2018 Fiscal Year Research-status Report
Mechanics, tribological characterization and Scale effect in ultra-high pressure hydroforming of micro-tubes
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18K04781
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| Research Institution | Tokyo Metropolitan University |
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Principal Investigator |
真鍋 健一 首都大学東京, システムデザイン研究科, 客員教授 (10145667)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
高橋 智 首都大学東京, システムデザイン研究科, 准教授 (80260785)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | マイクロ金属加工 / マイクロチューブ / 高液圧成形 / マイクロトライボ機構 / 成形メカニズム / 寸法効果 / 成形不良 / 枝管成形 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では微細な金属マイクロチューブの低いハイドロフォーム性に着目しそれを支配する高圧下における材料と摩擦の寸法効果の解明と、既報で得られている枝管成形の高いマイクロ成形性の成形メカニズムを解明することを目的としている。本年度の研究実績は以下のとおりである。
（１）現在世界最小直径500μmのSUS304鋼管を用いたマイクロT字成形では、プロセスウインドウの低内圧側における座屈・しわ限界線は枝張出し側と反対側の底部における座屈発生がりん脱酸銅C1220より抑えられ、高圧側にシフトし、耐座屈性の高いことが確認できた。この現象は高強度（高n値）で高剛性のSUS304鋼管の方が、軸圧縮下における軸対称座屈限界が高くなるGerardの理論結果と同じ傾向であることを確認した。このように高圧負荷によるマイクロトライボ特性の改善効果とは別に、材料物性による耐座屈性向上効果で生じるものであることを示した。
（２）超高圧負荷によるマイクロトライボ特性の解明に適した顕著な摩擦効果が発現する長尺管のハイドロフォーミング性に着目した。本研究では既報のマイクロ管初期長さの3.1倍長い初期長さ10mmのマイクロ長尺管を用いて、まず従来の巨視的有限要素法を用いてマイクロ十字成形解析を行った。その結果，摩擦係数が小さく良好な潤滑状態でも、成形部キャビティ内へ材料は流動できず、十分な張出し高さを実現させることは困難となった。マイクロ管の変形は管端部領域に集中して軸押込みによる圧縮による増肉が深刻になることを示した。
（３）微細管では製造方法による制約からマイクロ化に伴い幾何学的厚肉化が進行することを現状の各種金属材料の微細管の製造可能範囲から整理し明らかにし、寸法効果とは異なる制約条件から金属管のマイクロハイドロ成形が難加工化する分析結果を示した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
4: Progress in research has been delayed.
Reason
本年度計画していた超高圧発生装置の設計・試作が遅れている。摩擦の顕著な影響を解明するためには、長尺マイクロ管を用いる必要性を痛感したため、既報の3.1倍長い長尺管に変更した。さらにより高強度で微細なマイクロチューブのハイドロ成形実験を目指して、その可能な必要設計使用圧力を見積もるため、結晶レベルの微細な変形挙動まで調査できないがその成形加工条件の検討に十分利用できる従来の巨視的FE解析を行った。そのため、従来より解析も当然長時間を要していたが、突然に解析コンピュータの寿命によるブルースクリーンの発症で使用困難という不測の事態が生じ、最終的にデータの一部も消失した。そのため新規の解析コンピュータやハードディスクの交換と解析コンピュータ変更によるソフトのリース再契約、データ移植作業等に手間取って設計に必要な解析の大幅な遅れをきたした。現在では解析を再開し遅れを取り戻すべく推し進め、設計完了の見通しも得ている。
材料流動、成形不良(破裂、座屈、しわ、変形の局所化)の現象解明、それを基にした最適加工条件の解明に関しては、長尺マイクロ管の十字成形に関しては金型との摩擦抵抗増大によるマイクロ成形性の低下は確認することはできた。長尺管では摩擦の影響はより顕著になり、摩擦抵抗増大により材料流動が抑えられ管端部での局所的な増肉ならびに成形性の減少の原因となることを明らかにした。一方、T成形における座屈・しわ限界に対する材料物性の影響に関しては上記のとおり古典理論からの考察により裏づけを得ることができた。内圧負荷時の座屈限界に関しては今後の課題としている。長尺マイクロ管における材料流動、成形不良の現象解明の整理や最適加工条件の検討は徐々に進展しているが成果として公表までには至っていない。
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| Strategy for Future Research Activity |
前年度の解析コンピュータ関連のトラブルによる研究の遅れを挽回するためにもより効率的な研究推進を図る。そのためにはまず積極的な従来の巨視的FE解析を活用し、迅速な研究の方向付けに生かす。並行して寸法効果解明に向けた検討に本格的に着手する。そのために必要なマイクロチューブの力学特性値、その微視的観察やマイクロ表面性状等の基礎データの収集について早期に研究分担者や研究協力者と緊密な連携をとって取り組み、当初の研究計画レベルまで進展できるように努める。
超高圧発生装置と長尺マイクロ管用の金型を試作し、SUS304に集中して早期にハイドロ成形実験に着手し、データの収集に努める。
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| Causes of Carryover |
上記の「現在までの進捗状況」の欄で記載したとおり、マイクロ管の初期長さを長尺管に変更したことと、解析コンピュータの故障に伴う超高圧発生装置と長尺管用金型の設計・試作に遅れが生じた。次年度に早期に設計が完了する見込みである。それにより、次年度に超高圧発生装置の改良部品代と長尺管用金型代として、予算の繰越を行ったためである。
具体的には、超高圧発生装置の必要設計使用圧力を見積もるため、種々のマイクロ管に対して従来の巨視的FE解析を行ったが、解析コンピュータの寿命で使用不能になった。新たな解析コンピュータほかへの取替えに伴い、多大な時間を要し、超高圧発生装置と長尺管用金型の設計が大幅に遅れを来たした。それらの改良部品代と長尺管用金型代のために使用するため、予算の繰越を行った。
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