JP2009045634A - 鍛造装置及び鍛造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】中空の管材を鍛造してその外周にフランジを形成する場合、フランジに対応する中空の内面に折れ込みを生じさせないように、フランジを形成する端部の中空孔の上端角部を面取り加工すると、鍛造前に事前加工が必要となり、製造コストを押し上げるものとなった。
【解決手段】中空の管材を据え込み鍛造して管材の外周にフランジを形成する鍛造装置であって、管材を支持する第一金型と、管材内に挿入される中子と、第一金型に支持され中子の挿入された中空の管材を圧縮する第二金型とを備えてなり、第一金型と第二金型との少なくとも一方が、フランジの基部を形成する端面内周部に面取り部を備えるものである。
【選択図】図２

Description

本発明は、中空の管材を据え込み鍛造してフランジを有する製品を製造する鍛造装置及び鍛造法に関するものである。

従来、例えば旋盤の主軸は、内部が中空で、その端部近傍にフランジを有するものが一般的である。通常、これらの主軸は、中実の丸棒を、据え込み鍛造することで所望の位置にフランジを形成し、その後ドリル等により中心に貫通孔を形成して製作するものである。

これに対して、中空部品に対する据え込み鍛造についても、例えば非特許文献１及び非特許文献２において示されるものが知られている。非特許文献１において、パイプの据え込みに当たっての問題が提起され、基本的な守るべき条件として、１ストロークでフランジを形成する場合、座屈を防ぐためには、加工材の不支持部の長さは管材厚さの２．５倍以下であることが記載されている。

非特許文献２では、中空の試料の端部にフランジを鍛造により形成する方法を開示している。この非特許文献２では、内径と外径との比（ｄｉ／ｄｏ）を０．５とし、試料の自由側面高さと外径との比（Ｈｏ／ｄｏ）が０．５５である試料の場合、折れ込みを発生しないことを発見し、このような結果から、自由側面高さと厚みとの比（Ｈｏ／ｔ）が２．２以下の場合、折れ込みのない据え込み鍛造が可能であり、この比が２．２を超えると折れ込みが発生すると推測して、鍛造方法の改良を試みている。

そして、その中で、鍛造に際しては、フランジに対応する中空の内面に折れ込みを生じさせないように、フランジを形成する端部の中空孔の上端角部を面取り加工した試料を準備するものである。この場合に、面取り加工部分の幅と厚みとの比（ｃ／ｔ）が０．５で、内径と外径との比が０．５の場合には、試料の自由側面高さと外径との比が１．１５以下であれば折り込みの発生を見ないものである。
榛沢千尋、外１３名「鍛造技術講座型設計」、財団法人鍛造技術研究所、昭和５７年３月３０日、ｐ．３３７ 泉澤正郎、吉田始、「軸対称形状のボスとフランジをもつ中空部品のすえ込み」、「塑性と加工」（日本塑性加工学会誌）、社団法人日本塑性加工学会、１９８８年５月、第２９巻、第３２８号、ｐ．５０４−５０９

ところで、上述のものでは、試料つまり鍛造する材料に事前の加工が必要である。このことは、鍛造の製造工程を増加するもので、それにより製造コストが増加するものとなる。また、フランジは、試料の端部に形成されるものであって、試料の長手方向（軸方向）の中間位置に形成されるものではない。つまり、フランジの形成位置次第では、上述した面取り加工が、折れ込みの防止に有効か否かは不明である。

なお、上述したように、中実の丸棒を据え込み鍛造して、端部から離れた位置にフランジを形成し、その後、ドリルにより丸棒に貫通孔を形成するものも知られているが、孔あけ加工により工程が増加するものである。このような現状において、中空の材料を鍛造することにより、端部ではない位置にフランジを形成して、例えばスピンドルなどを製造することが望まれている。

そこで本発明は、このような不具合を解消することを目的としている。

すなわち、本願の請求項１に係る発明の鍛造装置は、中空の管材を据え込み鍛造して管材の外周にフランジを形成する鍛造装置であって、管材を支持する第一金型と、管材内に挿入される中子と、第一金型に支持され中子の挿入された中空の管材を圧縮する第二金型とを備えてなり、第一金型と第二金型との少なくとも一方が、フランジの基部を形成する端面内周部に面取り部を備えることを特徴とする。

このような構成によれば、第一金型と第二金型とで管材を圧縮すると、管材には中子が挿入されているので、管材は第一金型と第二金型との間に設けられる中空部を外側に向かって膨らみ、フランジが形成される。この時、第一金型と第二金型との少なくとも一方がフランジの基部を形成する端面内周部に面取り部を備えているので、外側に膨らむ管材の部分に作用する外側への曲げモーメントが抑制され、管材の内面が外側に移動することがない。したがって、管材の内面の一部がフランジ部分の内側に入り込むように金属組織が移動する座屈が防止され、中心孔の内面の酸化皮膜や汚れなどの金属組織内への侵入を抑制し得るものである。

具体的には、第二金型が面取り部を備え、管材の端部以外にフランジを形成するもの、第一金型が面取り部を備え、管材の端部にフランジを形成するものが挙げられる。

面取り部としては、面取り角度が４５°の角面取りにより形成されるもの、及び断面形状が凸曲線のＲ面取りにより形成されるものが挙げられる。なお、上述したような面取り部は、第一金型と第二金型との両方が備えるものであってもよい。

本願の請求項６に係る発明の鍛造方法は、中空の管材を据え込み鍛造して管材の外周にフランジを形成する鍛造方法であって、第一金型と第二金型との少なくとも一方の、フランジの基部を形成する端面内周部に面取り部を設けておき、中子を挿入した管材を第一金型に支持させ、第一金型と第二金型とを相対移動させ中空の管材の厚みに基づいて設定される所定長さの部分を圧縮し、圧縮した部分から第一金型と第二金型との端面によりフランジを形成することを特徴とする。

なお、この場合、使用する中空の管材の寸法と形成されるフランジの寸法により必要とされる所定長さ（不支持部の長さ）は、管材の厚みの２．５倍を超える値に設定されることがある。またこの場合に、第一金型と第二金型との少なくとも一方に、フランジの基部を形成する端面内周部に面取り部を備えるものを使用することが望ましい。

本発明は、以上説明したような構成であり、加工材の不支持部の長さが管材厚さの２．５倍を超える据え込み鍛造においても、鍛造する材料毎に面取り加工することなく、管材の内面の一部がフランジ部分の内側に入り込むように金属組織が移動する座屈が防止され、中心孔の内面の酸化皮膜や汚れなどの金属組織内への侵入を抑制し得るものである。これにより、金属組織が不連続になることにより強度が低下することを確実に防止することができる。さらに本発明よれば、管材の端部にフランジを形成する場合はもとより、端部から離れた位置にフランジを形成する場合でも座屈を防止することができる。

以下、本発明の一実施形態を、図１〜４を参照して説明する。

この実施形態の鍛造装置は、中空の円筒形状の管材１を素材として、一方の端部から離れたつまり端部以外の外周位置にフランジ２を有する中空の軸部材３を鍛造するためのものである。鍛造装置は、金型として、管材１を支持する第一金型を構成する円筒形状の下型４と、下型４に支持された管材１を圧縮する第二金型を構成する上型５と、上型５を案内するとともに形成されるフランジ２の外径を規制する円筒形状の叩き込み型６と、管材１に挿入される丸棒材からなる中子７とを備えている。この実施形態においては、管材１の据え込み鍛造を行う部分の長さつまり所定長さＬを、管材１の厚みｔに基づいてその２．５倍を超える値に設定している。なお、下型４及び上型５を保持する機構、並びに上型５を叩打するハンマ機構、ハンマ機構のハンマの作動回数やハンマの落下距離などを制御する制御装置については、この分野で知られているものを広く使用することができるので、説明及び図示を省略する。

上型５は、上端が閉鎖されて段部８を有する円筒状のもので、管材１の外径よりわずかに大なる内径を有し、下端の内側角部すなわちフランジ２の基部を形成する端面内周部に角度４５°の面取り部９を有するものである。段部８は、上型５のストロークを規定するものである。

このような構成において、鍛造に先立って、下型４を叩き込み型６に挿入し、上型５に中子７を着脱可能に固定しておくとともに、鍛造を施す管材１の一方の端部部分を所定温度まで加熱しておく。この加熱しておく一方の端部部分の長さは、据え込み鍛造する部分の所定長さＬとフランジ２の上面から軸部材３の上端面までの距離を合計した長さを超えるように設定する。

次に、図２に示すように、加熱した一方の端部部分を上にして管材１を下型４に挿入して所定の位置に管材１を配置した後、中子７を管材１の中心孔１０に挿入する。この据え込み鍛造開始前の状態で、上型５と下型４との間の叩き込み型６により囲まれる空間たる中空部１１が形成されている。

以上のようにして据え込み鍛造の準備が完了すると、上型５が管材１を叩打し得る状態になっている。そして、据え込み鍛造の第一工程として、上型５をハンマ機構により叩打して管材１を鍛造する。これにより、中空部１１が、管材１が膨らむ（拡径する）ことにより金属で満たされる。この時、中空部１１を満たす管材１の膨出部分１２は、上型５の面取り部９に案内されて中空部１１に導かれる。上型５は、段部８を備えているので、上型５が叩き込み型６に当たることにより、第一工程が完了する。

このようにして、フランジ２を形成するに十分な状態まで膨出部分１２を膨らませた後、上型５を叩き込み型６から取り外し、代わって第二工程における仕上げ上型１３を叩き込み型６に取り付ける（図３）。この仕上げ上型１３を用いる第二工程は、据え込み鍛造の最終工程であるので、実際のフランジ２の厚みになるように仕上げ上型１３を叩打する。この第二工程において、仕上げ上型１３が管材１を押すので、膨出部分１２は第一工程の場合よりさらに膨らみ、膨出部分１２を仕上げ上型１３が押圧して、膨出部分１２の外面が叩き込み型６の内面に達してフランジ２を形成するものである。

図２に示すように、この実施形態においては、管材１の鍛造する部分の長さである管材１の不支持部の長さすなわち所定長さＬを、管材１の厚みｔの２．５倍を超える、言い換えれば、厚みに対する長さの比率Ｌ／ｔを２．５倍を超える値に設定するものである。このように、使用する管材１の寸法と形成されるフランジ２の寸法により必要とされる管材１の鍛造する部分の長さＬを、その厚みｔに基づいて限定することにより、膨出部分１２に対応する内面における巻き込みつまり座屈を抑制するものである。

すなわち、以上の第一工程から第二工程を含む鍛造において、第一工程により膨出部分１２を膨らませる場合に、膨出部分１２に対応する内面側において、巻き込みが発生することが防止される。すなわち、膨出部分１２は上型５の面取り部９により案内されて膨出するため、膨出部分１２に作用する外側への曲げモーメントが抑制される。これにより、管材１の内面が膨出部分１２側に移動することがなく、管材１の内面の一部が膨出部分１２の膨出に伴って管材１の厚みｔ内に入り込むように金属組織が移動することが防止される。したがって、中心孔１０の内面の酸化皮膜や汚れなどが金属組織内に侵入して、金属組織が不連続になることにより強度が低下することを確実に防止することができる。

このように、上型５の下端部分に面取り部９を設け、面取り部９を備えていない仕上げ上型１３と取り替えて最終工程を完了するため、上述の効果を奏して、かつフランジ２と胴部１４との境界部分つまりフランジ２の基部１５に面取り部９によるテーパ面が形成されることを防止することができる。したがって、内部が中空の管材１から据え込み鍛造により直接、管材１の上端部から離れた部分にフランジ２を形成することができる。

このように、管材１に据え込み鍛造でフランジ２を形成することにより、ドリルによる中心孔の切削を省略することができ、鍛造後の機械加工を最小限のものに限定することができる。したがって、生産性を向上させることができ、歩留まりを改善し、座屈が防止されることから製品の強度を高く維持することができる。

加えて、所定長さＬと厚さｔとの比Ｌ／ｔが２．５を超える場合でも、座屈のない据え込み鍛造が可能で、１ストロークの据え込み鍛造で段差の大きなフランジを形成することができる。したがって、生産性に寄与するものである。しかも、この実施形態においては、仕上げ上型１３を用いることにより、上型５のみで鍛造した場合にフランジ２の基部１５にテーパ面が形成されることを、据え込み鍛造の時点でなくすことができ、鍛造後の後加工をなくすことができる。ただし、仕上げ上型１３を用いる第二工程は必須ではなく、第一工程で形成されたフランジ基部のテーパ面を、機械加工により除去してもよい。さらには、図２に示す、端面内周部に面取り部を有し、管材１を叩打する面と端面までの距離ｌが異なる上型５を取り替えるだけで、軸端からフランジ２の端面までの寸法が異なる種々の中空の軸を、座屈なく鍛造することができる。

以上の実施形態とは異なり、図４に示すように、管材１の端部にフランジ１０２を形成してなる軸部材１０３の据え込み鍛造について、以下に説明する。

この実施形態の鍛造装置は、図５に示すように、金型として、管材１を支持する第一金型を構成する円筒形状の下型１０４と、下型１０４に支持された管材１を圧縮する第二金型を構成する上型１０５と、上型１０５を案内するとともに形成されるフランジ１０２の外径を規制する円筒形状の叩き込み型６と、管材１に挿入される丸棒材からなる中子７とを備えている。上述の実施形態と同じ構成については同じ符号を付して説明するとともに、ハンマ機構などの説明及び図は、上記同様、省略する。

この実施形態にあっては、図５に示すように、下型１０４の内側角部すなわちフランジ１０２の基部を形成する端面内周部に角度４５°の面取り部１０９を設けるものである。管材１の端部にフランジ１０２を形成するので、上型１０５には面取り部は設けることができないものである。したがって、上型１０５の下面は平面であり、上述の実施形態同様に、上型１０５には中子７が着脱可能に取り付けられる。

このような構成において、管材１０４を鍛造に必要な長さだけその端部部分を加熱し、その後、その加熱部分を上にして下型１０４に管材１を支持させる。次に、管材１に中子７を挿入し、上型１０５の下面が管材１の上端に接触するまで下げる。この状態において、ハンマ機構を作動させて据え込み鍛造を実行する。

管材１は、上型１０５に押されることにより、端部から叩き込み型６に向かって膨らむ。この場合、下型１０４の面取り部１０９は、管材１の膨出部１１２を下型１０４と上型１０５との間の空間部１１１内に案内する。そして、上型１０５に設けられた段部１０８により規定されたストロークだけ移動することにより、鍛造を終了する。

このように、下型１０４のフランジ１０２の基部を形成する端部内周面に面取り部１０９を設けておくことにより、上述の実施形態と同等の効果を期待することができるものである。

なお、上述の実施形態においては、面取り部９，１０９として４５度の直線状に面取りする角面取を説明したが、面取角度は４５度に限定されるものではない。また、図６に示すように、丸形状に面取りするＲ面取２０９であってもよい。このようなＲ面取によるＲ面取２０９にあっては、上述の角面取による面取り部９，１０９と同等の効果を奏するものである。

さらには、上型と下型とがそれぞれ、面取り部を備えるものであってもよい。

加えて、上述の実施形態においては、管材１の中心軸を垂直方向に合わせて鍛造を行うものを説明したが、水平方向に合わせて鍛造を行うものであってもよい。

その他、各部の具体的構成についても上記実施形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。

本発明の実施形態において製造される製品の斜視図。 同実施形態の第一工程を示す工程説明図。 同実施形態の第二工程を示す工程説明図。 本発明の他の実施形態において製造される製品の斜視図。 同他の実施形態の工程を示す工程説明図。 本発明の面取り部の変形例を示す断面図。

符号の説明

１…管材
２…フランジ
４…下型
５…上型
７…中子
９…面取り部

Claims (6)

1. 中空の管材を据え込み鍛造して管材の外周にフランジを形成する鍛造装置であって、
   管材を支持する第一金型と、
   管材内に挿入される中子と、
   第一金型に支持され中子の挿入された中空の管材を圧縮する第二金型とを備えてなり、
   第一金型と第二金型との少なくとも一方が、フランジの基部を形成する端面内周部に面取り部を備える鍛造装置。
2. 第二金型が面取り部を備え、管材の端部以外にフランジを形成する請求項１記載の鍛造装置。
3. 第一金型が面取り部を備え、管材の端部にフランジを形成する請求項１記載の鍛造装置。
4. 面取り部は、面取り角度が４５°の角面取りにより形成されるものである請求項１〜３のいずれか１項に記載の鍛造装置。
5. 面取り部は、断面形状が凸曲線のＲ面取りにより形成されるものであるである請求項１〜３のいずれか１項に記載の鍛造装置。
6. 中空の管材を据え込み鍛造して管材の外周にフランジを形成する鍛造方法であって、
   第一金型と第二金型との少なくとも一方の、フランジの基部を形成する端面内周部に面取り部を設けておき、
   中子を挿入した管材を第一金型に支持させ、
   第一金型と第二金型とを相対移動させ中空の管材の厚みに基づいて設定される所定長さの部分を圧縮し、
   圧縮した部分から第一金型と第二金型との端面によりフランジを形成する鍛造方法。

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