JP6347410B2 - ディスク状素材の熱間鍛造方法 - Google Patents

Description

本発明は、ディスク状素材の熱間鍛造方法に関するものである。

例えば、ディスクやコーンシャフト等の素材を熱間鍛造で製造する場合、下型上に被鍛造材を載置して、上型で被鍛造材軸方向に圧下して中間素材とする。このとき、下型上に配置する被鍛造材が下型の中心から外れてしまうと、偏肉による形状不良が発生する。そのため、偏肉が発生することを想定し、機械加工における加工代を大きくするなどの対策が採られているが、この方法では歩留まりの低下が懸念される。
上述した問題に対して、例えば、特開２００３−１９５３４号公報（特許文献１）には、外面形状が円形の被鍛造材を開放型の上下型を用いてその軸方向に圧下して外面形状が円形の円形材に鍛造している。その鍛造を行う際に、特定の関係式を満足する直径ｄのリング工具をその軸心を前記金型の軸心に一致させて設け、この状態で鍛造中の材料を前記リング工具の内面に接触させ、その後、リング工具を取り除いて鍛造する円形材の鍛造方法の発明が提案されている。

特開２００３−０１９５３４号公報

上述した特許文献１で示された被鍛造材の中心位置合わせの方法は、特別なリング工具を用いることで被鍛造材の中心と下型の中心とを一致させるものであり、確かに偏肉を防止することができるものである。しかし、特許文献１の方法を用いて、大型のディスク材を得ようとすると、リング工具も大がかりなものになる。しかも、偏肉や欠肉を防止するには、精度のよいリング工具が必要となり、リング工具の製作費用が高価になる。また、例えば、被鍛造材の形状が異なると、それに応じたリング工具を新たに製造することが必要となる。
本発明の目的は、特別なリング工具を必須としなくとも、確実に被鍛造材と下型の中心を一致させ、偏肉等の寸法不良を防止することが可能な熱間鍛造方法を提供することである。

本発明者は、被鍛造材を下型に載置する際の中心位置合わせの方法を検討した。その結果、被鍛造材の位置合わせには、被鍛造材の中心部を固定する方が大きな治工具を用いないで済むことを知見した。更に検討を進めた結果、被鍛造材の中心部の位置を合わせるには、被鍛造材を載置する下型に位置決め部材を設けることで位置合わせを行えることを知見し本発明に到達した。
すなわち本発明は、
被鍛造材を下型に載置して、上型と下型とによって被鍛造材を熱間鍛造するディスク状素材の熱間鍛造方法において、
前記下型の中心部には、被鍛造材の位置を固定する位置決め部材を配置し、前記位置決め部材は、前記下型に嵌合う第１嵌合わせ部と、前記被鍛造材に設けられた位置決め部と嵌合う第２嵌合わせ部とを有し、
前記下型に配置した位置決め部材を前記被鍛造材に設けられた位置決め部に嵌合わせて前記上型と下型とで被鍛造材を熱間鍛造するディスク状素材の熱間鍛造方法である。
前記位置決め部材の前記第２嵌合わせ部は、前記被鍛造材と一体に変形させることが好ましい。
好ましくは、前記位置決め部材は、前記第１嵌合わせ部及び前記第２嵌合わせ部が共に円錐台状である。
更に好ましくは、前記位置決め部材が配置してある箇所の圧下は、前記第２嵌合わせ部の高さ以下まで前記上型で前記被鍛造材を圧下する。
更に好ましくは、前記位置決め部材の材質は、炭素鋼である。

本発明によれば、被鍛造材の中心と、下型の中心とを確実に一致させることが可能であることから、偏肉等の形状不良をより確実に防止することができる。

本発明の位置決め部材により被鍛造材と下型とを位置決めしたときの模式図である。 本発明の位置決め部材の一例を示す模式図である。 本発明の位置決め部材を用いた熱間鍛造前後の状態を示す模式図である。

本発明を図面を用いて詳細に説明する。
本発明の最大の特徴は、図１に示すように、被鍛造材１を下型２に載置して、上型３と下型２とによって被鍛造材１を熱間鍛造するディスク状素材の熱間鍛造方法において、被鍛造材１の位置決めを位置決め部材４を用いて行うものである。前記位置決め部材は下型３とは別な部品であり、下型３に脱着可能となる。
位置決め部材４は被鍛造材１の中心と、下型２の中心とを確実に一致させるものであるため、下型２の中心部に配置する。
前述の前記位置決め部材４は図２に示すように、前記下型２と嵌合い可能な第１嵌合わせ部５と、前記被鍛造材に設けられた位置決め部６に嵌合わせ可能な第２嵌合わせ部７とを有する。位置決め部材４は下型２とは別の部品であり、熱間鍛造前に下型２の中心部に配置し、熱間鍛造後には鍛造材とともに下型から取り除かれるものである。従って、この位置決め部材４は、所謂“使い捨て”の部品である。この位置決め部材の好ましい形態については後述する。
そして、前記下型２に設けた位置決め部材４を前記被鍛造材１に設けられた位置決め部６に嵌合わせて前記上型３で被鍛造材を圧下することで、被鍛造材の中心と、下型の中心とを確実に一致させることが可能であることから、偏肉等の形状不良を確実に防止することができるものである。

次に位置決め部材４の好ましい形態について説明する。
前記位置決め部材４の前記第２嵌合わせ部７は、前記被鍛造材と一体に変形させるのが好ましい。熱間鍛造時に位置決め部材４を被鍛造材１と一体に変形させることで、位置決め部６の肉が流れ、それに伴って被鍛造材の肉が外周方向に流れることにより、より確実に欠肉等の欠陥を防止することができる。
そのためには、被鍛造材１に設けられた位置決め部６に位置決め部材の第２嵌合わせ部７を嵌め合させたとき、できるだけ隙間が生じないような形状とするのが好ましい。また、被鍛造材１に設けられた位置決め部６の深さと、位置決め部材の第２嵌合わせ部７の高さもできるだけ同じとするのが好ましい。これは、もし、第２嵌合わせ部７の高さが位置決め部６の深さよりも低すぎると、前述のように隙間（空隙）があいてしまう。一方、もし、第２嵌合わせ部７の高さが位置決め部６の深さよりも高すぎると、被鍛造材と下型の間に隙間が生じて、熱間鍛造したときにその隙間に位置決め部６の肉が流れて前述の欠肉防止効果が低減されることになるためである。
なお、前述の第１及び第２嵌合わせ部の加工については、機械加工により形成するのが最も簡便である。

また、前記位置決め部材の形状は、図２に示すように第１嵌合わせ部５及び第２嵌合わせ部７が共に円錐台状であることが好ましい。実際の形状は、円錐台状の第１嵌合わせ部５及び第２嵌合わせ部７が、円錐台の底辺側で一体に接続した形状となる。
円錐台状とするのは、実際に位置合わせ部材を下型に配置するときや、被鍛造材１に設けられた位置決め部６に位置決め部材の第２嵌合わせ部７を嵌め合させるときの作業を容易にするためである。例えば、マニピュレータで被鍛造材を下型にセットする際、おおよその場所に被鍛造材を載置すれば、円錐台のテーパに沿って所望の場所にセットすることができるためである。また、熱間鍛造後に被鍛造材と共に位置合わせ部材を除去する際も、除去が容易となる。この場合は、被鍛造材に設けられた位置決め部６と下型に設けられた位置決め部材配置部８の形状をすり鉢状にすることが好ましい。
なお、本発明で言う円錐台状とは、例えば円錐台の底辺側までテーパを形成せず、テーパの途中から直径がほぼ同じストレート部分が形成されているものも含むものとする。

また、本発明では、前記位置決め部材が配置してある箇所（位置決め部材配置部）では、前記第２嵌合わせ部の高さ以下まで圧下することが好ましい。例えば、図３（ａ）に示す位置合わせ部材の高さ（Ｔ１）が１０ｃｍである場合、熱間鍛造後の位置合わせ部材の高さ（Ｔ２）がＴ１＞Ｔ２となるように、圧下量は下型から１０ｃｍ未満の領域まで圧下することがこのましい。これにより、図３（ｂ）のように熱間鍛造時に位置合わせ部の肉が確実に外周方向に広がって、欠肉等の欠陥を確実に防止することができる。また、この位置合わせ部の肉の広がりを考慮して、投入する被鍛造材の重量を減ずることができる。
なお、例えば、最終製品がコーンシャフトなどの異形リング等である場合、熱間鍛造後の鍛造材の中央部は除去される。位置決め部材の第２嵌合わせ部７は、熱間鍛造時に肉を広げることが可能なため、位置決め部材の第２嵌合わせ部７の体積を大きくした方が投入する被鍛造材の重量を減じる効果が大きいため有利である。
このとき、除去された鍛造材の除去部は再利用することが可能なように、位置決め部材の材質を炭素鋼とすればよい。炭素鋼は安価なうえ、更に炭素鋼を用いれば、再利用可能な材質であり且つ、被鍛造材の材質として用いることが多い、ステンレス鋼やＦｅを含むＮｉ基超耐熱合金の再利用原料として用いることができ、経済的に有利である。
以上、説明する本発明のディスク状素材の熱間鍛造方法によれば、被鍛造材の中心と、下型の中心とを確実に一致させることが可能であり、偏肉等の形状不良をより確実に防止することができるとともに、欠肉等の欠陥も併せて防止することができる。
なお、本発明で言う、「熱間鍛造」には、熱間プレス、恒温鍛造及びホットダイ鍛造も含むものとする。

ディスク用の被鍛造材としてステンレス系ビレット据込材を用意した。被鍛造材の寸法は最外径５５０ｍｍ、高さ１７５ｍｍである。被鍛造材には位置決め部として底面側直径１５５ｍｍ、上面側直径１４０ｍｍ、深さ７７．５ｍｍのすり鉢状の嵌め合せ穴を機械加工で形成した。
次に図２に示すような位置決め部材４を機械加工で作製した。材質は再利用に有利な低炭素鋼とした。位置決め部材は円錐台状の第１嵌合わせ部５及び円錐台状の第２嵌合わせ部７を有するものである。なお、円錐台状の第２嵌合わせ部７の寸法は、ステンレス系ビレット据込材の熱膨張を考慮して底面側直径が１６０ｍｍ、上面側直径が１５０ｍｍ、高さ（Ｔ）が８０ｍｍのものとし、位置決め部材４の円錐台状の第２嵌合わせ部７と被鍛造材１に機械加工した位置決め部６との形状をほぼ同一として、互いの隙間（空隙）を無くした。また、第１嵌合わせ部５の寸法は、底面側直径が７５ｍｍ、上面側直径が９８ｍｍ、高さが４０ｍｍのものとした。
図１に示すように、用いた下型２の中心部には位置決め部材配置部８が設けてあり、その形状は鉢状の嵌め合せ穴、寸法底面側直径が７５ｍｍ、上面側直径が９８ｍｍ、高さが４０ｍｍである。そのため、位置決め部材４と下型２とは特に隙間を生じることはなかった。

前述した位置決め部材４を下型２の中心部に配置し、前述の被鍛造材を１０５０℃の熱間鍛造温度に加熱し、マニピュレータで被鍛造材１を下型２上に載置した。載置するとき、位置決め部材の第２嵌合わせ部７及び被鍛造材１に設けられた位置決め部６に形成されたテーパに沿って所望の場所にセットすることができた。被鍛造材１のセット完了時は図１のような関係（このとき、上型３は図１とは異なる位置にある）であった。被鍛造材１の中心と、下型２の中心とを確実に一致させることが可能であった。
続いて、上型３を降下させて上型３と下型２とで被鍛造材１を熱間鍛造（プレス）した。熱間鍛造時の圧下は、位置決め部材が配置してある箇所では、前記第２嵌合わせ部の高さ以下まで圧下した。（図３（ｂ））
熱間鍛造を終了した鍛造材を下型から除去した際、被鍛造材と一体に変形した位置決め部材も一緒に除去が可能であった。熱間鍛造後の熱間鍛造材に製品不良の有無を目視で確認したところ、偏肉や欠肉といった不良は確認できなかった。
熱間鍛造後の熱間鍛造材の形状は外径７２０ｍｍ、高さ１７０ｍｍであり、偏肉を３次元形状測定器で測定したところ、偏肉は最大で５ｍｍ以下となっており、偏肉が殆ど無いことが確認された。
以上の結果から、被鍛造材の中心と、下型の中心とを確実に一致させることが可能であったことも確認できた。
なお、熱間鍛造後の鍛造材の中央部は除去し、再利用の原料としてリサイクルした。

本発明ディスク状素材の熱間鍛造方法は、下型と被鍛造材とのセンタリングが困難な熱間鍛造に用いることができる。

１ 被鍛造材
２ 下型
３ 上型
４ 位置決め部材
５ 第１嵌合わせ部
６ 位置決め部
７ 第２嵌合わせ部
８ 位置決め部材配置部

Claims (5)

1. 被鍛造材を下型に載置して、上型と下型とによって被鍛造材を熱間鍛造するディスク状素材の熱間鍛造方法において、
   前記下型の中心部には、被鍛造材の位置を固定する位置決め部材を配置し、前記位置決め部材は、前記下型に嵌合う第１嵌合わせ部と、前記被鍛造材に設けられた位置決め部と嵌合う第２嵌合わせ部とを有し、
   前記下型に配置した位置決め部材を前記被鍛造材に設けられた位置決め部に嵌合わせて前記上型と下型とで被鍛造材を熱間鍛造することを特徴とするディスク状素材の熱間鍛造方法。
2. 前記位置決め部材の前記第２嵌合わせ部は、前記被鍛造材と一体に変形させることを特徴とする請求項１に記載のディスク状素材の熱間鍛造方法。
3. 前記位置決め部材は、前記第１嵌合わせ部及び前記第２嵌合わせ部が共に円錐台状であることを特徴とする請求項１または２に記載のディスク状素材の熱間鍛造方法。
4. 前記位置決め部材が配置してある箇所では、前記第２嵌合わせ部の圧下開始前の高さ以下まで前記上型で前記被鍛造材を圧下することを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載のディスク状素材の熱間鍛造方法。
5. 前記位置決め部材の材質は、炭素鋼であることを特徴とする請求項１乃至４の何れかに記載のディスク状素材の熱間鍛造方法。