JP4016960B2 - 鍛造用金型装置と、それを用いた鍛造設備 - Google Patents

Description

この発明は、鍛造製品を成形する際に使用される鍛造用金型装置と、それを用いた鍛造設備に関する。

鍛造によって金属製品等を成形する場合、金型装置の形態に応じて、フリー鍛造と、型鍛造と、中間鍛造との３種類が知られている。（例えば下記特許文献１の図１，図７，図９等参照）
フリー鍛造では、図１０に示す鍛造用金型装置１のように、材料Ｗの外周を拘束することなく、下据込み型２と上据込み型３との間で成形が行われる。
型鍛造では、図１１に示す鍛造用金型装置４のように、下据込み型５と上据込み型６との間で材料Ｗが密閉された状態で成形が行われる。

中間鍛造では、図１２に示す鍛造用金型装置７のように、材料Ｗの中央部が下据込み型８と上据込み型９とによって拘束され、材料Ｗの外周は拘束されることなく成形が行われる。
特開平１１−２５４０７９号公報

図１０に示すフリー鍛造では、材料Ｗの外周が拘束されていない状態で成形が行われるため、厚みが均一の製品を得ることができるが、製品の外径が不均一になりやすいという問題がある。特に、成形前の材料Ｗに加熱むらが生じていたり、型２，３の成形面の摩耗による成形抵抗のばらつきが生じたり、成形前の材料Ｗ自体が歪んでいる等の要因が加わると、成形された製品の外径がさらに不均一になってしまう。

図１１に示す型鍛造の場合には、材料Ｗの外周が据込み型５，６によって拘束された状態で成形が行われるため、製品の外周を均一（真円形）にすることができる。しかしその反面、型鍛造は、成形中に材料Ｗや型５，６に生じるストレスが大きく、型５，６が摩耗しやすい。また、成形された製品の厚みが不均一になりやすいという欠点がある。

図１２に示す中間鍛造の場合には、材料Ｗの中央部が上下の据込み型８，９によって拘束されるため、材料Ｗの中央部は正確な形状に成形できる。しかし材料Ｗの外周が拘束されていないために、成形された製品の外周が不均一になりやすいという問題がある。

以上述べたように、成形された製品の外径や厚さが不均一であると、その後に仕上げ成形や機械加工が行われても、外径や厚さの不均一の影響が残り、最終製品が形状不良となることがある。また、製品の外面を機械加工する際に、所定の仕上げ代を確保できない箇所が生じ、いわゆる黒皮残り等の不良品が発生する原因となる。

上記の問題を解決するために、本発明者は、可動式のリング型を備えた金型装置の開発を行った。この金型装置は、図１３に一部を示すように、下据込み型１００の上にリング型１０１を設けている。リング型１０１の上方には、上据込み型１０２との干渉を避けるためのクリアランス１０３が確保されている。このためこの金型装置によって成形された製品（中間製品１０４）の外周部には、上側に突出する凸部１０５や、はみ出し部１０６が形成される。

凸部１０５やはみ出し部１０６を有する中間製品１０４を、次工程（荒成形）等において、図１４に示すような下側の凹部１１０を有する下据込み型１１１と、上側の凹部１１２を有する上据込み型１１３との間で成形した場合に、図１５に示す製品１１４のように、ファイバーフロー（メタルフロー）１１５が大きく乱れ、欠陥の発生要因となることが判った。ファイバーフロー１１５が乱れる原因は、プレス時に、前方押し出し側（下側の凹部１１０）に比べて、後方押し出し側（上側の凹部１１２）の方が、塑性流動を生じやすいという性質があるためである。

つまり、もともと塑性流動を生じやすい上側の凹部１１２に、予め形成されていた凸部１０５が流れ込むのに対し、塑性流動を生じにくい下側の凹部１１０には凸部が形成されていないため、プレス時にファイバーフロー１１５が上下方向に均等に分かれることができず、ファイバーフロー１１５の一部が倒れたり、引き込みを生じるなどの乱れが発生する。

従ってこの発明の目的は、製品を所定形状に正確に成形することができ、かつ、望ましいファイバーフローが得られる鍛造用金型装置と、それを用いた鍛造設備を提供することにある。

第１の観点に基く本発明の鍛造用金型装置は、下据込み型と、上据込み型と、可動式リング型と、クッション機構等を備えている。下据込み型は、材料を載置する平坦な形状の成形面を有している。上据込み型は下据込み型に対して昇降可能に設けられ、下据込み型の成形面と平行をなして対向する平坦な形状の成形面を有し、下据込み型に向かって降下したときに下据込み型の成形面との間で材料を成形するものである。

前記可動式リング型は、下据込み型に対し水平な姿勢で配置されかつ水平方向に移動自在である。この可動式リング型は、上方から見て円形の内周面を有し、その内側に前記材料が配置される。そして材料が成形される途中で、該材料の一部が前記可動式リング型の内周面に当接することによって、この可動式リング型が水平方向に移動する。前記上据込み型が下降端に至ると、該材料の外周全体が前記内周面によって拘束された状態で成形が完了する。

前記クッション機構は、前記可動式リング型を上方に付勢し、前記上据込み型の下面が前記可動式リング型の上面に当接した状態において該可動式リング型が下方に移動することを許容する。前記可動式リング型の内周面と前記下据込み型の外周面との間には、材料の成形時に該材料の外周部の余肉が下方にはみ出ることを許容するギャップ部が形成されている。

本発明の好ましい形態では、前記可動式リング型の内周面は、上部側の内径が下部側の内径よりも大となるように傾斜している。この構成により、成形後の製品を可動式リング型から取出すことが容易となる。
前記クッション機構は、例えば複数のばね部材を前記可動式リング型の周方向に沿って複数個所に配置したものである。

第２の観点に基く本発明の鍛造設備は、前記鍛造用金型装置と、該鍛造用金型装置によって成形された中間製品をさらに成形するための次工程用金型装置とを具備し、この次工程用金型装置の下型に、前記中間製品の下面側に形成されている前記余肉による凸部を前方押し出し側に塑性流動させる第１の成形用凹部が形成され、この次工程用金型装置の上型には、前記第１の成形用凹部と対応する位置に、前記中間製品の肉の一部を後方押し出し側に塑性流動させる第２の成形用凹部が形成されている。

本発明の鍛造用金型装置によれば、外径や厚さが均一の中間製品を得ることができる。本発明の鍛造設備によれば、前記中間製品をさらに成形する場合に、望ましいファイバーフローを形成させることができる。

以下に本発明の一実施形態について、図１から図９を参照して説明する。
図１は本実施形態の鍛造用金型装置１０を示す縦断面図である。この金型装置１０は、下型ユニット１１と上型ユニット１２とを備えている。

下型ユニット１１は、下型クランパー１５と、下取付台１６と、ノックアウトピン１７と、スペーサ１８と、下据込み型１９と、押え金具２０と、取付リング２１と、可動式リング型（フローティングリング型）２２と、クッション機構２３などを備えている。

下据込み型１９は、下取付台１６の上にスペーサ１８を介して配置されている。下据込み型１９の上面側に、材料Ｗを載置する平坦な成形面２５が形成されている。成形面２５は上方から見て円形である。下据込み型１９は、取付リング２１を介して、押え金具２０によって所定位置に保持されている。

押え金具２０は、ボルト２６によって下型クランパー１５に固定されている。材料Ｗは円柱形をなし、予め切断装置によって所定の長さに切断されている。この材料Ｗは、下据込み型１９の成形面２５の上に、材料Ｗの軸線を垂直に立てた姿勢で載置される。

上型ユニット１２は、上型クランパー３０と、上取付台３１と、ねじ式高さ調整台３２と、ノックアウトピン３３と、上据込み型３４と、取付リング３５などを備えている。上据込み型３４は、下据込み型１９の成形面２５の上方に離間した状態で昇降可能に設けられ、図示しないプレス機によって、図１に示す上昇端Ｓ１と、図２に示す下降端Ｓ２とにわたって上下方向に駆動されるようになっている。

上据込み型３４は、下据込み型１９の成形面２５と対向する位置に平坦な成形面３６を有している。この成形面３６は、下方から見て円形をなしている。上据込み型３４が下据込み型１９に向かって降下したとき、下据込み型１９の成形面２５と上据込み型３４の成形面３６との間で材料Ｗが円板状に成形される。

上据込み型３４は、取付リング３５とボルト３７によって、ねじ式高さ調整台３２に固定されている。ノックアウトピン３３は、ばね３８によって下方に向かって付勢されている。

上取付台３１に雌ねじ部３１ａが形成されている。ねじ式高さ調整台３２の外周に雄ねじ部３２ａが形成されている。これら雌ねじ部３１ａと雄ねじ部３２ａが互いに螺合することにより、高さ調整手段を構成している。

ねじ式高さ調整台３２を垂直軸回りに回転させることにより、その回転量（螺進量）に応じて、ねじ式高さ調整台３２の高さ、すなわち上据込み型３４の高さを微調整することができる。ねじ式高さ調整台３２は、ボルト等の固定用部材３９によって、所望の高さの位置で固定される。ねじ式高さ調整台３２の高さを微調整することによって、上据込み型３４の下降端Ｓ２（図２に示す）の位置を微調整することができる。

可動式リング型２２は、下据込み型１９に対して水平な姿勢で配置されている。この可動式リング型２２は、下据込み型１９の成形面２５に対して水平方向に相対移動することができる。すなわちこの可動式リング型２２は、水平な平面内にて全方向（図１では矢印Ｙで示す方向）に移動することが可能である。

可動式リング型２２は、上方から見て円形の内周面４０を有し、内周面４０の内側に前記材料Ｗが配置されるようになっている。図１と図２に示すように、可動式リング型２２の内周面４０は、上部側の内径が下部側の内径よりも僅かに大となるようにテーパ状に傾斜している。

この可動式リング型２２は、下据込み型１９と上据込み型３４との間で材料Ｗが成形される途中において、材料Ｗの一部が内周面４０に当接したときに、水平方向すなわち径方向に移動することができる。そして、上据込み型３４が前記下降端Ｓ２に至った状態において、材料Ｗの外周全体が可動式リング型２２の内周面４０によって拘束された状態で、成形（密閉鍛造）が完了するようになっている。

クッション機構２３は、複数のばね部材２４（例えばコイルばねあるいはガスばね等の弾性部材）を、可動式リング型２２の周方向に沿って複数個所に配置したものである。このクッション機構２３は、可動式リング型２２を常時上方に付勢している。

図１に示すように上型ユニット１２が上昇した状態において、可動式リング型２２は、上昇側のストッパとして機能する取付リング２１によって、所定高さの位置で保持されるようになっている。

図２に示すように上型ユニット１２が降下した状態において、上据込み型３４の下面が可動式リング型２２の上面に当接し、ばね部材２４が下方に押されることにより、可動式リング型２２が下方に変位する。これらばね部材２４を有するクッション機構２３によって、プレス時に可動式リング型２２が下方に移動することが許容される。

可動式リング型２２の内周面４０と下据込み型１９の外周面との間には、上型ユニット１２が降下した状態（図２に示す状態）すなわち材料Ｗの成形時に、材料Ｗの外周部の余肉が下方にはみ出ることを許容するギャップ部Ｇが形成されている。このギャップ部Ｇは、下据込み型１９の全周にわたって形成されている。

次に、本実施形態の鍛造用金型装置１０の動作について説明する。
図３（Ａ）（Ｂ）に示すように、下据込み型１９の成形面２５のほぼ中央に材料Ｗを置く。材料Ｗを置く位置は、型１９，３４の型中心Ｃ１から多少ずれていてもよい。成形面２５上に材料Ｗを乗せたのち、図示しないプレス機によって上据込み型３４を下据込み型１９に向かって降下させる。

図４（Ａ）（Ｂ）に示すように、上据込み型３４が降下することにより、材料Ｗが軸線方向に押し潰されつつ、外径が広がる方向に変形してゆく。このとき材料Ｗの外周は未だ可動式リング型２２の内周面４０に接していない。

上据込み型３４がさらに降下し、成形が進むと、図５（Ａ）（Ｂ）に示すように、材料Ｗがさらに偏平に押し潰され、外径が広がることにより、材料Ｗの外周の一部Ｗ１が可動式リング型２２の内周面４０に当接する。このため可動式リング型２２が矢印Ｆ方向に押されて移動しつつ、成形が進む。すなわち、可動式リング型２２が材料Ｗの成形中心Ｃ２に向かって水平方向に移動する。

上据込み型３４がさらに降下すると、図６（Ａ）（Ｂ）に示すように、それまで可動式リング型２２に接していた材料Ｗの一部Ｗ１とは反対側の部分Ｗ２が、可動式リング型２２の内周面４０に当接することによって、可動式リング型２２の前記矢印Ｆ方向の移動が止まる。この状態で成形が進むため、可動式リング型２２の内側に材料Ｗが満たされてゆく。

上据込み型３４が下降端Ｓ２に至る途中で、上据込み型３４の下面が可動式リング型２２の上面に当接するため、材料Ｗの余肉が上方にはみ出ることが阻止される。このため材料Ｗの上面形状は平坦となる。上据込み型３４の下面が可動式リング型２２に当接したとき、クッション機構２３によって、可動式リング型２２の下方への変位が吸収される。

図７（Ａ）（Ｂ）に示すように上据込み型３４が下降端Ｓ２に至ると、材料Ｗの外周全体が可動式リング型２２の内周面４０によって拘束された状態で成形が完了する。材料Ｗの下面側では、材料Ｗの余肉がギャップ部Ｇにおいて下方にはみ出すため、材料Ｗの外周部に、下方に突出する凸部Ｗ３が形成される。

以上説明した一連では、型中心Ｃ１と成形中心Ｃ２とが、ΔＣだけずれた位置にて成形が完了する。しかし場合によっては、型中心Ｃ１と成形中心Ｃ２とがほぼ一致した状態で成形が完了することも有り得る。

成形後にノックアウトピン１７を上昇させることによって、成形後の中間製品Ｗ´を取出す。本実施形態の可動式リング型２２は、その内周面４０の上部側の内径が下部側の内径よりも大きいため、中間製品Ｗ´を可動式リング型２２から容易に取出すことができる。

本実施形態の鍛造用金型装置１０は、材料Ｗが成形される途中で、材料Ｗの塑性流動に応じて可動式リング型２２が自動的に成形中心Ｃ２に向かって移動するため、材料Ｗと型１９，３４に与えるストレスが少ない。つまり、予め所定寸法に切断されている材料Ｗの形状不良（例えば斜め切れ）や加熱むら、型１９，３４の摩耗による成形抵抗の変動等の要因による材料Ｗの不均一な変形が、可動式リング型２２の移動によって吸収され、偏荷重による過剰なストレスの発生を回避できる。

このため型トラブルの発生が減少し、型寿命が向上するという副次的効果もある。この鍛造用金型装置１０は、材料Ｗが成形される途中で可動式リング型２２が成形中心Ｃ２に向かって自動的に移動するため、成形前の材料Ｗが下据込み型１９の型中心Ｃ１上に正確に置かれていなくても、問題無く成形を行うことができる。このため、下据込み型１９上に材料Ｗを置く作業が容易である。

このように本実施形態の鍛造用金型装置１０によれば、可動式リング型２２を用いることにより、実質的に厚みと外径が均一な円板形の中間製品Ｗ´を得ることができる。このため、次工程（仕上げ成形等）において欠肉等の形状不良が生じたり、製品外面の機械加工を行う際に問題となる黒皮残り等の加工不良の発生を防止することができる。

本実施形態の鍛造設備は、以上説明した金型装置１０と、この金型装置１０によって成形された中間製品Ｗ´をさらに成形するための次工程用金型装置５０（図８に一部を示す）を備えている。

図８に示す次工程用金型装置５０は、第１の成形用凹部５１を有する下型５２と、第２の成形用凹部５３を有する上型５４と、中間製品Ｗ´の外周を規制するリング型５５などを有している。これらの凹部５１，５３は、下型５２と上型５４の全周にわたって形成されている。第２の成形用凹部５３は第１の成形用凹部５１と対応した位置に形成されている。

第１の成形用凹部５１に中間製品Ｗ´の凸部Ｗ３が収容され、図示しないプレス機によって上型５４を降下させたときに、下型５２と上型５４とリング型５５とによって中間製品Ｗ´が成形されるようになっている。

すなわち、プレス時に上型５４が降下すると、第１の成形用凹部５１において、中間製品Ｗ´の肉の一部が前方押し出し側に流れることにより、凹部５１に応じた形状に成形される。第２の成形用凹部５３では、中間製品Ｗ´の肉の一部が後方押し出し側に流れることにより、凹部５３に応じた形状に成形される。こうして図９に示すような形状の製品６０が得られる。

前記中間製品Ｗ´は、プレス時に塑性流動を生じにくい前方押し出し側に、予め凸部Ｗ３が形成されている。塑性流動を生じやすい後方押し出し側は、おおむね平坦な形状となっている。このため、図８に示す金型装置５０によってプレスされる際に、凹部５１，５３内において、中間製品Ｗ´の肉の一部が前方押し出し側と後方押し出し側におおむね均等に流れることができ、図９に示すような良好なファイバーフロー６１を形成することができる。

なお本発明を実施するに当たって、前記実施形態以外にも、下据込み型や上据込み型、可動式リング型、クッション機構、ギャップ部等の具体的な構成や形状をはじめとして、本発明の構成要素を、発明の要旨を逸脱しない範囲で適宜変形して実施できることは言うまでもない。

本発明の一実施形態の鍛造用金型装置の縦断面図。 図１に示された鍛造用金型装置の上型ユニットが降下した状態の縦断面図。 （Ａ）は上据込み型が下降する前の状態を模式的に示す断面図、（Ｂ）は（Ａ）中のＸ１−Ｘ１線に沿う断面図。 （Ａ）は上据込み型が下降する途中の状態を模式的に示す断面図、（Ｂ）は（Ａ）中のＸ２−Ｘ２線に沿う断面図。 （Ａ）は上据込み型がさらに下降した状態を模式的に示す断面図、（Ｂ）は（Ａ）中のＸ３−Ｘ３線に沿う断面図。 （Ａ）は上据込み型が下降端に達する直前の状態を模式的に示す断面図、（Ｂ）は（Ａ）中のＸ４−Ｘ４線に沿う断面図。 （Ａ）は上据込み型が下降端に達した状態を模式的に示す断面図、（Ｂ）は（Ａ）中のＸ５−Ｘ５線に沿う断面図。 中間製品をさらに成形するための金型装置の一部を示す断面図。 図８に示す金型装置によって成形された製品のファイバーフローを示す断面図。 従来のフリー鍛造用金型装置の断面図。 従来の型鍛造用金型装置の断面図。 従来の中間鍛造用金型装置の断面図。 リング型を用いる金型装置の一部の断面図。 図１３に示された金型装置によって成形された製品と荒成形で使用する金型装置の一部を示す断面図。 図１４に示された金型装置によって成形された製品のファイバーフローを示す断面図。

符号の説明

１０…鍛造用金型装置
１９…下据込み型
２２…可動式リング型
２３…クッション機構
２５…成形面
３４…上据込み型
３６…成形面
４０…内周面
Ｗ…材料
Ｇ…ギャップ部

Claims (4)

1. 材料を載置する平坦な形状の成形面を有する下据込み型と、
   前記下据込み型に対して昇降可能に設けられ、前記下据込み型の成形面と平行をなして対向する平坦な形状の成形面を有し、前記下据込み型に向かって降下したときに前記下据込み型の成形面との間で前記材料を成形する上据込み型と、
   前記下据込み型に対し水平な姿勢で配置されかつ水平方向に移動自在な可動式リング型であって、上方から見て円形の内周面を有し、その内側に前記材料が配置され、前記下据込み型と前記上据込み型との間で前記材料が成形される途中において該材料の一部が前記内周面に当接することによって水平方向に移動し、前記上据込み型が下降端に至った状態において該材料の外周全体が前記内周面によって拘束された状態で成形が完了するようにした可動式リング型と、
   前記可動式リング型を上方に付勢し、前記上据込み型の下面が前記可動式リング型の上面に当接した状態において該可動式リング型が下方に移動することを許容するクッション機構と、
   前記可動式リング型の内周面と前記下据込み型の外周面との間に形成されたギャップ部であって、前記材料が成形される際に該材料の外周部の余肉が下方にはみ出ることを許容するギャップ部と、
   を具備したことを特徴とする鍛造用金型装置。
2. 前記可動式リング型の内周面は、上部側の内径が下部側の内径よりも大となるように傾斜していることを特徴とする請求項１に記載の鍛造用金型装置。
3. 前記クッション機構は、複数のばね部材を前記可動式リング型の周方向に沿って複数個所に配置したものであることを特徴とする請求項１または２に記載の鍛造用金型装置。
4. 請求項１に記載された鍛造用金型装置と、該鍛造用金型装置によって成形された中間製品をさらに成形するための次工程用金型装置とを具備し、この次工程用金型装置の下型に、前記中間製品の下面側に形成されている前記余肉による凸部を前方押し出し側に塑性流動させる第１の成形用凹部が形成され、この次工程用金型装置の上型には、前記第１の成形用凹部と対応する位置に、前記中間製品の肉の一部を後方押し出し側に塑性流動させる第２の成形用凹部が形成されていることを特徴とする鍛造設備。

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