JP6319418B2

JP6319418B2 - 円形材の製造に用いられる鍛造装置

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Publication number: JP6319418B2
Application number: JP2016254590A
Authority: JP
Inventors: 憲司田村; 真樹衣笠
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2016-12-28
Filing date: 2016-12-28
Publication date: 2018-05-09
Anticipated expiration: 2033-06-28
Also published as: JP2017080814A

Description

本発明は、円形材の製造に用いられる鍛造装置に関し、さらに詳しくは鉄道用車輪、ギヤ及びリングに代表される円形材の製造に用いられる鍛造装置に関する。

鉄道用車輪、ギヤ及びリングに代表される円形材は、外周面の横断形状（円形材の中心軸に垂直な断面形状）が円形である。このような円形材は例えば、次のとおり製造される。

初めに、円柱素材を加熱する。加熱された円柱素材に対して荒地成形加工を実施して、中間品（鍛造荒地）を製造する。荒地成形加工では、１又は複数回の据込鍛造を実施する。鍛造荒地に対して、仕上圧延及び仕上鍛造等を実施して、円形材を製造する。仕上鍛造後の円形材に対して、必要に応じて、熱処理及び機械加工を実施してもよい。

円形材が鉄道用車輪の場合、荒地成形工程において２回の据込鍛造（前期荒地成形工程及び後期荒地成形工程）を実施して鍛造荒地を製造する。前期荒地成形工程では、一対の開放型の金型を用いて、円柱素材に対して据込鍛造を実施する。後期荒地成形工程では、前期荒地成形工程と異なる形状を有する一対の金型を用いて、据込鍛造を実施する。前期及び後期荒地成形工程により、鉄道用車輪の概略形状を有する鍛造荒地を製造する。

円形材がリングの場合、荒地成形工程において円柱素材に対して据込鍛造を実施して鍛造荒地を製造する。鍛造荒地の中心部を穿孔した後、穿孔された鍛造荒地に対して、仕上圧延及び仕上鍛造を実施し、さらに必要に応じて機械加工を実施して、リングを製造する。

前期荒地成形工程において円柱素材に対して据込鍛造を実施する場合、上述のとおり、開放型の金型が利用される。開放型の金型は、据込鍛造中に円柱素材の外周面を拘束しない。そのため、円柱素材の中心軸が金型の中心軸からずれて配置されたり、円柱素材の横断形状が不均一であったりする場合、荒地成形工程により製造された鍛造荒地に偏肉が発生する場合がある。

偏肉の発生を抑制する技術が、特開２００３−１９５３４号公報（特許文献１）に提案されている。特許文献１では、筒状のリング工具の中に円柱素材を配置した後、円柱素材に対して据込鍛造を実施する。このとき、リング工具の内面は、据込鍛造により変形された円柱素材の外周面と接触し、円柱素材を拘束する。続いて、据込鍛造を停止し、リング工具を鍛造装置から取り除く。リング工具を取り除いた後、再び据込鍛造を実施して、円形材の概略形状を有する鍛造荒地を製造する。

特開２００３−１９５３４号公報

上述のとおり、特許文献１では、荒地成形工程中に、リング工具を鍛造装置から取り除く工程が含まれる。リング工具を除去するためには、たとえば、一対の金型のうちの一方を円柱素材から離して、リング工具を抜き取るための隙間をつくらなければならない。そのため、リング工具を除去する工程は、円形材の生産効率を低下する。

本発明の目的は、生産効率の低下を抑制しつつ、偏肉の発生を抑制できる円形材の製造に用いられる鍛造装置を提供することである。

本実施形態による鍛造装置は、上述の製造方法に利用される。本実施形態の鍛造装置は、円柱素材に対して据込鍛造を実施する。鍛造装置は、互いに対向して配置される第１及び第２の金型を備える。第１の金型は、筒部材と、円形部材とを含む。筒部材は、横断形状が円である内周面と、第２の金型に対向して配置される端面とを含む。円形部材は、筒部材と同軸に筒部材内に配置される。鍛造装置はさらに、スライド装置を備える。スライド装置は、第１の据込鍛造を実施する場合、筒部材を円形部材に対して相対的に前進させて筒部材を円形部材よりも第２の金型側に突き出し、第１の据込鍛造後に第２の据込鍛造を実施する場合、突き出された筒部材を円形部材に対して相対的に後退させる。第１の据込鍛造において、内周面は円柱素材と接触し、第２の据込鍛造において、後退後の筒部材の端面は円形部材の表面とともに、円柱素材と接触する。

本実施の形態による鍛造装置は、生産効率の低下を抑制しつつ、円形材での偏肉の発生を抑制できる。

図１は、本実施の形態における鍛造装置の断面図である。図２は、図１中の筒部材と円形部材とを備える金型の平面図である。図３は、図１中の筒部材をスライドした後の鍛造装置の断面図である。図４は、本実施形態における円形材の製造方法のフロー図である。図５は、図４中の配置工程を説明するための模式図である。図６は、図５中の円柱素材の平面図である。図７は、図４中の突出工程を説明するための模式図である。図８は、図４中の第１据込鍛造工程を説明するための模式図である。図９は、図４中の格納工程を説明するための模式図である。図１０は、図４中の第２据込鍛造工程を説明するための模式図である。図１１は、据込鍛造時の圧下量と円柱素材の偏肉率との関係を示す図である。図１２は、図１中の筒部材と異なる構成を有する他の筒部材の断面図である。図１３は、図１と異なる構成を有する本実施形態の他の鍛造装置の断面図である。図１４は、図１及び図１３と異なる構成を有する本実施形態の他の鍛造装置の断面図である。

本実施の形態による製造方法は、円柱素材に対して据込鍛造を実施して円形材を製造する。上記製造方法は、配置工程と、突出工程と、第１の据込鍛造工程と、格納工程と、第２の据込鍛造工程とを含む。配置工程では、互いに対向する第１及び第２の金型を備え、第１の金型は、横断形状が円である内周面を有する筒部材と、筒部材と同軸に筒部材内に配置される円形部材とを含む鍛造装置の第１及び第２の金型の間に、筒部材の内径よりも小さい外径を有する円柱素材を配置する。突出工程では、筒部材を円形部材に対して相対的に前進させて円形部材よりも第２の金型側に突き出す。第１の据込鍛造工程では、筒部材を突き出した後、円柱素材に対して据込鍛造を実施して、円柱素材を筒部材の内周面に接触させる。格納工程では、円柱素材が筒部材の内周面に接触した後、突き出された筒部材を円形部材に対して相対的に後退させて、筒部材を円柱素材から引き抜く。第２の据込鍛造工程では、筒部材を引き抜いた後、円柱素材に対して据込鍛造を実施して、円柱素材を後退後の筒部材の端面に接触させる。

本実施の形態では、筒部材を第２の金型側に突き出した後、第１の据込鍛造を実施する。この据込鍛造により、円柱素材は変形して径方向に広がる。そして、円柱素材の外周面が筒部材の内周面に接触することにより、円柱素材は筒部材に拘束される。円柱素材が筒部材に拘束されることにより、偏肉の発生が抑制される。

さらに、突き出された筒部材を後退させて筒部材を円柱素材から引き抜いた後、第２の据込鍛造を実施する。このとき、円柱素材はさらに径方向に広がり、円形部材の表面とともに、後退後の筒部材の端面にも接触する。したがって、筒部材の端面は、第２の据込鍛造において第１の金型の表面（鍛造面）として利用される。本実施形態の製造方法では、特許文献１のように、筒部材を鍛造装置から取り除く必要がない。そのため、筒部材の取り除くことによる生産効率の低下を抑制できる。さらに、筒部材の端面を第１の金型の表面（鍛造面）として利用して据込鍛造を実施するため、第１の据込鍛造において筒部材の内周面が円柱素材を有効に拘束できるように、筒部材の内径を適切なサイズにすることができる。

本明細書において「同軸」は、筒部材の中心軸が円形部材の中心軸と厳密に一致する場合だけでなく、筒部材が円形部材に対して第１の金型の軸方向にスライド（前進及び後退）可能な範囲で、筒部材の中心軸が円形部材の中心軸から多少ずれている場合も含む。

筒部材の内径は、第２の金型に向かって大きくなってもよい。

この場合、第１の据込鍛造工程後に、筒部材をスライドするときに、円柱素材が筒部材の内面から離れやすい。そのため、筒部材を円柱素材から引き抜きやすい。

筒部材の端面は、筒部材の外側に傾斜してもよい。

この場合、第２の据込鍛造工程において、変形中の円柱素材の一部が円形材と筒部材との間の隙間に入り込みにくい。さらに、第２の据込鍛造工程後の中間品の外周縁部分の肉厚が、他の部分よりも厚くなる。また、円柱素材のスケールが第１の金型の外部に除去されやすい。

筒部材を後退させる工程では、円形部材の表面の外縁が筒部材の端面の内縁よりも第２の金型側に近くなるように、筒部材の端面を配置してもよい。

この場合、第２の据込鍛造工程において、変形中の円柱素材の一部が円形材と筒部材との隙間に入り込みにくい。

本実施形態の鍛造装置を用いれば、上述の製造方法を実施できる。そのため、生産効率が低下しにくく、円形材に偏肉も発生しにくい。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳しく説明する。図中同一又は相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。

［鍛造装置］
図１は、本実施形態による鍛造装置１の正面図である。図１を参照して、鍛造装置１は、一対の金型２及び３を備える。一対の金型２及び３の表面（据込鍛造時に円柱素材の端面と接触する面、以下、鍛造面という）は、互いに対向して配置される。金型２は、金型３と同軸に配置される。

金型２は、円盤状であり、金型３の上方に配置される。金型２では、下面２１が円柱素材の端面と接触する鍛造面である。鍛造面２１は、平坦であってもよいし、図１に示すように、凹凸を有してもよい。金型３は、金型２の下方に配置される。金型３の鍛造面は、金型２の鍛造面と対向して配置される。

鍛造装置１はさらに、図示しない駆動装置を備える。駆動装置は、一対の金型２及び３の少なくともいずれか一方を金型３の中心軸ＣＬに沿って相対的に移動する。図１では、駆動装置により、金型２が昇降する。しかしながら、金型２に代えて、金型３が昇降してもよいし、金型２及び金型３がそれぞれ昇降してもよい。金型２及び金型３が相対的に移動することにより、円柱素材に対して据込鍛造が実施される。

［金型３］
図２は、図１中の金型３の平面図である。図１及び図２を参照して、金型３は、円形部材４と、筒部材５とを備える。

円形部材４の横断形状（円形部材４の中心軸と垂直な断面の形状）は円である。図１及び図２では、円形部材４は円盤状であり、円柱状の台座６上に配置される。しかしながら、円形部材４は、台座６と一体的に形成された円柱状であってもよい。円形部材４の表面４１は、円柱素材の端面と接触する。したがって、表面４１は鍛造面である。表面４１は平坦であってもよいし、図１及び図２に示すとおり、凹凸を有していてもよい。

円形部材４は、筒部材５と同軸に配置され、筒部材５内に配置される。換言すれば、筒部材５は、円形部材４の外周面の周りに配置される。したがって、円形部材４の外径は、筒部材５の内径よりも小さい。

筒部材５は、筒状の部材であり、内周面５１と、端面５２とを備える。内周面５１は、横断形状が円である。端面５２は、内周面５１の上端とつながっており、金型２の表面（鍛造面）２１と対向して配置される。

図１及び図２では、筒部材５の外周面の横断形状は円である。しかしながら、筒部材５の外周面の横断形状は円でなくてもよい。筒部材５の外周面は、多角形状であってもよいし、矩形状であってもよい。筒部材５では、内周面５１の横断形状が円であればよく、外周面の形状は特に限定されない。

鍛造装置１はさらに、スライド装置７を備える。スライド装置７は、筒部材５を円形部材４に対して、中心軸ＣＬ方向に相対的に前進又は後退させる。

図１では、スライド装置７は、筒部材５と接続される。具体的には、スライド装置７は、端面５２と反対側の端面５３に接続される。図３に示すとおり、スライド装置７は、筒部材５を中心軸ＣＬに沿って前進させて筒部材５を円形部材４よりも金型２側に突き出す。スライド装置７はさらに、突き出された筒部材５を後退させる。

図１に示すスライド装置７はたとえば、油圧又は電動シリンダであり、シリンダロッド７１を備える。しかしながら、スライド装置７は油圧及び電動シリンダに限定されない。スライド装置７は、クランク機構により筒部材５を上下にスライドしてもよいし、他の機構により筒部材５を上下にスライドしてもよい。

スライド装置７は、筒部材５を直接スライドしなくてもよい。例えば、筒部材５が別部材上に配置され、スライド装置７がこの別部材をスライドすることにより、筒部材が上下にスライドしてもよい。要するに、スライド装置７は、直接的、又は、（別部材を介して）間接的に、筒部材５をスライドする。

以上のとおり、金型３は、中心軸ＣＬに沿ってスライド可能な筒部材５を備える。筒部材５を前進させて金型２側に突き出すことにより、内周面５１が据込鍛造中の円柱素材を拘束し、偏肉の発生を抑制する。さらに、突き出された筒部材５を後退させて円柱素材から筒部材を引き抜き、かつ、後退後の筒部材５の端面５２を鍛造面として利用することにより、生産効率の低下を抑制する。以下、円形材の製造方法について詳述する。

［円形材の製造方法］
以降の説明では、円形材が鉄道用車輪である場合の製造方法を説明する。しかしながら、円形材が鉄道用車輪以外のものであっても、本実施形態の製造方法は適用可能である。

円形材の製造方法は、荒地成形工程と、仕上圧延工程と、仕上鍛造工程とを備える。荒地成形工程では、円柱素材に対して複数回の据込鍛造を実施して、円形材の概略形状を有する鍛造荒地を製造する。仕上圧延工程では、周知の圧延方法（例えばホイールミルを用いた圧延）により鍛造荒地を圧延する。仕上鍛造工程では、圧延された荒地に対して周知の鍛造を実施して円形材を製造する。以下、荒地成形工程について詳述する。

［荒地成形工程］
図４は、荒地成形工程のフロー図である。荒地成形工程では、前期荒地成形工程（Ｓ１００）と、後期荒地成形工程（Ｓ２００）とを実施する。前期荒地成形工程（Ｓ１００）では、円柱素材に対して据込鍛造を実施して、中間品を製造する。後期荒地成形工程（Ｓ２０）では、前期荒地成形工程で用いた金型と異なる金型を使用して、中間品に対して据込鍛造を実施し、円形材の概略形状を有する鍛造荒地を製造する。

［前期荒地成形工程］
図４を参照して、前期荒地成形工程（Ｓ１００）では初めに、加熱された円柱素材を鍛造装置１に配置する（Ｓ１、配置工程）。具体的には、図５に示すとおり、一対の金型２及び金型３の間に、加熱された円柱素材１０を配置する。配置される円柱素材１０の外径は、筒部材５の内径よりも小さい。したがって、円柱素材１０の下端面は、表面４１と接触する。円柱素材１０はたとえば、周知の加熱炉により加熱される。

配置工程（Ｓ１）では、図示しないマニピュレータ等を用いて、円柱素材１０の中心軸が金型３の中心軸（つまり中心軸ＣＬ）と一致するように、円柱素材１０の配置位置を調整する。しかしながら、マニピュレータ等で円柱素材１０の中心軸を中心軸ＣＬと一致するように配置するのは困難である。そのため、円柱素材１０の中心軸は、中心軸ＣＬから多少ずれる場合がある。

さらに、円柱素材１０の横断形状が真円でない場合もある。例えば、円柱素材１０が連続鋳造法により製造された丸ビレットである場合、連続鋳造装置のピンチロールにより、製造中の円柱素材１０の外周面が押される場合がある。この場合、図６に示すように、円柱素材１０の外周面に平坦部１５が形成される。この場合、円柱素材１０は、周方向に体積が均等でない形状、つまり、偏肉を有する。この偏肉の程度を以下、「偏肉率」という。

本明細書において偏肉率（％）は次のとおり定義される。図６を参照して、円柱素材１０を周方向に中心角３０°ごとに１２分割する。換言すれば、円柱素材１０を端面から見て、中心軸Ｏ周りに等しい中心角で１２分割する。分割された各領域を領域Ａ１〜Ａ１２と称する。各領域Ａｉ（ｉ＝１〜１２）の体積を求める。求めた体積のうち、最大の体積をＶｍａｘとし、最小の体積をＶｍｉｎと定義する。さらに、各領域Ａ１〜Ａ１２の体積の平均をＶａｖｅと定義する。Ｖｍａｘ、Ｖｍｉｎ、Ｖａｖｅを用いて、偏肉率（％）を次の式（１）で定義する。
偏肉率＝（Ｖｍａｘ−Ｖｍｉｎ）／Ｖａｖｅ（１）

円柱素材１０の中心軸が中心軸ＣＬからずれて配置されたり、円柱素材１０の偏肉率が高い場合、荒地成形工程後の鍛造荒地に偏肉が発生しやすくなる。鍛造荒地に偏肉が発生すれば、最終製品である円形材にも偏肉が残る。したがって、円形材での偏肉の発生を抑制するためには、鍛造荒地での偏肉の発生を抑制するのが好ましい。本実施形態の製造方法では、以下に説明する工程により、鍛造荒地の偏肉率を抑えることができる。

配置工程（Ｓ１）で円柱素材１０を一対の金型２、３の間に配置した後、筒部材５を突き出す（図４中のＳ２、突出工程）。具体的には、図７に示すように、スライド装置７を用いて筒部材５を前進（図７では上昇）させ、筒部材５を円形部材４よりも金型２側に突き出す。

上述のとおり、円柱素材１０の外径は、筒部材５の内径よりも小さい。そのため、円柱素材１０の下部は、突き出された筒部材５内に収納される。したがって、円柱素材１０の下部の外周面の周りには、筒部材５の内周面５１が配置される。

続いて、円柱素材１０に対して据込鍛造を実施する（図４中のＳ３、第１据込鍛造工程）。本実施形態では、金型３（円形部材４及び筒部材５）を固定したまま、図示しない駆動装置により金型２を下方に下げる。これにより、円柱素材１０は軸方向に圧縮され、径方向に広がる。その結果、図８に示すように、据込鍛造された円柱素材１０の外周面が、筒部材５の内周面５１と接触する。

第１据込鍛造工程（Ｓ３）では、据込鍛造により円柱素材１０の外周面を筒部材５の内周面５１に接触させる。そのため、据込鍛造中、筒部材５は、円柱素材１０を拘束する。円柱素材１０は、筒部材５に拘束されながら変形する。そのため、円柱素材１０を配置するときに生じた中心軸のずれ（円柱素材１０の中心軸と中心軸ＣＬとのずれ）が改善される。さらに、円柱素材１０自体に発生している偏肉も、筒部材５の拘束により改善される。筒部材５の拘束により、第１据込鍛造工程で製造される中間品の偏肉率は低くなる。

第１据込鍛造工程（Ｓ３）での据込鍛造の圧下量を、あらかじめ設定してもよい。また、円柱素材１０の接触により筒部材５に作用する内圧又はスラスト力を求め、求めた内圧に応じて圧下量を調整してもよい。この場合例えば、筒部材５にひずみゲージが配置される。金型２又は金型３に係る圧下荷重により、圧下量を調整してもよい。要するに、据込鍛造時の圧下量の調整方法は特に限定されない。

好ましくは、第１据込鍛造工程終了時において、円柱素材を中心軸方向から見た場合、円柱素材１０の外周全周が筒部材５の内面５１に接触する。円柱素材１０の外周の接触度合いは、外周部分の位置に応じて異なっていてもよい。例えば、円柱素材自体が偏肉を有する場合、体積が偏っている部分が筒部材５の内面５１と強く接触し、体積が偏っている部分と反対側の部分が筒部材５の内面５１とわずかに接触していてもよい。この場合、偏肉がより改善される。

突出工程（Ｓ２）における筒部材５のスライド量（移動量）は例えば、第１据込鍛造工程（Ｓ３）での据込鍛造の圧下量（金型２又は金型３の相対移動距離）に応じて設定される。第１据込鍛造工程（Ｓ３）では、据込鍛造を実施後、金型２の移動を停止（つまり、据込鍛造を一旦停止）する。

続いて、突き出された筒部材５を後退させて、円柱素材１０から引き抜く（図４中のＳ４、収納工程）。具体的には、図９に示すように、突き出された筒部材５をスライド装置７により後退させる。筒部材５は円柱素材１０と接触しているため、筒部材５を後退させることにより、筒部材５は円柱素材１０から引き抜かれる。

好ましくは、図９に示すように、筒部材５が円形部材４から突き出なくなるまで、筒部材５を後退させる。より具体的には、筒部材５の端面５２の内縁５２１が、円形部材４の表面４１の外縁４１１と同じ位置となるか、外縁４１１の方が内縁５２１よりも金型２に近くなるように、筒部材５の端面５２を配置する。この場合、次工程の第２据込鍛造工程において、変形した円柱素材１０がよりスムーズに径方向に広がることができる。図９では、端面５２の内縁５２１が表面４１の外縁４１１と同じ位置になるまで筒部材５を後退させて、筒部材５を停止している。

筒部材５を後退させた後、２回目の据込鍛造を実施して中間品を製造する（図４中のＳ５、第２据込鍛造工程）。具体的には、図１０に示すとおり、図示しない駆動装置により金型２を金型３に近づけるように移動して、据込鍛造を実施する。このとき、圧縮された円柱素材１０は、径方向にさらに広がる。その結果、変形中の円柱素材１０は、表面４１だけでなく、後退後の筒部材５の端面５２にも接触する。

要するに、第２据込鍛造工程（Ｓ５）では、金型３の表面４１だけでなく、端面５２も鍛造面として使用する。この据込鍛造により、円柱素材１０は径方向にさらに広がり、端面５２上にも延びて中間品１１となる。

以上の工程Ｓ１〜Ｓ５を含む前期荒地成形工程（Ｓ１００）で製造された中間品１１では、従来の前期荒地成形工程で製造された中間品と比較して、偏肉率が低下する。この点についてはシミュレート結果を用いて後述する。

中間品１１を製造した後、金型２及び金型３と異なる他の一対の金型を用いて、後期荒地成形工程を実施する（図４中のＳ２００）。後期荒地成形工程では、周知の据込鍛造を実施する。後期荒地成形工程により、車輪の概略形状を有する鍛造荒地が製造される。

製造された鍛造荒地を用いて、周知の仕上加工を実施して、円形材である鉄道用車輪を製造する。例えば、ホイールミルを用いて荒地に対して仕上圧延を実施する。仕上圧延後、仕上鍛造を実施して、円形材を製造する。

上述の本実施形態の製造方法では、円形材での偏肉の発生を抑制できる。図１１は、従来の荒地成形工程（以下、比較例という）と、本実施形態の荒地成形工程（以下、実施例という）とでの、各製造工程中の中間品の偏肉率の推移を示す図である。図１１は次の方法により得られた。

実施例では、前期荒地成形工程（Ｓ１００）中の第１及び第２据込鍛造工程（Ｓ３及びＳ５）と、後期荒地成形工程（Ｓ２００）とにおいて、据込鍛造中及び据込鍛造後の中間品の偏肉率を、有限要素法により求めた。具体的には、二次元軸対称剛塑性解析に基づいたシミュレーションにより、円柱素材に対して工程Ｓ３、Ｓ５及びＳ２００の据込鍛造を実施した。円柱素材１０の外径は４５０ｍｍとし、円柱素材１０の偏肉率は３％とした。金型３の筒部材５の内径は５００ｍｍとした。シミュレーションのため、円形部材４の外径は、筒部材５の内径と同じとした。金型２及び金型３の鍛造面は図１に示すような若干の凹凸を有する形状とした。後期荒地成形工程Ｓ２００では、前期荒地成形工程（Ｓ３及びＳ５）で設定した金型２及び金型３と異なる一対の金型を設定した。

以上の条件に基づいてシミュレーションを実施した。第１据込鍛造工程（Ｓ３）終了時の金型２の初期の位置からの移動量（以下、圧下量という）をＤ１とし、第２据込鍛造工程（Ｓ５）終了時の圧下量をＤ２とし、後期荒地成形工程（Ｓ２００）終了時の圧下量をＤ３とした。工程Ｓ３、Ｓ５及びＳ２００後の円柱素材１０（中間品）の偏肉率（％）を式（１）に基づいて求めた。

比較例では、前期荒地成形工程で使用する上金型は実施例の金型２と同じ形状とした。下金型は実施例の金型３と同じ形状であるが、円形部材と筒部材とは別個の部材ではなく、一体とした。

比較例では、前期荒地成形工程での圧下量をＤ２として、１回の据込鍛造を実施した。その後、実施例の後期荒地成形工程と同じ金型を用いて、実施例と同じ条件で後期荒地成形を実施した。そして、前期荒地成形工程後及び後期荒地成形工程後の偏肉率（％）を式（１）に基づいて求めた。

実施例及び比較例ともに、荒地成形前の円柱素材の偏肉率を５．３％とした。このうち、円柱素材自体の形状に起因する偏肉率を３．０％とした。また、円柱素材の中心軸と金型の中心軸ＣＬとのズレに起因する偏肉率を２．３％とした。中心軸のズレに起因する偏肉率は、次の方法で定義した。一対の金型の中心軸ＣＬまわりに円柱素材を中心角３０°ごとに１２分割した。各領域Ａｉを用いて式（１）で定義される偏肉率を、中心軸のズレに起因する偏肉率と定義した。

以上の条件で求めた実施例及び比較例の各工程での偏肉率をプロットして図１１を得た。図１１中の実線は実施例の偏肉率（％）を示し、破線は比較例の偏肉率（％）を示す。図１１中の横軸は圧下量（ｍｍ）を示す。縦軸は式（１）で定義される偏肉率（％）を示す。図中の丸印（黒丸及び白丸）付近に記載された数値は、各丸印位置での偏肉率（％）を示す。圧下量Ｄ１、Ｄ２及びＤ３での白丸は、実施例の偏肉率（％）を示し、黒丸は比較例の偏肉率（％）を示す。

図１１を参照して、実施例では、第１据込鍛造工程（Ｓ３）において筒部材５で円柱素材１０を拘束しながら圧縮した。そのため、圧下量Ｄ１（第１据込鍛造工程終了時）での実施例の偏肉率は比較例と比べて大幅に低下した。そのため、前期荒地成形工程後（圧下量Ｄ２）及び後期荒地成形工程後（圧下量Ｄ３）の実施例の偏肉率（１．０％及び０．３％）は、比較例の偏肉率（２．７％及び０．９％）と比較して大幅に低下した。

以上のとおり、本実施形態の製造方法では、荒地成形工程後の鍛造荒地の偏肉率を大幅に低下することができる。円形材の製造工程において、仕上圧延工程や仕上鍛造工程といった、いわゆる下工程である程度の偏肉の矯正は可能であるものの、鍛造荒地段階での偏肉は、製造する円形材の偏肉率に大きく影響する。本実施例では、製造工程中の上工程（荒地成形工程）、より具体的には、第１据込鍛造工程（Ｓ３）において、筒部材５が変形中の円柱素材１０を拘束する。これにより、鍛造荒地の偏肉率を低くする。そのため、偏肉率の低い円形材を製造することができる。

本実施形態ではさらに、第２据込鍛造工程（Ｓ５）において、後退後の筒部材５の端面５２を、円形部材４の表面４１とともに、鍛造面として使用する。仮に、端面５２を鍛造面として使用しない場合、円形部材４のみが金型３として利用される。この場合、図１０のような形状の中間品１１を製造しようとすれば、円形部材４の外径を大きくしなければならない。円形部材４の外径が大きくなれば、筒部材５の内径も大きくなる。筒部材５の内径が大きくなれば、第１据込鍛造工程（Ｓ３）において、筒部材５の内周面が円柱素材１０と接触しにくくなる。したがって、筒部材５が変形中の円柱素材１０を拘束できなくなり、偏肉が発生する。

また、適正な内径の筒部材５を用いて円柱素材１０の偏肉を矯正した後（Ｓ３）、筒部材５を図１０に示す位置よりもさらに降下して、第２据込鍛造工程を実施する場合（Ｓ４）、円形部材４のみが金型３として利用される。この場合、据込鍛造された円柱素材１０の外縁部分は、円柱部材４の外縁から外部に向かって反るように変形する。そのため、中間品１１は適正な形状にならない。

本実施形態では、筒部材５の端面５２を第２据込鍛造工程時（Ｓ５）に鍛造面として使用するからこそ、筒部材５の内径を、第１据込鍛造時（Ｓ３）に円柱素材１０を拘束できる適切なサイズにすることができる。そして、筒部材５を後退させることにより、速やかに第２据込鍛造工程を実施できる。そのため、生産効率の低下が抑制される。

本実施形態では、筒部材５を金型３の軸方向にスライドして円柱素材１０から筒部材５を容易に引き抜く。したがって、引き抜くために、筒部材５を周方向に分割する必要もなく、筒部材５を一体的に形成することもできる。仮に、筒部材５を一体的に形成すれば、筒部材５の剛性を高くすることができ、円柱素材１０をより有効に拘束できる。

好ましくは、筒部材５の内径は、対向する金型２側に向かって大きくなる。例えば、図１２では、内周面５１がテーパ形状（テーパ半角Ａ１°）を有する。この場合、端面５２での内径Ｄ５２が、端面５３での内径Ｄ５３よりも大きい。この場合、収納工程（Ｓ４）において、筒部材５を円柱素材１０からさらに引き抜きやすくなる。図１２では、内周面５１の縦断形状（中心軸ＣＬ方向の断面形状）は直線である。しかしながら、筒部材５の内径が金型２に向かって大きければ、内周面５１の縦断形状は特に限定されない。たとえば、内周面５１の縦断形状が曲線であってもよい。なお、図１等に示すように、筒部材５の内径が一定であっても、筒部材５を円柱素材１０から引き抜くことができる。

端面５２は平坦であってもよいし、凹凸を有していてもよい。端面５２は表面４１に対して傾斜してなくてもよく、表面４１に対して略平行に配置されてもよい。

好ましくは、端面５２は図１２等に示すとおり、筒部材５の外側に傾斜する。より具体的には、端面５２は、内周面５１側から筒部材５の外周面側に向かって、金型２から離れて配置される。この場合、第２据込鍛造工程（Ｓ５）において、円柱素材１０が径方向に広がるときに、円形部材４と筒部材５との隙間に、変形中の円柱素材１０の一部が入りにくい。さらに、端面５２が外側に傾斜しているため、第２据込鍛造工程時（Ｓ５）に円柱素材１０のスケールが金型３の外部に除去されやすい。

好ましくは、収納工程（Ｓ４）において筒部材５を後退させるとき、円形部材４の表面４１の外縁４１１（図９参照）が、筒部材５の端面５２の内縁５２１よりも金型２側に近くなるように、筒部材５を配置する。この場合、円形部材４が、筒部材５よりも金型２側に若干突き出る。そのため、第２の据込鍛造時において、円柱素材１０が径方向に広がるとき、変形中の円柱素材１０の一部が円形部材４と筒部材５との隙間に入り込みにくい。

上述の実施の形態では、金型２を図示しない駆動装置により下降して、筒部材５をスライドした後の金型３を固定して、据込鍛造を実施する。しかしながら、一対の金型２及び３の一方を他方に対して相対的に移動して据込鍛造を実施すれば、金型２又は３の相対的な移動方法は特に限定されない。例えば、金型２を固定して金型３を中心軸ＣＬ方向にスライドして据込鍛造を実施してもよい。また、金型２及び金型３を中心軸ＣＬ方向にスライドして据込鍛造を実施してもよい。

上述の実施の形態では、スライド装置７が筒部材５を前進又は後退させて、筒部材５を円形部材４に対して突き出したり、元に戻したりする。しかしながら、スライド装置が円形部材４を前進又は後退させて、筒部材５を円形部材４に対して突き出させてもよい。要するに、円形部材４に対して筒部材５を相対的に前進又は後退させれば、筒部材５は円形部材４に対して突き出ることもでき、円形部材４に対して突き出ないように配置することもできる。

上述の実施の形態では、前期荒地成形工程（Ｓ１００）において、初めに円柱素材１０を金型２及び３の間に配置した後（Ｓ１）、筒部材５をスライドして突き出す（Ｓ２）。しかしながら、先に筒部材５を突き出した後、円柱素材１０を金型２及び円形部材４の間に配置してもよい。

上述の実施の形態では、第１据込鍛造工程での据込鍛造をいったん停止した後、筒部材５を後退させて円柱素材１０から引き抜く。しかしながら、据込鍛造を継続しながら、筒部材５を円柱素材１０から引き抜いて、引き続き第２鍛造工程を実施してもよい。要するに、筒部材５を後退させて円柱素材１０から引き抜く前に、据込鍛造を停止しなくてもよい。

上述の実施の形態では、一対の金型２及び３のうち、下金型に相当する金型３が円形部材４と筒部材５を備える。しかしながら、一対の金型２及び３のうち、少なくとも一方が円形部材及び筒部材を備えればよい。たとえば、図１３に示すように、上金型に相当する金型２が円形部材２３と、筒部材２２とを備えてもよい。円形部材２３及び筒部材２２の構成は、円形部材４及び筒部材５と同様である。図１３の構成を有する鍛造装置を使用しても、図４と同様の荒地成形工程を実施できる。

図１４に示すとおり、金型２及び金型３ともに円形部材２３，４及び筒部材２２，５を備えてもよい。この場合、金型２の筒部材２２と、金型３の筒部材５とを共に突き出した後、第１据込鍛造工程（Ｓ３）を実施してもよい。このような製造工程であっても、上述の実施の形態と同様に、鍛造荒地の偏肉の発生が抑制される。

図１４に示す一対の金型２及び３を備えた鍛造装置を使用する場合はさらに、フランジが形成された鍛造荒地を製造することもできる。たとえば、第１据込鍛造工程（Ｓ３）において、筒部材２２と筒部材５との間に隙間を設けたまま据込鍛造が終了するように、筒部材２２及び筒部材５の配置を設定する。この場合、第１据込鍛造工程（Ｓ３）において、筒部材２２及び５の隙間から円柱素材１０の一部が突き出て、フランジ付の中間品が製造される。

上述の実施形態では、円形材が鉄道用車輪である場合の製造方法を例示した。しかしながら、円形材が車輪以外の他の部材（ギヤ、リング等）の場合であっても、上述の荒地成形工程（図４）を実施して、生産性の低下を抑制しつつ、偏肉率の低い円形材を製造することができる。

以上、本発明の実施の形態を説明した。しかしながら、上述した実施の形態は本発明を実施するための例示に過ぎない。したがって、本発明は上述した実施の形態に限定されることなく、その趣旨を逸脱しない範囲内で上述した実施の形態を適宜変更して実施することができる。

１鍛造装置
２，３金型
４円形部材
５筒部材
７スライド装置
１０円柱素材
５１内周面
５２端面

Claims

円柱素材に対して据込鍛造を実施する鍛造装置であって、
互いに対向して配置される第１及び第２の金型を備え、
前記第１の金型は、
横断形状が円である内周面と、前記第２の金型に対向して配置される鍛造面である端面とを含む筒部材と、
前記筒部材と同軸に前記筒部材内に配置される円形部材とを含み、前記筒部材の前記端面は、前記筒部材の外側に傾斜し、
前記鍛造装置はさらに、
前記円柱素材を据込鍛造工程中に前記筒部材を前記円形部材に対して相対的に前進及び後退させるスライド装置を備える、鍛造装置。
請求項１に記載の鍛造装置であって、
前記筒部材の内径は、前記第２の金型に向かって大きくなる、鍛造装置。