JP2750662B2

JP2750662B2 - 金属材料のすえ込み成形方法

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Publication number: JP2750662B2
Application number: JP14874094A
Authority: JP
Inventors: 信市小野; 秀雄岩沢
Original assignee: NIPPON SEIKOSHO KK
Current assignee: NIPPON SEIKOSHO KK
Priority date: 1994-06-08
Filing date: 1994-06-08
Publication date: 1998-05-13
Anticipated expiration: 2013-05-13
Also published as: JPH07328737A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、金属材料のすえ込み成
形方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術及びその課題】従来、産業機械用フランジ
などの円盤状の製品は、金属材料からなる被加工体を圧
縮してすえ込み加工して製作している。このすえ込み加
工は、製品よりも直径が小さく高さが大きい中実円柱状
の素材である被加工体を用い、被加工体の中心軸線方向
の両端面に配置した平板工具によつて圧縮変形させて行
われ、所定の円盤状の製品となしている。

【０００３】しかしながら、このような従来の金属材料
のすえ込み成形方法にあつては、被加工体として、熱間
加工性に乏しい金属材料を使用する場合には、圧縮変形
に伴つて上下の平板工具と被加工体の両端面との間に、
半径方向の大きな摩擦力が発生する。この摩擦力に起因
して、被加工体の円筒面の中心軸線方向の中間部が膨出
し、いわゆるたる型変形を惹起する。そして、この被加
工体の円筒面において、たる型変形に伴う円周方向の２
次的な引張応力が大きくなると、特に熱間加工性に乏し
い材料では、半径方向に致命的な大きさのき裂が発生す
る。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明は、このような従
来の技術的課題に鑑みてなされたものであり、その構成
は、次の通りである。請求項１の発明の構成は、金属材
料からなる円柱状の被加工体１を熱間加工によつて円盤
状に圧縮成形する金属材料のすえ込み成形方法であつ
て、被加工体１の高さＨと直径Ｄとの比Ｈ／Ｄを１以下
に設定すると共に、該被加工体１の中心軸線方向の両端
面２，３のそれぞれの中央部に、各端面２，３の面積の
２５〜３０％の面積の浅い凹部２ａ，２ｂ，２ｃ，３
ａ，３ｂ，３ｃを円形に形成し、該被加工体１を中心軸
線方向に圧縮変形させることを特徴とする金属材料のす
え込み成形方法である。請求項２の発明の構成は、凹部
２ａ，２ｂ，２ｃ，３ａ，３ｂ，３ｃの深さｈが、少な
くともすえ込み率４０％までは消滅せず、すえ込み率７
５％では消滅しているように設定されていることを特徴
とする請求項１の金属材料のすえ込み成形方法である。

【０００５】

【作用】請求項１の発明によれば、被加工体１を熱間加
工温度に加熱した後、上下一対の平板状工具４，５の間
に介装させて、両平板状工具４，５の間にプレスによる
圧縮力を作用させ、被加工体１にすえ込み加工を施す。
各凹部２ａ，２ｂ，２ｃ，３ａ，３ｂ，３ｃには、予
め、潤滑剤を充填することができる。

【０００６】そして、各凹部２ａ，２ｂ，２ｃ，３ａ，
３ｂ，３ｃは、被加工体１の各端面２，３の面積の２５
〜３０％の範囲に形成したので、すえ込み加工に際し、
外周部に平坦面として残る７０〜７５％の各端面２，３
に圧縮力が集中して作用することとなる。かくして、７
０〜７５％という受圧面積に増大をほとんど生ずること
なく、両端面２，３の半径方向の摩擦力が軽減された状
態で、圧縮変形が進行する。各凹部２ａ，２ｂ，２ｃ，
３ａ，３ｂ，３ｃが、両端面２，３のそれぞれの中央部
に形成されているので、半径方向の摩擦力のピークを生
ずる箇所付近での一対の平板状工具４，５と各端面２，
３との接触が良好に防止される。各凹部２ａ，２ｂ，２
ｃ，３ａ，３ｂ，３ｃに潤滑剤を保有させれば、特に加
工が進行した際の両端面２，３の半径方向の摩擦力が更
に軽減される。

【０００７】このようにして、被加工体１の円筒面のた
る型変形が抑制され、１軸圧縮応力に近い状態での圧縮
変形が進行し、円筒面に作用する２次的引張応力が著し
く低下する結果、円筒面にき裂が発生することが抑制さ
れる。そして、すえ込み加工の進行に伴つて、各凹部２
ａ，２ｂ，２ｃ，３ａ，３ｂ，３ｃが消滅し、両端面
２，３が各平板状工具４，５と全面接触するようにな
り、それ以後は両端面２，３の半径方向の摩擦力が高ま
つてたる型変形を生ずる傾向を呈する。

【０００８】しかしながら、すえ込み率８０％程度まで
は、円筒面にき裂が発生することなくすえ込み加工を進
行させることが可能であるので、円筒面に致命的なき裂
が発生する前にすえ込み加工を終了することができる。
被加工体１の直径Ｄと高さＨとの比（Ｈ／Ｄ）を１以下
に設定したことも、円筒面の周方向の引張応力の発生を
小さくし、たる型変形を抑制しながら鍛造の効果を確保
することに寄与することになる。かくして、すえ込み加
工の途中で圧縮を中止し、円筒面を削り直すと共に、両
端面２，３に潤滑剤を塗布し直し、圧縮を繰り返すとい
つた作業は必要としない。なお、すえ込み加工は、自由
すえ込み加工又は密閉形のいずれであつてもよい。

【０００９】請求項２の発明によれば、少なくともすえ
込み率４０％までは、各凹部２ａ，２ｂ，２ｃ，３ａ，
３ｂ，３ｃが各平板状工具４，５と確実に非接触となつ
てすえ込みが進行することにより、両端面２，３の半径
方向の摩擦力が軽減された状態にある。従つて、被加工
体１の円筒面のたる型変形が良好に抑制されながら、す
え込み加工が進行する。次いで、すえ込み率７５％では
各凹部２ａ，２ｂ，２ｃ，３ａ，３ｂ，３ｃが消滅して
いるので、両端面２，３が各平板状工具４，５と全面接
触するようになる。このため、両端面２，３の半径方向
の摩擦力が高まつてたる型変形を生ずる傾向を呈する。
しかしながら、この凹みに予め充填された潤滑剤の効果
により、すえ込み率８０％程度までは、円筒面にき裂を
全く発生させることなく、すえ込み加工を進行させるこ
とができる。

【００１０】

【実施例】以下、本発明の実施例について図面を参照し
て説明する。図１〜図４は、本発明の１実施例を示す。
図中において符号１は金属材料からなる素材である被加
工体を示し、直径Ｄ、高さＨの中実円柱体をなしてい
る。被加工体１は、例えばセラミック分散型アルミ複合
材であり、熱間加工温度（４５０〜４９０℃）での引張
伸びが１５％以下と低延性の難加工性材料によつて製作
されている。被加工体１の直径Ｄと高さＨとの比（Ｈ／
Ｄ）は、１以下、具体的には０．７≦Ｈ／Ｄ≦１．０の
範囲に設定し、たる型変形を抑制しながら小さな据込み
率での鍛造の効果を確保してある。

【００１１】また、被加工体１の中心軸線方向の両端面
２，３の中央部に、円形の浅い凹部２ａ，３ａをそれぞ
れ予め形成する。各凹部２ａ，３ａは、被加工体１の中
心軸線方向の投影面積の２５〜３０％の範囲に設定し、
かつ、少なくともすえ込み率４０％までは消滅せず、全
面接触せず、すえ込み率６５〜７５％（望ましくは７０
％）では必ず消滅して、全面接触するように設定する。
この各凹部２ａ，３ａは、機削又は一対のポンチによる
対向押し込みで形成することができる。ここで、すえ込
み率（％）は、被加工体１のすえ込み量をＬ、高さをＨ
として、Ｌ／Ｈ×１００である。

【００１２】このような被加工体１を熱間加工温度（４
５０〜４９０℃）に加熱した後、図１に示すように上下
一対の平滑かつ平行な平板状工具４，５の間に介装させ
て、両平板状工具４，５間に図外のプレスによる圧縮力
を作用させ、被加工体１にすえ込み加工を施す。各凹部
２ａ，３ａには、予め、潤滑剤を充填してある。

【００１３】各凹部２ａ，３ａは、被加工体１の中心軸
線方向の投影面積の２５〜３０％の範囲に形成したの
で、すえ込み加工に際し、外周部に平坦面として残る７
０〜７５％の各端面２，３に圧縮力が集中して作用する
こととなる。かくして、７０〜７５％という受圧面積に
増大をほとんど生ずることなく、両端面２，３の半径方
向の摩擦力が軽減された状態で、圧縮変形が進行する。
更に、少なくともすえ込み率４０％までは、各凹部２
ａ，３ａが各平板状工具４，５と確実に非接触の状態と
してすえ込みが進行することにより、両端面２，３の半
径方向の摩擦力が軽減された状態にあり、また、両端面
２，３が潤滑剤によつて潤滑されて摩擦係数が低下した
状態に維持される。

【００１４】このようにして、被加工体１の円筒面のた
る型変形（バレリング）が抑制され、１軸圧縮応力に近
い状態での圧縮変形が進行し、円筒面に作用する２次的
引張応力が著しく低下する結果、円筒面にき裂が発生す
ることが抑制される。また、少なくともすえ込み率４０
％までは各凹部２ａ，３ａが各平板状工具４，５と非接
触の状態ですえ込みが進行するので、各凹部２ａ，３ａ
に潤滑剤が保有された状態にあり、潤滑作用も良好に維
持される。

【００１５】そして、すえ込み加工の進行に伴つて、各
凹部２ａ，３ａが次第に消滅し、少なくともすえ込み率
６５〜７５％では完全に消滅する。従つて、その後は両
端面２，３が各平板状工具４，５と全面接触するように
なり、両端面２，３の半径方向の摩擦力が高まつてたる
型変形を生ずる傾向を呈する。しかしながら、すえ込み
率８０％程度までは、円筒面にき裂が発生することが防
止されるので、円筒面にき裂が発生する前にすえ込み加
工を終了することができる。このため、すえ込み加工の
途中で圧縮を中止し、円筒面を削り直すと共に再加熱
し、両端面２，３に潤滑剤を塗布し直し、圧縮を繰り返
すといつた作業は必要としない。被加工体１の直径Ｄと
高さＨとの比（Ｈ／Ｄ）を１以下に設定したこと自体
も、円筒面の周方向応力を下げてたる型変形を抑制する
ように機能すると共に、最終形状製品を得るための据込
み率が小さくなる結果、付加ひずみを低減させ、円筒面
にき裂が発生することを防止するように機能する。な
お、上記実施例にあつてはすえ込み加工を自由すえ込み
加工としたが、密閉形として行うことも可能である。

【００１６】ところで、従来、潤滑剤を溜める目的で、
被加工体１の中心軸線方向の両端面に凹部を形成するこ
ともあつた。しかしながら、この種の凹部は、面積が大
きく、かつ、０．２〜０．３ｍｍ程度の極めて浅いもの
であり、すえ込み率１０％程度で完全に消滅し、早期に
全面接触を生ずるため、上記難加工性材料のたる型変形
を抑制する効果は、軽微である。このため、すえ込み率
８０％程度にまで圧縮加工する場合には、潤滑剤を充填
し直し、繰り返し圧縮してき裂を防止する必要性があつ
た。

【００１７】実際に、本発明を大型の円盤に適用した具
体例について説明する。被加工体１は、セラミック分散
型アルミ複合材製であり、直径Ｄ＝１６０ｍｍ、高さＨ
＝１５０ｍｍ（０．７≦Ｈ／Ｄ≦１．０）の円柱体をな
している。この被加工体１の中心軸線方向の両端面２，
３の中央部に、それぞれ直径ｄ＝８０ｍｍ、深さｈ＝２
ｍｍ（２ｍｍ以上が望ましい。）の凹部２ａ，３ａを機
械加工によつて形成した。その後、凹部２ａ，３ａに潤
滑剤を充填し、中心軸線方向の圧縮加工を施し、直径Ｄ
₁＝３４０ｍｍ、厚さＳ＝３２ｍｍの円盤を作製した。
この被加工体１によれば、圧縮加工に際して円筒状をな
す側面に作用した周方向の引張応力は、被加工体１の直
径Ｄと高さＨとの比（高径比）が１．５で素材端面に凹
部を形成しない場合と比較して、約４０％も減少するこ
とが有限要素法解析によつて判明した。

【００１８】図３は、縦軸に周方向応力／変形抵抗を採
り、横軸にすえ込み率（％）を採つた特性を示し、破線
Ａは、高径比＝０．９４、かつ、両端面２，３の形状を
平坦とした被加工体の特性を示し、実線Ｂは、高径比＝
０．９４、かつ、両端面２，３に凹部２ａ，３ａを形成
した本発明にかかる被加工体１の特性を示し、一点鎖線
Ｃは、高径比＝１．５、かつ、両端面２，３の形状を平
坦とした被加工体の特性を示す。同図から知られるよう
に一点鎖線Ｃで示す被加工体によれば、すえ込み率の増
加と共に周方向応力が漸増し、すえ込み率が５５％程度
で周方向応力と変形抵抗とが合致している。すなわち、
材料の降伏応力に相当する大きな応力が作用しているこ
とが分かる。また、破線Ａで示す被加工体によれば、一
点鎖線Ｃと比較して、高径比を小さくしたことによつて
周方向応力が低下しているが、実線Ｂと比較して、すえ
込み率の増加と共に周方向応力が比較的大きく増加して
いる。

【００１９】これに対し、本発明にかかる被加工体１に
よれば、すえ込み率が５％程度までは、周方向応力／変
形抵抗の低減が得られ、その影響ですえ込み率が５５％
程度になつても周方向応力／変形抵抗が比較的小さいこ
とが分かる。なお、高径比を１．５から０．９４にまで
小さくしただけでも、周方向応力／変形抵抗の低減が得
られているが、これは、円盤の素材である被加工体１の
ように高径比が非常に小さい製品を鍛造加工で製作する
場合の特徴であると思われる。すえ込み率８０％程度に
まですえ込み加工した被加工体１は、その後、機械加工
を施し、円盤状の製品とする。

【００２０】ところで、上記の実施例にあつては、凹部
２ａ，３ａは、被加工体１の中心軸線方向の両端面２，
３の中央部に、それぞれ１個形成した。これは、圧縮成
形に伴う摩擦力は、各端面２，３の中心がピークを示
し、外径方向に向けて次第に低下するので、この大きな
摩擦力が発生する中央部に凹部２ａ，３ａを形成し、摩
擦力の影響を軽減させることが望ましいことによる。し
かしながら、図４に示すように各端面２，３の中央部に
複数個の凹部２ｂ，２ｃ，３ｂ，３ｃを独立環状かつ同
心円に形成し、たる型変形の抑制に関してほぼ同様の作
用を得ることも可能である。更に、各端面２，３の中央
部に、中心軸線を中心としてうず巻き状をなすように凹
部を形成し、たる型変形の抑制に関して上記実施例とほ
ぼ同様の作用を得ることも可能である。

【００２１】

【発明の効果】以上の説明によつて理解されるように、
本発明によれば、円柱状の被加工体のすえ込み加工に際
し、円筒面にき裂が生ずることを良好に抑制できるの
で、再加熱を要するような繰り返し圧縮を施すことな
く、難加工性材料製の円盤状製品を高能率かつ歩留り良
く製作することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の１実施例にかかるすえ込み装置を断
面で示す正面図。

【図２】同じく被加工体を示す平面図。

【図３】同じく周方向応力／変形抵抗−すえ込み率特
性を示す線図。

【図４】同じく他の構造例にかかる被加工体を示す平
面図。

【符号の説明】

１：被加工体、２，３：端面、２ａ，２ｂ，２ｃ，３
ａ，３ｂ，３ｃ：凹部、４，５：平板状工具、Ｄ：直
径、Ｈ：高さ、ｄ：直径、ｈ：深さ。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】金属材料からなる円柱状の被加工体
（１）を熱間加工によつて円盤状に圧縮成形する金属材
料のすえ込み成形方法であつて、被加工体（１）の高さ
（Ｈ）と直径（Ｄ）との比（Ｈ／Ｄ）を１以下に設定す
ると共に、該被加工体（１）の中心軸線方向の両端面
（２，３）のそれぞれの中央部に、各端面（２，３）の
面積の２５〜３０％の面積の浅い凹部（２ａ，２ｂ，２
ｃ，３ａ，３ｂ，３ｃ）を円形に形成し、該被加工体
（１）を中心軸線方向に圧縮変形させることを特徴とす
る金属材料のすえ込み成形方法。
【請求項２】凹部（２ａ，２ｂ，２ｃ，３ａ，３ｂ，
３ｃ）の深さ（ｈ）が、少なくともすえ込み率４０％ま
では消滅せず、すえ込み率７５％では消滅しているよう
に設定されていることを特徴とする請求項１の金属材料
のすえ込み成形方法。