機器計画に関する生活空間構成の研究(?)―金属部品の表面計画について―

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奈良教育大学学術リポジトリNEAR

機器計画に関する生活空間構成の研究(?)―金属部 品の表面計画について―

著者奥谷多作

雑誌名奈良教育大学紀要. 自然科学

巻 15

号 2

ページ 155‑165

発行年 1967‑02‑28

その他のタイトル Studies on Living Space for Industrial Design (III) ―With special reference to an analysis of the machined surface layer of metallic parts.―

URL http://hdl.handle.net/10105/3322

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奈良教育大(自然)第15巻昭和42年 Bull. Nara U.Educ. (Nat.), Vo】.15, 1967

機器計画に関する生活空間構成の研究(Ⅱ)

‑金属部品の表面計画について‑

(付.図版2) 奥谷多作

(奈良教育大学金属加工教室) (昭和41年9月30日受理)

Studies on Living Space for Industrial Design (III)

‑With special reference to an analysis of the machined

surface layer of metallic parts.‑

Tasaku OKUYA

(Depertment of Metal Machining, Nara University of Education, Nara, Japan) (Received Sept. 30, 1966)

The objectof this work is an attempt to find out the machined surface layer, in which residual stress, were changed from the base metal, had been produced to a certain depth below the surface. The depths of surface layers varied depending on the types and conditions of machining operations. The surface layer produced by fine surface finishing method such as satain finishing

was from l〟 to lop in depth. The result of this experiment for the residual

stress on satain finishing is shown in Figs. 9‑12.

緒論

人間の生活活動を営む空間が計画されたり,そこで用いる種々の機材が設計されるとき,その部品として金属材料を組合せることは非常に多い.金属材料による部品は何らかの表面加工が施

され,その加工法に固有のSusface Textureをつくりあげる.そこで,この機材や機器の設計にあたるIndustrial Designは,製品の計画過程において,その製品を構成する各種の材質のSurf‑

ace Textureの決定ということがらを,重要な計画要素の一つに数えあげている.こうした要素を研究するとき,人間の感覚をつかってその機械的な,あるいは物理的な機能の特性を計るということは非常にしばしば行なわれ,前報(Ⅱ)もその例であるが,本稿は,前報で得られた,表材の材質感を構成する.心理的因子の範囲で,金属材料のSurface Textureと人間の感覚の心理的傾向を観察し,工業製品のIndustrial Designに資するような,金属部品の表面加工法を考察し

ようとするものである.そこで,金属部品の表面加工法の一例を,外国で設計されたカメラボディーについてみると第‑表のようになる.本稿では,これらの加工法のうちから,最近非較的多く使用されているSatain Finishをとりあげ,金属表面の感覚特性と表面あらさ及び反射光沢度

155

(3)

156

唱 t; p 作

第一表金属部品の表面加工例(カメラボディ)

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本

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Rolleiflex 35 l本体

Graflex 22

操山軸,ォ‑

後蓋

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3・'仕上げ帯部‑研摩紙仕上げ、ダイカスト面

亜鉛合金ダイカ

スト

鉄鋼

ダイカストのまま

サテェン仕上げ

無処理庫RL結晶有。

亜鉛合金防食皮膜 Ni‑Cr メッキ

半つや有り半つや有り

との関係を求め,その結果得られた表面加工法によって,金属の表面加工層に材質的な影響を及ぼす条件の一つを求め,適切なSurface Textureを与える加工法を考察しようとしたものである.

試料の作製

試験試料は Surface Textureを観察するものと,表面加工層の変化を測定するものとの二種類用意した. Surface Texture用の試料は直径220mm,厚さ0.8mmのアルミニウム板AIPlを回転台に密着させて,上方から各種の研摩材料を保持させ,回転するアルミニウム板を研削し, その表面にSatain Finishをつくりあげたものである.加工後,第‑図のA.B.Cの位置からそれぞれ研削速度の異なる三種の試料を切断した,この試料は15種の研摩材を使用して第二表の加

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第一図試料の採取位置

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機器計画に関する生活空間構成の研究(Ⅱ) 157

工法を施した45枚の試料によりなる.次に表面加工層を測定する試料は,第二図のような形状に

第二表試験試料

ミガキ帯鋼(SPMB.B)号の切板を成形加工し,その後加工による応力の残留を除去する目的で, 680oCに30分間加熱後炉申徐冷の処理を施したものである.処理後,表面加工を施す面の裏側に,

第二図試料の形状

80mmの間隔で極く薄くケガキ線を入れておき,試料の長手方向の正確な距離を決めるのに用いる.

測定の方法

Satain Finishされた金属の表面は,方向性のある細線が並び,あの金属独特の強い光沢をもやわらげて,大変親しみやすいTextureをつくりだしている. Textureの性質を測定する方法と

しては種々考えられているが,ここでは Textureを粗面のあらさと考えてこの方向から2,3 の分析を試みることにした.試料の表面あらさをまず測定し,各試料の表面あらさによって順序を求め Satain Finishの表面あらきとしての段階をつけようとした.ここで測定する表面あらさの測定法には種々あるが,触針法によって中心線平均あらさと,そのプロフィールを求めた.

中心線平均あらさとは,表面のどこぼこをその中心線からの偏差の絶対値の平均値で指示しよう

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158 奥谷多作

とするもので,測定面における表面あらさ曲線の抽出部分の平均方向をⅩ軸とし,あらさ曲線の凹凸,すなわち高さの方向をY軸として,あらさ曲線をy‑f(∬)で表わしたとき,山の部分と, 谷の部分をたがいに埋めあってできる中心線の平均高さを

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第三国中心h線平均さらさの説明

この測定では,試料の切断前の円板の中心を通る直線上をトレースした.連続指示型[和む線あらさ計を用い,トレース距離20mm,駆動速度3mm/secで副定を行い,各曲線の横倍率は20倍とし,縦倍率は10000, 3000, 1000倍の3種になった.つぎに,表面の光沢度を金属顕微鏡(シャテリエ型,縦型)の光学部を利用することによって測定した,・光源をでた光はハーフミラーによって対物鏡に達し,対物鏡によって集光きれ試料表面にほぼ垂直に入射する.この入射光は表面の性質に応じた童で,表面から反射して接眼部に固定した光電池の受光面に達する.この反射光量を電流計でよみとるようにして光沢度を測定する.この場合光沢度は,ガラス板にZnOペース

トを塗布した標準白色板を標準試料として用意して,これによる反射光量と,試験試料による反射光量の比でもって表わすことにした.すなわち,光沢度Bは次式で表わされる.

二I

I ‑試験試料の反射光量 Is ‑標準試料の反射光量

この方法によって同時に,光沢度測定位置の顕微鏡写真を撮影した.試料は研削速度の異る三位置についても測定し,その他の機械加工法によるTextureも測定し,授影により表面状態を記録した.この場合,対物鏡はXM5, XMIO, XM40を使用して,表面の微視的構造を段階的に観察できるようにした.つぎに,感覚量としてのTextureの判定は,前報の材質感を表現する心理的因子によてって各試料を判定させた.例えば「tt動き"を感ずる表面別項に並べてほしい」という質問で,その心理的因子の優劣に噸序をつけて判定するという方法をとった.内にトレーシングペーパーを張って,つや消し壁面をつくり,像の写らないようになった箱の中に,正面より 200Wの光線を一度白紙に反射させて,さらに箱の奥に張っT:トレーシングペ〜パ‑を通して照射させた散乱光源のなかで, 45‑の方向,明視の距離に, 5cm角の黒い台紙に試料をはったもの

を並べ,適当に動かして判定してよいことにした.判定は男3名,女2名計5名で20才から22才までである.さらに,金属の表面加工層に材質的な影響を生じさせ,加工によって生じる残留応

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機器計画に閑;する生活空間構成の研究(Ⅲ) 159

力を測定する方法には, Ⅹ線背面反射法などの方法もあるがここでは,応力を内在させた試料の一部を噴々に除去し,それによって生じる試料の変形の童と方向を測定し,その値を弾性平衡を適用して算出きれた応力算出式によって除去部の応力を計算によって求めるHeynの方法によった.本実験では,平面加工を対象とし,前の心理的因子による判定結果の最も明瞭な7番の試料に近いSatainfinish面の加工の場合を,研摩布加工で想定し,その加工面の残留応力を測定する.まず加工前の試料(第三図)の長芋方向の両端けがき線間の中央の最大たわみ量と方向を第四図の方法で測定し,その値に,加工を行うべき面が凸のとき負,凹のとき正とする方向の表示

をつけた,次いで試料の加工後のたわみを同じ要領で測定するが,試料の研摩布加工は第五図の装置で,研摩布面に試料をある圧力で押し付け,研摩布に往復運動を行なわせて,研摩布加工を

第四園長手方向最大境み量測定方法

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第五図研摩布加工装置

施す,研摩布の往復運動はクランク機構により,その平均運動速度は 1.34m/minである.試料の加圧は試料加工面の全面に均一に作用するよう試料保持具を工夫した.研摩布は, AA120 番を使用し加工時間を20分間に一定し,垂直圧力を0.25Kg/cm2,0.5kg/cm% 1Kg/cm2, 2Kg /cm2,の4種を選んだ.研削油としてスピンドル油を加工中も添加した.加工後試料を2%硝酸溶液に5分間つけ,さらに5分間づつ薗蝕させ,加工層を表面から適当深さづつ除去し,腐蝕の

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160

奥谷多作

各段階で試料の長手方向のたわみの量を測定した.さらに各蒋層除去によって変った,最大たわみ量の変化量を求め,各回の除去層の厚さをも測定して,次の式により研摩布加工層のうち,杏腐蝕除去層の残留応力を計算により求め,研摩布による研削機構を観察しようとした.

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0‑n‑n回目の除去した表面加工層の残留応力(Kg/mm2) tn ‑ ∑ △ti T‑試料の加工後,腐蝕前の厚み (mm)

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L‑40=試料両端のけがき線間距離の2分の (mm) fn‑ 1 ‑ ∑ △tn

トL‑引

△tn=n回目に除去した表面工層の厚み (mm) E‑試料の弾性係数(Kg/mm2)

△fn‑fn‑fn‑1‑11回目の加工層の除云により生じた試料の長手方向の最大たわみの変化量(m)

測定の結果

試料の表面あらさを,中心線平均あらさで見ると第六図の結果を得た.各試料のあらきによって,直線的な層序ができあがり,その試料の加工に使用した研摩材料の粒度段階をよく表わしているのが解る.これは第十三図のプロフィール(最大高さあらき曲線Hmax)の横軸のピ

ッチを見てもよく解り,横倍率は20倍に一定させて比較しやすくしてある.これから研摩紙に Satain Finishと,スチールウールによるSat‑

ain Finish面の細い密な研削条痕の種類が異り,前者は研摩材の粒度を反映して条痕の間隔が狭まいことが解る.後者は切刃の切削能力が小さいため,切削切刃の通った切削嘩部分にあった金属は,切屑として取りきられるもののほかに,切削溝の両側に塑性変形して盛上った, 盛り上り部分が非較的多くでており.また,中心線平均あらきの値の巾が大きことと,プロフィールにおける山と山との問に比較的平均きれ ,た部分が表われているのは,スチールウールを研摩材として使用する特徴の一つである.あま

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書式粁

第六図中心線平均あらさ

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機器計画に関する生活空間構成の研究(∬) 161

りするどくない切削切刃の上すべり現象を起こしていることが想像される.スチールウールは, それ自身非常な弾性をもっているので,ますますこの点は助長されて,試料面は塑性変形をうけるのみでまったく切層にならず,写真に見るように表面のだれが多くなる.試料面の光沢度は第三表,第四表のようになるが,金属の表面あらさと微視的な光沢度とは,関係をもたないことが麦

第三表機械加工表面の光沢度

表面あらさ)芸ヱ・J‑

'・?一平面研削盤)形削盤!

雪雲晶ラ)フライス盤

0.8‑S 1.82 1.87

1.56 1.74 1.39

1.13 1.43

1

0.65 1.39

第四表反射光沢度

1.74 .08

2.04 2.22

1.54 2.26 1.30 .26

試料ト

14‑B 15‑B

サンドブラスト(鍋) ラッピンサテン(ステインレス)

素材面(アルミ)

0.33 0.77

1.00 1.21

1.00 1.30 1.11 1 1.39

翠

1.13 1.18 3 11 213

3.00 .00

3.11 0.04 2.22 1. 74

0.33 0.

1.34 0.66 .86 3.66 1.65 5.11 2.26

れており.機械加工面の比較では,フライス盤仕上面が,平面研削盤仕上面より高い光沢度を示し,明らかに,表面あらさと,光沢度の関係は少ないように見えるが,これは,平面研削盤仕上面はより拡散反射面であって,フライス盤仕上面は正反射光がふくまれてきて,この結果は第四表にもあてはめられる.金属表面の性質は,あらさの値だけではきまらず,すなわち同じ高さ分布の表面でも,傾きが異ると,違う性質になる,一般に金属表面の凹凸の憤斜の平均値は, 50

‑15‑であるといわれているから,第四表の光沢度の差は対物鏡による,開口角の区別によって, 入射角度や反射角の傾向が表われたものといえる.第七図は, Sarface Textureについて,材質

感を構成すると思われる.心理的な5因子によって,品等法で判定し,順位づけを行った結果で

(9)

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第七図材質感の品等I

奥谷多作

ある.従軸に平均噸位をおいたが,これにみられるように,順位を定義づけする観点が,複合的な内容をもちすぎたため,明確な傾向はつかめないことが解った・しかし,あらきや反射率に光沢度という簡単な物理特性のみによって, Surface Textureの優劣という感覚特性をおさえきれないとの予想で品等法によっ

竪‑

た.序数尺度としての取り扱いでもある程度の情報をもたらされるという意味で,第八図のような,平均順位を総合した噸位を求めた.その結果の試料7番は,

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/ 23I J 67 M ′o′1′Z′3Ifォ"

第八図材質感の品等Ⅱ

研摩紙粒度124u,中心線平均あらさ1.0‑1.2jォで,第四表の研削条痕もはっきり認めることができることから,いわゆる金屑表面のSatain Finishは,研削条痕のコストラストが明確で,視認されやすいものほど判定に影響を与えている.試料8, 9,10番も第七図を通してその傾向がうかがえる. tt動き"を感ずる表面は,あらさにほぼ比例して, tt強さ''を感ずる表面も

その傾向が観察される. tt気持ちのよさ"を感ずる表面としては,研摩紙によるTextureが判定され, tt新

らしさ日に対する表面も同様の品等が表われている.

このことは,研摩紙の砥粒の切刃と,スチ‑ルウ‑ルの切刃による条痕の性質を表わしているものと思われる.また, tt暖かさ"の判定は,金属という材質のせいか,判定の所要時間を多くと

っても,内容に乏しい結果となった.しかし,これらの判定の変動や安定度については,有意差を見るには,個々の試料についての順位の標準偏差を考えたり,ケンドールの一致性係数を用いて判定しなければならないことが反省される.この結果としての試料7番の加工条件を,金属部品に適応させる場合の要素の一つである,加工によって金属表面の加工層にうける彩饗を,その残留応力で見ると,第八図のようになる.

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機器計画に関する生活空間構成の研究(Ⅲ) ¹⁶³

同図Aにおいて従軸には腐蝕層の厚みを,横軸には残留応力の大きさを示す,引張り側の破線は,加工による試料の長芋方向たわみ変形量から計算された応力の分布である.したがって研摩

第十図垂直圧力をかえた場合の残留応力

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第十一図表面圧縮応力線図

1

布加工のみによる残留応力は,上記横軸の残留応力の大きさから,破線で示される内部応力を差引くことにより求められる.同図Bがそれで,比較しやすいように平滑曲線で代替させた.試料は,研摩布加工によりいずれも,長芋方向に加工面が凸になるような曲り変形を生ずることが解

る.この結果をまとめて第十一図のように示すと,応力はいずれも,表層部は圧縮で,表面で最も

(11)

164

摂 t‑ .?蝣作

大きく,内部に向うにつれて次第に減少し,表面からのある深さで0となる.それより内部では引張りに転じ,表面からのある深さでほぼ一定となるような分布であることが解る.垂直圧力を 4種にかえて,研摩布加工を行った試料はいずれも,長手方向に加工面凸に変形した,垂直圧力 1.0Kg/cmまではやや急激に増大し,それ以後は垂直圧力の増大とともにほぼ直線的に増大するように思われる.垂直圧力0.5Kg/cm2と0.25Kg/cm2の2種は表面部の圧縮応力はほぼ一定で, 表面からそれぞれ約0.03mmの深さで急激に減

少して引張りとなり,内部のほぼ一定の応力となることが解る.応力が一定となる,表面からの深さ,すなわち,加工層の深さを第十図から読み図示すると,第十二図の加工層深さ線図となる・加工層の深さは垂直圧力0.25Kg/cm2まは急激に増大し,それ以上の圧力では垂直圧力の増大とともにほぼ直線的に増大すると思われる.

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第十二図加工層深さ線図

結語

1)アルミニウム板に加工した, Satain Finishは中心線平均あらさ HaO.15‑3.0,ォの範囲で

.>">'J.

2)本測定法による光沢度と, #'&線らさ平均あとの間に関係が認められない.

3) Satain FinishによるSaface Textureは, tt気持ちのよさ'=t新らしさ日という感覚特性に ,影響を受ける, tt動き"の感覚特性は表面あらさあるいは,研削条痕の性質をおおむね表わ

している.

4)以上の結果から選ばれた, Satain Finishを平鋼表面に,研摩布加工を施すときの,表面加工層の残留応力は,表面加工層の0.10mm前後では圧縮であり,その大きさは垂直圧力によ

って著しく異り,それは圧力0.5Kg/cm2までは急激に増大し,それ以上の圧力では増大の割合を減少しながら,圧力とともにほぼ直線的に増大するように推定される.本測定により,精密機器のIndustrial Designにおいて,金属部晶の表面加工でSatain Finishを採用する場合,そのSurface Textureの決定条件や,検討項目の一つがある見通しをあたえらることになるよう,な範囲をつかむことができた.最後にこの測定にあたり終始御指導を賜った,本学市川米太助教授,埼玉大学勝又欽‑助教授および測定機器でご協力下さった本学沢田勇教授に心から御礼申しあげます,

(12)

機器計画に関する生活空間構成の研究(Ⅲ)

文献 (1)奥谷多作;奈良学芸大学紀要(自然科学) 12巻(1964) 51‑5呼う

(2)山本巌:光学的表面解析装置応用物理31巻7号(1962) 524 (22) ‑530 (28)

(3)甲藤好郎:日本機械学会論文集22 (1965) ‑122, 693, 699表面あらさ曲線の統計的解析I , Ⅱ (4)大越詳:表面アラサ検査法221965コロナ社(1964)

(5)鈴木,日比野;金属加工総文献集誠文堂新光社(1962)

(6)砥粒加工研究全編:砥粒加工技術便覧1002,日刊工業新聞社(1965) (7) 同上同上 10ユ8

(8)蓮沼宏:機械の研究8 (19565) 15金属粗面からの光の反射

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機器計画に関する生活空間構成の研究(?)―金属部 品の表面計画について―

Studies on Living Space for Industrial Design (III)

‑With special reference to an analysis of the machined

Tasaku OKUYA

(Depertment of Metal Machining, Nara University of Education, Nara, Japan) (Received Sept. 30, 1966)

was from l〟 to lop in depth. The result of this experiment for the residual

唱 t; p 作

第一表 金属部品の表面加工例(カメラボディ)

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本

II*

Graflex 22

t践き!',一蝣: :j・;' i '." ニン

亜鉛合金ダイカ

鉄 鋼

サテェン仕上げ

亜鉛合金防食皮膜 Ni‑Cr メッ キ

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第二図 試料の形状

80mmの間隔で極く薄くケガキ線を入れておき,試料の長手方向の正確な距離を決めるのに用い る.

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第四園 長手方向最大境み量測定方法

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第六図 中心線平均あらさ

表面あらさ)芸ヱ・J‑

'・?一平面研削盤)形削盤!

0.8‑S 1.82 1.87

1.56

1.74 1.39

1.13 1.43

0.65 1.39

第四表 反射光沢度

1.74 .08

1.54 2.26 1.30 .26

14‑B 15‑B

サンドブラスト(鍋) ラ ッ ピ ン サテン(ステインレス)

素材面(アルミ)

0.33 0.77

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1.13 1.18 3 11 213

機器計画に関する生活空間構成の研究(?)―金属部品の表面計画について―

第一表金属部品の表面加工例(カメラボディ)

鉄鋼

亜鉛合金防食皮膜 Ni‑Cr メッキ

半つや有り半つや有り

第二図試料の形状

80mmの間隔で極く薄くケガキ線を入れておき,試料の長手方向の正確な距離を決めるのに用いる.

^ /Jk S r i > 寺ふ線′ ′ ′ j>

第四園長手方向最大境み量測定方法

ノ多研枇由

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第六図中心線平均あらさ

第四表反射光沢度

サンドブラスト(鍋) ラッピンサテン(ステインレス)

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第十図垂直圧力をかえた場合の残留応力

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第十二図加工層深さ線図

文献 (1)奥谷多作;奈良学芸大学紀要(自然科学) 12巻(1964) 51‑5呼う

(2)山本巌:光学的表面解析装置応用物理31巻7号(1962) 524 (22) ‑530 (28)

(3)甲藤好郎:日本機械学会論文集22 (1965) ‑122, 693, 699表面あらさ曲線の統計的解析I , Ⅱ (4)大越詳:表面アラサ検査法221965コロナ社(1964)

(6)砥粒加工研究全編:砥粒加工技術便覧1002,日刊工業新聞社(1965) (7) 同上同上 10ユ8

(8)蓮沼宏:機械の研究8 (19565) 15金属粗面からの光の反射