福岡県工業技術センター研究報告 No.25 (2015) 金型表面形状制御による摺動性改善メカニズムのFEM解析阿部幸佑 *1 深浦裕之 *2 荒牧正俊 *3 古君修 *3 FEM Analysis of Friction for Pressing Dies Controlled by Shot Treatment Kosuke Abe, Hiroyuki Fukaura, Masatoshi Aramaki and Osamu Furukimi 自動車部品等への高張力鋼板使用増加に対応するために，摩擦特性の制御を目的としたショットピーニング処理による金型表面形状制御技術が提案されている。金型－鋼板摺動面では，表面制御した凹凸が潤滑油を保持・供給する働き(油だまり効果)，凹凸により局所的に生じる弾塑性変形(掘起し効果)など，複雑な現象が生じる。本報告では，これら摩擦に寄与する現象を解明し，摺動性に及ぼす金型表面形状の影響を評価するために，金型－鋼板摺動面の局所的な弾塑性変形のFEM解析を行った。その結果，表面形状に応じて潤滑油の有無を考慮したモデルに基づくFEM解析によって，摺動試験での摩擦係数の挙動を再現することに成功し，金型表面形状制御による摺動性改善メカニズムを明らかにできた。ット処理無しでCVD-TiC被膜処理した試料を用いた。 1 はじめに 2-2 FEM解析近年，自動車の軽量化等を目的に高張力鋼板の使用量が急増し，それに伴う金型寿命の低下が大きな問題後述するドロー摺動試験条件を模擬し，押付荷重 FP となっている。著者らはこの課題に対して，ショットを2～30 kNの範囲で変化させた際の工具表面凸部の押ピーニング処理によって金型表面に凹凸を形成し，こ付ならびに引抜時の弾塑性変形をFEM解析した。解析れを油だまりとして利用する摺動性改善手法を提案しソフトにはダッソー・システムズ社製ABAQUSを用いた。た。一般に，このような表面処理の効果は，摺動試験解析モデルを図1に示す。工具の表面形状を，2山のサにおける押付及び引抜荷重より算出される摩擦係数をイン波形とし，凹部から凸部までの高さhは，レーザ指標に評価されている。その際，実際の摺動面では局ー顕微鏡により測定した表面粗さに基づいて決定した。所的な弾塑性変形が生じ，純粋な摩擦以外に，弾塑性変形の寄与(掘起し効果)が加算されることを前提としている。しかし，金型－鋼板摺動面のその場観察が不可能なため，そのメカニズムの実証は困難である。本報告では，極めて複雑な金型－鋼板間の摩擦現象を解明し，摺動性に及ぼす金型表面形状の影響を評価する目的で，金型－鋼板摺動面の局所的な弾塑性変形の FEM 解析を行った。 2 実験方法 2-1 供試材供試材には，SKD11を用いた。表面処理として，1段階ショット処理(投射材:Al2O3-0.3 mm)及び2段階ショット処理 ( 投射材 :Al2O3-0.3 mm,Fe-0.86,C-0.05 mm) 後，低温窒化処理(733K,8h)を施し，比較材にはショ *1 機械電子研究所 *2 九州大学（現日本パーカライジング（株））図1 *3 九州大学 - 87 - FEM解析モデルの概略福岡県工業技術センター研究報告 No.25 (2015) また，油だまり効果を簡潔に表現する試みとして， 3-2 ドロー摺動試験結果図1(b)に示すように，工具凹部に溜まった潤滑油を弾図3にショット無し及び2段ショット条件における各性体として記述する擬似潤滑油モデルを用いた。押付荷重での摩擦係数を示す。なお，図中には各条件 2-3 ドロー摺動試験に対応するFEM解析結果を併せて示した。ドロー摺動表面処理が摺動性に及ぼす影響を評価するため，ド試験結果及びFEM解析結果を同一のショット処理条件ロー摺動試験を行った。相手材となる引抜鋼板には同士で比較すると，ショット無しの場合は擬似潤滑油 SPFC440を用いた。上治具と金型試料の間に防錆油を無しのモデル，2段ショットの場合は擬似潤滑油モデ塗布した引抜鋼板を挟み込み，所定の押付荷重を負荷ルに基づく解析によって，実験結果の傾向をそれぞれした状態で引抜いた。この際，引抜速度を1 m/min，よく再現している。この結果は，金型表面形状制御は，摺動距離を250 mmとした。押付荷重は，1回目を1.96 押付荷重増加に伴い摩擦係数を増加させる掘起し効果 kNとし，その後，かじりが発生するまで1.96 kNずつと，高押付荷重下で摩擦係数を減少させる油だまり効段階的に増加させ，各押付荷重における引抜荷重から果の両方に影響を及ぼすことを示唆する。摩擦係数を求めた。 3 結果と考察 3-1 FEM解析結果 2段ショット条件の高押付荷重（30 kN以上）におけるFEM解析では，工具表面凸部による押込変位が引抜時に増大し，異常変形を生じて計算が強制終了した。 2段ショット，押付荷重 FP:30 kNにおける引抜後の相当応力分布を図2に示す。この条件での相当応力の最大値は1449.6 MPaであり，見かけの平均接触面圧の約 15倍を示すことから，局所的に極めて大きな負荷が生じたことが明らかとなった。また，擬似潤滑油モデルを用いた場合を除く全ての条件において，押付荷重増加に伴い，掘起し効果による見かけ摩擦係数の増加が認められた。それに対し，擬似潤滑油モデルを適用した場合には，押付荷重増加図3 に伴って摩擦係数が減少した。この現象は油だまり効各表面処理における摩擦係数と押付荷重の関係果に対応するものであり，擬似潤滑油モデルの妥当性 4 まとめを示している。金型－鋼板摺動面の局所的な弾塑性変形のFEM解析を行い，表面形状に応じて潤滑油の有無を考慮したモデルに基づくFEM解析によって，摺動試験結果を再現することに成功した。金型表面形状制御は，掘起し効果だけでなく，高押付荷重下で発揮される油だまり効果にも寄与するとの結論が得られた。 5 掲載文献 HTM Journal of Heat Treatment and Materials, Vol.70, pp.26-32(2015) 図2 高押付荷重時の相当応力分布(2段階ショット) - 88 -