研究内容
すべての形ある工業製品は材料を加工することで生み出されています。当研究室では精密機械、医療機器、航空機、自動車、鉄道などへの適用を目指した新しい塑性加工技術を研究しています。さらに、材料特性の評価手法、材料の変形を予測する数値解析技術、接合技術、製造された製品の性能までを総合的に考えたモノづくり研究を推進しています。
1．温度勾配付与引抜き加工における加熱温度が残留応力におよぼす影響（学部４年 江幡克海，石川毅之朗）
自動車や精密機器のシャフト等に用いられる棒線材は主に引抜き加工により生産されています。しかし、引抜き加工は加工中の変形が不均一であることから棒線材の表層部に引張り、中心部に圧縮の残留応力が発生します。素材に生じた残留応力は二次加工や熱処理の際の変形の原因となるほか、表層部に生じた引張りの残留応力は疲労強度を低下させます。従って、変形抑制のためには残留応力を低く、一方で疲労強度向上のためには表層に圧縮残留応力を付与することが有効です。
本研究では、引抜き加工工程のみで棒線材の残留応力を自由に制御することを目指して、棒線材の半径方向に温度勾配を付与した状態で引抜き加工を行う方法を新たに開発しました（特許出願済）。X線回折、スリッド法により残留応力値を測定し、コンピュータ上で同じ条件で作成したモデルの解析実験を並行して行い効果とメカニズムの検証を進めています。
2．自動車車体骨格における側面部に穴がある場合の有効幅計算式の検討（学部４年 武石悠輔，学部４年 大塚優真）
自動車には，燃費や車両運動性能の向上を目的とした軽量化と衝突安全性の向上が求められており，近年の車体骨格には，高張力鋼板を用いた軽量化が進められています．そして，衝突性能開発の初期設計として，有効幅計算式を用いた断面強度計算が行われる場合があります．しかし，有効幅の基本的な式では高強度材の検証を行っておらず，高張力鋼板に対して適用できるか不明確でした．また，実際の骨格部材には，エアコンダクトやスポット溶接のための穴が設定されることがあり，これらの穴が強度や応力分布に及ぼす影響は不明確でした．そのため，本研究ではFEM 解析を用いて高強度材まで適用可能な有効幅計算式の考案，側面部の穴寸法が強度や応力に及ぼす影響の解析を目的としています．
3．強制潤滑を用いたハイドロフォーミングの研究 修士2年 三上拓徒，修士1年 天野由紀子）
近年，低燃費な車が社会的に求められています。そのために、車体の軽量化が必要であり、この課題に対して検討しているのがハイドロフォーミング部材です。ハイドロフォーミングとはパイプの内側から圧力をかけて膨らまし、金型形状を転写することで目的の形状に成形する加工方法です。曲げ成形された部品は溶接が必要なのに対して、この加工方法は溶接不要かつ高強度なパイプを成形することができるので、車体の軽量化に繋がります。しかし、この加工方法は複雑なので、いくつか問題点があります。そのうちのひとつが、金型とパイプの間に摩擦が発生することにより発生する、肉厚の不均一化です。
この問題に対してはこれまでの研究で、金型とパイプの間に強制的に潤滑剤を流し込むことで摩擦を低減させるという新しい加工技術の開発（特許出願済）を行い、実証実験にて肉厚の均一化を確認しました。
本研究では、様々な条件下での実験、成形特性の検討を行っています。
また、コンピュータを用いて計算を行うFEM解析も実施しています。これによりパイプの変形挙動やパイプにかかる応力など実験時に直接目で見ることができないデータを確認することができ、本技術を開発していくために非常に重要な研究となります。
４．ピストンリングの加工精度向上に関する研究（修士１年 宇賀神匠）
ピストンリングとは、自動車や船舶などのエンジンのピストンに装着するエンジン部品の１つです。“ばねのような張りを持ち閉じると真円になるシンプルなピストンリングは、エンジン燃焼室の苛酷な条件の中で爆発ガスをシールし、潤滑油をコントロールし、熱を逃がし、磨耗や焼き付けを抑える働きをします。”[1]
本研究は、巻き取り形状の精度向上によるプロセス中の加工負荷の低減を目的としています。ピストンリングは、直線の金属線材を3つのロールで曲げ加工を行い、リング状に成形を行っています。各ロールが巻き取り精度に与える影響の検討を、静的陰解法弾塑性有限要素法（FEM解析）を用いて解析を行っています。 本研究は、日本ピストンリング株式会社と共同で行っています。
[1]日本ピストンリング株式会社,自動車関連製品,
https://www.npr.co.jp/products/products02.html#pagetitle01，2021年9月8日
過去の研究
１．モバイルカメラにおける手振れ補正用サスペンションワイヤの耐久性向上構造の研究開発（修士２年 熊本春輝）
スマートフォンのカメラはさらなる高画質化が求められており、近年では光学手振れ補正機能が付加されていることが多いです。光学手振れ補正はサスペンションワイヤを用いた遊びゼロ案内機構（弾性支持法）により、レンズ部を可動にする事で実現されます。即ち、サスペンションワイヤには「レンズ部を高精度に支持すること」「アクチュエータでの動作のための適切な剛性を有していること」「レンズの動作および落下などの使用環境に耐えうる耐久性を有していること」「レンズ部への給電を効率的に行うこと」等の特性が求められます。特に最近では、画質を向上させるためにレンズ部の質量の増加が進んでおり、サスペンションワイヤの疲労耐久性の向上が求められています。そこで、本研究ではサスペンションワイヤの疲労耐久性を向上させるために、撚線構造に着目し，応力の低減効果を有限要素法（FEM）解析と材料力学用いて検討しています。
２．鋼管の伸びフランジ性評価技術の開発（2022年卒 中川崇太）
現在、自動車は環境問題を背景とした、軽量化や衝突安全性の確保が課題として挙げられています。この問題を解決するにあたり、材料の高強度化が進んでいます。しかし、高強度材料を成形していく工程の中で材料破断が発生する可能性が高まるという問題が生じます。これが、車体の軽量化や省エネルギー化を阻む一つの原因になっています。また、通常の鋼板と比較すると、フランジ成形の際にエッジ部から亀裂が入りやすくなっています。板材の成形性については様々な試験法があげられているが、管材の伸びフランジ性を評価する試験法は確立されていません。本研究では、自動車のシャシー部などに利用されることが多い、菅の成形性評価法について、観察者の熟練を必要とせず簡便な新たな試験方法の確立を目的としています。現在、菅の評価方法としてオートグラフを用いた3点曲げを行っており、特許出願済みです。
３．シェブロンクラックによる断線と過大引抜き力による断線の両者を考慮したリスク評価法の検討（2022年卒 花島走）
引抜き加工では過大な引抜き力やシェブロンクラックの発生による断線がプロセスウィンドウを決めています。これまでに引抜き力に対する初等解析モデルは提案されています。また、シェブロンクラック発生に対する定性的知見は提示されています。しかし、実工程の最適条件を探索するには両者を同時に考慮することが不可欠であり本研究ではそれらを同時に考慮して断線リスクを評価する方法を検討しています。具体的にはシェブロンクラックを予測するためにCockcroft-Lathamの延性破壊条件式をFEM解析に組み込んで系統的な解析を行い、その結果を表現できる低減モデルを構築します。これらのモデルに基づき、断線リスクが低くパス数が最小となる加工条件を導出します。