特許 5993321 金型の耐凝着性の評価方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5993321

(24)【登録日】2016年8月26日

(45)【発行日】2016年9月14日

(54)【発明の名称】金型の耐凝着性の評価方法

(51)【国際特許分類】

   G01M 99/00 20110101AFI20160901BHJP

   G01N 3/56 20060101ALI20160901BHJP

【ＦＩ】

   G01M99/00 Z

   G01N3/56 Z

【請求項の数】5

【全頁数】9

(21)【出願番号】特願2013-24550(P2013-24550)

(22)【出願日】2013年2月12日

(65)【公開番号】特開2014-153253(P2014-153253A)

(43)【公開日】2014年8月25日

【審査請求日】2015年9月1日

(73)【特許権者】

【識別番号】000001199

【氏名又は名称】株式会社神戸製鋼所

(74)【代理人】

【識別番号】100061745

【弁理士】

【氏名又は名称】安田 敏雄

(74)【代理人】

【識別番号】100120341

【弁理士】

【氏名又は名称】安田 幹雄

(72)【発明者】

【氏名】阪本 和紀

(72)【発明者】

【氏名】林田 康宏

(72)【発明者】

【氏名】山本 兼司

【審査官】 山口 剛

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００６−２５５７４１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１０−０４６６９８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００５−２４６４６８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭５４−０８６４５５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−０５３０９４（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｍ ９９／００

Ｇ０１Ｎ ３／５６

Ｂ２１Ｄ ３７／００ − ３７／２０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

薄板である被加工材を熱間でプレス成形する金型の耐凝着性を評価する方法であって、
前記被加工材を金型でプレスし、
プレス後の金型の表面に設定した検査領域における被加工材の凝着分布と、前記検査領域における力学的又は熱的な負荷分布と、を求め、
求めた凝着分布と負荷分布とを基に、金型の耐凝着性を評価することを特徴とする金型の耐凝着性の評価方法。

【請求項2】

前記金型は、上金型と下金型とを有しており、
前記検査領域は、上金型と下金型とが対面する領域であって被加工材の強加工領域に対応する領域とされていることを特徴とする請求項１に記載の金型の耐凝着性の評価方法。

【請求項3】

前記凝着分布は、検査領域内における凝着の個数の分布又は凝着の面積の分布とされていることを特徴とする請求項１又は２に記載の金型の耐凝着性の評価方法。

【請求項4】

前記力学的な負荷分布は、検査領域内における面圧の分布とされていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の金型の耐凝着性の評価方法。

【請求項5】

前記力学的な負荷分布として、検査領域内における面圧の逆数を採用すると共に、前記凝着分布として、検査領域内における凝着の個数を採用した上で、
前記凝着分布と力学的な負荷分布との積算値を基に、金型の耐凝着性を評価することを特徴とする請求項１又は２に記載の金型の耐凝着性の評価方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、薄板を被加工材としてプレス成形品を熱間成形する金型に関し、この金型の耐凝着性を評価できる方法に関する。

【背景技術】

【0002】

一般に、薄板を被加工材としてプレス成形品を熱間成形するに際しては、加熱した薄板を金型でプレス加工し、成形品を製造することとなる。係るプレス成形において、プレス成形を繰り返し行った場合、金型の表面に被加工材の表面の一部が凝着する現象が発生する（例えば、図８（ａ）を参照）。このような凝着が頻発するようなプレス成形を行うと、金型が傷んだり、最悪は所望とするプレス成形品が製造できないといった不都合が生じることになる。

【0003】

金型への凝着を起こり易さを評価するために有益と思われる技術が、特許文献１として開示されている。
特許文献１は、第１試験面を有する第１試験片を保持する第１保持手段と、この第１試験面に対峙する第２試験面を有する第２試験片を保持する第２保持手段と、両試験面の接触部分に繰返荷重を印加する荷重印加手段と、繰返荷重が印加された際に、両試験面を繰返し安定的に接触させる接触安定化手段とを備えている凝着摩耗試験装置を開示している。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２００５−９８７５７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

特許文献１に開示された技術は、各種材料の凝着磨耗性に特化して試験、評価できるものと解される。この技術は、材料の温度を制御し、お互いを断続的に点接触または線接触で圧着することのみで凝着を評価している。
しかしながら、車体部品の熱間成形において、金型への凝着が頻発する箇所の近傍は、被加工材と金型との接触状態が面接触であり、また、曲げ、圧着、被加工材と金型との相対滑りなどが一連のプロセスで起こり、その結果として金型への凝着が発生する。よって、特許文献１に開示された技術は接触状態、凝着プロセスの点で、金型でのプレス成形を模擬できておらず、実際の金型（実金型）の耐凝着性を評価することができないものと考えられる。

【0006】

なお、実際のプレス成形にて耐凝着性を評価する場合、金型そのものが巨大かつ高価であり、また、凝着発生までに数千〜数万ショットもの成形回数を要するため、簡易に金型の耐凝着性を評価する方法が切望されている現状もある。
本発明は、上述の問題に鑑みてなされたものであり、金型の耐凝着性を簡易に且つ正確に評価する方法を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

上記課題を解決するため、本発明では以下の技術的手段を講じている。
即ち、本発明の金型の耐凝着性の評価方法は、薄板である被加工材を熱間でプレス成形する金型の耐凝着性を評価する方法であって、前記被加工材を金型でプレスし、プレス後の金型の表面に設定した検査領域における被加工材の凝着分布と、前記検査領域における力学的又は熱的な負荷分布と、を求め、求めた凝着分布と負荷分布とを基に、金型の耐凝着性を評価することを特徴とする。

【0008】

好ましくは、前記金型は、上金型と下金型とを有しており、前記検査領域は、上金型と下金型とが対面する領域であって被加工材の強加工領域に対応する領域とされているとよい。
好ましくは、前記凝着分布は、検査領域内における凝着の個数の分布又は凝着の面積の分布とされているとよい。

【0009】

好ましくは、前記力学的な負荷分布は、検査領域内における面圧の分布とされているとよい。
好ましくは、前記力学的な負荷分布として、検査領域内における面圧の逆数を採用すると共に、前記凝着分布として、検査領域内における凝着の個数を採用した上で、前記凝着分布と力学的な負荷分布との積算値を基に、金型の耐凝着性を評価するとよい。

【発明の効果】

【0010】

本発明の評価方法を用いることで、簡易に且つ正確に、金型の耐凝着性を評価することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】金型の耐凝着性の評価するに際して使用するプレス装置を示した模式図である。

【図2】本発明の評価方法の手順を示した模式図である。

【図3】本発明の評価方法の手順を示したフローチャートである。

【図4】凝着分布の求め方を示した図である。

【図5】求められた凝着分布の一例を示す図である。

【図6】求められた力学的負荷分布の一例を示す図である。

【図7】金型の耐凝着性（耐凝着性スコア）を示した図である。

【図8】金型の表面における凝着の様子を示した写真である。

【発明を実施するための形態】

【0012】

以下、本発明に係る金型の耐凝着性の評価方法について、図を基に説明する。
図１は、本発明に係る金型２の耐凝着性の評価するに際して使用するプレス装置１を示したものである。このプレス装置１は、実際のプレス装置と略同じ構成を有し、プレス元材Ｗ（被加工材）を熱間でプレス成形して所望する形状のプレス成形品を製造するための金型２を有している。

【0013】

金型２は、下金型２ａと、この下金型２ａに向かって下方へ移動し下金型２ａに嵌り込むことで、所望する形状を有したプレス成形品を製造する上金型２ｂを有している。上金型２ｂは図示しない圧下手段により、所定の圧下速度、圧下荷重で下金型２ａに嵌り込むようになっている。
図１のプレス装置１に備えられた金型２は、実際のプレス成形に使用される金型（実金型）であってもよく、実金型の数分の一程度の大きさを有するモデル金型であってもよい。いずれにしても、評価に用いる金型２は、凝着発生状況が評価したい実金型と略同様に発生する必要がある。

【0014】

また、図１のプレス装置１は、被加工材を熱間でプレス成形するものであるため、雰囲気の温度や金型２自体の温度を調整するための温度調節手段３（ヒータ）を備えるものとなっている。
プレス元材Ｗは、鋼、アルミ、チタンなどからなる薄板であって、例えば、３ｍｍ以下の板厚を有している。このプレス元材Ｗには、例えば、メッキ処理などにより亜鉛皮膜が施されており、金型２には、ＰＶＤ処理などによりＴｉＣ（チタンカーバイト）などの表面皮膜が形成されている。

【0015】

上記した金型２を用いて、所望とするプレス成形品を作る際に、数千〜数万回のプレスを行うと、金型２の表面（上金型２ｂであれば下金型２ａと嵌合する面、下金型２ａであれば上金型２ｂと嵌合する面）に、プレス元材Ｗの表面に形成された表面皮膜、乃至はプレス元材Ｗの母材が凝着するようになる。凝着が頻発した場合、金型２が傷んだり、最悪は所望とするプレス成形品が製造できないといった不都合が生じることになる。そこで、金型２における凝着の起こり易さ、言い換えれば、金型２の耐凝着性を正確に評価することができれば、プレス時の雰囲気温度を下げたり、プレス圧下速度を遅くするなどの対策を施すことで、金型２での凝着を回避しつつ、プレス加工を実施することができる。

【0016】

このような状況を鑑み、本発明は、金型２の耐凝着性を正確に評価する評価方法を提供するものである。
さて、金型２への凝着が頻発する箇所は、プレス元材Ｗと金型２との接触状態が面接触
であり、プレス元材Ｗに対して引張力もしくは圧縮力が付与された状態で圧下が行われ、プレス元材Ｗと金型２との相対滑りなどのプロセスが、実金型２と略同様に発生する所とされている。図２の金型２は、側面視で左右方向中央部が凹部となっており、両側部が凸部となっている。この凸部と凹部との境の斜面で、上記したプレス元材Ｗと金型２との相対滑りが発生するものとなっている。

【0017】

図４の斜視図に示すように、評価に用いられる金型２は、同側面形状で奥行き方向に所定の長さを有するものとなっている。
このような金型２（モデル金型）を用いて、図２、図３に基づいて、耐凝着性の評価を行う。
図２、図３に示すように、まず、金型２に備えられた上金型２ｂ（パンチ）、下金型２ａ（ダイ）の間に、プレス元材Ｗを配置し、温度調節手段３にて一定温度まで加熱する。

【0018】

図２は、鋼板（溶融亜鉛メッキ材）をプレス元材Ｗとした場合の例であり、図２（ａ）の如く、温度調節手段３にて金型２近傍の温度（装置内温度）を所定の温度になるまで加熱する（図３のＳ１）。なお、プレス元材Ｗとしては、例えば、板厚１．４ｍｍ、５９０ＭＰａ級の薄鋼板などが採用可能であり、温度調節手段３にて金型２近傍の温度（装置内温度）を、例えば７６０℃になるまで加熱する。なお、この温度調節手段３は、金型２の温度調整（冷却など）を実現するように構成されていることが好ましい。

【0019】

次に、図２（ｂ）の如く、加熱状態で上金型２ｂ、下金型２ａを相対移動させ、プレス元材Ｗをプレス成形する。例えば、装置内温度を７６０℃に保ったまま、圧下荷重１ｔｏｎで上金型２ｂを下金型２ａへ押し付け、２０秒間保持する（図３のＳ２）。モデル金型２は、実金型２と略同じプレス加工状況が再現される凹凸部が形成されているため、モデル金型２によるプレス時には、プレス元材Ｗに実際のプレス時と略同じ曲げ、引張り、金型２〜材料間での圧着、相対滑りが発生する。

【0020】

２０秒の圧下後は、図２（ｃ）の如く圧下状態が解除される。このプレス後の金型２の表面の一部に対して、「検査領域Ｓ」を設定し、この検査領域Ｓで、凝着分布を計測する。詳しくは、図４に示すように、モデル金型２の凸部から凹部に差し掛かる斜面（凹部の内側壁斜面）に対して、検査領域Ｓを設定する。
検査領域Ｓは、上金型２ｂと下金型２ａとが対面する領域であってプレス元材Ｗに強加工が生じる部分に面する部位に設定することが必須とされる。図２に示すモデル金型２の場合、凹部の内側壁斜面が該当する。なお、検査領域Ｓは、斜面である必要はなく、また完全なフラット面である必要もない。一部が曲がっていたり張り出していたりする面であってもよい。プレス元材Ｗと金型２との接触状態が面接触であり、プレス元材Ｗに強加工が生じ、プレス元材Ｗと金型２との相対滑りが発生している部分に対応する金型２の表面を検査領域Ｓとするよい。このように検査領域Ｓを設定することで、当該検査領域Ｓ内にもっとも凝着が発生することになる。

【0021】

図４には、検査領域Ｓを詳細に示した図が開示されている。すなわち、モデル金型２の凹部の内側壁斜面に設定された検査領域Ｓは、斜面方向及び奥行き方向に複数に分割された格子面（例えば、１ｍｍ四方に区切られた単位領域）に分割され、各格子面ごとに凝着の有無を記録することで、凝着の数の分布を定量化する。以上、図３のＳ３の工程である。

【0022】

図５は、下金型２ａにおける検査領域Ｓでの凝着数の記録結果を示したものである。
図５のグラフの横軸は、内側壁斜面に設定された検査領域Ｓの斜面に沿った位置であり、格子の番号で示されている。縦軸は凝着数Ｎであって、凝着が存在する格子点の個数を奥行き方向（同じ横軸の値）に積算したものである。この図５を参照すれば、格子２の位置に７個の凝着が存在し、格子３の位置に４個の凝着が存在し、格子４の位置に６個の凝着が存在することが判る。

【0023】

一方で、モデル金型２に対する数値シミュレーション（成形力学モデルを用いたシミュレーションなど）を行い、検査領域Ｓにおける面圧Ｋを算出する。その上で、検査領域Ｓにおける面圧の逆数Ｋ^−１の分布を求める（図３のＳ４）。
図６は、２次元成形力学モデルを用いたシミュレーションを行った結果で求められた面
圧の逆数の分布Ｋ^−１を示している。シミュレーションにおいては、プレス元材Ｗは弾塑性体、金型２は弾性体として計算を行っており、力学的負荷分布は、面圧の逆数Ｋ^−１を検査領域Ｓ全体で正規化した分布とされている。なお、面圧の逆数Ｋ^−１の正規化は必須ではなく、後述する耐凝着性スコアの数値が適切なものとして算出されるのであれば、正規化は必要ない。

【0024】

凝着数Ｎの分布、及び、面圧の逆数Ｋ^−１の分布が求まった後は、凝着の数の分布と面圧の逆数Ｋ^−１の分布とを掛け合わせ積分する（分布の同一点の値を積算し総和をとる）ことで、耐凝着性スコアを得ることができる（図３のＳ５）。この耐凝着性スコアが低いほど、金型２での凝着が起こりにくく、耐凝着性は高いことになる。
本実施形態の耐凝着性スコアは、以下のような意味を持つ指標である。

【0025】

本来、プレス成形を行う金型２においては、プレス元材Ｗの凝着を完全に避けて通ることはできない。金型２のいずれかの部位（例えば、高い面圧が発生する円弧部など）に凝着が起こることは避けがたい。逆に、金型表面で面圧が低い領域には、凝着が起こり難いことは知見されている。
このような知見の基、金型２の耐凝着性を考えてみると、金型形状が比較的急峻に変化する部分であったり、面圧が高い部分に凝着が発生することは想定の範囲内であり、このような凝着の発生をもってして、金型２の耐凝着性が低いとは考えるのは性急な判断である。一方で、金型２の表面の面圧が低い部分において凝着が発生することは由々しきことであり、低面圧部での凝着が発生する場合には、金型２の耐凝着性が低いと見なせる。

【0026】

すなわち、図６において面圧の逆数の分布を採用したのは、過去の知見から面圧が高いほど凝着が起こりやすい事が判っており、凝着が起こりにくい領域に凝着が起こることを確実に評価したいためである。「凝着が起こりにくい領域に凝着が起こる、すなわち、耐凝着性が低い」という事実を評価指標内に定量的に取り込むためである。
このような状況を確実に反映する指標として、凝着の数Ｎの分布と面圧の逆数Ｋ^−１の分布とを掛け合わせ積分することで得られる、本実施形態の耐凝着性スコアは有益である。

【0027】

図７は、幾つかの金型２において、耐凝着性スコアを求めた結果である。
金型２の表面に何も皮膜が無く、凝着が起こりやすい金型２（図７の未皮膜）は、耐凝着性スコア＝１３．２と高数値であり、耐凝着性が低いことになる。一方で、金型２の表面に耐凝着用の皮膜が形成された金型２は、耐凝着性スコア＝７．８１（図７の皮膜Ａ）、耐凝着性スコア＝４．５７（図７の皮膜Ｂ）と低数値であり、耐凝着性が高いことがわかる。つまり、金型２の耐凝着性が相対的に評価できており、また実際の凝着の目視評価（図８）とも一致する結果が得られている。

【0028】

以上述べたように、熱間プレス成形用の金型２の耐凝着性を評価する方法において、プレス元材Ｗを金型２でプレスし、プレス後の金型２の表面に設定した検査領域Ｓにおけるプレス元材Ｗの凝着分布と、検査領域Ｓにおける力学的負荷分布とを求め、求めた凝着分布と力学的負荷分布とを基に、金型２の耐凝着性を評価することにより、金型２の耐凝着性を簡易に且つ正確に知ることができるようになる。言い換えれば、本発明の評価方法を用いる事で、単なる目視評価だけでなく、力学的な凝着の起こりやすさも内包した指標（耐凝着性スコア）で各種被膜を施した金型２の耐凝着性を定量的に相対評価する事ができる。また、本発明の評価方法おいては、凝着を再現しやすいモデル金型を採用することで、少ない成形回数（１〜１０回程度）で凝着を発生させることができ、短時間での凝着評価が可能となる。

【0029】

なお、今回開示された実施形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。特に、今回開示された実施形態において、明示的に開示されていない事項、例えば、運転条件や操業条件、各種パラメータ、構成物の寸法、重量、体積などは、当業者が通常実施する範囲を逸脱するものではなく、通常の当業者であれば、容易に想定することが可能な値を採用している。

【0030】

例えば、検査領域Ｓにおける力学的負荷分布として、面圧の逆数Ｋ^−１を採用したが、それに代えて、熱的負荷分布（例えば、検査領域Ｓにおける温度分布の逆数Ｔ^−１）を採
用してもよい。求めた熱的負荷分布と凝着分布とを基に、金型２の耐凝着性を評価してもよい。
また、力学的負荷分布として、検査領域Ｓにおける歪み、滑り量、応力等などを採用することもできる。凝着分布として、検査領域Ｓ内における凝着の面積の分布を採用してもよい。

【符号の説明】

【0031】

１ プレス装置
２ 金型
２ａ 下金型
２ｂ 上金型
３ 温度調節手段
Ｓ 検査領域
Ｗ プレス元材（被加工材）

【図1】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図2】

【図7】

【図8】