JP6477294B2 - 回転鍛造用金型、鍛造物の製造方法及び鍛造物 - Google Patents

Description

本発明は、回転鍛造用金型及び鍛造物の製造方法並びに鍛造物に係り、特に回転鍛造用金型及びこの回転鍛造用金型を用いた鍛造物の製造方法並びにこの回転鍛造用金型により得られた鍛造物に関する。

熱間鍛造プロセス（所謂回転鍛造）は、円柱状の被成型体を高温に加熱して金型間で加圧した後、被成型体を周方向に逐次回転させて再び加圧する熱間鍛造プロセス（所謂回転鍛造）が行われている。

熱間鍛造プロセスでは、高温状態で加圧することで、被成型体内部にひずみが付与される。ひずみを有する被成型体は、再結晶化により結晶組織が微細化されることで強度が高められる。このため、熱間鍛造プロセスでは、被成型体における未変形領域の発生を防止し、その全体に十分なひずみを付与することが重要である。

一方、熱間鍛造プロセスでは、加圧による被成型体の径の拡大に伴い、被成型体と金型との接触面積が大きくなり、その分、プレス時に要する荷重が大きくなる。このため、被成型体の径の拡大に伴い、加圧力が十分でなくなり、被成型体全体に十分なひずみが与えられないおそれがある。

そこで、例えば特許文献１には、複数の押圧面を有する上金敷を往復直動運動して鍛造物を押圧し、鍛造を行うディスク状鍛造物の製造装置が開示されている。この技術によれば、上金敷によって押圧する一回あたりの面積が少なくて済み、小さい能力の製造装置でも比較的外径の大きい鍛造物を鍛造することが可能となる、としている。

特開２００９−０１２０５９号公報

特許文献１に記載の鍛造物の製造装置では、上金敷及び下金敷の端部に形成された傾斜面により、被鍛造物の外周部が拘束されるため、加圧後に得られる鍛造物には多くの歪みが与えられる。また、この上金敷及び下金敷の端部に形成された傾斜面により、被鍛造物との離型性が確保されている。

しかしながら、特許文献１に記載されているように、端部に傾斜面を有する上金敷及び下金敷を用いて鍛造を行うと、離型後の鍛造物の外周部には、傾斜面に沿った丸みを帯びた形状が形成される。鍛造物から最終製品の形状に沿った形状を切り出す際、丸みを帯びた外周部は、切り出し領域として利用できない。

このため、特許文献１に記載の金敷を用いて得られた鍛造物は、外周部を除いた領域で最終製品の形状を確保できるように、鍛造物を大きめに用意しなければならず、切り出し効率が低く、歩留り向上には限界がある。また、端部に傾斜面を有する上金敷及び下金敷を用いると、被鍛造物の外周部には加圧力が十分に付与されず、未変形領域が残存し、得られる鍛造物の外周部において、歪が十分に得られない場合がある。

本発明の目的は、鍛造物との離型性に優れ、かつ歩留りの高い鍛造物を提供可能な回転鍛造用金型及び鍛造物の製造方法並びに鍛造物を提供することである。

本発明に係る回転鍛造用金型の好ましい実施形態としては、被鍛造物の回転鍛造に用いられる回転鍛造用金型であって、被鍛造物が搭載される被鍛造物搭載面を有する下型と、前記下型を支持する基部と、被鍛造物を押圧する押圧面が放射状に形成されており、前記被鍛造物搭載面側に移動可能に設けられた上型と、前記上型と前記基部との間において、前記下型に対して接近及び離間可能に設けられた可動部と、を有し、前記可動部は、前記下型及び前記被鍛造物に対向する面を有し、この面が前記被鍛造物搭載面に対して垂直に形成されていることを特徴とする。

また、本発明に係る鍛造物の製造方法の好ましい実施形態としては、回転鍛造用金型を用いて被鍛造物を回転鍛造する鍛造物の製造方法であって、前記回転鍛造用金型の下型の被鍛造物搭載面に被鍛造物を搭載し、前記下型に対向配置された上型を、前記被鍛造物搭載面側に移動させ、前記下型を支持する基部と前記上型との間を移動可能な可動部を、前記被鍛造物搭載面に対して垂直に形成された面を該下型に向けて移動させ、前記上型に形成された放射状の押圧面により、前記被鍛造物を押圧し、前記被鍛造物を押圧した後の前記上型を前記被鍛造物搭載面から離間する方向に移動させ、前記下型に近接している前記可動部を、該下型から離間する方向に移動させることを特徴とする。

また、本発明に係る鍛造物の好ましい実施形態としては、実施形態に係る鍛造物の製造方法により形成される鍛造物であって、前記鍛造物の鍛造面又は該鍛造面と対向する面に対して垂直に形成された側面を有していることを特徴とする。

本発明によれば、鍛造物との離型性に優れ、かつ歩留りの高い鍛造物を提供可能な回転鍛造用金型及び鍛造物の製造方法並びに歩留りの高い鍛造物を実現することができる。

従来の回転鍛造用金型の押圧前の状態を示す縦断面図である。 従来の回転鍛造用金型の押圧時の状態を示す縦断面図である。 実施例１に係る回転鍛造用金型の一例を示す上面図である。 図３に示す回転鍛造用金型の押圧前の状態を示す縦断面図である。 図３に示す回転鍛造用金型の押圧時の状態を示す縦断面図である。 実施例２に係る回転鍛造用金型の一例を示す縦断面図である。 回転鍛造により得られた鍛造物の縦断面図である。 従来の金型を使用して得られた鍛造物及び実施例１の金型を使用して得られた鍛造物についての、真ひずみの予測値の解析結果を示すグラフである。

以下に、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
本発明の実施の形態を説明する前に、まず従来の回転鍛造用金型の構成について説明する。
図１は、従来の回転鍛造用金型の押圧前の状態を示す縦断面図であり、図２は、従来の回転鍛造用金型の押圧時の状態を示す縦断面図である。

図１に示すように、上型２及び下型３の先端部には、それぞれ、互いの対向面側に向けて突出する突出部２ａ、３ａが設けられている。下型２上に搭載された被鍛造物１は、突出部２ａ、３ａにより外周部が拘束された状態で、上型２により押圧される（図２参照。）。

このように、被鍛造物１の外周部を突出部２ａ、３ａにより拘束した状態で押圧することで、被鍛造物１の径方向への変形が抑制され、周方向への変形が助長される。被鍛造物１が、押圧により周方向に変形すると、被鍛造物１を回転させて再度押圧するときに、押圧領域には既にひずみが導入された状態となっている。このため、押圧と回転を繰り返し行うことで、外周部にひずみが累積され、回転鍛造終了時には、被鍛造物１に多くのひずみが導入される。このため、押圧回数を増加させることなく、所望のひずみを有する鍛造物１を得ることができ、鍛造時間を短縮することが可能となる。

しかし、突出部２ａ、３ａを設けた場合には、回転鍛造終了後、鍛造物１Ａを取り出す際に、突出部２ａ、３ａが鍛造物１Ａの端部に当たり、鍛造物１Ａを円滑に離型できないことがある。鍛造物１Ａが上型２や下型３から外れない場合には、鍛造物１Ａを再度加熱する必要があり、製造時間が長時間化する。

図１及び図２に記載の回転鍛造用金型では、突出部２ａの被鍛造物１との接触面Ｓ_１、及び突出部３ａの被鍛造物１との接触面Ｓ_２に、それぞれ抜き勾配が形成されている。抜き勾配の角度を大きくするほど、鍛造物１Ａとの離型性が良くなり、効率的な製造が可能となる。

一方、得られる鍛造物１Ａの外周部は、上型２及び下型３の内壁形状に沿った形状に形成される。このため、図２に示すように、突出部２ａ、３ａの抜き勾配の角度を大きく設定するほど、鍛造物１Ａの側面５は、鍛造面６やこれに対向する底面７に対する垂直面から離れた形状となる。

以下に、本発明の実施例１に係る回転鍛造用金型及びこれを用いた鍛造物の製造方法について説明する。
図３は、実施例１に係る回転鍛造用金型の一例を示す上面図である。
図４及び図５は、図３に示す回転鍛造用金型のＡ−Ａ線断面の一部を示す図であり、図４は、図３に示す回転鍛造用金型の押圧前の状態を示す縦断面図であり、図５は、図３に示す回転鍛造用金型の押圧時の状態を示す縦断面図である。

回転鍛造用金型は、図３に示すように、中心から径方向に放射状に形成された押圧面を有する上型１２を備えている。上型１２の押圧面は、複数の分割面により構成されており、これらの各分割面により、被鍛造物が押圧される。なお、図１に示す例では、上型１２の押圧面は４枚の分割面により構成されているが、分割面の数は特に限定されず、例えば、４枚より少ない数でもよく、４枚より多い数であってもよい。

回転鍛造用金型には、図４に示すように、上型１２の中心軸と一致するように下型１３が設けられている。下型１３は、金型全体を支持する基部１４上に設置されている。下型１３の形状は特に限定されず、円盤状であってもよく、上型１２と同じ形状であってもよい。図３及び図４では、下型１３の被鍛造物搭載面１３ａ上に、据え込み工程で成形された被鍛造物１１が搭載されている。

上型１２は、被鍛造物搭載面に対して接近及び離間可能に設けられており、不図示のプレス機による、上型１２の被鍛造物搭載面１３ａ側への降下による押圧と、上型１２の中心軸を回転中心とした被鍛造物１１の回転とを繰り返すことにより、被鍛造物１１は、その全周にわたって鍛造される。

図４に示すように、基部１４上には、下型１３と対向するように、可動部１６が設けられている。可動部１６の、下型１３と対向する面Ｓ_３（被鍛造物１１との接触面）は、被鍛造物搭載面１３ａに対して垂直に形成されている。

上型１２の端部には、その押圧面側に突出するように突出部１２ａが形成されており、可動部１６は、突出部１２ａと嵌合可能に設けられている。すなわち、可動部１６の側面は、上型１２の突起部１２ａの内壁面と接合可能に形成されている。これにより、突起部１２ａが可動部１６と嵌合した状態で、上型１２が被鍛造物搭載面１３ａ側に降下することで、可動部１６は、上型１２に押されて下型１３側（すなわち上型１２及び下型１３の中心軸側であり、図４中破線矢印で示す方向。）に移動可能に設けられている。

可動部１６には、その底部にばね材１７の一端部１７ａが固定されている。図４、５に示す例では、ばね材１７は、基部１４内に設けられた空間に設置されており、その他端部１７ｂは、基部１４の端部に固定されている。なお、ばね材１７の他端部１７ｂの固定位置は、必ずしても基部１４の端部でなくてもよく、一端部１７ａよりも、下型１３から離れた位置に固定されていればよい。

次に、図４、５に示した回転鍛造用金型を用いた鍛造物の製造方法について説明する。 なお、以下に示す工程は、円柱状のビレットの高さを低くする据え込み工程を経た後の成形体を、さらに厚さを低減しかつ径を拡げるための回転鍛造工程に係るものである。

まず、下型１３の被鍛造物搭載面１３ａに、被鍛造物１１を搭載する。次いで、上型１２を不図示のプレス機により押圧し、被鍛造物搭載面１３ａ側に降下させて、突起部１２ａを可動部１６に嵌合させる（図４参照）。

次いで、突起部１２ａを可動部１６に嵌合させた状態で、上型１２をさらに鍛造物搭載面１３ａ側に降下させる。これにより、可動部１６は上型１２に押されて、下型１３側（図４中破線矢印で示す方向。）に移動する。

その後、上型１２をさらに被鍛造物搭載面１３ａ側に降下させて、押圧面により被鍛造物１１を押圧する。このとき、可動部１６は、下型１３との対向面Ｓ_３が被鍛造物１１の端面と接触し、被鍛造物１１の径方向の移動を抑制する（図５参照。）。

被鍛造物１１の押圧後、上型１２を上昇させて、被鍛造物搭載面１３ａから離間させる。これにより、突起部１２ａと可動部１６との嵌合状態を解除する。突起部１２ａとの嵌合状態が解除された可動部１６は、ばね材１７の付勢力により、下型１３から離間する方向に移動する。

次いで、上型１２を周方向に回転させた後、再び上型１２を被鍛造物搭載面１３ａ側に降下させ、上記と同様の工程を経て、押圧面により被鍛造物１１を押圧する。この工程を複数回繰り返す。

上型１２による最後の押圧が終了した後、上型１２を上昇させ、被鍛造物搭載面１３ａから離間させる。これにより、突起部１２ａと可動部１６との嵌合状態を解除し、上型１２と下型１３との間から鍛造物１１Ａを取り出す。図５に示すように、鍛造物１１Ａの側面１１３は、鍛造物１１Ａの鍛造面１１１及びこれと対向する底面１１２に対して垂直に形成されている。また、被鍛造物１１は、外周部が可動部１６に拘束された状態で押圧されるため、この外周領域に多くのひずみが付与された鍛造物１１Ａを得られる。

次に、実施例１により得られた鍛造物１１Ａについて、二次元の軸対称モデルによる変形解析を行った。
加工対象である被鍛造物には、高さ１０００ｍｍ、半径３００ｍｍの円柱状の金属成形体を用い、この金属成形体を、平坦な据え込み用金型を用いて高さ４００ｍｍまで低くした後、回転鍛造工程により、高さ２０５ｍｍまで薄くする例について検討した。

すなわち、回転鍛造工程について、従来の回転鍛造用金型を用いた場合と、実施例１の回転鍛造用金型を用いた場合の双方について解析を行った。なお、据え込み工程の条件はいずれについても共通とし、据え込み工程後の被鍛造物の形状を計算機に読み込んで、回転鍛造工程の解析を行った。

従来の回転鍛造用金型としては、上型２及び下型３と被鍛造物との接触面Ｓ_１及びＳ_２に、１０度の抜き勾配を設けたものを使用した（図１〜２参照。）。一方、実施例１の回転鍛造用金型としては、下型１３との対向面（被鍛造物との接触面）Ｓ_３が、被鍛造物搭載面１３ａに対して垂直に設けられた可動部１６を有するものを使用し、上型２の降下に伴い、０．５ｍｍ／ｓの速度で可動部１６が内径側に水平移動する条件下で、解析を行った。

表１に、これらの二種の金型を用いて回転鍛造を行って得られた鍛造物の、形状予測解析の結果を示す。なお、以下の説明における、鍛造物の上端面の直径φ１、最外径φ２、厚さ（高さ）Ｈを、図７に示している。

従来の金型を用いた場合には、鍛造物の最外径φ２が１３４７ｍｍであるのに対し、上端面の直径φ１が１２３９ｍｍであり、最外径φ２と上端面の直径φ１との差が１００ｍｍ以上形成されていた。

一方、実施例１の金型を用いた場合には、鍛造物の最外径φ２と上端面の直径φ１との差が３０ｍｍ程度であり、底面に対して略垂直な側面を有することが確認された。

次に、従来の金型を使用して得られた鍛造物と、実施例１の金型を使用して得られた鍛造物について、真ひずみの予測値を解析した結果を図８に示す。
図８は、横軸に、鍛造物１１Ａの高さＨ／２の位置における中心からの距離を示し、縦軸に、横軸の各位置における真ひずみの解析結果の値を示している。従来の金型を使用した場合（図８中黒点。）には、側面側に向かうに従い真ひずみ量が低下しており、側面（中心からの距離が６５０ｍｍ）における真ひずみ量は、側面から１５０ｍｍ離れた位置（中心からの距離が５００ｍｍ）における真ひずみ量の約半分の値となっている。

一方、実施例１の金型を用いた場合（図８中白抜き点。）には、側面からの距離が５０ｍｍ以下の領域（中心からの距離が６００ｍｍ以上の領域）における真ひずみ量の解析値が、従来技術を上回っており、最大で０．２５程度の差が得られることが確認された。

以上の検討の結果、実施例１の金型を用いて回転鍛造を行うことで、底面に対して略垂直に形成された側面を有する鍛造物を得ることができる。また、側面付近には、多くのひずみが与えられているため、より側面に近い位置から製品を切り出すことが可能となる。このため、従来の金型を用いて製造した鍛造物と比較して、同じサイズ、形状、品質の製品を、より小さいサイズの鍛造物から切り出すことが可能となり、歩留向上の効果を得ることができる。また、実施例１の金型は、可動部１６により、鍛造物１１Ａとの離型性が確保されている。このため、鍛造工程終了後、鍛造物１１Ａを金型から速やかに取り出すことができ、鍛造工程に要する時間を短縮することができる。

なお、本明細書において、図７に示す鍛造物１１Ａの側面の角度θ、即ち、鍛造物の底面又は鍛造面に対して垂直な面と、鍛造物１１Ａの側面とがなす角度θが０度以上で５度以下である場合には、鍛造物の側面は、その底面に対して垂直であるとみなす。

以下に、本発明の実施例２に係る回転鍛造用金型及びこれを用いた鍛造物の製造方法について説明する。
図６は、実施例２に係る回転鍛造用金型の一例を示す縦断面図である。
実施例２は、突出部１２ａを有する上型１２に代えて、突出部を有しない上型２２を用いる点、及び可動部１６に代えて、シリンダ２８により移動する可動部２６を用いる点以外は、実施例１と同じである。

すなわち、実施例２の回転鍛造用金型は、実施例１と同様、中心から径方向に放射状に形成された押圧面を有する上型２２を備えている。上型２２は、上記したように突出部を有しておらず、各分割面は、一律な厚さを有する板状体として設けられている。

金型全体を支持する基部２４上には、下型２３が設けられており、この下型２３と対向するように、可動部２６が設けられている。可動部２６の、下型２３との対向面Ｓ_４（被鍛造物１１との接触面）は、下型２３の被鍛造物搭載面２３ａに対して垂直に形成されている。

図６に示す回転鍛造用金型では、可動部２６にシリンダ２８が設けられている。可動部２６は、シリンダ２８の直動運動により、下型２３に対して接近及び離間が可能に設けられている。なお、シリンダ２８としては、油圧シリンダを用いてもよく、電導シリンダを用いてもよい。

次に、図６に示した回転鍛造用金型を用いた鍛造物の製造方法について説明する。
まず、下型２３の被鍛造物搭載面２３ａに、被鍛造物１１を搭載する。次いで、シリンダ２８により、可動部２６を下型２３側（図６中破線矢印方向）に向けて移動させる。次いで、上型２２を、被鍛造物搭載面２３ａ側に向けて降下させ、押圧面により被鍛造物１１を押圧する。

上型２２による被鍛造物１１の押圧後、上型２２を上昇させ、被鍛造物搭載面２３ａから離間させるとともに、シリンダ２８の直動運動により、可動部２６を、下型２３から離間させる。

以上説明した、実施例２の金型を用いて回転鍛造を行うことで、実施例１と同様、底面又は鍛造面に対して略垂直に形成された側面を有する鍛造物を得ることができる。また、側面付近には、多くのひずみが与えられているため、より側面に近い位置から製品を切り出すことが可能となる。このため、歩留向上の効果を得ることができる。

また、実施例２の金型は、可動部２６により、鍛造物との離型性が確保されている。このため、鍛造工程終了後、鍛造物を金型から速やかに取り出すことができ、鍛造工程に要する時間を短縮することができる。

１、１１…被鍛造物、１Ａ、１１Ａ…鍛造物、１１１…鍛造物１１Ａの鍛造面、１１２…鍛造物１１Ａの底面、１１３…鍛造物１１Ａの側面、２、１２、２２…上型、３、１３、２３…下型、２ａ、３ａ、１２ａ…突出部、５…鍛造物１Ａの側面、６…鍛造物１Ａの鍛造面、７…鍛造物１Ａの底面、１３ａ、２３ａ…被鍛造物搭載面、１３ｂ、２３ｂ…下型１３の端面、１４、２４…基部、１６…可動部、１７…ばね材、１７ａ…ばね材１７の一端部、１７ｂ…ばね材１７の他端部、２８…シリンダ２８、Ｓ_１…突出部２ａの被鍛造物１との接触面、Ｓ_２…突出部３ａの被鍛造物１との接触面、Ｓ_３…可動部１６の下型１３との対向面、Ｓ_４…可動部２６の下型２３との対向面

Claims (6)

1. 被鍛造物の回転鍛造に用いられる回転鍛造用金型であって、
   被鍛造物が搭載される被鍛造物搭載面を有する下型と、
   前記下型を支持する基部と、
   被鍛造物を押圧する押圧面が放射状に形成されており、前記被鍛造物搭載面側に移動可能に設けられた上型と、
   前記上型と前記基部との間において、前記下型に対して接近及び離間可能に設けられた可動部と、を有し、
   前記可動部は、前記下型及び前記被鍛造物に対向する面を有し、この面が前記被鍛造物搭載面に対して垂直に形成されていることを特徴とする回転鍛造用金型。
2. 前記上型は、前記押圧面側に突出する突起部を有しており、
   前記可動部は、前記突起部と嵌合可能に設けられており、
   かつ前記突起部が前記可動部と嵌合した前記上型の前記被鍛造物搭載面側への移動に伴い、前記可動部が前記下型側に移動可能に設けられており、
   前記可動部にはばね材の一端部が固定されており、前記ばね材の他端部は、前記一端部の固定位置よりも前記下型から離れた位置に固定されていることを特徴とする請求項１に記載の回転鍛造用金型。
3. 前記可動部を、前記下型に対して接近及び離間するように移動させるシリンダを有することを特徴とする請求項１に記載の回転鍛造用金型。
4. 回転鍛造用金型を用いて被鍛造物を回転鍛造する鍛造物の製造方法であって、
   前記回転鍛造用金型の下型の被鍛造物搭載面に被鍛造物を搭載し、
   前記下型に対向配置された上型を、前記被鍛造物搭載面側に移動させ、
   前記下型を支持する基部と前記上型との間を移動可能な可動部を、前記被鍛造物搭載面に対して垂直に形成された面を該下型に向けて移動させ、
   前記上型に形成された放射状の押圧面により、前記被鍛造物を押圧し、
   前記被鍛造物を押圧した後の前記上型を前記被鍛造物搭載面から離間する方向に移動させ、
   前記下型に近接している前記可動部を、該下型から離間する方向に移動させる、ことを特徴とする鍛造物の製造方法。
5. 前記押圧面側に突出する突起部を有する前記上型を、前記被鍛造物搭載面側に移動させ、ばね材が固定された前記可動部と前記突起部とを嵌合させ、
   前記突起部を前記可動部に嵌合させた状態で前記上型を前記被鍛造物搭載面側に移動させて、前記可動部を前記下型側に移動させ、
   前記押圧面により前記被鍛造物を押圧した後の前記上型を被鍛造物搭載面から離間する方向に移動させて前記突起部と前記可動部との嵌合状態を解除し、
   前記ばね材の付勢力により前記可動部を前記下型から離間する方向に移動させる
   ことを特徴とする請求項４に記載の鍛造物の製造方法。
6. 前記可動部を、シリンダにより前記下型に向けて移動させ、
   前記上型の押圧面による被鍛造物の押圧後、前記下型に近接する前記可動部を、前記シリンダにより該下型から離間させる
   ことを特徴とする請求項４に記載の鍛造物の製造方法。

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