技術論文

熱間鍛造金型割れ防止技術の開発
Technical design for prevention of cracking of hot forging die井手洋文＊1

中﨑盛彦＊2鎌田諒大＊3

北城弘樹＊4

瀬川勝敬＊5

Hirofumi IDE, Morihiko NAKASAKI, Ryota KAMATA, Hiroki KITAJOH and Katsunori SEGAWA

Synopsis: Die crack is one of the popular factors affecting die life in hot forging. Die crack occurs comparatively in early stage inservice. Reduction of die crack serves large improvement of die life. Application of high toughness tool steel andreduction of the stress which causes die crack are effective to improve die life. Generally, toughness has a trade-off
relationship with high temperature strength. Application of high toughness tool steel, which sacrifices strength tosome extent, tends to increase amount of. On the other hand, dominant factor affecting the stress which causes die
crack is unclear. The aim of this research is to improve a life of die for connecting rod. Popular damage of connecting
rod die life is die crack. Die life has been improved by two processes. One is application of QDT for connecting rod
die material. QDT bears excellent balance of toughness and high temperature strength. The other is decrease ofmaximum principal stress by die shape optimization. Die shape is optimized by combination of CAE analysis andquality engineering. This combination decreases the number of test and reduces maximum principal stress.
Maximum principal stress decreased from 835MPa to 520MPa. As a result of test, die life index improved from 0.87
to 1.46.

Key words: Hot forging, die life, quality engineering, maximum principal stress, sensitivity, signal to noise ratio

1. 緒言

し，さらに品質工学を組み合わせた手法を用いることで，実機での試行回数を低減させると同時に，ばらつきの影響

熱間鍛造における金型寿命要因として，割れ，摩耗，ヒーを減衰させることが可能となる．また,品質工学の評価指トチェック（熱疲労き裂），欠け，変形，へたりなどが挙標である感度に着目することで,金型への負荷応力を低減げられ，損傷形態としては摩耗，変形，疲労破壊，割れのさせることが可能と考えられる．本研究では，コネクティ4つに分類できる ．損傷形態の内，摩耗が全体の要因のングロッド金型割れ防止技術の開発を目的として，CAE解７～８割を占める2）一方，金型割れは比較的短寿命で発生

析により金型割れの原因を推定し，CAE解析と品質工学をするため，これを防止することによる寿命改善効果は大き組み合わせた手法により，割れ発生につながる応力を低減

い．金型割れ対策としては，高靱性工具鋼の適用や割れ発させる金型形状の設計法を検討した．さらに，高靭性工具生につながる応力の低減などが考えられる．高靭性工具鋼鋼の適用による金型寿命の向上についても併せて検討した．

1）を適用することで靭性は向上し，金型割れを防止すること

2. コネクティングロッドの金型割れに関する現状把握ができる．しかし，一般的に靭性を向上させるには硬さを低減させる必要があり，この場合摩耗が増大する傾向となる．また，金型の割れ発生と負荷応力の関係について検討した事例3） はあるが，応力を効果的に低減させる要因は，対象としたコネクティングロッドは，クランクプレスに金型形状や温度，鍛造条件など多くの因子が複雑に絡みより3工程の熱間鍛造後，バリ抜きを行う工程で製造され合っており，要因を特定するためには実機による多くの試ている．熱間鍛造における鍛造品の形状をFig.1に示す．

行が必要であった．

コネクティングロッドは，I-section，大環部O-section，

これに対し，実機による試行の代わりにCAE解析を適用
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研究・開発センター 加工プロセスグループ
研究・開発センター 加工プロセスグループ長
TDF株式会社 生産技術部 生産技術課
TDF株式会社 設備部 設備課 課長代理
元TDF株式会社

小環部o-sectionで構成される．本研究では#3工程までを博士(工学)62Sanyo Technical Report Vol.21 (2014) No.1

熱間鍛造金型割れ防止技術の開発

解析対象とした．現行被加工材はS53C系の鋼材,金型材はドの複雑形状を精度よく再現するため，被加工材の要素数SKD61である．金型割れについて調査した結果，Fig.2にを70000，金型応力解析での金型要素数を500000とし示すように，割れは主に＃2工程および，＃3工程金型のた．金型割れには，引張応力が影響すると考えられるため，I-sectionで発生していることがわかった．被加工材質及び面圧転写解析で得られた金型の最大主応力により評価した．

硬度が異なる類似品の調査を行ったところ，材質の違いに
Table 1 Condition for CAE analysis(mass%)

より被加工材の硬度が低い類似型番では金型割れの発生は確認されないことから，現行型番の被加工材の硬度が高いことが金型割れ発生に影響していると考えられる．実際の金型寿命を類似型番の平均寿命で除したものを金型寿命指数と定義すると，本報告の目標である類似型番の金型寿命指数1.0に対し，現行金型寿命指数は平均0.87であった．
また，金型は寿命到達後に切削して再使用するが，金型割れが深いため，金型切削量を類似型番の4倍以上と大きくする必要があるなど，寿命が短いのみならず金型の使用可能回数も少ない状態であった．

3.2 最大主応力の低減のための品質工学を用いた金型形状の最適化
品質工学は，試行回数を少なくする実験計画法をベースとして，ノイズによる目的特性のばらつきの影響を減衰させる手法である4）．ノイズは生産上のばらつきを発生させる要因であり，これをSN比を用いて評価することで，ノイズが目的特性に及ぼす影響が小さくなる条件を決定できる．また，目的特性とそれを変化させるパラメータの傾きβにより算出される感度Sを評価することで，目的特性のFig.1 Intermediary and final shapes of hot-forgedconnecting rod

大きさを理想値に近づけることができる． SN比η，ならびに感度Sはβを用いて以下の（1）,（2）式で示される．
SN比：
感度：…（1）…（2）β：目的特性と目的特性を変化させるパラメータの傾き
s：標準偏差最大主応力低減のための金型形状の最適化手順をFig.3に示す．本研究では，最大主応力が小さく，鍛造温度による最大主応力のばらつきが小さい金型形状を得ることを目Fig.2 Example of die crack

的とし，目的特性を金型の最大主応力，ノイズを鍛造温度，

3. 実験結果

感度を金型の最大主応力と鍛造時のストロークの傾きと設定した．

3.1 CAE解析による金型割れの原因推定

ノイズである鍛造温度の影響を確認するため，初期材料金型にかかる応力を算出するため，第一に，金型を剛体温度を1150℃，1230℃の2条件として変形解析を行っとしてコネクティングロッド鍛造各工程の3次元剛塑性変た．感度を算出する際，最大主応力を求めるために各スト形解析を行った．第二に，剛塑性解析にて得られた面圧をロークで金型応力解析を行う必要があるが，すべてのスト弾性体金型に転写し，応力解析する手法を用いた．解析にロークで最大主応力を求めることは困難である．そこで，

は 市 販 の 有 限 要 素 解 析 ソ フ トDEFORM 3D を 用 い，最大主応力と相関があると考えられる荷重に着目し，荷重Table 1に示す条件で解析を行った．コネクティングロッとストロークの関係から最大主応力を算出するストローク

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熱間鍛造金型割れ防止技術の開発を以下のように決定した．コネクティングロッドは半密閉Table 2 control factors

鍛造で成形されるため，加工末期において荷重が急激に増加することから，加工末期の線形近似が可能である3点を最大主応力を算出するストロークとした．金型応力解析により得られた最大主応力から感度を算出し，感度が小さくなる条件を検討した．鍛造温度による最大主応力のばらつきをSN比により評価し，SN比が大きくなる条件を検討した．
3.3 最適金型による高靭性金型材料の実機適用検討

最大主応力に大きく影響すると考えられる金型形状を制御因子として，Fig.4に示すようにA ～ Eの5種類を設定し金型割れの対策としては，硬度を下げることによって金た．それぞれの制御因子の水準をTable 2に示すように設型材料の高靭性化を図ることが一般的であるが，高温強度定した．水準1は現行金型形状である．これらの制御因子，も低下することから摩耗が発生し易くなる傾向となる．そ水準をL18直交表に割り付けた．直交表を用いることで少こで，現行の金型材であるSKD61相当の高温強度を保ち，数の試行での最適条件の検討が可能となる ．L18直交表にかつ高い靭性を有する高靭性工具鋼QDTの適用を検討し割り付ける制御因子の数は通常8因子であるが,本研究でた．Fig.5にSKD61とQDTの 高 温 強 度 を 示 す．QDTはは,5因子を設定した．

SKD61と同等の高温強度を有している．また，Fig.6に4）

SKD61とQDTのシャルピー衝撃値を示す．QDTの高温衝

L18直行表に基づき，＃1工程，＃2工程，＃3工程の剛撃値はSKD61以上の特性を有している．

塑性解析を行った後，最大主応力を求めるため，金型応力以上に示した品質工学による最適金型での金型寿命向上

解析を行った．

効果と，高靱性工具鋼QDTの適用の効果を確認するため，従来金型材料SKD61とQDTの2鋼種を用いて，現行金型および最適金型形状での実機テストを行った．

Fig.5 High-temperature strength of SKD61 and QDT

Fig.3 Flow chart of die shape optimization procedure

Fig.4 Control factors in determining die shapeFig.6 High-temperature Charpy impact value of SKD61 and QDT64

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4. 実験結果及び考察

4.2 最大主応力を低減する最適金型形状の検討
CAE解析で求めた最大主応力を元に算出した＃2工程の4.1 CAE解析による金型割れの原因推定

各制御因子における各水準のSN比，感度をFig.9に示す．

Fig.7に3次元剛塑性変形解析によって得られた現行#2

感度が小さいほど最大主応力を小さく，SN比が大きいほ工程における荷重―ストローク曲線を示す．加工末期に荷ど最大主応力の温度によるばらつきを小さくすることが可重は急激に増加し，下死点直前で荷重は最大となっている．

能である．

ストローク率0.90 ～ 1.0では線形に近いことが確認され通常，品質工学ではSN比が大きくなる条件を優先的にたため,金型応力解析を行うストローク率を線形範囲内の選択するが，本研究では最大主応力を低下させることに着0.95,0.97,最大荷重点とした.

目して，感度を小さくかつSN比を低下させない条件を最Fig.8に現行金型の最大荷重点における最大主応力分布適とする，以下の選択方法により検討した．まず，各制御を示す．I-sectionに最大主応力が高い領域が確認され，こ因子で感度が小さく，SN比が大きくなる水準を検討した．の領域は，実際の割れ位置とほぼ一致することがわかった．

感度，SN比が両立できない条件では平均値に近い値としこのことから，最大主応力が金型割れに大きく関与していた．また，一方の指数の変化が少なく，もう一方の変化がることが考えられた．当該領域の連続5点の平均値を算出

大きい場合は，指数が大きく改善する条件を選択した．例

すると835MPaであった．この最大主応力を下げることえば，制御因子Eでは感度は平均値よりわずかに増加するが金型割れ防止につながると考えられる．

が，SN比が平均値より大きく増加する水準③を選択している．ただし，制御因子Aでは，最大主応力を低下させる

Fig.7 Load-stroke curve in ＃2 process

Fig.8 Distribution of maximum principal stress in ＃2 process

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ため感度が小さい水準①を選択した．

テストを行った結果をFig.10に示す.材料のみを変更した

以上の方法により，＃2工程最適金型形状をFig.9の丸で「QDT+現行金型」と金型形状を最適化した「SKD61+最囲っている水準に決定した．最適金型形状をTable 3に示

適金型」はいずれも金型寿命指数の目標値1.0を達成した．

す．＃2工程を最適金型とした場合の最大主応力を算出し「QDT+現行金型」では，テスト材の硬さが高かったため，た 結 果， 現 行 金 型 の835MPaよ り38%低 い520MPaと金型寿命指数1.0を超えたところで金型割れが発生したなった．制御因子C,DはI,o-sectionフラッシュ厚であり,が，カラーチェックによる金型割れの目視確認を行った結大きくすることで負荷を小さくできると考えられていた

果，Fig.11に示すように「QDT+現行金型」の金型割れはが,いずれのフラッシュ厚も最大の5.0mmではなく中間のFig.2に示す「SKD61+現行金型」より軽微であった．

4.5mmが最適であることがわかった. ＃3工程も同様の基「QDT+最適金型」では金型寿命指数1.46と目標値を大準で検討し，最大主応力が最も低い形状を決定した．

きく上回る結果が得られた．また，「QDT+最適金型」とすることで金型割れの深さが浅くなり，金型切削量を類似

4.3 実機テストによる効果の確認

型番と同等レベルとすることができた．金型摩耗は従来と従来材料SKD61と高靱性工具鋼QDTを用い，現行金型同等レベルであった．これは，QDTがSKD61と同等の高形状，品質工学により算出した最適条件金型形状にて実機温強度を有しているためと考えられる．

Fig.9 Relationship between SN ratio, sensitivity and control factor in ＃2 process
Table 3 Previous and modified design for the die

Fig.11 Appearance of die crack

Fig.10 Die lives of modified dies

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5. 結言

参考文献

熱間鍛造金型の寿命向上を目的として,高靭性工具鋼

1）辻井信博：山陽特殊製鋼技報 Vol.7（2000）

QDTの適用，ならびに金型形状の最適化手法の確立を行い，No.1,65.

以下の知見を得た．

2）土屋能成，中西広吉，松井宗久，田中利秋，鈴木寿（1）コネクティングロッド金型応力解析を行った結果，之，野上芳和，明石忠雄：トヨタテクニカルレビュー

I-section の最大主応力が高い位置と実際の割れの位

Vol.36 （2001）No.4,47.

置が一致した．このことから，最大主応力が金型割

3）社会法人日本鍛造協会：「鍛造金型寿命の向上のためれに大きく関与しており，これを低減させることにの支援システムの開発」成果報告書（2009）.

より金型割れ発生抑制が可能と考えられた．

4）立林和夫：「入門タグチメソッド」，（2009）．

（2）CAE 解析と品質工学を組み合わせた方法により，金型割れを防ぐ最適金型形状を決定した．その結果，#2工程の最大主応力を現行比 38% 減の 520MPa まで抑制できた．
（3）高靱性工具鋼 QDT を用い，最適金型形状で実機テストを行った結果，金型寿命指数は 1.46 となり，寿命の目標値 1.00 を達成した．また，金型割れの深さが浅くなることで，金型切削量を類似金型と同等レベルとすることができた．
以上のように，CAE解析と品質工学を組み合わせることにより，熱間鍛造における金型割れを低減する金型形状の最適化技術を開発することができた．今後，他の金型に適用拡大し，最適化を行うことにより，更なる生産性の向上，コストダウンに貢献する所存である．

■著者

井手 洋文

中﨑 盛彦

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