JP5758284B2 - 鋳造用金型の寿命予測方法 - Google Patents

Description

本発明は、鍛造用金型の寿命を予測する技術に関する。

鍛造用の金型の磨耗を予測する手法としてＣＡＥ解析が知られている（例えば、特許文献１を参照）。

特開２００７−２８３３８５号公報

例えば、被加工材料を金型で加圧し、バリを生じさせながら被加工材料を鍛造する方法がある。本発明者らの解析によれば、この技術においては、金型のキャビティを構成する部分の周囲のバリが押し出される部分（この部分をフラッシュ面という）が大きな摩擦を受け、この部分における磨耗が金型の寿命に主に影響することが分かっている。

ところで、従来技術における鍛造用金型の磨耗予測技術では、多様なパラメータを用いて実験的に導き出した数式を用いて鍛造用金型の磨耗を予測しているが、実際の鍛造用金型の磨耗状態を精度良く予測できるレベルにはない。特に、従来技術による鍛造用金型の磨耗予測シミュレーションは、上述したバリを形成しながら鍛造成形を行う技術における金型の磨耗を予想するには精度が低く、実機に合わせて経験的に磨耗による鍛造用金型の寿命予想を行っているのが現状である。

このような背景において、本発明は、バリを発生させながら鍛造用金型を用いて鍛造を行う技術において、鍛造用金型のフラッシュ面に特化した精度の高い磨耗量の予測技術を提供することを目的とする。

鍛造用金型が一対の金型により構成され、該一対の金型の間において被加工材料の鍛造が行われ、この鍛造時に当該一対の金型に設けられたフラッシュ面に挟まれてバリが発生する鍛造時において、当該鋳造用金型の寿命が前記フラッシュ面における磨耗量によって決定され、バリの移動量および加工当初からのショット数の積と、当該鍛造用金型の前記バリに接触する前記フラッシュ面における磨耗量との関係が正比例の関係にあることに基づく、鍛造用金型の寿命予測方法であって、前記磨耗量を実測によって複数のショット数において求める磨耗量測定工程と、前記バリの移動量をシミュレーションによって求めるバリ移動量算出工程と、前記バリ移動量算出工程によって算出したバリ移動量である、∫Vｄｔに、前記磨耗量測定工程において磨耗量Wが得られた場合における加工当初からのショット数Sを掛け合わせ、W=A（∫Vｄｔ）Sに基づき、比例定数Aを求める比例定数算出工程と、鍛造条件における寿命となる磨耗量となるショット数を算出する寿命算出工程とからなる鍛造用金型の寿命予測方法である。

まず、本発明の原理を説明する。図１は、バリを生じさせながら鍛造を行う原理を説明する原理図である。図１には、鍛造用金型１１，１２によって押されて鍛造処理が加えられる被加工材料１３の様子が誇張して示されている。図１には、上下に分離した鍛造用金型１１，１２、鍛造用金型１１，１２の間に挟まれ圧力を受けている被加工材料（鍛造により加工される金属材料）１３が概念的に示されている。図１において、符号１４の部分がバリであり、このバリ１４を押え付け拘束する金型の部分がフラッシュ面１１ａ，１２ａである。フラッシュ面１１ａ，１２ａの間は、図示しない構造により間隔が確保され、バリ１４が押し出される隙間が確保されている。図示するように、鍛造用金型１１と１２を相対的に互いに押し付けるように圧力を加えることで、被加工材料が塑性変形し、鍛造用金型１１，１２の形状に倣って被加工材料１３が変形する。

この鍛造技術では、フラッシュ面１１ａと１２ａの間の隙間の部分で被加工材料のバリが押し出されて移動する状態とすることで、被加工材料１３に張りを持たせた変形を行なわせる。この際、バリ１４はフラッシュ面１１ａ，１２ａを摩擦しながら図の左右の方向に伸びて移動する。

本発明では、このフラッシュ面１１ａ，１１ｂに接触しつつ外側に延びるように移動するバリ１４の移動距離に着目する。本発明者らの知見によれば、同じ処理を複数回繰り返して行う条件において、シミュレーションで求めた１ショット（１回の鍛造処理）におけるバリ１４の移動距離と、ショット数との積は、この処理を行った場合におけるフラッシュ面１１ａ，１２ａの実際の磨耗量に正比例する。本発明は、この現象を利用し、所定の磨耗量になるまでに可能なショット数を予測する。

すなわち、鍛造用金型を用いてバリを生じさせながら鍛造加工を行う技術においては、主にフラッシュ面の磨耗が進むことで、鍛造不良が発生する。したがって、フラッシュ面の磨耗が金型の寿命を決める主な要素となる。他方において、上述したように、本発明者らが見出した知見によれば、鍛造時におけるバリの移動量とショット数の積は、フラッシュ面における実際の磨耗量と特定の関係にある。そこで、本発明では、逆に限界となる磨耗量を与えることで、上記の特定の関係から、その限界となる磨耗量に至るショット数（つまり、寿命となるまでのショット数）を算出する。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記バリに接触する部分として、当該鍛造用金型における最も磨耗が大きい部分が選択されることを特徴とする。本発明者らの解析によれば、バリの発生による磨耗が最も激しい部分の磨耗量が鍛造用金型の寿命に最も強く相関している。したがって、磨耗量を評価する部分として、当該鍛造用金型における最も磨耗が大きい部分を選択することで、より高い精度で鍛造用金型が寿命に至るまでのショット数を予測することができる。

請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の発明において、前記バリの移動量が取得される部分および前記バリに接触する部分として複数が選択されることを特徴とする。バリの移動量に着目する部分およびバリに接触する部分としてピンポイントの一箇所だけが選択された場合、誤差が大きくなる可能性が増大する。これに対して、サンプリングする個所を複数にし、その平均をとることで、誤差を抑えることができる。

本発明によれば、バリを発生させながら鍛造用金型を用いて鍛造を技術において、鍛造用金型のフラッシュ面に特化した精度の高い磨耗量の予測技術が提供される。

バリを生じさせながら鍛造を行う原理を説明する原理図である。 クランクシャフトの予備成形品の概要を示す概要図である。 鍛造用金型の上面図である。 バリの移動量およびショット数の積と、実測した磨耗量との関係を示すグラフである。 鍛造用金型の寿命予測処理装置の一例を示すブロック図である。 鍛造用金型の寿命を予測する処理の手順の一例を示すブロック図である。

１．第１の実施形態
以下、本発明の一実施形態について説明する。図２には、本発明を利用して製造されるクランクシャフトの予備成形品１００が示されている。クランクシャフトの予備成形品１００は、ジャーナル軸部１０１を備え、ジャーナル軸部１０１には、アーム部１０２が設けられている。隣接するアーム部１０２同士は、クランクピン部１０３により連結されている。クランクピン部１０３はジャーナル軸部１０１と平行に配置されている。この例において、クランクシャフトの予備成形品１００を構成する材料（被加工材料）は、クランクシャフトとして一般的に用いられる炭素鋼である。

図３には、図２に示すクランクシャフトの予備成形品１００を鍛造により成形するための鍛造用金型３００の上面図が示されている。鍛造用金型３００は、もう一つ用意され、図１の鍛造用金型１１，１２に対応する上側鍛造用金型と下側鍛造用金型とが用意される。図３には、このうちの一方（上側鍛造用金型または下側鍛造用金型）が示されている。

図３には、鍛造用金型３００のキャビティ部３０１が示されている。キャビティ３０１は、クランクシャフトの予備成形品１００に対応する凹型の形状を有している。キャビティ３０１の周囲には、フラッシュ面３０２が設けられている。フラッシュ面３０２の外側は掘り下げられた掘り下げ面３０３とされている。掘り下げ面３０３には、間隔保持部３０４が設けられている。間隔保持部３０４と同様のものが、対向するもう一つの鍛造用金型（図示せず）のフラッシュ面にも設けられている。この対向する２つの間隔保持部が接触することで、対向するフラッシュ面の間でバリを形成するための所定の隙間が確保される。

図３に示す鍛造用金型３００は、仕上げ型である。この例において、鍛造用金型には、潰し型、荒型、仕上げ型の３種類がある。潰し型は、第１段階の鍛造を行うための金型であり、最初にクランクシャフトの予備成形品１００の凡その外観を形成するための金型である。荒型は、第２段階の鍛造を行うための金型であり、潰し型で成形されたものを更に１ランク上の精度で鍛造するための金型である。仕上げ型は、第３段階の鍛造を行うための金型であり、荒型で成形された予備成形品に対して、更に仕上げの鍛造を施すための金型である。

潰し型、荒型、仕上げ型の違いは、キャビティの作りこみの精度にある。また、各段階において最適なバリの発生状態が異なるので、フラッシュ面の面積および対向する２つの金型のフラッシュ面間の間隔は異なっている。勿論、圧力等の鍛造の条件も異なっている。なお、ここでは、３種類の金型を用いてクランクシャフトの予備成形品１００の鍛造を行う場合を例示したが、その種類は３種類に限定されるものではない。

実証試験によれば、図３の符号３０５で示す部分におけるフラッシュ面３０２の磨耗が特に大きい傾向にあることが判明している。これは、バリの発生時に符号３０５の部分のフラッシュ面３０２に加わる負荷が、相対的に他の部分に比較して大きいからであると考えられる。

図４は、フラッシュ面３０２でのバリが生じる過程におけるバリの移動量（∫Ｖｄｔ）とショット数（鍛造の回数）との積を横軸にとり、横軸の値が得られた条件における実測したフラッシュ面３０２における磨耗量を縦軸にとったグラフである。なお、縦軸と横軸の値は、規格化された相対値とされている。ここで、バリの移動量は、コンピュータシミュレーションで演算により求めた値であり、フラッシュ面３０２における磨耗量の値は、三次元デジタイザーで実際に測定した値である。また、ピンポイントの値を用いた場合、偏差が生じる可能性が大きいので、対象となる領域を複数の３ｍｍメッシュの小領域に区切り、この区切られた複数の小領域の中心のポイントにおける値の平均値を採用している。なお、図４の横軸の値であるバリの移動量は、バリが発生する過程において、フラッシュ面３０２の特定のポイントの部分に対して流動化した被加工材料が相対的に移動する移動距離である。ここで、バリの移動量は、バリの移動速度Ｖを移動時間で積分した値（∫Ｖｄｔ）として算出される。

図４には、●印で示される仕上げ型におけるプロット点と、■印で示される荒型におけるプロット点とが示されている。なお、仕上げ型と荒型は同じ材質であり、それぞれの型で行われる複数回のショットは同じ条件で行われている。

鍛造の条件が異なるので、１ショット（１回の鍛造）におけるバリの移動量（∫Ｖｄｔ）は、仕上げ型と荒型において異なる。しかしながら、図４から明らかなように、１ショットにおけるバリの移動量（∫Ｖｄｔ）およびショット数を掛け合わせた値と、この条件において鍛造を行った場合における実測された磨耗量とは、仕上げ型と荒型とで同じ直線上に乗る。すなわち、鍛造の条件によらず、（バリの移動量（∫Ｖｄｔ）×ショット数）（図４の横軸）の値と、この条件における実際の鍛造型のフラッシュ面における磨耗量との値との関係が、同じ関係にある。

前述したように、バリを発生させながら鍛造用金型を用いて鍛造を行う技術における鍛造不良は、鍛造用金型のフラッシュ面の磨耗に主に依存する。従って、当該技術においては、鍛造用金型の寿命は、フラッシュ面の磨耗を評価することで精度よく予測することができる。また、潰し型、荒型、仕上げ型は、それぞれ求められる鍛造の精度が異なるので、上記フラッシュ面の磨耗と寿命との関係もそれぞれ異なる。一例を挙げると、例えば荒型では、フラッシュ面の磨耗量が２．５ｍｍまで許容されるが、仕上げ型ではその値が０．８ｍｍ〜０，９ｍｍといった具合である。

このことと、図４に示すグラフを用いると、鍛造用金型の寿命を予測することが可能となる。例えば、図３の鍛造用金型（仕上げ型）３００を用いたクランクシャフトの予備成形品１００に対する鍛造処理において、１ショット当たりにおけるフラッシュ面３０２でのバリの移動量Ｘ（＝∫Ｖｄｔ）が、コンピュータシミュレーションによって算出され、また当該鍛造用金型の寿命がフラッシュ面３０２における磨耗量で捉えてＷであるとする。ここで、図４より、比例定数をＡ、ショット数をＳとして、Ｗ＝Ａ（∫Ｖｄｔ）Ｓの関係があり、比例定数Ａは図４から求められるから、Ｗを指定することで、寿命までのショット数Ｓを算出することができる。こうして、当該鍛造用金型がどの程度のショット数で寿命となるのかを予測することができる。

図４のグラフは、直線性が高いので、図４の関係を用いた鍛造用金型の寿命を予測する精度は極めて高い。また、フラッシュ面におけるバリの移動距離を算出するコンピュータシミュレーションも特定の部分における被加工材料の振舞いを予測するシミュレーションであるので、高い精度で行うことができ、その演算も容易に行える。また、潰し型、荒型、仕上げ型といった鍛造用金型の用途（精度）の違いに関係なく、同じ算出式を用いての寿命予測ができるので、精度の異なる金型の種類に応じて異なるデータを用意する煩雑さがない。また、処理の内容が簡便であり、実用性が高い。なお、ここでは、クランクシャフトの予備成形品を鍛造により成形する場合の例を説明したが、成形の対象物は、クランクシャフトに限定されない。また、その材質も鍛造用金型を利用した鍛造が可能な金属材料であれば、例示した材質に限定されない。

２．第２の実施形態
（構成）
以下、鍛造用金型の寿命を予測する装置について説明する。図１には、発明を利用した鍛造用金型の寿命予測処理装置５００のブロック図が示されている。鍛造用金型の寿命予測処理装置５００は、第１の実施形態で説明した鍛造用金型の寿命予測を行う装置であり、コンピュータを利用して構成されている。図示省略するが、鍛造用金型の寿命予測処理装置５００は、一般的なコンピュータと同様に、ＣＰＵ、半導体メモリやハードディスク装置等の各種の記憶装置、各種のインターフェース機能を有している。

鍛造用金型の寿命予測処理装置５００は、ソフトウェア的に構成された以下の機能部を有している。すなわち、鍛造用金型の寿命予測処理装置５００は、磨耗量取得部５０１、バリ移動量算出部５０２、（バリ移動量×ショット数）算出部５０３、関係式算出部５０４、寿命磨耗量取得部５０５、寿命ショット数算出部５０６を備えている。

磨耗量取得部５０１は、鍛造の過程で生じる鍛造用金型のフラッシュ面の磨耗量の測定値を取得する。ここで、磨耗量の取得の対象となるのは、図３の符号３０５で示されるような最も磨耗の激しいフラッシュ面の部分である。なお、磨耗量の測定は、例えば３次元デジタイザーを用いて行われる。バリ移動量算出部５０２は、上記磨耗量の取得の対象となったフラッシュ面における鍛造時に生じるバリの移動量をコンピュータシミュレーションにより算出する。この処理は、市販のシミュレーション用ソフトウェアを用いて行われる。バリの移動量は、移動速度Ｖを移動時間で積分した値（∫Ｖｄｔ）により表される。なお、このシミュレーションの演算量は、他の処理に比較して多いので、この演算を外部のコンピュータで行い、その結果を鍛造用金型の寿命予測処理装置５００に入力する形態も可能である。

（バリ移動量×ショット数）算出部５０３は、バリ移動量算出部５０２で算出されたバリ移動量である∫Ｖｄｔに、対応する磨耗量が得られた場合におけるショット数を掛け合わせる処理を行う。関係式算出部５０４は、図４に示す（バリ移動量×ショット数）と磨耗量取得部５０１が取得した実際の磨耗量との関係式を算出する。この関係式は、下記数１によって示される。

Ｗ：実測した磨耗量、Ａ：比例定数、∫Ｖｄｔ：算出したバリの移動量、Ｓ：ショット数

寿命磨耗量取得部５０５は、対象となる鍛造用金型に許容される磨耗量Ｗを取得する。金型には、求められる精度が決められており、磨耗量があるレベルに達することで、この精度が得られなくなり、寿命を迎える。このことから、対象となる鍛造用金型に許容される磨耗量Ｗを見積もることができる。寿命ショット数算出部５０６は、寿命磨耗量取得部５０５が取得した許容される磨耗量Ｗを数１に代入することで、当該鍛造用金型の寿命に至るショット数Ｓを算出する。

（処理の一例）
図５に示す鍛造用金型の寿命予測処理装置５００の動作の一例を示す。図６は、鍛造用金型の寿命予測処理装置５００で行われる動作の手順の一例を示すフローチャートである。図６に示す処理を実行するためのプログラムは、鍛造用金型の寿命予測処理装置５００が備える図示しないデータ記憶部（例えば、ハードディスク装置）に記憶されており、適当な記憶領域に読み出されて鍛造用金型の寿命予測処理装置５００が備える図示しないＣＰＵにより実行される。なお、この動作プログラムは、外部の適当な記憶媒体に記憶され、そこから提供される形態であってもよい。

以下、図３に例示する鍛造用金型の場合を例に挙げ、図６の処理について説明する。寿命予測処理が開始されると（ステップＳ６０１）、最大の磨耗量を示す図３の符号３０５の部分のフラッシュ面３０２の実測された磨耗量が取得される（ステップＳ６０２）。この磨耗量は、３次元デジタイザー用いて測定され、また複数の異なる鍛造条件におけるものが取得される。ステップＳ６０２においては、例えば、潰し型、荒型、仕上げ型それぞれにおける５００ショット、１０００ショット、２０００ショット、３０００ショットの鍛造を行った場合におけるフラッシュ面の磨耗量を実測したものを取得する。

次に、シミュレーションソフトを利用して符号３０５の部分における鍛造処理時における被加工材料のバリの移動量（Ｘ＝∫Ｖｄｔ）の算出が行われる（ステップＳ６０３）。この算出は、ステップＳ６０２で取得された複数の磨耗量の鍛造条件毎に行う。上記の例でいうと、潰し型、荒型、仕上げ型それぞれの鍛造時におけるバリの移動量（Ｘ＝∫Ｖｄｔ）が算出される。

次に、ステップＳ６０３で算出したＸ＝∫Ｖｄｔの値、対応する磨耗量Ｗが取得された条件におけるショット数Ｓに基づき、数１における比例定数Ａを算出する（ステップＳ６０４）。例えば、上記の例でいうと、潰し型、荒型、仕上げ型のそれぞれにおけるＸ＝∫Ｖｄｔの値と５００ショット、１０００ショット、２０００ショット、３０００ショットの積を求め、これらの値を横軸における値とし、他方において、潰し型、荒型、仕上げ型のそれぞれにおける５００ショット、１０００ショット、２０００ショット、３０００ショットにおける当該フラッシュ面の実測した磨耗量を縦軸における値としてプロットすることで、図４に例示するような直線グラフを得、更にこの直線グラフの傾きから数１の比例定数Ａを算出する。

次に、当該鍛造条件における寿命となる磨耗量Ｗを取得し（ステップＳ６０５）、更にこのＷを数１に代入することで、当該鍛造用金型が寿命となる段階に至るまでのショット数Ｓを算出し（ステップＳ６０６）、処理を終了する（ステップＳ６０７）。

以上の処理によれば、潰し型、荒型、仕上げ型といった金型の種類によらず、限界となる当該鍛造用金型の磨耗量が分かれば、数１に基づき、当該磨耗量に至るまでのショット数Ｓが簡単な演算により求められる。例えば、金型の精度を変更したものを用意した際、新たにデータを取り直さなくても、上記の処理を行うことで、当該金型の寿命に至るまでの限界ショット数を予測することができる。

本発明は、鍛造技術に用いることができる。

１１…鍛造用金型（上型）、１１ａ…フラッシュ面、１２…鍛造用金型（下型）、１２ａ…フラッシュ面、１３…被加工材料、１４…鍛造時に生じたバリ、１００…クランクシャフトの予備成形品、１０１…ジャーナル軸部、１０２…アーム部、１０３…クランクピン部、３００…鍛造用金型、３０１…キャビティ部、３０２…フラッシュ面、３０３…掘り下げ面、３０４…間隔保持部、３０５…フラッシュ面における磨耗が大きい部分。

Claims (3)

1. 鍛造用金型が一対の金型により構成され、該一対の金型の間において被加工材料の鍛造が行われ、この鍛造時に当該一対の金型に設けられたフラッシュ面に挟まれてバリが発生する鍛造時において、当該鋳造用金型の寿命が前記フラッシュ面における磨耗量によって決定され、バリの移動量および加工当初からのショット数の積と、当該鍛造用金型の前記バリに接触する前記フラッシュ面における磨耗量との関係が正比例の関係にあることに基づく、鍛造用金型の寿命予測方法であって、
   前記磨耗量を実測によって複数のショット数において求める磨耗量測定工程と、
   前記バリの移動量をシミュレーションによって求めるバリ移動量算出工程と、
   前記バリ移動量算出工程によって算出したバリ移動量である、∫Vｄｔに、前記磨耗量測定工程において磨耗量Wが得られた場合における加工当初からのショット数Sを掛け合わせ、W=A（∫Vｄｔ）Sに基づき、比例定数Aを求める比例定数算出工程と、
   鍛造条件における寿命となる磨耗量となるショット数を算出する寿命算出工程と
   からなる鍛造用金型の寿命予測方法。
2. 前記バリに接触する部分として、当該鍛造用金型における最も磨耗が大きい部分が選択されることを特徴とする請求項１に記載の鍛造用金型の寿命予測方法。
3. 前記バリの移動量が取得される部分および前記バリに接触する部分として複数が選択されることを特徴とする請求項１または２に記載の鍛造用金型の寿命予測方法。

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