JP5577849B2 - 熱処理解析における浸炭焼入層のモデル化方法 - Google Patents

Description

本発明は、熱処理解析における浸炭焼入層のモデル化方法に関し、すなわちワークの浸炭焼入を熱処理解析する際に、前記ワークの形状モデルを分割してメッシュを作成する方法に関する。

従来、鋼からなるワークの表面側を硬化させるために浸炭焼入れによる熱処理が行われている。そして、浸炭焼入されたワークの品質を予測するために、ＣＡＥ（Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ａｉｄｅｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ）を利用して、ワークの浸炭焼入を熱処理解析することがある（例えば、特許文献１）。

上記熱処理解析は、コンピュータ上でワークの形状モデルを仮想的に表現して、表現したワークの形状モデルを複数に分割してメッシュを作成して、作成したメッシュ毎に解析結果を求めることによって行われる。
しかし、浸炭焼入されたワークは、その表面側の炭素濃度勾配が大きいため、上記メッシュのメッシュサイズの大きさによって、その表面側の解析精度が大きく左右される。
これにより、メッシュサイズが粗大な場合、ワークの表面側の解析精度が低下する。また、メッシュサイズを細かくする場合、解析精度の低下を抑制できるが、コンピュータの計算時間が増大して、実用性の点で問題となる。

特開２００８−２０８４０３号公報

本発明は、解析精度の低下を抑制でき、かつ、コンピュータの計算時間を短縮可能な熱処理解析における浸炭焼入層のモデル化方法を提供する。

請求項１に記載の熱処理解析における浸炭焼入層のモデル化方法は、
ワークの浸炭焼入を熱処理解析する際に、前記ワークの形状モデルを分割してメッシュを作成する方法であって、
前記ワークの形状モデルを分割して、前記ワークの形状モデルの表面側に浸炭焼入層メッシュを作成するとともに、前記ワークの形状モデルの前記浸炭焼入層メッシュよりも内側に内側メッシュを作成して、
前記浸炭焼入層メッシュのメッシュサイズおよびメッシュ層数を、前記ワークに対して浸炭焼入による熱処理を行ったときに、前記ワークの表面側に形成される焼き入れ層の深さである焼入深さを指標に決定して、
前記浸炭焼入層メッシュを、前記ワークの形状モデルの表面から前記焼入深さの二倍の深さに相当する位置までの領域に作成し、
前記内側メッシュのメッシュサイズを、前記浸炭焼入層メッシュのメッシュサイズよりも大きく構成するものである。

請求項２に記載の熱処理解析における浸炭焼入層のモデル化方法においては、
前記浸炭焼入層メッシュにおける焼入深さ方向のメッシュサイズは、前記焼入深さを所定の分割数で除した大きさに構成され、
前記浸炭焼入層メッシュを前記焼入深さ方向へ複数層形成するときの前記浸炭焼入層メッシュのメッシュ層数は、前記分割数の二倍の層数に構成され、
前記分割数は、前記ワークの浸炭焼入を熱処理解析して、この解析結果を理想値と比較したときに、前記解析結果の前記理想値に対する誤差が目標誤差範囲内に収まる大きさに構成されるものである。

本発明によれば、解析精度の低下を抑制でき、かつ、コンピュータの計算時間を短縮可能である。

ワークに対して浸炭焼入れによる熱処理を行うときの形態と解析に必要な条件を示す模式図である。 コンピュータを示す図である。 コンピュータを用いてワークの浸炭焼入を熱処理解析するときの手順を示すフロー図である。 （ａ）はワークの形状モデルを示す図であり、（ｂ）は図４（ａ）の一部拡大断面図である。 （ａ）はラインＳ、ラインＴおよびラインＵを示す図であり、（ｂ）はラインＶおよびラインＷを示す図である。

以下に、本発明に係る熱処理解析における浸炭焼入層のモデル化方法の実施の一形態である熱処理解析における浸炭焼入層のモデル化方法について、図面を参照して説明する。

鋼からなるワークに対して、その表面を硬化させるために浸炭焼入による熱処理を行う場合、浸炭焼入されたワークの品質（炭素濃度分布、組織、硬さ等）を予測するために、ＣＡＥ（Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ａｉｄｅｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ）を利用して、ワークの浸炭焼入を熱処理解析、すなわち浸炭焼入されたワークの炭素濃度分布、組織、硬さ等をシミュレーション解析することがある。
上記熱処理解析は、コンピュータ上でワークの形状モデルを仮想的に表現して、表現したワークの形状モデルを複数に分割してメッシュを作成して、作成したメッシュ毎に解析結果を求めることによって行われる。メッシュは、ワークの形状モデルを分割した際の要素である。
本発明の実施の一形態である熱処理解析における浸炭焼入層のモデル化方法は、浸炭焼入処理を施されるワークの形状モデルを分割してメッシュを作成する方法である。

ワークに対して浸炭焼入れによる熱処理を行うときの手順について説明する。前記熱処理は、以下の（１−１）〜（１−３）の各工程を順に実行することで行われる。
なお、図１に示すように、熱処理時には、各ワークが熱処理炉内にて、トレイ１・１・・・にそれぞれ載置された状態で、矢印Ｘ方向にベルトコンベア等で搬送されることとする。また、各ワークは、以下の各熱処理が実施される間、コンベア等による搬送が停止した状態でＭ分間保持される保持状態と、矢印Ｘ方向にトレイ１の位置が一個分ずれた位置に移動される移動状態とを、Ｍ分のサイクルタイムで繰り返しながら搬送されることとする。

（１−１）まず、ワークの表面に浸炭性ガスを接触させてワークの表面から炭素を浸透させる（浸炭工程）。

（１−２）浸炭工程の後に、ワークを所定の温度に保持してワークに浸透した炭素を拡散させる（拡散工程）。これにより、ワークは、その表面側の炭素濃度が高くなり、その表面側に比べて内側（芯部）が低炭素濃度に構成される。

（１−３）拡散工程を経て炭素が拡散されたワークに焼入れ処理を施す（焼入工程）。焼入れ処理は、ワークを空冷した後に油・水・ガス等で急冷することによって行われる。これにより、ワークの表面側に焼き入れ層が形成されて、ワークの表面側がマルテンサイトに変態して硬化する。

上記熱処理解析を行うための構成について説明する。
上記熱処理解析は、コンピュータ１０を用いて行われる。
図２に示すように、コンピュータ１０は、本体部１１と、入力部１２と、表示部１３と、を備える。

本体部１１は、後述する様々なプログラムを格納することができ、これらのプログラムを実行することができ、これらのプログラムに従って所定の演算をおこなうことができ、当該演算の結果を記憶することができる。
本体部１１は、実体的には、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、及びＨＤＤ等がバスで相互に接続される構成を有する。

本体部１１には、例えばＣＡＤ（Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ａｉｄｅｄ Ｄｅｓｉｇｎ）で作成されたワークの形状モデルに係るデータ、メッシュ作成ソフト、熱処理解析ソフト等が格納されている。上記メッシュ作成ソフトは、公知のメッシュ作成ソフトであり、ワークの形状モデルを有限要素に分割してメッシュを作成する。上記熱処理解析ソフトは、公知の熱処理解析ソフトであり、上記メッシュ作成ソフトの作成したメッシュ毎に本体部１１に演算処理を実行させてワークの浸炭焼入を熱処理解析する。

入力部１２は、キーボードやマウス等で構成されており、本体部１１に接続されている。

入力部１２からは、メッシュサイズを入力可能である。入力部１２から前記メッシュサイズが入力されるとき、上記メッシュ作成ソフトが、ワークの形状モデルを、入力されたメッシュサイズで分割してメッシュを作成する。

また、入力部１２からは、ワークに対して浸炭焼入れによる熱処理を行うときの浸炭焼入条件を入力可能である。前記浸炭焼入条件は、例えば、加熱時間、温度、浸炭時間、焼入れ温度等である。入力部１２から前記浸炭焼入条件が入力されると、上記熱処理解析ソフトが、入力された浸炭焼入条件に基づいて、上記メッシュ作成ソフトの作成したメッシュ毎に本体部１１に演算処理を実行させて、ワークの浸炭焼入を熱処理解析する。

表示部１３は、モニター等で構成されており、本体部１１に接続されている。表示部１３には、ワークの形状モデルのメッシュ分割状態、熱処理解析の結果等が表示される。

コンピュータ１０を用いてワークの浸炭焼入を熱処理解析する際には、以下の（２−１）〜（２−５）のステップが順に実行される。各ステップ（２−１）〜（２−５）について説明する（図３参照）。
なお、本実施形態では、解析対象のワークおよびそのワークの形状モデル２０は円柱形状を有することとする（図４（ａ）参照）。

（２−１）作業者は、ワークに対して浸炭焼入れによる熱処理を行うときの浸炭焼入条件を決定する（Ｓ１１）。

（２−２）作業者は、上記（２−１）で決定した浸炭焼入条件で、ワークに対して浸炭焼入による熱処理を行ったときに、ワークの表面側に形成される焼き入れ層に関して、想定される焼き入れ層の深さ（焼入深さ）を決定する（Ｓ１２）。
前記焼入深さは、焼き入れ層における、ワークの表面に垂直な方向（焼入深さ方向）の深さである。本実施形態では、焼入深さを（Ｌ）に決定する。なお、焼入深さに関しては、例えばビッカース硬度計を用いて実測可能である。
なお、上記ワークに関して、その表面から、焼入深さ（Ｌ）の二倍の深さ（２Ｌ）を有する位置までの領域を浸炭焼入層とする。

（２−３）作業者は、ワークの形状モデル２０を分割して作成するメッシュに関して、そのメッシュサイズを決定する（Ｓ１３）。

本実施形態では、二種類のメッシュ（浸炭焼入層メッシュＡ、および内側メッシュＢ）を作成する。
図４（ａ）および図４（ｂ）に示すように、浸炭焼入層メッシュＡは、上記ワークの形状モデル２０に関して、その表面２１側に作成され、上記ワークの浸炭焼入層に相当する領域に作成される。
内側メッシュＢは、上記ワークの形状モデル２０の内側（上記浸炭焼入層メッシュＡの内側）に作成される。
上記浸炭焼入層メッシュＡのメッシュサイズよりも、上記内側メッシュＢのメッシュサイズの方が、大きいサイズに決定される。

浸炭焼入層メッシュＡは、焼入深さ方向（表面２１に垂直な方向）のメッシュサイズ（Ｐ１）が、焼入深さ（Ｌ）を分割数（ｎ）で除した大きさに決定される（Ｐ１＝Ｌ／ｎ）。
また、浸炭焼入層メッシュＡのメッシュ層数、すなわち浸炭焼入層メッシュＡを焼入深さ方向へ複数層形成するときの浸炭焼入層メッシュＡのメッシュ層数は、上記分割数（ｎ）の二倍の層数である（ｎ×２）層に決定される。これは、ワークの形状モデル２０において、その表面２１から、焼入深さ（Ｌ）の二倍の深さ（２Ｌ）を有する位置までの領域、すなわち上記ワークの浸炭焼入層に相当する領域（浸炭焼入層領域）を、浸炭焼入層メッシュＡ・Ａ・・・で構成するためである。
従って、浸炭焼入層メッシュＡのメッシュサイズ（Ｐ１＝Ｌ／ｎ）、および浸炭焼入層メッシュＡのメッシュ層数（ｎ×２）は、焼入深さ（Ｌ）を指標に決定される。

このように、上記ワークの形状モデル２０の表面２１側においては、メッシュサイズ（Ｐ１）の浸炭焼入層メッシュＡが、焼入深さ方向に（ｎ×２）層に並んで形成される。

上記分割数（ｎ）の大きさ、すなわち浸炭焼入層メッシュＡのメッシュサイズ（Ｐ１＝Ｌ／ｎ）は、実験等を行うことにより適切な値に適宜決定される。

上記分割数（ｎ）は、ワークの浸炭焼入を熱処理解析して（浸炭焼入されたワークの炭素濃度分布、組織、硬さ等をシミュレーション解析して）、この解析結果を理想値（浸炭焼入されたワークの炭素濃度分布、組織、硬さ等の実測値）と比較したときに、前記解析結果の前記理想値に対する誤差が目標誤差範囲内（許容範囲内）に収まる大きさに決定される。

なお、図５（ａ）においては、ラインＳが、浸炭焼入されたワークに関して、その硬さを実測したときの、ワークの表面からの距離と、ワークの硬さの実測値（理想値）と、の関係を示す。
ラインＴが、上記分割数を（ｎ）に設定して、すなわち浸炭焼入層メッシュＡのメッシュサイズを（Ｐ１＝Ｌ／ｎ）に設定して、ワークの浸炭焼入を熱処理解析したときの、ワークの表面からの距離と、ワークの硬さの解析結果と、の関係を示す。
ラインＵが、上記分割数を（ｎ／２）に設定して、すなわち浸炭焼入層メッシュＡのメッシュサイズを（２Ｌ／ｎ）に設定して、ワークの浸炭焼入を熱処理解析したときの、ワークの表面からの距離と、ワークの硬さの解析結果と、の関係を示す。

図５（ｂ）においては、ラインＶが、ラインＳとラインＴに基づいて作成され、ワークの表面からの距離と、ワークの硬さの解析結果の、ワークの硬さの理想値に対する誤差を割合で表した値（硬さ誤差）と、の関係を示す。
ラインＷが、ラインＳとラインＵに基づいて作成され、ワークの表面からの距離と、上記硬さ誤差と、の関係を示す。

図５（ａ）および図５（ｂ）に示すように、上記分割数を（ｎ）の半分の大きさの（ｎ／２）に設定するとき、すなわち、浸炭焼入層メッシュＡのメッシュサイズを（Ｐ１＝Ｌ／ｎ）の二倍の大きさの（２Ｌ／ｎ）に設定するとき、浸炭焼入層メッシュＡのメッシュサイズを（Ｐ１）に設定するときよりも、ワークの硬さの理想値とワークの硬さの解析結果との差が大きくなり（図５（ａ）参照）、上記硬さ誤差が目標誤差範囲内（許容範囲内）に収まらない場合がある（図５（ｂ）参照）。
なぜなら、浸炭焼入されたワークに関して、その表面側（上記浸炭焼入層）は、炭素濃度勾配が大きいため、浸炭焼入層メッシュＡのメッシュサイズの大きさによって、解析精度が大きく左右される。これにより、浸炭焼入層メッシュＡのメッシュサイズを大きい値に設定するとき、上記浸炭焼入層の解析精度が著しく低下し、解析結果の理想値に対する誤差が増大するからである。

図４（ｂ）に示すように、浸炭焼入層メッシュＡ・Ａ・・・の内側に作成される内側メッシュＢは、その焼入深さ方向のメッシュサイズ（Ｐ２）が、浸炭焼入層メッシュＡのメッシュサイズ（Ｐ１）よりも大きい値に決定される（Ｐ１＜Ｐ２）。

なぜなら、浸炭焼入されたワークに関して、その内部（上記浸炭焼入層の内側）は、炭素濃度勾配が小さいため、内側メッシュＢのメッシュサイズ（Ｐ２）の大きさによっては、解析精度があまり左右されない。これにより、内側メッシュＢのメッシュサイズ（Ｐ２）を、浸炭焼入層メッシュＡのメッシュサイズ（Ｐ１）よりも大きい値に決定しても、解析精度の低下を抑制可能だからである。
また、内側メッシュＢのメッシュサイズ（Ｐ２）が、浸炭焼入層メッシュＡのメッシュサイズ（Ｐ１）よりも大きくなるように構成することにより、メッシュサイズが全体的に細かくなることを抑制可能だからである。

このように、浸炭焼入層メッシュＡ・内側メッシュＢに関しては、（ｉ）浸炭焼入層メッシュＡのメッシュサイズ（Ｐ１）＝焼入深さ（Ｌ）／分割数（ｎ）、（ｉｉ）浸炭焼入層メッシュＡ・Ａ・・・のメッシュ層数が（ｎ×２）層、かつ、（ｉｉｉ）浸炭焼入層メッシュＡのメッシュサイズ（Ｐ１）＜内側メッシュＢのメッシュサイズ（Ｐ２）、になるように決定される（図４（ｂ）参照）。

（２−４）上記（２−３）で決定したメッシュサイズ（Ｐ１）・（Ｐ２）が、入力部１２から入力される。これにより、上記メッシュ作成ソフトが、ワークの形状モデルをメッシュサイズ（Ｐ１）・（Ｐ２）で分割して、ワークの形状モデル２０の表面２１側（上記浸炭焼入層領域）に（ｎ×２）層の浸炭焼入層メッシュＡ・Ａ・・・を作成して、内側に内側メッシュＢ・Ｂ・・・を作成する（図４（ｂ）参照）（Ｓ１４）。

（２−５）上記（２−１）で決定した浸炭焼入条件が、入力部１２から入力される。これにより、上記熱処理解析ソフトが、入力された浸炭焼入条件に基づいて、上記（２−４）にてメッシュ作成ソフトの作成した浸炭焼入層メッシュＡ・内側メッシュＢ毎に本体部１１に演算処理を実行させて、ワークの浸炭焼入を熱処理解析する（Ｓ１５）。

以上のように、焼入深さ（Ｌ）を指標に、浸炭焼入層メッシュＡのメッシュサイズ（Ｐ１）、および浸炭焼入層メッシュＡのメッシュ層数（ｎ×２）を決定することで、浸炭焼入されたワークの品質（炭素濃度分布、組織、硬さ等）の解析精度の低下を抑制することが可能である。

また、内側メッシュＢのメッシュサイズ（Ｐ２）が、浸炭焼入層メッシュＡのメッシュサイズ（Ｐ１）よりも大きくなるように構成することにより、解析精度の低下を抑制しつつ、メッシュサイズが全体的に細かくなることを抑制可能である。そして、メッシュサイズが細かくなることが抑制されることにより、上記（２−５）においてコンピュータ１０（本体部１１）が演算処理を実行する際に、演算処理に係る負担が低減されて、コンピュータ１０の計算時間を短縮可能である。また、演算処理を実行するコンピュータ１０のコストを低減可能である。

１０ コンピュータ
１１ 本体部
１２ 入力部
１３ 表示部
２０ ワークの形状モデル
２１ ワークの形状モデルの表面
Ａ 浸炭焼入層メッシュ
Ｂ 内側メッシュ

Claims (2)

1. ワークの浸炭焼入を熱処理解析する際に、前記ワークの形状モデルを分割してメッシュを作成する方法であって、
   前記ワークの形状モデルを分割して、前記ワークの形状モデルの表面側に浸炭焼入層メッシュを作成するとともに、前記ワークの形状モデルの前記浸炭焼入層メッシュよりも内側に内側メッシュを作成して、
   前記浸炭焼入層メッシュのメッシュサイズおよびメッシュ層数を、前記ワークに対して浸炭焼入による熱処理を行ったときに、前記ワークの表面側に形成される焼き入れ層の深さである焼入深さを指標に決定して、
   前記浸炭焼入層メッシュを、前記ワークの形状モデルの表面から前記焼入深さの二倍の深さに相当する位置までの領域に作成し、
   前記内側メッシュのメッシュサイズを、前記浸炭焼入層メッシュのメッシュサイズよりも大きく構成する、
   熱処理解析における浸炭焼入層のモデル化方法。
2. 前記浸炭焼入層メッシュにおける焼入深さ方向のメッシュサイズは、前記焼入深さを所定の分割数で除した大きさに構成され、
   前記浸炭焼入層メッシュを前記焼入深さ方向へ複数層形成するときの前記浸炭焼入層メッシュのメッシュ層数は、前記分割数の二倍の層数に構成され、
   前記分割数は、前記ワークの浸炭焼入を熱処理解析して、この解析結果を理想値と比較したときに、前記解析結果の前記理想値に対する誤差が目標誤差範囲内に収まる大きさに構成される、
   請求項１に記載の熱処理解析における浸炭焼入層のモデル化方法。

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