(57)【要約】      （修正有）【課題】鍛造金型の塑性流動に起因する損傷を予測し、金型の材質、硬さの選択および金型形状の決定など、使用条件を含めて、金型の設計に役立てることができる、金型の損傷予測方法を提供する。【解決手段】式Ｄｃ＝σeq／（ＹＳ×ＳＲtotal）により計算される塑性流動境界値Ｄｃに関して、［σeqはVon Miseseの相当応力、ＹＳは動的圧縮降伏強度、ＳＲtotalは軟化率。ＳＲtotalは、式ＳＲtotal＝ＳＲtemp×α  で与えられ、ＳＲtempは、式ＳＲtemp＝１−exp｛−Ｃ１（ｔ／ｔ0.2）ｎ｝  である。ただし、ｔ(sec)＝Ｃ２×exp（Ｑ／ＲＴ）：Ｑは活性化エネルギー、Ｃ１およびＣ２は定数。Ｒ＝８．３１、α＝Ｄ×σeq／ＹＳinit  ＹＳinitは初期動的降伏強度であり、Ｄ＝１．９］。材料ごとの具体的なデータをとり、Ｄｃの値が１．０に達すると塑性変形または塑性流動が始まることを条件として金型の損傷を予測する。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属の塑性加工を行なう金型の寿命を左右する、塑性流動による損傷を予測して、金型の材質、硬さの選択および金型形状の決定を含む金型設計に役立てるための方法であって、下式により計算される塑性流動境界値Ｄｃ
Ｄｃ＝σeq／（ＹＳ×ＳＲtotal）
［σeqはVon Miseseの相当応力、ＹＳは動的圧縮降伏強度、ＳＲtotalは軟化率。
ＳＲtotalは、式  ＳＲtotal＝ＳＲtemp×α  で与えられ、
ＳＲtempは、式  ＳＲtemp＝１−exp｛−Ｃ１（ｔ／ｔ0.2）ｎ｝
ただし、ｔ(sec)＝Ｃ２×exp（Ｑ／ＲＴ）
Ｃ１およびＣ２は定数、Ｑは活性化エネルギー、Ｒ＝８．３１であり、α＝Ｄ×σeq／ＹＳinitである。ＹＳinitは初期動的降伏強度であり、Ｄ＝１．９である。］
に関して、材料ごとの具体的なデータをとり、Ｄｃの値が１．０に達すると塑性変形または塑性流動が始まることを条件として金型の損傷を予測する方法。
【請求項２】
熱間ダイス鋼ＳＫＤ６１またはマトリクスハイス鋼ＭＨ８５を材料とする金型に対して適用する請求項１の金型の損傷を予測する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属の塑性加工を行なう金型、代表的には鍛造金型に関して、金型の寿命を左右する、塑性流動に起因する損傷を予測し、その結果を利用して、金型の材質、硬さの選択および金型形状の決定を含む金型設計に役立て、寿命を長くする対策を樹立するための方法に関する。塑性流動とは、金型の表層において塑性変形が進む、金型の「ダレ」と呼ばれる現象である。
【背景技術】
【０００２】
鍛造金型を設計し、使用するに当たってその損傷を予測して、より長寿命な金型を製作するために利用する損傷予測方法が、種々考案され、利用されている。予測の手法としては、有限要素解析法を用いて工具の温度および応力分布を求めておき、それらの値を、低サイクル疲労寿命や摩耗量を予測する構成方程式に代入して算出する、というものが一般的である。たとえば、鍛造金型特有の条件を取り入れた摩耗モデルに従って金型の摩耗量を予測し、その結果にもとづいて寿命を予測する技術が開示されている（特許文献１）。
【特許文献１】特開２００２−３２１０３２
【０００３】
鍛造金型が使用により損傷する主な要因のひとつに、金型の塑性流動ないし軟化流動があるが、従来の金型損傷予測技術は、その対象が、室温における低サイクル疲労寿命、温間におけるヒートチェック、熱間鍛造における摩耗量に限られていて、塑性流動の問題には正面から取り組んでいなかった。鍛造においては、金型が受ける急激な加熱や冷却による激しい温度変化が、損傷をもたらす原因としてより重要であって、金型材料が徐々に軟化するという現象に対応したモデルが必要である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明の目的は、鍛造金型の損傷をもたらす金型の塑性流動の状況を予測し、その結果を利用することにより、よりよい金型の設計を可能にする、金型の損傷を予測する方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記の目的を達成する本発明の方法は、金属の塑性加工を行なう金型の寿命を左右する、塑性流動による損傷を予測して、金型の材質、硬さの選択および金型形状の決定を含む金型設計に役立てるための方法であって、下式により計算される塑性流動境界値Ｄｃ
Ｄｃ＝σeq／（ＹＳ×ＳＲtotal）
［σeqはVon Miseseの相当応力、ＹＳは動的圧縮降伏強度、ＳＲtotalは軟化率。
ＳＲtotalは、式  ＳＲtotal＝ＳＲtemp×α  で与えられ、
ＳＲtempは、式  ＳＲtemp＝１−exp｛−Ｃ１（ｔ／ｔ0.2）ｎ｝
ただし、ｔ(sec)＝Ｃ２×exp（Ｑ／ＲＴ）
Ｃ１およびＣ２は定数、Ｑは活性化エネルギー、Ｒ＝８．３１であり、α＝Ｄ×σeq／ＹＳinitである。ＹＳinitは初期動的降伏強度であり、Ｄ＝１．９である。］
に関して、材料ごとの具体的なデータをとり、Ｄｃの値が１．０に達すると塑性変形または塑性流動が始まることを条件として金型の損傷を予測する方法である。
【発明の効果】
【０００６】
本発明の方法により金型の損傷を予測すれば、重要な因子であるにもかかわらず従来の予測法では取り組んでいなかった塑性流動による損傷に関してより正確に予測ができ、したがって、より効果的にその対策を立てることが可能になる。当業者は、後記する実施例を参考に、それぞれの鋼材についてデータベースを構築することにより、金型寿命を予測することが可能になるから、その結果に基づき、使用条件を含めた、最適の金型設計を行なうことができる。金型が長い寿命を享受することができれば、金型自体のコストが節減できるだけでなく、金型交換の時間・手数を減らすことをも通じて、鍛造部品などの加工製品のコスト低下にも寄与することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
熱間工具鋼ＳＫＤ６１（ＪＩＳに定める鋼種）を素材とし、熱処理して硬さＨＲＣ４９に調質したものと、焼きなまして完全に軟化させたものとについて、常温から８００℃または７００℃に至る温度において圧縮降伏強度ＹＳを測定して、図１に示すデータを得た。圧縮降伏強度（ＭＰａ）を、調質材（軟化率０％）はＹＳinti、軟化材（軟化率１００％）はＹＳlowとするとき、温度Ｔとの間の関係は、次のとおりであることがわかった。
ＹＳinti＝−３×１０−６Ｔ３＋０．００３１Ｔ２−１．９４５８Ｔ＋１９２９．７
（Ｔ＜６００℃）
ＹＳinti＝９９２６×exp（−０．００７７Ｔ）
（Ｔ≧６００℃）
ＹＳlow＝−０．０００８Ｔ２＋０．０６３１２Ｔ＋７４７．２５．２
【０００８】
硬さがＨＲＣ４９であるＳＫＤ６１鋼の軟化の挙動を調べるため、６２４ＭＰａの負荷（圧縮応力）を加えた状態で６００℃に１〜４時間保持し、１時間ごとに硬さを測定して、無負荷の場合と比較した。そのデータを図２に示す。高温で負荷をかける装置は、図３にその構造を示すとおりのものである。軟化率ＳＲは、下記のように表すことができる。
ＳＲ４＝ＳＲ０４＋Ｃ×ｔ×exp（−Ｑ／ＲＴ）
［Ｑ：活性化エネルギー、ＲＴ：気体定数］
軟化を考慮に入れた高温降伏強度ＹＳ（ＭＰａ）は、つぎの式のとおりとなる。
ＹＳ＝（１−１００・ＳＲ）・（ＹＳinti−ＹＳlow）＋ＹＳlow
このＹＳは、温度依存性をもった動的圧縮降伏強度である。
【０００９】
硬さをＨＲＣ５８．７に調質したマトリクスハイスＭＨ８５鋼（前記）を対象に、ＳＫＤ６１鋼に関して上記したところと同様にして、常温から８００℃または７００℃に至る温度において、圧縮降伏強度ＹＳを測定した。そのデータから得た、圧縮降伏強度と温度Ｔとの間の関係は、次のとおりである。
ＹＳinti＝−５×１０−６Ｔ３＋０．００４７Ｔ２−１．５５７４Ｔ＋２５１０．７
（Ｔ＜６００℃）
ＹＳinti＝９４１１２０２×exp（−０．０１０５Ｔ）
（Ｔ≧６００℃）
ＹＳlow＝−０．０００６Ｔ２＋０．０５４２Ｔ＋１０４９．２
【００１０】
マトリクスハイスＭＨ８５鋼の軟化の挙動を調べるため、ＳＫＤ６１鋼の場合と同様に、６２４ＭＰａの負荷を加えた状態で６００℃に１〜４時間保持し、１時間ごとに硬さを測定した。そのデータに基づき、軟化率を算出した。増分化モデルに対応するため、軟化率を保持時間に対しプロットした。得られたグラフを、図４に示す。
【実施例】
【００１１】
上記したところに基づき、下記の式により計算される塑性流動境界値Ｄｃ
Ｄｃ＝σeq／（ＹＳ×ＳＲtotal）
［σeqはVon Miseseの相当応力、ＹＳは動的圧縮降伏強度、ＳＲtotalは軟化率。
ＳＲtotalは、式  ＳＲtotal＝ＳＲtemp×α  で与えられ、
ＳＲtempは、式  ＳＲtemp＝１−exp｛−０．０００００１（ｔ／ｔ0.2）ｎ｝
ただし、ｔ(sec)＝Ｃ×exp（Ｑ／ＲＴ）
Ｑは活性化エネルギーであって、Ｑ＝１４８７９（温度６７５Ｋ未満のとき）またはＱ＝１３１５（温度６７５Ｋ以上のとき）の値をとり、
Ｃ＝６．５５×１０-11、Ｒ＝８．３１であり、α＝Ｄ×σeq／ＹＳinitである。ＹＳinitは初期動的降伏強度であり、Ｄ＝１．９である。］
に関して、材料ごとの具体的なデータをとり、Ｄｃの値が１．０に達すると塑性変形または塑性流動が始まることを条件として金型の損傷を予測する。
【００１２】
以下、実際の鍛造装置を使用して、本発明の損傷予測方法を評価した結果を述べる。ＭＨ８５鋼を材料として、図５に示す形状の鍛造パンチを用意し、横型パーツフォーマーに取り付けて鍛造を行ない、パンチ摩耗試験を実施した。鍛造は、図５に示したように、第一工程で据え込み、第二工程で後方押出しを行なう二工程鍛造であり、第二工程におけるパンチの損傷状態を観察することにより、損傷の形態と度合いを知ることができる。
【００１３】
前掲のデータを利用して、鍛造温度を７００℃とした場合と、８２０℃にした場合とについて、損傷予測のための下記のコンピュータ・シミュレーションを行なって、それぞれカッコ内に記した番号の図に示すＣＧを得た。
軟化率［図６］
塑性流動クライテリアＤｃ値（従来の、軟化挙動を考慮しない技術の場合）［図７］
塑性流動クライテリアＤｃ値（本発明による軟化挙動を考慮した場合）［図８］
降伏強度分布（従来の、軟化挙動を考慮しない技術の場合）［図９］
降伏強度分布（本発明による軟化挙動を考慮した場合）［図１０］
【００１４】
５０００ショットの鍛造を行ない、その間、１０００ショットごとに、図５の下段に示したパンチの各部位のうち、「テーパー部」および「Ｒ部」における摩耗量を測定し、５０００ショット後の硬さ分布を、テーパー部、Ｒ部および「先端部」について測定した。それらの結果は、図１１（摩耗量の推移）および図１２（硬さ分布）に示すとおりである。結論として、図７〜１０に示したＣＧと、図１１および１２に示した実際のパンチ摩耗の状況を対比すると、本発明にしたがって鍛造金型材料の軟化挙動を考慮に入れた場合に、損傷の予測がより正確に行えることがわかる。
【産業上の利用可能性】
【００１５】
本発明の金型の損傷を予測する方法は、鍛造金型を代表とする金型に対して最もよくその意義を発揮するが、高温と高い応力とが加わる点では類似の環境におかれるダイカスト金型などに関しても、本発明は適用可能である。金型の損傷の予測に当たっては、金型材料がもつべき特性もまた明らかになり、材料の開発に関する指針もそこから得られる点で、本発明は合金の技術の発達に対しても寄与する。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】熱間工具鋼ＭＨ８５の調質材と軟化材の動的圧縮降伏強度を、温度の変化にしたがって測定したグラフ。
【図２】ＳＫＤ６１を加熱して負荷をかけた状態で保持したときの、時間の経過に伴う硬さの変化を測定したグラフ。
【図３】図２のデータを得るために使用した装置の説明図。
【図４】ＭＨ８５を対象とする、図２に対応するグラフであって、増分モデルに対応して加熱保持時間の経過に伴う軟化率をプロットしたもの。
【図５】本発明の実施例において行なった鍛造試験の工程と、使用した鍛造パンチの形状を説明する概念図。
【図６】本発明の実施例のデータであって、軟化率についてコンピュータ・シミュレーションで得たＣＧ。
【図７】本発明の実施例のデータであって、塑性流動クライテリアＤｃ値について、従来技術にもとづき軟化挙動を考慮に入れないで、コンピュータ・シミュレーションを行なって得たＣＧ。
【図８】本発明の実施例のデータであって、塑性流動クライテリアＤｃ値について、本発明にしたがって軟化挙動を考慮に入れて、コンピュータ・シミュレーションを行なって得たＣＧ。
【図９】本発明の実施例のデータであって、降伏強度分布について、従来技術にもとづき、軟化挙動を考慮に入れないで、コンピュータ・シミュレーションを行なって得たＣＧ。
【図１０】本発明の実施例のデータであって、降伏強度分布について、本発明にしたがって軟化挙動を考慮に入れて、コンピュータ・シミュレーションを行なって得たＣＧ。
【図１１】本発明の鍛造試験に使用した鍛造パンチの、ショット数の増大に伴うパンチの摩耗量の推移を示すグラフ。
【図１２】本発明の鍛造試験後に使用した鍛造パンチの、試験後のパンチの硬さの分布を示すグラフ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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