JP2004358489A

JP2004358489A - カップ状成形品の鍛造成形方法

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Publication number: JP2004358489A
Application number: JP2003157211A
Authority: JP
Inventors: Taku Osada; 卓長田; Hiroshi Momozaki; 寛百▲崎▼
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2003-06-02
Filing date: 2003-06-02
Publication date: 2004-12-24

Abstract

【課題】金型の表面粗度Ｒａを適正化することにより、成形品コーナ部での割れの発生を防止できるカップ状成形品の鍛造成形方法を提供すること。
【解決手段】金型１内に保持した中実素材Ｍをポンチ５で圧縮し、カップ状成形品１１を鍛造成形するに際し、前記金型１として、成形品外周部を成形する金型面２ａの表面粗度Ｒａを、成形品外周部以外の残りの成形品部を成形する金型面２ｂ，３ａの表面粗度Ｒａ及び前記ポンチ５の成形品成形面５ａ，５ｂの表面粗度Ｒａのいずれよりも粗くした金型１を用いることを特徴とするカップ状成形品の鍛造成形方法。
【選択図】図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、カップ状成形品の鍛造成形方法に関し、金型の表面粗度Ｒａを適正化することにより、成形品コーナ部での割れの発生を防止できるようにしたカップ状成形品の鍛造成形方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
自動車部品などとして用いられるカップ状部材は、機械加工しろ低減による歩留まり向上や生産性向上のために、線材あるいは棒鋼を切断した円柱状の中実素材を用いて鍛造成形されることが多くなっている。特に、製品寸法精度向上や製造コスト低減のため、カップ状部材は中実素材を加熱せず常温で加工を行う冷間で鍛造成形されることが多い。
【０００３】
この冷間鍛造（含む冷間圧造）では、延性の低い加工素材を鍛造成形する場合、製品に割れが発生することが問題となる。そこで、従来、製品に発生する割れの防止を目的として、例えば、特開平９−３２３１３７号公報に冷間鍛造方法が提案されている。
【０００４】
この従来の冷間鍛造方法は、ボールジョイント等に用いられる複雑な形状の柄付きハウジングを冷間鍛造で成形する方法である。すなわち、所望する柄付きハウジングの体積と略同一体積の円柱素材を形成する第一工程と、円柱素材に段階的な冷間鍛造加工を施し、柄と略同一形状の中間柄と、カップ状本体と略同一外径の中間円柱状本体と、中間柄と中間円柱状本体との間に成形され中間円柱状本体外周から連続的に漸次小径となり、その最小径が段部最小径とスパナ掛け面外径との間に設定されるテーパ部とからなる中間鍛造品を形成する第二工程と、中間鍛造品の中間柄、テーパ部及び中間円柱状本体を加圧し、柄、段部及びカップ状本体を同時に成形する第三工程とにより、柄付きハウジングを割れが発生することなく精度良く冷間鍛造で成形するようにしている。
【０００５】
【特許文献１】
特開平９−３２３１３７号公報（段落番号［０００８］、第３図〜第５図）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし前述した従来の冷間鍛造方法では、柄付きハウジングを冷間鍛造で成形する方法としては優れているものの、カップ状のような比較的単純な形状のものを鍛造成形するのに適用しようとすると、割れ防止のために成形工程数を増やす必要が生じて生産性の低下を招くという欠点がある。また、試作段階においても割れ防止を達成しうるまで中間素材形状用の金型をいくつか作製する必要があり、コスト増大の要因となる。
【０００７】
本発明はこのような事情に鑑みてなされてものであり、本発明の目的は、金型の表面粗度Ｒａを適正化することにより、成形品コーナ部での割れの発生を防止することができるカップ状成形品の鍛造成形方法を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために、本発明は次のように構成されている。
【０００９】
請求項１の発明は、金型内に保持した中実素材をポンチで圧縮し、カップ状成形品を鍛造成形するに際し、前記金型として、成形品外周部を成形する金型面の表面粗度Ｒａを、前記成形品外周部以外の残りの成形品部を成形する金型面の表面粗度Ｒａ及び前記ポンチの成形品成形面の表面粗度Ｒａのいずれよりも粗くした金型を用いることを特徴とするカップ状成形品の鍛造成形方法である。
【００１０】
請求項２の発明は、請求項１記載のカップ状成形品の鍛造成形方法において、前記成形品外周部を成形する金型面の表面粗度Ｒａの値をＲａ１とし、前記成形品外周部以外の残りの成形品部を成形する金型面の表面粗度Ｒａと前記ポンチの成形品成形面の表面粗度Ｒａとの平均値の値をＲａ２とすると、Ｒａ２＜１．０μｍの場合はＲａ１がＲａ２の２倍以上を満足し、Ｒａ２≧１．０μｍの場合はＲａ１がＲａ２の１．５倍以上を満足することを特徴とするものである。
【００１１】
本発明者らは、金型内に保持した中実素材をポンチで圧縮し、カップ状成形品を鍛造成形する場合、成形品外周部から成形品底部へ連なる部位である成形品コーナ部に割れが発生する原因について検討した。その結果、ポンチ圧入時に成形品外周部での上方への素材の流動が大きくなるため、成形品コーナ部では金型からの面圧による圧縮応力が小さい状態で引張応力が作用し、このことが成形品コーナ部に割れが発生する原因であるとの知見を得た。特に、成形品コーナ部におけるアールが小さいものや、段差付き底部を有するカップ状成形品（図１（ｂ）参照）を鍛造成形する場合は、成形品外周部での上方への素材流動が大きくなる傾向が強く、成形品コーナ部が金型面から浮き上がって圧縮応力がない状態で引張応力を受け、割れが発生する危険性が高い。本発明は、このような知見に基づいて考え出されたものである。
【００１２】
すなわち、本発明よるカップ状成形品の鍛造成形方法では、成形品外周部を成形する金型面の表面粗度Ｒａを、成形品外周部以外の残りの成形品部を成形する金型面の表面粗度Ｒａ及びポンチの成形品成形面の表面粗度Ｒａのいずれよりも粗くしてある。これにより成形品外周部を成形する金型面において素材に作用する摩擦は、残りの成形品部を成形する金型面及びポンチの成形品成形面よりも大きい。その結果、成形品外周部での上方への素材の大きな流動を抑制することができるので、成形品コーナ部が金型面から浮き上がることを防いで、成形品コーナ部に割れ防止に必要な圧縮応力を金型面から付与することができ、成形品コーナ部での割れの発生をなくすことができる。
【００１３】
図４は鍛造成形における金型の表面粗度Ｒａと摩擦係数との関係の一例を示すグラフである。このグラフは本出願人による特許第２８０４９０５号に記載されたものである。もちろん、素材、金型の材質や使用する潤滑剤の種類などによって摩擦係数（摩擦抵抗）の絶対値は変化するものの、金型の表面粗度Ｒａと摩擦係数との関係は、図４に示すような傾向を示す。図４によれば、金型の表面粗度Ｒａが大きいほど、グラフの傾きが大きくなり、表面粗度Ｒａの変化に対する摩擦係数の変化が大きくなっている。
【００１４】
そこで、本発明者らの実験結果から、本発明よるカップ状成形品の鍛造成形方法では、成形品外周部を成形する金型面の表面粗度Ｒａの値をＲａ１とし、成形品外周部以外の残りの成形品部を成形する金型面の表面粗度Ｒａとポンチの成形品成形面の表面粗度Ｒａとの平均値の値をＲａ２とすると、Ｒａ２＜１．０μｍの場合はＲａ１がＲａ２の２倍以上を満足し、Ｒａ２≧１．０μｍの場合はＲａ１がＲａ２の１．５倍以上を満足することがよい。なお、表面粗度Ｒａは、ＪＩＳＢ０６０１に規定される表面粗度Ｒａである。
【００１５】
Ｒａ２＜１．０μｍの場合、Ｒａ１がＲａ２の２倍未満の値では、成形品コーナ部での割れ防止効果が十分発揮されない。また、Ｒａ２≧１．０μｍの場合、Ｒａ１がＲａ２の１．５倍未満の値では、成形品コーナ部での割れ防止効果が十分発揮されない。よって、Ｒａ２＜１．０μｍの場合はＲａ１がＲａ２の２倍以上であり、Ｒａ２≧１．０μｍの場合はＲａ１がＲａ２の１．５倍以上であることがよい。このとき、面粗度を大きくしすぎると鍛造荷重の増大や金型の損傷、素材の焼き付きを生じる危険性があるため、Ｒａ２＜１．０μｍ、Ｒａ２≧１．０μｍのいずれの場合にもＲａ１がＲａ２の５倍を上限値とすることが望ましい。なお、ポンチ外周部面に関しても、その表面粗度Ｒａを大きくした方が割れ抑制の方向に作用するが、その効果は成形品外周部を成形する金型面の表面粗度Ｒａを大きくした場合の効果よりも小さい。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
【００１７】
まず、図１を参照して本発明が適用されるカップ状成形品の例について説明すると、図１の（ａ）は典型的なカップ状成形品１１の正面断面図、（ｂ）は段差付き底部を有するカップ状成形品１２の正面断面図、（ｃ）は円筒付き底部を有するカップ状成形品１３の正面断面図である。各カップ状成形品１１〜１３は、中空断面が平面視で円形をなしている。このうち、例えば、カップ状成形品１１，１２は最終の鍛造成形品（最終製品）である。また、カップ状成形品１３は中間の鍛造成形品であって、さらに加工が施されて最終製品となるものである。符合Ａはカップ状成形品１１〜１３の成形品コーナ部である。
【００１８】
図２は本発明の一実施形態によるカップ状成形品の鍛造成形方法の説明図であり、左半分は成形前、右半分は成形後の状態を示す正面断面図である。
【００１９】
この実施形態は、前記図１（ａ）に示すカップ状成形品１１を冷間鍛造によって成形するものである。図２において、Ｍは円柱状中実素材、２は固定金型、３はノックアウト機能を有する可動金型、４はポンチガイド、５はポンチ（パンチ）をそれぞれ示す。この実施形態では、固定金型２と可動金型３とにより金型１が構成されている。可動金型３は成形品底部を成形する成形品底部成形金型面３ａを有している。また、固定金型２は、成形品外周部を成形する成形品外周部成形金型面２ａと、成形品外周部から成形品底部へ連なる成形品コーナ部を成形する成形品コーナ部成形金型面２ｂとを有している。また、ポンチ５は、円柱状中実素材Ｍを圧縮し成形品底部を成形するための成形品成形面としてのポンチ先端部面５ａと、円柱状中実素材Ｍを圧縮し成形品外周部を成形するための成形品成形面としてのポンチ外周部面５ｂとを有している。
【００２０】
金型１は、成形品外周部成形金型面２ａの表面粗度Ｒａが、成形品底部成形金型面３ａ、成形品コーナ部成形金型面２ｂ、ポンチ先端部面５ａ及びポンチ外周部面５ｂの各表面粗度Ｒａのいずれよりも粗くされている。よって、成形品外周部成形金型面２ａにおいて素材に作用する摩擦は、残りの成形品部を成形する金型面２ｂ，３ａ及びポンチ５の成形品成形面５ａ，５ｂよりも大きい。
【００２１】
このように構成される金型１を用いて冷間鍛造を行うことにより、成形品外周部での上方への素材の大きな流動を抑制することができるので、カップ状成形品１１の成形品コーナ部Ａが金型面２ｂから浮き上がることを防いで、成形品コーナ部Ａに割れ防止に必要な圧縮応力を金型面２ｂから付与することができ、成形品コーナ部Ａに割れのない良好なカップ状成形品１１を得ることができる。
【００２２】
図３は本発明の別の実施形態によるカップ状成形品の鍛造成形方法の説明図であり、左半分は成形前、右半分は成形後の状態を示す正面断面図である。ここで、固定金型２’の形状が相違する点以外は前記図２に示すものと同一構成なので、前記図２と同一部分については図２と同一の符号を付して説明を省略し、異なる点について説明する。
【００２３】
この実施形態は、前記図１（ｂ）に示す段差付き底部を有するカップ状成形品１２を冷間鍛造によって成形するものである。図３に示すように、固定金型２’は、成形品外周部を成形する成形品外周部成形金型面２’ａと、成形品外周部から成形品底部へ連なり段差を含む成形品コーナ部を成形する成形品コーナ部成形金型面２’ｂとを有している。
【００２４】
金型１’は、成形品外周部成形金型面２’ａの表面粗度Ｒａが、成形品底部成形金型面３ａ、成形品コーナ部成形金型面２’ｂ、ポンチ先端部面５ａ及びポンチ外周部面５ｂの各表面粗度Ｒａのいずれよりも粗くされている。よって、成形品外周部成形金型面２’ａにおいて素材に作用する摩擦は、残りの成形品部を成形する金型面２’ｂ，３ａ及びポンチ５の成形品成形面５ａ，５ｂよりも大きい。
【００２５】
このように構成される金型１’を用いて冷間鍛造を行うことにより、成形品外周部での上方への素材の大きな流動を抑制することができるので、カップ状成形品１２の成形品コーナ部Ａが金型面２’ｂから浮き上がることを防いで、成形品コーナ部Ａに割れ防止に必要な圧縮応力を金型面２’ｂから付与することができ、成形品コーナ部Ａに割れのない良好なカップ状成形品１２を得ることができる。
【００２６】
【実施例】
次に、実施例について説明する。図１（ｂ）に示すカップ状成形品１２を図３に示す金型を用いて冷間鍛造する試験を行った。円柱状中実素材Ｍの材質はＳ４５Ｃ（機械構造用炭素鋼）であり、加工に際し、素材Ｍ、金型及びポンチ５等は常温である。金型及びポンチ５の材質はＳＫＤ６１（熱間工具鋼）である。試験結果を表１に示す。
【００２７】
【表１】

【００２８】
表１に示すように、表面粗度Ｒａを全面均一の０．５μｍとした金型を用いた比較例１では、成形品コーナ部Ａに割れが発生した。また、表面粗度Ｒａを全面均一の１．２μｍとした金型を用いた比較例２では、比較例１に比べると微細ではあるものの、成形品コーナ部Ａに微細な割れが観察された。
【００２９】
これに対して、実施例１，２では、成形品コーナ部Ａに割れのない良好なカップ状成形品１２を得ることができた。ここで、実施例１，２では、成形品外周部を成形する金型面２’ａの表面粗度Ｒａを、成形品外周部以外の残りの成形品部を成形する金型面２’ｂ，３ａの表面粗度Ｒａ及びポンチ５の成形品成形面５ａ，５ｂの表面粗度Ｒａのいずれよりも粗くしてある。さらに、実施例１では、金型面２’ａの表面粗度Ｒａの値をＲａ１（＝１．２μｍ）とし、金型面２’ｂ，３ａの表面粗度Ｒａとポンチ５の成形品成形面５ａ，５ｂの表面粗度Ｒａとの平均値の値をＲａ２（＝０．５μｍ）とすると、Ｒａ２＜１．０μｍであるから、Ｒａ１は、Ｒａ１≧（Ｒａ２）×２を満足するように設定されている。また、実施例１２では、Ｒａ２≧１．０μｍであるから、Ｒａ１は、Ｒａ１≧（Ｒａ２）×１．５を満足するように設定されている。
【００３０】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によるカップ状成形品の鍛造成形方法は、金型内に保持した中実素材をポンチで圧縮し、カップ状成形品を鍛造成形するに際し、前記金型として、成形品外周部を成形する金型面の表面粗度Ｒａを、前記成形品外周部以外の残りの成形品部を成形する金型面の表面粗度Ｒａ及び前記ポンチの成形品成形面の表面粗度Ｒａのいずれよりも粗くした金型を用いるように構成されている。これにより成形品外周部での上方への素材の大きな流動を抑制することができるので、カップ状成形品の成形品コーナ部が金型面から浮き上がることを防いで、成形品コーナ部に割れ防止に必要な圧縮応力を金型面から付与することができ、成形品コーナ部に割れのない良好なカップ状成形品を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明が適用されるカップ状成形品の例を示す正面断面図であって、その（ａ）は典型的なカップ状成形品の正面断面図、その（ｂ）は段差付き底部を有するカップ状成形品の正面断面図、その（ｃ）は円筒付き底部を有するカップ状成形品の正面断面図である。
【図２】本発明の一実施形態によるカップ状成形品の鍛造成形方法の説明図であり、左半分は成形前、右半分は成形後の状態を示す正面断面図である。
【図３】本発明の別の実施形態によるカップ状成形品の鍛造成形方法の説明図であり、左半分は成形前、右半分は成形後の状態を示す正面断面図である。
【図４】鍛造成形における金型の表面粗度Ｒａと摩擦係数との関係の一例を示すグラフである。
【符号の説明】
Ｍ…円柱状中実素材１，１’…金型２，２’…固定金型２ａ，２ａ’…成形品外周部成形金型面２ｂ，２ｂ’…成形品コーナ部成形金型面３…可動金型３ａ…成形品底部成形金型面４…ポンチガイド５…ポンチ５ａ…ポンチ先端部面５ｂ…ポンチ外周部面１１〜１３…カップ状成形品Ａ…成形品コーナ部Ｍ…円柱状中実素材

Claims

金型内に保持した中実素材をポンチで圧縮し、カップ状成形品を鍛造成形するに際し、前記金型として、成形品外周部を成形する金型面の表面粗度Ｒａを、前記成形品外周部以外の残りの成形品部を成形する金型面の表面粗度Ｒａ及び前記ポンチの成形品成形面の表面粗度Ｒａのいずれよりも粗くした金型を用いることを特徴とするカップ状成形品の鍛造成形方法。
前記成形品外周部を成形する金型面の表面粗度Ｒａの値をＲａ１とし、前記成形品外周部以外の残りの成形品部を成形する金型面の表面粗度Ｒａと前記ポンチの成形品成形面の表面粗度Ｒａとの平均値の値をＲａ２とすると、Ｒａ２＜１．０μｍの場合はＲａ１がＲａ２の２倍以上を満足し、Ｒａ２≧１．０μｍの場合はＲａ１がＲａ２の１．５倍以上を満足することを特徴とする請求項１記載のカップ状成形品の鍛造成形方法。