金型の科学: 金属スタンピングにおける摩擦と熱

ゲッティイメージズ

最近私が金属プレス工場にいたとき、金型エンジニアの 1 人が私に深絞りプロセスを見せたがったのですが、彼によれば、これまで金属成形の基礎について学んだすべてを覆すものだと言っていました。 彼は、自分が得た情報の多くは私が STAMPING Journal に書いた記事から得たものだとさえコメントしました。 彼は、ブランクへの潤滑が非常に軽く、プレスラムが非常に速く動いている場合にのみ、金型が良好に機能すると説明しました。 他の絞り加工に関する彼自身の個人的な経験や研究から学んだ情報は、深絞りを成功させるにはより多くの潤滑剤とより遅いラム速度が必要であることを示していたため、これは彼にとって非常に当惑しました。 これはどうやってできるの？

彼は続けて、このツールについて私に話したことを証明しました。 案の定、彼がさらに潤滑油を追加すると、その部品は割れてしまいました。 ラムの速度を下げると、部品が分割されてしまいます。

過去 20 年間、私の記事を読んできた方は、私が「イタチのフレーズ」を多用していることに気づいたかもしれません。私は通常、自分の発言の前に、一般的に言えば、またはほとんどの場合、あるいは断然という言葉を付け加えます。 それは自分の発言に自信がないからではなく、板金プレス加工において絶対的なものは稀であることを学んだからです。 もちろん、私たちはガイドラインと基本的な原則を遵守していますが、それらは単なるガイドラインであり、絶対的なルールではありません。 実は、唯一の絶対的なルールは「絶対的なルールはない」ということです。

一般的なガイドラインは、すべてではありませんが、ほとんどの金属成形および切断作業の基礎として機能します。 データに基づいて適切な意思決定を行うには、ガイドラインだけに頼るのではなく、すべての変数を包括的に理解する必要があります。

私の記事やカンファレンスでは、参加者や読者に、自分たちが形成したり、伸ばしたり、切ったりしている素材を「Silly Putty」として視覚化するように教えるのが好きです。 このおもちゃの化合物の興味深い動作の 1 つは、速く引っ張ると壊れますが、ゆっくり引っ張ると伸びることです。

深絞りまたは延伸されたほとんどの材料は同様の動作をします。 これは、シンク、バスタブ、手押し車などの複雑な深絞り部品が通常、低速の油圧プレスで製造される理由を説明しています。 一般的なクランク駆動機械プレスでは、材料が流れるのに時間がかかるため、速度が速すぎると割れが発生することがよくあります。

深絞り中にパンチが材料に接触する点は重要です。 プレス ストロークのこの時点で、材料はゼロ時間でゼロ速度からラム速度と同等の値まで強制的に上昇します。 金属の流れを開始するのに十分な時間がない場合、過度の伸びと亀裂が発生する可能性があります。

一方、金属の切断は通常、迅速に実行されます。 金属の切断は、失敗するまでの金属の成形と考えてください。 金属の切断では、材料を破壊する必要があるため、過度の速度が望ましいです。

すべての金属の切断および成形作業では、熱と摩擦が発生します。 生成される量は、材料の種類と厚さ、成形形状、工具鋼の種類、シート材料と金型の間の摩擦、成形速度、フィーチャーの成形の厳しさ、挙動など、多くの変数の積によって決まります。潤滑剤の。

熱。 スタンピングプロセスでは、熱は敵にも味方にもなります。 熱が増加すると、成形中の材料の延性と性能が向上します。 このため、一部のダイは適切に動作するためにウォームアップが必要です。 大きな山形鋼を曲げたいときはどうしますか？ 加熱すると簡単に曲がります。

図 1. 多くの潤滑油添加剤は高温にさらされると摩擦係数を劇的に低下させますが、他の添加剤は低温でより効果的に作用します。

これと同じ原理が金属成形にも当てはまります。 実際、これはホットスタンピングプロセスの基礎です。 ただし、場合によっては、過度の熱により工具鋼部分が損傷したり、潤滑剤が適切に機能しなくなったり、燃え尽きたりする可能性があります。 その後、かじりなどの金型の損傷が発生し、割れや工具の早期故障の原因となる可能性があります。

摩擦。 潤滑剤には熱に反応する添加剤が含まれています。 多くの添加剤は高温にさらされると摩擦係数を劇的に低下させますが、他の添加剤は低温でより効果的に作用します (図 1 を参照)。 硫黄などの高温添加剤を含む潤滑剤は、摩擦と発生する熱が高いときに最も効果を発揮します。 しかし、硫黄添加剤は低温では十分に機能しないため、硫黄添加剤の使用温度に達しない場合、金型内の摩擦が高くなります。 これはメタルフロー値が低いことに相当し、伸びが大きくなり、潜在的な故障につながります。

私は時間をかけてそれを証明することはできませんでしたが、次の 4 つの要因により、工具エンジニアの部品がより高い成形速度で分割されなかったのではないかと考えています。

板金の成形と切断には多数の変動要素があるため、当社では絶対的なものではなくガイドラインを設けています。 そのため、世代から世代へと受け継がれてきた部族の知識に頼るのではなく、金属の成形と切断の背後にある物理学を包括的に理解することが重要です。