JP6398875B2 - 深孔鍛造加工装置 - Google Patents

Description

本発明は、深孔鍛造加工装置に関する。

従来、例えば特許文献１に記載されるように、金属材料でなる素材をダイに置いて、パンチにより素材を押圧し、素材を所定の形状に成形する鍛造加工技術が知られている。こうした鍛造加工において、素材に孔を形成する場合には、突出ピンとしてのカウンタパンチをダイに設け、パンチを降下させて素材を押し出し、素材の所定位置にカウンタパンチの形状に対応する孔を形成するようにしている。

特開平５−５７３９２号公報

ところで、高圧流体が流れる部位に用いられる例えばステンレス材料でなる素材に対して、孔のＬ／Ｄ比が１０以上の細くて深い孔を形成したい場合がある。ここで、Ｌは孔の深さ、Ｄは孔の径を示している。このような深孔を形成する場合、加工中カウンタパンチとダイとの間で素材が流動するときに、カウンタパンチの外面には大きな荷重が作用し、カウンタパンチに座屈が生じやすい。この座屈限界の向上には限度があるため、例えばＬ／Ｄ比が１０以上の深孔を形成する場合には、複数回に分けて多段の鍛造成形を行う必要があり、効率が良くないという問題があった。

さらに、素材の断面積に対してカウンタパンチの径断面積が小さいもの、すなわち断面減少率が例えば１０％以下のように小さいものは、カウンタパンチに作用する荷重がより大きくなり、上記問題がさらに顕著となる。

本発明は、このような点に鑑みて創作されたものであり、その目的は、深孔鍛造加工において、突出ピンの座屈を効果的に抑制することで、加工時間を短縮し効率的な加工を行うことが可能な深孔鍛造加工装置を提供することにある。

本発明の深孔鍛造加工装置は、パンチと、ダイと、固定手段と、許容手段と、を備える。パンチは、軸方向に移動し素材を押し出す。ダイは、パンチの押し出し側に設けられ、素材が押し出されたとき素材の端面を押圧しつつ、端面から軸方向に延びる深孔を穿設加工する突出ピンを有する。固定手段は、穿設加工に先立ち、突出ピンに対して素材を位置決めし固定する。許容手段は、穿設加工に伴う前記素材の径外方向への変形を許容する。許容手段は、素材の径方向外側に設けられ、穿設加工時に、素材が径外方向へ変形する流動力により、素材の径外方向への変形を許容するように径外方向へ移動可能なスライド部材である。

素材を押し出して突出ピンにより深孔を形成する場合、突出ピンが素材に挿入されることに伴い素材が突出ピンの外面に沿って流動する。このとき、通常、突出ピンと素材との間には強い摩擦力が生じる。しかし、本構成では、中心から外方向への素材の変形を許容する許容手段を有しているため、突出ピンと流動する素材との摩擦力が小さくなり、突出ピンに作用する負荷が低減され、突出ピンの座屈を極力抑制することができる。

これにより、これまで例えばＬ／Ｄ比が１０以上の深孔を形成する場合には、複数回の鍛造工程を繰り返す必要があったが、本構成によれば１回の工程で深孔を形成することができ、加工時間が短縮されて効率的に加工を行うことができる。

本発明の第１実施形態による深孔鍛造加工装置を模式的に示す断面図であり、穿設加工前の状態を示す図。 本発明の第１実施形態による深孔鍛造加工装置を模式的に示す断面図であり、穿設加工開始直前の状態を示す図。 図２における破線部を示す拡大図。 本発明の第１実施形態による深孔鍛造加工装置を模式的に示す断面図であり、穿設加工完了時の状態を示す図。 本発明の第２実施形態による深孔鍛造加工装置を模式的に示す断面図であり、穿設加工前の状態を示す図。 カムホルダおよびスライドカムを示す平面図。 本発明の第２実施形態による深孔鍛造加工装置を模式的に示す断面図であり、穿設加工開始直前の状態を示す図。 本発明の第２実施形態による深孔鍛造加工装置を模式的に示す断面図であり、穿設加工完了時の状態を示す図。 パンチの降下ストロークに伴って生じる付勢力および流動力を示す図。 その他の実施形態による、パンチの降下ストロークに伴って生じる付勢力および流動力を示す図。

以下、本発明の複数の実施形態を図面に基づいて説明する。
〈第１実施形態〉
［構成］
本発明の第１実施形態の深孔鍛造加工装置１０１について、図１〜図４を参照しつつ説明する。本実施形態では、ステンレス材でなる円柱形状の素材Ｗ１に、Ｌ／Ｄ比が１０程度の深孔を鍛造加工により形成する。まず、深孔鍛造加工装置１０１の構成から説明する。なお、本明細書中、以下の各断面図において、切断面の奥に見える線は適宜省略して示している。

図１、図２、図４の各図に示すように、本実施形態の深孔鍛造加工装置１０１は、パンチ１１と、パンチスリーブ１２と、ダイ１３と、スライドパンチガイド１４と、カウンタパンチ１５と、保持具１６などを備えている。

パンチスリーブ１２は、円筒部材であり、内部にパンチ１１が挿通される。下型の一部を構成するダイ１３は、パンチ１１に対してパンチ１１の押し出し側に位置し、内部にダイ孔２１が形成されている。なお、パンチ１１の押し出し側が「後方」であり、本実施形態では「下側」である。また、押し出し側と反対側が「前方」であり、本実施形態では「上側」である。

ダイ孔２１は、段状になっており、パンチスリーブ１２を挿通させる径大孔部２２と、スライドパンチガイド１４を挿通させる径小孔部２３とを有している。径小孔部２３は、径大孔部２２より押し出し側に位置しており、図３に示すように、パンチ１１により押し出された素材Ｗ１が挿通するときに、素材Ｗ１の外周との間に隙間Ｃを有するように形成されている。ここで、パンチスリーブ１２とダイ１３とが、特許請求の範囲に記載される「固定手段」に相当する。また、ダイ１３が、特許請求の範囲に記載される「許容手段」に相当する。

スライドパンチガイド１４は、カウンタパンチ１５に外挿されており、カウンタパンチ１５を素材Ｗ１に対して垂直に支持する。スライドパンチガイド１４は、図示しないスプリングを介して、径小孔部２３内において上下方向に摺動自在に配置されている。

カウンタパンチ１５は、先端が丸くなだらかな曲面状をなすピン部材であり、その基端を保持具１６に保持された状態で径小孔部２３内に固定されている。カウンタパンチ１５の形状が、素材Ｗ１に形成される深孔１（図４参照）の形状として転写される。素材Ｗ１の下端面１０の中央には、カウンタパンチ１５とのセンタリングの際に、カウンタパンチ１５の先端が挿入される孔２４が軸方向に凹となるように形成されている。孔２４は、深孔鍛造加工の前工程で素材Ｗ１に形成される。なお、素材Ｗ１の径断面積に対するカウンタパンチ１５の径断面積の比率、すなわち断面減少率は１０％以下である。

［作用］
次に、上記深孔鍛造加工装置１０１による深孔鍛造加工方法について説明する。パンチ１１およびパンチスリーブ１２を上昇させた状態で、まず、パンチスリーブ１２をダイ孔２１の径大孔部２２へ降下させる。次いで、パンチスリーブ１２内に素材Ｗ１を投入する。図１に示すように、素材Ｗ１の下端面１０はスライドパンチガイド１４の上端面に当接する。次いで、パンチ１１をパンチスリーブ１２でガイドしつつ、素材Ｗ１の上端面に当接するまで下降させる。このとき、パンチスリーブ１２の外周および底面とダイ１３の径大孔部２２は嵌合される。また、パンチスリーブ１２の内周と素材Ｗ１は嵌合される。これにより、ダイ１３とパンチスリーブ１２との同軸性が確保される。ひいては、カウンタパンチ１５に対する素材Ｗ１の同軸性が確保される。

次いで、パンチ１１を僅かに降下させ、図２に示すように、素材Ｗ１に形成されるセンタリング用の孔２４の底部にカウンタパンチ１５の先端を当接させる。これが穿設加工開始直前の状態であって、ダイ１３およびパンチスリーブ１２によって素材Ｗ１は可動しないように、かつ、カウンタパンチ１５に対して真っ直ぐに位置決め固定される。

次いで、さらにパンチ１１を降下させて、図４に示すように、素材Ｗ１に深孔１を穿設加工する。パンチ１１の降下に伴い、素材Ｗ１の下端面１０はカウンタパンチ１５により強大な力で押圧され、下端面１０から軸方向に延びる深孔１が徐々に形成されていく。このとき、素材Ｗ１の外径は、ダイ孔２１（径小孔部２３）との隙間Ｃ（図３参照）により非拘束であり、素材Ｗ１は径外方向に材料流動が可能である。カウンタパンチ１５が挿入されると、挿入された部位の材料はカウンタパンチ１５の側面に沿うようにして後方へ押し出される。このとき、通常カウンタパンチ１５と素材Ｗ１との間には強い摩擦力が作用するが、本実施形態では、隙間Ｃにより素材Ｗ１は径外方向に流動することができるため、摩擦力が軽減される。

［効果］
本実施形態によれば、穿設加工中の素材Ｗ１の外径を非拘束とすることで、素材Ｗ１とカウンタパンチ１５との摩擦力が小さくなり、より小さい抵抗で材料を後方へ押し出すことができる。そして、カウンタパンチ１５に生じる面圧が低減されることで、カウンタパンチ１５の座屈が極力抑制される。これにより、カウンタパンチ１５の損傷が減少してカウンタパンチ１５の寿命を延ばすことができる。

また、これまで例えばＬ／Ｄ比が１０以上の深孔を形成する場合には、複数回に分けて多段の鍛造成形を行う必要があったが、本実施形態によれば１回の工程で深孔を形成することができ、加工時間が短縮されて効率的に加工を行うことができる。

さらに、断面減少率が１０％以下のように小さい場合には、カウンタパンチ１５に作用する荷重が大きくなりやすいが、本実施形態によれば断面減少率が１０％以下であってもカウンタパンチ１５の座屈を効果的に抑制することができる。

また、深孔形成に際して、切削により深孔を形成する方法もあるが、切削加工では孔の底部にあたる止まり部分の形状を加工するのが難しく、正確な孔加工を施すには時間を要するという難点がある。その点、本実施形態による鍛造加工では、カウンタパンチ１５の先端形状を転写できるため、加工が容易である。また、鍛造加工では素材Ｗ１の加工硬化が得られ、昨今の高圧化事情に鑑みると、鍛造加工により素材Ｗ１に強度を持たせつつ深孔１を形成することができ、より好適に深孔１を形成することができる。

〈第２実施形態〉
［構成］
次に、本発明の第２実施形態の深孔鍛造加工装置１０２について、図５〜図９を参照しつつ説明する。本実施形態における素材Ｗ２は、ステンレス材であって、円柱部３１とフランジ部３２とを有する鍔付き円柱部材である。この素材Ｗ２に、Ｌ／Ｄ比が１０程度の深孔を鍛造加工により形成する。まず、深孔鍛造加工装置１０２の構成から説明する。

図５、図７、図８の各図に示すように、本実施形態の深孔鍛造加工装置１０２は、パンチ１１と、ダイ３３と、カムホルダ３４と、スライドカム３５と、スライドパンチガイド１４と、カウンタパンチ１５と、保持具１６と、ガスクッション３６などを備えている。

下型の一部を構成するダイ３３は、一端に開口部を有する円筒形状をなし、その内部にカムホルダ３４、スライドカム３５、スライドパンチガイド１４、カウンタパンチ１５、保持具１６およびガスクッション３６の各部材を収容する。なお、パンチ１１、カウンタパンチ１５、保持具１６及びスライドパンチガイド１４については、上記第１実施形態とほぼ同様の構造であるため、第１実施形態と同様の符号を付し説明は省略する。

カムホルダ３４は、肉厚円筒部材であり、ダイ３３内に、押し出し方向に摺動自在に配置されている。カムホルダ３４の中央部には、スライドパンチガイド１４が挿入される孔３７が形成されている。カムホルダ３４の押し出し側は、ガスクッション３６に連結されている。ガスクッション３６は、押し出し方向と反対、すなわち前方へのクッション力Ｆｃを発生する。

そして、カムホルダ３４は、パンチ１１の降下に伴いガスクッション３６から前方への押圧力を受ける。図６に示すように、カムホルダ３４においてパンチ１１側（本実施形態では上側）には、軸方向に延びるスリット３８が、周方向等間隔に複数（例えば６個）形成されている。スリット３８の下端は径外方向に向かって高さが高くなるテーパ面３９として形成されている。

スライドカム３５は、断面形状が五角形形状をなす薄板部材であり、一辺がカムホルダ３４のテーパ面３９と同じ傾きをなす傾斜面４１として形成されている。スライドカム３５は、鉛直方向に真っ直ぐに延びる一辺をカムホルダ３４の内径側に位置させ、傾斜面４１をカムホルダ３４のテーパ面３９に対向させて、各スリット３８内に一つずつ配置される。

そして、スライドカム３５には、ガスクッション３６による上方向へのクッション力Ｆｃの伝達により、テーパ面３９および傾斜面４１を介して図７に示すように径方向内側への付勢力Ｆｅが作用するようになっている。パンチ１１の降下状態に応じた付勢力Ｆｅが作用することで、スライドカム３５は、スリット３８内で径方向への移動が可能になっている。なお、スライドパンチガイド１４は、カムホルダ３４の孔３７においてスリット３８が形成されていない内周面により支持されている。ここで、スライドカム３５が、特許請求の範囲に記載される「固定手段」および「許容手段」に相当する。

［作用］
次に、上記深孔鍛造加工装置１０２による深孔鍛造加工方法について説明する。パンチ１１を上昇させた状態で、スライドパンチガイド１４上に素材Ｗ２を投入する。次いで、パンチ１１を降下させると、図５に示すようにパンチ１１は素材Ｗ２の上端面に当接する。さらに、パンチ１１の降下が進むと、図７に示すように、素材Ｗ２のフランジ部３２の下端面がスライドカム３５の上端面に当接する。このとき、スライドカム３５は、付勢力Ｆｅを受けて、テーパ面３９を滑るようにして径方向内側へ僅かにスライドし、素材Ｗ２の外周部を把持する。これにより、素材Ｗ２の位置決め固定がなされるとともに、カウンタパンチ１５に対する素材Ｗ２の同軸性が確保される。

次いで、さらにパンチ１１を降下させて、図８に示すように、素材Ｗ２に深孔２を穿設加工する。パンチ１１の降下に伴い、カムホルダ３４は下方へ摺動する。そして、素材Ｗ２の下端面２０はカウンタパンチ１５により強大な力で押圧され、下端面２０から軸方向に延びる深孔２が徐々に形成されていく。

ここで、図９は、パンチ１１の降下ストロークに伴って生じる付勢力Ｆｅおよび流動力Ｆｍを示す図であって、穿設加工開始以降の状態を示している。流動力Ｆｍとは、素材Ｗ２が軸方向に押圧されることで外径方向へ変形しようとする力である。素材Ｗ２の径方向において、加工中には、素材Ｗ２による流動力Ｆｍとスライドカム３５による付勢力Ｆｅとが作用する。図９に示すように、流動力Ｆｍは、加工開始後急激に上昇し、ある程度穿設加工が進むと上昇勾配は緩やかになる。一方、付勢力Ｆｅは、ガスクッション３６によるクッション力Ｆｃに比例し、すなわちストロークに比例して直線的に上昇する。

穿設加工開始時および穿設加工開始直後は、付勢力Ｆｅの方が流動力Ｆｍより大きく、この付勢力Ｆｅにより素材Ｗ２は径方向内側へしっかりと把持される。そして、パンチ１１のストロークが大きくなり、徐々にカウンタパンチ１５が素材Ｗ２へ挿入されていくと、ストロークがｔとなった早期の段階で流動力Ｆｍが付勢力Ｆｅを上回る。すると、図８に示すように、スライドカム３５は、素材Ｗ２の流動に追従するように径外方向へテーパ面３９を滑るようにして移動する。すなわち、流動力Ｆｍがある程度大きくなると、スライドカム３５の移動により素材Ｗ２の径外方向への材料流動が許容される。

穿設加工開始直後は、素材Ｗ２がカウンタパンチ１５の外面に沿って後方へ押し出される流動の余地があるため、付勢力Ｆｅが上回っていた方が素材Ｗ２の固定の観点から好ましい。しかし、穿設加工が進んでいくにつれ、材料は流動しにくくなるため、そのとき外径方向への素材Ｗ２の流動を許容することが重要である。

以上のように、スライドカム３５は、付勢力Ｆｅと流動力Ｆｍとのバランスに応じて、素材Ｗ２を固定する固定手段および素材Ｗ２の変形を許容する許容手段として機能する。すなわち、付勢力Ｆｅが流動力Ｆｍより大きいとき、スライドカム３５は、付勢力Ｆｅにより素材Ｗ２を固定する固定手段として機能する。流動力Ｆｍが付勢力Ｆｅより大きいとき、スライドカム３５は、流動力Ｆｍによる素材Ｗ２の径外方向への変形を許容する許容手段として機能する。

本実施形態によれば、第１実施形態と同様の効果を奏し、さらに鍔付き円柱形状をなす素材Ｗ２に対して効率的に鍛造加工により深孔２を形成することができる。また、スライドカム３５は、素材Ｗ２の径方向外側に放射状に複数設けられているため、素材Ｗ２の外周に亘って材料の変形を好適に許容することができる。

〈他の実施形態〉
上記第１実施形態では、加工開始位置においてダイ１３と素材Ｗ１との間に隙間Ｃを設けているが、必ずしも加工開始位置で隙間Ｃが形成されていなくても良い。穿設加工が開始され、パンチ１１が少し下がった位置でダイ１３と素材Ｗ１との間に隙間Ｃができるようにしても良い。要は、素材Ｗ１がカウンタパンチ１５の外面に沿って後方へ押し出される流動の余地がなくなる段階で、隙間により、素材Ｗ１の径方向への流動を許容できる構成であれば良い。

上記第２実施形態では、スライドカム３５を６枚設ける構成としたが、単数枚、その他３枚等複数枚設ける構成としても良い。カムホルダ３４の孔３７においてスリット３８が形成されていない内周面でスライドパンチガイド１４を保持しているが、このスライドパンチガイド１４を適度に保持することが可能であれば、さらに６つ以上の複数枚でも良い。

上記第２実施形態において、第１実施形態と同様に、素材Ｗ２にセンタリング用の孔２４を前工程で形成しておいても良い。

上記第２実施形態において、素材Ｗ２のフランジ部３２でスライドカム３５を軸方向に押さえるように構成したが、例えば別部材として平板状のカム押圧部材を設けても良い。

上記第２実施形態では、ガスクッション３６によるクッション力Ｆｃを利用する構成としたが、スライドカム３５が素材Ｗ２の変形に伴って径外方向へスライド可能であればその他の構成でも良い。例えば、スライド部材の径外方向をばねに連結し、このばねによって、径方向内側に所定の力で付勢されるようにする。そして、素材Ｗ２の変形時には、スライド部材が素材Ｗ２の変形に追従して径外方向へ移動するようにしても良い。

上記第２実施形態において、ガスクッション３６に代えて油圧クッションを設け、図１０に示すように、付勢力Ｆｅを一定となるようにしても良い。

上記各実施形態では、素材Ｗ１，Ｗ２として共に円柱形状部材としたが、素材の外形形状は種々変形可能であり、例えば、軸方向に長いパイプ状部材や、軸方向と直交する径断面が多角形状をなす部材であっても良い。なお、多角形状をなす部材の場合には、特許請求の範囲に記載の「径外方向」とは、パンチ１１の押し出し方向と一致する素材の中心軸から、例えば軸方向と直交する平面における外方向を意味するものとして解釈することができる。

本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の形態で実施可能である。

１，２ ・・・深孔
１０ ・・・下端面（端面）
１１ ・・・パンチ
１２ ・・・パンチスリーブ（固定手段）
１３ ・・・ダイ（固定手段、許容手段）
１５ ・・・カウンタパンチ（突出ピン）
２０ ・・・下端面（端面）
２１ ・・・ダイ孔
３３ ・・・ダイ
３５ ・・・スライドカム（スライド部材、固定手段、許容手段）
３６ ・・・ガスクッション（クッション部材）
１０１，１０２ ・・・鍛造深孔加工装置
Ｆｃ ・・・クッション力
Ｆｅ ・・・付勢力
Ｆｍ ・・・流動力

Claims (3)

1. 軸方向に移動し素材（Ｗ１，Ｗ２）を押し出すパンチ（１１）と、
   前記パンチの押し出し側に設けられ、前記素材が押し出されたとき前記素材の端面（１０，２０）を押圧しつつ、当該端面から軸方向に延びる深孔（１，２）を穿設加工する突出ピン（１５）を有するダイ（１３，３３）と、
   前記穿設加工に先立ち、前記突出ピンに対して前記素材を位置決めし固定する固定手段（１２，１３，３５）と、
   前記穿設加工に伴う前記素材の径外方向への変形を許容する許容手段（１３，３５）と、
   を備え、
   前記許容手段は、
   前記素材（Ｗ２）の径方向外側に設けられ、前記穿設加工時に、前記素材が径外方向へ変形する流動力（Ｆｍ）により、前記素材の径外方向への変形を許容するように径外方向へ移動可能なスライド部材（３５）であることを特徴とする深孔鍛造加工装置。
2. 前記パンチによる押し出し方向と反対側へのクッション力（Ｆｃ）を発生するクッション部材（３６）をさらに備え、
   前記クッション力の伝達により発生し前記スライド部材を径内方向へ付勢する付勢力（Ｆｅ）と、前記流動力とのバランスに応じて、
   前記付勢力が前記流動力より大きいとき、前記スライド部材は、前記付勢力により前記素材を固定する前記固定手段として機能し、
   前記流動力が前記付勢力よりも大きいとき、前記スライド部材は、前記流動力による前記素材の径外方向への変形を許容する前記許容手段として機能することを特徴とする請求項１に記載の深孔鍛造加工装置。
3. 前記スライド部材は、前記素材の径方向外側に放射状に複数設けられていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の深孔鍛造加工装置。

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