JP2021084130A - 据え込み加工装置、据え込み加工方法及び据え込み加工品 - Google Patents

Abstract

【課題】樽形状となる湾曲の度合いを軽減することが可能な据え込み加工装置、据え込み加工方法及び据え込み加工品を提供する。【解決手段】第１押圧面２１を有する第１型２と、前記第１押圧面２１と対向する第２押圧面３１を有する第２型３と、前記第１型２と前記第２型３とを相対的に近接又は離間する方向に駆動可能な駆動部５と、を備え、環状素材１００を軸線Ａ０に沿った方向の両側から前記第１押圧面２１と前記第２押圧面３１とで挟んで押圧する据え込み加工装置１であって、前記第１押圧面２１及び前記第２押圧面３１の少なくとも一方の押圧面は、前記環状素材１００の押圧時に、前記環状素材１００の前記軸線Ａ０と一致する装置軸線Ａ１の上の一点を頂点とした錐体の側面である。【選択図】図１

Description

本発明は、環状素材の据え込み加工装置、据え込み加工方法及び据え込み加工品に関する。

従来、軸受け、コロ、歯車部品等の環状の回転部品の多くは、丸棒材の切削により製造されている。例えば、鋼管を所定の幅に切断して切削リングを製造し、その切削リングに所定の施削を施し、その後、鍛造を行うことで、ベアリングレースを製造する技術が開示されている（特許文献１参照）。しかし、このような切削は、材料を削り出して製造されるため、歩留まりが低く、生産性タクトも著しく低い。
このため、環状素材をプレス加工して最終形状に近い形状まで製作し、仕上げのみを切削で行うニーズが増加している。例えば、円筒状素材を軸方向に圧縮し、その中央部を外方に向け突出させて折曲部を形成する技術も開示されている（特許文献２参照）。

特開２００７−１３０６７３号公報 特開昭６３−２６２３０号公報

しかし、特許文献２の技術を用いて、板厚の薄い軸受け鋼管を単純に据え込み加工で増肉した場合、中央部で湾曲した樽形状になる。
本発明は、樽形状となる湾曲の度合いを軽減することが可能な据え込み加工装置、据え込み加工方法及び据え込み加工品を提供することを目的とする。

本発明の第１の態様は、第１押圧面を有する第１型と、前記第１押圧面と対向する第２押圧面を有する第２型と、前記第１型と前記第２型とを相対的に近接又は離間する方向に駆動可能な駆動部と、を備え、環状素材を軸線に沿った方向の両側から前記第１押圧面と前記第２押圧面とで挟んで押圧する据え込み加工装置であって、前記第１押圧面及び前記第２押圧面の少なくとも一方の押圧面は、前記環状素材の押圧時に、前記環状素材の前記軸線と一致する装置軸線の上の一点を頂点とした錐体の側面である、据え込み加工装置を提供する。

前記押圧面は円錐体の側面であり、前記装置軸線を通り且つ前記装置軸線と平行な断面において、前記装置軸線と前記円錐体の側面の間の内角側の傾斜角度θが７５°以上であってもよい。

前記押圧面は円錐体の側面であり、前記装置軸線を通り且つ前記装置軸線と平行な断面において、前記装置軸線と前記円錐体の側面の間の内角側の傾斜角度θが８３°以上８９°以下であってもよい。

前記押圧面は円錐体の側面であり、前記装置軸線を通り且つ前記装置軸線と平行な断面において、前記押圧面と前記環状素材との間の摩擦係数μとしたときに、前記装置軸線と前記円錐体の側面の間の内角側の傾斜角度θが、
θ＝９０°−ｔａｎ^−１μであってもよい。

前記押圧面は円錐体の側面であり、前記装置軸線を通り且つ前記装置軸線と平行な断面において、前記装置軸線と前記円錐体の側面の間の内角側の傾斜角度θが６０°以上であってもよい。

前記押圧面は円錐体の側面であり、前記装置軸線を通り且つ前記装置軸線と平行な断面において、前記装置軸線と前記円錐体の側面の間の内角側の傾斜角度θが７６°以上８８°以下であってもよい。

前記押圧面は円錐体の側面であり、前記装置軸線を通り且つ前記装置軸線と平行な断面において、前記押圧面と前記環状素材との間の摩擦係数μとしたときに、前記装置軸線と前記円錐体の側面の間の内角側の傾斜角度θが、θ＝９０°−２×ｔａｎ^−１μであってもよい。

前記第１押圧面及び前記第２押圧面の少なくとも一方の押圧面には、前記環状素材の中央貫通孔に挿入される位置決め突部が設けられていてもよい。

本発明の第２の態様は、第１押圧面を有する第１型と、前記第１押圧面と対向する第２押圧面を有する第２型と、の間に環状素材を配置する配置工程と、前記第１型と前記第２型とを相対的に近接する方向に駆動することにより、前記環状素材を軸線に沿った方向の両端から前記第１押圧面と前記第２押圧面とで挟んで押圧する据え込み工程と、を備え、前記第１押圧面及び前記第２押圧面の少なくとも一方の押圧面は、前記環状素材の押圧時に前記環状素材の前記軸線と一致させる装置軸線の上の一点を頂点とした錐体の側面である、据え込み加工方法を提供する。

前記据え込み工程は、前記環状素材の外周面及び内周面が拘束されない自由据え込み工程であってもよい。

前記押圧面は円錐体の側面であり、前記装置軸線を通り且つ前記装置軸線と平行な断面において、前記押圧面と前記環状素材との間の摩擦係数μとしたときに、前記装置軸線と前記円錐体の側面の間の内角側の傾斜角度θを、θ＝９０°−ｔａｎ^−１μとしてもよい。

前記押圧面は円錐体の側面であり、前記装置軸線を通り且つ前記装置軸線と平行な断面において、前記押圧面と前記環状素材との間の摩擦係数μとしたときに、前記装置軸線と前記円錐体の側面の間の内角側の傾斜角度θを、θ＝９０°−２×ｔａｎ^−１μとしてもよい。

前記配置工程は、前記第１押圧面及び前記第２押圧面の少なくとも一方の押圧面に設けられた前記装置軸線を中心とした位置決め突部を、前記環状素材の中央貫通孔に挿入することで、前記環状素材を位置決めする位置決め工程を含んでもよい。

本発明の第３の態様は、環状であり、軸方向の中央における内径側の中央内径部は、前記中央における外径側の中央外径部と、前記軸方向の一端側における内径側の一端側内径部と、前記軸方向の他端側における内径側の他端側内径部と、より硬い、据え込み加工品を提供する。

前記中央内径部は、前記中央外径部よりも５％以上硬くてもよい。

本発明によれば、樽形状となる湾曲の度合いを軽減することが可能な据え込み加工装置、据え込み加工方法及び据え込み加工品を提供することができる。

実施形態の据え込み加工装置１の概略断面である。 実施形態の据え込み加工方法を説明する図である。 第１比較形態の据え込み加工方法を説明する図である。 第１比較形態の据え込み加工装置１Ａを用いた場合に円環状素材１００に作用する力を説明する図である。 斜面に重さＷの物体を載せたときの摩擦係数μと角度φとの関係を説明する図である。 傾斜面に力Ｆを加えて部材を圧縮する場合の摩擦係数と摩擦角との関係を説明する図である。 φについて場合分けをした場合の、据え込み加工品２００，２００Ａの形状を示す表である。 金型の押圧面の傾斜の有無による、据え込み加工品の径方向の材料変位量を比較したＦＥＭ解析結果である。 実施形態での据え込み加工品２００と、第１比較形態での据え込み加工品２００Ａの相当ひずみを示す図である。 金型角度を９０°から８３°まで変更したときの、据え込み加工品２００，２００Ａの上面又は下面での内径寸法及び外形寸法のＦＥＭ解析結果と、実測値とを示したグラフである。 押圧面の傾斜角度θを変えて加工した据え込み加工品２００，２００Ａにおける、上面近傍と中央線Ｍ近傍での内径差分と外径差分と示すグラフである。 図１１の縦軸が示す値を説明する図である。 異なる位置でのビッカース硬さを測定した結果である。 加工方法の違いによる加工品の鍛流線を比較した図である。

（据え込み加工装置）
図１は、本発明の実施形態の据え込み加工装置１の概略断面である。据え込み加工装置１は、実施形態では円環状素材１００を軸線Ａ０方向に圧縮して、拡径及び増肉する装置である。なお、実施形態では円環状素材１００を据え込み加工するが、これに限らず、例えば角環状素材や楕円環状素材を据え込み加工する装置であってもよい。また、据え込み加工装置１は円環状素材１００を上下方向から据え込み加工するが、これに限定されず、例えば横方向から据え込み加工するものであってもよい。

据え込み加工装置１は、下型２（第１型）と、その下型２と略同形で、下型２の上部に、下型２と同一の装置軸線Ａ１を中心として配置された上型３（第２型）と、上型３と下型２との上下方向の相対移動を案内するガイド部４と、上型３と下型２とを上下方向に相対駆動する駆動部５と、を備える。下型２と上型３とを合わせて金型１０と称する。

（下型２）
下型２は略円柱状であり、上面に下型押圧面２１（第１押圧面）が設けられている。下型押圧面２１は、装置軸線Ａ１上の一点を頂点として、下方に向かうに従い広径する円錐体の側面の一部である。上面における装置軸線Ａ１を中心とした所定径の範囲には、上方に円柱状に突出した下型位置決め突部２２が設けられている。下型位置決め突部２２の外径は、円環状素材１００の貫通孔１０１の内径と略等しい。
図１に示すように装置軸線Ａ１を通る断面における、下型押圧面２１の装置軸線Ａ１に対する内角側の傾斜角度（下型傾斜角度）θ１は９０°未満であり、実施形態で下型傾斜角度θ１は８７°である。
なお、実施形態で下型押圧面２１は円錐体の側面であるが、これに限らず、加工対象である環状素材の形状に合わせて、他の錐体、例えば角錐等の側面であってもよい。

（上型３）
上型３は、下型２と上下が逆であるが同形である。すなわち、略円柱状であり、下面に、下型押圧面２１と対向する上型押圧面３１（第２押圧面）が設けられている。上型押圧面３１は、装置軸線Ａ１上の一点を頂点として、上方に向かうに従い広径する円錐体の側面の一部である。下面における装置軸線Ａ１を中心とした所定径の範囲には、下方に円柱状に突出した上型位置決め突部３２が設けられている。上型位置決め突部３２の外径は、円環状素材１００の貫通孔１０１の内径と略等しい。
図１に示すように装置軸線Ａ１を通る上下方向の断面において、上型押圧面３１の装置軸線Ａ１に対する内角側の傾斜角度θ２（上型傾斜角度）は、９０°未満であり、実施形態で上型傾斜角度θ２は８７°である。
なお、下型押圧面２１と同様に、実施形態で上型押圧面３１は、円錐体の側面であるが、これに限らず、加工対象である環状素材の形状に合わせて、角錐等であってもよい。

（ガイド部４）
ガイド部４は、下型２と上型３との外周に配置された所定厚みの円筒部材である。ガイド部４の貫通孔４１の内径は上型３及び下型２の外径とほぼ同じである。ガイド部４と下型２とは、台座６の上に載置されている。
下型２と上型３とは、上型押圧面３１と下型押圧面２１とが対向した状態で、ガイド部４の貫通孔４１の内部に装置軸線Ａ１方向に一定の間隔を開け且つ装置軸線Ａ１を中心として配置されている。下型２と上型３とが装置軸線Ａ１方向に互いに相対移動する際に、ガイド部４の貫通孔４１によって直進ガイドされる。

（駆動部５）
駆動部５は、実施形態においては上型３を装置軸線Ａ１方向に下型２に対して近接する方向と離間する方向とに駆動する。ただし、これに限らず、上型３と下型２とを装置軸線Ａ１方向に互いに相対駆動させるものであればよい。
なお、実施形態の据え込み加工装置は、据え込み加工時において円環状素材１００の外周を拘束しない自由据え込み加工装置である。

（実施形態の据え込み加工方法）
図２は、実施形態の据え込み加工方法を説明する図である。
図２（ａ）は加工前の円環状素材１００の斜視図である。円環状素材１００は、軸線Ａ０を中心とした回転体である。なお、実施形態において据え込み加工装置１により加工される被処理体は円環状素材１００であるが、これに限定されず、例えば角環状素材や楕円環状素材であってもよい。

図２（ｂ）は据え込み加工方法の位置決め工程を説明する図である。下型２における下型位置決め突部２２の外側に、円環状素材１００の貫通孔１０１の下側を挿入する。これにより、円環状素材１００を下型押圧面２１の中央に位置決めして配置する。
そして、駆動部５を駆動させることにより上型押圧面３１を下降させ、上型３の上型位置決め突部３２を円環状素材１００の貫通孔１０１に挿入する。そうすると、円環状素材１００の貫通孔１０１の上方に上型３の上型位置決め突部３２が挿入される。円環状素材１００の軸線Ａ０は、据え込み加工装置１の装置軸線Ａ１と一致し、円環状素材１００は据え込み加工装置１の中央に保持される。

図２（ｃ）は据え込み加工方法の据え込み工程を説明する図である。駆動部５の駆動により上型３をさらに下降させ、円環状素材１００を軸線Ａ０（装置軸線Ａ１）方向に所定の加圧力で圧縮して、円環状素材１００を、軸線Ａ０方向と直交する方向に拡径及び増肉させる。

図２（ｄ）及び（ｅ）は円環状素材１００の加工後の状態である据え込み加工品２００を示す図で、（ｄ）は軸線Ａ０を通り且つ軸線Ａ０と平行な断面図であり、（ｅ）は斜視図である。
据え込み加工品２００は、円環状素材１００の状態から軸線Ａ０方向に圧縮されるとともに軸線Ａ０方向と直交する方向に増肉されている。図２に示す実施形態の据え込み加工品２００は、外側面２００ａと内側面２００ｂとが、図示する断面において上下に延びる直線状であり、すなわち、湾曲していない。また、据え込み加工品２００の上面２００ｕと下面２００ｄとは、上型押圧面３１と下型押圧面２１に対応する円錐の側面（内側面）状となっている。

なお、図２に示す実施形態の据え込み加工品２００は、外側面２００ａと内側面２００ｂとが、図示する断面において上下に延びる直線状である。しかし、本発明の範囲は、必ずしも完全に直線状でなくてもよく、次に述べる第１比較形態よりも外側への突出量が小さければよく、また内側へ突出している場合も含まれる。

（比較形態の据え込み加工方法）
図３は、第１比較形態の据え込み加工方法を説明する図である。
図３（ａ）は加工前の円環状素材１００の斜視図である。円環状素材１００は実施形態と同様である。

図３（ｂ）は、第１比較形態の据え込み加工方法の位置決め工程を説明する図である。第１比較形態の据え込み加工装置１Ａは、下型押圧面２１Ａと上型押圧面３１Ａとの形状が実施形態の据え込み加工装置１と異なる。第１比較形態の下型押圧面２１Ａと上型押圧面３１Ａとは、円錐体の側面ではなく、装置軸線Ａ１と直交する方向（水平方向）に延びる平坦面である。
位置決め工程において、実施形態と同様に、下型２Ａにおける下型位置決め突部２２Ａの外側に、円環状素材１００の貫通孔１０１の下側を挿入する。これにより、円環状素材１００を下型押圧面２１Ａの中央に位置決めして配置する。
そして、駆動部を駆動させることにより上型押圧面３１Ａを下降させ、上型３Ａの上型位置決め突部３２Ａを円環状素材１００の貫通孔１０１に挿入する。そうすると、円環状素材１００の貫通孔１０１の上方に上型３Ａの上型位置決め突部３２Ａが挿入される。円環状素材１００の軸線Ａ０は、据え込み加工装置１Ａの装置軸線Ａ１と一致し、円環状素材１００は、据え込み加工装置１Ａの中央に保持される。

図３（ｃ）は比較形態における据え込み加工方法の据え込み工程を説明する図である。駆動部５の駆動により上型３Ａをさらに下降させる。これにより円環状素材１００を軸線Ａ０（装置軸線Ａ１）方向に圧縮して、円環状素材１００を、軸線Ａ０方向と直交する方向に拡径及び増肉する。

図３（ｄ）及び（ｅ）は、比較形態での加工後の据え込み加工品２００Ａを示す図で、（ｄ）は軸線Ａ０を通り、軸線Ａ０と平行な断面図であり、（ｅ）は斜視図である。第１比較形態の据え込み加工品２００Ａは、実施形態と同様に円環状素材１００の状態から軸線Ａ０方向に圧縮されるとともに軸線Ａ０方向と直交する方向に増肉されている。第１比較形態の据え込み加工品２００Ａが実施形態の据え込み加工品２００と異なる点は、外側面２００Ａａと内側面２００Ａｂの中央部が、外側に拡径して湾曲した、いわゆる樽形状である点である。

（第１比較形態が樽形状になる理由）
第１比較形態が、このように樽形状になる理由について説明する。
物体に荷重Ｆが作用して距離ｓだけ移動する場合、仕事Ｗ＝Ｆ×ｓが最小になるように移動することが最も安定している。すなわち、Ｆが一定の場合、ｓが最も小さくなるように移動することが最も安定している。
円環状素材１００を、第１比較形態のような押圧面が平坦な上型３と下型２とで据え込んだ場合においても、移動距離ｓが小さくなる移動が最も安定した移動であると考えられる。

一例として、外径（半径）６ｍｍ、内径（半径）５ｍｍ、高さ１０ｍｍの円環状素材１００を、体積一定で圧縮率５０％に据え込んだ場合、以下のようになる。
（１）内径寸法が変わらない場合、外径（半径）寸法は６ｍｍから（√４７）ｍｍ≒６．８６ｍｍへと拡径する。すなわち、外径部分の軸線Ａ０方向からの移動距離ｓは０．８６ｍｍである。
（２）外径寸法が変わらない場合、内径（半径）寸法が５ｍｍから（√１４）ｍｍ≒３．７４ｍｍへと縮径する。すなわち、外径部分の軸線Ａ０方向からの移動距離ｓは、１．２６ｍｍである。
したがって、拘束がない自由据え込みにおいて、外径寸法が変化した方が、内径寸法が変化する場合よりも仕事Ｗが小さくなるので、より安定性が高いと考えられる。
ゆえに、第１比較形態の据え込み加工において円環状素材１００を据え込み加工する場合、安定性の面から、内径側に材料が移動して縮径するよりも外径側に材料が移動して拡径しやすいと考えられる。

図４は第１比較形態の据え込み加工装置１Ａを用いた場合に円環状素材１００に作用する力を説明する図である。円環状素材１００の材料が外径側に移動しようとしたとき、上型押圧面３１Ａと円環状素材１００の上面との間と、下型押圧面２１Ａと円環状素材１００の下面との間とには、材料が移動しようとする方向ｒと逆向き、すなわち内径向きの摩擦力ｆｉ＝μ×Ｆが働く（μは摩擦係数）。

一方、円環状素材１００の軸線Ａ０方向の中央線Ｍ近傍では、摩擦力ｆｉの影響が少ない。このため、円環状素材１００における、上面及び下面近傍と、中央線Ｍ近傍とでは材料の径方向の変位量が異なる。すなわち、中央線Ｍ近傍では径方向の変形量が大きくなり、上面及び下面近傍では変形量が小さくなり、その結果、据え込み加工品２００Ａは図３（ｃ），（ｄ），（ｅ）に示すように樽形状となると考えられる。

（実施形態の突出量が小さくなる理由）
次に、実施形態が比較形態と比べて外側への突出量が小さくなる理由について説明する。
（１）摩擦係数μと摩擦角φとの関係
斜面に重さＷの物体を載せ、傾斜をしだいに大きくしていき、傾斜角が角度φになったときに、物体が滑り始めたとする。
図５は斜面に重さＷの物体を載せたときの摩擦係数μと角度φとの関係を説明する図である。図示するように、斜面の傾きが角度φのとき、重さＷを斜面に直角な直圧力Ｒと斜面に平行な力Ｐとに分解する。このとき、物体の静摩擦力ｆ（ｆ＝μ×Ｒ）は、物体を滑らせようとする力Ｐと釣り合っているので、
ｆ＝μ×Ｒ＝Ｐ
したがって、摩擦係数μは、
μ＝Ｐ／Ｒ＝（Ｗｓｉｎφ）／（Ｗｃｏｓφ）＝ｔａｎφ
となる。

（２）据え込み加工への応用
この関係式μ＝ｔａｎφを、本願の据え込み加工（側面が拘束されない自由据え込み加工）に応用する。図６は、傾斜面に力Ｆを加えて部材を圧縮する場合の摩擦係数と摩擦角との関係を説明する図である。以下、上型押圧面３１と円環状素材１００の上面側とを例にして説明する。
Ｆ：荷重
Ｒ：荷重Ｆの、上型３の上型押圧面３１と直交する方向の分力（直圧力）
Ｐ：荷重Ｆの、上型３の上型押圧面３１と平行な方向の分力
ｆｐ：Ｐの力と同じ大きさで反対方向に働く静摩擦力
φ：水平面に対する上型押圧面３１の傾きφ
μ：上型３と円環状素材１００の上面との間の摩擦係数
ｆｍａｘ：最大摩擦力
とする。

そうすると、
Ｐ＝Ｆ×ｓｉｎφ、Ｒ＝Ｆ×ｃｏｓφ、
ｆｍａｘ＝μ×Ｒ、
ｆｐ＝Ｐ（ｆｍａｘ＜Ｐになるまでの間）
となる。

図５のように物体を滑らせた場合は、Ｐ≦μ×Ｒでは物体は静止している。しかし、図６のような据え込み加工の場合、Ｐ≦μ×Ｒにおいて材料は、移動距離が小さい外径方向に移動をする。このため、材料が移動する方向と反対方向に働く、すなわち内径向きの摩擦力ｆｉも同時に存在する。しかしながら、最大摩擦力ｆｍａｘ以上に摩擦は生じないので、静摩擦力ｆｐとｆｉの和はｆｍａｘと一致する。
本発明の据え込み加工において、Ｐ≦μ×Ｒの条件では、物体が移動する方向は斜面と平行な力Ｐによる内径向きの移動と、自由据込みによる外径側への移動が考えられる。
最大摩擦力ｆｍａｘは斜面に垂直な力（直圧力）Ｒと摩擦係数μとの積で求まるが、その向きは斜面を移動する物体の逆向きに働くので、斜面と平行な力Ｐと逆向きの摩擦力ｆｐと、自由据込みによる外径側への移動と逆向きの摩擦力ｆｉが存在し、これらの関係がｆｍａｘ＝ｆｐ＋ｆｉとなる。

すなわち、
Ｐ≦μ×Ｒのとき、
ｆｍａｘ＝ｆｐ＋ｆｉであり、ｆｐ＝Ｐであるので、
ｆｉ＝ｆｍａｘ−ｆｐ＝μ×Ｒ−Ｐ＝（μ×Ｆ×ｃｏｓφ）−（Ｆ×ｓｉｎφ）＝（μ×Ｆ）×（ｃｏｓφ−ｓｉｎφ／μ）
となる。

図７は、φについて場合分けをした場合の、据え込み加工品２００（実施形態），２００Ａ（第１比較形態）の形状を示す表である。矢印の大きさは摩擦力又は変位量の大きさを示す。
（１）φ＝０のとき（第１比較形態）
ｆｉ＝μ×Ｆ、ｆｐ＝０となり、摩擦力ｆはｆ＝μ×Ｆで内径向きとなる。
したがって、第１比較形態では、上述のように、押圧面と当接している上面及び下面近傍では変形量が小さくなり、中央線Ｍ近傍では径方向の変形量が大きくなり、その結果、据え込み加工品２００Ａは図３（ｃ），（ｄ），（ｅ）に示すように樽形状となる。

（２）ｃｏｓφ＞ｓｉｎφ／μのとき（実施形態）
ｆｐとＰは相殺されるので、見かけ上の摩擦力ｆはｆｉと等しくなる。
その結果、ｆは内径向きで０＜ｆ＜μ×Ｆとなる。
このときのφはμ＞ｓｉｎφ／ｃｏｓφ＝ｔａｎφとなり、φ＜ｔａｎ^−１μで求められる。
実施形態では第１比較形態よりも見かけ上の摩擦力が小さくなるので、第１比較形態と比べて、押圧面と当接している上面及び下面近傍での変形量の、中央線Ｍ近傍での径方向の変形量に対する差が小さくなる。

（３）ｃｏｓφ＝ｓｉｎφ／μのとき（実施形態）
ｆｉ＝０であり、ｆｐ＝ｆｍａｘ＝ＰとなってｆｐはＰとつりあって相殺されるので、見かけ上の摩擦力ｆはｆ＝０となる。
このときのφはμ＝ｓｉｎφ／ｃｏｓφ＝ｔａｎφとなるので、φ＝ｔａｎ^−１μで求められる。
したがって、ｃｏｓφ＝ｓｉｎφ／μは、実施形態における最も好ましい範囲であり、押圧面と当接している上面及び下面近傍での変形量の、中央線Ｍ近傍での径方向の変形量に対する差がなくなる。ゆえに、水平面に対する上型押圧面３１の傾きφを、φ＝ｔａｎ^−１μ（μは摩擦係数）に設定すれば、金型と円環状素材１００の境界面に発生する摩擦力ｆを見かけ上０にでき、材料の径方向に対する変位量が中央線Ｍ近傍と金型境界面とで同等となる。ゆえに、据え込み加工品２００が、図２（ｄ）及び（ｅ）に示すように外側面２００ａと内側面２００ｂとを、図示する断面において上下に延びる直線状とすることができる。

（検証結果）
図８は、金型の押圧面の傾斜の有無による、据え込み加工品の径方向の材料変位量を比較したＦＥＭ（Ｆｉｎｉｔｅ Ｅｌｅｍｅｎｔ Ｍｅｔｈｏｄ）解析結果である。図中最も右側の図８（ｄ）は、図８（ａ），（ｂ），（ｃ）がどの位置の材料変位量を示したものであるかを示す図である。
一般的な潤滑油を使用した鋼種と金型材料との間の摩擦係数μは０．０３〜０．１２であり、最大で０．２５となるが、今回のＦＥＭ解析では、使用頻度が高い摩擦係数μ＝０．０５を適用した。

各種条件は以下である。
解析手法：ＦＥＭ
円環状素材
鋼種：ＳＵＪ２
内径：１４．２ｍｍ
外径：２８．４ｍｍ
高さ：５０．５ｍｍ
摩擦係数μ：０．０５
圧縮力：（ａ）７２４ｋＮ、（ｂ）８１１ｋＮ、（ｃ）８３８ｋＮ
圧縮率：５０％

図８（ｃ）は、摩擦のない理想的な加工条件で、互いに平行且つ水平方向に延びる上型押圧面と下型押圧面とを備える据え込み加工装置により円環状素材１００を据え込み加工した場合の据え込み加工品２００Ｉである。理想的な加工条件で加工された据え込み加工品２００Ｉは、径方向の材料変位量が、中央線Ｍ近傍と上面及び下面近傍と変わらない。

図８（ａ）は、摩擦の存在する現実的な加工条件で、互いに平行且つ水平方向に延びる上型押圧面３１Ａと下型押圧面２１Ａとを備える据え込み加工装置１Ａにより円環状素材１００を据え込み加工した場合の第１比較形態の据え込み加工品２００Ａである。
第１比較形態によると、上面及び下面近傍で内径向きの摩擦力（μ×Ｆ）が働くので、材料の変位量が小さくなる。また、中央線Ｍ近傍では、摩擦力の影響が少ないので変位量が大きくなる。

図８（ｂ）は、本実施形態である。本実施形態では現実的な摩擦が存在するが、円環状素材１００に対し、φ＝ｔａｎ^−１μ（μは摩擦係数）の傾斜面である上型押圧面３１と下型押圧面２１とを備える据え込み加工装置１により円環状素材１００を据え込み加工した場合の据え込み加工品２００である。実施形態によると、中央線Ｍ近傍と、上面及び下面近傍との材料変位量の差が小さく、摩擦のない理想的な図８（ｃ）の状態に近いことがわかる。

（傾斜角度θについて）
上述したように、実施形態において上型傾斜角度θ２及び下型傾斜角度θ１は８７°である。この効果について説明する。なお、以下の説明は、上型傾斜角度θ２及び下型傾斜角度θ１に共通する説明であるので、傾斜角度θとして共通して説明する。
図６に示すように角度φと金型１０の傾斜角度θとの関係は
θ＝９０°−φ＝９０°−ｔａｎ^−１μである。
また、この関係式は、
ｔａｎθ＝１／ｔａｎφ＝１／μとなるので、
θ＝ｔａｎ^―１（１／μ）とも表すことができる。
となる。すなわち、μがわかれば傾斜角度θを求めることができる。なお、摩擦係数μの実験による推定方法では、μの精度としては、±０．０２程度の誤差が含まれるので、傾斜角度としては、ここで求めたθ±１．５°までを包含する。

（μと傾斜角度θとの関係）
実施形態において、μ＝０．０５であるとすると、この場合、見かけ上の摩擦力ｆがｆ＝０となる傾斜角度θは、
θ＝ｔａｎ^−１（１／μ）
＝ｔａｎ^−１（１／０．０５）
＝８７°となる時に、円環状素材１００の径方向に対する変位量が中央線Ｍ近傍と金型境界面とで同等となり、成形された据え込み加工品２００は、樽形状にならない。
なお、μには誤差があるので、傾斜角度θが８５．５°≦θ≦８８．５°（８５．５°以上８８．５°以下）までを包含する。

（湾曲させないようにする場合の好ましい範囲）
据え込み加工装置１において金型として使用する金属材料や、円環状素材の材料、潤滑油等で摩擦係数μは変動する。一般的に最大となる摩擦係数μｍａｘは０．２５程度であるので、θ＝ｔａｎ^−１（１／μ）より、θ＝７５°（小数点以下切り下げ）となる。
この中でも、通常使用される範囲は、０．０３≦μ≦０．１２である。この場合、８３°≦θ≦８９°（８３°以上８９°以下）となる。

図９（ａ）は、μ＝０．０５で傾斜角度θ＝９０°の第１比較形態での据え込み加工品２００Ａの相当ひずみを解析にて求めた結果を示す図で、図９（ｂ）はμ＝０．０５で傾斜角度θ＝８７°の実施形態での据え込み加工品２００の相当ひずみを解析にて求めた結果示す図である。

解析手法及び各種条件は以下である。
解析手法：ＦＥＭ
円環状素材
鋼種：ＳＵＪ２
内径：１４．２ｍｍ
外径：２８．４ｍｍ
高さ：５０．５ｍｍ
圧縮力：（ａ）７２４ｋＮ、（ｂ）８１１ｋＮ
圧縮率：５０％

図中点線は、目標とする据え込み加工品２００の形状である。図示するように実施形態では、相当ひずみが略均一で第１比較形態では、相当ひずみの値にばらつきが大きかった。また、実施形態での据え込み加工品２００のほうが理想とする形状に近かった。

図１０は、金型角度を９０°から８３°まで変更したときの、据え込み加工品２００，２００Ａの上面又は下面での内径寸法及び外形寸法のＦＥＭ解析結果と、金型角度が９０°、８８°、８７°、８６°、８４°の場合における実測値とを示したグラフである。
摩擦係数μを推定する方法としては、塑性加工学改訂版（２０１４年３月１４日第１版）に記載されている。
その方法は、リング状の試験片を平行工具間で圧縮するリング圧縮では、摩擦が小さいとリング内径が広がり、摩擦が大きければ、逆に小さくなるという摩擦係数の相違によるリング内径の変化を利用して、計算結果と実験によるリング内径変化を比較して摩擦係数を決定する方法であり、今回の実験品で確認した結果、摩擦係数μ＝０．０５となった。

解析手法及び各種条件は以下である。
円環状素材としては、以下のものを用いた。
鋼種：ＳＵＪ２
内径：１４．２ｍｍ
外径：２８．４ｍｍ
高さ：５０．５ｍｍ
また、以下の条件で据え込み加工を行った。
プレス装置：４０００ｋＮメカプレス（油圧ユニット、理研機器株式会社製）
プレスモーション：クランク
プレス速度：１０ｓｐｍ
金型材質：ＳＫＤ１１
潤滑油：Ｇ−３４５６（日本工作油株式会社製）
圧縮力：金型角度 ９０°７４８ｋＮ、８８°８０１ｋＮ、８７°８３４ｋＮ、８６°７７３ｋＮ、８４°６５７ｋＮ
圧縮率：５０％
解析手法：ＦＥＭ
円環状素材
鋼種：ＳＵＪ２
内径：１４．２ｍｍ
外径：２８．４ｍｍ
高さ：５０．５ｍｍ
圧縮力：金型角度 ９０°７２４ｋＮ、８８°７８８ｋＮ、８７°８１１ｋＮ 、８６°７６５ｋＮ、８４°６６４ｋＮ ８３°６２９ｋＮ
圧縮率：５０％

図示するように、据え込み加工品２００，２００Ａの外形寸法Ａと内径寸法ａの実測値は、図７で説明したメカニズムをもとにしたＦＥＭ解析結果と略一致しており、図７で説明したメカニズムの信頼性が高いことが示された。

（θの変更による形状の変化）
図１１は、摩擦係数μ＝０．０５において据え込み加工装置１の押圧面の傾斜角度θを変えて加工した据え込み加工品２００，２００Ａにおける、上面近傍と中央線Ｍ近傍での内径差分と、外径差分と示すＦＥＭ解析結果に基づくグラフである。図１２は、図１１の縦軸が示す値を説明する図である。図１２に示すように、実施形態の据え込み加工品２００における上部の外径をＡ、上部の内径をａ、中央部の外径をＢ、中央部の内径をｂとする。

中央部の内径ｂと上部の内径ａとの差分ｂ−ａを内径差分とする。ｂ−ａがプラスの値ということは、据え込み加工品２００の貫通孔の中央部の径が、上部の径より大きいことを示す。ｂ−ａがマイナスの値ということは、据え込み加工品２００の貫通孔の中央部の径が、上部の径より小さいことを示す。

上部の外径Ｂと上部の外径Ａとの差分Ｂ−Ａを外径差分とする。Ｂ−Ａがプラスの値ということは、据え込み加工品２００の外径の中央部の径が、上部の径より大きいことを示す。すなわち樽型である。Ｂ−Ａがマイナスの値ということは、据え込み加工品２００の外径の中央部の径が、上部の径より小さいことを示す。すなわち、中央部が窪んだ形状である。

図１１に示すように、金型の傾斜角度θを９０°から８３°へと変化させると、内径差分と外径差分との値が変化する。なお金型の傾斜角が９０°とは、第１比較形態の場合である。また、図１１に示すように、金型角度を変えていったときに、内径差分と外径差分とは略等しい値となる。すなわち、外径側の出張量と内径側のくびれ量とは略等しいと考えられ、外径部の突出分が内径部の凹分になっている。

実施形態の場合、μ＝０．０５において、傾斜角度θは約８７°（＝９０°−ｔａｎ^−１μ）である。このとき図１１に示すように、内径差分と外径差分とは略ゼロになる。
なお、摩擦係数μの実験による推定方法では、μの精度としては、±０．０２程度の誤差が含まれるので、傾斜角度としては、ここで求めたθを±１．５°とする８５．５°≦θ≦８８．５°（８５．５°以上８８．５°以下）（＝ｔａｎ^−１（１／μ）±１．５°）を包含するものとする。

（内側に突形状の据え込み加工品）
傾斜角度θは８７°よりも角度が小さくなると（水平に対する傾斜が大きくなると）、内径差分と外径差分との値がマイナスになる。そして、傾斜角度θが９０°−２×ｔａｎ^−１μのとき、第１比較形態において外側に突となっていた据え込み加工品２００Ａと同じ量だけ内側に突となった据え込み加工品を製造することができる。なお、摩擦係数μの実験による推定方法では、μの精度としては、±０．０２程度の誤差が含まれるので、傾斜角度としては、ここで求めたθ±３．０°までを包含するものとする。
すなわち、平坦な押圧面で押圧した時と同じ量だけ内側に突となった据え込み加工品を製造するための傾斜角度θは、
一般的に最大となる摩擦係数μｍａｘ＝０．２５でのθ＝６０°であり、この中でも、通常使用される範囲は、０．０３≦μ≦０．１２である。この場合、７６°≦θ≦８８°（７６°以上８８°以下）となる。

このように、傾斜角度θを変更することにより、据え込み加工品における、軸線Ａ０方向の中央部の径方向位置を、上部及び下部に対して変更することができる。換言すると、傾斜角度θを変えることで、外側に突の樽型、側面が湾曲していない円筒状、内側に突のくびれ型との任意形状の据え込み加工品を製造することができる。

（硬度）
図１３は、（ａ）加工前の円環状素材１００と、（ｂ）第１比較形態の据え込み加工装置１で加工された据え込み加工品２００と、（ｃ）実施形態の据え込み加工装置１で加工された据え込み加工品２００との、異なる位置でのビッカース硬さを測定した結果である。
円環状素材としては、以下のものを用いた。
鋼種：ＳＵＪ２
内径：１４．２ｍｍ
外径：２８．４ｍｍ
高さ：５０．５ｍｍ
また、以下の条件で据え込み加工を行った。
プレス装置：４０００ｋＮメカプレス（油圧ユニット、理研機器株式会社製）
プレスモーション：クランク
プレス速度：１０ｓｐｍ
金型材質：ＳＫＤ１１
潤滑油：Ｇ−３４５６（日本工作油株式会社製）
圧縮力：（ｂ）７４８ｋＮ、（ｃ）８３４ｋＮ
圧縮率：５０％
それぞれ、長手方向の上から１，２，３，４，５の５箇所のそれぞれにおける、径方向の外径側からＡ，Ｂ，Ｃの３箇所の、合計１５箇所において、ビッカース硬さを測定した。単位はＨＶ，試験荷重は９．８Ｎである。

物体に塑性変形を与えると、変形度合が増すにつれて障害物（粒界、析出物、他の転移）にさえぎられるので、次第に蓄積され、密度が増大し、その結果材料の強度が増す加工硬化を生じる。すなわち、材料の変形度合が増すと硬くなる。

上述のように、上型３に近い円環状素材１００の上面近傍と、下型２に近い円環状素材１００の下面近傍とは、金型１０により荷重を受けた場合、θ＝９０°の第１比較形態及びθ＝８７°の実施形態とにおいて、材料は移動距離が小さい外径側に移動する。したがって変形度合は内径側に比べ外径側が大きい。

その結果、円環状素材１００の上部（側定箇所１）の硬さと、下部（側定箇所５）の硬さは、外径部（測定箇所Ａ）＞中央部（測定箇所Ｂ）＞内径部（測定箇所Ｃ）となっている。これは、第１比較形態及び実施形態において同様である。

一方、中央部（測定箇所３）は、上型３と下型２の中央に位置しているので、変形は上型３と下型２による圧縮が支配的となり、材料の圧縮率が大きくなるにつれ、変形度合が増し硬くなる。
すなわち、第１比較形態では上型３と下型２が水平になっているので、外径部、内径部の圧縮率は同じとなり、変形度合に差がなく、測定箇所Ａ，Ｂ，Ｃにおいて硬さは略等しい。
しかしながら、実施形態では、上型３と下型２の押圧面が傾斜しているので、内径部の圧縮率が高く、外径部の圧縮率が低い。したがって変形度合に差が生じ、外径部（測定箇所Ａ）＜中央部（測定箇所Ｂ）＜内径部（測定箇所Ｃ）となっている。

以上、実施形態の据え込み加工品２００は、内径部（側定箇所Ｃ）の中央部が最も硬く、内径部の上部と下部が最も軟らかい。したがって、最も軟らかい内径部の上部と下部とを金型で挟んで押し込んでいくＨ型加工がしやすくなり、その後、押し込んだ面を打ち抜くことで、第１比較形態による、中間製品としての据え込み加工品２００よりも、容易に仕上げ抜き加工ができる。

図１４は加工方法の違いによる加工品の鍛流線を比較した図である。
（ａ）は実施形態の据え込み加工品２００の鍛流線を示した図、（ｂ）は第１比較形態の据え込み加工品２００の鍛流線を示した図、（ｃ）は第２比較形態の据え込み加工品２００の鍛流線を示した図である。
第２比較形態は、円環状素材１００の外径側を、外壁で拘束して矩形加工した据え込み加工品２００Ｂである。

図１４（ｂ）に示す第１比較形態による据え込み加工品２００Ａにおいて、円環状素材１００の長手方向の中央線Ｍ近傍で鍛流線は軸線Ａ０に対して直交し、すなわち水平となる。
しかし、上型押圧面３１によって押圧される上面近傍の鍛流線は上型押圧面３１と平行にはならない。また、下型押圧面２１によって押圧される下面近傍の鍛流線も、下型押圧面２１と平行にはならない。

図１４（ｃ）に示す第２比較形態による据え込み加工品２００Ｂにおいては、円環状素材１００の長手方向の中央線Ｍ近傍において鍛流線は軸線Ａ０に対して直交せず、すなわち水平ではない。そして、上型押圧面３１によって押圧される上面近傍の鍛流線は上型押圧面３１と平行にはならない。また、下型押圧面２１によって押圧される下面近傍の鍛流線も、下型押圧面２１と平行にはならない。

しかし、図１４（ａ）に示す実施形態による据え込み加工品２００において、円環状素材１００の長手方向の中央線Ｍ近傍で鍛流線は軸線Ａ０に対して直交し、すなわち水平となる。
中央線Ｍより上に行くにつれて、鍛流線の徐々に傾き、上型押圧面３１によって押圧される上面近傍の鍛流線は上型押圧面３１と略平行、すなわち上型押圧面３１と同じ傾きとなる。
中央線Ｍより下に行くにつれて、鍛流線の徐々に傾き、下型押圧面２１によって押圧される下面近傍の鍛流線は下型押圧面２１と略平行、すなわち下型押圧面２１と同じ傾きとなる。
第１比較形態及び第２比較形態と比べると鍛流線同士の間隔は、略均等となり、むらのない鍛造が行われていることがわかる。

以上、本実施形態によると、傾斜角度が９０°より小さい円錐体の側面である押圧面で円環状素材を内径から徐々に当接して押圧加工している。これにより、内外径面の断面形状を直線状に増肉加工できる。
また、加工後に中央部の折曲がりや座屈なく、拡径ができるので、板厚が薄い軸受け鋼管の増肉が可能となる。
なお、プレス機の荷重は円環状素材１００の側面を拘束することにより側面を平坦にする場合に比べ、１／２．５程度に抑えられる。

θ：傾斜角
θ１：下型傾斜角度
θ２：上型傾斜角度
θ２：傾斜角度
μ：摩擦係数
Ａ０：軸線
Ａ１：装置軸線
１：据え込み加工装置
１０：金型
２：下型（第１型）
２１：下型押圧面（第１押圧面）
２２：下型位置決め突部
３：上型（第２型）
３１：上型押圧面（第２押圧面）
３２：上型位置決め突部
４１：貫通孔
５：駆動部
１００：円環状素材（環状素材）
１０１：貫通孔
２００：据え込み加工品
２００ａ：外側面
２００ｂ：内側面

Claims (15)

1. 第１押圧面を有する第１型と、
   前記第１押圧面と対向する第２押圧面を有する第２型と、
   前記第１型と前記第２型とを相対的に近接又は離間する方向に駆動可能な駆動部と、を備え、
   環状素材を軸線に沿った方向の両側から前記第１押圧面と前記第２押圧面とで挟んで押圧する据え込み加工装置であって、
   前記第１押圧面及び前記第２押圧面の少なくとも一方の押圧面は、前記環状素材の押圧時に、前記環状素材の前記軸線と一致する装置軸線の上の一点を頂点とした錐体の側面である、据え込み加工装置。
2. 前記押圧面は円錐体の側面であり、
   前記装置軸線を通り且つ前記装置軸線と平行な断面において、前記装置軸線と前記円錐体の側面の間の内角側の傾斜角度θが７５°以上である、
   請求項１に記載の据え込み加工装置。
3. 前記押圧面は円錐体の側面であり、
   前記装置軸線を通り且つ前記装置軸線と平行な断面において、前記装置軸線と前記円錐体の側面の間の内角側の傾斜角度θが８３°以上８９°以下である、
   請求項１又は２に記載の据え込み加工装置。
4. 前記押圧面は円錐体の側面であり、
   前記装置軸線を通り且つ前記装置軸線と平行な断面において、前記押圧面と前記環状素材との間の摩擦係数μとしたときに、前記装置軸線と前記円錐体の側面の間の内角側の傾斜角度θが、
   θ＝９０°−ｔａｎ^−１μである、
   請求項１から３のいずれか１項に記載の据え込み加工装置。
5. 前記押圧面は円錐体の側面であり、
   前記装置軸線を通り且つ前記装置軸線と平行な断面において、前記装置軸線と前記円錐体の側面の間の内角側の傾斜角度θが６０°以上である、
   請求項１に記載の据え込み加工装置。
6. 前記押圧面は円錐体の側面であり、
   前記装置軸線を通り且つ前記装置軸線と平行な断面において、前記装置軸線と前記円錐体の側面の間の内角側の傾斜角度θが７６°以上８８°以下である、
   請求項１又は５に記載の据え込み加工装置。
7. 前記押圧面は円錐体の側面であり、
   前記装置軸線を通り且つ前記装置軸線と平行な断面において、前記押圧面と前記環状素材との間の摩擦係数μとしたときに、前記装置軸線と前記円錐体の側面の間の内角側の傾斜角度θが、
   θ＝９０°−２×ｔａｎ^−１μである、
   請求項１，５又は６のいずれか１項に記載の据え込み加工装置。
8. 前記第１押圧面及び前記第２押圧面の少なくとも一方の押圧面には、前記環状素材の中央貫通孔に挿入される位置決め突部が設けられている、
   請求項１から７のいずれか１項に記載の据え込み加工装置。
9. 第１押圧面を有する第１型と、前記第１押圧面と対向する第２押圧面を有する第２型と、の間に環状素材を配置する配置工程と、
   前記第１型と前記第２型とを相対的に近接する方向に駆動することにより、前記環状素材を軸線に沿った方向の両端から前記第１押圧面と前記第２押圧面とで挟んで押圧する据え込み工程と、を備え、
   前記第１押圧面及び前記第２押圧面の少なくとも一方の押圧面は、前記環状素材の押圧時に前記環状素材の前記軸線と一致させる装置軸線の上の一点を頂点とした錐体の側面である、据え込み加工方法。
10. 前記据え込み工程は、
    前記環状素材の外周面及び内周面が拘束されない自由据え込み工程である、
    請求項９に記載の据え込み加工方法。
11. 前記押圧面は円錐体の側面であり、
    前記装置軸線を通り且つ前記装置軸線と平行な断面において、前記押圧面と前記環状素材との間の摩擦係数μとしたときに、前記装置軸線と前記円錐体の側面の間の内角側の傾斜角度θを、θ＝９０°−ｔａｎ^−１μとする、
    請求項９又は１０に記載の据え込み加工方法。
12. 前記押圧面は円錐体の側面であり、
    前記装置軸線を通り且つ前記装置軸線と平行な断面において、前記押圧面と前記環状素材との間の摩擦係数μとしたときに、前記装置軸線と前記円錐体の側面の間の内角側の傾斜角度θを、θ＝９０°−２×ｔａｎ^−１μとする、
    請求項９又は１０に記載の据え込み加工方法。
13. 前記配置工程は、
    前記第１押圧面及び前記第２押圧面の少なくとも一方の押圧面に設けられた前記装置軸線を中心とした位置決め突部を、前記環状素材の中央貫通孔に挿入することで、前記環状素材を位置決めする位置決め工程を含む、
    請求項９から１２のいずれか１項に記載の据え込み加工方法。
14. 環状であり、
    軸方向の中央における内径側の中央内径部は、
    前記中央における外径側の中央外径部と、
    前記軸方向の一端側における内径側の一端側内径部と、
    前記軸方向の他端側における内径側の他端側内径部と、より硬い、
    据え込み加工品。
15. 前記中央内径部は、前記中央外径部よりも５％以上硬い、
    請求項１４に記載の据え込み加工品。

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