JP2016074026A - 鍛造方法および鍛造装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】本発明は、ダイス本体11の成形孔12にパンチ2を打ち込んで成形孔12内の鍛造素材W1を塑性加工する際に、ダイス本体11に超音波振動を付与するようにした鍛造方法を対象とする。鍛造素材W1が塑性加工される過程において成形孔内周面に対する鍛造素材W1の接触状態を、成形開始時点から順に、不十分な接触状態、十分な接触状態および完全な接触状態に区分けし、不十分な接触状態から十分な接触状態に移行した後、超音波振動の付与を開始する。
【選択図】図3
Description
鍛造素材が塑性加工される過程において成形孔内周面に対する鍛造素材の接触状態を、成形開始時点から順に、不十分な接触状態、十分な接触状態および完全な接触状態に区分けし、
不十分な接触状態から十分な接触状態に移行した後、超音波振動の付与を開始するようにしたことを特徴とする鍛造方法。
隣り合う接触点間の距離の最大値が、成形孔全周長さの半分超の場合には、不十分な接触状態とし、
隣り合う接触点間の距離の最大値が、成形孔全周長さの半分以下の場合には、十分な接触状態とした前項1または2に記載の鍛造方法。
隣り合う接点間の中心角の最大値が180°超の場合には、不十分な接触状態とし、
隣り合う接触点間の中心角の最大値が180°以下の場合には、十分な接触状態とした前項1〜3のいずれか1項に記載の鍛造方法。
前記パンチによる鍛造素材の成形が開始された後、所定時間経過後に前記振動付与手段を駆動して超音波振動の付与を開始させる振動開始手段を備えることを特徴とする鍛造装置。
鍛造素材に対するパンチの荷重を検出する荷重検出手段と、
前記荷重検出手段からの情報に基づき、パンチの荷重が予め設定された振動開始荷重値に到達したタイミングで、前記振動付与手段を駆動して超音波振動の付与を開始させる振動開始手段とを備えることを特徴とする鍛造装置。
鍛造素材に対するパンチの荷重が、振動開始荷重値に到達したタイミングで、前記振動付与手段によって超音波振動の付与が開始するように構成される一方、
前記振動開始荷重値を「Lc1」、パンチの加圧面の面積を「Ap」、成形孔の断面積を「Aid」、パンチの外径を「Dip」、鍛造素材の外径を「Dm」、鍛造素材の変形抵抗を「σm」としたとき、
「Lc1」=「Lpa」×「Rσ」×「α=0.69〜1.87」
「Lpa」=0.3404×「Ap」(0.782−「Ap」/190000)×「Aid」0.218
「Rσ」=0.007×「σm」−0.016
「σm」>10MPa
「Did」−「Dm」<10mm
の関係が成立するように構成されていることを特徴とする鍛造装置。
図1はこの発明の第1実施形態である鍛造方法を実行可能な鍛造装置を示すブロック図、図2Aおよび図2Bはその鍛造装置の金型を示すブロック図である。これらの図に示すように、この鍛造装置は、鍛造素材W1に対し塑性加工を行って、カップ状鍛造成形品W2を成形できるように構成されている。
図3は超音波鍛造において面圧Pとプロセス時間tとの関係を示すグラフであり、縦軸に面圧Pを示し、横軸にプロセス時間tを示している。本実施形態において、面圧Pとは、成形孔内周面における鍛造素材W1に対する面圧である。面圧Pは、成形孔内周面との各接触点において、均一ではなく、バラツキを持っており、図3のグラフに示す線分は、面圧Pの最大値Pmに相当する。
次に本実施形態において、不十分な接触状態と、十分な接触状態とについて具体例を挙げて詳細に説明する。
超音波鍛造においては、上記鍛造素材W1の接触状態、面圧P、プロセス時間t等の要素の他に、超音波振動による振動応力Vの要素を考慮する必要がある。振動応力Vとは、振動子4から付与された振動によって振動するダイス本体11における成形孔内周面での振動応力である。この振動応力Vは、ダイス本体11が振動により伸縮している際に発生する応力であり、成形孔内周面と鍛造素材W1との界面において径方向に発生する振動応力に相当する。この振動応力Vは、振動子4の振動に基づくものであるため、プロセス時間tにかかわらず、基本的には一定に保たれる。
以上説明したように、超音波鍛造において、不十分な接触状態で面圧Pが振動応力Vを上回っている場合には、つまり十分な接触状態に移行する前の状態では、振動子4の振動形態が不安定となり、十分な接触状態に移行した後の状態では、振動子4は、安定した振動形態に維持される。
超音波鍛造における鍛造成形プロセスにおいては既述した通り、時間の経過に伴って、成形孔内周面に対する鍛造素材W1の接触点Aが次第に増加して接触状態が変化するため、プロセス経過時間に基づいて、不十分な接触状態から十分な接触状態に移行するタイミングを予測することができる。この第2実施形態では、その予測したタイミングで超音波振動の付与を開始することによって、振動の乱れを防止して安定した振動形態を維持するものである。
次に基準時刻(振動開始予定時刻)を求める方法を具体的に説明する。
本発明者の実験によると、鍛造成形時のパンチの荷重変化と、鍛造素材の接触状態との間には関連性があることが判明している。そこでこの第3実施形態においては、不十分な接触状態から十分な接触状態に移行するパンチ荷重を求め、そのパンチ荷重を基に超音波振動の付与を開始するタイミングを決定して、振動の乱れを防止して安定した振動形態を維持するものである。
次に基準荷重値(振動開始荷重値)を求める方法を具体的に説明する。
この第4実施形態の鍛造方法は、上記第3実施形態と同様、パンチ荷重に基づいて、超音波振動の付与を開始するタイミングを決定するものであるが、振動を開始する際の荷重値(基準荷重値)「Lc1」の求め方が、上記第3実施形態とは異なっている。
なお、式(1−1)における「Lpa」「Rσ」は下記の式(1−2)〜式(1−5)を用いて算出することができる。
式(1−3):「Ap」=「Dip」×2×π/4
式(1−4):「Aid」=「Did」×2×π/4
式(1−5):「Rσ」=0.007×「σm」−0.016(ただし「σm」>10MPaである)
上記第3実施形態と同様な鍛造装置(図8参照)を準備した。この鍛造装置において、図10に示すようにダイス1におけるダイス本体11の成形孔内径「Did」は24mm、成形孔断面積「Aid」は452mm2、ダイス本体11の外径は「Dod」は162mm、ダイス本体11の厚み「td」は40mmである。またパンチ2の外径「Dp」は21mm、パンチ面積「Ap」は346mm2である。さらにダイス1およびパンチ2の材質(ダイス鋼番号)は、SKD11である。
表1に示すように、超音波振動を開始するパンチ荷重値(基準荷重値)「Lc1」を、予め算出した振動開始荷重値「Lc1」の範囲内である100kNに設定した以外は、上記実施例1と同様に超音波鍛造を行った。
表1に示すように、鍛造装置に設定する基準荷重値を、式(1−1)から算出した振動開始荷重値「Lc1」の範囲外である0kNに設定した以外は、上記実施例1と同様に超音波鍛造を行った。
表1に示すように、鍛造装置に設定する基準荷重値を、式(1−1)から算出した振動開始荷重値「Lc1」の範囲外である30kNに設定した以外は、上記実施例1と同様に超音波鍛造を行った。
実施例1と同様に鍛造を行うに際して、基準荷重値が70kNに到達した時点でパンチの下降を中断して、鍛造素材W1をダイス1から排出して、鍛造素材外周面の外観を観察して、成形孔内周面に対する鍛造素材W1の接触状態を確認した。
上記第3実施形態と同様にして、振動開始荷重値(基準荷重値)「Lc1」を求めた。なお鍛造条件は、上記実施例1と同様である。
上記第2実施形態に示す鍛造装置(図6参照)を準備した。この鍛造装置において、ダイスやパンチ等の金型の材質および寸法、鍛造素材の材質および寸法、鍛造成形品の寸法は実施例1と同様である。さらに超音波振動の振幅、周波数、超音波発振器の出力上限値も実施例1と同様である。
11:ダイス本体
12:成形孔
2:パンチ
4:振動子(振動付与手段)
5:超音波発振器(振動付与手段)
7,8:振動開始制御装置(振動開始手段)
81:荷重検出器(荷重検出手段)
A:接触点
Lc1:振動開始荷重値
Lt1:振動開始時刻
t0:成形開始時刻
W1:鍛造素材
θ:隣り合う接点間の中心角
θmax:中心角の最大値
Claims (9)
- ダイス本体の成形孔にパンチを打ち込んで成形孔内の鍛造素材を塑性加工する際に、ダイス本体に超音波振動を付与するようにした鍛造方法であって、
鍛造素材が塑性加工される過程において成形孔内周面に対する鍛造素材の接触状態を、成形開始時点から順に、不十分な接触状態、十分な接触状態および完全な接触状態に区分けし、
不十分な接触状態から十分な接触状態に移行した後、超音波振動の付与を開始するようにしたことを特徴とする鍛造方法。 - 十分な接触状態に移行した後直ちに、超音波振動の付与を開始するようにした請求項1に記載の鍛造方法。
- 成形孔内周面に対する鍛造素材の接触点において、隣り合う2つの接触点間における成形孔内周面に沿った距離を、隣り合う接点間の距離としたとき、
隣り合う接触点間の距離の最大値が、成形孔全周長さの半分超の場合には、不十分な接触状態とし、
隣り合う接触点間の距離の最大値が、成形孔全周長さの半分以下の場合には、十分な接触状態とした請求項1または2に記載の鍛造方法。 - 成形孔内周面に対する鍛造素材の接触点において、隣り合う2つの接触点のうち、一方の接触点および成形孔中心間を結ぶ線分と、他方の接触点および成形孔中心間を結ぶ線分とがなす角度を、隣り合う接点間の中心角としたとき、
隣り合う接点間の中心角の最大値が180°超の場合には、不十分な接触状態とし、
隣り合う接触点間の中心角の最大値が180°以下の場合には、十分な接触状態とした請求項1〜3のいずれか1項に記載の鍛造方法。 - パンチによる鍛造素材の加工が開始される時刻からの経過時間に基づいて、不十分な接触状態から十分な接触状態に移行する時刻を求め、その求めた時刻を基準にして、超音波振動の付与を開始するタイミングを決定するようにした請求項1〜4のいずれか1項に記載の鍛造方法。
- 不十分な接触状態から十分な接触状態に移行するタイミングにおける鍛造素材に対するパンチの荷重を求め、その求めた荷重を基準にして、超音波振動の付与を開始するタイミングを決定するようにした請求項1〜4のいずれか1項に記載の鍛造方法。
- 成形孔を有するダイス本体と、成形孔に打ち込んで成形孔内の鍛造素材を塑性加工するパンチと、ダイス本体に超音波振動を付与する振動付与手段とを備えた鍛造装置であって、
前記パンチによる鍛造素材の成形が開始された後、所定時間経過後に前記振動付与手段を駆動して超音波振動の付与を開始させる振動開始手段を備えることを特徴とする鍛造装置。 - 成形孔を有するダイス本体と、成形孔に打ち込んで成形孔内の鍛造素材を塑性加工するパンチと、ダイス本体に超音波振動を付与する振動付与手段とを備えた鍛造装置であって、
鍛造素材に対するパンチの荷重を検出する荷重検出手段と、
前記荷重検出手段からの情報に基づき、パンチの荷重が予め設定された振動開始荷重値に到達したタイミングで、前記振動付与手段を駆動して超音波振動の付与を開始させる振動開始手段とを備えることを特徴とする鍛造装置。 - 成形孔を有するダイス本体と、成形孔に打ち込んで成形孔内の鍛造素材を塑性加工するパンチと、ダイス本体に超音波振動を付与する振動付与手段とを備えた鍛造装置であって、
鍛造素材に対するパンチの荷重が、振動開始荷重値に到達したタイミングで、前記振動付与手段によって超音波振動の付与が開始するように構成される一方、
前記振動開始荷重値を「Lc1」、パンチの加圧面の面積を「Ap」、成形孔の断面積を「Aid」、パンチの外径を「Dip」、鍛造素材の外径を「Dm」、鍛造素材の変形抵抗を「σm」としたとき、
「Lc1」=「Lpa」×「Rσ」×「α=0.69〜1.87」
「Lpa」=0.3404×「Ap」(0.782−「Ap」/190000)×「Aid」0.218
「Rσ」=0.007×「σm」−0.016
「σm」>10MPa
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