JP3802285B2 - アプセッターにおけるフランジ成形方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、アプセッター（据え込み鍛造機）により軸端部にフランジを成形する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
舶用の推進軸、中間軸等の大型軸の端部にフランジを形成する技術として、例えば、特公昭５６−１２３３３号公報に記載のものが公知である。この従来の技術は、軸の一端部のフランジ付根をクランプせずにガイド用金型でガイドし、該軸の一端部に付与される成形軸力を該軸の他端部で支承して、該軸の一端部にフランジを成形するものであった。前記ガイド用金型は、ガイドしている軸部が軸方向に圧縮されること、若しくは、座屈することを防止するために設けられており、前記軸部を径方向からクランプするための機能は有していないものであった。
【０００３】
なお、前記公報には、「アプセッターによる製法」として、「これは軸径をつかみ、突出部の据え込み鍛造（熱間）を行ってフランジを成形するものであるが、つかみ力が非常に大きいので、現有のアプセッターでは、小径のものだけ採用されているのが現状である。」と記載されている。即ち、従来のアプセッターによるフランジ成形技術は、軸の滑り（軸の自由端の伸び）が生じないように軸径を完全につかむと言うものであった。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
前記従来の反成形側軸端部を支承するものでは、この支承部の移動装置、位置検出装置、固定装置等が必要となり、設備が長大になり、設備費が高くつくと言う問題があった。そして、このような設備では、フランジ成形するに際して、前記支承部を、加工する軸の長さに合わせて位置決め固定する必要があり、その都度、段取り替えを要し、生産性を低下させ、多品種の生産に不向きであるという問題があった。
【０００５】
一方、反成形側軸端部を支承せず、フランジ付根を滑りを生じないように完全にクランプする従来のアプセッターでは、大型軸端部のフランジを成形する場合、非常に大きなクランプ力と大きなクランプ金型が必要となり、設備費が高くつくという問題があった。そこで、本発明は、前記問題を解決するものであり、設備費の安い装置を用いて、生産性を低下させることなく、大型軸端部のフランジ成形を可能とした、アプセッターにおけるフランジ成形方法を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために、本発明は、次の手段を講じた。即ち、本発明のフランジ成形方法の特徴とするところは、両端部を有する軸の一端部を自由状態にし、他端部を突出状態として金型によりクランプし、該突出軸端部を熱間アプセット（据え込み鍛造）してフランジを成形するアプセッターにおいて、前記突出軸端部をアプセットするとき、前記軸の自由端の軸方向伸びを許容するよう、実操業のアプセット条件を設定するものであり、前記実操業のアプセット条件設定は、前記軸の直径をパラメータとして所定のアプセット条件の下で前記軸の自由端の軸方向伸びを予め求めておき、当該求めたデータを基に設定する点にある。
【０００７】
なお、前記アプセット条件は、前記軸の自由端部の伸びをゼロとするクランプ力以下の力で前記クランプ部をクランプし、かつ、アプセット速度を一定にするものである。
【０００８】
前記クランプ部の突出軸端部側から３分の２の部分を突出軸端部と同じ８００℃以上に加熱し、かつ、アプセット速度が１０ｍｍ／ｓｅｃ以下であることが好ましい。
より好ましくは、両端部を有する軸の一端部を自由状態にし、他端部を突出状態として金型によりクランプし、該突出軸端部を熱間アプセットしてフランジを成形するアプセッターにおいて、
前記突出軸端部をアプセットするときのアプセット条件を、
(i) 前記金型によりクランプされるクランプ部の突出軸端部側から３分の２の部分を前記突出軸端部と同じ８００℃以上に加熱すると共に、前記突出軸端部及び金型によりクランプされるクランプ部を均一加熱し、
(ii) 前記軸の自由端部の伸びをゼロとするクランプ力以下の力で前記クランプ部をクランプし、
(iii) アプセット速度を１０ｍｍ／ｓｅｃ以下であって一定とし、
(iv) 前記軸の直径をパラメータとして軸の自由端の軸方向伸びを予め求めておき、該軸方向伸びだけを許容するとよい。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を説明する。図１，２に示すものは、本発明方法に用いるアプセッター１であり、該アプセッターは、熱間据え込み鍛造（アプセット）により、軸２の端部にフランジ３を形成するものである。このアプセッター１は、水平方向に所定間隔を有して対向配置されたシリンダーフレーム４とベースフレーム５とを有し、両フレーム４，５は、タイロッド６で連結されている。前記シリンダフレーム４には油圧力等により水平方向に伸長するメインシリンダ７が設けられ、該メインシリンダ７に押盤８が設けられている。前記ベースフレーム５には、前記押盤８に対向してクランプ金型９が設けられている。
【００１０】
前記クランプ金型９は、上下に分割され、その中央部に前記軸２をクランプするための孔が形成されている。そして、上下の金型を互いに接近させて、前記孔内の軸２をクランプするためのクランプ装置１０が設けられている。このクランプ装置１０は、油圧シリンダ等から構成されている。前記クランプ金型９によりクランプされる軸２は、その一端部が、自由状態とされ、他端部が前記金型から突出して、該突出軸端部が前記押盤８により軸方向に押圧されて、所定の外径で所定の厚みを有するフランジ３に形成されるのであるが、該軸２は、このアプセッター１にセットされる前に、突出軸端部及び金型９によりクランプされる所定長さのクランプ部１１が、８００℃以上に加熱されている。この実施の形態では、１２００℃に加熱され、その加熱部の温度分布はほぼ一定とされている。
【００１１】
本発明においては、前記突出軸端部をアプセットするとき、前記軸の自由端の軸方向伸びを所定量だけ許容するよう、アプセット条件を設定している。即ち、アプセット条件としては、成形力（押盤８による推力）、クランプ力（クランプ金型９によるつかみ力）、金型長さ、フランジ厚、フランジ径、クランプ部の軸径、加熱状況、アプセット速度（押盤の移動速度）等があり、これらのアプセット条件を適宜設定することにより、軸の自由端の軸方向伸びを所定量だけ許容するのである。
【００１２】
図３〜６に示すグラフは、クランプ金型９のクランプ力と、該クランプ力による軸２の軸方向抵抗力と、押盤８の推力との関係を、軸径をパラメータとして示したものであり、クランプ金型９にクランプされている軸２の滑り（自由端の伸び）の限界を示すものである。図３において滑りの限界を説明すれば、変形抵抗値が２．００ｋｇ／ｍｍ²で、摩擦抵抗がμ＝０．３０の材料を、金型長４００ｍｍ、最大クランプ力２，１１１トンの装置においてアプセットするとき、軸径が４８０ｍｍのとき、推力と抵抗力が交差しているので、４８０ｍｍ以下の軸径のものでは滑りが生じず、それ以上の径の軸では滑りが生じることを示している。
【００１３】
表１にクランプ力の大きさによる滑りの抑制限界を示す。
【００１４】
【表１】

【００１５】
前記表中の「クランプ力」とは、各金型長において軸方向の抵抗力を最大限発生させるクランプ力のことである。但し、前提条件としてクランプ部軸径の最大値を８００ｍｍとしている。金型長４００ｍｍの時、伸び無し最大軸径は、４８０ｍｍであるが、このときに必要なクランプ力は、図３より約１２００トンとなり、それ以上のクランプ力は、上下の金型により相殺される。前記表１から明らかなように、直径８００ｍｍまでの軸径を有するフランジ付き軸材のフランジ成形をアプセット法で実施する場合、従来のように、クランプ部の滑りを許容せずに設備設計を行うと、金型長８００ｍｍ、クランプ力３，５００トン超の大型設備が必要となる。
【００１６】
本発明では、クランプ力を小さく設定し、発生する伸びを許容し、かつ、予測し、適正形状にフランジ成形するのである。即ち、本発明の実施の形態では、図３に代えて図７に示すように、金型長４００ｍｍで、最大クランプ力を１，０００トンとしている。尚、前記図３〜７及び表１における「滑り」とは、軸２が金型９との摩擦力に抗して相対移動することを意味するが、以下において用いる「滑り」とは、軸２が金型９との摩擦力に抗して相対移動することのみを意味するのではなく、材料流動も含めて軸２の自由端が軸方向に伸びることを意味する。従って、「滑り量」とは、軸端の「移動量」をいう。以下、これらを「伸び」と称する。
【００１７】
本発明では、伸びを完全に抑制するために金型長、クランプ力を大きくせずに、伸びを許容することにより、目標形状の成形を実現する製造方法である。そのため、伸びを許容した場合の精度を予測する必要がある。図８に伸び予測誤差と取代の関係を示す。図９は、伸び予測に対し誤差が０ｍｍの場合の取代を示している。予測伸びに対し伸び量が大きくなった場合、フランジ厚みの外取代が増大し、内取代及び径取代が減少する（図１０参照）。また、予測伸びに対し、伸び量が小さくなった場合、外取代が減少し、内取代と径取代が増大する（図１１参照）。この関係を示したのが前記図８である。
【００１８】
前記図８〜１１から判るように、伸び予測を誤ると、機械加工仕上げ形状に対し、マイナス値が発生し、寸法不良となるので、本発明においては、伸び予測を正確に行わなければならないことが判る。そこで、本発明では、伸び予測誤差が生じないようにするため、伸び予測誤差発生要因を分析した。即ち、伸び量の変化は、成形力、フランジ厚、フランジ径、軸径、加熱状況、アプセット速度等によって変化する。これらのパラメータを確実に予測し、また、一定化することにより、伸び量の正確な予測が可能になる。
【００１９】
そこで、本発明では、先ず、アプセット速度の変化がどのように伸び量に影響を与えているかを調べた。図１２は、金型長４００ｍｍ、クランプ力１，０００トン、軸径４８０ｍｍ、突出軸端部とクランプ部の２／３の範囲を均一加熱状態として、アプセット速度（押盤の移動速度）を変化させたときの、軸端部の伸び（滑り量）を測定した結果を示すグラフである。この図より、アプセット速度の増加により伸び量が増加する傾向にあり、更に変化量の傾きも大きくなるため、アプセット速度は、低速域かつ一定である必要があることが判る。
【００２０】
尚、アプセット速度と押盤８の押圧力とは、相関関係にあり、速度が速いと押圧力は大きくなる。次に、加熱状態と伸び量の関係を調べた。即ち、クランプ部軸径５４０ｍｍ、アプセット速度１０ｍｍ／ｓｅｃを一定として、突出軸端部を加熱すると共にクランプ部１１の加熱範囲を変化させた場合の伸び量のばらつきを測定した。その測定結果を図１３に示す。尚、クランプ部加熱状況の１００％とは、クランプ金型長９の全長に渡って、軸突出端部と同じ温度に加熱したと言う意味である。
【００２１】
加熱の理想状態は、フランジ成形部（突出軸端部）が高温かつ均一に加熱されており、クランプ部１１が低温であることであるが、フランジ成形部とクランプ部１１は連続した部位であるので、フランジ部３を十分に且つクランプ部１１を低温に保つことは困難である。フランジ形成部を高温にすると、クランプ部も高温になり成形力に対する抵抗力が減少するため、伸び量が増加し、クランプ部を低温にすると、フランジ成形部も低温になるため、成形時の変形抵抗が増大し、成形力が増加、成形不可能になる。若しくは、成形されたフランジ形状が不適切なものになる。これらのことから、伸び量を予測する上で、クランプ部の加熱状況による伸び量の変化を把握する必要がある。
【００２２】
前記図１３によれば、クランプ部１１の約２／３（６０％）までを突出軸端部と同じ温度に均一加熱したとき、伸び量が最も少なくなっていることが判る。その他の種々の実験により、伸び量は、クランプ部１１の軸径によって変化することが判った。そこで、精度の良い伸び予測を行うために、クランプ部軸径をパラメータとして、アプセット速度、加熱状況による伸び量の変化を定量化した。そして、伸び量が最小になるアプセット速度及びクランプ部加熱状況を常に再現させ、その条件下でのクランプ部軸径と伸び量の関係を示すテーブルを基に実操業を行った。図１４に前記テーブルの一例を示す。
【００２３】
即ち、加工する軸２の直径をパラメータとして、所定のアプセット条件の下で、該軸２の自由端の軸方向伸びを予め求めて、図１４に示すようなテーブルを作成し、そして、このテーブルを基に、実操業のアプセット条件を設定するのである。例えば、図１５に示す両端にフランジ３を有する製品（軸径５００ｍｍ、フランジ間距離８，０００ｍｍ）をアプセットにより成形する場合、その素材形状寸法をいくらに設計すれば良いか、及び、どの位置を金型９でクランプすれば良いかを、前記図１４のテーブルにより求めるのである。
【００２４】
即ち、図１４に示すテーブルによれば、軸径５００ｍｍの場合、予測伸び量は２０ｍｍである。従って、一端部のアプセットにより、軸端は２０ｍｍ伸びるので、両端アプセットすれば、合計４０ｍｍ伸びることになる。よって、素材形状は、フランジ成形部（突出軸端部）１２の長さをａ、ｂとすると、素材の全長は、ａ＋ｂ＋（８，０００−４０）＝（ａ＋ｂ＋７，９６０）ｍｍとなる。そして図１６（Ａ）に示すように、最初の一端部をアプセットするとき金型９で７，９６０ｍｍの位置でクランプし、図１４に示すアプセット条件でアプセットする。そして、他端部をアプセットするときは、図１６（Ｂ）に示すように、７，９８０ｍｍの位置でクランプすれば、図１５に示すフランジ間距離８，０００ｍｍの両端フランジの軸が高精度に成形できる。実操業では、これらに加えて加熱による熱膨張を加味する。
【００２５】
なお、本発明は、前記実施の形態に示すものに限定されるものではない。
【００２６】
【発明の効果】
本発明によれば、低コストで、高生産性のフランジ付き軸材の生産が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図１は、本発明方法に使用するアプセッターの概略構成図である。
【図２】 図２は、図１の金型の断面図である。
【図３】 図３は、金型長４００ｍｍのときのアプセッターのクランプ力と推力と抵抗力の関係を、クランプ部軸径をパラメータとして示したグラフである。
【図４】 図４は、金型長５００ｍｍのときのアプセッターのクランプ力と推力と抵抗力の関係を、クランプ部軸径をパラメータとして示したグラフである。
【図５】 図５は、金型長６００ｍｍのときのアプセッターのクランプ力と推力と抵抗力の関係を、クランプ部軸径をパラメータとして示したグラフである。
【図６】 図６は、金型長７００ｍｍのときのアプセッターのクランプ力と推力と抵抗力の関係を、クランプ部軸径をパラメータとして示したグラフである。
【図７】 図７は、本発明の実施の形態に用いたアプセッターのクランプ力と推力と抵抗力の関係を、クランプ部軸径をパラメータとして示したグラフである。
【図８】 図８は、伸び予測誤差と取代の関係を示すグラフである。
【図９】 図９は、伸び予測誤差が０の場合の取代の関係を示す図面である。
【図１０】 図１０は、伸び予測誤差が＋の場合の取代の関係を示す図面である。
【図１１】 図１１は、伸び予測誤差が−の場合の取代の関係を示す図面である。
【図１２】 図１２は、アプセット速度と伸び量の関係を示すグラフである。
【図１３】 図１３は、クランプ部加熱状態と伸び量の関係を示すグラフである。
【図１４】 図１４は、クランプ部軸径と伸び量のテーブルである。
【図１５】 図１５は、本発明方法により成形する両端フランジの軸材をしめす正面図である。
【図１６】 図１６は、本発明方法を示す説明図である。
【符号の説明】
１ アプセッター
２ 軸
３ フランジ
９ 金型
１１ クランプ部

Claims (1)

1. 両端部を有する軸の一端部を自由状態にし、他端部を突出状態として金型によりクランプし、該突出軸端部を熱間アプセットしてフランジを成形するアプセッターにおいて、
   前記突出軸端部をアプセットするときのアプセット条件を、
   (i) 前記金型によりクランプされるクランプ部の突出軸端部側から３分の２の部分を前記突出軸端部と同じ８００℃以上に加熱すると共に、前記突出軸端部及び金型によりクランプされるクランプ部を均一加熱し、
   (ii) 前記軸の自由端部の伸びをゼロとするクランプ力以下の力で前記クランプ部をクランプし、
   (iii) アプセット速度を１０ｍｍ／ｓｅｃ以下であって一定とし、
   (iv) 前記軸の直径をパラメータとして軸の自由端の軸方向伸びを予め求めておき、該軸方向伸びだけを許容する
   ようにしていることを特徴とするアプセッターにおけるフランジ成形方法。

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