DE112015004620T5

DE112015004620T5 - Schmiedeverfahren und Schmiedeeinrichtung

Info

Publication number: DE112015004620T5
Application number: DE112015004620.8T
Authority: DE
Inventors: Ichitami MIYASHITA
Original assignee: Showa Denko KK
Current assignee: Resonac Holdings Corp
Priority date: 2014-10-09
Filing date: 2015-09-30
Publication date: 2017-06-22
Also published as: US20170312809A1; JP6454510B2; JP2016074026A; US10449596B2; WO2016056435A1

Abstract

Es wird ein Schmiedeverfahren bereitgestellt, das imstande ist zu verhindern, dass ein Schwingungszustand während des Umformens gestört wird. Die vorliegende Erfindung betrifft ein Schmiedeverfahren, bei dem Ultraschallschwingungen an einen Formkörper 11 angelegt werden, wenn ein Schmiedematerial W1 in einem Umformungshohlraum 12 des Formkörpers 11 plastisch bearbeitet wird, indem ein Stempel 2 in den Umformungshohlraum 12 des Formkörpers getrieben wird. Der Kontaktzustand des Schmiedematerials W1 bezüglich einer Innenumfangsfläche des Umformungshohlraums während der plastischen Bearbeitung des Schmiedematerials W1 wird ausgehend von der Umformungsstartzeit als unzureichender Kontaktzustand, ausreichender Kontaktzustand und vollständiger Kontaktzustand in dieser Reihenfolge eingestuft. Das Anlegen von Ultraschallschwingungen wird nach dem Übergang vom unzureichenden Kontaktzustand in den ausreichenden Kontaktzustand begonnen.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Schmiedeverfahren und eine Schmiedeeinrichtung, die eingerichtet sind, um einen Schmiedeprozess durchzuführen, während Ultraschallschwingungen angelegt werden.
Technischer Hintergrund
Zur Durchführung eines Schmiedeprozesses ist ein übliches Ultraschallschmieden bekannt, bei dem Ultraschallschwingungen während der Umformung an eine Form angelegt werden. Beispielsweise ist zum Ultraschallschmieden, beschrieben etwa im Patentdokument 1 und Nicht-Patentdokument 1, dargelegt, dass mit dem Anlegen von Ultraschallschwingungen eine Verringerung der Umformungskraft und eine Verbesserung der Formübertragungseigenschaft erzielt werden können.
Eine solche Schmiedeeinrichtung, die ein Ultraschallschmieden durchführt, ist mit einer Form, einem Vibrator, der an der Form angebracht ist, und einem Ultraschalloszillator, der den Vibrator betreibt, vorgesehen und eingerichtet, um Ultraschallschwingungen an die Form anzulegen, wobei der Vibrator von der Ausgabe des Ultraschalloszillators abhängt.
Stand der Technik
Patentdokument

Patentdokument 1: Japanische ungeprüfte Patentanmeldung Veröffentlichungsnummer 2009-279596

Nicht-Patentdokument
Nicht-Patentdokument 1: Masahiko Kami und andere, "Basic Studies on Ultrasonic Micro Coining (4th Report)", "56th Plastic Working Union Lecture Presentation Papers Collection", 2005, Seiten 583–584
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Von der Erfindung zu lösende Probleme
Als der Erfinder der vorliegenden Erfindung das Ultraschallschmieden unter Verwendung einer wie oben dargelegten Ultraschalleinrichtung durchgeführt hat, wurde ein Phänomen nachgewiesen, dass eine Spannung, die einem Vibrator von einem Ultraschalloszillator zugeführt wird, stark zunimmt, wodurch ein Überlastfehler im Ultraschalloszillator bewirkt wurde, was einen Stopp der Schwingungen während der Umformung zur Folge hatte. Die Untersuchung der Ursache hat ergeben, dass der Schwingungszustand der Form während der Umformung instabil wurde, was aufgrund der Last der Form eine abnehmende Schwingungsamplitude des Vibrators zur Folge hatte, woraufhin die Spannung des Vibrators stark angestiegen ist, um den ursprünglichen Schwingungszustand beizubehalten. Es stellte sich heraus, dass der Ausgabewert des Ultraschalloszillators fast die Maximalausgabe überstiegen hätte; es wird der Schutzschaltkreis aktiviert, um einen Überlastfehler des Ultraschalloszillators auszulösen, wobei als Folge davon der Ultraschalloszillator stoppt und somit die Schwingungen der Form aufhören.
Wenn die Schwingungen der Form während des Schmiedeprozesses aufhören, wie es oben beschrieben ist, wird es unmöglich, eine Verringerung der Umformungskraft und eine Verbesserung der Formübertragungseigenschaft auf zuverlässige Weise zu erzielen, was wiederum dazu führt, dass die Wirkungen aufgrund des Anlegens von Ultraschallschwingungen nicht erhalten werden können.
Die vorliegende Erfindung wurde im Hinblick auf die obigen Probleme erarbeitet, und sie zielt darauf ab, ein Schmiedeverfahren und eine Schmiedeeinrichtung bereitzustellen, die imstande sind, zu verhindern, dass ein Schwingungszustand während der Umformung gestört wird, und Wirkungen aufgrund des Anlegens von Schwingungen auf zuverlässige Weise zu erhalten, wie etwa eine Verringerung einer Umformungskraft und eine Verbesserung einer Formübertragungseigenschaft.
Mittel zum Lösen der Probleme
Um die oben dargelegten Aufgaben zu erzielen, hat der Erfinder der vorliegenden Erfindung die Ursache der Schwingungsstörung, die einen Überlastfehler eines Ultraschalloszillators während eines Schmiedeumformungsprozesses (Schritts) des Ultraschallschmiedens verursacht, ausführlich im Detail studiert.
Es stellte sich als Folge davon heraus, dass während des Schmiedeumformungsprozesses in einem Zustand, in dem sich das Schmiedematerial nicht in ausreichendem Maß mit der Ultraschallschwingungsform in Kontakt befindet (unzureichender Kontaktzustand), der Schwingungszustand des Vibrators in der spezifischen Situation, die weiter unten dargelegt ist, gestört ist und instabil wird, wodurch der oben beschriebene Überlastfehler des Ultraschalloszillators auftritt.
Ferner führte der Erfinder auf sorgfältige Weise mehrere Experimente und Untersuchungen durch. Als Folge davon hat der Erfinder einen Aufbau gefunden, der imstande ist, die obigen Aufgaben zu erzielen, und er hat die vorliegende Erfindung zustande gebracht.
Das heißt, die vorliegende Erfindung wird wie folgt zusammengefasst.

[1] Schmiedeverfahren, bei dem Ultraschallschwingungen an einen Formkörper angelegt werden, wenn ein Schmiedematerial in einem Umformungshohlraum des Formkörpers durch Treiben eines Stempels bzw. Hammers in den Umformungshohlraum einer plastischen Bearbeitung unterzogen wird, wobei ein Kontaktzustand des Schmiedematerials bezüglich einer Innenumfangsfläche des Umformungshohlraums während eines Prozesses, in dem das Schmiedematerial der plastischen Umformung unterzogen wird, ausgehend von einer Umformungsstartzeit in einen unzureichenden Kontaktzustand, einen ausreichenden Kontaktzustand und einen vollständigen Kontaktzustand in dieser Reihenfolge eingestuft wird, und das Anlegen von Ultraschallschwingungen nach einem Übergang vom unzureichenden Kontaktzustand in den ausreichenden Kontaktzustand begonnen wird.
[2] Schmiedeverfahren gemäß dem vorgenannten Punkt [1], bei dem das Anlegen von Ultraschallschwingungen unmittelbar nach dem Übergang in den ausreichenden Kontaktzustand begonnen wird.
[3] Schmiedeverfahren gemäß dem vorgenannten Punkt [1] oder [2], bei dem ein Abstand zwischen zwei benachbarten Kontaktpunkten, aus Kontaktpunkten des Schmiedematerials mit der Innenumfangsfläche des Umformungshohlraums entlang der Innenumfangsfläche des Umformungshohlraums, als ein Abstand zwischen benachbarten Kontaktpunkten definiert wird, bei dem wenn ein Maximalwert des Abstands zwischen benachbarten Kontaktpunkten die Hälfte einer gesamten Umfangslänge des Umformungshohlraums übersteigt, der Kontaktzustand als unzureichender Kontaktzustand eingestuft wird, und wenn ein Maximalwert des Abstands zwischen benachbarten Kontaktpunkten gleich oder kleiner als die Hälfte einer gesamtem Umfangslänge des Umformungshohlraums ist, der Kontaktzustand als ausreichender Kontaktzustand eingestuft wird.
[4] Schmiedeverfahren gemäß einem der vorgenannten Punkte [1] bis [3], bei dem ein Winkel, ausgebildet von einem Liniensegment, das einen von zwei benachbarten Kontaktpunkten, aus Kontaktpunkten des Schmiedematerials mit der Innenumfangsfläche des Umformungshohlraums, und ein Umformungshohlraumzentrum verbindet, und einem Liniensegment, das den anderen der beiden benachbarten Kontaktpunkte und das Umformungshohlraumzentrum verbindet, als ein Zentralwinkel zwischen benachbarten Kontaktpunkten definiert wird, bei dem wenn ein Maximalwert des Zentralwinkels zwischen benachbarten Kontaktpunkten 180° übersteigt, der Kontaktzustand als unzureichender Kontaktzustand eingestuft wird, und wenn der Maximalwert des Zentralwinkels zwischen benachbarten Kontaktpunkten 180° oder weniger beträgt, der Kontaktzustand als ausreichender Kontaktzustand eingestuft wird.
[5] Schmiedeverfahren gemäß einem der vorgenannten Punkte [1] bis [4], bei dem basierend auf einer vergangenen Zeit von einem Zeitpunkt, an dem die Bearbeitung des Schmiedematerials durch den Stempel begonnen wurde, eine Zeit des Übergangs vom unzureichenden Kontaktzustand in den ausreichenden Kontaktzustand ermittelt wird, und basierend auf der ermittelten Zeit ein Zeitpunkt bestimmt wird, an dem das Anlegen von Ultraschallschwingungen begonnen wird.
[6] Schmiedeverfahren gemäß einem der vorgenannten Punkte [1] bis [4], bei dem eine Kraft des Stempels bzw. des Schlags gegen das Schmiedematerial zur Zeit des Übergangs vom unzureichenden Kontaktzustand in den ausreichenden Kontaktzustand ermittelt wird, und basierend auf der ermittelten Kraft ein Zeitpunkt bestimmt wird, an dem das Anlegen von Ultraschallschwingungen begonnen wird.
[7] Schmiedeeinrichtung, die aufweist: einen Formkörper, der einen Umformungshohlraum aufweist; einen Stempel bzw. Hammer, der eine plastische Bearbeitung eines Schmiedematerials in dem Umformungshohlraum durchführt, indem dieser in den Umformungshohlraum getrieben wird; ein Schwingungsanwendungsmittel, das Ultraschallschwingungen an den Formkörper anlegt; und ein Schwingungsstartmittel, welches das Anlegen von Ultraschallschwingungen durch Betreiben bzw. Betätigen des Schwingungsanwendungsmittels beginnt, wenn eine bestimmte Zeit nach dem Beginn der Umformung des Schmiedematerials durch den Stempel vergangen ist.
[8] Schmiedeeinrichtung, die aufweist: einen Formkörper, der einen Umformungshohlraum aufweist; einen Stempel bzw. Hammer, der eine plastische Bearbeitung eines Schmiedematerials in dem Umformungshohlraum durchführt, indem dieser in den Umformungshohlraum getrieben wird; ein Schwingungsanwendungsmittel, das Ultraschallschwingungen an den Formkörper anlegt; ein Kraftdetektionsmittel, das eine Kraft des Stempels gegen das Schmiedematerial detektiert; und ein Schwingungsstartmittel, welches das Anlegen von Ultraschallschwingungen durch Betreiben des Schwingungsanwendungsmittels zu einem Zeitpunkt beginnt, an dem die Kraft des Stempels einen im Voraus festgelegten Schwingungsstartkraftwert erreicht hat, basierend auf Informationen von dem Kraftdetektionsmittel.
[9] Schmiedeeinrichtung, die aufweist: einen Formkörper, der einen Umformungshohlraum aufweist; einen Stempel bzw. Hammer, der eine plastische Bearbeitung eines Schmiedematerials in dem Umformungshohlraum durchführt, indem dieser in den Umformungshohlraum getrieben wird; und ein Schwingungsanwendungsmittel, das Ultraschallschwingungen an den Formkörper anlegt, wobei diese so eingerichtet ist, dass zu einem Zeitpunkt, an dem eine Kraft des Stempels gegen das Schmiedematerial einen Schwingungsstartkraftwert erreicht hat, das Anlegen von Ultraschallschwingungen durch das Schwingungsanwendungsmittel begonnen wird, und diese so eingerichtet ist, dass die folgende Beziehungen erfüllt werden: "Lc1" = "Lpa" × "Rσ" × α = 0,69 bis 1,87"; "Lpa" = 0,3404 × "Ap"^{(0,782 – ⌈Ap⌋/190000)} × "Aid"^0,218; "Rσ" = 0,007 × "σm" – 0,016; "σm" > 10 MPa; und "Did" – "Dm" < 10 mm, wobei "Lc1" ein Schwingungsstartkraftwert ist, "Ap" ein Flächeninhalt einer Druckfläche des Stempels ist, "Aid" ein Querschnittflächeninhalt des Umformungshohlraums ist, "Did" ein Innendurchmesser des Umformungsholraums ist, "Dm" ein Außendurchmesser des Schmiedematerials ist und "σm" ein Verformungswiderstand des Schmiedematerials ist.

Wirkungen der Erfindung
Beim Schmiedeverfahren der Erfindung gemäß dem vorgenannten Punkt [1] wird das Anlegen von Ultraschallschwingungen an den Formkörper begonnen, nachdem der Kontaktzustand des Schmiedematerials gegen die Innenumfangsfläche des Umformungshohlraums vom unzureichenden Kontaktzustand in den ausreichenden Kontaktzustand übergegangen ist. Somit ist es möglich, auf zuverlässige Weise zu verhindern, dass die Schwingungsform gestört ist und instabil wird, und auf zuverlässige Weise Wirkungen durch das Anlegen von Schwingungen zu erhalten, wie etwa eine Verringerung der Umformungskraft und eine Verbesserung der Formübertragungseigenschaft.
Beim Schmiedeverfahren der Erfindung gemäß dem vorgenannten Punkt [2] ist es möglich, Schwingungen in ausreichender Weise an den Formkörper anzulegen, und wobei Wirkungen der Schwingungsanwendung auf zuverlässigere Weise erhalten werden können.
Beim Schmiedeverfahren der Erfindung gemäß den vorgenannten Punkten [3] und [4] kann zwischen dem Kontaktzustand und dem unzureichenden Kontaktzustand auf eindeutige Weise unterschieden werden, und folglich können die oben dargelegten Wirkungen noch zuverlässiger erhalten werden.
Beim Schmiedeverfahren der Erfindung gemäß dem vorgenannten Punkt [5] kann der Zeitpunkt des Beginns des Anlegens von Ultraschallschwingungen auf einfache Weise erhalten werden, da der Zeitpunkt des Übergangs in den ausreichenden Kontaktzustand basierend auf der vergangenen Zeit vorhergesagt wird.
Beim Schmiedeverfahren der Erfindung gemäß dem vorgenannten Punkt [6] kann der Zeitpunkt des Anlegens der Ultraschallschwingungen präzise erhalten werden, da die Kraft des Stempels bzw. Schlags zum Übergang in den ausreichenden Kontaktzustand basierend auf der Kraft des Stempels bzw. Schlags vorhergesagt wird.
Beim Schmiedeverfahren der Erfindungen gemäß einem der vorgenannten Punkte [7] bis [9] kann eine Schmiedeeinrichtung bereitgestellt werden, die imstande ist, das obige erfindungsgemäße Verfahren auf zuverlässige Weise durchzuführen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist ein Blockdiagramm, das eine Schmiedeeinrichtung zeigt, die imstande ist, ein Schmiedeverfahren gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung durchzuführen.
2A ist ein Blockdiagramm, das einen Zustand unmittelbar nach dem Beginn der Umformung in einer Schmiedeform, die für die Schmiedeeinrichtung angewendet wird, gemäß der Ausführungsform zeigt.
2B ist ein Blockdiagramm, das einen Zustand unmittelbar vor der Beendigung der Umformung in der Schmiedeform gemäß der Ausführungsform zeigt.
3 ist ein Diagramm, das eine Beziehung zwischen einem Flächendruck P und einer Bearbeitungszeit t des Ultraschallschmiedens zeigt.
4 ist eine Draufsicht zur Erläuterung eines Kontaktzustands eines Schmiedematerials bezüglich einer Innenumfangsfläche des Umformungshohlraums einer Form.
5A ist ein Blockdiagramm zur Erläuterung einer Beziehung zwischen einem Flächendruck und einer Schwingungsbelastung in einer Schmiedeform.
5B ist ein Blockdiagramm zur Erläuterung einer Beziehung zwischen einem Flächendruck und einer Schwingungsbelastung in einer Schmiedeform.
5C ist ein Blockdiagramm zur Erläuterung einer Beziehung zwischen einem Flächendruck und einer Schwingungsbelastung in einer Schmiedeform.
6 ist ein Blockdiagramm, das eine Schmiedeeinrichtung zeigt, die imstande ist, ein Schmiedeverfahren gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung durchzuführen.
7A ist ein Diagramm, das eine Beziehung zwischen einem Kontaktzustand eines Schmiedematerials und einer Bearbeitungszeit beim Ultraschallschmieden zeigt.
7B ist ein Diagramm, das eine Beziehung zwischen einem Maximalwert des Zentralwinkels zwischen Kontaktpunkten und einer Bearbeitungszeit beim Ultraschallschmieden zeigt.
7C ist ein Diagramm, das eine Beziehung zwischen einem Ausgabewert eines Ultraschalloszillators und einer Bearbeitungszeit beim Ultraschallschmieden zeigt.
8 ist ein Blockdiagramm, das eine Schmiedeeinrichtung zeigt, die imstande ist, ein Schmiedeverfahren gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung durchzuführen.
9A ist ein Diagramm, das eine Beziehung zwischen einem Kontaktzustand eines Schmiedematerials und einer Schlagkraft beim Ultraschallschmieden zeigt.
9B ist ein Diagramm, das eine Beziehung zwischen einem Maximalwert des Zentralwinkels zwischen Kontaktpunkten und einer Schlagkraft beim Ultraschallschmieden zeigt.
9C ist ein Diagramm, das eine Beziehung zwischen einem Ausgabewert eines Ultraschalloszillators und einer Schlagkraft beim Ultraschallschmieden zeigt.
10 ist ein Blockdiagramm zum Erläutern verschiedener Bedingungen in einer Form zum Ultraschallschmieden.
11A ist ein Diagramm, das eine Beziehung zwischen einer Vibratorspannung und einer Schlagkraft in einer Ultraschallschmiedeeinrichtung zeigt.
11B ist ein Diagramm, das eine Beziehung zwischen einer Vibratorspannung und einer Bearbeitungszeit (Umformungszeit) in einer Ultraschallschmiedeeinrichtung zeigt.
AUSFÜHRUNGSFORMEN ZUM AUSFÜHREN DER ERFINDUNG
(1) Erste Ausführungsform
1 ist ein Blockdiagramm, das eine Schmiedeeinrichtung zeigt, die imstande ist, ein Schmiedeverfahren gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung durchzuführen, und 2A und 2B sind Blockdiagramme, die jeweils eine Form der Schmiedeeinrichtung zeigen. Wie es in diesen Figuren gezeigt ist, ist die Schmiedeeinrichtung eingerichtet, um eine plastische Bearbeitung des Schmiedematerials W1 durchzuführen, um ein becherförmiges geschmiedetes Produkt W2 auszubilden.
Die Schmiedeeinrichtung ist mit einer Form 1, die eine untere Form ausbildet, einem Hammer bzw. Stempel 2, der eine obere Form ausbildet, einem Hubantriebsmechanismus 3 zum Antreiben des Stempels 2 nach oben und nach unten, einem Vibrator 4 zum Erzeugen von Ultraschallschwingungen und einem Ultraschalloszillator 5 zum Betreiben des Vibrators 4 als Hauptbestandteile vorgesehen.
Die Form 1 ist mit einem zylindrischen oder Donut-förmigen Formkörper 11 vorgesehen, der in der Mitte einen zylindrischen Umformungshohlraum 12 und einen Umformungspin bzw. Umformungsboden 15 aufweist, der am unteren Ende des Formkörpers 11 in dem Umformungshohlraum 12 angeordnet ist. Der Aufbau ist so, dass die Außenumfangsfläche des geschmiedeten Produkts W2 von der Innenumfangsfläche des Umformungshohlraums 12 ausgebildet wird und die untere Fläche des geschmiedeten Produkts W2 von der oberen Endfläche des Umformungspins 15 ausgebildet wird.
Es sei darauf hingewiesen, dass der Umformungspin 15 so eingerichtet sein kann, dass dieser in der Hoch-/Runterrichtung bewegbar ist, und auch als Auswurfpin zum Herausdrücken bzw. Auswerfen eines geschmiedeten Produkts aus dem Umformungshohlraum 12 nach dem Schmiedeprozess dienen kann. Ferner kann ein Auswurfmechanismus auch separat bereitgestellt werden, ohne Anwendung des Umformungspins 15 als Auswurfpin.
Der Stempel 2 weist eine Achse auf, die zum Umformungshohlraum 12 ausgerichtet ist, und dieser ist eingerichtet, um durch Betätigen des Hubantriebsmechanismus 3 angehoben und heruntergefahren zu werden. Ferner wird, wie es in 2A gezeigt ist, in einem Zustand, in dem ein Schmiedematerial W1 im Umformungshohlraum des Formkörpers 11 angeordnet ist, der Stempel 2 abgesenkt und in den Umformungshohlraum 12 getrieben, wodurch eine bestimmte Umformungskraft auf das Schmiedematerial W1 aufgebracht wird. Somit wird, wie es in 2B gezeigt ist, ein geschmiedetes Produkt W2, das der Gestalt in der Form entspricht, ausgebildet.
In dieser Ausführungsform wird ein stabförmiges Material als Schmiedematerial W1 verwendet und ein becherförmiges geschmiedetes Produkt W2 ausgebildet.
Wie es in 1 gezeigt ist, ist ein Vibrator 4 an der Außenumfangsfläche des Formkörpers 11 angebracht. Der Vibrator 4 erzeugt Ultraschallschwingungen gemäß dem Ausgabewert des Ultraschalloszillators 5, und die Ultraschallschwingungswellen, die von dem Vibrator 4 erzeugt werden, werden über die Verbindungsfläche mit dem Formkörper 11 zum Formkörper 11 übertragen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung kann der Aufbau so sein, dass ein Horn zwischen dem Vibrator 4 und dem Formkörper 11 vorgesehen ist, so dass die Ultraschallschwingungen, die vom Vibrator 4 erzeugt werden, über das Horn zum Formkörper 11 übertragen werden.
In dieser Ausführungsform bilden der Vibrator 4 und der Ultraschalloszillator 5 ein Schwingungsanwendungsmittel aus. In dem Fall, in dem ein Horn vorgesehen ist, bilden das Horn, der Vibrator 4 und der Ultraschalloszillator 5 das Schwingungsanwendungsmittel aus.
In dieser Ausführungsform kann als ein Material für das Schmiedematerial W1 ein Material verwendet werden, das beispielsweise durch eine Verfahren des Schneidens eines stranggegossenen Materials, gefertigt aus Aluminium (wobei Aluminiumlegierungen umfasst sind), auf eine bestimmte Länge hergestellt wird, oder ein Material, das beispielsweise durch ein Verfahren des komprimierenden Ausbildens von Aluminiumpulver in eine Rohlingsform, des anschließenden Umformens desselben in eine runde Stabform durch Warmstrangpressen und des Schneidens des stranggepressten Materials auf eine bestimmte Länge hergestellt werden. Ferner kann auch ein Material, das aus einem gezogenen Material gefertigt ist, ein Material, das aus einem gewalzten Material gefertigt ist, usw. verwendet werden.
Wenn gemäß dem Schmiedeverfahren dieser Ausführungsform ein Material W1 durch Absenken des Stempels 2 in einem Zustand geschmiedet wird, in dem das Material W1 in dem Umformungshohlraum 12 der Form 1 angeordnet ist, werden Ultraschallschwingungen vom Vibrator 4 an den Formkörper 11 angelegt. Die Ausführungsform ist durch den Zeitpunkt gekennzeichnet, an dem das Anlegen bzw. Anwenden der Ultraschallschwingungen begonnen wird. Wenn, in anderen Worten, die Schwingungsform des Vibrators 4 instabil wird, wie es oben beschrieben ist, wird der Ultraschalloszillator 5 überlastet und es tritt ein Fehler auf. Gemäß dieser Ausführungsform wird, wie es im Detail unten beschrieben ist, der Zeitpunkt des Anlegens der Ultraschallschwingungen spezifiziert, um dadurch zu vermeiden, dass die Schwingungsform des Vibrators 4 instabil wird.
In dieser Ausführungsform wird ein stabförmiges Material als Schmiedematerial W1 verwendet, aber die Form des Schmiedematerials W1 ist nicht auf eine zylindrische Form beschränkt, es kann vielmehr auch eine andere Form aufweisen, wie beispielsweise eine polygonale Prismaform, eine Kugelform oder eine polyedrische Form.
<Zustand des Schmiedematerials während der Umformung>
3 ist ein Diagramm, das eine Beziehung zwischen einem Flächendruck P und einer Bearbeitungszeit t beim Ultraschallschmieden zeigt, wobei die vertikale Achse einen Flächendruck P zeigt und die horizontale Achse eine Bearbeitungszeit t zeigt. In dieser Ausführungsform bezeichnet der Flächendruck P einen Flächendruck gegen das Schmiedematerial W1 bezüglich der Innenumfangsfläche des Umformungshohlraums. Der Flächendruck P ist an den Kontaktpunkten mit der Innenumfangsfläche des Umformungshohlraums nicht gleichförmig und weist Schwankungen auf, und das Liniensegment, gezeigt im Diagramm der 3, entspricht einem Maximalwert Pm des Flächendrucks P.
In diesem Diagramm entspricht "0" der Bearbeitungszeit t dem Zeitpunkt, an dem das Schmiedematerial W1 in den Umformungshohlraum 12 der Form 1 eingebracht wird. In diesem Zustand befindet sich das Schmiedematerial W1 und die Innenumfangsfläche des Umformungshohlraums im Wesentlichen in einem kontaktfreien Zustand, und ein bestimmter Zwischenraum ist dazwischen vorhanden.
Der Zeitpunkt "t0" entspricht einem Zeitpunkt, an dem das Schmiedematerial W1 vom fallenden bzw. absinkenden Stempel 2 unter Druck gesetzt wird (plastisch verformt wird) und das Schmiedematerial W1 beginnt, mit der Innenumfangsfläche des Umformungshohlraums in Kontakt zu kommen. Dieser Zeitpunkt "t0" entspricht einem Zeitpunkt, an dem die Umformung des Schmiedematerials W durch den Stempel 2 begonnen wird.
Während des Schmiedeprozesses treten nach diesem Zeitpunkt "t0" Kontaktpunkte des Schmiedematerials W1 an der Innenumfangsfläche des Umformungshohlraums auf. Im weiteren Verlauf der Umformung treten Kontaktpunkte auf probabilistische Weise auf und vermehren sich. Das heißt, im Verlauf der plastischen Bearbeitung des Schmiedematerials W1 (Schmiedeumformungsprozess) geht das Schmiedematerial W1 vom Beginn der Umformung in dieser Reihenfolge von einem Zustand, in dem das Schmiedematerial mit der Innenumfangsfläche des Umformungshohlraums unzureichend in Kontakt steht (unzureichender Kontaktzustand), in einen Zustand, in dem das Schmiedematerial mit der Fläche ausreichend in Kontakt steht (ausreichender Kontaktzustand), und anschließend in einen Zustand über, in dem das Schmiedematerial mit der Fläche vollständig in Kontakt steht (vollständiger Kontaktzustand).
Hierbei bezeichnet der unzureichende Kontaktzustand einen Zustand, in dem die Kontaktpunkte des Schmiedematerials W mit der Innenumfangsfläche des Umformungshohlraums auf eine Weise angeordnet sind, bei der diese in der Umfangsrichtung an einem Teil der Innenumfangsfläche des Umformungshohlraums gehäuft bzw. bevorzugt (biased) auftreten. Der "ausreichende Kontaktzustand" bezeichnet einen Zustand, in dem die Kontaktpunkte des Schmiedematerials W mit der Innenumfangsfläche des Umformungshohlraums auf eine verteilte Weise über einen langen Bereich der Innenumfangsfläche des Umformungshohlraums in der Umfangsrichtung auftreten. Der "vollständige Kontaktzustand" bezeichnet einen Zustand, in dem das Schmiedematerial W sich mit der gesamten Innenumfangsfläche des Umformungshohlraums in der Umfangsrichtung in Kontakt befindet. Der "unzureichende Kontaktzustand" und der "ausreichende Kontaktzustand" werden weiter unten im Detail beschrieben.
Auf der anderen Seite ist der Flächendruck P vom Zeitpunkt "0" zum Zeitpunkt "t0" gleich Null, steigt vom Zeitpunkt "t0" und erhöht sich allmählich im Verlauf der Umformung.
Der Zeitpunkt "t1" entspricht dem Zeitpunkt, in dem der unzureichende Kontaktzustand in den ausreichenden Kontaktzustand übergeht. Während des Zeitraums "t0 bis t1" wird der unzureichende Kontaktzustand beibehalten.
Zum Zeitpunkt "t2" füllt das Schmiedematerial W1 den Umformungshohlraum 12 und es entsteht der vollständige Kontaktzustand, und das Schmiedematerial W1 fließt zwischen der Außenfläche des Stempels 2 und der Innenumfangsfläche des Umformungshohlraums, was einem Zeitpunkt entspricht, an dem die Umformung des Umfangswandabschnitts des becherförmigen Schmiedeprodukts W2 beginnt.
An diesem Zeitpunkt "t2" verringert sich der Anstieg des Flächendrucks Pm, und nach dem Zeitpunkt "t2" steigt der Flächendruck Pm mit einer sanften Steigung, bis die Umformung abgeschlossen ist. Das heißt, vor dem Zeitpunkt "t2" findet, wie es in 2A gezeigt ist, der Fluss (Metallfluss) des Metallmaterials lediglich in einer Richtung, der Radialrichtung statt, wohingegen sich nach dem Zeitpunkt "t2", wie es in 2B gezeigt ist, der Metallfluss in beide Richtungen, der Radialrichtung und Axialrichtung, ändert, was einen verringerten Fluss in der Radialrichtung zur Folge hat. Folglich verringert sich zum Zeitpunkt "t2" der Anstieg des Flächendrucks Pm.
<Erläuterung des Kontaktzustands>
Im Folgenden wird gemäß dieser Ausführungsform der unzureichende Kontaktzustand und der ausreichende Kontaktzustand im Detail anhand spezifischer Beispiele beschrieben.
4 ist eine Draufsicht zur Erläuterung des Kontaktzustands des Schmiedematerials W mit der Innenumfangsfläche des Umformungshohlraums in der Form. Wie es in diesen Figuren gezeigt ist, wird in einem Zustand der Draufsicht oder in einem Zustand der Horizontalschnittansicht der Kontaktpunkt des Schmiedematerials W1 mit der Innenumfangsfläche des Umformungshohlraums der Form 1 als "A" bezeichnet. In Fällen, in denen zwei oder mehr Kontaktpunkte A vorliegen (in Fällen, in denen mehrere Kontaktpunkte vorliegen), wird der Winkel, ausgebildet zwischen einem Liniensegment AO, das einen Kontaktpunkt A aus zwei benachbarten Kontaktpunkten A und das Zentrum O des Umformungshohlraums 12 verbindet, und einem Liniensegment AO, das den anderen Kontaktpunkt A und das Zentrum O des Umformungshohlraums 12 verbindet (der Zentralwinkel zwischen benachbarten Kontaktpunkten) als "θ" bezeichnet. Wenn der Maximalwert θmax, aus Zentralwinkeln θ zwischen benachbarten Kontaktpunkten, 180° übersteigt (im Fall von θmax > 180°) wird ein unzureichender Kontaktzustand definiert. Wenn der Maximalwert θmax gleich oder kleiner als 180° ist (θmax ≤ 180°), wird ein ausreichender Kontaktzustand definiert.
Beispielsweise wird in den Beispielen (a) und (b), gezeigt in 4, ein unzureichender Kontaktzustand definiert, da θmax größer als 180° ist. Im Beispiel (c), gezeigt in 4, wird ein ausreichender Kontaktzustand definiert, da θmax gleich oder kleiner als 180° ist.
Selbst in Fällen, in denen das Schmiedematerial W1 sich mit der Innenumfangsfläche des Umformungshohlraums in einem Linienkontakt befindet, in einem Zustand der Draufsicht (in einer horizontalen Schnittansicht), ist es möglich, die Kontaktzustände basierend auf dem Maximalwert des Zentralwinkels θmax zu unterscheiden. Beispielsweise wird im Beispiel (d), gezeigt in 4, ein unzureichender Kontaktzustand definiert, da θmax größer als 180° ist. Im Beispiel (e), gezeigt in 7, wird ein ausreichender Kontaktzustand definiert, da θmax kleiner als 180° ist.
Es sei darauf hingewiesen, dass, wenn zwei Kontaktpunkte A vorliegen und der Zentralwinkel 180° beträgt, ein ausreichender Kontaktzustand definiert wird. Wenn ferner genau ein Kontaktpunkt A vorliegt, wird ein unzureichender Kontaktzustand definiert.
In dieser Ausführungsform ist das Zentrum des Umformungshohlraums 12 der Kreis der kleinsten Quadrate (least squares circle), angewendet auf die Konturlinie des Umformungshohlraums (Innenumfangsfläche). Dieser Kreis der kleinsten Quadrate wird durch ein Verfahren der kleinsten Quadrate erhalten.
Wenn hierbei in dieser Ausführungsform der Abstand (Länge in Umfangsrichtung) entlang der Innenumfangsfläche des Umformungshohlraums zwischen zwei benachbarten Kontaktpunkten als ein Abstand zwischen benachbarten Kontaktpunkten definiert wird, ist ein Fall, in dem der Maximalwert des Abstands zwischen benachbarten Kontaktpunkten die Hälfte der gesamte Umfangslänge des Umformungshohlraums übersteigt, ein Zustand, in dem mehrere Kontaktpunkte A gehäuft in einem Bereich von weniger als der Hälfte der Innenumfangsfläche des Umformungshohlraums auftreten. Dieser Zustand entspricht einem Zustand, in dem θmax 180° übersteigt (ein Zustand von θmax > 180°), der ein unzureichender Kontaktzustand ist. Ein Fall, in dem der Maximalwert des Abstands zwischen benachbarten Kontaktpunkten gleich oder kleiner als die Hälfte der gesamten Umfangslänge des Umformungshohlraums ist, ist ein Zustand, in dem mehrere Kontaktpunkte A über die Hälfte oder mehr bezüglich der Innenumfangsfläche des Umformungshohlraums auftreten. Dieser Zustand entspricht einem Zustand, in dem θmax 180° oder weniger beträgt (ein Zustand von θmax ≤ 180°), der ein ausreichender Kontaktzustand ist.
Ferner ist in dieser Ausführungsform die Schnittform (Ebenenform) des Umformungshohlraums 12 des Formkörpers 11 kreisförmig ausgebildet, aber diese ist darauf nicht beschränkt. In der vorliegenden Erfindung kann die Querschnittsform des Umformungshohlraums 12 auch nicht kreisförmig ausgebildet sein, etwa polygonförmig, elliptisch, oval oder unregelmäßig. In diesem Zustand können der unzureichende Kontaktzustand und der ausreichende Kontaktzustand basierend auf dem Zentralwinkel θ zwischen benachbarten Kontaktpunkten unterschieden werden, oder der unzureichende Kontaktzustand und der ausreichende Kontaktzustand können basierend auf dem Abstand (Umfangslänge) zwischen benachbarten Kontaktpunkten unterschieden werden.
Gemäß dieser Ausführungsform ist der unzureichende Kontaktzustand durch einen Zustand von dem Zeitpunkt, wenn das Schmiedematerial W1 beginnt, mit der Innenumfangsfläche des Umformungshohlraums in Kontakt zu kommen (Umformungsstartzeit), bis zum Zeitpunkt definiert, an dem dieses den ausreichenden Kontaktzustand erreicht, aber diese ist darauf nicht beschränkt. Gemäß der vorliegenden Erfindung kann der Zustand (kontaktfreier Zustand) nach dem Anordnen des Schmiedematerials W1 in dem Umformungshohlraum 12 bis zu dem Zeitpunkt, an dem die Umformung beginnt, in dem unzureichenden Kontaktzustand umfasst sein. Das heißt, der Fall, in dem kein Kontaktpunkt des Schmiedematerials W1 mit der Innenumfangsfläche des Umformungshohlraums vorliegt (im Fall von "0" Kontaktpunkten), kann als ein unzureichender Kontaktzustand definiert sein.
<Details der Schwingungsstörung>
Beim Ultraschallschmieden ist es zusätzlich zu Merkmalen, wie etwa dem Kontaktzustand des Schmiedematerials W1, dem Flächendruck P, der Bearbeitungszeit t, nötig, das Merkmal der Schwingungsbelastung V aufgrund der Ultraschallschwingungen zu berücksichtigen. Die Schwingungsbelastung V bezeichnet eine Schwingungsbelastung an der Innenumfangsfläche des Umformungshohlraums des Formkörpers 11, die durch Schwingungen, angelegt vom Vibrator 4, in Schwingung versetzt wird. Diese Schwingungsbelastung V ist eine Belastung, die erzeugt wird, wenn der Formkörper 11 sich aufgrund von Schwingungen ausdehnt und zusammenzieht, und entspricht einer Schwingungsbelastung, die an der Schnittstelle des Umformungshohlraums und des Schmiedematerials W1 in der Radialrichtung erzeugt wird. Da die Schwingungsbelastung V auf Schwingungen des Vibrators 4 beruht, bleibt diese im Wesentlichen konstant, unabhängig von der Betätigungszeit t.
Wie es im Diagramm der 3 gezeigt ist, bleibt die Schwingungsbelastung V konstant, während der Flächendruck P allmählich ansteigt. In diesem Diagramm entspricht der Zeitpunkt "t0,5" dem Zeitpunkt, an dem der Flächendruck Pm gleich der Schwingungsbelastung V wird, und nach diesem Zeitpunkt "t0,5" übersteigt der Flächendruck Pm die Schwingungsbelastung V. Dieser Zeitpunkt "t0,5" liegt zwischen den Zeitpunkten "t0 und t1", wobei während dieser Zeitdauer der unzureichende Kontaktzustand vorliegt, wie es oben beschrieben ist.
Wenn beim Ultraschallschmieden Ultraschallschwingungen angelegt werden, wird die Schwingungsform des Vibrators 4 gestört und instabil, wenn in dem unzureichenden Kontaktzustand "t0 bis t1" der Flächendruck P die Schwingungsbelastung V übersteigt (P > V), wie es im Folgenden im Detail beschrieben wird.
Wenn der Flächendruck P kleiner als die Schwingungsbelastung V ist (Zeit "t0 bis t0,5"), wie es in 5A gezeigt ist, kommen in dem Moment, in dem der Formkörper 11 sich aufgrund der Schwingungen zusammenzieht, die Innenumfangsfläche des Umformungshohlraums und das Schmiedematerial W1 miteinander in Kontakt, wie es in 5B gezeigt ist, wobei in dem Moment, in dem der Formkörper 11 sich aufgrund der Schwingungen ausdehnt, sich die Innenumfangsfläche des Umformungshohlraums und das Schmiedematerial W1 trennen. Wenn, in anderen Worten, der Flächendruck P kleiner als die Schwingungsbelastung V ist, wiederholen sich der Kontakt und die Trennung. Wenn der Kontakt und die Trennung auf diese Weise durchgeführt werden, wird der Schwingungszustand des Formkörpers 11 durch die Schwingungen von dem Schmiedematerial W1 nicht beeinträchtigt.
Wenn auf der anderen Seite der Flächendruck P die Schwingungsbelastung V übersteigt, wird der Kontaktzustand (enger Kontaktzustand) zwischen der Innenumfangsfläche des Umformungshohlraums und dem Schmiedematerial W1 stets beibehalten, selbst in dem Moment, in dem der Formkörper 11 sich zusammenzieht, wie es in 5A gezeigt ist, und selbst in dem Moment, in dem der Formkörper 11 sich ausdehnt, wie es in 5C gezeigt ist. In anderen Worten, an dem Abschnitt, an dem das Schmiedematerial W1 sich mit der Innenumfangsfläche des Umformungshohlraums in Kontakt befindet, wird das Schmiedematerial W1 von der Innenumfangsfläche des Umformungshohlraums nicht getrennt, was so angesehen werden kann, als seien diese in gewisser Weise integriert. Folglich werden die Schwingungen des Formkörpers 11 am Kontaktabschnitt zum Schmiedematerial W1 übertragen, und die Schwingungen des Schmiedematerials W1 werden zum Formkörper 11 übertragen.
Wenn, wie es in 3 gezeigt ist, der Flächendruck P kleiner als die Schwingungsbelastung V ist (Zeit "t0 bis t0,5"), wie es oben beschrieben ist, werden der Formkörper 11 und das Schmiedematerial W1 unabhängig in Schwingung versetzt, so dass sich diese nicht gegenseitig beeinflussen. Folglich wird der Schwingungszustand des Formkörpers 11 selbst im unzureichenden Kontaktzustand nicht gestört, und es wird eine stabile Schwingungsform beibehalten. Folglich wird die Art und Weise der Schwingung (Schwingungsform) des Formkörpers 11 und des Vibrators 4 gemäß einer bestimmten Form beibehalten (beispielsweise einer radialen Schwingungsform).
In Fällen, allerdings, in denen im unzureichenden Kontaktzustand der Flächendruck P die Schwingungsbelastung V übersteigt (nach dem Zeitpunkt "t0,5"), treten die Kontaktpunkte gehäuft in einem Teil in Umfangsrichtung auf, wodurch die Schwingungen vom Schmiedematerial W1 lediglich zum gehäuften bzw. bevorzugten (biased) Teil (Abschnitt) der Innenumfangsfläche des Umformungshohlraums übertragen werden, wohingegen im restlichen Teil (dem Teil, in dem kein Kontaktpunkt vorhanden ist) die Innenfläche des Umformungshohlraums und das Schmiedematerial W1 voneinander getrennt sind, wodurch somit keine Schwingungen dazwischen übertragen werden. Folglich wird der Einfluss der Schwingungen vom Schmiedematerial W1 zum Formkörper 11 auf eine in der Umfangsrichtung gehäufte bzw. bevorzugte Weise übermittelt. Somit ist der Schwingungszustand des Formkörpers 11 gestört, und aufgrund des Einflusses ist die Schwingungsform des Vibrators 4 gestört und wird instabil, was eine beeinträchtigte Schwingungsamplitude des Vibrators 4 und des Formkörpers 11 zur Folge hat. Um dann, wie es oben beschrieben ist, die ursprüngliche Schwingungsform beizubehalten, steigt die Spannung, die dem Vibrator 4 vom Ultraschalloszillator 5 zugeführt wird, stark an, was eine Überlast des Ultraschalloszillators 5 bewirkt, wodurch der Sicherheitsschaltkreis betätigt wird, was einen Fehler zur Folge hat. Somit stoppt der Ultraschalloszillator 5, was einen Stopp der Schwingungen des Vibrators 4 und des Formkörpers 11 zur Folge hat.
Beispielsweise zum Zeitpunkt "t0,5", gezeigt in 3, übersteigt der Flächendruck P die Schwingungsbelastung V, aber der Kontaktzustand bleibt unzureichend. Zu dieser Zeit ist der Zustand des Schmiedematerials W1 bezüglich des Formkörpers 11 so, dass das Schmiedematerial W1 auf eine gehäufte Weise in einem Teil der Innenumfangsfläche des Umformungshohlraums in Kontakt steht und das Schmiedematerial W1 mit dem Formkörper 11 gleichphasig schwingt. Dann bildet sich Abschnitt des Schmiedematerials W1 aus, der nicht mit der Innenumfangsfläche des Umformungshohlraums in Kontakt steht, wodurch sich ein sichelförmiger Raum zwischen dem Schmiedematerial und der Innenumfangsfläche ausbildet. Als Folge davon werden in dem Abschnitt turbulente Schwingungen, die sich von turbulenten Schwingungen in der Radialrichtung unterscheiden, erzeugt. Somit wird, wie es oben beschrieben ist, der Schwingungszustand gestört, was eine instabile Schwingungsform des Vibrators 4 zur Folge hat.
Wenn der Umformungsprozess vom unzureichenden Kontaktzustand fortfährt und in den ausreichenden Kontaktzustand übergeht, löst sich die Unordnung des Schwingungszustands in dem Formkörper 11 auf. Das heißt, in dem ausreichenden Kontaktzustand werden, da die Kontaktpunkte über einen langen Bereich in der Umfangsrichtung verteilt angeordnet sind, keine Schwingungen des Schmiedematerials W1 auf eine gehäufte Weise auf einen Teil in der Umfangsrichtung des Formkörpers 11 übertragen, stattdessen werden diese im Wesentlichen gleichmäßig über den gesamten Bereich in der Richtung übertragen. Somit werden der Formkörper 11 und der Vibrator 4 in einer stabilen Schwingungsform gehalten, ohne dass eine Störung des Schwingungszustands verursacht wird.
Wenn der Schmiedeumformungsprozess vom ausreichenden Kontaktzustand in den vollständigen Kontaktzustand fortfährt, werden die Schwingungen des Schmiedematerials W1 von im Wesentlichen dem gesamten Umfang in der Umfangsrichtung auf gleiche Weise wie im ausreichenden Kontaktzustand auf den Formkörper 11 übertragen. Folglich werden keine Schwingungen von dem Schmiedematerial W1 auf eine gehäufte Weise zum Formkörper 11 übertragen, und der Formkörper 11 und der Vibrator 4 verbleiben in einer bestimmten Schwingungsform beibehalten.
<Aufbau und Wirkungen>
Wie es oben beschrieben, ist wird beim Ultraschallschmieden die Schwingungsform des Vibrators 4 instabil, wenn der Flächendruck P die Schwingungsbelastung V in dem unzureichenden Kontaktzustand übersteigt, das heißt, vor dem Übergang in den ausreichenden Kontaktzustand. Der Vibrator 4 verbleibt in dem Zustand nach dem Übergang in den ausreichenden Kontaktzustand in einer stabilen Schwingungsform.
Indem der Zeitpunkt, an dem das Anlegen von Ultraschallschwingungen durch den Vibrator 4 an den Formkörper 11 begonnen wird, gemäß dieser Ausführungsform auf eine Zeit nach dem Übergang in den ausreichenden Kontaktzustand festgelegt wird, ist es gemäß dieser Ausführungsform somit möglich, zu vermeiden, dass die Schwingungsform des Vibrators 4 instabil wird, während die Wirkungen durch die Ultraschallschwingungen in ausreichendem Maß sichergestellt werden. Damit wird eine Unterbrechung der Herstellung aufgrund des Auftretens eines Überlastfehlers des Ultraschalloszillators 5 wirkungsvoll vermieden, während die Verringerung der Umformungskraft und Verbesserung der Formübertragungseigenschaft auf zuverlässige Weise erhalten werden.
Ferner können beim Ultraschallschmieden die Wirkungen aufgrund der Ultraschallschwingungen verbessert werden, da das Anlegen von Ultraschallschwingungen so früh wie möglich zu Beginn des Schmiedens begonnen wird. Aus diesem Grund wird gemäß dieser Ausführungsform das Anlegen von Ultraschallschwingungen vorzugsweise unmittelbar nach dem Übergang in den ausreichenden Kontaktzustand begonnen. Insbesondere wird das Anlegen von Ultraschallschwingungen vorzugsweise innerhalb von 30 ms (Millisekunden) nach dem Zeitpunkt des Übergangs in den ausreichenden Kontaktzustand begonnen.
(2) Zweite Ausführungsform
Der Kontaktpunkt A des Schmiedematerials W1 an der Innenumfangsfläche des Umformungshohlraums nimmt in dem Schmiedeumformungsprozess beim Ultraschallschmieden, wie es oben beschrieben ist, im Verlauf der Zeit allmählich zu, und der Kontaktzustand ändert sich. Somit ist es basierend auf der vergangenen Bearbeitungszeit möglich, den Zeitpunkt des Übergangs vom unzureichenden Kontaktzustand in den ausreichenden Kontaktzustand vorherzusagen. In dieser Ausführungsform wird eine Störung der Schwingungen unterbunden, so dass eine stabile Schwingungsform beibehalten wird, indem das Anlegen von Ultraschallschwingungen an einem vorhergesagten Zeitpunkt begonnen wird.
6 ist ein Blockdiagramm, das eine Schmiedeeinrichtung (Schmiedeform) zeigt, die imstande ist, ein Schmiedeverfahren gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung durchzuführen. Wie es in der Figur gezeigt ist, ist die Schmiedeeinrichtung mit einer Hubsteuereinrichtung 6 und einer Schwingungsstartsteuereinrichtung 7 ausgestattet. In der Schwingungsstartsteuereinrichtung 7 ist eine Bezugszeit (Schwingungsstartzeit) voreingestellt, die beispielsweise durch ein später beschriebenes Verfahren bestimmt wird. Die Hubsteuereinrichtung 6 detektiert die Zeit, wenn der Druck des Schmiedematerials W1 durch den absinkenden bzw. fallenden Stempel 2 beginnt, basierend auf Informationen von einem Hubantriebsmechanismus 3. Im Fall eines mechanischen Hubantriebsmechanismus (Presse) 3, beispielsweise, detektiert die Hubsteuereinrichtung 6 den Zeitpunkt, an dem der Stempel 2 die Umformungsstarthöhe erreicht hat, als Umformungsstartzeit, basierend auf den Ausgabeinformationen vom Sensor, der einen Drehwinkel einer Kurbelwelle der Presse detektiert. Alternativ detektiert die Hubsteuereinrichtung 6 den Zeitpunkt, an dem der Stempel 2 die Umformungsstarthöhe erreicht hat, als eine Umformungsstartzeit, basierend auf den Ausgabeinformationen vom Sensor, der eine Schubposition des Stempels 2 detektiert. Die Hubsteuereinrichtung 6, welche die Umformungsstartzeit detektiert, gibt ein Signal, das die Umformungsstartzeit betrifft, an die Schwingungsstartsteuereinrichtung 7 aus. Die Schwingungsstartsteuereinrichtung 7, die das Signal empfängt, misst die Zeit von der Umformungsstartzeit (vergangene Bearbeitungszeit) basierend auf dem eingebauten Zeitgeber 71. Anschließend überträgt die Schwingungsstartsteuereinrichtung 7 ein Schwingungsstartsignal an den Ultraschalloszillator 5, zum Zeitpunkt, an dem die Messzeit die oben genannte Bezugszeit erreicht hat. Der Ultraschalloszillator 5, der das Schwingungsstartsignal empfangen hat, gibt eine Leistung zum Betreiben des Vibrators 4 aus, um das Anlegen der Schwingungen vom Vibrator 4 an den Formkörper 11 zu beginnen.
Somit wird das Schmieden in einem Zustand durchgeführt, in dem Ultraschallschwingungen angelegt werden. Beispielsweise kann die Spannung des Vibrators 4 auf 500 V bis 900 V eingestellt werden.
Wenn auf der anderen Seite das Schmieden beendet wird, wird das Anlegen der Ultraschallschwingungen gestoppt. Das heißt, die Hubsteuereinrichtung 6 detektiert den Zeitpunkt, an dem die Umformung abgeschlossen ist, basierend auf den Informationen von dem Hubantriebsmechanismus 3. Beispielsweise detektiert die Hubsteuereinrichtung 6 den Zeitpunkt, an dem die Presse das Hubbodentotzentrum der Presse erreicht hat, als Umformungsbeendigungszeit basierend auf den Ausgabeinformationen von einem Sensor zur Detektion eines Drehwinkels einer Kurbelwelle einer Presse oder basierend auf den Ausgabeinformationen von einem Sensor zur Detektion einer Verschiebeposition einer Presse. Die Hubsteuereinrichtung 6, welche die Umformungsbeendigungszeit detektiert, überträgt ein Signal, das die Beendigung der Umformung betrifft, an den Ultraschalloszillator 5. Der Ultraschalloszillator 5, der das Umformungsbeendigungssignal empfangen hat, stoppt die Ausgabe des Vibrators 4, so dass die Ultraschallschwingungen des Formkörpers 11 durch den Vibrator 4 beendet werden.
Eine solche Schmiedeumformung wird mehrfach wiederholt, so dass nacheinander geschmiedete Produkte hergestellt werden.
Gemäß dieser Ausführungsform sind die Hubsteuereinrichtung 6 und die Schwingungsstartsteuereinrichtung 7 beispielsweise durch einen Mikrocomputer oder dergleichen aufgebaut. In dieser Ausführungsform fungiert die Schwingungsstartsteuereinrichtung 7 als ein Schwingungsstartmittel.
<Bestimmung der Schwingungsstartzeit>
Als Nächstes wird speziell ein Verfahren zur Bestimmung einer Bezugszeit (geplante Schwingungsstartzeit) beschrieben.
7A ist ein Diagramm, das eine Beziehung zwischen einem Kontaktzustand eines Schmiedematerials und einer vergangenen Bearbeitungszeit zeigt. 7B ist ein Diagramm, das eine Beziehung zwischen einem Maximalwert des Zentralwinkels θmax zwischen Kontaktpunkten und einer vergangenen Bearbeitungszeit zeigt. 7C ist ein Diagramm, das eine Beziehung zwischen einem Ausgabewert eines Ultraschalloszillators und einer vergangenen Bearbeitungszeit zeigt.
In diesen Diagrammen ist, auf gleiche Weise wie im Diagramm der 3, "t0" eine Zeit, die einen Zeitpunkt kennzeichnet, an dem der Stempel 2 absinkt und die Umformung beginnt, ist "t1" eine Zeit, die den Zeitpunkt kennzeichnet, an dem der Kontaktzustand vom unzureichenden Kontaktzustand (θmax > 180°) in den ausreichenden Kontaktzustand (θmax ≤ 180°) übergeht. "t2" ist eine Zeit, die den Zeitpunkt kennzeichnet, an dem der Kontaktzustand vom ausreichenden Kontaktzustand in den vollständigen Kontaktzustand (θmax = 0°) übergeht. Wie aus diesen Diagrammen deutlich wird, ist der Schwingungszustand des Formkörpers 11 gestört, was ferner andere Schwingungen als Schwingungen in der Radialrichtung bewirkt, wenn das Anlegen der Ultraschallschwingungen an den Formkörper 11 zum Zeitpunkt begonnen wird, an dem "t1" noch nicht erreicht wurde (in dem Bereich, der in diesen Diagrammen durch "x" gekennzeichnet ist). Als Folge davon übersteigt der Ausgabewert den Maximalwert unmittelbar vor Erreichen von "t1", und somit stoppt der Ultraschalloszillator aufgrund des Überlastfehlers. Wenn auf der anderen Seite das Anlegen der Ultraschallschwingungen zu einem Zeitpunkt nach "t1" begonnen wird (im Bereich, der in diesen Diagrammen durch "○" gekennzeichnet ist), wird der Schwingungszustand des Formkörpers 11 nicht gestört, wobei keine Überlast auftritt und eine stabile Schwingungsform beibehalten wird.
Unter Berücksichtigung dieser Faktoren ist es verständlich, dass die Zeit, die "t1" entspricht, in der Schmiedeeinrichtung, gezeigt in 6, als Schwingungsstartzeit "tc1" festgelegt wird.
In der Schmiedeeinrichtung, gezeigt in 6, wird gemäß dieser Ausführungsform die Schmiedeumformung anfangs durch im Voraus Einstellen der Schwingungsstartzeit "tc1" auf "t0", die dem Umformungsstartzeit entspricht, durchgeführt.
Bei dieser Schmiedeumformung wird das Anlegen der Ultraschallschwingungen zu früh begonnen, und folglich ist der Schwingungszustand gestört und es tritt eine Überlast in dem Ultraschalloszillator auf. Das wird hier bestätigt bzw. nachgeprüft. Als Nächstes wird die Bezugszeit "tc1" auf eine Zeit eingestellt, die bezüglich der im Voraus eingestellten Zeit "t0" etwas verzögert bzw. nach hinten geschoben ist, wobei die gleiche Schmiedeumformung durchgeführt wird, um zu ermitteln, ob eine Überlast auftritt. Durch Wiederholen eines solchen Ablaufs wird die im Voraus einzustellende Bezugszeit "tc1" allmählich auf eine spätere Zeit verschoben, um auf diese Weise die früheste Zeit bzw. den frühesten Zeitpunkt unter den Zeiten experimentell zu ermitteln, bei denen keine Überlast, die eine Störung des Schwingungszustands bewirken würde, auftritt. Anschließend wird die Zeit als eine reguläre Bezugszeit "tc1" festgelegt, und die Bezugszeit "tc1" wird für die Schmiedeeinrichtung, die in 6 gezeigt ist, eingestellt. Indem ein Ultraschallschmieden durch die Schmiedeeinrichtung durchgeführt wird, wie es oben beschrieben ist, bei der die Bezugszeit "tc1" auf diese Weise eingestellt ist, ist es möglich, die Wirkungen durch die Ultraschallschwingungen, wie etwa eine Verringerung der Umformungskraft und Verbesserung der Formübertragungseigenschaft, auf zuverlässige Weise zu erzielen, während eine Störung des Schwingungszustands und ein Unterbrechung des Betriebs aufgrund des Auftretens eines Überlastfehler unterbunden werden.
Gemäß dieser Ausführungsform wird der früheste Zeitpunkt, an dem kein Überlastfehler auftritt, als Bezugszeit "tc1" eingestellt, aber es besteht diesbezüglich keine Beschränkung. Gemäß der vorliegenden Ausführungsform kann auch ein beliebiger anderer Zeitpunkt als reguläre Bezugszeit "tc1" eingestellt werden, solange kein Überlastfehler auftritt.
Da der Zeitpunkt, an dem das Anlegen der Ultraschallschwingungen begonnen wird, basierend auf der vergangenen Zeit bestimmt wird, kann das Schmiedeverfahren der zweiten Ausführungsform auf einfache Weise implementiert werden.
Es sei darauf hingewiesen, dass, wenn der Zeitpunkt (Schwingungsanwendungsstartzeit) des Übergangs in den ausreichenden Kontaktzustand basierend auf der vergangenen Bearbeitungszeit vorhergesagt wird, der Vorhersagewert eine stochastische Größe wird und Fluktuationen aufweist. Ferner schwankt die Umformungsgeschwindigkeit des Schmiedematerials W1 aufgrund verschiedener Faktoren. Somit wird ein Vorhersagewert des Zeitpunkts des Übergangs in den ausreichenden Kontaktzustand vorzugsweise mit einem zeitlichen Spielraum eingestellt. Beispielsweise wird ein Vorhersagewert, der eine bestimmt Breite (Bereich) aufweist, unter Berücksichtigung von Umgebungsparametern, Umformungsbedingungen, usw. erhalten, wobei eine geeignete Zeitpunkt innerhalb des Bereichs als Bezugszeitpunkt tc1 eingestellt werden kann.
(3) Dritte Ausführungsform
Experimente, durchgeführt vom Erfinder, haben gezeigt, dass eine Beziehung besteht zwischen der Kraftänderung des Stempels bzw. Hammers zur Zeit der Schmiedeumformung und dem Kontaktzustand des Schmiedematerials. Folglich wird gemäß der dritten Ausführungsform eine Stempelkraft bzw. Schlagkraft, bei welcher der Kontaktzustand vom unzureichenden Kontaktzustand in den ausreichenden Kontaktzustand übergeht, ermittelt, und basierend auf der Schlagkraft wird ein Zeitpunkt für den Beginn des Anlegens der Ultraschallschwingungen bestimmt, so dass eine stabile Schwingungsform durch Vermeiden von Schwingungsstörungen beibehalten wird.
8 ist ein Blockdiagramm, das eine Schmiedeeinrichtung (Schmiedeform) zeigt, die imstande ist, ein Schmiedeverfahren gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung durchzuführen. Wie es in dieser Figur gezeigt ist, ist diese Schmiedeeinrichtung mit einem Kraftdetektor 81 zum Detektieren einer Kraft des Stempels 2 auf das Schmiedematerial W1 und einer Schwingungsstartsteuereinrichtung 8 zum Erfassen eines Signals bezüglich der Schlagkraft von dem Kraftdetektor 81 vorgesehen. In der Schwingungsstartsteuereinrichtung 8 ist ein Bezugskraftwert (Schwingungsstartkraftwert) voreingestellt, der beispielsweise durch ein später beschriebenes Verfahren erhalten wird. Die Schwingungsstartsteuereinrichtung 8 detektiert die Kraft (Schlagkraft) des Stempels 2 auf das Schmiedematerial W basierend auf den Informationen vom Kraftdetektor 81, wenn der Stempel 2 absinkt, und überträgt das Schwingungsstartsignal an den Ultraschalloszillator 5 zu einem Zeitpunkt, an dem die Schlagkraft den Bezugskraftwert erreicht hat. Der Ultraschalloszillator 5, der das Schwingungsstartsignal empfangen hat, gibt eine Leistung zum Antrieb des Vibrators aus. Somit beginnt der Vibrator 4 mit der Erzeugung von Schwingungen, um das Anlegen der Schwingungen an den Formkörper 11 zu beginnen.
Somit wird die Schmiedeumformung in einem Zustand ausgeführt, in dem Ultraschallschwingungen angewendet werden. Es sei darauf hingewiesen, dass die Spannung des Vibrators 4 beispielsweise auf 500 V bis 900 V eingestellt werden kann.
Wenn auf der anderen Seite die Schmiedeumformung abgeschlossen ist, wird das Anlegen der Ultraschallschwingungen gestoppt. Das heißt, die Hubsteuereinrichtung 6 detektiert den Zeitpunkt, an dem die Umformung abgeschlossen ist, basierend auf den Informationen vom Hubantriebsmechanismus 3 und überträgt ein Signal, das die Beendigung der Umformung betrifft, an den Ultraschalloszillator 5. Beim Empfang des Umformungsbeendigungssignals stoppt der Ultraschalloszillator 5 die Ausgabe an den Vibrator 4, wodurch die Ultraschallschwingungen des Formkörpers 11 durch den Vibrator 4 beendet werden.
Eine solche Schmiedeumformung wird mehrfach wiederholt, so dass nacheinander geschmiedete Produkte hergestellt werden.
In dieser Ausführungsform wird die Schwingungsstartsteuereinrichtung 8 durch einen Mikrocomputer oder dergleichen aufgebaut und fungiert als Schwingungsstartmittel. Ferner fungiert der Kraftdetektor 81 als ein Kraftdetektionsmittel.
<Bestimmung des Schwingungsstartkraftwerts>
Als Nächstes wird speziell ein Verfahren zur Bestimmung eines Bezugskraftwerts (Schwingungsstartkraftwert) beschrieben.
9A ist ein Diagramm, das eine Beziehung zwischen einem Kontaktzustand eines Schmiedematerials und einer vergangenen Bearbeitungszeit zeigt. 9B ist ein Diagramm, das eine Beziehung zwischen einem Zentralwinkelmaximalwert θmax des Kontaktpunkts und einer Schlagkraft zeigt. 9C ist ein Diagramm, das eine Beziehung zwischen einem Ausgabewert eines Ultraschalloszillators und einer Schlagkraft zeigt.
In diesen Diagrammen ist "L0" ein Kraftwert zum Zeitpunkt, an dem der Stempel 2 absinkt bzw. fällt und die Umformung beginnt, "L1" ist ein Kraftwert zum Zeitpunkt, an dem der Kontaktzustand vom unzureichenden Kontaktzustand (θmax > 180°) in den ausreichenden Kontaktzustand (θmax ≤ 180°) übergeht. "L2" ist ein Kraftwert zum Zeitpunkt, an dem der Kontaktzustand vom unzureichenden Kontaktzustand in den vollständigen Kontaktzustand (θmax = 0°) übergeht. Wie aus diesen Diagrammen deutlich wird, ist der Schwingungszustand des Formkörpers 11 gestört, wodurch ferner andere Schwingungen als Schwingungen in der Radialrichtung verursacht werden, wenn das Anlegen der Ultraschallschwingungen an den Formkörper 11 bei einem Kraftwert begonnen wird, der kleiner als "L1" ist (in dem Bereich, der in diesen Diagrammen durch das "x"-Symbol gekennzeichnet ist). Somit steigt der Ausgabewert des Ultraschalloszillators unmittelbar vor dem Erreichen von "L1" plötzlich an, und somit stoppt der Ultraschalloszillator aufgrund des Überlastfehlers. Wenn auf der anderen Seite das Anlegen der Ultraschallschwingungen beim Kraftwert "L1" oder größer begonnen wird (in dem Bereich, der in diesen Diagrammen durch "o" gekennzeichnet ist), wird der Schwingungszustand des Formkörpers 11 nicht gestört, wobei keine Überlast auftritt und eine stabile Schwingungsform beibehalten wird.
Unter Berücksichtigung dieser Faktoren ist es verständlich, dass der Bezugskraftwert (Schwingungsstartkraftwert) "Lc1" in der Schmiedeeinrichtung, die in 8 gezeigt ist, auf "L1" eingestellt wird.
In der in 8 gezeigten Schmiedeeinrichtung wird gemäß dieser Ausführungsform die Schmiedeumformung anfangs durch im Voraus Einstellen des Bezugskraftwerts "Lc1" auf keine Kraft (0 kN) durchgeführt. Bei dieser Schmiedeumformung wird das Anlegen der Ultraschallschwingungen zu früh begonnen, und somit ist der Schwingungszustand gestört und es tritt eine Überlast im Ultraschalloszillator auf. Das wird bestätigt bzw. nachgeprüft. Als Nächstes wird der voreingestellte Bezugskraftwert "Lc1" auf einen Wert eingestellt, der etwas größer ist als 0 kN, und die gleiche Schmiedeumformung wird durchgeführt, um zu ermitteln, ob eine Überlast auftritt. Durch Wiederholen eines solchen Vorgangs wird der im Voraus einzustellende Bezugskraftwert "Lc1" auf einen allmählich zunehmenden Wert eingestellt, um die kleinste Kraft aus den Kräften experimentell zu ermitteln, bei denen keine Überlast, die eine Störung des Schwingungszustands bewirken würde, auftritt. Anschließend wird der Kraftwert als regulärer Bezugswert "Lc1" festgelegt, und der Bezugskraftwert "Lc1" wird für die Schmiedeeinrichtung, die in 8 gezeigt ist, eingestellt. Indem eine Schmiedeumformung, wie oben beschrieben, mittels der Schmiedeeinrichtung, bei welcher der Bezugskraftwert "Lc1" auf diese Weise eingestellt wird, durchgeführt wird, ist es möglich, die Wirkungen aufgrund der Ultraschallschwingungen, wie etwa eine Verringerung der Umformungskraft und eine Verbesserung der Formübertragungseigenschaft, zuverlässig zu erzielen, während eine Störung des Schwingungszustands und eine Unterbrechung des Betriebs aufgrund des Auftretens eines Überlastfehlers unterbunden werden.
In dieser Ausführungsform wird die kleinste Kraft, bei der kein Überlastfehler auftritt, als Bezugskraftwert "Lc1" eingestellt, aber eine diesbezügliche Beschränkung gibt es nicht. Gemäß der vorliegenden Erfindung kann auch eine beliebige andere Kraft als regulärer Bezugskraftwert "Lc1" eingestellt werden, solang kein Überlastfehler auftritt.
Da der Zeitpunkt des Übergangs in den ausreichenden Kontaktzustand (der Zeitpunkt des Beginns der Schwingungsanwendung) aus der Schlagkraft bzw. Stempelkraft vorhergesagt wird, besteht gemäß dem Schmiedeverfahren der dritten Ausführungsform keine Beeinträchtigung durch Fluktuationen der Umformungsgeschwindigkeit des Schmiedematerials W1. Somit ist es gemäß dem Schmiedeverfahren der dritten Ausführungsform möglich, den Zeitpunkt des Beginns der Schmiedeanwendung mit einer hohen Genauigkeit vorherzusagen, im Vergleich zum Schmiedeverfahren der zweiten Ausführungsform, bei dem der Zeitpunkt aus der vergangenen Bearbeitungszeit vorhergesagt wird, wobei es möglich ist, eine Verringerung der Umformungskraft und eine Verbesserung der Formübertragungseigenschaft zuverlässiger zu erhalten, während das Auftreten eines Überlastfehler zuverlässiger unterbunden wird.
Gemäß dem oben beschriebenen Ultraschallschmieden wird das Anlegen der Ultraschallschwingungen vorzugsweise im frühestmöglichen Stadium begonnen. Aus diesem Grund kann beim Schmiedeverfahren der dritten Ausführungsform, in dem es möglich ist, den Zeitpunkt des Übergangs in den ausreichenden Kontaktzustand auf genaue Weise zu erfassen, das Anlegen der Ultraschallschwingungen im frühestmöglichen Stadium auf zuverlässige Weise begonnen werden. Ferner können somit die obigen Wirkungen zuverlässiger erhalten werden.
(4) Vierte Ausführungsform
Das Schmiedeverfahren der vierten Ausführungsform ist eingerichtet, um den Zeitpunkt des Beginns des Anlegens der Ultraschallschwingungen basierend auf der Schlagkraft bzw. Stempelkraft zu bestimmen, auf gleiche Weise wie in der dritten Ausführungsform, aber das Verfahren zur Bestimmung des Kraftwerts (Bezugskraftwert) "Lc1" zum Zeitpunkt des Beginns der Schwingungen unterscheidet sich von dem der oben dargelegten dritten Ausführungsform.
Diesbezüglich hat der Erfinder der vorliegenden Erfindung auf experimentelle Weise ein Wissen erlangt, demnach beim Ultraschallschmieden der Übergangspunkt, an dem der Kontaktzustand vom unzureichenden Kontaktzustand in den ausreichenden Kontaktzustand übergeht, mit dem Grenzpunkt des Auftretens oder der Abwesenheit des Überlastfehlers in dem Ultraschalloszillator übereinstimmt.
Gemäß der dritten Ausführungsform wird die Schlagkraft (Bezugskraftwert) "Lc1" zum Zeitpunkt des Übergangs in den vollständigen Kontaktzustand in der Schmiedeform (Ultraschallschwingungsform) experimentell erhalten. Allerdings wurde gemäß der vierten Ausführungsform in Betracht gezogen, den Bezugskraftwert "Lc1" unter Verwendung mathematischer Formeln zu berechnen.
Wie es in 10 gezeigt ist, können als verschiedene Zustandsdaten der Schmiedeform zum Ultraschallschmieden beispielhaft berücksichtigt werden: ein Stempelflächeninhalt (Flächeninhalt der Druckfläche) "Ap", ein Innendurchmesser "Did" des Umformungshohlraums, ein Schnittflächeninhalt "Aid" des Umformungshohlraums, ein Außendurchmesser des Stempels "Dip", ein Außendurchmesser "Dm" des Schmiedematerials, ein Verformungswiderstand "σm" des Schmiedematerials. Wenn es möglich ist, Verhältnisformeln, die diese Parameter in Beziehung setzen, abzuleiten und die Schlagkraft zum Zeitpunkt des Übergangs in den ausreichenden Kontaktzustand unter Verwendung der Verhältnisformeln zu berechnen, ist es somit möglich, Störungen des Schwingungszustands und das Auftreten eines Überlastfehlers zu vermeiden, indem das Ultraschallschmieden unter Verwendung des berechneten Werts (Schwingungsstartkraftwerts) durchgeführt wird.
Zunächst wurde als Verfahren zur Berechnung der Schlagkraft in Betracht gezogen, die folgende grundlegende Modellformel anzuwenden, die für ein einfaches Schmiedeformmodell (upset forging die model) gilt. Diese Modellformel lautet wie folgt: "Schlagkraft = Verformungswiderstand des Schmiedematerials × projizierter Flächeninhalt des Stempels × Koeffizient". Ausgehend von dieser Modellformel als Startpunkt wurde die Modellformel mehrfach modifiziert, so dass experimentelle Resultate und Analyseresultate durch Simulationen mit den oben genannten verschiedenen Zustandsdaten als Eingabeparameter übereinstimmen. Als Resultat wurde die folgende Formel (1-1) gefunden, mit welcher der Kraftwert (Bezugskraftwert) "Lc1" zum Zeitpunkt des Übergangs in den vollständigen Kontaktzustand berechnet werden kann. Als Software zum Analysieren des Prozesses des Übergangs vom unzureichenden Kontaktzustand in den ausreichenden Kontaktzustand wurde die Analyse-Software der plastischen Bearbeitung (DEFORM) verwendet. "Lc1" = "Lpa" × "Rσ" × "α" Formel (1-1), wobei "Lpa" und "Rσ" in der Formel (1-1) unter Verwendung der folgenden Formeln (1-2) bis (1-5) berechnet werden können. "Lpa" = 0,3404 × "Ap"^{(0,782 – "Ap"/190000)} × Aid" Formel (1-2) "Ap" = "Dip" × 2 × π/4 Formel (1-3) "Aid" = "Did" × 2 × π/4 Formel (1-4) "Rσ" = 0,007 × "σm" – 0,016 (σm > 10MPa) Formel (1-5)
Die Bedingung, unter der die Formel (1-1) anwendbar ist, betrifft einen Fall, in dem der Zwischenraum zwischen dem Schmiedematerial und der Innenumfangsfläche des Umformungshohlraums des Formkörpers innerhalb eines bestimmten Bereichs liegt. Das heißt, wenn für den Zwischenraum gilt "Did – Dm" < 10 mm, kann die Formel (1-1) angewendet werden.
"α" beträgt 0,69 oder mehr und 1,87 oder weniger ("α" = "0,69 bis 1,87"), weist eine Breite auf, und dessen Bereich wird unter Berücksichtigung der Dicke des Schmiedematerials, des Zwischenraums "Did – Dm" und des Einflusses der Formänderungsgeschwindigkeit bestimmt.
Aus dem Innendurchmesser "Did" des Umformungszwischenraums, dem Außendurchmesser "Dip" des Stempels, dem Außendurchmesser "Dm" des Schmiedematerials und dem Verformungswiderstand "σm" des Schmiedematerials ist es, wie es oben beschrieben ist, unter Verwendung der Formel (1-1) möglich, die Schlagkraft (Bezugskraftwert) "Lc1" zum Zeitpunkt des Übergangs in den ausreichenden Kontaktzustand zu berechnen.
Die Formel (1-2) zeigt den Einfluss des Stempelflächeninhalts "Ap" auf den Bezugskraftwert "Lc1", und wenn der Stempelflächeninhalt "Ap" zunimmt, wird der Bezugskraftwert "Lc1" größer. Die Formel (1-2) zeigt den Einfluss des Querschnittsflächeninhalts des Umformungshohlraums "Aid" auf den Bezugskraftwert "Lc1", und wenn der Querschnittsflächeninhalt des Umformungshohlraums "Aid" zunimmt, wird auch der Bezugskraftwert "Lc1" größer.
Wenn der Querschnitt des Stempels ein perfekter Kreis ist, kann unter Verwendung der Formel (1-3), welche die Beziehung zwischen dem Stempelflächeninhalt "Ap" und dem Außendurchmesser des Stempels "Dip" zeigt, der Stempelflächeninhalt "Ap" aus dem Außendurchmesser des Stempels "Dip" berechnet werden.
Wenn analog der Umformungshohlraum des Formkörpers ein perfekter Kreis ist, kann unter Verwendung der Formel (1-4), welche die Beziehung zwischen dem Querschnittsflächeninhalt des Umformungshohlraums "Aid" und des Innendurchmessers des Umformungshohlraums "Did" zeigt, der Querschnittsflächeninhalt des Umformungshohlraums "Aid" aus dem Innendurchmesser des Umformungshohlraums "Did" berechnet werden.
Ferner zeigt die Formel (1-5) den Einfluss des Verformungswiderstands "σm" des Schmiedematerials auf den Bezugskraftwert "Lc1", und wenn der Verformungswiderstand "σm" zunimmt, wird "Rσ" größer und wird auch der Bezugskraftwert "Lc1" größer.
Auf gleiche Weise wie in der dritten Ausführungsform wird der Schwingungsstartkraftwert "Lc1", berechnet aus der oben dargelegten Formel (1-1), für die Schmiedeeinrichtung, die in 8 gezeigt ist, eingestellt. Ferner kann als Schmiedematerial beispielsweise ein Material verwendet werden, das einen Verformungswiderstand von 10 MPa oder mehr aufweist. Ferner wird die Ultraschallschwingungsfrequenz, die an den Formkörper anzulegen ist, beispielsweise auf 10 bis 50 kHz eingestellt.
Unter den Bedienungen ist es durch Ausführen der Schmiedeumformung unter Verwendung der oben dargelegten Schmiedeeinrichtung auf die oben beschriebene Weise möglich, Störungen des Schwingungszustands zu unterbinden und eine Verringerung der Umformungskraft und eine Verbesserung der Formübertragungseigenschaft auf eine zuverlässige Weise zu erhalten, während das Auftreten eines Überlastfehlers unterbunden wird.
Hierbei weist der Schwingungsstartkraftwert "Lc1", der durch die oben dargelegte Formel (1-1) erhalten wird, einen bestimmten Bereich auf, und die Genauigkeit kann manchmal schlechter sein im Vergleich zum Schwingungsstartkraftwert "Lc1", der in der dritten Ausführungsform experimentell erhalten wird. Das heißt, die Formel (1-1) verwendet die Formgröße, den Materialverformungswiderstand usw., die Hauptfaktoren zur Bestimmung des Schwingungsstartkraftwerts "Lc1" sind. Allerdings wird im Unterschied dazu dieser tatsächlich auch vom Reibungskoeffizienten an der Schnittstelle zwischen dem Schmiedematerial und der Form, der Formänderungsgeschwindigkeit des Schmiedematerials usw. beeinflusst. Folglich kann der Kraftwert "Lc1", der durch die Formel (1-1) erhalten wird, manchmal ungenauer sein. Folglich wird der Kraftwert "Lc1", der aus der Formel (1-1) erhalten wird, vorzugsweise als vorläufiger Bezugskraftwert eingestellt und anschließend daraus ein genauerer Schwingungsstartkraftwert "Lc1" experimentell ermittelt. Damit nähert sich der Anfangszustand des Experiments einem tatsächlichen Zustand an, es wird einfacher, ein genaues experimentelles Resultat zu erhalten, wodurch die Anzahl der Wiederholungen der Messungen verringert werden kann. Dadurch, wiederum, kann die Zeit deutlich verkürzt werden, die für die Experimente erforderlich ist, wodurch der Schwingungsstartkraftwert "Lc1" mit einer hohen Genauigkeit und Effizienz erhalten werden kann.

Zur Erläuterung anhand eines spezifischen Beispiels wird zunächst ein vorläufiger Schwingungsstartkraftwert "Lc1" aus der Formel (1-1) ermittelt, und der Schwingungsstartkraftwert "Lc1" wird als Anfangswert für die Schmiedeeinrichtung der dritten Ausführungsform eingestellt, und die Schmiedeumformung wird auf die oben beschriebene Weise wiederholt, um einen geeigneten Schwingungsstartkraftwert "Lc1" zu ermitteln. Somit kann der Schwingungsstartkraftwert "Lc1" mit einer hohen Genauigkeit und Effizienz ermittelt werden. [BEISPIEL] [Tabelle 1]

		Ex. 1	Ex. 2	Com. Ex. 1	Com. Ex. 2
Form	Durchmesser des Umformungshohlraums Did (mm)	24	Wie links	Wie links	Wie links
	Querschnittsflächeninhalt des Umformungshohlraums Aid (mm²)	452
	Außendurchmesser des Formkörpers Dod (mm)	162
	Formkörperdicke td (mm)	40
	Stempeldurchmesser Dp (mm)	21
	Stempelflächeninhalt AP (mm²)	346
	Material	SKD11
Material	Materialdurchmesser Dm (mm)	23,5
	Materialdicke tm (mm)	9,3
	Material	A6061-0
	Temperatur	Normal- temp.
	Verformungswiderstand (Mpa)	68,2
Schwingung	Amplitude der Außenumfangsfläche des Formkörpers Ado [mm(p-p)]	0,014
	Frequenz (kHz)	20,3
	Schlagkraft zum Zeitpunkt des Schwingungsstarts (kN)	70	100	0	30
	Schwingungs stopp während der Umformung	Keiner	Keiner	Tritt ein	Tritt ein
Berechnungsresultate	Lc1 oberer Grenzwert (kN)	40	Wie links	Wie links	Wie links
	Lc1 unterer Grenzwert (kN)	107
	Einfluss der Umformungskraft Lpa (kN)	124
	Rσ	0,46
	αmin	0,69
	αmax	1,87

Im Folgenden werden Beispiele und vergleichende Beispiele zum Erläutern der Wirkungen der vorliegenden Erfindung beschrieben.
<Beispiel 1>
Es wurde eine Schmiedeeinrichtung (vgl. 8) gemäß der dritten Ausführungsform vorbereitet. Der Innendurchmesser des Umformungshohlraums "Did" des Formkörpers 11 der Form 1 betrug in dieser Schmiedeeinrichtung, wie in 10 gezeigt, 24 mm, der Querschnittsflächeninhalt des Umformungshohlraums "Aid" betrug 452 mm², der Außendurchmesser (Dod) des Formkörpers 11 betrug 162 mm und die Dicke "td" des Formkörpers 11 betrug 40 mm. Der Außendurchmesser "Dp" des Stempels 2 betrug 21 mm, und der Stempelflächeninhalt "Ap" betrug 346 mm². Ferner war das Material (Formstahlzahl) der Form 1 und des Stempels 2 SKD11.
Das einem Schmiedeprozess zu unterziehende Schmiedematerial W1 war zylindrisch. Der Außendurchmesser "Dm" des Schmiedematerials W1 betrug 23,5 mm, und die Dicke "Tm" betrug 9,3 mm. Das Material (Legierungszahl) des Schmiedematerials W1 war A6061-O, und der Verformungswiderstand "σm" betrug 68,2 Mpa. Ferner wurde die Temperatur des Schmiedematerials W1 auf Raumtemperatur eingestellt.
Ein auszubildendes Schmiedeprodukt W2 wurde so festgelegt, dass dieses eine bodenseitig geschlossene zylindrische Becherform mit einem Außendurchmesser φ von 24 mm, einem Innendurchmesser von 21 mm und einer Plattendicke von 5 mm aufweist.
Unter diesen Bedienungen wurde unter Verwendung der Formel (1-1), die in Bezug auf die obige vierte Ausführungsform dargelegt wurde, ein Schlagkraftwert bzw. Stempelkraftwert (Schwingungsstartkraftwert) "Lc1" zum Zeitpunkt, an dem das Schmiedematerial W1 vom unzureichenden Kontaktzustand in den ausreichenden Kontaktzustand übergeht, berechnet. Somit betrug, wie es in Tabelle 1 gezeigt ist, der untere Grenzwert von "Lc1" 40 kN, und der obere Grenzwert betrug 107 kN. Die Wirkung der Umformungskraft "Lpa" betrug 124 kN, "Rσ" betrug 0,46, die untere Grenze "αmin" von "α" betrug 0,69 und die obere Grenze "αmax" betrug 1,87 (α = 0,69 bis 1,87).
Ferner wurde die Schwingungsamplitude "Ado" der Ultraschallschwingungen, die vom Vibrator 4 auf die Außenumfangsfläche der Form angelegt wurde, auf 0,014 mm (p-p) eingestellt, und die Frequenz "f" wurde auf 20,3 kHz eingestellt. Ferner wurde der obere Grenzwert des Ausgabewerts (Vibratorspannung) des Ultraschalloszillators 5 auf 700 V eingestellt.
Im Beispiel 1 wurde der Schlagkraftwert (eingestellter Kraftwert), wenn die Ultraschallschwingungen zu beginnen sind, auf 70 kN eingestellt, die sich innerhalb des Bereichs des berechneten Schwingungsstartkraftwerts "Lc1" befinden. Das heißt, 73,5 kN, die ein Zwischenwert von Schwingungsstartkraftwerten 40 kN bis 107 kN, berechnet im Voraus, waren, wurden für die Schmiedeeinrichtung (vgl. 8) als ein Initialwert bzw. Ausgangswert des Bezugskraftwerts "Lc1" im Voraus eingestellt, und das Schmieden wurde durchgeführt, und es wurde bestätigt, dass kein Überlastfehler im Ultraschalloszillator 5 auftrat (Ausgabewert betrug weniger als 700 V). Ferner wurde das Schmieden durchgeführt, während der im Voraus eingestellte Bezugskraftwert "Lc1" zurück und vor geändert wurde, und es wurden als unterer Grenzwert des Bezugsgrenzwerts "Lc1", an dem kein Überlastfehler auftrat, 70 kN gefunden.
Das Ultraschallschmieden wurde durchgeführt, indem 70 kN, ermittelt wie oben beschrieben, als Bezugskraftwert "Lc1" für die Schmiedeeinrichtung eingestellt wurden. Somit wurde die Umformung problemlos durchgeführt. Selbstverständlich wurde bestätigt, dass kein Überlastfehler auftrat, und die Schwingungsform des Vibrators 4 war vom Start der Schwingungen bis zum Ende der Umformung stabil.
<Beispiel 2>
Wie es in Tabelle 1 gezeigt ist, wurde das Ultraschallschmieden auf gleiche Weise wie im Beispiel 1 durchgeführt, außer dass der Schlagkraftwert (Bezugskraftwert) "Lc1" des Beginns der Ultraschallschwingungen auf 100 kN eingestellt wurde, die sich innerhalb des Bereichs eines im Voraus berechneten Schwingungsstartkraftwerts "Lc1" befinden.
Somit war, wie im oben dargelegten Beispiel 1, die Schwingungsform des Vibrators 4 vom Beginn der Schwingungen bis zum Ende der Umformung stabil, und es trat kein Überlastfehler in dem Ultraschalloszillator 5 auf.
<Vergleichendes Beispiel 1>
Wie es in der Tabelle 1 gezeigt ist, wurde das Ultraschallschmieden auf gleiche Weise wie im Beispiel 1 durchgeführt, außer dass der für die Schmiedeeinrichtung einzustellende Bezugskraftwert auf 0 kN eingestellt wurde, was außerhalb des Bereichs des Schwingungsstartkraftwerts "Lc1", berechnet aus der Formel (1-1), lag.
Als Folge davon stieg die Vibratorspannung rasch auf 700 V oder mehr an, wobei ein Überlastfehler in dem Ultraschalloszillator 5 auftrat. Somit wurden die Ultraschallschwingungen während der Umformung beendet.
<Vergleichendes Beispiel 2>
Wie es in der Tabelle 1 gezeigt ist, wurde das Ultraschallschmieden auf gleiche Weise wie im Beispiel 1 ausgeführt, außer dass der Bezugskraftwert, der für die Schmiedeeinrichtung einzustellen ist, auf 30 kN eingestellt wurde, die außerhalb des Bereichs des Schwingungsstartkraftwerts "Lc1", berechnet aus der Formel (1-1), lagen.
Als Folge davon stieg, wie im oben dargelegten vergleichenden Beispiel 1, die Vibratorspannung rasch auf 700 V oder mehr an, wobei ein Überlastfehler in dem Ultraschalloszillator 5 auftrat. Somit wurden die Ultraschallschwingungen während der Umformung beendet.
<Prüfung des ausreichenden Kontaktzustands>
Beim Durchführen des Schmiedens auf gleiche Weise wie im Beispiel 1 wurde zum Zeitpunkt, an dem der Bezugskraftwert 70 kN erreicht hat, das Absenken des Stempels unterbrochen, das Schmiedematerial W1 wurde aus der Form 1 entnommen, und die Beschaffenheit der Außenumfangsfläche des Schmiedematerials wurde geprüft. So wurde der Kontaktzustand des Schmiedematerials W1 mit der Innenumfangsfläche des Umformungshohlraums geprüft.
Das heißt, der Abschnitt des Schmiedematerials W1, an dem dieses mit der Innenumfangsfläche des Umformungshohlraums in Kontakt war, konnte durch Betrachten der äußeren Erscheinung geprüft werden, da die gebonderte Fläche (bonderizing treated surface) gedehnt ist und eine neu erzeugte Fläche erscheint. Somit konnte bestätigt werden, dass der Abschnitt, an dem das Schmiedematerial W1 mit der Innenumfangsfläche des Umformungshohlraums in Kontakt war, nahezu vollständig rundherum verteilt war und der ausreichende Kontaktzustand vorlag.
Auf der anderen Seite wurde auf gleiche Weise wie oben beschrieben zum Zeitpunkt, an dem der Bezugskraftwert 30 kN erreicht hat, die Bearbeitung durch den Stempel unterbrochen, das Schmiedematerial W1 wurde aus der Form 1 entnommen, und die Beschaffenheit der Außenumfangsfläche des Schmiedematerials wurde geprüft. So wurde der Kontaktzustand des Schmiedematerials W1 mit der Innenumfangsfläche des Umformungshohlraums geprüft. Es wurde gefunden, dass der Abschnitt, an dem das Schmiedematerial W1 mit der Innenumfangsfläche des Umformungshohlraums in Kontakt war, genau ein Abschnitt war, in anderen Worten, der Kontaktabschnitt trat gehäuft an bzw. in Richtung eines Teils in der Umfangsrichtung auf, und es wurde bestätigt, dass der unzureichende Kontaktzustand vorlag.
Wenn man dieses Prüfresultat und die Beispiele 1 und 2 und vergleichenden Beispiele 1 und 2 vergleicht, sind die Schwingungen stabil und es tritt kein Überlastfehler auf, wenn das Anlegen der Ultraschallschwingungen in dem ausreichenden Kontaktzustand begonnen wird. Auf der anderen Seite ist ersichtlich, dass Schwingungen gestört werden und ein Überlastfehler auftritt, wenn das Anlegen der Ultraschallschwingungen in dem unzureichenden Kontaktzustand begonnen wird.
<Beziehung zwischen der Vibratorspannung und der Stempelkraft>
Auf gleiche Weise wie in der dritten Ausführungsform wurde der Startkraftwert (Bezugskraftwert) "Lc1" ermittelt. Es sei darauf hingewiesen, dass die Schmiedebedingungen auf gleiche Weise wie im Beispiel 1 eingestellt wurden.
Zunächst wurde das Schmieden durchgeführt, indem der Bezugskraftwert "Lc1" im Voraus auf 0 kN eingestellt wurde, und es wurde bestätigt, dass ein Überlastfehler im Ultraschalloszillator auftrat. Danach wurden der Vibratorspannungswert und das Auftreten oder die Abwesenheit eines Überlastfehlers geprüft, während der Bezugskraftwert "Lc1" der Voreinstellung allmählich erhöht wurde, um dadurch die geringste Kraft zu ermitteln, an der kein Überlastfehler auftritt. So wurde der Bezugskraftwert "Lc1" auf 70 kN eingestellt, auf gleiche Weise wie im Beispiel 1. Ferner wurde der Vibratorspannungswert und das Auftreten oder die Abwesenheit eines Überlastfehlers geprüft, während der vorläufig eingestellte Bezugskraftwert "Lc1" allmählich erhöht wurde. Die Resultate sind im Diagramm der 11A gezeigt. Wie es durch die durchgezogene Linie in der Figur gezeigt ist, war die Vibratorspannung unterhalb von 300 V stabil und es wurde kein Auftreten eines Überlastfehlers beobachtet, wenn die Schlagkraft als Bezugskraftwert "Lc1" 70 kN oder mehr betrug. Auf der anderen Seite war, wie es durch die gestrichelte Linie in der Figur gezeigt ist, die Vibratorspannung instabil und es wurde das Auftreten eines Überlastfehlers beobachtet, wenn der Bezugskraftwert "Lc1" 30 kN oder weniger betrug.
Wie aus den Messresultaten ersichtlich ist, ist es verständlich, dass die Beispiele 1 und 2 gemäß der vorliegenden Erfindung den vergleichenden Beispielen 1 und 2, die vom Wesen der vorliegenden Erfindung abweichen, überlegen sind.
<Beziehung zwischen der Vibratorspannung und der Bearbeitungszeit>
Es wurde eine Schmiedeeinrichtung (vgl. 6), die in der zweiten Ausführungsform gezeigt ist, vorbereitet. In dieser Schmiedeeinrichtung waren das Material und die Größe der Formen, wie etwa der Form und des Stempels, das Material und die Größe des Schmiedematerials und die Größe des geschmiedeten Produkts gleich denen des Beispiels 1. Ferner waren auch die Schwingungsamplitude der Ultraschallschwingung, die Frequenz und der obere Ausgabegrenzwert des Ultraschalloszillators gleich denen des Beispiels 1.
In dieser Schmiedeeinrichtung wurde auf die gleiche Weise wie in der zweiten Ausführungsform eine Schwingungsstartzeit "Lt1" ermittelt, die der vergangenen Bearbeitungszeit entspricht, vom Umformungsstartzeit bis zum Zeitpunkt, an dem die Schwingungen beginnen.
Das heißt, das Schmieden wurde durch vorläufiges Einstellen der Schwingungsstartzeit (Bezugszeit) "Lt1" auf den Umformungsstartzeit durchgeführt, und es wurde ermittelt, dass ein Überlastfehler im Ultraschalloszillator aufgetreten ist. Danach wurden der Vibratorspannungswert und das Auftreten oder die Abwesenheit eines Überlastfehlers geprüft, während die vorläufig eingestellte Bezugszeit "Lt" allmählich verzögert bzw. verlängert wurde, um den frühestmöglichen Zeitpunkt zu erhalten, an dem kein Überlastfehler auftrat. Als Folge davon betrug die Bezugszeit "Lt1" 300 ms (Millisekunden). Ferner wurden der Vibratorspannungswert und das Auftreten oder die Abwesenheit eines Überlastfehlers ermittelt, während die voreingestellte Bezugszeit "Lt1" allmählich verzögert bzw. verlängert wurde. Die Resultate sind im Diagramm der 11B gezeigt. Wie es durch die durchgezogene Linie in der Figur gezeigt ist, war die Vibratorspannung unterhalb von 300 V stabil und es wurde kein Auftreten eines Überlastfehlers beobachtet, wenn die Bezugszeit "Lt1" 300 ms oder mehr betrug. Wenn auf der anderen Seite, wie es durch die gestrichelte Linie in der Figur gezeigt ist, die Bezugszeit "Lt1" weniger als 100 ms betrug, war die Vibratorspannung instabil und es wurde das Auftreten eines Überlastfehlers beobachtet.
Die Anmeldung beansprucht die Priorität der japanischen Patentanmeldung Nr. 2014-207885 , eingereicht am 9. Oktober 2014, wobei der offenbarte Inhalt derselben hierin durch Verweis in dessen Gesamtheit einbezogen ist.
Die hierin verwendeten Bezeichnungen und Ausdrücke werden zum Zweck der Beschreibung und nicht der Beschränkung verwendet, und es ist nicht beabsichtigt, dass diese Äquivalente der Merkmale, die hierin gezeigt und beschrieben sind, ausschließen, und es versteht sich, dass verschiedene Modifikationen innerhalb des beanspruchten Gegenstands der vorliegenden Erfindung erlaubt sind.
Während die vorliegende Erfindung auf unterschiedliche Weise verwirklicht werden kann, ist eine Anzahl von veranschaulichenden Ausführungsformen hierin beschrieben, mit dem Verständnis, dass die vorliegende Offenbarung so anzusehen ist, dass sie Beispiele der Prinzipien der Erfindung bereitstellt, und es ist nicht beabsichtigt, dass diese Beispiele die Erfindung auf die bevorzugten Ausführungsformen, die hierin beschrieben und/oder dargestellt sind, beschränken.
Während veranschaulichende Ausführungsformen der Erfindung hierin beschrieben wurden, ist die vorliegende Erfindung nicht auf die verschiedenen hierin beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen beschränkt, vielmehr umfasst sie beliebige andere und alle Ausführungsformen, die äquivalente Elemente, Modifikationen, Auslassungen, Kombinationen (beispielsweise von Aspekten der verschiedenen Ausführungsformen), Anpassungen und/oder Abwandlungen aufweisen, wie es vom Fachmann basierend auf der vorliegenden Offenbarung anerkannt werden würde. Die Beschränkungen in den Ansprüchen sind weit auszulegen, basierend auf der Sprache, die in den Ansprüchen verwendet wird, und sie sind nicht auf Beispiele beschränkt, die in der vorliegenden Spezifikation beschrieben sind oder während des Verfahrens der Anmeldung beschrieben werden, wobei die Beispiele als nicht-ausschließend anzusehen sind.
INDUSTRIELLE ANWENDBARKEIT
Das Schmiedeverfahren der vorliegenden Erfindung kann für eine Schmiedeeinrichtung usw. angewendet werden, die eingerichtet ist, um ein Gesenkschmieden unter Anwendung von Ultraschallschwingungen durchzuführen.
Bezugszeichenliste

1: Form
11: Formkörper
12: Umformungshohlraum
2: Stempel
4: Vibrator (Schwingungsanwendungsmittel)
5: Ultraschalloszillator (Schwingungsanwendungsmittel)
7, 8: Schwingungsstartsteuereinrichtung (Schwingungsstartmittel)
81: Kraftdetektor (Kraftdetektionsmittel)
A: Kontaktpunkt
Lc1: Schwingungsstartkraftwert
Lt1: Schwingungsstartzeit
t0: Umformungsstartzeit
W1: Schmiedematerial
θ: Zentralwinkel zwischen benachbarten Kontaktpunkten
θmax: Maximalwert des Zentralwinkels

Claims

Schmiedeverfahren, bei dem Ultraschallschwingungen an einen Formkörper angelegt werden, wenn ein Schmiedematerial in einem Umformungshohlraum des Formkörpers durch Treiben eines Stempels in den Umformungshohlraum einer plastischen Bearbeitung unterzogen wird, bei dem ein Kontaktzustand des Schmiedematerials bezüglich einer Innenumfangsfläche des Umformungshohlraums während eines Prozesses, in dem das Schmiedematerial einer plastischen Bearbeitung unterzogen wird, ausgehend von einer Umformungsstartzeit als ein unzureichender Kontaktzustand, ein ausreichender Kontaktzustand und ein vollständiger Kontaktzustand in dieser Reihenfolge eingestuft wird, und das Anlegen von Ultraschallschwingungen nach einem Übergang vom unzureichenden Kontaktzustand in den ausreichenden Kontaktzustand begonnen wird.
Schmiedeverfahren nach Anspruch 1, bei dem das Anlegen von Ultraschallschwingungen unmittelbar nach dem Übergang in den ausreichenden Kontaktzustand begonnen wird.
Schmiedeverfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem ein Abstand zwischen zwei benachbarten Kontaktpunkten, aus Kontaktpunkten des Schmiedematerials mit der Innenumfangsfläche des Umformungshohlraums entlang der Innenumfangsfläche des Umformungshohlraums, als ein Abstand zwischen benachbarten Kontaktpunkten definiert wird, bei dem wenn ein Maximalwert des Abstands zwischen benachbarten Kontaktpunkten die Hälfte einer Gesamtumfangslänge des Umformungshohlraums übersteigt, der Kontaktzustand als unzureichender Kontaktzustand eingestuft wird, und wenn ein Maximalwert des Abstands zwischen benachbarten Kontaktpunkten gleich oder kleiner als die Hälfte einer Gesamtumfangslänge des Umformungshohlraums ist, der Kontaktzustand als ausreichender Kontaktzustand eingestuft wird.
Schmiedeverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem ein Winkel, ausgebildet von einem Liniensegment, das einen von zwei benachbarten Kontaktpunkten, aus Kontaktpunkten des Schmiedematerials mit der Innenumfangsfläche des Umformungshohlraums, und ein Umformungshohlraumzentrum verbindet, und einem Liniensegment, das den anderen der beiden Kontaktpunkte und das Umformungshohlraumzentrum verbindet, als ein Zentralwinkel zwischen benachbarten Kontaktpunkten definiert wird, bei dem wenn ein Maximalwert des Zentralwinkels zwischen benachbarten Kontaktpunkten 180° übersteigt, der Kontaktzustand als unzureichender Kontaktzustand eingestuft wird, und wenn der Maximalwert des Zentralwinkels zwischen benachbarten Kontaktpunkten 180° oder weniger beträgt, der Kontaktzustand als ausreichender Kontaktzustand eingestuft wird.
Schmiedeverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem basierend auf einer vergangenen Zeit von einem Zeitpunkt, an dem die Bearbeitung des Schmiedematerials durch den Stempel begonnen wurde, eine Zeit des Übergangs vom unzureichenden Kontaktzustand in den ausreichenden Kontaktzustand ermittelt wird, und basierend auf der ermittelten Zeit ein Zeitpunkt, an dem das Anlegen von Ultraschallschwingungen begonnen wird, bestimmt wird.
Schmiedeverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem eine Kraft des Schlags gegen das Schmiedematerial zum Zeitpunkt des Übergangs vom unzureichenden Kontaktzustand in den ausreichenden Kontaktzustand ermittelt wird, und basierend auf der ermittelten Kraft ein Zeitpunkt, an dem das Anlegen von Ultraschallschwingungen begonnen wird, bestimmt wird.
Schmiedeeinrichtung, die aufweist: einen Formkörper, der einen Umformungshohlraum aufweist; einen Stempel, der eine plastische Bearbeitung eines Schmiedematerials in dem Umformungshohlraum durchführt, indem dieser in den Umformungshohlraum getrieben wird; ein Schwingungsanwendungsmittel, das Ultraschallschwingungen an den Formkörper anlegt; und ein Schwingungsstartmittel, welches das Anlegen von Ultraschallschwingungen durch Betreiben des Schwingungsanwendungsmittels beginnt, wenn eine bestimmte Zeit nach dem Beginn der Umformung des Schmiedematerials durch den Stempel vergangen ist.
Schmiedeeinrichtung, die aufweist: einen Formkörper, der einen Umformungshohlraum aufweist; einen Stempel, der eine plastische Bearbeitung des Schmiedematerials in dem Umformungshohlraum durchführt, indem dieser in den Umformungshohlraum getrieben wird; ein Schwingungsanwendungsmittel, das Ultraschallschwingungen an den Formkörper anlegt; ein Kraftdetektionsmittel, das eine Kraft des Stempels gegen das Schmiedematerial detektiert; und ein Schwingungsstartmittel, welches das Anlegen von Ultraschallschwingungen durch Betreiben des Schwingungsanwendungsmittels zu einem Zeitpunkt beginnt, an dem die Kraft des Stempels einen im Voraus festgelegten Schwingungsstartkraftwert erreicht hat, basierend auf Informationen von dem Kraftdetektionsmittel.
Schmiedeeinrichtung, die aufweist: einen Formkörper, der einen Umformungshohlraum aufweist; einen Stempel, der eine plastische Bearbeitung eines Schmiedematerials in dem Umformungshohlraum durchführt, indem dieser in den Umformungshohlraum getrieben wird; und ein Schwingungsanwendungsmittel, das Ultraschallschwingungen an den Formkörper anlegt, wobei diese so eingerichtet ist, dass zu einem Zeitpunkt, an dem eine Kraft des Stempels gegen das Schmiedematerial einen Schwingungsstartkraftwert erreicht hat, das Anlegen von Ultraschallschwingungen durch das Schwingungsanwendungsmittel begonnen wird, und diese so eingerichtet ist, dass die folgenden Beziehungen erfüllt werden: "Lc1" = "Lpa" × "Rσ" × "α = 0,69 bis 1,87"; "Lpa" = 0,3404 × "Ap"^{(0,782 – ⌈Ap⌋/190000)} × "Aid"^0,218; "Rσ" = 0,007 × "σm" – 0,016; "σm" > 10 MPa; und "Did" – "Dm" < 10 mm, wobei "Lc1" ein Schwingungsstartkraftwert ist, "Ap" ein Flächeninhalt einer Druckfläche des Stempels ist, "Aid" ein Querschnittflächeninhalt des Umformungshohlraums ist, "Did" ein Innendurchmesser des Umformungshohlraums ist, "Dm" ein Außendurchmesser des Schmiedematerials ist und "σm" ein Verformungswiderstand des Schmiedematerials ist.