精密冷間鍛造金型における破損事例とその評価技術
濱家信一㈱ ニチダイ

精密鍛造に用いられる金型の破損および観察事例を示しながら、CAE解析を金型破損へ適用し強度および疲労寿命予測を実施した事例を紹介する。

1．はじめに最近の精密冷間鍛造の金型は、素形材のニアネッ重要な課題である。

トまたはネットシェイプを実現するため、より複雑

ここでは、冷間鍛造の金型寿命に影響する因子をな形状で高精度な付加価値のある鍛造部品へ適用さ中心に金型破損、摩耗の事例を示す。また CAE をれることが多くなってきた。そのため金型の強度負活用した金型の破損応力の計算から、金型の疲労寿担はますます大きくなる傾向にある。従って金型寿命予測の取り組みについても紹介する。

命の向上技術は、鍛造品のコスト削減、品質面から

2．金型破損と摩耗の形態とその影響因子
冷間鍛造金型は、（1）破損（割れ、カケ、破壊など）、② 金型設計･･･ 金型構造（補強方法、分割位置な（2）摩耗（変形、表面荒れなど）がある。破損では、

ど）、金型形状、材質、硬さ、表面数ショットで破損する一発破壊から数万ショットの処理

低サイクル疲労による割れなどがある。多くの金型③ 金型製作･･･ 熱処理、機械加工、放電加工、ラッは、コーナー部に引張応力が繰返し負荷されることで破損となっている。また摩耗では、素材の潤滑処理、金型の表面処理、素材と金型間の面圧の大きさに影響され、金型の寸法変化が鍛造品の寸法精度へ

ピング、表面処理技術④ 鍛造条件･･･ 鍛造機械、作業者、材質、潤滑など
明らかに設計上の不備で発生する金型破損は、工程設計または金型設計に原因がある。また突発的な影響する。
次に金型破損に影響する因子を示す。

金型破損は、金型製作または鍛造条件などが破損の① 工程設計･･･ 鍛造品形状・精度、成形荷重、変動要因となる。

面圧

3．破損事例と破面観察事例
当社では破損原因の解明のために破面の観察を実ことができる。また、CAE での応力集中部と比較し施している。この観察により破損の起点を判断する

た時に応力による破損なのか、またはそれ以外の要Vol.53（2012）No.7

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因であるのかを判断できる。

亀裂発生起点

この破損の原因を解明することで対策の方向性を確認する。
3．1

O

冷間鍛造金型の破損事例

図 1 はフォーマーによる冷間据込み成形のノックアウトの破損事例で、材質は高速度工具鋼 SKH 55である。図 2 に工程図を示している。被加工材はSCM 415 で据込み率は約 65 % である。成形は 2 工程

金型材質：SKH55
金型寿命：400ショットで行っており、図 1 に示した金型は 2 工程目のノッ

図3クアウトである。上面に発生した亀裂は、上面中心破損したパンチ例部を起点に上面から下へ放射状に進展していた。
図 3 はプレスによる冷間据込み成形のパンチの破
図 3 のパンチ損事例で、材質は高速度工具鋼 SKH 55 である。図4 に工程図を示している。据込み率は約 50 % である。

φ21.5

φ21φ31

このパンチの先端は凹み形状となっており、そのコーナー部が破損の起点となっている。その起点から図6053に示す矢印の方向に破損が進展したと見られる。

37（#2）（#1）

A
図4（素材）

プレスによる冷間据込み成形の工程例

亀裂（矢視A）（外観）

熱間鍛造金型の破損事例

事例で、材質はマトリックスハイス YXR 33（日立金属製）である。この事例はインサートパンチ先端破損金型

(a)

3．2

図 5 は熱間据込み成形のインサートパンチの破損

金型材質：SKH55
金型寿命：2万ショット

テーパー部にヒートクラックが発生し破損に至ったものである。通常、摩耗で金型寿命となっていたが、亀裂発生起点
上面型冷却のために潤滑剤の塗布量を増やしたことでヒートクラックが発生し、破損に繋がったと推察される。

（ミクロ破面）（マクロ破面）A(b) 金型破面
図1

破損したノックアウト例

43.5（#2）

φ15φ25φ25（#1）

10（素材）

図１のノックアウト
図234

フォーマーによる冷間据込み成形の工程例

矢視 A
図5

表面損傷したパンチ例（ヒートクラック）

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特集 塑性加工における工具損傷・破壊の予測と検出・評価技術

4．CAE 活用事例
CAE では金型の応力解析を実施し、金型に発生す4．2スリーブシャフトの解析事例

る最大主応力と最小主応力を計算する。ここで得られスリーブシャフト（図 7）成形た応力値を、金型材料の引張強さまたは圧縮強さとにおけるダイ破損の解析事例を図比較し、金型材料の強度不足による破損か推測する。

8 に示す。材質はマトリックスハ

また、材料強度以下の応力の場合には疲労破壊の可能性があるため、応力振幅を用い寿命予測を行う。

イス YXR 3 である。
破損部は段付部コーナーとなっており、この部分は充填度を高く4．1

スプラインパンチの解析事例するために成形面圧が高くなる。

図 6 はプレスによる冷間ギヤ成形のスプライン解析結果からも破損部には高い応

パンチの解析事例で、材質はマトリックスハイス力が発生しており、その最大主YXR 3（日立金属製）である。（a）に破損金型を示し

応力の値は引張強さの約 96 % とているが、スプライン小径のコーナー部から亀裂がなっていることが短寿命の一因と発生している。CAE を実施した結果（b）、スプラなっている。

図7

スリーブシャフト

インパンチ先端内径部に凹み段差があり、この段差テーパー部に成形面圧が負荷されている。このことから、パンチ全体が外側へ広がろうとし、小径コー(MPa)ナー部に応力集中していた。この部分の最大主応力

2500

は引張強さの約 96 % となっており、短寿命の一因と1250なっている。

0

凹み段差

2,400MPa

破損金型(a) 破損金型(a)

金型材質：YXR3
金型寿命：2,000ショット

金型材質：YXR3
金型寿命：4,000ショット(MPa)
図82500

スリーブシャフトのダイ破損の解析例（最大主応力分布）

1250

4．3

コイニングダイの解析事例

クラッチギア（図 9）成形におけるコイニングダイ

0のチャンファー部破損の解析事例を図 10 に示す。材

2,400MPa（最大主応力分布）
解析結果(b)(b)解析結果

図6

スプラインパンチ破損の解析例

図9

クラッチギアVol.53（2012）No.7

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質はマトリックスハイス YXR 3 である。歯形部を成(MPa)②2,300MPa①1,600MPa

2800

形し、チャンファー部を充填させるために歯形部全体の成形面圧が高くなる。破損しているコーナー部③にも応力集中が発生している。図は最大主応力分0布を示しているが、②と③の最大主応力が金型材料-1200の引張り強さの 92 % となっていた。

③2,300MPa

金型材質：YXR3
金型寿命：13,000ショット

図 10 コイニングダイのチャンファー部破損の解析例（最大主応力分布）

5．金型の疲労寿命予測
金型寿命を予測する上で幾つかの予測手法があように大きく外れているものもあった。

る。その中から S‑N 曲線による寿命予測とグッドマン線図による寿命予測について、紹介した CAE 活用事例を用いて寿命予測を行った。

5．2

グッドマン線図との比較

グッドマン線図 1）は、応力振幅だけでなく平均応力も考慮した予測線図である。図 12 は破損した金型デー

5．1

S‑N 曲線との比較

タ（図 6、図 8、図 10）について、グッドマン線図とS‑N 曲線（YXR 3）と実際に破損した金型データの比較を示したものである。スプラインパンチとス（図 6、図 8、図 10）を比較した結果を図 11 に示す。

リーブシャフトダイの事例はほぼ一致していたが、スプラインパンチとスリーブシャフトダイのようにコイニングダイの事例は線図から大きく外れていた。

S‑N 曲線に近いものもあったが、コイニングダイの（13,000）
2,500

2,000

スプラインパンチ
スリーブシャフト

1,500

コイニングダイ

1,000500

応力振幅σa（MPa）

応力振幅σa（MPa）

2,500

2,000
1,500
1,000
スプラインパンチ
スリーブシャフト
コイニングダイ0
10 3 回

10 4 回

繰返し数 N図 11

10 5 回‑2,000S‑N 曲線（YXR 3）

10 3 回
10 4 回（4,000）（2,000）10 5 回

500

00‑1,0001,000
平均応力σm（MPa）
図 122,000

グッドマン線図

6．おわりに
今回は金型破損の形態とその破損事例、また CAEを活用した解析事例とそのデータを用いた金型寿命

参考文献1 ）小坂田他：精密鍛造，日刊工業新聞社（2010）79 - 81．

評価の一例を紹介した。実際の金型から破損や摩耗の要因を分析し、金型寿命予測の評価に至るまでには多くの課題を解決する必要がある。これからも金型破損、摩耗に対する地道な情報収集と要因分析を積み重ねる努力が必要である。
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