実測に基づいたスマート冷間鍛造金型ライフサイクル管理システムの開発

Aug 18, 2023

Scientific Reports volume 12、記事番号: 13297 (2022) この記事を引用

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1 オルトメトリック

メトリクスの詳細

冷間鍛造金型は高圧荷重に耐えられるように焼きばめ法で製造されますが、繰り返しの圧縮応力により最終的には疲労破壊が発生します。 疲労破壊に至るまでの寿命を限界寿命と定義し、有限要素法に基づいて金型寿命の予測を試みた。 しかし、制御できない環境変数のため、正確な予測は不可能でした。 そのため、金型の交換サイクルを明確に定めることができず、品質の低下、生産の遅れ、コストの増加などの弊害が生じます。 金型のライフサイクルの予測に影響を与えるさまざまな環境要因は、金型のライフサイクルを決定する重要な変数である成形負荷の増減をもたらします。 本研究では、圧電センサーをベースに鍛造設備から発生する荷重データを監視するシステムを開発した。 さらに、リアルタイムに計測された成形荷重データを用いて金型の寿命をより正確に予測し、金型の交換周期を把握できる金型寿命管理システムを自動車用ステアリング部品の生産ラインに適用しました。

現代社会の製造業は、材料費や人件費などの製造コストの過度の上昇、需要の急激な変動、過剰な設備投資、生産資源の余剰などにより、さまざまな問題を抱えています1。 特に、炭素排出規制の強化2に伴い、製造プロセスの改善・革新に伴い、最終製品に要求される仕様も様々に変化しています3。 自動車の燃費を向上させるためには、各部品の軽量化4が求められます。 同時に、非環境要因を製造プロセスから排除する必要があります。 そのため、製造業は環境配慮と高品質、低コストを同時に実現するという課題に直面していました。 この状況を打破するために、低コスト生産体制の確立や自動化工程の拡大など、さまざまな工夫により製造工程の効率化を図る取り組みが行われています。 この流れはドイツから始まった第 4 次産業革命の波につながり5、製造業のパラダイムシフトが加速しています。 製造分野におけるイノベーションとは、プロセスデータを中心としたハイパーコネクションを指し、ビッグデータの分析と活用、モノのインターネット（IoT）、アディクティブ・マニュファクチャリング、シミュレーション、水平・垂直統合システム6が含まれます。

本研究では、ものづくり革新のパラダイムシフトの一環として、自動車ステアリング部品の製造工程のデータを収集しました。 これに基づいて、鍛造金型の寿命をより正確に予測することができました。 さらに、金型の交換サイクルをオペレーターが監視することで、製造工程の効率の最大化を図りました。 図1のボールスタッドは自動車のステアリングシステムの一つであるアウターボールジョイント（OBJ）に接続され、各方向への可動性を確保する役割を果たしています。

ステアリングシステムのボールスタッド部品7、8、9、10。

ボールスタッドは、バルク材料を密閉空間で数回プレスして最終製品を形成する、多段階の冷間鍛造プロセスを通じて製造されます。 鍛造作業は、パンチとダイの間で圧縮された原材料の塑性変形によってコンポーネントを形成することから構成されます11。 特に冷間鍛造法は、材料を室温で変形させることにより、高い強度と高い形状精度を確保することができます12。 このプロセスでは、金型に繰り返し高い圧縮荷重がかかり、金型の材料は疲労限界に達して損傷します13。 これは、生産性の低下や金型の破損や交換による不良率の増加など、プロセスコストの増加14につながります。 冷間鍛造金型の寿命を予測し、プロセスコストを削減するための研究が行われています。 冷間鍛造金型の寿命を予測する最も一般的な方法は、FEM を使用することです。 ただし、これらの方法は限界寿命を定量的に予測するものではなく、定性的な分析にとどまります13,15。 一方で、鍛造金型の破損の原因が疲労亀裂であるという観点からの研究も行われている14,16,17。 Tanrıkulu は冷間鍛造金型の材料の疲労限界を計算し、数値シミュレーションにより金型に作用する応力値に基づいて金型の限界寿命を予測する経験式を提示した18。 さらに、冷間鍛造金型の寿命を予測するための同様の研究が継続されています19、20、21、22、23。