次世代モータ用電磁材料の超音波振動せん断技術に関する研究

2020 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 19K04129
• Research Institution: Nippon Institute of Technology
• Principal Investigator: 神 雅彦 日本工業大学, 基幹工学部, 教授 (80265371)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2022-03-31
• Keywords: 超音波振動 / せん断 / シェービング / 電磁鋼板 / アモルファス合金

Outline of Annual Research Achievements

研究初年度～2年度前半にかけて，実験用超音波振動金型を設計・製作し，無方向性電磁鋼板（t=0.2mm）に対して，打抜きおよびシェービング実験を実施した．その結果，超音波振動打抜きにおいては，だれおよび破断面が低減し平滑面が長くなるなどの変化が見られた．ただし，金型のクリアランス誤差の影響に敏感であることもわかった．一方，シェービングにおいては，仕上げ面が飛躍的に向上することを明らかにすることができた．すなわち，超音波振動による断続切削の効果が有効に発揮された．特に，シェービングにおいては，取り代と仕上げ面との関係を把握しておくことが重要である．慣用シェービングでは取り代が0.1tを超えると仕上げ面に亀裂が発生してしまうのに対し，超音波振動シェービングにおいては，取り代1tまで亀裂の無い平滑な仕上げ面を形成できることを明らかにした．
研究2年度目後半では，アモルファス合金（t=20および50μm）に対するシェービング実験装置を構築した．アモルファス合金の場合は，板厚が薄いため，取り代を精度よく設定する必要があるため，専用の基礎実験装置を設計・製作した．その基礎実験装置においては，まず，理想的な金型精度条件においての効果を確認するために，アモルファス合金板を上下の鉄鋼製当て板ではさみ，共削り条件において実験を行うこととした．これにより，今後の研究において理想状態での効果を確認することができる．

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

電磁鋼板の打抜きに関する研究に関しては，基礎実験用の円板打抜き金型を構築し，各種実験条件においての打抜き実験を実施し，超音波振動打抜きにおける効果を調査することができた．しかしながら，パンチとダイとのクリアワンス誤差の影響も大きく，十分に優位なデータを得ることができなかった．一方，超音波シェービングに関する研究においては，シェービング特性が板厚に対する取り代が切り口面に敏感に影響を与えることを考慮し，取り代を精密に設定できる専用の基礎実験装置を構築することとした．その実験装置によって，金型に比べてより精密なデータを取得することができ，超音波振動シェービングにより，仕上げ面が大きく向上することを明らかにすることができた．すなわち，超音波振動シェービングにより，従来の10倍の取り代としても切り口面全面に亀裂の無い平滑な仕上げ面が形成されることを明らかにすることができた．これは，当初の予想を上回る大きな成果であると考える．
次に，アモルファス合金板に対する研究では，特にシェービングに関しての検証が不可欠であると考え，専用の基礎実験装置の構築に着手した．その成果として，当て板を用いることで，金型の誤差を相殺できる精密な実験装置を構築することができた．これにより，精密なシェービング実験データを得ることができるものと期待される．今後の研究の進展にとって，大きな成果を得ることができた．
以上の，電磁鋼板に対する研究結果およびアモルファス合金に対する実験準備状況を評価するに，研究は順調に進行していると言える．

Strategy for Future Research Activity

アモルファス合金の打抜きに関する先行研究では，切り口面に割れが発生しやすいこと，および工具寿命が非常に短いことが知られている．そのため，打抜き加工後の次工程となる超音波シェービングの技術は必須になるものと予想される．よって，今後の研究では，研究第2年度後半に構築した精密な実験装置を用いたシェービング加工実験を中心に研究を展開していきたい．
一方，電磁鋼板とアモルファス合金の超音波振動シェービングにより，仕上げ面が良好になる理由に関して考察していくこととする．その解析のための基礎データとして，実験による検証と並行してFEMによる解析をも実施していくことを計画している．すなわち，材料特性，金型精度および超音波振動特有の断続仕上げ機構と仕上げ面との関係をFEMで解析する．切削やせん断加工のFEM解析においては，塑性ひずみが非常に大きく，かつ切りくずが材料から分離してしまうため，計算が連続せず，その解析には特有のテクニックを有する．このFEM解析にあたっては，せん断加工の解析に精通するタイのキングモンクット大学のティップラクマス教授と共同研究を実施する予定である．これまでに数回の打合せを行い，共同研究計画を策定している．当面は，それぞれに設備してあるFEMプログラムを用いてオンライン打合せが中心になるが，研究を進展させていきたい．

Causes of Carryover

研究はほぼ計画通りに遂行しており，研究経費もほぼ予定通りに使用している．今年度の残額4万円ほどは誤差範囲であると考える．次年度は，その残額を加えて計画通りに使用する予定である．