アルミニウム合金プレス加工におけるかじりの開始の検出、パート I

編集者注: この研究は 3 部構成で紹介されています。 パート II では、D2 工具鋼インサートと 2 種類の表面コーティングの結果を報告します。 パート III では、窒化およびハードクロム処理された D6510 および S0050A インサートの結果について説明します。

かじりとは、板金粒子をスタンピング金型の表面に冷間溶接することです。 この永久的な堆積物は、金属表面が互いに接触して滑るときによく発生します。

オークランド大学先端製造材料センター (CAMM) の研究者らは最近、アルミニウム構造部品をプレス加工する際のカジリを防ぐために、金型材料、金型表面処理、および潤滑剤のどの組み合わせが最も好ましいかを判断する研究を実施しました。 彼らは、金型材料として D6510 ダクタイル鋳鉄、S0050A 鋳鋼、D2 工具鋼を使用し、さらに 3 つのテスト済み材料のインサートを使用し、潤滑剤の量と表面処理はスタンピングで通常使用されるようにしました。

研究者らは、厚さ 2.5 mm の AA5754 アルミニウム シートをプレス加工する際の、かじりの開始に対応する平均接触圧力を推定するために、単純な平面から平面へのテスト構成を選択しました。 接触面が 42 × 42 mm で、材質が同じで、粗さと潤滑量が同様の 2 つの平らなインサートを、制御可能なクランプ力でドロービード シミュレータ内でクランプしました (図 1 を参照)。 試験したストリップは長さ 600 mm、幅 50.8 mm でした。 この構成では、ストリップはテストされたインサートよりも幅が広かった。 インサートのエッジ半径は 1.5 mm であるため、ストリップとダイインサート間の接触エッジの影響はそれほど顕著ではありませんでした。

試験されたストリップは、2 つのクランプされたインサート間で 1,000 mm/min で引っ張られました。 報告されたすべてのテストについて。 保持力は、ドロービードシミュレーターの可能な最小保持力である 13 kN から始まり、かじりが観察されるクランプ力レベルまで増加しました。 シート材料がインサート表面に堆積した場合、研究者は 1,200 グリットのサンドペーパーで堆積物を除去し、次にアセトンを使用して汚れや粒子を除去しました。

3 つの潤滑条件を比較しました: 61AUS ミル オイル (50 mg/ft.²)、Drycote 2-90 (DC 2-90)、および潤滑剤なしの乾燥。 NG2 センサーは、ストリップ試験エリアの両側の 6 か所で潤滑油の厚さを測定しました。

かじりは、板金表面の傷が先行して発生することが多く、試験機で引っ張り力/滑り変位曲線を監視することで、全体的な傷やかじりを検出できます。 実験中に引っ張り力がほぼ一定のままであれば、テストされた板金からの追加の抵抗が発生しなかったことを意味します。

研究者らは、引っ張り力と接触面の変化の検出に関する結果を報告すると同時に、クーロン摩擦の法則に基づいて決定された平均摩擦係数 (COF) の形で結果を提示しました。 摩擦力は、2 つの対向する平らなインサートの間に引き出されたストリップの両側に作用し、COF は式 µ = F₁/2F₂ を使用して計算されます (図 2 を参照)。

研究者らは、インサートを検査し、Bruker 表面形状計を使用してかじり領域を測定することによって、かじりの始まりを判断しました。 図 3 は、DC2-90 潤滑剤でかじりを測定した場合の両方の D6510 インサートを示しています。 プロファイル上の堆積物は赤色で表示されます。 ダイインサート表面上のアルミニウムブランクの堆積は、インサートの端に近いほど一般的であることに注意してください。 ストリップの幅がインサートよりも広い場合でも、インサートのエッジに近い領域では、接触面から潤滑剤を絞り出すのが容易になる可能性があります。

研究者らは、インストロンのロードセルで測定した引っ張り力と、ドロービードシミュレーターの油圧シリンダー内の圧力から計算したクランプ力を使用して、式に従ってCOFを計算しました。 DC2-90 潤滑剤を使用した D6510 インサートの COF 曲線を図 4 に示します。全体として、DC2-90 では COF が非常に低く、複雑な形状の成形やより深い絞りが可能です。 通常、COF の適度な増加はシート表面の傷を示し、急激な上昇はかじりの開始を示します。 図 4 では、曲線は 70 kN の力で上昇し始めます。

図 1. 接触面が 42 x 42 mm の 2 つの平らなインサートがドロービードシミュレータで一緒にクランプされました。

インサートに付着物が現れると同時に傷が発生することがよくありますが、DC2-90 を使用した D6510 の場合、インサートにかじりが発生する前に、クランプ力 40 kN で傷が発生しました (図 5 を参照)。 クランプ力が増加すると、70 kN の力でかじりが観察されるまで、より多くの傷が発生しました。

50 mg/ft.2 の 61AUS を使用した S0050A インサートの場合、かじりは 45 kN のクランプ力で始まりました。 DC2-90では50kNからかじり​​始めました。 潤滑剤を塗布しないと、13 kN のクランプ力でかじり始めました。

50 mg/ft.2 の 61AUS を使用した D6510 インサートでは、かじりは 40 kN で始まりました。 DC2-90 を使用した同じインサートの場合、かじりは 70 kN で始まり (40 kN で傷が観察されました)、潤滑剤を塗布しなかった場合、かじりは 13 kN のクランプ力で始まりました。

図6は、試験前のインサート表面粗さを考慮した、かじりに対応する平均面圧をまとめたものです。 試験前のインサート表面の初期粗さは、S0050A で 606 nm、D6510 で 165 nm でした。 50 mg/ft.2 の 61AUS を使用した S0050A インサートの場合、かじりは平均接触圧力 26 MPa で始まりました。 DC2-90 を使用した同じインサートでは、28 MPa でかじり始め、乾燥したインサートでは 7 MPa でかじりが発生しました。

50mg/ft.2 の 61AUS を使用した D6510 インサートの場合、かじりは平均接触圧力 23 MPa で始まりました。 DC2-90 では、40 MPa でかじり始めました (ただし、23 MPa でサンプルに傷が観察されました)。 潤滑剤を塗布せず、7MPaで始動しました。

かじり閾値は、DC2-90 潤滑剤を S0050A および D6510 に塗布した場合に最も高く、潤滑剤を塗布しなかった場合に最も低くなりました。 ドライスポットは、かじりの観点からすると確かに非常に有害です。

この研究プロジェクトは、5754 アルミニウム合金コイルを提供した Novelis Corp. からの寄付により、米国自動車研究評議会によって一部資金提供されました。 Ionbond LLC は、テストされたインサートのコーティングを実行しました。 Quaker-Houghton は、潤滑剤とアプリケーションに関する技術的な推奨事項を提供しました。 Stellantis の Dajun Zhou 博士は、非常に有益なコメントを提供し、プロジェクトの結論に関する議論に積極的に参加しました。