JP5291557B2 - 棒状素材の鍛造方法 - Google Patents

Description

本発明は、クランク軸素材のような棒状素材の鍛造方法に関する。

クランク軸は、形状が複雑であるため、主として鍛造法により造形される。クランク軸に適した鍛造法が各種提案されてきた（例えば、特許文献１（第２図、第４図）参照。）。

特許文献１を次図に基づいて説明する。
図１０は従来の鍛造用金型の断面図であり、下型１０１と上型１０２により、クランク軸に対応するキャビティ１０３が形成される。
図１１は図１０の１１部拡大図であり、下型１０１において、キャビティ１０３から平坦面１０４が延ばされ、この平坦面１０４の先端から斜め下へ傾斜面１０５が延ばされ、この傾斜面１０５の先端から第２平坦面１０６が水平に延ばされている。同様に、上型１０２において、キャビティ１０３から平坦面１０７が延ばされ、この平坦面１０７の先端から斜めに傾斜面１０８が延ばされ、この傾斜面１０８の先端から第２平坦面１０９が延ばされている。

鍛造の際に、素材の余剰分はバリの形態で、矢印（１）のように、平坦面１０４、１０７間、傾斜面１０５、１０８間及び第２平坦面１０６、１０９の間で構成されるバリ流路へ侵入する。ただし、バリ流路が曲がっていると共に漸次狭くなっているため、流路抵抗が大きい。流路抵抗が大きいため、キャビティ１０３でのワークが緻密化される。そして、バリは小さくなり、歩留まりがよくなる。

バリ流路の流路抵抗が大きいため、成形時に材料の流出が容易な素材形状に適している。反面、材料の流出が難しい素材形状の場合は、図１１のようなバリ流路は採用できない。

また、ワークの緻密化が図れる分だけ、成形荷重が増大し、鍛造用金型の強度向上が必要となる。すなわち、特許文献１の発明は小型の素材の処理に適している。反面、多気筒エンジン用のクランク軸のような大型の素材では、成形荷重が大きくなり、鍛造用金型を大型にする必要があり、金型の調達コストが嵩む。

成形時に材料の流出が難しい素材形状に対応できると共に大型の素材に対しても成形荷重の増加を抑えることができる鍛造技術が求められる。

特公昭６２−４５００９号公報

本発明は、成形時に材料の流出が難しい素材形状に対応できると共に大型の素材に対しても成形荷重の増加を抑えることができる鍛造技術を提供することを課題とする。

請求項１に係る発明は、棒状素材を対象として、潰し成形工程と荒成形工程と仕上げ成形工程とにより鍛造成形を施す棒状素材の鍛造方法において、
上型と下型との間にバリの流出を許容するギャップを有すると共に、このギャップの出口から延びており断面が階段形状を呈し、前記ギャップから流出したバリを逃がす逃がし部を有する潰し工程用金型と荒成形用金型と仕上げ成形用金型とを各々準備しておき、
第１のギャップと第１の逃がし部とを有する前記潰し工程用金型を用いて、前記棒状素材を塑性加工して潰し成形品を得る潰し工程と、
第２のギャップと第２の逃がし部とを有し、且つ第２のギャップが前記第１のギャップより狭い前記荒成形工程用金型を用いて、前記潰し成形品を塑性加工して荒成形品を得る荒成形工程と、
第３のギャップと第３の逃がし部とを有し、且つ第３のギャップが前記第２のギャップより狭い前記仕上げ成形工程用金型を用いて、前記荒成形品を塑性加工して仕上げ成形品を得る仕上げ成形工程と、からなり、
前記第２の逃がし部は、前記第２のギャップの出口から斜面及びこの斜面の先端から外へ延びる逃がし部成形面により、前記第２のギャップよりも段差分だけ広がっており、この段差は、流出するバリの量が多い箇所が、他の箇所より大きく設定され、
前記第３の逃がし部は、前記第３のギャップの出口から斜面及びこの斜面の先端から外へ延びる逃がし部成形面により、前記第３のギャップよりも段差分だけ広がっており、この段差は、流出するバリの量が多い箇所が、他の箇所より大きく設定されていることを特徴とする。

請求項１に係る発明では、潰し工程用金型での第１のギャップより、荒成形工程用金型での第２のギャップを狭くする。この荒成形工程用金型での第２のギャップより、仕上げ成形工程用金型での第３のギャップを狭くする。

ワークがクランク軸であれば、クランク軸の軸部とカウンタウエイト部に対応するキャビティを、金型に設ける必要がある。カウンタウエイト部は軸部から大きく膨出するため、そこへ鍛造素材を流動させるには、圧力を高める必要がある。

鍛造初期を担う潰し工程用金型より、鍛造中期を担う荒成形工程用金型の方が、カウンタウエイト部に代表される膨出部は、大きい。そこで、潰し工程用金型よりも荒成形工程用金型のギャップを狭くして、内圧を高めて鍛造素材の流動を促すようにした。
同様に、鍛造中期を担う荒成形工程用金型より、鍛造末期を担う仕上げ成形工程用金型の方が膨出部は大きくなる。そこで、荒成形工程用金型よりも仕上げ成形工程用金型のギャップを狭くして、内圧を高めて鍛造素材の流動を促すようにした。

すなわち、ギャップを変えることにより、内圧を徐々に上げるようにした。この結果、ギャップを介して流出するバリの流出量を適正化しつつ、膨出部への鍛造素材の流動不足を解消することができる。

１ 内圧を徐々に上げるようにしたので、成形荷重の急激な増加を抑えることができる。加えて、バリの流出量を適正化することができるため、材料（鍛造素材）の流出が難しい素材形状に対応させることができ、大型の素材が処理可能となる。

加えて、請求項１に係る発明では、第２・第３のギャップの出口から斜面を介して逃がし部成形面を延ばした。逃がし部成形面は、第２・第３のギャップよりも段差分だけ広がっいる。さらに、この段差は、流出するバリの量が多い箇所が、他の箇所より大きく設定されている。

仮に、バリの流出量が多い箇所の段差が小さいと、バリが逃がし部成形面に接触して、バリの流出が妨げられる。バリの流出が妨げられると、金型の内圧が高くなり金型に負担が掛かる。
この点、本発明によれば、流出するバリの量が多い箇所の段差を大きくしたので、バリの流出は妨げられず、金型の内圧を下げることができる。
なお、流出するバリの量が少ない箇所（他の箇所）では、段差を大きくしない。段差が小さければ、金型の剛性を高めることができる。

本発明で使用する潰し成形用金型の断面図である。 図１の２部拡大図である。 本発明で使用する荒成形用金型の断面図である。 図３の４部拡大図である。 本発明で使用する仕上げ成形用金型の断面図である。 図５の６部拡大図である。 仕上げ成形用金型の下型の平面図である。 仕上げ成形用金型の要部斜視図である。 成形荷重の比較図である。 従来の鍛造用金型の断面図である。 図１０の１１部拡大図である。

本発明の実施の形態を添付図に基づいて以下に説明する。なお、図面は符号の向きに見るものとする。

本発明の実施例を図面に基づいて説明する。
本発明で使用する潰し工程用金型と荒成形用金型と仕上げ成形用金型を順に説明する。
図１に示すように、潰し工程用金型１０は、形彫りと呼ばれる成形用凹部１１ａを有する下型１１と、成形用凹部１２ａを有する上型１２とからなり、下型１１と上型１２との間にバリ１３の流出を許容する第１のギャップ１４を有している。

図２に示すように、第１のギャップ１４の出口からバリを逃がす第１の逃がし部１５延びている。この第１の逃がし部１５は、第１のギャップ１４の出口から斜めに延びる斜面１６、１７と、これらの斜面１６、１７の先端から水平に外まで延びる逃がし部形成面１８、１９とからなり、断面が階段形状を呈している。

第１のギャップ１４から上又は下の逃がし部形成面１８、１９までの段差をＡ１、Ａ１とする。これらの段差Ａ１、Ａ１の存在により、第１のギャップ１４からバリが円滑に流出する。第１のギャップ１４のギャップ幅（上下間隔）Ｇ１が、例えば１０ｍｍのときに、段差Ａ１は、５ｍｍに設定される。

図３に示すように、荒成形工程用金型２０は、成形用凹部２１ａを有する下型２１と、成形用凹部２２ａを有する上型２２とからなり、下型２１と上型２２との間にバリ２３の流出を許容する第２のギャップ２４を有している。

図４に示すように、第２のギャップ２４の出口からバリを逃がす第２の逃がし部２５延びている。この第２の逃がし部２５は、第２のギャップ２４の出口から斜めに延びる斜面２６、２７と、これらの斜面２６、２７の先端から水平に外まで延びる逃がし部形成面２８、２９とからなり、断面が階段形状を呈している。

第２のギャップ２４から上又は下の逃がし部形成面２８、２９までの段差をＡ２、Ａ２とする。これらの段差Ａ２、Ａ２の存在により、第２のギャップ２４からバリが円滑に流出する。第２のギャップ２４のギャップ幅（上下間隔）Ｇ２は、第１のギャップのギャップ幅（１０ｍｍ）より小さな値、例えば８ｍｍに設定する。段差Ａ２は、段差Ａ１と同じ（５ｍｍ）か、又は大きめ（例えば１０ｍｍ）に設定する。

図５に示すように、仕上げ成形工程用金型３０は、成形用凹部３１ａを有する下型３１と、成形用凹部３２ａを有する上型３２とからなり、下型３１と上型３２との間にバリ３３の流出を許容する第３のギャップ３４を有している。

図６に示すように、第３のギャップ３４の出口からバリを逃がす第３の逃がし部３５延びている。この第３の逃がし部３５は、第３のギャップ３４の出口から斜めに延びる斜面３６、３７と、これらの斜面３６、３７の先端から水平に外まで延びる逃がし部形成面３８、３９とからなり、断面が階段形状を呈している。

第３のギャップ３４から上又は下の逃がし部形成面３８、３９までの段差をＡ３、Ａ３とする。これらの段差Ａ３、Ａ３の存在により、第３のギャップ３４からバリが円滑に流出する。第３のギャップ３４のギャップ幅（上下間隔）Ｇ３は、第２のギャップのギャップ幅（８ｍｍ）より小さな値、例えば６ｍｍに設定する。段差Ａ３は、段差Ａ２と同じ（５ｍｍ）か、又は大きめ（例えば１５ｍｍ）に設定される。数値の根拠を次に説明する。

例えば、図５において、成形用凹部３１ａに、膨出部３１ｂが含まれている。
この膨出部３１ｂは、ワークがクランク軸であればカウンタウエイト成形部に相当する。この膨出部３１ｂは、他の部位よりも鍛造素材が流動し難い。
そこで、図６に示すギャップ幅Ｇ３は、小さな値（６ｍｍ）に設定する。ギャップ幅Ｇ３が小さいため、バリの流出量が制限される。バリの流出量が少なくなると、成形用凹部３１ａ、３２ａの内圧が上がり、この内圧の上昇により膨出部３１ｂへの鍛造素材の流動が促される。

また、図３において、成形用凹部２１ａに膨出部２１ｂが含まれている。ただし、この膨出部２１ｂは、図５に示される膨出部３１ｂより断面積（又は体積）が小さい。そのため、成形用凹部２１ａ、２２ａの内圧はあまり上げる必要はなく、ギャップ幅Ｇ２（図４）を大きめの８ｍｍに設定することができる。ギャップ幅Ｇ２を大きくすることにより、成形荷重を下げることができ、荒成形工程用金型２０の剛性を押さえることができ軽量化が可能となる。

また、図１において成形用凹部１１ａに膨出部が含まれていたとしても、膨出部は小規模なものとなる。そのため、成形用凹部１１ａ、１２ａの内圧を、さらに下げることができ、ギャップ幅Ｇ１（図２）をさらに大きめの１０ｍｍに設定することができる。ギャップ幅Ｇ１をさらに大きくすることにより、成形荷重をさらに下げることができ、潰し工程用金型１０の剛性を押さえることができ、さらなる軽量化が可能となる。

次に段差Ａ１〜Ａ３の設定値について、説明する。
図７に示すように、仕上げ成形工程用金型の下型３１は、３気筒クランク軸を仕上げ成形するためのギャビティ５１を有している。このキャビティ５１を、便宜的に、図左から右へ（軸方向に）第１番気筒領域５２、第２番気筒領域５３、第３番気筒領域５４と区分する。

第１番気筒領域５２に２つのカウンタウエイト部５５、５６を有しているため、この第１番気筒領域５２でのキャビティ体積は大きくなり、バリの流出量は小さくなる。第３番気筒領域５４も２つのカウンタウエイト部５７、５８を有しているため、この第３番気筒領域５４でのキャビティ体積は大きくなり、バリの流出量は小さくなる。

一方、中央の第２番気筒領域５３は１つのカウンタウエイト部５９を有しているため、この領域５２でのギャビティ体積は比較的小さくなり、バリの流出量は大きくなる。第１軸端領域６１はカウンタウエイト部を有していないため、この領域６１でのギャビティ体積は小さくなり、バリの流出量は大きくなる。第２軸端領域６２もカウンタウエイト部を有していないため、この領域６２でのギャビティ体積は小さくなり、バリの流出量は大きくなる。

キャビティ体積が小さい程、成形荷重が増大する。そのため、第１軸領域６１の近傍のエリア６３、６４は他の部位よりも成形荷重が余計に増える。同様に、第２番気筒領域５３の近傍のエリア６５、６６及び第２軸領域６２の近傍のエリア６７、６８は他の部位よりも成形荷重が余計に増える。

成形部位によって、バリの流出量が変わることは以上に説明した通りである。
ところで、図６において、バリの流出量が増えると、このバリが、逃がし部形成面３８、３９などに接触することが考えられる。バリが逃がし部形成面３８、３９などに接触すると、流動抵抗が増加し、バリの流動が妨げられる。バリの流動が不十分になると、その部位での型内圧力が増加し、成形荷重がさらに高まり、金型に負担が掛かる。

対策として、バリの流出量が多い箇所では、段差Ａ３を大きく設定する。段差Ａ３を大きく設定すると、バリが逃がし部形成面３８、３９に接触しにくくなり、バリの流動が円滑になる。バリの流出量が少ない箇所は、段差Ａ３を大きくする必要はない。段差Ａ３が小さければ、金型の剛性を高めることができる。

以上の理由により、第３の逃がし部３５は、第３のギャップ３４の出口から斜面３６、３７及びこの斜面の先端から外へ延びる逃がし部成形面３８、３９により、第３のギャップよりも段差分Ａ３、Ａ３だけ広がっており、これの段差は、流出するバリの量が多い箇所が、他の箇所より大きく設定される。

同様に、図４において、第２の逃がし部２５は、第２のギャップ２４の出口から斜面２６、２７及びこの斜面の先端から外へ延びる逃がし部成形面２８、２９により、第２のギャップよりも段差分Ａ２、Ａ２だけ広がっており、これの段差は、流出するバリの量が多い箇所が、他の箇所より大きく設定される。

次に、図７に示すエリア６３〜６８のうち、エリア６３の近傍の形態を図８で説明する。
図８（ａ）で示すように、比較のためにギャップ幅Ｇ３０が６ｍｍで、段差Ａ３０が、５ｍｍの仕上げ工程用金型３００を準備した。
また、図８（ｂ）に示すように、実施例としてギャップ幅Ｇ３が６ｍｍで、段差Ａ３が、１５ｍｍの仕上げ工程用金型３０を準備した。

比較例、実施例とも同一条件で、仕上げ工程を実施した。得られた成形荷重同士に、図９に示すように、差が出た。すなわち、比較例（段差＝５ｍｍ）では４５７０ｔ（トン）であったが、実施例（段差＝１５ｍｍ）では４２６０ｔに留まった。実施例の方が３１０ｔ低減された。
成形荷重が小さいほど、金型３０への構造的負担が小さくなり、好ましい。

図９と、図２、図４、図６の説明とから、表１を作成することができる。

最下行に示す、仕上げ成形用金型においては、図７に示すエリア６３〜６８では段差Ａ３は１０ｍｍに設定するが、エリア６３〜６８以外では段差は５ｍｍと１５ｍｍの何れであってもよい。金型の強度に余裕が無い場合には、５ｍｍを選択する。金型の強度に余裕がある場合には１５ｍｍを選択する。１５ｍｍであれば、エリア内外の段差が等しくなるため、金型の設計や加工が容易になり、金型の製造コストを下げることができる。

下から２行目に示す、荒成形用金型においては、図７に示すエリア６３〜６８では段差Ａ２は１０ｍｍに設定するが、エリア６３〜６８以外では段差は５ｍｍと１０ｍｍの何れであってもよい。金型の強度に余裕が無い場合には、５ｍｍを選択する。金型の強度に余裕がある場合には１０ｍｍを選択する。１０ｍｍであれば、エリア内外の段差が等しくなるため、金型の設計や加工が容易になり、金型の製造コストを下げることができる。

尚、本発明での加工対象物は、クランク軸が好適であるが、カム軸やカウンタバランス軸であってもよく棒状素材の種類は任意である。

本発明は、クランク軸の鍛造成形に好適である。

１０…潰し工程用金型、１１、２１、３１…下型、１２、２２、３２…上型、１３、２３、３３…バリ、１４…第１のギャップ、１５…第１の逃がし部、１６、２６、３６…斜面、１７、２７、３７…斜面、１８、２８、３８…逃がし部形成面、１９、２９、３９…逃がし部形成面、２０…荒成形工程用金型、２４…第２のギャップ、２５…第２の逃がし部、３０…仕上げ成形工程用金型、３４…第３のギャップ、３５…第３の逃がし部、Ｇ１〜Ｇ３…ギャップ幅、Ａ１〜Ａ３…段差（段差の大きさ）。

Claims (1)

1. 棒状素材を対象として、潰し成形工程と荒成形工程と仕上げ成形工程とにより鍛造成形を施す棒状素材の鍛造方法において、
   上型と下型との間にバリの流出を許容するギャップを有すると共に、このギャップの出口から延びており断面が階段形状を呈し、前記ギャップから流出したバリを逃がす逃がし部を有する潰し工程用金型と荒成形用金型と仕上げ成形用金型とを各々準備しておき、
   第１のギャップと第１の逃がし部とを有する前記潰し工程用金型を用いて、前記棒状素材を塑性加工して潰し成形品を得る潰し工程と、
   第２のギャップと第２の逃がし部とを有し、且つ第２のギャップが前記第１のギャップより狭い前記荒成形工程用金型を用いて、前記潰し成形品を塑性加工して荒成形品を得る荒成形工程と、
   第３のギャップと第３の逃がし部とを有し、且つ第３のギャップが前記第２のギャップより狭い前記仕上げ成形工程用金型を用いて、前記荒成形品を塑性加工して仕上げ成形品を得る仕上げ成形工程と、からなり、
   前記第２の逃がし部は、前記第２のギャップの出口から斜面及びこの斜面の先端から外へ延びる逃がし部成形面により、前記第２のギャップよりも段差分だけ広がっており、この段差は、流出するバリの量が多い箇所が、他の箇所より大きく設定され、
   前記第３の逃がし部は、前記第３のギャップの出口から斜面及びこの斜面の先端から外へ延びる逃がし部成形面により、前記第３のギャップよりも段差分だけ広がっており、この段差は、流出するバリの量が多い箇所が、他の箇所より大きく設定されていることを特徴とする棒状素材の鍛造方法。

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