JP2005238289A - 鍛造成形品質予測システム - Google Patents

Abstract

【課題】 金型の３次元設計形状データと実際に製作された実金型との間に製造誤差等による形状の差異が発生してもこれが予測結果と鍛造成形品との差異の原因となることのない鍛造成形品質予測システムを提供する。
【解決手段】 製品に対応した金型を用いて被加工物５を鍛造成形する場合に得られるべき鍛造成形品の品質を事前に予測する鍛造成形品質予測システムにおいて、上記製品に対応するように製作された実金型２ｂ，３ｂの表面形状を計測して得た実測金型形状データに基づいて鍛造シュミレーションをして上記鍛造成形品の品質を予測する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、例えばエンジン内部の駆動部品を鍛造で成形する場合の鍛造成形品の品質を事前に予測するようにした鍛造成形品質予測システムに関する。

近年、上述のエンジン内駆動部品等の製造において鍛造加工の活用が進められている。これらの部品については高い形状精度と強度が要求され、さらに近年では開発期間の短縮化がますます要請されている。

そこで鍛造工程においても鍛造成形品の品質を事前に予測する、いわゆるシミュレーション技術が適用されつつある。この種のシミュレーション技術を適用した鍛造成形品質予測システムとして、従来例えば、鍛造工程に応じて設計された鍛造型を用いて鍛造シミュレーションしてその成形性を予測するようにしたもの（例えば特許文献１参照）、あるいは設計された鍛造型の成形性の良否を鍛造シミュレーションによってチェックし、材料の未充満等の不具合が生じるような場合にはその鍛造型は不適であるとしてその設計を見直し、適と判定された場合は実際に鍛造型を製作して量産に入るようにしたもの（例えば特許文献２参照）がある。
特開２００２−１４７５号公報 特開平０６−３２８１８０号公報

しかし上記従来の鍛造成形品質予測システムでは、予測結果と実際に得られた鍛造成形品との間に差異が生じる場合がある。これは以下の点に原因があるものと考えられる。即ち、上記従来システムでは、鍛造用金型の３次元設計形状データと成形条件データ等に基づいて被加工物の材料流れその他の物理状態をシミュレーションし、鍛造成形品の品質を予測するようにしている（図２参照）。しかし、金型の３次元設計形状データと実際に製作された実金型との間には製造誤差等による形状の差異が発生しており、これが上述の予測結果と鍛造成形品とが異なる原因の１つとなっていると考えられる。特に、金型の製造においては、３次元設計形状データにより必ずしも全ての部分が指示されている訳ではなく、形状データの存在しない部分も存在し、そこは金型製造者の経験に任されているので、上述の差異が生じ易い。

本発明は、上記従来の実情に鑑みてなされたものであり、金型の３次元設計形状データと実際に製作された実金型との間に製造誤差等による形状の差異が発生してもこれが予測結果と鍛造成形品との差異の原因となることのない鍛造成形品質予測システムを提供することを課題としている。

請求項１の発明は、製品に対応した金型を用いて被加工物を鍛造成形する場合に得られるべき鍛造成形品の品質を事前に予測する鍛造成形品質予測システムにおいて、上記製品に対応するように製作された実金型の表面形状を計測して得た実測金型形状データに基づいて鍛造シュミレーションをして上記鍛造成形品の品質を予測することを特徴としている。

請求項２の発明は、請求項１において、上記実測金型形状データが、上記製品に対応するように製作された実金型の表面形状をスキャニング（走査）して得られた測定点群を３次元形状化して作成されたものであることを特徴としている。

請求項３の発明は、請求項１又は２において、上記実金型の表面と上記鍛造成形品の表面とが接触すると予測される部分は品質良好と判断され、上記両表面が接触しないと予測される部分は品質不良と判断されることを特徴としている。

ここで本発明において、鍛造成形品の品質を予測するとは、実測金型形状データと、例えば前素材形状データ，材料名，材質，打撃力，加圧力，加圧速度，潤滑条件等の成形条件データに基づいて鍛造シュミレーションで材料の流れを予測し、該材料流れ予測に基づいて、材料の巻き込み等の成形欠陥が発生するか否か（成形欠陥の解析）、金型形状の転写精度がどの程度となるか（成形精度の解析）、あるいは成形中の金型に生じる応力がどの程度となるか（金型寿命の解析）等を予測することを意味している。

請求項１の発明によれば、製品に対応するように製作された実金型の表面形状を計測して得た実測金型形状データ、例えば請求項２の発明のように上記実金型の表面形状をスキャニングして得られた測定点群を３次元形状化したものに基づいて鍛造シュミレーションをして上記鍛造成形品の品質を予測するようにしたので、金型の３次元設計形状データと実際に製作された実金型との間に製造誤差等による形状の差異が発生していてもこれが上述の予測結果と鍛造成形品との差異の原因となるのを回避でき、予測精度を高めることができる。

また上記予測に基づいて実金型に造り込んだ良好な金型仕様を定量化できるので、この金型仕様を類似部品の鍛造用金型にも応用でき、鍛造成形品質を向上させることができる。

請求項３の発明によれば、上記実金型の表面と上記鍛造成形品の表面とが接触すると予測される部分は品質良好と判断し、上記両表面が接触しないと予測される部分は品質不良と判断するようにしたので、鍛造成形品質の良否予測を容易確実に行なうことができる。

以下、本発明の実施形態を添付図面に沿って説明する。
図１〜図５は本発明の一実施形態による鍛造成形品質予測システムを説明するための図であり、図１は変速機構の平面展開図、図２は鍛造工程のフローチャート、図３は鍛造装置の模式図、図４，図５は予測結果を説明するための模式図である。

図１において、１０は本実施形態システムが適用される鍛造部品としてのメイン軸１１，ドライブ軸１４を有する自動二輪車用エンジンの変速機構を示す。この変速機構１０は、不図示のクランク軸で回転駆動される上記メイン軸１１に装着された変速ギヤ群１２と上記ドライブ軸１４に装着された変速ギヤ群１３とを噛合させた構成となっている。

上記メイン軸１１，ドライブ軸１４は、上記変速ギヤ群１２，１３が軸方向に移動可能にスプライン嵌合しているスプライン部１１ｂを有する。またメイン軸１１には一速ギヤ１１ａが一体形成されている。上記スプライン部１１ｂは図４，図５に示すように、歯底面１１ｃと歯先面１１ｄをインボリュート形状の歯面１１ｅで連結したいわゆるインボリュートスプラインで構成されている。なお、上記歯面１１ｅが上記変速ギヤ群１２，１３の軸芯部に形成されたスプライン孔の歯面に当接して駆動トルクを伝達する。

上記メイン軸１１を製造するための鍛造工程は、図２に示す手順で実行される。即ち、最終製品としての上記メイン軸１１の図面又は形状データが設計工程において決定される（ステップＳ１）と、このデータに例えば研削等の加工代を加味することにより鍛造完成品の図面又は形状データが決定され（ステップＳ２）、さらに該鍛造完成品の図面又は形状データに基づいてそれを作るための金型が設計される（ステップＳ３）。なおこの金型設計での図面又は形状データにおいては、例えば微少なコーナ部のつなぎＲ等のような機能上特に規定する必要のない形状については表現されていないのが通例である。

上記金型設計に基づいて金型が実際に製作される（ステップＳ４）。図３に示すように、この実際に製作された実金型１は通常、上型２と下型３とからなり、該上型２，下型３はそれぞれ型枠２ａ，３ａ内に複数の型本体２ｂ，３ｂを配置固定した構造を有する。上記上型２，下型３はプレス装置４にセットされ、このプレス装置４により上型２と下型３とで被加工物５を圧縮，打撃する鍛造成形が行なわれ（ステップＳ５）、これにより鍛造完成品（現物）が製造される（ステップＳ６）。なお、被加工物５は前工程で丸棒を図示形状に荒鍛造したものであり、これにはスプライン加工は施されていない。

そして本実施形態における鍛造成形品質予測システムでは、上記ステップＳ４において製作された実金型１の各金型本体２ｂ，３ｂの型表面形状が３次元粗さ計でスキャニングされ、その結果得られた測定点群を３次元形状化して作成された実測３次元形状データを元に市販のソフト（例えばScientific Forming Technologies 社の「DEFORM-3D 」により鍛造シミュレーションが行なわれる。より具体的には、上記実測３次元形状データと、前素材形状データ，材料名，材質，打撃力，加圧力，加圧速度，潤滑条件等の各種の成形条件データに基づいて、材料の流れ方向が予測され、これに基づいて巻き込み等の成形欠陥、金型形状の転写精度、あるいは成形中の金型応力等が予測（評価）される。

なお、上記型表面形状のスキャンニングには、いわゆる形状測定機であれば何れを用いても良く、例えば光学式形状測定機（カメラ，レーザー），ＣＴスキャナ等が使用できる。

上記予測の具体例を図４，図５に基づいて説明する。図４は、上記実金型１を用いた場合の予測結果を、図５は比較のために採用された別の実金型を用いた場合の予測結果を示す。なお図４，図５は、図３に示す被加工物５の上部５ａの鍛造初期部分における予測結果を示す。

図４，図５中、黒点のある部分は金型の表面と被加工物の表面とが接触していることを、つまり金型の該黒点部分は被加工物の材料流れに効果的に寄与しており、欠陥が生じないと判断されることを示している。また黒点の無い部分は金型の表面と被加工物の表面とが接触していないことを、つまり金型の黒点の無い部分は被加工物の材料流れに寄与しておらず、欠陥が生じると判断されることを示している。

即ち、図４は欠陥の生じない良好な予測例を、図５は欠陥の生じる不良の予測例を示している。図４においては、駆動力を伝達する歯面１１ｅ上には上記黒点が満遍なく位置しており、金型の表面と歯面１１ｅとが良好に接触すると予測されていることを示している。曲線Ｐは、実際に鍛造されたメイン軸１１の歯面１１ｅの表面形状を計測した結果を示しており、この曲線Ｐが目標としているインボリュート曲線Ｐｏに略沿っていることが判る。

一方、図５においては、駆動力を伝達する歯面１１ｅ上に上記黒点の無い部分ｄがあり、該部分ｄでは金型の表面と歯面とが接触しないと予測されていることを示す。曲線Ｐ′は、実際に鍛造されたメイン軸１１の歯面１１ｅの表面形状を計測した結果を示しており、この曲線Ｐ′が目標とするインボリュート曲線Ｐｏから凹んだり突出したりしていることが判る。

このように本実施形態では、実金型形状の測定結果を元に鍛造品質をシミュレーションするようにしているので、実金型の表面形状の誤差を考慮した詳細なシミュレーションを行なうことができ、予測精度を向上できる。

また実金型に造り込んだ良好な金型仕様を定量化できるので、この金型仕様を類似部品の鍛造用金型にも応用でき、鍛造成形品質を向上させることができる。 なお、本発明は、上記のような変速機構のメイン軸やドライブ軸のスプライン部の鍛造ばかりでなく、鍛造で成形されるピストン，クランク軸，歯車などの他のエンジン関連部品や、その他あらゆる鍛造品の成形品質予測に利用できる。

本発明の一実施形態システムが適用される鍛造成形品としてのメイン軸を備えた変速機構の平面展開図である。 上記実施形態の鍛造工程のフローチャートである。 上記実施形態の鍛造装置の模式図である。 上記実施形態の予測結果を説明するための模式図である。 上記実施形態の予測結果を説明するための模式図である。

符号の説明

２ｂ，３ｂ 実金型
５ 被加工物
１１ メイン軸（製品）

Claims (3)

1. 製品に対応した金型を用いて被加工物を鍛造成形する場合に得られるべき鍛造成形品の品質を事前に予測する鍛造成形品質予測システムにおいて、上記製品に対応するように製作された実金型の表面形状を計測して得た実測金型形状データに基づいて鍛造シュミレーションをして上記鍛造成形品の品質を予測することを特徴とする鍛造成形品質予測システム。
2. 請求項１において、上記実測金型形状データが、上記製品に対応するように製作された実金型の表面形状をスキャニング（走査）して得られた測定点群を３次元形状化して作成されたものであることを特徴とする鍛造成形品質予測システム。
3. 請求項１又は２において、上記実金型の表面と上記鍛造成形品の表面とが接触すると予測される部分は品質良好と判断され、上記両表面が接触しないと予測される部分は品質不良と判断されることを特徴とする鍛造成形品質予測システム。

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