CAEと実験計画法（DOE）で締め代を最適化し、金型寿命を改善

鍛造金型の設計に携わっていると、「寿命を延ばしたい」「破損リスクを減らしたい」という思いは、常につきまといます。特に締め代やインサート外径といった寸法条件は、わずかな違いでも応力分布や寿命に大きな影響を与えるため、経験や勘だけに頼った判断では限界があります。

試作や実機検証を繰り返す時間もコストも限られる中で、どうすれば根拠を持って最適な条件を導き出せるのか──。

本記事では、こうした現場の悩みに応えるべく、CAEソフト「DEFORM」と実験計画法（DOE）を活用して、鍛造金型の締め代の適正値を科学的に導き出した解析事例をご紹介します。

鍛造金型の「締め代」最適化のCAE解析事例

本事例は、鍛造金型の寿命や信頼性を左右する「締め代」の適正値を求めるために行ったCAEシミュレーションの紹介です。
対象としたのは、ケースに圧入されるインサートの外径と、それに伴う締め代との関係性。シミュレーション自体は2次元モデルを用いて実施し、寸法条件の違いが金型各部の応力分布にどのような影響を及ぼすかを評価しました。

今回、2次元解析を採用したのは、対象となる金型と製品が軸対称の円形形状であり、周方向のどの位置でも同じ形状として扱えるためです。
3次元モデルで再現する必要がない形状では、2次元モデルを用いることで解析に必要な計算量を大幅に抑え、より短時間でシミュレーションを行うことができます。

アウトプットとして注視したのは2点。

これらの基準値は、それぞれに使用される材料特性を踏まえて設定しています。

インサートには超硬工具が用いられることが多く、超硬は圧縮には強い一方、引張応力に対しては弱いため、本解析では140MPa以下を目安としました。一方、ケースにはインサートとは異なる比較的靭性のある材料が用いられることが多く、許容できる応力レベルも大きく異なるため、1400MPa以下を基準としています。

これらの条件を満たすために、設計変数である「分割位置（インサート外径）」と「締め代」の影響度合いをCAE「DEFORM」で解析し、最適な組み合わせを探索しました。

DOEで可視化する「締め代」と「外径」のCAE解析

今回の実験計画法（DOE）では、解析結果を応答曲面として可視化し、条件と応力の関係を把握しました。

140MPaを境に判定｜インサート側の引張応力評価結果

上図は、インサート側の最大主応力（引張応力）を評価したもので、縦軸が締め代、横軸が分割位置（インサート外径）を示しています。

色分けは、引張応力が140MPa以上となる領域を赤で表示し、それ未満は無色で表現。140MPaという数値は一般的には比較的小さな応力値ですが、本解析ではこれを超えると危険域として扱い、境界を「合否判定」として明確にしました。

応答曲面の傾向からは、インサート外径が小さい（おおよそφ90以下）場合、引張応力が発生しやすいことがわかります。
一方、外径をφ90より大きくし、さらに締め代を大きめに設定することで、インサートの最大主応力を低く抑え、圧縮寄りの応力状態を保つことが可能であることが示されました。

1400MPaを境に判定｜ケース側の相当応力評価結果

続いて、ケースの相当応力を評価した応答曲面を見ていきます。
ここでは、締め代を大きくしすぎるとケースへの負荷が高まり、破損リスクが増す点に着目し、合否判定を行いました。

本解析では、ケースの主応力が1400MPaを超える領域を危険域と設定し、赤色で表示しています。

図の傾向を見ると、ケース内径（分割位置）を大きくすることによる影響は比較的小さく、それよりも締め代の大きさが境界ラインに大きく影響していることがわかります。特に、この応答曲面の上下方向で、中間付近よりも上側の締め代値を使用すると、1400MPaを超える危険域に入りやすくなるため注意が必要です。

結果として、ケースへの負荷を抑えるには、締め代を0.3%以下に設定することが望ましいという設計的示唆が得られました。

CAE×DOEで判明！ 鍛造金型の「最適設計数値」

インサート側の最大主応力と、ケース側の相当応力 —— 2つのCAE応答曲面で得られた結果を重ね合わせることで、両者の条件を同時に満たす最適な範囲が明確になりました。

本解析では、インサートの最大主応力を140 MPa以下、ケースの相当応力を1400 MPa以下とする合否判定を実施。その結果、図中の白色領域が、両条件をクリアできる「良い条件」を示しています。

具体的には、分割位置（インサート外径）がおおよそ「φ100〜φ110」付近で、かつ締め代が「0.2%」程度の範囲に設定すると、インサートの応力は低く抑えられ、同時にケース側の負荷も危険域に入らないことがわかりました。
この範囲を外れると、いずれか一方の応力が基準値を超えるため、寸法設計時にはこのバランスを考慮することが重要です。

【お客様による導入事例】
> 実機トライからの脱却！DEFORMで進化する鍛造現場の高度活用事例

DOEで導く、締め代と金型構造の最適バランス

締め代を大きくすると、インサートにはより強い圧縮力を与えられますが、その反力によってケース側には大きな引張応力が発生します。特にインサートに超硬のような高剛性材料を使用する場合、外側から締め付ける力に対して強く押し返すため、ケースが外側へ広がり、割れにつながるリスクが高まります。

そのため、締め代は単純に大きくすればよいわけではなく、インサート側の割れを抑える圧縮効果と、ケース側の破損リスクとのバランスを見極めることが重要です。
さらに、インサートとケースの分割位置や締め代の大きさは、それぞれ金型の応力状態に大きく影響します。

今回の事例では、こうした複数の設計条件を経験則や手計算だけで決めるのではなく、CAEと実験計画法（DOE）を用いて数値的・科学的に評価しました。複数条件の相互影響を可視化し、金型寿命を考慮した最適な設計領域を根拠を持って導き出せることが、DOEを活用する大きな価値です。

現場の声から進化を続けるDEFORMの魅力

これまでDEFORMでは、締め代に関するCAEシミュレーションは2次元解析のみに対応していました。しかし、長年DEFORMをご活用いただいている大手企業様からの強い要望を受け、近く3次元でも締め代を対象としたDOEによるCAE解析が可能になるよう、改良が進められています。

こうした進化を支えているのが、開発元である米国企業・SFTCの柔軟な姿勢です。
㈱ヤマナカゴーキンでは、日本のユーザー様からいただいた現場の声をSFTCに直接フィードバックし、多くの機能改善が実際のアップデートで反映されてきました。

日本市場を重視し、本国仕様を押し付けるのではなく、「成果を出すために何が必要か」という視点でCAEソフトの開発に取り組む —— 。
その開発元企業と弊社㈱ヤマナカゴーキンの姿勢こそが、DEFORMの大きな魅力だと自負しています。

今回ご紹介したDOE解析事例も、こうした現場起点の進化の一端にすぎません。今後さらに広がる解析の可能性に、ぜひご期待ください。

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