JP6621040B2 - 金属部品製造装置及び金属部品製造方法 - Google Patents

Description

本願発明は、高強度精密金属部品を順送鍛造加工によって製造するための金属部品製造装置及び金属部品製造方法に関する。特に、帯状金属板から複雑な形状の高精度かつ高硬度の金属部品の成形を実現する順送鍛造加工からなる金属部品製造装置及び金属部品製造方法に関する。

順送プレス加工は、抜き・絞り・曲げ・鍛造などの複数の工程が組み込まれた金型に、コイル材から解かれた帯状金属板を送り装置により供給して、連続して複数工程の加工を行う加工方法である。高精度で高品質な部品を高速で大量に製造できるため、精密金属部品の製造方法として普及している。
近年、環境負荷の軽減から軽量化が求められるため高張力鋼（ハイテン材）、マグネシウム合金、チタン合金などの難加工材や新素材を加工した精密金属部品が求められている。このような難加工材、新素材は、常温では延性が乏しいため、帯状金属板及び金型の両方を加熱する温間鍛造加工が望ましい。このため、順送鍛造加工では、帯状金属板を局所加熱する方法が採用されている。

特許文献１には、帯状金属板を所定方向に間欠的に送り出す搬送機構と、送りピッチと等間隔で配置された金型からなる順送プレス加工装置において、あらかじめ加熱した金型上でプレス加工前に帯状金属板を温間塑性加工に適した温度に加熱することで、成形性が良好で、高い成形精度が得られ、成形品に割れなどが発生せず、製品歩留まりが向上する順送プレス加工装置が開示されている。

特許文献２には、複数段階の加工工程において、第１加工工程で加工硬化した被加工金属材を第２加工工程の前にレーザー加熱して焼き鈍す加工工程を行う順送金型で高耐熱性の金属部品を加工する順送プレス装置が開示されている。

特許文献１及び２に示すように、高硬度金属材料を順送温間鍛造加工するとき、金型だけでなく高硬度金属材料も鍛造加工温度まで加熱処理することが行われている。しかしながら、順送加工では、帯状金属板を加熱することにより、搬送速度が遅くなる。加工装置保温にコストを要するという問題がある。また、帯状金属板を加熱することにより加工品表面に酸化被膜が形成されて着色が生じる。このため、脱色工程を設ける必要があり製造コストが高くなるという問題もある。

特開２００６−１４２３６８号公報 特開２０１５−１７１７２７号公報

図１は、鍛造加工における金型と素材の関係を加熱の有無により分類したものであり、４つの態様がある。すなわち、態様１は、金型及び素材のいずれも加熱しない鍛造加工（以下、「完全冷間鍛造加工」という。）、態様２は、金型及び素材のいずれも加熱する鍛造加工（以下、「完全温間鍛造加工」という。）、態様３は、金型のみを加熱して、素材を加熱しない鍛造加工（以下、「金型加熱鍛造加工」という。）、態様４は、素材のみを加熱し、金型を加熱しない鍛造加工（以下、「素材加熱鍛造加工」という。）である。
完全冷間鍛造加工は、素材表面には押し込みにより生じた加工素材の引け、いわゆるダレが大きく、裏面に発生するバリも大きい。特に、材料高張力鋼（ハイテン材）、マグネシウム合金、チタン合金などの難加工材の鍛造加工においては、顕著である。生じたダレやバリを除くための研削加工が必要であり、高精度精密部品の加工には適さない。
このため、加工温度を２００℃〜４００℃とする完全温間鍛造加工が行われている。完全温間鍛造は、材料高張力鋼（ハイテン材）、マグネシウム合金、チタン合金などの難加工材の鍛造加工に適するが、素材に加熱により素材表面に変色が生じ、脱色処理を行う必要がある。また、金型設計において加工素材の膨張を考慮する必要がある。さらに、順送鍛造加工においては、加工素材である帯状金属板を局所加熱するための設備も必要であり、生産コストが高くなる。
素材加熱鍛造加工は、金型設計において加工素材の膨張を考慮する必要があり、金型に加工素材の熱を奪われ、ダレやバリが低減しないという問題がある。

本願発明は、順送鍛造加工において、金型加熱鍛造加工を採用することで、高精度の端面形状を有する金属部品を加工することができる順送鍛造加工装置及び順送鍛造加工方法を提供することである。帯状金属板を加熱または保温をすることを必要としないため加工コストが低く、金型破損が少なく設備維持費が低く、加工後のダレ込みが少ないため、加工品の検査コストが低く、加工後の研削加工を必要としないため加工コストも低い順送鍛造加工装置及び順送鍛造加工方法を提供することである。

本願発明の課題は、以下の態様（１）乃至（５）により解決できる。具体的には、

（態様１） 帯状金属板を所定方向に送り出す搬送機構と、前記帯状金属板の送り方向に沿って送りピッチと同じ間隔で配置された複数の金型からなる鍛造機構部とを備える金属部品の順送鍛造加工装置であって、前記帯状金属板を加熱または保温する機構を備えず、かつ前記鍛造機構部の特定した成形金型のみに温度制御する機構を備える成形金型のみを加熱する金属部品の順送鍛造加工装置である。
帯状金属板を加熱または保温する機構を備えず、かつ鍛造機構部の特定した成形金型のみに温度制御する機構を備える金型加熱鍛造加工を行うことで、帯状金属板の加熱・保温機構を設ける必要がなく、金型破損が生じにくく、かつ加工後のダレやバリによる研削加工も必要がないため加工コストが低い、順送鍛造加工が実現できるからである。

（態様２） 前記帯状金属板の厚みが１０ｍｍ以下であることを特徴とする（態様１）に記載した成形金型のみを加熱する金属部品の順送鍛造加工装置である。金型加熱鍛造加工では、帯状金属板の厚みが１０ｍｍを超えると金型加熱のみの加工効果がなくなり、加工品のバリや金型の寿命低下が生じるからである。

（態様３） 前記温度制御された成形金型の温度が２００℃以上４００℃以下であることを特徴とする（態様１）または（態様２）のいずれかに記載した成形金型のみを加熱する金属部品の順送鍛造加工装置である。成形金型の温度を２００℃以上４００℃以下にすることで、加工品のバリや金型の寿命低下を防ぐことができ、加工品の変色も生じないからである。

（態様４） 帯状金属板を所定方向に送り出す搬送工程と、送りピッチと同じ間隔で配置された複数の金型により前記帯状金属板を鍛造加工する鍛造工程と、からなる金属部品の順送鍛造加工方法であって、前記帯状金属板を鍛造加工する鍛造工程において、前記帯状金属板を加熱または保温することなく、前記送りピッチと同じ間隔で配置された複数の成形金型の少なくとも１つを、金型温度を２００℃以上４００℃以下に維持することを特徴とする成形金型のみを加熱する金属部品の順送鍛造加工方法である。
帯状金属板を温度制御する機構を備えず、かつ鍛造機構部の特定の成形金型のみに温度制御する機構を備える金型加熱鍛造加工を行うことで、帯状金属板の加熱・保温機構を設ける必要がなく、金型破損が生じにくく、かつ加工後のダレやバリによる研削加工も必要がないため加工コストが低い、順送鍛造加工が実現できるからである。また、成形金型の温度を２００℃以上４００℃以下にすることで、加工品のバリや金型の寿命低下を防ぐことができ、加工品の変色も生じないからである。

（態様５） 前記帯状金属板の厚みが１０ｍｍ以下であることを特徴とする（態様４）に記載した成形金型のみを加熱する金属部品の順送鍛造加工方法である。
金型加熱鍛造加工では、帯状金属板の厚みが１０ｍｍを超えると金型加熱のみの加工効果がなくなり、加工品のバリや金型の寿命低下が生じるからである。

本願発明によれば、帯状金属板を加熱または保温をすることを必要としないため加工コストが低く、金型破損が少なく設備維持費が低く、加工後のダレ込みが少ないため、加工品の検査コストが低く、加工後の研削加工を必要としないため加工コストも低い順送鍛造加工装置及び順送鍛造加工方法を提供できる。

鍛造加工における金型及び素材の加熱態様と順送加工適正および加工品特性との関係を示す表である。 本願発明の順送鍛造加工装置の一実施態様を示す概略構成図である。 本願発明の順送鍛造加工装置の金型温度管理システムの一実施態様を示す構成図である。 本願発明の順送鍛造加工装置の鍛造機構部を構成する温度制御された温間鍛造金型の断面構造を示す模式図である。 本願発明の順送鍛造加工装置の温度制御された温間鍛造金型の加熱ヒータの配置を示す模式図である。 本願発明の順送鍛造加工装置により加工された帯状金属板の平面図及び断面図である。 本願発明の順送鍛造加工装置により温間鍛造加工された金属加工品のダレ量を示す図面である。 本願発明の順送鍛造加工装置と異なり冷間鍛造加工された金属加工品のダレ量を示す図面である。

以下、本願発明を図面に基づいて説明する。

（１）順送鍛造加工装置
図２は、本願発明の順送鍛造加工装置の概略構成図である。本願発明の金属部品を製造するための順送鍛造加工装置は、帯状金属板（１１）を所定方向に送り出す搬送機構（１）と、帯状金属板（１１）の送り方向に沿って送りピッチと同じ間隔で配置された複数の金型（３１，３２）からなる鍛造機構部（３）からなる。また、必要に応じて、搬送機構（１）と鍛造機構部（３）の間にレベラーフィーダ（２）を設けることができる。鍛造機構部（３）に送りピッチと同じ間隔で配置された金型は、温度制御された温間鍛造金型（３１）と温度非制御金型（３２）で構成されている。図１では、温度制御された温間鍛造金型（３１）と温度非制御金型（３２）が交互に配置されているが、製造する金属部品により温度制御された温間鍛造金型（３１）及び温度非制御金型（３２）の配置、構成数は適宜選択することができる。温度制御された温間鍛造金型（３１）は、後述する温度管理システムにより金型温度が２００℃以上４００℃以下に維持されている。

（２）温度管理システム
図３は、本願発明の順送鍛造加工装置の温度管理システムを示す模式図である。温度制御された温間鍛造金型（３１）は、温度計測を行うことで金型の温度が２００℃以上４００℃以下に維持されている。温度制御された温間鍛造金型（３１）の温度は、成形加工毎に温度測定値を温度センサ（３３，３４）により、リアルタイムに取り込み、温度制御プログラムで処理され、金型温度制御処置により温度制御される。温度制御プログラムは、事前に温度分布シミュレーションを実施して、温間鍛造金型（３１）の加熱温度と帯状金属板（１１）の温度差を求めた結果が入力されている。これにより帯状金属板（１１）の温度制御された温間鍛造金型（３１）における塑性変形温度が２００℃以上４００℃以下に維持される。

（３）温度制御された温間鍛造金型
図４は、本願発明の順送鍛造加工装置の温度制御された温間鍛造金型（３１）の断面構造を示す模式図である。本願発明の温度制御された温間鍛造金型（３１）は上面金型と底面金型で構成され、上面金型（パンチ部）と底面金型（ダイス部）には、加熱ヒータ（３５）が側面に配置され、加熱ヒータ（３５）の側面及び底面には断熱プレート（３６）が配置されている。また断熱プレートには水冷パイプ（図示せず）が付設され装置の過熱を防いでいる。また、上面金型（パンチ部）と底面金型（ダイス部）には温度センサ（３３，３４）が接続されて金型温度（以下、「金型保持温度」という。）がリアルタイムに測定される。

図５は、金型側面に配置した加熱ヒータ（３５）と断熱プレート（３６）を示したものである。加熱ヒータ（３５）、いわゆるカートリッジ式加熱ヒータを金型の周囲に複数本（図５では、４本）均等に配置する。加熱ヒータ（３５）の側面と底面に断熱プレート（３６）を配置して金型の温度保持効果を高めている。

（４）順送鍛造加工
図６は、本願発明の順送鍛造加工装置における帯状金属板（１１）の鍛造加工のプロセスの一部を例示的に示した平面図及び断面図である。搬送機構（図示せず）により逐次搬送され、型抜きされた帯状金属板（１２）は、精密加工プロセス（工程１〜工程４）により、成形される。工程１は常温で行う穴開け加工であり、工程２は温間鍛造（２００℃以上４００℃以下）で行う成形加工であり、工程３は温間鍛造（２００℃以上４００℃以下）で行う仕上成形加工であり、工程４は常温で行う穴開け加工である。精密成型加工を本願発明の金型加熱鍛造加工とすることで、帯状金属板（１１）から高精度金属部品を成形することができる。
帯状金属板（１１）を加熱または保温をすることを必要としないため加工コストが低く、金型破損が少なく設備維持費が低く、加工後のダレ込みが少ないため、加工品の検査コストが低く、加工後の研削加工を必要としないため加工コストも低い順送鍛造加工装置及び順送鍛造加工方法を提供することができる。

（５）帯状金属板
本願発明に用いることができる帯状金属板の素材は、特に限定されるものではない。具体的には、軟鋼、炭素鋼、合金鋼、ステンレス鋼、軸受鋼などの鋼材、アルミニウムにマグネシウム、マンガン、シリカ、銅、ニッケル等の合金成分を加えたアルミニウム合金を好適に用いることができる。
本願発明に用いることができる帯状金属板の素材の厚みは、素材の種類によるが、帯状金属板自体を加熱しないことから、１０ｍｍ以下、より好ましくは６ｍｍ以下である。

本願発明の効果を奏する実施態様を実施例とし、対比した実施態様を比較例とする。表１にまとめて示す。

（１）自動車用バルブプレートの鍛造加工
自動車用バルブプレートを金型加熱鍛造（実施例１）、完全冷間鍛造（比較例１）、完全温間鍛造（比較例２）として製作を行った。

＜実施例１＞
加工金属素材としてフェライト系ステンレス鋼（ＳＵＳ４３０）の帯状材（ｗ３０．０ｍｍ，ｔ５．８ｍｍ）を搬送機構により送り出し、図６に示すように送り出しピッチと等間隔に並んだ複数の金型で鍛造加工を行った。成形（工程２）、仕上成形（工程２）を金型保持温度２８０℃として、金型加熱鍛造加工を行った。ダレ量は、０．０１０ｍｍであった。また、加工品表面に変色は認められなかった。ワンショット３Ｄ測定機（キーエンス社製 ＶＲ−３０００）により測定した加工品の表面形状とダレ量を図７に示す。

＜比較例１＞
加工金属素材としてフェライト系ステンレス鋼（ＳＵＳ４３０）の帯状材（ｗ３０．０ｍｍ，ｔ５．８ｍｍ）を搬送機構により送り出し、図６に示すように送り出しピッチと等間隔に並んだ複数の金型で鍛造加工を行った。成形（工程２）、仕上成形（工程２）を金型保持温度２５℃として、完全冷間鍛造加工を行った。ダレ量は、０．２１５ｍｍであった。また、加工品表面に変色は認められなかった。ワンショット３Ｄ測定機（キーエンス社製 ＶＲ−３０００）により測定した加工品の表面形状とダレ量を図８に示す。

＜比較例２＞
加工金属素材としてフェライト系ステンレス鋼（ＳＵＳ４３０）の帯状材（ｗ３０．０ｍｍ，ｔ５．８ｍｍ）を搬送機構により送り出し、図６に示すように送り出しピッチと等間隔に並んだ複数の金型で鍛造加工を行った。成形（工程２）、仕上成形（工程２）を金型保持温度２８０℃として、また、工程２の直前に帯状材を一時停止して３００℃に加熱して、完全冷間鍛造加工を行った。ダレ量は、０．０１１ｍｍであった。加工品表面に赤さび色に変色した（図示せず）。

本願発明により、高精度精密部品を生産性よく提供できる。

１ 搬送機構
１１ 帯状金属板
１２ 型抜きされた帯状金属板
２ レベラーフィーダ
３ 鍛造機構部
３１ 温度制御された温間鍛造金型
３２ 温度非制御金型
３３ 温度センサ（パンチ）
３４ 温度センサ（ダイス）
３５ 加熱ヒータ
３６ 断熱プレート

Claims (5)

1. 帯状金属板を所定方向に送り出す搬送機構と、前記帯状金属板の送り方向に沿って送りピッチと同じ間隔で配置された複数の金型からなる鍛造機構部とを備える金属部品の順送鍛造加工装置であって、前記帯状金属板を加熱または保温する機構を備えず、かつ前記鍛造機構部の特定した成形金型のみに温度制御する機構を備える成形金型のみを加熱する金属部品の順送鍛造加工装置。
2. 前記帯状金属板の厚みが１０ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載した成形金型のみを加熱する金属部品の順送鍛造加工装置。
3. 前記温度制御された成形金型の温度が２００℃以上４００℃以下であることを特徴とする請求項１または請求項２のいずれかに記載した成形金型のみを加熱する金属部品の順送鍛造加工装置。
4. 帯状金属板を所定方向に送り出す搬送工程と、送りピッチと同じ間隔で配置された複数の金型により前記帯状金属板を鍛造加工する鍛造工程と、からなる金属部品の順送鍛造加工方法であって、前記帯状金属板を鍛造加工する鍛造工程において、前記帯状金属板を加熱または保温することなく、前記送りピッチと同じ間隔で配置された複数の成形金型の少なくとも１つを、金型温度を２００℃以上４００℃以下に維持することを特徴とする成形金型のみを加熱する金属部品の順送鍛造加工方法。
5. 前記帯状金属板の厚みが１０ｍｍ以下であることを特徴とする請求項４に記載した成形金型のみを加熱する金属部品の順送鍛造加工方法。