JP4556753B2 - 金型の損傷予測方法 - Google Patents

Description

本発明は、金属の塑性加工を行なう金型、代表的には鍛造金型に関して、金型の寿命を左右する脆性破壊による「大割れ」損傷を予測し、その結果を利用して、金型の材質、硬さの選択および金型形状の決定を含む金型設計に役立て、寿命を長くする対策を樹立するための方法に関する。

鍛造金型を製作し、使用するに当たってその損傷を予測し、より長寿命な金型を製作するために役立てる損傷予測方法が、種々考案され、利用されている。予測の手法としては、有限要素解析法を用いて工具の温度および応力分布を求めておき、それらの値を、低サイクル疲労寿命や摩耗量を予測する構成方程式に代入して算出する、というものが一般的である。たとえば、鍛造金型特有の条件を取り入れた摩耗モデルに従って金型の摩耗量を予測し、その結果にもとづいて寿命を予測する技術が開示されている（特許文献１）。
特開２００２−３２１０３２

鍛造金型が使用により損傷する主な要因を挙げれば、おおむね、「大割れ」すなわち静的な脆性破壊、塑性流動、摩耗、および低サイクル疲労破壊の４種である。脆性破壊は、金型がまだあまり使用されていない、初期の段階で突然割れる現象であって、「初期割れ」ともいい、致命的な損傷である。しかし、従来提案された金型損傷予測方法は、こうした脆性破壊に関して、有効なものではない。延性破壊に関しては、これまでに、Cockroftの式、Oyaneの式、さらにはAyadaの式などが提案され、認知されている。しかし、これらの式は脆性破壊には適用できない。そこで、脆性破壊に関して効果的な金型損傷予測を可能にする予測式の出現が求められていた。

本発明の目的は、鍛造金型の損傷をもたらす諸要因のうちで、とくに金型寿命にとって致命的な影響を与える脆性破壊を予測することにより、よりよい金型の設計を可能にする金型損傷予測方法を提供することにある。

上記の目的を達成する本発明の方法は、金属の塑性加工を行なう金型の寿命を左右する、脆性破壊による「大割れ」損傷を予測して、金型の材質、硬さの選択および金型形状の決定を含む金型設計に役立てるための方法であって、下記の式１〜３により計算されるいずれの脆性破壊予測値Ｆ_ｃ１〜Ｆ_ｃ３も、材料に従って決定される臨界値を超えない条件を選択して金型設計を行なうことを特徴とする金型損傷予測方法である。
［式１］ Ｆ_ｃ１＝（σ_ｍ／σ_eq）
［式２］ Ｆ_ｃ２＝（σ_ｍ／σ_１max）
［式３］ Ｆ_ｃ３＝（σ_1max／σ_eq）
σ_ｍ：金型の引張り側に加わる静水圧応力
σ_eq：Von Miseseの相当応力
σ_1max：最大主応力

本発明の方法により金型の損傷を予測すれば、従来の損傷予測法では取り組んでいなかったが重要な因子である脆性破壊（「大割れ」ないし「初期割れ」）に関して、効果的にその対策を立てることが可能になる。当業者は、後記する実施例を参考に、それぞれの鋼材についてデータベースを構築し、脆性破壊予測値Ｆ_ｃ１〜Ｆ_ｃ３の値がいずれも臨界値に達しない条件を選定して金型設計することにより、最適の金型を製作することができる。金型が長い寿命を享受することができれば、金型自体のコストが節減できるだけでなく、金型交換の時間および手数を減らすことをも通じて、鍛造部品などの加工製品のコスト低下にも寄与することができる。

金型の脆性破壊を支配する要素は、上に掲げた静水圧応力（σ_ｍ）、相当応力（σ_eq）および最大主応力（σ_1max）の３種である。したがって、一般的には、
Ｆｃ＝ｆ（σ_ｍ，σ_eq，σ_1max）
の関係があるといえる。前記の式１〜３により支配的な要素をすべて考慮したので、これらの式の実際の運用に当たっては、式を改良（たとえば係数あわせなど）したものが経験的に見出されるかもしれないが、同様な効果が得られるのであるから、本発明はそれらの態様を包含する。

金型材料として、熱間工具鋼のひとつであるＳＫＤ６１を使用し、硬さをＨＲＣ４６，４９または５２に調質した。この鋼材からＪＩＳ４号引張り試験片を用意して、その一部に対して、中央に深さ５０％の円周Ｖノッチを設けた。各試験辺の形状・寸法を、図１（平滑材）、図２（切欠き角度３０^ｏ）、図３（９０^ｏ）および図４（１２０^ｏ）に示す。ノッチ先端曲率は、０．２mmである。

各試験片を引張り試験にかけ、破壊の生じる静水圧応力（σ_ｍ）を測定し、あわせて、破壊が延性破壊であるか脆性破壊であるかを記録した。相当応力（σ_eq）および最大主応力（σ_1max）を算出し、σ_eqに対するσ_ｍをプロットすることにより図５のグラフを、σ_1maxに対するσ_ｍをプロットすることにより図６のグラフを、そしてσ_eqに対するσ_1maxをプロットすることにより図７のグラフを、それぞれ得た。

図５〜７のグラフから、ＳＫＤ６１鋼の脆性破壊に関する臨界値Ｃ_１〜Ｃ_３の値を、下記のとおり決定した。
［式１］ Ｆ_ｃ１＝（σ_ｍ／σ_eq）＝０．７
［式２］ Ｆ_ｃ２＝（σ_ｍ／σ_１max）＝０．５
［式３］ Ｆ_ｃ３＝（σ_1max／σ_eq）＝１．２５

図８に示す断面形状をもつ自動車部品のファイナルギアを熱間鍛造するときに、パンチとカウンターパンチとにより上下から挟まれるワークの外周を規制する金型である、リングダイスについて、本発明に従う金型寿命の予測を行なった。ＳＫＤ６１鋼で製作し、使用済みとなった金型を調べて、このリングダイスの割れは、外周部から生じたことがわかった。

破壊境界値Ｆ_ｃ１〜Ｆ_ｃ３の分布状況を、上記のデータベースに基づいてコンピュータ・シミュレーション（ＦＥＭ解析）を行なって、下記３種のＣＧを得た。
図９（現状形状） Ｆ_ｃ１＝（σ_ｍ／σ_eq）
図１０（同上） Ｆ_ｃ２＝（σ_ｍ／σ_１max）
図１１（同上） Ｆ_ｃ３＝（σ_1max／σ_eq）
いずれのＣＧも、リングダイス外周部にＦ_ｃ１〜Ｆ_ｃ３が臨界値を超える部位が存在することを示しており、前記した調査結果と符合する。

そこで、リングダイスの外周の径を大きくして脆性破壊が生じることを防止するという方策をとった場合について、再度コンピュータ・シミュレーションを行なった。下記３種のＣＧが得られ、いずれも、Ｆ_ｃ１〜Ｆ_ｃ３が臨界値を超える部位がもはや存在しなくなったことを示した。
図１２（改善形状） Ｆ_ｃ１＝（σ_ｍ／σ_eq）
図１３（同上） Ｆ_ｃ２＝（σ_ｍ／σ_１max）
図１４（同上） Ｆ_ｃ３＝（σ_1max／σ_eq）

本発明の金型損傷予測方法は、鍛造金型を代表とする金型に対して最もよくその意義を発揮するが、高温と高い応力とが加わる点では類似の環境におかれるダイカスト金型などに関しても、適用可能である。金型の損傷の予測に当たっては、金型材料がもつべき特性もまた明らかになり、材料の開発に関する指針もそこから得られる点で、本発明は合金の技術の発達に対しても寄与する。

本発明の実施に先立ち、物性データベースを構築するために用意した引張り試験片のうち、平滑材の形状・寸法を示す図。 図１の試験片に円周Ｖノッチを施した試験片のうち、切り欠きの角度３０^ｏのものについて、形状・寸法を示す図１と同様な図。 切り欠きの角度９０^ｏのものについて、ノッチ部分の詳細を示す図２の一部と同様な図。 切り欠きの角度１２０^ｏのものについて、ノッチ部分の詳細を示す図３と同様な図。 本発明の実施例において、引張り試験によって得たデータにもとづき、相当応力（σ_eq）に対する静水圧応力（σ_ｍ）をプロットすることにより得たグラフ。 本発明の実施例において、引張り試験によって得たデータにもとづき、最大主応力（σ_1max）に対する静水圧応力（σ_ｍ）をプロットすることにより得たグラフ。 本発明の実施例において、引張り試験によって得たデータにもとづき、相当応力（σ_eq）に対する最大主応力（σ_1max）をプロットすることにより得たグラフ。 ファイナルギア（自動車部品）を熱間鍛造するときに使用するリングダイスと、ワークの形状を示す断面図。 本発明の実施例のデータであって、改善前の形状のリングダイスにおける、脆性破壊の臨界値Ｆ_Ｃ１の分布を示す、ＦＥＭ解析で得たＣＧ。 本発明の実施例のデータであって、改善前の形状のリングダイスにおける脆性破壊の臨界値Ｆ_Ｃ２の分布を示す、図９と同様なＣＧ。 本発明の実施例のデータであって、改善前の形状のリングダイスにおける脆性破壊の臨界値Ｆ_Ｃ３の分布を示す、図９と同様なＣＧ。 本発明の実施例のデータであって、改善後の形状のリングダイスにおける脆性破壊の臨界値Ｆ_Ｃ１の分布を示す、図９に対応するＣＧ。 本発明の実施例のデータであって、改善後の形状のリングダイスにおける脆性破壊の臨界値Ｆ_Ｃ２の分布を示す、図１０に対応するＣＧ。 本発明の実施例のデータであって、改善後の形状のリングダイスにおける脆性破壊の臨界値Ｆ_Ｃ３の分布を示す、図１１に対応するＣＧ。

Claims (2)

1. 金属の塑性加工を行なう金型の寿命を左右する、脆性破壊による「大割れ」損傷を予測して、金型の材質、硬さの選択および金型形状の決定を含む金型設計に役立てるための方法であって、下記の式１〜３により計算されるいずれの脆性破壊予測値Ｆ_ｃ１〜Ｆ_ｃ３も、材料に従って決定される臨界値を超えない条件を選択して金型設計を行なうことを特徴とする金型損傷予測方法。
   ［式１］ Ｆ_ｃ１＝（σ_ｍ／σ_eq）
   ［式２］ Ｆ_ｃ２＝（σ_ｍ／σ_１max）
   ［式３］ Ｆ_ｃ３＝（σ_1max／σ_eq）
   ここで、
   σ_ｍ：金型の引張り側に加わる静水圧応力
   σ_eq：Von Miseseの相当応力
   σ_1max：最大主応力
2. 金型の材料がＳＫＤ６１鋼であり、
   Ｆ_ｃ１＝０．７
   Ｆ_ｃ２＝０．５
   Ｆ_ｃ３＝１．２５
   である請求項１の金型損傷予測方法。
   
   
   

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