(57)【要約】【課題】実際の冷間鍛造金型における疲労，摩耗等の損傷評価を、従来に増して適正に行うことのできる冷間鍛造金型の損傷評価方法を提供する。【解決手段】柱状の被鍛材１８を保持する損傷評価用のダイス５３と、底付きの凹部を形成するリング状の壁部４０を有する損傷評価用のパンチ３６とを用い、パンチ３６の先端面にて被鍛材１８の外周部を軸方向に圧縮変形させて環状の鍔５６を形成する鍛造加工を行う。その際疲労評価部である壁部４０の付根部位４２に加わる応力負荷量を異ならせた、形状違いの複数種類のパンチをそれぞれ用いて鍛造加工を繰り返し行う疲労試験を実行して、応力負荷量と付根部位４２の疲労寿命との関係を求め、実際の冷間鍛造金型の疲労による損傷を予測し、評価する。【選択図】        図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
(Ａ)柱状の被鍛材を、軸方向の一端側を外部に露出させる状態に保持する損傷評価用のダイスと、(Ｂ)内側に底付きの凹部を形成するリング状の壁部を有する損傷評価用のパンチとを用い、該凹部に前記被鍛材の中心側の部分を挿入させながら、該パンチの先端面にて該被鍛材の外周部を軸方向に圧縮変形させて、径方向外方に張り出した環状の鍔を形成する鍛造加工を行うようにし、
疲労亀裂の発生促進個所である前記リング状の壁部の内周側の付根部位に加わる応力負荷量を異ならせた、形状違いの複数種類の前記パンチをそれぞれ用いて前記鍛造加工を繰り返し行う疲労試験を実行して、該応力負荷量と該付根部位の疲労寿命との関係を求め、
また摩耗促進個所である、前記壁部の内周側の先端部から該壁部の先端面にかけての移行部における摩擦仕事量を異ならせた、形状違いの複数種類の前記パンチをそれぞれ用いて前記鍛造加工を繰返し行う摩耗試験を実行して、該摩擦仕事量と該移行部の摩耗量との関係を求め、
前記応力負荷量と疲労寿命との関係、及び前記摩擦仕事量と摩耗量との関係から、実際の冷間鍛造金型の疲労，摩耗による損傷を予測し、評価することを特徴とする冷間鍛造金型の損傷評価方法。
【請求項２】
請求項１において、前記疲労試験では、前記壁部を非拘束状態で前記鍛造加工を行い、前記摩耗試験では、該壁部を外周側からパンチケースで包み込んで該壁部の変形を拘束した状態で該鍛造加工を行うことを特徴とする冷間鍛造金型の損傷評価方法。
【請求項３】
請求項１，２の何れかにおいて、前記疲労試験で用いる形状違いの複数種類の前記パンチが、前記壁部の付根部位のＲ径を変化させることで前記応力負荷量を異ならせたものであることを特徴とする冷間鍛造金型の損傷評価方法。
【請求項４】
請求項１〜３の何れかにおいて、前記摩耗試験における前記形状違いの複数種類の前記パンチが、前記移行部のＲ径を変化させることで前記摩擦仕事量を異ならせたものであることを特徴とする冷間鍛造金型の損傷評価方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は冷間鍛造金型の損傷評価方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
室温で、変形抵抗の大きな金属材料（被鍛材）を鍛造加工する冷間鍛造では、金型は苛酷な条件で使用され、摩耗が激しいとか、割れを生じる等の損傷を生じる問題がある。
一般に冷間鍛造では金型としてパンチとダイスを用いて押出加工や据込加工，穴開け加工，打抜き加工，頭部成形加工等の各種の加工を行う。
【０００３】
その際に変形抵抗の大きな被鍛材にパンチを押し込んで加工するために、パンチ等の金型には局部的に大きな応力が負荷として加わり、そしてその繰返しにより金型に微細な亀裂が生じ、更に亀裂進行して遂には割れを生じ、疲労寿命に到ってしまう。
或いは、金型において被鍛材に直接接触して被鍛材を局部的に強く押圧し変形させる部分、詳しくは被鍛材を金型表面に沿って大きく摺動（滑り）させる部分では、その摺動により摩耗が生じ易く、その摩耗が過度に進行すれば摩耗寿命に到ってしまう。
以下この点をボルトの成形加工を例に取って説明する。
【０００４】
図２０（Ａ）は、フランジ付きボルトの頭部を鍛造加工する場合の例で、図中２００はパンチ，２０２はダイスである。
パンチ２００は凹部２０４と、これを内側に形成するリング状の壁部２０６とを備えている。即ちパンチ２００はリング状パンチとして構成してある。
ここでは前加工で成形された被鍛材２０８をダイス２０２にて保持し、そしてパンチ２００のリング状の壁部２０６を、前成形された頭部２１０ａに押し込んでフランジ出しを行い、フランジ２１４付きの頭部２１０を成形する。
【０００５】
図２０（Ｂ）は、６角穴付きボルトの頭部を鍛造加工する場合の例で、ここでは前加工にて成形された被鍛材２０８をダイス２０２にて保持し、そして頭部２１０ａにパンチ２１６の先端側の断面６角形状の軸状部を押し込むことによって、６角穴２１８付きの頭部２１０を成形する。
通常これらの加工はボルトフォーマーやパーツフォーマーを用いて次々と連続して行って行く。
【０００６】
図２０（Ａ）の例では、パンチ２００を押し込んだときに、リング状の壁部２０６に対してこれを外方向に開こうとする力、即ち外方向の曲げの力が働き、壁部２０６の内周側の付根部位２１５に局部的に大きな引張りの応力が加わる（負荷される）。
この引張りの応力は鍛造加工を繰り返すごとに加わり、そして繰返し加わる引張りの応力負荷によって遂には付根部位２１５に亀裂が発生し、更に亀裂進行して割れに到ってしまう。即ち疲労寿命に達してしまう。
【０００７】
またパンチ２００における壁部２０６の内周側の先端部から壁部２０６の軸方向の端面（先端面）にかけての移行部２２０は、被鍛材２０８に直接接してこれを局部的に強く押圧し変形させる部分であるため、この移行部２２０に対して被鍛材２０８の肉が大きく摺動移動する。このためパンチ２００はこの移行部２２０において摩耗を生じ易く、鍛造の繰返しによる摩耗の進行によって遂には摩耗寿命に到ってしまう。
【０００８】
一方図２０（Ｂ）の例では、パンチ２１６の外周側の先端部から軸方向の端面（先端面）にかけての移行部２２２において局部的に摩耗を生じ易く、その摩耗が過大になれば摩耗寿命に到ってしまう。
またパンチ２１６は棒状の部材であるが、押込みの力により曲りを生じ、そして曲りの部分で引張りの応力が発生して、その応力の繰返しにより疲労寿命に到ってしまうことがある。
【０００９】
以上は一例であって、冷間鍛造金型にあっては局部的に引張りの応力が加わることで亀裂を生じ易い部位や、被鍛材の肉が大きく摩擦摺動することによって摩耗を生じ易い部位を有している。
【００１０】
冷間鍛造金型において、疲労寿命，摩耗寿命はもちろん永いものであることが望ましいが、従来、冷間鍛造金型において疲労や摩耗に関し実際に起きている現象は十分に解明されておらず、そのため寿命予測をしたくても、それが出来ていないのが実情であった。
従って金型に割れや異状摩耗等が生じないようにするためにどのように対策をすれば良いか、適正な答えを見出すことが困難な状況にあった。
【００１１】
従来、金型の損傷を評価する技術も提案されているが、従来提案されている方法は金型の材料に関する回転曲げ疲労試験等の機械的な試験であり、このような評価手法では、実使用場面で冷間鍛造金型に生じ得る損傷を十分に予測し、評価することはできない。
そこで実際の冷間鍛造条件を模擬した評価手法の開発が望まれていた。
【００１２】
尚本発明に対する先行技術として、下記特許文献１には「鍛造用潤滑剤および金型材の評価方法、およびその評価装置」についての発明が示され、そこにおいて長尺の角柱状ワークをワーク送り出し装置(10a)(10b)で送り出し、潤滑剤が塗布されたパンチ(3)をワーク(1)に対して連続的に押し込み、引抜きを行い、所定ショット数の加工の後に、パンチ(3)の損傷状態を調査することで金型材の評価を行う点が開示されている。
しかしながらこの特許文献１に開示のものは、金型を構成する材料の評価を行うもので、金型そのものの損傷評価を行うものでなく、この点で本発明とは異なっている。
【００１３】
また下記特許文献２には「塑性加工用潤滑剤の評価方法」についての発明が示され、そこにおいてパンチ(8)の先端形状を前方に絞り込まれた形状(8a)とし、このパンチ(8)の押込量を変化させることで、材料(3)表面の潤滑剤(10)の表面積拡大比を変化させ、このときの成形荷重を測定することで、潤滑剤の膜切れが発生しているか否か等の潤滑剤の潤滑性能を評価する点が開示されている。
しかしながらこの特許文献２に開示のものも材料の評価、詳しくは潤滑剤の潤滑性能の評価に関するもので、この点で本発明とは異なっている。
【００１４】
また下記特許文献３には「可塑性材料の熱間加工割れ強度試験方法および熱間加工割れ予測方法」についての発明が示され、そこにおいて金属等の可塑性材料を成形加工する際に生じる加工割れに対し、材料の強度を測定する際に、円柱形状の試験片(1)の側面に円環状の突起(2)を形成することで材料を割れ易い条件とし、延性の高い材料の耐割れ強度特性の評価を可能とする熱間加工割れ予測方法が開示されている。
しかしながらこの特許文献３に開示のものもまた、材料自体の強度の評価に関するものであり、本発明と異なる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１５】
【特許文献１】特開２００８−１３７０７６号公報
【特許文献２】特開２００４−１２２９６号公報
【特許文献３】特開平９−２４８６４７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
本発明は以上のような事情を背景とし、実際の冷間鍛造金型における疲労，摩耗等の損傷評価を、従来に増して適正に行うことのできる冷間鍛造金型の損傷評価方法を提供することを目的としてなされたものである。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
而して請求項１のものは、(Ａ)柱状の被鍛材を、軸方向の一端側を外部に露出させる状態に保持する損傷評価用のダイスと、(Ｂ)内側に底付きの凹部を形成するリング状の壁部を有する損傷評価用のパンチとを用い、該凹部に前記被鍛材の中心側の部分を挿入させながら、該パンチの先端面にて該被鍛材の外周部を軸方向に圧縮変形させて、径方向外方に張り出した環状の鍔を形成する鍛造加工を行うようにし、疲労亀裂の発生促進個所である前記リング状の壁部の内周側の付根部位に加わる応力負荷量を異ならせた、形状違いの複数種類の前記パンチをそれぞれ用いて前記鍛造加工を繰り返し行う疲労試験を実行して、該応力負荷量と該付根部位の疲労寿命との関係を求め、また摩耗促進個所である、前記壁部の内周側の先端部から該壁部の先端面にかけての移行部における摩擦仕事量を異ならせた、形状違いの複数種類の前記パンチをそれぞれ用いて前記鍛造加工を繰返し行う摩耗試験を実行して、該摩擦仕事量と該移行部の摩耗量との関係を求め、前記応力負荷量と疲労寿命との関係、及び前記摩擦仕事量と摩耗量との関係から、実際の冷間鍛造金型の疲労，摩耗による損傷を予測し、評価することを特徴とする。
【００１８】
請求項２のものは、請求項１において、前記疲労試験では、前記壁部を非拘束状態で前記鍛造加工を行い、前記摩耗試験では、該壁部を外周側からパンチケースで包み込んで該壁部の変形を拘束した状態で該鍛造加工を行うことを特徴とする。
【００１９】
請求項３のものは、請求項１，２の何れかにおいて、前記疲労試験で用いる形状違いの複数種類の前記パンチが、前記壁部の付根部位のＲ径を変化させることで前記応力負荷量を異ならせたものであることを特徴とする。
【００２０】
請求項４のものは、請求項１〜３の何れかにおいて、前記摩耗試験における前記形状違いの複数種類の前記パンチが、前記移行部のＲ径を変化させることで前記摩擦仕事量を異ならせたものであることを特徴とする。
【発明の作用・効果】
【００２１】
以上のように本発明では、実際の冷間鍛造金型の損傷を評価するための模擬試験用の損傷評価用のダイス及びパンチを用いて冷間鍛造加工を行い、その際に疲労亀裂の発生促進個所であるリング状の壁部の内周側の付根部位に加わる応力負荷量を異ならせた、形状違いの複数種類のパンチをそれぞれ用いて鍛造加工を繰返し行う疲労試験を実行し、応力負荷量と付根部位の疲労寿命との関係を求める。
【００２２】
また摩耗促進個所である、上記壁部の内周側の先端部から壁部の先端面にかけての移行部における摩擦仕事量（摩擦仕事量の内容については後述する）を異ならせた、形状違いの複数種類のパンチをそれぞれ用いて鍛造加工を繰返し行う摩耗試験を実行し、摩擦仕事量と移行部の摩耗量との関係を求める。
【００２３】
前述したように実際の冷間鍛造金型では、局部的に大きな応力、詳しくは引張りの応力が加わる部分で亀裂を発生させ、疲労寿命に到り易い。
また被鍛材を局部的に強く押圧して変形させる部分、詳しくは被鍛材の肉を金型表面に対し大きく摺動移動させる部分で摩耗を生じ易く、摩耗寿命に到り易い。
【００２４】
しかしながら実際の冷間鍛造金型において、疲労や摩耗の生じる個所の形状や加工面，被鍛材との間の摩擦係数，被鍛材に対する加工量や被鍛材から加わる圧力等は様々であり、しかも疲労や摩耗はそれら要因が複雑に関与して生じる。
【００２５】
また実際に使用する冷間鍛造金型は、できるだけ疲労や摩耗を生じないように過大な負荷ができるだけ加わらないように構成してあるため、実際の冷間鍛造金型においてたまたま生じた疲労や摩耗等の損傷から、どのようにすれば損傷を回避できるかといった知見を得ることは難しい。
【００２６】
ここにおいて本発明では、実際の冷間鍛造金型の損傷評価用のダイスとポンチとを用い、そして形状違いの複数種類のパンチを用いることで、疲労促進個所であるリング状壁部の内周側の付根部位に加わる応力負荷量を異ならせ、鍛造加工を繰返し行って応力負荷量と疲労寿命との関係を求める。
また摩耗促進個所としての上記の移行部における摩擦仕事量を異ならせて、摩擦仕事量と摩耗量との関係を求める。
【００２７】
一方実際の冷間鍛造金型において、疲労や摩耗を生じ易いと思われる個所の応力負荷量や摩擦仕事量は数値解析による計算によって求めることが可能であり、そこで実際の冷間鍛造金型の応力負荷量と、予め上記の疲労試験で求めた応力負荷量と疲労寿命との関係から、実際の冷間鍛造金型における特定個所の疲労寿命を予測し、評価することが可能となる。
【００２８】
また同様に、実際の冷間鍛造金型において摩耗を生じ易いと思われる個所の摩擦仕事量も数値解析による計算によって求めることが可能であり、そこでその求めた摩擦仕事量と、予め上記の摩耗試験により求めてある摩擦仕事量と摩耗量との関係から、実際の冷間鍛造金型における摩耗寿命を予測し、評価することが可能となる。
【００２９】
本発明では、上記疲労試験において、リング状の壁部を非拘束状態で鍛造加工を行うことができる（請求項２）。
このようにすれば、壁部の変形によって、その内周側付根部位に加わる応力負荷量を大となし得て、その付根部位での疲労を加速することができる。
【００３０】
一方摩耗試験では、その壁部を外周側からパンチケースで包み込んで、壁部の変形を拘束した状態で鍛造加工を行うことができる。
摩耗試験に際して、壁部を非拘束状態として自由な変形を許容すると、摩耗促進個所である上記の移行部が摩耗寿命に到る前に壁部が疲労破断してしまう恐れがある。
また壁部が変形し移動することによって、移行部での摩耗条件が緩和されてしまい、摩耗促進を効果的に行うことが難しくなる。
尚、摩耗試験に際して壁部の変形，移動を抑制する手段としては、壁部の肉厚を厚くする等他の手段も考えられるが、上記のように壁部を外周側からパンチケースで包み込む手段が簡便で好適である。
【００３１】
本発明ではまた、上記壁部の付根部位のＲ径（付根部位を断面円弧形状としたときの曲率半径）を変化させることで、その付根部位に加わる応力負荷量を異ならせるようになすことができる（請求項３）。
このようにすることで、容易に応力負荷量の異なった複数種類のパンチを得ることができる。
【００３２】
また同様に、摩耗試験において上記移行部のＲ径を変化させることで、摩擦仕事量の異なった複数種類のパンチを容易に得ることができる（請求項４）。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】パーツフォーマーでの鍛造加工を工程順に示した図である。
【図２】図１の第1工程の鍛造加工の内容を示した説明図である。
【図３】図１の第４工程の鍛造加工の内容を示した説明図である。
【図４】（Ａ）疲労試験用パンチの断面図である。（Ｂ）摩耗試験用パンチの断面図である。
【図５】図１の第４工程の鍛造加工時の被鍛材の変形の様子を模式的に示した図である。
【図６】疲労試験の際のパンチの亀裂発生の様子を模式的に示した図である。
【図７】疲労試験に用いた形状違いの各パンチの部分断面図である。
【図８】パンチを構成する各種冷間工具鋼の組織写真である。
【図９】疲労試験後のパンチの外観写真である。
【図１０】図９（Ａ）のパンチの破断状況を模写した図である。
【図１１】最大主応力と疲労寿命の関係をパンチ鋼種ごとに示した図である。
【図１２】摩耗試験として行った図１の第４工程の鍛造加工の内容を示した説明図である。
【図１３】摩耗試験用パンチの部分断面図である。
【図１４】摩耗試験後のパンチ外観写真である。
【図１５】図１４とは異なる鋼種を用いた摩耗試験後のパンチ外観写真である。
【図１６】パンチ径と摩耗寿命との関係を鋼種毎に示した図である。
【図１７】パンチ先端からの部位と摩耗速度との関係を鋼種毎に示したグラフである。
【図１８】摩耗測定の方法を説明するための模式図である。
【図１９】摩耗速度と摩擦仕事量の関係を示した図である。
【図２０】実際の冷間鍛造加工の一例を示した説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００３４】
次に本発明の実施形態を以下に詳しく説明する。
［Ｉ］疲労試験
ここではパーツフォーマーを用いてコイル材を形状矯正し、更に所定寸法に切断した上で、図１に示す第１工程，第２工程，第３工程の３つの鍛造工程を実行して被鍛材１８とし、その後第４工程（鍛造工程）を実行して鍔付きの加工品２０とする。
【００３５】
図１において、１０はコイル材を形状矯正した後の棒状の被鍛材（素材）で、ここではこの被鍛材１０が次のシャー切断工程で所定長さに切断される。１２はその切断後の被鍛材を表している。
被鍛材１２は、続いて第１工程，第２工程，第３工程を経て円柱形状の被鍛材１４，被鍛材１６，被鍛材１８へと加工されて行く。
【００３６】
第１工程では、被鍛材１２が図２に示すパンチ２２とダイス２６とで軸方向に圧縮加工される。このとき被鍛材１４の一端（図中下端）の外周縁部が断面円弧形状に成形される。
即ちダイス２６側には断面円弧形状の凹曲部が設けられていて、その凹曲部により被鍛材１４の軸方向端の外周縁部が、断面凸形状の円弧形状に成形される。
【００３７】
第１工程に続く第２工程では、被鍛材１４の向きが図中上下に反転された上で、図２とは異なるパンチとダイスとにより軸方向に圧縮加工され、軸方向の両端の外周縁部がともに断面円弧形状をなす被鍛材１６に加工される。
【００３８】
これに続く第３工程では被鍛材１６の成形が行われ、被鍛材１６に対して長さ（高さ）寸法が短く、また径寸法の大きな被鍛材１８に形状が整形される。
被鍛材１８は、更に続いて第４工程で加工品２０に加工されるが、これについては後に詳しく説明する。
尚、図１には各被鍛材及び加工品の寸法が併せて示してある。図中の寸法の数値の単位はｍｍである。この点は以下も同様である。
【００３９】
図２に第１工程の鍛造加工の詳細が示してある。
図において２２はパンチ、２４はパンチケースである。
２６はダイスで、中心部にダイス孔２８を有している。ダイス２６はまた、断面円弧形状の凹曲部３０を有している。
図１の被鍛材１４の軸方向一端側の円弧形状の凸曲部は、このダイス２６の凹曲部３０にて成形される。
３２はダイホルダで、３４はノックピンである。
【００４０】
図２（Ａ）は、パンチ２２の突出し状態、即ち鍛造時の状態を表しており、また（Ｂ）は、その後においてパンチ２２を図中左方向に引き込み、また併せてノックピン３４を図中左向きに突き出した状態、即ち鍛造後の状態を表している。
鍛造加工された被鍛材１４は、ノックピン３４にてダイス２６内から外部へと突き出される。
【００４１】
図４（Ａ）は、第４工程で用いる疲労試験用のパンチ（損傷評価用のパンチ）３６の形状を示している。
図に示しているようにパンチ３６は、先端側（図中上端側）に、平面視円形の底付きの凹部３８と、凹部３８を内側に形成する円形のリング状の壁部４０とを有している。
ここで壁部４０における内周側の付根部位４２は、全周に亘り断面円弧形状の凹曲部とされている。即ち付根部位４２は凹曲のＲ形状部とされている。
ここで付根部位４２は、疲労亀裂の発生促進個所（疲労評価部位）として設けられている。
【００４２】
尚、壁部４０における内周側の先端部から軸方向の先端面（上端面）にかけての移行部もまた断面円弧形状とされている。即ち凸曲のＲ形状部とされている。
また壁部４０の内周面は、図中上方に向って連続的に拡径する傾斜面とされている。ここではその傾斜面の傾斜角度は３°とされている。
尚パンチ３６には、後述する図３のパンチ側ノックアウトピン４６挿通用の貫通の中心孔４４が設けられている。
図４（Ａ）には、パンチ３６の形状と併せて各部の寸法が併せて示してある。図に示しているように、この例においてパンチ３６の凹部３８は、開口部側の端の直径がφ１４ｍｍである。
【００４３】
図３は、図１の第４工程での加工の内容を具体的に示している。
この図において４７は第１パンチケース，４８は第２パンチケース，５０は第３パンチケースで、パンチ３６はこれらのパンチケースにより保持された状態で図３中右向きに突き出され、或いは左向きに引き込まれる。
【００４４】
４６はパンチ側のノックアウトピンで、パンチ３６の上記の中心孔４４に挿通され、通常時は先端面が上記の凹部３８の底面と同一位置に位置せしめられている。
尚、ここでは第３パンチケース５０は、パンチ３６の基端側の一部のみを取り囲んでおり、パンチ３６の壁部４０はこのパンチケース５０にて拘束されておらず、自由に外向きに変形可能である。
【００４５】
図３において、５３は図１の第４工程を実行する疲労試験用のダイス（損傷評価用ダイス）で、中心部にダイス孔５１を有している。
ダイス５３は、パンチ３６に対して軸方向に対向して配置されている。この点は図２のダイス２６においても同様である。
５２は、ダイス孔５１内に挿入されて、ダイス孔５１内の被鍛材１８の端面を受けるノックアウトピンで、５４はダイホルダである。
【００４６】
この第４工程では、図１に示す円柱形状の被鍛材１８を、軸方向の一端側を外部に露出させる状態にダイス５３にて保持させておき、そこに向けてパンチ３６を図中右方向に前進移動させて被鍛材１８に加工を加える。
このときパンチ３６は、被鍛材１８の中心側の部分を図４の凹部３８に挿入させながら、壁部４０の先端面にて被鍛材１８の外周部を軸方向に圧縮し、同外周部を変形させてその外周面から径方向外方に張り出した鍔５６を全周に亘り円環状に形成する。
【００４７】
図５に、その際の被鍛材１８の変形の様子が、被鍛材１８の肉の流れとともに模式的に示してある。
同図中矢印で示しているように、被鍛材１８は鍔５６の張出しに伴ってパンチ３６の凹部３８の内，外の肉を鍔５６の張出方向に塑性流動させる。
このとき、パンチ３６のリング状の壁部４０には径方向外向きの力が全周に亘って加わる。即ちリング状の壁部４０を径方向外側に曲げ、拡げようとする力が加わる。
その結果、リング状の壁部４０は拡開方向に弾性変形を生じ、壁部４０の内周側の付根部位４２には、その曲げの力による引張りの応力が局部的に強く加わる。
そのためパンチ３６は、図６に示しているようにこの付根部位４２において亀裂を生じ易い。
【００４８】
ここでは付根部位４２のＲ径（円弧形状部の円弧の曲率半径）をＲ0.5，Ｒ1.0，Ｒ1.5，Ｒ2.0（何れも単位はｍｍ）と異ならせることで、付根部位４２に加わる引張りの応力負荷量を異ならせた４種類の形状違いのパンチ（付根部位４２のＲ径の違いを除いて他は同形状）３６-１，３６-２，３６-３，３６-４を用意した（図７参照）。
またパンチ３６-１，３６-２，３６-３，３６-４それぞれについて、材料の異なった３種類のものを用意した。
そしてそれらパンチ３６-１，３６-２，３６-３，３６-４を用い、以下のようにして疲労試験（疲労寿命評価試験）を行った。
以下にこの疲労試験の詳細を説明する。
【００４９】
疲労試験は、図１に示す鍛造加工を、パーツフォーマーを用いて以下の試験条件で繰返し連続的に行った。
［試験条件］
鍛造機：パーツフォーマー
鍛造温度：冷間（室温）
鍛造速度：８６ｓｐｍ
ワーク（被鍛材）：Ｓ４５Ｃ（線材圧延コイルφ１５．０，ビッカース硬さ１８０〜２００ＨＶ）
パンチ材料：Ｘ１，Ｘ２，Ｘ３
付根部位Ｒ径：Ｒ0.5，Ｒ1.0，Ｒ1.5，Ｒ2.0
潤滑油：硫黄含有系鍛造油
［冷間工具鋼の組成（質量％）］
Ｘ１（ＳＫＤ１１）：1.45Ｃ-0.3Si-0.4Mn-13Cr-0.85Mo-0.3Ｖ
Ｘ２：1Ｃ-0.95Si-0.4Mn-8Cr-2Mo-0.3Ｖ
Ｘ３：0.65Ｃ-2Si-0.95Mn-6.6Cr-1.5Mo-0.1Ｖ
【００５０】
上記のように、ここではパンチ材料としてＸ１，Ｘ２，Ｘ３の３種の冷間工具鋼を用いた。ここでＸ１はＪＩＳ-ＳＫＤ１１相当材である。
各材料のうち、Ｃ，Crの含有量はＸ１がＣ：1.45％，Cr：13％で最も高く、次いでＣ：1％，Cr：8％のＸ２であり、そしてＣ：0.65％，Cr：6.6％の材料Ｘ３が最も少ない。
【００５１】
図８に各材料の組織写真（光学顕微鏡写真）が示してある。図中白く点状に表れているのが炭化物（晶出炭化物）である。
これらの図に示しているように、材料Ｘ１において炭化物が最も大きくて且つ晶出量も多く、次いで材料Ｘ２が多く、そして材料Ｘ３で粗大炭化物の晶出量は最も少ない。
【００５２】
この疲労試験では各パンチを最終的に疲労破断させている。
図９に疲労破断したパンチの外観写真を、破断時のショット数とともに示している。図中（Ａ）はパンチ全体の外観写真であり、（Ｂ）は破断個所を拡大して示した要部の外観写真である。
また図１０に、各パンチの図９（Ａ）に示した破断状況を模写した図を示している。
これらの図に示しているように、各パンチは何れも壁部４０の付根部位４２で疲労破断している。
【００５３】
この疲労試験の結果では、材料の種別で見ると、材料Ｘ１を用いたパンチが１７９ショットで最短で破断している。
次に材料Ｘ２を用いたパンチが５４３ショットで破断しており、そして材料Ｘ３を用いたパンチの場合にはショット数１１８２で疲労破断しており、疲労破断に到るまでのショット数が最も多い。
即ちこの疲労試験の結果では、１次炭化物量が少ない金型材料ほど高寿命となった。
【００５４】
従来、粗大な晶出炭化物は疲労寿命に対して悪影響を与えることが知られており、この点からすれば、晶出炭化物が最も大きくまた量も多い材料Ｘ１で最も疲労寿命が短く、次いで材料Ｘ２が、そして材料Ｘ３で最も疲労寿命が永いことが考えられる。
上記の疲労試験の結果は、このような材料的な特性を良く再現できている。
【００５５】
一方壁部４０における付根部位４２のＲ径の影響について見ると、Ｒ径が最も小さいＲ0.5の場合に最も短いショット数でパンチが疲労破断するに到っている。
【００５６】
図１１は、材料Ｘ１，Ｘ２，Ｘ３にて構成したパンチのそれぞれについて、付根部位４２のＲ径をＲ径0.5，Ｒ径1.0，Ｒ径1.5，Ｒ径2.0として疲労試験を行った結果を、縦軸に付根部位の最大主応力を、横軸に疲労寿命を取ってそれらの関係を示したものである。
ここで主応力とは、せん断成分がゼロとなるように座標系をとったときの応力で（３次元応力状態ではせん断応力がゼロとなる方向（軸）が３つ存在しており、その方向の応力が主応力となる）、最大主応力とは３つの主応力のうち最も大きいものを言う。
この最大主応力は、付根部位４２のＲ径を含むパンチ３６の形状，加工速度を含む加工条件，パンチと被鍛材との間の摩擦係数，パンチと被鍛材の応力―ひずみ曲線データとヤング率データ等の条件に基づいて計算（有限要素法）により求めることができ、そのためのソフトが市販されている。
ここではＳＦＴＣ社（米国）の有限要素法解析コード「ＤＥＦＯＲＭ−２Ｄ」を用いた。
【００５７】
図１１の結果から、最大主応力と疲労寿命とはよく相関が取れている。
即ち特定部位に生ずる疲労破断（疲労寿命）は、そこに加わる最大主応力が支配要因であることが見て取れる。
【００５８】
このことから、実際の冷間鍛造金型を用いた冷間鍛造加工において、冷間鍛造金型の形状その他から最大主応力を計算により求めることで、疲労試験の結果により得られた最大主応力と疲労寿命との関係から、実際の冷間鍛造金型における疲労寿命を予測し、評価することが可能となる。
【００５９】
［II］摩耗試験
次に摩耗試験について以下に詳細説明する。
図４（Ｂ）は、図１の第４工程で用いる摩耗試験用のパンチ（摩耗評価用のパンチ）６０を示している。
パンチ６０は、基本的な形状において疲労試験用のパンチ３６と同様であるが、高さがパンチ３６のそれよりも低く、また太さがパンチ３６よりも僅かに太い。
尚凹部３８の深さ及び径は、パンチ３６における凹部３８のそれと同様である。
【００６０】
このパンチ６０では、壁部４０における内周面の端部（図中上端部）から壁部４０の端面（図中上端面）にかけての移行部６２が摩耗促進個所となる。即ち摩耗評価部位となる。
この移行部６２は全周に亘り断面円弧形状に形成されている。即ち断面円弧形状（Ｒ形状）の凸曲面とされている。
【００６１】
図１２は、図１の第４工程での摩耗試験のための加工の内容を具体的に示している。
図１２において、ダイス５３，ノックアウトピン５２，ダイホルダ５４等については図３に示したものと同じである。
但しここでは第３パンチケース６４が、パンチ６０における凹部３８の底面よりも右方向、即ち壁部４０の先端面に寄った位置にあり、かかる第３パンチケース６４が、パンチ６０のリング状の壁部４０を外周側から全周に亘り包み込んで、壁部４０を拘束している。壁部４０はこの第３パンチケース６４による拘束によって、径方向外方への弾性変形が実質上阻止される。
【００６２】
摩耗試験のための図１の第４工程の加工の内容は、基本的に疲労試験のための第４工程での加工と同様で、パンチ６０の突出しにより被鍛材１８の外周部を軸方向に圧縮して鍔５６を形成する。
その際の図１の被鍛材１８の変形及び被鍛材１８の肉の流れは図５に示したのと基本的に同様である。
即ち被鍛材１８は、パンチ６０の押込みにより鍔５６を径方向外方へと張り出させ、その際にパンチ６０の凹部３８内，外の肉が径方向外方へと塑性流動する。
【００６３】
図１２に示す加工では、パンチ６０の壁部４０が第３パンチケース６４により外周側から拘束されているために、壁部４０の拡開方向の弾性変形が阻止されている。そのため壁部４０が付根部位で疲労破断するのが防がれている。
これと同時に壁部４０が拡開変形阻止されていることで、移行部６２に対する被鍛材１８の肉の摺動量が多くまた移行部６２に加わる圧力も増大する。
【００６４】
この摩耗試験では、移行部６２のＲ径をＲ1.0，Ｒ1.25，Ｒ1.5，Ｒ1.75，Ｒ2.0と異ならせることで、移行部６２での摩擦仕事量を異ならせた５種類の形状違いのパンチ６０-１，６０-２，６０-３，６０-４，６０-５（図１３参照）を用意した（Ｒ径の違いを除いて他の形状は同じ）。
尚摩擦仕事量の内容については後に説明する。
ここではパンチ６０の母材として上記のＸ２，Ｘ３を用いた。
更にＰＶＤ（物理的蒸着法）にてTiＮ，TiＣＮの硬質被膜を形成したものを用意した。
そしてそれらを用いて、上記の疲労試験の場合と同様の試験条件の下で摩耗試験（摩耗評価試験）を実施した。
【００６５】
先ずは、既述の市販のソフトを用いて移行部６２の面圧を計算にて求めた。また移行部６２における摩擦仕事量分布を併せて計算により求めた。
ここで面圧は円弧の法線方向の圧力である。この面圧に関してはＲ径が大きくなるほど高くなる。
摩擦仕事量とは、移行部６２に沿って被鍛材１８の肉が摺動する際の両者間の摩擦係数をｍ（ここではｍ＝０．１２５で一定），面圧をＮ，移行部６２に対する被鍛材１８の肉の摺動速度（滑り速度）をＶとしたとき、
【数１】
2014223653.tif 000003
で求まる量で、これは被鍛材の肉が移行部６２に対して擦れながら摺動（滑り）を生じたときの仕事量である。
実際の摩耗にはこの摩擦仕事量が関係するものと考えられる。
【００６６】
この計算により求まる摩擦仕事量に関しては、Ｒ径が小さいものほど大で、また円弧の端の部位、詳しくは凹部３８における底面側の端の部位で最も大きな値となる。
ここで移行部６２において、Ｒ径の小さいものほど摩擦仕事量が大きくなるのは、Ｒ径の小さいものは移行部６２において被鍛材の表面積拡大比が大となることによる。
表面積拡大比とは、加工前の材料の表面の面積と、加工によって拡大した表面の面積との比率であり、この表面積拡大比は加工による材料（被鍛材の肉）の移動量（摺動量）の大きさを表す。
【００６７】
図１４，図１５は、実際に摩耗試験を行った後の、パンチ６０における摩耗促進個所（摩耗評価部）としての移行部６２の外観写真を示している。
このうち図１４は母材としてＸ２を用いた場合の結果を、図１５は母材としてＸ３を用いた場合の結果を示している。
これらから、移行部６２のＲ径が大きくなるに従って摩耗の程度が小さくなって行くこと、一方Ｒ径の小さなもの、特にTiＮ，TiＣＮ等の硬質被膜処理していないものでは、溶着が生じてかじったような激しい摩耗が生じていることが見て取れる。
【００６８】
一方図１４においてTiＮ処理したものについては、Ｒ径1.25のものにおいて２５００ショットで僅かに摩耗の痕跡が認められるが、Ｒ径1.5以上のものにおいては３０００ショットしたものについても目立った摩耗は認められない。
またTiＣＮ処理したものにおいては、Ｒ径1.5のものにおいて１７５０ショットで若干摩耗による傷が認められるものの、Ｒ径1.75，Ｒ径2.0のものについては３０００ショット後も目立った摩耗は認められない。
図１５において、材料Ｘ３を用いたものにおいても同様の傾向が見て取れる。
【００６９】
図１６は、図１４及び図１５で写真にて示した結果を整理し、まとめて示してある。
図１６から、摩耗促進個所（摩耗評価部）である移行部６２のＲ径が大きいほど摩耗寿命が長くなることが見て取れる。
【００７０】
図１７は、材料Ｘ１，Ｘ２，Ｘ３を用いて構成したパンチのそれぞれについて、Ｒ径2.0ｍｍとした移行部６２の各部位、詳しくはパンチ先端から１ｍｍ，２ｍｍ，３ｍｍの部位の摩耗量を実際に測定して、その摩耗速度（摩耗量をショット数で割った値）を表したものである。
ここで摩耗量の測定は真円度計を用いて行った。図１８は真円度計を用いた摩耗量の測定方法を模式図として示している。
図に示しているようにここでは真円度計の先端の球状のプローブＰを、摩耗により生じた微細な波打状の凹凸をなぞるようにして移行部６２に沿って周方向に移動させることで溝深さを計測する。そして最も突出した部位と、溝深さの最も深い部位との差を摩耗量として求める。
【００７１】
図１７の結果では、深さ２ｍｍの部位での摩耗量が最も多い。即ち摩耗速度が最も速い。
この２ｍｍの部位は、円弧形状をなす移行部６２における円弧の端の部位、詳しくは凹部３８の底面側の端の部位である。
このことは、摩擦仕事量が円弧の端の部位で最も大となることと良く一致している。
この摩耗試験の結果では、晶出炭化物が大きく且つ晶出量が多い材料ほど摩耗量が少なく、摩耗速度が遅い。
従来、摩耗に関しては炭化物が大きいほど、また量が多いほど耐摩耗性が高いと認識されており、上記摩耗試験の結果は従来の知見とよく一致している。
【００７２】
図１９は、材料Ｘ２，Ｘ３（硬質皮膜なし）にて構成したパンチについての摩耗試験の結果を、縦軸に摩耗量（具体的にはここでは摩耗速度）をとって、また横軸に摩擦仕事量をとって、それらの関係を表したものである。
ここでは材料Ｘ２，Ｘ３ともに摩擦仕事量２０００までは比較的ゆるやかに摩耗速度が上昇するが、２０００より大きい摩擦仕事量では急激に上昇する現象が確認された。
更に材料Ｘ３は、低い摩擦仕事量ではＸ２より摩耗速度が遅いが、高い摩擦仕事量ではＸ２より速くなることを示している。
この結果から、摩耗量に関しては摩擦仕事量が支配要因となること、即ち摩耗量と摩擦仕事量との間には相関性があることが確認された。
従って実際の冷間鍛造金型の摩擦仕事量を計算で求めることで、摩耗試験により予め求めた摩擦仕事量と摩耗量との関係から、実際の冷間鍛造金型における摩耗量、即ち摩耗寿命を予測し、評価することが可能となる。
【００７３】
以上本発明の実施形態を詳述したがこれはあくまで一例示であり、本発明はその趣旨を逸脱しない範囲において種々変更を加えた態様で実施可能である。
【符号の説明】
【００７４】
１０，１２，１４，１６，１８  被鍛材
３６，６０  パンチ
３８  凹部
４０  壁部
４２  付根部位
５０，６４  第３パンチケース
５３  ダイス
５６  鍔
６２  移行部
【図１】
2014223653.tif 000004
【図２】
2014223653.tif 000005
【図３】
2014223653.tif 000006
【図４】
2014223653.tif 000007
【図５】
2014223653.tif 000008
【図６】
2014223653.tif 000009
【図７】
2014223653.tif 000010
【図１１】
2014223653.tif 000011
【図１２】
2014223653.tif 000012
【図１３】
2014223653.tif 000013
【図１６】
2014223653.tif 000014
【図１７】
2014223653.tif 000015
【図１８】
2014223653.tif 000016
【図１９】
2014223653.tif 000017
【図２０】
2014223653.tif 000018
【図８】
2014223653.tif 000019
【図９】
2014223653.tif 000020
【図１０】
2014223653.tif 000021
【図１４】
2014223653.tif 000022
【図１５】
2014223653.tif 000023