JP2020127957A - 環状部材の成形方法及び成形装置 - Google Patents

Abstract

【課題】差厚形状を有する環状部材を、比較的小さなパンチ荷重で得ることが可能な環状部材の成形方法及び成形装置を提供することを目的とする。【解決手段】本発明の環状部材１の成形方法は、外周側に設けられた厚肉部２と、前記厚肉部２よりも内側に設けられた薄肉部３とを有する環状部材の成形方法であって、素材となる板部材１Ａの外周を拘束した状態で、前記板部材１Ａの前記外周から一定距離離間した前記外周に沿った一定範囲を前記板部材１Ａの厚さ方向に挟圧しつつ、挟圧されている挟圧部１ａよりも内側の部分を、前記厚さ方向の一方に押し出すことにより、前記挟圧部１ａに前記厚さ方向と交差する方向の引っ張り張力を付与しながら、前記挟圧部１ａに前記薄肉部３を成形する成形工程を含む。【選択図】図３

Description

本発明は、環状部材の成形方法及び成形装置に関する。

差厚形状を有する環状部材にプレス加工や機械加工を施すことで、ギア、ドライブプレート、軸受け部品等が製造されている。このような差厚形状を有する環状部材は、素材となる板部材を外面拘束するコンテナに装填し、上下一対のパンチ金型により挟圧して塑性流動を起こすことで内部の板厚を減じると同時に、外縁部の板厚を増す鍛造加工を行った後、内部をくり貫く一連のプレス加工により成形される（特許文献１参照）。
この一連のプレス加工において、鍛造加工は非常に高い成形負荷（パンチ荷重及びパンチ面圧）を要する。したがって、プレス機械の能力及び金型の強度が不足している場合、そもそも成形できない。そのため、成形負荷を低減するための対策が必要とされる。
一般的な対策として、挟圧するパンチ金型の一方に穴を設け、鍛造加工時に、「捨て軸」を同時に成形し、板部材の閉塞状態を回避することで成形負荷を低減する工法がある（非特許文献１参照）。

特開平９−１２７４号公報

日本塑性加工学会，鍛造分科会編，精密鍛造，２０１０年，第４章 精密鍛造の事例，ｐ２４４

しかし、従来技術では上パンチ荷重の低減効果が十分ではなく、大型の板部材の成形や高強度材の成形においてプレス機械の能力が不足し、鍛造加工において十分な塑性流動を付与できず、大きな板厚比が得られない。
また、非特許文献１に記載の方法では金型に開孔部を設ける必要があるため、パンチの受圧面積が小さくなる。結果としてパンチ面圧の低減効果が十分に得られず、量産時にパンチ破損を引起こすケースが見られる。
本発明は、差厚形状を有する環状部材を、比較的小さなパンチ荷重で得ることが可能な環状部材の成形方法及び成形装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は以下のものを提供する。
外周側に設けられた厚肉部と、前記厚肉部よりも内側に設けられた薄肉部とを有する環状部材の成形方法であって、素材となる板部材の外周を拘束した状態で、前記板部材の前記外周から一定距離離間した前記外周に沿った一定範囲を前記板部材の厚さ方向に挟圧しつつ、挟圧されている挟圧部よりも内側の部分を、前記厚さ方向の一方に押し出すことにより、前記挟圧部に前記厚さ方向と交差する方向の引っ張り張力を付与しながら、前記挟圧部に前記薄肉部を成形する成形工程を含む、環状部材の成形方法。

前記成形工程の後、成形された前記薄肉部よりも内側の部分を除去する除去工程を含んでもよい。

前記板部材が円板部材で、前記環状部材が円環部材であってもよい。

上記課題を解決するために、本発明はさらに以下のものを提供する。
外周側に設けられた厚肉部と、前記厚肉部よりも内側に設けられた薄肉部と、を有する環状部材の成形装置であって、素材となる板部材の外周を拘束するコンテナと、前記板部材の前記外周から一定距離離間した前記外周に沿った一定範囲を、前記板部材の厚さ方向に挟圧する第１パンチ及び前記第１パンチと対向する第２パンチと、挟圧されている挟圧部よりも内側の部分を前記厚さ方向の一方に押し出す補助パンチと、を備え、前記挟圧部に前記厚さ方向と交差する方向の引っ張り張力を付与しながら、前記挟圧部に前記薄肉部を成形可能な、
環状部材の成形装置。

本発明によれば、差厚形状を有する環状部材を、比較的小さなパンチ荷重で得ることが可能な環状部材の成形方法及び成形装置を提供することができる。

本発明の実施形態に係る成形方法及び成形装置１０で製造された環状部材１であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は断面図である。 成形装置１０を示す分解断面図である。 成形装置１０を示す組立断面図である。 実施形態の環状部材１の成形方法による成形工程を説明する図であり、（ａ）から（ｄ）は各成形工程を示す。 比較形態の環状部材の成形方法による成形工程を説明する図であり、（ａ）から（ｃ）は各成形工程を示す。 （ａ）はミーゼスの降伏曲線で、（ｂ）はミーゼスの降伏曲線に示す降伏応力と引張応力との方向を説明する図である。

図１は、本発明の実施形態に係る成形方法及び成形装置１０で製造された、一例としての環状部材１であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は断面図である。実施形態の環状部材１は円環部材であるが、これに限定されず、環状であれば、例えば多角形の環状部材であってもよい。

図１に示すように、環状部材１は、外周側から、厚肉部２と薄肉部３とを有する差圧形状部材で、薄肉部３の中央に開口部４が設けられている。
環状部材１は、例えば、薄肉部３の板厚ａと厚肉部２の板厚ｂとの板厚比ｂ／ａが１．５〜２．５となるように形成される。また、厚肉部２と薄肉部３との間には、薄肉部３とのなす角度θが鈍角となる傾斜面が形成される。
環状部材１の素材としては、鉄鋼、及びアルミ又は銅等の非鉄材料等の金属材料が用いられる。

実施形態の環状部材１は、引張強さが１０８ＭＰａ、伸びが３３％の純アルミ板材（Ａ１０５０Ｐ）を円盤状に切り出した板部材１Ａより成形されたものである。
また、実施形態の環状部材１は、薄肉部３の板厚ａが３．５ｍｍ、厚肉部２の板厚ｂが７．４ｍｍであり、板厚比ｂ／ａ＝２．１である。外径ｄ１は６６．３ｍｍ、内径ｄ２が４０．０ｍｍ、厚肉部２の内径ｄ３は６１．７ｍｍである。厚肉部２と薄肉部３との間は角度θが１３５度の斜面となっている。ただし、これらの数値は一例であって本発明がこの値に限定されるものではない。

（成形装置１０）
図２は、実施形態の成形装置１０を示す分解断面図で、図３は、実施形態の成形装置１０を示す組立断面図である。以下の説明において図中の上下方向を、明細書中でも上下方向として説明する。
成形装置１０は、軸線Ａを中心として同軸に配置された、下ベース部材１１と、下パンチ１２と、上パンチ１３と、コンテナ１４と、上ベース部材１５と、補助パンチ１６と、を備える。
下ベース部材１１と、下パンチ１２と、上パンチ１３と、コンテナ１４とは、円環状で、下パンチ１２と上パンチ１３の最大外径及びコンテナ１４の内径は、成形される環状部材１の外径と略等しい。

（下ベース部材１１）
下ベース部材１１の中央には、下ベース貫通孔１１ａが設けられている。下ベース部材１１の上面には、外縁から一定距離内側に円形凹部であるコンテナ載置凹部１１ｂが設けられている。コンテナ載置凹部１１ｂよりもさらに内側には、コンテナ載置凹部１１ｂよりもさらに窪んだ円形凹部である下パンチ載置凹部１１ｃが設けられている。

（下パンチ１２）
下パンチ１２の外周面の上部には、上面の径が下面の径より小さくなるように段部１２ａが設けられている。上面から段部１２ａに至る部分は斜面となっており、実施形態で上面と斜面との間の角度は１３５度である。
下パンチ１２の下面の外径は下パンチ載置凹部１１ｃの外径と略等しく、下パンチ１２が下ベース部材１１の下パンチ載置凹部１１ｃ内に載置されると、下パンチ１２の下ベース部材１１に対する径方向の相対移動が防止される。
下パンチ１２の中央には下パンチ挿通孔１２ｂが設けられ、その内径は下ベース貫通孔１１ａの内径と等しい。下パンチ１２が下ベース部材１１の下パンチ載置凹部１１ｃに載置されると、下ベース貫通孔１１ａと下パンチ挿通孔１２ｂとが連通して同径の補助パンチ挿通孔１７が形成される。

（上パンチ１３）
上パンチ１３は下パンチ１２と対向する。上パンチ１３の外周面の下部には、下面の径が上面より小さくなるように段部１３ａが設けられている。下面から段部１３ａに至る部分は斜面となっており、実施形態で下面と斜面との間の角度は１３５度である。
上パンチ１３の上面の外径は、下パンチ１２の下面の外径と略等しく、上パンチ１３の下面の外径は、下パンチ１２の上面の外径と略等しい。上パンチ１３の内径は下パンチ１２の内径より大きい。
上パンチ１３の中央には上パンチ挿通孔１３ｂが設けられ、その内径は下パンチ挿通孔１２ｂ及び下ベース貫通孔１１ａの内径よりも大きい。

（コンテナ１４）
コンテナ１４は、中央に拘束開口部１４ａが設けられている。拘束開口部１４ａの内径は下パンチ１２（段部１２ａより下方）及び上パンチ１３（段部１３ａより上方）の外径と略同じである。
コンテナ１４の厚さは、下パンチ１２上に板部材１Ａが載置されたときに、下パンチ１２と板部材１Ａとの合計厚さよりも大きく、下パンチ１２と板部材１Ａと上パンチ１３との合計厚さより小さい。
したがって、拘束開口部１４ａの内部において、下パンチ１２、板部材１Ａ、上パンチ１３は外面が拘束されて、径方向の相対移動が防止される。ただし、拘束開口部１４ａ内において、上パンチ１３は上下動可能である。

（上ベース部材１５）
上ベース部材１５は円板状であり、下面に上パンチ保持凹部１５ａが設けられている。上パンチ保持凹部１５ａの内径は上パンチ１３の外径と略等しく、上パンチ１３上に上ベース部材１５が載置されたときに、上パンチ１３が上パンチ保持凹部１５ａ内に嵌り、上ベース部材１５と上パンチ１３との径方向の相対移動が防止される。
なお、上ベース部材１５は、例えば、油圧エネルギをシリンダ力に変換して上下方向に直線運動する押圧装置である油圧シリンダ（図示せず）によって上下動可能で、油圧シリンダの駆動により上ベース部材１５が下方に降下されることにより、上パンチ１３が板部材１Ａ側（下パンチ１２側）に移動する。

（補助パンチ１６）
補助パンチ１６は、上端が半球面部１６ａで、半球面部１６ａより下方は円柱状部１６ｂである。円柱状部１６ｂの外径は、上述した下ベース貫通孔１１ａと下パンチ挿通孔１２ｂとが連通して設けられた補助パンチ挿通孔１７の内径よりわずかに小さく、補助パンチ１６は、図示しない油圧シリンダ等によって補助パンチ挿通孔１７内を上下動可能である。

（成形方法）
図４は実施形態の環状部材１の成形方法による成形工程を説明する図である。図中右側は、板部材１Ａを実施形態の成形装置１０のコンテナ１４内に配置し、下パンチ１２と上パンチ１３とで挟持した状態を示した部分断面図で、図中左側は、板部材１Ａの全体形状を示した斜視図であり、図４（ａ）から図４（ｄ）は各成形工程を示す。

図４（ａ）は初期状態で、まず、板部材１Ａの外周をコンテナ１４の内周で拘束し、外周から一定距離離間した外周に沿った一定範囲を厚さ方向に下パンチ１２と上パンチ１３とで挟持する。実施形態において板部材１Ａは、φ＝６６．２ｍｍ、厚さＨ＝６．０ｍｍである。
板部材１Ａにおける下パンチ１２と上パンチ１３とで挟持された挟圧部１ａには、まだ圧力が加わっていないので、板部材１Ａの表面は平坦なままである。

図４（ａ）の状態から、図４（ｂ）に示すように上パンチ１３を降下させて、挟圧部１ａに圧力Ｐ１を付与する。圧力Ｐ１は実施形態では３００ｋＮである。挟圧部１ａは挟圧により塑性流動を起こして薄肉部へと変形を開始する。

図４（ｂ）に次いで、図４（ｃ）に示すように、圧力Ｐ１を一定に保ったまま、補助パンチ１６を補助パンチ挿通孔１７内へ上昇させて板部材１Ａの下面と当接させる。さらに補助パンチ１６を上昇させることにより、板部材１Ａの中央部１ｂを上方に持ち上げ、挟圧部１ａへの厚さ方向（圧縮方向）と交差する方向（直交する方向）への引張り張力の付与を開始する。

図４（ｄ）は、図４（ｃ）の状態の次の引張り工程で、挟圧部１ａよりも内側の中央部１ｂは補助パンチ１６に押されて上方に盛り上がっていく。そして、補助パンチ１６により挟圧部１ａに加える圧力Ｐ２が３０ｋＮになったところで成形工程を終了する。
このとき、挟圧部１ａは、圧力Ｐ１が３００ｋＮにおいて、中央方向に引っ張り応力が加わり、さらに塑性流動が進み、所望の薄さの薄肉部３が形成される。
また、挟圧部１ａよりも外側の外周部１ｃは、外周側に流動した挟圧部１ａの材料により盛り上がり、厚肉部２が形成される。このとき、肉薄部３と肉厚部２との間は１３５度の傾斜の斜面となっている。

さらに、図示しない工程において、板部材１Ａにおける、挟圧部１ａよりも内側の補助パンチ１６に押されて上方に盛り上がった中央部１ｂをくり抜いて除去することで、鍛造加工による環状部材１が完成する。
実施形態における完成した環状部材１において、薄肉部３の厚さは３．５ｍｍ、厚肉部２の厚さは７．４ｍｍ、全体としての径は６６．３ｍｍである。

（比較形態）
図５は比較形態の環状部材の成形方法による成形工程を説明する図である。図４同様に図中右側は、板部材１Ａを比較形態の成形装置１１０内に配置し、下パンチ１１２と上パンチ１１３とで挟持した状態を示した部分断面図で、図中左側は、各工程での板部材１０１Ａの全体形状を示した斜視図である。図５（ａ）から図５（ｄ）は各成形工程を示す。
比較形態の成形装置１１０は、下パンチ１１２に下パンチ挿通孔が設けられておらず、下パンチ１１２は略円板状である。また、補助パンチも備えていない。したがって、比較形態において図４（ｄ）のような引張り工程は含まない。

図５（ａ）は初期状態で、まず、板部材１０１Ａの外周をコンテナ１１４の内周で拘束し、外周から一定距離離れた一定範囲を厚さ方向に下パンチ１１２と上パンチ１１３とで挟持する。比較形態において板部材１０１Ａは、φ＝６６．２ｍｍ、厚さＨ＝５．８ｍｍである。
板部材１Ａにおける下パンチ１１２と上パンチ１１３とで挟持された挟圧部１０１ａにはまだ圧力が加わっていないので、板部材１０１Ａの表面は平坦なままである。

図５（ａ）の状態から、図５（ｂ）に示すように上パンチ１１３を降下させて、挟圧部１０１ａに圧力Ｐ３の付与を開始する。挟圧部１０１ａは挟圧により塑性流動を起こして薄肉部へと変形を開始する。しかし、実施形態と異なり、挟圧部１０１ａへの厚さ方向と交差する方向への引張り張力の付与はない。

実施形態と同様の３００ｋＮでは、挟圧部１０１ａが所望の薄さに変形させることができないので、図５（ｂ）の状態の次に、図５（ｃ）に示すように圧力Ｐ３として４６０ｋＮを加える。

圧力Ｐ３として４６０ｋＮを加えることにより、挟圧部１０１ａにおいて塑性流動が進み、所望の薄さの薄肉部３が形成される。挟圧部１０１ａよりも外側の外周部１０１ｃは、外周側に流動した挟圧部１０１ａの材料により盛り上がり、厚肉部２が形成される。なお、比較形態においても挟圧部１０１ａよりも内側の中央部１０１ｂは、挟圧部１０１ａからの塑性流動により盛り上がりは生じる。

さらに、実施形態と同様に、図示しない工程において、板部材１０１Ａにおける、挟圧部１ａよりも内側の上方に盛り上がった中央部１０１ｂをくり抜いて除去することで、比較形態の環状部材が完成する。

比較形態の環状部材は、実施形態と同様に薄肉部の厚さは３．５ｍｍ、厚肉部の厚さは７．４ｍｍ、全体としての径は６６．３ｍｍである。

実施形態において、圧縮応力Ｐ１が、比較形態の圧縮応力Ｐ３より小さい値においても、比較形態と同様の差厚形状を有する環状部材１を成形できたのは、以下の理由による。
図６（ａ）はミーゼスの降伏曲線で、図６（ｂ）はミーゼスの降伏曲線に示す降伏応力と引張応力との方向を説明する図である。図６（ｂ）に示すように、下パンチ１２と上パンチ１３とにより挟持される挟圧部１ａの降伏応力をσ１とし、補助パンチ１６によって引っ張られることにより挟圧部１ａに加わる引張応力をσ２とする。図６（ａ）の横軸は引張応力σ２、縦軸は圧縮方向の降伏応力σ１である。

図中Ｙは、補助パンチ１６が設けられていない、すなわち引張応力σ２が０である比較形態の場合の降伏応力の値である。Ｙ’は、補助パンチ１６が設けられ、引張応力σ２が所定値のＸである実施形態での降伏応力の値である。
実施形態では、所定の大きさの引張応力σ２が加わる。これによって、圧縮方向の降伏応力の値ＹがＹ’へと下がる。ゆえに比較形態の場合のＰ３より小さな圧縮圧力であるＰ１で、塑性変形が可能となった。

以上のように、本実施形態によると、差圧形状の環状部材１を成形するために、下パンチ１２と上パンチ１３とにより挟圧されている挟圧部１ａよりも内側の部分を、補助パンチ１６によって厚さ方向の一方に押し出す。
これにより、挟圧部１ａに厚さ方向と交差する方向の引っ張り張力を付与しながら、挟圧部１ａに薄肉部を成形することができる。
このため、圧部１ａよりも内側の部分を補助パンチ１６等によって、厚さ方向の一方に押し出さない比較形態の場合に比べて、挟圧部１ａに加えるパンチ荷重が小さくてよい。
したがって、成形装置においてプレス機構の能力が比較的低くても鍛造加工において十分な塑性流動を付与することができ、大きな板厚比を得ることができる。これにより、成形装置１０の製造コストを削減することができる。

Ｐ１ 圧縮応力
Ｐ２ 圧力
Ｐ３ 圧縮応力
１ 環状部材
１Ａ 板部材
１ａ 挟圧部
１ｂ 中央部
１ｃ 外周部
２ 厚肉部
３ 薄肉部
４ 開口部
１０ 成形装置
１１ 下ベース部材
１２ 下パンチ
１３ 上パンチ
１４ コンテナ
１４ａ パンチ外面拘束孔
１５ 上ベース部材
１６ 補助パンチ
１７ 補助パンチ挿通孔

Claims (4)

1. 外周側に設けられた厚肉部と、前記厚肉部よりも内側に設けられた薄肉部とを有する環状部材の成形方法であって、
   素材となる板部材の外周を拘束した状態で、前記板部材の前記外周から一定距離離間した前記外周に沿った一定範囲を前記板部材の厚さ方向に挟圧しつつ、挟圧されている挟圧部よりも内側の部分を、前記厚さ方向の一方に押し出すことにより、前記挟圧部に前記厚さ方向と交差する方向の引っ張り張力を付与しながら、前記挟圧部に前記薄肉部を成形する成形工程を含む、
   環状部材の成形方法。
2. 前記成形工程の後、成形された前記薄肉部よりも内側の部分を除去する除去工程を含む、
   請求項１に記載の環状部材の成形方法。
3. 前記板部材が円板部材で、
   前記環状部材が円環部材である、
   請求項１または２記載の環状部材の成形方法。
4. 外周側に設けられた厚肉部と、前記厚肉部よりも内側に設けられた薄肉部と、を有する環状部材の成形装置であって、
   素材となる板部材の外周を拘束するコンテナと、
   前記板部材の前記外周から一定距離離間した前記外周に沿った一定範囲を、前記板部材の厚さ方向に挟圧する第１パンチ及び前記第１パンチと対向する第２パンチと、
   挟圧されている挟圧部よりも内側の部分を前記厚さ方向の一方に押し出す補助パンチと、を備え、
   前記挟圧部に前記厚さ方向と交差する方向の引っ張り張力を付与しながら、前記挟圧部に前記薄肉部を成形可能な、
   環状部材の成形装置。

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