円管の口絞り加工におけるカーリング現象の 有限要素シミュレーション 塑性加工研究室 明石和繁 歩留まり 向上 揺動鍛造１段目 揺動鍛造２段目 → カーリング発生 穴抜き 打抜き 巻き，溶接 スピニング加工 スピニング 加工 (a)一般的方法 (b)本研究 シミュレーション ただいまより，発表します． ディスク成形においては（ａ）に示すように従来板材を円形に打ち抜き，スピニング加工して成形されていました．しかし，この方法では赤に示すような無駄な部材が多く歩留まりの向上を目的として，（ｂ）にしめすような，円管を口絞り加工する方法が用いられ始めています．しかしこの方法ではカーリングが発生する問題があり，本研究ではその解析のため有限要素シミュレーションを行いました． 図 ディスク成形の手順
軸対称鍛造で近似して有限要素シミュレーション 管端部のカーリング現象 第２段加工の進行 圧縮変形 カーリング発生 カーリング量＝ Δl a 割れ発生 第２段の加工では途中，このようなまくれ込み，カーリングが発生します．カーリングが発生すると，はじめ圧縮変形を受けていた素材端部に引っ張り応力が発生し，内側端部での割れの原因となります． そこで本研究ではこのように無次元化したカーリング量を定義しました． そして，三次元で成形が行われる揺動鍛造を軸対称鍛造で近似して有限要素シミュレーションを行いました． 引張り応力 Δl a 内側端部の割れ 軸対称鍛造で近似して有限要素シミュレーション
図 有限要素シミュレーションで用いたダイス形状 β α β 実際の加工に用いられているダイスは複雑なため，簡略化したダイスを用いました．図に示す角度αを４５，５０，６０，７０°，βを３０，４０，４５，５０°と変化させ，それぞれの組み合わせについてシミュレーションを行いました α = 45°50°60°70° β = 30°40°45°50° (a) 第１段 (b) 第２段 図 有限要素シミュレーションで用いたダイス形状
シミュレーション条件 図 素管形状 シミュレーション条件 高さ ｈ 194mm 外径 Ｄ 407mm 肉厚 t 12mm 摩擦係数 0.25 ｔ Ｄ シミュレーション条件 高さ ｈ 194mm 外径 Ｄ 407mm 肉厚 t 12mm 摩擦係数 0.25 変形抵抗 MPa 素材 炭素鋼 シミュレーションで用いた素管寸法です． ダイスの条件です． 図 素管形状
軸対称シミュレーション結果 第２段 第１段 シミュレーションの結果です．ここまでが第１段です． ここからが第２段です．途中で素材が大きく反り返っているのがわかります．
図 第２段加工におけるカーリング量，荷重の変化 図 第２段加工におけるカーリング量，荷重の変化 （α＝５０°，β＝４０°）
ダイス角αを小さく，βを大きくした方がカーリング量は小さくなることがわかりました．しかし，ダイス角αが小さいときの方が第２段における荷重の最大値が大きくなっています． 図 ダイス角度によるカーリング量の変化
図 ダイス角度による変形荷重の変化
α＝70° β＝30° α＝45° β＝50° ダイス角の影響 図 ダイス角αの影響 図 ダイス角βの影響 第１段終了時 第２段開始時 図 ダイス角αの影響 第１段終了時 α＝70° α＝45° β＝30° β＝50° 図 ダイス角βの影響 第２段開始時 ダイス角αが小さい方が第１段の加工が終了したときに素材が寝ています．よって第２段での変形量が少なくなりカーリング量も少なくなると考えられます． 一方，ダイス角αが小さくなると第２段における変形荷重が大きくなるのは，素材が寝ているために素材とダイスとの接触面が大きくなり，結果として変形領域が大きくなるためだと考えられます． ダイス角βが大きくなると図のように上ダイス平坦部がより下に位置し，素材端部との接触が早くなることから，カーリング量が抑えられると考えられます．
円管の口絞り加工におけるカーリング現象の 有限要素シミュレーション ダイス角度αを小さくするとカーリング量は小さくなる． ダイス角度βを大きくするとカーリング量は小さくなる． ダイス角度αが大きくなると荷重が高くなるため無制限に 小さくすることは出来ない ダイス角度βが大きくなると後工程での加工が困難になる ため無制限に大きくは出来ない