JP4763977B2 - 筒状部材又は有底筒状部材の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、成形型内に配置された円柱状素材を押圧ポンチで押圧し、筒状部材又は有底筒状部材を鍛造する方法に関するものである。

自動車部品等として用いられる筒状部品や有底筒状部品は、歩留まりの向上や生産性の向上を図るべく、線材や棒鋼を切断した円柱状素材を用いた鍛造や圧造によって形成されることが多くなっている。特に、製品寸法精度の向上や製造コストの低減のために、素材を加熱せずに鍛造・圧造を行う冷間鍛造とすることが多い。

例えば下記特許文献１には、スパークプラグ部品を対象とした冷間鍛造方法が開示されている。スパークプラグ部品のような段付き中空部品又は段付き有底部品の鍛造は、一般に前方押出鍛造、後方押出鍛造及び前後方押出鍛造を適宜組み合わせして行われる。前方押出鍛造は、素材の下面、即ち押圧ポンチによる圧下面とは反対側の面を押圧ポンチによる圧下方向と同じ方向に素材流動させる鍛造方法であり、また後方押出鍛造は、素材の圧下面を押圧ポンチによる圧下方向とは逆方向に素材流動させる鍛造方法であり、また前後方押出鍛造は、素材の下面を押圧ポンチによる圧下方向と同じ方向に素材流動させるとともに素材の圧下面を押圧ポンチによる圧下方向とは逆方向に素材流動させる鍛造方法である。

後方押出鍛造の一例を図６を参照しながら具体的に説明する。図６に示すように、成形型６０には、大径部６２ａと小径部６２ｂとが段差部６２ｃを介して軸方向に連続するように設けられた成形部６２が形成されていて、この成形部６２の大径部６２ａに円柱状素材８０が挿入される（同図（ａ））。このとき素材８０の下端部８０ｂが段差部６２ｃに沿うように予備圧縮用ポンチ６５で押圧する予備圧縮を行ってもよい。そして、小径部６２ｂに下ポンチ６７を挿入し、この下ポンチ６７に当接するまで円柱状素材８０を予備圧縮用ポンチ６５によって下方へ押圧する（同図（ｂ））。次に、小径部６２ｂの内径よりも小径の押圧ポンチ７０に交換し、この小径の押圧ポンチ７０によって円柱状素材８０を下方へ押圧する（同図（ｃ））。このとき、押圧ポンチ７０によって素材８０が下方へ押圧されると、素材８０の下端部８０ｂでは下ポンチ６７によって素材流動が規制される一方、素材８０の上端部８０ａでは上方へ素材流動する（同図（ｄ））。これにより、素材８０は押圧ポンチ７０による押圧方向とは逆方向へ流動しつつ有底筒状に成形される。

次に、前後方押出鍛造の一例を具体的に説明する。図７に示すように、成形部６２の大径部６２ａに円柱状素材８０を挿入し（同図（ａ））、予備圧縮用ポンチ６５によって素材８０を下方へ押圧する（同図（ｂ））。次に、下ポンチ６７を除去するとともに予備圧縮用ポンチ６５を小径の押圧ポンチ７０に交換し、この押圧ポンチ７０によって下方へ押圧する（同図（ｃ，ｄ，ｅ））。このとき、押圧ポンチ７０によって素材８０が下方へ押圧されると、素材８０の下端部８０ｂでは下方へ素材流動する一方、素材８０の上端部８０ａでは、上方へ素材流動する。これにより、素材８０は、段差が形成された有底筒状に成形される。

前後方押出鍛造は、前方押出鍛造や後方押出鍛造に比べ、同じ形状に成形する場合においても素材の自由流動面が多くなることから低荷重での成形が可能であり、押圧ポンチなどの工具の寿命にも有利であることが知られている。
特許第３４３１９５０号公報

しかしながら、前後方押出鍛造が行われる冷間鍛造において例えば延性の低い難加工材等を鍛造成形又は圧造成形する場合には、製品表面に割れが発生することがあるという問題がある。

そこで、本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、筒状部材又は有底筒状部材を前後方押出鍛造により素材にひび割れが発生することなく成形できるようにすることにある。

本発明者らは、素材のひび割れ事例を分析した結果、前後方押出鍛造における押圧ポンチの圧入初期段階では素材に引張応力は発生しないが、その後の押圧によって押圧ポンチが成形部の段差部領域を通過すると素材に引張応力が生じ、以降、素材に引張応力が発生し続けることを見出した。詳細には、押圧ポンチによって素材を下方へ押圧する場合を考えると、押圧ポンチの圧入初期段階では、素材の上端部近傍では、押圧ポンチによる押圧力を受けて押圧方向と逆方向（上方）へ押出される一方、素材の下端部近傍では、押圧ポンチによる押圧力を受けて押圧方向と同じ方向（下方）へ押出される。そして、さらに押圧ポンチによる押圧が行われ、段差部領域における素材の最小肉厚が大径部領域における素材の肉厚よりも薄肉となると、押圧ポンチ直下の素材は、押圧ポンチによって横に押し退けられた後は押圧力がほとんど作用せず上方へ素材流動し難くなる。その一方、それよりも下方の小径部領域の素材は、押圧ポンチの押圧力を受けて押圧方向と同じ方向へ素材流動するため、下方への押出しが支配的となる。この結果、見かけ上素材流動が生じない押圧ポンチ直下の素材と、押圧方向の素材流動が支配的となる小径部領域の素材との間で引張応力が発生し、この引張応力によって素材表面及び素材内面での割れに至るものと推測される。

本発明はこの分析結果が得られたことに基づいてなされたものであり、本発明は、大径部と小径部とが段差部を介して軸方向に並設される成形部が形成された成形型と、前記大径部の内径よりも小径の外径を有する押圧ポンチとを用い、前記大径部内に円柱状素材を保持してこの円柱状素材の端面を前記押圧ポンチで小径部方向へ押圧し、筒状部材又は有底筒状部材を鍛造する方法を前提として、前記押圧ポンチの押圧により、この押圧ポンチによって押圧される前記素材の押圧側端部が押圧ポンチによる押圧方向とは逆方向に流動可能な状態で、かつ前記押圧側端部と反対側に位置する反対側端部を前記押圧方向と同じ方向へ流動させる前後方押出鍛造を行う前後方押出工程と、前記前後方押出工程の後に前記押圧ポンチを前記小径部内まで進入させて前記素材を前記押圧方向又はその逆方向へ流動させる押出鍛造を行う次段押出工程とが含まれ、前記前後方押出工程では、前記段差部の領域内での素材の最小肉厚が、前記大径部の領域内での素材の最小肉厚よりも薄くならない範囲で前記押圧ポンチによる素材の押圧を行い、前記次段押出工程では、前記押圧ポンチの押圧によって前記素材の反対側端部の全部又はその一部が前記押圧方向と同じ方向へ流動するのを素材拘束部材によって制限するとともに、前記押圧ポンチの押圧によって前記素材の押圧側端部を前記押圧方向とは逆方向へ流動させる。

本発明による筒状部材又は有底筒状部材の製造方法では、前後方押出工程において前記段差部の領域内での素材の最小肉厚が前記大径部の領域内での素材の最小肉厚よりも薄くならない範囲内で押圧ポンチによる素材の押圧を行うだけなので、押圧ポンチの押圧方向と同じ方向の素材流動（押出し）が支配的となる前にこの前後方押出工程が終了する。このため、押圧ポンチ近傍の素材と小径部内の素材との間で引張応力が発生しないようにできるか、または引張応力が発生するとしてもその大きさを低減することができる。それ故に、前後方押出鍛造を行うことで押圧ポンチによる押圧力を低減しつつ、引張応力の発生を抑止又は抑制することで素材の割れを効果的に防止することができる。

そして、前後方押出工程の後、さらに押圧ポンチによる押圧を行うときに、素材の反対側端部の全部又は一部を素材拘束部材によって拘束するので、小径部内の素材が押圧ポンチの押圧方向と同じ方向へ素材流動するのが抑止又は抑制される。この結果、前後方押出工程の後にさらに押圧ポンチによる押圧を行っても素材の割れを抑止できるので、さらなる鍛造加工を行うことができるようになり、加工の自由度を向上することができる。

この場合において、前記前後方押出工程の後に、前記素材拘束部材が前記素材の反対側端部に当接するまで前記小径部側から成形部内に挿入されるようにすれば、素材の反対側端部における素材流動を確実に制限できるので、後方押出工程において確実に素材の割れを抑止することができる。

また、前記段差部の領域内での素材の最小肉厚と前記大径部の領域内での素材の最小肉厚とが同じになるときの前記素材の反対側端部の位置を予め導出しておき、前記素材拘束部材は、前記素材と接触する端部が前記導出された位置又はそれよりも大径部寄りの位置になるように前記前後方押出工程が終了するまでに小径部側から成形部内に挿入されるようにしてもよい。そうすれば、前後方押出工程において素材拘束部材を素材に引張応力が発生しないような位置に確実に配置させることができるため、前後方押出工程及び次段押出工程を１回の押出しで行うようにしても、次段押出工程において確実に素材の割れを抑止することができ、筒状部材及び有底筒状部材の生産効率を向上することができる。

前記素材拘束部材は、前記小径部の内径と略同じ外径を有するか、それよりも小さな外径を有しているのが好ましい。

また本発明は、大径部と小径部とが段差部を介して軸方向に並設される成形部が形成された成形型と、前記大径部の内径よりも小径の外径を有する押圧ポンチとを用い、前記大径部内に円柱状素材を保持してこの円柱状素材の端面を前記押圧ポンチで小径部方向へ押圧し、筒状部材又は有底筒状部材を鍛造により成形する方法を前提として、前記押圧ポンチの押圧により、この押圧ポンチによって押圧される前記素材の押圧側端部が押圧ポンチによる押圧方向とは逆方向に流動可能な状態で、かつ前記押圧側端部と反対側に位置する反対側端部を前記押圧方向と同じ方向へ流動させる前後方押出鍛造を行う前後方押出工程と、前記前後方押出工程の後に前記押圧ポンチを前記小径部内まで進入させて前記素材を前記押圧方向又はその逆方向へ流動させる押出鍛造を行う次段押出工程とが含まれ、前記前後方押出工程では、前記段差部の領域における素材の最小肉厚が、前記大径部の領域における素材の最小肉厚よりも薄くならない範囲で前記押圧ポンチによる素材の押圧を行い、前記次段押出工程では、前記押圧ポンチの押圧によって前記素材の押圧側端部の全部又はその一部が前記押圧方向と逆方向へ素材流動するのを押圧側拘束部材によって制限するとともに、前記押圧ポンチの押圧によって前記素材の反対側端部を前記押圧方向と同じ方向へ流動させる。

この製造方法では、前後方押出工程の後、さらに押圧ポンチによる押圧を行うときに、素材の押圧側端部の全部又はその一部を押圧側拘束部材によって拘束するので、大径部内の素材が押圧ポンチの押圧方向とは逆方向に素材流動するのが抑止又は抑制される。この結果、前後方押出工程の後にさらに押圧ポンチによる押圧を行っても素材の割れを抑止できるので、さらなる鍛造加工を行うことができるようになり、加工の自由度を向上することができる。

この場合において、前記前後方押出工程の後に、前記押圧側拘束部材が前記素材の押圧側端部に当接するまで大径部側から成形部内に挿入されるようにすれば、素材の押圧側端部における素材流動を確実に制限できるので、前方押出工程において確実に素材の割れを抑止することができる。

また、前記段差部の領域内での素材の最小肉厚と前記大径部の領域内での素材の最小肉厚とが同じになるときの前記素材の押圧側端部の位置を予め導出しておき、前記押圧側拘束部材は、前記素材と接触する端部が前記導出された位置又はそれよりも小径部寄りの位置になるように前記前後方押出工程が終了するまでに大径部側から成形部内に挿入されるようにしてもよい。そうすれば、前後方押出工程において押圧側拘束部材を素材に引張応力が発生しないような位置に確実に配置させることができるため、前後方押出工程及び次段押出工程を１回の押出しで行うようにしても、次段押出工程において確実に素材の割れ
を抑止することができ、筒状部材及び有底筒状部材の生産効率を向上することができる。

そして、前記押圧側拘束部材は、前記押圧ポンチに外嵌されるとともにこの押圧ポンチと一体的に動くように構成され、前記押圧側拘束部材から突出した押圧ポンチの突出部は、前記段差部の領域内での素材の最小肉厚と前記大径部の領域内での素材の最小肉厚とが同じになるときに前記導出された位置で素材の押圧側端部と当接するような突出長さに構成されていれば、押圧側拘束部材と押圧ポンチとを別個に制御する必要がなくなるので、生産効率を向上しつつ素材の割れを有効に防止することができる。

前記押圧側拘束部材は、前記大径部の内径と略同じ外径を有するか、それよりも小さな外径を有しているのが好ましい。

以上説明したように、本発明によれば、前後方押出工程において段差部の領域内における素材の最小肉厚が大径部の領域内における素材の最小肉厚よりも薄くならない範囲内で素材の押圧を行うようにしているので、前後方押出鍛造を行うことで押圧ポンチによる押圧力を低減しつつ、引張応力の発生を抑止又は抑制することで素材の割れを効果的に防止することができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。

《実施形態１》
本実施形態１は、例えば線材等の円柱状素材を有底の筒状部材に成形する有底筒状部材の製造方法に関するものである。本製造方法では、図１に示すように、素材３０から有底筒状部材を成形するための成形部１２が形成された成形型の一例としての金型１０と、この金型１０の成形部１２に挿入される予備圧縮用ポンチ２０と、押圧ポンチ２２と、素材拘束部材２４とが使用される。

成形部１２には、大径部１２ａと、小径部１２ｂと、段差部１２ｃとが設けられている。大径部１２ａは、金型１０の上側に設けられるものであり、円柱状素材３０の外径に対して所定のクリアランス分だけ大きな内径を有する内周面を有する。この大径部１２ａの内径は軸方向に一定となっている。小径部１２ｂは、金型１０の下側に設けられるものであり、円柱状素材３０の外径よりも小径の内径を有する内周面を有する。この小径部１２ｂの内径は軸方向に一定となっている。これら大径部１２ａと小径部１２ｂとは、成形部１２の軸方向、即ち押圧ポンチ２２の移動方向に並んで設けられるものであり、これら大径部１２ａと小径部１２ｂとの間がテーパ状に形成された段差部１２ｃとなっている。

予備圧縮用ポンチ２０は、大径部１２ａの内径に対応した外径を有する。一方、押圧ポンチ２２は、小径部１２ｂの内径よりも小径、即ち予備圧縮用ポンチ２０よりも小径の外径を有する。

素材拘束部材２４は、金型１０の小径部１２ｂにその下端部から挿入されるものであり、素材３０の下端部３０ｂにおいて素材流動が発生しないように、又は発生したとしても素材流動の発生を抑制するためのものである。この素材拘束部材２４は、小径部１２ｂの内径と略同じ寸法の外径を有する円柱状のものである。

素材３０としては、例えば、Ｓ１０Ｃ，Ｓ２５Ｃ，Ｓ４５Ｃ等の炭素鋼、ＳＣＭ，ＳＣＲ等の合金鋼、アルミニウム合金等を好適に用いることができる。

本製造方法においては、予備圧縮工程と、前後方押出鍛造が行われる前後方押出工程としての第１段鍛造工程と、次段押出工程としての第２段鍛造工程とが実施される。この第２段鍛造工程では、後述するように後方押出鍛造が行われる。

まず、予備圧縮工程の前準備として、図１（ａ）に示すように、素材拘束部材２４が成形部１２の小径部１２ｂに挿入されるとともに、円柱状素材３０が成形部１２の大径部１２ａに挿入される。このとき、素材拘束部材２４の上端面が段差部１２ｃの下端面とおよそ同じ高さになるように素材拘束部材２４がセットされる。

予備圧縮工程では、同図（ｂ）に示すように、予備圧縮用ポンチ２０により円柱状素材３０の上端部３０ａが押圧され、円柱状素材３０の下端部３０ｂが成形部１２の段差部１２ｃに倣って成形される。これにより、例えば円柱状素材３０の下端部３０ｂがいびつな形状であったとしても、円柱状素材３０が成形部１２の軸方向に平行な状態にセットされる。このとき、円柱状素材３０の下端面と素材拘束部材２４の上端面とが当接する。

第１段鍛造工程では、同図（ｃ），（ｄ）に示すように、予備圧縮用ポンチ２０から押圧ポンチ２２へと交換され、この押圧ポンチ２２によって素材３０の上端部３０ａが押圧される。この押圧ポンチ２２による押圧は素材３０の上端部３０ａにおける中央部に対して行われる。この工程の初期段階では、押圧ポンチ２２の押圧により、素材３０の下端部３０ｂは、押圧ポンチ２２の押圧方向（同図における下方）へ押下されて小径部１２ｂ内へ進入する一方、押圧ポンチ２２直下の素材３０が押圧ポンチ２２の押圧力を受けて横方向に押し退けられ、この押し退けられた素材３０は、押圧力が作用した状態で押圧ポンチ２２と金型１０との間を押圧方向とは逆方向（同図における上方）へ流動する。

この第１段鍛造工程では、押圧ポンチ２２の下端部（押圧部）２２ａが大径部１２ａ内の所定範囲内に収まるように素材３０の押圧が行われる。より詳しくは、押圧ポンチ２２を大径部１２ａ側から小径部１２ｂ側に向かって押圧するときに、図２に示すように、この押圧ポンチ２２と段差部１２ｃとの間隙幅Ｓ１が、押圧ポンチ２２と大径部１２ａとの間隙幅Ｓ２とほぼ同じときに生ずる遷移領域に達するまで素材３０の押圧が行われる。前記間隙幅Ｓ１は、押圧ポンチ２２と段差部１２ｃとの間隙が最も狭くなっているところの幅を意味している。したがって、段差部１２ｃの領域における素材３０の最小肉厚が大径部１２ａの領域における素材３０の肉厚とほぼ同じ肉厚となるまで押圧ポンチ２２が押下して第１段鍛造工程を終了することとなる。

前記遷移領域の状態とは、押圧ポンチ２２直下から大径部１２ａ側への素材流動がほとんどなく、後方押出しが困難となる状態であり、これ以上押圧ポンチ２２を押下させると、小径部１２ｂ内における下方への素材流動（前方押出し）が支配的となるような状態である。また、段差部１２ｃの領域とは、およそ段差部１２ｃによって囲まれる成形部１２内の領域を差しており、段差部１２ｃのテーパによっては段差部１２ｃ及びその近傍の大径部１２ａによって囲まれる領域までも含まれるものである。

続いて、図１（ｅ）に示すように、素材拘束部材２４が素材３０の下端部３０ｂに当接するように小径部１２ｂ内にセットされ、小径部１２ｂはこの素材拘束部材２４によって塞がれる。そして、同図（ｆ）に示すように、押圧ポンチ２２が小径部１２ｂ内まで進入するように押圧ポンチ２２による素材３０の押圧が行われる。このとき素材３０の下端部３０ｂは、素材拘束部材２４によって下方への素材流動が制限される一方、大径部１２ａ内の素材３０は押圧ポンチ２２による押圧力を受けて押し退けられた素材３０が押圧力の作用した状態で上方へ向かって流動する後方押出鍛造となる。これにより、下端部３０ｂが底部として形成された有底筒状部材が成形される。

本実施形態１による有底筒状部材の製造方法では、第１段鍛造工程において段差部１２ｃの領域における素材３０の最小肉厚が大径部１２ａの領域における素材３０の肉厚よりも薄くならない範囲で押圧ポンチ２２による素材３０の押圧を行うので、小径部１２ｂ内の素材３０が下方へ素材流動するのが支配的となる前に前後方押出鍛造が終了する。このため、大径部１２ａ内の素材３０と小径部１２ｂ内の素材３０との間で引張応力が発生しないようにできるか、または引張応力が発生するとしてもその大きさを低減することができる。それ故に、前後方押出鍛造を行うことで押圧ポンチ２２による押圧力を低減しつつ、引張応力の発生を抑止又は抑制することで素材３０の割れを効果的に防止することができる。

また、本実施形態１では、第１段鍛造工程の後で実施される第２段鍛造工程において、素材３０の下端部３０ｂを素材拘束部材２４によって拘束するので、小径部１２ｂ内の素材３０が下方へ素材流動するのが抑止又は抑制される。この結果、前後方押出鍛造の後にさらに押圧ポンチ２２による押圧を行っても素材３０の割れを抑止できるので、さらなる鍛造加工を行うことができるようになり、加工の自由度を向上することができる。

また、本実施形態１では、大径部１２ａの内径が軸方向に一定となっている金型１０を使用しているが、大径部１２の内径が軸方向に一定となっていない金型１０を使用することも可能である。この場合には、第１段鍛造工程において、段差部１２ｃの領域における素材３０の最小肉厚が大径部１２ａの領域における素材３０の最小肉厚とほぼ同じ肉厚になるところまで押圧ポンチ２２を押下するようにすればよい。

また、軸方向に間隔をおいて段差部が複数箇所存在する場合でも、本発明は最終的に大径部からそれよりも小径の小径部にポンチが圧入される段差部について適用をすればよく、その場合、適用対象となる段差部とその段差部よりも一つ手前の段差部との間で挟まれる領域を本発明にいう「大径部」とみなしてその「大径部」における素材の最小肉厚を考慮すればよい。

また、本実施形態１では、有底筒状部材を製造する方法について説明したが、押圧ポンチ２２によって素材３０を貫通させるようにして底部のない筒状部材を製造する構成としてもよい。

《実施形態２》
本発明の実施形態２は、図３に示すように、素材拘束部材２４を小径部１２ｂ内の所定位置に予めセットするようにしたものである。尚、ここでは、実施形態１と同じ構成要素には同じ符号を付し、その詳細な説明を省略する。

前記実施形態１では、第１段鍛造工程において素材３０が遷移領域に達する前まで押圧ポンチ２２による押圧が行われ、その後に素材３０に当接するように素材拘束部材２４をセットするようにしたが、本実施形態２では、第１段鍛造工程を実施する前に素材拘束部材２４が小径部１２ｂ内の所定位置にセットされる（図３（ａ））。すなわち、第１段鍛造工程において段差部１２ｃの領域における素材３０の最小肉厚が、大径部１２ａの領域における素材３０の肉厚とほぼ同じ肉厚になるときの素材下端部３０ｂの位置が素材流動計算や実験によって導出されていて、この導出された素材下端部３０ｂに素材拘束部材２４の上端部３０ａが当接するような位置に素材拘束部材２４がセットされる。

そして、第１段鍛造工程において、同図（ｂ）に示すように押圧ポンチ２２による素材３０の押圧が行われる。この工程では、段差部１２ｃの領域における素材３０の最小肉厚が、大径部１２ａの領域における素材３０の肉厚とほぼ同じ肉厚になって素材３０の下端部３０ｂが素材拘束部材２４と当接するまで、素材３０の下端部３０ｂが下方へ素材流動する一方、素材３０の上端部３０ａが上方へ素材流動する前後方押出鍛造が行われる。そして、素材３０の下端部３０ｂが素材拘束部材２４と当接すると、素材下端部３０ｂにおける下方への素材流動が制限される。

そして、同図（ｃ）に示すように、押圧ポンチ２２による押圧をさらに継続し、押圧ポンチ２２が小径部１２ｂ内に進入したときには、素材３０の下端部３０ｂでは下方への素材流動が規制されたまま、素材３０の上端部３０ａでは上方への素材流動が継続して行われる後方押出鍛造が行われる（第２段鍛造工程）。つまり、本実施形態２では、第１段鍛造工程及び第２段鍛造工程が途切れることのない１回の押圧によって実施される。

したがって、本実施形態２によれば、前後方押出鍛造の後の後方押出鍛造において素材拘束部材２４を素材３０の割れに至る引張応力が発生しないような位置に確実に配置させることができるため、前後方押出鍛造及び後方押出鍛造を１回の押出しで行うようにしても、第２段鍛造工程において確実に素材３０の割れを抑止することができ、有底筒状部材の生産効率を向上することができる。

尚、本実施形態２では、素材拘束部材２４を第１段鍛造工程の前に小径部１２ｂ内に挿入するようにしたが、これに限られるものではなく、前後方押出鍛造が終了するまでに素材拘束部材２４を挿入するものであってもよい。

また、図示省略するが、本実施形態２でも、実施形態１と同様の予備圧縮（図１（ａ）及び（ｂ）参照）を行ってもよい。その他の構成、作用及び効果はその説明を省略しているが前記実施形態１と同様である。

《実施形態３》
前記実施形態１では、次段押出工程としての第２段鍛造工程において後方押出鍛造を実施する構成としたが、本実施形態３では、図４に示すように、第２段鍛造工程において、素材３０の下端部３０ｂの一部が僅かに下方へ素材流動する前後方押出鍛造を実施するものである。尚、ここでは、実施形態１と同じ構成要素には同じ符号を付し、その詳細な説明を省略する。

同図に示すように、本実施形態３で使用される素材拘束部材２６は、金型１０の小径部１２ｂの内径よりも小さな寸法の外径を有している。図例では、この素材拘束部材２６の外径は押圧ポンチ２２の外径と同等としているが、これに限られるものではなく、例えば素材拘束部材２６の外径が押圧ポンチ２２の外径よりも大きくてもよい。

本実施形態３に係る製造方法では、第１段鍛造工程として実施形態１同様の前後方押出鍛造を実施した後、図４（ａ）に示すように、素材拘束部材２６を小径部１２ｂ内にセットする。このとき素材拘束部材２６が素材３０の下端部３０ｂに当接するようにセットする。

そして、第２段鍛造工程として、押圧ポンチ２２によって素材３０を下方へ押圧すると、押圧ポンチ２２によって押し退けられた素材３０は押圧力が作用した状態で大径部１２ａ内を上方へ流動するが、このとき素材３０の下端部３０ｂでは、素材３０の一部が押圧力の作用によって小径部１２ｂと素材拘束部材２６との間隙を下方へ流動し、前方へ押出される。この下方向への素材流動は一部の素材３０のみの流動であるため、前方押出しは支配的なものではなく、素材３０の下端部３０ｂにおいては素材拘束部材２６による流動規制が支配的なものとなっている。したがって、大径部１２ａ内の素材３０と小径部１２ｂ内の素材３０との間で引張応力が発生しないようにできるか、または引張応力が発生するとしてもその大きさを低減することができる。本実施形態３における第２段鍛造工程は、素材３０が前方にも押出されるので前後方押出鍛造といえるが、前方への押出しは支配的なものではないために実質的には後方押出鍛造に近い。

尚、本実施形態３では、第１段鍛造工程の後で素材拘束部材２６をセットするようにしているが、これに代え、素材拘束部材２６のセット位置を素材流動計算等によって予め導出しておき、素材拘束部材２６をその位置にセットした上で第１段鍛造工程及び第２段鍛造工程を連続して実施するようにしてもよい。その他の構成、作用及び効果はその説明を省略しているが前記実施形態１と同様である。

《実施形態４》
本発明の実施形態４は、図５に示すように、次段押出工程としての第２段鍛造工程において前方押出鍛造を実施するものである。尚、ここでは、実施形態１と同じ構成要素には同じ符号を付し、その詳細な説明を省略する。

本実施形態４では、押圧ポンチ２２と一体となって動く押圧側拘束部材４０が使用される。この押圧側拘束部材４０は、大径部１２ａの内径と略同じ寸法の外径を有する円筒状に形成されている。そして、押圧側拘束部材４０には押圧ポンチ２２が嵌挿されていて、押圧側拘束部材４０から突出している押圧ポンチ２２の突出部２２ｂは、所定の長さに調整されている。即ち、第１段鍛造工程において段差部１２ｃの領域における素材３０の最小肉厚が、大径部１２ａの領域における素材３０の肉厚とほぼ同じ肉厚になるときの素材上端部３０ａの位置が素材流動計算や実験によって導出されていて、突出部２２ｂは、この導出された素材上端部３０ａの位置と押圧ポンチ２２の下端部２２ａとの距離に相当する突出長さとなっている。なお、突出部２２ｂの突出長さをこれよりも短くしてもよい。

第１段鍛造工程において、図５（ａ）に示すように、押圧ポンチ２２と押圧側拘束部材４０とが一体となって大径部１２ａ側から金型１０内に挿入され、押圧ポンチ２２による素材３０の押圧が行われると、素材３０の下端部３０ｂが下方へ素材流動する一方、素材３０の上端部３０ａが上方へ素材流動する前後方押出鍛造が行われる。

そして、同図（ｂ）に示すように、押圧側拘束部材４０の下端部４０ａが素材３０の上端部３０ａと当接したところで、第１段鍛造工程から第２段鍛造工程へ移行する。すなわち、押圧側拘束部材４０の下端部４０ａが素材３０の上端部３０ａと当接したところからさらに押圧ポンチ２２及び押圧側拘束部材４０を下方へ押圧すると、素材３０の上端部３０ａでは上方への素材流動が制限されるとともに、素材３０全体として下方へ移動する、即ち下方への素材流動が支配的となる前方押出鍛造が実施される。この第２段鍛造工程では、同図（ｃ）に示すように押圧ポンチ２２が小径部１２ｂ内へ進入した後の所定位置になるまで押圧が継続される。

したがって、本実施形態４によれば、第１段鍛造工程の後さらに押圧ポンチ２２による押圧を行うときに、素材３０の上端部３０ａを押圧側拘束部材４０によって拘束するので、大径部１２ａ内の素材３０が上方へ素材流動するのが抑止される。この結果、前後方押出鍛造を実施した後にさらに押圧ポンチ２２による押圧を継続して行っても素材３０の割れを抑止できるので、さらなる鍛造加工を行うことができるようになり、加工の自由度を向上することができる。

また、本実施形態４では、押圧ポンチ２２の突出部２２ｂを予め導出された所定長さだけ押圧側拘束部材４０から突出させておいて、押圧ポンチ２２と押圧側拘束部材４０を一体的に移動させる構成としているので、前後方押出鍛造を実施した後、継続して前方押出鍛造を実施するときに、押圧側拘束部材４０を素材３０の割れに至る引張応力が発生しないような位置に確実に配置させることができる。したがって、前後方押出鍛造及び前方押出鍛造を１回の押出しで行うようにしても、前方押出鍛造において確実に素材３０の割れを抑止することができ、有底筒状部材の生産効率を向上することができる。

尚、本実施形態４では、押圧ポンチ２２が押圧側拘束部材４０から所定長さだけ突出した状態で両者が一体となって動くようにしたが、これに代え、押圧側拘束部材４０が押圧ポンチ２２と別個に動くようにしてもよい。この場合には、第１段鍛造工程において、押圧ポンチ２２によって素材３０を前記遷移領域に達しない範囲で押圧することにより前後方押出鍛造を行い、その後、押圧側拘束部材４０を大径部１２ａ側から成形部２内に挿入して第２段鍛造工程を実施するようにすることができる。また、前後方押出鍛造が終了するまでに押圧側拘束部材４０を所定位置にセットするようにすれば、第１段鍛造工程及び第２段鍛造工程を続けて行うこともできる。

また、押圧側拘束部材４０として大径部１２ｂの内径よりも小さな外径を有するものを使用してもよい。この場合には素材３０の上端部３０ａの一部が上方へ素材流動するのを制限できるので、大径部１２ａ内の素材３０と小径部１２ｂ内の素材３０との間で引張応力が発生しないようにできるか、または引張応力が発生するとしてもその大きさを低減することができる。

また、図示省略するが、本実施形態４でも、実施形態１と同様の予備圧縮（図１（ａ）及び（ｂ）参照）を行ってもよい。その他の構成、作用及び効果はその説明を省略しているが前記実施形態１と同様である。

本発明者らは、本発明による割れ防止効果を確認するために、以下に示すような鍛造実験を行ったので、その結果について説明する。

実施例及び比較例として用いた素材３０は、直径１２．０ｍｍ、高さ８．０ｍｍの円柱状に形成された常温の炭素鋼Ｓ１０Ｃからなる円柱状素材３０である。一方、金型１０及び押圧ポンチ２２はそれぞれ工具鋼ＳＫＤ６１によって構成されたものを用いた。金型１０に形成した大径部１２ａの内径は１２．２ｍｍとし、小径部１２ｂの内径は９．１ｍｍとした。また、押圧ポンチ２２の外径は７．０ｍｍとした。

以下に示す実施例及び比較例では、何れも同じ形状となるまで予備圧縮を行っており、その後に、後述するように第１段鍛造工程等を実施した。

実施例１では、表１に示すように、第１段鍛造工程として前後方押出鍛造を行い、その後、素材拘束部材２４を小径部１２ｂ内にセットして第２段鍛造工程として後方押出鍛造を行った。第１段鍛造工程において、押圧ポンチ２２が素材３０に接触した位置から圧下する移動距離を５．０ｍｍとした。この移動距離（５．０ｍｍ）では遷移領域に達しない範囲内で押圧ポンチ２２による素材３０の押圧が行われる。

実施例２は、押圧ポンチ２２の移動距離を６．０ｍｍとした点で実施例１と異なるが、それ以外は実施例１と同様である。この移動距離６．０ｍｍでも遷移領域に達しない範囲内で押圧ポンチ２２による素材３０の押圧が行われる。

実施例３では、第１段鍛造工程の前に素材拘束部材２４を予め小径部１２ｂ内にセットしておき、第１段鍛造工程としての前後方押出鍛造、第２段鍛造工程としての後方押出鍛造を連続して行った。第１段鍛造工程において、押圧ポンチ２２が素材３０に接触してから圧下する移動距離は５．０ｍｍとした。

実施例４では、第１段鍛造工程としての前後方押出鍛造、第２段鍛造工程としての前方押出鍛造を連続して行った。この実施例４では、押圧ポンチ２２と一体的に動く押圧側拘束部材４０を用い、この押圧側拘束部材４０からの押圧ポンチ２２の突出高さを６．０ｍｍとした。つまり、実施例４では、第１段鍛造工程において、押圧ポンチ２２が素材３０に接触してから圧下する移動距離が６．０ｍｍとなっている。

比較例１は、第１段鍛造工程における押圧ポンチ２２の移動距離を８．０ｍｍとした点で実施例１と異なるが、それ以外は実施例１と同様である。この移動距離の８．０ｍｍは、遷移領域に達した後も押圧ポンチ２２による素材３０の押圧が行われるような移動距離であり、押圧ポンチ２２の下端部２２ａが小径部１２ｂ内まで進入する。

比較例２は、第１段鍛造工程としての前後方押出鍛造のみを行った。この第１段鍛造工程における押圧ポンチ２２の移動距離を１２．０ｍｍとした。この比較例２でも、押圧ポンチ２２の下端部２２ａが小径部１２ｂ内に進入する。

表１に示すように、実施例１〜４の何れにおいても素材３０に割れは発生しなかった。一方、比較例１では、表面にしわ状の疵が確認された。このしわ状の疵は、第１段鍛造工程で表面に発生した微細な割れが、第２段鍛造工程の後方押出時に圧縮されたことでしわ状疵となったものと推測される。また、比較例２では、表面に割れが確認された。

この実験結果より、前後方押出鍛造時に素材３０が遷移領域に達しない範囲内で鍛造すれば、素材３０に割れが発生するのを抑止することができると言える。

本発明の実施形態１に係る有底筒状部材の製造方法における各工程を説明するための図を断面図で示したものである。 押圧ポンチと段差部との間隙幅Ｓ１と、押圧ポンチと大径部との間隙幅Ｓ２とを説明するための図である。 本発明の実施形態２に係る有底筒状部材の製造方法における第１段鍛造工程及び第２段鍛造工程を説明するための図を断面図で示したものである。 本発明の実施形態３に係る有底筒状部材の製造方法における第１段鍛造工程及び第２段鍛造工程を説明するための図を断面図で示したものである。 本発明の実施形態４に係る有底筒状部材の製造方法における第１段鍛造工程及び第２段鍛造工程を説明するための図を断面図で示したものである。 従来の後方押出鍛造における各工程を説明するための図を断面図で示したものである。 従来の前後方押出鍛造における各工程を説明するための図を断面図で示したものである。

符号の説明

１０ 金型（成形型の一例）
１２ 成形部
１２ａ 大径部
１２ｂ 小径部
１２ｃ 段差部
２２ 押圧ポンチ
２２ｂ 突出部
２４ 素材拘束部材
２６ 素材拘束部材
３０ 素材
３０ａ 上端部（押圧側端部の一例）
３０ｂ 下端部（反対側端部の一例）
４０ 押圧側拘束部材
Ｓ１ 間隙幅
Ｓ２ 間隙幅

Claims (9)

1. 大径部と小径部とが段差部を介して軸方向に並設される成形部が形成された成形型と、前記大径部の内径よりも小径の外径を有する押圧ポンチとを用い、前記大径部内に円柱状素材を保持してこの円柱状素材の端面を前記押圧ポンチで小径部方向へ押圧し、筒状部材又は有底筒状部材を鍛造により成形する方法であって、
   前記押圧ポンチの押圧により、この押圧ポンチによって押圧される前記素材の押圧側端部が押圧ポンチによる押圧方向とは逆方向に流動可能な状態で、かつ前記押圧側端部と反対側に位置する反対側端部を前記押圧方向と同じ方向へ流動させる前後方押出鍛造を行う前後方押出工程と、
   前記前後方押出工程の後に前記押圧ポンチを前記小径部内まで進入させて前記素材を前記押圧方向又はその逆方向へ流動させる押出鍛造を行う次段押出工程とが含まれ、
   前記前後方押出工程では、前記段差部の領域における素材の最小肉厚が、前記大径部の領域における素材の最小肉厚よりも薄くならない範囲で前記押圧ポンチによる素材の押圧を行い、
   前記次段押出工程では、前記押圧ポンチの押圧によって前記素材の反対側端部の全部又はその一部が前記押圧方向と同じ方向へ流動するのを素材拘束部材によって制限するとともに、前記押圧ポンチの押圧によって前記素材の押圧側端部を前記押圧方向とは逆方向へ流動させることを特徴とする筒状部材又は有底筒状部材の製造方法。
2. 前記素材拘束部材は、前記前後方押出工程の後に、前記素材の反対側端部に当接するまで前記小径部側から成形部内に挿入される請求項１に記載の筒状部材又は有底筒状部材の製造方法。
3. 前記段差部の領域内での素材の最小肉厚と前記大径部の領域内での素材の最小肉厚とが同じになるときの前記素材の反対側端部の位置が予め導出されていて、
   前記素材拘束部材は、前記素材と接触する端部が前記導出された位置又はそれよりも大径部寄りの位置になるように前記前後方押出工程が終了するまでに小径部側から成形部内に挿入されることを特徴とする請求項１に記載の筒状部材又は有底筒状部材の製造方法。
4. 前記素材拘束部材は、前記小径部の内径と略同じ外径を有するか、それよりも小さな外径を有していることを特徴とする請求項１から３の何れか１項に記載の筒状部材又は有底筒状部材の製造方法。
5. 大径部と小径部とが段差部を介して軸方向に並設される成形部が形成された成形型と、前記大径部の内径よりも小径の外径を有する押圧ポンチとを用い、前記大径部内に円柱状素材を保持してこの円柱状素材の端面を前記押圧ポンチで小径部方向へ押圧し、筒状部材又は有底筒状部材を鍛造により成形する方法であって、
   前記押圧ポンチの押圧により、この押圧ポンチによって押圧される前記素材の押圧側端部が押圧ポンチによる押圧方向とは逆方向に流動可能な状態で、かつ前記押圧側端部と反対側に位置する反対側端部を前記押圧方向と同じ方向へ流動させる前後方押出鍛造を行う前後方押出工程と、
   前記前後方押出工程の後に前記押圧ポンチを前記小径部内まで進入させて前記素材を前記押圧方向又はその逆方向へ流動させる押出鍛造を行う次段押出工程とが含まれ、
   前記前後方押出工程では、前記段差部の領域における素材の最小肉厚が、前記大径部の領域における素材の最小肉厚よりも薄くならない範囲で前記押圧ポンチによる素材の押圧を行い、
   前記次段押出工程では、前記押圧ポンチの押圧によって前記素材の押圧側端部の全部又はその一部が前記押圧方向と逆方向へ素材流動するのを押圧側拘束部材によって制限するとともに、前記押圧ポンチの押圧によって前記素材の反対側端部を前記押圧方向と同じ方向へ流動させることを特徴とする筒状部材又は有底筒状部材の製造方法。
6. 前記押圧側拘束部材は、前記前後方押出工程の後に、前記素材の押圧側端部に当接するまで大径部側から成形部内に挿入されることを特徴とする請求項５に記載の筒状部材又は有底筒状部材の製造方法。
7. 前記段差部の領域内での素材の最小肉厚と前記大径部の領域内での素材の最小肉厚とが同じになるときの前記素材の押圧側端部の位置が予め導出されていて、
   前記押圧側拘束部材は、前記素材と接触する端部が前記導出された位置又はそれよりも小径部寄りの位置になるように前記前後方押出工程が終了するまでに大径部側から成形部内に挿入されることを特徴とする請求項５に記載の筒状部材又は有底筒状部材の製造方法。
8. 前記押圧側拘束部材は、前記押圧ポンチに外嵌されるとともにこの押圧ポンチと一体的に動くように構成され、
   前記押圧側拘束部材から突出した押圧ポンチの突出部は、前記段差部の領域内での素材の最小肉厚と前記大径部の領域内での素材の最小肉厚とが同じになるときに前記導出された位置で素材の押圧側端部と当接するような突出長さに構成されていることを特徴とする請求項７に記載の筒状部材又は有底筒状部材の製造方法。
9. 前記押圧側拘束部材は、前記大径部の内径と略同じ外径を有するか、それよりも小さな外径を有していることを特徴とする請求項５から８の何れか１項に記載の筒状部材又は有底筒状部材の製造方法。
   

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