra ピーニングのみ,.6 µmra ヘテロ (.6µmRa), r ヘテロ,.6 µmra r =17.9% ヘテロ,.12 µmra 5 1 15 2 25 容器底からの距離 x [mm] 3 ピーニングのみ (.6µmRa), r r =13.74% ヘテロ (.12µmRa), r r =15.43%
SUS34 の成形限界に及ぼすヘテロ表面の影響 ( 塩素系低粘度潤滑剤, v=1mm/s, Rh=.6μmRa) 3 2 1 ダイランド部.1mm 焼付き 破断 欠陥なし しごき率 r [%] 最大しごき荷重 [kn] しごき加工仕事 [kj] 25 8 7 6 5 4 3 2 ラッピング r=9.% ヘテロ表面, r=18.4% 1 ヘテロ表面 ラッピング (a) しごき加工限界 (b) 最大荷重と仕事 1.2 荷重 15 2. 1.6.8 仕事 5.4
A33 の成形限界に及ぼすヘテロ表面の影響 ( 塩素系低粘度潤滑剤, v=1mm/s, R h =.6μmRa) 観察部.1mm しごき率 r [%] 5 4 3 2 1 破断 良好超硬合金 SKD11 ラッピング 焼付き.5.1.15 ランド部表面平均粗さ R h [ mra].2 焼付き
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ダイ表面と容器間の潤滑メカニズム 潤滑剤 ダイ 容器 (a) 切削後,.45µmRa 容器の変形とともに潤滑剤が流出 (b) ラッピング,.2µmRa 引掛り大 ダイ側で潤滑剤を保持, 耐焼付き性が向上 (c) ショットピーニングのみ,.6µmRa 平滑な部分にくぼみを有する形状, 引掛り少潤滑剤保持 (d) ヘテロ表面,.6µmRa
紫外線光による残留潤滑剤観察方法 カメラ 極圧添加剤あり塩素系低粘度潤滑剤 ( 動粘度 :2.9mm 2 /s) 蛍光塗料 回転 紫外線 LED しごきダイ 青白く発光 1wt% で混合 カメラ 紫外線光
加工後容器表面の残留潤滑剤 (v=1mm/s) カメラ 回転 紫外線 LED しごきダイ (a) ラッピング カメラ (b) ヘテロ
しごき加工後の残留潤滑剤 LED 反射 容器 加工後容器 残留潤滑剤量少 (a) ラッピング 加工後ダイ 残留潤滑剤量 (b) ヘテロ表面 多
無潤滑状態でのしごき加工実験 For g m in 5mm.1mm r=9.8%, 焼付き r=8.1%, 焼付き, 破断 観察部 (a) ラッピング (b) ヘテロ表面
ヘテロ表面ダイスにおける潤滑油の量 1mm 側壁に残る潤滑油の平均厚さ [μm] 4 3 2 1 ヘテロ表面焼付きなし ラッピング焼付き 15 3 45 37 潤滑油の塗布量 [µg/mm] ヘテロ表面 ラッピング
研磨により粗さを変化させた容器 容器 回転 パンチ 研磨紙 : 8 番円周方向研磨軸方向研磨 軸方向 円周方向 2 1 1 /µm (a) 研磨なし 2 測定部 35/µm 3 25 2 15 1 5 (b) 軸方向研磨 (c) 円周方向研磨
2 研磨された容器の表面性状 高さ /µm 4 4 測定部.1mm 5 1 15 z [µm] 5 1 15 (a) 研磨なし R z =.3μmRa R θ =.27μmRa 軸方向 z 円周方向 θ θ [µm 研磨紙 8 8 4 4 5 1 15 z [µm] 5 1 15 (b) 軸方向研磨 R z =.35μmRa R θ =.6μmRa θ [µm] 8 4 5 1 15 (c) 円周方向研磨 R z =.6μmRa 8 4 z [µm] 5 1 15 R θ =.11μmRa θ [µm]
成形限界に及ぼす容器表面粗さの影響 ( 硫黄系潤滑剤 96mm 2 /s) 3 3 しごき率 r [%] 2 1 研磨なしの塩素系添加剤 焼付き.1 良好 研磨なし.2.3.4.5.6 容器表面の軸方向表面粗さ R z [µmra] (a) ラッピング しごき率 r [ %] 2 1 研磨なしの塩素系添加剤 研磨なし 焼付き良好 軸方向研磨.1.2.3.4.5.6 容器表面の軸方向表面粗さ R z [µmra] (b) ヘテロ表面
容器表面粗さに及ぼす加工回数の影響 (r=9%).5 焼付き小焼付き 焼付き大 焼付き小 容器の表面粗さ [μmra].4.3.2.1 ラッピングヘテロ表面 2 素板 3 6 9 12 15 しごき加工回数 n
容器表面粗さに及ぼす加工回数の影響 (r=9%) ラッピング 2µm n= 焼付き n=1 n=1 n=15 焼付き 観察部 ヘテロ表面 焼付きの割合 [%] 6 5 4 3 2 1 焼付き n= n=5 n=1 n=15 ラッピングヘテロ表面 3 6 9 12 15 しごき加工回数 n
まとめ 1) ヘテロ表面では.5μmRaから.12μmRaの範囲でラッピングされた表面よりも限界が高くなっており, 最適なヘテロ表面ダイによって焼付き限界を向上できた. 2) いずれの表面においてもしごき率とともに摩擦係数が増加してたが, ヘテロ表面, ショットピーニングのみの表面, ラッピングされた表面の順で低くなっており, ヘテロ表面の高潤滑により摩擦力が低減していると考えられる. 3) 平らな部分と潤滑ポケットから構成されるヘテロ表面では, 潤滑ポケットによって潤滑膜が厚くなるとともに, ダイ表面の凸部がないために容器とダイの接触が抑制されて高潤滑になっているようであった. 4) ヘテロ表面ダイによってSUS34 容器とA33 容器に対しても焼付き限界が向上できた.
2µm 有効なヘテロ表面形状 高さ /µm i i 2-2 2 4 6 8 Position in axial direction /µm θ w h 1μm 潤滑剤ポケット深さ h /μm.4~1. 潤滑剤ポケット幅 w /μm 9~15 潤滑剤ポケット間平均距離 i /μm 5~2 潤滑剤ポケットのエッジの角度 θ / 5~15 潤滑剤ポケット面積の割合 /% 25~3 1μm