JP2015104754A - 鍛造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】成形金型に作用する圧力が過剰になることを抑制する。【解決手段】被成形材料１を成形する上金型１１および下金型１２と、上金型１１を駆動する駆動手段１４、１５と、作動液体を貯留する貯留空間１３ａを形成する筒状の貯留空間形成部材１３とを備え、貯留空間１３ａには、被成形材料１が配置されるようになっており、駆動手段１４、１５が上金型１１を被成形材料１側に駆動すると、上金型１１は貯留空間１３ａの作動流体を圧縮しながら被成形材料１を押圧するようになっており、貯留空間形成部材１３は、上金型１１が被成形材料１を押圧する押圧方向Ｚに向かうにつれて、貯留空間１３ａの断面積が拡大する形状を有している。【選択図】図１

Description

本発明は、鍛造装置に関する。

従来、特許文献１には、水や油などの液状圧力媒体が満たされた圧力容器内に成形金型を設置し、加圧パンチを下降させることによって液状圧力媒体を圧縮するとともに上成形金型を下降させて被成形材料を圧縮成形する鍛造技術が記載されている。

この従来技術によると、被成形材料に金型による圧縮力を作用させると同時に、被成形材料の周辺に液状圧力媒体による圧縮力（静水圧）も作用させるので、延性の低い材料でもクラックが生じることなく成形加工可能となる。

特開平９−２７７０９６号公報

上記従来技術では、上成形金型で被成形材料を圧縮する際に被成形材料に引張り応力（被成形材料の周方向に作用する応力）が作用する。そして、この引張り応力を打ち消すように、被成形材料の外周から液状圧力媒体による圧縮力が作用する。そのため、引張り応力が被成形材料の材料強度を超えて被成形材料にクラック（割れ）が生じることを抑制できる。

しかしながら、上記従来技術では、液状圧力媒体による圧縮力が指数関数的に上昇するので、液状圧力媒体の圧力が過剰に上昇して成形金型の強度を超えてしまい成形金型が破損するおそれがある（後述する数式Ｆ１、Ｆ２および図４を参照）。

本発明は上記点に鑑みて、成形金型に作用する圧力が過剰になることを抑制することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、
被成形材料（１）を成形する上金型（１１）および下金型（１２）と、
上金型（１１）を駆動する駆動手段（１４、１５）と、
作動液体を貯留する貯留空間（１３ａ）を形成する筒状の貯留空間形成部材（１３）とを備え、
貯留空間（１３ａ）には、被成形材料（１）が配置されるようになっており、
駆動手段（１４、１５）が上金型（１１）を被成形材料（１）側に駆動すると、上金型（１１）は貯留空間（１３ａ）の作動流体を圧縮しながら被成形材料（１）を押圧するようになっており、
貯留空間形成部材（１３）は、上金型（１１）が被成形材料（１）を押圧する押圧方向（Ｚ）に向かうにつれて、貯留空間（１３ａ）の断面積が拡大する形状を有していることを特徴とする。

これによると、上金型（１１）が押圧方向（Ｚ）に向かうにつれて、上金型（１１）と貯留空間形成部材（１３）との隙間の幅（ｈ）が大きくなるので、上金型（１１）と貯留空間形成部材（１３）との隙間における圧力損失の上昇を抑制できる（後述する数式Ｆ１を参照）。

その結果、貯留空間（１３ａ）における作動液体の圧力の上昇を抑制できるので、成形金型（１１、１２）に作用する圧力が過剰になることを抑制できる。

上記目的を達成するため、請求項６に記載の発明では、
上金型（１１）は、押圧方向（Ｚ）と反対側の部位が、押圧方向（Ｚ）側の部位と比較して細くなった形状を有していることを特徴とする。

これによると、上金型（１１）の太さが一定である場合と比較して、上金型（１１）と貯留空間形成部材（１３）との隙間の長さ（Ｌ）が小さくなるので、上金型（１１）と貯留空間形成部材（１３）との隙間における圧力損失の上昇を抑制できる（後述する数式Ｆ１を参照）。

その結果、貯留空間（１３ａ）における作動液体の圧力の上昇を抑制できるので、成形金型（１１、１２）に作用する圧力が過剰になることを抑制できる。

上記目的を達成するため、請求項７に記載の発明では、
駆動手段（１４、１５）は、上金型（１１）を被成形材料（１）側に駆動する際、上金型（１１）の駆動速度を経時的に減少させることを特徴とする。

これによると、上金型（１１）が被成形材料（１）側に駆動されるにつれて、上金型（１１）と貯留空間形成部材（１３）との隙間を流れる作動液体の流量（Ｑ）が小さくなるので、上金型（１１）と貯留空間形成部材（１３）との隙間における圧力損失の上昇を抑制できる（後述する数式Ｆ１を参照）。

その結果、貯留空間（１３ａ）における作動液体の圧力の上昇を抑制できるので、成形金型（１１、１２）に作用する圧力が過剰になることを抑制できる。

なお、この欄および特許請求の範囲で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

一実施形態における鍛造装置の全体構成図である。 一実施形態における鍛造加工工程の概要を説明する説明図である。 図１のＩＩＩ−ＩＩＩ断面図である。 作動油の圧力と粘度との関係を表すグラフである。 一実施形態における作動油の圧力の推移を表すグラフである。 一実施形態における鍛造装置の作動状態を示す断面図である。

以下、一実施形態における鍛造装置を説明する。図１に示す鍛造装置１０は、ワーク１（被成形材料）に鍛造加工を行う装置であり、パンチ１１、ダイ１２、貯留空間形成部材１３、パンチ駆動部１４および制御装置１５を備えている。

図１中、上下の矢印は、鍛造装置１０の設置状態における上下方向（重力方向）を示している。

パンチ１１およびダイ１２は、ワーク１を成形する成形金型である。パンチ１１は、ワーク１を押圧する上金型（可動金型）であり、ダイ１２は下金型（固定金型）である。ワーク１は、パンチ１１とダイ１２との間で鍛造加工されて所定形状に成形される。パンチ１１およびダイ１２は、ワーク１を種々の製品に成形可能である。

貯留空間形成部材１３は、全体として例えば円筒形状を有している。ダイ１２は、貯留空間形成部材１３の底部に配置されている。ダイ１２および貯留空間形成部材１３は、作動油（作動液体）を貯留する貯留空間１３ａを形成している。ダイ１２と貯留空間形成部材１３との間には、シール部材（図示せず）が配置されていて液密性が確保されるようになっている。ワーク１は、ダイ１２上に配置される。したがって、ワーク１は、貯留空間１３ａの作動液中に配置される。

パンチ駆動部１４および制御装置１５は、パンチ１１を駆動する駆動手段である。パンチ駆動部１４は、パンチ１１をダイ１２に対して近接する方向および離間する方向に往復駆動する。パンチ駆動部１４は、例えば油圧シリンダで構成されている。

制御装置１５は、パンチ駆動部１４の作動を制御する制御手段である。制御装置１５は、例えばＰＬＣ（プログラマブルロジックコントローラ）およびその周辺機器で構成されている。

パンチ１１は、全体として例えば円柱形状を有している。パンチ１１のうちワーク１を押圧する方向Ｚ（以下、押圧方向と言う。）と反対側の部位（図１の上方側部位）には逃げ部１１ａが形成されている。逃げ部１１ａは、押圧方向Ｚ側の部位（図１の下方側部位）と比較して外径が小さくなっている。すなわち、パンチ１１は、押圧方向Ｚと反対側の部位が、押圧方向Ｚ側の部位よりも細くなった段付き円柱形状を有している。

貯留空間形成部材１３は、貯留空間１３ａの直径が押圧方向Ｚに向かうにつれて段階的に拡大する段付き円筒形状を有している。したがって、貯留空間１３ａの断面積は、押圧方向Ｚに向かうにつれて段階的に拡大している。

図１の例では、貯留空間１３ａは、押圧方向Ｚに向かうにつれて直径がｄ１→ｄ２→ｄ３→ｄ４と４段階に拡大している。すなわち、貯留空間形成部材１３は、内径がｄ１になっている第１段部１３１と、内径がｄ２になっている第２段部１３２と、内径がｄ３になっている第３段部１３３と、内径がｄ４になっている第４段部１３４とを有している。

次に、鍛造装置１０を用いた鍛造加工方法を説明する。図２は、鍛造加工の工程の概要を説明する説明図である。図２では、理解を容易にするために、パンチ１１およびダイ１２を模式的に示している。

まず、貯留空間１３ａにワーク１を配置するとともに作動油を注入する。次いで、パンチ駆動部１４でパンチ１１を押圧方向Ｚに駆動する。本実施形態では、パンチ１１を押圧方向Ｚに一定速度で駆動するが、パンチ１１の押圧速度を変動させてもよい。

これにより、パンチ１１が貯留空間１３ａに進入して貯留空間１３ａの作動油が圧縮されるので、作動油の圧力が上昇する。時刻ｎにおける作動油の圧力Ｐｎは、次の数式Ｆ１で近似的に表される。

数式Ｆ１において、Ｌは、パンチ１１と貯留空間形成部材１３との隙間の、押圧方向Ｚにおける長さである。数式Ｆ１において、ηｎは、時刻ｎにおける作動油の粘度である。数式Ｆ１において、Ｑは、パンチ１１と貯留空間形成部材１３との隙間における作動油の流量である。数式Ｆ１において、ｗは、パンチ１１と貯留空間形成部材１３との隙間のうち、パンチ１１側の縁部（図３中、太線で示した部位）の周長である。数式Ｆ１において、ｈは、パンチ１１と貯留空間形成部材１３との隙間の幅である（図１、図３を参照）。

数式Ｆ１は、平行平板の圧力損失の式に基づいている。すなわち、貯留空間１３ａの作動油がパンチ１１に押されると、作動油はパンチ１１と貯留空間形成部材１３との隙間を流れ、パンチ１１と貯留空間形成部材１３との隙間において圧力損失が生じる。この圧力損失は、作動油の圧力（大気圧との差）とほぼ等しい。

作動油の圧力が上昇するにつれて作動油の粘度が上昇する。例えば、本実施形態で用いられる所定の作動油の粘度ηｎは、次の数式Ｆ２で表される。

数式Ｆ２において、ｋは、温度係数である。数式Ｆ２において、Ｐｎ−１は、時刻ｎ−１における作動油の圧力である。時刻ｎ−１は、時刻ｎよりも前の時刻である。

図４は、数式Ｆ２を表すグラフである。数式Ｆ２および図４からわかるように、本実施形態で用いられる所定の作動油の粘度ηｎは、作動油の圧力Ｐｎ−１の上昇に対して指数関数的に上昇する。数式Ｆ１からわかるように、圧力損失Ｐｎは作動油の粘度ηｎに比例する。

したがって、パンチ１１が貯留空間１３ａに進入して作動油を押すと、圧力損失が生じて作動油の圧力が上昇し、作動油の圧力が上昇すると作動油の粘度が上昇し、作動油の粘度が上昇すると圧力損失がさらに上昇して作動油の圧力がさらに上昇する、という昇圧スパイラルが発生する。

パンチ１１がワーク１を加圧すると、ワーク１に周方向の引張り応力が作用する。ワーク１には作動油からの圧縮応力が作用するので、引張り応力が低減される。そのため、引張り応力がワーク１の材料強度を超えてワーク１に割れ（クラック）が発生することを抑制できる。

しかも、パンチ１１がワーク１を加圧するにつれて作動油の圧力が上昇するので、パンチ１１がワーク１を加圧するにつれて引張り応力が増加しても引張り応力を十分に低減できる。

図５は、作動油の圧力の推移を表すグラフである。まず、図１に示すようにパンチ１１が貯留空間形成部材１３の第１段部１３１にある状態（図５では時間ｔ１以下）では、パンチ１１が進入するにつれて、パンチ１１と第１段部１３１との隙間の長さＬ１が増加し、圧力損失Ｐ１が増加する（数式Ｆ１を参照）。したがって、作動油の圧力も上昇する。

パンチ１１がさらに進入すると、図６に示すようにパンチ１１が貯留空間形成部材１３の第１段部１３１および第２段部１３２の両方にまたがる。このとき、第１段部１３１における圧力損失Ｐ１と、第２段部１３２における圧力損失Ｐ２とが生じる。したがって、作動油の圧力は、圧力損失Ｐ１と圧力損失Ｐ２との和とほぼ等しくなる。

この状態（図５では時間ｔ１以上、時間ｔ２以下）では、パンチ１１が進入するにつれてパンチ１１と第１段部１３１との隙間の長さＬ１が減少し、パンチ１１と第２段部１３２との隙間の長さＬ２が増加する。

パンチ１１が進入するにつれてパンチ１１と第１段部１３１との隙間の長さＬ１が減少するので、第１段部１３１における圧力損失Ｐ１の上昇が抑制される（数式Ｆ１を参照）。

パンチ１１が進入するにつれてパンチ１１と第２段部１３２との隙間の長さＬ２が増加するが、パンチ１１と第２段部１３２との隙間の幅ｈ２は、パンチ１１と第１段部１３１との隙間の幅ｈ１よりも大きくなっているので、第２段部１３２における圧力損失Ｐ２を小さく抑えることができる（数式Ｆ１を参照）。したがって、作動油の圧力の上昇が抑制される。

パンチ１１がさらに進入すると、パンチ１１が貯留空間形成部材１３の第２段部１３２および第３段部１３３の両方にまたがる（図示せず）。このとき、第２段部１３２における圧力損失Ｐ２と、第３段部１３３における圧力損失Ｐ３とが生じる。したがって、作動油の圧力は、圧力損失Ｐ２と圧力損失Ｐ３との和とほぼ等しくなる。

この状態（図５では時間ｔ２以上、時間ｔ３以下）では、パンチ１１が進入するにつれてパンチ１１と第２段部１３２との隙間の長さＬ２が減少し、パンチ１１と第３段部１３３との隙間の長さＬ３が増加する。

パンチ１１が進入するにつれてパンチ１１と第２段部１３２との隙間の長さＬ２が減少するので、第２段部１３２における圧力損失Ｐ２の上昇が抑制される（数式Ｆ１を参照）。

パンチ１１が進入するにつれてパンチ１１と第３段部１３３との隙間の長さＬ３が増加するが、パンチ１１と第３段部１３３との隙間の幅は、パンチ１１と第２段部１３２との隙間の幅よりも大きくなっているので、第３段部１３３における圧力損失Ｐ３を小さく抑えることができる（数式Ｆ１を参照）。したがって、作動油の圧力の上昇が抑制される。

パンチ１１がさらに進入すると、パンチ１１が貯留空間形成部材１３の第３段部１３３および第４段部１３４の両方にまたがる（図示せず）。このとき、第３段部１３３における圧力損失Ｐ３と、第４段部１３４における圧力損失Ｐ４とが生じる。したがって、作動油の圧力は、圧力損失Ｐ３と圧力損失Ｐ４との和とほぼ等しくなる。

この状態（図５では時間ｔ３以上、時間ｔ４以下）では、パンチ１１が進入するにつれてパンチ１１と第３段部１３３との隙間の長さＬ３が減少し、パンチ１１と第４段部１３４との隙間の長さＬ４が増加する。

パンチ１１が進入するにつれてパンチ１１と第３段部１３３との隙間の長さＬ３が減少するので、第３段部１３３における圧力損失Ｐ３の上昇が抑制される（数式Ｆ１を参照）。

パンチ１１が進入するにつれてパンチ１１と第４段部１３４との隙間の長さが増加するが、パンチ１１と第４段部１３４との隙間の幅は、パンチ１１と第３段部１３３との隙間の幅よりも大きくなっているので、第４段部１３４における圧力損失Ｐ４を小さく抑えることができる（数式Ｆ１を参照）。したがって、作動油の圧力の上昇が抑制される。

図５において、作動油圧力の二点鎖線は、従来技術に相当する比較例を示している。この比較例では、押圧方向Ｚ１の全域にわたって貯留空間１３ａの直径がｄ１で一定になっている。この比較例では、押圧方向Ｚ１の全域にわたってパンチ１１と貯留空間形成部材１３との隙間の幅が一定であるので、作動油の圧力が指数関数的に上昇する。そのため、金型（パンチ１１およびダイ１２）に作用する圧力が過剰になって金型の寿命が短くなったり金型の破損を招いてしまう。

それに対し、本実施形態では、貯留空間形成部材１３は、押圧方向Ｚに向かうにつれて貯留空間１３ａの断面積が拡大する形状を有している。

これによると、パンチ１１が押圧方向Ｚに向かうにつれて、パンチ１１と貯留空間形成部材１３との隙間の幅ｈが大きくなるので、パンチ１１と貯留空間形成部材１３との隙間における圧力損失の上昇を抑制できる。その結果、貯留空間１３ａにおける作動油の圧力の上昇を抑制できるので、成形金型１１、１２に作用する圧力が過剰になることを抑制できる。

例えば、貯留空間形成部材１３は、押圧方向Ｚに向かうにつれて、貯留空間１３ａの断面積が段階的に拡大する段付き筒形状を有していればよい。貯留空間形成部材１３は、押圧方向Ｚに向かうにつれて、貯留空間１３ａの断面積が連続的に拡大するテーパー柱形状を有していてもよい。

本実施形態では、パンチ１１は、押圧方向Ｚと反対側の部位が、押圧方向Ｚ側の部位と比較して細くなった形状を有している。

これによると、パンチ１１の太さが一定である場合と比較して、パンチ１１と貯留空間形成部材１３との隙間の長さＬが小さくなるので、パンチ１１と貯留空間形成部材１３との隙間における圧力損失の上昇を抑制できる。その結果、貯留空間１３ａにおける作動油の圧力の上昇を抑制できるので、成形金型１１、１２に作用する圧力が過剰になることを抑制できる。

例えば、パンチ１１は、押圧方向Ｚと反対側の部位と押圧方向Ｚ側の部位との間に段付きがある段付き柱形状を有していればよい。パンチ１１は、押圧方向Ｚと反対側に向かうにつれて連続的に細くなるテーパー形状を有していてもよい。

（他の実施形態）
上記実施形態を例えば以下のように種々変形可能である。各実施形態を適宜組み合わせ可能である。

（１）パンチ駆動部１４および制御装置１５は、パンチ１１をワーク１側に駆動する際、パンチ１１の駆動速度を経時的に減少させるようにしてもよい。

ここで、パンチ１１と貯留空間形成部材１３との隙間を流れる作動油の流量Ｑは、次の数式Ｆ３で表される。

Ｑ＝ｖ×Ａ−ΔＱ …Ｆ３
数式Ｆ３において、ｖはパンチ１１の駆動速度（押し込み速度）である。数式Ｆ３において、Ａはパンチ１１と貯留空間形成部材１３との隙間の断面積である。数式Ｆ３において、ΔＱは、作動油（作動液体）がパンチ１１と貯留空間形成部材１３との隙間を流通する際の粘性抵抗による漏れ減少量である。

仮にパンチ１１と貯留空間形成部材１３との隙間の断面積Ａが一定である場合を考えると、パンチ１１の駆動速度ｖを経時的に減少させた場合、パンチ１１がワーク１側に駆動されるにつれて、パンチ１１と貯留空間形成部材１３との隙間を流れる作動油の流量Ｑが小さくなる。

そのため、上述の数式Ｆ１からわかるように、パンチ１１と貯留空間形成部材１３との隙間における圧力損失の上昇を抑制できるので、貯留空間１３ａにおける作動油の圧力の上昇を抑制でき、ひいては成形金型１１、１２に作用する圧力が過剰になることを抑制できる。

（２）上記実施形態では、パンチ１１は全体として全体として円柱形状を有しており、貯留空間形成部材１３は全体として円筒形状を有しているが、これに限定されるものではなく、パンチ１１は種々の柱形状（例えば角柱形状）を有していてもよく、貯留空間形成部材１３は種々の筒形状（例えば角筒形状）を有していてもよい。

（３）上記実施形態では、貯留空間形成部材１３はダイ１２と別個の部材になっているが、貯留空間形成部材１３はダイ１２と一体の部材であってもよい。

（４）上記実施形態では、貯留空間１３ａに貯留する作動液体として作動油が用いられているが、これに限定されるものではなく、水等の種々の液体が作動液体として用いられていてもよい。

１ ワーク（被成形材料）
１１ パンチ（上金型）
１２ ダイ（下金型）
１３ 貯留空間形成部材
１３ａ 貯留空間
１４ パンチ駆動部（駆動手段）
１５ 制御装置（駆動手段）
Ｚ 押圧方向

Claims (7)

1. 被成形材料（１）を成形する上金型（１１）および下金型（１２）と、
   前記上金型（１１）を駆動する駆動手段（１４、１５）と、
   作動液体を貯留する貯留空間（１３ａ）を形成する筒状の貯留空間形成部材（１３）とを備え、
   前記貯留空間（１３ａ）には、前記被成形材料（１）が配置されるようになっており、
   前記駆動手段（１４、１５）が前記上金型（１１）を前記被成形材料（１）側に駆動すると、前記上金型（１１）は前記貯留空間（１３ａ）の前記作動流体を圧縮しながら前記被成形材料（１）を押圧するようになっており、
   前記貯留空間形成部材（１３）は、前記上金型（１１）が前記被成形材料（１）を押圧する押圧方向（Ｚ）に向かうにつれて、前記貯留空間（１３ａ）の断面積が拡大する形状を有していることを特徴とする鍛造装置。
2. 前記上金型（１１）は、前記押圧方向（Ｚ）と反対側の部位が、前記押圧方向（Ｚ）側の部位と比較して細くなった形状を有していることを特徴とする請求項１に記載の鍛造装置。
3. 前記貯留空間形成部材（１３）は、前記押圧方向（Ｚ）に向かうにつれて、前記貯留空間（１３ａ）の断面積が段階的に拡大する段付き筒形状を有していることを特徴とする請求項１または２に記載の鍛造装置。
4. 前記上金型（１１）は、前記押圧方向（Ｚ）と反対側の部位と前記押圧方向（Ｚ）側の部位との間に段付きがある段付き柱形状を有していることを特徴とする請求項１に記載の鍛造装置。
5. 前記駆動手段（１４、１５）は、前記上金型（１１）を前記被成形材料（１）側に駆動する際、前記上金型（１１）の駆動速度を経時的に減少させることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１つに記載の鍛造装置。
6. 被成形材料（１）を成形する上金型（１１）および下金型（１２）と、
   前記上金型（１１）を駆動する駆動手段（１４、１５）と、
   作動液体を貯留する貯留空間（１３ａ）を形成する筒状の貯留空間形成部材（１３）とを備え、
   前記貯留空間（１３ａ）には、前記被成形材料（１）が配置されるようになっており、
   前記駆動手段（１４、１５）が前記上金型（１１）を前記被成形材料（１）側に駆動すると、前記上金型（１１）は前記貯留空間（１３ａ）の前記作動流体を圧縮しながら前記被成形材料（１）を押圧するようになっており、
   前記上金型（１１）は、前記上金型（１１）の前記被成形材料（１）に対する押圧方向（Ｚ）と反対側の部位が、前記押圧方向（Ｚ）側の部位と比較して細くなった形状を有していることを特徴とする鍛造装置。
7. 被成形材料（１）を成形する上金型（１１）および下金型（１２）と、
   前記上金型（１１）を駆動する駆動手段（１４、１５）と、
   作動液体を貯留する貯留空間（１３ａ）を形成する筒状の貯留空間形成部材（１３）とを備え、
   前記貯留空間（１３ａ）には、前記被成形材料（１）が配置されるようになっており、
   前記駆動手段（１４、１５）が前記上金型（１１）を前記被成形材料（１）側に駆動すると、前記上金型（１１）は前記貯留空間（１３ａ）の前記作動流体を圧縮しながら前記被成形材料（１）を押圧するようになっており、
   前記駆動手段（１４、１５）は、前記上金型（１１）を前記被成形材料（１）側に駆動する際、前記上金型（１１）の駆動速度を経時的に減少させることを特徴とする鍛造装置。

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