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1加工技術･技能継承支援ツール
鍛造テンプレートの開発
篠崎吉太郎・近藤孝之・古川慈之・野嶋賢吾・江端幹夫・ 梶野智史・岡根利光 1.鍛造品の例 2.鍛造加工の背景とニーズ 3.試作したテンプレート及びその設計 4.使用例及び今後の課題 第8回知識・技術・技能の伝承支援研究会(SIG-KST)Oct.14th,2009 2 Forging1. 鍛造品の例：クランクシャフト
-炭素鋼、非調質鋼、熱間鍛造品、1,200℃、材料歩留り約80％ -高速回転をしても、騒音・振動がない高剛性、回転バランスが必要 -愛知製鋼株式会社 3 Forging1.2 エンジン用ピストン A4032
-自動二輪車エンジン用ピストン: A4032（11～13.5％Si） -珪素が多く成形が困難 -素材温度: 380℃, 型温度: 200℃、温度に敏感 -宮本工業株式会社 41.3 ポンプ部品 軸受鋼 SUJ2
- 揺動鍛造(円錐形ダイを回転さ せながら行う部分鍛造)を採用し て、軸受鋼 SUJ2を冷間鍛造 -合金鋼、軸受鋼の鍛造は、炭素 鋼の鍛造よりも温度に敏感 51.4 等速ジョイント 組合せ押出し
-容器と軸とを持つ部品の組合せ押出し -1工程で鍛造できることが望ましい -１工程で鍛造するための条件を検討 62. 鍛造加工の背景とニーズ
－鍛造品の約65％は自動車部品 －乗用車の質量の約10％は鍛造品 －鍛造は機械工業を支える基幹技術といえる －生産拠点はグローバル化し、製品はエコ化 －軽量・高強度・コンパクト部品 －高温・高圧に耐える部品 －人体に無害な多様な寸法の医療部品 －ヘリカルギアなど複雑形状部品 人工知能学会第２種研究会資料 SIG-KST-2009-02-03(2009-10-14) *)本資料の著作権は著者に帰属します。2
72.2 鍛造技術の背景と方策
－冷間鍛造圧力は高く、容易に2-4GPa に達する －熱間鍛造品の温度は1,200℃程度 －金型寿命は100,000ショット、寸法精度は数10μm －多種少量、短納期 －機械及び型構造の特性 －鍛造メタルフローの特徴 －工程設計・金型設計 －応力・ひずみ・ひずみ速度・温度 82.3 鍛造メタルフローの特徴
－鍛造品は3次元形状 －鍛造性：ひずみ、ひずみ速度、温度、静水圧 に依存 －鍛造性：材質・物性により異なる －塑性流動に相似則は成立しない （ひずみ速度依存性と温度一定とは両立しない） －塑性流動には不安定現象が認められる －３次元シミュレーターを用いて変形を厳密に表現する －単純化したモデルを用いて主要パラメータを特定し、 評価する 93. 鍛造テンプレートの種類
単純な変形モデルを想定して主要パラメータを特定できるコンパクト なツールを製作した 圧力計算 －容器の後方押出し圧力計算テンプレート －軸の前方押出し圧力計算テンプレート －据込み圧力計算テンプレート －組合せ押出し金型設計テンプレート －多段軸押出し金型設計テンプレート 応力解析 －冷間鍛造用パンチの応力解析テンプレート －締りばめダイの応力解析テンプレート 温度計算 －容器の鍛造中の温度計算テンプレート －軸の鍛造中の温度計算テンプレート 103.2 押出し圧力計算の基礎
R.Hillは加工硬化しない材料を定常引抜き加工するときの 単位体積当りの仕事 は引き抜き圧力 に等しい ことを証明した∫
∫
∫
=
=
=
ω
ε
ε
ω
pd
pYd
Y
d
ε
ε
ω
=
=
∫
d
Y
p pω
:変形抵抗, :相当ひずみ Yε
p
11 押出しは、引抜きと変形が似ているので、Hillの前記定義は 押出しにも適用できると仮定する3.3 前定理を押出しに応用
ε
ω
=
=
Y
p
Y
p 拘束係数 を導入して、次式を得るC
Y
p =
C
123.4 加工硬化の補正
R.Hillによれば材料が加工硬化をする場合は変形抵抗 の代わりに平均変形抵抗 を用いることができる。C
Yd
Y
c m∫
=
0ε
Y
mY
よって次式を得る mY
C
p
=
×
Y
C
p
=
×
: 加工硬化しない材料に対して : 加工硬化する材料に対して3
133.5 温度計算の基礎
計算モデル：加工ｴﾈﾙｷﾞｰの90％は熱となり、鍛造品の温度を高める。 鍛造品の熱は熱伝導により金型に伝わり、鍛造品の温度は低下する 143.6 基礎方程式
C
Y
T
mρ
ε
β
_ 0=
⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ ∂ ∂ + ∂ ∂ = ∂ ∂r
r
r
a
t
T T T22 2 -変形抵抗、相当ひずみ、熱物性値 がわかれば加工熱は計算できる -熱伝導微分方程式は平面、平板、 球に対して解かれている -定常変形をする容器及び軸の押出 し加工において、加工エネルギーを 最小にする速度場の高さは上界法 により推定でき、直径に近いか、や や小さい値になる -変形域を球に見立てれば、球の熱 伝導解析解を利用できる 15
3.7 テンプレート設計の前提
－変形抵抗：高炭素鋼及びアルミニウムの室温、低加 工速度における変形抵抗の実験データを基にして、変 形抵抗はビッカース硬さに比例すると仮定して求めた －拘束係数：定常変形をする軸対称容器の後方押出 し加工及び軸の前方押出し加工に対する上界解を、並 びに円柱の据込み初等解を用いて拘束係数を定めた －拡張子を設け、固有の変形抵抗及び拘束係数を入 力できるようにした 163.8 変形抵抗
－変形抵抗はひずみ 、ひずみ 速度 、及び温度 を 独立変数とする関数と仮定 -焼なました炭素鋼の変形抵抗の実験データ （工藤ら） ) , , ( T Y Y= ε ε&ε
ε& T ) ( ) ( ) ( 2 3 1 f f T f a Y= × ε × ε& × 173.9 拘束係数
-定常変形をする容器及び軸の無次 元化押出し圧力 は工藤により 計算されている -無次元化押出し圧力は拘束係数に 等しい -無摩擦及び無潤滑の2本のグラフの 間の、実際の摩擦条件に対応すると 思われる位置の値を読み取る（摩擦 パラメータ） -断面減少率ｒを用いて、非軸対称問 題にも応用可能 Y p C Yp = 183.10 球の熱伝導解析解
-平面、軸及び球に対し熱伝導微分 方程式は解かれている -球の平均温度を図示した -熱物性値を定め、ビオ数及びフー リエ数を与えれば冷却率がわかる 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 Fo=at/R2 Tm / T0 Sphere Bi=0.1 1 8 2 4 16 32 64 ∞ 0.25 0.54
193.11 テンプレートに入力した熱物性値の例
7.8 5.46 96 0.994 1770 Mg alloy (AZ31B) 2.0 10.13 384 0.380 8920 Cu (C1020) 3.4 9.06 222 0.904 2710 Al (A1100) 98.7 0.32 8 0.537 4420 Ti alloy (Ti-6Al-4V) 46.9 0.41 16 0.499 7920 Stainless steel (SUS304) 17.4 1.27 43 0.433 7830 Low-alloy steel (SCM415) 14.5 50 (assumed) 1.39 52 0.473 7860 Low-carbon steel (S20C) Biot number Bi (R=15mm) Coefficient of heat transfer h kW/(m2K) Thermal diffusivity a ×10-5 m2/s Thermal coductivity k W/(m K) Specific heat C kJ/(kg K) Density ρ kg/m3 Material 204.1 計算結果（寸法効果を評価できる）
0 50 100 150 200 250 0 100 200 300 400 500 600 700 0 1000 2000 3000 Diameter of billet , mm T e m p erat ure , ℃ E x tr u s ion pres s u re , M P a r=70% , 50mm/sBackward extrusion of can
Ti–6Al–4V Ti–6Al–4V A1100 A1100 SUS304 SCM415 SCM415 SUS304 C1020 AZ31B S10C C1020 AZ31B S10C 0 50 100 150 200 250 0 50 100 150 200 250 300 1300 1400 1500 1600 1700 Diameter of billet , mm T e m p er at ur e , ℃ E x tr us io n pr es s u re , M P a S10C r=70%
Backward extrusion of can
200mm/s 100 50 10 25 10mm/s 25 50 100 200 21
4.2 計算値と実験値との比較
600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 0 50 100 150 200 250：Experiment , Mechanical press ：Experiment , Material testing machine ：Calculated , Mechanical press ：Calculated , Material testing machine
r=65% 50% 35% r=65% 50% 35% r=65,50,35% 2.5 5 10 20 Diameter of billet , mm T e m p er a tur e , ℃ E x tr u s io n p re ssu re , M P a S15C 100 200 300 400 0 25 50 75 100 2.5 5 10 20 Diameter of billet , mm E x tr us ion pre s s u re , MP a r=65% 50% 35% 40
：Experiment , Mechanical press ：Experiment , Material testing machine ：Calculated , Mechanical press ：Calculated , Material testing machine A1100 Te m pera tur e , ℃ r=65% 50% 35% A1100 r=65,50,35% 22
