JP7422040B2 - 鍛造シミュレーション方法 - Google Patents
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Description
本発明は、鍛造シミュレーション方法に関する。
特許文献１，２には、計算時間を短縮するため金型を剛体としてモデル化した鍛造シミュレーション方法が開示されている。しかし、実機の金型は素材からの反力により変形するため、そのような鍛造シミュレーション方法は解析精度に改善の余地がある。
特許文献３には、金型の変形も考慮して金型を弾性体として鍛造シミュレーションを行う方法が開示されている。そのような鍛造シミュレーション方法では、金型の変形も考慮して解析を行うため、解析精度の向上を図ることができる。
特許文献３の鍛造シミュレーション方法では解析精度の向上を図ることができる一方、金型の変形も考慮した解析を実行する必要があるために計算時間が膨大となるおそれがある。
本発明は、鍛造シミュレーション方法において、解析精度の向上および計算時間の短縮を両立させることを課題とする。
本発明は、素材を金型に設置して鍛造を行う工程を数値解析する鍛造シミュレーション方法であって、前記金型を剛体としてモデル化して、一連の鍛造工程を解析する第１次シミュレーションを実行し、前記第１次シミュレーションにおける最終圧下時の前記金型の面圧分布を取得し、前記金型を弾性体としてモデル化して、前記第１次シミュレーションで取得した前記面圧分布を荷重条件とした前記金型の変形を解析する第２次シミュレーションを実行し、前記第２次シミュレーションでの変形後の前記金型を剛体としてモデル化して、前記一連の鍛造工程の中の少なくとも後段部を含む鍛造工程を解析する第３次シミュレーションを実行し、前記第３次シミュレーションの結果を最終的なシミュレーション結果とすることを含む、鍛造シミュレーション方法を提供する。
この方法によれば、第１次シミュレーションに加えて第２次シミュレーションおよび第３次シミュレーションを実行することで、金型の変形を考慮した解析を行う。従って、単に金型を剛体としてモデル化しただけの解析に比べて解析精度を向上させることができる。また、詳細には、第１次シミュレーションによって最終圧下時の金型の面圧分布を取得し、第２次シミュレーションによって当該面圧分布を利用して金型の変形を解析し、第３次シミュレーションによって当該金型の変形を考慮した鍛造工程の解析を行う。従って、連続的に金型の変形を解析する計算工程を省略し、簡易的に金型の変形を解析したうえで鍛造工程の解析を実行するため、計算時間が膨大となることを抑制できる。よって、鍛造シミュレーション方法において、解析精度の向上および計算時間の短縮を両立させることができる。なお、「剛体」とは解析上変形しない部材のことをいい、「弾性体」とは、解析上変形し得る部材のことをいう。また、「後段部」とは、鍛造の全工程の中の後半の工程のことをいう。
前記鍛造シミュレーション方法は、繰返し圧下を行うハンマー鍛造を対象としてもよい。
前記鍛造シミュレーション方法は、前記素材を再結晶温度以上に昇温して行う熱間鍛造を対象としてもよい。
本発明によれば、鍛造シミュレーション方法において、金型の変形を考慮するとともに連続的に金型の変形を解析する計算工程を省略できるため、解析精度の向上および計算時間の短縮を両立できる。
以下、添付図面を参照して本発明の実施形態を説明する。
図１は、本実施形態で使用する金型１０の正面図を示している。本実施形態では、金型１０を使用してクランク軸（図示せず）を成形する鍛造工程を数値解析する鍛造シミュレーション方法について説明する。
図１では、クランク軸の長手方向をＸ方向とし、水平面内でＸ方向に直交する方向をＹ方向とし、金型１０の可動方向である上下方向（鉛直方向）をＺ方向とする。当該方向の表記に関しては図２以降においても同様に示す。
金型１０は、上型１１と下型１２とを有している。金型１０の外側には、即ち、上型１１の上側と、下型１２の下側には、拘束用および耐衝撃用のアンビル１３，１４がそれぞれ配置されている。金型１０の大きさは様々であるが、例えば全長が２ｍ程度の大型のものであり得る。従って、金型１０によって成形されるクランク軸も２ｍ程度の大きさとなり得る。
上型１１は、複数の凸部１１ａが設けられた鍛造面１１ｂを有している。同様に、下型１２も、複数の凸部１２ａが設けられた鍛造面１２ｂを有している。ただし、凸部１１ａ，１２ａの位置、形状、および大きさなどは特に限定されない。従って、成形されるクランク軸の形状についても特に限定されない。例えば、クランク軸は、軸対称形状を有してもよい。この場合、後述する解析モデルについても軸対称モデルを使用でき、解析モデルとして全体を作成する場合に比べて解析の計算時間を低減し得る。代替的には、クランク軸は、非軸対称形状を有してもよい。この場合、後述する解析モデルについては、軸対称モデルを使用できず、解析モデルとして全体を作成する必要がある。しかし、本実施形態の鍛造シミュレーション方法は、後述するように計算時間が短いため、効率的に解析を行うことができる。
鍛造工程では、素材を金型１０に設置して繰返し圧下を行うことにより、素材を所望のクランク軸の形状に成形する。このような鍛造をハンマー鍛造ともいう。
上記素材としては、例えばクロムモリブデン鋼を挙げることができる。
図２は、本実施形態の鍛造シミュレーション方法の各工程を示すフローチャートである。本実施形態の鍛造シミュレーション方法においては有限要素解析を採用している。
まず、図１に示す金型１０の解析モデル（金型モデル１）を作成する（ステップＳ２－１）。金型モデル１は、実際の金型１０の設計寸法通りに作成される。即ち、金型モデル１は、設計寸法から未だ変形していないモデルである。
次に、金型モデル１を剛体として設定し、ハンマー鍛造シミュレーション（第１次シミュレーション）を実行する（ステップＳ２－２）。このハンマー鍛造シミュレーションでは、一連のハンマー鍛造工程（図３参照）を模擬した解析を行う。本実施形態では、１～４ヒート目の各ヒートにおいて加熱とハンマー鍛造を行う。ただし、これはあくまでも一例である。特に、ハンマー鍛造工程におけるヒート数は限定されず、例えば１ヒートのみを行うものであってもよいし、２ヒートまたは３ヒートなどの複数ヒートの鍛造工程を実行するものであってもよい。このようなハンマー鍛造シミュレーション（第１次シミュレーション）を行うことにより、最終圧下時（４ヒート目完了時）の金型モデル１の鍛造面１１ｂ，１２ｂにおける面圧分布を取得する（ステップＳ２－３）。
次に、上記ハンマー鍛造シミュレーション（第１次シミュレーション）で取得した面圧分布を荷重条件として金型モデル１に付与し、変形シミュレーション（第２次シミュレーション）を実行する（ステップＳ２－４）。
図４は、上記変形シミュレーションによる金型１０の上型１１の変形結果を示す正面図である。図５は、上記変形シミュレーションによる金型１０の下型１２の変形結果を示す正面図である。図４，５において、上下方向（Ｚ方向）の変位は、図示を明瞭にするために５００倍にして示されている。図４，５では、アンビル１３，１４（図１参照）で拘束された部分の外側（Ｘ方向における両端部）が大きく変形を受けていることが確認できる。従って、金型１０を剛体の解析モデルとして設定する（即ち金型１０が変形しないと設定する）と、当該変形を考慮できず、解析精度が低下することが考えられる。換言すれば、当該変形を考慮することにより、解析精度の向上を図ることができる。
次に、上記変形シミュレーション（第２次シミュレーション）によって得られた金型１０の解析モデル（金型モデル２）を作成する（ステップＳ２－５）。金型モデル２は、図４，５の金型１０の形状に対応したモデルであり、変形を考慮した寸法を有する。即ち、金型モデル２は、設計寸法から変形したモデルである。
次に、金型モデル２を剛体として設定し、ハンマー鍛造シミュレーション（第３次シミュレーション）を再度実行する（ステップＳ２－６）。このハンマー鍛造シミュレーションでは、図３に示すハンマー鍛造工程の全部を模擬した解析を実行してもよい。代替的には、このハンマー鍛造シミュレーションでは、図３に示すハンマー鍛造工程の後段部を模擬した解析を実行してもよい。ここで、「後段部」とは、鍛造の全工程の中の後半の工程のことをいい、本実施形態では３ヒート目および４ヒート目の工程のことをいう。
本実施形態の鍛造シミュレーション方法では、上記のハンマー鍛造シミュレーション（第３次シミュレーション）によって得られた結果を最終的なシミュレーション結果とする。
本実施形態によれば、第１次シミュレーションに加えて第２次シミュレーションおよび第３次シミュレーションを実行することで、金型１０の変形を考慮した解析を行う。従って、単に金型１０を剛体としてモデル化しただけの解析に比べて解析精度を向上させることができる。また、詳細には、第１次シミュレーションによって最終圧下時の金型１０の面圧分布を取得し、第２次シミュレーションによって当該面圧分布を利用して金型１０の変形を解析し、第３次シミュレーションによって当該金型１０の変形を考慮した鍛造工程の解析を行う。従って、連続的に金型１０の変形を解析する計算工程を省略し、簡易的に金型１０の変形を解析したうえで鍛造工程の解析を実行するため、計算時間が膨大となることを抑制できる。よって、鍛造シミュレーション方法において、解析精度の向上および計算時間の短縮を両立させることができる。
図６，７を参照して、本実施形態の鍛造シミュレーション方法の解析精度を他の方法と比較した結果について説明する。図６は、鍛造によって成形されたクランク軸２０の端部２１の断面図を示している（図１の破線枠ＶＩ内に対応）。図７は、鍛造によって成形されたクランク軸２０のピン部２２の断面図を示している。
図６，７では、金型１０を剛体として解析した場合（比較例）のクランク軸２０の形状（破線Ｃ１参照）と、金型１０の変形を考慮して解析した場合（本実施形態）のクランク軸２０の形状（実線Ｃ２参照）とが示されている。比較例と本実施形態の結果を比較すると、金型１０の上型１１と下型１２との間隔は、図６のクランク軸２０の端部２１において、比較例では２８．１６ｍｍであったが、本実施形態では２８．０６ｍｍであった。また、図７のクランク軸２０のピン部２２において、比較例では２８．１６ｍｍであったが、本実施形態では２７．７７ｍｍであった。特に図７のクランク軸２０のピン部２２におけるバリの長さは、比較例に比べて本実施形態の方が２．１６ｍｍ長くなることを確認した（Ｄ＝２．１６ｍｍ）。
以下の表１は、素材および金型１０の変形を同時に連続的に計算した鍛造シミュレーション（比較例１）と、金型１０の変形を考慮しない鍛造シミュレーション（比較例２）と、変形後の金型１０を剛体として計算した鍛造シミュレーション（本実施形態）とを計算時間で比較した結果を示している。
本実施形態に関しては、比較例２の処理を行った後に、前述の第３次シミュレーションにおいて３ヒート目および４ヒート目のみを再計算している。換言すれば、本実施形態では、第３次シミュレーションにおいて１ヒート目および２ヒート目については再計算していない。そのため、本実施形態の合計計算時間は、第３次シミュレーションにおける３ヒート目（１２時間）および４ヒート目（１６時間）に、比較例２の合計計算時間４７時間を加えた７５時間を結果として示している。詳細には、本実施形態では、この７５時間に追加して、金型１０の変形を解析するシミュレーション（第２次シミュレーション）の時間（金型変形計算時間）がかかる。この金型変形計算時間は、解析条件によっても異なるが、例えば２分程度（ＣＰＵのコア数は２）である。
上記解析では、解析条件として、比較例１の解析モデルにおける素材と金型１０の要素サイズをともに１００ｍｍとした。また、比較例２および本実施形態の素材の要素サイズを３０ｍｍとした。これらの計算に用いたＣＰＵのコア数は２である。表１より、本実施形態では比較例１に比べて計算時間を大幅に短縮できることを確認できた。
以上より、本発明の具体的な実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の一例である。従って、本発明は上記実施形態に限定されず、この発明の範囲内で種々変更して実施することができる。
例えば、上記実施形態の鍛造シミュレーション方法において、素材を再結晶温度以上に昇温して行う熱間鍛造を対象としてもよい。
１，２ 金型モデル
１０ 金型
１１ 上型
１１ａ 凸部
１１ｂ 鍛造面
１２ 下型
１２ａ 凸部
１２ｂ 鍛造面
１３，１４ アンビル
２０ クランク軸
２１ 端部
２２ ピン部
１０ 金型
１１ 上型
１１ａ 凸部
１１ｂ 鍛造面
１２ 下型
１２ａ 凸部
１２ｂ 鍛造面
１３，１４ アンビル
２０ クランク軸
２１ 端部
２２ ピン部
Claims (4)
- 素材を金型に設置して鍛造を行う工程を数値解析する鍛造シミュレーション方法であって、
前記金型を剛体としてモデル化して、一連の鍛造工程を解析する第１次シミュレーションを実行し、
前記第１次シミュレーションにおける最終圧下時の前記金型の面圧分布を取得し、
前記金型を弾性体としてモデル化して、前記第１次シミュレーションで取得した前記面圧分布を荷重条件とした前記金型の変形を解析する第２次シミュレーションを実行し、
前記第２次シミュレーションでの変形後の前記金型を剛体としてモデル化して、前記一連の鍛造工程の中の少なくとも後段部を含む鍛造工程を解析する第３次シミュレーションを実行し、
前記第３次シミュレーションの結果を最終的なシミュレーション結果とする
ことを含む、鍛造シミュレーション方法。 - 繰返し圧下を行うハンマー鍛造を対象とする、請求項１に記載の鍛造シミュレーション方法。
- 前記素材を再結晶温度以上に昇温して行う熱間鍛造を対象とする、請求項１に記載の鍛造シミュレーション方法。
- 前記第３次シミュレーションは、前記一連の鍛造工程の中の後段部の鍛造工程のみを解析する、請求項１から３のいずれか１項に記載の鍛造シミュレーション方法。
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