JP2012045611A - 金属部品の加工成形方法 - Google Patents

Abstract

【課題】原料量に対して、実際に得られる完成部品の比率、即ち歩留まり率が高く、また加工作業が容易であり、加工コストが小さく、更に、完成部品の寸法精度を精密な状態に保持しうる金属部品の加工方法を提供する。
【解決手段】金属部材１１を熱間鍛造１２によって所定形状に成形する素材成形工程１３と、上記素材成形工程で形成された加工前素材14を、室温環境下において、ローラー塑性成形加工によって所定の完成部品形状に加工するローラー塑性成形加工工程とを備えた構成とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、金属部品の加工成形方法に関し、軸受内輪、軸受外輪、フライホイール、無段変速機（ＣＶＴ）のシーブ、リングギア等のリング形状の金属部品の加工成形方法に関する。

自動車、建設機械、産業用機械等の軸受外輪、軸受内輪等の金属製部品の加工成形方法としては、主に下記の方法が知られている。

（１）切削による加工
完成部品の形状に合わせ、予め上記完成部品よりも大きな寸法に加工対象素材を成形し、上記加工対象素材から余分な部位を切削加工によって削り取り、目的の完成部品の形状に加工する。
以下、完成部品が建設機器及び産業機械等の大型の軸受内輪である場合を例として説明する。
図４（ａ）は上記軸受内輪７０の加工前素材７１の径方向断面図、（ｂ）は、建設機器及び産業機械等の大型の軸受内輪７０の完成部品の径方向断面図を示している。
図４（ａ）に示すように、加工前素材７１は、２つの上記軸受内輪形成部７４、７４の幅方向一端部を互いに合わせた形状の外縁部に、所定寸法分の削り代部７２が配設され、全体略短円筒形に形成されている。
また、上記加工前素材７１の幅方向中央部には周方向に沿って、少なくとも、切断時の切断刃（図示せず）の幅寸法以上の幅寸法を有する切り離し用余白部７３が形成されている。

上記加工前素材７１を加工する場合には、上記加工前素材を回転台等（図示せず）に固定し、周方向沿って高速に回転させながら切削刃（図示せず）を上記削り代部７２に押し当てることによって、上記削り代部７２を上記軸受内輪７０の外周形状に合わせて切削する。
更に、切削終了後、上記切り離し用余白部７３に沿って切断刃で切り離すことによって、図４（ｂ）に示す軸受内輪７０が２つ形成される。

切削加工の場合、加工前素材７１を形成する際に、予め上記削り代部７２及び切り離し用余白部７３を確保する必要があることから、完成部品である軸受内輪７０に対する歩留まりは低く、図４に示す軸受内輪７０の場合、歩留まり率は約６０．５％に留っていた。
従って、材料コストが高くなると共に、切削後に切り離し作業が必要であることから、加工のための作業工数も大きくなるという不具合を有していた。

（２）ローラー塑性成形による加工
また、加工前素材を切削しない加工方法として、円盤状の加工前素材を回転させ、ローラーによって金型に押し付けることによって、上記加工前素材を自己発熱によって昇温させ、上記ローラーを移動させることによって上記金型形状に加工前素材を成形する、フローフォーミング加工、もしくはスピニング加工の手法等のローラ塑性成形加工を用いる方法が提案されている（特許文献１）。

フローフォーミング加工等のローラー塑性成形加工方法は、従来から用いられている技術であるが、一般的に室温環境、即ち冷間環境下において加工前素材の加工を行っていたため、加工前素材の塑性変形が抑制される。
従って、ローラーを、より強い力で加工前素材に押し当てて変形させる必要があることから、完成部品にひび割れ等が発生しやすくなるという不具合を有していた。

上記特許文献に係る発明にあっては、加工前素材を自己発熱によって昇温させることによって、ワーク部材の塑性限界を高め、加工によって、加工前素材を薄肉化した場合であっても、完成部品において、ひび割れ等が発生し難い旨の効果を奏する。

しかしながら、本願発明において対象とする、建設機器及び産業機械等の大型の軸受内輪、軸受外輪、フライホイール、無段変速機（ＣＶＴ）のシーブ、リングギア等のリング形状の金属部品にあっては、極めて精密な加工精度が要求されることから、上記特許文献１のように、ワーク部材を塑性変形が容易となる程度まで昇温させた場合、冷却の段階で、冷却応力が作用して、完成部品の寸法に誤差が生じ、加工直後の精密な寸法が保持できなくなるため、本発明の対象とする金属部品には適用することができないという不具合を有していた。
また、加工時の発熱によって、加工前素材の表面が酸化して品質が劣化し、仕上げ加工が必要になるという不具合をも有していた。
特開２００８−５５４９４号

本願発明の解決する課題は、原料量に対して、実際に得られる完成部品の比率、
即ち歩留まり率が高く、また加工作業が容易であり、加工コストが小さく、更に、完成部品の寸法精度を精密な状態に保持しうる金属部品の加工方法を提供することにある。

上記課題を解決するため、請求項１に係る金属部品の加工方法は、金属部材を熱間鍛造によって所定形状に成形する素材成形工程と、上記素材成形工程で形成された加工前素材を、室温環境下において、ローラー塑性成形加工によって所定の完成部品形状に加工するローラー塑性成形加工工程とを備えることを特徴とする。

加工前素材は熱間鍛造によって成形されているため、加工前素材の変形抵抗が小さくなると共に、延性が向上する。
また、切削工程を経ることなく、塑性変形によって完成部品の形状に加工することから、削り屑が発生することが無い。
更に、ローラー塑性成形加工が室温環境下で行われるため、加工後の寸法に誤差が発生し難い。

また、請求項２に係る金属部品の加工方法は、上記加工前素材は、上記素材成形工程において所定の径寸法及び厚さ寸法を有するリング状に成形されることを特徴とする。

従って、別途打ち抜き等の工程を行う必要が無く、円盤状部材を加工するよりも、加工量が小さくなる。

また、請求項３に係る金属部品の加工方法は、上記ローラー塑性成形加工工程は、加工前素材に冷却水を吹き付ける冷却工程と並行して行われることを特徴とする。

従って、ローラー塑性成形加工工程において、上記加工前素材の温度が上昇し難くなる。

また、請求項４に係る金属部品の加工方法は、上記ローラー塑性成形加工工程は、上記加工前素材の変態点温度以下の環境で行われることを特徴とする。
従って加工前素材の性質が変化することが無い。
なお、変態点温度とは、相変態を起こす温度であり、この温度を超えると、金属の相が変化し、性質が大幅に変わる温度である。

請求項１の発明にあっては、金属部材を熱間鍛造によって所定形状に成形する素材成形工程と、上記素材成形工程で形成された加工前素材を、室温環境下において、ローラー塑性成形加工によって所定の金属部品形状に加工するローラー塑性成形加工工程とを備えることから、原料量に対して、実際に得られる完成部品の比率、即ち歩留まり率が高く、また加工作業が容易であり、加工コストが小さく、更に、完成部品の寸法精度を精密な状態に保持しうる金属部品の加工方法を提供することができる。
また、ローラー塑性成形加工時において、加工前素材の加工硬度が大きくなることから、焼入れ焼き戻し等の熱処理を加工後に行う必要が無い。
また、加工表面は滑らかで光沢を有し、高い製品品質と、高寿命を確保できる。

また、請求項２の発明にあっては、上記加工前素材は、上記素材成形工程において所定の径寸法及び厚さ寸法を有するリング状に成形される。
また、加工前素材に円盤状部材を使用する場合と比較して、加工量が小さくなるため、完成部品に至るまでの加工量、加工率を算出し易くなる。

また、請求項３の発明にあっては、上記ローラー塑性成形加工工程は、加工前素材に冷却水を吹き付ける冷却工程と並行して行われることから、常に冷間環境下を保持することができる。
また、請求項４の発明にあっては、上記ローラー塑性成形加工工程は、上記加工前素材の変態点温度以下の環境で行われる。従って、熱による加工前素材の相変態、及びそれに伴う精度不良等の品質劣化を防止することができる。

本発明の一実施の形態を示し、実施例の形態における金属部品の加工方法の素材成形工程を示す概略図である。 本発明の一実施の形態を示し、本実施例に係る、ローラー塑性成形加工工程１７によって複数種の金属部品を加工する手順を示す概念図であり、（ａ）は軸受内輪、(ｂ)は軸受外輪、（ｃ）は管フランジ、（ｄ）はフライホイール、（ｅ）はリングギア、（ｆ）は、無段変速機（ＣＶＴ）のシーブのローラー成形加工１７の流れを示す概略図である。 本発明に係る金属部品の加工方法によって、建設機器及び産業機械等の大型の軸受内輪を成形加工する場合の（ａ）は加工前素材、（ｂ）上記加工前素材をローラー塑性成形加工中の状態、（ｃ）は完成部品の径方向断面図である。 従来の切削による加工方法を用いて、建設機器及び産業機械等の大型の軸受内輪を成形加工する場合の（ａ）は加工前素材、（ｂ）は完成部品の径方向断面図である。

本発明の実施する場合の形態について、添付図面を用いて説明する。
図１に示すように、本実施例に係る金属部品の加工成形方法１０にあっては、金属部材１１を熱間鍛造工程１２によって所定形状に成形する素材成形工程１３と、上記素材成形工程１３でリング形状に形成された加工前素材１４を、図２に示すように、室温環境下において、ローラー１５による塑性加工によって所定の完成部品１６の形状に加工する、ローラー塑性成形加工工程１７とを備えている。
また、図２に示すように、上記ローラー塑性成形加工工程１７は、加工前素材に冷却水を吹き付けて、上記加工前素材１４を変態点温度以下に保持する冷却工程(図２には図示せず)と並行して行われる。

本実施例の構成について、添付図面を用いて詳述する。
図１は、本実施例に係る、素材成形工程１３の詳細構成を示す概略図である。
図１に示すように、素材成形工程１３は、棒状若しくは円柱形状の金属部材１１を所定寸法に切断する切断工程１８と、上記切断工程１８で切断された切断金属部材１１ａを加熱し、熱間環境下において、据え込み加工１２ａ、目打ち加工１２ｂ（穴あけ）、目抜き加工１２ｃ（打ち抜き）を行い、更にローリングによって形状を整えるリングローリング工程１２ｄ、リング径を調整するリング径サイジング工程１２ｅを順次行うことによって、所定形状に成形する熱間鍛造工程１２と、上記熱間鍛造工程１２後に行われ、加工前素材１４の加工性を向上させる焼鈍工程１９と、上記焼鈍工程１９後に行われ、加工前素材１４の表面の研削を行うショットブラスト工程２０とを備えている。
なお、本実施例においては、金属部材１１には、鉄に０．２％から２％程度の炭素を含有した鋼を用いている。

また、図２は、本実施例に係る、ローラー塑性成形加工工程１７によって複数種の金属部品を加工する手順を示す概念図であり、（ａ）は軸受内輪、(ｂ)は軸受外輪、（ｃ）は管フランジ、（ｄ）はフライホイール、（ｅ）はリングギア、（ｆ）は、無段変速機（ＣＶＴ）のシーブのローラー成形加工１７の流れを示す概略図である。

図１に示すように、加工前素材１４は、素材成形工程１３の熱間鍛造工程１２において、約９００℃以上に加熱し、据え込み加工１２ａによって、切断金属部材１１ａを所定寸法に押しつぶし、目打ち加工１２ｂ及び目抜き加工１２ｃにおいて、貫通孔を形成して、上記切断金属部材１１ａをリング状に加工する。
更に、リング状に成形された切断金属部材１１ａは、リングローリング工程１２ｄ及び、リング径サイジング工程１２ｅによって、目的とする完成部品１６（図１には図示せず）に合わせて、幅寸法、径寸法等を調整する。

なお、９００℃は一般的な熱間鍛造の最低温度であり、必要に応じてこの温度以上の温度を設定しても良い。

更に、焼鈍工程１９によって、金属組織を均一化すると共に、ショットブラスト工程によって表面を研削することによって、加工前素材１４が完成する。
なお、本実施例においては、上記焼鈍工程１９における焼鈍は、鋼中のセメンタイト（鉄カーバイト組織）を球状化し、焼割れ等を防止する所謂球状化焼鈍を行う。

図２（ａ）〜（ｆ）に示すように、ローラー塑性成形加工工程１７においては、上記加工前素材１４を周方向に高速回転させながら、図中矢印Ａに示すように、完成部品１６の外周及び内周形状に合わせて、ローラー１５を押し当てて滑らせることによって、所定の形状に薄肉化若しくは厚肉化する。
切削加工と異なり、厚さ寸法の調整が繰り返し行えることから、非常に精密な加工が可能である。
なお、この際、ローラー１５の近傍に設置したノズル（図示せず）等の装置から加工前素材１４に対して、冷却水が吹き付けられ、加工中に上記加工前素材１４の温度が鋼の変態点である約７００℃を超えないように温度が保持される。

また、図３は、図４に示す建設機器及び産業機械等の大型の軸受内輪を、本実施例の金属部品の加工方法によって、成形加工する場合の（ａ）は加工前素材、（ｂ）上記加工前素材をローラー塑性成形加工中の状態、（ｃ）は完成部品の径方向断面図を夫々示している。
図３（ａ）に示すように、加工前素材１４は短円筒形に形成され、（ｂ）に示すように、ローラー１５を外周部に押し当てながら、図中矢印Ｂに示すように滑らせることによって、所定の形状に整形し、幅方向中央部で切り離すことによって、（ｃ）に示す完成部品１６が２つ形成される。
この際、図３（ｂ）に示すように、幅方向中央部に溝２１が形成されているため、切断部分は極めて薄肉化されており、切断時に切断屑の発生を抑えられる。
従って、図３に示す軸受内輪に本実施例の加工方法を適用することによって、完成部品に対する歩留まり率が飛躍的向上し、９０％以上を確保できる。
また、図２に示す各部品についても、９０％以上の歩留まり率を確保することが可能である。

なお、本実施例に示す素材成形工程における、熱間鍛造工程以外の工程及び熱間鍛造工程中の詳細加工手順については、完成部品の種別、金属部材の素材等に応じて、適宜変更することができる。
また、素材整形工程において整形される加工前素材の形状、大きさ寸法については、ローラー塑性成形加工工程時の加工量、加工率等を基に最適な値に調整する。
また、熱間鍛造工程及びローラー塑性成形加工工程時における設定温度については、本願発明の条件内であれば、適宜変更しても本実施例と同様の作用効果を得ることができる。

本発明は、金属部品の加工成形方法に関し、軸受内輪、軸受外輪、フライホイール、無段変速機（ＣＶＴ）のシーブ、リングギア等のリング形状の金属部品の加工成形方法に適用することができる。

１０ 金属部品の加工成形方法
１１ 金属部材
１１ａ切断金属部材
１２ 熱間鍛造工程
１２ａ据え込み加工
１２ｂ目打ち加工
１２ｃ目抜き加工
１２ｄ リングローリング工程
１２ｅ リング径サイジング工程
１３ 素材整形工程
１４ 加工前素材
１５ ローラー
１６ 完成部品
１７ ローラー塑性成形加工工程
１８ 切断工程
１９ 焼鈍工程
２０ ショットブラスト工程
２１ 溝
７０ 軸受内輪
７１ 加工前素材
７２ 削り代部
７３ 切り離し用余白部
Ａ ローラー移動経路
Ｂ ローラー移動経路

Claims (4)

1. 金属部材を熱間鍛造によって所定形状に成形する素材成形工程と、
   上記素材成形工程で形成された加工前素材を、室温環境下において、ローラー塑性成形加工によって、所定の完成部品形状に加工するローラー塑性成形加工工程を備えることを特徴とする金属部品の加工成形方法。
2. 上記加工前素材は、上記素材成形工程において、所定の径寸法及び厚さ寸法を有するリング状に成形されることを特徴とする請求項１記載の金属部品の加工成形方法。
3. 上記ローラー塑性成形加工工程は、加工前素材に冷却水を吹き付ける冷却工程と並行して行われることを特徴とする請求項１または２いずれか１項に記載の金属部品の加工成形方法。
4. 上記ローラー塑性成形加工工程は、上記加工前素材の変態点温度以下の環境で行われることを特徴とする請求項１記載の金属部品の加工成形方法。