JP4813999B2

JP4813999B2 - 鍛造品の形状予測方法およびそのプログラム

Info

Publication number: JP4813999B2
Application number: JP2006203622A
Authority: JP
Inventors: 英樹柿本
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2006-07-26
Filing date: 2006-07-26
Publication date: 2011-11-09
Anticipated expiration: 2026-07-26
Also published as: JP2008033435A

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鍛造品の形状予測方法およびそのプログラム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鍛造品の形状予測方法およびそのプログラム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、変形解析を用いてコンピュータにより事前に予測する鍛造品の形状予測方法であって、コンピュータが解析モデルとしての素材と金型に関する節点座標を含む変形解析用のデータと、以下の式で定義するクーロン摩擦係数を含む解析条件に基づく変形解析により鍛造品の断面形状を算出することを特徴とする鍛造品の形状予測方法である。
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、請求項１記載の鍛造品の形状予測方法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、前記中間鍛造品をその軸方向に所定角度回転させた状態で、再度前記変形解析を行う鍛造品の形状予測方法である。

請求項３記載の発明は、前記解析条件には、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記載の鍛造品の形状予測方法である。

請求項４記載の発明は、コンピュータに、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させる機能を実行させるためのプログラムであって、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変形解析用のデータと、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取得した、変形解析用の解析モデルに基づいて変形解析を行う第３ステップと、第３ステップでの変形解析をもとに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プログラムである。
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。

本発明の鍛造品の形状予測方法およびそのプログラムによると、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、コンピュータに、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させる機能を実行させるためのプログラムを示す。具体的には、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の形状のメッシュの作成を実行する。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データに変換する。

第３ステップでは、前記データのほか、複数の解析条件を変形解析モデルに取得させて変形解析を実行する。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鍛造後の鍛造品の断面形状の算出を実行する。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、再度変形解析を実行する。この際、解析用に供する解析条件は、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鍛造後の鍛造品の断面形状の算出を実行する。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実行する。

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、再度変形解析を実行する。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。

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。

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。

１…素材
２…金型

Claims

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、変形解析を用いてコンピュータにより事前に予測する鍛造品の形状予測方法であって、
コンピュータが解析モデルとしての素材と金型に関する節点座標を含む変形解析用のデータと、以下の式で定義するクーロン摩擦係数を含む解析条件に基づく変形解析により鍛造品の断面形状を算出することを特徴とする鍛造品の形状予測方法。
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。
請求項１記載の鍛造品の形状予測方法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、前記中間鍛造品をその軸方向に所定角度回転させた状態で、再度前記変形解析を行う鍛造品の形状予測方法。
前記解析条件には、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記載の鍛造品の形状予測方法。
コンピュータに、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させる機能を実行させるためのプログラムであって、
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変形解析用のデータと、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取得した、変形解析用の解析モデルに基づいて変形解析を行う第３ステップと、
第３ステップでの変形解析をもとに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プログラム。
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。