JP4359794B2 - 金型の寿命予測方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、金型の熱疲労寿命を予測する方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ダイカスト金型、熱間鍛造金型においては被加工材との接触による加熱と、水溶性離型剤や潤滑剤などによる冷却が行われるため、金型表面には圧縮および引張の熱応力が負荷される。実操業においては、この熱応力が繰り返し負荷されるため、金型表面に熱疲労クラックが発生し、被加工材に転写されるようになる。このクラックの転写は徐々に激しくなり、金型が使用できなくなると廃却となる。特にダイカスト金型では熱疲労によるクラックが最も大きな廃却原因となっており、この熱疲労寿命を向上することが強く望まれている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
このような問題に対しては、従来より、金型の硬度向上や、高温強度改善材の適用などが対策としてとられており、実際に効果が上がっている場合もある。しかし、金型の熱疲労寿命と金型の材料特性や熱応力負荷との関係が不明確であったため、実際に適用してみないと、どの程度の寿命向上が得られるか不明であった。そのため、期待したほど寿命が向上せず、試行錯誤を繰り返し、改善に時間とコストがかかってしまう場合があった。
金属材料の熱疲労試験における寿命Nについては、塑性歪み範囲εPとの関係式としてCoffin氏が次式を実験的に求めている（Trans. American Soc. Mech. Eng.,76-6(1954),931）。
εpN0.5＝εf／２
ここでεfは熱サイクルの平均温度での引張試験での材料の破断延性である。しかし、この式は両端を固定した円筒状試験片に加熱・冷却を加えるという熱疲労試験の結果に基づいて得られた式であり、金型の熱疲労に対して求められた式ではない。このため、この式を金型の熱疲労に対して直接適用することはできない。
また、この式は熱疲労寿命と関係する材料特性として熱サイクルの平均温度での材料の破断延性を採用しているが、実際には重要と考えられる加熱および冷却温度での材料特性との関係が明らかにされていない。
本発明の目的は、金型の材料特性および熱応力負荷より、金型の熱疲労寿命を予測する方法を提供することである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、金型の熱疲労寿命を予測することができれば、目標とする寿命向上に適した金型硬度や改善材を見出すことができるようになり、寿命向上への時間とコストを節減することができると考え、鋭意研究した結果、加熱時の温度における耐力および負荷される熱応力と冷却時の温度における絞りから金型の熱疲労寿命を予測することができることを見いだし本発明に到達した。
【０００５】
すなわち本発明は、ダイカスト金型または熱間鍛造金型の熱疲労寿命を予測する方法であって、
（１）被加工材に接触することにより加熱された金型の温度分布を求め、
（２）該温度分布より金型に発生する熱応力分布を求め、
（３）金型の所定の位置xにおける加熱時の温度Th、熱応力σhおよび金型材の温度Th
における所定の金型硬さでの耐力σy(Th)と、冷却時の温度Tcにおける所定の金型硬
さでの絞りφ(Tc)より金型の所定の位置xにおける熱疲労寿命を予測する方法であ
り、
金型の熱疲労寿命ＮとT h ，σ h ，σ y (T h )およびφ(T c )の関係式が
Ｎ＝｛Ｃ 1 （σ y (T h )／σ h ） m ・ｌｎ（１−φ(T c )） − 1 −Ｃ 2 ｝ n （Ｃ 1 ，Ｃ 2 ，m，nは定数）であることを特徴とする金型の寿命予測方法である。
好ましくは、前記温度分布および熱応力分布を有限要素法により求めることを特徴とする金型の寿命予測方法である。
【０００６】
【発明の実施の形態】
本発明の一実施例による金型寿命の予測方法の全行程を図１に示す。以下、各工程について詳細に説明する。
【０００７】
（ａ）被加工材接触による加熱時の金型の温度分布を求める（工程Ａ）
被加工材が接触することにより加熱された金型の温度分布を公知の方法で求める。温度分布の計算の前提として所定の金型材料の物性値を用いる。温度分布の計算には例えば有限要素法に代表される離散数学を原理とした計算機による計算を使用することができる。
【０００８】
まず、金型全体をメッシュ分割する。簡単化のために図２は応力集中部を２次元的に示すが、無論３次元的に解析することもできる。
【０００９】
次に熱負荷条件を設定する。熱負荷としては、熱伝達係数および雰囲気温度を設定したり、熱流束を設定したりすることで与えることができる。
【００１０】
そして、各要素の熱伝達解析を行い、計算結果から温度分布図を作成する。図２には求めた温度分布図の一例を示す。曲線３は温度の等値線を表す。
【００１１】
（ｂ）金型の温度分布より熱応力分布を求める（工程Ｂ）
上記温度分布図（図２）に基づき熱応力分布を公知の方法で求める。熱応力分布の計算についても温度分布の計算を行った金型材料と同じ材料の物性値を用いる。熱応力分布の計算には例えば温度分布の計算と同様に有限要素法に代表される離散数学を原理とした計算機による計算を使用することができる。
【００１２】
金型のモデルはメッシュ分割されているので、拘束条件を設定する。金型の周囲からの固定状態などに応じて各辺毎に拘束方向などを設定することができる。
【００１３】
そして、各要素の熱応力解析を行い、計算結果から熱応力分布図を作成する。図３には求めた熱応力分布図の一例を示す。曲線４は熱応力の等値線を表す。
【００１４】
（ｃ）金型の所望の位置ｘにおける加熱時の温度Th，熱応力σhを求める（工程Ｃ）
上記熱応力分布図（図３）上で熱疲労寿命を予測する位置ｘを指定する。一般的には最も応力の集中する位置を選ぶが、それ以外の位置を選ぶこともできる。次に、位置ｘにおける温度、熱応力をそれぞれ求める。
【００１５】
（ｄ）金型の熱応力σhと加熱温度Thでの耐力σy(Th)と冷却温度Tcでの絞りφ(Tc)を熱疲労寿命の関係式に代入し、金型の寿命を求める（工程Ｄ）
工程Ｃで求めた位置ｘにおける温度Thでの、所定の金型材料の、所定の硬さでの耐力σy(Th)を求める。また、冷却時の温度Tcでの、所定の金型材料の、所定の硬さでの絞りφ(Tc)も求める。冷却時の温度Tcは、製品取り出しおよび冷却のために開いた金型の表面温度を実際に測定した値を用いることができ、また有限要素法に代表される離散数学を原理とした計算機による計算で求めた結果を使用することもできる。
【００１６】
次に、金型の位置ｘにおける熱応力σhと加熱時の温度Thでの耐力σy(Th)と冷却時の温度Tcでの絞りφ(Tc)を熱疲労寿命と材料特性および熱応力との関係式に代入し、金型の寿命を求める。このとき例えば、硬さを変化させた場合の加熱時の温度Thでの耐力σy(Th)や冷却時の温度Tcでの絞りφ(Tc)の値を、それぞれ熱疲労寿命の関係式に代入すれば、所定の金型材料の硬さと寿命の関係を求めることができる。
【００１７】
本発明の実施例では特定の金型形状、使用条件で１つの金型材料について寿命予測を行う例を示したが、特定の金型形状、使用条件で複数の金型材料について寿命予測を行えば金型材料と寿命の関係を求めることができ、また、１つの金型材料について金型形状（例えばコーナー部の曲率半径等）や使用条件（被加工材の温度等）を変化させて寿命予測を行えば金型形状、使用条件と寿命との関係を求めることも可能である。
【００１８】
【発明の効果】
本発明によれば、金型を試作してトライ＆エラーを繰り返さなくても、目標とする寿命向上に適した金型硬度や改善材を効率よく見出すことができるようになり、寿命向上への時間とコストを節減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の金型の寿命予測方法の全行程の一例を示すフローチャートである。
【図２】金型を有限要素法でメッシュ分割した概略部分断面図および温度分布の例である。
【図３】金型を有限要素法でメッシュ分割した概略部分断面図および熱応力分布の例である。
【符号の説明】
１．金型、２．分割要素、３．温度等値線、４．熱応力等値線
【発明の属する技術分野】
本発明は、金型の熱疲労寿命を予測する方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ダイカスト金型、熱間鍛造金型においては被加工材との接触による加熱と、水溶性離型剤や潤滑剤などによる冷却が行われるため、金型表面には圧縮および引張の熱応力が負荷される。実操業においては、この熱応力が繰り返し負荷されるため、金型表面に熱疲労クラックが発生し、被加工材に転写されるようになる。このクラックの転写は徐々に激しくなり、金型が使用できなくなると廃却となる。特にダイカスト金型では熱疲労によるクラックが最も大きな廃却原因となっており、この熱疲労寿命を向上することが強く望まれている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
このような問題に対しては、従来より、金型の硬度向上や、高温強度改善材の適用などが対策としてとられており、実際に効果が上がっている場合もある。しかし、金型の熱疲労寿命と金型の材料特性や熱応力負荷との関係が不明確であったため、実際に適用してみないと、どの程度の寿命向上が得られるか不明であった。そのため、期待したほど寿命が向上せず、試行錯誤を繰り返し、改善に時間とコストがかかってしまう場合があった。
金属材料の熱疲労試験における寿命Nについては、塑性歪み範囲εPとの関係式としてCoffin氏が次式を実験的に求めている（Trans. American Soc. Mech. Eng.,76-6(1954),931）。
εpN0.5＝εf／２
ここでεfは熱サイクルの平均温度での引張試験での材料の破断延性である。しかし、この式は両端を固定した円筒状試験片に加熱・冷却を加えるという熱疲労試験の結果に基づいて得られた式であり、金型の熱疲労に対して求められた式ではない。このため、この式を金型の熱疲労に対して直接適用することはできない。
また、この式は熱疲労寿命と関係する材料特性として熱サイクルの平均温度での材料の破断延性を採用しているが、実際には重要と考えられる加熱および冷却温度での材料特性との関係が明らかにされていない。
本発明の目的は、金型の材料特性および熱応力負荷より、金型の熱疲労寿命を予測する方法を提供することである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、金型の熱疲労寿命を予測することができれば、目標とする寿命向上に適した金型硬度や改善材を見出すことができるようになり、寿命向上への時間とコストを節減することができると考え、鋭意研究した結果、加熱時の温度における耐力および負荷される熱応力と冷却時の温度における絞りから金型の熱疲労寿命を予測することができることを見いだし本発明に到達した。
【０００５】
すなわち本発明は、ダイカスト金型または熱間鍛造金型の熱疲労寿命を予測する方法であって、
（１）被加工材に接触することにより加熱された金型の温度分布を求め、
（２）該温度分布より金型に発生する熱応力分布を求め、
（３）金型の所定の位置xにおける加熱時の温度Th、熱応力σhおよび金型材の温度Th
における所定の金型硬さでの耐力σy(Th)と、冷却時の温度Tcにおける所定の金型硬
さでの絞りφ(Tc)より金型の所定の位置xにおける熱疲労寿命を予測する方法であ
り、
金型の熱疲労寿命ＮとT h ，σ h ，σ y (T h )およびφ(T c )の関係式が
Ｎ＝｛Ｃ 1 （σ y (T h )／σ h ） m ・ｌｎ（１−φ(T c )） − 1 −Ｃ 2 ｝ n （Ｃ 1 ，Ｃ 2 ，m，nは定数）であることを特徴とする金型の寿命予測方法である。
好ましくは、前記温度分布および熱応力分布を有限要素法により求めることを特徴とする金型の寿命予測方法である。
【０００６】
【発明の実施の形態】
本発明の一実施例による金型寿命の予測方法の全行程を図１に示す。以下、各工程について詳細に説明する。
【０００７】
（ａ）被加工材接触による加熱時の金型の温度分布を求める（工程Ａ）
被加工材が接触することにより加熱された金型の温度分布を公知の方法で求める。温度分布の計算の前提として所定の金型材料の物性値を用いる。温度分布の計算には例えば有限要素法に代表される離散数学を原理とした計算機による計算を使用することができる。
【０００８】
まず、金型全体をメッシュ分割する。簡単化のために図２は応力集中部を２次元的に示すが、無論３次元的に解析することもできる。
【０００９】
次に熱負荷条件を設定する。熱負荷としては、熱伝達係数および雰囲気温度を設定したり、熱流束を設定したりすることで与えることができる。
【００１０】
そして、各要素の熱伝達解析を行い、計算結果から温度分布図を作成する。図２には求めた温度分布図の一例を示す。曲線３は温度の等値線を表す。
【００１１】
（ｂ）金型の温度分布より熱応力分布を求める（工程Ｂ）
上記温度分布図（図２）に基づき熱応力分布を公知の方法で求める。熱応力分布の計算についても温度分布の計算を行った金型材料と同じ材料の物性値を用いる。熱応力分布の計算には例えば温度分布の計算と同様に有限要素法に代表される離散数学を原理とした計算機による計算を使用することができる。
【００１２】
金型のモデルはメッシュ分割されているので、拘束条件を設定する。金型の周囲からの固定状態などに応じて各辺毎に拘束方向などを設定することができる。
【００１３】
そして、各要素の熱応力解析を行い、計算結果から熱応力分布図を作成する。図３には求めた熱応力分布図の一例を示す。曲線４は熱応力の等値線を表す。
【００１４】
（ｃ）金型の所望の位置ｘにおける加熱時の温度Th，熱応力σhを求める（工程Ｃ）
上記熱応力分布図（図３）上で熱疲労寿命を予測する位置ｘを指定する。一般的には最も応力の集中する位置を選ぶが、それ以外の位置を選ぶこともできる。次に、位置ｘにおける温度、熱応力をそれぞれ求める。
【００１５】
（ｄ）金型の熱応力σhと加熱温度Thでの耐力σy(Th)と冷却温度Tcでの絞りφ(Tc)を熱疲労寿命の関係式に代入し、金型の寿命を求める（工程Ｄ）
工程Ｃで求めた位置ｘにおける温度Thでの、所定の金型材料の、所定の硬さでの耐力σy(Th)を求める。また、冷却時の温度Tcでの、所定の金型材料の、所定の硬さでの絞りφ(Tc)も求める。冷却時の温度Tcは、製品取り出しおよび冷却のために開いた金型の表面温度を実際に測定した値を用いることができ、また有限要素法に代表される離散数学を原理とした計算機による計算で求めた結果を使用することもできる。
【００１６】
次に、金型の位置ｘにおける熱応力σhと加熱時の温度Thでの耐力σy(Th)と冷却時の温度Tcでの絞りφ(Tc)を熱疲労寿命と材料特性および熱応力との関係式に代入し、金型の寿命を求める。このとき例えば、硬さを変化させた場合の加熱時の温度Thでの耐力σy(Th)や冷却時の温度Tcでの絞りφ(Tc)の値を、それぞれ熱疲労寿命の関係式に代入すれば、所定の金型材料の硬さと寿命の関係を求めることができる。
【００１７】
本発明の実施例では特定の金型形状、使用条件で１つの金型材料について寿命予測を行う例を示したが、特定の金型形状、使用条件で複数の金型材料について寿命予測を行えば金型材料と寿命の関係を求めることができ、また、１つの金型材料について金型形状（例えばコーナー部の曲率半径等）や使用条件（被加工材の温度等）を変化させて寿命予測を行えば金型形状、使用条件と寿命との関係を求めることも可能である。
【００１８】
【発明の効果】
本発明によれば、金型を試作してトライ＆エラーを繰り返さなくても、目標とする寿命向上に適した金型硬度や改善材を効率よく見出すことができるようになり、寿命向上への時間とコストを節減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の金型の寿命予測方法の全行程の一例を示すフローチャートである。
【図２】金型を有限要素法でメッシュ分割した概略部分断面図および温度分布の例である。
【図３】金型を有限要素法でメッシュ分割した概略部分断面図および熱応力分布の例である。
【符号の説明】
１．金型、２．分割要素、３．温度等値線、４．熱応力等値線
Claims (2)
- ダイカスト金型または熱間鍛造金型の熱疲労寿命を予測する方法であって、
（１）被加工材に接触することにより加熱された金型の温度分布を求め、
（２）該温度分布より金型に発生する熱応力分布を求め、
（３）金型の所定の位置xにおける加熱時の温度Th、熱応力σhおよび金型材の温度Th
における所定の金型硬さでの耐力σy(Th)と、冷却時の温度Tcにおける所定の金型硬
さでの絞りφ(Tc)より金型の所定の位置xにおける熱疲労寿命を予測する方法であ
り、
金型の熱疲労寿命ＮとT h ，σ h ，σ y (T h )およびφ(T c )の関係式が
Ｎ＝｛Ｃ 1 （σ y (T h )／σ h ） m ・ｌｎ（１−φ(T c )） − 1 −Ｃ 2 ｝ n （Ｃ 1 ，Ｃ 2 ，m，nは定数）であることを特徴とする金型の寿命予測方法。 - 請求項１に記載の金型の熱疲労寿命を予測する方法において、前記温度分布および熱応力分布を有限要素法により求めることを特徴とする金型の寿命予測方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP05398599A JP4359794B2 (ja) | 1999-03-02 | 1999-03-02 | 金型の寿命予測方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP05398599A JP4359794B2 (ja) | 1999-03-02 | 1999-03-02 | 金型の寿命予測方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2000246394A JP2000246394A (ja) | 2000-09-12 |
| JP4359794B2 true JP4359794B2 (ja) | 2009-11-04 |
Family
ID=12957927
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP05398599A Expired - Lifetime JP4359794B2 (ja) | 1999-03-02 | 1999-03-02 | 金型の寿命予測方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP4359794B2 (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20190018489A (ko) | 2017-03-24 | 2019-02-22 | 히다찌긴조꾸가부시끼가이사 | 금형의 수명 예측 방법 및 금형의 제조 방법 |
| CN111842837A (zh) * | 2020-08-11 | 2020-10-30 | 广州楚河工业设计合伙企业(有限合伙) | 一种用于卧式挤压铸造机的定模板 |
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|---|---|---|---|---|
| AU2002302052B2 (en) * | 2000-04-14 | 2004-11-11 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Method and equipment for assessing the life of members put under high in-service temperature environment for long period |
| JP2002163468A (ja) * | 2000-11-28 | 2002-06-07 | Hitachi Metals Ltd | 金型材料販売方法 |
| JP4556753B2 (ja) * | 2005-04-19 | 2010-10-06 | 大同特殊鋼株式会社 | 金型の損傷予測方法 |
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| CN109766634B (zh) * | 2019-01-11 | 2023-04-18 | 徐州徐工矿业机械有限公司 | 一种矿用大型铸钢件数字化正向研发方法 |
| CN117348525B (zh) * | 2023-12-05 | 2024-02-09 | 深圳市常丰激光刀模有限公司 | 一种基于ug软件的模具2d加工评估方法及系统 |
-
1999
- 1999-03-02 JP JP05398599A patent/JP4359794B2/ja not_active Expired - Lifetime
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20190018489A (ko) | 2017-03-24 | 2019-02-22 | 히다찌긴조꾸가부시끼가이사 | 금형의 수명 예측 방법 및 금형의 제조 방법 |
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2000246394A (ja) | 2000-09-12 |
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