JPWO2016084209A1 - 熱間鍛造プロセス評価装置および評価方法、並びに鍛造品の製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
そのため、再結晶組織には加工温度が大きく影響を与える。そのため、望ましい結晶粒径の材料を得るためには、鍛造加工で温度を厳密に管理することが重要である。
《熱間鍛造プロセス評価装置100の構成》
熱間鍛造プロセス評価装置100は、記憶部120に記憶された各プログラム(図示せず)をローディングして、演算部110のCPUで実行することにより、演算部110に熱電対深さ校正処理部111、熱電対温度履歴データ記録処理部112、金型表面温度履歴算出部113、及び熱間鍛造プロセス良否判定部114の各機能部を備える。
《測温ユニット5の構造》
図2、及び図3を用いて測温ユニット5の構造を説明する。図2は上型3の中央部に測温ユニット5が装着されている箇所の断面図の拡大図を示す。金型4には測温ユニット装着部24と、熱電対導入部25と、逃げ加工部26の穴加工が施されている。
接合方法は材料の混濁を避けるために抵抗溶接や超音波接合など熱による溶融部が少ない方法を採用する場合と、測温ユニットヘッド27と熱電対6の熱伝達抵抗を下げるために、レーザー溶接で広い範囲を溶接する方法を適宜選択する。
《熱電対温度履歴データから金型表面温度履歴データを算出する方法》
図3(c)は、図3(a)における切断線のC−C断面図を示す。図3(c)において、測温ユニットヘッド表面28から接合部30までの距離が、距離Aと距離Bである。図に示す通り、2対の熱電対6の温度検出点(接合部)は、測温ユニットヘッド表面(金型の表面)28から異なった深さに位置する。距離Aの熱電対6を熱電対A33と呼び、距離Bの熱電対を熱電対B34と呼ぶことにする。
熱電対温度履歴データ124を入力して、金型表面の温度を算出する一次元非定常熱伝導の逆解析を行うためには、距離Aと距離Bは異なる大きさとし、両者は2倍程度の違いが望ましい。距離A、距離Bを大きくとると逆解析の応答精度と時間分解能が落ちる。そのため、自動車部品のように毎分数10個製造する大量生産品の温度測定では、距離A、距離Bが0.1mm前後であることが望ましい。また、航空機エンジン部品のように大型の部品では、加工時間が長いため応答速度を多少犠牲に出来る場合には距離A、及び距離Bの大きさは1mm前後でも許容できる。しかし、熱電対温度履歴データ124から金型表面温度履歴データ125を逆解析する精度に影響するために、距離Aと距離Bの精度は重要である。本実施例では時間分解能を0.1秒程度とするため、距離Aの設計値を0.5mm、距離Bの設計値を1.0mmとした場合について検討した。
熱電対温度履歴データ記憶領域124には、1つの材料1の熱間鍛造プロセスの開始時点から終了時点までの時間分解能ごとの、金型4に埋め込まれた全ての測温ユニット5に搭載された熱電対A33、および熱電対B34の熱電対温度履歴データが保存される。なお、前記材料から成形された加工品に識別IDを付けて、複数の加工品の識別IDごとに熱電対温度履歴データを記録することを可能とする。
《金型表面温度算出方法》
前記金型表面温度履歴算出部113は、前記熱電対温度履歴データ記憶領域124に記録された測温ユニット5ごとの埋め込み深さの異なる熱電対A33、および熱電対B34の熱電対温度履歴データから、測温ユニット5が金型4に埋め込まれて測温ユニットヘッド表面28と金型表面が同一平面に設定されている金型4の表面温度を算出して、金型表面温度履歴データベース125に記録する。その算出方法は、非特許文献1において採用している一次元非定常熱伝導の逆問題を解いた庄司の式を用いる。
《測温ユニット5の熱電対A,Bの深さx1,x2の校正方法の検討》
そこで、本願発明者は金型4に測温ユニット5を装着する前に、深さx1とx2の校正を行う手段に関して検討した。測温ユニット5は金型4と材料1が接触している面の温度を測定するのが目的である。
図4に示すのは測温ユニット校正装置36である。金型材質や測温ユニットヘッド27と同一材料(例えば、SKD61)で製作された校正パンチ37に測温ユニット5を納めて用いる。測温ユニット5は校正パンチ37の接触面38から挿入されている。校正パンチ37に開けられた測温ユニット挿入穴の直径は、収納した測温ユニット5がしっくりと動く程度の隙間ばめとなっている。JISの規格で言えば測温ユニットヘッド27の直径のはめあい公差がm6で、校正パンチ37にあけた穴のはめあい公差がE7である。隙間ばめとすることで、校正を行った後に測温ユニット5を抜き出し、金型4に再度挿入することが可能である。校正パンチ37の公差が隙間ばめのため、このままでは校正中に測温ユニット5が抜け落ちる場合がある。校正時には側面より留めねじ(図示せず)を用いて固定して用いる。校正を終了した後の測温ユニット5を金型4に収納する場合には、測温ユニット装着部24(図2参照)の穴寸法のはめあいをJIS規格で表すH7とすることにより、測温ユニット5の挿入は圧入が必要となり、留めねじを用いずとも使用中に落下することはない。
表面熱電対39の溶着には抵抗溶接等を用いることも可能であるが、レーザー溶接を用いることで、アルメル線32、クロメル線31と校正パンチ37との界面は8割以上金属結合をした状態になり、熱伝達抵抗が無くなる。このように校正パンチ37の表面に熱電対6を金属結合状態にすることにより、熱電対6の出力する温度は、校正パンチ37の表面温度と同一と見なすことが可能となる。
本実施例では熱電対6の種類としてK熱電対を用いたが、K熱電対に限るものではなく、また直径も上記寸法に限るものではない。
《測温ユニットの校正方法》
次に校正パンチ37を用いた測温ユニット5の校正方法の一例について説明する。
加熱型42とその中にある低融点金属材料44を600℃に加熱する。測温ユニット校正装置36の支持部材41に下方向の荷重を加える。校正パンチ37の直径が90mmで、低融点金属材料44に600℃の純アルミニウムを用いた場合には、100kN程度の荷重で、低融点金属材料44は完全に降伏して、校正パンチ37と低融点金属材料44は密着し、通常の熱間鍛造と同様の熱伝達の状態となる。
すなわち、金型材料52(校正パンチ、測温ユニットの材料)の熱物性を入力して、初期温度を図7の初期温度51に設定し、境界条件として表面熱電対温度履歴45を設定して一次元の熱伝導解析を行うことにより、任意の深さの解析点の温度履歴を算出することが可能である。
数10から数15を用いて、類似性の判断基準の一例として、熱伝導解析の出力する測温ユニット内部温度履歴53と、熱電対A温度履歴46との差の2乗和の小ささを類似性の判断基準とする方法を説明する。
k1とk2の深さを合成比pで合成した値x1が熱電対A33の深さの校正値となる(数15)。熱電対B34についても同様の計算により校正値x2が求まる。
よって、加工条件の制御を高精度にするのみならず、加工時の温度を実測することにより事後に鍛造品の良否を判断することも品質を管理するうえで、有効な手段である。
《金型表面の温度の測定方法》
図13と図14を用いて型鍛造材57を型鍛造を行い最終鍛造材58の形状とする工程での金型表面の温度の測定方法を示す。
型鍛造上型60における測温ユニット5の配置について図11を用いて説明する。型鍛造上型60には上中心測温ユニット61、上周辺測温ユニットa62、上周辺測温ユニットb63、上周辺測温ユニットc64の4個の測温ユニット5が埋設されている。上中心測温ユニット61は型鍛造材57との摩擦が小さく、長時間にわたり型鍛造材57と接触しているため、誤差要因の少ない測定が可能な位置である。また、3個の上周辺測温ユニットは材料周辺にあり、誤差要因に影響を受け易く測定する温度が変化しやすい箇所である。
同様に型鍛造下型65の測温ユニット5の配置について図12を用いて説明する。型鍛造下型65には下中心測温ユニット66、下周辺測温ユニットa67、下周辺測温ユニットb68、下周辺測温ユニットc69の4個の測温ユニット5が埋設されている。
《熱間鍛造プロセス良否判定手段》
以下に、熱間鍛造プロセス評価装置100の熱間鍛造プロセス良否判定部114が提供する熱間鍛造プロセスの良否を判定するためのユーザインタフェースの例、及び熱間鍛造プロセス良否判定部114が熱間鍛造プロセスの良否判定を行い、ワークの選別を実行する鍛造品の製造方法の例を示す。
図15は、図1に示す熱間鍛造プロセス評価装置100の表示部21に表示される画面の一例の温度履歴表示画面72である。温度履歴表示画面72はグラフ表示部73と特徴量表示部74より構成される。
グラフ表示部73は上下の金型の金型表面温度履歴データ125を表示する上型温度履歴表示画面75と下型温度履歴表示画面76より構成される。
その後、熱間鍛造プロセス評価装置100の熱間鍛造プロセス良否判定部114は、熱間鍛造プロセスにおいて、ワークごとの熱電対温度履歴データを収集して、金型表面温度履歴データに変換した後、ワークごとの特徴量データの推移が熱間鍛造プロセス良否判定基準123に登録されたプロセスウィンドーの上限線95、下限線96の範囲に収まっているワークを例えば良品と判定して、判定結果を通信部130、ネットワーク8を介して、例えばワークの選別工程へ通知する。ワークの選別工程では、熱間鍛造プロセス評価装置100の判定結果に基づき、該当ワークを製品化する次工程へ送るか、ワークを検査、再生、廃棄工程へ送るかを選別する。
ロット特徴量比較表示部143には、現在の評価対象のロットの特徴量平均、現在の評価対象のロットの特徴量の標準偏差、および過去のロットの特徴量平均などが表示される。これによりロット単位での監視も可能となる。
100…熱間鍛造プロセス評価装置、 110 演算部、 111 熱電対深さ校正処理部、 112 熱電対温度履歴データ記録処理部、 113 金型表面温度履歴算出部、 114 熱間鍛造プロセス良否判定部、 120 記憶部、 121 熱電対深さ校正値記憶領域、 122 金型表面温度算出係数記憶領域、 123 熱間鍛造プロセス良否判定基準記憶領域、 124 熱電対温度履歴データ記憶領域、 125 金型表面温度履歴データベース、 140 ロット比較表示部、 141 過去データ、 142 当該ロットデータ、 143 ロット特徴量表示部
Claims (14)
- 熱電対を所定の深さに金属結合させた測温ユニットに、予め、熱間鍛造の熱伝導を再現する校正装置において、金型表面からの熱電対深さを校正して記録する熱電対深さ校正処理部と、
前記測温ユニットを鍛造金型表面に埋設して、鍛造素材に対する熱間鍛造プロセスにおいて、前記測温ユニットの熱電対から測定される熱電対温度履歴データを収集して記録する熱電対温度履歴データ記録処理部と、
前記熱電対温度履歴データと、前記熱電対深さ校正値に基づき、非定常熱伝導逆解析により金型表面温度履歴データを算出する金型表面温度履歴算出部と、
前記金型表面温度履歴データ、および熱間鍛造プロセス良否判定基準に基づき、該当鍛造品、該当鍛造プロセスの良否判定を出力する熱間鍛造プロセス良否判定部とを備えたことを特徴とする熱間鍛造プロセス評価装置。 - 前記熱電対深さ校正処理部は、
熱電対を所定の深さに金属結合させた測温ユニットのヘッド表面に、校正装置において所定の温度まで加熱した低融点金属材料を密着させて、前記低融点金属材料の密着面に設置された熱電対、および前記測温ユニットの熱電対から測定された熱電対温度履歴データより金型表面からの熱電対深さを校正して、記憶部に記録することを特徴とする請求項1に記載の熱間鍛造プロセス評価装置。 - 前記熱電対深さ校正処理部は、
前記校正装置において、前記校正対象の測温ユニットへ熱間鍛造の熱伝導を再現する過程の前記熱電対温度履歴データを収集して、前記低融点金属材料の密着面に設置された熱電対の金型表面温度履歴を境界条件とした熱伝導解析で求まる金型内部の温度履歴と、前記測温ユニットの熱電対の温度履歴を比較して、最も一致する金型表面から解析点までの深さを前記測温ユニットの熱電対の深さの校正値とすることを特徴とする請求項2に記載の熱間鍛造プロセス評価装置。 - 前記熱電対温度履歴データ記録処理部は、
1つの鍛造材料の熱間鍛造プロセスの開始時刻から終了時刻までの時間分解能ごとの、鍛造金型に埋め込まれた全ての測温ユニットに搭載された熱電対の熱電対温度履歴データを収集して、それらを纏めて鍛造加工品の識別IDを付して記憶部に記録することを特徴とする請求項1に記載の熱間鍛造プロセス評価装置。 - 前記金型表面温度履歴算出部は、
前記記録された測温ユニットごとの埋め込み深さの異なる熱電対A、および熱電対Bの熱電対温度履歴データを読み出して、及び当該測温ユニットの熱電対深さ校正値も読出して熱電対A、および熱電対Bの埋め込み深さの値として、当該測温ユニットのヘッド表面と一致する金型表面の温度履歴を、一次元非定常熱伝導の逆問題を解いて算出することを特徴とする請求項1に記載の熱間鍛造プロセス評価装置。 - 前記熱間鍛造プロセス良否判定部は、
前記金型表面温度履歴算出部が算出した金型の各部の表面温度履歴データに基づき、各種特徴量を算出して、その推移・傾向をユーザインタフェースに出力し、及び、前記特徴量の推移が熱間鍛造プロセス良否判定基準内に収まるか否かを判定して、鍛造加工が施された加工品の良否判定結果を加工品の選別工程へ通知することを特徴とする請求項1に記載の熱間鍛造プロセス評価装置。 - 前記熱間鍛造プロセス良否判定部は、
前記金型表面温度履歴算出部が算出した金型の各部の表面温度履歴データに基づき、ユーザインタフェース画面に、金型上の複数の測定点の表面温度履歴データを同一グラフ上に重ねて表示を行い、または上金型と下金型のそれぞれの複数の測定点の表面温度履歴データをそれぞれのグラフ上に重ねて対比して表示することを特徴とする請求項6に記載の熱間鍛造プロセス評価装置。 - 熱電対を所定の深さに金属結合させた測温ユニットに、予め、熱間鍛造の熱伝導を再現する校正装置において、金型表面からの熱電対深さを校正して記録する熱電対深さ校正ステップと、
前記測温ユニットを鍛造金型表面に埋設して、鍛造素材に対する熱間鍛造プロセスにおいて、前記測温ユニットの熱電対から測定される熱電対温度履歴データを収集して記録する熱電対温度履歴データ記録ステップと、
前記熱電対温度履歴データと、前記熱電対深さ校正値に基づき、非定常熱伝導逆解析により金型表面温度履歴データを算出する金型表面温度履歴算出ステップと、
前記金型表面温度履歴データ、および熱間鍛造プロセス良否判定基準に基づき、該当鍛造品、該当鍛造プロセスの良否判定を出力する熱間鍛造プロセス良否判定ステップとを有することを特徴とする熱間鍛造プロセス評価方法。 - 前記熱電対深さ校正ステップは、熱電対を所定の深さに金属結合させた測温ユニットのヘッド表面に、校正装置において所定の温度まで加熱した低融点金属材料を密着させて、前記低融点金属材料の密着面に設置された熱電対、および前記測温ユニットの熱電対から測定された熱電対温度履歴データより金型表面からの熱電対深さを校正して、記憶部に記録するステップであることを特徴とする請求項8に記載する熱間鍛造プロセス評価方法。
- 前記熱電対深さ校正ステップには、前記校正装置において、前記校正対象の測温ユニットへ熱間鍛造の熱伝導を再現する過程の前記熱電対温度履歴データを収集して、前記低融点金属材料の密着面に設置された熱電対の金型表面温度履歴を境界条件とした熱伝導解析で求まる金型内部の温度履歴と、前記測温ユニットの熱電対の温度履歴を比較して、最も一致する金型表面から解析点までの深さを前記測温ユニットの熱電対の深さの校正値とするステップを含むことを特徴とする請求項9に記載する熱間鍛造プロセス評価方法。
- 前記熱電対温度履歴データ記録ステップは、1つの鍛造材料の熱間鍛造プロセスの開始時刻から終了時刻までの時間分解能ごとの、鍛造金型に埋め込まれた全ての測温ユニットに搭載された熱電対の熱電対温度履歴データを収集して、それらを纏めて鍛造加工品の識別IDを付して記憶部に記録するステップであることを特徴とする請求項8に記載する熱間鍛造プロセス評価方法。
- 前記金型表面温度履歴算出ステップは、前記記録された測温ユニットごとの埋め込み深さの異なる熱電対A、および熱電対Bの熱電対温度履歴データを読み出して、及び当該測温ユニットの熱電対深さ校正値も読出して熱電対A、および熱電対Bの埋め込み深さの値として、当該測温ユニットのヘッド表面と一致する金型表面の温度履歴を、一次元非定常熱伝導の逆問題を解いて算出するステップであることを特徴とする請求項8に記載する熱間鍛造プロセス評価方法。
- 前記熱間鍛造プロセス良否判定ステップは、前記金型表面温度履歴算出ステップで算出した金型の各部の表面温度履歴データに基づき、各種特徴量を算出して、その推移・傾向をユーザインタフェースに出力し、及び、前記特徴量の推移が熱間鍛造プロセス良否判定基準内に収まるか否かを判定して、鍛造加工が施された加工品の良否判定結果を加工品の選別工程へ通知するステップであることを特徴とする請求項8に記載する熱間鍛造プロセス評価方法。
- 熱電対を所定の深さに金属結合させた測温ユニットに、予め、熱間鍛造の熱伝導を再現する校正装置において、金型表面からの熱電対深さを校正して記録する熱電対深さ校正ステップと、
前記測温ユニットを鍛造金型表面に埋設して、鍛造素材に対する熱間鍛造プロセスにおいて、各鍛造材料の熱間鍛造プロセスの開始時刻から終了時刻までの時間分解能ごとの、鍛造金型に埋め込まれた全ての測温ユニットに搭載された熱電対の熱電対温度履歴データを収集して、それらを纏めて鍛造加工品の識別IDを付して記憶部に記録する熱電対温度履歴データ記録ステップと、
前記熱電対温度履歴データと、前記熱電対深さ校正値に基づき、非定常熱伝導逆解析により金型表面温度履歴データを算出する金型表面温度履歴算出ステップと、
前記金型表面温度履歴算出ステップで算出した金型の各部の表面温度履歴データに基づき、各種特徴量を算出して、前記特徴量の推移が熱間鍛造プロセス良否判定基準内に収まるか否かを判定して、鍛造加工が施された加工品の良否判定結果を出力する熱間鍛造品良否判定ステップと、
前記判定結果に基づき、前記鍛造品の次工程を選別する選別ステップとを有することを特徴とする鍛造品の製造方法。
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