塑性加工実験

Team １

1041118

森本 伊織2012.11.12

生産材料科学実験Ⅱ

目次

• 背景

ー押出し加工とはなんぞや？

• 目的

ーデッドメタル、ダイス角、断面減少率の影響検討

• 原理

ー材料の流れ、上限法、上界定理、軸対称変形問題

• 方法

ー装置、試験片、手順

• 結果

ーダイス角と押出し比の組み合わせによる押出し力

• 考察

ーなんでこんなグラフになってんねん！！

• 感想

ーふぅ…

2

背景

• 押出加工とは、塑性加工の一種であり、耐圧性の型枠に入れられた素材に高い圧力を加え、一定断面形状のわずかな隙間から押出すことで求める形状に加工する方法である。

3

目的

1. 上界法による押出し力の算出方法を理解する。

2. 押出し力に及ぼすダイス角および断面減少率の影響を検討する。

3. デッドメタルの形成が押出し力に及ぼす影響について検討する。

4

原理(1/3)

• 上界法による押出し力の算出。

5

原理(2/3)

6

(なるほど、分からん)

原理(3/3)

• 押出加工における材料の流れを４タイプに分類し、図１に示す。

• Ａ型は材料とコンテナの間の摩擦がない理想的な状態で，均質な材料を押し出す場合である。

• Ｂ型は摩擦が少ない状態で，均質な材料を押し出す場合である。

• Ｃ型は摩擦があって均質な物質を押し出す場合である。

• Ｄ型は摩擦があって不均質な物質を押し出す場合である。ダイス開口部近辺に材料がほとんど流動しない領域がある。これをデッドメタル（dead metal）といい，この領域が押出されると材料の中に酸化された表面層が巻き込まれ不良品になる。

7

方法(1/2)

8

• コンテナに所定のダイスを設置する。

• 試験片に潤滑油を十分に塗布し，コンテナに充填する。

ダイス

方法(2/2)

9

• ポンチをセットし，押出し試験装置をRU 式油圧型万能試験機のステージ上に設置する。

• 下部クロスヘッドを適当な高さに移動し，荷重をかける。

• 押出し加工を行い，定常状態になったら押出し力を測定する。

• ダイスを変え，繰り返し実験を行う。

ダイスの種類と実験結果

ダイス角

[deg] 60 90 120 150 180

押出し比[-]

4 31556 26852 24696 27244 25725

9 42777 33418 35260 32781 34006

16 52234 42355 40552 40630 76244

25 77812 66836 60270 66816 4802010

[N]

押出し比とは

金型の材料を押し付ける側の断面積を

最終的に材料が出て行く側の穴の断面積で割った値であり、

左図から、 が押し出し比となる。

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図示

12

0

10000

20000

30000

40000

50000

60000

70000

80000

90000

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200

押出し力

[N]

ダイス角[deg]

ダイス角と押出し力の関係

押出比：４

押出比：９

押出比：１

６

考察(1/3)‐ダイス角と押出し力の関係が下に凸である

13

0

10000

20000

30000

40000

50000

60000

70000

80000

90000

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200

押出し力

[N]

ダイス角[deg]ダイス角と押出し力の関係

(曲線近似)

押出比：４

押出比：９

押出比：１６

押出比：２５

Poly. (押出比：４)

Poly. (押出比：９)

Poly. (押出比：１６)

Poly. (押出比：２５)

考察(2/3)‐押出し比が大きいほど押出し力も大きくなる

14

0

10000

20000

30000

40000

50000

60000

70000

80000

90000

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200

押出し力

[N]

ダイス角[deg]

ダイス角と押出し力の関係

押出比：４

押出比：９

押出比：１

６

押出し比とは（再掲）

金型の材料を押し付ける側の断面積を

最終的に材料が出て行く側の穴の断面積で割った値であり、

左図から、 が押し出し比となる。

15

原理(2/3)（再掲）

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(なるほど、分かった)

考察(3/3)‐ダイス角180°押出し比25で押出し力が低下

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0

10000

20000

30000

40000

50000

60000

70000

80000

90000

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200

押出し力

[N]

ダイス角[deg]

ダイス角と押出し力の関係

押出比：４

押出比：９

押出比：１

６

原理(3/3)（再掲）

• 押出加工における材料の流れを４タイプに分類し、図１に示す。

• Ａ型は材料とコンテナの間の摩擦がない理想的な状態で，均質な材料を押し出す場合である。

• Ｂ型は摩擦が少ない状態で，均質な材料を押し出す場合である。

• Ｃ型は摩擦があって均質な物質を押し出す場合である。

• Ｄ型は摩擦があって不均質な物質を押し出す場合である。ダイス開口部近辺に材料がほとんど流動しない領域がある。これをデッドメタル（dead metal）といい，この領域が押出されると材料の中に酸化された表面層が巻き込まれ不良品になる。

18

デッドメタルとは

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デッドメタル(左図赤塗部分) の酸化された表面に沿って材料が流れるので摩擦が少なくなり、材料の全てがダイスを通して変形しているわけではないので押出し力が低下したと考えられる。

まとめ

• 基本的に、押出し比が大きければ大きいほど、荷重は大きくなる。

• ただし、押出し比が大きく、ダイス角も１８０°と大きい場合では酸化されたデッドメタルの表面に沿って材料が流れるので摩擦力が減少し、押出し力が低下する。

20

感想

塑性変形

21

感想

奥深い。22

ご静聴ありがとうございました

付録APPENDIX

考察(1/3)‐ダイス角と押出し力の関係が下に凸である

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0

10000

20000

30000

40000

50000

60000

70000

80000

90000

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200

押出し力

[N]

ダイス角[deg]ダイス角と押出し力の関係

(曲線近似)

押出比：４

押出比：９

押出比：１６

押出比：２５

Poly. (押出比：４)

Poly. (押出比：９)

Poly. (押出比：１６)

Poly. (押出比：２５)

原理(2/3)（再掲）

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Excelさんの力を借ります。

理論値(Wsa=Wsb,押出し比16)

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0

5000

10000

15000

20000

25000

40 60 80 100 120 140 160 180 200

Wsa=W

sb[N]

ダイス角[deg]

Wsa=Wsbとダイス角の関係

Wsa=Wsb

理論値(Wf,押出し比16)

28

0

100

200

300

400

500

600

700

800

40 60 80 100 120 140 160 180 200

Wf[N]

ダイス角[deg]

Wfとダイス角の関係

Wf

理論値(Wd,押出し比16)

29

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

40 60 80 100 120 140 160 180 200

Wd[N]

ダイス角[deg]

Wdとダイス角の関係

Wd

理論値(比較,押出し比16)

30

0

5000

10000

15000

20000

25000

40 60 80 100 120 140 160 180 200

Wa=Wb,W

f,Wd[N]

ダイス角[deg]

Wa=Wb,Wf,Wdとダイス角の関係

Wsa=Wsb

Wf

Wd

断面減少率＝

（素材断面積)－(加工後断面積）

(素材断面積)

つまり、

押出し比が大きい＝断面減少率が大きい

＝ダイス穴径が小さい

×１００％

断面減少率とは

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利点

• 製造プロセスとしての利点は、非常に複雑な断面形状を形成できる点と、素材にかかる応力が圧縮応力とせん断応力だけであるためもろい素材も成形できる点である。

• また、押し出された表面は非常に滑らかになり仕上げが不要である。

• 押出成形は理論的には無限に長い物体を形成でき、実際にも多数の部品を連続的に製造できる。

• 押出成形プロセスは熱い素材にも冷たい素材にも適用可能である。

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表面層の流れ

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４年生の研究内容

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１１月１日中間ポスター発表川井研究室

背景・方法

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雑感

• 「だからなんやねん」感の払拭

• プロダクトが具体的にイメージしやすい

• なぜなら、理学より工学寄りだから

• それによって、学問と社会（産業）とのつながりが見えた

• 産学連携ビジネスでちゃりんちゃりんが個人的に魅力的

• なぜなら、ニーズがあってこその技術シーズだと思うから

• だって、ミッションがあるのはかっこいいし、

• いいものを作れば売れてた時代は終わったじゃん

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