卒業論文審査会 2014/2/5 鍛造用金型に生じる マイクロクラック検出技法の開発 Measurement of Micro Cracks for Forging Die S103028 小田 魁 材料力学研究室 目次 u 研究背景 u 研究目的 u 予備実験の結果 u 実験方法および供試材 u 走査型レーザー顕微鏡の概要 u レプリカ作製結果 u 実験結果および考察 き裂の断面プロファイル 金型−レプリカの定量評価 予備実験との結果の比較 u 結言 2014/2/5 2 研究背景 2013/12/10 3 鍛造用金型 メリット ü 大量生産 ü 低コスト 局部的に高い応力が生じる 研究目的 鍛造用金型の 早期破壊要因 2014/2/5 4 寿命の設定 金型寿命=10万ショット〜 マイクロクラック しきい値を設定 すべてのき裂を研磨処理 しきい値 ×手間とコスト ◯効率化とコストダウン 全体の流れ 2014/2/5 5 金型応力分布の FEM解析 CT試験片による き裂進展速度(da/dN)の算出 寿命予測 「しきい値」の設定 マイクロクラック 検出技法の開発 マイクロクラック 検出 予備実験結果 2014/2/5 6 検出精度 シリコン樹脂(粘土型) レプリカ法 × × 現像スプレー 熱可塑性樹脂 銅粉末 供試材 擬似クラック ◯ 着色剤 ◎ 3Dレーザースキャナー △ ◎:優 ◯：良 △：難 ×：不可 実験方法および供試材 レプリカ法 2014/2/5 樹脂 熱可塑性樹脂 き裂 レプリカ 供試材 鍛造用金型 き裂全長 2.41mm 5mm 500µm 超硬材(70%W+30%Co) 7 走査型レーザー顕微鏡の概要 2014/2/5 8 Z軸測定精度 測定範囲:0.1µm~6.6mm 最小測定単位:0.01µm 高 低 金型のき裂測定 1LM15 表示倍率 ×740 治具 θ θ=29.3° レプリカ作製結果−3次元表示− 鍛造用金型 実 物 供試材2 2014/2/5 9 レプリカ レプリカ2 5mm SLM µm 190.30 画 像 95.52 50µm 0.00 表面粗さ 最大高さ:Ry, き裂幅:Cw の定義 2014/2/5 10 300 高さ[µm] 250 200 最大高さ(Ry) 150 100 き裂幅(Cw) 50 0 0 50 100 150 き裂幅[µm] 200 250 金型-レプリカの定量評価(Ry,Cw) 2014/2/5 11 a a’ 金型 高さ[µm] 200 150 a a’ 金型 Ry 65.1µm Cw 160.5µm 100 50 0 100 200 き裂幅[µm] 200 50µm b レプリカ レプリカ b’ 150 高さ[µm] 100 b’Ry 45.1µm b Cw 166.4µm 50 0 100 200 き裂幅[µm] 金型-レプリカの定量評価(誤差) 金型 最大差分距離[µm] 80 40 20 最大Ry差 最大Cw差 60% 平均誤差[%] レプリカ 差分=金型−レプリカ 60 0 50µm 2014/2/5 40% 20% 0% き裂幅 平均 平均Cw誤差 平均Ry誤差 誤差 12 考察 2014/2/5 ※レプリカ180°反転 200 金型 系列1 レプリカ 80 最大差分距離[µm] 高さ[µm] 0 200 100 100 100 13 系列2 擬似クラック 金型ーレプリカ ーレプリカ 60 40 20 0 0 100 200 最大Ry差 き裂幅[µm] 200 200 100 0 0 ü き裂の形状をレプリカで取ることができた. 0 100 200 0 最大Cw差 ü 最大Ry差分は擬似クラックの時と同様に 金型でも20µm程度の差分内に入った. 結言 2014/2/5 14 • 流動性のある熱可塑性樹脂のレプリカ法では， き裂深さについてより高精度の検出が可能である． • 熱可塑性樹脂の精度について， き裂深さの最大差分は20µmで一定した． • しきい値に20µmの許容範囲を入れることで， マイクロクラックの検出が可能である． 本年度研究業績 2014/2/5 日本材料学会関東支部 平成25年度学生交流会 ポスターセッション 成蹊大学[学] 小田 魁，成蹊大 酒井 孝 ㈱ヤマナカゴーキン 金 秀英, 久保田 智 金型の初期き裂に対する 寿命予測および検出技法確立 15 [補足]レプリカの表面粗さ Ry, き裂幅 Cw 定義 2013/12/10 16 0 レプリカ Cw 50 100 150 200 Ry 250 300 350 250 200 150 100 50 0 [補足]疑似クラック-レプリカ定量結果(Ry,Cw) 2013/12/10 17 高さ[µm] 300 擬似クラック 200 Ry 124.5µm Cw 87.2µm 100 0 0 50 100 150 200 250 高さ[µm] き裂幅[µm] 300 レプリカ-1 レプリカ-1 Ry 116.4µm Cw 96.8µm 200 100 0 0 50 100 150 200 250 [補足]疑似クラック-レプリカの定量結果(誤差) 2013/12/10 18 レプリカ-1 15.0% 誤差[µm] 擬似クラック 20.0% 平均誤差 14.5% 最大誤差 24.5% 10.0% 5.0% 平均誤差 5.3% 最大誤差 12.9% 0.0% Ry 平均誤差 き裂幅 平均誤差 [補足]全体の流れ 2013/12/10 19 き裂の寿命予測 パリス則 da=CΔKn dN da/dN:進展速度 ΔK:応力拡大係数範囲 C,n:材料定数,応力比などの影響 ü 材料定数の算出 ü 破断面観察 [補足] 2013/12/10 20 200 高さ[µm] 150 100 50 レプリカ 0 0 50 100 150 き裂幅[µm] 200 250 [補足] 2013/12/10 21 200 金型 高さ[µm] 150 100 50 0 0 50 100 150 き裂幅[µm] 200 250 [補足]測定結果 2013/12/10 22 最大差分(µm) 平均誤差 最大誤差 き裂幅 き裂深さ き裂幅 き裂深さ き裂幅 き裂深さ 着色剤-1 -1.2 0.5 -14.0% -4.8% -1.2% -0.5% 着色剤-2 10.0 17.1 -11.2% 2.2% 10.8 17.4% 着色剤-3 -3.5 10.4 -10.9% -0.8% -3.6% 8.9% シリコン-1 -1.2 86.4 -32.8% 70.9% -1.5% 88.1% シリコン-2 -13.1 87.3 -25.3% 72.0% -13.9% 79.3%
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