JP6625908B2 - 鍛造品の予備成形設備および予備成形方法 - Google Patents

Description

本発明は、鍛造品の予備成形設備および予備成形方法に関する。さらに詳しくは、仕上げ成形の前に予備成形を行う鍛造プロセスにおいて実施される鍛造品の予備成形設備および予備成形方法に関する。

クランクシャフトのような複雑な形状の鍛造品はもとより、さして複雑でない鍛造品の鍛造工程においても、効率のよいプロセスを構築する観点から、仕上げ成形の前にワークの予備成形が行われている。

クランクシャフトの鍛造プロセスにおける予備成形の一般的な工程を図４に基づき説明する。
Ｉ：丸棒状または角棒状の素材１が供給される。
II：素材１が適宜の長さに切断されてビレット２となる。
III：ビレット２が加熱炉１０で加熱される。
IV：予備成形機２０により予備成形される。予備成形された予備成形品３が図３の（Ａ）に示されている。
Ｖ：予備成形品３が鍛造プレス３０で熱間鍛造される。鍛造されたバリ付きの中間鍛造品４が図３の（Ｂ）に示されている。
VI：さらにツイスター等で振り成形され、冷却すると完成品５となる。

図３（Ａ）は棒状のビレットから予備成形した予備成形品３の形状を示し、同（Ｂ）は鍛造プロセス工程のバリ付き間鍛造品４の形状を示し、同（Ｃ）は鍛造プロセス最終工程のバリ切りを終え完成された完成品５の形状を示している。
図３（Ｂ）に示すバリ付き中間鍛造品におけるバリ４ｂの重量は中間鍛造品４全体の約３０％位である。このバリ４ｂの量が過少であると欠肉等の製品欠陥が生じ、過大であると素材が無駄になるので、鍛造時には中間鍛造品４の全周に適量の、つまり重量で約３０％位のバリが発生するようにしている。そうすると、中間鍛造品４の全周に均等なバリができるので、欠肉欠陥等が生じない。そして、このバリ４ｂの量は主に予備成形品３の形状や寸法に現われる成形精度に依存して増減する。

上記の成形精度を高めるため、従来の予備形成工程IVでは、予備成形機の諸元を事前設定した上で試行的予備成形を実施し、その後で試行成形品の寸法測定を行い、その測定値情報を回帰させて予備成形機２０のロール軸間距離、つまり成形押込み量の補正を実施していた。
ところが、この方法では成形精度の管理が受動的にしか行えないので、バリ量を現状（中間鍛造品全体の約３０重量％）より減少させながら、欠肉発生を防止することはできなかった。また、成形精度を目標値まで高めるためには数度の試し成形が必要であり、不合格品が発生する可能性を否定できず材料の歩留まり向上には限界があった。

鍛造品の成形精度を高める従来技術として、予備成形に関するものではないが、ワークの成形影響要因を計測して金型の押込み量を変更する従来技術（特許文献１）がある。
この従来技術では、製品寸法に大きく影響する加工前のワークの温度、硬度、寸法、およびプレス機の型の温度を測定し、これらの測定値に基づいてスライド下死点位置を補正するというものである。

この従来技術では、最適な下死点クリアランスでプレス加工することができるため、高精度な製品を安定して生産することが可能となる、と説明されている。
しかるに、この従来技術では、プレスの入口直前でビレットの温度や寸法を計測するので、前工程に存在する加熱工程での熱影響を計測精度から排除することができず、加工品の成形精度の向上には限界があった。

しかるに、バリ量を現状より減少させながら、欠肉等の製品欠陥を防止するには、予備成形の段階で成形精度を高めておき、発生するバリ量が少なくても欠肉等が発生しないようにしなければならない。

特開平８−２４９８５号公報

本発明は上記事情に鑑み、より高精度な予備成形を可能とし、従来よりもバリ量を少なくしても欠肉等の製品欠陥が生じない予備成形設備および予備成形方法を提供することを目的とする。

第１発明の鍛造品の予備成形設備は、長尺の棒状素材を切断したビレットを加熱する加熱炉と、加熱されたビレットを予備成形する予備成形機と、各ビレットの物理量を前記加熱炉の直前で計測する物理量計測器と、加熱された各ビレットの温度を前記予備成形機の入側直前で計測する温度計測器と、前記物理量計測器で得られた物理量と前記温度計測器で得られた温度とに基づき、前記予備成形機の成形押込み量を各ビレット毎に補正する成形押込み量補正手段とを備えることを特徴とする。
第２発明の予備成形設備は、第１発明において、前記予備成形機に固有の成形精度変動情報を計測する成形機固有情報計測器を備え、成形機固有精度情報をさらに加えて、成形押込み量を補正する前記成形押込み量補正手段を備えることを特徴とする。
第３発明の予備成形設備は、第１発明において、前記物理量計測器が、ビレットの重量を計測する重量計測器と、ビレットの断面径を計測する断面径計測器と、ビレットの長さを計測する長さ計測器を含むことを特徴とする。
第４発明の予備成形設備は、第２発明において、前記成形機固有情報計測器が、成形機自体の剛性に影響する熱変動を計測する熱変動計測器を含むことを特徴とする。
第５発明の鍛造品の予備成形方法は、長尺の棒状素材を切断したビレットを加熱し、加熱されたビレットを予備成形機で成形する予備成形方法であって、各ビレットの物理量を加熱する前に計測する物理量計測工程と、加熱された各ビレットの温度を予備成形する前に計測する温度計測工程と、前記物理量計測工程で得られた物理量と前記温度計測工程で得られた温度とに基づき、前記予備成形機の成形押込み量を補正する成形押込み量補正工程とを各ビレット毎に実行することを特徴とする。
第６発明の予備成形方法は、第５発明において、前記予備成形機に固有の成形精度変動情報を計測する成形機固有情報計測工程を実行し、得られた成形精度変動情報をさらに加えて、前記成形押込み量補正工程を実行することを特徴とする。

第１発明によれば、加工前に物理量計測器で得られたビレットの物理量と温度計測器で得られたビレットの温度とに基づき、予備成形機の成形押込み量を各ビレット毎に補正する。加熱炉の直前で計測した熱影響の入ってない物理量を用いるので、成形押込み量の補正を正確にでき、予備成形品を高精度に成形できる。このため、中間鍛造品のバリ量を従来より少なくしても欠肉等の製品欠陥を生ずることはない。また、試し成形の必要がないので、材料歩留りを向上させることができる。
第２発明によれば、成形機固有精度情報をさらに加えて成形押込み量を補正することができるので、予備成形品をさらに高精度に成形できる。
第３発明によれば、ビレットの重量と、ビレットの断面径と、ビレットの長さを含む物理量を成形押込み量の調整に利用できるので、成形押込み量の補正が正確に行える。
第４発明によれば、予備成形機自体の剛性に影響する熱変動情報を成形押込み量の調整に利用できるので、成形押し込み量の補正がより正確に行える。
第５発明によれば、ビレットの物理量とビレットの温度とに基づき、予備成形機の成形押込み量を各ビレット毎に補正する。つまり、前もって成形押込み量を最適値に調整しておけ、しかもその調整値を得るのに加熱炉の直前で計測した熱影響の入ってない物理量を用いるので、予備成形品を高精度に成形できる。このため、中間鍛造品のバリ量を従来より少なくしても欠肉等の製品欠陥を生ずることはない。
第６発明によれば、成形機固有精度情報をさらに加えて成形押し込み量を補正することができるので、予備成形品をさらに高精度に成形できる。

本発明に係る予備成形方法の説明図である。 本発明に係る予備成形設備の説明図である。 予備成形品３と鍛造中間品４と完成品５の説明図である。 従来の予備成形方法の説明図である。

つぎに、本発明の実施形態を図面に基づき説明する。
図１は本発明における予備成形方法を示しており、概略的にはつぎのＩ〜VIの工程で進行する。
Ｉ：丸棒状または角棒状の素材１が供給される。
II：素材１が適宜の長さに切断されてビレット２となる。
III：ビレット２が加熱炉１０で加熱される。
IV：予備成形機２０によりビレット２が予備成形される。符号３は予備成形品を示している。予備成形品３は、図３（Ａ）にも示すように、後工程の熱間鍛造がやりやすい径違いの丸棒形状となっている。

Ｖ：予備成形品３が鍛造プレス３０で熱間鍛造されるとバリ付きの中間鍛造品４が得られる。中間鍛造品４は図３（Ｂ）に示すように本来の製品となる部分４ａの周囲に薄肉状のバリ４ｂが付いたものである。本発明では、このバリ４ｂの量が中間鍛造品４全体の重量に対し、従来の約３０％から約２０％まで低減できるようにするものである。
VI：最後にツイスター等で振り成形され、冷却されると完成品５となる。

上記工程Ｉ〜VIは、基本的な流れは図４に示す従来技術と変りないが、各ビレット２の情報測定位置（ａ）、（ｂ）が異なっており、予備成形機２０において成形押込み量補正工程（ｄ）を実施するところに特徴がある。

本発明の予備成形設備を図１に基づき説明する。
II工程におけるビレットの切断位置の下流側には、加熱炉１０、予備成形機２０および鍛造プレス３０がその順で配置されている。加熱炉１０と鍛造プレス３０は従来技術のものと同様であるが、予備成形機２０は後述する成形押込み量補正手段で押込み量が制御可能に構成されている点で、従来技術と異なっている。

予備成形機２０の一例を図２に基づき説明する。
２１はベッドで、このベッド２１上に両サイドのフレーム２２が立設されている。左右のフレーム２２、２２には上下の成形ロール２３、２４が軸支されていて、図示しない駆動源により回転させられる。上成形ロール２３はフレーム２２に対し偏心軸や昇降機構等を用いた押込み量調整装置２５に連結されており、下成形ロール２４との間の軸間距離ｄ、すなわち成形押込み量が調整できるようになっている。

上記の予備成形機２０には、予備成形機に固有の成形精度変動情報を計測する成形機固有情報計測器が設けられている。ここでいう成形機固有情報計測器には、成形機自体の剛性に影響する熱変動を計測する熱変動計測器が含まれており、具体的には、以下を例示できる。
（１）フレーム２２の熱による伸びを検出する熱電対４１
熱電対４１で温度検出することによりフレーム２２の伸びを計測することができる。
（２）上成形ロール２３または下成形ロール２４の熱量を計測する放射温度計等の非接触温度計４２
成形ロール２３、２４が熱をもつと、パス形状が変化するので成形精度が変動することによる。

図１に戻り説明を続ける。
予備成形前の各ビレット２の物理量は予備成形機２０における成形押込み量の重要な制御ファクターであるが、その計測は本発明では加熱炉の直前で行うこととしている。そうする理由は、加熱後に生ずるはずの熱影響による誤差を避けるためであり、加熱前に計測した重量や長さなどの物理量であれば、冷却後の物理量を正確に反映するはずだからである。

本明細書でいう上記物理量とは、ビレット２について物理的数値で表わされる情報をいい、代表的には、重量、断面径および長さを例示できる。なお、断面径は、丸棒ビレットであれば直径を意味し、各棒ビレットであれば、一辺の長さ、あるいは４辺の辺長を合計した辺長を意味する。

図１に示す予備成形設備では、ビレット２の重量を計測する重量計測器４５としては、秤量計などの計測器が用いられる。ビレット２の断面径を計測する断面径計測器４６としては、公知の寸法測定器または変位センサーと位置検出器との組み合わせなどの計測器が用いられる。ビレット２の長さを計測する長さ計測器４７としては、公知の寸法測定器または光電センサーと搬送ローラでの搬送距離の検出との組み合わせなどの計測器が用いられる。これらの各計測器４５、４６、４７は既述のごとく加熱炉１０に入る前の上流側に設けられている。
さらに、加熱された各ビレット２の温度を予備成形機２０の入側直前で計測する温度計測器４８として、放射温度計やパイロメーターなどの計測器が用いられている。この温度計測器４８のみは、加熱炉１０の出側であり予備成形機２０の入側より前、好ましくは直前に配置されている。

再び図２に戻り説明すると、予備成形機２０には、成形押込み量補正手段５０と押込み量調整装置２５の駆動制御部５１が設けられている。成形押込み量補正手段５０はコンピュータ等で構成された情報処理装置で、各ビレット毎の物理量（重量、断面径、長さなど）と温度からなる計測情報を受け入れ、また、成形機に固有の成形精度変動情報を受け入れる。具体的には、重量計測器４５、断面径計測器４６、長さ計測器４７および温度計測器４８からの計測情報を受入れる。
さらに、成形機に固有の成形精度変動情報として、フレーム２２の熱による伸びとロール２３、２４の熱による膨張等の計測情報を受入れる。

成形押込み量補正手段５０は、各ビレットの成形作業直前に、各ビレット２の物理量情報を基に予備成形機２０の成形押込み量を演算する。また併せて、使用中の予備成形機２０の成形精度変動情報を基に計算された成形押込み量の微調整を行い、最終的な成形押込み量を算出する。
算出された成形押込み量は、駆動制御部５１に送られ、駆動制御部５１からの駆動信号によって、成形押込み量補正が実行される。
このようにして、本発明に係る予備成形機２０では、個々のビレット２を成形する直前に最適の成形押込み量を演算し、それによって予備成形することができる。

図１に基づき、本発明に係る予備成形方法を説明する。
（ａ）物理量計測工程
各ビレット２の物理量（重量、断面径、長さ）を加熱炉１０の直前で計測し、押込み量補正手段５０に送る。
（ｂ）温度計測工程
加熱炉１０を出た後、加熱された各ビレット２の温度を予備成形機２０の入側直前で計測し、押込み量補正手段５０に送る。
（ｃ）成形機固有情報計測工程
予備成形機２０に固有の成形精度変動情報を計測し、フレーム２２のもつ熱による伸び、ロール２３のもつ熱による膨張などの熱変動情報を押込み量補正手段５０に送る。

（ｄ）押込み量補正工程
前記各計測情報に基づき、各ビレット２毎の成形押し込み量を演算し補正する。補正値演算には、加熱炉の直前で計測した熱影響の入ってない物理量を用い、成形機固有精度情報も加えて成形押込み量を補正することができるので、予備成形品を高精度に成形できる。また、予備成形機自体の剛性に影響する熱変動情報を成形押込み量の調整に利用できるので、成形押し込み量の補正がより正確に行える。

そして、目標値である成形押込み量は、図３（Ｂ）に示すバリ４ｂの量が目標値である中間鍛造品全重量の約２０％となるように定められる。
このようにして、各ビレット毎に補正された成形押込み量に基づいてビレット２が予備成形される。

上記予備成形方法によれば、各ビレット２毎に最適の成形押込み量を選択して予備成形できるので、重量・形状・寸法共に成形精度が高くなる。このため、バリ量４ｂを従来技術の約３０％から約２０％位に減少させても完成品に欠肉等の欠陥の無い鍛造品が得られる。さらに、試し成形の必要がないので不合格品の発生がなくなり材料歩留りを向上させることができる。

１ 素材
２ ビレット
３ 予備成形品
４ 中間鍛造品
５ 完成品
１０ 加熱炉
２０ 予備成形機
２３ 上成形ロール
２４ 下成形ロール
３０ 鍛造プレス
４１ 熱電対
４２ 非接触温度計
４５ 重量計測器
４６ 断面径計測器
４７ 長さ計測器
４８ 温度計測器
５０ 成形押込み量補正手段
５１ 駆動制御部
（ａ） 物理量計測工程
（ｂ） 温度計測工程
（ｃ） 成形機固有情報計測工程
（ｄ） 成形押込み量補正工程

Claims (6)

1. 長尺の棒状素材を切断したビレットを加熱する加熱炉と、
   加熱されたビレットを予備成形する予備成形機と、
   各ビレットの物理量を前記加熱炉の直前で計測する物理量計測器と、
   加熱された各ビレットの温度を前記予備成形機の入側直前で計測する温度計測器と、
   前記物理量計測器で得られた物理量と前記温度計測器で得られた温度とに基づき、前記予備成形機の成形押込み量を各ビレット毎に補正する成形押込み量補正手段とを備える
   ことを特徴とする鍛造品の予備成形設備。
2. 前記予備成形機に固有の成形精度変動情報を計測する成形機固有情報計測器を備え、成形機固有精度情報をさらに加えて、成形押込み量を補正する前記成形押込み量補正手段を備える
   ことを特徴とする請求項１記載の予備成形設備。
3. 前記物理量計測器が、ビレットの重量を計測する重量計測器と、ビレットの断面径を計測する断面径計測器と、ビレットの長さを計測する長さ計測器を含む
   ことを特徴とする請求項１記載の予備成形設備。
4. 前記成形機固有情報計測器が、成形機自体の剛性に影響する熱変動を計測する熱変動計測器を含む
   ことを特徴とする請求項２記載の予備成形設備。
5. 長尺の棒状素材を切断したビレットを加熱し、加熱されたビレットを予備成形機で成形する予備成形方法であって、
   各ビレットの物理量を加熱する前に計測する物理量計測工程と、
   加熱された各ビレットの温度を予備成形する前に計測する温度計測工程と、
   前記物理量計測工程で得られた物理量と前記温度計測工程で得られた温度とに基づき、前記予備成形機の成形押込み量を補正する成形押込み量補正工程とを各ビレット毎に実行する
   ことを特徴とする鍛造品の予備成形方法。
6. 前記予備成形機に固有の成形精度変動情報を計測する成形機固有情報計測工程を実行し、得られた成形精度変動情報をさらに加えて、前記成形押込み量補正工程を実行する
   ことを特徴とする請求項５記載の予備成形方法。

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