JP5946323B2 - 鍛造用金型装置 - Google Patents

Description

本発明は、チタン合金やＮｉ基合金などの難加工性金属材料の熱間鍛造（熱間型鍛造）に用いられる鍛造用金型装置に関するものである。

近年、金型を用いてチタン合金やＮｉ基合金などの難加工性金属材料の熱間鍛造が行われるようになってきている。熱間鍛造に用いられる鍛造用金型装置として、金型を加熱するために、従来、例えば、上金型及び下金型のそれぞれに、複数個のヒータ挿入穴を形成し、これらの各ヒータ挿入穴に、抵抗加熱で発熱する抵抗加熱体として、直線状に細長く延びる棒状ヒータを挿入し、これらの棒状ヒータによって上金型及び下金型を加熱するようにした鍛造用金型装置が知られている。例えば、特許文献１，２には、この種の鍛造用金型装置が開示されている。

特開２００４−３３７９３５号公報（段落［００３２］、図３） 特開平１１−７７２１４号公報（段落［００１０］、図２）

円盤状をなす上下の金型を備えた鍛造用金型装置により、加熱炉で所定温度に加熱された円柱状の鍛造用素材を下金型に載置し、例えば平面視円形をなす円盤状の鍛造製品を熱間鍛造する場合には、鍛造中での金型の製品成形面の半径方向における温度分布がほぼ均一になるようにする必要がある。

ところが、前述した従来の鍛造用金型装置では、直線状に延びる複数の棒状ヒータを組み込んだ金型を備えたものであるため、例えば平面視円形をなす円盤状の鍛造製品を熱間鍛造する場合には、鍛造中での金型の製品成形面の半径方向における温度分布をほぼ均一に保持することができず、製品半径方向における変形度合いが不均一となり、平面視で楕円形の鍛造製品になるという形状不良が発生することとなる。

そこで、本発明の課題は、円盤状をなす上下の金型を用いて鍛造用素材の熱間鍛造を行うに際し、半径方向における形状不良のない良好な円盤状の鍛造品を得ることができる鍛造用金型装置を提供することにある。

前記の課題を解決するため、本願発明では、次の技術的手段を講じている。

請求項１の発明は、
鍛造用素材の熱間鍛造に用いられる鍛造用金型装置において、
円盤状の上金型及び下金型と、
前記上金型及び前記下金型をそれぞれ保持する円環状のダイホルダーと、
前記各ダイホルダーを加熱するための赤外線ヒータと、
上下の少なくとも一方の金型について、円盤状をなし、複数の抵抗加熱体が同心円状に配置されて組み込まれることにより複数の加熱可能領域を形成してなり、金型の製品成形面と反対側の面が当接され、当該金型を加熱するためのヒータプレートと、
前記ヒータプレートの半径方向における複数の加熱可能領域の温度を当該領域ごとに調節可能な温度調節手段を備え、
前記温度調節手段が、鍛造中において前記上下の少なくとも一方の金型の製品成形面の半径方向における温度分布が所定温度にてほぼ均一になるようにするために、前記ヒータプレートの半径方向における中心部領域の温度に比べて周辺部領域の温度が所定温度高くなるように調節するものであることを特徴とする鍛造用金型装置である。

請求項２の発明は、
鍛造用素材の熱間鍛造に用いられる鍛造用金型装置において、
円盤状の上金型及び下金型と、
前記上金型及び前記下金型をそれぞれ保持する円環状のダイホルダーと、
前記各ダイホルダーを加熱するための赤外線ヒータと、
上下の少なくとも一方の金型について、円盤状をなし、複数の抵抗加熱体が同心円状に配置されて組み込まれることにより複数の加熱可能領域を形成してなり、金型の製品成形面と反対側の面が当接され、当該金型を加熱するためのヒータプレートと、
前記ヒータプレートの半径方向における複数の抵抗加熱体の発熱量を調節する発熱量調節手段を備え、
前記発熱量調節手段が、鍛造中において前記上下の少なくとも一方の金型の製品成形面の半径方向における温度分布が所定温度にてほぼ均一になるようにするために、前記ヒータプレートの半径方向における中心部領域の抵抗加熱体による発熱量に比べて周辺部領域の抵抗加熱体による発熱量が高くなるように調節するものであることを特徴とする鍛造用金型装置である。

本発明の鍛造用金型装置は、円盤状をなす上下の少なくとも一方の金型について、複数の抵抗加熱体が同心円状に配置されて組み込まれることで形成された複数の加熱可能領域を有して金型を加熱するヒータプレートを備えており、例えば、このヒータプレートの半径方向における複数の加熱可能領域の温度を領域ごとに調節することで、鍛造中での金型の製品成形面の半径方向における温度分布を所要温度でほぼ均一にすることができ、半径方向における形状不良のない良好な円盤状の鍛造品を得ることができる。一方、鍛造用素材の成形性や同素材の半径方向の厚み等の違いに起因した鍛造用素材の冷え易さを考慮して、加熱可能領域間で積極的に不均一な温度分布となるよう温度調節または加熱可能領域間で積極的に不均一な発熱量分布となるよう複数の抵抗加熱体の発熱量を調節することで、形状不良のない良好な円盤状の鍛造品を得ることができる。

本発明の一実施形態による鍛造用金型装置の要部の構成を概略的に示す断面図である。 図１におけるヒータプレートの構成を概略的に示す図で、その（ａ）は平面図、その（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図である。 図１に示す鍛造用金型装置の温度調節手段の一例を示す説明図である。

以下、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よる鍛造用金型装置の要部の構成を概略的に示す断面図である。

図１において、１０は製品成形面１０ａを有して円盤状をなす上金型、２０は製品成形面２０ａを有して円盤状をなす下金型であり、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。この鍛造用金型装置の上金型側は、図１に示すように、上金型１０と、上金型１０を支持する円盤状のダイプレート１６と、上金型１０の外周部を囲繞し、該上金型１０を保持する円環状のダイホルダー１４と、上金型１０の製品成形面１０ａと反対側の面が当接するように配置され、ダイホルダー１４に保持された上金型１０を加熱するための円盤状をなす後述のヒータプレート１１と、ヒータプレート１１とダイプレート１６との間に配置された円盤状の断熱プレート１５と、ダイホルダー１４を加熱（輻射加熱）するための赤外線ヒータ１７と、を備えている。鍛造に際して、加熱炉で予熱された上金型１０が前記ダイホルダー１４の内側に収容され、例えば図示しないピンなどを用いてダイホルダー１４に固定されるという「入れ子構造」になっている。

５０は、図示しないプレス機の昇降側部材（ラムあるいはスライダと呼ばれる）に固定されたベースプレートである。予熱が施された上金型１０の装着に先立ち、ベースプレート５０には、タイロッド１８ａ、ナット１８ｂ、座金１８ｃ及び皿ばね１８ｄを用いて、ダイプレート１６、断熱プレート１５、ヒータプレート１１及びダイホルダー１４が一体に取り付けられている。また、前記赤外線ヒータ１７はベースプレート５０に支持されている。

つぎに、下金型２０側について説明する。この鍛造用金型装置の下金型側は、図１に示すように、下金型２０と、下金型２０を支持する円盤状のダイプレート２６と、下金型２０の外周部を囲繞し、該下金型２０を保持する円環状のダイホルダー２４と、下金型２０の製品成形面２０ａと反対側の面が当接するように配置され、ダイホルダー２４に保持された下金型２０を加熱するための円盤状をなす後述のヒータプレート２１と、ヒータプレート２１とダイプレート２６との間に配置された円盤状の断熱プレート２５と、ダイホルダー２４を加熱（輻射加熱）するための赤外線ヒータ２７と、を備えている。鍛造に際して、加熱炉で予熱された下金型２０が前記ダイホルダー２４の内側に収容され、例えば図示しないピンなどを用いてダイホルダー２４に固定されるという「入れ子構造」になっている。

６０は、前記プレス機の固定側部材（ボルスター）に固定されたベースプレートである。予熱が施された下金型２０の装着に先立ち、このベースプレート６０には、タイロッド２８ａ、ナット２８ｂ、座金２８ｃ及び皿ばね２８ｄを用いて、ダイプレート２６、断熱プレート２５、ヒータプレート２１及びダイホルダー２４が一体に取り付けられている。また、前記赤外線ヒータ２７はベースプレート６０に支持されている。なお、図１では、鍛造製品を取り出すためのノックアウト機構などは図示省略している。

前記の上下の金型１０，２０は、その材質が例えばＮｉ基耐熱合金からなるものである。また、前記ヒータプレート１１，２１は、その材質が例えばＮｉ基耐熱合金からなるものである。前記ダイホルダー１２，２２は、その材質が例えば熱間工具鋼からなるものである。前記断熱プレート１３，２３は、例えば耐火れんがからなるものである。また、前記ダイプレート１４，２４は、その材質が例えば炭素鋼からなるものである。

図２は図１におけるヒータプレートの構成を概略的に示す図で、その（ａ）は平面図、その（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図である。

図２に示すように、円盤状のヒータプレート１１には、上金型１０の底面（製品成形面１０ａと反対側の面）に当接する側の表面に、円環状溝１１ｂ_１，１１ｂ_２，１１ｂ_３が所定の間隔をあけて同心円状に設けられている。円環状溝１１ｂ_１，１１ｂ_２，１１ｂ_３は、ヒータプレート１１において上金型１０の製品成形面１０ａに対応する領域に設けられている。この実施形態では、ヒータプレート１１の半径方向における中心部領域に１つの円環状溝１１ｂ_１が設けられ、その周辺部領域に２つの円環状溝１１ｂ_２，１１ｂ_３が設けられている。すなわち、ヒータプレート１１において、上金型１０の製品成形面１０ａの半径方向における中心部領域に対応する位置に円環状溝１１ｂ_１が設けられ、上金型１０の製品成形面１０ａの半径方向における周辺部領域に対応する位置に円環状溝１１ｂ_２，１１ｂ_３が設けられている。

これらの円環状溝１１ｂ_１，１１ｂ_２，１１ｂ_３内には、それぞれ、抵抗加熱によって発熱する抵抗加熱体である公知のシーズヒータ１１ａ_１，１１ａ_２，１１ａ_３が当該溝に密接する状態で配置されている。シーズヒータ１１ａ_１，１１ａ_２，１１ａ_３は、円形状に曲げられてなり、断面円形の金属管内に発熱線としてニクロム線を収容するとともに、その隙間を熱伝導性の良好な無機絶縁物粉末で密に充填してなるものである。

前記円環状溝１１ｂ_１内に配置されたシーズヒータ１１ａ_１の２本１組みのリード線１１ａ_１Ｌ、前記円環状溝１１ｂ_２内に配置されたシーズヒータ１１ａ_２の２本１組みのリード線１１ａ_２Ｌ、及び、前記円環状溝１１ｂ_３内に配置されたシーズヒータ１１ａ_３の２本１組みのリード線１１ａ_３Ｌは、リード線用溝１１ｃ内を通ってヒータプレート１１の外部に引き出されている。

なお、下金型２０を加熱するためのヒータプレート２１は、上金型１０加熱用の前記ヒータプレート１１と同構成であるので、ここではその説明を省略する。

図３は図１に示す鍛造用金型装置の温度調節手段の一例を示す説明図である。

図３に示すように、ヒータプレート１１の半径方向における中心部領域に配置されたシーズヒータ１１ａ_１のリード線１１ａ_１Ｌが、シーズヒータ１１ａ_１に調節可能に電力（交流電力）を供給することで、ヒータプレート１１の中心部領域の温度を調節可能に設定する第１の温度調節計１３Ａに接続されている。また、ヒータプレート１１の半径方向における周辺部領域に配置されたシーズヒータ１１ａ_２，１１ａ_３のリード線１１ａ_２Ｌ，１１ａ_３Ｌが、この実施形態では並列接続された状態で第２の温度調節計１３Ｂに接続されている。第２の温度調節計１３Ｂは、シーズヒータ１１ａ_２，１１ａ_３に調節可能に電力を供給することで、ヒータプレート１１の周辺部領域の温度を調節可能に設定する調節計である。

前記の第１の温度調節計１３Ａ及び第２の温度調節計１３Ｂは、ヒータプレート１１における中心部領域の温度と周辺部領域の温度とを領域ごとに調節する温度調節手段を構成している。本実施形態においては、前記の第１の温度調節計１３Ａ及び第２の温度調節計１３Ｂは、シーズヒータ１１ａ_１，１１ａ_２，１１ａ_３の電源電圧可変によりこれらの発熱量を領域ごとに調節する発熱量調節手段を兼ねている。このため、本実施形態においては、前記の第１の温度調節計１３Ａ及び第２の温度調節計１３Ｂは、ヒータプレート１１における中心部領域の抵抗発熱体であるシーズヒータ１１ａ_１による発熱量と周辺部領域の抵抗発熱体であるシーズヒータ１１ａ_２，１１ａ_３による発熱量とを領域ごとに調節することで、形状不良のない良好な円盤状の鍛造品を得ることができる。

なお、下金型２０加熱用のヒータプレート２１における中心部領域の温度と周辺部領域の温度とを領域ごとに調節する温度調節手段である温度調節計２３Ａ，２３Ｂは、前記温度調節計１３Ａ，１３Ｂと同構成であるので、ここではその説明を省略する。本実施形態においては、前記の第１の温度調節計２３Ａ及び第２の温度調節計２３Ｂは、シーズヒータ２１ａ_１，２１ａ_２，２１ａ_３の電源電圧可変によりこれらの発熱量を領域ごとに調節する発熱量調節手段を兼ねている。

次に、前記のように構成される鍛造用金型装置において、高温鍛造時における上下の金型１０，２０の温度調節について、図１〜図３を参照して説明する。

上下の金型１０，２０の装着に先立ち、プレス機のボルスターに固定されたベースプレート６０には、ダイプレート２６、断熱プレート２５、ヒータプレート２１及びダイホルダー２４が一体に取り付けられており、赤外線ヒータ２７がベースプレート６０に支持されている。そして、ヒータプレート２１及びダイホルダー２４は、所要の温度（例えば、下金型２０の最終目標温度よりも数百度程度低い温度）に加熱されている。

同様に、プレス機のラムに固定されたベースプレート５０には、ダイプレート１６、断熱プレート１５、ヒータプレート１１及びダイホルダー１４が一体に取り付けられており、赤外線ヒータ１７がベースプレート５０に支持されている。そして、ヒータプレート１１及びダイホルダー１４は、所要の温度（例えば、上金型１０の最終目標温度よりも数百度程度低い温度）に加熱されている。

そして、加熱炉で所定温度に予熱された上下の金型１０，２０がピン等によってダイホルダー１４，２４に固定されると、鍛造中での下金型２０の製品成形面２０ａの半径方向における温度分布が所要温度でほぼ均一になるようにするため、下金型２０を加熱するヒータプレート２１の半径方向における中心部領域の温度に比べて周辺部領域の温度が所定温度高くなるように、第１の温度調節計２３Ａにより予め定められた電力がシーズヒータ２１ａ_１に供給されるとともに、第２の温度調節計２３Ｂにより予め定められた電力がシーズヒータ２１ａ_２，２１ａ_３に供給される。

これとともに、鍛造中での上金型１０の製品成形面１０ａの半径方向における温度分布が所要温度でほぼ均一になるようにするため、上金型１０を加熱するヒータプレート１１の半径方向における中心部領域の温度に比べて周辺部領域の温度が所定温度高くなるように、第１の温度調節計１３Ａにより予め定められた電力がシーズヒータ１１ａ_１に供給されるとともに、第２の温度調節計１３Ｂにより予め定められた電力がシーズヒータ１１ａ_２，１１ａ_３に供給される。

この場合、ヒータプレート１１の中心部領域の温度及び該温度にするために第１の温度調節計１３Ａから供給する電力、並びに、ヒータプレート１１の周辺部領域の温度及び該温度にするために第２の温度調節計１３Ｂから供給する電力は、例えば、上下の金型１０，２０の大きさや、鍛造用素材の大きさ、その加熱温度などに応じた予備実験を行っておき、その結果に基づき定めることができる。下金型２０を加熱するヒータプレート２１についても、同様である。

なお、ヒータプレート１１の中心部領域に温度センサ（例えば熱電対）を配置しておき、第１の温度調節計１３Ａにより、中心部領域の設定温度と前記温度センサによる測定温度との温度差を求め、この温度差が解消されるようにシーズヒータ１１ａ_１に電力を供給するとともに、ヒータプレート１１の周辺部領域に温度センサ（例えば熱電対）を配置しておき、第２の温度調節計１３Ｂにより、周辺部領域の設定温度と前記温度センサによる測定温度との温度差を求め、この温度差が解消されるようにシーズヒータ１１ａ_２，１１ａ_３に電力を供給するように構成してもよい。下金型２０を加熱するヒータプレート２１についても、同様である。

そして、加熱炉で所定温度に加熱された円柱状の鍛造用素材を下金型２０の製品成形面２０ａの中心部上に載置した後、直ちにその上に上金型１０を下降し、所定の鍛造速度、加圧力で、この円柱状の鍛造用素材の高温鍛造が行われることになる。

ここで、加熱炉で加熱された円柱状の鍛造用素材を高温鍛造して円盤状の鍛造製品を成形する場合、円柱状の鍛造用素材を下金型２０上に載置するので、上下の金型１０，２０の製品成形面１０ａ，２０ａの中心部領域は、鍛造の開始から終了まで常に鍛造用素材と接しており、周辺部領域に比べて高い温度が保持される。一方、製品成形面１０ａ，２０ａの周辺部領域は、鍛造による成形肉がなかなか満たされず、中心部領域に比べて温度が低下し、成形がし難い状態となる。この場合、ヒータプレート全体が均一温度に加熱されたヒータプレートにより上下の金型１０，２０の加熱を行うと、製品成形面１０ａ，２０ａの中心部領域の温度が高く、周辺部領域の温度が低いという製品成形面１０ａ，２０ａでの温度分布の不均一が解消されない。このため、周辺部領域で形状不良が生じ、例えば平面視円形の製品が楕円形になるなど不具合が起きてしまう。

本実施形態による鍛造用金型装置では、前記のように、第１の温度調節計１３Ａ，２３Ａ及び第２の温度調節計１３Ｂ，２３Ｂにより、上下の金型１０，２０を加熱するヒータプレート１１，２１の半径方向における中心部領域の温度に比べて周辺部領域の温度が所定温度高くなるようにし、これにより、鍛造中での上下の金型１０，２０の製品成形面１０ａ，２０ａの半径方向における温度分布が所定温度（例えば、加熱炉で加熱された鍛造用素材と同一温度）にてほぼ均一になるようにすることができる。その結果、半径方向における形状不良のない良好な円盤状の鍛造品を得ることができる。

なお、前記の実施形態による鍛造用金型装置では、ヒータプレート１１，２１における中心部領域の温度と周辺部領域の温度とを領域間で温度差が生じるように調節することで、鍛造中での上下の金型１０，２０の製品成形面１０ａ，２０ａの半径方向における温度分布がほぼ均一になるようにする場合について説明したが、本発明は、これに限定されず、例えば鍛造製品の半径方向における厚みの変化度合いによっては、鍛造中での上下の金型の各製品成形面に対して半径方向における温度差を付与するというような場合にも適用することができる。

１…金型 １０…上金型 ２０…下金型
１１…ヒータプレート
１１ａ_１，１１ａ_２，１１ａ_３…シーズヒータ
１１ｂ_１，１１ｂ_２，１１ｂ_３…円環状溝
１１ｃ…リード線用溝 １１ａ_１Ｌ，１１ａ_２Ｌ，１１ａ_３Ｌ…リード線
１３Ａ…第１の温度調節計 １３Ｂ…第２の温度調節計
２１…ヒータプレート
２１ａ_１，２１ａ_２，２１ａ_３…シーズヒータ
２１ｂ_１，２１ｂ_２，２１ｂ_３…円環状溝
２１ｃ…リード線用溝 ２１ａ_１Ｌ，２１ａ_２Ｌ，２１ａ_３Ｌ…リード線
２３Ａ…第１の温度調節計 ２３Ｂ…第２の温度調節計
１４，２４…ダイホルダー
１５，２５…断熱プレート
１６，２６…ダイプレート
１７，２７…赤外線ヒータ

Claims (2)

1. 鍛造用素材の熱間鍛造に用いられる鍛造用金型装置において、
   円盤状の上金型及び下金型と、
   前記上金型及び前記下金型をそれぞれ保持する円環状のダイホルダーと、
   前記各ダイホルダーを加熱するための赤外線ヒータと、
   上下の少なくとも一方の金型について、円盤状をなし、複数の抵抗加熱体が同心円状に配置されて組み込まれることにより複数の加熱可能領域を形成してなり、金型の製品成形面と反対側の面が当接され、当該金型を加熱するためのヒータプレートと、
   前記ヒータプレートの半径方向における複数の加熱可能領域の温度を当該領域ごとに調節可能な温度調節手段を備え、
   前記温度調節手段が、鍛造中において前記上下の少なくとも一方の金型の製品成形面の半径方向における温度分布が所定温度にてほぼ均一になるようにするために、前記ヒータプレートの半径方向における中心部領域の温度に比べて周辺部領域の温度が所定温度高くなるように調節するものであることを特徴とする鍛造用金型装置。
2. 鍛造用素材の熱間鍛造に用いられる鍛造用金型装置において、
   円盤状の上金型及び下金型と、
   前記上金型及び前記下金型をそれぞれ保持する円環状のダイホルダーと、
   前記各ダイホルダーを加熱するための赤外線ヒータと、
   上下の少なくとも一方の金型について、円盤状をなし、複数の抵抗加熱体が同心円状に配置されて組み込まれることにより複数の加熱可能領域を形成してなり、金型の製品成形面と反対側の面が当接され、当該金型を加熱するためのヒータプレートと、
   前記ヒータプレートの半径方向における複数の抵抗加熱体の発熱量を調節する発熱量調節手段を備え、
   前記発熱量調節手段が、鍛造中において前記上下の少なくとも一方の金型の製品成形面の半径方向における温度分布が所定温度にてほぼ均一になるようにするために、前記ヒータプレートの半径方向における中心部領域の抵抗加熱体による発熱量に比べて周辺部領域の抵抗加熱体による発熱量が高くなるように調節するものであることを特徴とする鍛造用金型装置。

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