DE602006000842T2

DE602006000842T2 - Verfahren zur Vorhersage des Versagens von Matrizen

Info

Publication number: DE602006000842T2
Application number: DE602006000842T
Authority: DE
Inventors: Hiroaki Yoshida; Shigekazu Itoh
Original assignee: Daido Steel Co Ltd
Current assignee: Daido Steel Co Ltd
Priority date: 2005-04-19
Filing date: 2006-04-19
Publication date: 2009-05-20
Anticipated expiration: 2026-04-20
Also published as: US20060230881A1; JP4556753B2; JP2006297429A; EP1714717B1; EP1714717A1; DE602006000842D1

Description

Hintergrund der Erfindung
Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Vorhersage von Schäden in Matrizen. Genauer gesagt betrifft die Erfindung die Vorhersage von Schäden in Matrizen zur plastischen Verarbeitung von Metallen, typischerweise Schmiedematrizen, durch die Vorhersage eines Gewaltbruchs ("great crack"), der durch Sprödbruch verursacht wird, der die Lebensdauer bestimmt, und die Verwendung der Ergebnisse für die Auslegung und Konstruktion, einschließlich der Wahl der Materialien, deren Härte und die Bestimmung der Konfiguration der Matrizen, um Gegenmaßnahmen zur Verlängerung der Lebensdauer festlegen zu können.
Stand der Technik
Im Rahmen der Herstellung und Anwendung von Schmiedematrizen sind verschiedene Verfahren zur Vorhersage von Schäden in Matrizen entwickelt und eingesetzt worden, um die Herstellung von Matrizen mit längerer Lebensdauer zu ermöglichen. Das allgemein übliche Vorhersageverfahren besteht in der Berechnung der Temperatur- und Spannungsverteilung in einer Matrize mittels der finiten Elementanalyse, wobei die berechneten Werte dann für konstitutive Gleichungen eingesetzt werden, um die Ermüdung bei niedriger Lastspielzahl vorherzusagen. Die japanische Patentschrift Nr. 2002-321032 offenbart z. B. eine Technik zur Vorhersage der Lebensdauer auf Basis des Matrizenabriebs gemäß einem Abriebmodell, das Bedingungen übernimmt, die Schmiedematrizen inhärent sind.
Es gibt vier Bruchfaktoren, die die Beschädigung von Schmiedematrizen im Betrieb verursachen, nämlich den Gewaltbruch ("great crack") oder statischen Sprödbruch, plastisches Fließen, Abrieb und Ermüdungsbruch bei niedriger Lastspielzahl. Der Sprödbruch ist ein plötzlich auftretendes Phänomen in einem Anfangsstadium, bevor die Matrize im längeren Einsatz war, und wird auch als "Ausgangsriss" ("initial crack") bezeichnet, wobei es sich um einen schwerwiegenden Schaden handelt. Die bisher vorgeschlagenen Verfahren zur Vorhersage von Matritzenschäden sind jedoch für diese Art des Sprödbruchs nicht effektiv. Bezüglich des zähen Bruchs sind die Cockroft-, Oyane- und Ayada-Formeln vorgeschlagen worden, die sich bewährt haben. Für den Sprödbruch sind diese Formeln jedoch nicht anwendbar. Es besteht deshalb ein Bedarf für eine Formel oder für Formeln, die die effektive Vorhersage von Matrizenschäden ermöglichen, die durch Sprödbruch verursacht werden.
Zusammenfassung der Erfindung
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines Verfahrens zur Vorhersage von Matrizenschäden, um die Auslegung und Konstruktion verbesserter Matrizen zu ermöglichen, indem Sprödbruch vorhergesagt wird, der unter anderen Faktoren, die Schäden an Schmiedematrizen verursachen, die Lebensdauer der Matrizen mit schwerwiegenden Folgen beeinflusst.
Das erfindungsgemäße Verfahren, mit dem die obige Aufgabe gelöst wird, ist ein Verfahren zur Vorhersage des Gewaltbruchs durch Sprödbruch, der die Lebensdauer von Matrizen zur plastischen Bearbeitung von Metallen bestimmt, um zur Auslegung und Konstruktion der Matrize einschließlich der Wahl von Materialien, der Härte und der Konfiguration des Matrize beizutragen. Das Verfahren zur Vorhersage von Beschädigungen der Matrizen gemäß der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Auslegung der Matrize so ausgeführt wird, dass die Bedingung gewählt wird, bei der keiner der vorhergesagten Werte des Sprödbruchs, F_c1 bis F_c3, die mit den nachstehenden Formeln 1 bis 3 berechnet werden, die auf Basis des verwendeten Materials bestimmten kritischen Werte überschreitet. Fc1 = (σm/σeq) [Formel 1] Fc2 = (σm/σ1max) [Formel 2] Fc3 = (σ1max/σeq); [Formel 3]

σ_m: mittlere Normalspannung, die die Zugseite der Matrize belastet;
σ_eq: von Misese'sche äquivalente Spannung;
σ_1max: maximale Hauptspannung.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1 ist eine Draufsicht, die Form und Abmessung eines glatten Prüflings der Zugversuchsteile zeigt, die zum Aufbau einer Datenbank der Materialeigenschaften vor der Durchführung der vorliegenden Erfindung hergestellt werden;
2 ist eine Draufsicht wie 1, die Form und Abmessung des Prüflings mit einer umlaufenden V-Kerbe mit einem Kerbwinkel von 30°;
3 ist eine Draufsicht wie ein Teil von 2, die die Einzelheit des gekerbten Teils des Prüflings mit dem Kerbwinkel 90° zeigt;
4 ist eine Draufsicht wie ein Teil von 3, die die Einzelheit des gekerbten Teils des Prüflings mit dem Kerbwinkel 120° zeigt;
5 ist ein Graph, der durch Auftragen der mittleren Normalspannung (σ_m) über der äquivalenten Spannung (σ_eq) auf Basis der Daten aus den Zugversuchen mit dem Arbeitsbeispiel der vorliegenden Erfindung erhalten wird;
6 ist ein Graph, der durch Auftragen der mittleren Normalspannung (σ_m) über der maximalen Hauptspannung (σ_1max) auf Basis der Daten aus den Zugversuchen mit dem Arbeitsbeispiel der vorliegenden Erfindung erhalten wird;
7 ist ein Graph, der durch Auftragen der maximalen Hauptspannung (σ_1max) über der äquivalenten Spannung (σ_eq) auf Basis der Daten aus den Zugversuchen mit dem Arbeitsbeispiel der vorliegenden Erfindung erhalten wird;
8 ist eine Schnittansicht, die die Form einer Ringmatrize und eines Werkstücks zeigt, das zum Heißschmieden eines Antriebszahnrades (Automobilteil) verwendet wird;
9 zeigt Daten eines Arbeitsbeispiels und eine Computergrafik (im Folgenden als "CG" (computer graphics) bezeichnet), die bei einer FEM-Analyse erhalten wird und die Verteilung der kritischen Werte F_c1 des Sprödbruchs in einer Ringmatrize vor der Verbesserung durch die Erfindung darstellt;
10 ist eine CG wie 9, die die Verteilung der kritischen Werte F_c2 des Sprödbruchs in einer Ringmatrize vor der Verbesserung durch die Erfindung darstellt;
11 ist eine CG wie 9, die die Verteilung der kritischen Werte F_c3 des Sprödbruchs in einer Ringmatrize vor der Verbesserung durch die Erfindung darstellt;
12 ist eine CG wie 9, die die Verteilung der kritischen Werte F_c1 des Sprödbruchs in einer Ringmatrize nach der Verbesserung durch die Erfindung darstellt;
13 ist eine CG wie 9, die die Verteilung der kritischen Werte F_c2 des Sprödbruchs in einer Ringmatrize nach der Verbesserung durch die Erfindung darstellt;
14 ist eine CG wie 9, die die Verteilung der kritischen Werte F_c3 des Sprödbruchs in einer Ringmatrize vor der Verbesserung durch die Erfindung darstellt.
Ausführliche Erläuterung der bevorzugten Ausführungsbeispiele
Wie oben erwähnt, bestimmen drei Faktoren den Sprödbruch von Matrizen, nämlich die mittlere Normalspannung (σ_m), die äquivalente Spannung (σ_eq) und die maximale Hauptspannung (σ_1max). Folglich gilt allgemein die nachstehende Beziehung: Fc = f(σm, σeq, σ1max).
Alle bestimmenden Faktoren sind in den obigen Formeln 1 bis 3 berücksichtigt. Bei der praktischen Anwendung dieser Formeln können eine verbesserte Formel oder verbesserte Formeln (wie die mit angepassten Koeffizienten) empirisch entwickelt werden. Sie ergeben den gleichen Effekt wie den oben erläuterten, so dass die Erfindung die Ausführungsformen, bei denen diese Formeln angewendet sind, enthält.
Durch die Vorhersage der Beschädigung von Matrizen ist es möglich, wirksame Gegenmaßnahmen für den Sprödbruch (so genannter "great crack" (Gewaltbruch) oder "initial crack" (Ausgangsriss)) zu ergreifen, für den, obwohl er einen wichtigen Faktor darstellt, bisher kein herkömmliches Verfahren zur Vorhersage von Schäden vorgelegt worden ist. Der Fachmann kann die optimale Matrize herstellen, indem er Datenbanken bezüglich der jeweiligen Stähle unter Bezugnahme auf die nachstehend beschriebenen Arbeitsbeispiele aufbaut, wobei die Bedingung gewählt wird, bei der alle vorhergesagten Sprödbruchwerte F_c1 bis F_c3 die kritischen Grenzwerte nicht erreichen, und die Matrizen auslegt. Wenn die Matrizen eine längere Lebensdauer haben, trägt dies zur Senkung der Verarbeitungskosten verschiedener Schmiedeprodukte bei, da nicht nur die Kosten für die Matrize selbst niedriger sind, sondern auch Zeit- und Arbeitsaufwand für den Austausch verschlissener Matrizen eingespart werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Vorhersagen von Matrizenschäden kann auf Matrizen zur Formgebung angewendet werden. Es ist jedoch auch auf andere Matrizen anwendbar, wie solche zum Spritzgießen, die unter ähnlichen Umgebungsbedingungen mit hoher Temperatur und hoher Belastung verwendet werden. Bei der Vorhersage von Matrizenschäden können natürlich die gewünschten Eigenschaften der Matrizenmaterialien bekannt sein und die Indizes zur Entwicklung der Matrizenmaterialien erhalten werden. Die Erfindung kann also zur Weiterentwicklung der Legierungstechnologie beitragen.
Beispiele
Beispiel 1
SKD61, einer der Stähle für Heißformgebungswerkzeuge, wurde als Matrizenmaterial verwendet und seine Härte auf HRC 46, 49 oder 52 eingestellt. Zugversuchsproben gemäß JIS Nr. 4 wurden angefertigt und einige davon spanend bearbeitet, um umlaufende V-förmige Kerben mit einer Tiefe von 50% bereitzustellen. Die Formen und Abmessungen der Prüflinge sind in 1 (glatte Oberfläche), 2 (Kerbwinkel 30°), 3 (90°) und 4 (120°) dargestellt. Die Krümmung im Boden der Kerben beträgt 0,2 mm.
Die Prüflinge wurden Zugversuchen unterzogen, um die mittlere Normalspannung (am) zu bestimmen, bei der Bruch eintritt, und gleichzeitig wurde aufgezeichnet, ob es sich um einen duktilen Bruch oder einen Sprödbruch handelte. Die äquivalente Spannung (σ_eq) und die maximale Hauptspannung (σ_1max) wurden berechnet. Durch Auftragen der mittleren Normalspannung (σ_m) über der äquivalenten Spannung (σ_eq) ergab sich 5, durch Auftragen der mittleren Normalspannung (σ_m) über der maximalen Hauptspannung (σ_1max) 6 bzw. 7 durch Auftragen der maximalen Hauptspannung (σ_1max) über der äquivalenten Spannung (σ_eq).
Auf Basis der Graphen der 5 bis 7 wurden die kritischen Werte C1 bis C3 für den Sprödbruch von SKD61-Stahl wie folgt bestimmt: Fc1 = (σm/σeq) = 0,7 [Formel 1] Fc2 = (σm/σ1max) = 0,5 [Formel 2] Fc3 = (σ1max/σeq) = 1,25. [Formel 3]
Beispiel 2
Die Vorhersage der Lebensdauer der Matrize gemäß der vorliegenden Erfindung erfolgte anhand einer ringförmigen Matrize, bei der es sich um eine Matrize zur Begrenzung der Außenoberfläche des durch einen Stempel und einen Gegenstempel von oben und unten geschmiedeten Werkstücks handelt, das zum Heißschmieden eines Antriebszahnrades (Automobilteil) mit dem in 8 dargestellten Querschnitt verwendet wurde. Eine gebrauchte Matrize aus SKD61-Stahl wurde geprüft und es wurde festgestellt, dass ein von der Außenoberfläche aus verlaufender Riss entstanden war.
Die folgenden drei CGs wurden durch die Analyse der Verteilung der kritischen Bruchwerte F_c1 bis F_c3 auf Basis der obigen Datenbank durch eine Computersimulation (FEM-Analyse) erhalten.

9 (alte Form) F_c1 = (σ_m/σ_eq)
10 (alte Form) F_c2 = (σ_m/σ_1max)
11 (alte Form) F_c3 = (σ_1max/σ_eq).

Sämtliche CGs zeigten, dass F_c1 bis F_c3 in manchen Bereichen der Außenoberfläche der Ringmatrize die kritischen Werte überschreiten. Diese Tatsache stimmt mit den Ergebnissen der obigen Prüfung überein.
Danach wurde die Computersimulation unter der Annahme von Fällen wiederholt, in denen der Außendurchmesser der Ringmatrize vergrößert worden war, um Sprödbruch zu vermeiden. Drei CGs wie zuvor erwähnt wurden erhalten. Die CGs zeigten, dass die Bereiche, in denen F_c1 bis F_c3 die kritischen Werte überschritten hatten, nicht mehr vorhanden waren.

12 (verbesserte Form) F_c1 = (σ_m/σ_eq)
13 (verbesserte Form) F_c2 = (σ_m/σ_1max)
14 (verbesserte Form) F_c3 = (σ_1max/σ_eq).

Claims

Verfahren zur Vorhersage von Schäden in Matrizen, die zur plastischen Bearbeitung von metallischen Materialien verwendet werden, durch die Vorhersage des Gewaltbruchs, der durch den die Lebensdauer von Matrizen bestimmenden Sprödbruch verursacht wird, um zur Auslegung und Konstruktion der Matrize einschließlich der Wahl der Matrizenmaterialien Materialien, der Härte des Materials und der Bestimmung der Matrizenform beizutragen, das die Ausführung der Auslegung der Matrize aufweist, indem die Bedingungen gewählt werden, bei denen keiner der vorhergesagten Werte des Sprödbruchs, F_c1 bis F_c3, die mit den nachstehenden Formeln 1 bis 3 berechnet werden, die materialabhängigen kritischen Werte überschreitet: Fc1 = (σm/σeq) [Formel 1] Fc2 = (σm/σ1max) [Formel 2] Fc3 = (σ1max/σeq); [Formel 3]dabei: σ_m: mittlere Normalspannung, die die Zugseite der Matrize belastet; σ_eq: von Misese'sche äquivalente Spannung; σ_1max: maximale Hauptspannung.
Verfahren zur Vorhersage von Schäden in Matrizen nach Anspruch 1, bei dem das Material der Matrize SKD61-Stahl ist und F_c1 = 0,7; F_c2 = 0,5 und F_c3 = 1,25.