サーボプレスの多様なモーションを利用した塑性加工- 荷重低減，焼付き防止，せん断面品質向上 -

横浜国立大学 前野智美

板鍛造

（株）サイベックコーポレーションHPより

サーボプレスのフリーモーションを活用した塑性加工- 荷重低減，焼付き防止，せん断面品質向上 -

•自己紹介

•モーション制御を応用した最近の塑性加工

•板鍛造

•荷重振動鍛造による荷重の低減とメカニズム

•ステンレス鋼部品の段差付け加工

•荷重振動によるボンデフリー鍛造

•振動モーションによる厚板切り口面性状向上

振動しごき加工

古閑伸裕 ほか, 1050 アルミニウム板のNC サーボプレスを用いた振動深絞り加工としごき加工， 軽金属 Vol.57No.6 (2007) 240– 244.

振動 あり振動なし

A1050 しごき加工往復を含む振動

潤滑油流路パンチとサーボプレスのモーション制御を活用したパルス穴あけ加工法

潤滑剤

穴付パンチ（超硬）

ビレットAA6061-T6コンテナ

下降 上昇 下降穴径 6mm深さ 36mm

振動 4回：焼付きなし振動なし：焼付き

縦横比20の深穴加工

R. Matsumoto et.al., Prevention of galling in forming of deep hole with retreat and advance pulse ram motion on servo press. CIRP Annals – Manufacturing Technology 60 (1) (2011) 315– 318.

後方押出し

590MPa級鋼板

Y. Tamai et.al., Improvement of formability in stamping of steel sheets by motion control of servo press, Steel Research International 41 (9) (2010), Supplement Metal Forming 2010, 686-689.

成形途中で板押さえ退避

摩擦

係数

すべり距離 [mm]

退避あり

退避なし

引抜き試験

割れ

退避なし 退避あり

冷間プレス成形におけるサーボプレスのモーション制御を用いた成形性向上

20

15

10

5

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3時間 [s]

パン

チ荷

重[k

N]

1.4kN 応力緩和

1.6 sSUS304を球頭パンチでコイニング

SUS304ダイ

球頭パンチ

久野拓律，田村慎太郎, サーボプレスにおけるモーションと製品品質の関係，平成24年塑性加工春季講演会講演論文集 (2012)117-118．

スライド停止を用いた 応力緩和現象

クランクモーション ステップモーション 1s停止4回

スラ

イド

位置

時間

引張試験にステップモーションを適用して詳細な検討

板厚

減少

中心からの距離 [mm]

山下裕之 ほか, 応力緩和減少を利用したひずみ分散化による深絞り向上技術， Honda R&D Technical ReviewVol.24 No.1 (2012) 142– 148.

JAC590Y

応力緩和減少を利用したひずみ分散化による深絞り性向上

加工発熱による温度上昇の均一化による形状制度向上

T. Ishikawa et al., Control of thermal contraction of aluminum alloy for precision cold forging， CIRP Annals -Manufacturing Technology Vol.63 No.1 (2014) 289– 292.

クランク 下死点保持 パルス

パルス

下死点保持

クランク

ステアリングピニオン歯筋精度向上

小坂田宏造・石川孝司・小野宗憲・森下弘一・安藤弘行（2010）, 精密鍛造，日刊工業新聞社

リストライクによるスプリングバックの提言

菅沼俊治，サーボプレスの板成形への適用，塑性と加工 49-565 (2008) 118-122

引張圧縮

圧縮

振動スプライン成形における摩擦制御による形状精度安定化

成形荷重P. Groche et al., Friction control for accurate cold forged parts, CIRP Annals - Manufacturing TechnologyVol.63 No.1 (2014) 285– 288.

軸へのスプライン成形

焼付き防止 摩擦制御

素材のバラツキによる精度欠陥を防止

油圧シリンダ荷重コントロール

成形荷重

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•板鍛造

•荷重振動鍛造による荷重の低減とメカニズム

•ステンレス鋼部品の段差付け加工

•荷重振動によるボンデフリー鍛造

•振動モーションによる厚板切り口面性状向上

曲げ，絞り成形，せん断絞り，押出し，据込み，せん断，半せん断，FB

板内か板外側の形状管理が主板厚管理：ネッキングなし

減少率xx%以内成品の断面形状を作る

減肉

増肉まま

肩半径大

破断面プレス

ボス

鏡面段差

肩半径極小

板鍛造

板鍛造と板金プレスのちがい

摩擦大

平均圧力 2 2 / 2 1変形抵抗：σY

摩擦係数：μr0h

薄くなると指数的に増加

5

/

4

3

2

1

0/

2 4 6 8 10 12

μ=0.5 0.2 0.15

0.1

0.05

摩擦の影響大

板鍛造における荷重増大の問題

機能部品→精度

厚さ精度

だれ

平面度

せん断面鏡面

板鍛造成品：高精度が求められる サーボプレスのフリーモーションを活用した塑性加工- 荷重低減，焼付き防止，せん断面品質向上 -

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•板鍛造

•荷重振動鍛造による荷重の低減とメカニズム

•ステンレス鋼部品の段差付け加工

•荷重振動によるボンデフリー鍛造

•振動モーションによる厚板切り口面性状向上

ACサーボプレス フリーモーション

サーボモータ

クランク

クランク式サーボプレス

成形途中における除荷

クランク

振動

時間

スラ

イド

位置

サーボプレスを用いた荷重振動鍛造

振動モーション平均除荷率70～80％，除荷回数６回

素材

圧縮工具

サーボプレスを用いたすえ込み実験

振動なし

ストローク s [mm]

圧縮

荷重

F[k

N]

0 0.5 1 1.5 2

50

100

150

200

250

300

振動あり

振動モーションとクランクモーションの荷重－ストローク曲線

完全に工具を離さない

0

50

100

150

200

250

300

350

62 64 66 68 70 72 74 76 78最終圧縮率 r [%]

最大

荷重

F f[k

N] 荷重振動なし

荷重振動あり

40%低減

クランクモーションと振動モーションにおける板材圧縮時の最大荷重と最終圧縮率の関係

10mm

2.0mm

端部拡大図

素材

圧縮工具

素材

圧縮工具

α =75%, n=4, Ff =200kN

ストローク

荷重

有限要素シミュレーションによる変形挙動

75% 90%α =0%

腐食部

5mm

(b) 除荷，10分放置(a) 負荷，腐食液注入

腐食液注入

3%NaOH(a)

(b)

腐食実験による隙間の発生の確認

金型素材 潤滑剤

除荷時

負荷時

素材：塑性変形凸形状

面圧

金型：弾性変形凹形状

金型：弾性回復

すきま

潤滑剤浸入

荷重振動による自動再潤滑のメカニズム

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6ストローク [mm]

平均

摩擦

係数

振動なし（Ff=200kN）

振動 α=75%

潤滑機能回復

加工中の摩擦係数の変化

平均

接触

面圧

[GP

a]

圧縮率 r [%]

1.0

2.0

3.0

4.0

5.0

0 20 40 60 80 100

57% 72%

78% 85%

SKD11限界

超硬限界

振動なし

超硬

SKD11振動あり

振動あり

振動なし超硬

工具鋼ハイス

SUS 430素板の荷重振動ありなしにおける平均接触面圧と圧縮率の関係

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•モーション制御を応用した最近の塑性加工

•板鍛造

•荷重振動鍛造による荷重の低減とメカニズム

•ステンレス鋼部品の段差付け加工

•荷重振動によるボンデフリー鍛造

•振動モーションによる厚板切り口面性状向上

試験片：ステンレス合金 SUS430 潤滑剤：水溶性プレス油

荷重振動回数：n = 9回除荷率 ：α = 90%

パンチ

素材 粘土

潤滑剤

3

圧縮板SKD11

ダイス超硬

⌀14

粘土

⌀10 圧縮率 r = 素材厚さ－フランジ厚さ素材厚さ

潤滑剤浸漬を用いたステンレス部品の段差付け加工

塗布，振動あり浸漬，振動あり

2 mm

塗布，振動なし

圧縮率 62%における段差付け加工後の断面

h 1

底部

ひけ

深さ

h 1[m

m]

0.2

0.4

0.5

25 50 75フランジ圧縮率 r [%]

0

0.3

0.1

振動なし

塗布浸漬

振動あり

塗布浸漬

55% 62%

段差付け加工における底部ひけ深さとフランジ圧縮率の関係

1500135012001050900750600450300150

0

接触面圧[MPa]0.20.10.0

接触面圧[MPa]

除荷前 除荷 除荷前 除荷

有限要素シミュレーションによる除荷時の金型と素材の接触面圧

荷重振動鍛造

• 自動的に素材を再潤滑

• 金型の弾性回復時に素材との間に生じた隙間に潤滑剤が浸入

成形荷重大低減板の圧縮 荷重1/2• 金型破損防止• 型材質低グレード化• プレス機小容量化

寸法精度向上• 平面度• だれ• へこみ

表面性状向上• 焼付き防止• 粗さ

ま と め サーボプレスのフリーモーションを活用した塑性加工- 荷重低減，焼付き防止，せん断面品質向上 -

•自己紹介

•モーション制御を応用した最近の塑性加工

•板鍛造

•荷重振動鍛造による荷重の低減とメカニズム

•ステンレス鋼部品の段差付け加工

•荷重振動によるボンデフリー鍛造

•振動モーションによる厚板切り口面性状向上

滑り：大

表面拡大率：数十～１００高面圧：2～3GPa

温度上昇:200～300°C

鍛造における厳しい摩擦条件

脱脂 水洗 酸洗 水洗 化成 水洗 中和 石鹸皮膜 乾燥

汚 泥重金属排水 • 廃棄，エネルギーの問題

• 30分程度の処理時間• バッチ処理

素地

リン酸塩皮膜

金属石けん

未反応石けん 離型

低摩擦

耐焼付き高密着

1935 ドイツで実用非常に高い耐焼付き性能多くの素材に適用が可能

リン酸塩皮膜+石鹸処理（ボンデ処理）

耐焼付き性：低表面密着性低い環境負荷：小塗るだけ低コスト

液体潤滑剤

成形方法で向上

スラ

イド

位置

時間

振動

素地

無機成分（高密着，耐熱）

潤滑成分

1液潤滑剤ボンデ処理皮膜

素地

石鹸皮膜

高分子樹脂

結合剤

2液2層潤滑剤

ボンデ処理皮膜の構造を模擬，初期の潤滑性能をなるべく維持

荷重振動による自動再潤滑を応用

素地

リン酸塩皮膜

金属石けん

未反応石けん 離型

低摩擦

耐焼付き高密着

ボンデ処理に代わる潤滑 振動後方押出しによる自動再潤滑方法

スラ

イド

位置

時間

潤滑性能低下 負圧発生

供給

容器

パンチ

容器

スプライン歯

パンチ

未充満による隙間

スライド

ロードセル

パンチ

ダイス

レーザー変位計

3.4

1.35

⌀13

3⌀5⌀12.7

0.5

材質 硬さ [Hv] 表面粗さ [μmRa]ビレット S10C，焼鈍し 103パンチ SKH51，焼入れ・焼戻し 856 パンチランド : 0.04

ダイス SK3，焼入れ・焼戻し 675 内壁: 0.51

潤滑剤硫黄添加油性潤滑剤低粘度: ν = 130 mm2/s, 高粘度: ν = 560 mm2/s

Billetダイス

⌀ 21

ビレット:⌀ 20.5 ×15mm

潤滑剤

荷重振動パンチ

振動後方押出しによるスプライン成形に用いた工具

0

2

4

6

8

10

12

時間 [s]

下死

点か

らの

スラ

イド

高さ

[mm

]

ビレット接触

2 4 6 8 10 12 14 16 18

振動なし

t

n =19, t = 0.0s n=19, t =0.5s

モーション 振動回数 n 上昇量[mm] 保持時間 t [s] 速度[mm/s]振動なし 0 – – 23振動あり 4 ,19 1.2 – 12.5振動あり，保持あり 4, 9, 19 1.2 0.2, 0.5, 1.0 12.5

スライド1.2mm

0.3

mm

振動後方押出しに用いたスライドモーション形式

（a）振動なし （c）振動あり，保持ありn=19, t =0.5s

（b）振動あり, 保持なしn =19, t = 0.0s

振動後方押出しによるスプライン成形

ストローク s [mm]0

50

100

150

200

250

2 4 6 8 10 12

振動なし

押出

し荷

重[k

N]

n =19, t = 0.0 s

n = 19, t = 0.5 s

振動後方押出しにおける押出し荷重―ストローク曲線 （低粘度）

（a） 振動なし （c） n = 19, t =0.5s(b) n = 19, t = 0.0s

振動後方押出しによって成形されたスプライン容器（低粘度）

1mm

低粘度 高粘度

n = 19, t = 0 s振動なし n = 19, t = 0 s振動なし

パンチ

ｽﾌﾟﾗｲﾝ容器われ

割れ

保持なし，振動ありとなしにおけるパンチドおよびスプライン容器表面

パン

チス

プラ

イン

容器

t = 0.2 s t = 0.5 s t = 1.0 s

オイルピット

保持時間がパンチおよびスプライン容器表面に及ぼす影響(n=19，低粘度)

保持

時間

t[s]

1.2

0

0.4

0.6

1.0焼付きなし

焼付きあり

5 15 2010振動回数 n [-]

0.8

0.2

成形時間:6.5 s 14.2 s 23.9 s

15.9 s

振動回数および保持時間が焼付きに及ぼす影響（低粘度）

0 5振動回数 n [-]

4.1 s

2.5 s

2.0 s

(b) 上昇量 2.4 mm(a) 上昇量 1.2 mm

(c) u = 2.4mm t = 0.5s(b) u = 2.4mm, t = 0s

(a) u = 1.2mm, t = 0.5s

-30

0

-10

-20

10

20[μm] オイルピット; 10μm

≈15~20μmオイルピット; ≈15~20μm

上昇量1.2 , 2.4mmで成形されたスプライン容器オイルピット深さ（n = 4）

負圧; 小保持必要

潤滑供給：小オイルピット：浅

負圧;大保持不用

潤滑供給：大オイルピット：深

上昇量

(a) 上昇量; 小 (b)上昇量; 大

上昇量; 供給量を制御保持；小さい負圧で十分な供給

振動押出しにおける上昇量とスライド保持

損傷

油の噴出による損傷

潤滑剤ポケット

隙間

潤滑剤ポケットパンチ

潤滑剤ポケットビレットパンチv=28.5 mm3

50.5 mm3

潤滑剤ポケットパンチ，ポケットビレットによる振動後方押出し

パン

チス

プラ

イン

容器

ポケットパンチ振動なし

1mm

200μm

ポケットパンチ ポケットビレット

潤滑剤ポケットパンチを用いたスプライン成形後のパンチおよびスプライン容器 (n = 19, t = 0 s)

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•自己紹介

•モーション制御を応用した最近の塑性加工

•板鍛造

•荷重振動鍛造による荷重の低減とメカニズム

•ステンレス鋼部品の段差付け加工

•荷重振動によるボンデフリー鍛造

•振動モーションによるステンレス厚鋼板の切り口面性状向上

ステンレス厚鋼板の穴抜き加工における振動モーションを用いたせん断面品質向上

前野智美(横浜国大)，菅原 稔（豊橋技科大），森謙一郎（豊橋技科大）

板鍛造製品の切り口

機能面：歯車，嵌合部

せん断面

ﾌｧｲﾝﾌﾞﾗﾝｷﾝｸﾞ シェービング

スラ

イド

位置

時間

振動

複動プレス 2工程，切り屑

対向ダイス

簡便

慣用せん断，仕上げ抜き

焼付き

振動モーション

厚板の穴抜き，せん断における問題点

凝着

切り口表面に引張り

凝着 むしれ傷パンチ側からのクラック

滑り：大

締付け：大

摩擦力：大

引抜き荷重：大

粉末工具⇒破断コーティング⇒剥離，摩耗

振動モーションを用いた穴抜き加工方法

脆性材料の

振動上下抜き[1]

[1]北條ら，塑性と加工，5-8 (1964)，203-209[2]山内ら，塑性と加工，10-99(1969)，261-268[3]松井ら，塑性と加工，19-214(1978)，934-941[4]古閑ら，塑性と加工，48-558 (2007)，645-649

超音波振動付加[2,3]

超音波

サーボプレスを用いた

かえり無しせん断[4]

カウンターパンチ

フェノール樹脂

フェノール樹脂アルミニウム

低サイクル振動カウンターパンチレス

自動再潤滑機能を有する振動モーションを用いた穴抜き加工方法

パンチ

板材

板押さえ

潤滑剤

ダイス

再潤滑負圧

加工前 パンチ下降 パンチ上昇

振動モーションを用いた穴抜き加工に用いた工具寸法および穴抜き条件

1

1

平坦パンチ 丸み付きパンチ（仕上げ抜き）

硫黄系油性潤滑剤130mm2/s

ダイス⌀14

10

SUS430 焼鈍しSUS304 焼鈍し

クリアランス/板厚 c= 1, 5, 10%

平均穴抜き速度振動なし：13 mm/s振動あり：10 mm/s

パンチ:SKH11

振動ありとなしにおけるSUS430鋼板の穴抜きの様子

振動なし 振動あり

パンチ

板押え

平坦および丸み付きパンチによる振動ありとなしで穴抜きされたSUS430材穴切り口面およびパンチ先端（c = 5%）

振動なし 振動あり

平坦パンチ 丸み付きパンチ

穴パ

ンチ

先端

振動なし 振動あり

0.5mm

SUS430材の穴抜きにおける振動ありとなしの各ストロークにおける穴切り口面(c = 5%)

(a) 振動なし

s = 3.6 mm s = 5.4 mm s = 7.2 mm s = 9.0 mm

(b) 振動あり

SUS430材の穴抜きにおける振動ありとなしにおける挙動の違い（c = 5%，s = 9.0 mm）

(a) 振動なし (b) 振動あり

クラック

焼付き傷 剥離状の傷

材料流動

振動ありとなしにおけるSUS430材打抜き時の荷重―ストローク線図（c = 5%）

スライドストローク s [mm]

20

40

60

80

100

120

140

160

180

0 2 4 6 8 10 12

パンチ荷重

[kN]

振動なし

振動あり

振動ありなしによる各クリアランスにおける切り口面（sus430，丸み付きパンチ）

c = 1% c = 3% c = 5% c = 10%

(a) 振動なし

(b) 振動あり全せん断

ま と め

振動鍛造では潤滑機構が変わります．

潤滑性能維持 潤滑性能回復

高性能潤滑剤アプローチ 振動鍛造アプローチ

板鍛造，鍛造，せん断において良い結果

今後の課題：成形時間短縮，モーション設計手法の確立，有限要素法への反映

関連文献リスト（論文）

1. 前野智美，小坂田宏造，森謙一郎，荷重振動による板鍛造における摩擦低減，塑性と加工，50-585 (2009), 951-955.

2. T. Maeno, K. Osakada, K. Mori, Reduction of Friction in Compression of Plates by Load Pulsation, International Journal of Machine Tools & Manufacture, 51-7-8 (2011) 612-617.

3. T. Maeno, K. Mori, A. Hori, Application of load pulsation using servo press to plate forging of stainless steel parts, Journal of Materials Processing Technology, 214-7 (2014), 1379-1387.

4. 前野智美，サーボプレスを用いた摩擦を低減する荷重振動鍛造，プレス技術，50-12 (2012), 81-92.

5. 前野智美，サーボプレスを用いた摩擦を低減する荷重振動鍛造，型技術，27-10 (2012), 23-27.

6. 前野智美，荷重振動鍛造による成形荷重低減とボンデフリー化，プレス技術，52-7 (2014), 24-27.

関連文献リスト（学会）

1. すえ込み加工における途中除荷による摩擦の低減，第59回 塑加連，341.2. 荷重振動による軸付きフランジ部品のフランジ成形における摩擦の低減，第

60回 塑加連，97.3. 板鍛造における荷重振動を用いたステンレス鋼部品の段差付け加工 平23

塑加春, 1.4. 板鍛造における潤滑浸漬荷重振動による摩擦低減，平24塑加春,123.5. ステンレス鋼平歯車の荷重振動板鍛造，平25塑加春, 81.6. サーボプレスを用いた振動後方押出しによる内スプライン成形における焼付

きの抑制 平26塑加春, 259.7. 内スプラインの振動後方押出しにおける振動モーションの最適化および潤滑

ポケットビレットによる成形時間の短縮，第65回 塑加連, 281.8. サーボプレスを用いた振動後方押出しによる内スプライン成形品の表面性

状の向上，平27塑加春,13.9. ステンレス厚鋼板の穴抜き加工における振動モーションを用いたせん断面

品質向上， 平28 塑性加工春期講演会