JP2015223599A - 閉塞鍛造の前処理方法及び装置 - Google Patents

Abstract

【課題】閉塞鍛造用粗材の加熱処理において加熱後の温度分布を均一又は所望の温度分布にできる閉塞鍛造の前処理方法及び前処理装置を提供する。【解決手段】閉塞鍛造を実施する前に、前記閉塞鍛造に供される粗材Ｍの所定部位Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３ごとに、異なる加熱エネルギを与える加熱源１１，１２，１３を用いて加熱処理する工程を有し、前記加熱源は、単一又は複数の誘導加熱コイル１１を含み、前記粗材Ｍは前記誘導加熱コイル１１に囲繞された状態で加熱され、前記誘導加熱コイル１１は、単一のコイルからなり、前記粗材の所定部位に対応する部位１１１，１１２，１１３ごとにコイル巻数が異なる。【選択図】 図１

Description

本発明は、閉塞鍛造の前処理方法及び装置に関するものである。

バリの発生を抑え歩留まりを向上させるために、内燃機関のコネクティングロッド等の成形加工に閉塞鍛造法が採用されている（特許文献１）。この種の閉塞鍛造法では、型彫りに対するボリュームが最適化された閉塞鍛造用粗材が用いられ、閉塞鍛造用金型にセットする前にこの閉塞鍛造用粗材を所定温度に加熱処理することが行われている。以下、こうした加熱処理を含めて閉塞鍛造前に行う各種処理を前処理という。

特開２０１２−２４７７０号公報

しかしながら、閉塞鍛造用粗材は製品形状に応じた形状とされるので、部位ごとに肉厚が異なる異径形状となることが少なくない。そのため、閉塞鍛造前の加熱処理を行った際に熱容量が異なる部位ごとに温度差が生じ、このように閉塞鍛造用粗材の温度が不均一であると、低温の部分では充填効率が低下し、欠肉不良が生じ易いという問題がある。また、高温の部分ではダイクエンチ時間が長くなるという問題がある。

本発明が解決しようとする課題は、閉塞鍛造用粗材の加熱処理において加熱後の温度分布を均一又は所望の温度分布にできる閉塞鍛造の前処理方法及び前処理装置を提供することである。

本発明は、閉塞鍛造用粗材の所定部位ごとに異なる加熱エネルギを与える加熱源を用いて加熱処理することにより、上記課題を解決する。

本発明によれば、閉塞鍛造用粗材に対し、加熱源を用いて所定部位ごとに異なる加熱エネルギを与えるので、熱容量が大きい部位には大きな加熱エネルギが与えられ、熱容量が小さい部位には小さい加熱エネルギが与えられることで、閉塞鍛造用粗材の加熱温度を均一にすることができる。また、閉塞鍛造用粗材の部位に応じて所望の加熱エネルギを与えることで閉塞鍛造用粗材を所望の温度分布とすることができる。

本発明に係る閉塞鍛造の前処理装置の一実施の形態を示す図である。 本発明に係る閉塞鍛造の前処理方法及び装置に適用される被前処理物の一例を示す斜視図及び側面図である。 図２の被前処理物を閉塞鍛造する第１工程を示す平面図及び側面図である。 図２の被前処理物を閉塞鍛造する第２工程を示す平面図である。 図２の被前処理物を閉塞鍛造して得られる鍛造品（コネクティングロッド）を示す平面図である。 本発明に係る閉塞鍛造の前処理装置の他の実施の形態を示す図である。 本発明に係る閉塞鍛造の前処理装置のさらに他の実施の形態を示す図である。 本発明に係る閉塞鍛造の前処理装置のさらに他の実施の形態を示す図である。 図１に示す前処理装置を用いて前処理を行った際の処理時間と被前処理物の温度との関係を示すグラフである。

以下、本発明の一実施の形態を図面に基づいて説明する。本例は、図３Ｃに示す内燃機関のピストンピンとクランクピンとを連結するコネクティングロッドの主要部Ｃ（以下、単にコネクティングロッドＣともいう。）を閉塞鍛造法により製造する際の前処理として、その閉塞鍛造用粗材Ｍを加熱処理する方法及び装置に関するものである。図３Ｃに示すコネクティングロッドＣは、Ｓ４５Ｃなどの機械構造用炭素鋼材等から構成され、クランクピンに連結される大端部Ｃ１（実際には大端部の半分）と、ピストンピンに連結される小端部Ｃ２と、これら大端部Ｃ１と小端部Ｃ２とを連結するＩ字状の連結部Ｃ３と、から構成されている。

こうした形状のコネクティングロッドＣを閉塞鍛造法により成形する場合、大端部Ｃ１、小端部Ｃ２及び連結部Ｃ３のそれぞれの最終形状が相違するため、材料体積を最適化した形状の粗材が鍛造用粗材Ｍとして準備される。たとえば、図３Ｃに示す鍛造品たるコネクティングロッドＣを得るために最適化した鍛造用粗材Ｍの一例を図２に示す。図示する鍛造用粗材Ｍは、コネクティングロッドＣの大端部Ｃ１に対応する一方の端部Ｍ１と、小端部Ｃ２に対応する他方の端部Ｍ２と、連結部Ｃ３に対応する中央部Ｍ３とから構成されている。

図２に示す鍛造用粗材Ｍは、図３Ａに示す第１の鍛造用金型２Ａにより第１の鍛造が施された後、図３Ｂに示す第２の鍛造用金型２Ｂにより第２の鍛造が施され、これにより図３Ｃに示す鍛造品Ｃが製造される。なお、最終的なコネクティングロッドＣは、図３Ｃに示す鍛造品の大端部Ｃ１及び小端部Ｃ２に対して、外周切断などのプレス加工や穴明けなどの機械加工を施すことにより製造されることになる。またこのような閉塞鍛造法は、特に限定されることはなく、たとえば上述した特許文献１に記載の閉塞鍛造法を用いることができる。

なおここで、図３Ｃに示す鍛造品Ｃの形状からすると、鍛造用粗材Ｍの両端部Ｍ１，Ｍ２の成形負荷が大きく、しかも鍛造後にプレス加工や機械加工を行う必要がある。これに対して、中央部Ｍ３については鍛造後の後加工が必要とされない。そのため、鍛造用粗材Ｍの中央部Ｍ３についてはダイクエンチを行って強度を確保するべく、たとえば８５０℃の加熱温度とする一方で、後加工が必要とされしかも成形負荷が大きい両端部Ｍ１，Ｍ２についてはダイクエンチを行わないで成形荷重を低減するべく、たとえば１２００℃の加熱温度とする。

ちなみに、ダイクエンチとは、加熱した鋼材を金型で成形すると同時に、その金型と鋼材の接触による冷却を利用し鋼材の焼入れを行うことで、高強度プレス加工部品を製作する工法である。鋼材をオーステナイト組織が現れる温度（Ｍｓ点）以上に加熱し、金型による冷却にて焼入れを行い、マルテンサイト変態を引き起こすものである。ダイクエンチを行うと、ほぼ形状の成形が完了した後に組織変態が生じているため、成形時に生じる残留応力発生が少ない。この残留応力が少ないことの利点として、スプリングバックが少なく形状凍結性が良く、遅れ破壊の可能性が少ないといったことが挙げられる。その一方で、焼入れ完了後の状態では高強度であるため、追加の塑性加工やプレス加工による部品外周の切断が困難である。

図１は、本例の前処理装置１を示す図であり、図２に示す鍛造用粗材に加熱エネルギを与える誘導加熱コイル１１と、当該誘導加熱コイル１１に交流電力を供給する交流電源１２と、当該交流電源１２からの電力を制御する制御部１３と、を備える。本例の誘導加熱コイル１２は、電磁誘導原理を利用した加熱エネルギを与える加熱源であって、当該誘導コイル１２に交流電流を流すと向き及び強度の変化する磁力線が生じ、この磁力線の影響により強磁性体及び導体である鍛造用粗材Ｍに渦電流が流れ、内部抵抗×（電流の二乗）のジュール熱が発生することにより、鍛造用粗材Ｍを加熱する。

本例の誘導加熱コイル１１は、太さが一様な１本の導電性線材をコイル状に巻回したものであり、その円筒形の内部空間１４に鍛造用粗材Ｍが収容され、この状態で加熱処理が行われる。上述したとおり、閉塞鍛造前の加熱条件として、鍛造用粗材Ｍの中央部Ｍ３については８５０℃の加熱温度とされる一方で、両端部Ｍ１，Ｍ２については１２００℃の加熱温度とされるため、特に本例の誘導加熱コイル１１は、鍛造用粗材Ｍの部位ごとに異なる加熱エネルギを与える構成とされている。以下、鍛造用粗材Ｍの部位Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３ごとに異なる加熱エネルギを与える構成例を説明する。

図１に示す第１例の誘導加熱コイル１１は、内部空間１４に収容された鍛造用粗材Ｍの軸方向に対し、一方の端部Ｍ１に対応する誘電加熱コイル１１の部位１１１は、内径Ｄ２の１巻と内径Ｄ１（＞Ｄ２）の３巻のコイルとし、他方の端部Ｍ２に対応する部位１１２は、内径Ｄ１の３巻とし、中央部Ｍ３に対応する部位１１３は、内径Ｄ１の２巻としたものである。

つまり、部位１１１の内径Ｄ２の１巻を除き、コイル径Ｄ１が同じでコイルの巻き数により異なる加熱エネルギを与えるものである。誘導加熱コイル１１からの電磁誘導によって鍛造用粗材Ｍに流れる電流は誘導加熱コイル１１の巻き数に比例することから、加熱温度の高い両端部Ｍ１，Ｍ２に対しては巻き数を相対的に多くし、加熱温度の低い中央部Ｍ３に対しては巻き数を相対的に少なくする。また、加熱温度が等しい両端部Ｍ１，Ｍ２については、その熱容量が他方の端部Ｍ２に比べて一方の端部Ｍ１の方が大きいので、部位１１１は内径Ｄ２が小さい１巻を追加する。

図１に示す第１例の誘導加熱コイル１１は、主としてコイルの巻き数を異ならしめることで鍛造用粗材Ｍの部位ごとに異なる加熱エネルギを与える構成としたが、これに代えて又はこれに加えてコイル径（内径）を異ならしめることで鍛造用粗材Ｍの部位ごとに異なる加熱エネルギを与える構成としてもよい。図４の右図に示す第２例の誘導加熱コイル１１は、太さが一様な１本の導電性線材をコイル状に巻回したものであり、左図に示す鍛造用粗材Ｍの軸方向に対し、一方の端部Ｍ１に対応する誘電加熱コイル１１の部位１１１は、内径Ｄ２の３巻のコイルとされ、他方の端部Ｍ２に対応する部位１１２は、内径Ｄ１（＞Ｄ２）の３巻とされ、中央部Ｍ３に対応する部位１１３は、内径Ｄ１の２巻とされている。

つまり、加熱温度が等しい両端部Ｍ１，Ｍ２については、その熱容量が他方の端部Ｍ２に比べて一方の端部Ｍ１の方が大きいので、巻き数が同じでコイル径Ｄ１，Ｄ２により異なる加熱エネルギを与えるものである。誘導加熱コイル１１からの電磁誘導によって鍛造用粗材Ｍに流れる電流は誘導加熱コイル１１の磁界の強さに比例し磁界の強さは誘電加熱コイル１１と鍛造用粗材Ｍとの距離の二乗に反比例することから、加熱温度は等しいが熱容量の大きい一方の端部Ｍ１に対してはコイル径Ｄ２を相対的に小さくし、熱容量の小さい他方の端部Ｍ２に対してはコイル径Ｄ１を相対的に大きくする。なお、加熱温度の高い他方の端部Ｍ２に対してはコイル径Ｄ１を等しくして巻き数（３巻）を相対的に多くし、加熱温度の低い中央部Ｍ３に対してはコイル径Ｄ１を等しくして巻き数（２巻）を相対的に少なくする。また、加熱温度の高い一方の端部Ｍ１に対してはコイル径Ｄ２を相対的に小さくするとともに巻き数（３巻）を相対的に多くし、加熱温度の低い中央部Ｍ３に対してはコイル径Ｄ１を相対的に大きくするとともに巻き数（２巻）を相対的に少なくする。

図１及び図４に示す第１例及び第２例の誘導加熱コイル１１は、図２に示す鍛造用粗材Ｍの形状に応じた構成とされているが、鍛造用粗材Ｍの形状が異なればその形状に応じて誘導加熱コイル１１の構成も異ならしめることができる。図５の左図は第３例の誘導加熱コイル１１を示し、右図は第４例の誘導加熱コイル１１を示す。鍛造用粗材Ｍの形状によっては、第３例の誘導加熱コイル１１のように、太さが一様な１本の導電性線材をコイル状に巻回し、一方の端部Ｍ１に対応する誘電加熱コイル１１の部位１１１は、内径Ｄ１の３巻のコイルとし、他方の端部Ｍ２に対応する部位１１２は、内径Ｄ２（＜Ｄ１）の３巻とし、中央部Ｍ３に対応する部位１１３は、０巻としてもよい。この第３例の誘導加熱コイル１１によれば、他方の端部Ｍ２に対する加熱エネルギが最も大きく、次に一方の端部Ｍ１に対する加熱エネルギが大きくなり、中央部Ｍ３に対する加熱エネルギを極端に小さくすることができる。

また、図５の右図に示す第４例の誘導加熱コイル１１は、太さが一様な１本の導電性線材をコイル状に巻回したものであり、一方の端部Ｍ１に対応する誘電加熱コイル１１の部位１１１は、内径Ｄ１の３巻のコイルとし、他方の端部Ｍ２に対応する部位１１２は、内径Ｄ２（＜Ｄ１）の３巻とし、中央部Ｍ３に対応する部位１１３は、内径Ｄ２の３巻としたものである。この第３例の誘導加熱コイル１１によれば、他方の端部Ｍ２に対する加熱エネルギと中央部Ｍ３に対する加熱エネルギを大きくし、一方の端部Ｍ１に対する加熱エネルギを小さくすることができる。

図１、図４及び図５に示す第１例〜第４例の誘導加熱コイル１１は、太さが一様な１本の導電性線材をコイル状に巻回したものであるが、これに代えて複数の誘導加熱コイル１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃから構成し、各誘電加熱コイル１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃに供給する電力を異ならしめることで鍛造用粗材Ｍの部位ごとに異なる加熱エネルギを与える構成としてもよい。図６に示す第５例の前処理装置１は、３つの誘電加熱コイル１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃと、当該３つの誘導加熱コイル１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃのそれぞれに交流電力を供給する交流電源１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃと、当該３つの交流電源１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃからの電力をそれぞれ制御する制御部１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃと、を備える。各誘電加熱コイル１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃの導電性線材の太さ、コイル内径Ｄ、及び巻き数はいずれも等しくされている。

そして、鍛造用粗材Ｍの加熱温度が、第１例のように鍛造用粗材Ｍの中央部Ｍ３については８５０℃の加熱温度とされる一方で、両端部Ｍ１，Ｍ２については１２００℃の加熱温度とされる場合には、各制御部１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃにより、誘導加熱コイル１１Ａに供給する電力を最も大きく、次に誘導加熱コイル１１Ｂに供給する電力を大きくし、誘導加熱コイル１１Ｃに供給する電力を最も小さくする。

またはこれに代えて、３つの誘導加熱コイル１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃの導電性線材の太さを異ならせてもよい。線材が太いほど大きな電流が流れるので加熱エネルギを大きくすることができる。したがって、加熱温度が高い部位や熱容量が大きい部位に対しては相対的に太い線材からなる誘導加熱コイル１１を用いればよい。

図７は、図１に示す前処理装置１を用いて、鍛造用粗材Ｍの中央部Ｍ３については８５０℃の加熱温度、両端部Ｍ１，Ｍ２については１２００℃の加熱温度となるように制御部１３を調整し、加熱処理を行った場合の鍛造用粗材Ｍの内部温度を測定した実験データである。同図に示すように、加熱開始Ｔ１から両端部Ｍ１，Ｍ２及び中央部Ｍ３の温度は急激に上昇するが、中央部Ｍ３については途中で昇温速度が低下し、その後、両端部Ｍ１，Ｍ２が１２００℃に達するのと前後して中央部Ｍ３が８５０℃に達する（加熱終了Ｔ２）。ここで加熱処理を終了し、誘導加熱コイル１１の内部空間１４から鍛造用粗材Ｍを取り出し、図３に示す閉塞鍛造用金型に搬送してセットする（閉塞鍛造開始Ｔ３）。この鍛造開始により中央部Ｍ３は８５０℃から冷却されることでダイクエンチが行われる。これに対して、両端部Ｍ１，Ｍ２については、閉塞鍛造開始時においても１１００℃を超える温度が維持され、これにより変形が容易となり欠肉不良を低減できることが理解される。

以上のように、本例の閉塞鍛造の前処理方法及び前処理装置によれば、閉塞鍛造に供される鍛造用粗材Ｍの所定部位Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３ごとに、異なる加熱エネルギを与える部位１１１，１１２，１１３を有する誘導加熱コイル１１を用いて加熱処理を行うので、加熱温度を低くしてダイクエンチを行う所定部位Ｍ２に対しては加熱温度を低くすることができる一方、加熱温度を高くして成形荷重を下げ成形性を高めるともに後加工のためにダイクエンチは行わない温度まで加熱することができる。

そして、従来、コネクティングロッドのような高強度材料からなる複雑な形状の部品は、素材を１２００℃程度に熱し、これを切断し、潰したのち、荒地鍛造し、仕上げ鍛造及びバリ取りをし、最後にトリミングするといった熱間鍛造法により製造されることが多いが、本例では閉塞鍛造法により製造するので、バリが少なく歩留まりが向上する。

また本例の閉塞鍛造の前処理方法及び前処理装置によれば、誘導加熱コイル１１を単一のコイルから構成し、部位１１１，１１２，１１３ごとに異なるコイル数としたため、簡単な構成で鍛造用粗材Ｍの所定部位Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３ごとに加熱温度を異ならしめることができる。

また本例の閉塞鍛造の前処理方法及び前処理装置によれば、誘導加熱コイル１１を単一のコイルから構成し、部位１１１，１１２，１１３ごとに異なるコイル径としたため、簡単な構成で鍛造用粗材Ｍの所定部位Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３ごとに加熱温度を異ならしめることができる。

また本例の閉塞鍛造の前処理方法及び前処理装置によれば、誘導加熱コイル１１を複数のコイルから構成し、部位１１１，１１２，１１３ごとに異なる加熱エネルギとしたため、鍛造用粗材Ｍの形状が相違しても汎用することができるとともに、所定部位Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３ごとに加熱温度を異ならしめることができる。

上記誘導加熱コイル１１，交流電源１２及び制御部１３は本発明に係る加熱源及び加熱部に相当し、上記鍛造用粗材Ｍの部位Ｍ１，Ｍ２、Ｍ３は本発明に係る粗材の所定部位に相当し、上記誘導加熱コイル１１の部位１１１，１１２，１１３は本発明に係る粗材の所定部位に対応する部位に相当する。

１…前処理装置
１１，１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃ…誘導加熱コイル
１１１，１１２，１１３…コイルの部位
１２，１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃ…交流電源
１３，１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃ…制御部
Ｍ…鍛造用粗材
Ｍ１…一方の端部
Ｍ２…他方の端部
Ｍ３…中央部
Ｃ…コネクティングロッド
Ｃ１…大端部
Ｃ２…小端部
Ｃ３…連結部
２Ａ…第１の鍛造用金型
２Ｂ…第２の鍛造用金型

Claims (10)

1. 閉塞鍛造を実施する前に、前記閉塞鍛造に供される粗材の所定部位ごとに、異なる加熱エネルギを与える加熱源を用いて加熱処理する工程を有する閉塞鍛造の前処理方法。
2. 前記加熱源は、単一又は複数の誘導加熱コイルを含み、前記粗材は前記誘導加熱コイルに囲繞された状態で加熱される請求項１に記載の閉塞鍛造の前処理方法。
3. 前記誘導加熱コイルは、単一のコイルからなり、前記粗材の所定部位に対応する部位ごとにコイル巻数が異なる請求項２に記載の閉塞鍛造の前処理方法。
4. 前記誘導加熱コイルは、単一のコイルからなり、前記粗材の所定部位に対応する部位ごとにコイル径が異なる請求項２又は３に記載の閉塞鍛造の前処理方法。
5. 前記加熱源は、前記粗材の所定部位に対応する複数のコイルからなり、これらコイルごとに出力する加熱エネルギが異なる請求項２に記載の閉塞鍛造の前処理方法。
6. 閉塞鍛造を実施する前に当該閉塞鍛造に供される粗材を加熱する前処理装置において、
   前記粗材の所定部位ごとに、異なる加熱エネルギを与える加熱部を有する閉塞鍛造の前処理装置。
7. 前記加熱部は、前記粗材を囲繞して収容する内部空間を有する、単一又は複数の誘導加熱コイルを含む請求項６に記載の閉塞鍛造の前処理装置。
8. 前記誘導加熱コイルは、単一のコイルからなり、前記粗材の所定部位に対応する部位ごとにコイル巻数が異なる請求項７に記載の閉塞鍛造の前処理装置。
9. 前記誘導加熱コイルは、単一のコイルからなり、前記粗材の所定部位に対応する部位ごとにコイル径が異なる請求項７又は８に記載の閉塞鍛造の前処理装置。
10. 前記加熱部は、前記粗材の所定部位に対応する複数のコイルからなり、これらコイルごとに出力する加熱エネルギが異なる請求項７に記載の閉塞鍛造の前処理装置。