JP4084730B2 - 対向する平行な2面を有する鍛造用金型、金型の設計方法、鍛造方法及び鍛造成形品 - Google Patents
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一方、鍛造による製造方法を用いた場合では、従来の切削加工により製造する方法に比べ切削屑が少なく、材料歩留り、生産性が良くなるが、形状に抜き勾配があるため、対向する2面が高い精度の平行である形状を得るためには最終的には切削加工を必要としていた。更に、文献1に記載された鍛造用金型では、内側インサート22と外側インサート20をアンダカット部で嵌合し、内側インサートの嵌合方向の寸法を短くするものであるが、本発明のように焼き嵌め応力を調整して、鍛造製品の平行面を精確に加工しようとする技術思想が存在しない。
構造において、入子型の材質が母型の材質より硬いことを特徴とする1)に記載の鍛造用金型である。
前記入子型の鍛造成形孔を囲む内壁面を少なくとも1組の、前記上金型の動作方向にほぼ平行な面として構成し、締まり嵌め位置が65mm以上の位置であって、その締め代が入子型外径と0.003以上の値との積の値となるように設計することを特徴とする金型の設計方法である。
同様に、例えば、製品外径と母型外径の比が0.3の場合、本発明の鍛造用金型の例として母型外径200mm、製品外径(入子型成形孔径)60mm、入子型外径110mm、焼き嵌め代0.33mm、とすると、焼き嵌め応力が320MPaである。一方、製品外径と母型外径の比が0.3の場合の、前述した設計で得られる従来の鍛造用金型の例として、母型外径240mm、製品外径(入子型成形孔径)72mm、入子型外径131mm、焼き嵌め代0.2mm、とすると、焼き嵌め応力が、160MPaであった。
本発明の金型は、「入子型成形孔と母型外径との比」が0.2〜0.5の範囲において、焼き嵌め応力が[数2]を満たすものとなるものがより好ましい。この条件を満たすように金型を設計することにより、容易に平行な2面を有する金型を得ることができるからである。
以上のように構成した場合、上金型21による押圧力を入子型23と母型24の双方で受け止める事ができるために、鍛造用金型10の耐用寿命を延長することができると共に、入子型23が反って反発の働きをしても、入子型23が抜けるのを阻止することができる。
以上のように構成した場合、入子型61と母型62が段部61aで係合されるために、入子型61が抜け出る虞がない。
以上のように構成した場合、入子型65と母型66が段部65aで係合されるために、入子型65が抜け出ることがない。
1)先ず、成形品の形状が与えられるとその大きさから使用する装置が決まり、そこに取りつける母型から母型の外径Dが決定される。
2)続いて、成形品の大きさから成形孔径Gを求める。
3)次に、成形孔径Gと母型の外径Dとから締まり嵌め位置を65mm以上となるように数式1に基づいて決める。係数は仮に決めておく。
4)次に、締まり嵌め位置を入子型外径Hとして、それに係数0.003(締め代係数)を掛けて締め代を求める。
5)以上で金型の初期設計が完了する。
6)初期設定に基づいて実際の金型を製作し鍛造成形を試行する。
7)平行度、平面度等が満足しないなどの不具合が発生した場合は、締め代係数を0.003から徐々に大きくして、4)以降の工程を繰り返し、不具合が無くなることを確認する。
8)7)の処理で不具合がなくならない場合は、締まり嵌め位置を調整し、3)以降の工程を繰り返し、不具合が無くなることを確認する。
9)以上で金型設計が完了する。
さらに、図4より、入子型成形孔Gと母型外径Dとの比0.2〜0.5に対して焼き嵌め応力が、[数2]を満たすことを上記設計フローの4)の時点で確認するにより、平行な部位で成形孔が外側に開くことを抑えた金型とすることができる。その金型を用いて鍛造した成形品は、外殻形状に含まれる上金型の動作方向軸に平行な面において少なくとも一対の対向しあう2面の平行度などの寸法精度を得るための加工が不要または低減されるので好ましい。
複雑な形状金型の場合の成形品の一例を図9に示す。図9に示す成形品は、異なる平行な2面が段差を有して組み合わさった形状を有している。
上金型の動作方向軸に対して平行な外殻面91、92とこれに段差を有する同様に平行な外殻面91a、92aを備えた成形品の一例である。ここで、基本的な設計思想は前述と同様であるが、主成形方向に平行な形状を部分的に有する金型の場合、または、成形品の断面に凹凸が組み合わさっておりその断面を円形状に近似して設計すると不都合が生じる場合には、以下のように、設計することができる。
例えば、主成形方向に平行な形状を部分的に有する場合は平行な部分での断面に対して前述した設計を施し、複数の異なった平行な部分を有する場合はそれぞれの箇所での断面に対して前述した設計を施する。さらに、それらが全て図4の条件を満たすように、金型を設計することが好ましい。その結果、その金型を用いて鍛造した成形品は、外殻形状に含まれる上金型の動作方向軸に平行な面において少なくとも一対の対向しあう2面の平行度などの寸法精度を得るための加工が不要または低減されるので好ましい。
先ず、ステップS1では、単純形状での実験結果を元に、入子型・焼き嵌め形状の基礎設計を行う。ここで、平行な部分での断面に対して前述した設計により、焼き嵌め代、締まり嵌め位置の初期値を与えておく。
次に鍛造シミュレーションを実施し、金型形状を求める。
本発明で使用する鍛造シミュレーションは、ステップS2の成形シミュレーションとステップS3の金型変形シミュレーションの2段階を有している。ステップS2では、金型成形孔に投入された素材が成形されていく状態をシミュレーションするが、金型は剛体として取り扱うことで計算時間の短縮を図る。ステップS3では、金型は弾性体として扱い、ステップS2の結果から得られた成形品表面力のデータを金型に与え、それが反映された時の金型の変形を演算で求める。
まず、ステップS2のプリ処理では、以下の(a)〜(d)の処理が実行される。
S2(a)では、鍛造品形状データを作成する。
与えられた成形品(鍛造品)の形状および寸法を基に忠実に鍛造品CADデータを作成し形状データとする。
S2(b)では、簡易金型形状データを作成する。
次に簡易金型形状データを作成する。CADのブーリアン演算を用いて鍛造品形状CADデータを反転させて抜いた形状から成形孔形状データを作成し、別途あらかじめ設計したパンチ・ダイス形状に基づいて分割・加工して形状データを作成する。鍛造品内面に接しない部分の形状データは計算に影響を及ぼさない範囲で近似的に作成しても構わない。また、入れ子・焼き嵌めは一体として形状データを作成する。
S2(c)では、素材形状データを作成する。
次に、素材CADデータを、別途あらかじめ設計された素材形状および寸法に基づいて作成し形状データとする。
S2(d)では、これら(a)〜(c)の形状データを計算データストアー部に取り込み、解析用形状データとする。さらに次ぎのようなデータを成形条件パラメーターに設定する。例えば、パンチの移動量、移動速度、タイミング、素材−金型間の位置設定、摩擦条件、成形品材料特性値(応力−歪関係)、材料温度である。
温間鍛造の場合は、金型温度、熱伝達係数、熱伝導度を設定条件に追加するのが好ましい。
ステップS3(e)では、実金型(入れ子・焼き嵌め)形状データを作成する。ステップS2(a)において作成した鍛造品形状CADデータを反転させて抜いた形状から成形孔形状データを作成し、ステップS1において設計した入れ子・焼き嵌め形状に基づいて入れ子・焼き嵌め形状CADデータを作成し、計算データストアー部に取り込んで解析用形状データとする。
ステップS3(f)では、金型表面境界条件を設定する。計算データ内部の座標空間において、S3(e)で作成した実金型形状データをステップS2の成形シミュレーションと同一位置に配置し、ステップS2の成形シミュレーション結果で有られた成形品表面力のデータを境界条件として与える。
S3(g)では、以下のようなデータを条件パラメーターとして設定する。
入れ子−焼き嵌め間の位置設定・摩擦条件・締め代、金型材料特性値(弾性率、ポアソン比)、入れ子・焼き嵌めの固定境界条件、拘束条件を設定する。
線形有限要素法プログラムを用いる場合は、金型材料特性値(弾性率、ポアソン比)を設定する。非線形有限要素法プログラムを用いる場合は、さらに塑性域の特性値、つまり応力−歪の関係のデータを設定する。
以上のようにしてFEM解析により成形品の形状状態の調査が行える。
次に、ステップS4において、まず、成形形状不良(例えば平行度、平面度。)が許容値に入るか否かを判定する。単純形状の実験と同条件のシミュレーションを既に実施しておき、実験の成形品に発生した形状不良と計算上の金型変形量の関係を定量的に掴んでおく。この関係を参照して、形状不良が発生すると判断された場合はステップS5に進む。
この方法は、アルミニウム合金の鍛造(特に温間鍛造。)ではアルミ合金と金型の変形抵抗が3桁ほど違うので金型変形はアルミ合金の変形に比べごくわずかであると仮定しており、この仮定で計算することにより計算時間の短縮化が図れるので好ましい。平行な面の精度を対象としているので、成形シミュレーションの段階での金型のメッシュ化を省略することができる。
しかし、本発明では、締め代、締まり嵌め位置に設定した制限条件のもとで応力の演算をすれば良く、メッシュはR形状部に節点が2点以上当る程度に設定すれば良く、演算時間を大幅に短縮でき好ましい。また、焼き嵌め応力を判定するルーチンを含ませることで、抜き勾配の発生を予測しながら演算するので、演算時間の短縮だけでなく演算結果の精度を高める効果を得ることができる。
製品の外殻形状は、上金型動作方向軸に平行な面で対向する2面の傾きが、好ましい値の0.5度以下である0.3度となった。更に、外観に関しても、本実施例の鍛造品は、カジリや焼き付きの発生が見られなかった。
11 外殻面
12 外殻面
13 外殻面
14 面の傾き
15 面の傾き
21 上金型
22 下金型
23 入子型
24 母型
25 ノックアウトピン
26 成形孔
27 入子型と母型の境界位置
51 リング押え
52 ボルト
61 入子型
61a 段部
65 入子型
65a 段部
66 母型
62 母型
81 外殻面
82 外殻面
Claims (11)
- 金属素材から鍛造成形品を鍛造するための下金型と上金型の組み合わせからなり、前記下金型は母型と入子型とが締まり嵌め構造により組み立てられると共に、前記入子型は母型の内側に配設され中心部に鍛造成形孔が設けられた金型であって、
前記入子型の鍛造成形孔を囲む内壁面が少なくとも1組の、前記上金型の動作方向にほぼ平行な面から構成され、締まり嵌め位置が65mm以上でかつ鍛造成形孔径と母型外径との積の平方根と、1〜1.1との積の値の位置であって、その締め代が入子型外径と0.003以上の値との積の値であり、母型と入子型の嵌め合う面の構造が、入子型に段部を形成して抜けにくい構造であることを特徴とする鍛造用金型。 - 前記母型と入子型との締まり嵌め構造において、入子型の材質が母型の材質より硬いことを特徴とする請求項1に記載の鍛造用金型。
- 前記上金型の動作方向にほぼ平行な面の傾きが上金型の動作方向軸から成形孔の外側方向に0〜0.5度であることを特徴とする請求項1または2項に記載の鍛造用金型。
- 前記成形孔を囲む内壁面の表面の表面平均粗さRaが0.05〜25μmであることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の鍛造用金型。
- 前記成形孔を囲む内壁面の表面に窒化処理が施されていることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載の鍛造用金型。
- 前記母型と入子型とが締まり嵌め構造の締まり嵌め位置が複数箇所であることを特徴とする請求項1乃至5のいずれか1項に記載の鍛造用金型。
- 前記請求項1乃至6のいずれか1項に記載の金型を使用して製造したことを特徴とする鍛造成形品。
- 金属素材から鍛造成形品を鍛造するための下金型上金型の組み合わせからなる金型で、下金型が母型と母型の内側に配設され中心部に鍛造成形孔が設けられている入子型とを含んだ構成であり、母型と入子型とが締まり嵌め構造により組み立てられている金型を使用した鍛造方法であって、
前記入子型の鍛造成形孔を囲む内壁面が少なくとも1組の、上金型の動作方向にほぼ平行な面から構成され、締まり嵌め位置が65mm以上の位置であり、その締め代が入子型外径と0.003以上の値との積の値である金型を使用したことを特徴とする鍛造方法。 - 金属素材から鍛造成形品を鍛造するための下金型と上金型の組み合わせからなり、前記下金型は母型と入子型とが締まり嵌め構造により組み立てられると共に、前記入子型は母型の内側に配設され中心部に鍛造成形孔が設けられる金型の設計方法であって、
前記入子型の鍛造成形孔を囲む内壁面を少なくとも1組の、前記上金型の動作方向にほぼ平行な面として構成し、締まり嵌め位置が65mm以上の位置であって、その締め代が入子型外径と0.003以上の値との積の値となるように設計することを特徴とする金型の設計方法。 - 金属素材から鍛造成形品を鍛造するための下金型と上金型の組み合わせからなり、前記下金型は母型と入子型とが締まり嵌め構造により組み立てられると共に、前記入子型は母型の内側に配設され中心部に鍛造成形孔が設けられる金型の設計方法であって、
前記入子型の鍛造成形孔を囲む内壁面を少なくとも1組の、前記上金型の動作方向にほぼ平行な面として構成し、
前記母型と入子型との焼き嵌め応力が、(1/0.3)×(−200×入子型成形孔と母型外径との比+160)以上であるように締まり嵌め位置および締め代を設計することを特徴とする金型の設計方法。 - 前記締まり嵌め位置および締め代を設計するに際し、
先ず、焼き嵌め応力値を算出し、この値が所定値以上であった場合に、
初めて金型変形量を算出することを特徴とする請求項10に記載の金型の設計方法。
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