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技術 鍛造品の前工程での形状決定方法および鍛造用金型の設計方法

出願人 中小企業総合事業団
発明者 勝島健酒井良仁
出願日 1996年2月29日 (24年4ヶ月経過) 出願番号 1996-042299
公開日 1997年9月9日 (22年9ヶ月経過) 公開番号 1997-234536
状態 特許登録済
技術分野 金型の交換、取付、製造 鍛造 CAD
主要キーワード 途中形状 打ち型 体積配分 選択個数 仕上げ型 ソリッド形状 Y座標 荒打ち
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(1997年9月9日)のものです。
また、この項目は機械的に抽出しているため、正しく解析できていない場合があります

図面 (9)

課題

鍛造品の前工程での断面形状を、容易にかつ短時間に求め得る形状決定方法を提供する。

解決手段

所定工程での形状が新規な新鍛造品における前工程での形状を決定する方法であって、まず所定工程に対応する形状が既知である複数の既鍛造品の形状およびそれぞれにおける前工程での形状を、棒状データの集合体として予め求めてデータベースDBに記憶しておき、次に新鍛造品と、各既鍛造品との類似度類似度評価式に基づきそれぞれ求め、次にこの類似度が高い既鍛造品における前工程での形状を、新鍛造品における前工程での形状として選択し、かつこの既鍛造品における前工程での形状を選択する際に、複数の形状を選択するとともに、この選択された複数の既鍛造品における前工程での形状を合成することにより、新鍛造品における前工程での形状を求める方法である。

概要

背景

通常、鍛造により製品製作する場合、その中間工程における中間形状を想定して、段階を追って鍛造作業が行われている。

そして、従来、中間形状は、製品形状すなわち鍛造終了後の最終形状から、熟練技術者の経験とに基づき想定されていた。勿論、中間形状から、さらにその前工程における中間形状を想定する場合も同様である。

具体的に説明すれば、鍛造作業においては、ビレットからの体積配分を容易にするためのフォージングロール成形、潰し鍛造、荒地型を用いて予備的な成形を行う荒打ちおよび仕上げ型を用いて最終的な成形を行う仕上げ打ち、さらに抜打ち型を用いて外バリや内バリ打ち抜くバリ抜き工程などが順番に行われる。したがって、各工程での鍛造品の中間形状を正しく求める必要がある。

そして、中間工程における各鍛造品の形状を決定する場合、最終製品の最終形状を、所定の方向例えば鍛造品の延びる方向に沿って複数に分割した場合の各分割部毎に、設計者鍛造後の断面形状と鍛造前(前工程)の断面形状との間に成立する関係から鍛造前の断面形状を求め、この求められた各分割部毎の断面形状を用いて鍛造前での全体形状が求められていた。

概要

鍛造品の前工程での断面形状を、容易にかつ短時間に求め得る形状決定方法を提供する。

所定工程での形状が新規な新鍛造品における前工程での形状を決定する方法であって、まず所定工程に対応する形状が既知である複数の既鍛造品の形状およびそれぞれにおける前工程での形状を、棒状データの集合体として予め求めてデータベースDBに記憶しておき、次に新鍛造品と、各既鍛造品との類似度類似度評価式に基づきそれぞれ求め、次にこの類似度が高い既鍛造品における前工程での形状を、新鍛造品における前工程での形状として選択し、かつこの既鍛造品における前工程での形状を選択する際に、複数の形状を選択するとともに、この選択された複数の既鍛造品における前工程での形状を合成することにより、新鍛造品における前工程での形状を求める方法である。

目的

そこで、本発明は、鍛造品の前工程での断面形状を、容易にかつ短時間に求め得る形状決定方法および鍛造用金型設計方法を提供することを目的とする。

効果

実績

技術文献被引用数
1件
牽制数
0件

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請求項1

所定工程での形状が新規な新鍛造品における前工程での形状を決定する方法であって、まず所定工程に対応する形状が既知である複数の既鍛造品の形状およびそれぞれにおける前工程での形状を、棒状データの集合体として予め求めておき、次に上記新鍛造品と、各既鍛造品との類似度類似度評価式に基づきそれぞれ求め、次にこの類似度が高い既鍛造品における前工程での形状を、新鍛造品における前工程での形状として選択し、かつ上記類似度評価式を、新鍛造品と既鍛造品における各棒状データの長さを考慮する式としたことを特徴とする鍛造品の前工程での形状決定方法

請求項2

類似度の高い既鍛造品における前工程での形状を選択する際に、複数の形状を選択するとともに、この選択された複数の既鍛造品における前工程での形状を合成することにより、新鍛造品における前工程での形状を求めることを特徴とする請求項1記載の鍛造品の前工程での形状決定方法。

請求項3

複数の既鍛造品における前工程での形状を合成する際に、異なる工程での形状を合成することを特徴とする請求項2記載の鍛造品の前工程での形状決定方法。

請求項4

請求項1ないし3のいずれかに記載の鍛造品の前工程での形状決定方法により決定された形状に基づき、新鍛造品における前工程での鍛造用金型凹面形状を求めることを特徴とする鍛造用金型の設計方法

技術分野

0001

本発明は、鍛造品の最終形状(または中間工程における途中形状)から、それ以前の工程における中間形状を求める鍛造品の形状決定方法および鍛造用金型設計方法に関する。

背景技術

0002

通常、鍛造により製品製作する場合、その中間工程における中間形状を想定して、段階を追って鍛造作業が行われている。

0003

そして、従来、中間形状は、製品形状すなわち鍛造終了後の最終形状から、熟練技術者の経験とに基づき想定されていた。勿論、中間形状から、さらにその前工程における中間形状を想定する場合も同様である。

0004

具体的に説明すれば、鍛造作業においては、ビレットからの体積配分を容易にするためのフォージングロール成形、潰し鍛造、荒地型を用いて予備的な成形を行う荒打ちおよび仕上げ型を用いて最終的な成形を行う仕上げ打ち、さらに抜打ち型を用いて外バリや内バリ打ち抜くバリ抜き工程などが順番に行われる。したがって、各工程での鍛造品の中間形状を正しく求める必要がある。

0005

そして、中間工程における各鍛造品の形状を決定する場合、最終製品の最終形状を、所定の方向例えば鍛造品の延びる方向に沿って複数に分割した場合の各分割部毎に、設計者鍛造後の断面形状と鍛造前(前工程)の断面形状との間に成立する関係から鍛造前の断面形状を求め、この求められた各分割部毎の断面形状を用いて鍛造前での全体形状が求められていた。

発明が解決しようとする課題

0006

しかし、鍛造品の各分割部ごとに、設計者が、鍛造後と鍛造前との断面の関係から、鍛造前の形状を求める作業は非常に面倒であり熟練を要するもので、かつ時間を要し、設計能率を向上させるにも限界があるという問題があった。

0007

そこで、本発明は、鍛造品の前工程での断面形状を、容易にかつ短時間に求め得る形状決定方法および鍛造用金型の設計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

0008

上記課題を解決するため、本発明の第1の手段は、所定工程での形状が新規な新鍛造品における前工程での形状を決定する方法であって、まず所定工程に対応する形状が既知である複数の既鍛造品の形状およびそれぞれにおける前工程での形状を、棒状データの集合体として予め求めておき、次に上記新鍛造品と、各既鍛造品との類似度類似度評価式に基づきそれぞれ求め、次にこの類似度が高い既鍛造品における前工程での形状を、新鍛造品における前工程での形状として選択し、かつ上記類似度評価式を、新鍛造品と既鍛造品における各棒状データの長さを考慮する式とした鍛造品の前工程での形状決定方法である。

0009

また、本発明の第2の手段は、上記第1の手段の構成において、類似度の高い既鍛造品における前工程での形状を選択する際に、複数の形状を選択するとともに、この選択された複数の既鍛造品における前工程での形状を合成することにより、新鍛造品における前工程での形状を求める形状決定方法である。

0010

また、本発明の第3の手段は、上記第2の手段の構成において、複数の既鍛造品における前工程での形状を合成する際に、異なる工程での形状を合成する新鍛造品の前工程での形状決定方法である。

0011

さらに、本発明の第4の手段は、上記第1ないし第3のいずれかの手段における鍛造品の前工程での形状決定方法により決定された形状データに基づき、鍛造用金型の凹面形状を求める鍛造用金型の設計方法である。

0012

上記各手段における形状処理方法によると、新鍛造品の形状が与えられると、予め記憶されている既鍛造品の形状とが、それぞれ棒状データ化されたデータ同士により比較されて、類似度が高い既鍛造品における前工程での形状が、新鍛造品の前工程での形状とされ、または類似度が高い複数の既鍛造品における前工程での形状が選択されるとともに、これらの形状が合成されて、新鍛造品の前工程での形状とされるため、非常に容易にかつ短時間で、所定の新鍛造品の前工程での形状を決定することができる。

0013

また、上記鍛造用金型の設計方法によると、上記各形状決定方法により求められた新鍛造品の前工程での形状データを使用することにより、特にコンピュータ装置などを使用して、形状データを求めることにより、複雑な形状であっても、非常に簡単に金型を設計することができる。

発明を実施するための最良の形態

0014

以下、本発明の実施の形態における鍛造品の前工程での形状決定方法を、図1図8に基づき説明する。

0015

本発明の要旨は、形状が既知である既鍛造品の前工程での形状を決定する方法であり、より具体的には、最終製品である鍛造品(以下、最終鍛造品と称す)の形状から、その前工程すなわち中間工程での鍛造品の形状および初期工程での最終フォージングロールまたはビレット(以下、中間鍛造品と称し、これには初期工程のフォージングロールおよびビレットをも含むものとする)の形状を、コンピュータ装置(図8に示す)を使用して、演算により求める方法である。すなわち、ある鍛造品とその前工程での中間鍛造品との間には、一定の幾何学的関係が成立しており、この関係を利用することにより、前工程での中間鍛造品の形状が求められることに基づくものである。なお、この形状決定方法は、鍛造品の形状が非軸対称物品の場合に適している方法である。

0016

以下、鍛造品の前工程での形状決定方法を、図1フローチャートに基づき説明する。本実施の形態においては、最終鍛造品の形状から初期工程までの途中の中間鍛造品、すなわち仕上げ工程での形状(以下、仕上げ品と称す)、荒打ち工程での形状(以下、荒打ち品と称す)、潰し工程での形状(以下、潰し品と称す)および初期工程での形状(最終フォージングロールの形状またはビレットの形状)のデータをそれぞれ求める場合について説明する。

0017

まず、最終鍛造品をソリッドモデル化した後(ステップ1)、F=1(このFは各工程の段階を示し(ステップ2)、その具体的な値とそれに対応する工程を、図1中のデータベース(DB)内に記述しておく(ステップ2)。

0018

次に、所定の形状処理を行う(ステップ3)。この形状処理としては、無次元化処理および棒状データ化処理があり、以下これらの処理について説明する。

0019

この形状処理の目的を概略的に説明すると、最終鍛造品および中間鍛造品(これには、初期工程である最終フォージングロールまたはビレットをも含むものとする)の形状を、コンピュータでの演算処理の容易化および記憶メモリの減少化を図るために、外形を表すソリッドデータではなく、格子点における棒状データ(ピン状化データともいう)に変換するものである。

0020

ここで、鍛造品の棒状データへの変換方法を、図2図4に基づき説明しておく。本説明において、鍛造品として、図2に示すようなコネクティングロッド2の場合について説明する。

0021

まず、通常のCADにより作成されたコネクティングロッド1のソリッドモデルの形状データ(勿論、他のモデルの形状データでも良い)をコンピュータ(図示せず)に読み込む。

0022

次に、後述する距離データの無次元化を図るための量子化単位長さuを求める。まず、立体モデル基準長さとして、コネクティングロッド1の両端部、すなわち小端部である穴部2と、大端部である半円状の凹部3との中心間距離Bを読み込む(または求める)とともに、この中心間距離Bを適当に分割する分割数nを読み込み(または入力し)、次に中心間距離Bを上記分割数nで割り、この値(B/n)を量子化単位長さuとする。

0023

次に、コネクティングロッド1の所定の平面上に投影した投影図の全体を矩形の線11により囲み、そしてこの矩形に囲まれた矩形平面12を、直線13により縦横に分割する。なお、この分割する直線(以下、分割線という)13の間隔は量子化単位長さuとされ、したがって矩形平面12の短辺12aおよび長辺12bは、量子化単位長さuの倍数の長さ(Ly ,Lx )とされる。

0024

次に、上記分割線13の各交点Pij(Pmn)の座標を求めるとともに、これら各交点Pijを始点として上記矩形平面12への垂直線(z軸と平行な直線)14をそれぞれ作製し、そして各垂直線14とコネクティングロッド1表面との各交点Mij1 ,Mij2 (Mijk )の座標を求める。

0025

次に、上記各垂直線14において、矩形平面12からコネクティングロッド1までの距離Lsij1 (Lsijk )、および各垂直線14におけるコネクティングロッド1表面間の距離Lcij1 (Lcijk )を演算により求める。勿論、これらの距離Lsij1 ,Lcij1 を求める際には、上記各交点Pij,Mij1 ,Mij2 の座標が使用される。

0026

なお、図面上では、Pijにおける場合だけを示している。次に、上記求められた各距離Lsij1 (Lsijk ),Lcij1 (Lcijk )を、コネクティングロッド1の基準長さBで除して無次元化し、各交点におけるコネクティングロッド1の代表値とする。

0027

そして、これらの各データ、すなわち矩形平面12における各交点の座標、および上記無次元化された距離がそれぞれデータとして蓄積されて、データベース化される。

0028

上記手順をフローチャートに示すと図3のようになる。また、上記手順により、上述の棒状データ化されたデータを図示すると、図4のようになる。

0029

すなわち、図4の(a)に示すコネクティングロッド1の立体モデルが、図4の(b)に示すような、線分の集合として表され(変換され)、したがってコネクティングロッド1の形状を示すデータとしては、そのデータ量が非常に少なくなる。

0030

例えば、コネクティングロッドのような複雑な形状を持つソリッドモデルの場合に比べると、1/100〜1/500程度のデータ量となる。このように、立体モデルを、線分すなわち棒状データの集合により表すようにしているので、例えばある大きい立体モデルと小さい立体モデルとを合成させて中間形状の立体モデルを作製する際にも、棒状データ同士の合成で済み、したがって合成作業が非常に短時間でかつ容易に行うことができる。

0031

ところで、上記の箇所では説明しなかったが、図5に示すように、例えば立体モデル21に凹部22がある場合には、その部分の垂直線34は、立体モデル21の凹部22の両側(図面上は上下部分)を貫通することになり、この場合、凹部22おける上下の貫通部21a,21bの距離Lcij1 ,Lcij2 および矩形平面32からの距離Lsij1 並びにこの貫通部間における空間部23の距離Lsij2 も一緒にデータベースに記憶される。

0032

なお、上記実施の形態において、距離を無次元化する際に、小端部と大端部との間の中心間距離Bを使用したが、この中心間距離Bを選択したのは、例えばこの立体モデルと同種の他の立体モデルとを合成させる際に便宜を図るとともに、同種の他の立体モデルとの類似の程度を調べる際にも都合がよいからである。

0033

次に、E=1とおいた後(ステップ4)、類似度の計算が行われる(ステップ5)。なお、このEは、後述するデータベース内に記憶される鍛造品の個数(N)、すなわち事例数である。

0034

ここで、類似度の処理内容を具体的に説明する。この類似度Sは、上述の棒状データ化処理されたデータと、データベースDBに予め記憶されている形状データ(勿論、このデータについても、それぞれ上記と同様の棒状データ化処理されたものである)とが、下記に示す類似度評価式(1) により表される。

0035

0036

この類似度Sを説明すると、新鍛造品の所定位置(i,j)における棒状データすなわち線分ベクトル(Z)(例えば、図2においては、Mij1 →Mij2 )と、比較する既鍛造品の所定位置(i,j)とにおける棒状データである線分ベクトル(バーZ)との共通長さの二乗を、各線分ベクトルの絶対値の積で除したものを、各座標位置ごとに求め、これらの総和したものを、その総和数で除したものである。

0037

すなわち、データベースDB内には、複数(本実施の形態では5個)の最終鍛造品(F=1の場合)、およびこれに対応する前工程である中間工程での各形状(F=2〜5)のデータのソリッドデータおよび形状処理された形状処理データがそれぞれ記憶されており、この形状処理された既鍛造品の形状と、新鍛造品の形状との類似度Sが求められる。

0038

上記(1) 式により類似度Sが求められ、そしてこの類似度Sの計算が、データベースDBに蓄積されている事例個数分(本実施の形態では5個分)だけ、繰り返して行われる(ステップ6,ステップ7)。

0039

上記の繰り返しによる類似度の計算が終了すると、類似品形状の検索が行われる。例えば、類似度が高い順番に、数個(例えば3個程度、勿論、1個だけまたは適当数)の形状が選択されるか、または類似度が所定値以上のものの形状が選択されて、データベースDBから抽出される(ステップ8)。

0040

次に、上記抽出された複数個の形状(すなわち、形状データ)に基づき、新しく求められる前工程での鍛造品の形状が合成により求められる(ステップ9)。勿論、選択された形状が1個だけの場合には、合成は行われない。

0041

ここで、新鍛造品とこれに類似する幾つかの鍛造品とから、その前工程での形状を合成により求める方法について説明する。まず、類似品における前工程での形状に関する上型面データおよび下型面データを抽出した後、これら抽出された複数の上型面の形状同士および下型面の形状同士を、それぞれの類似度により、下記(2) 式を用いて合成する。

0042

0043

但し、Yci:合成された形状のY座標
Sz :部品Z(a,b,・・)の類似度
Yzi:部品Zのi節点のY座標値
i :節点番号
である。

0044

上記の合成方法を図示すると、図6のようになる。図6では、部品aと部品bとの形状を合成する場合を示す。合成された部品は点線で示す。なお、上記の合成は、基本的には、荒打ち形状は荒打ち形状同士で合成され、潰し形状は潰し形状同士で合成され、フォージングロール(またはビレット)の合成はフォージングロール(またはビレット)同士で合成されるが、類似度が高い場合には、例えば仕上げ形状と荒打ち形状、または荒打ち形状と潰し形状とのように、異なる中間工程同士の合成も行われる。

0045

このようにして、前工程での形状が合成により求められると、図7(a)から図7(b)に示すように、形状処理(ステップ3)で行った逆の処理を行い、すなわち棒状データ化したものに面張り処理を施し、立体形状としての鍛造品のソリッドモデル化を行う(ステップ10)。そして、このソリッド化された鍛造品の形状が前工程での形状として、一次的にコンピュータ装置のメモリに記憶される。

0046

そして、次にステップ11にて、工程を表すFがインクレメントされ、データベースDBに記憶されている工程数(本実施の形態では5)より小さい場合には、ステップ3に戻り、ステップ11までの作業を繰り返す。

0047

ステップ12にて、所定の工程数に等しくなった場合には、これよりも前工程がないと判断され、ステップ13に進み、各工程でのソリッドモデルの形状データが出力された後、ステップ14にて、上金型および下金型の凹部形状(凹面形状)が、コンピュータ装置により出力される。

0048

また、ステップ15にて、これらの形状データを新規なものとして登録すべきかどうかが判断(自動的またはオペレータが判断する)される。登録すべき場合は、各工程での形状データがすべてデータベースに登録され、登録が必要ないと判断された場合は作業を終了する。

0049

上記の説明においては、全ての工程についての類似形状を求めるようにしたが、その途中の中間工程、例えば仕上げ工程、荒打ち工程、潰し工程などのいずれかの工程が省略される場合もあり、また複雑な形状の場合には、同じ工程、例えば荒打ち工程が2度出力される場合もある。

0050

上述した新鍛造品に対する前工程における形状データを求める装置としては、コンピュータ装置が使用され、上記各処理に必要なプログラムが入力されている。

0051

例えば、図8に示すように、コンピュータ本体41と、ディスプレイ装置42と、キーボード43およびマウス44などの入力機器45と、ハードディスク装置46と、カセット型磁気テープ装置(CMT)47と、CD−ROM装置(読取専用記憶装置)48と、レーザプリンタ49およびプロッタ50などの出力機器51とから構成されている。

0052

このコンピュータ装置により、設計者がディスプレイ装置42の画面上に表示された最終鍛造品(中間工程での鍛造品)の形状を見ながら、入力機器45から指示を与えて、前工程での形状を設計することができる。勿論、必要な形状データのコンピュータ本体41への入力方法は、種々の方法が考えられる。直接、入力機器45から入力する方法、外部の記憶装置から入力する方法、特殊な入力機器(立体画像を入力し得る機器)から入力する方法などが考えられる。

0053

また、類似形状の選択個数も、入力機器などから、任意に変更し得るようにされている。そして、このコンピュータ装置において、新鍛造品に対する前工程での形状を得るための金型の凹部形状のデータを、容易に得ることができる。例えば、鍛造により製造される製品の各前工程(中間工程)での形状のソリッドデータを出力し、金型ブロックと前工程でのソリッド形状との差を求め、金型の凹部形状(凹面形状)を創成し、その後、設計者が材料の歩留り機械加工などを考慮して、より詳細に、金型の構成、例えば金型の分割方法をコンピュータ装置上で行うことができる。

0054

すなわち、金型を図面化することなく、CAMのソフトを使用して、直接、機械加工により製作することができる。ところで、実施の形態においては、鍛造品として、コネクティングロッドの場合を説明したが、例えばクランクシャフトの場合における無次元化処理については、ジャーナル部の寸法で、コネクティングロッドと同様に、X,Y,Z方向で割って無次元化し、その後、基準面上に、基準線および原点が決定される。

発明の効果

0055

上記本発明の鍛造品の前工程での形状決定方法によると、新鍛造品の形状が与えられると、予め記憶されている既鍛造品の形状とが、それぞれ棒状データ化されたデータ同士により比較されて、類似度が高い既鍛造品における前工程での形状が、新鍛造品の前工程での形状とされ、または類似度が高い複数の既鍛造品における前工程での形状が選択されるとともに、これらの形状が合成されて、新鍛造品の前工程での形状とされるため、非常に容易にかつ短時間で、所定の新鍛造品の前工程での形状を決定することができる。また、上記の形状決定方法により求められた新鍛造品の前工程での形状データを使用することにより、特にコンピュータ装置などを使用して、形状データを求めることにより、複雑な形状であっても、非常に簡単に金型を設計することができる。

0056

さらに、新鍛造品と既鍛造品との形状を比較する際に、棒状化処理されたデータ同士により比較するため、形状データとして、非常にデータ量が少なく、したがって必要とするコンピュータ装置の性能および記憶容量が少なくて済み、経済的である。

図面の簡単な説明

0057

図1本発明の実施の形態における鍛造品の前工程での形状を求めるフローチャートである。
図2同実施の形態の形状処理を説明するコネクティングロッドの斜視図である。
図3同コネクティングロッドのデータベース化の手順を示すフローチャートである。
図4同コネクティングロッドのソリッドモデルと棒状データ化処理した場合を比較する図で、(a)はソリッドモデルを示す図、(b)は棒状データ化処理した状態を示す図である。
図5同棒状データ化処理における他の方法を説明する要部断面図である。
図6同実施の形態の形状処理における形状の合成方法を説明する図である。
図7同実施の形態における形状のソリッド化を示す斜視図で、(a)は棒状データ、(b)はソリッドモデルである。
図8同実施の形態の形状処理方法を行うためのコンピュータ装置を示す斜視図である。

--

0058

1コネクティングロッド
2穴部
3 凹部
11 線
12矩形平面
13分割線
14垂直線
41コンピュータ本体
43ディスプレイ装置
45入力機器
46ハードディスク装置
DB データベース

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