JP4559256B2 - 冷間鍛造工程での鍛造割れの予測方法 - Google Patents

Description

この発明は、冷間鍛造などの冷間加工による成形品の割れの予測方法に係り、具体的には、冷間鍛造工程での被成形材のメタルフローを考慮した鍛造割れの予測方法に関する。

冷間鍛造や冷間圧造（以下冷間鍛造と記す）などの冷間加工は、熱間加工に比べて生産性が高く、材料歩留が良好なため、ボルト、ナット、ねじ等の機械部品や電装部品を効率よく製造する方法として汎用されている。冷間鍛造では、被成形材の変形抵抗が高いため、鍛造加工時の割れや工具寿命の低下を防止するために、例えば、鋼素材では、一般に、冷間鍛造前に球状化焼鈍ましなどの軟化熱処理が施される。この球状化焼鈍処理は長時間を要するため、生産性の向上や大幅な省エネルギの観点から、素材の組成を工夫するなどして省略される傾向にもある。しかし、軟化焼鈍処理の有無にかかわらず、冷間鍛造では、成形品の形状によっては、大きな変形量と高い面圧を伴うため、成形品に局部的な表面割れなどの欠陥が発生する場合がある。このような欠陥が発生すると、品質基準を満たさず成形歩留が低下するのみならず、金型負荷の増大により型摩耗が進行して金型寿命が低下するなど、加工能率や製造コストに悪影響を与える。

前記冷間鍛造時の表面割れを防止するために、従来の過去の経験に基づく実機での鍛造加工条件を試行錯誤的に変化させる方法に変わるものとして、割れ発生の有無を事前に予測する方法が開示されている（特許文献１参照）。この方法は、成品形状から、所定の加工工程数と型形状および素材形状を定め、各工程における素材（被成形材）表面の総ての個所の表面拡大率ρをＣＡＥにより算出する。そして、この表面拡大率ρが、鍛造素材のデータベース内の限界表面拡大率ρ_Aをよりも小さい（ρ≦ρ_A）ときに、表面割れが発生しないものとして、加工工程数および型形状が確定される。前記表面拡大率ρは、円筒形状などの被成形材断面を有限要素法により四角のエレメントに分割し、加工変形の進行に伴うエレメントの変化から算出する一方向の伸び率である。また、直交する２方向の伸び率の内、一方が他方に比較して大きいときは、大きい方の伸び率で評価することも可能としている。
特開２００４−２７６０３０号公報

しかし、冷間鍛造などの塑性加工では、加工により生じる歪とともに、メタルフローが割れなどの欠陥発生に大きく影響し、メタルフローに垂直な方向、即ち変位に垂直な方向では延性が低く、加工時に割れが発生しやすい。また、この加工時の割れには、被成形材の初期の状態、即ち初期歪も影響する。特許文献１に開示されたように、伸び率のみを用いることは、前記割れ発生に及ぼす因子が考慮されていなく、とくに、被成形材の材質が異なった場合などの、割れ発生予測が十分ではない。

そこで、この発明の課題は、冷間加工、とくに冷間鍛造時に、加工過程での被成形材のメタルフローや初期状態を考慮して、成品形状や材質の変更等にかかわらず、割れ発生を精度よく予測することが可能な鍛造割れの予測方法を提供することである。

前記の課題を解決するために、この発明では以下の構成を採用したのである。

即ち、請求項１に係る鍛造割れの予測方法は、冷間鍛造工程での被成形材の鍛造割れの予測方法であって、前記鍛造割れの予測指標として、被成形材が受けた加工歪と、冷間鍛造により生じた、被成形素材が有するメタルフローに垂直な方向の変位とを取り入れ、前記予測指標を割れが発生しない閾値と比較することによって、割れ発生の有無を予測することを特徴とする。

一般に、冷間鍛造用素材は圧延や引抜き加工工程で製造された後、切断工程で所要の長さにせん断された被成形素材となる。このため、被成形素材断面内には前記加工工程で形成されたメタルフローが存在し、この初期のメタルフローに交差する方向、とくに垂直な方向の延性は低く、冷間鍛造時に割れが発生しやすい。従って、加工歪とともに、このメタルフローに垂直な方向の変位を鍛造割れの予測指標に取り入れることによって、割れ発生の予測精度を向上させることができる。

請求項２に係る鍛造割れ予測方法は、上記加工歪が、被成形材が冷間鍛造工程で受ける相当歪に前記被成形材の初期歪を加えた歪であることを特徴とする。

一般に、冷間鍛造程では、被成形材は複雑な変形を受けるため、被成形材に生じる応力は相当歪に比例すると考えることが妥当である。この相当歪に被成形材の初期歪（被成形素材が有する歪）を加えた累積歪、即ち冷間鍛造加工により被成形材に生じた実質的な歪を鍛造割れ予測指標に用いることにより、割れ発生の予測精度を向上させることができる。なお、被成形素材は、通常、円筒形状材であり、前記鍛造素材からシヤーによるせん断加工により所要の長さに揃えるため、前記被成形材の初期歪は、せん断歪が最も大きい、せん断方向の直径を端縁とする断面内について求めることが望ましい。この初期歪は、被成形素材の製造工程およびせん断工程に基づいて、有限要素法などの数値計算により算出することが可能であり、この初期歪もまた、相当歪を用いることが望ましい。

請求項３に係る鍛造割れの予測方法は、前記被成形材の鍛造方向の断面内の初期硬さと歪とを予め対応づけておき、前記断面内の初期硬さを実測して、前記初期歪を算出するようにしたことを特徴とする。

このようにすれば、被成形素材の材質や寸法などが変化した場合でも、初期歪を簡便に求めることができる。

請求項４に係る鍛造割れの予測方法は、前記被成形素材の鍛造方向の断面内に存在する初期のメタルフローを複数の流線によってパターン化し、このパターン化した隣り合う流線の垂直方向の間隔（ｄ₀）と、前記隣り合う流線の、鍛造成形後の垂直方向の間隔（ｄ₁）とから、前記メタルフローに垂直な方向の変位を算出することを特徴とする。

このようにすれば、冷間鍛造工程での、パターン化した流線の変化を、有限要素法などのＣＡＥ手段により追跡することにより、前記被成形素材の初期のメタルフローに垂直な方向の変位を簡便に求めることが可能となる。なお、上記流線は必ずしも曲線である必要はなく、直線（折れ線）であってもよい。

請求項５に係る鍛造割れの予測方法は、前記被成形素材でのパターン化した隣り合う流線の垂直方向の間隔（ｄ₀）に対する、鍛造成形後の前記流線の垂直方向の間隔（ｄ₁）の比率をメタルフローに垂直な方向の無次元化変位とし、この無次元変位と前記加工歪との積を前記予測指標とすることを特徴とする。

前述のように、冷間鍛造工程での被成形材の割れ発生には、加工歪と前記被成形素材のメタルフローに垂直な方向の変位が大きく影響することから、これらの影響因子が相乗的に作用するとみなすと、割れ発生の有無を精度よく予測することができる。なお、無次元化変位は、パターン化した隣り合う流線の、冷間鍛造前後の間隔の比率ｄ₁／ｄ₀である。

この発明では、冷間鍛造工程での割れ発生の予測指標として、加工歪に加えて、被成形素材に存在する初期のメタルフローに垂直な、延性が低い方向の変位を取り入れたので、割れ発生の有無を精度よく予測することができる。また、前記加工歪に被成形素材の初期歪を含めるようにしたので、被成形素材の製造履歴、および寸法や材質などが変化する、被成形素材の任意の初期状態に有効に対応することができる。このように、成品形状や材質の変更等にかかわらず、冷間鍛造過程での割れ発生を精度よく予測できるため、とくに、複雑形状の成形品の場合などで、割れが発生しない金型設計や加工工程数などの工程設計の最適化が容易となる。

以下に、この発明の実施形態を添付の図１から図４に基づいて説明する。

図１は、実施形態の割れ予測方法のフローを示したものである。まず、ステップＳ１０では、被成形素材寸法、材質、成品型形状を設定する。次に、ステップＳ２０では、被成形素材は、通常、円筒形状材であり、シヤー切断によるせん断歪が最も大きい、せん断方向の直径を端縁とし、中心軸に沿った断面内について、図２（ａ）に示す、被成形素材が有するメタルフローから、このメタルフローを図２（ｂ）に示すように、被成形素材１の前記断面内で、流線（折れ線）２でパターン化して数式化し、有限要素法などのＣＡＥ手段（変形解析手段）にサブプログラムとして組み込む。この実施形態では、前記断面内のメタルフローを、所要の長さの被成形素材への切断（シヤー切断）工程で、せん断の影響を受ける両端部の領域とそれらの間の領域にわけて、３つの直線からなる流線２（折れ線）でパターン化した。ステップＳ３０では、被成形素材の前記断面内の硬さを測定し、予め求めておいた硬さと歪との関係を用いて初期歪ε₀を算出する。この被成形素材の歪（相当歪）は、被成形素材の製造工程およびせん断工程に基づいて、有限要素法などを用いたＣＡＥ手段により算出することが可能である。なお、前記硬さと歪との関係は、例えば、材質毎に求めておくことが望ましい。

なお、前記初期のメタルフローをパターン化する流線２については、後述のステップＳ４０で、具体的に説明するように、冷間鍛造過程での初期のメタルフローに垂直な方向の変位を無次元化するため、流線本数および流線間隔についての制約はない。通常、流線２の数を多くして流線間隔をできるだけ細かくした方が、変形解析精度が高くなって好ましいが、計算が煩雑となる。実用上は、ある着目点（要素）でのメタルフローに垂直な方向の変位と、隣り合う着目点（要素）の前記垂直方向の変位が大きく異なる場合には、流線間隔をさらに細かくした方がより正確な割れ予測指標が得られる。逆に、前記隣り合う着目点（要素）の変位が連続的に推移していると認められる場合には、良好な精度の解析結果が得られていると見なすことができる。

次に、ステップＳ４０では、例えば、有限要素法を用いて、例えば、成形品３が片端面側に座面４を有するナットの場合、図２に示した被成形素材から、図３（ａ）示すような最終形状の成形品３までの変形解析を行なう。図３（ａ）では、通常、割れが発生しない成形品３の内周側中央部の図示を省略した。この変形解析により、図２（ｂ）に示した、被成形素材のメタルフロー（初期メタルフロー）を表すパターン化した各流線２は、冷間鍛造過程でのメタルフローにより、図３に示した流線５にそれぞれ変形する。前記座面付きナットでは、座面４に割れが発生しやすいため、例えば、最表面（座面）の割れが発生しやすい、流線５（５ａ）上の要素ｉに着目し、変形解析結果から要素ｉの相当歪ε_Eを取り出す。そして、流線５ａと隣り合う流線５ｂとの間隔ｄ₁を測定する。この間隔ｄ１は、要素ｉにおける流線５ａと座面４ｂとの交点の位置から垂線Ｎを引き、隣り合う流線５ｂに交差するまでの垂直距離である。同様に、流線５ａと５ｂにそれぞれ対応する被成形素材１の流線２ａと２ｂの、パターン化した端面部の間隔（垂直距離）ｄ₀を測定し、Ｄｎ＝ｄ₁／ｄ₀で、メタルフローに垂直な方向の無次元化変位Ｄｎを求める。ステップＳ５０では、割れ予測指標Ｉ_cを、Ｉ_c＝相当歪（ε_E）×無次元化変位（Ｄ_n）算出する。ステップＳ６０で、予め求めておいた、割れ発生限界を示す閾値β（ｉ）と比較し、割れ予測指標Ｉ_c＞β（ｉ）であれば、型形状など工程を修正し、ステップＳ４０に戻り、再度予測を行って工程修正の結果を確認する。割れ予測指標Ｉ_c＜β（ｉ）であれば、割れ発生なしと判定する。この予測作業を、必要な要素について順次行なうことにより、割れが発生しない鍛造工程を、簡便に設計することができる。なお、割れ予測指標Ｉ_cの閾値β（ｉ）は、鍛造実績データおよび鍛造実験データから設定することができる。また、無次元変位Ｄｎの代わりに、鍛造前後の垂直距離の差（ｄ₁-ｄ₀）をメタルフローに垂直な方向の変位として用いることもできる。

図４は、前記割れ予測指標Ｉ_cを用いて工程改善を行なった一例を示したものである。図３に示した座面付きナットに関し、鍛造実績データから、図示右側Ｂ部の座面４ｂでは割れが発生しており、同左側Ａ部の座面４ａでは割れが発生していないため、図１に示した割れ予測フローにより、左右の座面４ａ、４ｂについてそれぞれ、前記初期のメタルフローに垂直な方向の変位（フロー垂直伸び）を無次元化した無次元変位Ｄ_nと加工歪ε_T（＝ε_E＋ε₀）を求め、この無次元変位Ｄ_nと加工歪ε_T、およびこれらの積（Ｄ_n×ε_T）で求めた割れ予測指標Ｉ_cを図中に表示している。同図の縦軸は、これらの特性Ｄ_n、ε_T、Ｉ_cの値を示したものである。次に、割れが発生していない図示左側Ａ部の座面４ａの割れ予測指標Ｉ_cを閾値（β（ｉ））として、金型形状を、座面部の内周側端部Ｃに面取りＲ部が形成されるように、一部修正して、前記割れ予測フローにより、再度割れ予測指標Ｉ_cを算出したところ、図中右側に示すように、閾値β（ｉ）以下に収まり、この金型形状の修正が工程改善に効果があることを確認した。なお、上述の割れ予測指標Ｉ_cを用いた割れ評価方法は、前記座面付ナットのみならず、各種冷間鍛造成形品に対して適用することができる。

実施形態の割れ発生予測フローを示す説明図である。 （ａ）被成形素材断面の初期メタルフローを示すマクロ写真（図面代用写真）である。（ｂ）被成形素材の初期メタルフローを流線により模式化した説明図である。 有限要素法を用いた変形解析により、流線の変化を示す説明図である。 割れ予測指標を用いた割れ発生予測の効果を示す説明図である。

符号の説明

１・・・被成形素材
２、２ａ、２ｂ・・・被成形素材断面内の流線
３・・・成形品
４、４ａ、４ｂ・・・座面
５、５ａ、５ｂ・・・成形品断面内の流線

Claims (5)

1. 冷間鍛造工程での被成形材の鍛造割れの予測方法であって、前記鍛造割れの予測指標として、被成形材が受けた加工歪と、冷間鍛造により生じた、被成形素材が有するメタルフローに垂直な方向の変位とを取り入れ、前記予測指標を割れが発生しない閾値と比較することによって、割れ発生の有無を予測することを特徴とする鍛造割れの予測方法。
2. 前記加工歪が、被成形材が冷間鍛造工程で受ける相当歪に被成形材の初期歪を加えた歪であることを特徴とする請求項１に記載の鍛造割れの予測方法。
3. 前記被成形材の鍛造方向の断面内の初期硬さと歪とを予め対応づけておき、前記断面内の初期硬さを実測して、前記初期歪を算出するようにしたことを特徴とする請求項２に記載の鍛造割れの予測方法。
4. 前記被成形素材の鍛造方向の断面内に存在する初期のメタルフローを複数の流線によってパターン化し、このパターン化した隣り合う流線の垂直方向の間隔（ｄ₀）と、前記隣り合う流線の、鍛造成形後の垂直方向の間隔（ｄ₁）とから、前記メタルフローに垂直な方向の変位を算出することを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の鍛造割れの予測方法。
5. 前記被成形素材でのパターン化した隣り合う流線の垂直方向の間隔（ｄ₀）に対する、鍛造成形後の前記流線の垂直方向の間隔（ｄ₁）の比率をメタルフローに垂直な方向の無次元化変位とし、この無次元変位と前記加工歪との積を前記予測指標とすることを特徴とする請求項４に記載の鍛造割れの予測方法。
   
   
   
   
   
   

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