塑 性 変 形 に 及 ぼ す 油 膜 の 影 響

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塑 性 変 形 に 及 ぼ す 油 膜 の 影 響

浦 泉 * ， 前 田 政 継 * ， 野 中 明 人 *

E f f e c t  o f  O i l  F i l m  o n  P l a s t i c  D e f o r m a t i o n  

by 

A k i r a  URA

M a s a t s u g u  MAEDA a n d  A k i t o  NONAKA 

(Mechanical Engineering) 

In practice

we are often confronted  with many chances where o i l   film  must  be  sustained  under the severe conditions such a s  p l a s t i c  deformation o f   materials being o c c u r r e d .   For exam‑

ple ，  i n  the cold s t r i p ，  drawing and punching  lubrication  the various  l u b r i c a n t s   a r e   i n   use  i n   order  to  reduce  the c o e f f i c i e n t  o f   f r i c t o n   between  material  and t o o l s .   As the  l u b r i c a t i o n   in  such a machine working

however

i s   p a r t i a l l y   hydrodynamic and p a r t i a l l y   boundary l u b r i c a ‑ tion

i t   i s   technically d i f f i c u l t  t o  keep o i l   film during i t s   operation. 

In t h i s   experiments  we have  studied  the  procedure o f   p l a s t i c   deformation  under  impact  load with and without o i l   l u b r i c a t e d  s u r f a c e s .   As a r e s u l t s   o f   experiments  the  occurrence  o f   p l a s t i c   deformation apparently was observed even without the metallic  contact  by the ‑ breakd‑

.down o f   o i l   f i l m .  

And then ，  i n  order  to  confirm t h i s  f a c t ，  we repeated  the  same  procedure  with  l u b r i c a n t s   a s  before a f t e r  having made the indentation  onto  i t s   s u r f a c e  under  dry  contact  condition  and  took measurements with an  i d e n t i c a l   t e s t   p i e c e s .   And we could  suppose  that  the  r e l a t i o n   between o i l  v i s c o s i t y  and i t s   o i l  p r e s s u r e  a r e  very  c l o s e

though i t   i s   d i f f i c u l t  t o  d i r e c t l y   r e l a t e   the two. 

Further

we have calculated the c o l l i s i o n   time  by  means  o f   the  t h e o r e t i c a l   equation  and  the calculated values approximately agreed with the experimental  r e s u l t s .   Present  paper  wi l 1   report the r e s u l t s  and a few d i s c u s s i o n  about them. 

1 . は じ め に

油膜をへだてて塑性変形がお乙るような条件のもと で油膜の降状を生じることなし良好な潤滑能が維持 されなければならないような場合は工業上非常に多い.

たとえば冷間圧延，紋り加工，押出し加工，引抜きな どでは材料とローJレ，あるいはダイスとの聞の摩擦係 数は小さいほどよいので種々の潤滑油が使用されてい る.しかしこれらの機械加工における潤滑は一般に流 体潤滑と一部境界潤滑との混合潤滑状態になっている ものと考えられ油膜の保持は容易ではない.本研究に おいて，われわれは流体油膜圧力によって金属面が変 形をうける状態を衝撃荷重のもとで実験し油膜降状に

機械工学科

よる金属接触がお乙らなくても，油膜を介して大きく 塑性変形が生じることをたしかめた.さらに，両金属 面聞に発生した圧力の挙動を調べるため，金属面が弾 性変形から塑変性形を経て，両面がはなれはじめるま での時間，すなわち衝突時間を理論式から求め，実際 に衝撃圧こんプロフィノレから得た結果と比較し油膜の 影響を明らかにした.以下に実験によって得られたい

くつかの知見をまとめて報告する.

2 .

本研究ではショア硬度計及び当実験のために試作し た図に示すような落下式衝撃試験機を用いて衝撃によ る金属の塑性変形を観察した.実験では，まず潤滑油

塑性変形に及ぼす油膜の影響 2δ

の存在しない乾燥状態（DrγCoηオα6の，次いで低粘度 潤滑油A，．おホび中粘度潤滑油阜Cの存在下での圧

こんの進展過程をしらべた．実験方法としては，まず 最：初に1）ワCo 吻6≠状態で1回重錘を落下させるこ

とによって一こんを生じせしめそのプロフィルをアラ サ計で求める，次に潤滑油を介入せしめた状態で1回 打ちによる一こんを求めでプロフィルをとり，それぞ れを比較し，さらに5．にのべる計算式により，各場 合の衝突時間を求め，プロフィルより求めた圧こん深 さとの相違，あるいはD刎C厩厩と，潤滑油のある 場合などとの相違などについて比鞍を行なった。

 使用した上部軸受球の大きさは1ワ ／52及び13 ／52，

ショア硬度計では1・4mmである。次に圧こんの中に 閉じこめられた油に衝撃荷重が加わった場合，その油 膜圧力によって圧こんが塑性変形をおこすであろうと いう予想のもとに，まず13 ／52で圧こんをつくってお き，生じた圧こんの中に油を入れその上からエワ ／52で 衝撃を加えるという方法をとり，後述するような油の 粘性による著しい塑性変形を認あることができた．こ こで使用した試験片諸元をTable Iに，潤滑油はす べて市販の鉱油系のもので，その性状をTable 1工に 示した．落下重出にとりつけた鋼球は玉軸受用球，ア ンビル試験庁は市販のアルミ合金，リン青銅，軟鋼の 丸棒素材から切出したものである．

Table I Ma七erials of七es七piece and七heir proper七ies

1  ！

60

：Fig．1 The inde11七a七ion七es七er configura七ion

的降伏圧力pが衝突速度と変形量に無関係に一定であ るとする．圧力がpに達すると同時に塑性洗動がおこ り，もしはねかえりの後に圧子が表面に体積Vの圧こ んを残すならば塑性変形の仕事は研＝ρFで与えられ る．衝撃の高さ，はねかえりの高さをそれぞれ，h1，

h2，とすれば衝撃で失なわれるエネルギーは，ηg（飯一

ゐ2）である．

 従ってP7＝祝8 （碗一乃2）……（1）

はねかえりのエネルギーはmgh2であるから

噸・一・・騨（1   1E1十E2）・9一（・）・

Tes七 Piece S25C

P8 AIB

Diam．e七er

60皿m 60 60

Heigh七Hv（5009）

18mml 1、，

18 18

76 52

Remarkls

Carbon S七eel

Phospher

Alminium

Table II Viscosi七y of Lubrican七s

Lubrican七s

Oil A Oil B Oil C

▽ iscosi七y（cS七）a七18。C

16．7

166．0

244．0

Remarks

Spindle Oil Turbin OiI Mineral Oi1

3．基礎式と衝突時間計算方法 る一1．動的降伏圧力

 衝突の過程を完全に解析するのは非常に複雑である がここでは簡単に力についてだけ考える．ω・②・いま動

ここでd：圧こん径

  E1， E2；圧子とアンビルの縦弾性係数，ボアッ ソン比；0．3

圧こんの曲率半径が圧子の曲率半径と同じとした場合，

みかけの体積はぬ＝・π44／6471，

真の体積は7＝π44／6472，

H：re七zの式を使って

  4一・・22〔一多（轟一』，i一）（か去）〕レ3 したがって

  1〃・一1〃・一5・騨〔  1   1二E1＋辺『〕・

∴随一・・21ρゴ・

 （1），（2）より

  ρ7ごz＝η29（111−1乙2）→一（5／8） θη28r1L2

 ．．．ρ＝ηzg（乃1−3／8煽）／7α一・……（3）

この式により，衡撃高さ，はねかえり高さ，および見 かけの大きさを知ればpが決定できる．本研究におい』

ては前述した試験機によりhl lh2および圧こんの見 かけの大きさを実測し，（3）によりpを求めた．

5−2．衡突時間

BOWDENらに従っで衝突の過程を4つの部分にわけ

26 長崎大学工学部研究報告第3号 昭和47年12月

Table 111 Collision Time（Calcula七ed Values）

畿

Combination

Experimental

@Condition

to Steel Ball

〃

〃

〃

6．88

7．06 6．67 7．16

Dry contact

（a）

Oil A

OilB

Oil C Phos． Br． AnvilI

to S七eel Anvi1

〃

〃

〃

4．20

S七eel Anvi1

七〇

S七eel Ball

〃

〃

〃

4．34 4．77 4．38

Dry Contac七 Oil A Oil B oil C

3．45

3．64 3．47 3．50

Dry Con七ac七

OilA

Oil B

oilC

（b）

       （c）

Fig．2 Elec七ron micrographs of the七est piece anvils surface a）Phospher Bronze b）S七eel C）

Alminium Alloy

て考える．すなわちi）最初の弾性変形，ii）塑性変形 の開始，iii）完全塑性変形， iv）弾性的はねかえりにで ある．もしも，最：初の5部分を動的平均降伏圧力p にさからうためにおこる純すいな塑性変形の過程にお きかえることができるとすれば，この間の全時間は，

ANDREws（5）の方法を用いて非常に簡単に計算できる．

いま任意の瞬間における円形圧こんの直径を2aとす れば，塑性降伏圧力pによる抵抗力はpπa2となる．

xだけ平たん化されたとすると，第1次近似として 27κ＝α2，衝突する球は距離xのあいだ力pπa2で減 速されるから

        42κ   ρ・・2一一M4≠・

        ゴ2κ

  2ψ・∬＋ 4渉・一〇……（4）

＝0でん＝0であるから解は

  κ＝．A∫∫π（幼πγ／みの1／2≠

2面間の速度が0となるのは

  壽一オ・（2笠）1／㌃・・（・卿）1／2 一・

のときで，このとき

   ＝（π／2）・（ル〃2ρπγ）1／2 ・・・… （5）

（5）式で球が静止するまでの時間が与えられる．ここ でpは（3）式より求まる値で，本研究においてはp・

を求め（5）式によって衝突自問tを求めていった．

塑性変形に及ぼす油膜の影響 ^2ワ 4．実験結果および考察

 ショア硬度計を利用しの各実験条件下での圧こんの 形状を観察したが，ショア硬度計は圧子の半径が比較 的小さいために油膜圧の効果が著るしくはあらわれな い．従って衝突時間の計算値も相互間に大きな差はな い．そこで圧子の半径を大きくとれるような簡単な試 験機を試作し，これにより形成された圧こんの様子を しらべた．Fig・3は（5）式より求めた衝突時間と試 験片硬度との関係を示すものであるが，比較的硬度の 高い試験片については変形がより弾性的であるために 衝突時間は短かい．図から明らかのように潤滑油の有 無にかかわらず硬度が高く塑性変形量が少ないもの程 衝突時間は短かく弾性変形が大きいことを示している．

また図における太い実線は静的かたさにおける硬度と 圧こん径との関係を示したものであるが，この曲線が 比較的なめらかであるのに対し，衝突時間で示される 動的かたさの変化はやわらかい金属とかたい金属との 間で大きく現われているのがわかる．

 Fig・4はFig・3で示した衝突時間の変化の割合を 各油の粘度の相違によって比較したものである．粘度 による衝突時間の変化はほとんど見ることができない．

しかしBOWDENらが衝突中の金属面間のコンダクタ ンスを測定することによって，粘性の低いたとえばカ プリル酸（6cp）などでは流体膜の影響は認められず，

金属間の直接接触がおこっているが薬用パラフィン

〈120Cp）では衝撃中金属接触のおこっていないことを 示し，その原因が流体力学的作用によって衝突中接触 が妨げられるからと考えている（2）．本研究において

も乾燥接触状態（Dry CQn七ac七）にくらべて，油膜の 存在下ではFig・5−a）の圧こんプロフィルに示さ・れ るとうり，流体力による圧こんの変形が観察された．

この流体圧が非常に高いであろうことは圧こんの深ざ が油膜存在の下でのほうが大きいことから容易に推察 することができる．実際には衝撃によって発生する最 大圧力は

  ρηzακ・＝（0．154／1〜4） （M3705／η）1／2

であらわされるように（1／η）1／2に比例する．従って粘 度によって塑性変形の程度の相互差は出るはずである が，試験機の圧子の直径，或は落下重量などの影響が 大きく微小な衝突時間で粘度による差異を求めること はできなかった．次にFig・6においては落下試験を おこなった後圧こんのプロフィルをアラサ計を用いて 求め，最大深さをプロフィル上から計測しDry Con一 七ac七の場合と比較したものである．図5と同様・粘 度による有意差は認められないがA油・C油について はDry Con七ac七にくらべ圧こんが深く毒らわれて いる．Fig・3，4，5，に示された一連の現象は，従っ て，衝突時間が10−45θoのorderと非常に短かいた めとじこめられた油は完全に押し出されることはでき ず，内部に高い圧力を生じ，油膜を介して塑性変形を生

じるものと考えてよい．プロフィル上で求めたと同じ く衝突時間から求めた場合もわずかではあるがA油，

C油の変形割合が大きい． S度による変形度合を規則

Fig．4 Collision七im・e on each anvi1七es七piece agains七七he kinematic viscosi七y

Fig．3 Collision七ime agains七七he hardness of

・each surfaρe under various ludrica七ing condi七ions

xπl1

7

  6

ど  5

ξ

：14

暮

3

⑭；D，yC。，】1a，1

⑭ ；Oil A

△ ；Oil B 口 ；Oi正C

趣、

＼緊

     ミミ

      、、譲＿＿

120   ヨ

110蚕   藷 100至   乞   養 go ｪ

  § 80 菖

50 100 150

 一4×10 8．0

7．0

6．0

ぎ5．O

l、．。

83．0

塞含補誌

⑭ StecI

過

      ＿＿＿一一一過r一一一

一迭一一一一一一一一一噛

／ノ

，准

＼

 100         200

Kinemat・c。i・c・sity（Cst at 18℃｝

300

臼v＿＿→

28 塑性変形に及ぼす油膜の影響

      1、，ノ』『，

1ηdex〆

一よ．』

 ＼ ＼

  ＼   ＼    ＼

、

、慢

＼：

、

＼

、唖

N

眠

＼

 、   、

＼

唖

＼

＼

＼

＼

＼

＼

＼

しロ

   ／

夕 

§L．

     ク

5・（静    ク      ク     ク     7    7  ！

   ／   

   ヲ      ノ

／／

P

     ノ

グ

ミ

・L，

 500F

  、     グ畠

1）Alminium Al［oy

ノ

i）Alminium Alloy

  r  ノ  ノ  ！

7

グ

ア

殴

＼ 殴

 父  ＼  父    ＼＼  父

   ＼＼  ノ

     ＼＼    7ノ       ＼．＿／

x

＼

 ＼

 ＼、     ・、

＼、／

       ノ       ノ       ノ

     ＼・一ク   グ

   ＼＼＼ ／

      隔＼．＿．．〆／

ロし

 卿

E）Phospher Bronze    グ

  7  グ  ノ

／．

グ

ii）phospher Bronze

1 ク

、 IL．／

     500μ 7^＼  ＼       ／   ＼        ／   ＼、    ／    ＼．＿！

凱＿

500μ

    飾し

、

  ＼，＿＿

皿）Steel

iii） steeI

Fig．5−a） Profiles of七he inden七a七ion on each anvi1七es七piece

 ノ ノ

Fig．5−b） Profile of七he inden七a七ion by七he l inch！s ball inden七er

的にとらえることはできなかったが，粘性圧力による 変化が大きいことは認めることができた（Fig・7）．図

8においては，以上の結果にもとずいて，油膜圧の挙 動を調べるたあに行なった実験結果を図示したもので ある．各硬度の試験片について，先ず最初に，13 ／32 回忌をもつ球によってDry Con七ac七の状態で圧こん をあらかじめつくっておく．そのあと17 ／32の球で Dry Con七ac七および各油を介在せしめた場合につい て連続的に5回落下試験を行なったものである．1回

Fig．6 The inden七a七ion dep七h ra七io of each｝

1ubric 七ing condi七ion agains七 七he hardness of each surface

＼葱

§ 唱

弼

ヨ

§ 圭 竃 葦

§ 遷 崇

書

も 言 古

曇 房 茎

§

ξ 婁

5

§ 畳 竃

署 も．

言 占

1．2

1．ユ

1．0

Fig．6The加entati・n depもh rati。・f each■ubricati㎎cび agains七 七he hardness of each surface

0．8

● Oil A 口  OiI C

△  αI B

      ／       ！！㊤イ        ノ

奪二＝＝馳＝ 一1一一一D一一

50   1GG

Hv一→

150

打についてはDry Con七ac七との間に差はないが，5回 落下させたものについては著じるしくDry Con七act の場合との差があらわれている．この場合，潤滑油は

塑性変形に及ぼす油膜の影響 29

＝Fig．7 The collision七ime ra七io of each lubri一

℃a七ing condi七ion七〇dry con七ac七condi七ion aga−

inst七he hardness of each surface．

．塁

｛

撫

1．15

1．10

口 Oil C

● Oil A

△ Oil B

1価      ／●／

   3＝＝）一く一ト

1．00

50  100

Hv一・・．． 一し

150

Fig．8 The inden七a七ion dep七h ra七io of each lubrica七ing condi七ion agains七 七he hardness of

・each surface af七er having made七he inden七ia七ion previously under dry con七ac七cond七ion

華美擁

 コ    一       島

釜・1

塾

髪量1．1 暑葦

三圭、．。

蒸

△

o

Oil B／3

0ilA刃

Solid line；Dry ContacしCondiヒion Broken Iine；Lubricated Condition

》ぐ毎…一一一一一一ツご葬

   、、ム＿＿＿＿＿＿一 一

  100 Hv一→

150

Fig・5に各試験片についてDry Contac七の場合と油 膜を介在せしめた場合の圧こんプロフィルを示し油膜 を介した場合のほうが深い圧こんになっていることを 確認したが同様にFig・5−b）では宮川（4）らが同じよう な装置を用い，1 という油がとじこめられ易いような 大きな径の圧子を用いて，油膜存在下で行なった結果 を示したものである．これは油膜を通しておこる変形 が乾燥面でおこる変形とその形状が異なっていること を示しているが，この油だまりは粘度の影響をうけて おこってきたものと考えられる．もし粘度が適当なら ば，球の衝突後面が変形し，油の逃げ出す速度は早く なり，接触部の中心で最高の流体圧を示すものと考え られる．従って粘度が高すぎると前にのべたように油 の圧縮による追随性は悪くなり，このような「えくぼ」

1まできず圧子の形状に近い圧こんができるものと推察 される．

50

ユ回ごとに界面に供給した．この実験においてはコン ダクタンスの測定を行なっていないので，衝突の過程 におい℃金属接触が生じていたか否かは確認していな い．しかしDry Contac七状態とは変形の様子がいち ぢるしく異なるところがらみて，変形は油膜を通して

．おこったと考えられる．上に述べたように衝突時間は 非常に短かいたあに，とじこあられた油は横に逃げる ことはできない．粘度が高くなればなるほど，発生圧・

力は低くなるが追随性はわるくなりとじこめられ易く なる．図6に示すような実験においては，あらかじめ 小さい凸を油だまりとして設けて，その上から径の大 きい球で衝撃を加えるのであるから閉じこめられた油 は内部にむかって大きな圧力を発生するのである．

5．むすび

 以上簡単な実験を通して潤滑油の介在するもとでの 接触面の変形が油を介して容易におこり，しかもDry Con七ac七状態より油を介した場合の変形のほうが，粘 性が適当であれば，かなり大きいことを示した．また 衝突の過程の中で，弾性変形から塑性変形が終わるま での衝突時間を求め，圧こんのプロフィルか・ら求めた 乾燥及油膜下の変形と比較し，変形が衝突時間とよく 一致すること，また油膜圧がかなり大きな塑性変形能 力をもつことを示した．実際にはしかし電気抵抗ある いはコンダクタンス測定を通して金属接触の有無を確 認しながら変形を与える最適粘度を求めていく必要が あり，また油膜に発生する温度したがって粘度変化な どを考慮して油膜圧の塑性変形に及ぼす影響などを調 べていく必要もあり今後の課題である．最後に本研究 の実験にあたって本学学生三浦豊君（現三菱キャタピ ラ）のご協力をえた．計測にあたっては機械科材料力 学研究室のお世話になった．併せて謝意を表します．

文  献

1）D．TABoR， Proc． Soc． Roy A 192（1948）pp247 2）バウデン・テーパ・（曾田訳）固体の摩擦と灘繕P？248 5）D．T・…，Th・H・・d・ess・f M・t・1・

nXFORD

 （1951） pp132．

4）平野．宮川，第50期機械学会全国大会，機講論172D一16  （1972）

5）J．P． And・w・・phiL M・g・8・PP781（1930）