JP2008033435A - 形状予測手法を用いた鍛造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】素材の鍛造後の形状を事前に簡単且つ精度良く予測することができ、しかも、金型を複数回圧下する鍛伸などにも採用することができる形状予測手法を用いた鍛造方法を提供することを課題とする。
【解決手段】素材と金型のメッシュを作成する第1ステップと、第1ステップで得られたデータを変形解析できるように変形解析用のインプットデータに変換する第2ステップと、第2ステップで得られたインプットデータと解析条件を変形解析モデルに入力して変形解析を行う第3ステップと、鍛造品の断面形状を算出する第4ステップを有する。
【選択図】図1

Description

本発明は、素材を金型で圧下して鍛造品を成形する際に、成形される鍛造品の形状を、変形解析を用いて事前に予測する形状予測手法を用いた鍛造方法に関するものである。
鍛造成形品の品質を事前に予測する発明として、シュミュレーション技術を採用した品質予測システムが特許文献1として出願されている。この特許文献1には、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など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が記載されているが、素材と金型の摩擦に関しては、潤滑条件を適用する旨が記載されている。しかし、潤滑条件については、金型の圧下量、金型の状態、素材の形状など種々の影響があるため一意に決定できないという問題点があると考えられる。
また、最近、鍛造工程に変形解析を用いて素材の鍛造後の形状を予測する手法が実際に採用されはじめてきているが、これはいずれもRR鍛造法など、金型を一度のみ圧下するものに採用されるにとどまっている。
鍛伸など金型を複数回圧下するものにあっては、金型の圧下の都度素材の表面性状が変化し、それが素材の鍛造後の形状に影響を及ぼしており、素材の鍛造後の形状を予測することは難しかった。それは、素材の鍛伸時間が長いため、鍛伸の初期と最終で素材の温度分布が異なることとなり、その結果、摩擦係数が異なることとなっていたためである。
以上のような実情もあって、金型を複数回圧下する鍛伸などにも、鍛造工程における素材の鍛造後の形状を事前に予測する方法が開発されることが待ち望まれていた。
特開2005−238289号公報
本発明は上記従来の実情に鑑みて発明したものであって、変形解析を用いることにより、従来は実験などでしか分からなかった素材の鍛造後の形状を事前に簡単且つ精度良く予測することができ、しかも、金型を複数回圧下する鍛伸などにも採用することができる形状予測手法を用いた鍛造方法を提供することを課題とするものである。
請求項1記載の発明は、素材を金型で圧下して鍛造品を成形する際に、成形される鍛造品の形状を、変形解析を用いて事前に予測する形状予測手法を用いた鍛造方法であって、素材と金型のメッシュを作成する第1ステップと、第1ステップで得られたデータを変形解析できるように変形解析用のインプットデータに変換する第2ステップと、第2ステップで得られたインプットデータと、以下の式で定義するクーロン摩擦係数を含む解析条件を、変形解析モデルに入力して変形解析を行う第3ステップと、鍛造品の断面形状を算出する第4ステップを有することを特徴とする形状予測手法を用いた鍛造方法である。
ここで、クーロン摩擦係数μ=f(1)×D+f(2)×A+f(3)×K+f(4)
上式で、f(1)は素材の形状が摩擦係数に及ぼす影響係数、f(2)は金型と素材の接触領域が摩擦係数に及ぼす影響係数、f(3)は金型の圧下が摩擦係数に及ぼす影響係数、f(4)は材料界面が持っている摩擦係数であり、Dは素材の高さと幅の相加平均値、Aは金型の圧下量、Kは素材の送り量である。
請求項2記載の発明は、第4ステップで算出された断面形状の鍛造品が、最終パスでの鍛造品でない中間鍛造品の場合、第3ステップに戻り、中間鍛造品をその軸方向に所定角度回転させた状態で、再度変形解析を行う請求項1記載の形状予測手法を用いた鍛造方法である。
請求項3記載の発明は、第3ステップで入力する解析条件には、前記クーロン摩擦係数のほか、金型の圧下量、実機計測によって得られる時間平均の金型の圧下速度、実機計測のデータによる素材の温度分布、実機と同一量の素材の送り量、圧縮試験のデータによる変形抵抗値があることを特徴とする請求項1または2記載の形状予測手法を用いた鍛造方法である。
本発明の形状予測手法を用いた鍛造方法によると、変形解析を採用することにより、今までは実験などでしか分からなかった素材の鍛造後の形状を事前に、簡単且つ精度良く予測することができ、しかも、金型を複数回圧下する鍛伸などにも採用することが可能となった。
以下、本発明を添付図面に示す実施形態に基づいてさらに詳細に説明する。
図1は、変形解析を用いて出来上がる鍛造品の形状を予測する作業の流れを示すフローチャートである。まず、第1ステップでは、米国UGS社のI−DEASやFEMAPなどの市販のCADソフトを用いて、素材1の形状、金型2の形状のメッシュを作成する。次に、第2ステップでは、第1ステップのメッシュ作成で得られた節点座標、節点番号、要素番号等の各データを、変形解析できるように変形解析用のインプットデータに変換する。
第3ステップでは、前記インプットデータのほか、複数の解析条件を変形解析モデルに入力して変形解析を行う。この解析条件には、素材1と金型2の間のクーロン摩擦係数、金型2の圧下量、実機計測によって得られる時間平均の金型2の圧下速度、実機計測のデータによる素材1の温度分布、実機と同一量の素材1の送り量、圧縮試験のデータによる変形抵抗値がある。
前記クーロン摩擦係数μは、μ=f(1)×D+f(2)×A+f(3)×K+f(4)で定義することができる。この式で、f(1)は素材1の形状が摩擦係数に及ぼす影響係数、f(2)は金型2と素材1の接触領域が摩擦係数に及ぼす影響係数、f(3)は金型2の圧下が摩擦係数に及ぼす影響係数、f(4)は材料界面が持っている摩擦係数であって、Dは素材1の高さと幅の相加平均値、Aは金型2の圧下量、Kは素材1の送り量である。なお、f(1)〜f(4)の各係数はまとめて材料定数と呼ぶ。
第4ステップでは、第3ステップで変形解析をもとに出来上がる鍛造品の断面形状を算出する。その算出された断面形状の鍛造品が、最終パスの鍛造品である場合、以上で解析は終了する。すなわち、1パスだけで鍛造工程を終了する場合、ここで解析は終了し、この算出された断面形状の鍛造品が、素材の鍛造後の形状であると予測することができる。
しかし、このパスが最終パスでない場合は、第3ステップに戻り、素材1をその軸方向に所定角度回転させた状態で、再度変形解析を行う。この際、入力する解析条件は、数値こそ異なるが、第3ステップでの前記解析条件と同じ解析条件である。次に第4ステップで、第3ステップでの変形解析をもとに出来上がる鍛造品の断面形状を算出する。その算出された断面形状の鍛造品が、最終パスの鍛造品の場合は、解析は終了するが、最終パスの鍛造品でない場合、再度、第3ステップに戻り変形解析を繰り返し行う。
素材1の上下左右の各面に鍛伸を施す場合には、素材1(中間鍛造品)を90度回転させ、再度変形解析を行う。上下左右に鍛伸を施す場合はこの2パスを最終パスとし、解析を終了する。すなわち、2度目の第3ステップで算出された断面形状の鍛造品が、素材1の鍛造後の形状であると予測することができる。
なお、前記した素材1(中間鍛造品)の回転角度は、必ずしも90度でなくても良く、また、工程は2パス以上であっても良い。
次に、鍛伸加工の過程について、3次元変形解析を使用することによって解析した。この解析は、鍛伸加工が1パスのみで終了すると想定して解析を行っている。解析には市販のソフトウェアである米国SFTC社のDEFORM3Dを使用した。解析モデルは図2に示すものである。低炭素鋼で成る素材1の鍛伸する部位の長さは2500mmであり、その形状は断面正方形の角柱状である。(以下、この鍛伸する部位を素材1として説明する。)また、ストッパーの役割をするマニピュレータグリップ3の長さは500mmであり、その形状は扁平な円盤状である。解析モデルの解析条件による温度分布は、実機計測による温度解析の結果、中心が1230℃、表面が900℃とした。金型2は平金型であり、その圧下は、鍛伸する部位3のうちマニピュレータグリップ3側から自由端側に順に行う。
解析条件は表1に示すが、そのNo.1を基本形の解析モデルの解析条件とし、No.2を金型の圧下量Aを変えた解析モデルの解析条件、No.3を素材の送り量Kを変えた解析モデルの解析条件、No.4を素材の高さと幅の相加平均値D(解析モデルの鍛伸する部位は断面正方形であるので、この解析モデルの場合は素材の高さ)を変えた解析モデルの解析条件とする。
Figure 2008033435
図3のグラフは、素材1の伸張比(素材1の軸方向への伸び率)がクーロン摩擦係数μの関数と考え縦軸としている。また、横軸はクーロン摩擦係数μである。解析ではクーロン摩擦係数μを0.1、0.2、0.3と順次変えデータを得た(No.4では0.15のデータも有り)。図3において、●はNo.1の解析結果、■はNo.2の解析結果、▲はNo.3の解析結果、○はNo.4の解析結果であって、斜線はNo.毎の解析結果をつなぐものであり、特に解析は行っていないがクーロン摩擦係数μを変えた際に伸張比がいくらになるかを予想した線である(以下、近似線という)。また、×は実機計測により得たデータであり前記近似線上に位置するため、この近似線が正しいことが理解できる。なお、No.1〜No.4の近似線上に示される×のクーロン摩擦係数μは、一定の値でないため、従来のようにクーロン摩擦係数μがすべて同じ(後記の比較例)と考えるのは正しくないことが分かる。
上記のように、鍛伸により素材1は伸張比に伴い軸方向に伸張するが、同時に幅方向にも広がる。素材1の体積は鍛伸によっても変わらず一定であるため、伸張比とその幅広がりは相互に関係することになる。
図3のグラフから検討した結果、No.1とNo.2、No.1とNo.3、No.1とNo.4はそれぞれ異なった近似線で表されたデータとなったため、クーロン摩擦係数μは、金型の圧下量A、素材の送り量K、素材の高さと幅の平均値Dのそれぞれにより異なってくることが確かめられた。クーロン摩擦係数μ=f(1)×D+f(2)×A+f(3)×K+f(4)の各材料定数f(1)、f(2)、f(3)、f(4)は、各近似線の傾きから導き出すことができ、材料定数は、それぞれf(1) =0.000016214、f(2) =0.000501020、f(3) =0.000512302、f(4)=0.188889597である。従って、この解析モデルでは、クーロン摩擦係数μは下記の方程式から計算できることが分かった。
μ=0.000016214×D+0.000501020×A+0.000512302×K+0.188889597
なお、素材1を低炭素鋼としたため、上記に示す各材料定数を得ることができたが、素材1が異なる材料で形成された場合は異なる数値となる。素材1の材料としては、低炭素鋼のほか、低炭素鋼以外の炭素鋼、低合金鋼等を用いることができる。
初期形状が、高さ500mm×幅500mmの正方形断面の低炭素鋼で成る素材1を準備し、上下に配置した一対の金型2,2を素材1の表面に圧下することにより、実際に熱間で素材1の鍛伸加工を行った。金型2の圧下は、図4に示すように、初期形状の素材1の両表面に圧下を行う1パスと、1パス終了後、図5に示すように、素材1(中間鍛造品)をその軸方向に90°回転させた上で素材1の別の表面に圧下を行う2パスに分けて行い、2パスを最終パスとした。なお、圧下した金型2は平金型であり、金型2の素材1送り方向寸法である長さは500mmであり、幅は600mm以上である。(実機計測)
その実機計測に併せて、実機計測で得られたデータを基に、本発明による鍛造品の形状予測(実施例)と、クーロン摩擦係数μを熱間では一律0.3とした従来の考えに基づいた鍛造品の形状予測(比較例)を行った。
実施例では、素材1が低炭素鋼であるため、材料定数をそれぞれf(1) =0.000016214、f(2) =0.000501020、f(3) =0.000512302、f(4)=0.188889597とし、それら材料定数を、クーロン摩擦係数μを求める方程式に代入することにより、クーロン摩擦係数μをμ=0.000016214×D+0.000501020×A+0.000512302×K+0.188889597から求めることとした。
なお、実施例において、素材1の高さと幅の平均値Dは、1パスが500mm、2パスが(583+334)/2=458.5mmであり、金型2の圧下量は、1パスが166mm、2パスが185mmである。また、素材1の送り量は250mmである。計算により求められたクーロン摩擦係数μは、1パスが0.152、2パスが0.160である。
以上の実機計測並びに形状予測で得られたデータを表2に示す。なお、表中ではクーロン摩擦係数μを摩擦係数として示し、断面形状の単位はmmである。
Figure 2008033435
1パスの中間鍛造品の断面形状は、実機計測では高さ334mm×幅583mmであったのに対し、実施例では高さ334mm×幅585mm、比較例では高さ334mm×幅590mmである。比較例では幅で7mmの誤差があったのに対し、実施例では僅か2mmの誤差しかなかった。
また、2パス、つまり最終パスでの鍛造品の断面形状は、実機計測では高さ400mm×幅400mmであったのに対し、実施例では高さ400mm×幅403mm、比較例では高さ400mm×幅410mmである。すなわち、特に重要視すべき最終パスでも、比較例では幅で10mmの誤差があったのに対し、実施例では僅か3mmの誤差しかなかった。
すなわち、実施例では実機計測に非常に近似したデータを得ることができる。以上の結果から明らかなように、本発明の形状予測手法を用いた鍛造方法を採用すると、素材の鍛造後の鍛造品の形状を事前に、簡単且つ精度良く予測することが可能となる。
本発明の一実施形態を示すフローチャートである。 3次元変形解析に用いた解析モデルを示すもので、(a)は側面図、(b)は正面図である。 3次元変形解析の結果求めた素材のクーロン摩擦係数と伸張比の関係を示す説明図である。 初期形状の素材の両表面に金型の圧下を行う鍛伸工程の1パスを示す縦断面図である。 1パスを終了した素材の別の表面に金型の圧下を行う鍛伸工程の2パスを示す縦断面図である。
符号の説明
1…素材
2…金型

Claims (3)

  1. 素材を金型で圧下して鍛造品を成形する際に、成形される鍛造品の形状を、変形解析を用いて事前に予測する形状予測手法を用いた鍛造方法であって、
    素材と金型のメッシュを作成する第1ステップと、
    第1ステップで得られたデータを変形解析できるように変形解析用のインプットデータに変換する第2ステップと、
    第2ステップで得られたインプットデータと、以下の式で定義するクーロン摩擦係数を含む解析条件を、変形解析モデルに入力して変形解析を行う第3ステップと、
    鍛造品の断面形状を算出する第4ステップを有することを特徴とする形状予測手法を用いた鍛造方法。
    ここで、クーロン摩擦係数μ=f(1)×D+f(2)×A+f(3)×K+f(4)
    上式で、f(1)は素材の形状が摩擦係数に及ぼす影響係数、f(2)は金型と素材の接触領域が摩擦係数に及ぼす影響係数、f(3)は金型の圧下が摩擦係数に及ぼす影響係数、f(4)は材料界面が持っている摩擦係数であり、Dは素材の高さと幅の相加平均値、Aは金型の圧下量、Kは素材の送り量である。
  2. 第4ステップで算出された断面形状の鍛造品が、最終パスでの鍛造品でない中間鍛造品の場合、第3ステップに戻り、中間鍛造品をその軸方向に所定角度回転させた状態で、再度変形解析を行う請求項1記載の形状予測手法を用いた鍛造方法。
  3. 第3ステップで入力する解析条件には、前記クーロン摩擦係数のほか、金型の圧下量、実機計測によって得られる時間平均の金型の圧下速度、実機計測のデータによる素材の温度分布、実機と同一量の素材の送り量、圧縮試験のデータによる変形抵抗値があることを特徴とする請求項1または2記載の形状予測手法を用いた鍛造方法。
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