JP4866302B2 - 鍛伸加工の工程設計システムと鍛伸加工方法 - Google Patents

Description

この発明は、鋼塊から自由鍛造により丸棒などに成形する鍛伸加工の工程設計システムとそれを用いた鍛伸方法および鍛伸加工装置に関する。

自由鍛造プレスを用いて鋼塊などの加工用素材を、その軸方向に対して垂直方向の、対向する２方向から圧下する動作と軸方向への送り動作を交互に繰り返し、通常、最終４角形状を経て最終８角形状に鍛造された後、丸棒などの軸材に成形する鍛伸加工は、従来、プレス操作者の経験により、圧下量、送り、目標形状などの加工条件が決定されていた。経験豊富なプレス操作者は、経験と勘により被加工材の変形挙動を予測して目標形状を作るのに対し、経験の浅いプレス操作者は、経験豊富なプレス操作者ほどに、被加工材（被鍛伸材）の変形挙動を予測することができない。このため、経験豊富なプレス操作者と経験の浅いプレス操作者では、目標形状を作るのにパス数の差などを生じる結果、鍛造時間などのバラツキが大きいという問題があった。また、経験豊富なプレス操作者でも、その鍛伸パススケジュールが適正なものとは限らない。さらに、従来、被鍛伸材の寸法測定は、１パスの鍛伸加工終了後毎に、または２パスの鍛伸加工終了毎に、通常、被鍛伸材の長手方向の中央部、すなわち定常部の１箇所をプレスゲージなどの寸法測定具を用いて測定するだけであったため、被鍛伸材の長手方向全体の形状のバラツキが大きいという問題があった。

自由鍛造プレスを用いた鍛伸加工については、例えば、特許文献１に、棒材の鍛伸方法が開示されている。この棒材の鍛伸方法は、鍛造時間の短縮や精度の確保を目的として、任意の鋼塊から正８角形の断面材を鍛伸するに際し、鍛伸加工の最終段階において、ほぼ上下左右対称形の４角断面または８角断面形状に成形した後、互いに方向を異にする４パスの圧下により、あらかじめ与えられた寸法の正８角形断面を成形する方法である。また、例えば、特許文献２には、実測金型形状データと、素材形状データや成形条件データに基づいて、鍛造シミュレーションで材料の流れを予測し、この材料流れ予測に基づいて、成形欠陥や成形精度などの解析を行う鍛造成形品の品質予測システムが開示されている。
特開昭６３−３２６３３２号公報 特開２００５−２３８２８９号公報

しかし、特許文献１に開示された棒材の鍛伸方法は、例えば、４角形の断面形状の鋼塊から正８角形の断面材に鍛伸する過程で、予め実験的に求めた変形挙動の予測式を用いて、１パス（圧下）毎に形状計算を行なう必要がある。また、前記鋼塊から、正８角形に鍛造する直前段階の４角形の目標形状への鍛伸については、具体的に記載されていない。また、４角形の断面形状の鋼塊から４角形の目標形状への鍛造方法については、従来から種々の方法が存在していたが、目標形状通りに、すなわち設計値通りに鍛造できないため、大きな寸法外れが発生していた。一方、特許文献２に開示された鍛造成形品の品質予測システムでは、３次元解析を行うため、解析コストが嵩み、解析時間も要するため、実機プレスへの適用が難しい。

そこで、この発明の課題は、鋼塊から自由鍛造により丸棒などの軸材に成形する鍛伸加工工程で、プレス操作者の経験の差にかかわらず、簡単な計算により、圧下量、送り量、目標形状などの加工条件を決定し、被加工材の最終８角形状前の最終４角形状を精度よく得ることができる鍛伸加工の工程設計システムとこの工程設計システムを用いた鍛伸加工方法、および被加工材の長手方向の寸法バラツキを少なくできる鍛伸加工装置を提供することである。

前記の課題を解決するために、この発明では以下の構成を採用したのである。

請求項１に係る鍛伸加工の工程設計システムは、加工用素材を、その軸方向に対して垂直方向の、対向する２方向から圧下する動作と軸方向への送り動作を交互に繰り返し、最終４角形状に、または最終４角形状を経て最終８角形状に鍛造した後、軸材に仕上げる鍛伸加工の工程設計システムであって、この工程設計システムが、製品軸材の断面形状から前記最終４角形状および最終８角形状寸法を決定するステップ１と、前記鋼塊から前記最終４角形状寸法までのパス回数およびこの各パスでの目標形状寸法（高さおよび幅）を決定し圧下量および送り量を設定するステップ２と、所要のパス毎に被鍛伸材の高さおよび幅を計測するステップ３と、この計測結果と当該被鍛伸材の目標寸法とを比較し、次パス以降の目標形状寸法に対する圧下量および送り量を修正するステップ４を備えたことを特徴とする。

請求項２に係る鍛伸加工の工程設計システムは、前記ステップ１で、最終４角形状から少なくとも４パスで最終８角形状に鍛造するための、前記最終４角形状寸法（一辺ＤＳ）および８角形状寸法（対辺寸法Ｈ）を、以下の式（１）および式（２）を用いて算出することを特徴とする。
ＤＳ＝ＳＱＲＴ（δ×β×π×(ＤＦ)^２／４）---------------------（１）
ＤＨ＝ＳＱＲＴ（（β×π×(ＤＦ)^２／４）／ｔａｎ（２２．５°）／２） -------（２）
ここで、ＤＦは、製品軸材の直径ＤＡに機械加工代Ｍを加えた鍛造仕上げ材の寸法（直径）である（ＤＦ＝ＤＡ＋２Ｍ）。δは、上記少なくとも４パスによる総断面減少率Ｒｔを用いて、δ＝１／（１−Ｒｔ）で表され、βは、上記最終８角形状寸法から製品軸材の鍛造仕上げ寸法ＤＦへの断面減少率Ｒｆを用いて、β＝１／（１−Ｒｆ））で表される。

請求項３に係る鍛伸加工の工程設計システムは、前記製品軸材の鍛造仕上がり形状の断面積に対する面積増加率を、５〜２０％の範囲で任意に少なくとも２水準抽出して前記最終８角形状の対辺寸法ＤＨをそれぞれ算出するステップＳ１０ａと、この算出した対辺寸法ＤＨを変形解析手段のインプットファイルにインプットするステップＳ１０ｂと、所要のパス数で前記製品軸材の鍛造仕上げ寸法に仕上げる変形解析を行うステップＳ１０ｃと、この変形解析結果から被鍛伸材の伸び率および断面減少率を算出するステップＳ１０ｄと、この伸び率と前記抽出した断面積増加率との関係から、前記伸び率に等しくなる断面積増加率を算出するステップＳ１０ｅから前記最終８角形状の寸法ＤＨを算出し、この最終８角形状の寸法ＤＨを用いて、前記断面減少率Ｒｔを算出することを特徴とする。

請求項４に係る鍛伸加工の工程設計システムは、前記最終８角形状の断面積に対する面積増加率を、５〜２０％の範囲で任意に少なくとも２水準抽出して前記最終４角形状の一辺の寸法ＤＳをそれぞれ算出するステップＳ１０ｆと、この算出した寸法ＤＳを変形解析手段のインプットファイルにインプットするステップＳ１０ｇと、少なくとも４パスで前記最終８角形状の寸法に鍛造する変形解析を行うステップＳ１０ｈと、この変形解析結果から被鍛伸材の伸び率を算出するステップＳ１０ｉと、この伸び率と前記抽出した断面積増加率との関係から、前記伸び率に等しくなる断面積増加率を算出するステップＳ１０ｊから前記最終４角形状の寸法ＤＳを算出し、この最終４角形状の寸法ＤＳを用いて、前記断面減少率Ｒｆを算出することを特徴とする。

請求項５に係る鍛伸加工の工程設計システムは、前記ステップ２で、前記素材から前記最終４角形状寸法までの１パスあたりの平均減面率γｍを設定し、前記鋼塊および最終４角形状の断面積をそれぞれＳ０およびＳＮとしたときに２パスを１パスユニットＵとして、以下の（３）式により算出されるＮｃを切り上げた整数を総パスユニットＵｔとし、パスユニットＵごとの減面率を設定してパスユニットＵごとに被鍛伸材の目標形状寸法を決定し、以下の式（４）〜式（１１）を用いて、各パスユニットＵの第１パス後の高さＨ１および幅Ｗ１を予測し、前記目標形状寸法に鍛伸するための各パスユニットＵでの圧下量Ｈｆ１およびＨｆ２を算出することを特徴とする。
Ｎｃ＝１／２×（ＬＯＧ（ＳＮ／Ｓ０）／ＬＯＧ（１−γｍ）
-------（３）
Ｈ１＝Ｈ２×（Ｗ２／（Ｗ０×（Ｈ１／Ｈ０）^−Ｌ）^Ｆ-------------（４）
Ｗ１＝Ｗ０×（Ｈ１／Ｈ０）^―Ｌ ------------------------------（５）
Ｌ＝１＋Ｓ１-------------------------------------------------（６）
Ｆ＝１＋Ｓ２-------------------------------------------------（７）
Ｓ１＝ａ０＋ａ１×(Ｂ０／Ｗ０)＋ａ２×(Ｂ０／Ｗ０)^２----------（８）
Ｓ２＝ａ０＋ａ１×(Ｂ１／Ｈ１)＋ａ２×(Ｂ１／Ｈ１)^２----------（９）
Ｈｆ１＝Ｈ０−Ｈ１-------------------------------------------（１０）
Ｈｆ２＝Ｗ１−Ｗ２-------------------------------------------（１１）
ここで、Ｈ０およびＷ０は、パスユニットＵの入側の被鍛伸材の高さおよび幅を、Ｈ２およびＷ２は、パスユニットＵの出側の被鍛伸材の幅および高さを、Ｈ１は第１パス後の被鍛伸材の高さを示し、Ｂ０およびＢ１は、それぞれ、パスユニットＵの第１パスおよび第２パスでの送り量を、Ｓ１およびＳ２は、それぞれ第１パスおよび第２パスでの幅広がり係数を示す。また、ａ０は定数、ａ１およびａ２は係数である。

請求項６に係る鍛伸加工の工程設計システムは、前記ステップ２で、前記素材から前記最終４角形状寸法までの１パスあたりの平均減面率γｍを設定し、前記鋼塊および最終４角形状の断面積をそれぞれＳ０およびＳＮとしたときに２パスを１パスユニットＵとして、以下の（３）式により算出されるＮｃを切り上げた整数を総パスユニットＵｔとし、パスユニットＵごとの減面率を設定してパスユニットＵごとに被鍛伸材の目標形状寸法を決定し、以下の式（３）、式（４ａ）〜（７ａ）および式（１０）、式（１１）を用いて、各パスユニットＵの第１パス後の高さＨ１および幅Ｗ１を予測し、前記目標形状寸法に鍛伸するための各パスユニットＵでの圧下量Ｈｆ１およびＨｆ２を算出することを特徴とする。
Ｎｃ＝１／２×（ＬＯＧ（ＳＮ／Ｓ０）／ＬＯＧ（１-γｍ））
-------（３）
Ｈ１＝Ｈ２×(Ｗ２／Ｗ１)^−Ｓａ２--------------------------------（４ａ）
Ｗ１＝Ｗ０×（Ｈ１／Ｈ０）^−Ｓａ１ ----------------------------（５ａ）
Ｓａ１＝ζ×（Ｂ０／Ｗ０）／（１＋Ｂ０／Ｗ０）---------------（６ａ）
Ｓａ２＝ζ×（Ｂ１／Ｈ１）／（１＋Ｂ１／Ｈ１）---------------（７ａ）
Ｈｆ１＝Ｈ０−Ｈ１-------------------------------------------（１０）
Ｈｆ２＝Ｗ１−Ｗ２-------------------------------------------（１１）
ここで、Ｈ０およびＷ０は、パスユニットＵの入側の被鍛伸材の高さおよび幅を、Ｈ２およびＷ２は、パスユニットＵの出側の被鍛伸材の幅および高さを、Ｈ１は第１パス後の被鍛伸材の高さを示し、Ｂ０およびＢ１は、それぞれ、パスユニットＵの第１パスおよび第２パスでの送り量を示し、Ｓａ１およびＳａ２は、それぞれ第１パスおよび第２パスでの実質幅広がり係数を示す。

請求項７に係る鍛伸加工の工程設計システムは、前記最終４角形状寸法を少なくとも３水準以上抽出するステップＳ４０ａと、この抽出した寸法を変形解析手段のインプットファイルにインプットするステップＳ４０ｂと、素材の変形抵抗および実機鍛造条件に基づいて選択した摩擦係数をインプットファイルにインプットするステップＳ４０ｃと、前記解析手段により被鍛伸材の平均の伸び率を算出するステップＳ４０ｄと、この平均の伸び率を用いて幅広がり係数Ｓを算出するステップＳ４０ｅと、この幅広がり係数Ｓと前記の比率(Ｂ０／Ｗ０)との関係を最小２乗法により決定するステップＳ４０ｆから、前記定数ａ０、係数ａ１およびａ２を求めることを特徴とする。

請求項８に係る鍛伸加工の工程設計システムは、前記最終４角形状寸法を少なくとも３水準以上抽出するステップＳ４０ａと、この抽出した寸法を変形解析手段のインプットファイルにインプットするステップＳ４０ｂと、素材の変形抵抗および実機鍛造条件に基づいて選択した摩擦係数をインプットファイルにインプットするステップＳ４０ｃと、前記解析手段により被鍛伸材の平均の伸び率を算出するステップＳ４０ｄと、この平均の伸び率を用いて実質幅広がり係数Ｓａを算出するステップＳ４０ｅと、この実質幅広がり係数Ｓａと噛み込み比（Ｂ／Ｗ）との関係を回帰分析により決定するステップ４０ｆから、前記係数ζを求めることを特徴とする。

請求項９に係る鍛伸加工の工程設計システムは、前記ステップ３で計測した被鍛伸材の寸法（高さおよび幅）と、前記ステップ２で決定した各パスユニットＵの出側の被鍛伸材の寸法（高さおよび幅）を比較した結果に基づいて、次パスユニットＵでの圧下量を修正することを特徴とする。

請求項１０に係る軸材の鍛伸加工方法は、加工用素材を、その軸方向に対して垂直方向の、対向する２方向から圧下する動作と軸方向への送り動作を交互に繰り返し、前記鋼塊からの初期パスから、２パスを１パスユニットＵとして所要のパスユニット数で鍛造する軸材の鍛伸方法であって、請求項４に記載した鍛伸加工の工程設計システムを用いて、計測したパスユニットＵの被鍛伸材の寸法（高さおよび幅）から、次パスユニットＵの被鍛伸材の目標形状寸法（高さおよび幅）に鍛伸するための圧下量を決定するようにしたことを特徴とする。

請求項１１に係る軸材の鍛伸加工装置は、加工用素材を、その軸方向に対して垂直方向の、対向する２方向から複数の工具を用いて圧下する動作とマニピュレータを用いて軸方向への送り動作を交互に繰り返して鍛造する軸材の鍛伸加工装置であって、前記鍛伸加工装置が、被鍛伸材の形状を入力および出力するための記憶装置と、入力値から被鍛伸材の鍛造後の形状を予測するための演算部を備え、請求項１から７のいずれかに記載の鍛伸加工の工程設計システムを組み入れて鍛造を行なうようにしたことを特徴とする。なお、前記鍛伸加工装置は、被鍛伸材の形状の入力値および出力値から算出される圧下量の表示装置を備えておくことが望ましい。

請求項１２に係る軸材の鍛伸加工装置は、前記鍛造加工装置が、前記工具の出側で被鍛伸材の幅および高さをそれぞれ計測できる手段を備え、鍛伸加工後の被鍛伸材の寸法を計測し、この計測値を前記記憶装置に保持し、前記マニピュレータの走行量と連動させて、次パスの圧下量を決定するようにしたことを特徴とする。

この発明では、軸材の鍛伸加工工程で、製品軸材の断面形状から、最終８角形状寸法およびこの最終８角形状寸法に鍛造する直近の最終４角形状を算出し、加工用素材からこの最終４角形状までのパス回数を決定して目標圧下量および送り量を設定し、加工用素材からの２パスを１パスユニットＵとして、１パスユニットＵごとに計測した被鍛伸材の寸法を用いて簡単な計算で、次パスユニットＵでの被鍛伸材の形状を予測して前記目標圧下量および送り量を修正するように、工程設計システムを構成したので、プレス操作者の経験の差にかかわらず、効率的に鍛伸加工を行うことができ、鍛伸加工に要する鍛造時間を従来よりも短縮することができる。

また、寸法計測用カメラを配置して、金型出側での鍛伸加工後の被鍛伸材の幅および高さをそれぞれ全長にわたって計測するようにしたので、被鍛伸材の全長にわたって幅および高さ寸法のバラツキを小さくすることができる。

以下に、この発明の実施形態を添付の図１および図１０に基づいて説明する。

図１は、実施形態の鍛伸加工の工程設計システムを用いた鍛伸加工の流れを示したものである。ステップ１では、鋼塊などを加工用素材とし、この加工用素材を、上下方向など、その軸方向に対して垂直方向の、対向する２方向から圧下する動作と軸方向への送り動作を交互に繰り返し、図２に示すように、最終４角形状から少なくとも４パスで最終８角形状に鍛造した後、タッピング等により丸棒などの製品軸材に仕上げる直前の前記最終８角形状の対辺寸法ＤＨ、およびこの最終８角形状に鍛造する直前の前記最終４角形状の一辺の寸法ＤＳを算出する（Ｓ１０（Ｓ１０ａ〜Ｓ１０ｊ））。すなわち、製品軸材の直径をＤ０、機械加工代をＭとすると、鍛造仕上げ軸材の直径ＤＦは、ＤＦ＝Ｄ０＋２Ｍとなる。前記８角形状の対辺寸法Ｈおよび最終四角形状の一辺ＤＳは、それぞれ以下の式（１）および式（２）で求めることができる。
ＤＳ＝ＳＱＲＴ（δ×β×π×(ＤＦ)^２／４）--------------------（１）
ＤＨ＝ＳＱＲＴ（（β×π×(ＤＦ)^２／４）／ｔａｎ（２２．５°）／２） ------（２）
ここで、δは、上記パス数による総断面減少率Ｒｔを用いて、δ＝１／（１−Ｒｔ）で表され、βは、上記最終８角形状寸法から製品軸材の鍛造仕上げ寸法ＤＦへの断面減少率Ｒｆを用いて、β＝１／（１−Ｒｆ））で表される。なお、前記最終４角形状から最終８角形状への鍛造におけるパス数の上限範囲は、通常、８〜１２パス程度である。

上記式（１）および式（２）のδおよびβは以下のようにして求めることができる。図３は、製品軸材の鍛造仕上げ形状（断面積Ａ２）がφ５００ｍｍの場合について、前記最終８形状（断面積Ａ１）から所要のパス数、例えば１パスで鍛造（タッピング）する場合の、最終８角形状の断面積Ａ１の最適値を、変形解析手段（３次元変形解析ソフト）を用いた変形解析により求める方法を示したものである。まず、前記鍛造仕上げ形状（φ５００ｍｍ）の断面積Ａ２に対する面積増加率を５〜２０％の範囲で任意に３水準抽出して最終８角形状の断面積Ａ１を決定してその対辺寸法ＤＨを算出し（ステップＳ１０ａ）、この算出した対辺寸法ＤＨを前記変形解析のインプットファイルにインプットして（ステップＳ１０ｂ）、被鍛伸材（最終８角形状）に回転と圧下を交互に与えて１周回し、その後軸方向に送る動作を繰り返しながら、１パスで前記鍛造仕上げ形状に仕上げる場合の変形解析を行なう（ステップＳ１０ｃ）。そして、この変形解析結果から、被鍛伸材の伸び率λ（％）と断面減少率Ｒｅ（＝（１−Ａ２／Ａ１）×１００（％））をそれぞれ算出する（ステップＳ１０ｄ）。この算出結果をプロット（３点）し、プロットした３点を直線回帰して、前記断面減少率Ｒｅと伸びλとの関係を示す予測線Ｐｅを求めて図中に記入し、断面減少率Ｒｅが伸び率λと等しくなる、すなわち、鍛造（タッピング）に際して被鍛伸材の体積一定条件を満足する、断面減少率の最適値を求め（ステップＳ１０ｅ）、図３から、鍛造仕上げ形状がφ５００ｍｍの場合には、この最適値は約９％となる。この断面減少率の最適値が、前記鍛造仕上がり形状に対する最終８角形状の面積増加率の最適値となる（Ａ１＝Ａ２／（１−０．０９））。すなわち、この断面減少率Ｒｅの最適値が、記最終８角形状寸法から製品軸材の鍛造仕上げ寸法ＤＦへの断面減少率Ｒｆとなり、係数βは、β＝１／（１−Ｒｆ）により求めることができる。したがって、鍛造仕上げ形状がφ５００ｍｍの場合には、β＝１／（１−０．０９）≒１．１となる。前記鍛造仕上げ形状の断面積Ａ２に対して、この最適面積増加率分だけ増加させた最終８角形状の最適の面積Ａ１から、最終８角形状の対辺長さＤＨを算出し、最終８角形状の寸法を幾何学的に決定することができる。なお、前記最終８形状（断面積Ａ１）から鍛造仕上げ形状（断面積Ａ２）への所要のパス数は、高々２〜３パス程度である。

図４は、前記最終８角形状の対辺長さＤＨが５００ｍｍの場合について、前記最終４角形状（断面積Ａ０）から少なくとも４パスで前記最終８角形状に鍛造する場合の、最終４角形状の断面積Ａ０の最適値を、図３に示した場合と同様に、変形解析手段（３次元変形解析ソフト）を用いた変形解析により求める方法を示したものである。まず、前記最終８角形状（対辺寸法ＤＨ＝５００ｍｍ）の断面積Ａ１に対する面積増加率を５〜２０％の範囲で任意に４水準抽出して最終４角形状の断面積Ａ０を決定してその一辺の寸法ＤＳをそれぞれ算出し（ステップＳ１０ｆ）、この算出した一辺の寸法ＤＳを前記変形解析のインプットファイルにインプットして（ステップＳ１０ｇ）、被鍛伸材（最終４角形状）を、送り量を工具幅（金敷幅）の１／２以上として、図２に示したように、縦方向（対角方向）圧下を全長にわたり行なう−９０°転回横方向圧下を全長にわたり行なう−９０°転回縦方向圧下を全長にわたり行なう−９０°転回横方向圧下を全長にわたり行なう４パス圧下で前記最終８角形状に仕上げる場合の変形解析を行なう（ステップＳ１０ｈ）。そして、この変形解析結果から、被鍛伸材の伸び率λ（％）と断面減少率Ｒｅ（＝（１−Ａ１／Ａ０）×１００（％））をそれぞれ算出する（ステップＳ１０ｉ）。この算出結果をプロット（４点）し、プロットした４点を直線回帰して、前記断面減少率と伸びλとの関係を示す予測線Ｐｅを求めて図中に記入し、断面減少率Ｒｅが伸び率λと等しくなる、すなわち、鍛造（鍛伸）に際して被鍛伸材の体積一定条件を満足する、断面減少率の最適値を求める（ステップＳ１０ｊ）。図４から、最終８角形状の対辺寸法ＤＨが５００ｍｍの場合には、この最適値は約１２％となる。この断面減少率Ｒｅの最適値が、前記最終８角形状に対する最終４角形状の面積増加率の最適値となる（Ａ０＝Ａ１／（１−０．１２））。すなわち、この断面減少率の最適値が、記最終４角形状寸法から少なくとも４パス圧下で最終８角形状へ鍛造する工程での断面減少率Ｒｔとなり、係数δは、前述のように、δ＝１／（１−Ｒｔ）により求めることができる。したがって、最終８角形状の対辺寸法ＤＨが５００ｍｍの場合には、δ＝１／（１−０．１２）≒１．１２となる。前記最終８角形状の断面積Ａ１に対して、この最適面積増加率分だけ増加させた最終４角形状の最適の面積Ａ０から、幾何学的に最終４角形状の一辺の長さＤＳを算出し、最終４角形状の寸法を決定することができる。

上述のようにして、式（１）および式（２）の係数δおよびβを決定することができる。この係数δおよびβは、前記製品軸材の鍛造仕上がり寸法や、それに伴う最終８角形状および最終４角形状の寸法によって異なるが、通常、１〜１．５の範囲にある。また、最終４角形状から最終８角形状へは、通常４パスで成形され、各パスでの圧下量Ｓ（ｉ）は、最終４角形状の一辺の寸法ＤＳの１０〜５０％程度の値（ｋｓ（ｉ）＝０．１〜０．５）に、送り量Ｂ（ｉ）は、前記寸法ＤＳの１０〜１００％程度の値（ｋｂ（ｉ）＝０．１〜１．０）にそれぞれ設定される（ｉ：パスＮｏ．）。なお、上記変形解析で用いる被鍛伸材の変形抵抗は、圧縮試験などを活用して、材質（鋼種）、加工温度、ひずみ、ひずみ速度依存性を明らかにしたものを用いる。また、変形解析に用いる素材温度分布は、実機測定値により検証した伝熱計算式により算出する。以下の変形解析においても同様である。

次に、ステップ２では、前記加工用素材から前記最終４角形状までのパス回数を決定する（Ｓ２０）。前記加工用素材（断面積Ｓ０）から前記最終４角形状（断面積ＳＮ）までの全パスでの平均減面率γｍを設定し、以下の式（３）により算出されるＮｃを切り上げた整数Ｎｕを総パスユニットＵｔとする。
Ｎｃ＝１／２×ＬＯＧ（ＳＮ／Ｓ０）／ＬＯＧ（１−γｍ）---------（３）
通常、パス回数（総パス数）Ｎ（＝２×Ｎｕ）は偶数となり、このパス回数Ｎが決定すると、前記加工用素材からの初期パス（第１パス）から２パスを１パスユニットＵとして、１パスユニットＵごとの減面率Ｒｕ(ｉ)（ｉ＝１〜Ｎｕ）を決定する。この１パスユニットＵごとの減面率Ｒｕ(ｉ)は、製品軸材の形状に応じて決定することができる。製品軸材が、例えば、丸棒の場合、前記減面率Ｒｕ(ｉ)は、鍛造実績データに基づいて、パスユニットの増加とともに直線的に減少するように決定する（図５（ａ）参照）。また、製品軸材が、型用鋼などの角材の場合には、製品形状に近づくにつれて角形状を形成するために、圧下量を少なくしていく必要がある。したがって、前記減面率Ｒｕ(ｉ)は、図５（ｂ）に示すように、鍛造実績データに基づいて、パスユニットの増加とともに２次曲線的に減少するように決定する。さらに、内部欠陥を閉鎖させる必要がある場合には、鍛伸初期過程での減面率を大きくとることが望ましいため、前記減面率Ｒｕ(ｉ)は、図５（ｃ）に示すように、鍛造実績データに基づいて、指数曲線的に減少するように決定する。このようにして、各パスユニットＵの減面率Ｒｕ(ｉ)が決定されると、各パスユニットＵの入側および出側の被鍛伸材の断面積Ｓｕ１およびＳｕ２を算出できる。いま、図６に示すように、各パスユニットＵの第１パスが「正方形状角→長方形状角」、第２パスがその逆の「長方形状角→正方形状角」となるパススケジュールで鍛伸を行なうとすれば、前記入側の断面積Ｓｕ１＝Ｈ０×Ｗ０（Ｈ０≒Ｗ０）、出側の断面積Ｓｕ２＝Ｈ２×Ｗ２（Ｈ２≒Ｗ２）となり、パスユニットＵの入側および出側の被鍛伸材の寸法Ｈ０、Ｗ０およびＨ２、Ｗ２を設定することができる。また、初期形状（素材形状）が正方形状または矩形状４角形であり、型用鋼などのように、製品軸材の断面形状も正方形状または矩形状４角形の場合には、上記のように、パスユニットＵの入側および出側の断面積Ｓｕ１およびＳｕ２を求めなくても、各パスパスユニットＵの目標寸法は、前記四角形の一辺の長さを、パスユニットＵごとに直線的に減少させるなどして決定することもできる。さらに、図５（ａ）〜（ｃ）で、縦軸として、断面積のかわりに、被鍛伸材の寸法を表示することも可能である。

前記ステップ３の被鍛伸材の寸法の計測は、各パスユニットＵの出側の被鍛伸材の高さＨ２および幅Ｗ２を、熱間パス測定具、ＣＣＤまたはＣＭＯＳ撮像素子を用いたセンサカメラ、レーザー寸法測定装置、およびプレスストローク測定装置等により計測することができる（Ｓ３０）。

次に、ステップ４では、前記ステップ２で求めた１パスユニットＵごとの入側および出側の被鍛伸材の寸法Ｈ０、Ｗ０およびＨ２、Ｗ２、第１パスおよび第２パスでの送り量Ｂ０およびＢ１を用いて、以下のようにして、第１パス後の被鍛伸材の高さＨ１および幅Ｗ１を予測することができる（Ｓ４０（Ｓ４０ａ〜Ｓ４０ｆ））。なお、前記送り量Ｂ０、Ｂ１として、通常、鍛伸加工工程の上流側（素材に近いパスユニットＵ）では、圧下する工具（金型）幅とほぼ等しい量が、鍛伸加工工程の中程では、工具幅の半分程度の量が、下流側（製品軸材に近いパスユニットＵ）では、製品軸材に応じて変化させ、工具幅の１／２〜１／５程度の量が、それぞれ用いられる。

一般に、鍛伸加工工程における鍛造では、式（１２）の関係が成立する。
Ｗ１／Ｗ０＝（Ｈ１／Ｈ０）^―Ｌ -----------------------------（１２）
Ｌ＝１＋Ｓ１-----------------------------------------------（６）
Ｓ１＝ａ０＋ａ１×(Ｂ０／Ｗ０)＋ａ２×(Ｂ０／Ｗ０)^２--------（８）
式（１２）から、第１パス後の被鍛伸材の幅Ｗ１は、
Ｗ１＝Ｗ０×（Ｈ１／Ｈ０）^―Ｌ -----------------------------（５）
一方、第２パス後の被鍛伸材の高さＨ２は、式（１２）と同様の関係が成立することから、
Ｈ２＝Ｈ１×（Ｗ２／Ｗ１）^−Ｆ-------------------------------（１３）
Ｆ＝１＋Ｓ２------------------------------------------------（７）
Ｓ２＝ａ０＋ａ１×(Ｂ１／Ｈ１)＋ａ２×(Ｂ１／Ｈ１)^２---------（９）
式（１２）と式（１３）から、Ｗ１を消去すると、
Ｈ２＝Ｈ１×（Ｗ２／（Ｗ０×（Ｈ１／Ｈ０）^−Ｌ）^―Ｆ-----------（１４）
式（１４）から、
Ｈ１＝Ｈ２×（Ｗ２／（Ｗ０×（Ｈ１／Ｈ０）^−Ｌ）^Ｆ-------------（４）
式（４）は、式（７）および式（９）からわかるように、右辺の指数ＦにもＨ１が含まれるが、数値計算により解（Ｈ１）を求めることができる。このＨ１を式（５）に代入すると、第１パス後の被鍛伸材の幅Ｗ１を算出することができ、パスユニットＵの出側（第２パス後）の寸法Ｈ２、Ｗ２を満たす、第１パス後の寸法Ｈ１、Ｗ１を算出することができる。なお、式（８）および式（９）の定数ａ０、係数ａ１、ａ２は、変形解析手段（３次元変形解析ソフト）を用いた変形解析により、次のようにして求めることができる。

まず、被鍛伸材の前記最終４角形状の一辺ＤＳの寸法を、実機操業範囲内の寸法（例えば、ＤＳ＝５００ｍｍなど）を３水準（３寸法）以上抽出し（ステップＳ４０ａ）、前記変形解析手段のインプットファイルにインプットし（ステップＳ４０ｂ）、さらに、素材（被鍛伸材）の変形抵抗および、特願２００６−２０３６２２号で提案したように、素材（被鍛伸材）の形状、工具（金敷）による圧下量、素材（被鍛伸材）の送り量などの実機鍛造条件に基づいて選択した摩擦係数をインプットファイルにインプットする（ステップＳ４０ｃ）。そして、前記変形解析手段により、素材（被鍛伸材）の平均の伸び率λを求める（ステップＳ４０ｄ）。この伸び（延び）率λは、素材（被鍛伸材）に予め伸び測定のための標準線を付して、圧下後の標準線の延び量を測定することにより求めることができる。すなわち、
λ＝Ｌ１／Ｌ０ -------------------------------------------（１５）
ここで、Ｌ０：標準線の初期（鍛造前）の長さ、Ｌ１：標準線の鍛造後の長さ、である。

前述のように、一般に、鍛伸加工工程における鍛造では、式（１２）の関係が成立する。
Ｗ１／Ｗ０＝（Ｈ１／Ｈ０）^―Ｌ -----------------------------（１２）
Ｌ＝１＋Ｓ１-----------------------------------------------（６）
Ｓ１＝ａ０＋ａ１×(Ｂ０／Ｗ０)＋ａ２×(Ｂ０／Ｗ０)^２--------（８）
上記式（８）のＳ１は、平鍛造、すなわち鍛伸加工工程における鍛造時の前記第１パスにおける幅広がり係数Ｓに相当し、幅広がり係数Ｓが、被鍛伸材のパス入側の幅Ｗ（第１パスでは、パスユニットＵの入側での幅Ｗ０）に対する送り量Ｂ（第１パスでは送り量Ｂ０）の比率、すなわち噛み込み比(Ｂ／Ｗ)を変数とする２次式で表されることは、炭素鋼を用いた鍛伸加工（平鍛造）の実験から知られている（例えば、非特許文献１参照）。パスユニットＵの第２パスでは、パス入側の幅Ｗは、図６に示したように、第１パス後の高さＨ１になるため、噛み込み比Ｂ／Ｗは、Ｂ１／Ｈ１となる。
A.Tomlinson, A.Met et al.:Journal of the Iron and Steel Institute,Vol.193(1959),PP.157〜162

上記の式（６）および式（８）の第１パスでの幅広がり係数Ｓ１を、幅広がり係数Ｓと置き直して
Ｌ＝１＋Ｓ -----------------------------------------------（６ｂ）
Ｓ＝ａ０＋ａ１×(Ｂ０／Ｗ０)＋ａ２×(Ｂ０／Ｗ０)^２---------（８ｂ）
したがって、式（１２）は、
Ｗ１／Ｗ０＝(Ｈ１／Ｈ０)^―１−Ｓ ＝(Ｈ１／Ｈ０) ^―１×(Ｈ１／Ｈ０)^−Ｓ
---------（１６）
鍛伸加工時の被鍛伸材の体積一定の条件から（図６第１パス参照）、
Ｌ１×Ｈ１×Ｗ１＝Ｌ０×Ｈ０×Ｗ０ ------------------------（１７）
式（１５）、式（１６）および式（１７）から、
λ＝Ｌ１／Ｌ０＝（Ｈ０×Ｗ０）／（Ｈ１×Ｗ１）＝（Ｗ０／Ｗ１）×
（Ｈ０／Ｈ１）＝(Ｈ１／Ｈ０)^Ｓ ------------------------------（１８）
式（１８）において、前記変形解析により、伸び率λ（＝Ｌ１／Ｌ０）は既知であり、また鍛造前後（前記第１パスの入側および出側）の被鍛伸材の高さＨ０およびＨ１も既知となる。したがって、変形解析を用いて幅広がり係数Ｓを逆算することができる（ステップＳ４０ｅ）。

図７は、前記最終四角形状の寸法を、実機操業範囲内で８寸法抽出して、初期のパスユニットＵの第１パスについての変形解析結果により求めた幅広がり係数Ｓを、噛み込み比（Ｂ０／Ｗ０）に対してプロットしたものである。図中には、これらのプロットを最小２乗法により噛み込み比（Ｂ０／Ｗ０）の２次式で回帰して幅広がり係数Ｓの予測式（２０）を求め（ステップ４０ｆ）、図中に式（２０）に基づく幅広がり係数Ｓの予測線Ｐｅを記入している。
Ｓ＝−０．８５＋０．５４×（Ｂ０／Ｗ０）−０．０８０×(Ｂ０／Ｗ０)^２
--------（１９）
式（２０）から、定数ａ０＝−０．８５、係数ａ１＝０．５４、係数ａ２＝−０．０８０となる。このようにして、定数ａ０、係数ａ１およびａ２を決定することができる。これらの定数ａ０、係数ａ１およびａ２は、被鍛伸材（素材）の材質などに依存する。なお、上記の幅広がり係数Ｓは、圧下量に対する、式（１５）に示した伸び（延び）率λを介して求められる係数であり、延び量が大きい程、係数Ｓの値は小さくなる、すなわち、幅広がり量が小さくなる。逆に延び量が小さいほど、係数Ｓの値は大きくなる、すなわち、幅広がり量が大きくなる。このように、幅広がり係数Ｓは被鍛伸材の幅広がり量に対応する係数である。

前記式（１５）および式（５）からそれぞれ求めたＨ１およびＷ１を用いて、パスユニットＵごとに、以下のように、第１パスおよび第２パスでの目標圧下量Ｈｆ１およびＨｆ２を算出することができる。
Ｈｆ１＝Ｈ０−Ｈ１-----------（１０）
Ｈｆ２＝Ｗ１−Ｗ２-----------（１１）
そして、ステップ３で計測した被鍛伸材の高さＨ２ａと、ステップ２で設定した第２パス後（パスユニットＵ出側）の高さＨ２ｓとの差ΔＨ＝Ｈ２ｓ−Ｈ２ａを求め、この差が予め設定した値よりも大きい場合には、ステップ３で計測した被鍛伸材の高さＨ２ａと幅Ｗ２ａを、次パスユニットＵの入側寸法Ｈ０、Ｗ０とし、このＨ０、Ｗ０と、上述のようにして予め設定した次パスユニットＵの出側寸法Ｈ２、Ｗ２とから、次パスユニットＵでの第１パス後の寸法Ｈ１、Ｗ１を算出して、式（１６）、式（１７）により、次パスユニットＵでの圧下量を計算しなおして、この圧下量を実現するように鍛造を行なう。以下、パスユニットＵごとに計測した被鍛伸材の寸法に基づいて、目標圧下量Ｈｆ１の修正を繰り返えしながら、最終４角形状まで鍛伸加工を継続する。製品軸材が丸棒のように軸対象形状の場合には、この最終４角形状のコーナー部（４隅）を対角方向に交互に圧下しながら、通常４パスで最終８角形状に成形した後、製品軸材に仕上げられる。

表１は、断面形状がΦ１０００ｍｍの加工用素材（鋼塊）から、断面形状がΦ５００ｍｍの製品軸材（丸棒）に鍛伸加工したときの、素材から製品軸材までの鍛造時間および歩留を、本発明の工程設計システムを組み入れた鍛伸加工装置を用いた鍛伸加工方法による場合（実施例）と、この工程設計システムを組み入れていない鍛伸加工装置を用いてプレス操作者が経験により鍛伸加工を行なった場合（比較例）について、比較した結果を示す。表２に、本発明の工程設計システムを用いた場合の、式（８）および式（９）の定数ａ０、および係数ａ１、ａ２を示す。なお、加工用素材（Φ１０００ｍｍ）の高さＨ０および幅Ｗ０としては、Φ１０００ｍｍと同一断面積の正方形の一辺の寸法（Ｈ０＝Ｗ０＝８８６ｍｍ）を用いた。

表１から、上記工程設計システムを用いない比較例の場合、素材〜最終四角形状までのパス回数が多く、また最終四角形状も歪んだ形状であるため、最終四角形状〜最終８角形状までのパス回数も多くなった結果、鍛造時間が６０分であるのに対して、上述の工程設計システムを用いた鍛伸加工方法による実施例の場合、素材〜最終四角形状まで、最終四角形状〜最終８角形状まで、のいずれもパス回数が少なくて済む結果、鍛造時間が４５分と短縮され、歩留は従来の水準（８５％）が維持され、２５％程度の短縮効果が得られることを確認した。

前記の幅広がり係数Ｓは、式（８）および式（９）に示した２次式で近似するほかに、次のようにしても精度よく求めることができる。すなわち、前記幅広がり係数の代わりに、鍛伸加工工程における実質幅広がり係数Ｓａを次のように定義する。
Ｓａ＝−ｌｎ（Ｗ１／Ｗ０）／ｌｎ（Ｈ１／Ｈ０）----------------（２０）
鍛伸加工時の被鍛伸材の体積一定の条件から、
ｌｎ（Ｗ１／Ｗ０）＋ｌｎ（Ｌ１／Ｌ０）＝−ｌｎ（Ｈ１／Ｈ０）
----------------（２１）
式（２０）および式（２１）から、
ｌｎ（Ｌ１／Ｌ０）／ｌｎ（Ｈ１／Ｈ０）＝−１＋Ｓａ------------（２２）
式（２０）および式（２２）から、
Ｗ１／Ｗ０＝（Ｈ０／Ｈ１）^Ｓａ --------------------------------（２３）
Ｌ１／Ｌ０＝（Ｈ０／Ｈ１）^１−Ｓａ-------------------------------（２４）
式（２４）から、幅広がり係数Ｓの場合と同様に、変形解析結果を用いて式（１５）に示した伸び率λを算出することにより、実質幅広がり係数Ｓａを逆算することができる。この実質幅広がり係数Ｓａも噛み込み比Ｂ／Ｗの関数で表され、前記幅広がり係数Ｓ（Ｓ１またはＳ２）とは、Ｓａ＝１＋Ｓの関係にある。

図８は、前記最終四角形状の寸法を、実機操業範囲内で９寸法抽出して、図７に示した場合と同様に、初期のパスユニットＵの第１パスについての変形解析結果により求めた幅広がり係数Ｓａを、噛み込み比（Ｂ０／Ｗ０）に対してプロットしたものである。図中には、後述の実質幅広がり係数Ｓａの予測式（２５ａ）から求めた実質幅広がり係数Ｓａの予測線Ｐａｅを記入している。ここで、噛み込み比Ｂ／Ｗ＝１の場合には、実質幅広がり係数Ｓａと延び係数（１−Ｓａ）（式（２４）右辺の指数）は等しいと考えられるため、Ｓａ＝１−Ｓａから、Ｓａ＝１／２となる。また、噛み込み比Ｂ／Ｗが非常に小さい場合には、幅広がりが生じないため、Ｗ１／Ｗ０＝１から、Ｓａ＝０となる。さらに、噛み込み比Ｂ／Ｗが非常に大きい場合では、延び（伸び）がなくなるため、延び係数１−Ｓａ＝０から、Ｓａ＝１となる。これらの両極限状態を満たす関数Ｓａ＝Ｆ(Ｂ／Ｗ)で最も簡単な関数形は、以下の式（２５）のようになる。
Ｓａ＝ζ×（Ｂ／Ｗ）／（１＋Ｂ／Ｗ）--------------------------（２５）
ここで、ζはデータ回帰によって求まる係数（定数）である。図８に示した噛み込み比と実質幅広がり係数Ｓａのデータを回帰分析、たとえば最小２乗法により回帰して係数ζを求めると、ζ＝１．２１６となる。したがって、実質幅広がり係数Ｓａの予測式は、次のように決定される。
Ｓａ＝１．２１６×（Ｂ／Ｗ）／（１＋Ｂ／Ｗ）----------------（２５ａ）
ここで、Ｂ／Ｗは、前記パスユニットＵの１パス目ではＢ０／Ｗ０に、２パス目ではＢ１／Ｈ１に相当する（図６参照）。

図９は、実機での１パスユニットＵの第１パスおよび第２パスの被鍛伸材の寸法測定結果から求めた、噛み込み比Ｂ／Ｗに対する実質幅広がり係数Ｓａをプロットしたもので、図中に、式（２５ａ）の予測式から求めた予測線を実線で、実質幅広がり係数Ｓａを噛み込み比Ｂ／Ｗの２次式で回帰したときの予測式から求めた予測線を破線で示した。表３に、式（２５ａ）および上記２次式回帰の場合の相関係数ｒをそれぞれ示す。式（２５ａ）の実質幅広がり係数Ｓａの予測式では、前述のように、噛み込み比Ｂ／Ｗ≒０でＳａ＝０、Ｂ／Ｗ≒１でＳａ＝１と両極限状態を考慮しているため、２次式回帰による予測式よりも相関係数ｒが大きく、より高精度の予測式となっている。

上記のようにしても、実質幅広がり係数Ｓａを予測することができ、この実質幅広がり係数Ｓａと伸び（延び）率λ（＝Ｌ１／Ｌ０）から、前記の式（２４）により、パスユニットＵの第１パス後の被鍛伸材の高さＨ１を求めることができる。そして、この被鍛伸加工材の高さＨ１を前記の式（２３）に代入することにより、第１パス後の被鍛伸材の幅Ｗ１を求めることができる。したがって、これらの高さＨ１および幅Ｗ１を用いることにより、パスユニットＵごとに、目標圧下量Ｈｆ１およびＨｆ２を精度よく算出することができる。

なお、前記加工用素材（断面積Ｓ０）から前記最終４角形状（断面積ＳＮ）までの全パスでの平均減面率γｍを設定し、以下の式（３ａ）により算出されるＮｐを切り上げた整数を総パス回数Ｎとして、上述の２パスを１パスユニットＵとするかわりに、１パスごとに、図５（ａ）〜（ｃ）に示したようにして断面積を求めて、目標寸法を決定して圧下量を算出するようにすることもできる。
Ｎｐ＝ＬＯＧ（ＳＮ／Ｓ０）／ＬＯＧ（１−γｍ）-----------（３ａ）
この１パスごとの目標寸法の決定は、通常、前記最終４角形状に精度よく鍛造するために、鍛伸工程の下流側（製品軸材に近いパス側）で行われる場合が多く、この場合、１パスごとに計測した寸法（高さおよび幅）を用いて、決定した目標寸法、すなわち圧下量を修正することができる。

図１０（ａ）および(ｂ)は、実施形態の鍛伸加工装置を模式的に示したものである。図１０（ａ）に示したように、加工用素材、すなわち被鍛伸材１をその軸方向に対して垂直方向の、対向する２方向から圧下するための工具である金型２、２の出側で、被鍛伸材１の幅Ｗおよび高さＨをそれぞれ計測できる手段である、ＣＣＤ撮像素子を用いたラインセンサカメラ３および４が、鍛伸加工装置のセンサー取付け部（図示省略）に設置されている。このカメラ３、４による幅Ｗおよび高さＨの計測結果は、図１０（ｂ）に示したように、１回の被鍛伸材１の圧下ごとに、送り量Ｂだけ被鍛伸材１を鍛伸加工方向に引き出すマニピュレータ５の走行量Ｔｍとともに、鍛伸加工工程を制御するコンピュータの記憶装置６に取り込まれる。この記憶装置６には、上述の工程設計システムの構成要素が格納されている。金型２、２の出側で、すなわち圧下直後に計測した被鍛伸材１の幅Ｗおよび高さＨの計測データおよびマニピュレータ５の走行量Ｔｍデータを用いて、前記コンピュータの演算装置７で、被鍛伸材１の長手方向の各位置での圧下量を算出することができる。具体的に説明すると、前記幅Ｗおよび高さＨの計測データとマニピュレータ５の走行量Ｔｍを連動すなわち対応付けて記憶装置６に記憶・保持させることにより、被鍛伸材１の全体形状を把握することができる。前記高さＨの計測データは、金型２、２の圧下（間隔）設定により一定値となるが、幅Ｗの計測データは、圧下量が異なるため、被鍛伸材１の長手方向で変化する。このように、次パスである被鍛伸材１を９０°回転させてその幅Ｗ（Ｗ１）を圧下するパスユニットＵの第２パスにおいて（図６参照）、被鍛伸材１の幅Ｗおよび高さＨの計測データとマニピュレータ５の走行量Ｔｍを対応付けて記憶・保持することにより、この次パスでの目標形状（高さＨおよび幅）に対して、マニピュレータ５の走行量Ｔｍを操作して、すなわち金型２、２への噛み込み量を操作して、被鍛伸材１の長手方向の位置ごとに、手動または自動で圧下調整を行なうことができる。それにより、被鍛伸材１の全長にわたって、幅Ｗおよび高さＨの寸法バラツキを少なくすることができる。そして、このバラツキの少ない幅Ｗおよび高さＨの寸法を、上述の工程設計システムにおける各パスユニットＵの出側での計測データとして用いることができる。なお、前記カメラ３、４として、ＣＭＯＳ撮像素子を用いたカメラでもよく、また、撮像素子を１次元に配列したラインセンサカメラのみならず、２次元に配列したカメラも用いることができる。

実施形態の工程設計システムを用いた鍛伸加工の流れを示す説明図である。 鍛伸加工の最終４角形状から鍛造仕上げ形状までを模式的に示す説明図である。 最終８角形状の最適断面積を求める方法を示す説明図である。 最終４角形状の最適断面積を求める方法を示す説明図である。 （ａ）〜（ｃ）実施形態の工程設計システムで、各パスユニットＵの出側の被鍛伸材の断面積を決定する方法を模式的に示す説明図である。 各パスユニットＵでの第１パス目と第２パス目の変形状態を模式的に示す説明図である。 幅広がり係数Ｓと噛み込み比Ｂ０／Ｗ０との関係を示す説明図である。 実質幅広がり係数Ｓａと噛み込み比Ｂ０／Ｗ０との関係を示す説明図である。 実機データに基づいた実質幅広がり係数Ｓａと噛み込み比Ｂ／Ｗとの関係を示す説明図である。 （ａ）実施形態の鍛伸加工装置を模式的に示す説明図（斜視図）である。（ｂ）同上（側面図）

符号の説明

１、１ａ〜１ｃ：被鍛伸材 ２：金型 ３、４：ラインセンサカメラ
５：マニピュレータ ６:記憶装置 ７：演算装置

Claims (12)

1. 加工用素材を、その軸方向に対して垂直方向の、対向する２方向から圧下する動作と軸方向への送り動作を交互に繰り返し、最終４角形状に、または最終４角形状を経て最終８角形状に鍛造した後、軸材に仕上げる鍛伸加工の工程設計システムであって、この工程設計システムが、製品軸材の断面形状から前記最終４角形状および最終８角形状寸法を決定するステップ１と、前記鋼塊から前記最終４角形状までのパス回数およびこの各パスでの目標形状寸法（高さおよび幅）を決定し圧下量および送り量を設定するステップ２と、所要のパス毎に被鍛伸材の高さおよび幅を計測するステップ３と、この計測結果と当該被鍛伸材の目標寸法とを比較し、次パス以降の目標形状寸法に対する圧下量および送り量を修正するステップ４を備えたことを特徴とする鍛伸加工の工程設計システム。
2. 前記ステップ１で、最終４角形状から少なくとも４パスで最終８角形状に鍛造するための、前記最終４角形状寸法（一辺ＤＳ）および８角形状寸法（対辺寸法ＤＨ）を、以下の式（１）および式（２）を用いて算出することを特徴とする請求項１に記載の鍛伸加工の工程設計システム。
   ＤＳ＝ＳＱＲＴ（δ×β×π×(ＤＦ)^２／４）--------（１）
   ＤＨ＝ＳＱＲＴ（（β×π×(ＤＦ)^２／４）／ｔａｎ（２２．５°）／２） -------（２）
   ここで、ＤＦは、製品軸材の直径ＤＡに機械加工代Ｍを加えた鍛造仕上げ材の寸法（直径）である（ＤＦ＝ＤＡ＋２Ｍ）。δは、上記パス数による総断面減少率Ｒｔを用いて、δ＝１／（１−Ｒｔ）で表され、βは、上記最終８角形状寸法から製品軸材の鍛造仕上げ寸法ＤＦへの断面減少率Ｒｆを用いて、β＝１／（１−Ｒｆ））で表される。
3. 前記製品軸材の鍛造仕上がり形状の断面積に対する面積増加率を、５〜２０％の範囲で任意に少なくとも２水準抽出して前記最終８角形状の対辺寸法ＤＨをそれぞれ算出するステップＳ１０ａと、この算出した対辺寸法ＤＨを変形解析手段のインプットファイルにインプットするステップＳ１０ｂと、所要のパス数で前記製品軸材の鍛造仕上げ寸法に仕上げる変形解析を行うステップＳ１０ｃと、この変形解析結果から被鍛伸材の伸び率および断面減少率を算出するステップＳ１０ｄと、この伸び率と前記抽出した断面積増加率との関係から、前記伸び率に等しくなる断面積増加率を算出するステップＳ１０ｅから前記最終８角形状の寸法ＤＨを算出し、この最終８角形状の寸法ＤＨを用いて、前記断面減少率Ｒｔを算出することを特徴とする請求項２に記載の鍛伸加工の工程設計システム。
4. 前記最終８角形状の断面積に対する面積増加率を、５〜２０％の範囲で任意に少なくとも２水準抽出して前記最終４角形状の一辺の寸法ＤＳをそれぞれ算出するステップＳ１０ｆと、この算出した寸法ＤＳを変形解析手段のインプットファイルにインプットするステップＳ１０ｇと、少なくとも４パスで前記最終８角形状の寸法に鍛造する変形解析を行うステップＳ１０ｈと、この変形解析結果から被鍛伸材の伸び率を算出するステップＳ１０ｉと、この伸び率と前記抽出した断面積増加率との関係から、前記伸び率に等しくなる断面積増加率を算出するステップＳ１０ｊから前記最終４角形状の寸法ＤＳを算出し、この最終４角形状の寸法ＤＳを用いて、前記断面減少率Ｒｆを算出することを特徴とする請求項２または請求項３に記載の鍛伸加工の工程設計システム。
5. 前記ステップ２で、前記素材から前記最終４角形状寸法までの１パスあたりの平均減面率γｍを設定し、前記鋼塊および最終４角形状の断面積をそれぞれＳ０およびＳＮとしたときに２パスを１パスユニットＵとして、以下の（３）式により算出されるＮｃを切り上げた整数を総パスユニットＵｔとし、パスユニットＵごとの減面率を設定してパスユニットＵごとに被鍛伸材の目標形状寸法を決定し、以下の式（４）〜式（１１）を用いて、各パスユニットＵの第１パス後の高さＨ１および幅Ｗ１を予測し、前記目標形状寸法に鍛伸するための各パスユニットＵでの圧下量Ｈｆ１およびＨｆ２を算出することを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の鍛伸加工の工程設計システム。
   Ｎｃ＝１／２×（ＬＯＧ（ＳＮ／Ｓ０）／ＬＯＧ（１-γｍ））
   -------（３）
   Ｈ１＝Ｈ２×（Ｗ２／（Ｗ０×（Ｈ１／Ｈ０）^−Ｌ）^Ｆ-------------（４）
   Ｗ１＝Ｗ０×（Ｈ１／Ｈ０）^―Ｌ ------------------------------（５）
   Ｌ＝１＋Ｓ１-------------------------------------------------（６）
   Ｆ＝１＋Ｓ２-------------------------------------------------（７）
   Ｓ１＝ａ０＋ａ１×(Ｂ０／Ｗ０)＋ａ２×(Ｂ０／Ｗ０)^２----------（８）
   Ｓ２＝ａ０＋ａ１×(Ｂ１／Ｈ１)＋ａ２×(Ｂ１／Ｈ１)^２----------（９）
   Ｈｆ１＝Ｈ０−Ｈ１-------------------------------------------（１０）
   Ｈｆ２＝Ｗ１−Ｗ２-------------------------------------------（１１）
   ここで、Ｈ０およびＷ０は、パスユニットＵの入側の被鍛伸材の高さおよび幅を、Ｈ２およびＷ２は、パスユニットＵの出側の被鍛伸材の幅および高さを、Ｈ１は第１パス後の被鍛伸材の高さを示し、Ｂ０およびＢ１は、それぞれ、パスユニットＵの第１パスおよび第２パスでの送り量を、Ｓ１およびＳ２は、それぞれ第１パスおよび第２パスでの幅広がり係数を示す。また、ａ０は定数、ａ１およびａ２は係数である。
6. 前記ステップ２で、前記素材から前記最終４角形状寸法までの１パスあたりの平均減面率γｍを設定し、前記鋼塊および最終４角形状の断面積をそれぞれＳ０およびＳＮとしたときに２パスを１パスユニットＵとして、以下の（３）式により算出されるＮｃを切り上げた整数を総パスユニットＵｔとし、パスユニットＵごとの減面率を設定してパスユニットＵごとに被鍛伸材の目標形状寸法を決定し、以下の式（３）、式（４ａ）〜（７ａ）および式（１０）、式（１１）を用いて、各パスユニットＵの第１パス後の高さＨ１および幅Ｗ１を予測し、前記目標形状寸法に鍛伸するための各パスユニットＵでの圧下量Ｈｆ１およびＨｆ２を算出することを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の鍛伸加工の工程設計システム。
   Ｎｃ＝１／２×（ＬＯＧ（ＳＮ／Ｓ０）／ＬＯＧ（１-γｍ））
   -------（３）
   Ｈ１＝Ｈ２×(Ｗ２／Ｗ１)^−Ｓａ２--------------------------------（４ａ）
   Ｗ１＝Ｗ０×（Ｈ１／Ｈ０）^−Ｓａ１ ----------------------------（５ａ）
   Ｓａ１＝ζ×（Ｂ０／Ｗ０）／（１＋Ｂ０／Ｗ０）---------------（６ａ）
   Ｓａ２＝ζ×（Ｂ１／Ｈ１）／（１＋Ｂ１／Ｈ１）---------------（７ａ）
   Ｈｆ１＝Ｈ０−Ｈ１-------------------------------------------（１０）
   Ｈｆ２＝Ｗ１−Ｗ２-------------------------------------------（１１）
   ここで、Ｈ０およびＷ０は、パスユニットＵの入側の被鍛伸材の高さおよび幅を、Ｈ２およびＷ２は、パスユニットＵの出側の被鍛伸材の幅および高さを、Ｈ１は第１パス後の被鍛伸材の高さを示し、Ｂ０およびＢ１は、それぞれ、パスユニットＵの第１パスおよび第２パスでの送り量を示し、Ｓａ１およびＳａ２は、それぞれ第１パスおよび第２パスでの実質幅広がり係数を示す。
7. 前記最終４角形状寸法を少なくとも３水準以上抽出するステップＳ４０ａと、この抽出した寸法を変形解析手段のインプットファイルにインプットするステップＳ４０ｂと、素材の変形抵抗および実機鍛造条件に基づいて選択した摩擦係数をインプットファイルにインプットするステップＳ４０ｃと、前記解析手段により被鍛伸材の平均の伸び率を算出するステップＳ４０ｄと、この平均の伸び率を用いて幅広がり係数Ｓを算出するステップＳ４０ｅと、この幅広がり係数Ｓと前記の比率（Ｂ０／Ｗ０）との関係を最小２乗法により決定するステップ４０ｆから、前記定数ａ０、係数ａ１およびａ２を求めることを特徴とする請求項５に記載の鍛伸加工の工程設計システム。
8. 前記最終４角形状寸法を少なくとも３水準以上抽出するステップＳ４０ａと、この抽出した寸法を変形解析手段のインプットファイルにインプットするステップＳ４０ｂと、素材の変形抵抗および実機鍛造条件に基づいて選択した摩擦係数をインプットファイルにインプットするステップＳ４０ｃと、前記解析手段により被鍛伸材の平均の伸び率を算出するステップＳ４０ｄと、この平均の伸び率を用いて幅広がり係数Ｓを算出するステップＳ４０ｅと、この幅広がり係数Ｓと噛み込み比（Ｂ／Ｗ）との関係を回帰分析により決定するステップ４０ｆから、前記係数ζを求めることを特徴とする請求項６に記載の鍛伸加工の工程設計システム。
9. 前記ステップ３で計測した被鍛伸材の寸法（高さおよび幅）と、前記ステップ２で決定した各パスユニットＵの出側の被鍛伸材の寸法（高さおよび幅）を比較した結果に基づいて、次パスユニットＵでの圧下量を修正することを特徴とする請求項５から８のいずれかに記載の鍛伸加工の工程設計システム。
10. 加工用素材を、その軸方向に対して垂直方向の、対向する２方向から圧下する動作と軸方向への送り動作を交互に繰り返し、前記素材を鍛造する初期パスから、２パスを１パスユニットＵとして所要のパスユニット数で鍛造する軸材の鍛伸方法であって、請求項４に記載した鍛伸加工の工程設計システムを用いて、計測したパスユニットＵの被鍛伸材の寸法（高さおよび幅）から、次パスユニットＵの被鍛伸材の目標形状寸法（高さおよび幅）に鍛伸するための圧下量および送り量を決定するようにしたことを特徴とする軸材の鍛伸加工方法。
11. 加工用素材を、その軸方向に対して垂直方向の、対向する２方向から複数の工具を用いて圧下する動作とマニピュレータを用いて軸方向への送り動作を交互に繰り返して鍛造する軸材の鍛伸加工装置であって、前記鍛伸加工装置が、被鍛伸材の形状を入力および出力するための記憶装置と、入力値から被鍛伸材の鍛造後の形状を予測するための演算部を備え、請求項１から９のいずれかに記載の鍛伸加工の工程設計システムを組み入れて鍛造を行なうようにしたことを特徴とする軸材の鍛伸加工装置。
12. 前記鍛造加工装置が、前記工具の出側で被鍛伸材の幅および高さをそれぞれ計測できる手段を備え、鍛伸加工後の被鍛伸材の寸法を計測し、この計測値を前記記憶装置に保持し、前記マニピュレータの走行量と連動させて、次パスの圧下量を決定するようにしたことを特徴とする請求項１１に記載の軸材の鍛伸加工装置。

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