JP2021115602A

JP2021115602A - 鍛造素材および円形材の製造方法

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Publication number: JP2021115602A
Application number: JP2020010832A
Authority: JP
Inventors: 充弘岡本; Michihiro Okamoto; 憲司田村; Kenji Tamura
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2020-01-27
Filing date: 2020-01-27
Publication date: 2021-08-10
Anticipated expiration: 2040-01-27
Also published as: JP7393641B2

Abstract

【課題】加熱された鍛造素材に対して鍛造を行うことによって円形材を製造するに際して円形材に疵が発生することを抑制できる方法を提供する。【解決手段】軸方向における一方側に第１端面を有しかつ前記軸方向における他方側に第２端面を有する円柱部材に対して成形を行うことによって円柱形状の鍛造素材を製造する方法であって、第１成形型と第２成形型との間に、前記円柱部材を配置する配置工程と、前記第１端面の外周縁および前記第２端面の外周縁を、前記第１成形型および前記第２成形型によって押圧することによって、前記第１端面の前記外周縁および前記第２端面の前記外周縁が前記軸方向における前記円柱部材の両端に位置するように前記第１端面および前記第２端面を凹状に成形する成形工程と、を備える。【選択図】図４

Description

本発明は、鍛造素材および円形材の製造方法に関する。

ギヤおよび鉄道用車輪等の円形材は、一般に、加熱された円柱形状の鍛造素材に対して上型および下型を用いて鍛造を実施した後、必要に応じて圧延、熱処理、および機械加工等を実施することによって製造される。

上記のように円形材を製造するに際して、種々の要因により、円形材の表面に疵が生じる場合がある。円柱材に生じた疵は、当該円形材の使用時に割れなどの要因となるおそれがある。そこで、従来、円形材の製造時における疵の発生を防止するために種々の方法が提案されている。

例えば、特許文献１には、黒皮を所定部位に残し他の部位を切削して得る製品のための製品粗材の鍛造方法が開示されている。具体的には、特許文献１の鍛造方法では、上型と下型とによって円柱状の鍛造素材を加圧することによって、円盤状の製品粗材が製造される。

ここで、特許文献１の鍛造方法では、上型および下型の対向面は、加圧前の状態で鍛造素材の端部外周縁を製品粗材における上記所定部位より外周側に位置させている。特許文献１には、このように上型および下型を配置することによって、鍛造素材の外周縁であった部分を、製品粗材における外周縁の近傍にとどめることができ、鍛造素材の外周縁であった部分にキズが生じたとしても、そのキズを後工程の切削により除去できることが記載されている。

特開２０１８−２４０１２号公報

上記のように、特許文献１に開示された鍛造方法では、得られる円形材（製品粗材）の外周部を切削することを前提としており、円形材の外周部に生じる疵の防止は考慮されていない。しかしながら、円形材のうち切削しなければならない部分を少なくすることができれば、材料コストを低減できるとともに、製造時間を短縮することができる。

そこで、本発明は、加熱された鍛造素材に対して鍛造を行うことによって円形材を製造するに際して円形材に疵が生じることを抑制できる方法を提供することを目的とする。

本発明者らは、従来の円形材の製造過程において生じる現象について研究を行った。その結果、本発明者らは、以下の知見を得た。

円形材の製造においては、円柱形状の鍛造素材を加熱した後、鍛造を行うまでの間に、鍛造素材の温度が低下する。このとき、鍛造素材の両端面の外周縁は、他の部分に比べて冷却されやすい。このため、鍛造時には、鍛造素材のうち上記外周縁の近傍の部分は、他の部分に比べて流動性が低下する。

上述したように、一般に、鍛造は、加熱された鍛造素材を上型および下型によって圧下することによって実施される。このとき、鍛造素材のうち流動性が低下した上記外周縁の近傍の部分が上型および下型によって拘束された状態で圧下が進められると、鍛造素材のうち流動性の高い部分が、鍛造素材の両端面の外周縁の外側に回り込むように変形する。これにより、円柱素材の外周縁の近傍に線状の疵（いわゆる折れ込み疵）が発生する。一方で、本発明者らの研究の結果、このような材料の回り込みは、鍛造時に、鍛造素材の両端面の外周縁を他の部分よりも先に圧下することによって防止できることが分かった。

本発明は、上記の知見に基づいてなされたものであり、下記の製造方法を要旨とする。

（１）軸方向における一方側に第１端面を有しかつ前記軸方向における他方側に第２端面を有する円柱部材に対して成形を行うことによって円柱形状の鍛造素材を製造する方法であって、
第１成形型と第２成形型との間に、前記円柱部材を配置する配置工程と、
前記第１端面の外周縁および前記第２端面の外周縁を、前記第１成形型および前記第２成形型によって押圧することによって、前記第１端面の前記外周縁および前記第２端面の前記外周縁が前記軸方向における前記円柱部材の両端に位置するように前記第１端面および前記第２端面を凹状に成形する成形工程と、
を備える、鍛造素材の製造方法。

（２）前記成形工程において、前記第１成形型および前記第２成形型はそれぞれ、前記第１端面および前記第２端面の前記外周縁が前記円柱部材の径方向において外側に移動することを規制しつつ前記第１端面および前記第２端面の前記外周縁を押圧する、上記（１）に記載の鍛造素材の製造方法。

（３）前記成形工程において、前記第１成形型および前記第２成形型はそれぞれ、前記第１端面および前記第２端面の前記外周縁に対して前記円柱部材の径方向において外側から内側に向かう力を与える、上記（１）または（２）に記載の鍛造素材の製造方法。

（４）前記配置工程では、前記軸方向において、前記円柱部材の前記一方側に第１成形型が位置し、前記円柱部材の前記他方側に前記第２成形型が位置するように前記円柱部材が配置され、
前記第１成形型は、前記軸方向に対して直交する断面において円形状を有しかつ前記軸方向における前記一方側ほど直径が小さくなるように形成された第１押圧面を有し、
前記第２成形型は、前記軸方向に対して直交する断面において円形状を有しかつ前記軸方向における前記他方側ほど直径が小さくなるように形成された第２押圧面を有し、
前記軸方向に対する前記第１押圧面および前記第２押圧面の傾斜角度はそれぞれ４５°未満であり、
前記成形工程では、前記第１成形型および前記第２成形型を相対的に近付くように前記軸方向に移動させることによって、前記第１成形型の前記第１押圧面を前記第１端面の外周縁に押し付け、前記第２成形型の前記第２押圧面を前記第２端面の外周縁に押し付ける、上記（１）から（３）のいずれかに記載の鍛造素材の製造方法。

（５）前記配置工程では、前記円柱部材の径方向において前記第１成形型と前記第２成形型との間に位置するように前記円柱部材が配置され、
前記第１成形型および前記第２成形型はそれぞれ、前記径方向における外側から前記円柱部材の前記第１端面の外周縁を押圧する第１押圧面と、前記径方向における外側から前記円柱部材の前記第２端面の外周縁を押圧する第２押圧面とを有し、
前記第１押圧面は、前記軸方向に対して直交する断面において中心角が１８０°未満の円弧形状を有しかつ前記軸方向における前記一方側ほど曲率半径が小さくなるように形成され、
前記第２押圧面は、前記軸方向に対して直交する断面において中心角が１８０°未満の円弧形状を有しかつ前記軸方向における前記他方側ほど曲率半径が小さくなるように形成され、
前記軸方向に対する前記第１押圧面および前記第２押圧面の傾斜角度はそれぞれ４５°未満であり、
前記成形工程では、前記第１成形型および前記第２成形型を相対的に近付くように前記径方向に移動させることによって、前記第１成形型および前記第２成形型の前記第１押圧面を前記第１端面の外周縁に押し付け、かつ第１成形型および前記第２成形型の前記第２押圧面を前記第２端面の外周縁に押し付ける、上記（１）から（３）のいずれかに記載の鍛造素材の製造方法。

（６）前記成形工程は、前記第１端面の全周が前記第１成形型および前記第２成形型の前記第１押圧面によって押圧され、かつ前記第２端面の全周が前記第１成形型および前記第２成形型の前記第２押圧面によって押圧されるように、前記円柱部材に対する前記第１成形型および前記第２成形型の周方向における位置を変えて複数回実行される、上記（５）に記載の鍛造素材の製造方法。

（７）上記（１）から（６）のいずれかに記載の製造方法によって製造された鍛造素材を加熱する加熱工程と、
前記加熱工程において加熱された前記鍛造素材を一対の押圧型の間に配置し、前記一対の押圧型によって前記鍛造素材の両端面の少なくとも外周縁を圧下する鍛造工程と、
を備える、円形材の製造方法。

本発明によれば、加熱された鍛造素材に対して鍛造を行うことによって円形材を製造するに際して円形材に疵が生じることを抑制できる。

図１は、鍛造素材を製造する際に用いられる金属製の円柱部材を示す斜視図である。図２は、本実施形態に係る鍛造素材の製造方法を説明するための図である。図３は、本実施形態に係る鍛造素材の製造方法を説明するための図である。図４は、本実施形態に係る鍛造素材の製造方法を説明するための図である。図５は、本実施形態に係る円形材の製造方法を説明するための図である。図６は、本実施形態に係る円形材の製造方法を説明するための図である。図７は、本実施形態に係る鍛造素材の製造方法を説明するための図である。図８は、本実施形態に係る鍛造素材の製造方法を説明するための図である。図９は、本実施形態に係る鍛造素材の製造方法を説明するための図である。図１０は、本実施形態に係る鍛造素材の製造方法を説明するための図である。図１１は、金型の変形例を示す図である。図１２は、金型の変形例を示す図である。図１３は、金型の他の変形例を示す図である。

（第１実施形態）
以下、本発明の第１実施形態に係る鍛造素材の製造方法および円形材の製造方法について説明する。詳細は後述するが、本実施形態に係る鍛造素材の製造方法は、配置工程および成形工程を備える。また、本実施形態に係る円形材の製造方法は、本実施形態に係る鍛造素材の製造方法によって製造された鍛造素材を用いて円形材を製造する方法であって、加熱工程および鍛造工程を備える。

（鍛造素材の製造方法）
まず、鍛造素材の製造方法について説明する。図１は、鍛造素材を製造する際に用いられる金属製の円柱部材を示す斜視図である。図２〜図４は、本実施形態に係る鍛造素材の製造方法を説明するための図である。

図１に示すように、円柱部材１は、軸方向における一方側に第１端面１０を有しかつ軸方向における他方側に第２端面１２を有している。本実施形態では、第１端面１０は、円形状の外周縁１０ａを有している。同様に、第２端面１２は、円形状の外周縁１２ａを有している。

図２に示すように、本実施形態に係る鍛造素材の製造方法では、金型１００が用いられる。金型１００は、第１成形型１４および第２成形型１６を備えている。なお、図２〜図４においては、円柱部材１の径方向において円柱部材１を２等分する平面で円柱部材１、第１成形型１４および第２成形型１６を切断して得られる断面を示している。

まず、第１成形型１４と第２成形型１６との間に円柱部材１を配置する（配置工程）。本実施形態では、円柱部材１の軸方向において、円柱部材１の一方側に第１成形型１４が位置し、円柱部材１の他方側に第２成形型１６が位置するように、円柱部材１が配置される。より具体的には、本実施形態では、第２成形型１６上に円柱部材１が載せられ、円柱部材１の上方に第１成形型１４が位置付けられる。なお、以下においては、第１成形型１４と第２成形型１６との間に円柱部材１が配置された状態を基準として、第１成形型１４および第２成形型１６の形状を説明する。

第１成形型１４は、第１押圧面１４ａを有している。第１押圧面１４ａは、円柱部材１の軸方向に対して直交する断面において円形状を有している。第１押圧面１４ａは、円柱部材１の軸方向における一方側ほど（円柱部材１の軸方向において円柱部材１の中心から一方側に離れるほど）直径が小さくなるように形成されている。本実施形態では、第１押圧面１４ａは、テーパー形状を有している。

第２成形型１６は、第２押圧面１６ａを有している。第２押圧面１６ａは、円柱部材１の軸方向に対して直交する断面において円形状を有している。第２押圧面１６ａは、円柱部材１の軸方向における他方側ほど（円柱部材１の軸方向において円柱部材１の中心から他方側に離れるほど）直径が小さくなるように形成されている。本実施形態では、第２押圧面１６ａは、テーパー形状を有している。

本実施形態では、円柱部材１の軸方向に対する第１押圧面１４ａの傾斜角度θ１および第２押圧面１６ａの傾斜角度θ２はそれぞれ、４５°未満に設定される。なお、本明細書において円柱部材の軸方向に対する押圧面の傾斜角度とは、円柱部材の径方向において円柱部材を２等分する平面で成形型を切断して得られる断面における、上記軸方向に対する押圧面の傾斜角度を意味する。

次に、図３および図４に示すように、第１成形型１４および第２成形型１６を相対的に近付くように円柱部材１の軸方向に移動させることによって、円柱部材１の第１端面１０の外周縁１０ａおよび第２端面１２の外周縁１２ａを、第１成形型１４および第２成形型１６によって押圧する（成形工程）。より具体的には、本実施形態では、第１押圧面１４ａを第１端面１０の外周縁１０ａに押し付け、第２押圧面１６ａを第２端面１２の外周縁１２ａに押し付ける。

これにより、図４に示すように、第１端面１０の外周縁１０ａおよび第２端面１２の外周縁１２ａが円柱部材１の軸方向における両端に位置するように、第１端面１０および第２端面１２が凹状に成形される。以下においては、成形工程において成形された円柱部材１を、鍛造素材１ａと称する。なお、本発明において成形工程を実施する際の円柱部材１の温度は特に規定されないが、成形工程では、円柱部材１は、例えば冷間加工される。具体的には、成形工程は室温で実施することができ、例えば、成形工程における円柱部材１の温度は、０〜４０℃である。

成形工程における円柱部材１の圧下率は、例えば、３％以上であることが好ましく、４％以上であることがより好ましく、５％以上であることがさらに好ましい。なお、本実施形態において円柱部材１の圧下率とは、成形工程前の円柱部材１の長さに対する、成形工程における第１成形型１４および第２成形型１６の押し込み長さの割合を意味する。また、第１成形型１４および第２成形型１６の押し込み長さとは、成形工程において第１成形型１４および第２成形型１６が円柱部材１に接触した後、円柱部材１を軸方向へ押し込む際の、第１成形型１４および第２成形型１６の相対的な移動量（円柱部材１の軸方向への移動量）を意味する。したがって、例えば、成形工程前における円柱部材１の長さが１５０ｍｍで、成形工程において第１成形型１４および第２成形型１６が円柱部材１に接触した後、第１成形型１４および第２成形型１６が円柱部材１の軸方向へ相対的に１．５ｍｍ近付くように移動して円柱部材１を押圧した場合、圧下率は１％となる。

なお、第１成形型１４および第２成形型１６は、公知の種々の装置（プレス装置等）に取り付けて用いることができるので、第１成形型１４および第２成形型１６を動作させるための構成については説明を省略する。

また、上記の配置工程および成形工程では、円柱部材１の軸方向が上下方向に一致するように円柱部材１を配置し、第１成形型１４および第２成形型１６によって上下から円柱部材１を押圧する場合について説明したが、円柱部材１の向きは特に制限されない。したがって、例えば、円柱部材１の軸方向が水平方向に一致するように円柱部材１を配置し、第１成形型１４および第２成形型１６によって左右から円柱部材１を押圧してもよい。

（円形材の製造方法）
次に、円形材の製造方法について説明する。図５および図６は、本実施形態に係る円形材の製造方法を説明するための図である。

本実施形態では、まず、上記のようにして製造された鍛造素材１ａを加熱する（加熱工程）。なお、鍛造素材１ａは、公知の種々の加熱炉を用いて加熱することができるので、鍛造素材１ａを加熱するための構成については説明を省略する。鍛造素材１ａの加熱温度は特に限定されないが、例えば、鍛造素材１ａは、１０００〜１３００℃に加熱される。なお、鍛造素材１ａの加熱温度は、例えば、材種、製品の寸法および温度に基づいて算出される鍛造荷重と設備能力とを考慮して適宜決定すればよい。具体的には、鍛造荷重が設備能力以下の荷重となるように、加熱温度を設定すればよい。

次に、図５および図６に示すように、加熱工程において加熱された鍛造素材１ａに対して、押圧型１８，２０を備えた金型２００を用いて鍛造が行われる（鍛造工程）。具体的には、加熱工程において加熱された鍛造素材１ａを押圧型１８，２０の間に配置し、押圧型１８，２０によって鍛造素材１ａの両端面１０，１２を圧下する。本実施形態では、押圧型１８の押圧面１８ａによって鍛造素材１ａの第１端面１０の全面が圧下され、押圧型２０の押圧面２０ａによって鍛造素材１ａの第２端面１２の全面が圧下される。これにより、図６に示すように、円形材１ｂが完成する。

なお、上述の配置工程および成形工程と同様に、鍛造工程における鍛造素材１ａの向きは特に制限されない。したがって、例えば、鍛造素材１ａの軸方向が上下方向に一致するように鍛造素材１ａを配置し、押圧型１８，２０によって上下から鍛造素材１ａを押圧してもよく、鍛造素材１ａの軸方向が水平方向に一致するように鍛造素材１ａを配置し、押圧型１８，２０によって左右から鍛造素材１ａを押圧してもよい。また、押圧型１８，２０は、公知の種々の装置（プレス装置等）に取り付けて用いることができるので、押圧型１８，２０を動作させるための構成については説明を省略する。

円形材１ｂは、最終製品であってもよいが、円形材１ｂに更なる鍛造、圧延、熱処理、機械加工等を施して最終製品としてもよい。

（第１実施形態の効果）
以上のように、本実施形態においては、円柱部材１の第１端面１０の外周縁１０ａおよび第２端面１２の外周縁１２ａを、第１成形型１４および第２成形型１６によって押圧することによって、外周縁１０ａ，１２ａが軸方向において両端に位置するように成形された鍛造素材１ａが得られる。これにより、押圧型１８，２０によって鍛造工程を実施する際に、鍛造素材１ａの両端面１０，１２の外周縁１０ａ，１２ａを他の部分よりも先に圧下することができる。このため、鍛造工程を実施する際に、鍛造素材１ａの外周縁１０ａ，１２ａの近傍の部分の流動性が低くなっていたとしても、外周縁１０ａ，１２ａを他の部分よりも先に押し潰すことができるので、鍛造素材１ａのうち流動性の高い部分が、外周縁１０ａ，１２ａの外側に回り込むように変形することを防止することができる。すなわち、折れ込み疵の発生を防止することができる。

また、本実施形態では、第１成形型１４および第２成形型１６によって円柱部材１の両端面１０，１２の外周縁１０ａ，１２ａを押圧することによって、両端面１０，１２を凹状に変形させることができる。この場合、両端面１０，１２の中央部を押圧する場合に比べて、小さな力で両端面１０，１２を適切な凹形状に変形させることができる。

また、本実施形態では、第１成形型１４および第２成形型１６はそれぞれ、円柱部材１の両端面１０，１２の外周縁１０ａ，１２ａが円柱部材１の径方向外側に移動することを規制しつつ、外周縁１０ａ，１２ａを押圧する。言い換えると、本実施形態では、第１成形型１４および第２成形型１６はそれぞれ、外周縁１０ａ，１２ａに対して円柱部材１の径方向において外側から内側に向かう力を与えることができる。これにより、成形工程中に円柱部材１の外周縁１０ａ，１２ａが径方向外側に移動することを十分に抑制しつつ、外周縁１０ａ，１２ａが軸方向において両端に位置するように両端面１０，１２を容易に成形できる。

なお、本発明者らが種々の解析等を行った結果、上述のような断面円形状かつテーパー形状の押圧面によって円柱部材を押圧する際には、円柱部材の軸方向に対する押圧面の傾斜角度を４５°未満に設定することにより、円柱部材の両端面を適切な凹形状に変形させることができることが分かった。そこで、上述の実施形態では、円柱部材１の軸方向に対する押圧面１４ａ，１６ａの傾斜角度θ１，θ２を４５°未満に設定している。ただし、円柱部材の軸方向に対する押圧面の傾斜角度は、押圧面の形状および押圧方向によって適宜変更される。

また、上記においては、押圧型１８，２０によって第１端面１０および第２端面１２の全面を押圧する場合について説明したが、本発明の効果は、少なくとも外周縁１０ａ，１２ａを含むように第１端面１０および第２端面１２を押圧することによって発揮される。したがって、鍛造工程において、第１端面１０および第２端面１２の一部（外周縁１０ａ，１２ａを除く）が押圧されていなくてもよい。

（第２実施形態）
以下、本発明の第２実施形態に係る鍛造素材の製造方法について説明する。なお、本実施形態においても、上述の円柱部材１が用いられる。図７〜図１０は、本実施形態に係る鍛造素材の製造方法を説明するための図である。なお、本実施形態に係る鍛造素材の製造方法では、上述金型１００に代えて、金型３００が用いられる。図７および図１０においては、円柱部材１および金型３００を、円柱部材１の軸方向から見た図を示し、図８および図９においては、図７のＡ−Ａ部分に対応する断面図を示している。

図７および図８に示すように、金型３００は、第１成形型２２および第２成形型２４を備えている。まず、第１成形型２２と第２成形型２４との間に円柱部材１を配置する（配置工程）。本実施形態では、円柱部材１の径方向において第１成形型２２と第２成形型２４との間に位置するように円柱部材１が配置される。なお、以下においては、第１成形型２２と第２成形型２４との間に円柱部材１が配置された状態を基準として、第１成形型２２および第２成形型２４の形状を説明する。

図８に示すように、第１成形型２２は、第１押圧面２２ａおよび第２押圧面２２ｂを有している。同様に、第２成形型２４は、第１押圧面２４ａおよび第２押圧面２４ｂを有している。円柱部材１の軸方向において、第１押圧面２２ａ，２４ａは、円柱部材１の中心よりも一方側に設けられ、第２押圧面２２ｂ，２４ｂは、円柱部材１の中心よりも他方側に設けられている。

第１押圧面２２ａは、円柱部材１の軸方向に対して直交する断面において中心角（図７の角α）が１８０°未満の円弧形状を有している。また、第１押圧面２２ａは、円柱部材１の軸方向における一方側ほど（円柱部材１の軸方向において円柱部材１の中心から一方側に離れるほど）曲率半径が小さくなるように形成されている。本実施形態では、第１押圧面２２ａは、テーパー形状を有している。第１押圧面２４ａについても同様である。

第２押圧面２２ｂは、円柱部材１の軸方向に対して直交する断面において中心角が１８０°未満の円弧形状を有している。また、第２押圧面２２ｂは、円柱部材１の軸方向における他方側ほど（円柱部材１の軸方向において円柱部材１の中心から他方側に離れるほど）曲率半径が小さくなるように形成されている。本実施形態では、第２押圧面２２ｂは、テーパー形状を有している。第２押圧面２４ｂについても同様である。

本実施形態では、円柱部材１の軸方向に対する第１押圧面２２ａの傾斜角度θ３および第２押圧面２２ｂの傾斜角度θ４はそれぞれ、４５°よりも小さく設定される。円柱部材１の軸方向に対する第１押圧面２４ａの傾斜角度および第２押圧面２４ｂの傾斜角度についても同様である。

次に、図８および図９に示すように、第１成形型２２および第２成形型２４を相対的に近付くように円柱部材１の径方向に移動させることによって、円柱部材１の第１端面１０の外周縁１０ａおよび第２端面１２の外周縁１２ａを、第１成形型２２および第２成形型２４によって押圧する（成形工程）。より具体的には、本実施形態では、第１押圧面２２ａ，２４ａを第１端面１０の外周縁１０ａに押し付け、第２押圧面２２ｂ，２４ｂを第２端面１２の外周縁１２ａに押し付ける。これにより、図９に示すように、第１端面１０の外周縁１０ａおよび第２端面１２の外周縁１２ａが円柱部材１の軸方向における両端に位置するように、第１端面１０および第２端面１２が凹状に成形される。すなわち、鍛造素材１ａが得られる。なお、本実施形態では、例えば、図１０に示すように、第１端面１０の全周が第１押圧面２２ａ，２４ａによって押圧され、かつ第２端面１２の全周が第２押圧面２２ｂ，２４ｂによって押圧されるように、円柱部材１に対する第１成形型２２および第２成形型２４の周方向における位置を変えて、成形工程を複数回実行することによって鍛造素材を製造してもよい。この場合、両端面１０，１２をより適切な凹形状に変形させることができる。

成形工程における円柱部材１の圧下率は、例えば、３％以上であることが好ましく、４％以上であることがより好ましく、５％以上であることがさらに好ましい。なお、本実施形態において円柱部材１の圧下率とは、成形工程前の円柱部材１の直径に対する、成形工程における第１成形型２２および第２成形型２４の押し込み長さの割合を意味する。また、第１成形型２２および第２成形型２４の押し込み長さとは、成形工程において第１成形型２２および第２成形型２４が円柱部材１に接触した後、円柱部材１を径方向内側へ押し込む際の、第１成形型２２および第２成形型２４の相対的な移動量（円柱部材１の径方向への移動量）を意味する。したがって、例えば、成形工程前における円柱部材１の直径が３００ｍｍで、成形工程において第１成形型２２および第２成形型２４が円柱部材１に接触した後、第１成形型２２および第２成形型２４が円柱部材１の径方向へ相対的に３．０ｍｍ近付くように移動して円柱部材１を押圧した場合、圧下率は１％となる。

詳細な説明は省略するが、本実施形態においても、上述の実施形態と同様に、上記のようにして製造された鍛造素材１ａを用いて、円形材１ｂが製造される。また、詳細な説明は省略するが、成形工程における円柱部材１の向きは特に制限されない。したがって、例えば、円柱部材１の軸方向が上下方向に一致するように円柱部材１を配置し、第１成形型２２および第２成形型２４によって左右から円柱部材１を押圧してもよく、円柱部材１の軸方向が水平方向に一致するように円柱部材１を配置し、第１成形型２２および第２成形型２４によって上下から円柱部材１を押圧してもよい。なお、第１成形型２２および第２成形型２４は、公知の種々の装置（プレス装置等）に取り付けて用いることができるので、第１成形型２２および第２成形型２４を動作させるための構成については説明を省略する。

（第２実施形態の効果）
以上のように、本実施形態においても、円柱部材１の第１端面１０の外周縁１０ａおよび第２端面１２の外周縁１２ａを、第１成形型２２および第２成形型２４によって押圧することによって、外周縁１０ａ，１２ａが軸方向において両端に位置するように成形された鍛造素材１ａが得られる。これにより、鍛造工程を実施する際に、鍛造素材１ａの外周縁１０ａ，１２ａの近傍の部分の流動性が低くなっていたとしても、外周縁１０ａ，１２ａを他の部分よりも先に押し潰すことができるので、鍛造素材１ａのうち流動性の高い部分が、外周縁１０ａ，１２ａの外側に回り込むように変形することを防止することができる。すなわち、折れ込み疵の発生を防止することができる。

また、本実施形態においても、第１成形型２２および第２成形型２４によって円柱部材１の両端面１０，１２の外周縁１０ａ，１２ａを押圧することによって、両端面１０，１２を凹状に変形させることができる。この場合、両端面１０，１２の中央部を押圧する場合に比べて、小さな力で両端面１０，１２を適切な凹形状に変形させることができる。

また、本実施形態においても、第１成形型２２および第２成形型２４はそれぞれ、円柱部材１の両端面１０，１２の外周縁１０ａ，１２ａが円柱部材１の径方向外側に移動することを規制しつつ、外周縁１０ａ，１２ａを押圧する。言い換えると、第１成形型２２および第２成形型２４はそれぞれ、外周縁１０ａ，１２ａに対して円柱部材１の径方向において外側から内側に向かう力を与えることができる。これにより、成形工程中に円柱部材１の外周縁１０ａ，１２ａが径方向外側に移動することを十分に抑制しつつ、外周縁１０ａ，１２ａが軸方向において両端に位置するように両端面１０，１２を容易に成形できる。

なお、本発明者らが種々の解析等を行った結果、上述のような断面円形状かつテーパー形状の押圧面によって円柱部材を押圧する際には、円柱部材の軸方向に対する押圧面の傾斜角度を４５°未満に設定することにより、円柱部材の両端面を適切な凹形状に変形させることができることが分かった。そこで、上述の実施形態では、円柱部材１の軸方向に対する押圧面２２ａ，２２ｂ，２４ａ，２４ｂの傾斜角度を４５°未満に設定している。ただし、円柱部材の軸方向に対する押圧面の傾斜角度は、押圧面の形状および押圧方向によって適宜変更される。

（変形例）
上述の第１実施形態では、押圧面１４ａ，１６ａが、円錐台形状を有する場合について説明したが、押圧面１４ａ，１６ａが円錐形状を有していてもよい。また、押圧面１４ａ，１６ａの形状は、断面直線状のテーパー面（円錐台形状または円錐形状）に限定されず、図１１および図１２に示すように、断面円弧形状であってもよい。なお、図１１は、成形工程開始時の円柱部材１および金型１００の状態を示し、図１２は、成形工程終了時の円柱部材１（鍛造素材１ａ）および金型１００の状態を示す。

なお、図１１に示す実施形態では、押圧面１４ａ，１６ａのうち円柱部材１の外周縁１０ａに最初に接触する位置における接線と円柱部材１の軸方向との角度θ５，θ６が４５°未満に設定される。すなわち、本実施形態では、円柱部材１の軸方向に対する押圧面１４ａ，１６ａの傾斜角度とは、円柱部材１の軸方向に対する上記接線の傾斜角度を意味する。なお、本実施形態では、押圧面１４ａ，１６ａのうち成形工程終了時（図１２参照）に円柱部材１に接触している領域の任意の位置における接線と円柱部材１の軸方向との角度が４５°未満に設定されることが好ましい。

詳細な説明は省略するが、上述の第２実施形態に係る金型３００においても同様に、押圧面２２ａ，２２ｂ，２４ａ，２４ｂが断面円弧形状を有していてもよい。この場合、円柱部材１の軸方向に対する押圧面２２ａ，２２ｂ，２４ａ，２４ｂの傾斜角度は、図１１および図１２に示した実施形態と同様に設定される。

上述の実施形態では、第１成形型１４および第２成形型１６が円板形状を有する場合について説明したが、図１３に示すように、第１成形型１４および第２成形型１６が中空形状を有していてもよい。なお、図１３においては、押圧面１４ａ，１６ａが断面円弧状である場合を示しているが、押圧面１４ａ，１６ａがテーパー形状を有する場合についても同様である。

（シミュレーションによる検討）
本発明の効果を確認するために、上述の第１実施形態および第２実施形態を模擬した数値解析を行い、折れ込み疵の発生の有無を調査した。

具体的には、第１実施形態を模擬した数値解析では、長さ１５０ｍｍ、直径３００ｍｍの円柱部材１を用い、円柱部材１の軸方向に対する第１押圧面１４ａおよび第２押圧面１６ａの傾斜角度θ１，θ２を３０°に設定し、成形工程を実施した。成形工程における圧下率は３％および２５％に設定した。これにより得られた鍛造素材１ａを、１２５０℃まで加熱し、その後、１０秒間冷却し、鍛造を行い、得られた円形材１ｂに折れ込み疵が発生するか否かを調査した。

なお、第１実施形態を模擬した数値解析では、成形工程および鍛造工程によって、長さ１５０ｍｍの円柱部材１を、長さ６０ｍｍの円形材１ｂとした（圧下率６０％）。また、１０秒間の冷却は、対流熱伝達率を２ｋＷ／ｍ^２・Ｋに設定して行った。

また、比較例として、成形工程を実施することなく、長さ１５０ｍｍおよび直径３００ｍｍの円柱部材１に対して同じ条件で加熱、冷却および鍛造を行い、長さ６０ｍｍの円形材とした場合についても、折れ込み疵の発生の有無を調査した。

その結果、第１実施形態を模擬した数値解析では、成形工程における圧下率にかかわらず、折れ込み疵が発生しなかった。一方、比較例においては、折れ込み疵が発生した。

また、第２実施形態を模擬した数値解析では、長さ２２５ｍｍ、直径４５０ｍｍの円柱部材１を用い、円柱部材１の軸方向に対する第１押圧面２２ａ，２４ａおよび第２押圧面２２ｂ，２４ｂの傾斜角度θ３，θ４を３０°に設定し、成形工程を実施した。成形工程における圧下率は８％に設定した。すなわち、成形工程では、直径４５０ｍｍの円柱部材１に対して、第１成形型２２および第２成形型２４をそれぞれ、径方向内側に１８ｍｍずつ押し込んで成形を行った。これにより得られた鍛造素材１ａを、１２５０℃まで加熱し、その後、１０秒間冷却し、鍛造を行い、得られた円形材１ｂに折れ込み疵が発生するか否かを調査した。なお、成形工程および鍛造工程によって、長さ２２５ｍｍの円柱部材１を、長さ９０ｍｍの円形材１ｂとした（圧下率６０％）。また、１０秒間の冷却は、対流熱伝達率を２ｋＷ／ｍ^２・Ｋに設定して行った。その結果、第２実施形態を模擬した数値解析においても、折れ込み疵は発生しなかった。

１円柱部材
１０第１端面
１０ａ，１２ａ外周縁
１２第２端面
１４，２２第１成形型
１６，２４第２成形型
１８，２０押圧型

Claims

軸方向における一方側に第１端面を有しかつ前記軸方向における他方側に第２端面を有する円柱部材に対して成形を行うことによって円柱形状の鍛造素材を製造する方法であって、
第１成形型と第２成形型との間に、前記円柱部材を配置する配置工程と、
前記第１端面の外周縁および前記第２端面の外周縁を、前記第１成形型および前記第２成形型によって押圧することによって、前記第１端面の前記外周縁および前記第２端面の前記外周縁が前記軸方向における前記円柱部材の両端に位置するように前記第１端面および前記第２端面を凹状に成形する成形工程と、
を備える、鍛造素材の製造方法。
前記成形工程において、前記第１成形型および前記第２成形型はそれぞれ、前記第１端面および前記第２端面の前記外周縁が前記円柱部材の径方向において外側に移動することを規制しつつ前記第１端面および前記第２端面の前記外周縁を押圧する、請求項１に記載の鍛造素材の製造方法。
前記成形工程において、前記第１成形型および前記第２成形型はそれぞれ、前記第１端面および前記第２端面の前記外周縁に対して前記円柱部材の径方向において外側から内側に向かう力を与える、請求項１または２に記載の鍛造素材の製造方法。
前記配置工程では、前記軸方向において、前記円柱部材の前記一方側に第１成形型が位置し、前記円柱部材の前記他方側に前記第２成形型が位置するように前記円柱部材が配置され、
前記第１成形型は、前記軸方向に対して直交する断面において円形状を有しかつ前記軸方向における前記一方側ほど直径が小さくなるように形成された第１押圧面を有し、
前記第２成形型は、前記軸方向に対して直交する断面において円形状を有しかつ前記軸方向における前記他方側ほど直径が小さくなるように形成された第２押圧面を有し、
前記軸方向に対する前記第１押圧面および前記第２押圧面の傾斜角度はそれぞれ４５°未満であり、
前記成形工程では、前記第１成形型および前記第２成形型を相対的に近付くように前記軸方向に移動させることによって、前記第１成形型の前記第１押圧面を前記第１端面の外周縁に押し付け、前記第２成形型の前記第２押圧面を前記第２端面の外周縁に押し付ける、請求項１から３のいずれかに記載の鍛造素材の製造方法。
前記配置工程では、前記円柱部材の径方向において前記第１成形型と前記第２成形型との間に位置するように前記円柱部材が配置され、
前記第１成形型および前記第２成形型はそれぞれ、前記径方向における外側から前記円柱部材の前記第１端面の外周縁を押圧する第１押圧面と、前記径方向における外側から前記円柱部材の前記第２端面の外周縁を押圧する第２押圧面とを有し、
前記第１押圧面は、前記軸方向に対して直交する断面において中心角が１８０°未満の円弧形状を有しかつ前記軸方向における前記一方側ほど曲率半径が小さくなるように形成され、
前記第２押圧面は、前記軸方向に対して直交する断面において中心角が１８０°未満の円弧形状を有しかつ前記軸方向における前記他方側ほど曲率半径が小さくなるように形成され、
前記軸方向に対する前記第１押圧面および前記第２押圧面の傾斜角度はそれぞれ４５°未満であり、
前記成形工程では、前記第１成形型および前記第２成形型を相対的に近付くように前記径方向に移動させることによって、前記第１成形型および前記第２成形型の前記第１押圧面を前記第１端面の外周縁に押し付け、かつ第１成形型および前記第２成形型の前記第２押圧面を前記第２端面の外周縁に押し付ける、請求項１から３のいずれかに記載の鍛造素材の製造方法。
前記成形工程は、前記第１端面の全周が前記第１成形型および前記第２成形型の前記第１押圧面によって押圧され、かつ前記第２端面の全周が前記第１成形型および前記第２成形型の前記第２押圧面によって押圧されるように、前記円柱部材に対する前記第１成形型および前記第２成形型の周方向における位置を変えて複数回実行される、請求項５に記載の鍛造素材の製造方法。
請求項１から６のいずれかに記載の製造方法によって製造された鍛造素材を加熱する加熱工程と、
前記加熱工程において加熱された前記鍛造素材を一対の押圧型の間に配置し、前記一対の押圧型によって前記鍛造素材の両端面の少なくとも外周縁を圧下する鍛造工程と、
を備える、円形材の製造方法。