JP6198244B2

JP6198244B2 - 金型の耐性の評価方法

Info

Publication number: JP6198244B2
Application number: JP2014168473A
Authority: JP
Inventors: 和紀阪本; 康宏林田
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2014-08-21
Filing date: 2014-08-21
Publication date: 2017-09-20
Anticipated expiration: 2034-08-21
Also published as: JP2016043378A

Description

本発明は、薄板を被加工材としてプレス成形品を熱間成形する金型に関し、この金型の表面に形成された被膜の耐性を評価できる方法に関する。

一般に、薄板を被加工材としてプレス成形品を熱間成形するに際しては、加熱した薄板を金型でプレス加工し、成形品を製造することとなる。かかるプレス成形において、プレス成形を繰り返し行った場合、金型の表面に形成された被膜が剥離する現象が発生することがある。このような被膜剥離が頻発するようなプレス成形を行うと、金型が傷んだり、最悪は所望とするプレス成形品が製造できないといった不都合が生じることになる。

そこで、プレス処理中の金型に発生するトラブルを評価するために有益と思われる技術が、特許文献１として開示されている。
特許文献１は、第１試験面を有する第１試験片を保持する第１保持手段と、この第１試験面に対峙する第２試験面を有する第２試験片を保持する第２保持手段と、両試験面の接触部分に繰返荷重を印加する荷重印加手段と、繰返荷重が印加された際に、両試験面を繰返し安定的に接触させる接触安定化手段とを備えている凝着摩耗試験装置を開示している。

特開２００５−９８７５７号公報

特許文献１に開示された技術は、各種材料の凝着磨耗性に特化して試験、評価できるものと解される。この技術は、材料の温度を制御し、お互いを断続的に点接触または線接触で圧着することのみで凝着を評価している。
しかしながら、熱間成形によるプレス加工において、金型のＲ部（凸端部）及びＲ部の近傍は金型と被加工材との接触状態が面接触であり、加えて、金型のＲ部及びＲ部の近傍では被加工材における張力発生、曲げ、さらには、被加工材と金型との間の相対すべりが一連のプロセスで起こり、その結果として、金型の表面に形成された被膜に損傷、剥離が発生する。前述した特許文献１に開示された技術は接触状態、剥離プロセスの点で、金型でのプレス成形を模擬できておらず、実際の金型の耐性（耐損傷性、耐剥離性）を評価することができないものと考えられる。

なお、実際のプレス成形にて耐性を評価する場合、金型そのものが巨大かつ高価であり、また、損傷発生や剥離発生までに数千〜数万ショットもの成形回数を要するため、簡易に金型の耐剥離性を評価する方法が切望されている現状もある。
本発明は、上述の問題に鑑みてなされたものであり、金型の耐剥離性を簡易に且つ正確に評価する方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明では以下の技術的手段を講じている。
即ち、本発明の金型の耐性の評価方法は、薄板である被加工材を熱間でプレス成形する金型被膜の耐性を評価する方法であって、前記被加工材を金型でプレスし、プレス後の金型の表面に設定した検査領域における金型被膜の剥離分布と、前記検査領域における力学的な負荷分布と、を求め、求めた剥離分布と負荷分布とを基に、金型被膜の耐性を評価するものであって、前記力学的な負荷分布として、検査領域内における面圧の逆数を採用すると共に、前記剥離分布として、検査領域内における剥離の個数を採用した上で、前記剥離分布と力学的な負荷分布との積算値を基に、金型の耐剥離性を評価することを特徴とする。
また、本発明に係る評価方法の最も好ましい他の形態は、薄板である被加工材を熱間でプレス成形する金型被膜の耐性を評価する方法であって、前記被加工材を金型でプレスし、プレス後の金型の表面に設定した検査領域における金型被膜の剥離分布と、前記検査領域における力学的な負荷分布と、を求め、求めた剥離分布と負荷分布とを基に、金型被膜の耐性を評価するものであって、前記力学的な負荷分布として、検査領域内における金型の曲率の逆数を採用すると共に、前記剥離分布として、検査領域内における剥離の個数を採用した上で、前記剥離分布と力学的な負荷分布との積算値を基に、金型の耐剥離性を評価することを特徴とする。

本発明の評価方法を用いることで、簡易に且つ正確に、金型の耐性を評価することが可能となる。

金型の耐性の評価するに際して使用するプレス装置を示した模式図である。本発明の評価方法の手順を示した模式図である。本発明の評価方法の手順を示したフローチャートである。剥離分布の求め方を示した図である。求められた剥離分布の一例を示す図である。求められた力学的負荷分布の一例を示す図である。金型の耐性（被膜耐性スコア）を示した図である。

以下、本発明に係る金型の耐性の評価方法について、図を基に説明する。
図１は、本発明に係る金型２の耐性の評価するに際して使用するプレス装置１を示したものである。このプレス装置１は、実際のプレス装置と略同じ構成を有し、プレス元材Ｗ（被加工材）を熱間でプレス成形して所望する形状のプレス成形品を製造するための金型２を有している。

金型２は、下金型２ａと、この下金型２ａに向かって下方へ移動し下金型２ａに嵌り込むことで、所望する形状を有したプレス成形品を製造する上金型２ｂを有している。上金型２ｂは図示しない圧下手段により、所定の圧下速度、圧下荷重で下金型２ａに嵌り込むようになっている。
図１のプレス装置１に備えられた金型２は、実際のプレス成形に使用される金型（実金型）であってもよく、実金型の数分の一程度の大きさを有するモデル金型であってもよい。いずれにしても、評価に用いる金型２は、凝着発生状況が評価したい実金型と略同様に発生する必要がある。

また、図１のプレス装置１は、被加工材を熱間でプレス成形するものであるため、雰囲気の温度や金型２自体の温度を調整するための温度調節手段３（ヒータ）を備えるものとなっている。
プレス元材Ｗは、鋼、アルミ、チタンなどからなる薄板であって、例えば、３ｍｍ以下の板厚を有している。このプレス元材Ｗには、例えば、メッキ処理などにより亜鉛被膜が施されており、金型２には、ＰＶＤ処理などによりＴｉＣ（チタンカーバイト）などの表面被膜が形成されている。

上記した金型２を用いて、所望とするプレス成形品を作る際に、数千〜数万回のプレスを行うと、金型２の表面であって凸状に形成された部位の先端部（凸端部４）などにおいて、プレス元材Ｗの表面に形成された表面被膜が損傷したり剥離するといったトラブルが発生するようになる。被膜剥離などが頻発した場合、金型２が傷んだり、最悪は所望とするプレス成形品が製造できないといった不都合が生じることになる。

そこで、金型２における被膜の損傷や剥離の起こり難さ、言い換えれば、金型２の耐性を正確に評価することができれば、耐性が低かった場合、プレス時の雰囲気温度を下げたり、プレス圧下速度を遅くするなどの対策を施すことで、金型２での剥離を回避しつつ、プレス加工を実施することができる。
このような状況を鑑み、本発明は、金型２の耐性を正確に評価する評価方法を提供するものである。

さて、金型２の表面に形成された被膜の損傷や剥離が頻発する箇所は、プレス元材Ｗと金型２との接触状態が面接触であり、プレス元材Ｗに対して引張力もしくは曲げ力が付与された状態で圧下が行われ、プレス元材Ｗと金型２との相対滑りなどのプロセスが、実金型２と略同様に発生する所とされている。図２の金型２（ダイ２ａ）は、側面視で左右方向中央部が凹部となっており、両側部が凸部となっている。この凸部の先端部で上記した状況下となり、凸部の先端部やその近傍に存在する被膜が損傷乃至は剥離することとなる。同様な状況は、金型２（パンチ２ｂ）は側面視で左右方向中央部が凸部となっており、その凸部の頂部に存在する端部で発生し、凸部の頂部の端部やその近傍に存在する被膜が損傷乃至は剥離することとなる。

上記した金型における凸部の端部は材料との摺動部であって、面取り加工がなされたＲ部４となっている。したがって、以降、凸部の端部のことをＲ部４（パンチＲ部、ダイＲ部）と呼ぶこともある。
図４の斜視図に示すように、評価に用いられる金型２は、同側面形状で奥行き方向に所定の長さを有するものとなっている。

このような金型２（モデル金型）を用いて、図２、図３に基づいて、耐剥離性の評価を行う。
図２、図３に示すように、まず、金型２に備えられた上金型２ｂ（パンチ）、下金型２ａ（ダイ）の間に、プレス元材Ｗを配置し、温度調節手段３にて一定温度まで加熱する。
図２は、鋼板（溶融亜鉛メッキ材）をプレス元材Ｗとした場合の例であり、図２の「加熱」に示す如く、温度調節手段３にて金型２近傍の温度（装置内温度）を所定の温度になるまで加熱する（図３のＳ１）。なお、プレス元材Ｗとしては、例えば、板厚１．４ｍｍ、５９０ＭＰａ級の薄鋼板などが採用可能であり、温度調節手段３にて金型２近傍の温度（装置内温度）を、例えば７６０℃になるまで加熱する。なお、この温度調節手段３は、金型２の温度調整（冷却など）を実現するように構成されていることが好ましい。

次に、図２の「圧下」に示す如く、加熱状態で上金型２ｂ、下金型２ａを相対移動させ、プレス元材Ｗをプレス成形する。例えば、装置内温度を７６０℃に保ったまま、圧下荷重１ｔｏｎで上金型２ｂを下金型２ａへ押し付け、２０秒間保持する（図３のＳ２）。モデル金型２は、実金型２と略同じプレス加工状況が再現される凹凸部が形成されているため、モデル金型２によるプレス時には、プレス元材Ｗに実際のプレス時と略同じ曲げ、引張り、金型２〜材料間での圧着、相対滑りが発生する。

２０秒の圧下後は、図２の「解除」に示す如く、圧下状態が解除される。このプレス後の金型２の表面の一部、すなわち金型２のＲ部４を含む領域（Ｒ部４及びその近傍）に対して、「検査領域Ｓ」を設定し、この検査領域Ｓで、剥離分布を計測する。詳しくは、図４に示すように、モデル金型２の凸部から凹部に差し掛かる領域に対して、検査領域Ｓを設定する。

なお、検査領域Ｓは、斜面である必要はなく、また完全なフラット面である必要もない。一部が曲がっていたり張り出していたりする面であってもよい。Ｒ部４（パンチＲ部、ダイＲ部）を含み、プレス元材Ｗと金型２との接触状態が面接触であり、プレス元材Ｗに強加工が生じ、プレス元材Ｗと金型２との相対滑りが発生している部分に対応する金型２の表面を検査領域Ｓとするよい。

図４には、検査領域Ｓを詳細に示した図が開示されている。すなわち、モデル金型２のＲ部４（ダイＲ部）を含むように設定された検査領域Ｓは、斜面方向及び奥行き方向に複数に分割された格子面（例えば、０．１５ｍｍ四方に区切られた単位領域）に分割され、各格子面ごとに剥離の有無を記録することで、剥離の数の分布を定量化する。以上、図３のＳ３の工程である。

図５は、下金型２ａにおける検査領域Ｓでの剥離数の記録結果を示したものである。
図５のグラフの横軸は、設定された検査領域Ｓに沿った位置であり、Ｒ部４の端（面取りされている部分が終了した位置、Ｒ止まり部）からの距離で示されている。縦軸は剥離数Ｎであって、剥離が存在する格子点の個数を奥行き方向（同じ横軸の値）に積算したものである。この図５を参照すれば、距離０の位置に６個の剥離が存在し、距離０．１５、０．３、０．４５の距離に１０個の剥離が存在し、距離０．６０の距離に８個の剥離がすることが判る。

一方で、モデル金型２に対する数値シミュレーション（成形力学モデルを用いたシミュレーションなど）を行い、検査領域Ｓにおける面圧Ｋを算出する。その上で、検査領域Ｓにおける面圧の逆数Ｋ^−１の分布を求める（図３のＳ４）。
図６は、２次元成形力学モデルを用いたシミュレーションを行った結果で求められた面圧の逆数の分布Ｋ^−１を示している。シミュレーションにおいては、プレス元材Ｗは弾塑性体、金型２は弾性体として計算を行っており、力学的負荷分布は、面圧の逆数Ｋ^−１を検査領域Ｓ全体で正規化した分布とされている。なお、面圧の逆数Ｋ^−１の正規化は必須ではなく、後述する耐性スコアの数値が適切なものとして算出されるのであれば、正規化は必要ない。

剥離数Ｎの分布、及び、面圧の逆数Ｋ^−１の分布が求まった後は、剥離の数の分布と面圧の逆数Ｋ^−１の分布とを掛け合わせ積分する（分布の同一点の値を積算し総和をとる）ことで、耐性スコア（被膜耐性スコア）を得ることができる（図３のＳ５）。この耐性スコアが低いほど、金型２での剥離が起こりにくく、耐剥離性、耐損傷性は高いことになる。

本実施形態の耐性スコアは、以下のような意味を持つ指標である。
本来、プレス成形を行う金型２においては、金型の表面に形成された被膜の損傷や剥離を完全に避けて通ることはできない。金型２のいずれかの部位（例えば、高い面圧が発生するＲ部４など）に剥離が起こることは避けがたい。逆に、金型表面で面圧が低い領域には、損傷や剥離が起こり難いことは知見されている。

このような知見の基、金型２の耐性を考えてみると、金型形状が比較的急峻に変化する部分であったり、面圧が高い部分に剥離が発生することは想定の範囲内であり、このような剥離の発生をもってして、金型２の耐性が低いとは考えるのは性急な判断である。一方で、金型２の表面の面圧が低い部分において剥離が発生することは由々しきことであり、低面圧部での剥離が発生する場合には、金型２の耐性が低いと見なせる。

すなわち、図６において面圧の逆数の分布を採用したのは、過去の知見から面圧が高いほど剥離が起こりやすい事が判っており、剥離が起こりにくい領域に剥離が起こることを確実に評価したいためである。「剥離が起こりにくい領域に剥離が起こる、すなわち、耐性が低い」という事実を評価指標内に定量的に取り込むためである。
このような状況を確実に反映する指標として、剥離の数Ｎの分布と面圧の逆数Ｋ^−１の分布とを掛け合わせ積分することで得られる、本実施形態の耐剥離性スコアは有益である。

図７は、実際の金型２において、耐性スコアを求めた結果である。
被膜の種類の異なる２つの金型２（被膜Ａの金型、被膜Ｂの金型）を用意して、それぞれの金型２を用いて、耐性スコアを求めてみた。求めた結果は、被膜Ａの金型＝9.06であり、被膜Ｂの金型＝8.97であった。各金型２の目視による剥離状況は、略同じであり、その結果と一致するように、両金型２の耐性スコアの値は略等しいものとなっている。

以上述べたように、熱間プレス成形用の金型２の耐性を評価する方法において、プレス元材Ｗを金型２でプレスし、プレス後の金型２のＲ部４に設定した検査領域Ｓにおけるプレス元材Ｗの剥離分布と、検査領域Ｓにおける力学的負荷分布とを求め、求めた剥離分布と力学的負荷分布とを基に、金型２の耐性を評価することにより、金型２の耐性を簡易に且つ正確に知ることができるようになる。言い換えれば、本発明の評価方法を用いる事で、単なる目視評価だけでなく、幾何学的、力学的な剥離の起こりやすさも内包した指標（耐性スコア）で各種被膜を施した金型２の耐性を定量的に相対評価する事ができる。また、本発明の評価方法おいては、剥離を再現しやすいモデル金型を採用することで、少ない成形回数（１〜１０回程度）で剥離を発生させることができ、短時間での剥離評価が可能
となる。

なお、今回開示された実施形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。特に、今回開示された実施形態において、明示的に開示されていない事項、例えば、運転条件や操業条件、各種パラメータ、構成物の寸法、重量、体積などは、当業者が通常実施する範囲を逸脱するものではなく、通常の当業者であれば、容易に想定することが可能な値を採用している。

例えば、検査領域Ｓにおける力学的負荷分布として、面圧の逆数Ｋ^−１を採用したが、それに代えて、せん断応力の逆数Ｔ^−１を採用してもよい。また、金型２の場所ごとに曲率が変化している場合、場所ごとの曲率の分布を求め、これを面圧の逆数の分布に積算したもので評価することも可能である。
また、剥離分布として、検査領域Ｓ内における剥離の面積の分布を採用してもよい。

１プレス装置
２金型
２ａ下金型
２ｂ上金型
３温度調節手段
４Ｒ部（凸端部）
Ｓ検査領域
Ｗプレス元材（被加工材）

Claims

薄板である被加工材を熱間でプレス成形する金型被膜の耐性を評価する方法であって、
前記被加工材を金型でプレスし、
プレス後の金型の表面に設定した検査領域における金型被膜の剥離分布と、前記検査領域における力学的な負荷分布と、を求め、
求めた剥離分布と負荷分布とを基に、金型被膜の耐性を評価するものであって、
前記力学的な負荷分布として、検査領域内における面圧の逆数を採用すると共に、前記剥離分布として、検査領域内における剥離の個数を採用した上で、
前記剥離分布と力学的な負荷分布との積算値を基に、金型の耐剥離性を評価する
ことを特徴とする金型の耐性の評価方法。
薄板である被加工材を熱間でプレス成形する金型被膜の耐性を評価する方法であって、
前記被加工材を金型でプレスし、
プレス後の金型の表面に設定した検査領域における金型被膜の剥離分布と、前記検査領域における力学的な負荷分布と、を求め、
求めた剥離分布と負荷分布とを基に、金型被膜の耐性を評価するものであって、
前記力学的な負荷分布として、検査領域内における金型の曲率の逆数を採用すると共に、前記剥離分布として、検査領域内における剥離の個数を採用した上で、
前記剥離分布と力学的な負荷分布との積算値を基に、金型の耐剥離性を評価する
ことを特徴とする金型の耐性の評価方法。