(57)【要約】【課題】試験片に対するパンチの接触面圧が高い場合でも、熱伝達係数を精度良く測定する。【解決手段】本発明の熱伝達係数を同定する方法は、試験片Ｗの上に表面を覆う物質８を設置し、試験片Ｗを物質とともに所定温度まで加熱し、試験片Ｗおよび物質を、側方型６を含む下金型４に加熱直後に設置し、内部に熱電対１２ａ〜１２ｃが設けられたパンチ９を物質を介して試験片Ｗに所定面圧になるまで押しつけ、パンチ９を押しつける工程の前後にパンチ９の各部位の温度変化を熱電対により測定し、少なくとも金型２、試験片Ｗ、および物質をモデル化し、実験条件を設定する工程と、事前に熱伝達係数を所定値に設定し、モデルおよび温度変化を算出する数値シミュレーションを行い、求められた熱電対１２ａ〜１２ｃの温度と熱電対により測定された温度とを比較し、比較した結果によって熱伝達係数を設定し直し、所定の条件を満たすまで数値シミュレーションを繰り返す。【選択図】図１
2018008299.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
上金型であるパンチ及び当該パンチが挿入される下金型からなる金型と素材との間の熱伝達係数を同定する方法であって、
前記素材からなる試験片の上に前記試験片の表面を覆う物質を設置する工程と、
前記試験片を前記試験片の表面を覆う物質とともに所定温度まで加熱する工程と、
加熱された前記試験片および前記試験片の表面を覆う物質を、側方型を含む下金型に、加熱直後に設置する工程と、
内部に熱電対が設けられた前記パンチを、前記試験片の表面を覆う物質を介して前記試験片に所定面圧になるまで押しつける工程と、
前記パンチを押しつける工程の前および後において、前記パンチの各部位の温度変化を前記熱電対により測定する工程と、
数値シミュレーションのために、少なくとも前記金型、前記試験片、および前記試験片の表面を覆う物質をモデル化し、少なくとも前記所定温度および前記所定面圧を含む実験条件を設定する工程と、
事前に熱伝達係数を所定の値に設定し、前記モデルおよび前記実験条件に基づいて温度変化を算出する数値シミュレーションを行う工程と、
前記数値シミュレーションにより求められた前記熱電対の位置の温度と、前記熱電対により測定された温度とを比較する工程と、
前記比較する工程で比較した結果、前記数値シミュレーションにより求められた温度の方が前記熱電対により測定された温度より高い場合は、熱伝達係数をより低く設定し直し、前記数値シミュレーションにより求められた温度の方が前記熱電対により測定された温度より低い場合は、熱伝達係数をより高く設定し直して、前記数値シミュレーションを再度行う工程と、
前記数値シミュレーションにより求められた温度と前記熱電対により測定された温度実験結果が所定の条件を満たすようになるまで、前記数値シミュレーションを繰り返す工程と、
を有することを特徴とする素材と金型との熱伝達係数を同定する方法。
【請求項２】
前記数値シミュレーションのモデル化においては、前記熱電対を、当該熱電対の熱容量を含めてモデル化することを特徴とする請求項１に記載の素材と金型との熱伝達係数を同定する方法。
【請求項３】
前記側方型は２重構造であり、前記側方型における前記試験片と接触する内側の素材は外側の素材よりも熱伝導率の低い素材で構成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の素材と金型との熱伝達係数を同定する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、素材と金型との熱伝達係数を同定する方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
鍛造加工とは、金属を打撃・加圧することで目的の形状を得る加工方法であり、塑性加工の中でも最も代表的な加工方法である。鍛造加工は、加工時の素材の温度によって冷間鍛造、温間鍛造、熱間鍛造に区別される。
上述した３つの鍛造方法の中でも、熱間鍛造は、再結晶温度以上の温度で加工を行う方法である。熱間鍛造は、（１）金属の内部組織が密となり、内部欠陥が無くなる、（２）製品形状に沿ったメタルフローができることで材料の機械的性質を向上させる、（３）加工時の変形抵抗が小さいので低荷重で加工でき、複雑な形状の部品製造が可能となる、（４）冷間・温間鍛造に比べて自由度が高く、少量多品種の生産にも対応可能である、（５）材料ロスが少ないためコストダウンに貢献できる、等の利点を有している。したがって、熱間鍛造は、特に自動車部品等の大型かつ複雑形状の部品を生産する際に用いられ、現代では様々な工学分野に応用されている。
【０００３】
その一方で、熱間鍛造は、冷間鍛造と比較して寸法精度が低いことや表面粗さが粗いといった欠点も有している。
そこで、熱間鍛造では、新たな製品を生産する加工工程を考える際に、近年はコンピュータシミュレーションが行われることが多くなっており、コンピュータシミュレーションを行う際には温度の影響を考慮することが極めて重要となる。
【０００４】
なぜなら、コンピュータシミュレーションを行う際に必要となる材料組織、変形抵抗、熱膨張量といった多様なの因子が温度と密接な関係を持ち、さらにこれらの因子が成形後の製品の機械的性質を大きく左右するからである。
また、温度に関する物理量としては、熱伝導率、比熱、熱伝達係数などが挙げられる。熱伝導率や比熱は材料固有の物性値であり、測定が比較的容易で、これまで種々の試験方法によって測定されている。それに対し、熱伝達係数は、接触する材料の組み合わせや接触面圧、酸化膜、油滑膜、表面粗さなどによって複雑に変化するので、高精度な測定は困難で、実際に測定が行われた例も極めて少ないのが現状である。
【０００５】
特に、熱伝達係数を変化させる条件の中でも、酸化膜は、試験片（素材）が鋼の場合であれば大気中で高温加熱されるだけで、数十μｍ〜数百μｍもの厚さに達し、これが試験片とこの試験片を加工する金型との間の熱伝達係数を大きく下げる要因となっている。例えば、鋼の熱間鍛造においては、通常の場合、試験片を１０００℃以上で加工が行われるので、熱伝達係数は試験片の表面に発生した酸化膜の影響を大きく受ける。そのため、熱間鍛造の解析の精度を向上させるためには、酸化膜の厚さと熱伝達係数の関係について調べることが必要である。
例えば、非特許文献１には、中炭素鋼を用いた試験片を熱間鍛造する際に、中炭素鋼の表面に生じる酸化膜厚さとパンチ（上金型）の接触面圧および熱伝達係数の関係が調べられている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】中西広吉、野々山史男、「鍛造加工の熱−変形連成解析」、豊田中央研究所Ｒ＆Ｄレビュー、１９９５年１２月、３０巻、４号、インターネット<http://www.tytlabs.com/japanese/review/rev304pdf/304_035nakanishi.pdf>
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、非特許文献１の方法は、リング状のポンチを被加工材に接触させ，加工中のポンチ内部の温度を測定する方法である．この場合，面圧が高くすると試験片に塑性変形が起こり、パンチが試験片にめり込むことによって試験片とパンチとの接触面積が増加したり試験片の変形による発熱が起こったりして、試験片とパンチとの熱伝達係数を正確に測定できていない可能性がある。
【０００８】
本発明は、上述の問題に鑑みてなされたものであり、試験片の塑性変形を抑制しつつ、試験片に対するパンチの接触面圧が高い場合でも、熱伝達係数を精度良く測定することができ、酸化膜が熱伝達係数に及ぼす影響を正確に評価することができる素材と金型との熱伝達係数を同定する方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するため、本発明の素材と金型との熱伝達係数を同定する方法は以下の技術的手段を講じている。
即ち、本発明の素材と金型との熱伝達係数を同定する方法は、上金型であるパンチ及び当該パンチが挿入される下金型からなる金型と素材との間の熱伝達係数を同定する方法であって、前記素材からなる試験片の上に前記試験片の表面を覆う物質を設置する工程と、前記試験片を前記試験片の表面を覆う物質とともに所定温度まで加熱する工程と、加熱された前記試験片および前記試験片の表面を覆う物質を、側方型を含む下金型に、加熱直後に設置する工程と、内部に熱電対が設けられた前記パンチを、前記試験片の表面を覆う物質を介して前記試験片に所定面圧になるまで押しつける工程と、前記パンチを押しつける工程の前および後において、前記パンチの各部位の温度変化を前記熱電対により測定する工程と、数値シミュレーションのために、少なくとも前記金型、前記試験片、および前記試験片の表面を覆う物質をモデル化し、少なくとも前記所定温度および前記所定面圧を含む実験条件を設定する工程と、事前に熱伝達係数を所定の値に設定し、前記モデルおよび前記実験条件に基づいて温度変化を算出する数値シミュレーションを行う工程と、前記数値シミュレーションにより求められた前記熱電対の位置の温度と、前記熱電対により測定された温度とを比較する工程と、前記比較する工程で比較した結果、前記数値シミュレーションにより求められた温度の方が前記熱電対により測定された温度より高い場合は、熱伝達係数をより低く設定し直し、前記数値シミュレーションにより求められた温度の方が前記熱電対により測定された温度より低い場合は、熱伝達係数をより高く設定し直して、前記数値シミュレーションを再度行う工程と、前記数値シミュレーションにより求められた温度と前記熱電対により測定された温度実験結果が所定の条件を満たすようになるまで、前記数値シミュレーションを繰り返す工程と、を有することを特徴とする。
【００１０】
なお、好ましくは、前記数値シミュレーションのモデル化においては、前記熱電対を、当該熱電対の熱容量を含めてモデル化するとよい。
なお、好ましくは、前記側方型は２重構造であり、前記側方型における前記試験片と接触する内側の素材は外側の素材よりも熱伝導率の低い素材で構成されているとよい。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の素材と金型との熱伝達係数を同定する方法によれば、試験片の塑性変形を抑制しつつ、試験片に対するパンチの接触面圧が高い場合でも、熱伝達係数を精度良く測定することができ、酸化膜が熱伝達係数に及ぼす影響を正確に評価することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本実施形態の熱伝達同定方法に用いられる試験装置を模式的に示した図である。
【図２】本実施形態の熱伝達同定方法に用いられる試験装置の断面構成を示した図である。
【図３】本実施形態の試験装置の解析モデルを示した図である。
【図４】本実施形態の試験装置に設けられる熱電対の解析モデルを示した図である。
【図５】本実施形態の同定方法で得られる熱伝達係数を用いた場合に計算される温度と実測温度とを比較した結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本発明にかかる素材と金型２との熱伝達係数を同定する方法は、「素材の表面が何らかの物質で覆われた材料（例えば、酸化膜で覆われた鋼材）が、その状態で金型２に設置された時の、特定の面圧下における、素材と金型２との間の熱伝達係数」を求めることを特徴とするものである。
以下、本発明の「素材と金型２との熱伝達係数を同定する方法（以降、熱伝達同定方法という）」の実施形態を、図面に基づき詳しく説明する。
【００１４】
図１は、本実施形態の熱伝達同定方法に用いられる試験装置１を模式的に示したものである。図１に示すように、試験装置１は、装置外で加熱された試験片Ｗを、熱間状態で成形する金型２を有している。
金型２は後述する上金型３と下金型４とからなる。下金型４は、試験片Ｗが軸心を上下方向に向けた円柱状である場合、試験片Ｗの下側に配備される平板状の下型５と、試験片Ｗの側方に配備される円筒状の側方型６と、を有している。
【００１５】
この平板状の下型５の中央上面には、下方に向かって凹んだ凹部７が形成されており、試験片Ｗの下端側を凹部７に挿し込むことで、下型５の上面に試験片Ｗが起立した状態で設置可能となっている。また、側方型６は、試験片Ｗの外径よりもやや大きな内径を備えた円筒状の部材であり、下型５の周縁に沿って配備されている。つまり、下金型４は、下型５と側方型６とを組み合わせることで、上方に向かって開口する有底円筒状の収容部１０を有したものとなっており、この収容部１０に対して試験片Ｗを上方から差し込んで試験片Ｗを設置可能となっている。
【００１６】
なお、上述した側方型６においては、内外２重構造にしたり、内面に熱伝導の悪い素材を使用したりするのが好ましい。この側方型６は、実際の成形加工時には、用いられない。つまり、側方型６は、あくまで熱伝達係数測定時に素材の変形を極力抑えるために用いるものである。したがって、上述した構成を側方型６に採用するのは、熱伝達係数測定時に側方型６の与える熱的影響は極力除きたいためである。
【００１７】
上述した試験片Ｗとしては、鉄（鋼）、アルミ、チタン、ステンレスなどを使うことができる。この試験片Ｗの表面は、酸化膜などの物質で覆われている。試験片Ｗの表面を覆う物質８としては、素材を加熱した酸化スケールや薄膜・潤滑剤・ガラスなどを使用することができる。この試験片の表面を覆う物質８が酸化膜の場合は、試験片Ｗを加熱することで当該物質を形成することができる。なお、試験片Ｗを試験片の表面を覆う物質８とともに所定温度まで加熱する工程に用いる加熱炉としては、大気炉、真空炉、雰囲気制御炉などを使用することができる。
【００１８】
上述した試験装置１は、下金型４の上方に、下金型４内に設置された試験片Ｗに加工を加えるパンチ９（上金型３）を備えている。このパンチ９は、円柱状の部材であり、上述した収容部１０の内径よりもやや小さな外径に形成されており、収容部１０に差し入れ可能なサイズに形成されている。また、パンチ９は、上下方向に移動自在とされたパンチホルダー１１の下面に、下方に向かって突出した状態で取り付けられている。それゆえ、パンチホルダー１１を上下方向に移動させると、パンチホルダー１１の下面から下方に向かって突出したパンチ９の下端側が収容部１０内に出入り可能となり、収容部１０に設置された試験片Ｗを加工することが可能となる。
【００１９】
さらに、上述したパンチ９の内部には、複数の熱電対１２ａ〜１２ｃが設けられている。これらの熱電対１２ａ〜１２ｃは、パンチホルダー１１からパンチ９の内部に向かって下方に伸びる複数の熱電対取付孔１３ａ〜１３ｃに挿し込まれた状態で取り付けられている。本実施形態の場合、これらの熱電対取付孔１３ａ〜１３ｃは、いずれもパンチ９の中心から外側に向かって等しい距離となるように形成されている。なお、パンチ９には２カ所以上に熱電対を設けることが好ましい。
【００２０】
以上述べたパンチ９（上金型３）と、下金型４（下型５、側方型６）により、試験片Ｗを加工する金型２が構成されている。
さて、前述した熱電対であるが、本実施形態の熱伝達同定方法では、３本の熱電対１２ａ〜１２ｃを用いる。つまり、３本の熱電対１２ａ〜１２ｃのすべてにおいて実験結果と数値シミュレーション結果との関係が所定の条件を満たすまで繰り返すのが本実施形態の熱伝達同定方法の基本になる。
【００２１】
ただし、３本の熱電対１２ａ〜１２ｃのすべてにおいて所定の条件を満たすような熱伝達係数が求まらない場合は、熱電対１２ａ〜１２ｃに優先順位を付けて、より優先度の高い熱電対について所定の条件が満たされるように熱伝達係数を求める。本実施形態の場合だと、P1（一番素材に近い熱電対１２ａ）の優先順位が一番高く、P2（二番目に素材に近い熱電対１２ｂ）がその次に優先順位が高くなる。
【００２２】
上述した試験装置１を用いた本実施形態の熱伝達同定方法は、素材からなる試験片Ｗの上に試験片の表面を覆う物質８を設置する工程と、試験片Ｗを試験片の表面を覆う物質８とともに所定温度まで加熱する工程と、加熱された試験片Ｗおよび試験片Ｗの表面を覆う物質８を、側方型６を含む下金型４に、加熱直後に設置する工程と、を備えている。
また、本実施形態の熱伝達同定方法は、内部に熱電対が設けられたパンチ９（上金型３）を、試験片の表面を覆う物質８を介して試験片Ｗに所定面圧になるまで押しつける工程と、パンチ９を押しつける工程の前および後において、パンチ９の各部位の温度変化を熱電対により測定する工程と、数値シミュレーションのために、少なくとも金型２、試験片Ｗ、および試験片Ｗの表面を覆う物質８をモデル化し、少なくとも所定温度および所定面圧を含む実験条件を設定する工程と、事前に熱伝達係数を所定の値に設定し、モデルおよび実験条件に基づいて温度変化を算出する数値シミュレーションを行う工程と、を備えている。
【００２３】
さらに、本実施形態の熱伝達同定方法は、数値シミュレーションにより求められた熱電対の位置の温度と、熱電対により測定された温度とを比較する工程と、比較する工程で比較した結果、数値シミュレーションにより求められた温度の方が熱電対により測定された温度より高い場合は、熱伝達係数をより低く設定し直し、数値シミュレーションにより求められた温度の方が熱電対により測定された温度より低い場合は、熱伝達係数をより高く設定し直して、数値シミュレーションを再度行う工程と、数値シミュレーションにより求められた温度と熱電対により測定された温度実験結果が所定の条件を満たすようになるまで、数値シミュレーションを繰り返す工程と、を有するものとなっている。
【００２４】
なお、パンチ９を押しつけた際に所定面圧になった時点を０秒とし、０秒から１０秒間の実験のプロット点が存在する各時点ごとに、数値シミュレーションの値と実測値を使って下記の式（１）により熱伝達係数を算出する。各時点ごとに求まった熱伝達係数の平均値を設定する。
［数１］
（次に設定する熱伝達係数）
＝（現在設定している熱伝達係数）×（実測結果の温度）／（数値シミュレーション結果の温度）
上述した熱伝達同定方法によれば、試験片Ｗの塑性変形を抑制しつつ、試験片Ｗに対するパンチ９の接触面圧が高い場合でも、熱伝達係数を精度良く測定することができ、酸化膜が熱伝達係数に及ぼす影響を正確に評価することができる。
【実施例】
【００２５】
次に、実施例及び比較例を用いて、本発明の熱伝達同定方法をさらに詳しく説明する。
実施例及び比較例においては、金型２と試験片Ｗと間の熱伝達係数を調べるために、まず高温に熱した試験片Ｗに対して、パンチ９（上金型３）を所定の時間に亘って所定面圧で接触させた。そして、接触後のパンチ９内部の温度変化を熱電対で計測し、熱電対で計測された温度の時間変化として求めるようにした。
【００２６】
なお、実施例及び比較例では、試験片Ｗの加熱温度やパンチ９の接触面圧を様々に変化させて、温度曲線の変化を求めた。
実施例及び比較例に用いた試験片Ｗは、外径φ１４．０ｍｍ、高さｈ１５．０ｍｍの円柱状の金属部材であり、中炭素鋼Ｓ４５Ｃで形成されている。試験片Ｗの下面には、上方に向かってネジ穴（図示略）が形成されており、このネジ穴にφ１４．０ｍｍ、ｈ１３．０ｍｍのステンレス台１４（ＳＵＳ３０４製）がネジ止めで装着されている。このように試験片Ｗの下面をステンレス台１４で覆うのは、ステンレス台１４が無いと試験片Ｗの下面にも酸化膜が形成され、下型５に試験片Ｗが入らなくなる可能性があるからである。
【００２７】
パンチ９の材料として、熱間工具鋼として広く使用されているＳＫＤ６１を選定した。パンチ９は熱拡散ができるだけ一方向に行われるように、外径φ１５．６ｍｍ、高さｈ３０．０ｍｍの円柱状に形成した。パンチ９の上部に深さの異なる３本の熱電対取付孔１３ａ〜１３ｃ（パンチ穴）を開け、そこにシース直径φ１．６ｍｍのＫ熱電対を挿入した。パンチ穴はパンチ９の中心から４．０ｍｍの距離に描かれた円上に均等に形成されている。また、熱電対取付孔１３ａ〜１３ｃの深さはそれぞれ異なる深さとされており、熱電対取付孔１３ａ〜１３ｃは深いものから順に「Ｐ１」、「Ｐ２」、「Ｐ３」とした。
【００２８】
上述した下型５や側方型６は、高温の試験片Ｗが接触し、高面圧での圧縮時には、大きな圧力がかかる。そのため、材料に高温特性や耐熱衝撃性に優れ、かつ断熱性の高いＳｉＡｌＯＮを用いた。下型５のＳｉＡｌＯＮ部の直径はφ３０．０ｍｍとした。また、中心部には試験片Ｗの位置合わせ用にφ１４．３ｍｍ、深さ２．０ｍｍの穴（収容部１０）を開けた。また、側方型６のＳｉＡｌＯＮ部は内径φ１５．６ｍｍ、外径φ３４．０ｍｍ、高さｈ３５．０ｍｍの円筒状とした。
【００２９】
測定条件として、試験片Ｗの加熱温度とパンチ９の接触面圧を変化させた。具体的には、加熱温度を８２０℃、９３０℃、１０３０℃、１１３０℃、接触面圧を５０ＭＰａ、１００ＭＰａ、２００ＭＰａ、３００ＭＰａ、４００ＭＰａとし、計２０条件で測定を行った。
また、測定は次の手順で行っている。まず、試験片Ｗを大気炉で１０分間所定の温度で加熱した。加熱した試験片Ｗを大気炉から取り出し、４秒間かけて試験装置１の下型５の上に移動させた。次に、試験装置１の上部に固定されている側方型６を下型５に接触するまで降ろしてから、パンチ９を所定面圧で試験片Ｗに接触させた。なお、試験片Ｗの圧縮に用いる試験装置１は、島津製作所製の「サーボパルサ」である。
【００３０】
また、試験片Ｗ圧縮の際に、試験片Ｗの塑性変形が大きくならないようにするため、試験片Ｗを側方型６内で圧縮した。さらに、試験片Ｗを下型５の上に置いてからパンチ９を接触させるまでの時間を１３秒間に統一した。さらにまた、上述したサーボパルサは荷重制御とし、２００ＭＰａまでは１秒間、３００ＭＰａ以上では２秒間で所定面圧に達するように制御した。面圧が所定の圧力に達し、一定になった時を温度測定開始点とし、時間経過に伴うＰ１、Ｐ２、Ｐ３での温度変化をそれぞれ測定した。ただし、面圧が２００ＰＭａ以上となると試験片Ｗが変形し、変形した試験片Ｗが側方型６に接触することによって温度低下が早く起きたため、面圧が５０ＭＰａ、１００ＭＰａの場合には１０秒である温度採取時間を、面圧が２００ＭＰａ、３００ＭＰａ、４００ＭＰａの場合には６秒とした。実験装置の外観および断面構造は、それぞれ図１、図２に示すようなものである。
【００３１】
図５に、測定条件の一例として、加熱温度が９３０℃、面圧が５０ＭＰａのパンチ９の温度変化を示す。図５の「Ｐ１」、「Ｐ２」、「Ｐ３」は、熱電対１２ａ〜１２ｃの位置と対応する。図５からわかるように、温度曲線は「Ｐ１」、「Ｐ２」、「Ｐ３」の順で温度が高くなっており、いずれもある一定値に向かって漸近的に増加していることがわかった。
【００３２】
次に、パンチ９（素材）と試験片Ｗと間の熱伝達係数を求める方法と、実際に求められた熱伝達係数について説明する。
まず、有限要素法を用いて実験と同様の条件下における熱伝達係数の較正曲線を作成する。作成された較正曲線を、上述した方法で測定した温度曲線と比較することによって、パンチ９−試験片Ｗ間の熱伝達係数を求めることができる。
【００３３】
有限要素法の解析ソフトには、Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ  Ｆｏｍｉｎｇ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ社が開発した二次元剛塑性有限要素解析ソフトＤＥＦＯＲＭ−２Ｄを用いた。この解析ソフトは、材料特性や加工条件、温度などのパラメータをユーザーが任意に設定することができ、パラメータなどを変更した場合における金属加工時の工具や被加工材の負荷状況、変形量、および熱的挙動をシュミレーションすることが可能である。
【００３４】
図３に、上述した解析ソフトで用いる解析モデルを示す。
解析は１／２断面軸対称モデルで行い、解析では試験片Ｗ、ステンレス台１４、パンチ９、パンチホルダー１１、側方型６、下型５をモデル化した。各材料の寸法については実験と同じとした。また、熱電対１２ａ〜１２ｃは熱容量をもつため、温度の測定値に遅延が生じる。そのため、熱電対１２ａ〜１２ｃも解析モデルとして解析に含めた。熱電対１２ａ〜１２ｃのモデルを図４に示すようなものである。熱電対１２ａ〜１２ｃの熱伝導率および熱容量については、熱電対１２ａ〜１２ｃの材料であるマグネシアのものを入力した。
【００３５】
数値シミュレーションにおいて、Ｓ４５Ｃ（試験片Ｗ）、ＳＵＳ３０４（ステンレス台１４）、ＳＫＤ６１（パンチ９）の熱伝導率や熱容量などの材料データは、ＤＥＦＲＯＭのデータベースに登録されているものを用いた。また、試験片Ｗおよびステンレス台１４は剛塑性体、それ以外は剛体として扱った。
図３に示すモデルで解析を行った。試験片Ｗの初期温度は８２０℃、９３０℃、１０３０℃、１１３０℃とした。実験では、大気炉から試験片Ｗを取り出してから下型５の上に載せるまでに４秒間、下型５の上に載せてから側方型６を降ろし、パンチ９を接触させるまで１３秒間経過していて、その間に空気中や下型５からの冷却が起こり、パンチ９の接触時の試験片Ｗ温度は初期温度よりも低いと考えられる。そのため、最初の４秒間は空冷のみによる冷却、後の１３秒間は空冷および下型５との接触による冷却の解析を行った。
【００３６】
過去の測定例から、試験片Ｗ−空気問の熱伝達係数を０．１０ｋＷｍ−２Ｋ−１、試験片Ｗ−下型５間の熱伝達係数を１．０ｋＷｍ−２Ｋ−１とした。また、放射率は０．８とした。接触させる面圧は、５０ＭＰａ、１００ＭＰａ、２００ＭＰａ、３００ＭＰａ、４００ＭＰａとし、実験条件に合わせて５０ＭＰａ、１００ＭＰａ、２００ＭＰａに関しては１秒間、３００ＭＰａ、４００ＭＰａに関しては２秒間で所定面圧まで到達するように設定した。
【００３７】
温度の測定位置に関して、実験ではパンチ９の中心から４．０ｍｍの距離に均等に配置された３本の深さの異なる熱電対取付孔１３ａ〜１３ｃに熱電対１２ａ〜１２ｃを挿入して測定したが、これを軸対称モデルで再現することはできない、そこで、簡単のため熱電対１２ａ〜１２ｃはパンチ９の中心部にあるものとして扱い、パンチ穴の深さを「Ｐ１」、「Ｐ２」、「Ｐ３」に対応させて、それぞれで解析を行った。つまり、１測定条件につき熱電対取付孔１３ａ〜１３ｃの位置が「Ｐ１」、「Ｐ２」、「Ｐ３」の合計３つの解析を行った。解析での温度測定点は図４中の「Ａ点」とした。温度測定値の採取時間は実験と同様にした。各種条件で試験片Ｗ一パンチ９間の熱伝達係数を変化させて３測定点での較正曲線を作成し、上述した方法で実測される熱伝達係数の実験値とフィッティングさせることで熱伝達係数を決定した。実験においては表面に酸化膜が発生するが、解析では酸化膜の熱に及ぼす影響は熱伝達係数として表すこととし、試験片Ｗとパンチ９が直接接触しているものとして熱伝達係数を求めた。
【００３８】
このようにして較正曲線を実験値にフィッティングさせ、較正曲線が実験値に最も一致した時の結果と、較正曲線が実験値に最も一致した時の熱伝達係数を図５に示す。
なお、図５は、全部で２０通りの条件が存在する測定条件のうち、加熱温度が９３０℃、面圧が５０ＭＰａの結果を代表で示したものである。また、図中の「ｈｃ」は、数値シミュレーションに用いた熱伝達係数を示している。さらに、図中の実線は解析結果を、マーカーは実験結果を示す。熱伝達係数を決定する際には、測定終了時間に近いところで最も解析の曲線と実験値が一致するときの熱伝達係数を採用した。尚、較正曲線と実験値とが「Ｐ１」、「Ｐ２」、「Ｐ３」の３点すべてで一致しない場合があり、その場合は３点のうち、いずれか２点で一致するときの熱伝達係数を採用してもよい。
【００３９】
以上述べた如く、上述した素材と金型２との熱伝達係数を同定する方法によれば、試験片Ｗの塑性変形を抑制しつつ、試験片Ｗに対するパンチ９の接触面圧が高い場合でも、熱伝達係数を精度良く測定することができ、酸化膜が熱伝達係数に及ぼす影響を正確に評価することができる。
なお、今回開示された実施形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。特に、今回開示された実施形態において、明示的に開示されていない事項、例えば、運転条件や操業条件、各種パラメータ、構成物の寸法、重量、体積などは、当業者が通常実施する範囲を逸脱するものではなく、通常の当業者であれば、容易に想定することが可能な値を採用している。
【符号の説明】
【００４０】
１  試験装置
２  金型
３  上金型
４  下金型
５  下型
６  側方型
７  凹部
８  試験片の表面を覆う物質
９  パンチ
１０  収容部
１１  パンチホルダー
１２ａ〜１２ｃ  熱電対
１３ａ〜１３ｃ  熱電対取付孔
１４  ステンレス台
Ｗ  試験片
【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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