JP2003019534A - 円形材の鍛造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】外面形状が円形の円形材を鍛造により製造する
際に、円形材に生じる偏肉を少なくして円形材の製造歩
留まりの向上が可能な鍛造方法を提供する。 【解決手段】外面形状が円形の素材を開放型の上下金型
２、３を用いて外面形状が円形の円形材に鍛造する際
に、素材の最大直径をＤ、素材装入時の金型の軸心と素
材の軸心との変位量をＥ、圧下量が総圧下量の７０％の
時点における材料の平均外径をＤ_１としたとき、内径が
下記（１）式で規定される直径ｄのリング工具４を、そ
の軸心を金型２の軸心に一致させて設けた状態で鍛造中
の材料１ｂを前記リング工具４の内面に充満させ、その
後、リング工具４を取り除いて鍛造する円形材の鍛造方
法。 Ｄ＋２Ｅ≦ｄ≦Ｄ_１ ・・・（１）

Description

【発明の詳細な説明】 【０００１】 【発明の属する技術分野】この発明は、外面形状が円形
の円形材の鍛造による製造方法に関する。 【０００２】 【従来の技術】車輪、ギア、リングなどの外面形状が円
形の鍛造製品は、外面形状が円形の素材をその軸方向に
圧下する熱間鍛造を複数回おこなった後、必要により成
形加工および熱処理をおこない、その後、機械加工によ
り製品寸法に加工して製造される。例えば、鉄道用車輪
を製造する場合は、円柱状の素材を加熱して、軸方向に
圧下する第１の荒地成形工程により径方向の体積配分を
おこない、次に、第２の荒地成形工程により車輪の概略
の形状に成形された外形が円形の荒地とし、その後仕上
圧延や仕上鍛造をおこなった後必要により熱処理を施
し、その後機械加工により車輪とされる。また、リング
などの環状品は、荒地成形工程として素材をその軸方向
に圧下する据込み鍛造をおこなって外形が円形の荒地と
し、その後仕上圧延、仕上鍛造、機械加工などにより環
状品とされる。 【０００３】前記の工程における鍛造による荒地成形で
は、鍛造加工中の被加工材の外周面を拘束する側壁が設
けられていない金型（以下、開放型金型と表す）が用い
られることが多い。開放型金型を用いれば、熱間鍛造の
際に剥離するスケールの除去が容易であるという利点が
ある。しかし、開放型金型を用いると、被加工材の外周
面が拘束されない状態で鍛造が終了するため、装入され
る素材の金型に対する位置のずれ、素材の形状の不良、
素材の均熱度の不良などがあると、鍛造中の被加工材
は、金型の軸心に対して周方向に均一に延ばされず、金
型の軸心から荒地の外周面までの寸法が荒地の周方向で
不均一となる寸法不良（以下、この寸法不良を偏肉と表
す）が生じる。 【０００４】荒地加工の段階で過大な偏肉が生じると、
仕上圧延や仕上鍛造において偏肉が矯正されず、その結
果として製品の寸法精度を損なう。また、荒地成形にお
いて偏肉が発生することを想定し、機械加工における加
工代を大きくするなどの対策が採られているが、加工代
を大きくすると歩留まりが低下する。 【０００５】仕上鍛造においても、挿入される荒地の金
型に対する位置のずれ、荒地の偏肉などの形状不良、荒
地の均熱度の不良などがあると、荒地成形における鍛造
の場合と同様に、偏肉の発生が避けられないという問題
が生じる。 【０００６】一方、荒地成形における鍛造に、荒地の外
径に等しい内径の側壁を有する金型を用いると、鍛造の
末期において、被加工材外周面のうち先に延びた部分が
金型の側壁により拘束されるため、開放型金型を用いた
場合に比較して偏肉は軽減される。しかし、この金型を
用いて鍛造をおこなうと、鍛造途中に被加工材の周方向
の一部が極端に延ばされるような事態が生じると、その
部分が側壁に拘束されるだけでなく、側壁の上部または
下部からはみ出してバリが発生する。そのため、バリを
除去するための工数が必要となり、また、歩留まりが低
下する。更に、荒地や金型に疵が生じることもある。 【０００７】鉄道用車輪の荒地成形において、リムの寸
法精度のよい荒地を製造することのできる方法が、特開
平７−３０８７３０号公報に示されている。この方法
は、荒地の外周であるリムの角部に欠肉部を形成すると
ともに、この欠肉部に相当する量の突起部をリムの端面
に形成し、後加工で上記突起部をプレス機で加圧して、
リムの角部を充満させるものである。この方法によれ
ば、小型プレス機を用いても、リムの角部に材料を充満
させることができる。しかし、荒地の周方向の偏肉を解
消することはできない。 【０００８】 【発明が解決しようとする課題】この発明の課題は、外
面形状が円形の円形材を鍛造により製造する際に、円形
材に生じる偏肉を少なくして、寸法精度を向上させ、円
形材の製造歩留まりの向上が可能な円形材の鍛造方法を
提供することにある。 【０００９】 【課題を解決するための手段】この発明の要旨は、「外
面形状が円形の素材を開放型の上下金型を用いてその軸
方向に圧下して外面形状が円形の円形材に鍛造する際
に、内径が下記（１）式に規定される条件を満足する直
径ｄのリング工具をその軸心を前記金型の軸心に一致さ
せて設け、この状態で鍛造中の材料を前記リング工具の
内面に接触させ、その後、リング工具を取り除いて鍛造
することを特徴とする円形材の鍛造方法。 【００１０】Ｄ＋２Ｅ≦ｄ≦Ｄ_１ ・・・（１） ここで、Ｄ：素材の最大直径（ｍｍ）、Ｅ：素材装入時
の金型の軸心と素材の軸心との変位量（ｍｍ）、Ｄ_１：
圧下量が総圧下量の７０％の時点における材料の平均外
径（ｍｍ）」にある。 【００１１】本発明者らは、鉄道用車輪の製造における
荒地成形工程に関するモデル実験を種々おこない、荒地
成形時の偏肉防止について研究を重ねた。その結果、次
の知見を得た。本発明は、この知見に基づき完成された
ものである。 【００１２】開放型の上下金型を用いて素材をその軸方
向に圧下して荒地成形する際に、圧下途中の時点で被加
工材の周囲に所定内径のリング工具をその軸心を金型の
軸心に一致させて設け、その状態で圧下を進行させて鍛
造中の材料をリング工具の内面に接触させ、その後リン
グ工具を取り除いて開放型の上下金型により圧下をおこ
なうことで、偏肉を効果的に抑制することができる。 【００１３】すなわち、開放型の上下金型により軸方向
に圧下されることにより素材の径が増大する際に、その
軸心を金型の軸心と一致させて設けたリング工具の内面
に材料を押し当てることで、鍛造中の材料の外周面を金
型と同一の軸心をもつ円形に近づけ、その結果、素材の
位置ずれ、素材の形状不良、素材の均熱不良に基づく変
形不均一により生じる偏肉が矯正される。その後、リン
グ工具を取り除いた状態で、この偏肉が矯正された材料
を最後まで圧下すれば、その後に生じる偏肉は極めて小
さく、最終的な偏肉の抑制にもつながる。 【００１４】 【発明の実施の形態】以下、本発明の円形材の鍛造方法
を鉄道用車輪（以下、単に車輪と表す）の荒地成形を例
にとって説明する。 【００１５】図１は、車輪の第１の荒地成形工程におけ
る圧下開始直前の状態を説明する金型周りの一例を示す
縦断面図である。図２は、車輪の第１の荒地成形工程に
おける圧下途中（リング工具の内面に材料が充満された
とき）の状態を説明する金型周りの一例を示す縦断面図
である。図３は、車輪の第１の荒地成形工程における圧
下が終了したときの状態を説明する金型周りの一例を示
す縦断面図である。 【００１６】これらの図において、素材１ａは、下金型
２上に装入されて、上金型３の下降により軸方向に圧下
が開始され（図１）、圧下の途中で鍛造中の材料１ｂの
外周面がリング工具４の内周に押し当てられて材料１ｂ
がリング工具４の内面に充満され、（図２）、その後リ
ング工具４が取り除かれた状態で圧下が終了して荒地１
ｃが製造される（図３）。 【００１７】素材は、例えば、ＪＩＳ Ｅ ５４０２−
１に規定される炭素鋼からなり、その外面形状が円形の
例えば丸ビレットを所定の長さに切断した外径Ｄ、長さ
Ｈの円柱体である。 【００１８】下金型２は、例えば、その上面の外縁部に
軸心Ｏ_２ を中心とする環状の突起２ａが形成され、ま
た中央部には軸心Ｏ_２ を中心とし、高さが前記環状の
突起２ａより低い円形の突起２ｂが形成され、環状の突
起２ａと円形の突起２ｂとの間に環状の溝２ｃが形成さ
れている。この下金型２は、側壁を備えないいわゆる開
放型の金型である。上金型３は、例えば、その下面の中
央部になだらかな突起３ａが形成され、下金型と同様に
側壁を備えない開放型の金型である。 【００１９】荒地成形の際は、上金型３を圧下させるこ
とにより、鍛造温度に加熱された素材１ａが、この下金
型２と上金型３とによりその軸方向に圧下され、下面が
前記下金型２の上面に対応する形状で、上面が前記上金
型３の下面に対応する形状の荒地１ｃに成形される。こ
の鍛造により、荒地１ｃには、下金型２に形成された環
状の突起２ａの外縁部と上金型３とにより車輪のリム相
当部が形成され、下金型２に形成された円形の突起２ｂ
および環状の溝２ｃと上金型３とにより車輪のボス相当
部が形成される。 【００２０】本発明では、この鍛造開始前または鍛造中
に、内径が後述する直径ｄのリング工具４を設ける。こ
のリング工具４は、内面形状が円形であればよく、外面
形状には拘らない。その高さは、鍛造中の素材１ｂをリ
ング工具４の内面に押し当てたい領域を含んだ高さとす
ればよい。また、周方向に複数に分割されたリング工具
であってもよい。 【００２１】このリング工具４は、図示を省略した保持
具により、その軸心を下金型２の軸心Ｏ_２ と一致させ
て下金型２と上金型３との間に設けられ、その状態で保
持される。 【００２２】この状態で上金型３を下降させ、下金型２
と上金型３とによる材料１ｂの圧下を、材料１ｂの全外
周面がリング工具４の内周面に接触するまで続ける。こ
のとき、材料１ｂの外周面のうち、下金型２の軸心Ｏ_２
からの距離が最も大きい部分から順に、リング工具４
の内面に押し当てられる。このリング工具４の内面に先
に押し当てられた部分は、それ以上の外面方向への延び
が拘束され、その部分の材料１ｂは、リング工具４の内
面に沿って延ばされる。 【００２３】材料１ｂの外周面のうち、下金型２の軸心
Ｏ_２ からの距離が最も小さい部分が、最後にリング工
具４の内面に押し当てられた後、リング工具４が取り除
かれ、材料１ｂはリング工具４による外周面の拘束が解
かれた状態で、最後まで圧下される。 【００２４】リング工具４が取り除かれる時点では、材
料１ｂの外径は、リング工具４の内径ｄに一致してい
る。また、リング工具４は、その軸心を下金型２の軸心
Ｏ_２と一致させて設けられている。そのため、材料１ｂ
の外周面は下金型２の軸心Ｏ _２ を中心とする直径ｄの
円形に形成される。すなわち、下金型２上に装入される
素材１ａの下金型の軸心Ｏ_２ に対する位置ずれ、素材
１ａが元来有する偏肉による形状不良、素材１ａの均熱
不良などに基づく下金型の軸心Ｏ_２ からの延びの不均
一による偏肉が矯正される。したがって、その後、リン
グ工具４を用いずに圧下を加えても、偏肉はほとんど発
生しない。 【００２５】なお、リング工具４を取り除く時期は、材
料１ｂの外周面とリング工具４の内面との接触域を増や
して偏肉抑制効果を大きくするために、可能な限り後に
して材料１ｂをリング工具４に充満させるのが好まし
い。このリング工具４を取り除く時期は、圧下荷重や材
料１ｂがリング工具４の上部または下部から噛み出しが
生じない範囲で決める。なお、必ずしも材料１ｂをリン
グ工具４に充満させる必要はなく、材料の１ｂの外周を
リング工具４の内面に接触させるだけであってもよい
が、リング工具４に充満させるのが好ましい。 【００２６】上記のように、リング工具４の内面に材料
１ｂの外周面を接触させて、材料１ｂに生じた偏肉を矯
正するためには、リング工具４の内径を適正に設定する
必要がある。そのため、本発明では、リング工具４の内
径を次の（１）式に規定される条件を満足する直径ｄと
する。 【００２７】Ｄ＋２Ｅ≦ｄ≦Ｄ_１ ・・・（１） ここで、Ｄは素材１ａの最大直径（ｍｍ）、Ｅは素材１
ａを下金型２上に装入したときの下金型２の軸心Ｏ_２と
素材１ａの軸心Ｏ_１との変位量（ｍｍ）、Ｄ_１は圧下量
が総圧下量の７０％の時点における材料の平均外径（ｍ
ｍ）である。 【００２８】前記のように、例えば丸ビレットを所定の
長さに切断した素材１ａは、必ずしも真円とは限らず、
周方向各位置における外径が異なることがある。また、
素材１ａを下金型２の上に装入する場合、素材１ａの軸
心Ｏ_１が下金型２の軸心Ｏ_２と一致するとは限らず、素
材１ａの軸心Ｏ_１と下金型２の軸心Ｏ_２との位置がずれ
る場合がある。 【００２９】一方、リング工具４により材料１ｂの外周
面を拘束して偏肉を矯正するためには、リング工具４の
軸心を下金型２の軸心と一致させて設け、素材１ａの圧
下開始以降にその外周面を拘束する必要がある。 【００３０】このように素材１ａが真円でなく、また素
材１ａが下金型２の上に装入される際に位置ずれを起こ
しても、素材１ａとリング工具４とが干渉することなく
リング工具４を設けるためには、リング工具４の内径
（直径）ｄを、（Ｄ＋２Ｅ）以上とする必要がある。 【００３１】また、リング工具４の内径ｄは、素材１ａ
を荒地１ｃに成形する際の総圧下量をＹとしたとき、圧
下量が０．７Ｙの時点における材料の平均外径Ｄ_１以下
とする。すなわち、荒地１ｃの外径に等しい内径のリン
グ工具４を用いると、前記の荒地の外径に等しい内径の
側壁を有する金型を用いる場合と同様に、偏肉は矯正さ
れる。しかし、鍛造途中に材料の周方向の一部が極端に
延ばされるような事態が生じると、その部分がリング工
具４の内面に拘束されるだけでなく、リング工具４の上
部または下部からはみ出してバリが発生する。そのた
め、本発明では、上金型３の圧下量が、上金型３による
総圧下量Ｙの７０％となった時点における材料の平均外
径Ｄ_１をリング工具４の内径ｄの最大値とする。 【００３２】このように、リング工具４の内径ｄを、総
圧下量Ｙの７０％となった時点における材料の平均外径
Ｄ_１とすれば、鍛造途中に材料の周方向の一部が極端に
延ばされるような事態が生じても、その延び量が比較的
少ないうちに、リング工具４の内面に拘束されるため、
バリの発生は防止される。 【００３３】リング工具４の内面は、内径ｄが高さ方向
に等径でなくてもよく、例えば上部の内径が下部の内径
より大きい円錐面であってもよい。但し、この場合も、
上部の内径および下部の内径は、前記（１）式を満足す
る必要がある。 【００３４】なお、ここで、素材１ａの最大直径Ｄは、
素材に外径の許容値が設定されている場合はその許容値
の最大値とし、許容値が設定されていない場合は実績値
などから想定される最大値とする。 【００３５】下金型２上に素材１ａを挿入したときの下
金型２の軸心Ｏ_２ と素材１ａの軸心Ｏ_１ との変位量
Ｅは、使用される鍛造機の下金型２と材料装入装置との
機械的な位置ずれと、素材１ａの形状や下金型２の形状
に基づく下金型２に対する素材１ａの位置ずれとがあ
る。したがって、例えば実績値に基づき、変位量Ｅを設
定する。 【００３６】なお、総圧下量Ｙは、下金型２上に装入さ
れた材料１ａの上面に上金型３の下面の一部、例えば図
１では上金型３の下面のほぼ中央が接触したときから、
圧下が終了したときまでの下金型２と上金型３との間隔
の減少量を指し、素材１ａの寸法、使用する下金型２お
よび上金型３の寸法等により決まる。 【００３７】また、総圧下量Ｙの７０％となった時点に
おける材料の平均外径Ｄ_１は、素材１ａの寸法、下金型
２の形状、上金型の形状などに基づき、計算により求め
るか、または実績値から求めればよい。 【００３８】リング工具４の内径ｄの範囲は上記のよう
にして規定される。この範囲内の内径ｄをもつリング工
具４を準備し、圧下の開始前、または圧下の途中にリン
グ工具４をその軸心を下金型２の軸心に一致させて設け
て、材料１ｂをリング工具４の内面に接触させ、その後
リング工具４を取り除いて圧下を続けて荒地１ｃが製造
される。この荒地１ｃは、第２の荒地成形工程により車
輪の概略の形状に成形され、その後仕上圧延または仕上
鍛造された後、必要により熱処理が施された後、機械加
工により車輪とされる。 【００３９】なお、上記の説明では、リング工具４は、
その軸心を下金型２の軸心Ｏ_２ と一致させて下金型２
と上金型３との間に設けたが、上金型３の軸心に一致さ
せて設けてもよく、下金型２の軸心と上金型３の軸心と
の中間位置を求め、この中間位置と一致させて設けても
よい。 【００４０】リング工具４は、下金型２および上金型３
とは別に設けたが、下金型２と上金型３の一方または両
方を、内径ｄのリングを一体に備えた形状の金型とし、
この金型により圧下して材料の外周面をリング内面に押
し当て、その後、リングを備えない開放型の金型に取り
替えて最後まで圧下してもよい。 【００４１】上記の説明は、車輪を製造する際の第１の
荒地成形工程による荒地成形の場合であるが、第２の荒
地成形工程や、仕上鍛造にも採用することができる。ま
た、車輪に限らず、ギヤやリングなどの円盤状または環
状の、外面形状が円形の鍛造材に採用することができ
る。材質も、炭素鋼に限らず合金鋼などの鋼製品やアル
ミニウムなどの非鉄金属であってもよい。 【００４２】 【実施例】質量％で、Ｃ：０．７０％、Ｓｉ：０．１５
％、Ｍｎ０．６０％、を含有する炭素鋼からなり、外径
が４５０ｍｍ、長さが３３０ｍｍの円柱状の素材を１０
本準備し、１２５０℃に加熱した後、図１に示す方法で
第１の荒地成形をおこなった。上下の金型は、同図に示
す形状の開放型金型を用いた。 【００４３】内径５００ｍｍ（圧下量が総圧下量の２３
％のときの材料の平均外径に相当）のリング工具をその
軸心が下金型の軸心と一致するように配置し、その状態
で上金型を圧下させて上下金型により６０ｍｍの圧下を
加え、被加工材の全外周面をリング工具の内面に接触さ
せ、その後リング工具を取り除いて下死点まで圧下し、
第１の荒地成形を終了した。このときの総圧下量は２７
０ｍｍであった。 【００４４】次いで、公知の方法で上下金型を用いて車
輪の概略形状に成形する第２の荒地成形をおこない、荒
地成形を完了した。その後、従来のホイールミルによる
成形と回転鍛造による仕上成形をおこない、外径９００
ｍｍの仕上成形品を計１０個製造した。この仕上成形品
に機械加工を施して、正規の寸法、形状の車輪とした。 【００４５】これらの車輪の形状を検査した結果、いず
れも欠肉（形状不良）がなく、良好な形状の車輪が得ら
れた。また、機械加工前の仕上成形品の質量Ｗ１と、機
械加工後の質量Ｗ２とから仕上歩留まり（（Ｗ２／Ｗ
１）×１００）を計算した結果、１０個の車輪の平均値
は９１％であった。 【００４６】次に、長さが上記の素材の長さより１〜１
０ｍｍ短い複数の長さの素材を各１０本準備し、これら
の素材から上記と同じ方法により車輪を製造し、車輪の
形状の検査と仕上歩留まりを計算した。その結果、１０
個の車輪全てが良好な形状となる限界の仕上歩留まり
は、９２．５％であった。 【００４７】比較例として、第１の荒地成形においてリ
ング工具を用いない点を除いて、上記の方法と同じ条件
で車輪を各１０個製造した結果、１０個の車輪全てが良
好な形状となる場合の素材長さは３３０ｍｍであり、そ
れよりも短い長さの素材を用いると欠肉が生じた。すな
わち、１０個の車輪全てが良好な形状となる限界の仕上
歩留まりは、９１％であった。すなわち、本発明方法に
よれば、仕上歩留まりが向上することがわかる。 【００４８】 【発明の効果】この発明の円形材の鍛造方法によれば、
外面形状が円形の円形材を鍛造により製造する際に、円
形材に生じる偏肉を少なくして寸法精度を向上させ、円
形材の製造歩留まりを向上させることができる。 【００４９】 【課題を解決するための手段】

【図面の簡単な説明】 【図１】車輪の第１の荒地成形工程における圧下開始直
前の状態を説明する金型周りの一例を示す縦断面図であ
る。 【図２】車輪の第１の荒地成形工程における圧下途中
（リング工具の内面に材料が充満されたとき）の状態を
説明する金型周りの一例を示す縦断面図である。 【図３】車輪の第１の荒地成形工程における圧下が終了
したときの状態を説明する金型周りの一例を示す縦断面
図である。 【符号の説明】 １ａ：素材、 １ｂ：鍛造中の材料、 １ｃ：荒地、 ２：下金型、 ３：上金型、 ４：リング工具。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 藤村 隆志 大阪府大阪市此花区島屋５丁目１番109号 住友金属工業株式会社関西製造所製鋼品 事業所内 Ｆターム(参考） 4E087 AA08 BA15 CA01 CB01 DA02 HA12

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 【請求項１】外面形状が円形の素材を開放型の上下金型
   を用いてその軸方向に圧下して外面形状が円形の円形材
   に鍛造する際に、内径が下記（１）式に規定される条件
   を満足する直径ｄのリング工具をその軸心を前記金型の
   軸心に一致させて設け、この状態で鍛造中の材料を前記
   リング工具の内面に接触させ、その後、リング工具を取
   り除いて鍛造することを特徴とする円形材の鍛造方法。 Ｄ＋２Ｅ≦ｄ≦Ｄ_１ ・・・（１） ここで Ｄ：素材の最大直径（ｍｍ） Ｅ：素材装入時の金型の軸心と素材の軸心との変位量
   （ｍｍ） Ｄ_１：圧下量が総圧下量の７０％の時点における材料の
   平均外径（ｍｍ）