JP2015182099A - 鍛造パンチの設計方法及び鍛造パンチ並びにヨークの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】強度を有し、かつ、円筒端面の高さが揃うヨークを加工することが可能である。
【解決手段】この鍛造パンチの設計方法は、２つの突起部と１つの円筒部を有するヨーク３を鍛造加工するための穴を有するダイス１０と、ダイス１０に対向して配置される鍛造パンチとを備え、ダイス１０の成形穴に加工前の円柱の素材１を配置し、第１工程Ａ１と第２工程Ａ２を実施し、鍛造パンチ先端の押圧部により円柱の素材１を押圧してヨーク３を成形する鍛造パンチの設計方法であり、第１工程Ａ１で使用する鍛造パンチ２０を先端が平坦面の円柱形状とし、前記鍛造パンチの外径を前記ダイス内径と嵌合させるためのクリアランス分だけ小さくし、第２工程Ａ２で使用する鍛造パンチ２１の先端付近に、押圧時における突起部と相対する円筒部への材料流動を抑制する形状を設ける。
【選択図】図１

Description

この発明は、薄肉の円筒部と２つの突起部を有するヨークを製造する鍛造パンチの設計方法及び鍛造パンチ並びにヨークの製造方法、ヨークに関するものである。

従来、薄肉のカップ形状を有するヨークとして、例えば自動車のパワートレインシステムのプロペラシャフトに用いられるユニバーサルジョイントのヨークがあり、図９にプロペラシャフトの概略図を示す。自動車の動力伝達装置には、トランスミッション１００の出力側とファイナルドライブ１０１の入力側の間をつなぐのがプロペラシャフトであり、プロペラシャフトのシャフト１１０，１１１の接続部にユニバーサルジョイントが用いられている。ユニバーサルジョイントはヨーク１２０ａ，１２０ｂ，１２０ｃと十文軸１２１ａ，１２１ｂ，１２１ｃからなり、シャフト間の回転を接続するシャフト１１０，１１１へ動力として伝達している。プロペラシャフトは、金具１３０を介して車体１３１へ取付けられ、金具１３０には、角度変更用のベアリング１３２が設けられている。

図１０にユニバーサルジョイントのヨークの斜視図を示し、図１１にユニバーサルジョイントのヨークの４方向から見た図を示す。ヨーク２００は、２つの突起部２０１と１つの円筒部２０２を有し、２つの突起部２０１には貫通孔２０３が形成されている。

ユニバーサルジョイントヨークは、図１２及び図１３に従来の製造方法の一例を示すように、炭素鋼を素材として熱間鍛造あるいはアルミニウム合金を素材として温間鍛造により製造されている。図１２の従来の製造方法は、炭素鋼の素材を熱間でバリ出し鍛造し、このバリをトリミング加工後、円筒端面を揃えるために切削加工し、最後に２つの貫通孔を切削加工する。図１３の従来の製造方法は、アルミニウム合金の素材を型鍛造後、円筒端面を揃えるために切削加工し、最後に２つの貫通孔を切削加工する。また、素材に黄銅を用いて円筒部を成形する鍛造方法として特許文献１に示すようなものが知られている。

また、特許文献２には、閉塞した空間を形成する上金型、下金型からなる金型内に、アルミニウム合金の素材を投入した後、円筒部の反対側に２つの突起部が突出して対峙するユニバーサルジョイントヨークを成形する際に、円筒部の先端にリングノックを介して背圧力を付加した状態で円筒部の反対側に形成される２つの突起部への素材の充満率を７５％以上とさせた後、リングノックが配設されている金型の主成形方向と相対的に逆方向にリングノックを可動させて円筒部への素材の流動を開始させる鍛造工程を含むユニバーサルジョイントヨークの製造方法が開示されている。

特開２０００−２６３１７８号公報 特許第４３５５１４０号公報

従来から行われている図１４に示すヨークの鍛造方法では、ダイス３００に円柱の素材４００を装填してプレス装置のスライドを降下させることによりパンチ３０１で押圧し、ヨーク２００を製造するが、写真に示す実際の試作品のとおり押圧が進むとヨーク２００の２つの突起部２０１への材料流動が促進されるため、加圧軸方向の材料流動及びその反対方向への材料流動が不均一となり、突起部２０１とは反対側の円筒部２０２に不整端面２０２ａが生じると共に、ＦＥＭ解析結果で示すとおり塑性ひずみの累積不足、すなわち加工硬化不足が原因で強度不足部２０２ｂが生じる。このように、ヨーク２００には、円筒部２０２の強度が不足するので後工程でＴ６処理などの熱処理により強度を向上させる必要があるし、不整端面２０２ａを後加工で切削し、端面を揃える必要があるため、大幅なコスト増となる。さらに、実試作写真に示すとおり、２つの突起部２０１の先端が完全充満しないなど不具合が生じる。

また、図１５に示すヨークの従来の鍛造方法では、ダイス３００に素材４００を装填してプレス装置のスライドを降下させることによりパンチ３０１で押圧する際に、油圧装置５００によってヨーク２００の円筒部２０２の端面に背圧を付加しているが、油圧装置５００は高価なため製造コストが増加する。また、背圧の付加タイミングや圧力制御など実際の工程管理が面倒である。さらに、背圧を付加して１工程で鍛造加工するのは、一見、コスト面で競争力が向上するかに見えるが、密閉状態の鍛造になるため被加工材料への静水圧が増大し、金型破壊を起こす可能性が格段に高まり、金型寿命が短くなるゆえ、かえって、コスト増となる。

この発明は、かかる点に鑑みてなされたもので、強度を有し、かつ円筒端面の高さが揃うヨークを鍛造加工することが可能な鍛造パンチの設計方法及び鍛造パンチ並びにヨークの製造方法、ヨークを提供することを目的とする。

かかる課題を解決するために、この発明は、以下のように構成した。

請求項１に記載の発明は、２つの突起部と１つの円筒部を有するヨークを鍛造加工するための穴を有するダイスと、
前記ダイスに対向して配置される鍛造パンチとを備え、
前記ダイスの成形穴に加工前の素材を配置し、第１工程と第２工程を実施し、前記鍛造パンチ先端の押圧部により前記素材を押圧して前記ヨークを成形する鍛造パンチの設計方法であり、
前記第１工程で使用する鍛造パンチを先端が平坦面の円柱形状とし、前記鍛造パンチの外径を前記ダイス内径と嵌合させるためのクリアランス分だけ小さくし、
前記第２工程で使用する鍛造パンチの先端付近に、押圧時における前記突起部と相対する円筒部への材料流動を抑制する形状を設けることを特徴とする鍛造パンチの設計方法である。

請求項２に記載の発明は、前記第２工程で使用する鍛造パンチに設ける材料流動を抑制する形状は、
前記鍛造パンチが前記第１工程後の加工品と接触する部位において、
前記鍛造パンチを段付き構造とし、一方の段の外径を前記円筒部の内径と同じとし、他方の段の外径を前記円筒部の外径と同じとし、直径が大きい方の前記段部において、前記ヨークの２つの突起部の付け根に相当する断面積と同じ断面積となるように加圧軸とは垂直な平坦部を設け、
それ以外は被加工材料と接触しない構成であることを特徴とする請求項１に記載の鍛造パンチの設計方法である。

請求項３に記載の発明は、請求項１または請求項２に記載の鍛造パンチの設計方法により製造されたことを特徴とする鍛造パンチである。

請求項４に記載の発明は、２つの突起部と１つの円筒部を有するヨークを鍛造加工するための穴を有するダイスと、
前記ダイスに対向して配置される鍛造パンチとを備え、
前記ダイスの成形穴に加工前の素材を配置し、第１工程と第２工程を実施し、前記鍛造パンチ先端の押圧部により前記素材を押圧して前記ヨークを成形する鍛造パンチの設計方法であり、
前記第１工程で使用する鍛造パンチの先端付近に、押圧時における前記突起部に相対する円筒部への材料流動を抑制する形状を設け、
前記第２工程で使用する鍛造パンチでは材料流動を抑制しないことを特徴とする鍛造パンチの設計方法である。

請求項５に記載の発明は、前記第１工程で使用する鍛造パンチに設ける材料流動を抑制する形状は、
前記鍛造パンチが前記素材と接触する部位において、
前記鍛造パンチを段付き構造とし、一方の段の外径を前記円筒部の内径と同じとし、他方の段の外径を前記円筒部の外径と同じとし、直径が大きい方の前記段部において、前記ヨークの２つの突起部の付け根に相当する断面積と同じ断面積となるように加圧軸とは垂直な平坦部を設け、
それ以外は前記素材と接触しない構成であることを特徴とする請求項４に記載の鍛造パンチの設計方法である。

請求項６に記載の発明は、請求項４または請求項５に記載の鍛造パンチの設計方法により製造されたことを特徴とする鍛造パンチである。

請求項７に記載の発明は、２つの突起部と１つの円筒部を有するヨークを鍛造加工するための穴を有するダイスと、
前記ダイスに対向して配置される鍛造パンチとを備え、
前記ダイスの成形穴に加工前の素材を配置し、第１工程と第２工程を実施し、前記鍛造パンチ先端の押圧部により前記素材を押圧して前記ヨークを成形するヨークの製造方法であり、
前記第１工程で使用する鍛造パンチを先端が平坦面の円柱形状とし、前記鍛造パンチの外径を前記ダイス内径と嵌合させるためのクリアランス分だけ小さくし、
前記第２工程で使用する鍛造パンチの先端付近に、押圧時における前記突起部と相対する円筒部への材料流動を抑制する形状を設け、
前記第１工程での加工終了時における前記突起部の充満率を９０％以上１００％未満とした構成であることを特徴とするヨークの製造方法である。

請求項８に記載の発明は、前記第２工程で使用する鍛造パンチに設ける材料流動を抑制する形状は、
前記鍛造パンチが前記第１工程後の加工品と接触する部位において、
前記鍛造パンチを段付き構造とし、一方の段の外径を前記円筒部の内径と同じとし、他方の段の外径を前記円筒部の外径と同じとし、直径が大きい方の前記段部において、前記ヨークの２つの突起部の付け根に相当する断面積と同じ断面積となる様に加圧軸とは垂直な平坦部を設け、前記平坦部により加工時に前記円筒部の加圧軸方向とは逆方向への材料流動を拘束することで前記突起部のみの静水圧を高めることにより前記突起部の充満性を得、
前記平坦部以外は被加工材料と接触しない構成であることを特徴とする請求項７に記載のヨークの製造方法である。

請求項９に記載の発明は、２つの突起部と１つの円筒部を有するヨークを鍛造加工するための穴を有するダイスと、
前記ダイスに対向して配置される鍛造パンチとを備え、
前記ダイスの成形穴に加工前の素材を配置し、第１工程と第２工程を実施し、前記鍛造パンチ先端の押圧部により前記素材を押圧して前記ヨークを成形するヨークの製造方法であり、
前記第１工程で使用する鍛造パンチの先端付近に、押圧時における前記突起部に相対する円筒部への材料流動を抑制する形状を設け、
前記第２工程では材料流動を抑制しないことを特徴とするヨークの製造方法である。

請求項１０に記載の発明は、前記第１工程で使用する鍛造パンチに設ける材料流動を抑制する形状は、
前記鍛造パンチが前記素材と接触する部位において、
前記鍛造パンチを段付き構造とし、一方の段の外径を前記円筒部の内径と同じとし、他方の段の外径を前記円筒部の外径と同じとし、直径が大きい方の前記段部において、前記ヨークの２つの突起部の付け根に相当する断面積と同じ断面積となるように加圧軸とは垂直な平坦部を設け、
それ以外は前記素材と接触しない構成であることを特徴とする請求項９に記載のヨークの製造方法である。

請求項１１に記載の発明は、請求項７乃至請求項１０のいずれかのヨークの製造方法を用いて製造されたことを特徴とするヨークである。

前記構成により、この発明は、以下のような効果を有する。

請求項１に記載の発明では、第１工程で使用する鍛造パンチを先端が平坦面の円柱形状とし、鍛造パンチの外径をダイス内径と嵌合させるためのクリアランス分だけ小さくし、第２工程で使用する鍛造パンチの先端付近に、押圧時における突起部と相対する円筒部への材料流動を抑制する形状を設け、第１工程で完全密閉させないことで金型破壊を避け、かつ、圧縮成形により多くの塑性ひずみを付与することで加工硬化により強度を増し、かつ、第２工程で円筒端面の高さが揃うヨークを加工することが可能である。

請求項２に記載の発明では、第２工程で使用する鍛造パンチに設ける材料流動を抑制する形状は、鍛造パンチが第１工程後の加工品と接触する部位において、鍛造パンチを段付き構造とし、一方の段の外径を円筒部の内径と同じとし、他方の段の外径を円筒部の外径と同じとし、直径が大きい方の段部において、ヨークの２つの突起部の付け根に相当する断面積と同じ断面積となるように加圧軸とは垂直な平坦部を設け、それ以外は被加工材料と接触しない構造にする構成であり、圧縮成形することで多くの塑性ひずみを付与することで加工硬化により強度を増し、かつ、円筒端面の高さが揃うヨークを加工することが可能である。

請求項３に記載の発明では、請求項１または請求項２に記載の鍛造パンチの設計方法により製造された鍛造パンチを用い、第１工程で完全密閉させないことで金型破壊を避け、かつ圧縮成形することで多くの塑性ひずみを付与することで加工硬化により強度を増し、かつ、円筒端面の高さが揃うヨークを加工することが可能である。

請求項４に記載の発明では、第１工程で使用する鍛造パンチの先端付近に、押圧時における突起部に相対する円筒部への材料流動を抑制する形状を設けることとし、第２工程で使用する鍛造パンチでは材料流動を抑制せず、第１工程で完全密閉させないことで金型破壊を避け、かつ、圧縮成形することで多くの塑性ひずみを付与することで加工硬化により強度を増し、かつ、円筒端面の高さが揃うヨークを加工することが可能である。

請求項５に記載の発明では、第１工程で使用する鍛造パンチに設ける材料流動を抑制する形状は、鍛造パンチが素材と接触する部位において、鍛造パンチを段付き構造とし、一方の段の外径を円筒部の内径と同じとし、他方の段の外径を円筒部の外径と同じとし、直径が大きい方の段部において、ヨークの２つの突起部の付け根に相当する断面積と同じ断面積となるように加圧軸とは垂直な平坦部を設け、それ以外は素材と接触しない構造にする構成であり、第１工程で完全密閉させないことで金型破壊を避け、かつ、圧縮成形することで多くの塑性ひずみを付与することで加工硬化により強度を増し、かつ、円筒端面の高さが揃うヨークを加工することが可能である。

請求項６に記載の発明では、請求項４または請求項５に記載の鍛造パンチの設計方法により製造されたことで、第１工程で完全密閉させないことで金型破壊を避け、かつ、圧縮成形することで多くの塑性ひずみを付与することで加工硬化により強度を増し、かつ円筒端面の高さが揃うヨークを加工することが可能である。

請求項７に記載の発明では、第１工程で使用する鍛造パンチを先端が平坦面の円柱形状とし、鍛造パンチの外径をダイス内径と嵌合させるためのクリアランス分だけ小さくし、第２工程で使用する鍛造パンチの先端付近に、押圧時における突起部と相対する円筒部への材料流動を抑制する形状を設けた構成であり、第１工程での加工終了時における突起部の充満率を９０％以上１００％未満とすることで金型破壊を避け、かつ、圧縮成形することで多くの塑性ひずみを付与することで加工硬化により強度を増し、かつ、円筒端面の高さが揃うヨークを加工することが可能である。ここで、９０％未満であれば、円筒端面の高さの差が出易くなり、１００％では完全密閉になるので金型が破壊する。

請求項８に記載の発明では、第２工程で使用する鍛造パンチに設ける材料流動を抑制する形状は、鍛造パンチが第１工程後の加工品と接触する部位において、鍛造パンチを段付き構造とし、一方の段の外径をヨーク円筒部の内径と同じとし、他方の段の外径をヨーク円筒部の外径と同じとし、直径が大きい方の段部において、ヨークの２つの突起部の付け根に相当する断面積と同じ断面積となるように加圧軸とは垂直な平坦部を設け、平坦部により加工時にヨーク円筒部の加圧軸方向とは逆方向への材料流動を拘束することで突起部のみの静水圧を高めることにより突起部の充満性を得、平坦部以外は被加工材料と接触しない構造であり、第１工程で完全密閉させないことで金型破壊を避け、かつ、圧縮成形することで多くの塑性ひずみを付与することで加工硬化により強度を増し、かつ、円筒端面の高さが揃うヨークを加工することが可能である。

請求項９に記載の発明では、第１工程で使用する鍛造パンチの先端付近に、押圧時における突起部に相対する円筒部への材料流動を抑制する形状を設け、第２工程では材料流動を抑制しない構成であり、第１工程で完全密閉させないことで金型破壊を避け、かつ、圧縮成形することで多くの塑性ひずみを付与することで加工硬化により強度を増し、かつ、円筒端面の高さが揃うヨークを加工することが可能である。

請求項１０に記載の発明では、第１工程で使用する鍛造パンチに設ける材料流動を抑制する形状は、鍛造パンチが素材と接触する部位において、鍛造パンチを段付き構造とし、一方の段の外径をヨーク円筒部の内径と同じとし、他方の段の外径がヨーク円筒部の外径と同じとし、直径が大きい方の段部において、ヨークの２つの突起部の付け根に相当する断面積と同じ断面積となるように加圧軸とは垂直な平坦部を設け、それ以外は素材と接触しない構造であり、第１工程で完全密閉させないことで金型破壊を避け、かつ、圧縮成形することで多くの塑性ひずみを付与することで加工硬化により強度を増し、かつ、円筒端面の高さが揃うヨークを加工することが可能である。

請求項１１に記載の発明では、加工硬化により強度を増し、かつ、円筒端面の高さが揃うヨークである。

第１発明のヨークの製造工程全体を説明する図である。 第１発明の第１工程を説明する図である。 第１発明の第２工程を説明する図である。 第２発明のヨークの製造工程全体を説明する図である。 第２発明の第１工程を説明する図である。 第２発明の第２工程を説明する図である。 鍛造パンチを示す図である。 鍛造パンチの設計を説明する図である。 プロペラシャフトの概略図である。 ユニバーサルジョイントのヨークの斜視図である。 ユニバーサルジョイントのヨークの４方向から見た図である。 従来製造方法の一例を示す図である。 従来製造方法の一例を示す図である。 従来のヨークの鍛造方法を示す図である。 従来のヨークの鍛造方法を示す図である。

以下、この発明の鍛造パンチの設計方法及び鍛造パンチ並びにヨークの製造方法、ヨークの実施の形態について説明する。この発明の実施の形態は、発明の最も好ましい形態を示すものであり、この発明はこれに限定されない。この実施の形態では、ヨークとして、ユニバーサルジョイントのヨークを示した。この他、自動車のステアリング機構や小型船舶のクラッチからプロペラ間に使用される類似形状のヨークも同様である。

（第１発明の鍛造パンチの設計方法）
この実施の形態の鍛造パンチの設計方法及び鍛造パンチを、図１乃至図３に基づいて説明する。図１はヨークの製造工程全体を説明する図、図２は第１発明の第１工程を説明する図、図３は第１発明の第２工程を説明する図である。

この鍛造パンチの設計方法は、ヨークを鍛造加工するための穴１０ａを有するダイス１０と、ダイス１０に対向して配置される第１パンチ２０と第２パンチ２１とを備え、ダイス１０の成形穴に加工前の円柱の素材１を配置し、第１工程Ａ１と第２工程Ａ２を実施し、鍛造パンチ先端の押圧部により素材１を押圧してヨーク３を成形する鍛造パンチの設計方法である。第１パンチ２０と第２パンチ２１によって成形されたヨーク３は、２つの突起部３ａと１つの円筒部３ｂを有する。

鍛造パンチの設計方法では、第１工程Ａ１で使用する第１パンチ２０を、ダイス内径とほぼ同じ（装填するためのクリアランス分だけ小さいと言う意味）断面積の平坦面２０ａとし、第２工程Ａ２で使用する第２パンチ２１の先端付近に、押圧時における突起部３ａと相対する円筒部３ｂへの材料流動を抑制する形状を設ける。

第１工程Ａ１において、使用する第１パンチ２０は、ダイス内径とほぼ同じ（装填するためのクリアランス分だけ小さいと言う意味）断面積の平坦面２０ａとしており、第１パンチ２０によってダイス１０の空洞の成形穴１０ａに配置された円柱の素材１を押圧加工する。第１工程Ａ１では、円柱の素材１は、圧縮成形することで多くの塑性ひずみが付与され、加工硬化されると言う意味で高強度化され、かつ、プレススライドのストロークを調整することで空間３０を生じさせ、完全密閉させないことで金型破壊を避けるようにしている。なお、充満率の割合は、突起部の高さの充満率で９０％とした。

この第１工程Ａ１では、第１パンチ２０によって円柱の素材１が圧縮成形され、この加工品２は突起部２ａと円柱部２ｂを有し、この円柱部２ｂにおいて、突起部２ａ直下とそれ以外では塑性ひずみの不均一分布が形成されており、これが次工程での円筒成形時の材料流動の容易さ、流動し難さを生じさせている。第１パンチ２０は、ダイス内径とほぼ同じ断面積の平坦面２０ａとすることで、加工品２の全体に塑性ひずみを付与するようにしている。これにより次工程のヨーク円筒部の強度が加工硬化により向上する。

第２工程Ａ２において、使用する第２パンチ２１の被加工材料との接触部である先端付近に、突起部と相対する円筒部への材料流動を抑制する形状を設ける。この第２パンチ２１に設ける材料流動を抑制する形状は、加工品２との接触部において、ヨーク３の２つの突起部３ａの付け根に相当する断面積と同じ断面積となるように加圧軸とは垂直な平坦部２１ａを設け、それ以外の部分２１ｂは材料と接触しない構造にする構成である。

この第２工程Ａ２では、第１工程Ａ１の加工終了時の円柱部２ｂにおける塑性ひずみの不均一分布を要因としたヨーク円筒部成形の不整端面発生を回避するため、第２パンチ２１を段付きにして加工品２との接触部は、ヨーク３の２つの突起部３ａの付け根に相当する断面積と同じ断面積となるように加圧軸とは垂直な平坦部２１ａを設けて被加工材料を加圧軸方向に拘束する形状とし、それ以外の部分２１ｂは被加工材料と接触しない逃がし構造とした。この実施の形態では、それ以外の部分２１ｂの逃がしの幅は、加工品３における突起部３ａの付け根の幅と同じにしたが、この幅を増減することで、不整端面の領域と加工荷重を制御できる。また、平坦部２１ａで加圧時に被加工材料を加圧軸方向に拘束することで、加工品３の突起部３ａの静水圧が高くなり、突起部３ａ部が完全充満すると言う副次的な効果もある

（第２発明の鍛造パンチの設計方法）
この実施の形態の鍛造パンチの設計方法及び鍛造パンチを、図４乃至図８及び図１４に基づいて説明する。図４はヨークの製造工程全体を説明する図、図５は第１工程を説明する図、図６は第２工程を説明する図である。

鍛造パンチの設計方法は、ヨーク５を鍛造加工するための空洞の成形穴５０ａを有するダイス５０と、ダイス５０に対向して配置される第１パンチ６０と第２パンチ６１を備え、ダイス５０の空洞の成形穴５０ａに加工前の円柱の素材１を配置し、第１工程Ｂ１と第２工程Ｂ２を実施し、鍛造パンチ先端の押圧部により円柱の素材１を押圧してヨーク５を成形する鍛造パンチの設計方法である。第１パンチ６０と第２パンチ６１によって成形されたヨーク５は、２つの突起部５ａと１つの円筒部５ｂを有する。

鍛造パンチの設計方法では、第１工程Ｂ１で使用する第１パンチ６０の被加工材料との接触部である先端付近に、押圧時に突起部に相対する円筒部への材料流動を抑制する形状を設けることとし、第２工程Ｂ２で使用する第２パンチ６１では材料流動を抑制しない。ここで、材料流動を抑制しない形状とは、図１４のパンチ３０１と同じ寸法形状である。

第１工程Ｂ１において、使用する第１パンチ６０に設ける材料流動を抑制する形状は、第１パンチ６０を段付きにして、円柱の素材１との接触部は、ヨーク５の２つの突起部５ａの付け根に相当する断面積と同じ断面積となるように加圧軸とは垂直な平坦部６０ａを設けて被加工材料を加圧軸方向に拘束する形状とし、それ以外の部分６０ｂは円柱の素材１と接触しない凹み構造とした。第１工程Ｂ１では、第１パンチ６０は、全体的に塑性ひずみを付与することを意図しており、空洞の成形穴５０ａ部への塑性流動が促進されるため、円筒部においては空洞の成形穴５０ａ部と相対する部分の円筒高さが低くなり、それ以外では円筒高さが高くなる。すなわち、第１工程Ｂ１では加工品４は突起部４ａと円柱部４ｂを有し、円筒部高さは予め高低差が付くことになる。この高低差が、次工程でのヨーク円筒端面の高さを揃えるためのポイントである。この実施の形態では、凹みの加圧軸直角方向の幅は，空洞の成形穴５０ａ部の付け根の同幅と同じにしたが、この幅を増減することで、不整端面の領域と加工荷重を制御できる。

第２工程Ｂ２で使用する第２パンチ６１は、図１４のパンチ３０１と同じ寸法形状であり、パンチ３０１の外径は加工品５の円筒内径と同一である。すなわち、第２工程Ｂ２で塑性流動が加圧軸方向および逆方向に不均一な分布となっても、第１工程Ｂ１で予め円筒部に高低差を付けているから流動制御しない図１４のパンチ３０１を使っても、最終的な円筒端面の高さが揃う。

（鍛造パンチの設計方法により製造された鍛造パンチ）
鍛造パンチの設計方法により製造された鍛造パンチを、図７及び図８に基づいて説明する。図７は鍛造パンチを示す図、図８は鍛造パンチの設計を説明する図である。

図７（ａ）は、第１発明の鍛造パンチの設計方法により製造された第２パンチ２１を示し、第２パンチ２１の加工品２との接触部は、ヨーク３の２つの突起部３ａの付け根に相当する断面積と同じ断面積となる様に加圧軸とは垂直な平坦部２１ａを設けて被加工材料を加圧軸方向に拘束する形状とし、それ以外の部分２１ｂは材料と接触しない逃がし構造とした。

図７（ｂ）は、第２発明の鍛造パンチの設計方法により製造された第１鍛造パンチ６０を示し、第１パンチ６０を段付きにして、円柱の素材１との接触部は、ヨーク５の２つの突起部５ａの付け根に相当する断面積と同じ断面積となるように加圧軸とは垂直な平坦部６０ａを設けて被加工材料を加圧軸方向に拘束する形状とし、それ以外の部分６０ｂは素材１と接触しない凹み構造とした。

このように、第２パンチ２１に形成される段付き部の部分２１ｂの逃がしと、第１パンチパンチ６０に形成される段付き部の部分２１ｂの凹みは、明確に区別され、図８（ａ）に示すように、逃がしと凹みの幅Ｗは、剛塑性ＦＥＭ（有限要素）解析により、鍛造パンチの円筒端の立ち上がりが悪い部分の円周長さを目安に決める。高さＨは、幅Ｗをもとに、不足する体積になるように高さＨを決める。逃がしと凹みの幅Ｗと高さＨを決めると、図８（ｂ）に示すように、逃がしと凹みの隅部を滑らかにＲ（アール）でつなぐ。加工時に、巻き込み欠陥等が発生しないように、できるだけ大きなＲ（アール）でつなぐことが好ましく、例えばＲ１０以上が好ましい。

このように、この発明の鍛造パンチの設計方法では、第１工程と第２工程の２工程にすることで、工程が増加するが、２工程に分けて自由端面を設けているため完全密閉ではなく、金型破壊を避けられ、コスト増を相殺できる。また、材料の十分な塑性ひずみを付与し、加工硬化により高強度化することができ、工程を分けることに合理性がある。また、工程を複数に分けても特願２０１４−０５９９１７を用いることでコスト増は避けられる。

さらに、油圧装置による背圧を用いることなく、第１パンチ、第２パンチの形状を適切に選択するのみで、材料の十分な塑性ひずみを付与し、加工硬化により高強度化し、かつ端面高さを制御可能である。

（第１発明のヨークの製造方法）
このヨークの製造方法は、図１乃至図３に示すように、２つの突起部３ａと１つの円筒部３ｂを有するヨーク３を鍛造加工するための穴を有するダイス１０と、ダイス１０に対向して配置される第１パンチ２０及び第２パンチ２１を備え、この第１パンチ２０及び第２パンチ２１は、前記第１発明の鍛造パンチの設計方法により製造されたものである。このヨークの製造方法では、ダイス１０の成形穴１０ａに加工前の円柱の素材１を装填し、第１工程Ａ１と第２工程Ａ２を実施し、鍛造パンチ先端の押圧部により円柱の素材１を押圧してヨーク３を成形する。

第１工程Ａ１で使用する第１パンチ２０をダイス内径とほぼ同じ断面積の平坦面２０ａとすることで、円柱の素材１は、圧縮成形されることで多くの塑性ひずみが付与され、加工硬化により高強度化され、かつ、プレススライドのストロークを調整することで空間３０を生じさせ、完全密閉させないことで金型破壊を避けるようにしている。

第２工程Ａ２では、使用する第２パンチ２１の被加工材料との接触部である先端付近に、突起部と相対する円筒部への材料流動を抑制する形状を設け、この第２パンチ２１に設ける材料流動を抑制する形状は、第２パンチ２１の加工品２との接触部において、ヨーク３の２つの突起部３ａの付け根に相当する断面積と同じ断面積となる様に加圧軸とは垂直な平坦部２１ａを設け、それ以外の部分２１ｂは被加工材料と接触しない構造である。この第２工程Ａ２では、第１工程Ａ１の加工終了次の円柱部２ｂにおける塑性ひずみの不均一分布を要因とした円筒部成形の不整端面発生を回避するため、第２パンチ２１を段付きにして加工品２との接触部は、ヨーク３の２つの突起部３ａの付け根に相当する断面積と同じ断面積となるように加圧軸とは垂直な平坦部２１ａを設けて被加工材料を加圧軸方向に拘束する形状とし、それ以外の部分２１ｂは被加工材料と接触しない逃がし構造とした。また、平坦部２１ａで加圧時に被加工材料を加圧軸方向に拘束することで加工品３の突起部３ａの静水圧を高め、突起部３ａ部が完全充満し易くなり、さらに円筒端面の高さが揃うヨーク３を加工することが可能である。

このように、第１工程Ａ１で使用する第１パンチ２０をダイス内径と同じ断面積の平坦面２０ａとし、第２工程Ａ２で使用する第２パンチ２１の被加工材料との接触部である先端付近に、突起部に相対する円筒部への材料流動を抑制する形状を設け、第１工程Ａ１で完全密閉させないことで金型破壊を避け、かつ、圧縮成形することで多くの塑性ひずみを付与し、加工硬化による高強度化と、円筒端面の高さを揃えるヨークの加工が可能となる。

また、第２工程Ａ２で使用する第２パンチ２１に設ける材料流動を抑制する形状は、第２パンチ２１の加工品２との接触部において、ヨーク３の２つの突起部３ａの付け根に相当する断面積と同じ断面積となる様に加圧軸とは垂直な平坦部２１ａを設け、それ以外の部分２１ｂは加工品２と接触しない構造にする構成であり、圧縮成形することで多くの塑性ひずみを付与することで加工硬化による高強度化と、かつ、円筒端面の高さが揃うヨーク３を加工することが可能である。なお、実際に試作した加工品を図１の写真に示す。円筒端が揃っていることが分かる。

（第２発明のヨークの製造方法）
このヨークの製造方法は、図４乃至図６に示すように２つの突起部５ａと１つの円筒部５ｂを有するヨーク５を鍛造加工するための穴を有するダイス５０と、ダイス５０に対向して配置される第１パンチ６０及び第２パンチ６１を備え、この第１パンチ６０及び第２パンチ６１は、第２発明の鍛造パンチの設計方法により製造されたものである。このヨークの製造方法では、ダイス５０の空洞の成形穴５０ａに加工前の円柱の素材１を配置し、第１工程Ｂ１と第２工程Ｂ２を実施し、鍛造パンチ先端の押圧部により円柱の素材１を押圧してヨーク５を成形する。

第１工程Ｂ１で使用する第１パンチ６０の被加工材料との接触部である先端付近に、押圧時に突起部に相対する円筒部への材料流動を抑制する形状を設けるものである。この第１パンチ６０に設ける材料流動を抑制する形状は、第１パンチ６０を段付きにして、円柱の素材１との接触部は、ヨーク５の２つの突起部５ａの付け根に相当する断面積と同じ断面積となるように加圧軸とは垂直な平坦部６０ａを設けて被加工材料を加圧軸方向に拘束する形状とし、それ以外の６０ｂは円柱の素材１と接触しない凹み構造である。第１工程Ｂ１では、第１パンチ６０は、全体的に多くの塑性ひずみを付与することを意図しており、空洞の成形穴５０ａへの塑性流動が促進されるため、円筒部においては空洞の成形穴５０ａと相対する部分の円筒高さが低くなり、それ以外では円筒高さが高くなる。すなわち、第１工程Ｂ１では加工品４の円筒部高さは予め高低差が付くことになる。この実施の形態では、凹み６０ｄの加工軸直角方向の幅は，角（つの）部６０ｃの同幅と同じにしたが、この幅を増減することで、不整端面の領域と加工荷重を制御できる。

第２工程Ｂ２で使用する第２パンチ６１の外径は、加工品５の円筒内径と同一である。第１工程Ｂ１で、円筒部に高低差を付けているから最終的な円筒端面の高さが揃う。

このように、第１工程Ｂ１で使用する第１パンチ６０の先端付近に、押圧時に突起部に相対する円筒部への材料流動を抑制する形状を設け、第２工程Ｂ２で使用する第２パンチ６１に、材料流動を抑制しない形状を設けた構成であり、第１工程Ｂ１で完全密閉させないことで金型破壊を避け、かつ圧縮成形することで多くの塑性ひずみを付与することで加工硬化による高強度化、かつ、円筒端面の高さが揃うヨークを加工することが可能である。

また、第１工程Ｂ１で使用する第１パンチ６０に設けた材料流動を抑制する形状は、第１パンチ６０の円柱の素材との接触部において、ヨーク５の２つの突起部５ａの付け根に相当する断面積と同じ断面積となる様に加圧軸とは垂直な平坦部６０ａを設け、それ以外の部分６０ｂは素材１と接触しない構造であり、第１工程Ｂ１で完全密閉させないことで金型破壊を避け、かつ、圧縮成形することで多くの塑性ひずみを付与して高強度化することが可能になる。

この発明は、薄肉の円筒部と２つの突起部を有するヨークを製造する鍛造パンチの設計方法及び鍛造パンチ並びにヨークの製造方法、ヨークに適用でき、強度を有し、かつ、円筒端面の高さが揃うヨークを加工することが可能である。

１ 素材
３，５ヨーク
３ａ，５ａ ２つの突起部
３ｂ，５ｂ １つの円筒部
１０，５０ ダイス
１０ａ，５０ａ 穴
２０，６０ 第１パンチ
２０ａ 平坦面
２１，６１ 第２パンチ
２１ａ，６０ａ平坦部
２１ｂ，６０ｂ 平坦部以外
Ａ１，Ｂ１ 第１工程
Ａ２，Ｂ２ 第２工程
３０１ パンチ

Claims (11)

1. ２つの突起部と１つの円筒部を有するヨークを鍛造加工するための穴を有するダイスと、
   前記ダイスに対向して配置される鍛造パンチとを備え、
   前記ダイスの成形穴に加工前の素材を配置し、第１工程と第２工程を実施し、前記鍛造パンチ先端の押圧部により前記素材を押圧して前記ヨークを成形する鍛造パンチの設計方法であり、
   前記第１工程で使用する鍛造パンチを先端が平坦面の円柱形状とし、前記鍛造パンチの外径を前記ダイス内径とは嵌合させるためのクリアランス分だけ小さくし、
   前記第２工程で使用する鍛造パンチの先端付近に、押圧時における前記突起部と相対する円筒部への材料流動を抑制する形状を設けることを特徴とする鍛造パンチの設計方法。
2. 前記第２工程で使用する鍛造パンチに設ける材料流動を抑制する形状は、
   前記鍛造パンチが前記第１工程後の加工品と接触する部位において、
   前記鍛造パンチを段付き構造とし、一方の段の外径を前記円筒部の内径と同じとし、他方の段の外径を前記円筒部の外径と同じとし、直径が大きい方の前記段部において、前記ヨークの２つの突起部の付け根に相当する断面積と同じ断面積となるように加圧軸とは垂直な平坦部を設け、
   それ以外は被加工材料と接触しない構成であることを特徴とする請求項１に記載の鍛造パンチの設計方法。
3. 請求項１または請求項２に記載の鍛造パンチの設計方法により製造されたことを特徴とする鍛造パンチ。
4. ２つの突起部と１つの円筒部を有するヨークを鍛造加工するための穴を有するダイスと、
   前記ダイスに対向して配置される鍛造パンチとを備え、
   前記ダイスの成形穴に加工前の素材を配置し、第１工程と第２工程を実施し、前記鍛造パンチ先端の押圧部により前記素材を押圧して前記ヨークを成形する鍛造パンチの設計方法であり、
   前記第１工程で使用する鍛造パンチの先端付近に、押圧時における前記突起部に相対する円筒部への材料流動を抑制する形状を設け、
   前記第２工程で使用する鍛造パンチでは材料流動を抑制しないことを特徴とする鍛造パンチの設計方法。
5. 前記第１工程で使用する鍛造パンチに設ける材料流動を抑制する形状は、
   前記鍛造パンチが前記素材と接触する部位において、
   前記鍛造パンチを段付き構造とし、一方の段の外径を前記円筒部の内径と同とし、他方の段の外径を前記円筒部の外径と同じとし、直径が大きい方の前記段部において、前記ヨークの２つの突起部の付け根に相当する断面積と同じ断面積となるように加圧軸とは垂直な平坦部を設け、
   それ以外は前記素材と接触しない構成であることを特徴とする請求項４に記載の鍛造パンチの設計方法。
6. 請求項４または請求項５に記載の鍛造パンチの設計方法により製造されたことを特徴とする鍛造パンチ。
7. ２つの突起部と１つの円筒部を有するヨークを鍛造加工するための穴を有するダイスと、
   前記ダイスに対向して配置される鍛造パンチとを備え、
   前記ダイスの成形穴に加工前の素材を配置し、第１工程と第２工程を実施し、前記鍛造パンチ先端の押圧部により前記素材を押圧して前記ヨークを成形するヨークの製造方法であり、
   前記第１工程で使用する鍛造パンチを先端が平坦面の円柱形状とし、前記鍛造パンチの外径を前記ダイス内径と嵌合させるためのクリアランス分だけ小さくし、
   前記第２工程で使用する鍛造パンチの先端付近に、押圧時における前記突起部と相対する円筒部への材料流動を抑制する形状を設け、前記第１工程での加工終了時における前記突起部の充満率を９０％以上１００％未満とした構成であることを特徴とするヨークの製造方法。
8. 前記第２工程で使用する鍛造パンチに設ける材料流動を抑制する形状は、
   前記鍛造パンチが前記第１工程後の加工品と接触する部位において、
   前記鍛造パンチを段付き構造とし、一方の段の外径を前記円筒部の内径と同じとし、他方の段の外径を前記円筒部の外径と同じとし、直径が大きい方の前記段部において、前記ヨークの２つの突起部の付け根に相当する断面積と同じ断面積となる様に加圧軸とは垂直な平坦部を設け、
   前記平坦部により加工時に前記円筒部の加圧軸方向とは逆方向への材料流動を拘束することで前記突起部のみの静水圧を高めることにより前記突起部の充満性を得、
   前記平坦部以外は被加工材料と接触しない構成であることを特徴とする請求項７に記載のヨークの製造方法。
9. ２つの突起部と１つの円筒部を有するヨークを鍛造加工するための穴を有するダイスと、
   前記ダイスに対向して配置される鍛造パンチとを備え、
   前記ダイスの成形穴に加工前の素材を配置し、第１工程と第２工程を実施し、前記鍛造パンチ先端の押圧部により前記素材を押圧して前記ヨークを成形するヨークの製造方法であり、
   前記第１工程で使用する鍛造パンチの先端付近に、押圧時における前記突起部に相対する円筒部への材料流動を抑制する形状を設け、
   前記第２工程では材料流動を抑制しないことを特徴とするヨークの製造方法。
10. 前記第１工程で使用する鍛造パンチに設ける材料流動を抑制する形状は、
    前記鍛造パンチが前記素材と接触する部位において、
    前記鍛造パンチを段付き構造とし、一方の段の外径を前記円筒部の内径と同じとし、他方の段の外径を前記円筒部の外径と同じとし、直径が大きい方の前記段部において、前記ヨークの２つの突起部の付け根に相当する断面積と同じ断面積となる様に加圧軸とは垂直な平坦部を設け、
    それ以外は前記素材と接触しない構成であることを特徴とする請求項９に記載のヨークの製造方法。
11. 請求項７乃至請求項１０のいずれかのヨークの製造方法を用いて製造されたことを特徴とするヨーク。