冷間鍛造における摩擦係数の高精度同定と焼付きのリアルタイム検出・予測
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21K04721
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 26050:Material processing and microstructure control-related
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| Research Institution | Shizuoka University |
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Principal Investigator |
早川 邦夫 静岡大学, 工学部, 教授 (80283399)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2024-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2022)
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| Budget Amount *help |
¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000)
Fiscal Year 2023: ¥260,000 (Direct Cost: ¥200,000、Indirect Cost: ¥60,000)
Fiscal Year 2022: ¥520,000 (Direct Cost: ¥400,000、Indirect Cost: ¥120,000)
Fiscal Year 2021: ¥3,380,000 (Direct Cost: ¥2,600,000、Indirect Cost: ¥780,000)
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| Keywords | 冷間鍛造 / トライボロジー / 有限要素解析 / 鍛造 / 摩擦 / 摩耗 / 加工速度依存性 / 凝着 / 検出 |
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| Outline of Research at the Start |
本研究では，「冷間鍛造における摩擦係数の高精度同定と焼付きのリアルタイム検出・予測」として，以下の研究に取り組む．
・これまでの潤滑性能評価の研究において，定量化が困難であった加工速度により変化する摩擦係数を，高精度な実験と有限要素解析により明らかにする．
・工具を拘束する圧電素子埋込みボルトにより検知される加速度信号を詳細に解析することにより，潤滑剤の欠乏により生じる焼付きなどの潤滑状態の急変をリアルタイムに検出する．さらに，信号の過渡情報を用いて，焼付き発生を予知する技術を開発する．
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| Outline of Annual Research Achievements |
「摩擦係数の加工速度依存性の評価」
冷間鍛造用固体潤滑剤に対して，前後方缶押し出し型摩擦試験法を用いた鉄鋼およびアルミニウム合金の加工時の摩擦係数の同定を行った．その際，低速および高速の加工速度を用い，加工速度依存性を考慮した摩擦係数の同定を試みた．より高精度な材料（素材および工具）の変形抵抗曲線，熱伝達係数などの境界条件を用いて，より高精度な較正曲線を作成することで，摩擦係数を適切に同定でき，摩擦係数の加工速度依存性を明らかにできた．その理由としては，加工速度による加工発熱の違いにより，材料変形抵抗ならびに潤滑剤の性能が変化することが考えられた．
「急激な潤滑状態の変化のリアルタイム検出・予測」
難加工材のチタン合金の冷間鍛造時における潤滑状態のリアルタイム検出を行うため，前方軸後方缶押出し型摩擦試験法にピエゾボルト型センサーを適用し，摩擦試験時の工具変形に及ぼす摩擦状態の影響を検出するための治具の設計を，有限要素解析を援用して行った．治具はダイの周方向変形を軸力に変換するので、2次元軸対称FEM解析でダイの半径方向変位を調査した．治具の設置位置について，摩擦係数・ストロークどちらを変更した際にもダイインサートの押出し開始部に近い位置の半径方向変位がより大きいことがわかった．治具の形状の結果に関しては、治具の剛性が大きいほど半径方向変位が小さくなるという結果となった．以上の結果から，治具の形状と設置位置を考慮した設計を行うことで、ピエゾボルトからの出力を最大化できることがわかった．しかし，治具設計に時間を要したため，治具製作および鍛造実験は次年度に行うこととした．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
本研究では，①前方軸後方缶押出し型摩擦試験用金型へのピエゾボルト型センサーの導入，②ピエゾボルト型センサーを用いたうえでストローク・試験片温度等の試験条件を変えた前方軸後方缶押出し型摩擦試験の実施，③ピエゾボルトセンサーより得た出力データより成型荷重の変動・摩擦係数・焼付き発生時の傾向等を調査しチタン合金鍛造でのトライボロジー特性の解明に取り組む計画としていた．
進捗状況としては，現時点で①の段階に留まっている．今年度当初よりピエゾボルトから出力を得るための周辺環境を整えたが，想定以上に時間を要した．周辺環境の整備が終了したのち、直ちにピエゾボルト用いて予備実験を行ったが、当初想定した締結位置では成形中の荷重の変動を捉えられるほどの出力を得ることができず，必要な出力を得るため治具の設計を行ったが，その製造までには至らなかった．
次年度，治具の作成が終了し次第，速やかに②，③を実施する予定である．
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| Strategy for Future Research Activity |
今年度の進捗より，ピエゾボルトセンサーの前方軸後方押出し型摩擦試験用金型への導入は治具が完成し次第完了する．今後，前述の通り、ピエゾボルトセンサーを用いたうえで試験条件を変えた前方軸後方押出し型摩擦試験とその試験で得たセンサー出力データよりトライボロジー特性の解明に取り組む．
治具作成後，最初に予備実験として焼付き等の不具合が生じにくい冷間・小ストロークにて試験を行い，ピエゾボルトセンサーからの出力の確認を行う．その後，徐々に焼付きの生じるような厳しい条件下での試験を行い，各試験条件とセンサーで検出された出力の特徴を比較する．
チタン合金ボルトは，温間多段鍛造にて生産されており，その第1工程である前方押出しで焼付きが生じやすい．したがって，本研究における試験条件としては温間を考えている．これまでの研究では，前方軸後方押出し型摩擦試験にて試験片温度が高くなるほど焼付きが起こりやすいという試験結果が出ており，試験片温度600℃，ストローク3.7mmが成形限界とされている．この結果を参考に，成形限界まで試験条件を厳しくしていき、焼付きが起こる際のピエゾボルトセンサーからの出力データと焼付きが起こる際の条件や成形荷重・摩擦係数の変動の相関を明らかにする予定である．
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Report
(2 results)
Research Products
(7 results)
