JP2008055474A - 鍛造金型およびこれを用いた鍛造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】被加工材が鍛造金型に接触することにより生じる温度低下を防止し、この温度低下に伴う賦形の困難化や目標とする材料特性の未達を解消するとともに、径方向への被加工材の塑性流動によるバリ発生やバネ手段の破損を防止可能な鍛造金型を提供する。
【解決手段】被加工材に複数回の圧下を施し賦形するための鍛造金型において、この鍛造金型１が、被加工材２の外周を拘束する筒状金型１１と、前記被加工材２に圧下圧を負荷させる上型１２と、前記被加工材２に負荷される圧下圧を下方から支持する下型１３とから構成されるとともに、前記筒状金型１１を上方に付勢して前記被加工材２と下型１３とを離反状態に保持する復元手段１４を備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、被加工材に複数回の圧下を施し賦形するための鍛造金型およびこれを用いた鍛造方法に関し、より詳しくは、被加工材が鍛造金型に接触することによって生じる温度低下を防止し、この温度低下に伴う問題点を解消するための鍛造金型およびこれを用いた鍛造方法に関するものである。

自動車、船舶、列車、建設機械等の動力機械には、様々な金属部品が使用されているが、鍛造品は、そのような部品の中でも、特に厳しい負荷条件がかかる場所に使用されている。鍛造品には、信頼性が高く、比較的安価に製造できるという特徴があるため、前記動力機械の他、あらゆる産業機械の素形材部品として用いられる。

一般的に、金属には精製された時点では内部組織（結晶粒）にバラツキが存在するため、これを鍛造により圧下することにより、より緻密で均一な組織となり、内部欠陥が除去され安定した強度が得られるようになる。更に、鍛造では、製品形状に沿ったメタルフロー（鍛流線）が得られるので、他の加工法に比べ、より粘り強く衝撃破壊を起こしにくい性質（靭性）を持った製品を製造することが出来る。

このような鍛造方法には、プレス・エアハンマー方式、ローリング方式、フリー鍛造方式等があるが、本発明は、前記プレス・エアハンマー方式に係る鍛造金型とこれを用いた鍛造方法に関する。以下、このプレス・エアハンマー方式による熱間鍛造方法について、手順に沿って説明する。

（１）先ず、製品重量の８〜１０％多目に被加工材を切断して取り出す。
（２）この被加工材を、加熱炉に投入して鍛造加工に必要な温度（材質により異なる）
に加熱する。
（３）同時に、金型も被加工材温度よりも低温ではあるが、所定温度に加熱するのが一
般的である。
（４）前記金型を鍛造機の所定位置に取り付けるとともに、前記被加工材を前記金型の
の所定位置にセットする。
（５）前記被加工材に上方より複数回の圧下を施し金型により賦形させる。この時、プ
レス機では数千トンの荷重を油圧等により負荷し、エアハンマーではエアにより加
速した荷重で強打することにより圧下圧を負荷する。

被加工材を加熱して鍛造を行なうこのような熱間鍛造方法においては、前記被加工材が金型と接することにより温度低下して、鍛造荷重の増大により目標形状への賦形が困難となったり、所定の温度内で鍛造が行なわれないために目標の材料特性が得られなくなることが問題となる。特に、上記プレス・エアハンマー方式のように、複数回の金型圧下を繰り返す鍛造方式では、下型への接触時間が長くなるためこのような問題が発生し易い。

このような問題点を解消するため提案されている従来例について、以下図４を参照しながら説明する。図４は、従来例に係る舶用エンジンバルブの製造過程における、傘部の型入れ鍛造工程を示す縦断面図であって、金敷が上昇して中間材と鍛造型との接触がなくなった段階を示す図である。この従来例に係る舶用エンジンバルブの製造方法は、材料の一部を鍛伸して軸部を形成した中間材とし、次いで材料の残りの部分を型入れ鍛造して傘部を形成したバルブ素材を得、これに必要な機械加工を施してバルブとすることからなる舶用エンジンバルブの製造過程におけるものである。

そして、この舶用エンジンバルブの製造方法は、前記傘部の型入れ鍛造に当たり、鍛造型を貫いて下方に伸びる軸部４１の下端４３に、バネ手段４４を設けて中間材４０を常に上方に付勢し、中間材４０と鍛造型４２との接触を、金敷４３が下降して傘部となる材料を鍛造型４２に押し込んだ瞬間に限定するようにし、鍛造中の失熱を減らすことにより、中間材４０の温度を鍛造に適切な範囲に維持しつつ鍛造を完了するものである（特許文献１参照）。
特開２００４−１８８４５４号公報

しかしながら、前記従来例における鍛造方法においては、円柱状や円盤状の被加工材のように、高さ寸法に対して直径の大きな被加工材を前記バネ手段により支持しようとすると、被加工材を厳密にセンタリングすることが必要となり、前記被加工材を安定的に保持することが難しい。また、前記被加工材を安定的に保持するために前記バネ手段上部の台座を大きくすると、その部分での接触面積が大きくなり、結果的に失熱が大きくなってしまう。

特に、エアハンマー鍛造で円盤状の製品を形成すると、加工の進行に従って徐々に被加工材の径が大きくなって来るため、この鍛造方式で被加工材を安定的に保持するのが難しくなる。前記バネ手段を径方向に複数個配置することも可能であるが、バネ手段による被加工材保持部において、径方向への被加工材の塑性流動により金型間にバリが発生して、成形の阻害や金型の焼付きの原因となったり、径方向への被加工材の塑性流動による繰り返し衝撃によってバネ手段自体が破損したりすることも問題となる。

従って、本発明の目的は、被加工材が鍛造金型に接触することにより生じる温度低下を防止し、この温度低下に伴う賦形の困難化や目標とする材料特性の未達を解消するとともに、径方向への被加工材の塑性流動によるバリ発生やバネ手段の破損を防止可能な鍛造金型およびこれを用いた鍛造方法を提供することにある。

即ち、上記目的を達成するために、本発明の請求項１に係る鍛造金型が採用した手段は、被加工材に複数回の圧下を施し賦形するための鍛造金型において、この鍛造金型が、被加工材の外周を拘束する筒状金型と、前記被加工材に圧下圧を負荷させる上型と、前記被加工材に負荷される圧下圧を下方から支持する下型とから構成されるとともに、前記筒状金型を上方に付勢して前記被加工材と下型とを離反状態に保持する復元手段を備えたことを特徴とするものである。

本発明の請求項２に係る鍛造方法が採用した手段は、請求項１に記載の鍛造金型を用いた鍛造方法において、前記復元手段によって、常時は前記被加工材と下型とを離反状態に保持し、前記上型が圧下された時のみ前記被加工材と下型とを接触させることを特徴とするものである。

本発明の請求項３に係る鍛造方法が採用した手段は、請求項２に記載の鍛造方法において、鍛造開始時には、前記被加工材は前記筒状金型とは接触しておらず、前記被加工材が１回または複数回の圧下により拡径されて後前記筒状金型に拘束された状態に至り、以降、上型を除荷した際には、前記復元手段によって前記被加工材が下型と離反状態に保持されることを特徴とするものである。

本発明の請求項４に係る鍛造方法が採用した手段は、請求項２または３に記載の鍛造方法において、前記被加工材の下面は下型とのみ接し、前記筒状金型とは接しないことを特徴とするものである。

本発明の請求項１に係る鍛造金型によれば、鍛造金型が、被加工材の外周を拘束する筒状金型と、前記被加工材に圧下圧を負荷させる上型と、前記被加工材に負荷される圧下圧を下方から支持する下型とから構成されるとともに、前記筒状金型を上方に付勢して前記被加工材と下型とを離反状態に保持する復元手段を備えたので、高さ寸法に対して直径の大きな被加工材においても、比較的小さな接触面積で失熱を防止し安定して被加工材を鍛造することが可能となる。また、径方向への被加工材の塑性流動による力は、被加工材外周を拘束する筒状金型自体が受けるため、前記復元手段自体への負荷が小さくなる。

本発明の請求項２に係る鍛造方法によれば、請求項１に記載の鍛造金型を用いた鍛造方法において、前記復元手段によって、常時は前記被加工材と下型とを離反状態に保持し、前記上型が圧下された時のみ前記被加工材と下型とを接触させるので、前記被加工材と下型との接触時間を極小化し、鍛造金型の失熱を最小限に留めることが出来る。

また、本発明の請求項３に係る鍛造方法によれば、鍛造開始時には、前記被加工材は前記筒状金型とは接触しておらず、前記被加工材が１回または複数回の圧下により拡径されて後前記筒状金型に拘束された状態に至り、以降、上型を除荷した際には、前記復元手段によって前記被加工材が下型と離反状態に保持されるので、上記と同様、前記被加工材と下型との接触時間を極小化し、鍛造金型の失熱を防止し安定して被加工材を鍛造することが出来る。

特に、被加工材の寸法が大きい場合は、鍛造時の一回当たりの圧下に伴う変形量が小さくなるため、圧下回数、加工時間ともに増加し、失熱による温度低下も大きくなるので、前記被加工材が下型と離反状態に保持される効果が十分発揮される。

本発明の請求項４に係る鍛造方法によれば、前記被加工材の下面は下型とのみ接し、前記筒状金型とは接しないので、径方向への被加工材の塑性流動により金型間にバリが発生して、成形の阻害や金型の焼付きの原因となったり、径方向への被加工材の塑性流動による繰り返し衝撃によって復元手段自体が破損したりすることはない。

以下、本発明の実施の形態１に係る鍛造金型およびこれを用いた鍛造方法を、添付図１を参照しながら説明する。図１は、本発明の実施の形態１に係る鍛造金型およびこれを用いた鍛造方法を工程順に説明するための模式的断面図であり、図１（ａ）は鍛造開始前の状態を示す模式的断面図、図１（ｂ）は上型を圧下した状態を示す模式的断面図、図１（ｃ）は上型を引き上げた状態を示す模式的断面図である。

先ず、本発明の実施の形態１に係る鍛造金型の構成について説明する。図１において、本発明の実施の形態１に係る鍛造金型１は、筒状金型１１、上型１２および下型１３から構成される。前記上型１２は、被加工材２にハンマー等により圧下圧を負荷させ、前記下型１３は前記被加工材２に負荷される前記圧下圧を下方から支持している。そして、前記上型１２と下型１３との間には、前記被加工材２の外周を拘束するための筒状金型１１が配置されている。

前記筒状金型１１は、底部に前記被加工材２を保持するための受台１１ａを有しており、この受台１１ａには、下型１３に設けられた凸状ガイド１３ａに沿って、上下方向にスライドさせるためのガイド穴１１ｂが設けられている。そして、前記下型１３には、前記筒状金型１１を上方に付勢して、前記被加工材２と下型１３とを離反状態に保持する復元手段１４が備えられている。

ここで、前記筒状金型１１は、垂直方向の空洞部を有する円柱形状、四角柱形状あるいは多角柱形状等の筒状金型を適用することが出来、特にその水平断面の形状を限定するものではない。従って、被加工材の目標とする加工形状も円柱形状に限定されることなく、前記筒状金型１１の空洞部の形状に従った製品を得ることが出来る。しかしながら、理解を容易にするため、前記筒状金型１１は、円柱形状の空洞部を有するものとして以下説明する。

更に、前記筒状金型１１は、被加工材２と接触する内周面では金型下部に対して上部の径が大きくなる勾配を有することが好ましい。このように、前記筒状金型１１の内周面上方に向かって径が大きくなるように勾配を設けることによって、被加工材２の上方への保持力が大きくなり、また、鍛造終了後の離型も容易になるからである。

前記復元手段１４には、バネや気体圧、液圧、油圧等を用いたクッション部材を用いることが出来る。この復元手段は、図１（ａ）に示すように、下型１３に円周状に複数個等配して設けられた復元手段収納部１３ｂに夫々圧縮バネ１４を収納して、前記筒状金型１１を上方に付勢するよう構成されている。また、前記復元手段は、図示はしないが、下型１３に円環状に設けられた復元手段収納部に、この復元手段収納部とＰＣＤが同一の一個の圧縮バネを収納して、前記筒状金型１１を上方に付勢するよう構成することも出来る。

次に、本発明の実施の形態１に係るこのような鍛造金型１を用いた鍛造方法について以下説明する。先ず、被加工材２および鍛造金型１を所定温度に加熱した後、鍛造金型１の上型１２を鍛造機のハンマー側に、下型１３を鍛造機の固定台座側に取り付ける。そして、筒状金型１１を復元手段１４とともに、図１（ａ）の如く下型１３にセットする。最後に、被加工材２を前記筒状金型１１の受台１１ａ上に載せて鍛造の準備を完了する。

そして、鍛造を開始すると、図１（ｂ）に示す如く、ハンマー側に取り付けられた上型１２によって被加工材２が下方に所定の圧下圧で圧下されると、筒状金型１１を介して復元手段１４が圧縮されて、前記被加工材２の下面と下型１３の上面とが直接接触するに至る。その結果、前記被加工材２に上下方向の圧下圧が作用し高さ寸法が少し減少し、高さ寸法が減少した容積分が径方向に少しだけ拡大される。

前記上型１２が上方に引き上げられると、図１（ｃ）に示す如く、前記復元手段１４の復元力によって、再度筒状金型１１を介して被加工材２が持ち上げられ、前記被加工材２の下面と下型１３の上面とが離反するに至る。そして更に、前記上型１２による被加工材２への圧下操作（図１（ｂ））と前記上型１２の被加工材２からの離反操作（図１（ｃ））とを、上型１２の下面が筒状金型１１の上面に達するまで複数回繰り返す。このような鍛造方法によって、所望とする鍛造製品が得られるのである。

以上、本発明の実施の形態１に係る鍛造金型によれば、前記鍛造金型１が、被加工材２の外周を拘束する筒状金型１１と、前記被加工材２に圧下圧を負荷させる上型１２と、前記被加工材２に負荷される圧下圧を下方から支持する下型１３とから構成されるとともに、前記被加工材２と下型１３とを離反状態に保持する復元手段１４を備えたので、比較的小さな接触面積で失熱を防止し安定して被加工材を鍛造することが可能となる。また、径方向への被加工材２の塑性流動による力は、被加工材２外周を拘束する筒状金型１１自体が受けるため、前記復元手段４自体への負荷が小さくなり破損したりすることがない。

本発明の実施の形態１に係る鍛造方法によれば、前記復元手段４によって、常時は前記被加工材２と下型１３とを離反状態に保持し、前記上型１２が圧下された時のみ前記被加工材２と下型１３とを接触させるので、前記被加工材２と下型１３との接触時間を極小化し、鍛造金型１の失熱を最小限に留めることが出来る。

また、本発明の実施の形態１に係る鍛造方法によれば、前記被加工材２の下面は下型１３とのみ接し、前記筒状金型１１とは接しないので、径方向への被加工材２の塑性流動により金型間にバリが発生して、成形の阻害や金型の焼付きの原因となったり、径方向への被加工材２の塑性流動による繰り返し衝撃によって復元手段１４自体が破損したりすることがなくなる。

次に、本発明の実施の形態２に係る鍛造金型およびこれを用いた鍛造方法を、添付図２を参照しながら説明する。図２は、本発明の実施の形態２に係る鍛造金型およびこれを用いた鍛造方法を工程順に説明するための模式的断面図であり、図２（ａ）は鍛造開始前の状態を示す模式的断面図、図２（ｂ）は上型を圧下した状態を示す模式的断面図、図２（ｃ）は上型を引き上げた状態を示す模式的断面図である。

但し、本発明の実施の形態２が上記実施の形態１と相違するところは、鍛造金型を構成する筒状金型の形状に相違があり、これに伴って、下型とのスライド構成および被加工材の下型との離反作用にも相違が生ずるが、これらの相違以外は上記実施の形態１と全く同構成であるから、上記実施の形態１と同一のものに同一符号を付して、以下その相違する点について説明する。

即ち、上記実施の形態１の筒状金型１１は、底部に前記被加工材２を保持するための受台１１ａを有しており、この受台１１ａには、下型１３に設けられた凸状ガイド１３ａに沿って、上下方向にスライドさせるためのガイド穴１１ｂが設けられているのに対し、本実施の形態２の筒状金型２１には、前記被加工材２を保持するための受台を特に設けていない。即ち、前記筒状金型２１は、下型２３に設けられた凸状ガイド２３ａに沿って、その内壁を上下方向にスライドさせるため、前記下型２３の凸状ガイド２３ａの外周に前記筒状金型２１の内周をスライドさせるよう構成されている。

本発明の実施の形態２に係るこのような鍛造金型１を用いた鍛造方法について以下説明する。実施の形態１と同様、先ず、被加工材２および鍛造金型１を所定温度に加熱した後、鍛造金型１の上型１２を鍛造機のハンマー側に、下型２３を鍛造機の固定台座側に取り付ける。そして、筒状金型２１を復元手段１４とともに、図２（ａ）の如く下型２３にセットする。最後に、被加工材２を前記下型２３上に載せて鍛造の準備を完了する。

鍛造を開始すると、ハンマー側に取り付けられた上型１２によって被加工材２が所定の圧下圧で圧下されて高さ寸法が少し減少し、高さ寸法が減少した容積分が径方向に少しだけ拡大される。そして、１回または複数回の圧下により、図２（ｂ）に示す如く、前記筒状金型２１の内壁に接触し拘束状態に至る。更に、上型１２による圧下が進行すると、被加工材２の厚さの減少に応じて前記被加工材２と筒状金型２１との間で滑りが発生し、前記筒状金型２１が下降して行き、図２（ｃ）に示す如く、圧化された前記被加工材２と上面位置が揃うに至る。

図２（ｃ）の状態においては、前記上型１２が上方に引き上げられると、前記復元手段１４の復元力によって、再度筒状金型１１が持ち上げられ、それとともにこの筒状金型１１に拘束された被加工材２が持ち上げられ、前記被加工材２の下面と下型２３の上面とが離反する。そして更に、前記上型１２による被加工材２への圧下操作（図２（ｂ））と前記上型１２の被加工材２からの離反操作（図２（ｃ））とを、筒状金型２１の下面が下型２３の側部上面に達するまで複数回繰り返す。このような鍛造方法によって、所望とする鍛造製品が得られるのである。

以上、本発明の実施の形態２に係る鍛造金型によれば、鍛造開始時には、前記被加工材２は前記筒状金型２１とは接触しておらず、前記被加工材２が１回または複数回の圧下により拡径されて後前記筒状金型２１に拘束された状態に至り、以降、上型１２を除荷した際には、前記復元手段１４によって前記被加工材２が下型２３と離反状態に保持されるので、上型１２と下型２３への失熱を防止し安定して被加工材を保持することが可能となるのである。

＜実施例＞
下記に示す実験条件で、Ｔｉ−６４合金からなる被加工材をハンマー鍛造し、鍛造完了直後の被加工材下面の温度を測定することで、本発明の効果を確認した。
実験条件
被加工材初期形状：直径３００ｍｍ，高さ４００ｍｍの円柱
被加工材加熱温度：８７０℃
金型初期温度 ：１５０℃

実験には、ハンマー鍛造機を用い約２００［ｋＪ］の打撃エネルギーにおいて、同一の圧下回数５０回で圧下した後、鍛造完了直後の被加工材下面中心温度を接触式温度計により３点測定し、その平均値の１０℃未満を四捨五入した。実施例−１は、金型構成としては図１に示した構成のものを用い、鍛造方法としては本発明に係る実施の形態１で説明した方法で鍛造した。また、実施例−２は、金型構成としては図２に示した構成のものを用い、鍛造方法としては本発明に係る実施の形態２で説明した方法で鍛造した。

図３は、下型を一体の固定型とした比較例−１に係る鍛造金型を示す模式的断面図である。比較例−１は、金型構成としては前図３に示す従来例に係る構成のものを用い、鍛造方法として、下型３３に被加工材２を載せたまま被加工材２への圧下圧を負荷させて鍛造したものである。

実験結果を表１に示す。鍛造終了後の加工材下面温度は、比較例−１の６３０℃に対し、実施例−１では７４０℃、実施例−２では７１０℃と８０℃以上高い温度となる結果が得られ、本発明に係る鍛造金型およびこれを用いた鍛造方法の効果が確認できた。尚、実施例−１の加工材下面温度が、実施例−２の加工材下面温度より３０℃高い温度となった理由は、加熱された被加工材を当初金型上に置いた時の、両者の接触面積の違いによるものと考えられる。

以上、本発明に係る鍛造金型によれば、この鍛造金型が、被加工材の外周を拘束する筒状金型と、前記被加工材に圧下圧を負荷させる上型と、前記被加工材に負荷される圧下圧を下方から支持する下型とから構成されるとともに、前記筒状金型を上方に付勢して前記被加工材と下型とを離反状態に保持する復元手段を備えたので、比較的小さな接触面積で失熱を防止し安定して被加工材を保持することが可能となる。また、径方向への被加工材の塑性流動による力は、被加工材外周を拘束する筒状金型自体が受けるため、前記復元手段自体への負荷が小さくなる。

また、本発明に係る鍛造方法によれば、前記復元手段によって、常時は前記被加工材と下型とを離反状態に保持し、前記上型が圧下された時のみ前記被加工材と下型とを接触させるので、前記被加工材と下型との接触時間を極小化し、鍛造金型の失熱を最小限に留めることが出来る。

本発明の実施の形態１に係る鍛造金型およびこれを用いた鍛造方法を工程順に説明するための模式的断面図であり、図１（ａ）は鍛造開始前の状態を示す模式的断面図、図１（ｂ）は上型を圧下した状態を示す模式的断面図、図１（ｃ）は上型を引き上げた状態を示す模式的断面図である。 本発明の実施の形態２に係る鍛造金型およびこれを用いた鍛造方法を工程順に説明するための模式的断面図であり、図２（ａ）は鍛造開始前の状態を示す模式的断面図、図２（ｂ）は上型を圧下した状態を示す模式的断面図、図２（ｃ）は上型を引き上げた状態を示す模式的断面図である。 下型を一体の固定型とした比較例−１に係る鍛造金型を示す模式的断面図である。 従来例に係る舶用エンジンバルブの製造過程における、傘部の型入れ鍛造工程を示す縦断面図であって、金敷が上昇して中間材と鍛造型との接触がなくなった段階を示す図である。

符号の説明

１，３１：鍛造金型
２：被加工材
１１，２１：筒状金型， １１ａ：受台， １１ｂ：ガイド穴
１２，３２：上型
１３，２３，３３：下型， １３ａ，２３ａ：凸状ガイド， １３ｂ：復元手段収納部
１４：復元手段（圧縮バネ）

Claims (4)

1. 被加工材に複数回の圧下を施し賦形するための鍛造金型において、この鍛造金型が、被加工材の外周を拘束する筒状金型と、前記被加工材に圧下圧を負荷させる上型と、前記被加工材に負荷される圧下圧を下方から支持する下型とから構成されるとともに、前記筒状金型を上方に付勢して前記被加工材と下型とを離反状態に保持する復元手段を備えたことを特徴とする鍛造金型。
2. 前記復元手段によって、常時は前記被加工材と下型とを離反状態に保持し、前記上型が圧下された時のみ前記被加工材と下型とを接触させることを特徴とする前記請求項１に記載の鍛造金型を用いた鍛造方法。
3. 鍛造開始時には、前記被加工材は前記筒状金型とは接触しておらず、前記被加工材が１回または複数回の圧下により拡径されて後前記筒状金型に拘束された状態に至り、以降、上型を除荷した際には、前記復元手段によって前記被加工材が下型と離反状態に保持されることを特徴とする請求項２に記載の鍛造方法。
4. 前記被加工材の下面は下型とのみ接し、前記筒状金型とは接しないことを特徴とする請求項２または３に記載の鍛造方法。

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