JP4428581B1 - 鍛造工具の設計方法及び鍛造工具 - Google Patents

Abstract

【課題】安価で簡易な構成で、パンチの破壊を抑制し、長時間の連続使用を可能とした鍛造工具を提供する。
【解決手段】鍛造工具は、鍛造にて成形される鍛造品の成形穴を有するダイス１０と、
ダイス１０に対向して配置されるパンチ３０と、を備え、ダイス１０の成形穴に鍛造品の素材４０を配置し、パンチ３０のパンチ押圧部３０aにより素材４０を押圧して鍛造品を
成形するにあたり、パンチ３０の内部に、パンチ押圧部３０aの弾性変形を積極的に促進
し、たわますことで鍛造時の衝撃による応力を分散・吸収させる空間部５０を形成した。
【選択図】図１

Description

この発明は、鍛造する際に用いられる鍛造工具に関する。

従来より、ねじ、ボルト等の締結部品は、パンチ（上型）とダイス（下型）と呼ばれる工具を用いて鍛造されている。パンチには、圧縮、引張、せん断などの応力が反復作用し、時にはこれらの応力が衝撃的に加わることがある。加えて、部品の形状・寸法精度に対する要求が年々厳しくなり、また高張力鋼等の特殊素材の採用も増えていることから、リスクの高い成形条件を余儀なくされ、疲労破壊により工具寿命が低下するという問題があった。

そこで、このような問題に対処した従来技術を検討した結果、表面コーティングにより工具表面に硬質層を形成する方法（特許文献１，２）、また、特殊な熱処理により工具寿命を向上させる方法（特許文献３，４）を見出すことができた。

ところが、いずれの方法においても、工具表面硬度の向上を目的としており、通常の工具製作に加えて特殊処理を施す必要があり、工具製造コストが高騰するという不都合があった。

また、上記以外に、応力集中部を予め分割する方法（特許文献５，６）がある。しかし、これらの技術も、工具数が複数となり、工具製造コストが高騰するという不都合があった。

特開２００３−１１２２２９ 特開２０００−０５４１０８ 特開平０８−３０００６６ 特開平０７−１７３５７２ 特開２００６−２６７０９ 特開２０００−６２７

工具寿命が低下すると、パンチ等の部品を頻繁に交換せざるを得ず、交換部品にかかるコストの上昇を招き、また鍛造機の連続運転ができなくなり、生産効率が低下する原因にもなっていた。

この発明は、このような実情に鑑みてなされたもので、安価で簡易な構成で、パンチの疲労破壊を抑制し、長時間の連続使用を可能とした鍛造工具の設計方法及び鍛造工具を提供することを目的とする。

前記課題を解決し、かつ目的を達成するために、この発明は、以下のように構成した。

請求項１に記載の発明は、鍛造にて成形される鍛造品の成形穴を有するダイスと、
前記ダイスに対向して配置されるパンチと、
を備え、
前記ダイスの成形穴に鍛造品の素材を配置し、
前記パンチのパンチ押圧部により前記素材を押圧して前記鍛造品を成形する鍛造工具の設計方法であり、
前記パンチの内部に、前記パンチ押圧部の弾性変形を積極的に促進し、たわみにより鍛造時の衝撃による応力を分散・吸収させる空間部を形成し、
前記パンチ押圧部のたわみ量を、相当応力値で評価し、
前記パンチ押圧部の破壊点での前記相当応力値を、前記空間部を設けない鍛造工具のパンチ押圧部の相当応力値より小さく設定することを特徴とする鍛造工具の設計方法である。

請求項２に記載の発明は、前記相当応力値で評価するたわみ量は、数値解析あるいは塑性加工用のモデル材料を用いたモデル実験により定量化することを特徴とする請求項１に記載の鍛造工具の設計方法である。

請求項３に記載の発明は、請求項１または請求項２に記載の設計方法により製造されたことを特徴とする鍛造工具である。

前記構成により、この発明は、以下のような効果を有する。

この発明では、鍛造品を成形する際に、パンチの内部に形成した空間部によってパンチ押圧部の弾性変形を積極的に促進し、たわますことで鍛造時の衝撃による応力を分散・吸収させることでパンチの疲労破壊を抑制することができ耐久性が向上するため、長時間の連続使用が可能となる。

主成形における冷間圧造前の冷間圧造工具の組図を示す図である。 主成形における冷間圧造後の冷間圧造工具の組図を示す図である。 圧造品を示し、図３（ａ）は平面図、図３（ｂ）は正面図である。 冷間圧造による予備成形時の有限要素法解析モデルを示す図である。 冷間圧造による主成形時の有限要素法解析モデルを示す図である。 主成形のパンチの加工荷重とストロークとの関係を示す図である。 主成形の空間を設けない場合の解析結果を示す図である。 この発明の解析条件を説明する図である。 解析結果であり、図８（ｃ）の円柱形の空間部である穴の底厚と内径を変化させたときの加工荷重の変化を示す図である。 穴空間部が内径３ｍｍのときに、底厚を変化させた場合の部位ごとの応力分布の変化を示す図である。 穴空間部が内径６ｍｍのときに、底厚を変化させた場合の部位ごとの応力分布の変化を示す図である。 穴空間部が内径９ｍｍのときに、底厚を変化させた場合の部位ごとの応力分布の変化を示す図である。 Ａ点について、空間部の内径と底厚を変化させた場合の応力分布の変化を示す図である。 Ｂ点について、空間部の内径と底厚を変化させた場合の応力分布の変化を示す図である。 Ｃ点について、空間部の内径と底厚を変化させた場合の応力分布の変化を示す図である。 パンチは、円柱形の穴を有する一体の部材で空間部を形成し、穴の底の形状を変えた実施の形態の解析条件を示す図である。 パンチは、円筒部材と蓋部材との別体の部材で円柱形の穴の空間部を形成し、穴の底の形状を変えた実施の形態の解析条件を示す図である。 穴の底の形状を変えた実施の形態の解析条件について解析結果を示す図である。

以下、この発明の鍛造工具の設計方法及び鍛造工具の実施の形態について説明する。この実施の形態はねじの冷間圧造工具の設計方法及び冷間圧造工具
であり、この発明の好ましい形態を示すものであるが、この発明はこれに限定されない。

この発明の実施の形態を、図１から図３に基づいて説明する。ねじの冷間圧造は、素材から中間形状を成形する予備成形と、十字穴を持つ頭部を成形する主成形の２工程からなる。図１は主成形の冷間圧造前の冷間圧造工具の組図を示す図、図２は冷間圧造後の冷間圧造工具の組図を示す図、図３は圧造品を示し、図３（ａ）は平面図、図３（ｂ）は正面図である。

この冷間圧造工具１は、冷間圧造にて成形される圧造品の成形穴１０ａを有するダイス１０と、このダイス１０に対向して配置されるホルダ２０と、このホルダ２０に摺動可能に設けられたパンチ３０を備えている。ダイス１０の頭部下の成形穴１０ａに圧造品の素材４０を配置する。成形穴１０ａは、十字穴付ねじを成形する形状である。ホルダ２０の摺動孔２０ａには、パンチ３０が摺動可能に設けられている。

パンチ３０を摺動してパンチ押圧部３０ａにより素材４０を押圧して圧造品４１を成形する。パンチ押圧部３０ａの先端面３０ａ１を、周縁３０ａ２よりも軸心で突出する形状にしている。すなわち、この実施の形態では、先端面３０ａ１を十字状に突出させ、十字穴付ねじの十字穴を成形する。

素材４０は、棒状部材を所定長さに切断したものである。圧造品４１は、図３に示すように、ねじ転造される前のねじ部品であり、ねじ転造される軸部４１ａと、頭部４１ｂとを有する。パンチ押圧部３０ａの先端面３０ａ１を、周縁３０ａ２よりも軸心で十字状に突出する形状にすることで、頭部４１ｂに十字穴４１ｂ１が形成される。

パンチ３０の内部には、冷間圧造の際に、パンチ押圧部３０ａの弾性変形を積極的に促進し、たわますことで鍛造時の衝撃による応力を分散・吸収させる空間部５０が形成されている。空間部５０は、円柱形の穴であり、押圧方向において、穴の底の位置が鍛造時の衝撃による応力が到達する領域内であり、鍛造時に圧壊しない位置に形成されている。また、空間部５０の押圧方向に対して直交方向の断面積Ｓ１は、素材４０の押圧方向に対して直交方向の断面積Ｓ２より大きく形成されている。この空間部５０を形成する円柱形の穴は、底の形状が、穴の軸心に対して直交する平面で、隅が角である。

この冷間圧造工具１では、図１に示すように、ダイス１０の成形穴１０ａに圧造品４１の素材４０を配置する。そして、図２に示すように、パンチ３０を摺動してパンチ押圧部３０ａにより素材４０を押圧し塑性加工し、十字穴４１ｂ１を有する圧造品４１を冷間圧造する。この圧造品４１を成形する際に、パンチ押圧部３０ａの内部に形成した空間部５０によってパンチ押圧部３０ａの弾性変形を積極的に促進し、たわますことで、パンチ押圧部３０ａにかかる鍛造時の衝撃による応力を分散・吸収させることができる。したがって、パンチ押圧部３０ａに生じる疲労破壊を抑制することができ耐久性が向上するため、パンチ３０、ダイス１０、ホルダ２０の長時間の連続使用が可能となる。

次に、パンチ内部に空間を設ける効果について、図４から図１５の有限要素法による数値解析例に基づいて説明する。有限要素法による圧造の解析は、図４の予備成形の解析モデルと、図５の主成形の解析モデルとの連続工程とし、予備成形解析で得られた結果を主成形解析の素材データとすることで、精度の高い解析を行った。

図４は予備成形の解析モデルを示し、ダイスに素材を配置し、ホルダ内を摺動するパンチで素材を押圧する解析を実施した。パンチは、弾性体とし、解析のために３０，０００要素に分割した。このパンチは、超硬合金であり、ヤング率５４００００ＭＰａ、ポアソン比０．２２である。素材は、剛塑性体とし、解析のために２０，０００要素に分割した。

図５は主成形解析モデルを示し、ラムによってパンチを押し、パンチによって図４の成形品である素材を押圧する。この主成形を対象とした圧造解析では、図４の予備成形の解析における素材の加工硬化の影響を考慮している。パンチは解析のために３０，０００要素に分割した。なお、パンチは、空間を設けない従来型のものを用いた。

図６は主成形のパンチの加工荷重とストロークとの関係を示す図であり、解析と実際の現象とを比較して示すものである。横軸にパンチのストロークを、縦軸にパンチの加工荷重を示しており、主成形の解析によるパンチの加工荷重とストロークとの関係と、実際の測定値によるパンチの加工荷重とストロークとの関係は、ほぼ同様の結果を得た。これによって、解析の信頼性が裏付けられた。

図７は主成形の解析結果を示し、図７（ａ）は解析終了時の形成状態を示し、図７（ｂ）はパンチの応力分布を示す縦断面図である。図７（ｃ）と図７（ｄ）は、パンチ押圧部付近の応力分布の拡大縦断面図である。Ａ点、Ｂ点、Ｃ点は応力集中箇所を示す。図７（ａ）よりパンチ押圧部の周縁よりも軸心で十字状に突出する先端面によって圧造品に十字穴が成形されている。解析によるパンチの応力は、図７（ｂ）に示すように、応力レンジ０．０００〜１０００（ＭＰａ）とし、図に示す８段階に分け表示している。すなわち、パンチ押圧部の応力は、十字状に突出する先端面に対応する部分から円弧状に応力が分布し、十字状に突出する先端面に対応する部分が、８段階目の８７６〜１０００（ＭＰａ）であり、応力が最も大きくなっている。この応力が最も大きくなっている部分において、パンチ押圧部に非常に大きな面圧が生じ、パンチ押圧部における疲労破壊の要因となる。

次に、図８は、この発明の解析条件を説明する図である。図８（ａ）はパンチのパンチ押圧部を示す斜視図、図８（ｂ）はパンチ押圧部を示す拡大斜視図、図８（ｃ）は空間を形成する円柱形の穴の内径と底位置を示す縦断面図であり、図のＤとＨの交点が穴の内径と底の位置を示すものとし、全１８条件を解析した。この発明の実施例では、パンチ押圧部の先端面を、周縁よりも軸心で突出する形状にし、この実施の形態で、パンチを摺動してパンチ押圧部により素材を押圧して圧造品を成形する際に、図９から図１５に示すように、パンチの内部に空間を設けることで衝撃による応力を分散・吸収することができた。パンチ押圧部の十字状に突出する先端面において、応力が集中する部分を、図８（ｂ）にＡ点、Ｂ点、Ｃ点で示した。

図９は解析結果であり、図８（ｃ）の円柱形の空間部である穴の底厚と、内径を変化させたときの加工荷重の変化との関係を示す図である。図８（ｃ）においては、パンチは、
長さ１０ｍｍで、外径１２ｍｍの円柱形のものを用い、空間部は円柱形の穴で形成した。例えば、図８（ｃ）において、Ｐ１で示す位置では、内径６ｍｍで、底厚Ｈ４ｍｍの空間部となる。図９において、空間部を形成しない場合の加工荷重を点線で示し、四角印は、図８（ｃ）において、内径３ｍｍでパンチの先端部１００から底厚Ｈを変化させた空間部の場合についての加工荷重を示し、丸印は、内径６ｍｍでパンチの先端部１００から底厚Ｈを変化させた空間部の場合についての加工荷重を示し、三角印は、内径９ｍｍでパンチの先端部１００から底厚Ｈを変化させた空間部の場合についての加工荷重を示す。内径３ｍｍの空間部Ｄ３では、パンチの先端部１００から３ｍｍ程度の底厚Ｈにしたときが、加工荷重が最も小さくなり、それ以外の底厚Ｈでは加工荷重が大きくなる傾向の結果を得た。内径６ｍｍの空間部Ｄ６では、パンチの先端部１００から６ｍｍ程度の底厚Ｈにしたときが、加工荷重が最も小さくなる傾向の結果を得た。内径９ｍｍの空間部Ｄ９では、パンチの先端部１００から３ｍｍ程度の底厚Ｈにしたときが、加工荷重が最も小さくなり、パンチの先端部１００から１ｍｍの底厚Ｈにするに従い、または８ｍｍの底厚Ｈにするに従い加工荷重が大きくなる傾向の結果を得た。内径６ｍｍの空間部Ｄ６の加工荷重より、内径３ｍｍの空間部Ｄ３の加工荷重が小さく、内径３ｍｍの空間部Ｄ３の加工荷重より、内径９ｍｍの空間部Ｄ９の加工荷重が小さくなる傾向であった。

図１０から図１２は、空間部の内径と底厚を変化させて応力分布の変化を得たものである。図１０では、内径３ｍｍの空間部Ｄ３において、底厚Ｈを変化させて応力分布を得たところ、底厚Ｈが１ｍｍ、２ｍｍ、３ｍｍにおいて、Ｃ点の応力が９７４、１２７０、１２７０（ＭＰａ）となり、図７の空間を設けない時のＣ点の応力より小さくなった。図１１では、内径６ｍｍの空間部Ｄ６において、底厚Ｈを変化させて応力分布を得たところ、底厚Ｈが１ｍｍ、２ｍｍ、３ｍｍにおいて、Ｃ点の応力が１３３０、１０５０、１２４０（ＭＰａ）となり、図７の空間を設けない時のＣ点の応力より小さくなった。図１２では、内径９ｍｍの空間部Ｄ９において、底厚Ｈを変化させて応力分布を得たところ、底厚Ｈが２ｍｍにおいて、Ａ点の応力が７７５（ＭＰａ）、Ｂ点の応力が８９４（ＭＰａ）、Ｃ点の応力が７０７（ＭＰａ）となり、３ｍｍにおいて、Ａ点の応力が６３８（ＭＰａ）、Ｃ点の応力が１０１０（ＭＰａ）となり、４ｍｍにおいて、Ａ点の応力が７８５（ＭＰａ）、Ｃ点の応力が１１７０（ＭＰａ）となり、６ｍｍにおいて、Ａ点の応力が８７５（ＭＰａ）、Ｃ点の応力が１３６０（ＭＰａ）となり、８ｍｍにおいて、Ｃ点の応力が１２８０（ＭＰａ）となり、図７の空間を設けない時の対応する点の応力より小さくなった。

図１３から図１５は、Ａ点、Ｂ点、Ｃ点について、空間部の内径と底厚を変化させて応力分布の変化を得たものである。図１３では、Ａ点について、円柱形の空間の内径を３ｍｍ、６ｍｍ、９ｍｍとして底厚Ｈを変化させたものである。内径３及び６ｍｍでは、底厚Ｈが２ｍｍ〜４ｍｍ程度である場合が、図７の対応するＡ点の空間を設けない時の応力と同等となった。内径９ｍｍでは、底厚Ｈが２ｍｍ〜６ｍｍ程度である場合が、図７の対応するＡ点の空間を設けない時の応力より小さくなった。

図１４では、Ｂ点について、円柱形の空間の内径を３ｍｍ、６ｍｍ、９ｍｍとして底厚Ｈを変化させたものである。内径３ｍｍでは、底厚Ｈが３ｍｍ付近でも、図７の対応するＢ点の空間を設けない時の応力が小さくなった。内径６ｍｍでは、底厚Ｈが３ｍｍ〜６ｍｍで、図７の対応するＢ点の空間を設けない時の応力より小さくなることがなかった。内径９ｍｍでは、底厚Ｈが２ｍｍ〜８ｍｍ程度である場合が、図７の対応するＢ点の空間を設けない時の応力より小さくなった。

図１５では、Ｃ点について、円柱形の空間の内径を３ｍｍ、６ｍｍ、９ｍｍとして底厚Ｈを変化させたものである。内径３ｍｍでは、底厚Ｈが１ｍｍ〜４ｍｍ程度である場合が、図７の対応するＣ点の応力より小さくなった。内径６ｍｍでは、底厚Ｈが１ｍｍ〜４ｍｍ程度である場合が、図７の対応するＣ点の空間を設けない時の応力より小さくなった。
内径９ｍｍでは、底厚Ｈが２ｍｍ〜５ｍｍ程度である場合が、図７の対応するＣ点の空間を設けない時の応力より小さくなった。

このように、解析により圧造品を成形する際に、パンチの内部に形成した空間部によってパンチ押圧部の弾性変形を積極的に促進し、たわますことで鍛造時の衝撃による応力を吸収・分散し、加工荷重あるいは応力が低下することを証明できた。解析では、Ａ点、Ｂ点、Ｃ点の全てにおいて内径９ｍｍ、底圧２ｍｍの時に応力が従来型よりも最も低減されることがわかった。

図１乃至図１５の実施の形態では、パンチは、円柱形の穴を有する一体の部材で空間部を形成しており、パンチを一体の部材で形成することで安価に製作することができる。穴の底の形状は、隅が角で中央が平面であるが、穴の底の形状は、図１６に示すように形成することができる。図１６において、解析番号１は比較例であり、ワイヤーカット等で線状の穴を開けたものであり、穴の形状はスリット状である。解析番号２乃至８が実施の形態を示し、図１乃至図１５の実施の形態の解析で最も効果があった外径１２ｍｍのパンチに内径９ｍｍの空間部Ｄ９を形成し、パンチの先端部から２ｍｍ程度の底厚Ｈにしたものを基準にし、穴の底の形状を変化させた。

解析番号２は穴の底の形状が、中央が平面で隅が角であり、解析番号３は中央が平面で隅が凹み状の曲面であり、解析番号４は中央が平面で隅が凸状の曲面である。また、解析番号５は中央が軸心を頂点とする凸状の曲面で隅が角であり、解析番号６は中央が軸心を頂点とする凸状の曲面で隅が凹み状の曲面である。また、解析番号７は中央が軸心を頂点とする凹み状の曲面で隅が角であり、解析番号６は中央が軸心を頂点とする凹み状の曲面で隅が凹み状の曲面である。また、パンチの穴の底の形状が、中央が軸心を頂点とする凸状の曲面で隅が凸状の曲面でもよく、中央が軸心を頂点とする凹み状の曲面で隅が凸状の曲面でもよい。

また、パンチは、図１７に示すように、円筒部材の端部に蓋部材を固定し、円筒部材と蓋部材との別体の部材で円柱形の穴の空間部を形成し、蓋部材によりパンチ押圧部を構成し、鍛造品の素材に応じて蓋部材の強度を変えることができる。図１７において、解析番号９は円筒部材の端部に、端部に上位置の段部を有する蓋部材を固定したもので、穴の底の形状が中央が平面で、隅が角である。解析番号１０は円筒部材の端部に、端部に中位置の段部を有する蓋部材を固定したもので、穴の底の形状が中央が平面で、隅が角である。解析番号１１は円筒部材の端部に、端部に下位置の段部を有する蓋部材を固定したもので、穴の底の形状が中央が平面で、隅が角である。この実施の形態で、穴の底の形状は、中央が軸心を頂点とする凸状の曲面でも良く、軸心を頂点とする凹み状の曲面でも良い。また、穴の底の形状は、隅が凹み状の曲面でも良く、凸状の曲面でも良い。

解析番号１２は円筒部材の端部に、小径の円柱チップ状の蓋部材を固定したもので、穴の底の形状が中央が平面で、隅が角である。解析番号１３は円筒部材の端部に、大径の円柱チップ状の蓋部材を固定したもので、穴の底の形状が中央が平面で、隅が角である。この実施の形態で、穴の底の形状は、中央が軸心を頂点とする凸状の曲面でも良く、軸心を頂点とする凹み状の曲面でも良い。また、穴の底の形状は、隅が凹み状の曲面でも良く、凸状の曲面でも良い。

図１６及び図１７において示した解析番号１乃至１３と、従来の穴がないパンチについて、最終の加工段階における解析結果を図１８に示す。図１８において、応力分布と、図１乃至図１５の実施の形態で示したＡ点、Ｂ点での応力を示す。解析結果では、比較例の解析番号１は、応力分布が非対称となり、かつＡ点と、Ｂ点の応力が共に大きく、加工荷重も大きかった。この実施の形態では、解析番号２と、解析番号５のＡ点と、Ｂ点の応力、加工荷重の値が、従来パンチのＡ点と、Ｂ点の応力、加工荷重の値より共に小さく、良好な結果となっている。また、解析番号３と、解析番号６は、Ａ点と、Ｂ点の応力が値が、従来パンチのＡ点と、Ｂ点の応力の値より共に小さくい。また、解析番号４，１１のＢ点の応力、加工荷重の値が、従来パンチのＢ点の応力、加工荷重の値より共に小さくなっている。また、解析番号７乃至１０，１２，１３のＢ点の応力の値が、従来パンチのＢ点の応力の値より共に小さくなっている。

また、特に、十字穴付ねじの十字穴を成形する際に、パンチ押圧部の先端面に集中する衝撃による応力を分散させて低下することができる。この解析では、圧造品を成形する例として、十字穴付ねじの十字穴を成形する場合について説明したが、これに限定されず種々の鍛造品を成形する例についても同様な解析で証明することができる。

この発明は、鍛造品を鍛造する際に用いられる鍛造工具の設計方法及び鍛造工具に適用可能であり、安価で簡易な構成で、パンチの疲労破壊を抑制し、長時間の連続使用を可能とする。

１ 冷間圧造工具
１０ ダイス
１０ａ 圧造品の成形穴
２０ ホルダ
２０ａ 摺動孔
３０ パンチ
３０ａ パンチ押圧部
３０ａ１ パンチ押圧部３０ａの先端面
３０ａ２ パンチ押圧部３０ａの周縁
４０ 圧造品の素材
４１ 圧造品
４１ａ 軸部
４１ｂ 頭部
５０ 空間部
Ｓ１ 空間部５０の押圧方向に対して直交方向の断面積
Ｓ２ 素材４０の押圧方向に対して直交方向の断面積

Claims (3)

1. 鍛造にて成形される鍛造品の成形穴を有するダイスと、
   前記ダイスに対向して配置されるパンチと、
   を備え、
   前記ダイスの成形穴に鍛造品の素材を配置し、
   前記パンチのパンチ押圧部により前記素材を押圧して前記鍛造品を成形する鍛造工具の設計方法であり、
   前記パンチの内部に、前記パンチ押圧部の弾性変形を積極的に促進し、たわみにより鍛造時の衝撃による応力を分散・吸収させる空間部を形成し、
   前記パンチ押圧部のたわみ量を、相当応力値で評価し、
   前記パンチ押圧部の破壊点での前記相当応力値を、前記空間部を設けない鍛造工具のパンチ押圧部の相当応力値より小さく設定することを特徴とする鍛造工具の設計方法。
2. 前記相当応力値で評価するたわみ量は、数値解析あるいは塑性加工用のモデル材料を用いたモデル実験により定量化することを特徴とする請求項１に記載の鍛造工具の設計方法。
3. 請求項１または請求項２に記載の設計方法により製造されたことを特徴とする鍛造工具。