2020 Fiscal Year Research-status Report

セラミック粒子添加プレス油の高潤滑メカニズムの解明

Research Project

Project/Area Number	19K05095
Research Institution	Toyohashi University of Technology
Principal Investigator	安部洋平豊橋技術科学大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (60402658)
Project Period (FY)	2019-04-01 – 2022-03-31
Keywords	セラミック微粒子 / しごき加工 / ガラスダイ / その場観察 / 粒子挙動 / 潤滑メカニズム / 焼付き / 潤滑油
Outline of Annual Research Achievements	電気自動車，ハイブリット自動車に欠かせない電池容器のプレスによる大量生産が急務である．プレス加工のなかでも，成形品の表面拡大率と金型面圧が高く，焼付きの生じやすいしごき加工が問題である．焼付き抑制に塩素系極圧剤添加油が有効であるが，環境負荷の大きいために代替が必要である．本研究では，塩素系極圧剤添加油の代替えとなれそうなセラミック粒子添加しごき加工油を提案するために添加プレス油による潤滑メカニズムの調査，有効な条件を明確にする．合わせて，加工界面の接触状態のモニタリング，粒子埋設による成形品表面の硬さ向上を試みる．具体的な目的は，１．しごき加工界面における粒子侵入による直接接触の抑制条件，および，２．それを実現するプレス加工における有効な条件の範囲の明確化であり，前者は，(１）しごき界面の観察装置による直接観察：焼付き抑制に寄与するしごき加工界面の添加粒子の挙動の把握，（２）しごき界面の接触状態の調査である．後者は，主に焼付き抑制に有効な粒子添加油の最低の動粘度，および，成形品表面の高硬度化に有効な添加粒子，添加量の加工条件とそれらの理由を明確にすることである． 2019年度では，主に１．粒子侵入による直接接触の抑制条件の(１）プレス界面の観察装置による直接観察を行う平板しごき加工機を設計，製作し，低いしごき率ながら界面を観察できた． 2020年度では，１）界面の粒子には平板に接触したのちに圧縮され，平板表面に埋設されるものが確認された．2) 0.15 μmの粒径では，潤滑油中において凝集して存在するものがあり，それは加工界面において圧縮されることによって破砕し，分散することがあった．3) 4 μm及び10 μmの粒径では，平板の表面上に粒子が埋設，また，それが脱落した痕が観察され，埋設された粒子の頂点は平板よりも高く，ダイと平板の直接接触を妨げたようであった．
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned. Reason 2019年度では，主に１．粒子侵入による直接接触の抑制条件の(１）プレス界面の観察装置による直接観察を行う平板しごき加工機を設計，製作し，低いしごき率ながら界面を観察できた． 2020年度では，低いしごき率と低い速度においても粒子添加油の粒子の直径，材質，添加量，油の粘度といった基本的な特性についての評価できる状態であると判断して観察を行った．カメラと照明は予算の関係上そのままとして，1%程度のしごき率でアルミニウム板を0.25mm/sで加工して，ガラスダイを通じて加工界面付近の油の流れとしごき加工界面におけるアルミナ粒子の侵入について観察した．界面に入っていく粒子，粒子の回転が止まって埋まっていくような粒子，凝集粒子が破砕して分散する粒子，加工と反対に流れていく粒子の挙動が観察された．10μm程度の粒子では画像での判別が比較的容易であるが，1μm未満のように小さくなると困難であり，全体的に曇った画像，または，凝集している形態で観察された．加工後の試験片上の埋設と脱落痕についても同様で小さい場合の明確な判断はできなかった．挙動としては，１）界面の粒子には平板に接触したのちに圧縮され，平板表面に埋設される挙動，2) 0.15 μmの粒径では，潤滑油中において凝集して存在し，加工界面において圧縮されることによって破砕し，分散する挙動が観察された．3) 4 μm及び10 μmの粒径では平板の表面上に粒子が埋設，脱落した痕が観察され，埋設された粒子の頂点は平板よりも高く，ダイと平板の直接接触を妨げたようであった．以上の結果とこれまでの結果から，油に添加できる粒子量は限界があるが，小さい粒子では添加量を多くすることができ，粒子個数を増やし，界面に侵入できている個数も増え，直接接触妨げる確率が上がって焼付き抑制が高くなると推察される．
Strategy for Future Research Activity	直接観察では，1μm未満の粒子のように小さくなると光学的な観察では容易でなくなり，メカニズムの解明は観察された画像からでは難しいようである．界面の粒子の直接観察は難しいものの，ガラスダイを通じて蛍光剤を油に添加して油膜厚分布の直接観察，または，加工後の残留油膜厚分布の観察により評価できる可能性がある．後者に関しては過去に円筒容器で評価できた実績があり，前者は適用例が少ない．ガラスダイを通じた油膜厚分布の直接観察について，既存の装置と自作の光源で予備的に実施した結果では，油膜厚分布として判別できるレベルになく，高出力UV光源，UV波長域高透過レンズ，高速で高分解能なカメラ，鏡筒もしくはカメラにフィルタの追加が必要そうである．高出力UV光源，UV波長域高透過レンズについては，候補があり，カメラは選定中で，予算以外にフィルタの追加できる機材が見つからないことが問題である．そこで，加工後の残留油膜厚分布の観察について，加工直後，もしくは，加工後のスライド上にてUV照明とカメラを追加することで観察できる可能性があり，容易に実行できる加工後のスライド上での観察装置を設計中である．また，ガラスダイでないので実条件に近い高しごき率で実験できる．残りの目標に関しては，焼付き抑制のできる粒子添加油の最低の動粘度，および，成形品表面の高硬度化に有効な添加粒子，添加量の加工条件とそれらの理由を明確にすることであり，加工後の残留油膜厚分布の評価とともに実行する予定である．ガラスダイを通じた油膜厚分布の直接観察については機材の調査・検討しつつ，比較的容易な加工後の残留油膜厚分布を観察して，加工条件の調査を進める．加工界面の接触状態のモニタリングについては，簡易的に測定できる荷重についてまとめてモニタリングの指標となるか検討する．
Causes of Carryover	観察結果から観察法の再検討に至り，次年度に新たな方法と機材を購入するために次年度使用額が生じた．加工後の残留潤滑油の観察に変更するための機材を中心に観察でき，効率が良くなるような使用を行う．