JP2004314085A

JP2004314085A - 冷間鍛造加工方法

Info

Publication number: JP2004314085A
Application number: JP2003107463A
Authority: JP
Inventors: Mitsuo Kuwabara; 光雄桑原
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2003-04-11
Filing date: 2003-04-11
Publication date: 2004-11-11

Abstract

【課題】冷間鍛造加工を効率よく行うとともに、鍛造加工用金型の寿命を長期化する。
【解決手段】第１次冷間鍛造加工において、ワークＷに対し、端部に湾曲部Ｒを設ける。次に、湾曲部Ｒが設けられたワークＷに対し、鍛造加工用金型装置１０にて第２次冷間鍛造加工を施す。この鍛造加工用金型装置１０は、内部に金属部２０を有する一方で外表面および内表面にセラミックス部２２ａ、２２ｂをそれぞれ有し、かつこれら金属部２０とセラミックス部２２ａ、２２ｂとの間に介在して金属部２０からセラミックス部２２ａ、２２ｂに向かうに従って金属の組成比が漸減する傾斜部２４ａ、２４ｂを有する。ワークＷは、第１次冷間鍛造加工が施された後にオイルが塗布されることによって１００〜４００℃とされ、好ましくは５秒以内に第２次冷間鍛造加工が施される。
【選択図】図３

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、冷間鍛造加工方法に関し、一層詳細には、加工効率に優れ、かつ鍛造加工用金型の寿命を長期化させることが可能であり、このために加工コストを低廉化することが可能な鍛造加工方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
鍛造加工は、所定の形状の製品を得るための一般的な加工方法である。冷間鍛造加工はそのうちの１種であり、歩留まりがよい、寸法精度が優れる等の利点を有することから、広汎に採用されるに至っている。
【０００３】
ところで、冷間鍛造加工には、ワークの変形抵抗が高くなるので、ワークを大きく変形させることが困難であるという不具合がある。換言すれば、冷間鍛造加工では、加工効率が小さくなってしまう。
【０００４】
このような不具合を回避するべく、特許文献１においては、円柱形状のワークに対して複数個の段部を１工程で設ける際、変形の最中の加工熱によってワークの温度を２００〜３００℃とすることで該ワークの変形抵抗を低下させることが提案されている。また、特許文献２および特許文献３では、ステンレス鋼からなるワークを８０〜３００℃に予め加熱した上で、ヘッダーによる冷間鍛造加工を施すことが提案されている。
【０００５】
しかしながら、特許文献１に記載された方法は、ワークが上記の温度範囲となるようにワークの寸法を予め設定するものであるので、限られた寸法のワークしか使用することができない。
【０００６】
また、特許文献２および特許文献３においては、ワークを加熱するための加熱装置を設置する必要があるため、設備投資が高騰するという不具合を招く。そして、冷間鍛造加工を施す前に所定の時間を経過すると、ワークの内部から時効硬化が進行し、このために冷間鍛造加工中に割れが発生することがある。
【０００７】
そこで、特許文献４に記載されているような複合傾斜材から鍛造加工用金型を構成することが想起される。傾斜複合材からなる鍛造加工用金型は耐久性に優れるので、ワークの変形率を大きくすることができるからである。
【０００８】
【特許文献１】
特公平３−３７４５１号公報
【特許文献２】
特開平６−７９３８９号公報
【特許文献３】
特開平６−８９７７８号公報
【特許文献４】
特開２０００−３５５７０５号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、冷間鍛造加工は、１つのワークに対して複数回、一般的には３〜５回程度に分け、別々の鍛造加工用金型装置を使用して遂行されるのが通例である。したがって、全ての鍛造加工用金型を傾斜複合材製のものとすると、設備投資が高騰するという不具合を招いてしまう。
【００１０】
本発明は上記した問題を解決するためになされたもので、鍛造加工用金型の寿命を短くすることなくワークを大きく変形させることが可能であり、これにより加工コストを低廉化するとともに加工効率を向上させることが可能な鍛造加工方法を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
前記の目的を達成するために、本発明は、ワークに対して少なくとも２回の冷間鍛造加工を施す冷間鍛造加工方法において、
前記ワークに対して冷間鍛造加工を施した後、前記ワークに潤滑剤を塗布することによって該ワークの温度を１００〜４００℃として、次なる冷間鍛造加工を加工速度０．５〜５．０ｍ／秒で施すことを特徴とする。
【００１２】
温度が１００〜４００℃であるワークは、比較的容易に塑性流動する。このため、加工速度を０．５〜５．０ｍ／秒と一般的な冷間鍛造加工に比して大きくしても、ワークを所定の形状に容易に、かつ寸法精度よく成形することができる。また、ワークの変形率を大きくすることも可能であるので、加工効率を向上させることもできる。
【００１３】
しかも、この場合、ワークが比較的容易に塑性流動を起こすことから、鍛造加工用金型に作用する負荷が低減する。このため、鍛造加工用金型の寿命が長期化するので、該鍛造加工用金型の交換頻度が低減する。したがって、加工コストを低廉化することが可能となる。
【００１４】
なお、ワークの温度が１００℃未満では、塑性流動が起こり難くなる。一方、４００℃を超えると、成形されたワークの寸法精度が低下する傾向が発現するとともに、製造歩留まりが低下する。
【００１５】
ここで、ワークの温度を１００〜４００℃とするには、例えば、該ワークの表面積をＳｃｍ^２、該ワークに塗布する潤滑剤の吐出速度をＶｃｍ^３／秒とするとき、Ｖ／Ｓを３０〜３００ｃｍ／秒とすればよい。これにより、ワークの温度を容易かつ簡便に１００〜４００℃とすることができる。
【００１６】
Ｖ／Ｓが３０ｃｍ／秒未満では潤滑油の量が充分ではないので、冷間鍛造加工時にワークと鍛造加工用金型との凝着が生じることがあり、その結果、ワークの変形抵抗が増大する懸念がある。一方、３００ｃｍ／秒を超える場合、ワークの温度が１００℃未満となることがある。
【００１７】
そして、Ｖ／Ｓを確実に３０〜３００ｃｍ／秒とするには、ワークの表面積Ｓを３〜５００ｃｍ^２に設定することが好ましい。
【００１８】
また、冷間鍛造加工が施されたワークを長時間放置すると、時効硬化によってワークが硬化し、次なる冷間鍛造加工を施した際に該ワークに割れが発生することもある。このような事態が生じることを回避するために、冷間鍛造加工が施されたワークに対し、次なる冷間鍛造加工を５秒以内に開始することが好ましい。
【００１９】
いずれの場合においても、ワークの変形率が最大となる冷間鍛造加工を行う際に、セラミックスと金属とを含有し、かつ表面から内部に指向してセラミックスおよび金属の組成比が変化する傾斜複合材からなる鍛造加工用金型を使用することが好ましい。
【００２０】
このような鍛造加工用金型は耐久性に優れるので、ワークの変形率および加工速度を一層大きくすることが可能である。したがって、加工効率を一層向上させることができる。
【００２１】
このような鍛造加工用金型の好適な例としては、該鍛造加工用金型での金属の組成比が該鍛造加工用金型の表面から内部に指向して上昇するとともに、セラミックスの組成比が該鍛造加工用金型の表面から内部に指向して低下するものを挙げることができる。この場合、表面が硬質であるので、耐摩耗性に優れる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る冷間鍛造加工方法につき好適な実施の形態を挙げ、添付の図面を参照して詳細に説明する。
【００２３】
本実施の形態に係る冷間鍛造加工方法においては、図１中の（ａ）〜（ｅ）に示すように、当初は円柱形状であるワークＷに対して４段階の冷間鍛造加工を施し、最終的に、自動車用内燃機関を構成するバルブＫを作製する。ここで、ワークＷの表面積は、およそ１７ｃｍ^２である。
【００２４】
まず、図１（ａ）に示される円柱形状のワークＷに対し、パルボンド（日本パーカライジング社の商品名）を潤滑剤として塗布する、いわゆるボンデ処理を施した後、第１次冷間鍛造加工にて、図１（ｂ）に示すように、ワークＷを長手方向に沿って若干縮小させるとともにその端面に湾曲部Ｒを設ける。
【００２５】
この第１次冷間鍛造加工において変形されることに伴って、ワークＷが熱を帯びる。換言すれば、ワークＷの温度が上昇する。
【００２６】
このワークＷに対して、潤滑剤および冷却剤として機能するオイルを塗布することにより、ワークＷの温度を１００〜４００℃の範囲内となるように下降させる。
【００２７】
ワークＷの温度を１００〜４００℃の範囲内とするには、例えば、以下のようにすればよい。該ワークＷの表面積をＳｃｍ^２、ワークＷに塗布するオイルの吐出速度をＶｃｍ^３／秒とするとき、図２に示すように、横軸をＳ、縦軸をＶ／Ｓとする両対数グラフを作成する。なお、図２中の曲線Ｌ１、Ｌ２は、それぞれ、ワークＷが１００℃、４００℃に到達した際のＳとＶ／Ｓとの関係を示す。
【００２８】
次に、これら曲線Ｌ１、Ｌ２の直線部分同士に縦軸に平行な線Ｌ３、Ｌ４を引き、Ｌ１およびＬ２とＬ３との交点、Ｌ１およびＬ２とＬ４との交点Ｍ１〜Ｍ４を各々求める。ＳおよびＶ／Ｓは、交点Ｍ１〜Ｍ４によって囲繞される領域の数値内とすればよい。具体的には、Ｓが３〜５００ｃｍ^２である場合、Ｖ／Ｓを３０〜３００ｃｍ／秒に設定することが好ましい。Ｖ／Ｓは、例えば、４５ｃｍ／秒とすればよい。
【００２９】
そして、時効硬化が生じるより前、好ましくは５秒以内に、端面に湾曲部Ｒが設けられたワークＷに対する第２次冷間鍛造加工を開始する。この第２次冷間鍛造加工（前方押し出し加工）を遂行するための鍛造加工用金型装置につき、その縦断面説明図である図３と、平面図である図４を参照して説明する。
【００３０】
この鍛造加工用金型装置１０は、キャビティ１２が設けられる金型部１４と、３分割されて前記金型部１４の外側に配置され、該金型部１４を補強する補強部材１６と、前記補強部材１６を前記金型部１４側に押圧保持する締付治具（押圧部材）１８とを備える。
【００３１】
鍛造加工用金型の１つである金型部１４は、円筒形状に設定されており、その中央部には、軸方向に延在して多段棒状のキャビティ１２が形成されている。
【００３２】
ここで、この金型部１４は、特開２０００−３５５７０５号公報に開示された構成を有する傾斜複合材からなる。具体的には、金型部１４においては、外表面および内表面から内部に向かうに従って金属の組成比が増加する一方でセラミックスの組成比が減少する。すなわち、金型部１４では、金属の組成比は外表面および内表面で最小かつ内部で最大であり、セラミックスの組成比は外表面および内表面で最大かつ内部で最小である。なお、以下の説明においては、金属の組成比が最大である部位（内部）を「金属部」と表記するとともに、セラミックスの組成比が最大である部位（表面）を「セラミックス部」と表記する。
【００３３】
なお、金型部１４には、図３のＩＶ−ＩＶ線断面図である図５に示すように、金属部２０とセラミックス部２２ａ、２２ｂとの間に、金属部２０からセラミックス部２２ａ、２２ｂに向かうに従って金属の組成比が漸減する傾斜部２４ａ、２４ｂが存在する。
【００３４】
金型部１４を囲繞する補強部材１６は、断面略円弧形状に設定されている（図４参照）。該補強部材１６は、ＨＲＣ（Ｃスケールのロックウェル硬度）が５２であるＳＫＨ５８等のハイス鋼から構成されている。
【００３５】
この補強部材１６の軸方向外周両端には、それぞれ径方向外方に突出して突起部２６ａ、２６ｂが突出形成されている。そして、補強部材１６の外周中央部には、ＳＫＤ１１製の係止板部２８が埋入されている。
【００３６】
締付治具１８は、例えば、焼き入れされたボルトを備え、複数に分割された断面略円弧状の取付板部３０に螺合されている。この締付治具１８の先端には、押圧力が各補強部材１６に充分に付与されるようにボール３２が配設される。
【００３７】
取付板部３０の軸方向両端部には、ねじ穴３４ａ、３４ｂが所定の深さまで形成されており、該ねじ穴３４ａ、３４ｂを介して固定リング３６ａ、３６ｂが配置される。この固定リング３６ａ、３６ｂには、所定間隔ずつ離間してボルト挿通用の孔部３８ａ、３８ｂが設けられる。これら孔部３８ａ、３８ｂに止めねじ４０ａ、４０ｂが挿入されて、それぞれの先端部がねじ穴３４ａ、３４ｂに螺合することにより、固定リング３６ａ、３６ｂを介して各補強部材１６が一体的に締め付け保持される。
【００３８】
そして、金型部１４の下部側には、緩衝用のダイス鋼（ＳＫＤ１１）４２が配置されている。
【００３９】
この鍛造加工用金型装置１０は、さらに、鍛造加工用金型であるパンチ４４を有する。このパンチ４４も金型部１４と同様に、特開２０００−３５５７０５号公報に開示された構成を有する傾斜複合材からなる。すなわち、このパンチ４４には、図３のＶ−Ｖ線断面図である図６に示すように、内部に金属部４６が存在する一方で表面にセラミックス部４８が存在し、これら金属部４６とセラミックス部４８との間には、金属部４６からセラミックス部４８に向かうに従って金属の組成比が漸減する傾斜部５０が存在する。
【００４０】
このように構成された鍛造加工用金型装置１０を使用しての第２次冷間鍛造加工は、金型部１４に設けられたキャビティ１２にワークＷを挿入した後、パンチ４４を下降動作させることにより遂行される。すなわち、パンチ４４の下降動作に伴ってワークＷに前方押し出し加工が施され、その結果、図１（ｃ）に示すように、ワークＷが伸張されて該ワークＷに小径部Ｃ１が形成される。なお、伸張されなかった部位は、大径部Ｃ２として残存する。
【００４１】
上記したように、ワークＷは１００〜４００℃の温度範囲にある。すなわち、塑性流動が比較的容易に起こる温度に設定されている。
【００４２】
また、ワークＷには、第１次冷間鍛造加工にて湾曲部Ｒが形成されている。換言すれば、ワークＷにおいて、金型部１４と当接する部位には鋭角部が存在しない。このため、塑性変形するワークＷによって押圧される金型部１４に応力が局所的に集中することがないので、金型部１４に作用する負荷が著しく低減する。さらに、この場合、金型部１４およびパンチ４４は、耐久性に優れる傾斜複合材からなる。
【００４３】
すなわち、ワークＷは塑性流動を比較的起こし易い状態にあり、かつ金型部１４およびパンチ４４は耐久性に優れ、しかも、前方押し出し加工中に金型部１４に作用する負荷が著しく小さい。以上の理由から、ワークＷの変形率および加工速度を大きく設定した場合においても、ワークＷを破損させることなく速やかに所定の形状に成形することができるとともに、金型部１４やパンチ４４に損傷や摩耗が生じることを回避することができる。
【００４４】
具体的には、この場合、変形率を約７２％とすることができる。また、加工速度は、０．５〜５．０ｍ／秒と、一般的な冷間鍛造加工における加工速度がおよそ０．４５ｍ／秒であるのに比して著しく大きくすることができる。
【００４５】
このように、本実施の形態においては、ワークＷが比較的容易に塑性流動を起こす温度範囲に保たれているので、ワークＷの変形率および加工速度を大きくすることができる。このため、加工効率が著しく向上する。
【００４６】
しかも、この場合、金型部１４に過度の負荷が作用することを回避することができるので、該金型部１４の寿命を長期化することができる。すなわち、金型部１４の交換頻度が著しく低減するので、交換用の金型部１４の在庫数を少なくすることもできる。
【００４７】
例えば、金型部がＳＣＭ４２０等の一般的な鋼材からなる鍛造加工用金型装置の場合、加工速度を０．４５ｍ／秒としても、該金型部は、第２次冷間鍛造加工を約５万回繰り返した時点で交換が必要となる。換言すれば、最終製品であるバルブＫを１００万本作製する場合、金型部を約２０回交換する必要がある。交換の間は、鍛造加工用金型装置を稼動できないので、必然的にバルブＫを作製することもできない。
【００４８】
これに対し、本実施の形態においては、加工速度を３．４ｍ／秒としても、金型部１４を１００万回繰り返して使用することができ、この間、交換は不要である。しかも、金型部１４を交換するために鍛造加工用金型装置を停止させる必要もない。このため、加工効率が著しく向上する。
【００４９】
以上の理由から、本実施の形態によれば、加工効率を著しく向上させることができるとともに、加工コストを著しく低廉化することができる。
【００５０】
なお、第２次冷間鍛造加工が進行している最中は、上記したようにワークＷに熱が発生する。このため、金型部１４や補強部材１６の温度も上昇し、その結果、これら部材１４、１６が熱膨張する。前記固定リング３６ａ、３６ｂは、この熱膨張に伴う締め付け力の低下による緩みを防止する役割を果たす。
【００５１】
以上のようにして第２次冷間鍛造加工が施されたワークＷを、鍛造加工用金型装置１０から取り出した後、第１次冷間鍛造加工終了時と同様に、オイルを塗布する。これにより、ワークＷの温度が１００〜４００℃の範囲内に下降する。この際にも、ワークＷの表面積Ｓとオイルの吐出速度Ｖとの関係は、Ｖ／Ｓ＝３０〜３００ｃｍ／秒の範囲内に設定される。
【００５２】
そして、ワークＷに対して５秒以内に第３次冷間鍛造加工を開始する。この第３次冷間鍛造加工では、図１（ｄ）に示されるように、大径部Ｃ２が圧潰されて円錐部ＣＮが設けられる圧潰加工が営まれる。
【００５３】
この第３次冷間鍛造加工（圧潰加工）では、ワークＷの変形率は１１％と比較的小さい。しかも、この圧潰加工においてもワークＷが１００〜４００℃に保持されているので、比較的容易に塑性流動する。このため、一般的な鋼材からなる金型部を有する鍛造加工用金型装置を使用して、加工速度を第２次冷間鍛造加工と同様に０．５〜５．０ｍ／秒としても、金型部に摩耗や損傷が生じ難い。
【００５４】
次に、第３次冷間鍛造加工が施されたワークＷに対し、第１次および第２次冷間鍛造加工終了時と同様に、オイルを塗布することによって該ワークＷの温度を１００〜４００℃とする。この際にも、ワークＷの表面積Ｓとオイルの吐出速度Ｖとの関係は、Ｖ／Ｓ＝３０〜３００ｃｍ／秒の範囲内に設定される。
【００５５】
そして、ワークＷに対して５秒以内に第４次冷間鍛造加工を開始する。この第４次冷間鍛造加工が施されることによって、図１（ｅ）に示されるように、小径部Ｃ１を軸部とし、かつ大径部Ｃ２を頭部とするバルブＫが得られるに至る。
【００５６】
この第４次冷間鍛造加工におけるワークＷの変形率は、１７％と比較的小さい。しかも、この第４次冷間鍛造加工においても、ワークＷが１００〜４００℃に保持されているので、該ワークＷが比較的容易に塑性流動する。このため、第３次冷間鍛造加工と同様に、一般的な鋼材からなる金型部を有する鍛造加工用金型装置を使用して、加工速度を０．５〜５．０ｍ／秒としても、金型部に摩耗や損傷が生じ難い。
【００５７】
このように、本実施の形態においては、前回の冷間鍛造加工においてワークＷに生じた熱を該ワークＷに保持させた状態で、次なる冷間鍛造加工を行うようにしている。このため、ワークＷが比較的容易に塑性流動を起こすので、第３次および第４次冷間鍛造加工においても、加工速度を大きく設定することが可能となる。
【００５８】
しかも、ワークＷが比較的容易に塑性流動を起こすので、金型部やパンチに作用する負荷も小さい。このため、第３次および第４次冷間鍛造加工で使用される鍛造加工用金型装置の金型部やパンチの寿命を長期化することもできる。
【００５９】
例えば、ＳＣＭ４２０からなる金型部を使用した場合、一般的な第３次冷間鍛造加工では８万回、第４次冷間鍛造加工では１２万回で金型部を交換する必要があったのに対し、本実施の形態においては、金型部の構成素材を同じくＳＣＭ４２０としても、３０万回まで交換することなく繰り返して使用することができる。
【００６０】
このように、本実施の形態によれば、一般的な鋼材からなる金型部やパンチ４４を使用する場合においても、その寿命を著しく長期化させることができる。このため、加工効率を向上させることができるとともに、加工コストを低廉化することができる。
【００６１】
なお、上記した実施の形態においては、第２次冷間鍛造加工を遂行する鍛造加工用金型装置１０の金型部１４およびパンチ４４のみを傾斜複合材からなるものとしたが、第１次〜第４次の全鍛造加工用金型装置の金型部およびパンチも傾斜複合材からなるものとしてもよい。
【００６２】
また、冷間鍛造加工の工程数を増加し、１回の冷間鍛造加工における変形率を２０％程度と小さくする場合には、全鍛造加工用金型装置の金型部およびパンチを一般的な鋼材からなるものとしてもよい。
【００６３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、前回の冷間鍛造加工が終了したワークを、比較的容易に塑性流動を起こす温度範囲とし、この状態で次なる冷間鍛造加工を遂行するようにしている。このため、変形率を比較的大きくすることができるとともに、鍛造加工用金型に作用する負荷を低減することが可能となり、加工効率を向上させることができ、かつ加工コストの低廉化も達成するという効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１次〜第４次冷間鍛造加工が施されたワークの形状をそれぞれ示すフロー図である。
【図２】ワークの表面積をＳｃｍ^２、該ワークに塗布するオイルの吐出速度をＶｃｍ^３／秒とするとき、横軸をＳ、縦軸をＶ／Ｓとする両対数グラフである。
【図３】第２次冷間鍛造加工を遂行するための鍛造加工用金型装置の要部概略縦断面図である。
【図４】図３の鍛造加工用金型装置の平面図である。
【図５】図３のＩＶ−ＩＶ線矢視断面図である。
【図６】図３のＶ−Ｖ線矢視断面図である。
【符号の説明】
１０…鍛造加工用金型装置１２…キャビティ
１４…金型部（鍛造加工用金型）１６…補強部材
２０、４６…金属部２２ａ、２２ｂ、４８…セラミックス部
２４ａ、２４ｂ、５０…傾斜部４４…パンチ（鍛造加工用金型）
Ｗ…ワークＫ…バルブ

Claims

ワークに対して少なくとも２回の冷間鍛造加工を施す冷間鍛造加工方法において、
前記ワークに対して冷間鍛造加工を施した後、前記ワークに潤滑剤を塗布することによって該ワークの温度を１００〜４００℃として、次なる冷間鍛造加工を加工速度０．５〜５．０ｍ／秒で施すことを特徴とする冷間鍛造加工方法。
請求項１記載の加工方法において、前記ワークの表面積をＳｃｍ^２、前記ワークに塗布する潤滑剤の吐出速度をＶｃｍ^３／秒とするとき、Ｖ／Ｓを３０〜３００ｃｍ／秒とすることによって前記ワークの温度を１００〜４００℃とすることを特徴とする冷間鍛造加工方法。
請求項２記載の加工方法において、前記ワークの表面積Ｓが３〜５００ｃｍ^２であることを特徴とする冷間鍛造加工方法。
請求項１〜３のいずれか１項に記載の加工方法において、冷間鍛造加工が施された前記ワークに対し、５秒以内に次なる冷間鍛造加工を開始することを特徴とする冷間鍛造加工方法。
請求項１〜４のいずれか１項に記載の加工方法において、ワークの変形率が最大となる冷間鍛造加工を行う際に、セラミックスと金属とを含有し、かつ表面から内部に指向してセラミックスおよび金属の組成比が変化する傾斜複合材からなる鍛造加工用金型を使用することを特徴とする冷間鍛造加工方法。
請求項５記載の加工方法において、前記鍛造加工用金型での金属の組成比が該鍛造加工用金型の表面から内部に指向して上昇するとともに、セラミックスの組成比が該鍛造加工用金型の表面から内部に指向して低下することを特徴とする冷間鍛造加工方法。