(57)【要約】【課題】金型寿命の予測精度を向上させることを可能としたプレス加工金型寿命予測プログラムを提供することである。【解決手段】提案するプレス加工金型寿命予測プログラムは、金型材種類と、定数Ａ、α、βとを対応付けた記憶部を用いて、入力された金型材（Ｓ１）、負荷応力σおよび第２相粒子サイズａ（Ｓ２）に対して、予測方程式：Ｎｆ＝Ａ×ｅｘｐ（−（ασ＋βａ））により、破壊までのショット数Ｎｆを算出する（Ｓ３）。【選択図】  図５
2010003217.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
金型材種類と、その金型材における負荷応力σおよび第２相粒子サイズａと破壊までのショット数Ｎｆとを対応づける定数Ａ、α、βと、を記憶する記憶部を有するコンピュータを、
複数の金型材のうちのいずれかを利用者に選択可能とさせる選択操作部、
選択された金型材に対し、前記負荷応力σおよび前記第２相粒子サイズａを入力し、下記予測方程式により、破壊までのショット数Ｎｆを算出する金型寿命予測処理部、
予測方程式：Ｎｆ＝Ａ×ｅｘｐ（−（ασ＋βａ））
として機能させるためのプレス加工金型寿命予測プログラム。
【請求項２】
金型材種類と、その金型材における下限界応力拡大係数ΔＫｔｈと、材料形状係数Ｂとを記憶する記憶部を有するコンピュータを、
複数の金型材のうちのいずれかを利用者に選択可能とさせる選択操作部、
選択された金型材に対し、負荷応力σを入力し、下記方程式により、第２相粒子の許容サイズａｌを算出する許容第２相粒子サイズ算出部、
方程式：ａｌ＝（ΔＫｔｈ／σ）２／Ｂ／π
として機能させるための金型材料設計支援プログラム。
【請求項３】
金型材種類と、その金型材における負荷応力σおよび第２相粒子サイズａと破壊までのショット数Ｎｆとを対応づける定数Ａ、α、βと、を記憶する記憶部を有するコンピュータが、
複数の金型材のうちのいずれかを利用者に選択可能とさせる選択操作ステップ、
選択された金型材に対し、前記負荷応力σおよび前記第２相粒子サイズａを入力し、下記予測方程式により、破壊までのショット数Ｎｆを算出する金型寿命予測処理ステップ、予測方程式：Ｎｆ＝Ａ×ｅｘｐ（−（ασ＋βａ））
を実行するプレス加工金型寿命予測方法。
【請求項４】
金型材種類と、その金型材における下限界応力拡大係数ΔＫｔｈと、材料形状係数Ｂとを記憶する記憶部を有するコンピュータが、
複数の金型材のうちのいずれかを利用者に選択可能とさせる選択操作ステップ、
選択された金型材に対し、負荷応力σを入力し、下記方程式により、第２相粒子の許容サイズａｌを算出する許容第２相粒子サイズ算出ステップ、
方程式：ａｌ＝（ΔＫｔｈ／σ）２／Ｂ／π
を実行する金型材料設計支援方法。
【請求項５】
金型材種類と、その金型材における負荷応力σおよび第２相粒子サイズａと破壊までのショット数Ｎｆとを対応づける定数Ａ、α、βと、を記憶する記憶部と、
複数の金型材のうちのいずれかを利用者に選択可能とさせる選択操作部と、
選択された金型材に対し、前記負荷応力σおよび前記第２相粒子サイズａを入力し、下記予測方程式により、破壊までのショット数Ｎｆを算出する金型寿命予測処理部と、
予測方程式：Ｎｆ＝Ａ×ｅｘｐ（−（ασ＋βａ））
を有するプレス加工金型寿命予測装置。
【請求項６】
金型材種類と、その金型材における下限界応力拡大係数ΔＫｔｈと、材料形状係数Ｂとを記憶する記憶部と、
複数の金型材のうちのいずれかを利用者に選択可能とさせる選択操作部と、
選択された金型材に対し、負荷応力σを入力し、下記方程式により、第２相粒子の許容サイズａｌを算出する許容第２相粒子サイズ算出部と、
方程式：ａｌ＝（ΔＫｔｈ／σ）２／Ｂ／π
を有する金型材料設計支援装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プレス加工金型寿命予測技術および金型材料設計支援技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
プレス加工を行なう金型の寿命を予測する技術が種々開発されている。
予測手法としては、有限要素解析法を用いて金型の温度および応力分布を求めておき、それらの値を、金型破損の主原因である表面磨耗量や低サイクル疲労を予測する構成方程式に代入して寿命を算出する、というものが一般的である。
【０００３】
例えば、特許文献１では、鍛造金型特有の条件を取り入れた磨耗モデルに従って金型磨耗量を予測し、その予測結果に基づいて寿命を予測する技術が示されている。
また、特許文献２では、鍛造金型に有限要素法を適用して、金型に作用する塑性変形応力と最大主応力とを求め、計算される亀裂深さが所定値に達するまでの加工回数を算出して寿命を算出している。
【０００４】
しかしながら、高強度金属をプレス加工する場合に、磨耗破損による場合よりも、疲労亀裂進展によって突発破損に至ることの方が多い。特許文献１の磨耗量を予測する技術では、金属疲労破損を予測できない、という問題がある。
【０００５】
また、主に金属材ミクロ組織中の第２相粒子の分布と大きさのバラツキに起因して、金型材の疲労寿命のバラツキは非常に大きくなる。特許文献２の方法では、この疲労寿命のバラツキを考慮しておらず、寿命予測の誤差が大きくなり、限られた場合にしか寿命を高精度で計算することができない、という問題がある。
【特許文献１】特開２００２−３２１０３２号公報
【特許文献２】特開平１０−１７５０３７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、金型寿命の予測精度を向上させることを可能としたプレス加工金型寿命予測プログラムおよびプレス加工金型寿命予測方法を提供することを第１の目的とする。
また、本発明は、長寿命金型の設計・製造を可能とした金型材料設計支援プログラムおよび金型材料設計支援方法を提供することを第２の目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
提案するプレス加工金型寿命予測プログラムは、金型材種類と、その金型材における負荷応力σおよび第２相粒子サイズａと破壊までのショット数Ｎｆとを対応づける定数Ａ、α、βと、を記憶する記憶部を有するコンピュータを、複数の金型材のうちのいずれかを利用者に選択可能とさせる選択操作部、選択された金型材に対し、前記負荷応力σおよび前記第２相粒子サイズａを入力し、下記予測方程式により、破壊までのショット数Ｎｆを算出する金型寿命予測処理部、
予測方程式：Ｎｆ＝Ａ×ｅｘｐ（−（ασ＋βａ））
として機能させる。
【０００８】
また、提案する金型材料設計支援プログラムは、金型材種類と、その金型材における下限界応力拡大係数ΔＫｔｈと、材料形状係数Ｂとを記憶する記憶部を有するコンピュータを、複数の金型材のうちのいずれかを利用者に選択可能とさせる選択操作部、選択された金型材に対し、負荷応力σを入力し、下記方程式により、第２相粒子の許容サイズａｌを
算出する許容第２相粒子サイズ算出部、
方程式：ａｌ＝（ΔＫｔｈ／σ）２／Ｂ／π
として機能させる。
【発明の効果】
【０００９】
提案するプレス加工金型寿命予測プログラムによれば、金型材のミクロ組織中の金型表面欠陥（第２相粒子）の分布と大きさに着目し、金型表面欠陥と金型寿命との関係を定量化（関数化）することにより、従来技術に比べて、より高精度に金型寿命を予測することができ、計画的な生産管理が期待できる。
【００１０】
また、提案する金型材料設計支援プログラムによれば、金型材のミクロ組織中の金型表面欠陥（第２相粒子、クラック）の分布と大きさに着目し、負荷応力と金型表面欠陥との関係を用いることにより、化合物サイズ制御による突発破損の低減が可能となり、長寿命金型の設計・製造が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下図面に基づいて、本発明の実施形態について詳細を説明する。
図１は、本発明の各実施形態のプログラムが実行される情報処理装置の構成を示すブロック図である。
【００１２】
図１の情報処理装置１は、ＲＯＭ（Read Only Memory）２、ＲＡＭ（Random Access Memory）３、ＣＰＵ（Central Processing Unit）４、通信インターフェイス５、記録媒体の読取装置６、ハードディスクなどの記憶装置７、を有し、それらがバス８によって接続されている。なお、通信インターフェイス５を通して外部記憶装置１１上のデータ（プログラム）にアクセスできる。
【００１３】
本発明の各実施形態のプログラム（プレス加工金型寿命予測プログラム、金型材料設計支援プログラム）は、ＲＯＭ２、記憶装置７、外部記憶装置１１、記録媒体の読取装置６によって読み取られる可搬型記録媒体（ＣＤ，ＦＤＤ，等）に記憶される。そして、実行時には、そのいずれかからＲＡＭ３に読み出されてＣＰＵ４により実行される。
【００１４】
続いて、本発明の第１実施形態について説明する。第１実施形態では、金型寿命の予測方法を扱う。
第１実施形態の特徴は、各種金型材料の疲労寿命と負荷応力および疲労破損起点にある第２相粒子（化合物や介在物）とを関係付けた方程式において、金型材料種類と、その方程式内の定数とを対応付けたデータベースを作成し、そのデータベースを用いて、指定された金型材料の寿命を予測する点にある。
【００１５】
金型寿命を表す関数として下記の予測方程式（１）を提案する。
予測方程式：  Ｎｆ＝Ａ×ｅｘｐ（−（ασ＋βａ））  ・・・（１）
ここで、Ｎｆは破壊までのショット数、Ａ、α、βは材料によって決定される係数、σは負荷応力（の大きさ）、ａは第２相粒子サイズ、である。
【００１６】
なお、第２相粒子（以下では、炭化物、化合物と呼ぶことがある）とは、金型材のミクロ組織中の金型表面欠陥のことである。金型材中の第２相粒子が表層に析出すると、その第２相粒子サイズが大きい程、クラックが発生しやすくなる。本実施形態においては、金型材としてＳＫＤ１１鋼、第２相粒子としてＣｒ化合物を例にとり説明する。また、第２相粒子サイズの決定方法については図４で説明する。
【００１７】
各種金型材料に対して、応力集中部の負荷応力をシミュレーションで求め、第２相粒子
サイズ（の最大値）および破壊までのショット数を実測し、その実測、シミュレーションの結果に合うように、Ａ、α、βを決定する。すなわち、上記データベースは、金型材種類と、定数Ａ、α、βと、を記憶している。
【００１８】
図２は、金型材（ＳＫＤ１１鋼）の場合の疲労寿命と負荷応力およびＣｒ化合物（第２相粒子）サイズとの関係を示した図である。
金型ミクロ組織中のＣｒ化合物サイズがそれぞれ５μｍ、１０μｍ、２５μｍの場合では、金型の疲労寿命が異なることが図２から認められる。例えば、Ｃｒ化合物サイズが２５μｍの場合と、５μｍの場合では、１０倍程度の寿命差がある。
【００１９】
ＳＫＤ１１材の場合、ＳＫＤ１１材のコーナー部（Ｒ（曲率半径）＝０．２）破損までのプレス加工回数の計算値が実測値と合うようなＡ、α、βの値は、Ａ＝６Ｅ＋１０（＝６×１０１０）、α＝０．０１５、β＝０．１であった。
【００２０】
図３は、金型の負荷応力のシミュレーションによる算出結果を示す図である。
応力分布の計算に先立って、所定の金型物性値（引張強度）、形状、および、加工条件を設定して、公知の有限要素法解析により、その金型の応力分布を求める。そして、その金型における応力集中部（コーナー部）の応力レベル（応力値σ）を算出する。
【００２１】
図４は、金型側表面の組成像を示す図である。この組成像により、Ｃｒ化合物分布を観察し、Ｃｒ化合物サイズを求める。
図４では、イオンビーム装置（不図示）を用いて、金型の応力最大部のミクロ組織の組成像（成分を区別できるＢＳ−ＳＥＭ像）により金型先端付近（先端よりプレス加工相手材厚さの１／３〜１／２範囲）のＣｒ化合物分布を観察し、Ｃｒ化合物サイズを求める。例えば、ＢＳ−ＳＥＭ像上で観察された最も大きい（面積が広い）Ｃｒ化合物に対し、その面積と等しい面積を持つ円の直径をＣｒ化合物サイズとして求める。
【００２２】
図５は、本発明の第１実施形態に係るプレス加工金型寿命予測処理のフローチャートである。本実施形態では、この処理は、プレス加工金型寿命予測プログラムによってソフトウェアとして実現される。
【００２３】
図５のステップＳ１において、寿命を予測する対象の金型材が複数、図１の情報処理装置１の画面に表示される。利用者が、複数の金型材のうちのいずれかを選択すると、ステップＳ２において、負荷応力σ、第２相粒子サイズ（化合物サイズ）ａの入力を促すメッセージが画面に表示される。利用者がこのメッセージに従って、図３で求めた応力値σと、図４で求めた化合物サイズａとを入力すると、続くステップＳ３において、ステップＳ１で選択した金型材に対応するＡ、α、βの値と、ステップＳ２で入力した負荷応力σ、化合物サイズａとを用いて、予測方程式（１）により、破壊までのショット数Ｎｆが算出される。
【００２４】
ステップＳ３に続くステップＳ４では、本処理を終了するかどうかの選択画面が表示される。利用者が終了することを選択した場合（ステップＳ４の判定がＹｅｓの場合）、一連の処理を終了する。
【００２５】
利用者が終了しないことを選択した場合（ステップＳ４の判定がＮｏの場合）、ステップＳ１に戻り、例えば次の金型材が選択されて、その選択した金型材についての処理が行われる。
【００２６】
このように、第１実施形態では、金型材のミクロ組織中の金型表面欠陥（第２相粒子）の分布と大きさに着目し、金型表面欠陥と金型寿命との関係を定量化（関数化）すること
により、従来技術に比べて、より高精度に金型寿命を予測することができる、という利点がある。
【００２７】
続いて、本発明の第２実施形態について説明する。第２実施形態では、金型材料の設計支援方法を扱い、特に、ＳＫＤ１１鋼の改良のための許容Ｃｒ化合物サイズの決定工程について説明する。
【００２８】
第２実施形態の特徴は、各種金型材料の許容欠陥と下限界応力拡大係数および負荷応力とを関係付けた方程式において、金型材料種類と、その方程式内の定数とを対応付けたデータベースを作成し、そのデータベースを用いて、指定された金型材料の表面の許容欠陥サイズを決定する点にある。
【００２９】
なお、本実施形態では、第２相粒子先端部の応力集中はクラックと同等と仮定し、欠陥とみなした。すなわち、金型材料ごとに、クラックが発生する応力を求めておき、シミュレーションで得られた応力集中部（コーナー部）の応力レベルが、そのクラックが発生する応力に近い値である場合に、その応力集中部にはクラックが生じていると仮定した。
【００３０】
各種金型材料の許容欠陥サイズ（第２相粒子の許容サイズ）と下限界応力拡大係数および負荷応力との関係を下記方程式（２）に示す。
方程式：ａｌ＝（ΔＫｔｈ／σ）２／Ｂ／π  ・・・（２）
ここで、ａｌは第２相粒子の許容サイズ、ΔＫｔｈはその金型材における下限界応力拡大係数、σは負荷応力、Ｂは材料形状係数（同じ金型材間でも形状やサイズが異なればこの係数は異なる）、πは円周率、である。
【００３１】
なお、図６は、Ｂ／π＝４とした場合の、許容欠陥サイズと負荷応力との関係を示す（方程式（２）の）曲線である。また、上記データベースは、金型材種類と、下限界応力拡大係数ΔＫｔｈと、材料形状係数Ｂと、を記憶している。
【００３２】
下限界応力拡大係数は、それぞれの金型材における計測データとしての疲労亀裂進展特性から得られる。
図７は、金型（ＳＫＤ１１鋼）の疲労亀裂進展特性曲線を示す図である。
【００３３】
図７の曲線は、疲労亀裂伝播速度ｄａ／ｄＮ（ｍｍ／ｃｙｃｌｅ）と応力拡大係数範囲ΔＫ（Ｍｐａ・ｍ１／２）との関係を示しているが、縦軸の疲労亀裂伝播速度の最小値に対応する横軸の応力拡大係数範囲ΔＫの値が下限界応力拡大係数（ΔＫｔｈ）であり、ＳＫＤ１１鋼の場合では、
ΔＫｔｈ＝３．４Ｍｐａ・ｍ１／２
となる。
【００３４】
また、負荷応力については、図３と同様の方法により、加工金属の材質、形状などを解析条件として入力し、有限要素法によりプレス加工時に応力が集中しやすいコーナー部の応力レベル（応力値σ）を予め求めておく。
【００３５】
例えば、金型（ＳＫＤ１１鋼）の負荷応力が８２０ＭＰａの場合、方程式（２）による計算結果として、金型表面の許容欠陥サイズは５μｍとなる。
図８は、本発明の第２実施形態に係る金型材料設計支援処理のフローチャートである。本実施形態では、この処理は、金型材料設計支援プログラムによってソフトウェアとして実現される。
【００３６】
図８のステップＳ１１において、金型表面の許容欠陥サイズを決定する対象の金型材が
複数、図１の情報処理装置１の画面に表示される。利用者が、複数の金型材のうちのいずれかを選択すると、ステップＳ１２において、負荷応力σの入力を促すメッセージが画面に表示される。利用者がこのメッセージに従って、すでに求めてある応力値σを入力すると、続くステップＳ１３において、ステップＳ１で選択した金型材に対応するΔＫｔｈ、Ｂの値と、ステップＳ１２で入力した負荷応力σとを用いて、方程式（２）により、許容化合物サイズ（許容欠陥サイズ）ａｌが算出される。
【００３７】
ステップＳ１３に続くステップＳ１４では、本処理を終了するかどうかの選択画面が表示される。利用者が終了することを選択した場合（ステップＳ１４の判定がＹｅｓの場合）、一連の処理を終了する。
【００３８】
利用者が終了しないことを選択した場合（ステップＳ１４の判定がＮｏの場合）、ステップＳ１１に戻り、例えば次の金型材が選択されて、その選択した金型材についての処理が行われる。
【００３９】
このように、第２実施形態では、金型材のミクロ組織中の金型表面欠陥（第２相粒子、クラック）の分布と大きさに着目し、負荷応力と金型表面欠陥との関係を用いることにより、化合物サイズ制御による突発破損の低減が可能となり、長寿命金型の設計・製造が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明の各実施形態のプログラムが実行される情報処理装置の構成を示すブロック図である。
【図２】金型材（ＳＫＤ１１）の場合の疲労寿命と負荷応力およびＣｒ化合物（第２相粒子）サイズとの関係を示した図である。
【図３】金型の負荷応力のシミュレーションによる算出結果を示す図である。
【図４】金型側表面の組成像を示す図である。
【図５】本発明の第１実施形態に係るプレス加工金型寿命予測処理のフローチャートである。
【図６】Ｂ／π＝４とした場合の、許容欠陥サイズと負荷応力との関係を示す曲線である。
【図７】金型（ＳＫＤ１１鋼）の疲労亀裂進展特性曲線を示す図である。
【図８】本発明の第２実施形態に係る金型材料設計支援処理のフローチャートである。
【符号の説明】
【００４１】
１  情報処理装置
２  ＲＯＭ
３  ＲＡＭ
４  ＣＰＵ
５  通信インターフェイス
６  記録媒体の読取装置
７  記憶装置
８  バス
１１  外部記憶装置
【図１】
2010003217.tif 000003
【図５】
2010003217.tif 000004
【図８】
2010003217.tif 000005
【図２】
2010003217.tif 000006
【図３】
2010003217.tif 000007
【図４】
2010003217.tif 000008
【図６】
2010003217.tif 000009
【図７】
2010003217.tif 000010