JP3716454B2

JP3716454B2 - Manufacturing method of high strength and toughness mold by warm hobbing

Info

Publication number: JP3716454B2
Application number: JP14099095A
Authority: JP
Inventors: 広明吉田; 幸宏五十川
Original assignee: Daido Steel Co Ltd
Current assignee: Daido Steel Co Ltd
Priority date: 1995-05-01
Filing date: 1995-05-01
Publication date: 2005-11-16
Anticipated expiration: 2020-11-16
Also published as: JPH08300092A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
この発明は冷間ダイス鋼、熱間ダイス鋼、高速度鋼など工具鋼を、温間ホビングにより高強度化、高靭性化させる加工方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ホビングとは金型のワーク面を鍛造により成形する方法で、メタルフローが連続的であることから切削品よりも型寿命において優れていると言われている。しかしホビング成形後には通常の工程と同じ焼き入れ、焼き戻しが入るため、メタルフローによる鍛流線を有する部分の靭性や疲労強度が優れているものの、強度的には切削品とほぼ同じである。また通常温間ホビングは複雑形状品に適用されることが多く、その成形面は加工ままに近い状態で使用されることが多いが、焼き入れ等の工程が加工後に入ることにより成形面は荒れ、冷間鍛造に用いられる様な表面性状は必ずしも良好ではない。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、ホビング成形と焼き戻し処理だけで通常の焼き入れ、焼き戻し品、あるいは通常の温間ホビング品よりも高強度、高靭性で、長寿命な金型を製造する方法を提案するものである。また鍛造面の精度、及び平滑度を上げるための仕上げ放電加工を行うことによって更に長寿命な金型を製造する方法を提案するものである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
一般に工具鋼の高強度化処理は焼き入れ、焼き戻しが行われ、２次硬化を利用して強度を高めている。焼き入れ、焼き戻し処理による２次硬化後の硬さは、成分と熱処理条件によりほぼ１００％決定されてしまう。また靭性に関しては、結晶粒度と圧延方向、及び１次炭化物の大きさ等によって決定される。従って金型を製造する場合、供試される材料によって強度、靭性等が決定されてしまい、金型製造業者は熱処理方法以外で特性を改善することはできない。
【０００５】
本発明は、被加工材（ブランク）を一旦８５０℃以上に加熱した後、降温させ３００から８００℃の間で鍛造し（ホビング）、その後空冷から水冷の範囲で室温まで冷却させ、後の焼入れ処理を省略し焼もどしのみを行うことによって、高強度、高靭性金型の製造を可能とするものである。
【０００６】
図１、及び２に従来の温間ホビング→焼き入れ、焼き戻し工程（プロセスＡ）と本発明の工程（プロセスＢ）をそれぞれ示す。本発明のプロセスＢでは焼き入れとホビングを組み合わせた点が特徴となる。
【０００７】
図３にプロセスＢにおける鍛造温度と焼き戻し後の硬さの関係を示す。実験に用いた工程は次の通りである。プロセスＡ；６００℃で前方押しだし（減面率６０％）→空冷→１０３０℃×１０分→油冷→焼き戻し（５００℃×１時間／空冷）。プロセスＢ；１０３０℃×１０分→空冷→２５０〜１０００℃で前方押しだし（減面率６０％）→油冷→焼き戻し（５００℃×１時間／空冷）。因みに材質は、ＪＩＳ−ＳＫＤ６２である。
【０００８】
図３から、３００℃〜８００℃で加工したプロセスＢ材の方が、プロセスＡ材よりも硬度は上昇することが確認できる。また加工温度は低い方が硬度の上昇度は高く、プロセスＢの効果が発揮されるが、加工温度が２５０℃以下になるとマルテンサイト変態が始まるため割れが生じ加工できなくなってしまう。従って効果のある現実的な加工温度の温度の下限は３００℃となる。
【０００９】
図４、５、及び図６にプロセスＡ材、及びプロセスＢ材の焼き戻し曲線を示す。この図より、鍛造ままと２００〜６５０℃焼き戻しのすべての範囲でプロセスＢ材の方が高硬度であることが確認できる。因みに材質はそれぞれ熱間ダイス鋼ＪＩＳ−ＳＫＤ６２、セミハイス鋼ＭＨ８５（０．５３Ｃ−４．５Ｃｒ−３．６Ｍｏ−１．７Ｗ−１Ｖ）、ハイス鋼ＪＩＳ−ＳＫＨ５１である。
【００１０】
図７にプロセスＡ、及びＢにおけるシャルピー衝撃値と焼き戻し温度の関係を示す。試験片の鍛造履歴、及び温度履歴は図２と同条件である。また材質はＪＩＳ−ＳＫＤ６２を、試験片にはＪＩＳ３号試験片を用いた。
【００１１】
図７の結果から、すべての焼き戻し温度領域において、プロセスＢ材は明らかにプロセスＡ材よりも高い衝撃値を示していることが確認される。
【００１２】
図８、及び９にＭＨ８５、ＪＩＳ−ＳＫＨ５１の抗折試験結果を示す。試験片の製造履歴は次の通りである。ＭＨ８５（プロセスＡ）；１１２０℃×２分→油冷→焼き戻し（５２５℃〜６２５℃×１Ｈ２回）、ＭＨ８５（プロセスＢ）；１１２０℃×２分→６００℃前方押しだし（減面率６０％）→油冷→焼き戻し（５２５℃〜６２５℃×１Ｈ２回）、ＳＫＨ５１（プロセスＡ）；１２００℃×２分→油冷→焼き戻し（５２５℃〜６２５℃×１Ｈ２回）、ＳＫＨ５１（プロセスＢ）；１２００℃×２分→６００℃前方押しだし（減面率３０％）→油冷→焼き戻し（５２５℃〜６５０℃×１Ｈ２回）。
【００１３】
図８、９の結果から、プロセスＢ材のたわみ量はプロセスＡ材の３倍近い値を示す。
【００１４】
以上の結果からプロセスＢによる高強度化、高靭性化は単なる加工硬化だけでないことが確認できる。
【００１５】
プロセスＢは、基本的には代表的な加工熱処理であるオースフォーミングと同じものであるが、今までの報告では、加工される部品を対象とされたものであり、また温度管理の難しさや、変形抵抗の問題などから実用化された例はほとんどない。本発明では、このオースフォーミングを利用したホビングにより金型を製造することによって、従来の切削加工−焼き入れ−焼き戻しプロセスや冷、温間ホビング−焼き入れ−焼き戻しプロセスでは得られなかった高い強度、及び靭性を得ることが可能となった。
【００１６】
【実施例１】
次に本発明を明確にすべく、以下にその実施例を詳述する。熱間ダイス鋼ＪＩＳ−ＳＫＤ６２を図１０（ａ）、（ｂ）に示す工程で、ギヤ型を製造した。
【００１７】
図１１の形状のギヤ型をプロセス２Ｂによりホビングした結果、割れは全く認められず、良好な形状を示した。また焼き戻し後の硬さ分布を図１２に示すが、プロセス２Ｂのものは、通常のプロセスであるプロセス２Ａのものと比較して硬さが最大ＨＲＣ５ポイント程度上昇しており、高強度化されている。
【００１８】
表１にプロセス２Ａ、２Ｂによって製造されたギヤ型の実機テスト結果を示す。プロセス２Ａのダイスの平均寿命は約６４００ショット程度であり、その破損形態は歯のだれ、欠けである。一方プロセス２Ｂのダイスの型命数は、約１９０００個と３倍近い伸びを示し、破損形態も硬度が高いにも関わらずだれのみであった。
【００１９】
【表１】

【００２０】
【実施例２】
第２の実施例としてセミハイス鋼ＭＨ８５を使用し、図１３に示す形状のギヤ型を、図１４に示す工程で作成し、実機テストした結果を以下に示す。
【００２１】
ＭＨ８５においても温間ホビング時に割れは全く認められず、良好な形状を示した。
【００２２】
図１５に図１４に示すプロセスで製造したギヤ型の硬さ分布を示す。ＭＨ８５においてもＳＫＤ６２のときと同様に、プロセスＢにより大幅な硬さ上昇が確認できる。
【００２３】
冷間、及び温間における実機テストの結果を表２に示す。プロセス３Ｂにより作成されたＭＨ８５の金型は、プロセス３Ａにより作成された金型の約２．１〜２．３倍の寿命を示した。また放電仕上げ加工を施したプロセス４Ｂのものは更に高い寿命を示すことから、放電仕上げ加工の有効性も確認できる。
【００２４】
【表２】

【００２５】
【実施例３】
第３の実施例としてハイス鋼ＳＫＨ５１を使用し、図１６に示す形状のギヤ型を、図１７に示す工程で作成し、実機テストした結果を以下に示す。
【００２６】
ＳＫＨ５１においても温間ホビング時に割れは全く認められず、多少肌荒れが生じるものの良好な形状を示した。
【００２７】
図１８に図１７に示すプロセスで製造したギヤ型の硬さ分布を示す。ＳＫＨ５１においてもＳＫＤ６２、ＭＨ８５のときと同様に、プロセスＢにより鍛造部の大幅な硬さ上昇が確認できる。
【００２８】
冷間における実機鍛造テストの結果を表３に示す。因みに、それぞれのプロセスにより製造された金型は放電仕上げ加工を行った。プロセス４Ｂにより作成されたＳＫＨ５１の金型は、プロセス４Ａにより作成された金型の２倍近い寿命を示した。また放電仕上げ加工を施したプロセス４Ｂのものは更に高い寿命を示すことから、放電仕上げ加工の有効性も確認できる。
【００２９】
【表３】

【００３０】
以上の実施例のように靭性値が高くでき、かつ初期硬さを通常の使用条件より大幅に上げることが可能となるため、その分寿命は大幅に改善される。
【００３１】
以上本発明の実施例を詳述したがこれはあくまで一例であり、本発明はその主旨を逸脱しない範囲において、当業者の知識に基づき様々な変更を加えた態様で実施可能である。
【００３２】
【発明の効果】
本発明を用いた金型の製造方法により、高い靭性と高い強度を両立させることが可能となり、金型寿命を大幅に延長させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の温間ホビングプロセスを示した図である。
【図２】本発明の温間ホビングプロセスを示した図である。
【図３】ＪＩＳ−ＳＫＤ６２を一旦１０３０℃に加熱した後各温度で鍛造した時の鍛造温度と焼き戻し後の硬さの関係を示した図である。
【図４】ＪＩＳ−ＳＫＤ６２をプロセスＡ、及びＢにより前方押しだし加工した後の焼き戻し特性を示した図である。
【図５】ＭＨ８５をプロセスＡ、及びＢにより前方押しだし加工した後の焼き戻し特性を示した図である。
【図６】ＪＩＳ−ＳＫＨ５１をプロセスＡ、及びＢにより前方押しだし加工した後の焼き戻し特性を示した図である。
【図７】ＪＩＳ−ＳＫＤ６２をプロセスＡ、及びＢにより前方押しだし加工した後の焼き戻し温度と衝撃値の関係を示した図である。
【図８】ＭＨ８５をプロセスＡ、及びＢにより前方押しだし加工した後の焼き戻し温度と抗折試験におけるたわみ量の関係を示した図である。
【図９】ＪＩＳ−ＳＫＨ５１をプロセスＡ、及びＢにより前方押しだし加工した後の焼き戻し温度と抗折試験におけるたわみ量の関係を示した図である。
【図１０】実施例としてギヤ型を製造したときのプロセスを示した図である。
【図１１】実施例としてギヤ型を製造したときの金型形状を示した図である。
【図１２】実施例としてギヤ型を製造した後の、硬さ分布を示した図である。
【図１３】実施例としてギヤ型を製造したときの金型形状を示した図である。
【図１４】実施例としてギヤ型を製造したときのプロセスを示した図である。
【図１５】実施例としてギヤ型を製造したときの硬さ分布を示した図である。
【図１６】実施例としてギヤ型を製造したときの金型形状を示した図である。
【図１７】実施例としてギヤ型を製造したときのプロセスを示した図である。
【図１８】実施例としてギヤ型を製造したときの硬さ分布を示した図である。[0001]
[Industrial application fields]
The present invention relates to a processing method for increasing the strength and toughness of tool steel such as cold die steel, hot die steel, and high speed steel by warm hobbing.
[0002]
[Prior art]
Hobbing is a method of forming a work surface of a mold by forging, and is said to be superior in die life to a cut product because the metal flow is continuous. However, after hobbing molding, the same quenching and tempering as in the normal process is performed, so the toughness and fatigue strength of the part with the streamline due to metal flow are excellent, but the strength is almost the same as the cut product . Usually, warm hobbing is often applied to products with complex shapes, and the molding surface is often used in a state close to processing, but the molding surface becomes rough due to the process such as quenching entering after processing. The surface properties used for cold forging are not always good.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
The present invention proposes a method for producing a die having a longer life and higher strength and toughness than ordinary quenching, tempering products, or ordinary warm hobbing products by only hobbing molding and tempering treatment. It is. In addition, the present invention proposes a method of manufacturing a die having a longer life by performing finish electric discharge machining for increasing the precision and smoothness of the forged surface.
[0004]
[Means for Solving the Problems]
Generally, the strengthening treatment of tool steel is performed by quenching and tempering, and the strength is increased by utilizing secondary hardening. The hardness after secondary curing by quenching and tempering is almost 100% determined by the components and heat treatment conditions. The toughness is determined by the crystal grain size and rolling direction, the size of the primary carbide, and the like. Therefore, when a mold is manufactured, strength, toughness and the like are determined by the material to be tested, and the mold manufacturer cannot improve the properties other than the heat treatment method.
[0005]
In the present invention, the work piece (blank) is once heated to 850 ° C. or higher, then cooled down and forged between 300 and 800 ° C. (hobbing), and then cooled to room temperature in the range of air cooling to water cooling, followed by quenching By omitting the treatment and performing only tempering, a high-strength, high-toughness mold can be manufactured.
[0006]
1, and 2 traditional warm hobbing → hardening of the, respectively tempering step (Process A) and the present invention process (Process B). Process B of the present invention is characterized by a combination of quenching and hobbing.
[0007]
FIG. 3 shows the relationship between the forging temperature in process B and the hardness after tempering. The steps used in the experiment are as follows. Process A: Pushing forward at 600 ° C. (area reduction 60%) → air cooling → 1030 ° C. × 10 minutes → oil cooling → tempering (500 ° C. × 1 hour / air cooling). Process B: 1030 ° C. × 10 minutes → air cooling → extruding forward at 250 to 1000 ° C. (area reduction 60%) → oil cooling → tempering (500 ° C. × 1 hour / air cooling). Incidentally, the material is JIS-SKD62.
[0008]
From FIG. 3, it can be confirmed that the hardness of the process B material processed at 300 ° C. to 800 ° C. is higher than that of the process A material. The processing temperature is preferably low degree of increase in hardness is high, the effect of the process B is exhibited, processing temperature cracking because begins martensitic transformation becomes a 250 ° C. or less becomes unworkable occur. Accordingly, the lower limit of the effective practical processing temperature is 300 ° C.
[0009]
4, 5 and 6 show the tempering curves of the process A material and the process B material. From this figure, it can be confirmed that the process B material has higher hardness in the entire range of 200-650 ° C. tempering as it is forged. Incidentally, the materials are hot die steel JIS-SKD62, semi-high speed steel MH85 (0.53C-4.5Cr-3.6Mo-1.7W-1V), and high speed steel JIS-SKH51, respectively.
[0010]
FIG. 7 shows the relationship between the Charpy impact value and the tempering temperature in the processes A and B. The forging history and temperature history of the test piece are the same as in FIG. Moreover, the material used JIS-SKD62 and the test piece used the JIS3 test piece.
[0011]
From the results of FIG. 7, it is confirmed that the process B material clearly shows a higher impact value than the process A material in all the tempering temperature regions.
[0012]
8 and 9 show the bending test results of MH85 and JIS-SKH51. The manufacturing history of the test piece is as follows. MH85 (Process A); 1120 ° C. × 2 minutes → oil cooling → tempering (525 ° C. to 625 ° C. × 1H 2 times), MH85 (Process B); 1120 ° C. × 2 minutes → 600 ° C. %) → oil cooling → tempering (525 ° C. to 625 ° C. × 1H twice), SKH51 (Process A); 1200 ° C. × 2 minutes → oil cooling → tempering (525 ° C. to 625 ° C. × 1H twice), SKH51 (Process B): 1200 ° C. × 2 minutes → 600 ° C. forward extrusion (area reduction rate 30%) → oil cooling → tempering (525 ° C. to 650 ° C. × 1H 2 times).
[0013]
8 and 9, the deflection amount of the process B material shows a value nearly three times that of the process A material.
[0014]
From the above results, it can be confirmed that the increase in strength and toughness by Process B is not only work hardening.
[0015]
Process B is basically the same as Ausforming, which is a typical thermomechanical treatment, but in the previous reports, it was intended for parts to be processed, and it was difficult to control temperature. Few examples have been put to practical use due to the problem of deformation resistance. In the present invention, by producing a die by hobbing utilizing this ausforming, it is not possible to obtain by a conventional cutting-quenching-tempering process or a cold, warm hobbing-quenching-tempering process. It became possible to obtain strength and toughness.
[0016]
[Example 1]
Next, in order to clarify the present invention, examples thereof will be described in detail below. A gear die was manufactured from the hot die steel JIS-SKD62 in the steps shown in FIGS. 10 (a) and 10 (b).
[0017]
As a result of hobbing the gear mold having the shape of FIG. 11 by the process 2B, no cracks were observed and a good shape was shown. Moreover, the hardness distribution after tempering is shown in FIG. 12, but the hardness of the process 2B is higher than that of the process 2A, which is a normal process, by a maximum HRC of about 5 points. ing.
[0018]
Table 1 shows the actual test results of the gear type manufactured by the processes 2A and 2B. The average life of the process 2A die is about 6400 shots, and the form of breakage is drooling or chipping. On the other hand, the die number of the process 2B die was about 19000, showing an increase of about 3 times, and no one was in spite of the high fracture form and high hardness.
[0019]
[Table 1]

[0020]
[Example 2]
Using the Semihaisu steel MH85 as second real施例, a gear-like shape as shown in FIG. 13, created in the step shown in FIG. 14, below the results of actual testing.
[0021]
Even in MH85, no crack was observed at the time of warm hobbing and a good shape was shown.
[0022]
FIG. 15 shows the hardness distribution of the gear mold manufactured by the process shown in FIG. In MH85, as in the case of SKD62, a significant increase in hardness can be confirmed by process B.
[0023]
Table 2 shows the results of actual machine tests in cold and warm conditions. The MH85 mold produced by Process 3B exhibited a life of about 2.1 to 2.3 times that of the mold produced by Process 3A. Moreover, since the thing of the process 4B which performed the electrical discharge finishing shows a still longer life, the effectiveness of electrical discharge finishing can also be confirmed.
[0024]
[Table 2]

[0025]
[Example 3]
A high-speed steel SKH51 is used as a third embodiment, a gear mold having the shape shown in FIG. 16 is created in the process shown in FIG. 17, and the results of an actual machine test are shown below.
[0026]
In SKH51, no cracks were observed at the time of warm hobbing, and a good shape was shown although the skin was somewhat rough.
[0027]
FIG. 18 shows the hardness distribution of the gear mold manufactured by the process shown in FIG. In SKH51, as in the case of SKD62 and MH85, the process B can confirm a significant increase in hardness of the forged part.
[0028]
Table 3 shows the results of the cold forging test. Incidentally, the die manufactured by each process was subjected to electric discharge finishing. The SKH51 mold produced by Process 4B showed nearly twice the life of the mold produced by Process 4A. Moreover, since the thing of the process 4B which performed the electrical discharge finishing shows a still longer life, the effectiveness of electrical discharge finishing can also be confirmed.
[0029]
[Table 3]

[0030]
Since the toughness value can be increased as in the above embodiments and the initial hardness can be significantly increased from the normal use conditions, the life is significantly improved accordingly.
[0031]
Although the embodiment of the present invention has been described in detail above, this is merely an example, and the present invention can be implemented in various modifications based on the knowledge of those skilled in the art without departing from the spirit of the present invention.
[0032]
【The invention's effect】
By the mold manufacturing method using the present invention, both high toughness and high strength can be achieved, and the mold life can be greatly extended.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 shows a conventional warm hobbing process.
FIG. 2 shows the warm hobbing process of the present invention.
FIG. 3 is a diagram showing the relationship between the forging temperature and the hardness after tempering when JIS-SKD62 is once heated to 1030 ° C. and then forged at various temperatures.
FIG. 4 is a diagram showing tempering characteristics after JIS-SKD62 is subjected to forward extrusion processing by processes A and B.
FIG. 5 is a diagram showing tempering characteristics after MH85 is subjected to forward extrusion processing by processes A and B;
FIG. 6 is a diagram showing tempering characteristics after JIS-SKH51 is subjected to forward extrusion processing by processes A and B.
FIG. 7 is a diagram showing the relationship between the tempering temperature and the impact value after JIS-SKD62 is subjected to forward extrusion processing by processes A and B.
FIG. 8 is a diagram showing the relationship between the tempering temperature after the MH85 is subjected to forward extrusion processing by processes A and B and the deflection amount in the bending test.
FIG. 9 is a diagram showing the relationship between the tempering temperature after the JIS-SKH51 is pushed forward by processes A and B and the amount of deflection in the bending test.
FIG. 10 is a diagram showing a process when a gear mold is manufactured as an example.
FIG. 11 is a diagram showing a mold shape when a gear mold is manufactured as an example.
FIG. 12 is a diagram showing a hardness distribution after manufacturing a gear mold as an example.
FIG. 13 is a diagram showing a mold shape when a gear mold is manufactured as an example.
FIG. 14 is a diagram showing a process when a gear mold is manufactured as an example.
FIG. 15 is a diagram showing a hardness distribution when a gear mold is manufactured as an example.
FIG. 16 is a diagram showing a mold shape when a gear mold is manufactured as an example.
FIG. 17 is a diagram showing a process when a gear mold is manufactured as an example.
FIG. 18 is a diagram showing a hardness distribution when a gear mold is manufactured as an example.

Claims

Hot die steel, after heating the tool steel, including high-speed steel once 850 ° C. or higher, and hobbing processing between 300 and 800 ° C. the temperature is lowered, conducted from subsequent air cooling ausforming which Ru is cooled in a range of water-cooled and then, high-strength, concrete how manufacturing high toughness mold and performing only tempering by omitting quenching treatment after the.

Hot die steel, after heating the tool steel, including high-speed steel once 850 ° C. or higher, and hobbing processed at between 300 to decrease a temperature of 800 ° C., ausforming which Ru is cooled then air-cooled to room temperature at a range of water-cooled after performs only tempering by omitting quenching process after its high strength, granulation how manufacturing high toughness mold, characterized by further finishing forging surface by electrical discharge machining.