JP2016002589A - 鍛造金型および鍛造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】
１パスあたりの圧下量が大きい場合でも、円筒状素材を高精度に鍛造できるようにした鍛造金型、逐次鍛造方法を提供する。
【解決手段】
Ｖ字状の溝を有する金型の、Ｖ字状の溝の加工面と金型加圧方向とのなす角をαとβとした場合、Ｖ字状の溝の平面の交点を被加工材中心周りに金型加圧方向から、(β−α)/2だけ回転させて配置させた金型を用いて二面鍛造を行う。
【選択図】 図６

Description

本発明は、鍛造金型および鍛造方法に関する。

フランジを備えた丸棒、軸、または円錐のような円形部品を量産するために、２つのハンマに鍛造用金型を取り付けて(型鍛造)、互いに向き合って叩く両ハンマの間に被加工材を通過させて製造する鍛造機械がある。
型鍛造では、金属の素材を金型などで圧力を加えて塑性流動させて成形する。鍛流線(fiber flow)が連続するために組織が緻密になり、鋳造に比べて鋳巣ができにくいので、強度に優れた素形材をつくることができる。

逐次鍛造金型の背景技術として、特開昭４８−２５６５０号公報（特許文献１）がある。この公報には、「作業面が軸線の周りを回転する加工片の回転方向に延びている鈍角のＶ字状工具溝の側面からなり、この溝がプリズム状の仕上げ部分に向かって楔上に細くなっている入り口部分を持っているものにおいて、入り口部分(4)において、加工片回転に関して前方の作業面(7)が溝底と加工片面とを通る平面(E)となす角(α)が、この平面と後方の作業面(8)との間の角(β)より大きく、これに反して仕上げ部分(3)においては2つの角(α'、β')が同じ多い差であることを特徴とする、互いに向合って叩く唯2つのハンマを持つ鍛造機械に対する円形鍛造のための工具。」と記載されている。

特開昭４８−２５６５０号公報

前記特許文献１には、円筒状素材を鍛造するための金型が記載されている。しかし、該特許文献１に記載された金型では、１パスあたりの圧下量が大きくなると、Ｖ字状金型溝面の角度α、βの角度差が大きくなり、下死点時でも2面での加圧となり、成形精度が悪化する課題があった。

本発明の目的は、1パスあたりの圧下量が大きい場合でも、円筒状被加工材を高精度に鍛造できるようにした逐次鍛造方法および鍛造金型を提供することにある。

上記課題を解決するために本発明では、鍛造機械に互いに対向して取り付けられる２つの円形鍛造用の鍛造金型を、各金型に形成されたＶ字状の溝が、第一の加工面と第二の加工面を有し、両金型の間を、回転送りと長手方向送りを付与されて移動する被加工材の回転に際して、先に被加工材に接する第一の加工面が金型の加圧方向と成す角βと、後に被加工材に接する第二の加工面が金型の加圧方向と成す角αが、β＞αの関係にあり、及び両金型のＶ字状の溝の底部が、両金型の間で回転移動する被加工材の中心軸まわりに、金型の加圧方向から、角度(β−α)/2だけ第二の加工面側に回転移動した配置に形成されるように構成した。

また、上記課題を解決するために本発明では、前記２つの円形鍛造用の鍛造金型が鍛造機械に互いに対向して取り付けられた際に、各金型に形成されたＶ字状の溝、第一の加工面、第二の加工面、およびＶ字状の溝の底部は、両金型の間で回転移動する被加工材の中心軸まわりに回転対称の関係にあるように構成した。

また、上記課題を解決するために本発明では、前記両金型のＶ字状の溝の底部が、前記第一の加工面と第二の加工面を所定の曲率を持った円弧で連続して構成されるようにした。

また、上記課題を解決するために本発明では、鍛造機械に被加工材を挟んで対向するＶ字状の溝を有する１対の鍛造金型を取り付けて、前記被加工材を前記金型で押し込み形状を創生する鍛造方法において、前記鍛造金型は、各金型に形成されたＶ字状の溝が、第一の加工面と第二の加工面を有し、両金型の間を、回転送りと長手方向送りを付与されて移動する被加工材の回転に際して、先に被加工材に接する第一の加工面が金型の加圧方向と成す角βと、後に被加工材に接する第二の加工面が金型の加圧方向と成す角αが、β＞αの関係にあり、及び両金型のＶ字状の溝の底部が、両金型の間で回転移動する被加工材の中心軸まわりに、金型の加圧方向から、角度(β−α)/2だけ第二の加工面側に回転移動した配置に形成されており、前記両金型間に、前記被加工材を配置し、前記被加工材を回転送り、長手方向送りを付与しながら前記両金型で押し込むようにした。

本発明によれば、円筒状被加工材を高精度に鍛造できるようにした逐次鍛造方法および鍛造金型を提供することができる。
上記した以外の課題、構成および効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

円筒状の被加工材を縮小する逐次鍛造方法を説明する斜視図である。 円筒状の素材を縮小する逐次鍛造方法を説明する断面図である。 円筒状の素材を縮小する逐次鍛造方法における金型形状と素材形状の関係を示す断面図である。 円筒状の素材を縮小する逐次鍛造方法における金型形状と素材形状の関係を示す断面図である。 円筒状の素材を縮小する逐次鍛造方法における金型形状と素材形状の関係を示す断面図である。 円筒状の素材を縮小する逐次鍛造方法における金型形状と素材形状の関係を示す断面図である。 本発明の金型、鍛造方法の効果を説明する図である。 円筒状の素材を縮小する逐次鍛造方法における金型形状の斜視図である。 対向して配置された１対の鍛造金型の断面図の１例である。

以下、実施例を図面を用いて説明する。
図１は、本実施例の鍛造機械において、図示してはいないマニピュレータにより円筒状の素材(被加工材)１を把持して、上下２つのハンマー(図示せず)に取り付けた金型１１ａ，１１ｂにより被加工材１を叩いて、その径を縮小する逐次鍛造方法を説明する斜視図である。

被加工材１の長手方向をｘ軸方向とし、１対の金型１１ａ，１１ｂの加圧方向をｚ軸方向とし、ｘ軸方向と、ｚ軸方向に直交する方向をｙ軸方向とする。１対の金型１１ａ，１１ｂは被加工材１を挟んで対向した状態で配置する。金型１１ａと金型１１ｂとが同時に被加工材１の中心方向に移動し１２，１３被加工材１を圧下する。その後、被加工材１をｘ軸方向に送るとともに、素材１をｘ軸まわりに送る。そして、また金型１１ａと金型１１ｂが同時に被加工材１の中心方向に移動し１２，１３被加工材１を圧下するということを繰り返す。
被加工材１をｘ軸方向に送る工程と、被加工材１をｘ軸まわりに回転させる工程とは必ずしも同時でなくて良いが、加工時間短縮の観点からは、被加工材１をｘ軸方向に送る工程と、被加工材１をｘ軸まわりに回転させる工程とを同時に行うことが好ましい。

図２は、Ｖ字状の溝２１を有する１対の金型１１を用いて円筒状の被加工材１を鍛造した場合における被加工材１の変形の例である。図２（Ａ）は円筒状の被加工材１をＶ字状の溝２１を有する金型１１で加圧する直前の断面図であり、図２（Ｂ）は図２（Ａ）で加圧した後、金型１１を被加工材１から離れるようにｚ軸方向に移動させ、被加工材１をｘ軸まわりに紙面時計回りに回転させ、再び金型１１を被加工材１に近づけるようにｚ軸方向に移動させ、被加工材１をＶ字状の溝２１を有する金型１１で加圧する直前の断面図である。
図２（Ａ）の状態で加圧された被加工材１は、Ｖ字状の溝の底部２２の近傍で加圧された被加工材角部２と、Ｖ字状の溝の平面２３で加圧された被加工材平坦部３と、被加工材平坦部３と被加工材円弧部４とをつなぐ被加工材角部５とから成る。この加圧された被加工材１を図２（Ｂ）に示すようにｘ軸まわりに回転させると、被加工材１の断面形状がｚｙ平面でＶ字状の溝と非対称となり、被加工材角部２と被加工材角部５が金型１１に非対称な状態で加圧される。このため、鍛造される被加工材１の断面形状の成形精度が低下する。

図３は、円筒状の被加工材１を鍛造するＶ字状の溝の加工面の角度を変えた金型の例である。図３は、金型１１のＶ字状の溝の加工面２３ａと金型１１の加圧方向１４(上下の金型１１はｚ軸方向に同時に加圧しており、かつ上下の金型１１のＶ字状の溝の底部２２を結んだ線１４が加圧方向１４と一致している。)との成す角をαとし、金型１１のＶ字状の溝の加工面２３ｂと金型１１の加圧方向との成す角をβとし、β＞αとした上下金型１１の配置の横断面図である。上下の金型１１の加工面は、被加工材１の回転軸(ｘ軸)まわりの回転対象の関係にある。
これらの金型１１の形状では、Ｖ字状の溝の加工面２３ａ，２３ｂと金型１１の加圧方向との成す角α、βの差が大きくなると、Ｖ字状の溝の加工面２３ａ側のみが被加工材１と接触し、加圧によって加工面２３ａ側の変形が起こったとしてもＶ字状の溝の加工面２３ｂ側は被加工材１と接触しないため、上下の金型１１の加工面２３ａの２面での鍛造となり、成形精度が低下する。

図４は、図３の例に引き続いて円筒状の被加工材１を鍛造する金型の例である。図４は、図３に対し金型１１のＶ字状の溝の加工面２３ａと金型１１の加圧方向１４とのなす角をαとし、金型１１のＶ字状の溝の加工面２３ｂと金型１１の加圧方向１４とのなす角をβとし、β＞αとした上下の金型１１の配置の横断面図であるが、Ｖ字状の溝の底部２２が金型１１の加圧方向１４から(β−α)/2だけ、被加工材１の中心軸９まわりに回転された位置に配置されている横断面図である。これにより、Ｖ字状の溝の加工面２３ａ，２３ｂと金型１１の加圧方向１４のなす角α、βの差が大きくなっても、上下の金型１１のＶ字状の溝の加工面２３ａと、Ｖ字状の溝の加工面２３ｂとが、被加工材１と接触するため、Ｖ字状の溝の加工面４面での鍛造となり、成形精度が向上する。
なお、被加工材１の回転は紙面時計回りに与えることになり、被加工材１の回転に際して、先に被加工材１に接触する加工面は２３ｂであり、後に接触する加工面は２３ａである。以降の他の図でも同様である。

図５は、図４の例に引き続いて円筒状の被加工材１を鍛造する金型の例である。図５は、図４と同様に、金型１１のＶ字状の溝の加工面２３ａと金型１１の加圧方向１４との成す角をαとし、金型１１のＶ字状の溝の加工面２３ｂと金型１１の加圧方向１４との成す角をβとし、Ｖ字状の溝の底部２２が金型１１の加圧方向１４から(β−α)/2だけ、被加工材１の中心軸９まわりに、後から接触する加工面２３ａ側へ回転された位置に配置されており、さらに、上側の金型１１の幅方向端部２４ａがもう一方の幅方向端部２４ｂより被加工材１の中心軸９側に配置されている横断面図である。これにより、Ｖ字状の溝の加工面２３ａ，２３ｂと金型１１の加圧方向１４との成す角α、βの差が大きくなっても、Ｖ字状の溝の加工面２３ａと２３ｂの幅２５ａ，２５ｂの差を低減することができ、大きな径の被加工材１でも高精度に鍛造することが可能となる。
なお、上下の金型１１の加工面の形状は、被加工材１の回転軸(ｘ軸)９まわりの回転対象の関係にある。

図６は、図５の例に引き続いて円筒状の被加工材１を鍛造する金型の例である。図６は、図５と同様であるが、Ｖ字状の溝の底部２２が円弧である断面図である。円弧状のＶ字状の溝の底部２２を有する金型１１で被加工材１を加圧することで、円弧形状が素材に転写され、成形精度が向上する。円弧状のＶ字状の溝の底部２２の曲率は、鍛造する被加工材１の最終寸法とすることが望ましい。

図７は、本発明の金型の効果を説明する図である。図７（Ａ）は金型１１のＶ字状の溝の加工面２３ａと金型１１の加圧方向１４との成す角をαとし、金型１１のＶ字状の溝の加工面２３ｂと金型１１の加圧方向１４との成す角をβとし、Ｖ字状の溝の底部(円弧状)２２が金型１１の加圧方向１４から(β−α)/2だけ、後に接触する加工面２３ａ側に、被加工材１１の中心軸９まわりに回転された位置に配置し、Ｖ字状の溝の底部２２が円弧である断面図である。この形状について、有限要素鍛造解析シミュレーションにより効果を比較した。条件は金型１１を被加工材１の方向に押し込み、被加工材１の直径を２２０ｍｍから２００ｍｍに縮径した。ｘ軸まわりの回転送りを３０°とし、金型１１による加圧と、ｘ軸まわりの回転送りを５回繰り返した。金型１１のＶ字状の溝の加工面２３ａと金型１１の加圧方向１４との成す角をαとし、金型１１のＶ字状の溝の加工面２３ｂと金型１１の加圧方向１４とのなす角をβとし、（α、β）と表現した場合、条件１は（４０°、８０°）、条件２は（６０°、６０°）とし、条件１はＶ字状の溝の底部２２が金型１１の加圧方向１４から(β−α)/2だけ、被加工材１の中心軸まわりに回転された位置に配置されている。

図７（Ｂ）は横軸４１に被加工材１の周方向の位置(相対的位置が分かる程度の位置座標)をとり、縦軸４２に被加工材１の半径をとった、被加工材１の表面の輪郭を、被加工材１の周方向に展開したグラフである。なお、横軸４１の単位は°、縦軸４２の単位はｍｍである。条件１、条件２のいずれも周方向に２か所ピークをもつ形状となっているが、条件１の方がピークの絶対値が小さく、変形がなだらかであり、成形精度が良いことが確認できる。

図８は、本発明の金型１１の1形態の例である。図８は、金型１１のＶ字状の溝の加工面２３ａと金型１１の加圧方向との成す角をαとし、金型１１のＶ字状の溝の加工面２３ｂと金型１１の加圧方向とのなす角をβとし、Ｖ字状の溝の底部２２が被加工材１の長手方向であるｘ軸方向に連続的に金型１１の加圧方向から(β−α)/2だけ、被加工材１の中心軸まわりに回転された位置に配置されている。金型１１による加圧毎に、被加工材１に回転送りと長手方向送りを付与する場合、金型１１により加工される部分近傍において、被加工材１が加圧される部分が、被加工材１の長手方向に連続的に変化する。上述のような金型１１の形状とすることで、被加工材１の断面形状の連続的な変化に対応し、高精度に成形することが可能となる。

図９は、図６に示す１対の金型１１ａ，１１ｂを、被加工材１の中心軸９と金型１１の加圧方向１４を通る平面で切断したＡ−Ａ’断面の一例を示す。図８に示す形態とは別の形態を示す。
図９では、上下金型１１ａ，１１ｂの断面は、入口部３１と、仕上げ部３２と、出口部３３に分けられる。仕上げ部３２の断面形状は、これらの金型で仕上げる最終製品形状と同じにしておき、入口部３１は、被加工材１を加圧して順次最終形状まで仕上げるために、断面形状を楔状に幅および深さを減少させるように形成している。また、出口部３３は入口部３１と対称的なテーパを備えて、被加工材１の送り方向８が逆となる戻り鍛造の場合に、入口部として使用される。
図９の断面図では、上金型１１ａには加工面２３ａが見えており、また、Ｖ字状の溝の底部２２が金型１１の加圧方向から(β−α)/2だけ、被加工材１の中心軸９まわりに回転された位置に配置されていることを示している。

１ 被加工材
２ 被加工材角部
３ 被加工材平坦部
４ 被加工材円弧部
５ 被加工材角部
７ 被加工材の回転送り
８ 被加工材の長手方向送り
９ 被加工材の回転中心軸
１１，１１ａ，１１ｂ 金型
１２，１３ 金型の加圧動作
１４ 金型の加圧方向
１５ Ｖ字状の溝の底部を結んだ線
２１ Ｖ字状の溝
２２ Ｖ字状の溝の底部
２３ Ｖ字状の溝の加工面
２４ 金型の幅方向端部
２５ 加工面の幅
３１ 入口部
３２ 仕上げ部
３３ 出口部
４１ 横軸
４２ 縦軸

Claims (10)

1. 鍛造機械に互いに対向して取り付けられる２つの円形鍛造用の鍛造金型において、
   各金型に形成されたＶ字状の溝が、第一の加工面と第二の加工面を有し、
   両金型の間を、回転送りと長手方向送りを付与されて移動する被加工材の回転に際して、先に被加工材に接する第一の加工面が金型の加圧方向と成す角βと、後に被加工材に接する第二の加工面が金型の加圧方向と成す角αが、β＞αの関係にあり、及び
   両金型のＶ字状の溝の底部が、両金型の間で回転移動する被加工材の中心軸まわりに、金型の加圧方向から、角度(β−α)/2だけ第二の加工面側に回転移動した配置に形成されていることを特徴とする鍛造金型。
2. 前記２つの円形鍛造用の鍛造金型が鍛造機械に互いに対向して取り付けられた際に、
   各金型に形成されたＶ字状の溝、第一の加工面、第二の加工面、およびＶ字状の溝の底部は、両金型の間で回転移動する被加工材の中心軸まわりに回転対称の関係にあることを特徴とする請求項１に記載の鍛造金型。
3. 前記両金型のＶ字状の溝の底部が、前記第一の加工面と第二の加工面を所定の曲率を持った円弧で連続して構成されていることを特徴とする請求項１、または請求項２に記載の鍛造金型。
4. 前記両金型のＶ字状の溝の底部が、前記第一の加工面と第二の加工面の交点が、正接する円弧でつながれていることを特徴とする請求項１、または請求項２に記載の鍛造金型。
5. 前記Ｖ字状の溝を有する金型の幅方向端部の一方の高さが、もう一方の幅方向端部の高さより高いことを特徴とする請求項１に記載の鍛造金型。
6. 前記第一の加工面と第二の加工面を連続する円弧の曲率は、最終製品形状の曲率に近づけて設定されていることを特徴とする請求項３に記載の鍛造金型。
7. 鍛造機械に被加工材を挟んで対向するＶ字状の溝を有する１対の鍛造金型を取り付けて、前記被加工材を前記金型で押し込み形状を創生する鍛造方法において、
   前記鍛造金型は、各金型に形成されたＶ字状の溝が、第一の加工面と第二の加工面を有し、
   両金型の間を、回転送りと長手方向送りを付与されて移動する被加工材の回転に際して、先に被加工材に接する第一の加工面が金型の加圧方向と成す角βと、後に被加工材に接する第二の加工面が金型の加圧方向と成す角αが、β＞αの関係にあり、及び
   両金型のＶ字状の溝の底部が、両金型の間で回転移動する被加工材の中心軸まわりに、金型の加圧方向から、角度(β−α)/2だけ第二の加工面側に回転移動した配置に形成されており、
   前記両金型間に、前記被加工材を配置し、前記被加工材を回転送り、長手方向送りを付与しながら前記両金型で押し込むことを特徴とする鍛造方法。
8. 前記両金型のＶ字状の溝の底部が、前記第一の加工面と第二の加工面を所定の曲率を持った円弧で連続して構成されていることを特徴とする請求項７に記載の鍛造方法。
9. 前記両金型のＶ字状の溝の底部が、前記第一の加工面と第二の加工面の交点が、正接する円弧でつながれていることを特徴とする請求項７に記載の鍛造方法。
10. 前記第一の加工面と第二の加工面を連続する円弧の曲率は、最終製品形状の曲率に近づけて設定されていることを特徴とする請求項８に記載の鍛造方法。

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