JP4049055B2 - 鍛造部材の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は鍛造部材の製造方法に関する。より詳しくは、フランジ部に穴を有する鍛造部材の製造方法に関する。

熱間鍛造部材の製造方法としては、例えば、自動車などに用いられるクラッチ用ハブフランジについて以下のような方法が提案されている（特許文献１参照）。

すなわち、（１）素材の切断工程→（２）加熱工程→（３）潰し工程（熱間鍛造）→（４）ブロッカ工程（熱間鍛造）→（５）フィニッシャ工程（熱間鍛造）→（６）打ち抜き工程（熱間打ち抜き）→（７）熱処理工程→（８）ショットブラスト工程→（９）潤滑処理処理工程→（１０）しごき工程（冷間しごき）→（１１）旋削工程である。そして、冷間しごき工程を有することにより、特に、中間の四角孔及び中央のスプライン孔を高い精度に仕上げることができ、製造装置にかかる負荷を小さくすることができるとしている。

しかしながら、上記の鍛造部材の製造方法では、（６）の打ち抜き工程でフランジ部に穴を形成するので、（７）の熱処理工程で穴部の形状が変化して精度のよい形状が得られないために（１０）のしごき工程が必要となる。また、（１１）の旋削工程では熱処理により部材が硬化しているので加工負荷が大きく、生産性を低下させると同時に製造コストも嵩むこととなる。といった問題がある。

特に、駆動系ユニットに用いられるハスバ歯車などのフランジが大型の鍛造部材に軽量化のための穴を設けるような場合には、歯面や端面などについては高精度なものが要求されるが、穴自体の形状精度はそれほど問題とならない。機械加工部位の精度を低下させることなくフランジ部に容易に穴を形成する方法の開発が望まれていた。
特開平１１−２７０５８０号公報

本発明は上記の要請に鑑みてなされたもので、フランジ部に軽量化のための穴を有する鍛造部材を既存の工程を大きく変化させることなく高精度で製造することのできる製造方法を提供することを目的とする。

本発明の鍛造部材の製造方法は、熱間鍛造により型打ちした中間部材に対して熱間打ち抜きにより所定の穴を形成する鍛造部材の製造方法において、前記中間部材の肉厚寸法以下の抜き量で剪断加工するハーフ抜き工程と、ハーフ抜きされたハーフ抜き芯部を押圧してハーフ抜き工程で形成されたハーフ抜き穴内に押し戻す押し戻し工程と、この押し戻されたハーフ抜き芯部を含む中間部材を所定の形状に機械加工する機械加工工程と、機械加工された前記中間部材に熱処理を施す熱処理工程と、熱処理された前記中間部材のハーフ抜き芯部を抜き落とす抜き落とし工程と、を有することを特徴とする。

本発明の製造方法は以上の工程を有することにより、機械加工後の中間部材に浸炭処理などの熱処理を施しても、フランジ部の穴部に抜き芯部が圧入された状態であるので、熱歪みによる変形の発生することがなく、穴がない状態で加工されたものと同じ高い精度で鍛造部材を製造することができる。

また、ハーフ抜き穴内に押し戻された抜き芯部は、熱処理後に低荷重で抜き落とすことができる。従って、穴の形状（抜き芯部の形状）に関係なく異形形状のものであっても円筒形などの安価で単純な形状の抜きピンなどを用いて、上下運動をする簡易なアクチュエータで抜き落とすことができ、低廉な設備費用とわずかな製造コストで実施することが可能である。

また、本発明の鍛造部材の製造方法においては、ハーフ抜き工程と押し戻し工程とを同時に行う工程とすることもできる。さらに、この集約されたハーフ抜き戻し工程と他の部位の打ち抜き工程とを同時に行うことも好ましい。このように各工程を集約することにより工程数を削減でき、製造コストを低減することができる。また、既存の熱間鍛造工程を大きく変更することなく実施することができる。

本発明の鍛造部材の製造方法では、抜き落とし工程の抜き落とし荷重の狙い値を設定して、この狙い値を満足するように前記ハーフ抜き工程のハーフ抜き条件と前記押し戻し工程の押し戻し条件とを調整することが望ましい。

抜き落とし荷重の狙い値は、機械加工時の負荷や熱処理の膨張・収縮などで抜き芯部が脱落せず、かつ、抜き落とし工程で機械加工した高精度部位に変形などの歪みを発生させない範囲で設定されるので、この狙い値を満足することにより、安定した生産と品質とを確保することができる。

本発明の鍛造部材の製造方法は、熱間鍛造により型打ちした中間部材に対して、
この中間部材の肉厚寸法以下の抜き量で剪断加工するハーフ抜き工程と、ハーフ抜きされたハーフ抜き芯部を押圧してハーフ抜き工程で形成されたハーフ抜き穴内に押し戻す押し戻し工程と、押し戻されたハーフ抜き芯部を含む中間部材を所定の形状に機械加工する機械加工工程と、所定の形状に機械加工されたハーフ抜き芯部を含む中間部材に熱処理を施す熱処理工程と、熱処理された中間部材のハーフ抜き芯部を抜き落とす抜き落とし工程と、を有することを特徴とする。

本発明の鍛造部材の製造方法を図１の概略工程図を用いて説明する。

まず、鍛造部材に適した素材をビレットシャー又は、鋸で所定の大きさに切断し、この素材を熱間鍛造するのに適した温度、例えば、１２００℃に加熱する（ａ）。なお、この加熱温度は、素材の材質に応じて決定することができる。

加熱後、素材を複数の熱間鍛造工程、すなわち、スケールオフ工程（ｂ）、荒地工程（ｃ）および仕上げ工程（ｄ）を経ることにより型打ちした第１中間部材Ｗ１に形成する。

次に、この第１中間部材Ｗ１の中心の軸穴Ｐ１とフランジ部の所定の場所に穴Ｐ２を熱間打ち抜きにより形成する。この時、フランジ部の穴Ｐ２はフランジ部の肉厚寸法以下の抜き量でプレスストロークを止めるいわゆるハーフ抜きの状態とする（ｅ）。なお、中心の軸穴Ｐ１は完全に抜き落としてもよい。

このハーフ抜きされたフランジ部の穴Ｐ２の抜き芯部Ｑを、次の押し戻し工程（ｆ）で元の位置（すなわち、穴Ｐ２の内部）へ押し戻して第２中間部材Ｗ２を形成する。この押し戻し工程は、第１中間部材のバリ取りと同時にトリミングプレス工程で行うこともできる。

得られた第２中間部材Ｗ２の軸穴Ｐ１の内面に切削加工あるいは、フランジ外周に歯切加工などの所定の機械加工を施し（ｇ）、引き続いて浸炭処理や焼き入れなどの熱処理を施す（ｈ）。

そして、熱処理を施された第２中間部材Ｗ２に残っているフランジ部のハーフ抜き芯部Ｑを簡易プレスなどで抜き落としてフランジ部に所望の穴を有する鍛造部材を得ることができる（ｉ）。

ここで、第１中間部材Ｗ１を形成する素材切断・加熱工程（ａ）から熱間鍛造工程の仕上げ工程（ｄ）までは通常の熱間鍛造方法を採用することができる。

図１のハーフ抜き工程（ｅ）を実施するためのハーフ抜き金型の一例を図２に示す。図２の金型は中間部材の軸穴とＰ１とハーフ抜き穴Ｐ２とを同時に形成する金型の断面を模式的に示したものである。上型１には軸穴Ｐ１を打ち抜くパンチ３とハーフ抜き穴Ｐ２を形成するパンチ２とが併設されており、また、ハーフ抜き穴Ｐ２の形成位置には中間部材Ｗ１を介してパンチ２に対向するように抜きダイス４が配設されている。パンチ２はパンチ３よりも短く設定されており、プレスのストロークを調整することにより軸穴Ｐ１を打ち抜くと同時に、抜き芯部Ｑを抜き落とすことなく所定の深さまで剪断してハーフ抜き穴Ｐ２を形成することができる。

図３はハーフ抜きされた抜き芯部Ｑをハーフ抜き穴Ｐ２内へ押し戻す押し戻し工程における戻しパンチの一例である。図３では円筒形の戻しパンチ５を例示しているが、このパンチ５は抜き芯部Ｑをハーフ抜き穴Ｐ２内へ押し戻すことができる形状であれば良く特に制約はない。例えば、突起タイプやピンタイプなどの形状でもよい。

また、ハーフ抜き工程と押し戻し工程とを１工程で可能とする工程集約型の金型とすることも望ましい（以降、ハーフ抜き戻しという。）。図４にその一例を示す。図４のハーフ抜き戻し金型は、ハーフ抜き穴Ｐ２を形成したのち、パンチ２を打ち抜き方向に押圧するスプリングなどの付勢手段７を有し、また、抜きダイス４にはその中空部に抜き芯部Ｑを抜き穴Ｐ２内へ押し戻すスプリングなどの付勢手段８を備えた戻しパンチ５が軸心に沿って移動自在に嵌合されている。このような構造の金型で中間部材Ｗ１を打ち抜き加工すると、まず上型に設けられたパンチ２でハーフ抜き穴Ｐ２を形成する。このとき付勢手段８は圧縮されて付勢力が高まっているので、上型の上昇とともに戻しパンチ５が付勢され、抜き芯部Ｑはパンチ２と戻しパンチ５に挟持されるようにしてハーフ抜き穴Ｐ２内へ押し戻される。

以上のように１工程に集約したハーフ抜き戻し工程に、さらに中間部材の別の部位（例えば、軸穴など）の打ち抜き工程を集約することも好ましい。図５は軸穴Ｐ１の打ち抜きとハーフ抜き穴Ｐ２のハーフ抜き戻し工程とを１工程に集約した金型の例である。前記の図４の金型に軸穴Ｐ１を形成するパンチ３を上型に付け加えたものである。

このように金型の一部を改造するだけで工程を集約することができるので、熱間鍛造の全体の工程数を増加させることなく所定のハーフ抜き戻しを実施することができる。

ハーフ抜き戻しを行った第２中間部材Ｗ２に対するフランジ外周の歯切りなどの機械加工と浸炭処理などの熱処理は、フランジ部に穴を有さない通常の中間部材と同様の方法で実施することができ、特に制約はない。

ハーフ抜き工程は熱間鍛造工程で行われるので、ハーフ抜き後の穴Ｐ２の周辺はポンチによって急冷され、また、抜き芯部Ｑを穴Ｐ２内へ押し戻すことにより、抜き戻し部の周辺は更に冷却される。従って、第２中間部材Ｗ２が冷却される際には、中間部材全体の収縮バランスから、押し戻された抜き芯部Ｑは抜き穴Ｐ２に軽く圧入された状態となっている。従って、後工程である機械加工工程や熱処理工程で抜き芯部Ｑが脱落する心配はない。また、穴を有する中間部材に機械加工や熱処理を施すと、穴があることによって中間部材に歪みが発生することがあるが、ハーフ抜き戻しを行った第２中間部材Ｗ２では、穴Ｐ２に同じ材質の詰め物があることになるので、機械加工による負荷や熱処理による膨張・収縮などは穴がない状態の中間部材とほぼ同じであると考えられる。

ところで、浸炭処理などのような高温で長時間の熱処理では、材質によっては、熱処理中に材料成分の拡散現象が生じ、抜き芯部Ｑが抜き穴Ｐ２の内周部に再着する場合がある。しかし、第２中間部材Ｗ２は熱間でハーフ抜きされているので、抜き穴Ｐ２の内表面と抜き芯部Ｑの抜き断面に酸化スケールが生成されている。そして、この酸化スケールが熱処理中の材料成分の拡散現象を阻害して強固な再着を防止することができるので、抜き芯部Ｑを抜き落とす抜き落とし荷重を低く抑えることができる。

このように、熱処理後の第２中間部材Ｗ２に残った抜き芯部Ｑは、低荷重で抜き落とすことができる。例えば、図６に示すような円柱形の抜きピン９を固設した抜き落とし治具１０を用いて、単純な構成の上下運動可能な簡易なアクチュエータで抜き芯部Ｑを押圧することにより、容易に抜き落とすことが可能である。この場合には、例えば、抜き芯部の形状（穴形状）が図７のＰでに示すような異形形状であっても、円形または正方形などの単純な断面形状の抜きピンを使用することができる。

また、この抜き芯部Ｑを抜き落とす抜き落とし荷重は、第１中間部材Ｗ１をハーフ抜きした量やハーフ抜き時のクリアランス、抜き芯部Ｑをプッシュバックする戻し時の温度および戻し量などの各要因を適正な値に調整することによって狙い荷重に調節することができる。

これらのハーフ抜き戻し工程における諸要因と抜き落とし荷重との関係の一例を図８に定性的に示した。（ａ）はハーフ抜き量（抜き穴Ｐ２の深さ）との関係であり、ハーフ抜き量が増加するに従って、抜き落とし荷重は低減する。また、（ｂ）は押し戻し工程での抜き芯部Ｑの戻し量との関係である。この場合には、抜き芯部Ｑが抜き穴Ｐ２の内面とコイニングを生じるまでは抜き落とし荷重はほとんど変化しない。しかし、コイニングの発生につれて増加する傾向にある。

従って、予めこれらの各要因について抜き落とし荷重との関係をデータ化しておけば、機械加工時の負荷や熱処理の膨張・収縮などで抜き芯部Ｑが脱落せず、かつ、抜き落とし工程で機械加工した高精度部位に変形などの歪みを発生させない抜き落とし狙い荷重に合わせて、抜き戻し工程における諸要因の適正な値を求めることができる。

図９に抜き落とし荷重を制御するフローチャートを示す。まず、抜き落とし工程で部材の機械加工精度を維持できる抜き落とし応力αを求める。次に、機械加工工程で抜き芯部が脱落しない応力βと、熱処理工程で抜き芯部が脱落しない応力γとを求める。ここで、応力βと応力γとは応力αよりも小さくなければならない。これらの値から応力βと応力γとを比較して大きい方の値を抽出して抜き落としの狙い荷重Ｆを決定する。

狙い荷重Ｆが決定されると、図８に例示したような予め求めたハーフ抜き量や押し戻し量といった、抜き戻し工程における各要因と抜き落とし荷重Ｆとの関係から、各要因の適正な値を求めることができる。 得られた各要因の適正な値で型打ちを実施して相互に矛盾がないか検証し、矛盾がある場合には狙い荷重Ｆが許容範囲となるまで繰り返し、各要因に補正を加えて検証する。なお、得られた条件について設備上の制約や製造コストを考慮して最終決定することは言うまでもない。

以上のように、本発明の鍛造部材の製造方法では、鍛造部材の最終的に抜き落としたい部分をハーフ抜き状態にして、その後ハーフ抜き芯部を押圧してほぼ元の第１中間部材Ｗ１の形状まで戻す。そして所定の機械加工を実施し、所定の熱処理を施した後、ハーフ抜き芯部を抜き落として所望の鍛造部材とする。従って、本発明の鍛造部材の製造方法は、以下のような利点を有している。
１）機械加工後に熱処理を施しても、フランジに穴がない場合とほぼ同様の寸法精度を有する鍛造部材を得ることができる。例えば、図１０（ｂ）に示すようにフランジ部に熱間鍛造などで穴Ｐを打ち抜いた後に機械加工や熱処理を施した場合には、穴Ｐの形成された部分は収縮してフランジ全体の形状が変形することがある。しかし、（ａ）のようにハーフ抜き戻しを実施して穴部Ｐに抜き芯部を有する場合には、フランジ部に穴のない部材とほぼ同様の形状の部材を得ることができる。
２）本発明は、わずかな型構造の複雑化によって、ハーフ抜き戻し工程を既存の熱間鍛造工程へ組み込むことができる。また、抜き芯部の抜き落とし工程も安価な簡易プレスなどで行うことが可能である。従って、本発明の方法は、既存工程を大きく変更することなく低廉な設備費用とわずかな製造コストの上昇だけで実施することができる。
３）鍛造部材の他の高精度部位の精度を確保しながら限界まで軽量化の穴を形成することが可能であり、鍛造部材の軽量化を実現するとともに、ノイズの発生をも抑制することができる。
４）図１１に示す筒状部２１に歯形面２２を有する熱冷複合歯形鍛造部材２０において、（ａ）のように芯部Ｑを抜き戻しすることにより、芯部を抜き落とした歯形部の抜き拡がりや縮みによる寸法変化を（（ｂ）図の矢印）防止することができる。なお、抜き戻された芯部Ｑは、冷間コイニングなどで同時に抜き落とすことができる。この結果高精度の冷間コイニングが可能となる。
５）ハーフ抜き後の抜き戻し量を調整することで、抜き戻し部位に抜き芯部の浮き出しや、へこみ変形を形成しておくことにより、機械加工工程や抜き芯部の抜き落とし工程での位相決めを容易にすることができる。

本発明は、自動車などの変速機に用いられる変速用ギヤなどに用いられるハスバ歯車の熱間鍛造部材の製造に好適に利用することができる。特に大型のフランジ部を有する鍛造部材の軽量化に効果を奏する。

本発明の鍛造部材の製造工程を示す説明図である。 ハーフ抜き工程と芯抜き工程とを集約した工程を説明する断面模式図である。 抜き戻し工程の一例を示す説明図である。 ハーフ抜き工程と抜き戻し工程とを集約した工程を説明する断面模式図である。 ハーフ抜き工程と抜き戻し工程と芯抜き工程とを集約した工程を説明する断面模式図である。 抜き落とし工程での抜きピンの一例を示す斜視図である。 フランジ部の穴形状を例示する模式図である。 ハーフ抜き戻し工程における諸要因と抜き落とし荷重との関係を例示する概念図である。 抜き落とし荷重を制御するフローチャートである。 熱処理後の鍛造部材の形状を例示する概念図である。（ａ）ハーフ抜き戻し後熱処理。（ｂ）：穴開け後熱処理。 筒状部に歯形面を有する熱冷複合歯形鍛造部材の部分工程図である。（ａ）芯部をハーフ抜き戻しした場合。（ｂ）芯部を打ち抜いた場合。

符号の説明

２：ハーフ抜きパンチ ３：打ち抜きパンチ ４：ハーフ抜きダイス ５：戻しパンチ ９：抜きピン １０：抜き落とし治具 ２０：熱冷複合歯形鍛造部材
２１：筒状部 ２２：歯形面 Ｐ１：軸穴 Ｐ２：ハーフ抜き穴 Ｑ：抜き芯部

Claims (4)

1. 熱間鍛造により型打ちした中間部材に対して熱間打ち抜きにより所定の穴を形成する鍛造部材の製造方法において、
   前記中間部材の肉厚寸法以下の抜き量で剪断加工するハーフ抜き工程と、
   該ハーフ抜きされたハーフ抜き芯部を押圧して前記ハーフ抜き工程で形成されたハーフ抜き穴内に押し戻す押し戻し工程と、
   該押し戻されたハーフ抜き芯部を含む前記中間部材を所定の形状に機械加工する機械加工工程と、
   該機械加工された前記中間部材に熱処理を施す熱処理工程と、
   該熱処理された前記中間部材の前記ハーフ抜き芯部を抜き落とす抜き落とし工程と、
   を有することを特徴とする鍛造部材の製造方法。
2. 前記ハーフ抜き工程と前記押し戻し工程とを同時に行う請求項１に記載の鍛造部材の製造方法。
3. さらに他の部位の打ち抜き工程を同時に行う請求項２に記載の鍛造部材の製造方法。
4. 前記抜き落とし工程の抜き落とし荷重の狙い値を設定し、該狙い値を満足するように前記ハーフ抜き工程のハーフ抜き条件と前記押し戻し工程の押し戻し条件とを調整する請求項１〜３のいずれかに記載の鍛造部材の製造方法。

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