CN114653875A - 粘附预测方法、粘附预测程序、以及粘附预测装置 - Google Patents
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Abstract
一种粘附预测方法，在使用铝基材料作为工件的锻造过程中预测工件中的金属颗粒对模具的粘附，该粘附预测方法包括：累积摩擦工作量计算步骤，计算工件与模具之间产生的累积摩擦工作量；金属扩散分析步骤，分析工件与模具之间的金属颗粒的扩散状态；以及粘附预测判定步骤，考虑在累积摩擦工作量计算步骤中计算的累积摩擦工作量、在金属扩散分析步骤中分析的扩散状态、以及设在模具的与工件接触的表面上的润滑膜的膜厚，来预测金属颗粒对模具的粘附的发生的状态。
Description
技术领域
本发明涉及用于铝或铝合金(在本说明书中统称为“铝”)对于模具的粘附预测方法，粘附预测程序、以及粘附预测装置。
背景技术
作为用于形成金属产品的方法，存在一种通过使用模具的锻造过程来形成工件(待加工的材料)的方法。公开号为2015-199098(JP 2015-199098 A)的日本未审查专利申请公开了一种在不使用润滑油的情况下的镀铝钢板的粘附预测方法。更具体地，JP 2015-199098 A公开了一种预测方法，包括：分析步骤，在结合热分析和结构分析的情况下，在热冲压(hot stamping)期间的压制成形和冷却过程中获得钢板的温度分布、表面压力分布、和面内压应力分布的分析；结果处理步骤，基于分析来计算表面压力和面内压应力的乘积的分布；以及判定处理步骤，基于乘积的分布来判定在热冲压期间镀铝对模具的粘附的发生的状态。
发明内容
近年来，由于对车体重量减轻的需求，除了如JP 2015-199098 A中使用钢板作为工件的成形技术之外，使用包括铝或铝合金的铝基材料作为工件的锻造过程(下文也称为铝锻造过程)的成形技术的重要性增加。然而，由于铝是一种软材料，因此存在这样的问题，即在铝锻造过程中，工件中的金属颗粒倾向于粘附到模具。
当工件中的金属颗粒粘附到模具时，必须除去所粘附的铝或更换模具。此外，由于金属颗粒对模具的粘附，所形成的产品质量差可能成为一个问题。为了减少这种情况，需要花费大量的工时来进行模具维护措施和润滑膜条件的调整，这导致生产率降低和成本增加的问题。如果可以预先预测工件中的金属颗粒对模具的粘附，则可以采取诸如优化制造工艺的措施，这可以实现所锻造的铝零件的生产率的改进和所形成的产品的质量的改进。
本发明是鉴于上述情况作出的，并且提供了用于预测在铝锻造过程中金属颗粒对模具的粘附的粘附预测方法、粘附预测程序、以及粘附预测装置。
本发明的第一方面涉及一种粘附预测方法，在使用铝基材料作为工件的锻造过程中预测工件中的金属颗粒对模具的粘附。该粘附预测方法包括：累积摩擦工作量计算步骤，计算工件与模具之间产生的累积摩擦工作量；金属扩散分析步骤，分析工件与模具之间的金属颗粒的扩散状态；以及粘附预测判定步骤，考虑在累积摩擦工作量计算步骤中计算的累积摩擦工作量、在金属扩散分析步骤中分析的扩散状态、以及设在模具的与工件接触的表面上的润滑膜的膜厚，来预测金属颗粒对模具的粘附的发生的状态。
利用上述构造，在铝锻造过程中，可以根据加工形状、润滑条件等预先预测金属颗粒对模具的粘附的发生。结果，可以实现在铝锻造过程中提高生产率和质量。
粘附预测判定步骤的优选示例包括一种方法，该方法包括：执行计算处理，对通过将累积摩擦工作量的函数除以润滑膜的膜厚而获得的项与扩散状态的函数的项的乘积进行计算；以及考虑计算处理的结果，判定金属颗粒对模具的粘附的发生的预测。
累积摩擦工作量的计算方法的优选示例包括一种方法，其中，累积摩擦工作量由通过在锻造时间内、对作用在工件和模具之间的接触表面压力、摩擦系数和滑动速度在工件和模具的每一个要素部分处进行微小时间(a minute time)的积分而获得的函数来计算的。
扩散状态的分析方法的优选示例包括一种方法，该方法包括使用考虑工件和模具的材料的组合以及加工温度的阿伦尼乌斯方程(Arrhenius equation)分析金属颗粒的扩散量。
本发明的第二方面涉及一种粘附预测程序，用于在使用铝基材料作为工件的锻造过程中预测工件中的金属颗粒对模具的粘附。该粘附预测程序使计算机执行：累积摩擦工作量计算处理，计算工件与模具之间产生的累积摩擦工作量；金属扩散分析处理，分析工件与模具之间的金属颗粒的扩散状态；以及粘附预测判定处理，考虑在累积摩擦工作量计算处理中计算的累积摩擦工作量、在金属扩散分析处理中分析的扩散状态、以及设在模具的与工件接触的表面上的润滑膜的膜厚，来预测金属颗粒对模具的粘附的发生的状态。利用上述构造，在铝锻造过程中，可以根据产品形状、润滑条件等预先预测金属颗粒对模具的粘附的发生。结果，可以实现在铝锻造过程中提高生产率和质量。
本发明的第三方面涉及一种粘附预测装置，用于在使用铝基材料作为工件的锻造过程中预测工件中的金属颗粒对模具的粘附。该粘附预测装置包括：累积摩擦工作量计算单元，其计算工件和模具之间产生的累积摩擦工作量；金属扩散分析单元，其分析工件和模具之间的金属颗粒的扩散状态；以及粘附预测判定单元，其考虑通过累积摩擦工作量计算单元计算的累积摩擦工作量、通过金属扩散分析单元分析的扩散状态、以及设在模具的与工件接触的表面上的润滑膜的膜厚，来预测金属颗粒对模具的粘附的发生的状态。利用上述构造，在铝锻造过程中，可以根据产品形状、润滑条件等预先预测金属颗粒对模具的粘附的发生。结果，可以实现在铝锻造过程中提高生产率和质量。
根据本发明，可以提供用于预测在铝锻造过程中金属颗粒对模具的粘附的粘附预测方法、粘附预测程序、以及粘附预测装置。
附图说明
下面将参考附图描述本发明的示例性实施例的特征、优点、以及技术和工业意义，在附图中相同的符号表示相同的元件，并且在附图中：
图1是说明铝锻造过程的制造过程的示意图；
图2是说明铝锻造过程的制造过程的示意图；
图3是说明铝锻造过程的制造过程的示意图；
图4是说明铝锻造过程的制造过程的示意图；
图5是示出本实施例的粘附预测方法的示例的流程图；
图6是示出在本实施例的粘附预测方法中粘附判定函数关于锻造进展时间的示例的曲线图；
图7是示出本实施例的粘附预测装置的硬件构造的示例的框图；以及
图8是示出由本实施例的粘附预测装置的信息处理装置执行的每个功能的功能框图。
具体实施方式
在下文中，将描述本实施例的示例，但是根据权利要求书的本发明不限于以下实施例。而且，并非所有实施例中所描述的构造都作为解决问题的手段是必不可少的。为了清楚起见，以下描述和附图已被适当地省略和简化。
在通过本发明的实施例描述本发明之前，首先，将参考图1至4描述在铝锻造过程中工件中的金属颗粒对模具的粘附。注意，本文中的铝基材料代表铝或铝合金。铝合金是指除铝(Al)和不可避免的杂质外还含有铁、硅、铜、锌、镁、锰、铬、钛或/和镍的合金。要粘附的金属颗粒是源自工件的组分的金属，并且在本文中，是源自铝或铝合金的组分的金属。
如图1所示，锻造设备1具有下模2和上模3，它们布置成彼此分离并且彼此面对，并且用作一组模具。润滑膜4设置在与工件接触的下模2和上模3的每个加工表面上。润滑膜4可以通过任何方法形成，并且可以采用已知的方法。在图1的示例中，润滑膜4通过使用相对于加工表面可移动的润滑剂施加装置8，将润滑剂(脱模剂)施加到加工表面而形成。润滑剂可以在任何时刻施加。存在为每个工件或在制造固定数量的工件之后施加润滑剂的方法。润滑膜4具有便于在锻造过程之后从模具中释放工件并抑制工件中的金属颗粒粘附到模具的作用。对于模具，除了润滑膜之外，可以任选地设置诸如基层的另一层，或者可以进行表面处理。
如图2所示，由铝基材料制成的工件10设置在锻造设备1中。氧化膜11通常设置在工件10的表面上。氧化膜11可以根据待加工的材料的组分而改变。此外，包括膜厚的氧化膜11的状态可以根据工件10的温度历史、加热量、表面处理方法等而改变。可以对工件10进一步进行表面处理。
接下来，如图3所示，执行锻造过程，其中对下模2和上模3(以下也统称为下模2等)施加预定压力和热量(如果需要的话)，以使工件10变形。然后，如图4所示，释放下模2和上模3的压制以获得锻造产品15。在图4所示的示例中，在下模2等相对于工件10的接触表面上观察到源自工件10的组分的金属颗粒12的粘附。
在下模2等的加工表面上存在的润滑膜4(参见图1)和工件10的氧化膜11(参见图2)具有在铝锻造过程中抑制金属颗粒的粘附的效果。然而，随着锻造进展时间的流逝，润滑膜4和氧化膜11独立地变薄，并且最终润滑膜4和氧化膜11在成形过程中断裂，并且工件10内的新表面与下模2等的基底材料相互接触。这种接触引起模具的组分和工件的组分之间的反应，由此形成金属结合。可以认为，当从下模2等取出工件10时，由于金属结合，工件中的金属颗粒粘附到下模2等的表面。
作为在铝锻造过程中金属颗粒对模具的粘附的因素，可想到由于模具和工件的材料之间的反应而引起的金属结合(扩散状态)。此外，模具的润滑膜和工件的氧化膜(表面处理状态)被破坏的条件触发粘附。润滑膜的保持力可以根据模具表面的粗糙度和润滑膜的粘附量而变化。此外，所使用的润滑膜的耐热组分的量和过程温度可以影响润滑耐热性。因此，接触表面压力、滑动速度、以及工件和模具之间的摩擦系数也是决定金属颗粒对模具的粘附的重要因素。此外，金属结合受到环境条件(诸如温度)的影响。
关于在铝锻造过程中金属颗粒的粘附，有必要考虑如上所述的各种因素。作为本发明人的勤奋研究的结果，发现金属颗粒对模具的粘附可以通过图5所示的方法预测。即，如图5所示，根据本实施例的粘附预测方法包括：累积摩擦工作量计算步骤(S1)，计算工件与模具之间产生的累积摩擦工作量；金属扩散分析步骤(S2)，分析工件与模具之间的金属颗粒的扩散状态；以及粘附预测判定步骤(S3)，考虑在累积摩擦工作量计算步骤(S1)中计算的累积摩擦工作量、在金属扩散分析步骤(S2)中分析的扩散状态、以及设在模具的与工件接触的表面上的润滑膜的膜厚，来预测金属颗粒对模具的粘附的发生的状态。累积摩擦工作量计算步骤(S1)和金属扩散分析步骤(S2)可以以任何顺序执行，并且这些步骤可以同时执行。
粘附预测判定步骤(S3)的示例包括一种方法，其中执行计算处理，以对通过将累积摩擦工作量的函数除以润滑膜的膜厚而获得的项与扩散状态的函数的项的乘积进行计算；以及判定金属颗粒对模具的粘附发生预测。
累积摩擦工作量计算步骤(S1)中计算出的工件与模具之间的累积摩擦工作量的主要因素是摩擦系数和滑动速度，它们主要基于与工件的变形阻力对应的模具与工件之间的接触表面压力、模具表面粗糙度等。在作为整体的一个加工中，产生通过将摩擦工作与整个加工相结合而获得的累积摩擦工作量。接触表面压力、摩擦系数和滑动速度的值根据润滑膜和氧化膜的状态而改变。润滑膜的类型和膜厚是决定累积摩擦工作量的重要因素。
累积摩擦工作量Ef可以由通过在锻造时间内、对作用在工件和模具之间的接触表面压力、摩擦系数和滑动速度在工件和模具的每一个要素部分处进行微小时间的积分而获得的函数来计算。例如，累积摩擦工作量Ef可以通过以下等式(1)来计算，其中作用在工件和模具之间的摩擦力(μP，其中μ是摩擦系数，以及P是接触表面压力)乘以滑动距离，并且在一个锻造时段内对结果进行积分。
Ef＝∫μPvdt 等式(1)
在等式(1)中，v是相对滑动速度。
在金属扩散分析步骤(S2)中分析的金属颗粒在工件和模具之间的扩散状态可以根据工件和模具的组分的组合而改变。由于两者之间的接触，通过化学反应的金属结合引起扩散。它也受加工条件(诸如锻造过程的温度)的影响。考虑到这些因素，分析金属颗粒的扩散状态。
金属颗粒的扩散状态(扩散量)是通过使用考虑工件和模具的材料的组合以及加工温度的阿伦尼乌斯方程来进行分析而获得的。例如，扩散状态可以通过扩散的阿伦尼乌斯方程来获得。可以通过在一个锻造时段内将以下方程积分为扩散的阿伦尼乌斯方程而获得扩散状态。
D＝D0exp(–Q/(RT))
也就是说，在一个锻造时段内的扩散状态(扩散量)D可以由下面的等式(2)表示。
D＝∫D0exp(-Q/(RT)) 等式(2)
这里，D是扩散量，D0是扩散系数，Q是活化能，R是气体常数，以及T是温度(K)。扩散系数D0和活化能Q主要由工件和模具的材料的组合来决定。
在粘附预测判定步骤(S3)中，基于所获得的累积摩擦工作量和扩散状态以及设置在模具表面上的润滑膜的膜厚来预测金属颗粒对模具的粘附的发生的状态。
本实施例的粘附预测判定步骤中的函数的示例包括以下等式(3)。
在等式(3)中，Ef如等式(1)中所定义，并且∫D0exp(-Q/(RT))如等式(2)中所定义。此外，Lth是润滑膜的初始膜厚。
图6示出了上述等式(3)的粘附判定函数Eadhesion在一个锻造过程期间关于锻造进展时间的曲线的典型示例。图6中的曲线图(1)表示在铝锻造过程中不期望金属颗粒粘附的示例。图6中的曲线图(2)表示在铝锻造过程中预期金属颗粒粘附的示例。
在图6的粘附判定函数Eadhesion中，当值超过Y轴的粘附发生预测阈值T时，预测金属颗粒对模具的粘附的发生。粘附发生预测阈值T可以根据所使用的工件和模具的类型、制造条件、加工形状等而变化。
如图6所示，铝锻造过程可以被分成氧化膜和润滑膜中的至少一者保留的时段(图6中的时段<1>)，以及工件和模具彼此接触的时段(图6中的时间段<2>)。期望的是，锻造过程在前一时段内完成，但是随着锻造进展时间的流逝，工件的氧化膜和模具的润滑膜变得更薄，并且工件内的新表面可能与模具接触。在工件的氧化膜和模具的润滑膜保留的锻造过程中，接触表面压力与工件和模具之间的滑动距离在金属颗粒对模具的粘附的因素中占主导地位。另一方面，在没有工件的氧化膜和模具的润滑膜的情况下，工件和模具的材料的组合以及锻造过程的温度的影响是占主导地位的。
根据本实施例的粘附预测方法，可以在铝锻造过程中预测金属颗粒对模具的粘附。因此，可以根据产品形状和润滑条件预先预测金属颗粒对模具的粘附。通过将制造过程和加工形状设计成使得不超过粘附发生预测阈值T，可以有效地抑制铝锻造过程中金属颗粒的粘附。也就是说，通过基于本实施例的粘附预测来调整诸如润滑膜的膜厚、润滑膜的类型、工件的氧化膜、工件的表面处理、以及锻造过程的温度的处理条件，可以显著提高铝锻造零件的生产率和质量。
本实施例的粘附预测程序使计算机执行：累积摩擦工作量计算处理(a)，计算工件与模具之间的累积摩擦工作量；金属扩散分析处理(b)，分析工件与模具之间的金属颗粒的扩散状态；以及粘附预测判定处理(c)，通过演算所计算的累积摩擦工作量、所分析的扩散状态、以及设在模具的表面上的润滑膜的膜厚，来预测金属颗粒在工件和模具之间的粘附的发生的状态。累积摩擦工作量计算处理(a)和金属扩散分析处理(b)可以以任何顺序或同时进行。
本实施例的粘附预测装置包括：累积摩擦工作量计算单元(α)，其计算工件和模具之间的累积摩擦工作量；金属扩散分析单元(β)，其分析工件和模具之间的金属颗粒的扩散状态；以及粘附预测判定单元(γ)，其基于所计算的累积摩擦工作量，所分析的扩散状态、以及设在模具的表面上的润滑膜的膜厚来判定工件与模具之间的粘附的发生的状态。
图7是示出可用于本实施例的粘附预测方法中的粘附预测装置的硬件构造的示例的框图。图7中所示的粘附预测装置20是模拟铝锻造过程中粘附的发生的装置，并且包括形成分析模型的信息处理装置21、输入装置22、以及输出装置23。除了输入装置22和输出装置23之外，计算机辅助设计(CAD)装置24还经由诸如局域网(LAN)的网络NW连接到信息处理装置21。输入装置22由键盘、鼠标等组成，并从用户接收分析条件、各种请求等，以输出到信息处理装置21。输出装置23例如由液晶监视器、打印机等组成。
信息处理装置21包括中央处理单元(CPU)、由随机存取存储器(RAM)等组成的主存储装置26、输入输出(I/O)接口27、网络接口28、以及由硬盘等组成的辅助存储装置29。
辅助存储装置29存储用于实施各种功能的程序，以用于形成用于粘附发生预测的分析模型，以及分析累积摩擦工作量，金属颗粒的扩散状态等。当CPU(计算机)将存储在辅助存储装置29中的程序加载到主存储装置26中并执行该程序时，实现每个功能。
图8是示出由信息处理装置21执行的每个功能的功能框图。如图8所示，信息处理装置21包括控制单元30、数据采集单元31、分析单元32、输出单元33等。
控制单元30控制信息处理装置21的整体操作。控制单元30还接收由设计者经由输入装置22输入的各种请求。控制单元30根据接收到的请求控制数据采集单元31、分析单元32、以及输出单元33，并执行与来自设计者的请求相对应的各种处理。
此外，数据采集单元31与连接到网络NW的CAD装置24通信，以彼此发送和接收分析数据。例如，数据获取单元31经由网络NW访问CAD装置24并获取存储在CAD装置24中的设计信息(CAD信息)。数据采集单元31经由输入装置22接收设计者输入的用于分析的各种条件的输入。
分析单元32使用从CAD装置24获取的铝锻造过程的设计信息和分析条件信息输出粘附的发生的模拟结果(分析模型)。而且，输出单元33从分析单元32获取分析结果，生成指示分析结果的图像信息，并将生成的图像信息输出到输出装置23。图像信息例如可以通过显示预测发生粘附的时刻的图来显示，或者可以通过工件的加工形状的映射图来指示。此外，粘附判定函数的值可以在呈现上以不同的颜色逐段地被指示，或者可以通过要被指示的阈值而被划分成段。此外，还可以显示合适的温度条件、润滑膜的膜厚等。
根据本实施例的粘附预测装置和粘附预测程序，可以从工件和模具的组合、基于制造条件的扩散状态、成形产品的设计、以及基于加工条件的机械载荷(累积摩擦工作量)的状态(它们引起铝对用于铝锻件的模具的粘附)来预先预测粘附的发生。相应地，可以容易地找到可以限制粘附的条件，并因此可以提高生产率。此外，通过限制金属颗粒的粘附，可以提供高质量的锻造产品。
本实施例的粘附预测装置还可以与铝锻造设备结合使用，以在制造期间实时地预测粘附的发生。在这种情况下，采取适当的措施，例如，在预测发生粘附的时刻提供警告，将润滑膜施加到模具，并优化温度，使得可以限制对模具的粘附。此外，铝锻造设备可以设置成使得当即将发生粘附时铝锻造设备停止。根据这种使用，考虑到此时设备或装备的精密条件，可以提供粘附预测，由此显著提高生产效率。
Claims (6)
1.粘附预测方法，在使用铝基材料作为工件的锻造过程中预测所述工件中的金属颗粒对模具的粘附，所述粘附预测方法包括：
累积摩擦工作量计算步骤，计算所述工件与所述模具之间产生的累积摩擦工作量；
金属扩散分析步骤，分析所述工件与所述模具之间的所述金属颗粒的扩散状态；以及
粘附预测判定步骤，考虑在所述累积摩擦工作量计算步骤中计算的所述累积摩擦工作量、在所述金属扩散分析步骤中分析的所述扩散状态、以及设在所述模具的与所述工件接触的表面上的润滑膜的膜厚，来预测所述金属颗粒对所述模具的粘附的发生的状态。
2.根据权利要求1所述的粘附预测方法，其特征在于，所述粘附预测判定步骤包括：
执行计算处理，对通过将所述累积摩擦工作量的函数除以所述润滑膜的膜厚而获得的项与所述扩散状态的函数的项的乘积进行计算；以及
考虑所述计算处理的结果，判定所述金属颗粒对所述模具的粘附的发生的预测。
3.根据权利要求1或2所述的粘附预测方法，其特征在于，所述累积摩擦工作量由通过在锻造时间内、对作用在所述工件和所述模具之间的接触表面压力、摩擦系数和滑动速度在所述工件和所述模具的每一个要素部分处进行微小时间的积分而获得的函数来计算的。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的粘附预测方法，其特征在于，所述扩散状态的分析是通过使用考虑所述工件和所述模具的材料的组合以及加工温度的阿伦尼乌斯方程分析所述金属颗粒的扩散量来执行的。
5.粘附预测程序，用于在使用铝基材料作为工件的锻造过程中预测所述工件中的金属颗粒对模具的粘附，所述粘附预测程序使计算机执行：
累积摩擦工作量计算处理，计算所述工件与所述模具之间产生的累积摩擦工作量；
金属扩散分析处理，分析所述工件与所述模具之间的所述金属颗粒的扩散状态；以及
粘附预测判定处理，考虑在所述累积摩擦工作量计算处理中计算的所述累积摩擦工作量、在所述金属扩散分析处理中分析的所述扩散状态、以及设在所述模具的与所述工件接触的表面上的润滑膜的膜厚，来预测所述金属颗粒对所述模具的粘附的发生的状态。
6.粘附预测装置，用于在使用铝基材料作为工件的锻造过程中预测所述工件中的金属颗粒对模具的粘附，所述粘附预测装置包括：
累积摩擦工作量计算单元，其计算所述工件和所述模具之间产生的累积摩擦工作量；
金属扩散分析单元，其分析所述工件和所述模具之间的所述金属颗粒的扩散状态；以及
粘附预测判定单元，其考虑通过所述累积摩擦工作量计算单元计算的所述累积摩擦工作量、通过所述金属扩散分析单元分析的所述扩散状态、以及设在所述模具的与所述工件接触的表面上的润滑膜的膜厚，来预测所述金属颗粒对所述模具的粘附的发生的状态。
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