JP2019038029A - 熱間鍛造装置および熱間鍛造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】被鍛造材料における非鍛造領域の変形を抑制する。【解決手段】加熱された被鍛造材料１１０の鍛造領域Ｐを加圧して鍛造を行う上金型１２０および固定金型１３０と、被鍛造材料１１０における上金型１２０と固定金型１３０とによる加圧が行われていない非鍛造領域Ｑを冷却する冷却装置１４０および冷却装置１５０と、を有する熱間鍛造装置１００である。冷却装置１４０および冷却装置１５０は、それぞれ被鍛造材料１１０の非鍛造領域Ｑと接触することにより、被鍛造材料１１０の非鍛造領域Ｑを冷却する。【選択図】図２

Description

本発明は、熱間鍛造装置および熱間鍛造方法に関する。

金属材料を加熱して柔らかい状態にした上で、金型によって圧力をかけて金属材料を加工する熱間鍛造において、金属材料を部分的に冷却しながら鍛造する方法が知られている。

特許文献１（特開２０１１−１４００４３号公報）には、被加工材（金属材料）の圧下面に対応する側面の圧下開始前温度と圧下終了後温度の温度差範囲が、２５〜３００℃となる様に冷却しながら上記被加工材を圧下することが記載されている。

また、特許文献２（特開２００９−１２０５９号公報）には、円柱状の被鍛造物を下金敷と上金敷との間に配置して鍛造し、ディスク状鍛造物を得る製造方法が記載されている。

特開２０１１−１４００４３号公報 特開２００９−１２０５９号公報

熱間鍛造の中で、特に鍛造材料の全体を金型で拘束しないで鍛造を行う方法が自由鍛造と呼ばれている。上記自由鍛造では、加圧していない非鍛造領域において、鍛造領域の近傍が鍛造領域の変形の影響を受けて変形することが懸念される。この非鍛造領域の変形を抑制することが難しいため、目標の鍛造形状が得られないこと、ならびに非鍛造領域の意図しない変形に起因して金属材料（鍛造材料）の特性が変化することが課題である。

上記特許文献１（特開２０１１−１４００４３号公報）には、鍛造材料の鍛造領域における変形を部分ごとに制御する方法が記載されている。しかしながら、上記特許文献１に記載された鍛造領域の変形制御方法では、冷却するのが鍛造領域であるため、非鍛造領域の変形を抑制することができない。

本発明の目的は、被鍛造材料における非鍛造領域の変形を抑制することができる技術を提供することにある。

本発明の前記の目的と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。

本願において開示される実施の形態のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、次のとおりである。

一実施の形態における熱間鍛造装置は、加熱された被鍛造材料の第１領域を加圧して鍛造を行う金型と、上記被鍛造材料の上記金型による加圧が行われていない第２領域を冷却する冷却部と、を有する。

また、一実施の形態における熱間鍛造方法は、（ａ）加熱された被鍛造材料の第１領域を金型によって加圧して鍛造を行う工程、（ｂ）上記被鍛造材料の上記金型による加圧が行われていない第２領域を冷却する工程、を有する。

本願において開示される発明のうち、代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば以下のとおりである。

被鍛造材料の非鍛造領域を冷却することにより、非鍛造領域の変形を抑制することができる。

本発明の実施の形態１の熱間鍛造装置を用いた鍛造における加圧前の構造の一例を示す部分側面図である。 図１に示す熱間鍛造装置を用いた鍛造における加圧後の構造の一例を示す部分側面図である。 図１に示す熱間鍛造装置の冷却部における冷却機構の一例を示す概念図である。 比較例の熱間鍛造装置を用いた鍛造における加圧前の構造を示す部分側面図である。 図４の熱間鍛造装置を用いた鍛造における加圧後の構造を示す部分側面図である。 本発明の実施の形態２の熱間鍛造装置を用いた鍛造における加圧前の構造の一例を示す部分側面図である。 図６に示す熱間鍛造装置を用いた鍛造における加圧後の構造の一例を示す部分側面図である。 本発明の実施の形態３の熱間鍛造装置を用いた鍛造における加圧前の構造の一例を示す斜視図である。 図８に示す熱間鍛造装置の加圧前の構造の一例を示す平面図である。 図９のＡ−Ａ線に沿って切断した熱間鍛造装置の構造を示す断面図である。 本発明の実施の形態３の熱間鍛造方法に対して有限要素シミュレーションで相当塑性ひずみを評価した位置を一部断面にして示す斜視図である。 図１１のシミュレーションから評価した相当塑性ひずみの大きさを示すグラフ図である。 本発明の実施の形態４の熱間鍛造装置を用いた鍛造における加圧前の構造の一例を示す斜視図である。 図１３に示す熱間鍛造装置の加圧前の構造の一例を示す平面図である。 図１４のＡ−Ａ線に沿って切断した熱間鍛造装置の構造を示す断面図である。 本発明の実施の形態５の熱間鍛造装置を用いた鍛造における加圧前の構造の一例を示す斜視図である。 図１６に示す熱間鍛造装置の加圧前の構造の一例を示す平面図である。 図１７のＡ−Ａ線に沿って切断した熱間鍛造装置の構造を示す断面図である。 本発明の実施の形態６の熱間鍛造装置を用いた鍛造における加圧前の構造の一例を示す斜視図である。 本発明の実施の形態７の熱間鍛造装置を用いた鍛造における加圧時の構造の一例を示す部分側面図である。 図２０に示す熱間鍛造装置を用いた鍛造における送り動作後の構造の一例を示す部分側面図である。

（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１の熱間鍛造装置を用いた鍛造における加圧前の構造の一例を示す部分側面図、図２は図１に示す熱間鍛造装置を用いた鍛造における加圧後の構造の一例を示す部分側面図、図３は図１に示す熱間鍛造装置の冷却部における冷却機構の一例を示す概念図である。

図１に示す本実施の形態１による熱間鍛造装置１００は、加熱された被加工材（金属材料）である被鍛造材料１１０の鍛造領域（第１領域）Ｐを加圧する金型である上金型１２０と、上金型１２０と対向する位置に配置された下金型である固定金型１３０と、を備えている。すなわち、可動する金型である上金型１２０と、下金型である固定金型１３０とは、一対であり、上金型１２０と固定金型１３０とにより、対向する２つの方向から被鍛造材料１１０を加圧して変形させ、これにより鍛造を行う。

さらに、熱間鍛造装置１００では、上金型１２０および固定金型１３０のそれぞれの近傍に設けられた冷却部である上側の冷却装置１４０および下側の冷却装置１５０と、冷却装置１５０を支える保持冶具１６０と、を備えている。これら冷却装置１４０および冷却装置１５０は、被鍛造材料１１０の鍛造領域Ｐに隣接する非鍛造領域（第２領域）Ｑを冷却するものである。

つまり、本実施の形態１の熱間鍛造装置１００は、加熱された被鍛造材料１１０の第１領域である鍛造領域Ｐを加圧して鍛造を行う上金型１２０および固定金型１３０と、被鍛造材料１１０の上金型１２０と固定金型１３０とによる加圧が行われていない第２領域である非鍛造領域Ｑを冷却する冷却装置１４０および冷却装置１５０と、を有している。

なお、上金型１２０は、図示しないプレス機による加圧力を受けて成形を狙う（鍛造を行う）被鍛造材料１１０の鍛造領域Ｐのみを加圧する。

そして、熱間鍛造装置１００では、図１に示すように、上金型１２０に隣接して上側の冷却装置１４０が配置され、さらに、固定金型１３０に隣接して下側の冷却装置１５０が配置されている。言い換えると、上金型１２０の隣（横）に上側の冷却装置１４０が配置され、一方、固定金型１３０の隣（横）に下側の冷却装置１５０が配置されている。

そして、本実施の形態１の熱間鍛造装置１００において、冷却装置１４０および冷却装置１５０は、成形を狙わない非鍛造領域Ｑに対し、非鍛造領域Ｑの表面と接触させることで非鍛造領域Ｑを冷却する。冷却装置１４０および冷却装置１５０としては、例えば、ステンレス鋼、炭素鋼などでも使用することできるが、金、銀、銅もしくはそれらの合金というような熱伝導率の高い金属を主材料として使用するのが望ましい。中でも銅やアルミニウムなどの熱伝導率の高い金属を主材料として使用するのが望ましい。これらの合金については、融点がおおよそ１０００℃を超えること、安価で入手もし易く、加工も容易なことから特に望ましい。

冷却装置１４０および冷却装置１５０は、これらの冷却装置の内部に被鍛造材料１１０からの熱伝達による温度上昇を抑制する水冷式の冷却機構１５０ａ（図３参照）などを備えている。これにより、被鍛造材料１１０からの熱伝達に起因した、冷却装置１４０および冷却装置１５０の温度上昇による非鍛造領域Ｑの冷却効率の低下を抑制することができる。

また、冷却装置１４０や冷却装置１５０の熱容量が大きく、量産工程などで作業間隔が短い場合、冷却装置が空気との熱伝達では十分に冷却されず、非鍛造領域Ｑの冷却が十分にできない可能性がある。そのため、作業間隔を長く取ることが必要になるが、作業間隔を長くすることで生産効率は低下するため、生産効率を向上させる点でも冷却装置の内部に冷却機構１５０ａなどを備えた方が望ましい。

なお、非鍛造領域Ｑの表面を冷却できる機構であれば、冷却装置１４０および冷却装置１５０に使用する材料や装置内部の冷却機構１５０ａなどは、必ずしも上記内容に限定されるものではない。

ここで、図３に示す冷却機構１５０ａは、一例として、水冷式のものを示している。すなわち、冷却機構１５０ａは、冷却手段１５０ｄによって冷却された水などの冷却液（冷却媒体）１５０ｃを、循環水路１５０ｂで循環させることで冷却機構１５０ａに接触する部材を冷却するものである。

上記冷却装置１４０および冷却装置１５０は、被鍛造材料１１０との接触面で熱を伝達する。そこで、接触面の熱伝達率を向上させるために、熱伝達率の高いグリースやペーストなどの物質を接触面に使用するほうが望ましい。

なお、鍛造領域Ｐを冷却してしまうと被鍛造材料１１０の鍛造領域Ｐにおける表面が割れるなどの懸念があるため、冷却部分は非鍛造領域Ｑに限定する。

また、被鍛造材料１１０の材質によっては、非鍛造領域Ｑのみを急激に冷却した場合に、熱応力に起因した割れなどが生じる可能性があるため、非鍛造領域Ｑの表面における冷却速度を制御可能な制御機構を持たせた冷却装置１４０および冷却装置１５０としてもよい。具体的には、非鍛造領域Ｑの表面温度を測定し、温度が急激に上昇したら冷却装置１４０や冷却装置１５０を接触させる制御を行う。また、非鍛造領域Ｑの表面の温度が下がり始めたら冷却装置１４０や冷却装置１５０を非鍛造領域Ｑから離脱させる。このように非鍛造領域Ｑの冷却速度を制御可能な機能を備えた冷却装置１４０や冷却装置１５０を用いてもよい。また、図３に示すような水冷式の冷却機構１５０ａの場合には、冷却液１５０ｃの流れを止めるなどして冷却の度合いを制御してもよい。

次に、図２に示す構造について説明する。図２は、金型がプレス機による加圧力を受けて被鍛造材料１１０の鍛造領域Ｐを加圧した後の構造を示している。

図２に示す保持冶具１６０は弾性体などを備えた冶具である。冷却装置１５０が固定されている場合、固定された冷却装置１５０によって被鍛造材料１１０の非鍛造領域Ｑは変形する可能性がある。すなわち、被鍛造材料１１０が荷重によって沈み込んだ際に、被鍛造材料１１０の下方に配置された冷却装置１５０が硬質であると、被鍛造材料１１０が冷却装置１５０に食い込んでしまう。したがって、この現象を防ぐために、保持冶具１６０は、冷却装置１５０が非鍛造領域Ｑを変形させないように冷却装置１５０を可動的にする冶具である。つまり、被鍛造材料１１０に対して上方から荷重が付与された際に、冷却装置１５０を下方に可動させる（逃がす）ための治具である。

本実施の形態１では、保持冶具１６０として弾性体を使用した場合を例示した。ただし、その他の方法として、冷却装置１５０が上下運動できるような機械式の機構を使用してもよい。

なお、冷却装置１４０および冷却装置１５０の接触により、被鍛造材料１１０の非鍛造領域Ｑは冷却され、鍛造領域Ｐと非鍛造領域Ｑとで温度差が生じる。この温度差によって、被鍛造材料１１０の変形抵抗が部分的に変わり、非鍛造領域Ｑの変形抵抗は大きくなる。

非鍛造領域Ｑの変形抵抗値の増加は、図２に示すように、変形を抑制したい非鍛造領域Ｑの変形を制御する効果がある。なお、被鍛造材料１１０の鍛造領域Ｐと非鍛造領域Ｑとの温度差は必ずしも材料の内部中心までなくてもよく、表面の一部が冷却されているだけでもよい。

また、冷却装置１４０および冷却装置１５０による非鍛造領域Ｑの冷却は、図１の加圧前の状態、図２の加圧後の状態、図１と図２の間の加圧中の状態の少なくとも何れか１つの状態でもよい。例えば、加圧前に冷却装置１４０および冷却装置１５０で非鍛造領域Ｑを冷却した後に冷却装置１４０または冷却装置１５０の少なくとも一方を取り去ってから加圧してもよい。しかし、作業時間が長い工程、例えば、加圧と被鍛造材料の送りとを間欠的に繰り返す逐次鍛造工程の場合、作業時間の増加に伴って鍛造領域も空気放冷より冷却されてしまい、これによる鍛造荷重の増加なども課題になる。そのため、このような場合は非鍛造領域Ｑの冷却と鍛造領域Ｐの加圧とを同時に行う方が望ましい。すなわち、鍛造領域Ｐの加圧と非鍛造領域Ｑの冷却とを同時に行うことで、鍛造工程の効率化を図ることができる。

なお、本実施の形態１では、非鍛造領域Ｑの表面を冷却する機構の一例として、非鍛造領域Ｑと冷却装置１４０および冷却装置１５０とを直接接触させることで冷却する方法を示したが、必ずしもこの方法に限定しない。例えば、後述する実施の形態３および実施の形態４に示すように、冷却媒体を吹き付けることで非鍛造領域Ｑの表面を冷却するなどの機構を用いてもよい。

ここで、図４は、本発明者が比較検討を行った比較例の熱間鍛造装置２００を用いた鍛造における加圧前の構造を示す部分側面図、図５は図４の熱間鍛造装置を用いた鍛造における加圧後の構造を示す部分側面図である。具体的には、図４および図５は、図１に示すような冷却装置１４０および冷却装置１５０を使用せずに加圧した例であり、図４は加圧前の状態、図５は加圧後の状態を示している。

図４に示すように、非鍛造領域Ｑを冷却しない場合、鍛造領域Ｐと非鍛造領域Ｑとの間で変形抵抗は同程度のため、図５に示すように、鍛造領域Ｐの変形が、変形を狙わない非鍛造領域Ｑまで大きく影響し、非鍛造領域Ｑが意図せずに変形してしまう。このような非鍛造領域Ｑの変形を制御することは難しく、製品形状に対する歩留まりの低下や、意図しない変形に起因した金属材料の機械的特性の変化を誘発する。

そこで、本実施の形態１のように被鍛造材料１１０の非鍛造領域Ｑを冷却することで変形抵抗を増加させる方法は、このような非鍛造領域Ｑにおける意図しない変形の制御に効果がある。すなわち、鍛造領域Ｐに隣接する非鍛造領域Ｑの表面を冷却することにより、鍛造領域Ｐと非鍛造領域Ｑとで温度差を付け、これにより、非鍛造領域Ｑの変形抵抗を相対的に増加させて非鍛造領域Ｑの変形を抑制することができる。言い換えると、変形させたい領域も冷却してしまうと、鍛造荷重の増加や被鍛造材料１１０において変形時の割れが発生する懸念があるが、本実施の形態１のように、被鍛造材料１１０において冷却する部分を限定することで、変形抑制を狙う領域のみ変形を抑制することができる。

なお、本発明で用いる被鍛造材料１１０においては、熱間鍛造温度に加熱を行うときに非鍛造領域Ｑとなる部分に対して、例えば、体積の大きな金属材料で覆うように加熱したり、被鍛造材料１１０よりも熱伝導率が小さい別の金属や断熱材などで覆っておき、非鍛造領域Ｑの表面の温度を予め低くしておいてもよい。一体物の被鍛造材料１１０中で、鍛造領域Ｐを選択的に熱間鍛造温度に加熱しておけば、上述した冷却機構の冷却能力を効率よく高めることができる。

本実施の形態１で用いられる被鍛造材料１１０は、角柱状の材料が主であるが、例えば円柱状の材料などであってもよい。

（実施の形態２）
図６は本発明の実施の形態２の熱間鍛造装置を用いた鍛造における加圧前の構造の一例を示す部分側面図、図７は図６に示す熱間鍛造装置を用いた鍛造における加圧後の構造の一例を示す部分側面図である。

図６に示すように、本実施の形態２による熱間鍛造装置３００は、加熱された板状の被鍛造材料１１０と、被鍛造材料１１０の鍛造領域Ｐを加圧するための上金型１２０と、上金型１２０と対向位置に配置された固定金型１３０と、を備えている。また、熱間鍛造装置３００は、被鍛造材料１１０の非鍛造領域Ｑを冷却するために上金型１２０および固定金型１３０のそれぞれの近傍に設けられた冷却装置１４０および冷却装置１５０と、冷却装置１４０に接触するように設けられた冷却用金属１７０と、冷却装置１５０に接触するように設けられた冷却用金属１８０と、を備えている。さらに、熱間鍛造装置３００は、冷却用金属１８０が被鍛造材料１１０の非鍛造領域Ｑを変形させないようにするための保持冶具１６０を備えている。

本実施の形態２では、実施の形態１と同様に上金型１２０は、プレス機（図示せず）による加圧力を受けて成形を狙う被鍛造材料１１０の鍛造領域Ｐのみを加圧する。

そして、冷却用金属１７０および冷却用金属１８０は、非鍛造領域Ｑの表面形状に合わせて加工された冷却用金属であり、冷却装置１４０および１５０と連結させて使用する。すなわち、冷却装置１４０に、被鍛造材料１１０の非鍛造領域Ｑと接触する接触面１７０ａを備え、かつ接触面１７０ａの形状が被鍛造材料１１０の非鍛造領域Ｑの表面１１０ａの形状と一致する冷却用金属（金属部材）１７０が装着されている。

一方、同様に、冷却装置１５０に、被鍛造材料１１０の非鍛造領域Ｑと接触する接触面１８０ａを備え、かつ接触面１８０ａの形状が被鍛造材料１１０の非鍛造領域Ｑの表面１１０ａの形状と一致する冷却用金属（金属部材）１８０が装着されている。

つまり、冷却用金属１７０および冷却用金属１８０は、非鍛造領域Ｑから得た熱を冷却装置１４０および冷却装置１５０に熱伝達させることで、非鍛造領域Ｑを冷却する金属である。

図６、図７に示すように、非鍛造領域Ｑは、前段の鍛造工程などで狙いの表面形状に成形されている場合がある。予め特定の表面形状に成形された非鍛造領域Ｑを効率よく冷却するためには、実施の形態１の冷却装置１４０および冷却装置１５０のそれぞれの表面（接触面１７０ａ、１８０ａ）の形状を、非鍛造領域Ｑの表面１１０ａの形状に合わせて作り直すほうがよい。しかしながら、鍛造プロセスごとに冷却装置全体を作り直すのは製造効率が悪い。

そこで、本実施の形態２のように、別途非鍛造領域Ｑの表面１１０ａの形状に合わせた冷却用金属１７０および冷却用金属１８０を用いることで、異なる非鍛造領域Ｑの表面形状であっても冷却装置１４０および冷却装置１５０の全体を作り直す必要がなくなる。これにより、冷却用金属１７０および冷却用金属１８０のみの作成によって効率よく非鍛造領域Ｑの表面１１０ａを冷却することが可能になる。

冷却用金属１７０および冷却用金属１８０と非鍛造領域Ｑの接触面１７０ａ、１８０ａには熱伝達率の高いグリースやペーストなどの物質を介在させるのが望ましい。同様に、冷却装置１４０および冷却装置１５０と、冷却用金属１７０および冷却用金属１８０の接触界面にも熱伝達率の高い物質を介在させるのが望ましい。

また、冷却用金属１７０および冷却用金属１８０は、非鍛造領域Ｑの表面１１０ａを効率よく冷却させるために熱伝導率の高い金属、例えば、銅やアルミニウム銅合金などを使用することが望ましい。ただし、上記材料に必ずしも限定せず、非鍛造領域Ｑの冷却速度などによって冷却用金属１７０および冷却用金属１８０の材質は適宜選定する。

ただし、上述のように、冷却用金属１７０や冷却用金属１８０を用いることなく冷却装置１４０や冷却装置１５０の表面の形状を、被鍛造材料１１０の非鍛造領域Ｑの表面１１０ａの形状に合わせた形としてもよく、これにより、特定の表面形状に成形された非鍛造領域Ｑを効率よく冷却することができる。

以上、本実施の形態２の熱間鍛造装置３００においても、鍛造領域Ｐに隣接する非鍛造領域Ｑの表面を冷却することにより、鍛造領域Ｐと非鍛造領域Ｑとで温度差を付け、これにより、非鍛造領域Ｑの変形抵抗を相対的に増加させて非鍛造領域Ｑの変形を抑制することができる。

（実施の形態３）
図８は本発明の実施の形態３の熱間鍛造装置を用いた鍛造における加圧前の構造の一例を示す斜視図、図９は図８に示す熱間鍛造装置の加圧前の構造の一例を示す平面図、図１０は図９のＡ−Ａ線に沿って切断した熱間鍛造装置の構造を示す断面図である。

ここで、円盤状の被鍛造材料を熱間鍛造する技術として，いわゆる回転鍛造が知られている（例えば、特開２００９−１２０５９号公報参照）。

上述の回転鍛造とは、「円柱状の被鍛造材料を下金敷と上金敷との間に配置して鍛造し、ディスク状鍛造物を得るための製造方法である。具体的には、上記被鍛造材料の上面に、上記下金敷の中心軸を通り、この中心軸に直交する半径方向に延びる複数の押圧面を有する上記上金敷を配置し、上記被鍛造材料と上記上金敷とを、上記中心軸を中心として相対的に間欠回転させながら、上記上金敷を上記中心軸の軸線方向に往復直線運動して上記被鍛造材料を押圧し、鍛造を行う」方法である（特開２００９−１２０５９号公報参照）。

本実施の形態３では、実施の形態１の鍛造を回転鍛造に適用した例を示す。

図８〜図１０に示すように、本実施の形態３による熱間鍛造装置４００は、加熱された円盤状の被鍛造材料４１０と、被鍛造材料４１０の鍛造領域Ｐを加圧するための上金型４２０、４２１、４２２、４２３と、上金型４２０、４２１、４２２、４２３のそれぞれと対向する位置に配置された固定金型４３０、４３１、４３２、４３３と、を備えている。さらに、熱間鍛造装置４００は、被鍛造材料４１０の非鍛造領域Ｑを冷却するための冷却装置４４０および冷却装置４５０と、冷却装置４５０が非鍛造領域Ｑを変形させないための弾性体などからなる保持冶具４６０と、を備えている。

詳細には、熱間鍛造装置４００では、被鍛造材料４１０は円盤状であるとともに、上金型４２０、４２１、４２２、４２３のそれぞれによって加圧される円形の主面４１０ａと、その反対側の裏面４１０ｂとを有している。そして、上金型４２０、４２１、４２２、４２３および固定金型４３０、４３１、４３２、４３３は、図１０に示すように、主面４１０ａと裏面４１０ｂのそれぞれの周縁部に沿った鍛造領域（第１領域）Ｐを加圧するように所望の間隔で複数設けられている。さらに、冷却部である冷却装置４４０および冷却装置４５０は、それぞれ被鍛造材料４１０の鍛造領域Ｐの内側に位置する非鍛造領域（第２領域）Ｑを冷却する。

したがって、本実施の形態３の回転鍛造では、上金型４２０、４２１、４２２、４２３によって被鍛造材料４１０を加圧し、加圧後に上金型４２０、４２１、４２２、４２３と、円盤状の被鍛造材料４１０とを中心軸を中心として相対的に間欠回転させることを想定している。つまり、上金型４２０、４２１、４２２、４２３およびこれらに対応する固定金型４３０、４３１、４３２、４３３による加圧動作と、上金型４２０、４２１、４２２、４２３および固定金型４３０、４３１、４３２、４３３、もしくは被鍛造材料４１０のうちの何れか一方の送り動作と、を間欠的に行う。これにより、熱間鍛造装置４００では、上述の送り動作として、上金型４２０、４２１、４２２、４２３および固定金型４３０、４３１、４３２、４３３、もしくは被鍛造材料４１０のうちの何れか一方を、円盤状の被鍛造材料４１０の中心に対して回転させて間欠的に送る（移動させる）。すなわち、上述の送り動作としては、上金型４２０、４２１、４２２、４２３および固定金型４３０、４３１、４３２、４３３を回転移動させてもよいし、被鍛造材料４１０を回転移動させてもよい。

上述のように、本実施の形態３の回転鍛造では、鍛造領域Ｐが円盤状の被鍛造材料４１０の外周部（周縁部）全体に相当し、非鍛造領域Ｑが鍛造領域Ｐの内側に位置する内周部に相当する。すなわち、本実施の形態３の回転鍛造では、図１０に示すように、鍛造領域Ｐは、円盤状の被鍛造材料４１０の円形の主面４１０ａにおける周縁部の領域であり、一方、非鍛造領域Ｑは、被鍛造材料４１０の主面４１０ａにおける上記周縁部の内側に位置する領域である。

そのため、非鍛造領域Ｑである被鍛造材料４１０の内周部の表面（主面４１０ａ）を冷却装置４４０で冷却し、かつ被鍛造材料４１０の内周部の裏面４１０ｂを冷却装置４５０で冷却する。

なお、回転鍛造における被鍛造材料４１０と、上金型４２０、４２１、４２２、４２３および固定金型４３０、４３１、４３２、４３３との相対的な間欠回転の方法は限定しない。

次に、本実施の形態３の効果に関し、有限要素シミュレーションを用いて行った検証について説明する。図１１は本発明の実施の形態３の熱間鍛造方法に対して有限要素シミュレーションで相当塑性ひずみを評価した位置を一部断面にして示す斜視図、図１２は図１１のシミュレーションから評価した相当塑性ひずみの大きさを示すグラフ図である。

本実施の形態３の有限要素シミュレーションでは、図１０と同様に、円盤状の被鍛造材料４１０の上下面に金型を所定の間隔で４つずつ配置したモデルとし、被鍛造材料４１０の上面側に配置した金型の上下移動によって被鍛造材料４１０の鍛造領域Ｐの加圧を再現した。円盤状の被鍛造材料４１０と、上下面に配置した金型とを中心軸に対して相対的に間欠回転させながら、上記金型で被鍛造材料４１０を間欠加圧する回転鍛造とした。

本実施の形態３は、被鍛造材料４１０における非鍛造領域Ｑの内周部の表面と、冷却装置４４０および冷却装置４５０とを接触させることで非鍛造領域Ｑを選択的に冷却するものである。そして、冷却装置４４０および冷却装置４５０には、実施の形態１と同様に冷却装置本体の温度上昇を抑制する冷却機構が設けられている。このような非鍛造領域Ｑの冷却状態を再現するために、非鍛造領域Ｑの表面における雰囲気との熱伝達係数を鍛造領域Ｐのそれより高く設定した。さらに、冷却装置４４０および冷却装置４５０は、各冷却装置の内部に設けられた冷却機構により温度上昇しない、という仮定で計算した。

解析結果より、非鍛造領域Ｑは温度低下により変形抵抗値が大きくなることを確認した。さらに、非鍛造領域Ｑのみを選択的に冷却することで、鍛造領域Ｐにおいて割れが懸念される温度まで温度低下が生じないことを確認した。

上記解析結果より、非鍛造領域Ｑの変形量をその大きさを表す相当塑性ひずみで評価した。

図１１は、図８に示す熱間鍛造装置４００を図９のＡ−Ａ線で切断した図であり、相当塑性ひずみは、非鍛造領域Ｑにおける点Ｏで評価した。

図１２は、上記解析結果から評価した図１１の点Ｏにおける相当塑性ひずみの評価量を示している。比較のため、非鍛造領域Ｑである内周部を冷却しない条件での解析を行い、非鍛造領域Ｑを冷却しない条件での点Ｏにおける相当塑性ひずみを１として、実施の形態３による非鍛造領域Ｑを冷却した場合の相当塑性ひずみを評価した。その結果、非鍛造領域Ｑの冷却なしの場合を１としたときに、非鍛造領域Ｑの冷却ありの場合が０．１となり、非鍛造領域Ｑの相当塑性ひずみを９０％抑制する結果を得た。これは、非鍛造領域Ｑにおいて表面を積極的に冷却することにより、非鍛造領域Ｑの意図しない変形を抑制できることを示している。

以上、本実施の形態３の熱間鍛造装置４００においても、鍛造領域Ｐに隣接する非鍛造領域Ｑの表面を冷却することにより、鍛造領域Ｐと非鍛造領域Ｑとで温度差を付け、これにより、非鍛造領域Ｑの変形抵抗を相対的に増加させて非鍛造領域Ｑの変形を抑制することができる。

（実施の形態４）
図１３は本発明の実施の形態４の熱間鍛造装置を用いた鍛造における加圧前の構造の一例を示す斜視図、図１４は図１３の熱間鍛造装置の加圧前の構造の一例を示す平面図、図１５は図１４のＡ−Ａ線に沿って切断した熱間鍛造装置の構造を示す断面図である。図１３は、本実施の形態４による熱間鍛造装置および熱間鍛造方法の概要を示している。そして、本実施の形態４は、実施の形態３と同様に回転鍛造に適用した例であり、非鍛造領域Ｑの冷却方法として冷却媒体を吹き付ける冷却装置を使用した例である。

図１３〜図１５に示すように、本実施の形態４による熱間鍛造装置５００は、加熱された円盤状の被鍛造材料４１０と、被鍛造材料４１０の鍛造領域Ｐを加圧するための上金型４２０、上金型４２１、上金型４２２、上金型４２３と、を備えている。さらに、熱間鍛造装置５００は、上金型４２０、上金型４２１、上金型４２２、上金型４２３と対向する位置にそれぞれ配置された固定金型４３０、固定金型４３１、固定金型４３２、固定金型４３３と、被鍛造材料４１０の非鍛造領域Ｑを冷却するための冷却装置５４０および冷却装置５５０と、を備えている。

本実施の形態４の回転鍛造では、実施の形態３と同様に、図１５に示すように、鍛造領域Ｐが、円盤状の被鍛造材料４１０の外周部（周縁部）全体の領域に相当し、一方、非鍛造領域Ｑが鍛造領域Ｐの内側の領域である内周部に相当する。そのため、熱間鍛造装置５００では、非鍛造領域Ｑである被鍛造材料４１０の内周部の領域の表面を冷却装置５４０および冷却装置５５０で冷却する。

そして、本実施の形態４では、冷却装置５４０および冷却装置５５０は、被鍛造材料４１０の非鍛造領域Ｑである内周部に冷却媒体Ｌを吹き付けることで、被鍛造材料４１０の非鍛造領域Ｑを冷却する装置である。すなわち、熱間鍛造装置５００の冷却装置５４０および冷却装置５５０のそれぞれは、被鍛造材料４１０の非鍛造領域Ｑに冷却媒体Ｌを吹き付ける機構を有している。これにより、熱間鍛造装置５００では、被鍛造材料４１０の非鍛造領域Ｑに冷却媒体Ｌを吹き付けて非鍛造領域Ｑを冷却することができる。なお、冷却装置５４０には、図１５に示すように、冷却媒体Ｌを収納するタンク５４０ａが連通しており、このタンク５４０ａから冷却装置５４０に対して冷却媒体Ｌが供給される。なお、冷却装置５５０に対しても図示はしていないが同様のタンクが連通しており、このタンクから冷却装置５５０に対して冷却媒体Ｌが供給される。

ここで、冷却媒体Ｌには、例えば、空気、ガス、水、ポリマー、油またはこれらの冷却媒体を混合したものを使用する。これらのうち、好ましい冷却媒体Ｌは、ガス、水、ポリマーの何れか、もしくは上記ガス、上記水、上記ポリマーの何れかを混合した媒体である。なお、ガスを用いる場合は、水素などの可燃性ガスは避けるべきである。

また、例えば、冷却効果の大きなヘリウムなども適用可能であるが、窒素ガスやアルゴンガスの方が経済的である。最も好ましくは空気である。空気はアルゴンガスよりも冷却効果が大きく、空気を吹き付けることで空冷を超える冷却速度で非鍛造領域Ｑを冷却することができる。また、冷却媒体Ｌとして、例えば油を使用する場合、油は液体、気体、固体のいずれでもよい。

例えば、液体の油であれば、被鍛造材料４１０の温度によっては非鍛造領域Ｑで蒸発せずに、鍛造領域Ｐに流れてしまう場合が想定される。これにより、鍛造領域Ｐの温度も低下させてしまい、温度が低下した鍛造領域Ｐを加圧することで被鍛造材料４１０において割れが生じる懸念がある。そのため、冷却媒体Ｌの蒸発速度や被鍛造材料４１０の表面の温度をモニタリングするための装置を使用したほうがよい場合もある。なお、水などの液体を用いる場合は、上記空気と混合させて噴霧により非鍛造領域Ｑを冷却することが望ましい。

また、鍛造領域Ｐを加圧するための上金型４２０、４２１、４２２、４２３と同一側に配置された冷却装置５４０を固定した場合、金型の押し込み量と回転角度（送り量）によって決定される回転鍛造のパスによっては、冷却装置５４０と被鍛造材料４１０とが接触する懸念がある。このようなパスの回転鍛造とする場合、上金型４２０、４２１、４２２、４２３の上下運動と連動する形で冷却装置５４０を移動させる機構Ｔ（図１５参照）を設けた方がよく、これにより、冷却装置５４０と被鍛造材料４１０の接触を防ぐことができる。なお、冷却装置５４０は、金型とは別個に独立して動くことが可能な機構を備えていてもよい。

以上、本実施の形態４の熱間鍛造装置５００においても、鍛造領域Ｐに隣接する非鍛造領域Ｑの表面を冷却することにより、鍛造領域Ｐと非鍛造領域Ｑとで温度差を付け、これにより、非鍛造領域Ｑの変形抵抗を相対的に増加させて非鍛造領域Ｑの変形を抑制することができる。

（実施の形態５）
図１６は本発明の実施の形態５の熱間鍛造装置を用いた鍛造における加圧前の構造の一例を示す斜視図、図１７は図１６の熱間鍛造装置の加圧前の構造の一例を示す平面図、図１８は図１７のＡ−Ａ線に沿って切断した熱間鍛造装置の構造を示す断面図である。

本実施の形態５は、実施の形態４を元に、変形を抑制したい非鍛造領域Ｑである内周部のみ効率よく冷却媒体Ｌを吹き付けることを狙った例である。

図１６〜図１８に示すように、本実施の形態５による熱間鍛造装置６００は、加熱された円盤状の被鍛造材料４１０と、被鍛造材料４１０の鍛造領域Ｐを加圧するための上金型４２０、４２１、４２２、４２３と、上金型４２０、４２１、４２２、４２３のそれぞれと対向する位置に配置された固定金型４３０、４３１、４３２、４３３と、を備えている。さらに、熱間鍛造装置６００は、図１８に示すように、被鍛造材料４１０の非鍛造領域Ｑを冷却するための冷却装置５４０および冷却装置５５０と、冷却媒体Ｌが鍛造領域Ｐに飛散することを防止する飛散防止筒６１０および飛散防止筒６２０と、を備えている。飛散防止筒６１０および飛散防止筒６２０のそれぞれは、鍛造領域Ｐと非鍛造領域Ｑとの間（境界部）に設けられ、かつ冷却媒体Ｌの流れを遮る遮断部材である。そして、被鍛造材料４１０の表面側に円筒形の飛散防止筒６１０が設けられ、一方、被鍛造材料４１０の裏面側に飛散防止筒６２０が設けられている。したがって、飛散防止筒６１０および飛散防止筒６２０が設けられたことで、冷却媒体Ｌが鍛造領域Ｐに飛散したり、流入したりすることを防止できる。

本実施の形態５の熱間鍛造装置６００においても、実施の形態３や実施の形態４と同様の鍛造方法によって、被鍛造材料４１０の非鍛造領域Ｑである内周部を冷却しながら、被鍛造材料４１０の鍛造領域Ｐである外周部を鍛造する。

なお、飛散防止筒６１０および飛散防止筒６２０は、冷却媒体Ｌの吹き付けを非鍛造領域Ｑである被鍛造材料４１０の内周部に限定する飛散防止用の筒状の遮断部材である。そして、固定金型４３０、４３１、４３２、４３３と同一側（裏面側）に配置された飛散防止筒６２０は、その下部に保持冶具６３０を装着することにより、重力による飛散防止筒６２０の落下を防ぐことができる。

また、本実施の形態５の熱間鍛造装置６００においても、鍛造領域Ｐに隣接する非鍛造領域Ｑの表面を冷却することにより、鍛造領域Ｐと非鍛造領域Ｑとで温度差を付け、これにより、非鍛造領域Ｑの変形抵抗を相対的に増加させて非鍛造領域Ｑの変形を抑制することができる。

（実施の形態６）
図１９は本発明の実施の形態６の熱間鍛造装置を用いた鍛造における加圧前の構造の一例を示す斜視図である。

上述の実施の形態５における熱間鍛造装置６００の場合、冷却媒体Ｌの材料の種類や被鍛造材料４１０の非鍛造領域Ｑにおける表面温度によっては、非鍛造領域Ｑの上面側に吹き付けた冷却媒体Ｌが、蒸発せずに非鍛造領域Ｑに残存することがある。非鍛造領域Ｑの下面側に吹き付けた冷却媒体Ｌは、蒸発せずとも重力により非鍛造領域Ｑの下面側から離脱する。これにより、被鍛造材料４１０においてはその非鍛造領域Ｑの上下面で冷却状態が異なる。そして、冷却状態が異なると、非鍛造領域Ｑの変形抵抗が上下面で異なるため、望ましくない。

そこで、本実施の形態６は、上述のように冷却媒体Ｌが非鍛造領域Ｑの上面側に残存した場合を想定し、実施の形態５の熱間鍛造装置６００を元に、上面側に残存する冷却媒体Ｌを除去しながら回転鍛造を行う例を示している。

図１９に示すように、本実施の形態６の熱間鍛造装置７００では、非鍛造領域Ｑ（図１８参照）の上面側に残存する冷却媒体Ｌを除去するための、ノズル７１０と、冷却媒体Ｌの吸引装置７２０と、を備えている。

吸引装置７２０は、上面側の非鍛造領域Ｑにおいて、蒸発せずに残った冷却媒体Ｌを除去する装置である。ノズル７１０は蒸発せずに残った冷却媒体Ｌを吸引して吸引装置７２０に送るノズル部材である。

熱間鍛造装置７００では、上記ノズル７１０と吸引装置７２０とを備えた機構を有することにより、非鍛造領域Ｑにおける上面側と下面側の冷却媒体Ｌの量を同程度とし、非鍛造領域Ｑの上下面で同じような冷却状態とすることが可能である。これにより、被鍛造材料４１０の非鍛造領域Ｑの上下面において、被鍛造材料４１０の変形が均一となるように抑制することができる。

なお、本実施の形態６の熱間鍛造装置７００においても、実施の形態３や実施の形態４と同様の鍛造方法によって、被鍛造材料４１０の非鍛造領域Ｑである内周部を冷却しながら、被鍛造材料４１０の鍛造領域Ｐである外周部を鍛造する。

そして、熱間鍛造装置７００においても、鍛造領域Ｐに隣接する非鍛造領域Ｑの表面を冷却することにより、鍛造領域Ｐと非鍛造領域Ｑとで温度差を付け、これにより、非鍛造領域Ｑの変形抵抗を相対的に増加させて非鍛造領域Ｑの変形を抑制することができる。

以上、本発明は上記した実施の形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施の形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施の形態の構成の一部を他の実施の形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施の形態の構成に他の実施の形態の構成を加えることも可能である。さらに、各実施の形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

例えば、上記実施の形態３、４、５および６では、回転鍛造の例を示したが、必ずしもこのプロセスに限定しない。例えば、角柱状（板状）の被鍛造材料４１０を、対向する二方向から加圧し、被鍛造材料４１０の延在方向（一軸方向）に沿って送る、逐次鍛造（被鍛造材料４１０を断続的に送りながら鍛造する方法）としても構わない。

（実施の形態７）
図２０は本発明の実施の形態７の熱間鍛造装置を用いた鍛造における加圧時の構造の一例を示す部分側面図、図２１は図２０に示す熱間鍛造装置を用いた鍛造における送り動作後の構造の一例を示す部分側面図である。

本実施の形態７では、対向する２つの方向からの加圧と、金型もしくは被鍛造材料１１０の少なくとも一方の送り動作とを間欠的に行う鍛造方法のうち、一軸方向（例えば、被鍛造材料１１０の延在方向）に沿って被鍛造材料１１０を送る鍛造方法の場合を説明する。

本実施の形態７の熱間鍛造装置８００は、図１の熱間鍛造装置１００を基本構造としており、この熱間鍛造装置１００に、冷却装置１４０を上下動させるための冷却装置移動機構８７０を付加したものである。

熱間鍛造装置８００における上金型１２０および固定金型１３０による間欠的な加圧と、被鍛造材料１１０の間欠的な送りとを繰り返す動作を以下に説明する。

まず、図２０に示すように、上金型１２０と固定金型１３０とによって被鍛造材料１１０の鍛造領域Ｐを加圧して鍛造を行う。

上記最初の鍛造領域Ｐを加圧して鍛造した後、上金型１２０を上方向（Ｚ方向）に移動させ、さらに上部側の冷却装置１４０を冷却装置移動機構８７０によって同じく上方向（Ｚ方向）に移動させる。

冷却装置１４０の移動後、被鍛造材料１１０を上方向に移動させ、固定金型１３０および下部側の冷却装置１５０から離脱させる。

被鍛造材料１１０を離脱させた後、被鍛造材料１１０を図２０中、左方向（矢印Ｒの方向、被鍛造材料１１０の延在方向（Ｘ方向））に移動させる。

被鍛造材料１１０を移動させた後、上部側の冷却装置１４０を、冷却装置移動機構８７０を用いて下方向（Ｚ方向と反対の方向）に移動させ、図２１に示すように、冷却装置１４０を被鍛造材料１１０の非鍛造領域Ｑに接触させる。

冷却装置１４０を被鍛造材料１１０に接触させた後、上金型１２０と固定金型１３０とによって被鍛造材料１１０の次の鍛造領域Ｐを加圧して鍛造を行う。

以上のように、上金型１２０および固定金型１３０による間欠的な加圧と、被鍛造材料１１０の間欠的な送りとを繰り返して鍛造処理を実施する。

なお、本実施の形態７の熱間鍛造装置８００においても、鍛造領域Ｐに隣接する非鍛造領域Ｑの表面を冷却することにより、鍛造領域Ｐと非鍛造領域Ｑとで温度差を付け、これにより、非鍛造領域Ｑの変形抵抗を相対的に増加させて非鍛造領域Ｑの変形を抑制することができる。

１００、２００、３００、４００、５００、６００、７００、８００ 熱間鍛造装置
１１０、４１０ 被鍛造材料
１１０ａ 表面
４１０ａ 主面
４１０ｂ 裏面
１２０、４２０、４２１、４２２、４２３ 上金型（金型）
１３０、４３０、４３１、４３２、４３３ 固定金型（金型）
１４０、１５０、４４０、４５０、５４０、５５０ 冷却装置（冷却部）
１５０ａ 冷却機構
１５０ｂ 循環水路
１５０ｃ 冷却液
１５０ｄ 冷却手段
１６０、４６０、６３０ 保持冶具
１７０、１８０ 冷却用金属（金属部材）
１７０ａ、１８０ａ 接触面
５４０ａ タンク
６１０、６２０ 飛散防止筒（遮断部材）
７１０ ノズル
７２０ 吸引装置
８７０ 冷却装置移動機構
Ｐ 鍛造領域（第１領域）
Ｑ 非鍛造領域（第２領域）

Claims (15)

1. 加熱された被鍛造材料の第１領域を加圧して鍛造を行う金型と、
   前記被鍛造材料の前記金型による加圧が行われていない第２領域を冷却する冷却部と、
   を有する、熱間鍛造装置。
2. 請求項１に記載の熱間鍛造装置において、
   前記冷却部は、前記被鍛造材料と接触することにより、前記被鍛造材料の前記第２領域の冷却を行う、熱間鍛造装置。
3. 請求項２に記載の熱間鍛造装置において、
   前記冷却部に、前記被鍛造材料の前記第２領域と接触する接触面を備え、かつ前記接触面の形状が前記被鍛造材料の前記第２領域の表面の形状と一致する金属部材が装着されている、熱間鍛造装置。
4. 請求項１に記載の熱間鍛造装置において、
   前記冷却部は、銅または銅合金によって形成されている、熱間鍛造装置。
5. 請求項１に記載の熱間鍛造装置において、
   前記冷却部は、前記被鍛造材料の前記第２領域に冷却媒体を吹き付ける機構を有している、熱間鍛造装置。
6. 請求項５に記載の熱間鍛造装置において、
   前記冷却媒体は、ガス、水、ポリマーの何れか、もしくは前記ガス、前記水、前記ポリマーの何れかを混合した媒体である、熱間鍛造装置。
7. 請求項６に記載の熱間鍛造装置において、
   前記第１領域と前記第２領域との間に、前記冷却媒体の流れを遮る遮断部材が設けられている、熱間鍛造装置。
8. 請求項１に記載の熱間鍛造装置において、
   前記被鍛造材料は、円盤状であり、かつ前記金型によって一部が加圧される円形の主面とその反対側の裏面とを有し、
   前記金型は、前記主面と前記裏面のそれぞれの周縁部に沿った前記第１領域を加圧するように所望の間隔で複数設けられ、
   前記冷却部は、前記被鍛造材料の前記第１領域の内側に位置する前記第２領域を冷却する、熱間鍛造装置。
9. （ａ）加熱された被鍛造材料の第１領域を金型によって加圧して鍛造を行う工程、
   （ｂ）前記被鍛造材料の前記金型による加圧が行われていない第２領域を冷却する工程、
   を有する、熱間鍛造方法。
10. 請求項９に記載の熱間鍛造方法において、
    前記金型による加圧動作と、前記金型もしくは前記被鍛造材料の少なくとも何れか一方の送り動作と、を間欠的に行う、熱間鍛造方法。
11. 請求項１０に記載の熱間鍛造方法において、
    前記被鍛造材料は、円盤状であり、
    前記送り動作として、前記金型もしくは前記被鍛造材料の少なくとも何れか一方を、前記被鍛造材料の中心に対して回転させて間欠的に送る、熱間鍛造方法。
12. 請求項９に記載の熱間鍛造方法において、
    前記被鍛造材料は、円盤状または円柱状の材料である、熱間鍛造方法。
13. 請求項９に記載の熱間鍛造方法において、
    前記被鍛造材料の前記第２領域と、前記金型に隣接して設けられた冷却部と、を接触させることで前記第２領域を冷却する、熱間鍛造方法。
14. 請求項９に記載の熱間鍛造方法において、
    前記被鍛造材料の前記第２領域に冷却媒体を吹き付けて前記第２領域を冷却する、熱間鍛造方法。
15. 請求項９に記載の熱間鍛造方法において、
    前記第１領域は、円盤状の前記被鍛造材料の円形の主面における周縁部であり、
    前記第２領域は、前記被鍛造材料の前記主面における前記周縁部の内側に位置する領域である、熱間鍛造方法。

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