(57)【要約】  熱間鍛造加工品の品質確保には金型表面温度の測定による温度管理が重要である。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、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し、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し、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評価装置を提供する。
2016084209.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
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。
【請求項２】
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。
【請求項３】
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。
【請求項４】
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。
【請求項５】
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。
【請求項６】
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。
【請求項７】
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。
【請求項８】
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。
【請求項９】
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。
【請求項１０】
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。
【請求項１１】
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。
【請求項１２】
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。
【請求項１３】
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。
【請求項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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は高温に加熱した金属材料を金型を用いて成形する熱間プレス加工技術で、金型表面温度の非定常履歴を精度良く測定し、プレス加工が適切に行われているかを管理する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に関する。
【背景技術】
【０００２】
金属材料の加工において、金型を用いて材料を塑性変形させる加工方法を一般的に、プレス加工あるいは塑性加工と呼ぶ。プレス加工の中で、材料の変形抵抗が小さくなる高温の加工、例えば鉄系材料の加工であれば８００℃以上の温度で加工する方法を熱間加工と呼ぶ。プレス加工は板材を加工するものとバルク材料を加工するものの２種類に大きく分けることができ、後者を鍛造と呼ぶ。鍛造は金属に大きな変形を与えるため、金属材料の変形抵抗を減少させるために再結晶温度以上の高温に加熱して成形する熱間鍛造が、大型製品の鍛造には多く行われる。【０００３】
熱間鍛造を行う目的は成形荷重を下げることだけではない。金属材料はもともと溶湯を鋳造することから始まる。鋳造では内部に引け巣が生じたり結晶粒が粗大であるなど、そのままの状態では強度的な信頼性に劣る。これを熱間鍛造で大変形を加えることで内部の引け巣を無くすことが出来る。また鍛造による加工熱処理により結晶粒が微細化する。このことを再結晶による結晶粒の微細化と呼ぶ。微細な結晶粒は亀裂の進展を防止し材料の靭性の向上につながる。【０００４】
再結晶による微細化は大変形を加えたことにより結晶内に大量に導入された転位の弾性エネルギーを駆動力とし、転位を吸収するように新たな粒界が生じることにより行われる。粒界もエネルギーを持つため微細な結晶粒はエネルギー的に準安定な状態であり、高温で保持すると徐々に結晶粒径は成長する。
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。【０００５】
例えば、航空機用ジェットエンジンのタービンディスクに用いられるＮｉ基耐熱合金では望ましい結晶粒径の再結晶組織を得るためには１０℃程度の幅での材料温度の制御が求められる。【０００６】
本技術分野の背景技術として、特許第４５７９８２０号公報（特許文献１）がある。この公報には、「鋳型または金型に埋設された温度センサにより計測された少なくとも２点の測温データを入力する入力部と、入力された測温データから非定常伝熱逆問題解析を行うことにより前記鋳型または金型の稼働面（金型表面）における温度を演算する演算部と、演算された可動面における温度に基き前記鋳型または金型の稼動状態を判定する判定部とを有することを特徴とする鋳型または金型の稼働面の操業状態を判定する装置」が記載されている。【０００７】
また、特許第３１２９６７３号公報（特許文献２）には、「熱電対の校正を１つの炉で、１００℃〜１６００℃の温度範囲をカバーして、その温度範囲における任意の温度点での比較校正を可能とするために、白金または白金合金製の筒状体で構成した電気炉の発熱体に直接通電して炉温を制御し、熱電対のZn、Al、Ag、Au、Cu、Pdの定点をワイヤー法により校正する熱電対校正炉及び校正方法」が記載されている。【０００８】
また、非特許文献１には、「圧延加工時のロールへの伝熱現象の解明や最適な潤滑・クーラント条件の解明などのために、ロール表面に埋め込む温度センサブロックの中に１組の熱電対を取り付け、深さの異なる２箇所の温度を検出して、これらから圧延中のロール表面の温度や熱流束の変化を実際に測定する方法、及び測定システム」が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特許第４５７９８２０号公報
【特許文献２】特許第３１２９６７３号公報
【非特許文献】
【００１０】
【非特許文献１】米山猛、外４名、「圧延ロール表面の温度・熱流束測定システムの開発」、塑性と加工、日本塑性加工学会誌、1995年3月、第36巻、第410号、p.236−241
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
特許文献１に示された方式では、鋳型もしくは金型の表面温度を金型内部に埋設した温度計の信号より非定常熱伝導の逆解析により、鋳型または金型の稼働面の温度を算出する方式を採用している。また、非特許文献１においても、圧延ロールの表面に埋め込まれた温度センサから深さの異なる２箇所の温度を検出して、非定常熱伝導の逆解析により、ロール表面の温度や熱流束の変化を算出している。【００１２】
これらの方式では温度測定器の金型(ロール)表面からの深さが逆解析の精度に影響するが、温度測定器の深さの校正に関する言及はない。一般に温度が表面温度の１％となる深さδを温度浸透厚さと定義すると、δは3.6√（αｔ）で表される。ここでαは温度伝導率でｔは時間である。表面温度の変化が緩やかで長時間にわたる場合にはδは十分に深くなるが、熱間鍛造のように短時間の現象である場合には、δは１ｍｍ以下となり、温度センサは１ｍｍより狭い範囲に複数個配置する必要がある。【００１３】
この場合には逆解析の精度を確保するために、０．０１ｍｍのオーダーの精度で温度センサを配置する必要がある。よって、特許文献１、及び非特許文献１に記載された方法では、鍛造のようにごく短時間の金型表面の加熱時間では、精度よく逆解析により金型表面温度を求めることは困難である。【００１４】
また特許文献２に開示される熱電対校正炉を用いた熱電対校正方法によると、熱電対の全ての定点を夫々短時間に効率よく校正することができる。しかし、鍛造素材から金型への熱伝達状態を再現するような構成は備えていないので、本願発明が解決しようとする熱間鍛造工程における金型表面温度履歴を正確に測定するために、金型に埋め込む温度測定器の金型表面と一致させる表面部からの熱電対の深さを校正する手段には利用できない。【００１５】
本発明は、例えば熱間鍛造工程において加工される加工品の再結晶組織の結晶粒径を所望の範囲に揃えるなどの厳密な温度管理を実現するために、鍛造素材と金型との接触面である金型表面から極めて近い距離(深さ)の観測点の温度履歴を正確に測定する測温ユニット、該測温ユニットに備えられた熱電対の接合部の深さを予め校正する校正手段、鍛造金型に埋設された測温ユニットから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を算出して、鍛造品の品質管理を実行する熱間鍛造プロセス評価装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
上記課題を解決するために本発明では、熱間鍛造プロセス評価装置を、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て構成した。【００１７】
また、上記課題を解決するために本発明では、前記熱間鍛造プロセス評価装置において、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、記憶部に記録するように構成した。【００１８】
また、上記課題を解決するために本発明では、前記熱間鍛造プロセス評価装置において、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ように構成した。【００１９】
また、上記課題を解決するために本発明では、熱間鍛造プロセス評価方法において、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ようにした。
【発明の効果】
【００２０】
本発明を用いることで、熱間鍛造加工金型に挿入した測温ユニットにより、精度良く金型表面温度が測定できるようになる。これにより、金型寿命の予測精度が向上するほか、熱間鍛造加工後の加工品の表面温度履歴を精度良く測定することにより、熱間鍛造プロセスの管理及び、熱間鍛造加工品の品質管理をより高い精度で行うことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の熱間鍛造プロセス評価装置を使用した熱間鍛造プロセス評価システムの構成例を説明する図である。
【図２】測温ユニットの取り付け状態を説明する図である。
【図３】測温ユニットの拡大図である。
【図４】測温ユニット校正装置の構成を説明する断面図である。
【図５】測温ユニット校正装置の校正パンチの接触面に取り付けた表面熱電対の拡大図である。
【図６】測温ユニット校正装置の校正パンチの接触面に取り付けた表面熱電対の断面図である。
【図７】測温ユニット校正装置において、熱間鍛造と同様の熱伝達の状態を再現した場合の各熱電対の温度履歴をグラフ上に示した例である。
【図８】測温ユニット校正装置の測定結果と対比させるための低融点金属材料からの熱伝導状態を解析するための一次元熱伝導解析モデルである。
【図９】一次元熱伝導解析結果と測温ユニット熱電対の温度履歴との照合を説明するグラフである。
【図１０】航空機エンジンのタービン部品鍛造工程を説明する図である。
【図１１】型鍛造上型における測温ユニットの埋設位置を説明する図である。
【図１２】型鍛造下型における測温ユニットの埋設位置を説明する図である。
【図１３】型鍛造工程の開始時の状態を示す図である。
【図１４】型鍛造工程の終了時の状態を示す図である。
【図１５】熱間鍛造プロセス評価装置の表示部に表示される温度履歴表示画面の一例を示す図である。
【図１６】表示対象の測温ユニットの金型表面温度履歴データと、温度履歴過去データとの温度履歴比較画面の一例である。
【図１７】特徴量時系列比較表示図の一例を示す図である。
【図１８】現在のロットと、過去の実績データとのロット比較表示画面の一例である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、本発明の金型表面温度測定手段を用いた熱間鍛造加工品評価方法の具体的な実施例を図面を用いて説明する。
【実施例１】
【００２３】
図１を参照して本発明の熱間鍛造プロセス評価システムの実施形態の概要を説明する。鍛造加工が施される材料１はプレス（図示せず）のボルスター（図示せず）に取り付けられた下型２と、スライド（図示せず）に取り付けられた上型３で加工する。以降では下型２と上型３を合わせて金型４と呼ぶ。金型４の材料１に接触する面には測温ユニット５が埋め込まれている。後述するが測温ユニット５（図２参照）は金型表面２８から異なる２種類の深さで各一対の熱電対６が金属接合されている。各測温ユニット５の二対の熱電対６から発せられる電圧信号は熱電対温度変換部７に送られ、熱電対温度変換部７で電圧を温度に換算し、熱電対温度履歴データが熱間鍛造プロセス評価装置１００に送られる。 
《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。【００２４】
熱電対深さ校正処理部１１１は、金型４に測温ユニット５を埋め込む前に、測温ユニット５に接合されている熱電対６の接点が金型表面からどれだけの深さに位置するかを予め校正治具を使って測定して、測定値より熱電対深さ校正値を算出して、記憶部１２０の熱電対深さ校正値記憶領域１２１に記憶する。【００２５】
熱電対温度履歴データ記録処理部１１２は、材料１の熱間鍛造プロセスの全ての過程に亘って、金型に埋め込まれている全ての測温ユニット５の熱電対６から所定のサンプリングタイムごとに得られる熱電対温度履歴データを熱電対温度変換部７から受け取り、記憶部１２０の熱電対温度履歴データ記憶領域１２４に記録する。【００２６】
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１２４、金型表面温度算出係数１２２、および前記熱電対深さ校正値１２１を読み出して、一次元非定常熱伝導の逆問題を解いて測温ユニット５が埋め込まれている金型表面の温度を算出して、記憶部１２０の金型表面温度履歴データベース１２５に記録する。【００２７】
熱間鍛造プロセス良否判定部１１４は、記憶部１２０の前記金型表面温度履歴データベース１２５、および熱間鍛造プロセス良否判定基準１２３を読み出して、各種特徴量データを算出してその推移・傾向をユーザインタフェースに提供する。また、熱間鍛造プロセス良否判定部１１４は、鍛造加工が施された加工品の良否判定処理を行い、判定結果を表示部２１へ表示するとともに、ネットワーク８を介して加工品の選別工程へ指示を送信する。【００２８】
また、熱間鍛造プロセス評価装置１００の操作部２０は表示部２１、キーボード２２、マウス２３などより構成されている。操作部２０は熱間鍛造プロセス評価装置１００に通信部１３０を介して接続されており、ユーザーはキーボード２２とマウス２３の操作により熱間鍛造プロセス評価装置１００と通信し、表示部２１に金型表面温度履歴データ１２５、熱電対温度履歴データ１２４、及び熱電対深さ校正値１２１を表示することが可能である。また、金型表面温度履歴データベース１２５に記憶する複数の金型表面温度履歴データを統計的に処理した結果を表示する。
《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。【００２９】
図２において、測温ユニット装着部２４は測温ユニットヘッド２７を収納するように、同一形状を除去加工したものである。熱電対導入部２５は測温ユニット装着部２４よりも細い直径としている。これは鍛造により測温ユニットヘッド２７に掛かる圧力を受ける面を形成するためであり、測温ユニット装着部２４の直径の半分以下であることが望ましい。また逃げ加工部２６は、細径の深い穴を掘るのが困難なため、大径の穴加工を行っているものである。また、図２において測温ユニットヘッド２７の外気に露出している面を測温ユニットヘッド表面２８とする。測温ユニットヘッド表面２８は金型の表面と同一平面あるいは曲面上にある。【００３０】
図３(a)に、測温ユニットヘッド２７の側面に一方の熱電対６の温度検出点が接合されている測温ユニット５の拡大正面図を示す。測温ユニット５は測温ユニットヘッド２７と２組の熱電対６より構成されている。測温ユニットヘッド２７の材質(例えばＳＫＤ６１である)は上型３、及び下型２と同じ材質で構成されている。測温ユニットヘッド表面２８から熱電対６の温度検出点までの熱伝導の状態を上型３と、下型２ともに同じにするためである。金型の高温での強度を増すために、金型４の表面にNi基耐熱合金などを肉盛り溶接する場合には、熱伝導の状態を肉盛部と同一にするため測温ユニットヘッド２７の材質にはNi基耐熱合金を用いるのが望ましい。【００３１】
図３(b)に測温ユニットヘッド２７への熱電対６溶着部斜視図を示す。熱電対６は測温ユニットヘッド２７の側面で、測温ユニットヘッド接合面２９に金属接合されている。この接合箇所を接合部(温度検出点)３０と呼ぶ。測温ユニットヘッド接合面２９は測温ユニットヘッド表面２８に対して平行な面である。熱電対の種類をＫ熱電対とした場合に、クロメル(商標名)線３１とアルメル(商標名)線３２は別々に測温ユニットヘッド接合面２９に接合した構造である。
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。【００３２】
本実施例では、金型表面温度の逆解析に２対の熱電対６の温度履歴データを用いる方法を採用しているが、１対の熱電対６の熱電対温度履歴データ１２４を元に逆解析する方法も存在する。この場合には、測温ユニットヘッド表面２８から熱電対６の接合部３０までの距離は、0.1〜数ｍｍ程度となり、また前記距離の精度が重要であることについては２対の熱電対６の場合と同様である。また、熱電対の本数をさらに増やして、それらの熱電対温度履歴データ１２４を元に逆解析することも可能である。この場合にも熱電対６の接合部３０までの距離は精度良く把握されていることが重要である。【００３３】
各測温ユニット５の熱電対６は、金型４に加工された熱電対導入部２５と、逃げ加工部２６を通して金型４の外にまで伸ばして、熱電対温度変換部７に接続されている。熱電対温度変換部７と各熱電対６の間には、低温領域で熱電対と同様な起電力をもつ安価な補償導線を用いても良い。熱電対温度変換部７で熱電対６の電圧信号を温度に変換する。変換された温度データは、熱電対温度履歴データ記録処理部１１２により受付られて、熱電対温度履歴データ記憶領域１２４に保存される。
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。【００３４】
庄司の式では、ＴＡを測温ユニットヘッド表面(金型の表面)２８から深さＡの位置の熱電対Ａ３３の温度、ＴＢを測温ユニットヘッド表面(金型の表面)２８から深さＢの位置の熱電対Ｂ３４の温度とし、ＴＡ、ＴＢが時間Δｔごとに測定値ＴＡ(ｉ)、ＴＢ(ｉ)（ｔ＝ｉΔｔ，ｉ＝0,1,2,3,・・・・・・・）で与えられる場合、測温ユニットヘッド表面(金型の表面)２８の温度ＴＳ(ｉ)は、数１で算出される。【００３５】
【数１】
2016084209.tif 000003
【００３６】
ここで、Κ１〜Κ６はサンプリング間隔Δｔ、および深さＡ，Ｂによって決まる係数である。【００３７】
Κ１〜Κ６は数２〜数７によって算出される。【００３８】
【数２】
2016084209.tif 000004
【００３９】
【数３】
2016084209.tif 000005
【００４０】
【数４】
2016084209.tif 000006
【００４１】
【数５】
2016084209.tif 000007
【００４２】
【数６】
2016084209.tif 000008
【００４３】
【数７】
2016084209.tif 000009
【００４４】
ここで、ｘ１は設計値である深さＡ(図３(c)に示す距離Ａ)に相当する実際に測定された値であり、ｘ２も設計値である深さＢ(図３(c)に示す距離Ｂ)に相当する実際に測定された値である。κは温度伝導率であり、係数αは数８を用いて、係数βは数９を用いて計算される。Ｂrはベルヌーイ数である。【００４５】
【数８】
2016084209.tif 000010
【００４６】
【数９】
2016084209.tif 000011
【００４７】
数１に示すように、同時刻の熱電対の温度データだけでなく、前後の時刻の温度データも用いて金型表面温度を算出する。そのため、アナログの連続したデータである熱電対６の発する信号を、熱電対温度変換部７で温度に変換したのち、Δｔごとに離散化したディジタル値に変換して、熱電対温度履歴データ記憶領域１２４に記録する。例えば１ミリ秒ごとに離散化して記録されている。このデータを本実施例では、Δｔ＝０．１秒毎の分解能で逆解析を行うために、０．１秒ごとに間引いた値、或いは０．１秒ごとに平均をとった値を逆解析に用いる。【００４８】
数１の係数Κ１〜Κ６およびα、βの算出には、深さｘ１とｘ２の値を用いるため、金型表面温度履歴データ１２５を精度良く求めるためには、精度の良いｘ１とｘ２の値が重要である。しかし、図３(b)に示す接合部３０は微細な加工を要し、図３(c)に示す距離Ａと距離Ｂの大きさに対する相対的なばらつきが大きい。熱電対６が接合された測温ユニット５を切断して観察すると、熱電対６が測温ユニットヘッド接合面２９だけでなく、それと垂直をなす測温ユニットヘッド側面３５にも接合していることがある。この場合には、ｘ１の距離(測定値)が距離Ａ(設計値)よりも長くなり、逆解析の精度が落ちる。【００４９】
また接合部３０での接合面積が不十分な場合には、熱伝達の障害となり熱電対の温度の上昇が測温ユニットヘッド２７の距離Ａの箇所と比較して温度上昇が遅れ、逆解析の精度が落ちる。実際に測温ユニット５を製造し実験を行うと、上記のような不具合が生じることがわかった。ｘ１およびｘ２に実際に測定した値を用いることで、逆解析の精度の問題は回避できるが、測温ユニット５を破壊せずに測温ユニットヘッド側面３５との接合状況を観察することは困難である。また、接合部３０の熱伝達抵抗についても光学的な観察が出来るものではない。
《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。【００５０】
校正パンチ３７の接触面３８には表面熱電対３９が表面に接合されている。また校正パンチ３７は断熱材４０を介して支持部材４１と結合されている。支持部材４１は油圧プレス(図示せず)や油圧シリンダー(図示せず)などの可動装置(図示せず)に接合されている。測温ユニット校正装置３６の下部には加熱型４２が固定されており、前記加熱型４２にはヒーター４３が挿入されていて、前記加熱型を所定の温度に加熱することが可能となっている。前記加熱型４２の前記校正パンチ３７と接触する箇所には低融点金属材料４４が配置されている。低融点金属材料４４は本実施例では直径１００ｍｍで厚さ１０ｍｍのものを用いた。【００５１】
低融点金属材料４４にはアルミニウムの純度が９９％以上の工業用純アルミニウムを用いる。鉄系材料やＮｉ基材料のように、高温強度の高い材料を校正時の材料として使用すると、パンチ表面に露出した表面熱電対３９は破損する。また荷重を下げると、熱伝達係数が小さくなり、校正パンチ３７および測温ユニット５との熱伝達は実際の熱間鍛造と大幅に異なる。【００５２】
ここで、表面熱電対３９を破壊することなく低融点金属材料４４と校正パンチ３７および測温ユニット５の熱伝達を向上する手段を考案する上で、本願発明者は熱伝達係数について、低融点金属材料とパンチ間の真実接触面積が支配要因であることに着目した。つまり、融点直下に材料を加熱することにより材料の降伏応力を下げ、低い圧力で真実接触面積が増加して、熱間塑性加工と同程度の熱伝達係数を得られる手法を考案して用いた。【００５３】
低融点金属材料４４として、様々な材料について検討したが、本実施例では純アルミニウムを用いた場合について説明する。純アルミニウムは融点直下でも安定した酸化膜を作るためスラグが生じず、同じ材料を繰返し利用でき、測温ユニット５の繰り返し精度も含めた校正に適している。しかし、本発明で利用する低融点金属材料４４は純アルミニウムに限定するものではない。【００５４】
続いて、図５と図６を用いて表面熱電対３９の構造について示す。図５は表面熱電対３９の拡大図である。校正パンチ３７には裏側から表面に熱電対６を導入するための、熱電対導入孔４８が開けられている。また校正パンチ３７には熱電対６を配置するための浅溝４９が設けられている。図６は表面熱電対３９の断面図である。表面熱電対３９のアルメル線３２、クロメル線３１は細いほど応答速度が早く、より正確に表面温度を測定できる。一方、溶接を含めた加工は熱電対の径が小さいほど難しい。本実施例では反応速度と加工性を考え、アルメル線３２、およびクロメル線３１の径が０．１３ｍｍの物を用いた例について説明する。また浅溝４９の深さは０．０５ｍｍとして、アルメル線、クロメル線を配置した後に、圧縮・扁平化し浅溝４９に配置する。【００５５】
アルメル線３２、クロメル線３１はそれぞれレーザー溶接し、校正パンチ３７に溶着した構造とする。また浅溝４９の未充填部分には校正パンチ３７と同材質の充填物５０を肉盛り溶接し余った校正パンチ３７の表面より突出した箇所は研磨により削除し、アルメル線３２、クロメル線３１と校正パンチ３７の表面は同一面を形成する。
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。【００５６】
上記の条件で測定した結果の一例が図７である。図７において、表面熱電対３９の出力する表面熱電対温度履歴４５と、その近傍に挿入した一つの測温ユニット５の熱電対Ａ３３の出力する熱電対Ａ温度履歴４６、および熱電対Ｂ３４の熱電対Ｂ温度履歴４７を、縦軸が温度、横軸が時間のグラフ上に表示している。低融点金属材料４４との接触前の校正パンチ３７の初期温度が２００℃であり、グラフにおける初期温度５１は、表面熱電対温度履歴４５と熱電対Ａ温度履歴４６と熱電対Ｂ温度履歴４７ともに２００℃である。【００５７】
校正パンチ３７と低融点金属材料４４が接触した直後から、表面熱電対温度履歴４５が上昇を始める。少し遅れて熱電対Ａ温度履歴４６の上昇が始まり、また少し遅れて熱電対Ｂ温度履歴４７が上昇を始める。校正パンチ３７の直径は９０ｍｍで、測温ユニット５の熱電対Ａ３３と熱電対Ｂ３４の設計深さはそれぞれ０．５ｍｍと１．０ｍｍであり、低融点金属材料４４からの熱伝導状態は１次元の熱伝導とみなせる。そのため図８に示すような一次元解析モデルで測定した熱伝導を再現することが可能である。
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。【００５８】
図９に熱伝導解析の入力条件である表面熱電対温度履歴４５(太い実線)とその解析結果である測温ユニット内部温度履歴５３(点線表示)の関係を示す。ここでは、解析点を表面から０．１ｍｍピッチの間隔で表面からの深さｋを変化させて、測温ユニット内部温度履歴５３を取得した。【００５９】
熱電対Ａ温度履歴４６と最も類似性の高い温度履歴を測温ユニット内部温度履歴５３のなかから選ぶことで、熱電対Ａ３３の深さの校正値ｘｒを大まかに求めることが出来る。また、上記大まかな深さの校正値ｘｒの前後の測温ユニット内部温度履歴５３より合成比ｐで合成した合成温度履歴５４と、熱電対Ａ温度履歴４６の類似性が最大となる合成比ｐを求めることで、より精度よく熱電対Ａの校正後の深さｘ１を求めることが可能となる。
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。【００６０】
数１０において、Ｓｋ(ｉ)は測温ユニット５の表面からｋｍｍの深さの測温ユニット内部温度履歴５３である。Ｔ１(ｉ)は熱電対Ａ温度履歴４６である。数１０に示すように、両者の差の２乗和を算出しＲｋで表す。Ｒｋが最も小さいｋを求めることで大まかな校正値ｘｒを算出する。【００６１】
【数１０】
2016084209.tif 000012
【００６２】
上記のｋをｋ１とし、２番めに小さいｋをｋ２とする。数１１に示すように、ｐ：１−ｐの合成比で、ｋ１とｋ２に対応する測温ユニット内部温度履歴５３を合成した合成温度履歴５４のＴｐ(ｉ)を作成する。【００６３】
【数１１】
2016084209.tif 000013
【００６４】
数１２に示すように変数ｐを含めた合成温度履歴５４と熱電対Ａ温度履歴４６の差の２乗和を求める。数１２を最小にするｐを求めることで、熱電対Ａ３３の深さの校正値が求まる。【００６５】
【数１２】
2016084209.tif 000014
【００６６】
数１２を最小にするｐを求めるには、数１３に示すように数１２をｐで偏微分して＝０とする。式を展開するとｐを示す数１４が求まる。
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。【００６７】
【数１３】
2016084209.tif 000015
【００６８】
【数１４】
2016084209.tif 000016
【００６９】
【数１５】
2016084209.tif 000017
【００７０】
なお、校正パンチ３７の表面部の温度上昇が小さくなると、表面熱電対温度履歴４５と熱電対Ａ温度履歴４６と熱電対Ｂ温度履歴４７の差が小さくなり校正の精度が大幅に低下する。非定常の熱伝導は温度の上昇が早いほど、測定箇所による温度の違いも明確になり、校正をより高精度に行うことが可能となる。【００７１】
熱間鍛造プロセス評価装置１００の熱電対深さ校正処理部１１１は、測温ユニット校正装置３６に挿入された校正対象の測温ユニット５の校正処理において、表面熱電対３９、熱電対Ａ３３、および熱電対Ｂ３４の各温度履歴を収集して、熱電対温度履歴データ記憶領域１２４へ記憶した後、それらのデータに基づいて熱電対Ａ３３の深さの校正値ｘ１、および熱電対Ｂ３４の深さの校正値ｘ２を上記数式に基いて算出して、測温ユニット５のＩＤに対応付けて熱電対深さ校正値記憶領域１２１に記憶しておく。【００７２】
数２〜数９までに前記熱電対深さ校正値を用いることで数１を用いた金型表面温度の算出精度が向上する。なお、逆解析のアルゴリズムについては種々存在するが、算出時に熱電対深さを用いるアルゴリズムでは本発明の熱電対深さの校正値の求め方は利用できるものであり、本実施例の内容に制限するものではない。【００７３】
図１０に航空機用ジェットエンジンのＮｉ基耐熱合金のタービン部品の鍛造工程の一例を示す。素材５５を第一工程で据込み加工して据え込み材５６を製造する。第２工程で据え込み材５６を型鍛造を行い型鍛造材５７を製造する。第３工程で型鍛造材５７を型鍛造を行い最終鍛造材５８の形状とする。最終鍛造材５８の外周部５９は航空機エンジンに用いた場合に熱疲労が生じる箇所であり、疲労破壊を避けるために１０μｍ程度の結晶粒径にコントロールすることが要求される。数１０〜数１００μｍの結晶粒径をもつ素材５５を加工熱処理により微細化する。【００７４】
加工熱処理による微細化を簡単に説明すると、加工により蓄えられた転位のエネルギーを駆動源として、新たな結晶粒界を生成することで結晶粒を微細化する方法である。結晶粒の微細化の制御因子は歪、歪速度、および温度である。結晶粒界の移動は熱活性化過程であり、微細化を進行させるには一定以上の温度であることが求められる。しかし、微細結晶組織はそれ自体が準安定な組織であり、一定以上の温度では結晶粒の粗大化が進行し、所定の微細組織が得られない。そのため、航空機エンジンに用いられるＮｉ基合金の部品のように微細な組織を必要とする部品では、厳密な温度コントロール下での加工が重要である。加工時には塑性変形の仕事による発熱もあり、また加熱された素材の熱を吸収し金型４の温度が変化することもあるため、同一条件で熱間鍛造をコントロールしても、加工後の最終鍛造材５８の温度が異なることもありえる。
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。【００７５】
図１３に、前記型鍛造材５７を型鍛造して最終鍛造材５８にする第３工程における、型鍛造工程開始７０の状態を示す。型鍛造下型６５はプレスのボルスター（図示せず）に固定されており、型鍛造上型６０はプレスのスライド（図示せず）に固定されている。型鍛造上型６０と型鍛造下型６５は所定の温度、例えば４００℃に加熱されている。また型鍛造材５７は所定の温度、例えば９８０℃に加熱されている。【００７６】
プレス内の油圧シリンダーやモーターなどのアクチュエーターによりスライドが下方向に所定の位置まで動作することで、型鍛造下型６５と型鍛造上型６０により、 型鍛造材５７は金型形状に沿って塑性変形する。塑性変形後の型鍛造工程終了７１の状態を示すのが図１４になる。【００７７】
図１３及び図１４に示す鍛造工程では軸対称の加工が行われるが、外乱により必ずしも実際の塑性変形が軸対称に進むわけではない。型鍛造上型６０の上周辺測温ユニット及び型鍛造下型６５の下周辺測温ユニットを１２０°ごとに３個埋設したのは、これらの軸対称でない現象が生じた場合に温度履歴より検出するためである。
《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。【００７８】
上型温度履歴表示画面７５には上中心測温ユニット６１と上周辺測温ユニットａ６２と上周辺測温ユニットｂ６３と上周辺測温ユニットｃ６４の熱電対温度履歴データ１２４から熱電対深さ校正値１２１を用いて逆解析して求めた金型表面温度履歴データ１２５が表示される。ここではそれぞれを上中心測温ユニット表面温度履歴７７、上周辺測温ユニットａ表面温度履歴７８、上周辺測温ユニットｂ表面温度履歴７９、上周辺測温ユニットｃ表面温度履歴８０として表示してある。上周辺測温ユニットｃ表面温度履歴８０の温度上昇が、上周辺測温ユニットａ表面温度履歴７８と上周辺測温ユニットｂ表面温度履歴７９より小さいことが見て取れる。上周辺測温ユニットｃ６４と材料との熱伝達が少ないと考えられ、例えば潤滑油が無くなり、ここだけ熱伝達係数が変化しているなど、何らかの異常を検知している。【００７９】
同様に、下型温度履歴表示画面７６には下中心測温ユニット表面温度履歴８１、下周辺測温ユニットａ表面温度履歴８２、下周辺測温ユニットｂ表面温度履歴８３、下周辺測温ユニットｃ表面温度履歴８４を表示する。軸対称の成形が何らかの理由で非軸対称の加工になる場合には、下型温度履歴表示画面７６に一例を示すように下周辺測温ユニットｃ表面温度履歴８４の温度の立ち上がりが、下周辺測温ユニットａ表面温度履歴８２や下周辺測温ユニットｂ表面温度履歴８３より遅れる可能性が生じる。非定常の熱伝導では測温ユニット５における接合部３０の位置のばらつきは応答時間の変化として現れる。本実施例に示す熱間鍛造プロセス評価装置１００のように熱電対の深さを校正した測温ユニット５を用いた場合には、熱電対の深さのバラつきによる、逆解析結果における温度の立ち上がりの遅れが生じないため、実際に下周辺測温ユニットｃ６９の表面において温度の立ち上がりが遅れていることが確認できる。【００８０】
特徴量表示部７４は上型測温ユニット特徴量表示部８５と下型測温ユニット特徴量表示部８６と特徴量選択ボタン８７より構成される。本実施例では特徴量として平均温度、温度積分値、および熱流入用の３つの特徴量選択ボタン８７を表示している。それぞれ図１のキーボード２２やマウス２３を利用して特徴量選択ボタン８７を選択することにより、平均温度、温度積分値(時間で積分した温度積分量。誤差には強いと予測される。)、熱流入量(測温ユニット位置における、金型側から見た熱流入量。)を用いた表示を切り替えることが可能である。なお、表示する特徴量については本実施例に限るものではなく、熱電対温度履歴データ１２４、熱電対深さ校正値１２１を用いて算出した金型表面温度履歴データを格納する金型表面温度履歴データベース１２５を検索して、算術処理、例えば四則演算や三角関数や指数関数・対数関数などの初等関数を用いた計算、微分・積分などの処理を施したいかなる特徴量も表示でき、本実施例の内容に限定するものではない。【００８１】
図１６は、表示部２１に表示される画面の一例の温度履歴比較画面８８である。温度履歴比較画面８８には、表示対象の測温ユニット５の金型表面温度履歴データ１２５を表示する。直近の加工での当該表面温度履歴データ８９と過去の所定の期間の平均値である平均温度履歴データ９０と一番新しい過去データである第１温度履歴過去データ９１、第２温度履歴過去データ９２などを温度履歴比較画面８８に表すことが出来る。これにより、直近の加工に何らかの異常が発生していないか確認することが出来る。ここで比較する特徴量は例えば最高温度や、加工終了時の温度や、加工開始から終了まで温度を積分した値など、金型表面温度履歴データ１２５を処理して得られる様々な特徴量を表示でき、金型表面温度履歴データ１２５の算出に熱電対深さ校正値１２１を用いることで、高精度な値を算出し表示することが出来る。【００８２】
図１７に示すのは表示部２１に表示される画面の一例である特徴量時系列比較表示図９３である。特徴量時系列比較表示図９３では横軸に時系列を、縦軸に特徴量を示す。ここで示す特徴量を選択するのが、特徴量選択ボタン９４であり、キーボード２２やマウス２３を用いて選択する。特徴量選択ボタン９４で選択する特徴量としては、最高温度、加工終了時温度(金型表面温度)、加工終了時材料温度(本来は正確に求められないが、材料の伝達係数を用いて金型表面温度から材料内部の温度を逆算する。)、面積当り熱流量の積分値の例を記しているが、熱電対深さ校正値１２１を用いて算出された金型表面温度履歴データ１２５に基づいて算出した如何なる特徴量も表示することが可能である。【００８３】
特徴量時系列比較表示図９３には、熱間鍛造プロセス良否判定基準１２３から読み出されたプロセスウィンドーの上限線９５、下限線９６が表示される。プロセスウィンドーの上限線９５を超えた外れワークデータ(特徴量)９７は該当するワークの結晶粒径が粗大化している可能性があるため、組織観察などの検査を優先的に行う。ワークの結晶粒径の組織観察結果に基づき、ワークの良否を判定する閾値となるプロセスウィンドーの上限線９５、下限線９６を決定して、熱間鍛造プロセス良否判定基準記憶領域１２３へ再登録する。
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。【００８４】
図１８は表示部２１に表示される画面の一例で、過去の実績データとのロット比較表示画面１４０である。例えば、特定の測温ユニット５、過去のロットを指定して、その測温ユニット５により測定された金型表面温度履歴データを検索して、所望の特徴量を算出して、グラフ表示部７３には横軸に温度を、縦軸に該当ロットのワーク数(度数)を用いた度数分布図を示した例である。過去のロットのワーク数(度数)データ１４１と現在の評価対象のロットのワーク数(度数)データ１４２の分布の比較を可能とする。
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。【００８５】
本発明を熱間塑性加工の生産に適用した場合には、平均との乖離が大きいときは品質検査に回す数を増やし、平均に近いロットでは検査に回す数を減らすなど、コストと品質のバランスの取れた生産体制を構築することが可能となり、結果として鍛造品の品質を向上させることが可能となる。
【符号の説明】
【００８６】
１…材料、  ２…下型、  ３…上型、  ４…金型、  ５…測温ユニット、  ６…熱電対、  ７…熱電対温度変換部、  ８…ネットワーク、  ２０…操作部、  ２１…表示部、  ２２…キーボード、  ２３…マウス、  ２４…測温ユニット装着部、  ２５…熱電対導入部、  ２６…逃げ加工部、  ２７…測温ユニットヘッド、  ２８…測温ユニットヘッド表面、  ２９…測温ユニットヘッド接合面、  ３０…接合部、  ３１…クロメル線、  ３２…アルメル線、  ３３…熱電対Ａ、  ３４…熱電対Ｂ、  ３５…測温ユニットヘッド側面、  ３６…測温ユニット校正装置、  ３７…校正パンチ、  ３８…接触面、  ３９…表面熱電対、  ４０…断熱材、  ４１…支持部材、  ４２…加熱型、  ４３…ヒーター、  ４４…低融点金属材料、  ４５…表面熱電対温度履歴、  ４６…熱電対Ａ温度履歴、  ４７…熱電対Ｂ温度履歴、  ４８…熱電対導入孔、  ４９…浅溝、  ５０…充填物、  ５１…初期温度、  ５２…金型材料、  ５３…測温ユニット内部温度履歴、  ５４…合成温度履歴、  ５５…素材、  ５６…据え込み材、  ５７…型鍛造材、  ５８…最終鍛造材、  ５９…外周部、  ６０…型鍛造上型、  ６１…上中心測温ユニット、  ６２…上周辺測温ユニットａ、  ６３…上周辺測温ユニットｂ、  ６４…上周辺測温ユニットｃ、  ６５…型鍛造下型、  ６６…下中心測温ユニット、  ６７…下周辺測温ユニットａ、  ６８…下周辺測温ユニットｂ、  ６９…下周辺測温ユニットｃ、  ７０…型鍛造工程開始、  ７１…型鍛造工程終了、  ７２…温度履歴表示画面、  ７３…グラフ表示部、  ７４…特徴量表示部、  ７５…上型温度履歴表示画面、  ７６…下型温度履歴表示画面、  ７７…上中心測温ユニット表面温度履歴、  ７８…上周辺測温ユニットａ表面温度履歴、  ７９…上周辺測温ユニットｂ表面温度履歴、  ８０…上周辺測温ユニットｃ表面温度履歴、  ８１…下中心測温ユニット表面温度履歴、  ８２…下周辺測温ユニットａ表面温度履歴、  ８３…下周辺測温ユニットｂ表面温度履歴、  ８４…下周辺測温ユニットｃ表面温度履歴、  ８５…上型測温ユニット特徴量表示部、  ８６…下型測温ユニット特徴量表示部、  ８７…特徴量選択ボタン、  ８８…温度履歴比較画面、  ８９…当該表面温度履歴データ、  ９０…平均温度履歴データ、  ９１…第１温度履歴過去データ、  ９２…第２温度履歴過去データ、  ９３…特徴量時系列比較表示図、  ９４…特徴量選択ボタン、  ９５…上限線、  ９６…下限線、  ９７…外れワークデータ、
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
【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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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【手続補正書】
【提出日】平成28年11月30日(2016.11.30)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
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。
【請求項２】
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。
【請求項３】
前記熱電対深さ校正処理部は、
前記校正装置において、校正対象の前記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。
【請求項４】
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。
【請求項５】
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。
【請求項６】
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。
【請求項７】
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。
【請求項８】
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。
【請求項９】
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。
【請求項１０】
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、校正対象の前記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。
【請求項１１】
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。
【請求項１２】
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。
【請求項１３】
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。
【請求項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、
前記良否判定結果に基づき、前記鍛造加工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。
【国際調査報告】
2016084209.tif 000036
2016084209.tif 000037
2016084209.tif 000038
2016084209.tif 000039