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

2021 Fiscal Year Research-status Report

• 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 – 2023-03-31
• Keywords: しごき加工 / セラミック粒子 / 焼付き / 直接観察 / ガラスダイ / 粒子挙動 / 加工条件 / 界面

Outline of Annual Research Achievements

電気自動車，ハイブリット自動車などの電池容器のプレスによる大量生産が急務である．プレスでは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，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加工条件とそれらの理由を明確化である．
2019年度では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て低いしごき率ながら界面を観察できた．
2020年度ではガラスダイによる界面における粒子の挙動と加工面が観察され，界面への粒子の進入挙動，加工後の試験片表面の粒子痕の状態が観察・計測された．界面への粒子の進入及び試験片表面の粒子痕から界面に侵入した粒子により試験片とダイの直接接触の抑制が推察された．
2021年度では，まず，ガラスダイを通じた油膜厚分布の直接観察について試みたが，測定ができなかった．そのために，次に進み，添加油の特性，焼付き抑制に有効な加工条件が調査された．粒子添加による粘度と比熱の上昇が計測されてしごき加工限界を増加させる作用が示唆された．また，油の最低粘度と加工速度を得られた．

Current Status of Research Progress

4: Progress in research has been delayed.

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と限定された条件であるが，ガラスダイを通じて加工界面付近の油の流れと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などが観察された．10μmの粒子では顕著に観察されたが，1μm未満では困難で全体的に曇った画像，凝集している形態で観察された．加工後試験片上の埋設と脱落痕についても大きい粒子では観察された．界面への粒子の進入及び試験片表面の粒子痕から界面に侵入した粒子により試験片とダイの直接接触の抑制が推察された．
2021年度では，まず，接触を妨げている油の分布を観察するために，UV蛍光剤を添加した油でガラスダイを通じて直接観察したがUVに感光する光量が不足して観察できなかった．次に，加工直後の表面についての表面観察を行ったが，同様に感光量が不足して明確な油分布が観察できなかった．そこで，(2)しごき界面の接触状態の調査へ進み，実加条件に近い状態での添加油の特性，焼付き抑制に有効な加工条件を調査した．粒子添加により油の粘度と比熱の上昇がみられ，しごき加工界面に導入される油の量の増加，温度上昇に伴う油の粘度低下に抑制からしごき加工限界の向上に有利に働くことが示された．また，限界を向上させる油の最低粘度と加工速度を得られた．モニタリングの指標となる可能性のある荷重についての基礎特性を把握して，粒子を添加すると荷重が上昇することが示された．UV蛍光剤を添加した油での実験の困難と新型コロナ対策による実験時間の不十分から進捗ははかばかしくなかった．

Strategy for Future Research Activity

１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，蛍光剤を添加した油膜厚分布の直接観察も困難で，直接観察された画像からではメカニズムの解明はこれ以上難しいようである．加工直後の表面についての表面観察でも同様に感光量が不足して明確な油分布が明確でなかった．この点は，従来測定できた数ミクロンの油膜厚さより薄い可能があり測定できない可能性，その他に単に励起光量の不足（UV光源の出力不足，高倍率レンズのUV透過性の低さ，カメラの感度不足），母材の反射などが考えられる．UV光源，レンズ，カメラについては候補が見られるが予算が不足するようである．
粒子添加油の粘度，比熱特性についての評価も一部であり，焼付き抑制のできる粒子添加油の条件についてもアルミニウムに対して一部の粒子についての粘度と速度を示せているが，実用する範囲に対して不十分な条件がまだ多い．また，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については着手できておらず，上記の点を明確にする必要がある．加工界面の接触状態のモニタリングについても，引き続き荷重についてモニタリングの指標となれるか検討する．
粒子添加油の加工限界を用いて，関連する潤滑剤ポケットによる限界の向上との比較，加工荷重の増加理由，弾性流体潤滑の観点からの潤滑膜厚の比較など，粒子添加油の加工限界の位置づけを評価して，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．
2022年度日本塑性加工学会春季講演会で実験を担当した学生が成果報告を行う予定である．また，メタルフォーミング2022年において成果発表するために投稿している．

Causes of Carryover

実験の困難と新型コロナ対策による実験時間の不十分から研究進捗ははかばかしくなく，そのために関係する物品の購入が実施できず，次年度使用額が生じている．今後の研究の推進方策に示したように，観察装置，粒子添加油の特性評価，有効な加工条件の明確化，粒子添加油の加工限界の位置づけのための関連実験に関して優先して使用していく．