JP5869944B2 - 鍛造金型装置の加熱方法 - Google Patents

Description

この発明は、難加工性材料の熱間鍛造に使用される金型装置を加熱する方法に関するものである。

チタン合金やＮｉ基合金等の難加工性材料の鍛造に際しては、金型温度を鍛造素材の加熱温度と略同程度に保持し、歪速度を一定範囲内に制御して鍛造する恒温鍛造法や金型温度を鍛造素材の加熱温度に近づけると共に歪速度を制御して鍛造するホットダイフォージング方法が、難加工性金属材料を熱間精密型鍛造する方法として、適用されるようになった。

上記の恒温鍛造やホットダイフォージングに用いられる金型構造としては、図４に示すように、熱間鍛造プレス装置７１において、例えば、インダクションヒータなどの熱源７２によって加熱される金型７３、７４は、プレス装置本体のベースプレート７５、７６に固定されたダイプレート（金型保持手段）７７、７８に取り付けられている。そして、熱源７２によって加熱された金型７３、７４からダイプレート７７、７８およびプレス装置本体側への熱移動を防ぐために、金型７３、７４とダイプレート７７、７８との間には、断熱構造部材７９、８０が配置されている。上記難加工性材料の熱間精密型鍛造では、上下の金型は、鍛造素材の加熱温度に近い温度まで加熱されるため、成形性および操業製の観点から、金型温度を高精度にかつ効率的に制御する必要がある。金型温度を高精度に制御するためには、金型７３、７４のみならず、ダイプレート７７、７８を含めた金型装置の加熱を考慮する必要がある。

一方、鍛造用金型を効率よく加熱する手段として、例えば、特許文献１に、対向配置された第１の金型（上金型）と第２の金型（下金型）とを、中央部にヒータを設け、かつ、一方の表面を第１の金型の鍛造面に沿った形状とし、他方の表面を第２の金型の鍛造面に沿った形状とした加熱治具を用いた加熱方法が開示されている。

特開２００２−９６１３４号公報

しかし、例えば、図４に示した、熱源７２を上下金型７３、７４の周囲に配置して前記金型を加熱する従来の金型加熱方法では、金型温度を必ずしも精度よくまた効率的に制御できないため、成形品の目標寸法制度や表面品質を実現できない場合があり、さらに目標金型温度への加熱に比較的長時間を要し、操業性の観点からも改善の余地がある。

また、特許文献１に開示された加熱方法では、金型の鍛造面形状ごとに、すなわち鍛造製品の形状ごとに加熱治具を製作する必要があるため、煩雑であり、加熱コストの観点からも改善の余地がある。

そこで、この発明の課題は、チタン合金やＮｉ基合金等の難加工性材料の鍛造に際して、金型を目標加熱温度に精度よくかつ効率的に加熱するための、保持治具を含めた金型装置の加熱方法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に係る鍛造金型装置の加熱方法は、上金型と下金型からなる金型と、これら上下の金型の少なくとも一方の金型を支持する金型保持手段を備え、前記金型保持手段をプレス本体に固定した後、金型を加熱して鍛造を行う鍛造金型装置の加熱方法であって、前記上下の金型の少なくとも一方の金型を予熱し、この予熱した金型を加熱された前記金型保持手段上に設置した後、前記予熱した金型を加熱手段により加熱し、前記金型の成形面を、前記金型の加熱手段とは別の加熱手段により所要の温度に加熱するようにしたものであり、前記金型がその外周部を囲繞するダイホルダにより保持されるとともに、前記ダイホルダが前記金型保持手段に支持され、前記のダイホルダと金型保持手段とダイプレートが、タイロッドまたはボルトと、ナットからなる締結手段により、両端側または一端側に皿ばねを嵌挿して一体化されていることを特徴とする。
請求項２に係る鍛造金型装置の加熱方法は、上金型と下金型からなる金型と、これら上下の金型の少なくとも一方の金型を支持する金型保持手段を備え、前記金型保持手段とベースプレートとが、タイロッド又はボルトと、ナットからなる締結手段により一体化されており、前記金型保持手段をプレス本体に固定した後、金型を加熱して鍛造を行う鍛造金型装置の加熱方法であって、前記上下の金型の少なくとも一方の金型を予熱し、この予熱した金型を加熱された前記金型保持手段上に設置した後、前記予熱した金型を加熱手段により加熱し、前記金型の成形面を、前記金型の加熱手段とは別の加熱手段により所要の温度に加熱するようにするとともに、前記金型の外周部を、可撓性を有する面状ヒータまたは赤外線ヒータにより加熱するものであり、前記金型を前記金型保持手段上に設置する際に、金型固定部が、前記金型の外周部に設けられた係合部に当接して前記ベースプレートに対して前記金型を押圧することによって該金型を着脱可能に固定し保持することを特徴とする。

請求項３に係る鍛造金型装置の加熱方法は、請求項１または２において、金型保持手段が断熱プレートとダイプレートからなり、この金型保持手段を加熱し、前記金型の成形面を鍛造直前に加熱するようにしたことを特徴とする。

請求項４に係る鍛造金型装置の加熱方法は、請求項１から３のいずれかの請求項において、金型と前記金型保持手段との間に、複数のシーズヒータが組み込まれたヒータプレートを、前記金型の製品成形面とは反対側の面が当接するように配置したことを特徴とする。

請求項５に係る鍛造金型装置の加熱方法は、請求項１から４のいずれかの請求項において、金型の成形面を赤外線ヒータにより加熱することを特徴とする。

この発明では、鍛造用素材を成形する上金型と下金型の少なくとも一方の金型を予熱し、また該金型のみならず、金型保持手段やダイホルダをも加熱し、さらに鍛造直前に金型の成形面を、所要の温度に加熱するようにしたので、チタン合金やＮｉ基合金等の難加工性材料の鍛造に際して必要な金型温度への加熱に要する時間を従来よりも短縮でき、鍛造作業能率が向上し、加熱コストも低減する。また、前記上下の少なくとも一方の金型を金型保持手段上に設置する前に、すなわちプレスに組み込む前に、別途に予熱するようにしたので、この金型予熱中に並行して鍛造準備作業を行うことができるため、実操業性も向上する。さらに、鍛造直前の金型成形面を、金型加熱手段とは別の加熱手段を用いて加熱するため、必要な箇所を効率的に加熱することができる。

実施形態の熱間鍛造用金型装置を示す説明図（断面図）である。 他の実施形態の熱間鍛造用金型装置における下金型側についての説明図（断面図）である。 他の実施形態の熱間鍛造用金型装置を示す上金型側についての説明図（断面図）である。 従来技術の熱間鍛造用金型装置を示す説明図（断面図）である。

以下に、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。図１は、本発明の一実施形態における鍛造用金型装置の構成を概略的に示す断面図である。

図１において、１０は上金型、２０は下金型であり、この上金型１０と下金型２０とにより金型１が構成されている。

まず、上金型１０側について説明する。符号１１は、上金型１０の鍛造用素材側とは反対側の面（上金型１０の裏面）が当接するように配置され、内部に形成された複数のヒータ挿入穴にシーズヒータ１１ａがそれぞれ挿入され、上金型１０を加熱するヒータプレートである。

符号１２は、上金型１０の外周部を囲繞し、この上金型１０を保持するダイホルダである。鍛造に際して、加熱炉で加熱された上金型１０がこのダイホルダ１２の内側に嵌め入れられ、例えば図示しないピンなどを用いてダイホルダ１２に固定されるという「入れ子構造」になっている。符号１５は、ダイホルダ１２の外周部を狭い間隔を有して囲繞し、このダイホルダ１２を加熱（輻射加熱）するダイホルダ加熱用ヒータとしての赤外線ヒータである。

符号１４は、前記の上金型１０、ヒータプレート１１およびダイホルダ１２を、断熱プレート１３を介して支持するダイプレートである。この断熱プレート１３とダイプレート１４とにより上金型１０用の金型保持手段が形成されている。また、５０は、図示しないプレス機の昇降側部材（スライダ）に固定されたベースプレートである。タイロッド１６ａ、ナット１６ｂ、座金１６ｃおよび皿ばね１６ｄを用いて、このベースプレート５０に、ダイホルダ１２、ヒータプレート１１、断熱プレート１３およびダイプレート１４からなる金型装置上半部が一体に取り付けられている。

次に、下金型２０側について説明する。符号２１は、下金型２０の鍛造用素材側とは反対側の面（下金型２０の裏面）が当接するように配置され、内部に形成された複数のヒータ挿入穴にシーズヒータ２１ａがそれぞれ挿入され、下金型２０を加熱するヒータプレートである。

符号２２は、下金型２０の外周部を囲繞し、この下金型２０を保持するダイホルダである。鍛造に際して、予め加熱炉で加熱された下金型２０がこのダイホルダ２２の内側に嵌め入れられ、例えば図示しないピンなどを用いてダイホルダ２２に固定されるという「入れ子構造」になっている。符号２５は、ダイホルダ２２の外周部を狭い間隔を有して囲繞し、このダイホルダ２２を加熱（輻射加熱）するダイホルダ加熱用ヒータとしての赤外線ヒータである。

符号２４は、前記の下金型２０、ヒータプレート２１およびダイホルダ２２を、断熱プレート２３を介して支持するダイプレートである。この断熱プレート２３とダイプレート２４により下金型２０用の金型保持手段２４ａが形成されている。また、符号６０は、前記プレス機の固定側部材（ボルスタ）に固定されたベースプレートである。タイロッド２６ａ、ナット２６ｂ、座金２６ｃおよび皿ばね２６ｄを用いて、このベースプレート６０に、前記のダイホルダ２２、ヒータプレート２１、断熱プレート２３およびダイプレート２４からなる金型装置下半部が一体に取り付けられている。なお、図１では、鍛造製品を取り出すためのノックアウトなどは図示省略している。

そして、この実施形態では、上下の金型１０，２０は、キャビティー部を有して円盤状をなしており、その材質が、例えば、Ｎｉ基超耐熱合金からなる。また、前記ヒータプレート１１，２１は、円盤状をなしており、例えば、Ｎｉ基の超合金からなる。前記ダイホルダ１２，２２は、円環状をなし、その材質が、例えば、ＳＫＤ６１（熱間工具鋼）からなる。前記断熱プレート１３，２３は、円盤状をなし、その材質が、例えば、耐熱高強度鋼板とその中に充填した窒化ケイ素やジルコニアなどのセラミックスからなる。また、前記ダイプレート１４，２４は、円盤状をなし、その材質が、例えば、前記ダイホルダ１２，２２と同様のＳＫＤ６１（熱間工具鋼）からなる。

前記のように構成される鍛造用金型装置において、上金型１０および下金型２０からなる金型１は、加熱炉等で所定温度に加熱して予熱されてから図示しないプレス機まで導かれて、その金型裏面がヒータプレート１１，１２に当接するようにしてダイホルダ１２，２２の内側に嵌め入れられ、例えば図示しないピンなどを用いてダイホルダ１２,２２に固定される。

金型１は、ダイホルダ１２,２２に固定されたのち、ヒータプレート１１，１２により、所要の温度（鍛造すべき鍛造用素材温度の近傍温度）になるまで加熱される。金型１は、加熱により弾性変形範囲内で熱膨張し、ダイホルダ１２，２２とクリアランスがゼロの状態で接している。なお、赤外線ヒータ１５，２５により、ダイホルダ１２，２２、および断熱プレート１３、２３とダイプレート１４、２４からなる金型保持手段は、例えば４００〜５００℃の温度範囲に加熱（赤外線ヒータによる輻射加熱）されている。そして、鍛造直前に、上金型および下金型の成形面１０ａおよび２０ａが、金型加熱手段であるヒータプレート１１，１２とは別の、例えば、赤外線ヒータなどの加熱手段により、予め設定した所要の温度に加熱された後、難加工性金属材料であるチタン合金、Ｎｉ基合金などからなる鍛造用素材が、予め加熱炉等で所定の鍛造温度に加熱されてから、金型１にセットされる。このようにして鍛造用素材の高温鍛造が行なわれる。なお、前記金型保持手段をも加熱することにより、金型１０、２０の高温側から金型保持手段側への熱移動が抑制されるため、この金型保持手段の加熱は、金型１０、２０を所要の温度に加熱する時間の短縮に寄与することができる。

このように、本発明の鍛造用金型装置の加熱方法は、鍛造用素材を成形する上金型と下金型を予熱し、またこれらの金型のみならず、金型保持手段やダイホルダをも加熱し、さらに鍛造直前に金型の成形面を、所要の温度に加熱するようにしたので、金型成形面の必要な箇所を効率的に加熱することもでき、チタン合金やＮｉ基合金等の難加工性材料の鍛造に際して必要な金型温度への加熱に要する時間を従来よりも短縮できる。また、鍛造作業能率が向上し、加熱コストも低減する。

図２は本発明の他の実施形態における鍛造用金型装置の構成を概略的に示す断面図であり、図３は図２に示した鍛造用金型装置の図２と直交する方向における断面図である。

図２および図３において、１０は上金型、２０は下金型であり、この上金型１０と下金型２０とにより金型１が構成されている。上金型１０は、製品成形面を有するとともに、その外周部に上下垂直面と傾斜面とで形成される係合部１０ｂを有している。同様に、下金型２０は、製品成形面を有するとともに、その外周部に上下垂直面と傾斜面とで形成される係合部２０ｂを有している。

まず、図２を参照して、下金型２０側について説明する。符号２３は、下金型２０の製品成形面とは反対側の面（下金型２０の裏面）が当接するように配置された断熱プレートであり、符号２４は、断熱プレート２３を介して下金型２０を支持するダイプレートである。図１に示した金型装置と同様に、この断熱プレート２３とダイプレート２４により下金型２０用の金型保持手段２４ａが形成されている。

符号６０は、下金型２０を、前記金型保持手段２４ａを介して支持するベースプレートである。本実施形態における金型装置では、タイロッド１６ａ、ナット１６ｂなどを用いて、断熱プレート２３、ダイプレート２４およびベースプレート６０が一体に締結されており、ベースプレート６０は、プレス本体の固定側部材に例えばボルトなどによって固定されている。

符号２５は、下金型２０の外周部を加熱する赤外線ヒータである。この赤外線ヒータ２５は、例えば、ベースプレート６０に固定された図示しない支持部材によって支持されている。なお、金型外周部加熱用のヒータとして、赤外線ヒータに代えてパッド電熱ヒータなどの可撓性を有する面状ヒータを用いるようにしてもよい。

ベースプレート６０上には、一対のダイクランプ装置２６が対向配置されている。ダイクランプ装置２６は、油圧シリンダ２７と、油圧シリンダ２７のピストンロッド２７ａの先端部に固定されたクランプヘッド２８とを備えている。前記油圧シリンダ２７は、ベースプレート６０にベースブロックを介して固定されている。前記クランプヘッド２８は、先端部に下金型２０の前記係合部２０ｂに対応する形状を有し、この係合部２０ｂに当接し、ベースプレート６０に対して下金型２０を押圧するためのものである。この一対のダイクランプ装置２６は、下金型２０の外周部に当接して、この下金型２０を着脱可能に固定し保持する金型固定部を構成している。

つぎに、図３を参照して、上金型１０側について説明する。符号１３は、上金型１０の製品成形面側とは反対側の面（上金型１０の裏面）が当接するように配置された断熱プレートであり、符号１４は、上金型１０を断熱プレート１３を介して支持するダイプレートである。この断熱プレート１３とダイプレート１４により上金型１０用の金型保持手段１４ａが形成されている。

符号３０は、上金型１０を、前記金型保持手段を介して支持するベースプレートである。本実施形態では、タイロッド１６ａ、ナット１６ｂなどを用いて、断熱プレート１３、ダイプレート１４およびベースプレート３０が一体に締結されており、ベースプレート３０は、プレス本体の昇降側（可動側）部材５０に例えばボルトなどによって固定されている。

符号１５は、上金型１０の外周部を加熱する赤外線ヒータである。赤外線ヒータ１５は、例えば、ベースプレート３０に固定された図示しない支持部材によって支持されている。

ベースプレート３０上には、下金型２０側と同様に、一対のダイクランプ装置２６が対向配置されている。ダイクランプ装置２６は、油圧シリンダ２７と、油圧シリンダ２７のピストンロッド２７ａの先端部に固定されたクランプヘッド２８とを備えている。前記油圧シリンダ２７は、ダイプレート１４にベースブロックを介して固定されている。前記クランプヘッド２８は、先端部に上金型１０の前記係合部１０ｂに対応する形状を有し、前記係合部１０ｂに当接し、ダイプレート１４に対して上金型１０を押圧するためのものである。この一対のダイクランプ装置２６は、上金型１０の外周部に当接して該上金型１０を着脱可能に固定し保持する金型固定部を構成している。この上金型１０用の一対のダイクランプ装置２６と、下金型２０の前記一対のダイクランプ装置２６とにより、金型１の外周部に当接して該金型１を着脱可能に固定し保持する金型固定部が構成されている。なお、図２、図３では、鍛造製品を取り出すためのノックアウト機構などは図示省略している。

そして、この実施形態における金型装置における上下の金型１０、２０は、製品成形面を有して円盤状をなしている。この金型１０、２０の材質、断熱プレート１３、２３、およびダイプレート１４、２４の材質は、図１に示した実施形態における金型装置の場合と同様である。

上記のように構成される鍛造用金型装置において、上金型１０および下金型２０からなる金型１は、予め加熱炉で所定温度に加熱してからプレス機まで導かれる。そして、金型保持手段２４ａ上に高温の下金型２０が載置されると、一対をなす油圧シリンダ２７のピストンロッド２７ａが、該下金型２０の両側から下金型２０に向って前進する。この前進によってクランプヘッド２８は、下金型２０の前記係合部２０ａに当接して、ベースプレート２３に対して下金型２０を押圧する。これにより、図２に示すように、ベースプレート２３に対して前記予熱が施された下金型２０を固定し保持することができる。

一方、高温の上金型１０が前記金型保持手段１４ａの直下に配置されると、一対をなす油圧シリンダ２７のピストンロッド２７ａが、該上金型１０の両側から上金型１０に向って前進する。この前進によってクランプヘッド２８は、上金型１０の前記係合部１０ｂに当接して、ベースプレート３０に対して上金型１０を押圧する。これにより、図３に示すように、ベースプレート３０に対して前記予熱が施された上金型１０を固定し保持することができる。

このようにして金型１がプレス機に装着されると、金型１は、赤外線ヒータ１５、２５によって外周部側から加熱されて、所要の温度（鍛造すべき鍛造用素材温度の近傍温度）になるように、金型温度の調整が行われる。この金型加熱過程において、断熱プレート１３により、上金型１０側からベースプレート１３側への熱移動が防がれ、同様に、断熱プレート２３により、下金型側２０側からベースプレート２３側への熱移動が防がれる。そして金型１の製品成形面１０ａ、２０ａが、前記の金型１の外周部の加熱手段１５、２５とは別の、赤外線ヒータなどの加熱手段により、予め設定した所要の温度（鍛造すべき鍛造用素材温度と略同一温度）に加熱された後、難加工性金属材料であるチタン合金、Ｎｉ基合金などからなる鍛造用素材が、予め加熱炉等で所定の鍛造温度に加熱されてから、金型１にセットされる。このようにして、鍛造用素材の高温鍛造が行なわれる。なお、下金型２０の場合と同様に、金型外周部加熱用のヒータとして、赤外線ヒータに代えてパッド電熱ヒータなどの可撓性を有する面状ヒータを用いるようにしてもよい。

このように、本実施形態における鍛造用金型装置は、金型１とは別に、その外周部側を加熱する赤外線ヒータまたは可撓性を有する面状ヒータを備えているため、鍛造用素材の温度と同程度に金型１を加熱して高温鍛造を行うに際し、予め金型１を加熱炉で予熱することができる。また、鍛造直前に、上金型および下金型の成形面１０ｆおよび２０ｆを、金型１の外周部の加熱手段とは別の加熱手段により、所要の温度に加熱するようにしたので、金型１を所定温度（鍛造すべき鍛造用素材温度と略同一温度）にまで短時間で昇温させることができる。

なお、形状の大きい鍛造製品用の金型などに対しては、上金型１０および下金型２０の成形面１０ｆおよび２０ｆとは反対側の面を加熱する、複数のシーズヒータを組み込んだヒータプレートを、上金型１０および下金型２０と金型保持手段１２ｄ、２２ｄの間にそれぞれ配置することもできる。このような金型装置に対しても、本実施形態の金型加熱方法を適用することができ、大型の鍛造製品の生産性の向上に寄与することができる。

また、上記実施形態では、上下の金型の双方ともにそれぞれ金型保持手段やヒータプレートを設けた例を示したが、上下いずれか一方の金型にのみこれらの手段を設けるように構成してもよい。

１…金型 １０…上金型 ２０…下金型
１０ａ、２０ａ…上金型および下金型の成形面
１１，２１…ヒータプレート １１ａ，２１ａ…シーズヒータ
１２，２２…ダイホルダ
１３，２３…断熱プレート
１４，２４…ダイプレート
１４ａ、２４ａ：金型保持手段（ダイホルダ）
１５，２５…赤外線ヒータ（ダイホルダ加熱用ヒータ）
３０，４０…ベースプレート

Claims (5)

1. 上金型と下金型からなる金型と、これら上下の金型の少なくとも一方の金型を支持する金型保持手段を備え、前記金型保持手段をプレス本体に固定した後、金型を加熱して鍛造を行う鍛造金型装置の加熱方法であって、前記上下の金型の少なくとも一方の金型を予熱し、この予熱した金型を加熱された前記金型保持手段上に設置した後、前記予熱した金型を加熱手段により加熱し、前記金型の成形面を、前記金型の加熱手段とは別の加熱手段により所要の温度に加熱するようにしたものであり、
   前記金型がその外周部を囲繞するダイホルダにより保持されるとともに、前記ダイホルダが前記金型保持手段に支持され、前記のダイホルダと金型保持手段とダイプレートが、タイロッドまたはボルトと、ナットからなる締結手段により、両端側または一端側に皿ばねを嵌挿して一体化されていることを特徴とする鍛造金型装置の加熱方法。
2. 上金型と下金型からなる金型と、これら上下の金型の少なくとも一方の金型を支持する金型保持手段を備え、前記金型保持手段とベースプレートとが、タイロッド又はボルトと、ナットからなる締結手段により一体化されており、前記金型保持手段をプレス本体に固定した後、金型を加熱して鍛造を行う鍛造金型装置の加熱方法であって、前記上下の金型の少なくとも一方の金型を予熱し、この予熱した金型を加熱された前記金型保持手段上に設置した後、前記予熱した金型を加熱手段により加熱し、前記金型の成形面を、前記金型の加熱手段とは別の加熱手段により所要の温度に加熱するようにするとともに、前記金型の外周部を、可撓性を有する面状ヒータまたは赤外線ヒータにより加熱するものであり、
   前記金型を前記金型保持手段上に設置する際に、金型固定部が、前記金型の外周部に設けられた係合部に当接して前記ベースプレートに対して前記金型を押圧することによって該金型を着脱可能に固定し保持することを特徴とする鍛造金型装置の加熱方法。
3. 前記金型保持手段が断熱プレートとダイプレートからなり、この金型保持手段を加熱し、前記金型の成形面を鍛造直前に加熱するようにしたことを特徴とする請求項１または２に記載の鍛造金型装置の加熱方法。
4. 前記金型と前記金型保持手段との間に、複数のシーズヒータが組み込まれたヒータプレートを、前記金型の製品成形面とは反対側の面が当接するように配置したことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の鍛造金型装置の加熱方法。
5. 前記金型の成形面を赤外線ヒータにより加熱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造金型装置の加熱方法。

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