(57)【要約】【課題】熱間塑性加工において不良が抑制されうる条件決定方法の提供。【解決手段】鍛伸の暫定条件が、入力部において入力される（ＳＴＥＰ１）。演算部は、この暫定条件に基づき、ＦＥＭシミュレーションによって金属材料の中心の到達温度Ｔ１及び空隙圧着パラメータＧ１を算出する（ＳＴＥＰ２）。到達温度Ｔ１は加工限界温度Ｔｏと対比され、空隙圧着パラメータＧ１は空隙閉鎖限界値Ｇｃと対比される（ＳＴＥＰ３）。算出された到達温度Ｔ１及び空隙圧着パラメータＧ１並びに対比の結果は、表示部１４に表示される（ＳＴＥＰ４）。到達温度Ｔ１が加工限界温度Ｔｏ以上であるとき、及び空隙圧着パラメータＧ１が空隙閉鎖限界値Ｇｃ以下であるとき、暫定条件が再入力される。到達温度Ｔ１が加工限界温度Ｔｏより低く、かつ空隙圧着パラメータＧ１が空隙閉鎖限界値Ｇｃより大きいとき、この暫定条件が決定された加工条件となる。【選択図】図３
2008087058.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属材料の中心の到達温度Ｔ１が加工限界温度Ｔｏより低く、かつ空隙圧着パラメータＧ１が空隙閉鎖限界値Ｇｃより大きい加工条件が、ＦＥＭシミュレーションによって決定されるステップ
及び
この加工条件により、金属材料の圧縮を伴う熱間塑性加工が、この金属材料に施されるステップ
を含む金属製品の製造方法。
【請求項２】
金属材料の熱間塑性加工の暫定条件が、入力部から入力されるステップ、
この暫定条件に基づいたＦＥＭシミュレーションによって金属材料の中心の到達温度Ｔ１及び空隙圧着パラメータＧ１が演算部で算出されるステップ
及び
この到達温度Ｔ１と加工限界温度Ｔｏとの対比及び空隙圧着パラメータＧ１と空隙閉鎖限界値Ｇｃとの対比がなされるステップ
を含む加工条件決定方法。
【請求項３】
上記対比の結果が勘案された新たな暫定条件が、入力部から入力されるステップ、
この新たな暫定条件に基づいたＦＥＭシミュレーションによって金属材料の中心の到達温度Ｔ１及び空隙圧着パラメータＧ１が演算部で再度算出されるステップ
及び
この到達温度Ｔ１と加工限界温度Ｔｏとの対比及び空隙圧着パラメータＧ１と空隙閉鎖限界値Ｇｃとの対比がなされるステップ
をさらに含む請求項２に記載の加工条件決定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鍛造、圧延等の圧縮を伴う塑性加工による金属製品の製造方法に関する。詳細には、本発明は、熱間塑性加工の加工条件の決定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
大径である丸棒鋼の製造方法として、鍛伸が用いられている。この鍛伸は、自由鍛造法の一種である。鍛伸では、鋼塊が長手方向に間欠的に送られつつ、この鋼塊が上金敷及び下金敷で押圧される。押圧では、上金敷が下金敷に向かって圧下する。圧下により鋼塊の断面寸法が減少し、かつ鋼塊が長尺化する。圧下により、鋼塊の断面形状が整えられる。複数段の鍛伸により、鍛造製品である丸棒鋼が得られる。鍛伸方法の一例が、特開２０００−２４７４４公報に開示されている。
【特許文献１】特開２０００−２４７４４公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
鋼塊のその中心部に、鋳造時の凝固収縮に起因した空隙（いわゆる巣）が生じていることがある。この空隙は、鍛伸により押しつぶされる。押しつぶしにより、空隙周辺の金属が圧着される。圧着が不十分であると、製品である丸棒鋼に空隙が残存する。空隙は、欠陥である。鋼塊の温度が十分高く設定されることにより、又は圧下率が十分高く設定されることにより、空隙の残存が抑制される。
【０００４】
鋼塊の温度は、加工性に影響する。温度が低い場合、圧下率が大きく設定され得ない。小さな圧下率は、パス回数の増加を招く。加工性の観点からも、鋼塊の温度が十分高く設定される必要がある。
【０００５】
鋼塊の鋳造時には、ミクロ偏析が生じる。具体的には、結晶粒界に沿って炭素原子等がリッチな領域が生じる。状態図において、炭素原子濃度が多いほど、固相線の温度は低い。炭素原子がリッチな領域は、溶融しやすい。鍛伸では、圧下により加工熱が発生する。この加工熱により、鋼塊の中心は昇温する。高温に加熱された鋼塊にさらに加工熱が発生することにより、鋼塊の中心は極めて高温に達する。この中心近傍の、炭素原子がリッチな領域において、溶融が生じることがある。この現象は、オーバーヒートと称される。オーバーヒートにより、製品である丸棒鋼の内部に疵が生じる。
【０００６】
空隙の抑制及び加工性の観点からは、鋼塊の温度が高く設定される必要がある。一方、オーバーヒートの抑制の観点からは、鋼塊の高すぎる温度は好ましくない。鍛伸では、鋼塊の温度制御が極めて重要である。しかし、空隙及びオーバーヒートが生じず、しかも優れた加工性が得られる温度の範囲は狭い。鋼塊の温度制御には、困難が伴う。
【０００７】
空隙に起因する不良及びオーバーヒートに起因する不良の抑制は、重要である。不良率は、鋼塊の加熱温度、加熱時間、圧下量、金敷の形状、鋼塊の送り量等の種々の加工条件に依存する。経験に基づく条件設定のみでは、不良を十分には抑制できない。同様の問題は、圧延等の他の熱間塑性加工にも見られる。
【０００８】
本発明の目的は、熱間塑性加工において不良が確実に抑制されうる製造方法の提供にある。本発明の他の目的は、この製造方法における加工条件の決定方法の提供にある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係る金属製品の製造方法は、
金属材料の中心の到達温度Ｔ１が加工限界温度Ｔｏより低く、かつ空隙圧着パラメータＧ１が空隙閉鎖限界値Ｇｃより大きい加工条件が、ＦＥＭシミュレーションによって決定されるステップ
及び
この加工条件により、金属材料の圧縮を伴う熱間塑性加工が、この金属材料に施されるステップ
を含む。
【００１０】
本発明に係る加工条件決定方法は、
（１）金属材料の熱間塑性加工の暫定条件が、入力部から入力されるステップ、
（２）この暫定条件に基づいたＦＥＭシミュレーションによって金属材料の中心の到達温  度Ｔ１及び空隙圧着パラメータＧ１が演算部で算出されるステップ
及び
（３）この到達温度Ｔ１と加工限界温度Ｔｏとの対比及び空隙圧着パラメータＧ１と空隙  閉鎖限界値Ｇｃとの対比がなされるステップ
を含む。
【００１１】
好ましくは、この決定方法は、
（３）上記対比の結果が勘案された新たな条件が、入力部から入力されるステップ、
（４）この新たな条件に基づいたＦＥＭシミュレーションによって金属材料の中心の到達  温度Ｔ１及び空隙圧着パラメータＧ１が演算部で再度算出されるステップ
及び
（５）この到達温度Ｔ１と加工限界温度Ｔｏとの対比及び空隙圧着パラメータＧ１と空隙  閉鎖限界値Ｇｃとの対比がなされるステップ
をさらに含む。
【発明の効果】
【００１２】
この決定方法により、不良が生じにくい加工条件が容易に見出されうる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、適宜図面が参照されつつ、好ましい実施形態に基づいて本発明が詳細に説明される。
【００１４】
図１は、本発明の一実施形態に係る製造方法の様子が示された斜視図である。図１には、熱間自由鍛造の一種である鍛伸の様子が示されている。鍛伸では、溶製、鋳造等の工程を経て、鋼塊２が得られる。この鋼塊２には、鋳造時の凝固収縮により、中心近傍に空隙が生じている。鋼塊２の中心近傍には、ミクロ偏析も生じている。この鋼塊２は、加熱炉に投入されて加熱される。加熱時間が短いときは、鋼塊２の中心は、表面よりも温度が低い。換言すれば、鋼塊２は温度分布を有している。加熱時間が十分長いときは、鋼塊２の温度は均一である。図１に示されるように、鋼塊２が所定位置にセットされと、上金敷４が下降し、下金敷６が上昇する。換言すれば、鋼塊２は圧下される。圧下により、鋼塊２の断面寸法が低減し、又は断面形状が変形する。鋼塊２は、図示されていない搬送手段により、矢印Ａの方向に間欠的に搬送される。この搬送に同調して、圧下が繰り返される。
【００１５】
第一回目の鍛伸が終了すると、母材が９０°回される。この母材に、第二回目の鍛伸が施される。この鍛伸によっても、母材の断面寸法が低減し、又は断面形状が変形する。母材にはさらに、所定回数の鍛伸が施される。これら鍛伸により、母材の断面形状が徐々に円に近づく。こうして、鍛造製品である丸棒鋼が得られる。
【００１６】
不良のない丸棒鋼が得られるには、鍛伸により空隙が完全に圧着される必要があり、かつ鋼塊２にオーバーヒートが生じない必要がある。不良の有無は、加工条件に大きく依存する。
【００１７】
加熱炉の温度が高いほど、鋼塊２の中心が達する温度が大きいので、オーバーヒートが生じやすい。オーバーヒートの抑制の観点から、加熱炉の温度が低く設定されることが好ましい。しかし、温度が低すぎる場合は、鍛伸の効率が悪い。
【００１８】
加熱時間が長いほど、鋼塊２の中心が達する温度が大きいので、オーバーヒートが生じやすい。オーバーヒートの抑制の観点から、短い加熱時間が好ましい。しかし、加熱時間が短すぎると、鋼塊２の表面温度が低すぎて、鍛伸の効率が悪い。
【００１９】
圧下量が大きいほど、空隙が圧着されやすい。しかし、大きな圧下量により大きな加工熱が生じる。大きな加工熱によってオーバーヒートが生じるおそれがある。
【００２０】
加熱炉の温度、加熱時間及び圧下量以外にも、不良率に影響する加工条件が種々存在する。他の加工条件としては、鋼塊２の送り量、金敷の形状、鋼塊２の初期形状等が挙げられる。不良の抑制には、適正な加工条件が決定される必要がある。
【００２１】
図２は、本発明に係る加工条件決定方法に用いられるシステム８が示された概念図である。このシステム８は、入力部１０、記憶部１２、表示部１４及び演算部１６を備えている。入力部１０、記憶部１２及び表示部１４は、それぞれ演算部１６と接続されている。入力部１０の例としては、キーボード、マウス及びタッチパネルが挙げられる。典型的な記憶部１２は、ハードディスクである。表示部１４の例としては、モニタ及びプリンタが挙げられる。典型的な演算部１６は、ＣＰＵである。
【００２２】
図３は、図２のシステム８が用いられた加工条件決定方法が示されたフロー図である。この決定方法では、オペレーターにより、鍛伸の暫定条件が入力部１０で入力される（ＳＴＥＰ１）。演算部１６は、この暫定条件に基づき、ＦＥＭシミュレーションによって金属材料の中心の到達温度Ｔ１及び空隙圧着パラメータＧ１を算出する（ＳＴＥＰ２）。到達温度とは、鍛伸の間に鋼塊２の中心が到達する最高温度の、シミュレーションによる予測値である。空隙圧着パラメータとは、鋼塊２の空隙が完全に圧着されるのに必要な力の積分に関する指標であって、シミュレーションによる予測値である。空隙圧着パラメータとしては種々の算出式が採用されうる。自由鍛造及び圧延に適した空隙圧着パラメータとしては、静水圧積分Ｇｍが挙げられる。静水圧積分Ｇｍは、下記数式（Ｉ）によって算出されうる。
【００２３】
【数１】
2008087058.tif 000003
【００２４】
数式（Ｉ）において、σｍは静水応力を表し、σｅｑは相当応力を表し、εは相当ひずみを表す。
【００２５】
加工方法に応じ、補正された静水圧積分Ｇｍ’が採用されてもよい。補正された静水圧積分Ｇｍ’の算出方法の一例が、下記数式（II）に示されている。
【００２６】
【数２】
2008087058.tif 000004
【００２７】
数式（II）において、Ｃは定数を表す。
【００２８】
到達温度Ｔ１は加工限界温度Ｔｏと対比され、空隙圧着パラメータＧ１は空隙閉鎖限界値Ｇｃと対比される（ＳＴＥＰ３）。加工限界温度Ｔｏ及び空隙閉鎖限界値Ｇｃは、予め決定された値であり、記憶部１２に格納されている。加工限界温度Ｔｏ及び空隙閉鎖限界値Ｇｃは、加工フォーマスター試験、グリーブル試験、モデル実験、実操業の結果等に基づき、決定される。到達温度Ｔ１が加工限界温度Ｔｏを超えたとき、オーバーヒートが生じる。空隙圧着パラメータＧ１が空隙閉鎖限界値Ｇｃより小さいとき、不十分な圧着に起因して空隙が丸棒鋼に残存する。
【００２９】
算出された到達温度Ｔ１及び空隙圧着パラメータＧ１並びに対比の結果は、表示部１４に表示される（ＳＴＥＰ４）。オペレーターは、この表示の内容を確認する。
【００３０】
もし到達温度Ｔ１が加工限界温度Ｔｏ以上であるとき、新たな暫定条件がオペレーターによって入力される（ＳＴＥＰ１）。この新たな暫定条件に基づき、到達温度Ｔ１及び空隙圧着パラメータＧ１が演算部１６で再度算出される（ＳＴＥＰ２）。再計算で得られた到達温度Ｔ１は加工限界温度Ｔｏと対比され、空隙圧着パラメータＧ１は空隙閉鎖限界値Ｇｃと対比される（ＳＴＥＰ３）。これらの結果は、表示部１４に表示される（ＳＴＥＰ４）。
【００３１】
空隙圧着パラメータＧ１が空隙閉鎖限界値Ｇｃ以下であるとき、新たな暫定条件が入力される（ＳＴＥＰ１）。この新たな暫定条件に基づき、到達温度Ｔ１及び空隙圧着パラメータＧ１が演算部１６で再度算出される（ＳＴＥＰ２）。再計算で得られた到達温度Ｔ１は加工限界温度Ｔｏと対比され、空隙圧着パラメータＧ１は空隙閉鎖限界値Ｇｃと対比される（ＳＴＥＰ３）。これらの結果は、表示部１４に表示される（ＳＴＥＰ４）。
【００３２】
このような、暫定条件の入力（ＳＴＥＰ１）、算出（ＳＴＥＰ２）、対比（ＳＴＥＰ３）及び表示（ＳＴＥＰ４）が、繰り返される。到達温度Ｔ１が加工限界温度Ｔｏよりも小さく、かつ空隙圧着パラメータＧ１が空隙閉鎖限界値Ｇｃよりも大きいとき、その暫定条件が加工条件として決定される（ＳＴＥＰ５）。この加工条件に基づいて鍛伸が実行され、丸棒鋼が得られる。この丸棒鋼では、不良が抑制されうる。
【実施例】
【００３３】
正角寸法が８００ｍｍである鋼塊が鍛伸によって丸棒鋼とされるパススケジュールの一部が、図４に示されている。このスケジュールでは、中心温度が１１２５℃である鋼塊に、第一パスによって正角寸法８００ｍｍから正角寸法７５０ｍｍへの鍛伸がなさる。第二パスによって正角寸法７５０ｍｍから正角寸法７００ｍｍへの鍛伸がなされ、第三パスによって正角寸法７００ｍｍから正角寸法６５０ｍｍへの鍛伸がなされ、第四パスによって正角寸法６５０ｍｍから正角寸法６００ｍｍへの鍛伸がなされ、第五パスによって正角寸法６００ｍｍから正角寸法５５０ｍｍへの鍛伸がなされる。図４から明らかなように、パスの進行に伴い、中心温度が徐々に上昇する。ＦＥＭシミュレーションにより、第五パスにおいて中心温度Ｔ１が加工限界温度Ｔｏに達することが判明した。このパススケジュールでは、第四パスで鍛伸が中断され、鋼塊が冷却されることが好ましい。冷却後、鋼塊は１１２５℃まで再加熱され、この鋼塊に第五パス以降のパスが施される。
【産業上の利用可能性】
【００３４】
ＦＥＭシミュレーションによる加工条件の決定は、圧延等の、金属材料の圧縮を伴う種々の塑性加工において有効である。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】図１は、本発明の一実施形態に係る製造方法の様子が示された斜視図である。
【図２】図２は、本発明に係る加工条件決定方法に用いられるシステムが示された概念図である。
【図３】図３は、図２のシステムが用いられた加工条件決定方法が示されたフロー図である。
【図４】図４は、本発明の実施例に係る加工条件決定方法が適用されるパススケジュールが示されたグラフである。
【符号の説明】
【００３６】
２・・・鋼塊
４・・・上金敷
６・・・下金敷
８・・・システム
１０・・・入力部
１２・・・記憶部
１４・・・表示部
１６・・・演算部
【図１】
2008087058.tif 000005
【図２】
2008087058.tif 000006
【図３】
2008087058.tif 000007
【図４】
2008087058.tif 000008