JP3127713B2 - 粉末成形の最適条件解析方法 - Google Patents
粉末成形の最適条件解析方法Info
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-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N3/00—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress
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- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B22—CASTING; POWDER METALLURGY
- B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
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- B22F3/20—Manufacture of workpieces or articles from metallic powder characterised by the manner of compacting or sintering; Apparatus specially adapted therefor ; Presses and furnaces by extruding
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】この発明は粉末成形の最適条件解
析方法に関し、特に、セラミックのような粉末を成形す
るための金型構造，成形条件および／または成形材料の
最適化を図るような粉末成形の最適条件解析方法に関す
る。
析方法に関し、特に、セラミックのような粉末を成形す
るための金型構造，成形条件および／または成形材料の
最適化を図るような粉末成形の最適条件解析方法に関す
る。
【０００２】
【従来の技術】金属材料は完全な電子配列で構成されて
いるため、圧力を加えても電子がつぶれることはない。
このため、金属材料を押出成形してＦＥＭ解析（有限要
素法解析）する場合には、剪断仕事のみを考慮すればよ
く、体積仕事は考慮しなくてもよい。しかし、バルク金
属の塑性加工においてもこれまでのところ３次元解析は
ほとんど行なわれていない。
いるため、圧力を加えても電子がつぶれることはない。
このため、金属材料を押出成形してＦＥＭ解析（有限要
素法解析）する場合には、剪断仕事のみを考慮すればよ
く、体積仕事は考慮しなくてもよい。しかし、バルク金
属の塑性加工においてもこれまでのところ３次元解析は
ほとんど行なわれていない。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】一方、セラミックなど
の粉体は、ファニキュラ域では、内部に空孔を有してお
り、圧力が加えられると弾性変形し、塑性流動するとい
う性質がある。すなわち、ファニキュラ域は、図３に示
すように、粒子１同士が互いに接触している部分と、液
体２または気体３を介して粒子が接しており、押出成形
などの粉末成形においてＦＥ０解析する場合、体積仕事
が内部仕事に占める割合を無視できなくなる。このた
め、金属材料をＦＥＭ解析するソフトウェアを用いてコ
ンピュータでシミュレーションしても、塑性流動を高精
度に予測することができない。
の粉体は、ファニキュラ域では、内部に空孔を有してお
り、圧力が加えられると弾性変形し、塑性流動するとい
う性質がある。すなわち、ファニキュラ域は、図３に示
すように、粒子１同士が互いに接触している部分と、液
体２または気体３を介して粒子が接しており、押出成形
などの粉末成形においてＦＥ０解析する場合、体積仕事
が内部仕事に占める割合を無視できなくなる。このた
め、金属材料をＦＥＭ解析するソフトウェアを用いてコ
ンピュータでシミュレーションしても、塑性流動を高精
度に予測することができない。
【０００４】図４および図５は従来型の要素再構築法に
ついて示す図である。図４および図５において、金型４
は上半分の断面を示しており、金型４内に図３に示した
ようなファニキュラ域のような要素６を満たし、一方側
から押出部材５で要素を押出すと、金型４との間に隙間
７が生じたり、金型４への食い込み８が発生する。この
ため、体積保存が成立しなくなり、誤差が生じ、正確な
計算ができなくなり、また解すら得られなくなる。この
ため、従来型の解析では、これまでのところ３次元形状
の金型に対応することができないという問題点があっ
た。
ついて示す図である。図４および図５において、金型４
は上半分の断面を示しており、金型４内に図３に示した
ようなファニキュラ域のような要素６を満たし、一方側
から押出部材５で要素を押出すと、金型４との間に隙間
７が生じたり、金型４への食い込み８が発生する。この
ため、体積保存が成立しなくなり、誤差が生じ、正確な
計算ができなくなり、また解すら得られなくなる。この
ため、従来型の解析では、これまでのところ３次元形状
の金型に対応することができないという問題点があっ
た。
【０００５】このように要素再分割、ＡＬＥ法（Arbitr
ary Lagrangian Eulerian method）などを含め、計算力
学の新しい成果を組込んだシステムおよびその研究開発
はほとんど行なわれていない。なお、ＡＬＥ法とは、工
具と粉体とが相互作用を有する成形において剛体挙動を
する工具と変形する粉体との間にくい違いが生じ、これ
を本質的に根本的に解決する手法のことである。
ary Lagrangian Eulerian method）などを含め、計算力
学の新しい成果を組込んだシステムおよびその研究開発
はほとんど行なわれていない。なお、ＡＬＥ法とは、工
具と粉体とが相互作用を有する成形において剛体挙動を
する工具と変形する粉体との間にくい違いが生じ、これ
を本質的に根本的に解決する手法のことである。
【０００６】それゆえに、この発明の主たる目的は、金
型形状や粉末材料や成形条件を最適化できるような粉末
成形の最適条件解析方法を提供することである。
型形状や粉末材料や成形条件を最適化できるような粉末
成形の最適条件解析方法を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】この発明は粉末材料を押
出成形するときの金型，成形条件および／または成形材
料を最適にするための解析方法であって、粉末材料の材
料特性の押出成形時の歪と歪速度とを用いて構成式とし
て定義し、さらに体積仕事を考慮した仮想仕事の釣合い
方程式を解析して、成形した部品の圧力分布，速度分
布，および／または密度分布を出力し、これらをフィー
ドバックして金型の形状，成形条件および成形材料を最
適化する。
出成形するときの金型，成形条件および／または成形材
料を最適にするための解析方法であって、粉末材料の材
料特性の押出成形時の歪と歪速度とを用いて構成式とし
て定義し、さらに体積仕事を考慮した仮想仕事の釣合い
方程式を解析して、成形した部品の圧力分布，速度分
布，および／または密度分布を出力し、これらをフィー
ドバックして金型の形状，成形条件および成形材料を最
適化する。
【０００８】請求項２に係る発明では、粉末材料の空孔
率も考慮する。請求項３に係る発明では、さらに粉末材
料の特性，および添加する液体の特性の材料単体での基
本特性を評価し、その配合比率より混合物の請求項１に
おける構成式での定数を決定する。
率も考慮する。請求項３に係る発明では、さらに粉末材
料の特性，および添加する液体の特性の材料単体での基
本特性を評価し、その配合比率より混合物の請求項１に
おける構成式での定数を決定する。
【０００９】
【作用】この発明に係る粉末成形の最適条件解析方法
は、粉末材料を押出成形したときの歪と歪速度とを用い
て、材料特性を構成式として定義し、さらに体積仕事を
考慮した仮想仕事の釣合い方程式を解析して成形した部
品の圧力分布，速度分布および／または密度分布を出力
し、これらをフィードバックして金型の形状，成形条件
および／または成形材料を最適化する。
は、粉末材料を押出成形したときの歪と歪速度とを用い
て、材料特性を構成式として定義し、さらに体積仕事を
考慮した仮想仕事の釣合い方程式を解析して成形した部
品の圧力分布，速度分布および／または密度分布を出力
し、これらをフィードバックして金型の形状，成形条件
および／または成形材料を最適化する。
【００１０】
【実施例】図１はこの発明の一実施例を説明するための
図である。図１において、ロードセル１１の上に下プレ
ート１２が設置され、下プレート１２の上方には上プレ
ート１３が配置される。下プレート１２と上プレート１
３との間に円柱状に成形したビレット（材料）１６が配
置され、上プレート１３に上方から圧力を加えたとき、
上プレート１２および下プレート１３とビレット１６の
上下面の接触面で摩擦によりビレット１６が太鼓状にな
ってしまうのを避けるために、摩擦係数の小さいテフロ
ンシート１４，１５が下プレート１２の上面と上プレー
ト１３の下面に貼り付けられる。
図である。図１において、ロードセル１１の上に下プレ
ート１２が設置され、下プレート１２の上方には上プレ
ート１３が配置される。下プレート１２と上プレート１
３との間に円柱状に成形したビレット（材料）１６が配
置され、上プレート１３に上方から圧力を加えたとき、
上プレート１２および下プレート１３とビレット１６の
上下面の接触面で摩擦によりビレット１６が太鼓状にな
ってしまうのを避けるために、摩擦係数の小さいテフロ
ンシート１４，１５が下プレート１２の上面と上プレー
ト１３の下面に貼り付けられる。
【００１１】上プレート１３をある一定速度で下降させ
て圧力を加えると、ビレット１６は押されてその反力に
よりロードセル１１に荷重Ｐが生じ、このときのビレッ
ト１６の直径の変形ｄがレーザ測長器２０によって測定
される。ビレット１６の軸方向に一定速度で変化させる
ことによって、ビレット１６の直径が変化し、軸方向に
生じる変形応力σは次の第（１）式で表される。
て圧力を加えると、ビレット１６は押されてその反力に
よりロードセル１１に荷重Ｐが生じ、このときのビレッ
ト１６の直径の変形ｄがレーザ測長器２０によって測定
される。ビレット１６の軸方向に一定速度で変化させる
ことによって、ビレット１６の直径が変化し、軸方向に
生じる変形応力σは次の第（１）式で表される。
【００１２】
【数１】
【００１３】第（１）式において、εは時間Δｔ経過し
たときのΔｄの増分、すなわち歪であり、この歪εと歪
εを毎回時間微分した歪速度ε１との２つの関数によっ
て変形応力σが表される。この変形応力σは押し込む速
度によって変化する。ビレットを簡単な粘弾性材料と仮
定すれば次の第（２）式が成立する。
たときのΔｄの増分、すなわち歪であり、この歪εと歪
εを毎回時間微分した歪速度ε１との２つの関数によっ
て変形応力σが表される。この変形応力σは押し込む速
度によって変化する。ビレットを簡単な粘弾性材料と仮
定すれば次の第（２）式が成立する。
【００１４】
【数２】
【００１５】この第（２）式に基づいて３ないし４回測
定すれば、定数ｋ，ｎ，ｍを求めることができる。これ
らの定数が求まれば、一応シミュレーションが可能であ
る。しかしながら、第（２）式では空孔については考慮
されていない。空孔率ｆv （見かけ密度）は次の第
（３）式で表される。
定すれば、定数ｋ，ｎ，ｍを求めることができる。これ
らの定数が求まれば、一応シミュレーションが可能であ
る。しかしながら、第（２）式では空孔については考慮
されていない。空孔率ｆv （見かけ密度）は次の第
（３）式で表される。
【００１６】
【数３】
【００１７】第（３）式において、σkkは主応力であ
り、Ｓijは剪断力である。Ａ，Ｂ，Ｃは従来より文献で
知られた公知の定数である。仮想仕事の釣合いを示す構
成式は次の第（４）式で表される。
り、Ｓijは剪断力である。Ａ，Ｂ，Ｃは従来より文献で
知られた公知の定数である。仮想仕事の釣合いを示す構
成式は次の第（４）式で表される。
【００１８】
【数４】
【００１９】第（４）式における左辺第１項は剪断仕事
を示し、左辺第２項が体積仕事を示している。剪断力Ｓ
ijは２／３（σε）εijで表され、σとして前述の第
（２）式が代入される。
を示し、左辺第２項が体積仕事を示している。剪断力Ｓ
ijは２／３（σε）εijで表され、σとして前述の第
（２）式が代入される。
【００２０】図２はビレットをシート状に加工する方法
を説明するための図である。図２において、金型２１の
入口側はその断面が円形に形成されており、その中央部
の断面が四角形に形成され、出口側に近づくにしたがっ
てその断面が長方形となるように形成され、出口側はさ
らに上下が絞り込まれた長方形に形成されている。金型
２１の入口側にプランジャ２２を一定の圧力Ｐで押し込
むと、粉末材料はその中央部で四角形に形成され、出口
側に近づくにしたがって上下が絞り込まれ、シート状と
なる。
を説明するための図である。図２において、金型２１の
入口側はその断面が円形に形成されており、その中央部
の断面が四角形に形成され、出口側に近づくにしたがっ
てその断面が長方形となるように形成され、出口側はさ
らに上下が絞り込まれた長方形に形成されている。金型
２１の入口側にプランジャ２２を一定の圧力Ｐで押し込
むと、粉末材料はその中央部で四角形に形成され、出口
側に近づくにしたがって上下が絞り込まれ、シート状と
なる。
【００２１】このとき、入口側の圧力Ｐを一定にし、出
口側からシートが取出される速度ｖを一定としたときの
運動方程式により定常流れ解析を行なうとともに、入口
側の圧力Ｐを一定にし、出口側からシートが取出される
速度ｖを未知数としたときの運動方程式により非定常流
れ解析を行なって、成形したシートの圧力分布，速度分
布，密度分布を出力し、これらの結果をもとにして金型
形状，材料の特性，成型条件をふることによって、金型
形状の最適化，粉末材料の最適化，成形条件の最適化を
図ることができ、成形体の形状寸法を向上でき、成形体
の密度の均一化を図ることができる。それによって、焼
結体の形状，精度を向上でき、設計通りの形状を実現で
き、コストダウンを図り、品質を向上できる。
口側からシートが取出される速度ｖを一定としたときの
運動方程式により定常流れ解析を行なうとともに、入口
側の圧力Ｐを一定にし、出口側からシートが取出される
速度ｖを未知数としたときの運動方程式により非定常流
れ解析を行なって、成形したシートの圧力分布，速度分
布，密度分布を出力し、これらの結果をもとにして金型
形状，材料の特性，成型条件をふることによって、金型
形状の最適化，粉末材料の最適化，成形条件の最適化を
図ることができ、成形体の形状寸法を向上でき、成形体
の密度の均一化を図ることができる。それによって、焼
結体の形状，精度を向上でき、設計通りの形状を実現で
き、コストダウンを図り、品質を向上できる。
【００２２】図３はこの発明におけるＦＥＭ解析の計算
の流れを示したものである。なお、前述の実施例では、
実際にビレット成形した試験体を１軸加圧して材料定数
を求めるようにした。このため、材料の最適条件では粉
体と水の量とを変化させた粘土を作成して材料特性を測
定する必要がある。このためビレット成形して保形性の
ある材料でないと材料特性の測定ができないので、シミ
ュレーションの範囲が狭くなってしまう。
の流れを示したものである。なお、前述の実施例では、
実際にビレット成形した試験体を１軸加圧して材料定数
を求めるようにした。このため、材料の最適条件では粉
体と水の量とを変化させた粘土を作成して材料特性を測
定する必要がある。このためビレット成形して保形性の
ある材料でないと材料特性の測定ができないので、シミ
ュレーションの範囲が狭くなってしまう。
【００２３】そこで、他の実施例として、粉体の特性
（粒子形状，粒子密度，粒度分布）と添加する液体の特
性（粘度）のみならず、粉体に対する液体の量（含水
率），調合の割合などの材料の基本特性を入力し、調合
の割合を変えたり粒度分布を変えたりしながら、コンピ
ュータによってシミュレーションして材料の特性を評価
し、構成式における定数の決定を行ない、これを基にし
て前述の実施例と同様の解析を行なってもよい。
（粒子形状，粒子密度，粒度分布）と添加する液体の特
性（粘度）のみならず、粉体に対する液体の量（含水
率），調合の割合などの材料の基本特性を入力し、調合
の割合を変えたり粒度分布を変えたりしながら、コンピ
ュータによってシミュレーションして材料の特性を評価
し、構成式における定数の決定を行ない、これを基にし
て前述の実施例と同様の解析を行なってもよい。
【００２４】
【発明の効果】以上のように、この発明によれば、粉末
材料を押出成形したときの歪と歪速度とを用いて材料特
性を構成式として定義し、さらに体積仕事を考慮した仮
想仕事の釣合い方程式を解析して成形した部品の圧力分
布，速度分布，密度分布を出力し、これらをフィードバ
ックすることによって、金型の形状，成形条件および成
形材料を最適化することができ、成形部品の形状寸法精
度を向上でき、密度の均一化を図ることができ、焼結体
の形状精度の向上を図ることができ、コストダウンおよ
び品質の向上を図ることができる。
材料を押出成形したときの歪と歪速度とを用いて材料特
性を構成式として定義し、さらに体積仕事を考慮した仮
想仕事の釣合い方程式を解析して成形した部品の圧力分
布，速度分布，密度分布を出力し、これらをフィードバ
ックすることによって、金型の形状，成形条件および成
形材料を最適化することができ、成形部品の形状寸法精
度を向上でき、密度の均一化を図ることができ、焼結体
の形状精度の向上を図ることができ、コストダウンおよ
び品質の向上を図ることができる。
【図１】この発明の一実施例を示す図である。
【図２】ビレットをシート状に加工する方法を説明する
ための図である。
ための図である。
【図３】この発明のＦＥＭ解析の計算の流れを示したも
のである。
のである。
【図４】ファニキュラを示す図である。
【図５】ＡＬＥ法を用いた要素再構築法を説明するため
の図である。
の図である。
【図６】ＡＬＥ法において金型に要素を押し込んだとき
に生じる不都合を説明するための図である。
に生じる不都合を説明するための図である。
【符号の説明】 １１ ロードセル １２ 下プレート １３ 上プレート １４，１５ テフロンシート １６ ビレット ２１ 金型
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G01N 15/00 B22F 3/02 B28B 3/20
Claims (3)
- 【請求項１】 粉末材料を押出成形するときの金型，成
形条件および／または成形材料を最適にするための解析
方法であって、 前記粉末材料の材料特性の押出成形時の歪と歪速度とを
用いて構成式として定義し、さらに体積仕事を考慮した
仮想仕事の釣合い方程式を解析して、成形した部品の圧
力分布，速度分布，および／または密度分布を出力し、
これらをフィードバックして前記金型の形状，成形条件
および成形材料を最適化することを特徴とする、粉末成
形の最適条件解析方法。 - 【請求項２】 さらに、前記粉末材料の空孔率も考慮す
ることを特徴とする、請求項１の粉末成形の最適条件解
析方法。 - 【請求項３】 さらに、前記粉末材料の特性，および添
加する液体の特性の材料単体での基本特性を評価し、そ
の配合比率より混合物の前記構成式における定数を決定
することを特徴とする、請求項１の粉末成形の最適条件
解析方法。
Priority Applications (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP06096553A JP3127713B2 (ja) | 1994-05-10 | 1994-05-10 | 粉末成形の最適条件解析方法 |
| US08/422,126 US5569860A (en) | 1994-05-10 | 1995-04-13 | Method of analytically determining optimum conditions for powder forging |
| DE19516463A DE19516463C2 (de) | 1994-05-10 | 1995-05-04 | Verfahren zur analytischen Bestimmung optimaler Bedingungen für das Pulverschmieden |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP06096553A JP3127713B2 (ja) | 1994-05-10 | 1994-05-10 | 粉末成形の最適条件解析方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH07306132A JPH07306132A (ja) | 1995-11-21 |
| JP3127713B2 true JP3127713B2 (ja) | 2001-01-29 |
Family
ID=14168268
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP06096553A Expired - Fee Related JP3127713B2 (ja) | 1994-05-10 | 1994-05-10 | 粉末成形の最適条件解析方法 |
Country Status (3)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5569860A (ja) |
| JP (1) | JP3127713B2 (ja) |
| DE (1) | DE19516463C2 (ja) |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6555143B2 (en) | 2001-02-28 | 2003-04-29 | Johnson & Johnson Consumer Products, Inc. | Legume products |
| US6750229B2 (en) | 1998-07-06 | 2004-06-15 | Johnson & Johnson Consumer Companies, Inc. | Methods for treating skin pigmentation |
| US7985404B1 (en) | 1999-07-27 | 2011-07-26 | Johnson & Johnson Consumer Companies, Inc. | Reducing hair growth, hair follicle and hair shaft size and hair pigmentation |
| US8039026B1 (en) | 1997-07-28 | 2011-10-18 | Johnson & Johnson Consumer Companies, Inc | Methods for treating skin pigmentation |
| US8465731B2 (en) | 2010-03-12 | 2013-06-18 | Elc Management, Llc | Probiotic color cosmetic compositions and methods |
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