JP6984443B2 - 金型摩耗量の予測方法とその予測プログラムおよび摩耗推定式の特定方法 - Google Patents
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本発明は、摩耗測定試験に対応する測定モデルについて数値解析することにより、該測定モデルの加工部に生じる接触面圧(Pm)とすべり速度(Vm)の時間変化を算出する測定解析ステップと、該すべり速度を一定にする時間軸の伸縮に対応させて該接触面圧を補正した補正面圧(Pma)を算出する補正ステップと、該摩耗測定試験により実際に得られた二つの実摩耗量(Wm)と、各実摩耗量に対応する該補正面圧とを摩耗推定式(式1)へ代入(W=Wm、Pa=Pma)して得られる連立方程式を解いて摩耗係数(α、β)を求める求解ステップと、を備える摩耗推定式の特定方法である。
W=∫α(Pa)β dt (式1)
W:予測摩耗量、Pa:補正面圧、α、β:摩耗係数
(積分区間:1回の加工時間に対応する範囲)
本発明は、上記により特定された摩耗推定式を用いた冷間加工用金型の摩耗量の予測方法としても把握できる。例えば、本発明は、金型の摩耗量を予測する冷間加工に対応する予測モデルについて数値解析することにより、該予測モデルの加工部に生じる接触面圧(Pe)とすべり速度(Ve)の時間変化を算出する予測解析ステップと、該すべり速度を一定にする時間軸の伸縮に対応させて該接触面圧を補正した補正面圧(Pea)を算出する補正ステップと、上述の特定された摩耗推定式に該補正面圧を適用(Pa=Pea)して、該冷間加工により発生が予測される該金型の摩耗量(W=We)を算出する予測ステップと、を備える金型摩耗量の予測方法でもよい。
本発明の摩耗推定式(単に「推定式」という。)には、従来の推定式(式2)と異なり、すべり速度の累乗が含まれていない。この推定式(式1)を用いることにより、摩耗測定試験時と予測対象である冷間加工時とで加工速度(すべり速度)が大幅に異なる場合でも、金型の摩耗量を高精度に予測することが可能となる。
(1)本発明は、上述した各ステップをコンピュータに実行させる摩耗推定式の特定プログラムや金型摩耗量の予測プログラムとしても把握できる。また本発明は、そのプログラムとコンピュータとを備えた摩耗推定式の特定システムまたは金型摩耗量の予測システムとしても把握できる。なお、本明細書でいう「〜ステップ」は、適宜、「〜手段」と言換えることができる。
(1)測定解析ステップでは、実際に行う摩耗測定試験を模擬した測定モデルに基づいて、摩耗を生じる加工部(摺接面)に生じる接触面圧(Pm)とすべり速度(Vm)の時間変化を、FEM解析等により算出する。この算出は、実摩耗量を考慮した加工部の形態(形状)に基づいてなされると好ましい。例えば、加工部の形状が所定回数の試験により摩耗(形状変化)しているとき、その摩耗後の形状に基づいて解析を行う。そして、そのとき得られた接触面圧およびすべり速度と、その所定回数の試験後の実摩耗量とを対応付ける。
補正ステップでは、測定解析ステップまたは予測解析ステップで得られたすべり速度(Vm、Ve)が一定(例えば「1」)となるように伸縮させた時間軸(時間幅)に対応させて、接触面圧(Pm、Pe)を補正し、補正面圧(Pma、Pea)を得る。すべり速度を一定とするため、その累乗も定数となり、摩耗係数(α)に吸収される。すべり速度が1となるように時間軸を伸縮させて補正面圧を算出すれば、各演算がより簡便となり好ましい。
求解ステップでは、摩耗測定試験により実際に得られた二つの実摩耗量(Wm)と、測定解析ステップおよび補正ステップにより、それぞれの実摩耗量を考慮して得られた補正面圧とを、摩耗推定式(式1)へ代入してできた二元連立方程式を解く。こうして未知数であった摩耗係数(α、β)が求まり、摩耗量を予測しようとしている冷間加工系(金型やワークの材質、加工の種類等)における摩耗推定式が特定される。
予測ステップは、摩耗量を予測したい冷間加工を模擬した予測モデルについて、予測解析ステップおよび補正ステップにより得られた補正面圧を、既に特定された摩耗推定式に代入することにより、冷間加工1回あたりまたは所定回数あたりにおける金型の摩耗量(We)を算出する。
(1)冷間加工
本実施例では、図2に示すように、ダイスとパンチ(金型)で円板状(外径12mm×厚さ0.1mm)のワーク(被加工材)を円環状(内径6mm)に打ち抜く冷間加工を取り上げて説明する。ワークの材質:鉄、金型の材質:超硬合金、パンチの外径:5.95mm、ダイスの内径:6mmとした。
冷間加工を繰り返し行い、パンチのエッジ部(円柱端部/図3(a)参照)の摩耗状況を観察および測定した。エッジ部は、加工回数(Shot数)が増加するにつれて摩耗し、図3(b)に示すように変形した。なお、図3(b)に示すエッジ部の形状はレーザー顕微鏡により計測したものである。
図2に示した金型(パンチとダイス)およびワークを模擬した測定モデルを作成して、その測定モデルについてFEM解析を行った(測定解析ステップ)。その一例として、パンチのエッジ部を初期形状(図3(b)の”Initial”形状)としたときの算出結果を図4に示した。このようなFEM解析により、摩耗量の予測対象であるパンチのエッジ部に、加工中に作用する接触面圧(Normal stress on edge)P(MPa)の時間変化と、その加工中にエッジ部がワークと接触しつつ移動する距離(すべり距離/sliding distance)D(mm)の時間変化が求まる。なお、すべり距離(D)を時間微分すると、すべり速度(V=dD/dtとなる。
上述したように、FEM解析で求まったすべり距離の推移(時間変化)から、すべり速度の推移(時間変化)も求まる。この様子を図6に示した。各算出点間毎に求まったすべり速度が1(mm/s)となるように、時間軸を伸縮(時間補正)する。例えば、FEMの解析結果に基づいて直接的に算出されるすべり速度が0.06mm/sであるとき、すべり距離が等しくなるようにするためには、時間幅を0.06倍するとよい。同様に、FEMの解析結果から算出されたすべり速度が0.03mm/sであるとき、補正後の時間幅は0.03倍すればよい。
図5の対応表から2つのshots数に対応する測定結果とFEM解析結果を抽出し、それぞれの実摩耗量(L値増分)と各実摩耗量に対応する補正面圧とを組合わせて、摩耗推定式(式1)に代入する。こうして得られた二元連立方程式を数値計算により解く。これにより摩耗係数(α、β)が求まり、本実施例の冷間加工系における摩耗推定式が特定される。
測定モデル解析と同様に、図2に示した金型(パンチとダイス)およびワークを模擬した予測モデルに基づいてFEM解析を行う。そして、加工1回毎(または所定回数毎)に、接触面圧とすべり距離(さらにはすべり速度)の時間変化を算出すると共に、そのすべり速度が1(mm/s)となるように時間補正した後の補正面圧を算出する。こうして得られた補正面圧を、既に特定されている推定式へ代入して、その加工回数時の摩耗量を算出する。こうして得られた摩耗量(累積摩耗量)を次回の摩耗量の算出に反映させる。これを繰り返すことにより、所定回数の冷間加工を行ったときの予測摩耗量(累積値)が算出される。
図1に示した冷間加工(せん断加工)を50万回(ショット)行ったときの実摩耗量と、上述した方法で特定した推定式に基づいて算出した予測摩耗量(実施例)と、従来の方法で特定した推定式(式2)に基づいて算出した予測摩耗量(比較例)とを図7に対比して示した。
Claims (5)
- 摩耗測定試験に対応する測定モデルについて数値解析することにより、該測定モデルの加工部に生じる接触面圧(Pm)とすべり速度(Vm)の時間変化を算出する測定解析ステップと、
該すべり速度を一定にする時間軸の伸縮に対応させて該接触面圧を補正した補正面圧(Pma)を算出する補正ステップと、
該摩耗測定試験により実際に得られた二つの実摩耗量(Wm)と、各実摩耗量に対応する該補正面圧とを摩耗推定式(式1)へ代入(W=Wm、Pa=Pma)して得られる連立方程式を解いて摩耗係数(α、β)を求める求解ステップと、
を備える摩耗推定式の特定方法。
W=∫α(Pa)β dt (式1)
W:予測摩耗量、Pa:補正面圧、α、β:摩耗係数
(積分区間:1回の加工時間に対応する範囲) - 前記補正ステップは、前記すべり速度を1にする時間軸の伸縮に対応させて前記補正面圧を算出するステップである請求項1に記載の摩耗推定式の特定方法。
- 請求項1または2に記載の特定された摩耗推定式を用いて、冷間加工により発生が予測される金型の摩耗量を算出する金型摩耗量の予測方法。
- 金型の摩耗量を予測する冷間加工に対応する予測モデルについて数値解析することにより、該予測モデルの加工部に生じる接触面圧(Pe)とすべり速度(Ve)の時間変化を算出する予測解析ステップと、
該すべり速度を一定にする時間軸の伸縮に対応させて該接触面圧を補正した補正面圧(Pea)を算出する補正ステップと、
請求項1または2に記載の特定された摩耗推定式に該補正面圧を適用(Pa=Pea)して、該冷間加工により発生が予測される該金型の摩耗量(W=We)を算出する予測ステップと、
を備える金型摩耗量の予測方法。 - 請求項4に記載の各ステップをコンピュータに実行させる金型摩耗量の予測プログラム。
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