SUS304材 の マ イ ク ロ せ ん 断 加 工 に お け る 切 り 口 面 安 定 性 に 及 ぼ す 結 晶 粒 径 と プ ロ セ ス 条 件 の 影 響 EffectsofgrainsizeandprocessconditiononstabilityofshearedsurfaceinmicropunchingatSUS304
白 鳥 智 美 TomomiShiratori
首 都 大 学 東 京 大 学 院
シ ス テ ム デ ザ イ ン研 究 科 シ ス テ ム デ ザ イ ン専 攻
ヒ ュー マ ン メ カ トロ ニ ク ス シ ス テ ム 学 域
目次
第1章 序 論
1.1研 究 の 背 景 1.2せ ん 断 加 工
1.21せ ん 断 加 工
1.22切 り 口 面
1.23ク リ ア ラ ン ス の 設 定
1.24工 具 の 摩 耗
1.3マ イ ク ロ せ ん 断 加 工
1.31マ イ ク ロ せ ん 断 加 工 の 採 用 事 例 1.32マ ク ロ 加 工 と マ イ ク ロ 加 工 1.33工 具 精 度 の 影 響
1.34寸 法 効 果
1.4微 細 粒 鋼
44456789
1⊥‑⊥‑⊥
‑⊥‑⊥‑⊥‑⊥‑⊥
1開 発経過
2微 細粒鋼材 の機械的特性
3微 細粒鋼材 の加工特性
切 り口面の安定性確保 変形機構の解明 と最適化 マイ クロせ ん断加工の課題 研究の目的
本論文の構成 参考文献
01134677891491124577891111111111222333
第2章 ナ ノ メ ー トル 精 度 デ ジ タ ル ク リ ア ラ ン ス 調 整 に よ る せ ん 断 加 エ プ ロ セ ス の 開 発
2.1緒 言
2.2マ イ ク ロ せ ん 断 加 工 プ ロ セ ス の 設 計 と 開 発 2.2.1マ イ ク ロ せ ん 断 加 工 用 プ レ ス 機 の 設 計 2.2.2マ イ ク ロ せ ん 断 加 工 用 プ レ ス 機 の 開 発 2.3位 置 合 わ せ 精 度 の 検 証
2.4マ イ ク ロ せ ん 断 加 工 実 験 結 果 と 考 察
2.5結 言
参 考 文 献
674470290334445556
章123第翫翫
微細粒鋼材のマイクロせん断特性 緒言
実験条件
1(∠4.rOrOrO
3.2.1実 験 材 料
3.2.2実 験 機 器 と 金 型 条 件 3.3実 験 結 果 と 考 察
1234言
....結3333
4
り0り0り0り03
参考文献
せ ん 断 荷 重 の変 化 パ ン チ の摩 耗 と移 着 切 り 口面 の 変 化 考 察
467703567666677777
第4章 結 晶 粒 径 が 微 細 穴 切 り 口 面 へ 与 え る 影 響
4.1緒 言
4.2実 験 条 件
4.2.1実 験 材 料
4.2.2プ レ ス 装 置 と金 型 4.2.3せ ん 断 加 工 条 件 4.2.4せ ん 断 加 工 断 面 の 観 察 4.3ク リ ア ラ ン ス に よ る 切 り 口 面 の 変 化 4.4パ ン チ 侵 入 方 向 に お け る 加 工 影 響 の 解 析
4.4.1 4.4.2 4.4.3 4.4.4 4.4.5
4.5穴 の 円 周 方 向 に お け る 加 工 影 響 評 価 結 果
4.6考 察
4.7結 言
参 考 文 献
パ ン チ 挿 入 量15pm パ ン チ 挿 入 量30pm せ ん 断 加 工 後
シ ュ ミ ッ トフ ァ ク タ ー に よ る加 工 影 響 評 価 加 工 誘 起 マ ル テ ン サ イ ト相 の 加 工 影 響 評 価
0〆0つ⊃07'て12902222351150012233788888889991111111
言12察言献緒冊冊・・考結文33考12345参章5臥臥臥第 臥臥臥臥
せ ん 断 切 り 口面 のFEMに よ る ひ ず み 分 布 結 晶粒 径 依 存 性 解 析
M解 析条件 M解 析結果
均一変形条件 と不均質変形条件 の違い 結晶粒径 と結晶強度の関係性
457005345333444555111111111
123
章6ρ0ρ0ρ0
第
6.4
6.5
結 論 一156
研 究 成 果 概 要 一157
研 究 成 果1:ナ ノ メ ー トル 精 度 デ ジ タル ク リア ラ ン ス 調 整 シ ス テ ム の 開 発 一158 研 究 成 果ll:材 料 結 晶 粒 径 と各 種 プ ロセ ス 条 件 に お け る,加 工 誘 起 変 態 とひ ず み 分 布 が
切 り 口面 に 及 ぼ す 影 響 の 解 明 一158
研 究 成 果 皿:マ イ ク ロせ ん 断 加 工 の切 り 口面 安 定 性 に及 ぼす 材 料 結 晶 粒 径 とプ ロ セ ス条 件
の 影 響 の解 明 一159
今 後 の 課 題 一160
謝辞 161
第1章 序論
1.1研 究 の 背 景
せ ん 断 加 工 は 塑 性 加 工 を 代 表 す る 加 工 技 術 の1つ で あ る.せ ん 断 加 工 で は せ ん 断 し た 穴 や 材 料 の 加 工 面 に,だ れ,せ ん 断 面,破 断 面,か え りが 形 成 さ れ,総 称 し て 切 り 口 面 と 呼 ば れ る.切 り 口 面 の パ ン チ ス ト ロ ー ク 方 向 お よ び 穴 や せ ん 断 し た 材 料 の 円 周 方 向 に 対 す る 長 さ の ば ら つ き,さ ら に 連 続 加 工 に お け る 切 り 口 面 長 さ の 変 化 を 切 り 口 面 の 安 定 性 と し て 評 価 す る.
切 り 口 面 の 長 さ を マ イ ク ロ メ ー トル 単 位 で 管 理 す る マ イ ク ロ せ ん 断 加 工 に は,精 密 な 加 工 技 術 な ら び に 管 理 技 術 を 要 す る.こ れ ま で に 数 々 の 研 究 か ら,多 く の せ ん 断 加 工 を 行 っ た 工 業 製 品 が 実 用 化 さ れ て き て き た.Fig.1‑1に 示 す 時 計 部 品 を 始 め リー ド フ レ ー ム,ガ ソ リ ン 燃 料 用 オ リ フ ィ ス プ レー ト等 の 実 用 化 が 進 め られ て き た.今 後 発 展 が 期 待 さ れ る マ イ ク ロ 塑 性 加 工 分 野 に は,MEMS(MicroElectroMechanical
Systems)加 工 技 術 の 開 発 に よ るIoT(IntemetofThings)化 の 促 進,医 療 技 術 の 高 度 化 を 支 え る 分 析 デ バ イ ス や 内 視 鏡 処 置 具 等 の 開 発 が 望 ま れ て い る.
(a)Watchparts
Leadpitch:110pm
http://www.shinko.cojp/
(b)Leadflame
勲δ38。
100μm
(c)Orificeplatefbrgasoline Injector
Fig.1‑1Exampleofmicroplasticdeformationparts
一 般 的 な マ ク ロ塑 性 加 工 技 術 に 対 して,0.001mm単 位 を管 理 す る マ イ ク ロ塑 性 加 工 で は,金 型 や 工 具 の加 工 精 度 が加 工 す る製 品 精 度 に 迫 り,加 工 難 度 は 高 ま る.材 料 で は 薄 肉 化 に 伴 っ て 板 厚 に対 す る表 面 の割 合 は 増 加 す る.そ れ に よ っ て 摩 擦 の影 響 が 増 し,板 厚 に 対 す る 表 面 の割 合 が 増 加 す る こ と で 自 由 表 面 の 変 形 挙 動 へ の影 響 を 配 慮 す る 必 要 が 生 じ る.変 形 単位 が マ イ ク ロ メ ー トル 単 位 ま で 小 さ く な る こ と で,材 料 の結 晶 方 位 や 結 晶 相,結 晶粒 径 の 影 響 を 受 け る た め,加 工 品 の マ イ ク ロ メ ー トル 単 位 で の 寸 法 精 度 確 保 に は材 料 の 結 晶 状 態 を考 慮 した加 工 技 術 の 開発 が伴 う.
せ ん 断 加 工 は,雄 型 で あ る パ ン チ と雌 型 で あ る ダ イ の 問 に 被 加 工 材 を 挟 み,プ レ ス機 構 に よ り押 圧 す る こ とで 材 料 を せ ん 断 す る加 工 技 術 で あ る.被 加 工材 が加 工 中 に 降 伏 を 迎 え て破 断 す る,破 壊 を伴 う加 工 技 術 で あ る.せ ん 断加 工 され た 穴 や 材 料 の 切 り 口面 に は,だ れ とせ ん 断,破 断 面,か え りが 形 成 され る.
切 り 口面 の パ ン チ ス トロー ク方 向 お よ び 穴 の 円周 方 向 へ の 長 さ の ば らつ き の 大 き さは,切 り 口面 の 安 定 性 と して 評 価 され る.切 り 口面 の 品 質 は 加 工 部 品 の 良 否 を決 め るた め,切 り 口面 の 品 質 保 証 お よ び そ の 安 定 化 は 重 要 とな る.切 り 口面 の長 さ を マ イ ク ロ メ ー トル 単 位 で 管 理 す る マ イ ク ロせ ん 断 加 工 の1例 と して,ガ ソ リ ン燃 料 噴 射 用 オ リフ ィ ス プ レー トが あ る(Fig.1‑1(c)).こ の 部 品 の せ ん 断加 工 で は,板 厚 が 約0.1mm〜0.3mmま で の ス テ ン レス 鋼 を,直 径 が 約0.lmmか ら0.3mmの 範 囲 で0度 か ら45度 程 度 ま で パ ン チ を傾 斜 した 状 態 で材 料 をせ ん 断 し,ガ ソ リン が 流 れ る流 量 や 噴 射 角 度 を 保 証 す る機 能 部 品 で あ る.パ ン チ 直 径 が 細 い た め金 型 の 耐 用 は伸 び ず,工 具 の 摩 耗 が 進 み や す い.工 具 が 摩 耗 す る とせ ん 断 し た 穴 の 切 り 口は 変 化 し,だ れ の 長 さが 増 え て 破 断 面 の 長 さ が 小 さ く な る.だ れ の 増 加 は ガ ソ リン 流 量 を 増 加 させ,破 断 長 さ の 縮 小 は ガ ソ リ ン噴 射 角 度 の 増 加 を 招 く.切 り 口面 の 各 要 素 の 比 率 が 工 具 摩 耗 に よ っ て 変 化 す る こ とが,ガ ソ リ ン流 量 や 噴 射 角 度 を 変 化 させ る た め,多 頻 度 の 金 型 メ ン テ ナ ン ス に よ っ て パ ンチ や ダ イ の摩 耗 状 態 と切 り 口面 を 管 理 し な が らせ ん 断 加 工 を行 う必 要 が あ る.
近 年,ス テ ン レス 鋼 に お い て 結 晶 粒 径 を 従 来 の10μm程 度 か ら1μm程 度 ま で 微 細 化 した,微 細 粒 鋼 の 開発 が な され て き た.結 晶粒 の 微 細 化 に 伴 い 材 料 の 耐 力 と降 伏 強 度 が 増 す が,延 性 は 下 が る特 徴 が 有 り, マ イ ク ロせ ん 断 加 工 の 切 り 口面 は 通 常 の 結 晶 粒 の 場 合 と異 な り,だ れ 量 が パ ン チ ス トロ ー ク方 向 に少 な
く破 断 が 長 く な る.こ れ ま で に,微 細 粒 鋼 材 採 用 時 の 切 り 口面 安 定 化 に 向 け て,適 切 な結 晶 粒 径 や プ ロセ ス条 件 を 選 択 す るた め の 実 験 や 解 析 は進 め られ て き て い な い.
オ ー ス テ ナ イ ト系 ス テ ン レス 鋼SUS304材 はせ ん 断 加 工 中 に 加 工 誘 起 マ ル テ ン サ イ ト変 態 が 起 こ る.
例 え ば フ ェ ライ ト系 ス テ ン レス 鋼SUS430で は,せ ん 断 加 工 中 の 変 態 は な く,加 工 硬 化 も起 き な い た め 切 り 口面 は 安 定 しや す い.産 業 上 の 理 由等 でSUS304材 を選 択 す る場 合 に は,加 工 誘 起 マ ル テ ンサ イ ト変 態 に よ る 切 り 口面 の 不 安 定 化 に 配 慮 す る必 要 が 生 じる.結 晶 粒 の 変 態 や 材 料 の 結 晶 粒 径,プ ロ セ ス 条 件 な どの 選 択 か か ら最 適 な 加 工 条 件 を 選 択 す る必 要 が あ る が,こ れ ま で に切 り口 面 安 定 化 機 構 の 解 明 に は 至 っ て い な い.以 上 の よ うに,マ イ ク ロせ ん 断 加 工 の 切 り 口面 の 安 定 化 に 向 け て は,加 工 シ ス テ ム,金 型, さ ら に材 料 な ど,各 種 要 素 技 術 の課 題 を統 合 的 に 解 決 して い く必 要 が あ る.
そ こで 本 研 究 で は,マ イ ク ロせ ん 断 加 工 に お け る 切 り 口面 の 安 定 性 確 保 に 向 け て,材 料 結 晶 粒 径 とプ ロ セ ス 条 件 の影 響 を解 明 す る こ と を 目的 と して 研 究 を行 う こ と と した.具 体 的 に は,金 型 の 位 置 合 わ せ 技 術 の精 度 向 上 に取 り組 み,結 晶 粒 の 変 形 形 態 が複 雑 と な るSUS304材 を 被 加 工 材 と して 結 晶 粒 径 が せ ん 断 加 工 特 性 に 与 え る影 響 の解 明 を 目指 して 以 下 の検 討 を 行 う.
① 工 具位 置 合 わ せ 精 度 が マ イ ク ロせ ん 断 加 工 に 及 ぼ す 影 響 の 実 験 的 検 証
② 材 料 晶 粒 径 が マ イ ク ロせ ん 断 加 工 安 定 性 お よび 工 具 摩 耗 に 及 ぼ す 影 響 の 実 験 的 検 証
③ 材 料 結 晶 粒 径 お よび ク リア ラ ン ス 条 件 に お け る マ イ ク ロせ ん 断 変 形 形 態 の 定 量 解 析
④ 実 験 的 検 証 お よ び 数 値 化 解 析 に よ るマ イ ク ロせ ん 断 加 工 に 適 し た結 晶 粒 径 お よ び プ ロセ ス 条 件 の 解 明
これ ら の検 討 か らオ ー ス テ ナ イ ト系 ス テ ン レ スSUS304の マ イ ク ロせ ん 断 加 工 に お け る切 り 口面 安 定 性 に 及 ぼ す 材 料 結 晶 粒 径 と プ ロセ ス 条 件 の影 響 の 解 明 を 目指 す こ と と した.
1.2せ ん 断 加 工 1.2.1せ ん 断 加 工
せ ん 断 加 工 は,被 加 工 材 を 一 対 の 工 具 で 挟 ん で 切 断 す る 工 法 で あ る.材 料 に 工 具 を 押 し 当 て 破 断 させ る破 壊 を 生 じ る加 工 方 法 で あ る.一 般 に任 意 の 形 状 を 板 材 の せ ん 断加 工 か ら得 よ う とす る場 合 に は,Fig.
1‑2に 示 す よ うな金 型 を製 作 して 加 工 を進 め る.金 型 の 上 型 に は 雄 型 で あ る パ ン チ が セ ッ トされ,被 加 工 材 を押 え る た め の バ ネ とス ト リ ッパ ー プ レー トを 有 して い る.下 型 に は 雌 型 で あ る ダ イ が セ ッ トされ, 上 下 の 金 型 を ガ イ ドポ ス トに よ っ て 位 置 決 め を行 っ て い る.こ の 金 型 に 被 加 工材 を セ ッ トし,プ レス機 等 に よ っ て 押 圧 す る こ とで パ ン チ が 被 加 工 材 を ダ イ に 向 か っ て せ ん 断 加 工 す る こ と が 可 能 とな る.せ ん 断 し た 材 料 は ダ イ 内 部 に挿 入 され る.そ の 後 パ ン チ は 上 下 動 を プ レス 機 に よ っ て 逆 転 させ,被 加 工 材 と パ ンチ を ス ト リ ッパ ー プ レー トに加 わ っ た バ ネ カ に よ り分 離 して せ ん 断 加 工 が 完 了 す る.被 加 工材 の 板 厚 に よ っ て,パ ン チ と ダ イ の 隙 間 で あ る ク リア ラ ン ス は 調 整 を 行 う必 要 が あ る.ク リア ラ ン ス はせ ん 断 した 穴 や 材 料 の 切 り 口面 長 さ を調 整 す る と共 に,せ ん 断 荷 重 や 摩 擦 状 態 を 変 え る重 要 な 要 素 で あ る.パ ン チ や ダ イ は被 加 工 材 をせ ん 断 す る に つ れ て 摩 耗 す る.実 用 的 な せ ん 断 加 工 条 件 の 抽 出 に は,加 工 油 の 使 用 や 選 択,工 具 材 質 の 選 択,最 適 な ク リア ラ ンス の 選 択,工 具 や 金 型 の 精 度 な ど,多 くの 条 件 を 選 択 し て 最 適 化 を進 め る必 要 が あ る.
S・・ewplugDi・ ・et(UpP・ ・)
lllI
Coilspring
咀
唖咽
ll
1'Ill
/
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■
一
/ Punch■
料
1覗 lI l l
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才
11羽
1羽
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BackingPlate(UpPer)
‑Punchplate/
＼
＼ Il Il /粛
StripPerbolt
〜
Guid,bu、h/一
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StripPerplate
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1
↓
Material
■,,,
「 1
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1
Backingplate(Lower)
Guidepost 一 i Dieset(Lower)
＼
oloI
一
Fig.1‑2Constructionviewoftoolingfbrpunching
1.2.2切 り 口面
せ ん 断 加 工 に よ っ て 得 られ る切 り 口面 はFig.1‑3に 示 す 大 き く4つ に 分 類 され,だ れ,せ ん 断 面,破 断 面,か え りで 構 成 され る.金 型 に設 置 した パ ン チ に よ る被 加 工 材 の せ ん 断 加 工 で は,1回 のせ ん 断加 工 の 中 で 被 加 工 材 は非 定 常 な塑 性 変 形 過 程 を取 る.切 り 口面 を 得 る ま で の 変 形 過 程 は 大 き く4つ に 分 か れ る.
加 工 開 始 時 は パ ン チ と ダ イ が材 料 を挟 み 込 む 圧 縮 変 形 過 程 と な る.続 い て被 加 工 材 を 工 具 が せ ん 断 す る せ ん 断 過 程 が あ り,亀 裂 進 展 過 程 へ と続 く.最 後 に破 断 分 離 過 程 を経 て 加 工 が 終 了す る.
SheardroOP
Burnishedsurface
FractUredsurface
Burr Fig.1‑3shearedsurfaceincrosssectionofhole
(1)圧 縮 変 形 過 程
パ ン チ が 被 加 工 材 に接 触 す る とパ ン チ と ダ イ は 被 加 工 材 か ら抵 抗 を 受 け る.Fig.1‑4に 示 す よ うに被 加 工 材 内 部 で は,パ ンチ 下 方 の 圧 縮 力 とダ イ 上 方 の 引 張 力 が 作 用 す る こ と で材 料 が 引 き 込 ま れ,だ れ が 形 成 され る.さ ら にパ ン チ が 下 降 す る と,パ ンチ 刃 先 と ダ イ 刃 先 とを 結 ぶ 面 上 の せ ん 断 応 力 が 大 き く な る こ とで せ ん 断 変 形 が 生 じ る.こ の せ ん 断 変 形 が 開 始 す る ま で が 圧 縮 変 形 過 程 で あ る.
↓題
m輝 ㎞
Fig.1‑4Firststepofpunching[1]
(2)せ ん 断 変 形 過 程
せ ん 断 変 形 が 開 始 した 後 に 被 加 工 材 は,パ ン チ の 下 降 と共 に せ ん 断 変 形 が 継 続 す る.せ ん 断 加 工 中 の 被 加 工 材 内 部 で は,Fig.1‑5の よ うに 引 張 荷 重 と 曲 げ モ ー メ ン トを生 じな が ら加 工 が 進 行 す る.さ らに パ ン チ が 下 降 す る と,被 加 工 材 内 部 の 引 張 力 よ りも圧 縮 力 が 高 ま る た め,パ
ン チ 端 部 と ダ イ 端 部 か ら亀 裂 が 生 じる.せ ん 断 変 形 が 発 生 し亀 裂 が 生 じ る ま で がせ ん 断 変 形 過 程 で あ る.
ノ 々1㎞i触
DieB ending moment
Fig.1‑5Secondstepofpunching[2]
(3)亀 裂 進 展 過 程
パ ン チ とダ イ か ら生 じた 亀 裂 は,パ ンチ の 下 降 に よ っ て 成 長 して い く.亀 裂 の 開 始 点 は,パ ン チ とダ イ の 先 端 部 か ら側 面 方 向 に少 し離 れ た 点 か ら生 じ る.こ れ は,パ ン チ や ダイ の 刃 先 部 分 で 発 生 す る 引 張 力 が 側 面 方 向 に 少 し離 れ た 点 で 最 大 化 す る こ と に 起 因す る.こ の 亀 裂 開 始 点 の 刃 先 か らの ず れ が,後 に 材 料 が 破 断 後 に形 成 され る か え り発 生
の要 因 と な る(Fig.1‑6).
d⊥T
Fig.1‑6Thirdstepofpunching[3]
(4)破 断 分 離 過 程
さ らに パ ンチ が 下 降 す る と,亀 裂 先 端 部 に 応 力 が集 中 す る こ とで 亀 裂 は よ り小 さな 力 で 成 長 して い く.
最 終 的 に は パ ン チ と ダ イ の 刃 先 か ら発 生 した 亀 裂 は 会 合 し,被 加 工 材 が 破 断 す る.破 断 の 会 合 状 態 は ク リア ラ ン ス に よ っ て 変 化 す る.Fig.1‑7に 示 す よ うに ク リア ラ ン ス が 適 切 な 場 合 は,亀 裂 の 先 端 と先 端 が 会 合 して 凹 凸 の 小 さ な 破 断 が 形 成 され る.ク リア ラ ン ス が 大 き い 場 合 に は 亀 裂 の 方 向 が 整 わ ず,亀 裂 と 亀 裂 の 問 に 新 た な 亀 裂 が 形 成 され る こ とで 破 断 に 至 る た め,凹 凸 が 大 き く破 断 面 は 荒 れ る.ク リア ラ ン ス が 小 さい 場 合 に は,パ ンチ や ダ イ か ら発 生 した 亀 裂 が途 中 で 滞 留 して 再 度 せ ん 断 が 始 ま る2次 せ ん 断 を伴 う場 合 が あ る.こ れ は 変 形 領 域 の 静 水 圧 が 高 くな る こ とで 亀 裂 が成 長 で き な くな る こ とに よ る.
unch Punch
%
〆Crackゑ
Die錫Die(),ack
(a)Excessive(b)Suitable(c)Toosmall
Fig.1‑7Differenceinfracturegrowthduetoclearance[4]
1.2.3ク リア ラ ン ス の設 定
パ ン チ と ダ イ の 隙 間 で あ る ク リア ラ ン ス を 変 化 させ る と,せ ん 断 抵 抗 が 変 わ り切 り 口面 に あ る 各 部 の 長 さ は 変 化 す る.Fig.1‑8に 代 表 的 な ク リア ラ ン ス と切 り 口面 の 関係 を 示 す.ク リア ラ ンス が 大 き い 場 合 に は,被 加 工 材 に 掛 る 曲 げ モ ー メ ン トが 大 き く,せ ん 断 変 形 を 生 じ る ま で の パ ン チ ス トロー ク が長 くな る た め,だ れ が 増 加 す る.対 して破 断 は材 料 内 部 の 曲 げ モ ー メ ン トが 大 き く な る こ とで 早 期 に 亀 裂 が 生 じ る た め増 加 す る.か え りに つ い て も亀 裂 の 発 生 位 置 が 刃 先 か ら遠 ざ か る た め 高 く な る.ク リア ラ ンス が 小 さい 場 合 に は,被 加 工 材 内 の 曲 げ モ ー メ ン トが 減 少 す る た め だ れ は 小 さ く な る.せ ん 断 面 は被 加 工 材 内 部 の 静 水 圧 が 高 ま る た め材 料 に亀 裂 が 入 る タ イ ミン グ が 遅 れ 伸 び る.ク リア ラ ン ス が 過 少 とな っ た 場 合 に は,亀 裂 が進 展 す る こ とな く滞 留 し再 度 せ ん 断 が 開 始 され る 二 次 せ ん 断 面 を 伴 う.か え りは 小 さ くな る.適 正 な ク リア ラ ン ス に お い て は切 り 口面 の 長 さ はバ ラ ン ス が 取 れ,だ れ か ら破 断 面 の 長 さ が 中 位 な 値 を 取 る.
一 般 的 に ク リア ラ ンス の 設 定 で は,切 り 口面 の せ ん 断 面 が 円 滑 な 面 で あ る こ とか ら,せ ん 断 面 を多 く 取 る設 定 を す る場 合 が 多 い.破 断 とか え りを 伴 う加 工 と な る た め,か え りの 高 さ に 許 容 値 を設 け る場 合 も 多 い.し た が っ て,所 定 の 切 り 口面 を 得 るた め に ク リア ラ ン ス を 適 切 に 管 理 す る必 要 が あ る.切 り 口面 の状 態 は加 工 進 行 に つ れ て 工 具 の摩 耗 を伴 うた め,加 工 初 期 の 状 態 か ら連 続 的 に 変 化 す る.こ の た め,ク リア ラ ン ス の 設 定 は連 続 加 工 に よ る切 り 口面 割 合 の 変 化 を 加 味 して 設 定 を行 う必 要 が あ る.
Materialthic㎞ess
SheardroOP Bumished surface
Fractured
surface
薯麗
Secondaryshearplane(a)Excessive(b)Suitable(c)Small
Fig.1‑8Differenceinshearedsurfaceduetoclearance
(d)Toosmall
1.2.4工 具 の摩 耗
パ ン チ と ダ イ に は 加 工 中 に 被 加 工 材 か らの 抵 抗 を 受 け な が らせ ん 断 加 工 が 進 む.せ ん 断加 工 で は パ ン チ と ダ イ の 刃 先 に加 工 力 が 集 中 して 加 工 が 進 む た め,被 加 工 材 か らの 抵 抗 が 工 具 と被 加 工 材 の 摩 擦 とな り,摩 耗 が 進 む.一 般 的 な 工 具 の摩 耗 形 態 をFig.1‑9に 示 す.工 具 の 摩 耗 は 刃 先 摩 耗,端 面 摩 耗,側 面 摩 耗 に 分 類 され る.端 面 摩 耗 は 主 に 工 具 の 先 端 が 被 加 工 材 を押 圧 す る 際 に 起 き た 摩 耗 の 結 果 で あ り,側 面 摩 耗 は被 加 工 材 と工 具 のせ ん 断 過 程 中 の 摩 擦 に 起 因 した 摩 耗 で あ る.こ れ ら2つ の 摩 耗 が 混 在 す る領 域 が 刃 先 摩 耗 部 で あ る.パ ンチ とダ イ が 同材 質 の 工 具 で あ っ た 場 合 に は,工 具 の 摩 耗 量 は パ ン チ の 方 が 大 き い.Fig.1‑10に 示 す よ うに,パ ン チ の 側 面 部 は 加 工 初 期 のせ ん 断 過 程 で は 被 加 工材 か ら の圧 縮 力 や 曲 げ モ ー メ ン トに よ る摩 擦 が 起 こ り,せ ん 断 加 工 後 に パ ン チ が 元 に戻 る過 程 で は,せ ん 断 した 穴 の側 面 に 形 成 した せ ん 断 面 とパ ン チ の接 触 が 起 こ る.対 して ダ イ は せ ん 断 した被 加 工 材 と の摩 擦 の み で あ る た め, パ ンチ と ダ イ で は 被 加 工 材 との 接 触 長 さ が理 論 上2倍 と な る.し た が っ て,パ ン チ の側 面 摩 耗 が ダイ の 側 面 摩 耗 よ りも増 加 し,刃 先 摩 耗 も増 え る.
Endfacewear
Endfacewear
Fig.1‑9Molphologyoftoolwear[5]
Stripper
R't
ド̲↑
Punch μ2F2
しFl
F2 μIFl
SR
Fig.1‑10Frictionstateoftools[5]
工 具 の 摩 耗 形 状 は 大 き く3種 類 に 分 か れ,Fig.1‑11に 示 すFig.1‑ll(a)斜 め 摩 耗,Fig.1‑ll(b)く ぼ み 摩 耗, Fig.1‑11(c)斜 め くぼ み 摩 耗 が あ る.端 面 摩 耗 は端 面 部 の す べ り最 大 値 が 工 具 刃 先 よ りも 内 側 で 起 こ る こ と が 主 因 と な り,く ぼみ 摩 耗 を生 じ る.く ぼ み 摩 耗 が 起 こ る と圧 力 分 布 が 変 化 す る た め 摩 耗 位 置 が ず れ る.
くぼ み 摩 耗 はや が て 斜 め く ぼ み 摩 耗 や 斜 め摩 耗 に 移 行 して い く.側 面 部 に お い て は 刃 先 に 掛 る応 力 が 高 くな る た め,斜 め 摩 耗 が 起 こ りや す い.板 押 え の 有 無 や 板 押 え 力,板 押 え の 位 置 に よ っ て 被 加 工 材 の拘 束 条 件 に よ っ て はせ ん 断 加 工 後 の 穴 に 反 りか え りを 起 こす た め,パ ンチ 側 面 に くぼ み 摩 耗 が 生 じる こ とで, 斜 め くぼ み 摩 耗 が 発 生 す る こ とが あ る.
口O刷↑OO旨刷℃O図O﹄↑の謂Oqゴ[山
(a)Diagonalwear (b)Indentationwear(c)Diagonalandindentationwear Fig.1‑11Typesoftoolwear[6]
工 具 と被 加 工 材 と の 問 に 摩 擦 が 起 こ る と凝 着 を 起 こす.一 旦 凝 着 が 起 き て もパ ンチ や せ ん 断 した 材 料 は連 続 的 に 加 工 が進 む た め,凝 着 が 剥 が れ 摩 耗 粉 とな り,再 度 工 具 に凝 着 す る 移 着 や 摩 耗 粉 が 工 具 と被 加 工 材 と の 問 に入 り工 具 表 面 を 摩 耗 させ る ア ブ レ シ ブ 摩 耗 を 引 き 起 こす.
工 具 が 摩 耗 す る と 刃 先 に 集 中す る応 力 の 緩 和 が 起 こ る た め,せ ん 断 変 形 の 発 生 が 遅 れ て だ れ が増 加 す る.せ ん 断加 工 中 の せ ん 断 力 は増 加 し,亀 裂 発 生 の タ イ ミ ン グ が 遅 れ る.ま た,刃 先 の 摩 耗 に よ る 鈍 化 に よ っ て 亀 裂 発 生 位 置 が 刃 先 側 面 側 にず れ る た め,か え りが 高 くな る.工 具 側 面 の 摩 耗 に よ っ て ク リア ラ ン ス が 増 加 す る こ とに よ っ て もだ れ が増 え,か え りが 増 大 す る.
これ らの よ うにせ ん 断 加 工 で は 工 具 が連 続 加 工 中 に 摩 耗 し て 形 状 が 変 化 す る.摩 耗 を少 しで も抑 え る た め の 対 策 と して,ク リア ラ ン ス の選 択 や 工 具 刃 先 状 態 を鋭 利 に保 つ メ ン テ ナ ン ス な どの 管 理 を 的 確 に 進 め る必 要 が あ る.
1.3マ イ ク ロ せ ん 断 加 工
1.3.1マ イ ク ロ せ ん 断 加 工 の 採 用 事 例
マ イ ク ロ 加 工 と マ ク ロ 加 工 は 明 確 に は 定 義 さ れ て い な い た め,こ こ で は 切 り 口 面 の 長 さ を マ イ ク ロ メ ー トル 単 位 で 管 理 す る せ ん 断 加 工 と捉 え る .マ イ ク ロせ ん 断 加 工 の 実 用 化 事 例 は 多 く,代 表 的 なせ ん 断 加 工 事 例 をFig.1‑12に 示 す.
時 計 部 品(Fig.1‑12(a))は 戦 後 復 興 期 か ら量 産 プ レ ス 加 工 技 術 の 蓄 積 が 図 ら れ,マ イ ク ロ せ ん 断 加 工 を 代 表 す る 部 品 の1つ で あ る.被 加 工 材 は 鉄 系 材 料 に 始 ま り銅 合 金 等 様 々 で,主 な 板 厚 は0.1mmか ら0.3mm 程 度 で あ る.そ の 後 電 子 機 器 の 発 達 に 伴 い,リ ー ドフ レ ー ム(Fig.1‑12(b))や ハ ー ドデ ィ ス ク ドラ イ ブ 用 サ ス ペ ン シ ョ ン(Fig.1‑12(c)),ピ ッ ク ア ッ プ ド ラ イ ブ 用 サ ス ペ ン シ ョ ン(Fig.1‑12(d))等,板 厚0.08mmか ら
0.12mm程 度 の 銅 合 金 や ス テ ン レ ス の 薄 板 を せ ん 断 加 工 す る 技 術 が 開 発 され,実 用 化 が 進 め られ て き た.
特 殊 な マ イ ク ロ せ ん 断 加 工 と し て 斜 め 穴 の せ ん 断 加 工 技 術 が 開 発 さ れ,板 厚 が0.1mmか ら0.3mm程 度 の ス テ ン レ ス 材 に 直 径0.01mmか ら0.3mm程 度 の 穴 を,パ ン チ 挿 入 方 向 に 対 し て0度 か ら45度 程 度 ま で 傾 斜 し て せ ん 断 加 工 を 行 う技 術 が 開 発 され,ガ ソ リ ン 燃 料 噴 射 用 オ リ フ ィ ス プ レ ー ト(Fig.1‑12(e))と し て 実 用 化 が 図 られ て き て い る.
(a)Watchparts
(d)DVDsuspension
Leadpitch:110pm
http://www.shinko.co.jp/
(b)Leadframe
httP://www.tdk.co,jp/
(c)HDDsuspension
● ●
● ● ● ④
100Ftm
、
(e)Orificeplatefbrgasolineinjector
Fig.1‑12Exampleofmicropunchingparts
これ らの 例 に 示 した 部 品 の せ ん 断 加 工 で は,パ ン チ や ダ イ の 形 状 を被 加 工 材 に転 写 して加 工 品 の 精 度 を マ イ ク ロ メ ー トル 単 位 で 管 理 す る だ け で な く,せ ん 断 した 穴 の 切 り 口面 に存 在 す る だ れ や 破 断,か え りの 切 り 口面 長 さ を マ イ ク ロ メ ー トル 単 位 で 管 理 す る マ イ ク ロせ ん 断 加 工 技 術 の 開 発 が 進 め られ て き た.
1.3.2マ ク ロ加 工 とマ イ ク ロ加 工
加 工 す る部 品 の 寸 法 が マ ク ロ サ イ ズ か らマ イ ク ロサ イ ズ に 小 さ く な る こ と で,金 型 や 部 品 加 工 時 の 現 象 は 様 々 に 変 化 す る.加 工 品 の精 度 を1μm単 位 で 管 理 す る た め の 金 型 は,加 工 品 以 上 の 精 度 を持 た な け れ ば 加 工 が 実 現 しな い.金 型 部 品 の精 度 は も ち ろ ん の こ と,そ れ ぞ れ の 部 品 の位 置 を ず れ な く合 わ せ る 技 術 が 求 め られ る.被 加 工 材 で は加 エ サ イ ズ の 縮 小 に よ っ て 塑 性 変 形 力 に 対 す る摩 擦 力 の 割 合 が 増 す.
薄 肉 化 に伴 っ て 板 厚 に 対 す る 表 面 の割 合 が 増 す た め,自 由表 面 の 変 形 挙 動 が 塑 性 加 工 に 与 え る影 響 が 増 加 す る.変 形 に 要 す る加 工 力 が 小 さ くな る た め,被 加 工 材 の結 晶 方 位 や 結 晶 相,結 晶粒 径 の影 響 を 把 握 す る こ とが 必 要 と な る[7〜10].こ の よ うに マ イ ク ロ塑 性 加 工 の 実 現 に は 工 具 で あ る 金 型 と被 加 工 材 の 影 響 を充 分 に 把 握 して か ら対 策 を 取 る こ とで 精 密 な加 工 を実 現 す る必 要 が あ る.
マ ク ロ の せ ん 断加 工 とマ イ ク ロせ ん 断 加 工 で は,切 り 口面 の 安 定 性 確 保 に 向 け た 影 響 因 子 が 変 わ る.
Fig.1‑13に 切 り 口面 安 定 化 影 響 因子 の 比 較 表 を示 す.
影 響 度:高 い(◎),中 位(○),低 い(一)
要素 影響因子
マ ク ロ せ ん 断 加 工 マ イ ク ロせ ん 断 加 工
影響度 影響度
金型
工具精度 一
＼
◎ 〉
!
!
位置合わせ精度 一 ◎ 〉
工具材種 ○ ○
プ ロセ ス 条 件
ク リ ア ラ ン ス ◎ ◎
!
/
>
〉
加工温度 ○ ○
加工速度 ○ ○
被加工材
鋼種 ○ ○
板厚 ◎ 〉 ◎ 〉
結晶粒径 一 ◎ 〉
結晶相 一 ◎ 1
結晶方位 一 ◎
機械 的特牲 ○ ○
潤滑 ○ ○
加工現象
切 り 口面 長 さ ◎ 〈 ＼
＼
◎<
1
、
、
切 り 口面 安 定 性 ◎ 〈 ◎<
せん断荷重 ○ ○
工 具 摩 耗 ・凝 着 ◎< ◎<
自 由表 面 一 ○
マ ク ロ の せ ん 断加 工 で は 一 般 に,板 厚 に対 す る ク リア ラ ン ス を設 定 す る こ とで 切 り 口面 の 長 さ を決 定 す る.連 続 加 工 に伴 っ て 工 具 が 摩 耗 す る た め,切 り 口面 の 安 定 性 が 変 化 す る.こ の た め,切 り 口面 安 定 化 に 向 け て は,ク リア ラ ン ス の 選 択 と工 具 摩 耗 の 抑 制 が 切 り 口面 安 定 化 の 主 要 素 と し て 扱 わ れ て き た.マ イ ク ロせ ん 断 加 工 で は,マ ク ロ のせ ん 断 加 工 に 対 して 板 厚 が 例 え ば1mmか ら0.lmmの よ うに減 少 す る
こ とが 多 い.ク リア ラ ン ス も マ イ ク ロせ ん 断 加 工 の場 合 の 方 が 小 さ くな る た め,ク リア ラ ン ス が2〜10μm 程 度 の マ イ ク ロ メ ー トル レベ ル に な る場 合 が あ る.マ イ ク ロ メ ー トル の ク リア ラ ン ス は,工 具 や 金 型 の 位 置 合 わ せ 精 度 に 迫 る領 域 とな るた め,マ ク ロ の せ ん 断加 工 に 対 して マ イ ク ロせ ん 断 加 工 で は,工 具 精 度 お よ び位 置 合 わ せ 精 度 の 影 響 度 が 増 す.被 加 工 材 で は,材 料 内 の 結 晶 粒 の 影 響 度 が 増 す た め,単 に耐 力 や 伸 び に配 慮 す る だ け で な く,結 晶 粒 の影 響 を 考 慮 す る 必 要 が 生 じ る.連 続 加 工 中 の 切 り 口面 を 安 定 的 に加 工 す る た め に は,凝 着 の影 響 を 把 握 す る必 要 も 生 じ る.し た が っ て,マ ク ロの せ ん 断 加 工 に対 して マ イ ク ロせ ん 断 加 工 で は,切 り 口面 安 定 化 に対 して 金 型 や 被 加 工 材,連 続 加 工 中 の 工 具 摩 耗 や 凝 着 に配 慮 す る必 要 が 生 じ るた め,せ ん 断 加 工 の難 度 は 増 し,切 り 口面 は 不 均 一 な 状 態 に な りや す い.こ れ ら の要 素
を総 合 して 切 り 口面 の 安 定 化 を 図 る必 要 が あ る.
1.3.3工 具 精 度 の影 響
塑 性 加 工 は 工 具 の 形 状 や 精 度 を 被 加 工材 に 転 写 す る技 術 で あ る.し た が っ て,工 具 の 精 度 が 被 加 工 材 の 寸 法 精 度 を決 め る こ と と な る.せ ん 断 加 工 で は,パ ン チ と ダ イ の 製 作 精 度 に よ っ て せ ん 断 し た 穴 や せ ん 断 され た 材 料 の 形 状 精 度 が 決 ま る.パ ン チ の 真 円 度 は せ ん 断 した 穴 の 真 円度 に対 応 し,ダ イ とパ ンチ の位 置 ず れ が 生 じ る と ク リア ラ ン ス に 偏 りを 生 じる こ と とな る.加 工 した 穴 や せ ん 断 した 材 料 の切 り 口 面 は ク リア ラ ン ス の 偏 りに 対 応 して 不 均 一 と な る.ク リア ラ ン ス が 偏 っ た 場 合 に特 に ク リア ラ ン ス が 狭 い 側 で は,加 工 時 の せ ん 断 力 が 増 す た め 工 具 の 摩 耗 が 早 ま る.し た が っ て,マ イ ク ロせ ん 断 加 工 で は金 型 の精 度 が 製 品 品 質 と 工 具 の 摩 耗 に 直 結 す る た め,金 型 の 部 品 精 度 の 向 上 と位 置 合 わ せ 精 度 の 向 上 に依 る ク リア ラ ン ス の偏 り解 消 が 欠 か せ な い.
一 般 に 金 型 部 品 の製 作 精 度 は0 .001mmが 最 小 単 位 と して 捉 え られ て い る.例 と して,雄 型 で あ るパ ン チ が 加 工 目標 値 に 対 し て0.001mmの ず れ た 状 態 加 工 が で き た と し,同 様 に 雌 型 で あ る ダ イ も0.001mm
のず れ 量 で 加 工 した とす る.両 工 具 を合 わせ た 誤 差 は0.002mmと な る.こ の 誤 差0.002mmが 大 き く許 容 で き な い か,誤 差 は 小 さ く許 容 で き る の か は パ ン チ と ダ イ の 隙 間 で あ る ク リア ラ ン ス の 量 に よ っ て 判 断 が 分 か れ る.
ク リア ラ ン ス は被 加 工 材 の 板 厚 に対 して 設 定 し,ス テ ン レ ス材 の ク リア ラ ン ス を 例 に 取 る と板 厚 に 対 して7〜15%が 推 奨 され て い る[ll〜13].仮 に推 奨 値 の 中 間 で あ る10%の ク リア ラ ン ス を 選 択 した とす る と,板 厚 がlmmの 時 に は ク リア ラ ン ス は0.lmmと な る.こ の 時,パ ン チ とダ イ の 製 作 誤 差 は 合 わ せ て 0.002mmで あ る か ら,ク リア ラ ン ス0.lmmに 対 して 製 作 誤 差0.002mmが 占め る 占有 率 は2%と な り, 支 障 は 生 じな い.で は,板 厚 が2桁 小 さ くな り0.Olmmと な っ た 時 に は,板 厚 の10%が ク リア ラ ン ス 量 で あ る か ら,ク リア ラ ン ス は0.001mmと な る.パ ンチ と ダ イ の 製 作 誤 差 は 合 わ せ て0.002mmで あ るか ら,こ の 場 合 に は 工 具 の製 作 精 度 が 不 足 し,パ ン チ とダ イ が 接 触 して 折 損 す る か じ りが 生 じ る た めせ ん 断 加 工 は 実 現 しな い.加 えて,金 型 の誤 差 は 部 品 の製 作 精 度 に 留 ま らず,部 品 を 組 み 合 わ せ て位 置 を合 わ せ る位 置 合 わ せ 精 度 を 考 慮 す る腰 が あ る.パ ンチ を組 み 入 れ る 上 型 の 製 作 鞭 も0.001㎜ が 最 小 単位 と考 え て よ く,ダ イ を組 み 入 れ る 下型 の製 作 精 度 も0.001mmが 最 小 単 位 で あ る た め,部 品 製 作 誤 差 と位
置 合 わ せ 誤 差 を 合 計 し た 金 型 と し て の 誤 差 は0.004mmと な る.し た が っ て,板 厚0.01mmで ク リア ラ ン ス0.001㎜ の 実 現 は,金 型 の 誤 差 が0.004mm発 生 す る た め 実 現 が 困 難 と な る.板 厚 が0.1㎜ で ク リア ラ ン ス が0.01mm取 れ た と し て も,こ の 内0.004mmが 金 型 の 誤 差 で あ る か ら 誤 差 の 占 有 率 が40%に も な り,偏 りや ば ら つ き を 生 じ な い プ レ ス 加 工 の 実 現 が 困 難 で あ る こ と が 理 解 で き る.
ク リ ア ラ ン ス を1〜3μmで 設 定 す る 極 小 ク リア ラ ン ス 領 域 の 加 工 は,過 去 に 中 川 も 加 工 困 難 な 領 域 と 報 告[14]し,位 置 合 わ せ 精 度 が2μmで カ メ ラ と ス テ ー ジ を 組 み 込 ん だ 金 型 をKibeら[15]やJooら[16]が
開 発 し て き た(Fig.1‑14)が,い ず れ も 現 状 の0.001mm単 位 の 位 置 合 わ せ 精 度 は 超 え られ て い な い.ク リ ア ラ ン ス を ゼ ロ と し て 加 工 す る 工 法 は 青 木 ら[17,18]や 古 閑 ら[19,20]に よ っ て 報 告 さ れ て き て い る が, ク リア ラ ン ス を2μm〜10μm程 度 の 極 小 ク リ ア ラ ン ス 領 域 で,ク リ ア ラ ン ス を 中 心 位 置 に 調 整 す る 報 告 は な され て き て い な い.
Fig.1‑14Examplesofclearanceadjustingsystem
マ イ ク ロせ ん 断 加 工 用 金 型 の 高 度 化 に は,部 品 加 工 精 度 の 向 上 と位 置 合 わ せ 精 度 の 向 上 が 求 め られ る.
現 状0.001㎜ の加 工 限 界 を超 え て さ ら1こ鞭 を 向 上 す る た め に は,少 な く と も1桁 以 上 の 精 度 を 向上 し た ナ ノ メ ー トル 精 度 の 技 術 が 必 要 と な る.
部 品加 工 精 度 の ナ ノ メ ー トル 化 は,工 具 の 加 工 方 法 が 多 岐 に 渡 る た め 直 ぐ に は解 決 が で き な い 部 分 が あ る.位 置 合 わ せ 精 度 の ナ ノ メ ー トル 化 に 関 して は,従 来 の 職 人 に よ る ア ナ ロ グ な 位 置 合 わ せ プ ロセ ス を,例 え ば ス テ ー ジ等 を 用 い て デ ジ タル 制 御 に 変 更 が で きれ ば,金 型 全 体 の 精 度 を ナ ノ メ ー トル 精 度 化 す る こ とが 実 現 す る.ガ イ ドポ ス トな どの 個 別 部 品 に お い て も,接 触 式 に よ る ゼ ロ ク リア ラ ン ス を提 案 して い る物 も あ り,こ れ ら の ス テ ー ジ 技 術 や ガ イ ドポ ス トを採 用 す る こ とで,従 来 金 型 の 一 部 を 変 更 し て ナ ノ メ ー トル 精 度 を 実 現 す る ク リア ラ ン ス 調 整 金 型 を創 出 で き る 可 能 性 は 高 い 状 況 に あ る.こ れ ま で
に 取 り組 み が な され て こ な か っ た,デ ジ タル 位 置 合 わ せ が 可 能 な 金 型 に よ っ て ナ ノ メ ー トル 精 度 の 位 置 合 わ せ 制 御 を 実 現 し,ク リア ラ ン ス をデ ジ タ ル 制 御 す る こ と で,マ イ ク ロせ ん 断 加 工 時 の 切 り 口面 を 安 定 して 加 工 す る技 術 を 開発 す る時 期 に 来 た と言 え る.
1.3.4寸 法 効 果
マ イ ク ロ加 工 で は 被 加 工 材 の 板 厚 縮 小 に伴 っ て 板 厚 に 対 す る 表 面 の 割 合 が 増 す.表 面 が 占 め る割 合 が 増 す こ とで マ ク ロ加 工 とは 異 な っ た 変 形 状 態 を加 味 しな けれ ば な らな い.具 体 的 に は,変 形 単 位 が 小 さ くな る こ とで 材 料 の 結 晶 粒 径 と結 晶 方 位,さ らに 結 晶 相[7〜9,21〜23]の 影 響 を受 け る.加 工 す る 寸 法 と 結 晶 粒 径 の 比 率 に よ っ て 加 工 性 が 異 な る よ うに な り[24〜27],薄 肉 化 に 伴 う表 面 割 合 の 増 加 が 摩 擦 の 影 響
を増 し[28〜30],自 由 表 面 の 変 形 挙 動 へ の影 響[31]を 考 慮 す る 必 要 が 生 じる.こ れ らの 現 象 を 総 称 して 寸 法 効 果 と言 い,マ イ ク ロ加 工 特 有 の 現 象 に対 して,こ れ ら を克 服 した 加 工 技 術 の 開 発 が 望 ま れ て き て い
る.こ れ ま で の 寸 法 効 果 に 関す る代 表 例 をFig.1‑15に 示 す.
マ イ ク ロ部 品加 工 を 行 う とき の結 晶 粒 径 選 択 に つ い て の 研 究 は2000年 頃 か ら議 論 が 始 ま っ た 新 しい 学 術 研 究 項 目で あ る.2002年 に はEngleら[9]に よ っ て φ0.5mmと φ4.8mmの 材 料 で,結 晶 粒 径 が65μmと
17μmの 場 合 に つ い て 自 由表 面 の 結 晶 粒 が マ イ ク ロ成 形 に 与 え る影 響 を 寸 法 効 果 と し て議 論 して い る.
こ の 中 で,変 形 の 均 一 性 と成 形 性 お よび 変 形 抵 抗 の 安 定 性 に つ い て 検 討 を行 い,製 品 サ イ ズ の 縮 小 に 伴 い 結 晶 粒 径 が 小 さい も の を選 択 す る こ と が 良 い こ と を報 告 して い る.
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(a)Categoriesforsizeeffects[8]
Workpiece
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(c1)Macro(c2)Micro
(c)EffectsoffeatUresize[21]
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GninsizeD』 ・《 輪 仙ofV君r戦 耽
21
(b)Effectsoffeaturesizeinmicroforming[7]
●
藻禦麟 葦
(d)Effectsofgrainsizeandfreesurface[9]
Fig.1‑15Representativeexamplesofsizeeffectreport
マ イ ク ロせ ん 断加 工 に お け る切 り 口面 の 安 定 加 工 に お い て は,結 晶 粒 径 や 結 晶 相,自 由 表 面 の 結 晶 粒 の 変 形,さ らに 結 晶 粒 径 と ク リア ラ ン ス の 比 率 等 の フ ィ ー チ ャ ー サ イ ズ の影 響 に 関 す る検 証 を 進 め,最 適 な プ ロセ ス 条 件 を 求 め る必 要 が あ る.
1.4微 細 粒 鋼 1.4.1開 発 経 過
金 属 材 料 の 微 細 化 は,金 属 材 料 の 強 化 方 法 の1つ と し て 研 究 が な さ れ て き た.一 般 に 金 属 材 料 の 強 化 方 法 に は5種 類 に 分 類 され,① 固 溶 強 化,② 加 工 強 化,③ 析 出 強 化,④ 変 態 強 化,⑤ 結 晶 粒 微 粒 化 強 化 が
あ る.
① 固 溶 強 化 は 溶 解 し た 鉄 に 炭 素 を 添 加 し て 強 度 向 上 を 図 る 手 法 に 代 表 さ れ る.② 加 工 強 化 は,転 位 を 材 料 内 に 蓄 積 さ せ る こ と で 加 工 硬 化 す る こ と に よ っ て 材 料 の 強 度 を 上 げ る 技 術 で あ る.オ ー ス テ ナ イ ト 系 ス テ ン レ スSUS304に 対 し て 最 終 圧 延 工 程 で も 実 用 化 さ れ て い る.③ 析 出 強 化 は,析 出 物 を 利 用 し た 強 化 方 法 で あ る.熱 処 理 に よ っ て 炭 化 物 や 窒 化 物 を 析 出 さ せ る こ と で 転 位 の 移 動 を 抑 止 す る こ と で 材 料 強 度 を 向 上 させ る.SUS630な ど で 実 用 化 さ れ て い る.SUS304材 を 塑 性 加 工 し た 際 に 生 じ る 加 工 誘 起 マ ル テ ン サ イ ト変 態 は,析 出 硬 化 と し て 粒 子 分 散 強 化 に 分 類 さ れ る.④ 変 態 強 化 は,熱 処 理 に よ る 方 法 が 一 般 的 で,金 属 組 織 を フ ェ ラ イ ト相 か ら マ ル テ ン サ イ トや ベ イ ナ イ ト相 を 生 成 し て 強 度 向 上 を 図 っ て い る.
⑤ 結 晶 粒 微 細 化 強 化 は,Hall‑Petch則[32〜34]1こ よ っ て 知 ら れ た 技 術 で あ る.
材 料 の 結 晶 粒 微 細 化 に よ る 強 度 向 上 技 術 確 立 は 歴 史 が 浅 い.そ の メ カ ニ ズ ム は1950年 代 に 発 見 され, 1970年 代 に な り,Hall‑Petch則 に よ っ て 結 晶 粒 が 小 さ く な る こ と で 材 料 強 度 が 向 上 す る こ と が 知 ら れ る よ う に な っ た.1980年 代 に な り,結 晶 粒 径 を 微 細 化 す る 研 究 が な さ れ る よ う に な っ て き た.オ ー ス テ ナ イ
ト系 ス テ ン レ スSUS304の 結 晶 粒 微 細 化 技 術 は,1988年 に は 高 木 ら[35],冨 村 ら[36]や 加 藤 ら[37,38]に よ っ て 強 圧 延 と逆 変 態 を 繰 り返 し て 結 晶 粒 を 微 細 化 し,結 晶 粒 径 を0.5μmレ ベ ル に 整 え る こ と に 成 功 し て い る.日 本 国 内 で は1990年 代 後 半 に な り結 晶 粒 微 細 化 材 の 実 用 化 技 術 開 発 が 本 格 化 し,2000年 代 に 入
っ て 量 産 技 術 が 確 立 さ れ た ば か り の 技 術[39〜45]で あ る.
⑤ 結 晶 粒 微 細 化 方 法 の 代 表 例 をFig.1‑16に 示 す.EqualChannelAngularPressing(ECAP)法[46,47](Fig.1‑
16(a))は90度 ま た は そ れ 以 上 の 角 度 を 付 け た 溝 の 中 に 被 加 工 材 を 押 し 込 み,せ ん 断 変 形 を 加 え る 方 法 で あ る.簡 便 に 試 料 が 作 成 で き る が 試 料 は 個 片 に 限 られ る た め 量 産 に は 向 か な い.Highpressuretorsion(HPT) 法[48,49](Fig.1‑16(b))は,溝 に 入 れ た 被 加 工 材 を 押 圧 し な が ら 回 転 力 を 加 え る こ と で せ ん 断 変 形 を 加 え
る 方 法 で あ る.非 常 に 高 い ひ ず み を 加 え られ る メ リ ッ トが 有 る 反 面,回 転 中 心 と外 側 部 分 で 結 晶 サ イ ズ や ひ ず み 量 が 揃 わ な い こ と に 配 慮 し な け れ ば な ら な い.個 片 処 理 で あ る た め,量 産 向 き で は な い.Multi‑
passrolling法[43,44](Fig.1‑16(c))は 鳥 塚 と村 松 が 開 発 し た,線 材 の 連 続 結 晶 粒 微 細 化 技 術 で あ る.2組 の ロ ー ル を 使 っ て 被 加 工 材 を 上 下 に 押 圧 し た 後 に ひ し形 に 成 形 す る こ と で,線 材 内 に 強 ひ ず み を 加 え 結 晶 粒 を 微 細 化 さ せ る.強 圧 延 加 工 の 直 後 に 高 周 波 誘 導 加 熱 を 行 う こ と で,オ ー ス テ ナ イ ト系 ス テ ン レ ス 材 に 発 生 し た 加 工 誘 起 マ ル テ ン サ イ ト相 を 逆 変 態 さ せ て オ ー ス テ ナ イ ト相 に 戻 し て い る.オ ー ス テ ナ イ ト相 は 加 工 硬 化 能 を 持 ち,再 度 強 圧 延 を 加 え る こ と で 結 晶 粒 を 微 細 化 す る こ と が 可 能 と な る.こ れ ら 強 圧 延 と 逆 変 態 を 複 数 回 繰 り返 し て 微 細 な 結 晶 粒 を 持 つ 線 材 の 加 工 を 実 現 し て い る.量 産 対 応 を 可 能 と し た 線 材 の 結 晶 粒 微 細 化 技 術 で あ る.強 ひ ず み 一逆 変 態 繰 り返 し法[35〜38,50〜53](Fig.1‑16(d))は,高 木 ら [35],冨 村 ら[36]や 加 藤 ら[37,38]に よ っ て 据 え 込 み 圧 延 に よ っ て ひ ず み を 加 え,こ の 後 に 強 圧 延 を 実 施 し
た 後 に焼 な ま しを 行 うこ とで,板 厚1mmのSUS304材 を 結 晶 粒 径0.5μmま で微 細 化 す る技 術 で あ る.
1990年 代 に 入 り,オ ー ス テ ナ イ ト系 ス テ ン レス を強 圧 延 と逆 変 態 を複 数 回 繰 り返 す こ とで 段 階 的 に結 晶 粒 を微 細 化 して い く量 産 圧 延 技 術 を 特 殊 金 属 エ クセ ル が 開 発 し,量 産 加 工 技 術 を構 築 して 現 在 に 至 っ て い る.[52,53]こ れ らの 開発 経 過 か ら,結 晶粒 微 細 化 材 の 製 造 技 術 は 新 た に 近 年 構 築 が 進 ん で き た 分 野 で
あ る.
Die
Press
畢
Die
紡 ⇒
Specimen
(a)EqualChannelAngularPressing(ECAP)[47]
lnduction
釦pl朗th9＼ ㎞wd伽 融m器ll島g
(c)Multi‑passrolling[43]
ζ
Rotation
一 一
Plunger Press
昌
1￠ ＼
、
♪
Die Specimen
(b)Highpressuretorsion(HPT)[48]
annealingannealing
α'→ γ α'→ γ
WQ
90%90%
coldworkingcoldworking
(d)High‑strainandreversedeformationiterative method[37]
Fig.1‑16Varioustypesofultra‑finegrainedmaterialmanufacturingmethod
1.4.2微 細 粒 鋼 材 の 機 械 的 特 性
S25CやS45Cな ど の 炭 素 鋼 の 結 晶 粒 微 細 化 材 は,従 来 の フ ェ ラ イ トパ ー ラ イ ト鋼,ベ イ ナ イ トや 熱 処 理 後 の マ ル テ ン サ イ ト材 に 対 し て,高 い 強 度 と 絞 り性 を 有 す こ と が 鳥 塚 ら[43]に よ っ て 提 案 さ れ た.結 晶 粒 微 細 化 に よ っ て 熱 処 理 を 行 わ な く て も 材 料 の 強 度 向 上 と 同 時 に 絞 りや 延 性 を 向 上 す る こ と が で き る 材 料 で あ る.
オ ー ス テ ナ イ ト系 ス テ ン レ ス の 結 晶 粒 微 細 化 技 術 は 小 松 ら[52]に よ っ て 開 発 が 進 め ら れ,特 殊 金 属 エ ク セ ル が 量 産 技 術 を 構 築 し た.SUS304材 の 結 晶 粒 径 を 最 小 で 約0.5μmま で 微 細 化 し,引 張 強 さ1500MPa, 伸 び がND方 向3.6%,RD方 向16.1%と い う仕 様 が 報 告[53](Table1‑1,Fig.1‑17)さ れ て い る.一 般 材 の
引 張 強 さ が 約900MPa,伸 び で 約52%に 対 し て,67%の 強 度 向 上 を 達 成 し て い る.
