CN109562442A - 模具的寿命预测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种模具的热疲劳寿命的预测方法。一种模具的寿命预测方法，其是预测具有硬度H的模具材料，重复接触被加工材料时的加热与接触被加工材料后的冷却的模具的热疲劳寿命的预测方法，求出通过接触被加工材料而得到加热的模具的温度分布，根据所述温度分布求出模具中产生的热应力分布，根据所述热应力分布，求出模具的位置x处的热应力最大值σ_{h_MAX}、及此热应力最大值σ_{h_MAX}时的温度T_h，使用硬度H的模具材料，求出温度T_h下的屈服强度σ_y(T_h)、及经冷却时的模具的温度T_c下的收缩率将σ_{h_MAX}、σ_y(T_h)及代入以下的关系式中，由此求出模具的位置x处的热疲劳寿命N。(C₁、C₂、m、n为常数)。

Description

模具的寿命预测方法

技术领域

本发明涉及一种预测模具的热疲劳寿命的方法。

背景技术

在压铸模具、热锻模具等其作业面与高温的被加工材料接触来使用的模具中，进行利用与被加工材料的接触的加热、及利用水溶性脱模剂或润滑剂等的冷却，因此模具表面承受压缩及拉伸的热应力。而且，在实际操作中，由于反复承受此热应力，因此在模具表面上产生热疲劳裂纹，例如在模具的作业面上，此裂纹被转印至被加工材料上。若此裂纹的转印逐渐地猛烈，而无法使用模具，则会废弃此模具。尤其在压铸模具中，由热疲劳所产生的裂纹成为最大的废弃原因，而强烈期望提升此热疲劳寿命。

针对此种问题，之前将提升模具的硬度或应用改善了高温强度的模具材料等作为对策，也存在效果实际提升的情况。但是，模具的热疲劳寿命与模具的材料特性或热应力负荷的关系并不明确，因此若不试着实际应用，则不清楚可获得何种程度的寿命提升。因此，存在如下的情况：寿命未提升至所期待的程度，重复试行错误，改善耗费时间与成本。

因此，提出有根据模具的材料特性及使用中的模具中产生的热应力分布，预测模具的热疲劳寿命的方法(专利文献1)。即，其为如下的方法：根据已求出所述热应力分布的模具的规定的位置x处的加热时的温度T_h及热应力σ_h、以及模具材料的温度T_h下的规定的模具硬度中的屈服强度σ_y(T_h)及冷却时的温度T_c下的规定的模具硬度中的收缩率通过 的式子，预测模具的规定的位置x处的热疲劳寿命N(C₁、C₂、m、n为常数)。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利第4359794号公报

发明内容

发明所要解决的问题

根据专利文献1的方法，即便重复模具的试制等，也可以高效地找到适合于作为目标的寿命提升的模具的硬度或模具材料，可节省模具的寿命提升所耗费的时间与成本。

但是，在专利文献1的情况下，在提高利用所述方法预测的模具寿命的相对于实际的模具寿命的精度方面，存在改善的余地。

本发明的目的在于提供一种高精度地预测模具的热疲劳寿命的方法。

解决问题的技术手段

本发明是一种模具的寿命预测方法，其是预测具有硬度H的模具材料，重复接触被加工材料时的加热与接触被加工材料后的冷却的模具的热疲劳寿命的方法，

求出通过接触被加工材料而得到加热的模具的温度分布，

根据所述温度分布求出模具中产生的热应力分布，

根据所述热应力分布，求出模具的位置x处的热应力最大值σ_{h_MAX}、及此热应力最大值σ_{h_MAX}时的温度T_h，

使用硬度H的模具材料，求出温度T_h下的屈服强度σ_y(T_h)、及经冷却时的模具的温度T_c下的收缩率

将所述σ_{h_MAX}、σ_y(T_h)及代入以下的关系式中，由此求出模具的位置x处的热疲劳寿命N。

(C₁、C₂、m、n为常数)

在本发明的情况下，优选每当模具的使用时间经过0.5秒以下的时间时，求出所述模具的温度分布及模具中产生的热应力分布。

另外，在本发明的情况下，优选所述模具的位置x为具有2.0mm以下的角半径的作业面。

发明的效果

根据本发明，可高精度地预测模具的热疲劳寿命。

附图说明

图1是表示本发明的模具的寿命预测方法的一例的流程图。

图2是表示利用有限单元法(finite element method)对模具进行了网格划分的概略部分剖面、及此剖面中的温度分布的例子的图。

图3是表示利用有限单元法对模具进行了网格划分的概略部分剖面、及此剖面中的热应力分布的例子的图。

图4是表示模具的特定的位置处的温度与热应力的变迁的关系的图表。

图5是表示实施例中所使用的模具的形状的图。

图6是根据实施例的温度分布所制作的模具的作业面上的温度分布图的一例。

图7是根据实施例的热应力分布所制作的模具的作业面上的热应力分布图的一例。

图8是表示在利用实施例中所使用的模具的实际的压铸中，模具已到达热疲劳寿命时的V槽中产生的裂纹的剖面图。

具体实施方式

本发明的特征在于：关于用于求出模具的任意的位置x处的热疲劳寿命N的“热应力σ_h”的值，从模具加热时所产生的热应力σ_h之中抽取“最高值”来使用。

将本发明的一实施例的模具寿命的预测方法的所有步骤示于图1中。以下，对各步骤进行详细说明。

(a)＜求出模具的温度分布(步骤A)＞

首先，为了求出后述的构成模具的模具材料的屈服强度或收缩率，必须先知道模具的硬度H。然后，在具有此硬度H的模具材料，重复接触被加工材料时的加热与接触被加工材料后的冷却的模具的使用中，求出通过接触被加工材料而得到加热的模具的温度分布。所述硬度H可设为室温时的值。而且，例如在压铸模具的情况下，所述温度分布是从通过将熔融金属注入此压铸模具的模腔中来对模具进行加热的状态，至铸造后的压铸零件被从模腔中取出且模具已得到冷却的状态为止的模具的一连串的温度分布。此温度分布例如可通过有限差分法或有限单元法等数值计算来求出。此时，作为温度分布的计算的前提，若有必要，则使用比热、导热率等模具材料的物性值。

作为一例，表示通过有限单元法来求出温度分布的方法。图2是利用划分单元2对模具1进行了网格划分时的模具1的应力集中部(凹部)的剖面的温度分布例。温度分布由温度等值线3表示。首先，对模具整体进行网格划分并设定热负荷条件。作为热负荷，可设定传热系数及环境温度、或设定热通量(heat flux)。在图2中，为了简单化，二维地表示应力集中部，但也可以三维地进行分析。

继而，进行各单元的导热分析，并根据计算结果制作温度分布图。此时，为了提升寿命预测的精度，优选将在实际的模具中实测的温度也用于计算结果中获得的模具的温度，而使计算结果最佳化。例如，可使用在实际的模具表面上实测的温度。在实际的模具表面的温度的测定中，例如可使用红外线温度记录法等以非接触的方式测量温度的装置。当计算结果中获得的模具的温度与测定温度不同时，可重新考虑所述热负荷条件并再次进行计算。

(b)＜根据步骤A中求出的模具的温度分布来求出热应力分布(步骤B)＞

根据所述温度分布图(图2)，例如通过有限单元法等数值计算来求出模具中产生的热应力分布。此时，作为热应力分布的计算的前提，若有必要，则使用应力-应变间的关系中的各种系数、线膨胀系数等模具材料的物性值。

首先，由于模具1的模型被网格划分，因此对其设定限制条件。在此限制条件中，例如可对应于从模具的周围起的固定状态等，对划分单元2的各边设定限制方向等。

然后，可进行各划分单元2的热应力分析，并根据计算结果制作热应力分布图。图3中表示所求出的热应力分布图的一例。热应力分布由热应力等值线4表示。而且，位置“x_s”表示应力集中部。

(c)＜根据步骤B中求出的热应力分布，求出模具的任意的位置x处的热应力最大值σ_{h_MAX}、及此热应力最大值σ_{h_MAX}时的温度T_h(步骤C)＞

专利文献1的方法对于预测模具寿命，选定适合于作为目标的模具寿命的提升的模具的硬度或模具材料确实有用。但是，在专利文献1的方法的情况下，在模具的任意的位置x处，例如在模具使用中将模具的“温度变成最高的时间”作为基准，根据在所述温度变成最高的时间处“同时”产生的一对温度场与应力场的关系来算出寿命。此时，为了提升模具寿命的预测精度，其实有效的是将用于算出所述寿命的所述热应力σ_h指定为模具加热时所产生的热应力中的“最高值”。而且，在实际的模具中，在任意的位置x处温度变成最高的时间在每个所述位置x处不同。进而，在所述位置x处，所述温度变成最高的时间未必与热应力变成最高的时间一致。

作为一例，将压铸模具表面(模腔面)的特定的位置处的使用中的温度与热应力的变迁的关系示于图4中。横轴表示从铸造开始起的时间，纵轴表示温度与热应力值。铸造开始后，随着模具表面的温度上升，热应力值变大，热应力在时间t₁处取得最大值。但是，温度在其后的时间t₂处变成最大。热应力主要由周围的温度场决定，因此未必在特定的位置的温度变成最高的时间处热应力也取得最大值。因此，例如在计算铸造中产生的一连串的热应力后，需要在想要预测寿命的各位置处探索并抽取热应力的最大值的作业。

本发明的模具的寿命预测方法准备了后述的关系式，并将所述热应力σ_h等值代入此关系式中来求出热疲劳寿命N，因此此寿命N因代入的热应力σ_h的值而变化。因此，在此点上，对于提升模具寿命的预测精度而言，理想的是使用中的模具中产生的热应力σ_h的值也正确地选择其最大值。而且，为了此目的，必须在模具的任意的位置x处，将模具的使用中的温度变成最高时的时间作为基准，不单纯地选择此时间的热应力值σ_h，而算出使用周期中的一连串的温度场与应力场，并从所述一连串的热应力σ_h中抽取热应力的最大值σ_{h_MAX}。而且，不将所述温度单纯地设为所述最高的温度，必须设为热应力的值为最大值σ_{h_MAX}时的温度T_h。

另外，例如在如图4所示的使用中的模具的温度与热应力的变迁的关系中，存在所述热应力变成最大的时间t₁与温度变成最大的时间t₂的差因模具的使用形态等而小的情况。即便在此种情况下，为了提升模具寿命的预测精度，若可认知存在所述小的差，则也有效。而且，为了认知所述小的差，有效的是在模具的一连串的使用时间之中，每隔短的经过时间求出所述步骤A中求出的模具的温度分布、及步骤B中求出的模具中产生的热应力分布。而且，例如优选将所述短的经过时间设为0.5秒以下。更优选0.4秒以下，进而优选0.3秒以下。而且，进而更优选以0.2秒以下、0.1秒以下的顺序设定。

(d)＜使用构成模具的硬度H的模具材料，求出所述温度T_h下的屈服强度σ_y(T_h)、及模具经冷却时的模具的温度T_c下的收缩率(步骤D)＞

而且，在本发明的模具的寿命预测方法中，为了使用后述的关系式来求出热疲劳寿命N，需要模具的屈服强度σ_y(T_h)及收缩率此时，屈服强度σ_y(T_h)是温度T_h下的值。另外，收缩率是冷却时的温度T_c下的值。此屈服强度σ_y(T_h)及收缩率的值可另外准备具有硬度H的模具材料来求出。在此情况下，所述硬度H可设为室温时的值。而且，所述屈服强度σ_y(T_h)及收缩率的值也可以对在各种温度下事先测定者进行机械特性数据库化。

另外，冷却时的温度T_c例如可设为在从模具中取出成形品(压铸零件)的步骤中，已将上模与下模打开时、已从模具中取出成形品时、已将模具冷却时等的进行寿命预测的模具的位置x处的表面温度。在此种情况下，可实际测定模具的表面温度，并可使用此实测值。另外，也可以使用利用有限单元法等，以与所述相同的要领通过计算所求出的结果。

(e)＜将σ_{h_MAX}、σ_y(T_h)及的值代入 (C₁、C₂、m、n为常数)的关系式中，求出模具的位置x处的热疲劳寿命N(步骤E)＞

而且，最后可将通过所述步骤A～步骤D所获得的模具的位置x处的热应力最大值σ_{h_MAX}、此时的温度T_h下的屈服强度σ_y(T_h)、冷却时的温度T_c下的收缩率的值代入热疲劳寿命N与材料特性及热应力的关系式中，而求出模具的寿命。此时，所述关系式可使用专利文献1的关系式。但是，在本发明的情况下，将关系式中的热应力σ_h的值设为“最大值σ_{h_MAX}”，将屈服强度σ_y(T_h)的值设为“热应力变成σ_{h_MAX}的温度T_h时的值”，由此模具寿命的预测精度提升。

在本发明的情况下，例如若使模具的硬度多样地变化来实施，则可求出模具的硬度与寿命的关系，可提出对于规定的模具而言的“最合适的硬度”。

在本发明的实施例中，表示了以特定的模具形状、使用条件对“一个模具”进行寿命预测的例子，但若以特定的模具形状、使用条件对模具材料不同的“多个模具”也进行寿命预测，则可求出由各种模具材料形成的模具与寿命的关系。另外，若针对一个模具，使模具形状(例如拐角部的曲率半径等)或使用条件(被加工材料的温度等)变化来进行寿命预测，则也可以求出模具形状、使用条件与寿命的关系。由此，也可以提出对于规定的模具形状、使用条件而言的“最合适的模具材料”。

本发明最适合于预测如在所述使用中的模具的任意的位置处，其热应力变成最大的时间与温度变成最大的时间不同的模具的寿命。而且，此种时间的不一致可在模具的应力集中部之中，例如其作业面的角部(拐角部)中产生。而且，在本发明的情况下，模具的位置x例如优选具有2.0mm以下的角半径(拐角R)的作业面。更优选1.0mm以下。

实施例

计划以表1的条件实施压铸，并预测实际实施了压铸时的模具的热疲劳寿命(产生裂纹的件数)。所使用的模具如图5所示般，设为在其作业面上具有各个角半径(底半径)的五条V槽者。

[表1]

首先，按照所述(a)的要领，求出一连串的铸造周期中的模具的温度分布(步骤A)。作为根据此计算结果所制作的温度分布图的一例，将朝模腔中注入熔融金属完成后经过0.5秒时的作业面的温度分布图示于图6中。

继而，按照所述(b)的要领，根据所述温度分布来求出模具中产生的热应力分布(步骤B)。作为根据此计算结果所制作的热应力分布图的一例，将朝模腔中注入熔融金属完成后经过0.5秒时的作业面的热应力分布图示于图7中。

然后，按照所述(c)的要领，根据以上所求出的热应力分布，求出模具的位置x处的热应力最大值σ_{h_MAX}、及此热应力最大值σ_{h_MAX}时的温度T_h，所述模具的位置x是作为应力集中部的设置在模具的作业面上的各V槽(V1～V5)的底部的位置(步骤C)。此时，作为比较例，也实施专利文献1的模具的热疲劳寿命的预测方法，因此也求出各V槽的底部的位置处的温度最大值T_{h_MAX}、及此温度最大值T_{h_MAX}时的热应力σ_h。

另外，按照所述(d)的要领，使用室温下的硬度为44HRC的模具材料(JIS-SKD61)，求出所述温度T_h下的屈服强度σ_y(T_h)、及经冷却时的模具的温度T_c下的收缩率此时，作为用于比较例的数值，也求出温度T_{h_MAX}下的屈服强度σ_y(T_{h_MAX})。关于各V槽的结果如表2般。

[表2]

然后，按照所述(e)的要领，对应于图8中所示的寿命到达时的裂纹的程度，适当地决定所述 的关系式的各常数C₁、常数C₂、常数m、常数n的值，并且将所述σ_{h_MAX}、σ_y(T_h)、的值，或σ_h、σ_y(T_{h_MAX})、的值分别代入所述关系式中，由此利用本发明例及比较例的模具的热疲劳寿命的预测方法求出各自的各V槽的底部的热疲劳寿命N。

而且，将这些所预测的热疲劳寿命N的值与以表1的条件实际实施了压铸时的热疲劳寿命N(即，在V槽的底部产生了图8中所示的裂纹时的热疲劳寿命N)进行比较。将结果示于表3中。

[表3]

※1：T_{h_MAX}

※2：σ_{h_MAX}

根据表3的结果，在所有V槽的底部的位置处，在朝模腔中注入熔融金属完成后经过0.31秒～0.74秒的范围内，可看到热应力最大值σ_{h_MAX}与温度最大值T_{h_MAX}。而且，根据计算，在除V2以外的V槽中，所述σ_{h_MAX}与T_{h_MAX}的产生时期在注入熔融金属完成后经过0.50秒时或经过0.60秒时一致，在V2中，所述σ_{h_MAX}与T_{h_MAX}的产生时期不一致。其结果，在本发明例的模具的热疲劳寿命的预测方法与比较例的模具的热疲劳寿命的预测方法中，在V2中所预测的热疲劳寿命的值不同。而且，通过本发明例的模具的热疲劳寿命的预测方法所获得的热疲劳寿命的值接近实际的热疲劳寿命的值。

符号的说明

1：模具

2：划分单元

3：温度等值线

4：热应力等值线

Claims (3)

1.一种模具的寿命预测方法，其是预测具有硬度H的模具材料，重复接触被加工材料时的加热与接触被加工材料后的冷却的模具的热疲劳寿命的方法，所述模具的寿命预测方法的特征在于，

求出通过接触被加工材料而得到加热的模具的温度分布，

根据所述温度分布求出模具中产生的热应力分布，

根据所述热应力分布，求出模具的位置x处的热应力最大值σ_{h_MAX}、及所述热应力最大值σ_{h_MAX}时的温度T_h，

使用所述硬度H的模具材料，求出所述温度T_h下的屈服强度σ_y(T_h)、及经冷却时的模具的温度T_c下的收缩率

将所述σ_{h_MAX}、σ_y(T_h)及代入以下的关系式中，由此求出模具的位置x处的热疲劳寿命N。

(C₁、C₂、m、n为常数)

2.根据权利要求1所述的模具的寿命预测方法，其特征在于，

每当模具的使用时间经过0.5秒以下的时间时，求出所述模具的温度分布及所述模具中产生的热应力分布。

3.根据权利要求1或2所述的模具的寿命预测方法，其特征在于，

所述模具的位置x为具有2.0mm以下的角半径的作业面。