JP7062321B2 - 精密鍛造法、精密鍛造装置及び精密鍛造品 - Google Patents
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Description
また、前記精密鍛造法において、前記壁部は周壁であり、前記パンチの前記周壁に対する切り込み量をt0としたとき、前記パンチの前記交差方向における長さは、前記周壁の内径よりも2t0mm大きくてもよい。前記加工前突出壁の厚さtc0は0.1mm≦tc0≦20mmを満たしてもよい。前記周壁と前記加工前突出壁との間の接合線であって、前記加工前突出壁を挟んで前記パンチとは反対側に位置する接合線における曲率半径をrcpとしたとき、rcp/tc0≧2.0が成立してもよい。そして、t0/tc0が下記不等式(2)を満たすように前記金属材料が加工されてもよい。
また、前記精密鍛造法において、前記第2ステップは、前記金属材料を前記パンチの移動方向において保持すべく、ストッパを前記壁部の先端面に当接させることを含んでもよい。
図1(a)に示すように、金属材料10は、塑性加工法で採用できる材質であればよく、限定するものではない。例えば、塑性加工法に用いられる薄鋼板としては、冷間圧延高張力鋼板(SPFC、SPFCY、SPFH、SPFHY)、冷間圧延鋼板(SPCC、SPCCT、SPCD、SPCE、SPCEN)、SPP等を挙げることができる。また、塑性加工法に用いられるステンレス鋼としては、SUS201、SUS304、SUS316、SUS321、SUS440、SUS450等を挙げることができる。塑性加工法に用いられるアルミニウム合金展伸材としては、A3003、A3004、A5005、A2014、A2017、A2024等を挙げることができる。また、塑性加工法に用いられる金属材料としては、合金鋼:SCr(クロム鋼)材、SCM(クロムモリブデン鋼)材、SNCM(ニッケルクロムモリブデン鋼)材等を挙げることができる。
次に、本実施形態で使用する精密鍛造装置50について説明する。
次に、精密鍛造法を図1(a)~図1(c)、図2(a)、図3(a)、図3(b)、図4(a)~図4(f)、図5、図6(a)~図6(d)、及び図7を参照して説明する。
図1(a)に示すように、第1ステップでは、底部12A、及び周壁14を有する金属材料10を精密鍛造装置50のダイ20のダイ孔22内に配置するとともに、ストッパ24に周壁14の先端面を当接させる。この状態では、周壁14は、ダイ孔22内でのパンチ30の移動方向に沿って延びるとともに、底部12Aは前記移動方向とは交差する方向に延びる。ここで、パンチ30の移動方向は周壁14の軸心方向と一致する。また、周壁14の外周面は、ダイ孔22の内周面に面接触した状態となる。周壁14の外周面の面接触した領域は、はめあい領域に相当する。なお、本実施形態では、周壁14の外周面の全部をはめあい領域にして、ダイ孔22の内周面に面接触させているが、はめあい領域は、周壁14の外周面の全部であることに限定されない。周壁14の軸心方向における外周面の一部のみを、ダイ孔22の内周面に面接触した状態として、この部分をはめあい領域としてもよい。底部12Aは、周壁14から、周壁14のはめあい領域とは反対方向に向けて延出する。周壁14の径方向は周壁14の厚さ方向と一致する。パンチ30は、周壁14の厚さ方向の一部及び底部12Aに対して、周壁14の軸心方向に対向するようにダイ孔22に配置される。パンチ30と対向する周壁14の厚さ方向の一部は、切刃32の外周縁よりも内周側に存存する周壁14の領域である。なお、本実施形態では、パンチ30は、周壁14の厚さ方向の一部と対向するようにしたが、切刃32の設けられた位置によっては、パンチ30は、周壁14の厚さ方向の全部と対向するようにしてもよい。
第2ステップでは、パンチ30を底部12Aに向けて移動させて切刃32により底部12Aを切削しながら押圧する(図1(b)、図1(c)、図4(a)~図4(f)参照)。このとき、金属材料10はストッパ24により、パンチ30の移動方向において保持された状態となっている。パンチ30が底部12Aに最初に当接した位置からのパンチ30の移動量は、底部12Aの厚さ以上であって、周壁14の高さh(図1(a)参照)未満の範囲である。
=4tc/df(φ) ……(3)
(2k:金属材料の変形抵抗、tc:節の厚さ、φ:剪断角、d:パンチ30の直径、μ:摩擦係数)
なお、f(φ)は以下の式で表される。
<式(3)の導出>
以下、上記式(3)の導出について説明する。
r=t0/tc=tanφ ……(5)
である。なお、t0は、周壁14の内周面の半径とパンチ30の半径との差であり、パンチ30の周壁14に対する径方向の切り込み量である。
Vc=V・r=V・tanφ ……(6)
である。
kは金属材料の剪断抵抗(変形抵抗)である。dはパンチ30の直径である。ここで、切りくずを径方向へ圧縮するのに必要なエネルギーEcは、下記のように計算することができる。
切りくずとパンチ30との間の摩擦により散逸するエネルギーEfは、下記の式で算出できる。
μは、切りくずとパンチ30との間の摩擦係数である。カウンタパンチ40の背圧(付勢力)をFbとし、その背圧のエネルギーをEbとすると、
Eb=Fb・V ……(10)
である。
であるから、パンチ30の押圧力Fは、下記式のようになる。
……(12)
ここで、Fb<<Fであるため、Fbを無視してよい小さな値としたとき、平均的なパンチ30の押圧力p(単位面積当たり)は、式(3)となる。
ここで第2ステップの切削鍛造により生ずる金属材料10の流動をシミュレーションで確認した。使用したシミュレーションソフトは、商用有限要素解析コードDEFORM2Dである。シミュレーションの条件は、表1の通りである。
シミュレーションでは、前記のようになだらかな凹面を有する凹部が生ずる場合と、尖った形状の凹部(以下、ひけという)が生ずる場合とが観測されている。なだらかな凹面を有する凹部と、ひけとは、カウンタパンチ40のコーナに対向する底部12Aの内面の接合線Bにおける曲率半径に関係があるものと考えられる。なお、前記底部12Aの内面の接合線Bにおける曲率半径を以下、肩アールという場合がある。前記肩アールが大きい場合、切削加工の初期において、底部12Aの内面の接合線Bで金属材料の不足が生ずる。
t0/tc0≧0.052rcp/tc0+0.23 ……(1)
このことから、底部12Aの厚さtc0が1mmの場合であって、rcp/tc0<2.0の場合は、ひけの防止のためには、不等式(1)を満足するように条件を設定することが好ましい。
t0/tc0≧3.0rcp/tc0-5.7 ……(2)
このことから、tc0が1mmの場合であって、rcp/tc0≧2.0の場合は、ひけの防止のためには、不等式(2)を満足するように条件を設定することが好ましい。
t0/tc0≧0.106rcp/tc0+0.23 ……(13)
このことから、tc0が2mmの場合であって、rcp/tc0<1.5の場合は、ひけの防止のためには、不等式(13)を満足するように条件を設定することが好ましい。
t0/tc0≧2.1rcp/tc0-2.8 ……(14)
このことから、tc0=2mmの場合であって、rcp/tc0≧1.5の場合は、不等式(14)を満足するように条件を設定することが好ましい。
t0/tc0≧0.067rcp/tc0+0.23 ……(15)
このことから、tc0が4mmの場合であって、rcp/tc0<1.5の場合は、ひけの防止のためには、不等式(15)を満足するように条件を設定することが好ましい。
t0/tc0≧0.66rcp/tc0-0.64 ……(16)
このことから、tc0が4mmの場合であって、rcp/tc0≧1.5の場合は、ひけの防止のためには、不等式(16)を満足するように条件を設定することが好ましい。
また、肩アールrcpと底部12A(加工前突出壁)の厚さtc0とがrcp/tc0≧2.0を満たす場合、t0/tc0が下記不等式(2)を満たすように金属材料10が加工される。
この結果、上記不等式(1)または不等式(2)を満足させる場合には、ひけを有していない精密鍛造品を得ることができる。
次に、実施例を図8(a)~図8(d)、図9(a)、図9(b)、及び図10を参照して説明する。実施例の条件は、表2の通りである。
次に、第2実施形態の精密鍛造装置及び精密鍛造品を図11(a)~図11(d)、図12(a)及び図12(b)を参照して説明する。なお、本実施形態を含めた以下の各実施形態では、各図において、第1実施形態の構成と同一または相当する構成の部位については、同一符号を付す。
次に、第3実施形態の精密鍛造装置及び精密鍛造品を図13(a)~図13(d)、図14(a)及び図14(b)を参照して説明する。
図14(a)に示すように、第1ステップでは、フランジ17A及び周壁14を有する金属材料10を精密鍛造装置50のダイ20のダイ孔22内に配置するとともに、ストッパ24に頂壁15の外面を当接させる。この状態で、周壁14はダイ孔22のパンチ移動方向に沿って延びるように配置され、フランジ17Aはパンチ移動方向とは交差する方向に延びるように配置される。ここで、パンチ移動方向は周壁14の軸心方向と一致する。また、フランジ17Aの外周面は、ダイ孔22の内周面に面接触した状態となる。
第2ステップでは、パンチ30をフランジ17Aに向けて移動させて切刃32により周壁14を切削しながら押圧する。ここで、金属材料10はストッパ24により、パンチ30の移動方向において保持された状態となっている。パンチ30がフランジ17Aに最初に当接してからのパンチ30の移動量は、フランジ17Aの厚さ以上であって、周壁14の高さh(図14(a)参照)未満の範囲である。
次に、第4実施形態の精密鍛造装置及び精密鍛造品を図15(a)~図15(d)、図16(a)及び図16(b)を参照して説明する。本実施形態は、第3実施形態とは、一部が異なるため、異なる構成を中心に説明する。
図16(a)に示すように、第1ステップでは、金属材料10を精密鍛造装置50のダイ20のダイ孔22内に配置するとともに、ストッパ24に内筒60を嵌合して段部24aに対して内筒60の端面を当接させる。この状態で、内筒60は、ダイ孔22のパンチ移動方向に沿って延びるように配置され、底部64Aはパンチ移動方向とは交差する方向に延びるように配置される。ここで、パンチ移動方向は内筒60の軸心方向と一致する。また、底部64Aの外周面、すなわち、外筒62の外周面は、ダイ孔22の内周面に面接触した状態となる。
第2ステップでは、パンチ30を底部64Aに向けて移動させて切刃32により内筒60を切削しながら押圧する。ここで、金属材料10はストッパ24により、パンチ30の移動方向において保持された状態となっている。パンチ30が底部64Aに最初に当接してからのパンチ30の移動量は、底部64Aの厚さ以上であって、内筒60の高さ未満の範囲である。
次に、第5実施形態を図17(a)~図17(d)を参照して説明する。
次に、第6実施形態を図18(a)~図18(d)を参照して説明する。
(第7実施形態)
次に、第7実施形態の精密鍛造装置及び精密鍛造品を図19(a)、図19(b)、図20(a)及び図20(b)を参照して説明する。
図20(a)に示すように、第1ステップでは、加工前突出壁112A及び壁部114を有する金属材料10をダイ20のダイ孔22内に配置するとともに、ストッパ24に壁部114を当接させる。この状態で、壁部114は、ダイ孔22のパンチ移動方向に沿って延びるように配置され、加工前突出壁112Aはパンチ移動方向とは交差する方向に延びるように配置される。ここで、パンチ移動方向は壁部114の高さ方向と一致する。また、加工前突出壁112Aの端面は、ダイ孔22の第1内面22aに面接触した状態となる。
第2ステップでは、パンチ30を加工前突出壁112Aに向けて移動させて切刃32により壁部114を切削しながら押圧する。ここで、金属材料10はストッパ24により、パンチ30の移動方向において保持された状態となっている。パンチ30が加工前突出壁112Aに最初に当接してからのパンチ30の移動量は、壁部114の高さ未満の範囲である。
次に、第8実施形態の精密鍛造装置及び精密鍛造品を図21(a)、図21(b)、図22(a)及び図22(b)を参照して説明する。
20…ダイ、22…ダイ孔、24…ストッパ、30…パンチ、
32…切刃、40…カウンタパンチ、50…精密鍛造装置、
A、B…接合線、W…鍛流線。
Claims (12)
- パンチ(30)の移動方向に沿って延びる壁部(14,60,114)と、該壁部(14,60,114)から前記移動方向と交差する方向に延出された加工前突出壁(12A,17A,64A,112A,120A)と、を有する金属材料(10)を、ダイ(20)のダイ孔(22)内に配置して前記パンチ(30)の移動により、前記金属材料(10)を鍛造することを含む精密鍛造法であって、
加工端面(31)と前記加工端面の縁部に形成された切刃(32)とを有する前記パンチ(30)を、前記金属材料(10)の前記壁部(14,60,114)の厚さ方向の一部及び前記加工前突出壁(12A,17A,64A,112A,120A)に対向するように、前記ダイ孔(22)に配置する第1ステップと、
前記金属材料(10)を前記パンチ(30)の移動方向において保持し、かつ、前記加工前突出壁の前記交差方向の長さを保持した状態で、前記パンチ(30)を前記壁部(14,60,114)の高さの範囲内で移動させ、それによって、前記壁部(14,60,114)の厚さ方向の一部を前記パンチ(30)の移動経路上において前記切刃(32)によって切り込むとともに、その切り込まれた部分を前記加工前突出壁の方向へ移動させるように前記切り込まれた部分に剪断変形を起こさせる第2ステップと、を含む
精密鍛造法。 - 請求項1に記載の精密鍛造法において、
前記第1ステップは、
前記壁部(14,60,114)が前記ダイ孔(22)の内面に少なくとも一部が面接触するはめあい領域を有し、かつ、前記加工前突出壁(12A,17A,64A,112A,120A)は前記はめあい領域の反対側に有する前記金属材料(10)を、前記ダイ孔(22)内に配置すること、および
前記パンチ(30)の切刃(32)が前記ダイ孔(22)の内面から少なくとも前記壁部の厚さより小さく離間して配置されること、を含み、
前記第2ステップは、前記壁部(14,60,114)のはめあい領域が残存するように前記金属材料を前記切刃(32)によって切り込むことを含む精密鍛造法。 - 請求項1に記載の精密鍛造法において、
前記第1ステップは、
前記壁部(14,60,114)が前記ダイ孔(22)の内面から離間し、かつ、前記加工前突出壁(17A)が前記ダイ孔(22)の内面に少なくとも一部が面接触するように、前記金属材料(10)を前記ダイ孔(22)内に配置すること、および、前記切刃(32)が前記面接触する側より内側に形成されていること、を含む精密鍛造法。 - 請求項1乃至請求項3のいずれか1項に記載の精密鍛造法において、
前記パンチ(30)は第1パンチであり、
前記第1ステップは、第2パンチ(40)を、前記加工前突出壁(12A,17A,64A,112A,120A)を挟んで前記第1パンチとは反対側に配置することを含み、
第2ステップは、前記第2パンチ(40)を、第1パンチ(30)の前記移動方向への移動に追従して移動させることを含む精密鍛造法。 - 前記壁部は周壁であり、
前記パンチの前記周壁に対する切り込み量をt0としたとき、前記パンチの前記交差方向における長さは、前記周壁の内径よりも2t0mm大きく、
前記加工前突出壁の厚さtc0は0.1mm≦tc0≦20mmを満たし、
前記周壁と前記加工前突出壁との間の接合線(B)であって、前記加工前突出壁を挟んで前記パンチとは反対側に位置する接合線(B)における曲率半径をrcpとしたとき、rcp/tc0<2.0が成立し、
t0/tc0が下記不等式(1)を満たすように前記金属材料が加工される請求項2乃至請求項4のいずれか1項に記載の精密鍛造法。
t0/tc0≧0.052rcp/tc0+0.23 ……(1) - 前記壁部は周壁であり、
前記パンチの前記周壁に対する切り込み量をt0としたとき、前記パンチの前記交差方向における長さは、前記周壁の内径よりも2t0mm大きく、
前記加工前突出壁の厚さtc0は0.1mm≦tc0≦20mmを満たし、
前記周壁と前記加工前突出壁との間の接合線(B)であって、前記加工前突出壁を挟んで前記パンチとは反対側に位置する接合線(B)における曲率半径をrcpとしたとき、rcp/tc0≧2.0が成立し、
t0/tc0が下記不等式(2)を満たすように前記金属材料が加工される請求項2乃至請求項4のいずれか1項に記載の精密鍛造法。
t0/tc0≧3.0rcp/tc0-5.7 ……(2) - 請求項1乃至請求項6のうちいずれか1項に記載の精密鍛造法において、
前記第2ステップは、前記金属材料(10)を前記パンチ(30)の移動方向において保持すべく、ストッパ(24)を前記壁部(14,60,114)の先端面に当接させることを含む精密鍛造法。 - 金属材料(10)を鍛造する精密鍛造装置であって、前記精密鍛造装置は、
前記金属材料(10)が配置されるように構成されたダイ孔(22)を有するダイ(20)と、
前記金属材料(10)を鍛造するべく、前記ダイ孔(22)内を移動するように構成されたパンチ(30)と、を備え、
前記金属材料(10)は、前記パンチ(30)の移動方向に沿って延びる壁部(14,60,114)と、該壁部(14,60,114)から前記移動方向とは交差する方向に延出された加工前突出壁(12A,17A,64A,112A,120A)とを有し、
前記パンチ(30)は、前記金属材料(10)が前記ダイ孔(22)内に配置されたとき、前記壁部(14,60,114)の厚さ方向の一部及び前記加工前突出壁(12A,17A,64A,112A,120A)に対して対向して配置され、
前記パンチ(30)は、加工端面と、前記加工端面の縁部に形成された切刃(32)と、を有しており、
前記切刃(32)は、前記パンチ(30)が前記壁部(14,60,114)の高さの範囲内で移動された際、前記壁部(14,60,114)の厚さ方向の一部を前記パンチ(30)の移動経路上において切り込むとともに、その切り込まれた部分に剪断変形を起こさせるように構成される精密鍛造装置。 - 前記パンチ(30)が移動する際、前記壁部(14,60,114)の先端面に当接して、前記金属材料(10)を前記パンチ(30)の移動方向において保持するように構成されたストッパ(24)をさらに備える請求項8に記載の精密鍛造装置。
- 第1方向に延設された壁部と、
前記壁部から前記第1方向と交差する第2方向に延設された加工後の突出壁であって、前記壁部と前記加工後の突出壁との間の接合線(A)が存在する側にある第1面と、前記第1面とは反対側の第2面と、を有する加工後の突出壁と、
前記接合線(A)から前記第2面の接合線(B)まで延びる鍛流線(W)と、を有し、
前記鍛流線(W)は、前記第1方向に沿った断面において、実質的に、2つの前記接合線(A),(B)を結ぶ直線に沿って延びている精密鍛造品。 - 前記壁部が、周回するように延びる周壁であって、
前記加工後の突出壁が、前記周壁の内面に形成された内向きフランジまたは底部、或いは周壁の外面に形成された外向きフランジである請求項10に記載の精密鍛造品。 - 前記壁部は、平板形状であるか、または前記第1方向と直交する横断面で見た場合、湾曲または屈曲している請求項10に記載の精密鍛造品。
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