陳学文、陳軍、趙震、呉公明、阮雪楡上海交通大学国家金型CAD工学研究センター、上海200030要約冷間鍛造技術は精密塑性成形技術であり、切削加工とは比較にならない利点があり、各種中機械製品の重要部品の製造に広く応用されている。本文は冷間鍛造部品の形状、材料、技術革新、生産性、数値シミュレーション技術とデジタル化/インテリジェント化設計技術応用、及び最適化技術のいくつかの方面から冷間鍛造技術の発展現状と趨勢を総合的に論述した。キーワード冷間鍛造、プロセス/金型設計、数値シミュレーション、知識に基づくプロセス設計、設計最適化State of The Art and Advance of Cold Forging Technology CHEN Xue-wen、CHEN Jun、ZHAO Zhen、WU Gong-ming、RUAN Xue-yu National Die and Mould CAD Engineering Research Center、ShangHai Jiao Tong University、Shanghai 20030 ABSTRACT：Cold forging is a kind of precise forming technology、 and has the unique advantages compared to the traditional machining technology. In this paper, the start of art and advance of the cold forging technology is systematically illustrated in the aspects of part shape, part material, process innovation, production efficiency, application of numerical simulation & knowledge-based design, and design optimization technology. Keywords：cold forging、process/die design、numerical simulation、knowledge-based design、design optimization冷間鍛造技術は精密塑性成形技術であり、製品の機械性能が良く、生産性が高く、材料利用率が高く、特に大量生産に適しており、最終製品の製造方法（net-shape forming）として、交通輸送手段、航空宇宙や工作機械工業などの業界では広く応用されている。現在の自動車工業、オートバイ工業、工作機械工業の急速な発展は、冷間鍛造という伝統的な技術の発展に原動力を提供している。例えば、我が国の1999年のオートバイの全国総生産量は1126万台余りであったが[1]、2000年の初歩的な推定によると、我が国の自動車の総需要量は2005年までに330万台に達し、そのうち乗用車は130-140万台で、自動車業界の鍛造品需要だけで50-60万トン以上であった[2]。冷間鍛造技術の我が国でのスタートはあまり遅くはないが、発展速度は先進国と大きな差があり、これまで、我が国が生産した乗用車の冷間鍛造品の重量は20 Kg未満で、先進国の半分に相当し、開発潜在力は大きく、冷間鍛造技術の開発と普及応用を強化することは我が国の現在の差し迫った任務である。
1冷間鍛造部品の形状はますます複雑になり、冷間鍛造部品の形状はますます複雑になり、最初の段付き軸、ねじ/ナットとパイプなどから、複雑な形状の部品に発展し、図1に示すように異なる寸法のオートバイのスプライン軸とスプラインスリーブであり、スプライン軸の典型的な技術は：正押出棒部-ランタン太中間ヘッド部-押出スプライン、スプラインスリーブの主なプロセスは、逆押出カップ−底抜きリング−正押出スリーブである。図2に示すように、自動車の出力軸と入力軸、その他の冷間鍛造品である。図3に示すように我が国で揺動転圧技術を用いて製造された各種自動車/オートバイ用ベベル歯車、螺旋ベベル歯車及びその他の円盤類部品[1]。図4に示すように日本のある会社が生産した冷間鍛造部品、図4に示すスクロール過給機であり、我が国はすでに国家「十五」難関攻略プロジェクトに組み入れられている[3]。現在、円筒歯車の冷間押出技術も生産に成功している。黒色金属のほか、現在、銅合金、マグネシウム合金、アルミニウム合金材料の冷間押出応用もますます広くなっている。
2継続的な技術革新冷間鍛造は（近）正味成形技術である。この方法を用いて成形された部品は強度と精度が高く、表面品質が良い。現在、海外の一般乗用車で採用されている冷間鍛造部品の総量は40〜45 Kgであり、その中の歯形類部品の総量は10 Kg以上に達している。冷間鍛造成形の歯車単体の重量は1 Kg以上、歯形精度は7段に達することができる。持続的な技術革新は冷間押出技術の発展を推進し、80年代以来、国内外の精密鍛造専門家は分流鍛造理論を平歯車と螺旋歯車の冷間鍛造成形に応用し始めた。分流鍛造の主な原理は、ブランクまたは金型の成形部分に材料の分流キャビティまたは分流通路を構築することである。鍛造中、材料はキャビティを満たしている間に、一部の材料は分流キャビティまたは分流通路に流れます。分流鍛造技術の応用により、高精度歯車の少、無切削加工が急速に産業化規模に達した。文献[1]に提案されているように、ピストンピンのような長径比5の押出部材に対して、軸方向余剰ブロックを採用する方法は軸方向分流によって冷間押出一次成形を実現することができ、しかもパンチの安定性が良い、扁平類の直歯車成形に対しては、径方向余料ブロックを用いても製品の冷間押出成形を実現することができる。閉塞鍛造は、閉塞ダイ内で1つまたは2つのパンチによって一方向または対向に金属を押出して一次成形し、飛辺のない近浄形精密鍛造品を得る。一部の乗用車の精密部品、例えば惑星と半軸歯車、星形スリーブ、十字軸などは切削加工方法を採用すれば、材料の利用率が低い（平均40%未満）だけでなく、工数が多く、生産コストが極めて高い。海外では閉塞鍛造技術を用いてこれらの純鍛造品を生産し、ほとんどの切削加工を省き、コストを大幅に削減した。冷間鍛造技術の発展は主に高付加価値の製品を開発し、生産コストを低減すると同時に、切削、粉末冶金、鋳造、熱間鍛造、板材成形技術などの分野に絶えず浸透または代替しており、これらの技術と結合して複合技術を構成することもできる。文献［4］に提案された熱間鍛造−冷間鍛造複合塑性成形技術のように。熱間鍛造-冷間鍛造複合塑性成形技術は熱間鍛造と冷間鍛造を結合した新しい精密金属成形技術であり、熱間鍛造と冷間鍛造のそれぞれの利点を十分に利用している：熱状態では金属塑性が良く、流動応力が低いため、主な変形過程は熱間鍛造で完成する；冷間鍛造品は精度が高いため、部品の重要な寸法は冷間鍛造技術を用いて部品を最終的に成形する。熱間鍛造−冷間鍛造複合塑性成形技術は1980年代に出現し、90年代以来ますます広範な応用を得て、この技術で製造された部品は、すでに精度向上、コスト低減の良好な効果を得ている。図1オートバイのスプライン軸とスプラインスリーブ図2自動車の出力軸/入力軸とその他の冷間鍛造製品図3揺動圧延技術を用いて生産された製品図4日本のある会社が生産した冷間鍛造製品
3数値シミュレーション技術は技術と金型設計の合理性を検証するために冷間鍛造技術で部品を成形する時、金属は冷間で塑性変形が発生し、その変形抵抗力が大きいため、部品の変形は比較的に難しく、変形過程で金属充填不満、鍛造部品に亀裂などの欠陥が発生しやすい。同時に、過大な変形抵抗力は金型の使用寿命を著しく低下させる。長い間、我が国の金属塑性成形の技術設計と金型設計は伝統的な経験、実験方法を採用してきた。この設計方法では、正味製造プロセスの要件を満たすことは困難である。コンピュータ技術の急速な発展と70年代の塑性有限要素理論の発展に伴い、多くの塑性成形過程で解決しにくい問題は有限要素方法で解決することができる。冷間鍛造成形技術の分野では、モデリングと適切な境界条件の決定を通じて、有限要素数値シミュレーション技術は金属流動過程の応力、ひずみ、金型受力、金型失効状況及び鍛造物に発生する可能性のある欠陥状況を直感的に得ることができる。これらの重要な情報の獲得は合理的な金型構造、金型の材料選択、熱処理及び成形プロセス方案の最終確定に対して重要な指導意義がある。現在の効果的な数値シミュレーションソフトウェアは、DEFORM、QFORM、FORGE、MSC/SUPERFORMなどの剛塑性有限要素法に基づいて構築されています。有限要素数値シミュレーション技術を用いて、プロセスと金型設計の合理性を検証することができる。文献[5]のように中空ブランクから直歯円筒歯車を成形する新しい技術を提案した：予備鍛造分流区-分流終鍛、三次元有限要素数値シミュレーションソフトウェアDEFORM-3 DTMを用いて数値シミュレーション研究を行い、鍛造荷重-ストローク曲線及び成形過程全体の応力、歪み、速度分布などを得て、そして伝統的な閉式ランタン押出技術シミュレーションの結果と比較した。分析により、伝統的な閉式ランタン押出成形直歯円筒歯車は、成形荷重が大きく、歯形の充填に不利であることが明らかになった。予備鍛造分流区-分流最終鍛造の新技術を採用して、成形荷重を大幅に下げることができて、そして材料の充填性を明らかに改善して、歯形角部の豊かな歯車を得ることができます。文献［6］三次元大変形弾塑性有限要素法を用いて歯車冷間鍛造成形過程を数値シミュレーションし、閉型鍛造を予備鍛造とし、閉型鍛造、孔分流及び拘束分流を最終鍛造とする二段階成形モードの変形流動情況に対して数値シミュレーション分析を行った。数値分析結果及び技術実験により、最終鍛造において分流を採用することを表明し、特に拘束孔分流措置は作業荷重の低減と隅充填能力の向上などの面で非常に有効である。
4デジタル化インテリジェント設計システムの応用23
4.1 CAD/CAM技術の冷間鍛造成形技術/金型設計における応用現代生産の鍛造金型開発に対する短周期、高品質、低コスト要求に適応するために、先進的な設計理論と方法及びコンピュータ技術、特にCAD技術の伝統的な鍛造金型設計過程の導入は鍛造金型設計分野の必然的な趨勢である。金型CAD技術はその高自動化、高精度、高効率などの優位性で伝統的な金型設計と製造方法の変革を推進し続けている。1970年代以降、国外の多くの機関が鍛造型CAD/CAMに対して広範な研究を開始し、米国Ohio州のベッテル・コロンブス実験室のT.Altanらはまず軸対称鍛造型CADシステムを開発した。旧ソ連の捷捷林などの専門家システムは型鍛造設計の自動化と最適化原理を研究し、方法学、アルゴリズムモデルなどの面からフルセットの理論を提出し、回転体類鍛造物の自動化設計システムを開発した。国内ではこの方面でのスタートが遅れており、上海交通大学、清華大学、華中理工大学、ハルビン工業大学、南昌大学などの単位は一定のプラットフォームに基づいて、異なる種類の鍛造物に適した設計システムを開発したが、多くは2次元システムに限られている。これまで、多くの研究者が異なる部品に適した鍛造型設計システムを相次いで開発し、技術と金型設計のいくつかの段階の自動化とインテリジェント化を実現したが、まだ成熟した鍛造型CAD/CAMシステムが市場に進出しておらず、多くのエンジニアリング設計者は汎用的な機械CAD/CAMソフトウェアを用いて構造の詳細な設計しかできなかった。
4.2知識に基づく設計技術及び冷間鍛造成形技術/金型設計における冷間鍛造成形技術と金型設計の応用は知識と経験が密集型の過程であり、金型設計者が長期の仕事で蓄積した経験と知識（Know-how）は金型設計に非常に重要な影響を与える。伝統的なCAD技術は設計分野の知識から離脱し、設計過程の知識に対する支持が不足し、金型開発の「高品質、短周期、低コスト」の要求に適任ではない。そのため、伝統的な鍛造型CAD技術を知識に基づく設計レベルに高める必要がある。この飛躍を実現する方法は、人工知能（Artificial Intelligence、AI）技術、知識に基づく工学（Knowledge-based Engineering、KBE）技術を冷間鍛造成形技術/金型設計分野に導入し、伝統的なCAX技術と結合し、知識に基づく設計支援システムを開発することである。知識に基づく工学（Knowledge Based Engineering、KBE）は主に知識を応用して各種の工学問題を解決することを指し、人工知能技術の工学における応用である。冷間鍛造成形プロセス/金型設計は知識の継承、集積、革新と管理を含む複雑なプロセスであるため、知識に基づく設計方法を導入した後、分野を超えた専門家の経験と知識の共有は設計をより創造性と予見性に富ませることができ、しかも分野の専門家の知識の製品全体の設計ライフサイクル内の一致性は製品開発の成功率を保証し、開発時間を大幅に節約し、設計の質が向上しました。したがって、設計モデル全体を経験的な設計から科学的な設計へと転換させる。米コロンボベッテル研究所は知識に基づく予備鍛造幾何寸法の設計システムを開発した。予備鍛造物の形状を設計するには空間幾何体であり、その幾何形状を操作しなければならないため、単純に一般言語で推理過程を記述することはできない。部品のジオメトリ情報については、フレームメソッドを使用して表現し、フレーム内に異なる溝を使用して、部品を構成する基本成分とそれらの間のトポロジ関係を定義します。設計規則は生成式規則で表し、OPSツールで推理する。J.C.ChoiとC.Kim[7]は知識に基づく冷間鍛造品と熱間鍛造品の集積工程設計システムを開発し、冷間鍛造品の技術設計規則をそれぞれ確立した。知識に基づく設計方法の冷間鍛造成形技術及び金型の設計における応用は、塑性成形の伝統的な設計者個人の経験に依拠し、設計過程において繰り返し修正され、設計効率が高くない状態を徹底的に変える。それは人工知能、モード識別、機械学習などの技術を用いて設計過程でシステム知識ベースから適切な知識を抽出して冷間鍛造成形技術及び金型設計を指導する。現在、この技術はさらに発展しており、近年、知識に基づく設計方法は鍛造成形技術/金型設計のインテリジェント化技術研究のホットな課題となっている。
5最適化技術の導入競争の激化に伴い、低コスト、高品質、高効率は製造業が追求する目標である。鍛造業界では、設計効率を高め、製造コストを下げ、製品の品質を高めるために、鍛造プロセス中に鍛造品の品質に影響する各プロセスパラメータを最適化しなければならない。鍛造変形は非常に複雑な問題であるため、そのプロセスパラメータの最適化に対して伝統的な設計方法を採用することは予想される効果を達成することが難しく、コンピュータ技術と塑性有限要素理論と技術の絶え間ない発展と日に日に完備に伴い、有限要素法に代表される数値シミュレーション方法はすでに各種金属成形問題の求解分析に広く応用されている。そのため、有限要素分析に基づく最適化設計方法の冷間鍛造成形技術/金型設計への応用は可能であるだけでなく、必然的な傾向でもある。実際の応用の観点から見ると、有限要素分析に基づく最適化方法の中で最も代表的な方法は感度分析に基づく最適化方法と目標関数値に基づく適合最適化方法の2種類がある。感度分析に基づく最適化設計方法は勾配型最適化設計方法に属する。この方法は具体的に実施する時、まず目標関数と設計変数を確定して、それからそれらの間の関係を探し出して、目標関数の設計変数に対する感度―導関数公式を導出して、設計変数4量の既存値に基づいてこれらの感度情報を求めて、再利用最適化計算法は設計変数の最適な探索方向を確定して、更に最適な設計変数を得て、更に感度情報を求めて、このように繰り返して、反復収束が最適化されるまで[8]。目標関数値に基づく適合最適化方法は外挿法に由来する。この方法は簡単な補間関数を用いて目標関数と設計変数との関数関係を近似し、この近似関数の極値点を解くことによって真実関数の極値点を近似する。この方法は鍛造プロセスパラメータの最適化に用いられ、目標関数値は有限要素プログラムによって実現される。現在、いくつかの汎用的な有限要素解析ソフトウェア（DEFORM、Marc）は鍛造成形過程の数値シミュレーションに広く応用されており、応力、歪みなどの情報を非常に便利に計算することができる。そのため、目標関数値に基づくフィッティング最適化方法は有限要素プログラムと最適化アルゴリズムを分離することができ、異なる鍛造成形技術に適しており、鍛造成形過程のパラメータ最適化に比較的便利である［9］。有限要素分析に基づく鍛造プロセス最適化技術の研究と応用は多くの成果を収めたが、現在はまだ初期段階にある。目標関数の構築、最適化設計変数の選択から最適化方法への具体的な応用から、この分野の研究にはまだいくつかの問題があることがわかる。（1）感度分析に基づく最適化方法の研究と応用はすでに多くの成果を得ており、この方法は勾配型最適化方法であるため、その収束速度は比較的に速い。しかし、実際の応用には、最適化設計変数に対する目標関数の感度情報（すなわち導関数）を解く必要があり、複雑な金属塑性成形過程の感度情報の導出が困難であるという欠点もある。この方法は感度情報を求めるプログラムコードを数値解析プログラムコードに埋め込むことを要求し、有限要素解析コードと最適化アルゴリズムコードを作成する必要があり、プログラミング作業量が大きい。同時に、この方法はオプティマイザの汎用性が悪い。（2）目標関数値に基づく適合最適化方法の利点は、最適化アルゴリズムと有限要素プログラムが分離され、強力な機能を持つ商用有限要素解析ソフトウェアの利点を十分に利用でき、この方法の汎用性が強いことである。その主な欠点は収束速度が比較的に遅いことであり、同時にフィッティング問題ではあるが、設計変数が多く取得されると、適合性問題などの複雑な問題が多く発生し、フィッティングプロセスを失敗させる。（3）鍛造成形は複雑な過程であり、その理想的な鍛造品は設計要求に合う正確な外形を持つだけでなく、均一な変形、合理的な分布の変形力と理想的な品質（マクロとミクロ欠陥がない）などを持つべきである。上記の各方面は、鍛造生産に求められる目標であるため、鍛造プロセス最適化設計に対して多目標最適化を行う必要がある[10]。現在、この方面の研究は比較的少ない。
7結論冷間鍛造技術の成形精度は温間鍛造と熱間鍛造よりも高く、精密成形分野においてその独特な優位性がある。本文は冷間鍛造部品の形状、材料、技術革新、生産性、数値シミュレーション技術とデジタル化/インテリジェント化設計技術応用、及び最適化技術のいくつかの方面から冷間鍛造技術の発展現状を総合的に論述し、冷間鍛造技術の現在存在する問題を分析し、そして今後の発展の方向を指した。冷間鍛造は（近）正味成形技術であり、非常に広い応用の将来性を持っている。参考文献1.RUAN Xueyu，PENG，Yinghong&Wu Gongming et al.The simulation and development of cold forging technology in China、上海金型技術研究所建設20周年論文集[P]、上海：2003年4月：13-19.2.周賢賓.塑性加工技術の発展——より精密、より省、より清浄、第8回全国塑性加工学術年会論文集、2002年11月2-6日、北京：1-4.3.尉哲、李源、曹飛など。アルミニウム合金エアコン渦過給機の精密流動制御成形技術の数値シミュレーション研究、第8回全国塑性加工学術年会論文集、2002年11月2-6日、北京：106-109.4.姜鵬.熱間鍛造-冷間鍛造複合塑性成形技術、金属成形技術：2000（1）：27-29.5.夏世昇、王広春、趙国群など。直歯円筒歯車の冷間精密鍛造の新技術の数値シミュレーション研究。熱加工技術：2003.（2）：22-23.6.寇淑清、傅沛福、楊慎華など。歯車鍛造成形三次元弾塑性有限要素数値シミュレーション.ハルビン工業大学学報.2000.（4）：68-71.7.J.C.Choi，C.Kim，「An Integrated Design and CAPP System for Cold or Hot Forging Products」The International Journal of Advanced Manufacturing Technology，Issue：Volume 16，Number 10/August 21，2000，pp.720 - 727 8. Gao, Zhenyan, ” Microstructure optimization in design of forging processes”, International Journal of Machine Tools and Manufacture Volume: 40 Issue: 5, Jan, 2000,p 691-711 9.羅仁平等.プレ鍛造型形状設計最適化の新方法——ミクロ遺伝アルゴリズム.中国機械工学.2001、02：202-204 10.趙新海等.鍛造プレフォーム多目標最適化設計の研究.機械工学学報.2002、04：62-65