パート1 合理的な設計
金型は主に使用要件に基づいて設計されるため、その構造は必ずしも完全に合理的で均一な対称性を持つとは限りません。そのため、設計者は金型の設計において、金型の性能に影響を与えずに効果的な対策を講じ、製造プロセス、構造の合理性、幾何学的形状の対称性に配慮する必要があります。
（１）鋭角な角や厚さの差が大きい部分を避ける
金型の厚肉部と薄肉部の接合部には滑らかな遷移が必要です。これにより、金型断面の温度差が効果的に低減され、熱応力が低減されます。同時に、断面における組織変態の非同時性を低減し、組織応力を低減できます。図1は、この金型が遷移フィレットと遷移コーンを採用していることを示しています。
（２）プロセスホールを適切に増やす
均一かつ対称的な断面を保証できない金型の場合は、性能に影響を与えずに、非貫通穴を貫通穴に変更するか、プロセス穴を適切に増やす必要があります。
図2aは、狭いキャビティを持つ金型を示しています。この金型は、焼入れ後に点線で示すように変形します。設計に2つの加工穴を追加できれば（図2bに示すように）、焼入れ時の断面温度差が低減され、熱応力が低減され、変形が大幅に改善されます。
（３）できるだけ閉鎖的で対称的な構造を採用する
金型の形状がオープン型や非対称型の場合、焼入れ後の応力分布が不均一になり、変形しやすくなります。そのため、一般的な変形可能なトラフ型では、焼入れ前に補強を行い、焼入れ後に切断する必要があります。図3に示すトラフ型は、焼入れ後にR方向に変形しており、補強（図3の斜線部分）を施すことで、焼入れ変形を効果的に防止できます。
（４）転用型を作り、転用型の上部と下部の型を分離し、ダイとパンチを分離する複合構造を採用する。
形状が複雑でサイズが400mmを超える大型のダイや、厚みが薄く長さが長いパンチの場合、複合構造を採用して複雑さを簡素化し、大きいものを小さいものに減らし、金型の内面を外面に変更するのが最適で、加熱や冷却処理に便利であるだけでなく、
複合構造を設計する場合、一般的には、フィット精度に影響を与えずに、次の原則に従って分解する必要があります。
- 断面形状が大きく異なる金型でも、分解後に断面がほぼ均一になるように厚さを調整します。
- 応力が発生しやすい場所で分解し、応力を分散させ、ひび割れを防止します。
- プロセスホールと連携して構造を対称にします。
- 冷間・熱間加工に便利で組み立ても簡単です。
- 最も重要なのは、使いやすさを確保することです。
図4に示すように、これは大きな金型です。一体構造を採用すると、熱処理が困難になるだけでなく、焼入れ後にキャビティが不均一に収縮し、刃先に凹凸や平面歪みが生じ、後工程での修正が困難になります。そこで、複合構造を採用することができます。図4の点線に示すように、4つの部分に分割し、熱処理後に組み立てて成形し、研磨して合わせます。これにより、熱処理が簡素化されるだけでなく、変形の問題も解決されます。
パート2 正しい材料の選択
熱処理による変形や割れは、使用する鋼材とその品質に深く関係しているため、金型の性能要件に基づいて決定する必要があります。鋼材の合理的な選択は、金型の精度、構造、サイズ、および加工対象物の性質、数量、加工方法を考慮する必要があります。一般的な金型に変形や精度の要件がない場合、コスト削減の観点から炭素工具鋼を使用できます。変形や割れが発生しやすい部品には、強度が高く、臨界焼入れおよび冷却速度が遅い合金工具鋼を使用できます。たとえば、電子部品の金型は元々T10A鋼を使用していましたが、水焼入れおよび油冷後に変形が大きく割れやすく、アルカリ浴焼入れキャビティは硬化しにくいです。現在、9Mn2V鋼またはCrWMn鋼を使用すると、焼入れ硬度と変形が要件を満たすことができます。
炭素鋼製の金型の変形が要求を満たさない場合、9Mn2V鋼やCrWMn鋼などの合金鋼を使用する方がコスト効率が良いことがわかります。材料コストは若干高くなりますが、変形や割れの問題は解決されます。
材料を正しく選定するとともに、原料欠陥による金型熱処理割れを防止するために、原材料の検査・管理を強化することも必要です。
MAT AluminumのMay Jiangによる編集
投稿日時: 2023年9月16日
