JPH07100700A - 薄物製品の熱間鍛造成形方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 多工程成形や自動化が容易であり、生産性を
向上し作業環境を改善しやすいクランクプレスを用い、
薄物製品の型打ちを可能とし、併せて金型の長寿命化を
達成しうる熱間鍛造方法を提供する。 【構成】 成形前の製品平均厚みが20mm以下、成形時の
平均加工率が25％以下の薄物製品をクランクプレスで熱
間鍛造する方法であって、前記クランクプレスのスライ
ド平均加工速度を下死点上１mmの間で120mm /sec以上と
する。金型と素材の接触時間が短くなることにより、素
材の温度低下が少なくなり、金型表面温度が高くならな
いので、薄物の正確な型打ちと金型の長寿命化が計れ
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は薄物製品の熱間鍛造方法
に関する。さらに詳しくは、クランクプレスによる薄物
製品の熱間鍛造成形方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】鍛造用機械としては、従来よりクランク
プレスやハンマー、スクリュウプレスなどがあるが、ク
ランクプレスは成形中における素材の温度低下が大きい
こと、金型の表面温度上昇が大きいことによる金型寿命
が短いこと、製品の厚みを薄くできないこと等の理由に
より薄物製品の型打ちには不利であるとされ、多くの場
合、薄物製品の型打ちにはハンマーやスクリュウプレス
が用いられている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上記のようにクランク
プレスが薄物製品の型打ちに不利とされる理由はつぎの
とおりである。クランクプレスは、その機構上ハンマー
やスクリュウプレスに比べて加工速度が遅く、とくに下
死点近傍では加工速度が急激に下がり、下死点ではゼロ
になる。従来のクランクプレスでは、下死点上１mmの間
の平均加工速度は約75mm/secであり、このように下死点
付近の加工速度が遅いことから、成形中に素材が冷え、
そのことによって成形荷重が増えるが、その成形荷重の
増加分はプレスフレームが伸びることによって吸収して
しまうので、その結果、正確な寸法の薄物製品に成形す
ることができないのである。一方、ハンマーやスクリュ
ウプレスは薄物製品の成形に有利とされているが、これ
らは偏心荷重に弱いこと、確実な製品ノックアウトがで
きないこと等により、多工程成形や自動化が困難であ
り、生産性の向上や作業環境の改善を図ることができな
いという問題がある。

【０００４】本発明はかかる事情に鑑み、多工程成形や
自動化が容易であり、生産性を向上し作業環境を改善し
やすいクランクプレスを用い、薄物製品を正確な寸法に
成形することを可能とし、あわせて金型の長寿命化を達
成しうる熱間鍛造方法を提供すること目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明の熱間鍛造成形方
法は、クランクプレスで熱間鍛造する際、クランクプレ
スのスライド平均加工速度を下死点上１mmの間で120mm
/sec以上とすることを特徴とする。なお、本発明におい
て、薄物製品とは成形前の製品平均厚みが20mm以下、成
形時の平均加工率が25％以下のものをいう。したがっ
て、製品厚み20mmとすると、成形時の平均加工率が25％
のときは製品潰し量が５mm、20％のときは製品潰し量が
４mm、15％のときは製品潰し量が３mm、10％のときは製
品潰し量が２mm、 5％のときは製品潰し量が１mm、とな
るものである。

【０００６】

【作用】本発明のごとくスライド平均加工速度を従来よ
り約1.6 倍以上に早くし、120mm/sec 以上とすると、金
型と素材の接触時間が短くなって、素材から金型への熱
流出が少なくなり、素材が高温のまま保たれる。このた
め、成形荷重が小さくなり、成形荷重が過大なときに生
ずるプレスフレームの伸びが防止されることによって、
薄い形状であっても正確な寸法で成形できるようにな
る。さらに、金型への熱流出が少ないことから、金型自
体の表面温度も高くならず、金型の寿命も延長させるこ
とができる。

【０００７】

【実施例】つぎに、本発明の鍛造成形方法を図面を参照
しながら詳細に説明する。まず、本発明の鍛造成形方法
に用いられるクランクプレスを説明しておく。図８はス
トレートサイド型クランクプレスの正面図(a) および中
央縦断面図(b) である。同図において、11はベッド、12
はクラウンで、両者の間を４本の支柱13で連結してお
り、ベッド11の上面にはボルスタ14が設置されている。
支柱13の上方部には偏心軸15が軸支され、該偏心軸15の
一端にはブレーキ16を、他端にはクラッチ18を介してフ
ライホイール17がそれぞれ設けられている。さらに、偏
心軸15にはコネクティングロッド19を介してスライド20
が連結されている。10はバランサーとしてのエアシリン
ダで、そのピストンロッド２が前記コネクティングロッ
ド19を介してスライド20に連結されている。通常のプレ
ス作業では、スライド20が上死点に位置しているときブ
レーキ16を解放してクラッチ18を入れ、偏心軸15を起動
してスライド20を下降させる。スライド20が下死点に達
し素材を圧縮して加工した後、上昇過程の適当な位置で
クラッチ18を切り、その後ブレーキ16を入れ上死点で制
動する。

【０００８】本発明で用いられるクランクプレス（以
下、本発明クランクプレスという）は、従来用いられて
いたクランクプレス（以下、従来機（比較例）という）
に比べ、スライド平均加工速度を約 1.6倍に早くしてい
る。スライド平均加工速度を早くする手段としては、フ
ライホイール17をベルト駆動している駆動プーリの減速
比を下げることによりフライホイール17の回転速度を上
げる方法がとられている。その他の方法としては可変速
モータを用い、伝動手段を介してフライホイール17の回
転速度を上げる方法等がある。なお、上記のようなスト
レートサイド型クランクプレスを用いるほか、Ｃフレー
ム型クランクプレスを用いてもよい。

【０００９】つぎに、本発明方法の一実施例を説明す
る。図１は本発明の一実施例に係わるクランクプレス
（以下、本実施例クランクプレスという）と従来機（比
較例）を比較して示したスライドストローク線図であ
り、線Ａは本実施例クランクプレスを、線Ｂは従来機
（比較例）を示している。線Ａ，Ｂに示すように、下死
点上１mmの間の平均加工速度は、本実施例クランクプレ
スが125mm/sec であり、比較例の75mm/secに比べ約1.6
倍である。また下死点上５mmの間の平均加工速度は、本
実施例クランクプレスが250mm/sec であり、比較例の16
5mm/sec に比べ約1.5 倍となっている。なお、下死点以
外の各位置でのスライド加工速度はクランクモーション
により一義的に決定される。

【００１０】本発明では、スライド平均加工速度を早く
することにより素材の温度低下を防ぎ、これによって成
形荷重を小さくして薄物の形成を可能とし、金型の長寿
命化を計るものであるが、まず、スライド平均加工速度
の高速化が素材の温度低下を防止する効果について、実
験結果に基づき説明する。

【００１１】図２は、下死点上１mmの間のスライド平均
加工速度50〜200mm /secの間における素材の成形前後の
平均温度差℃を示している。線Ｕは平均温度差の上限
を、線Ｌは平均温度差の下限を示しており、上限と下限
の間（ハッチングを施した部分）に幅があるのは、素材
の形状の違いや、素材の初期温度の違い等に基づく。実
験条件はつぎのとおりである。図３に示すように、成形
前の製品平均厚みHoが14mm、成形後の製品平均厚みH1が
10.5mm、平均加工率が25％、素材の材質が機械構造用炭
素鋼である。

【００１２】図２において、従来機（比較例）のスライ
ド平均加工速度75mm/sにおける平均温度差は26〜43℃で
あり、温度低下が最低でも26℃に達している。これに対
し、本発明方法の下限値であるスライド平均加工速度12
0mm /secでは温度低下が５〜14℃であり、本実施例クラ
ンクプレスの場合（スライド平均加工速度125mm /sec）
は、温度低下が３〜11℃である。したがって、上限値同
士を比較しても、本発明によれば21℃も温度低下が少な
いことが判る。また、スライド平均加工速度が120mm /s
ecを越える領域では、素材の温度低下はほとんどなくな
ることが認められる。これは、素材から金型に奪われる
熱量が加工により発熱する熱量より相対的に少なくなる
ことによる。上記は１工程時のデータに基づくものであ
り、多工程時にはもっと素材の温度低下が大きくなる
が、その場合でも前記上限値および下限値はほぼ同じカ
ーブで若干下方へ低下するもの推測される。したがっ
て、スライド平均加工速度120mm/sec以上ではやはり温
度低下は小さいものと認められる。

【００１３】上記の実験結果に基づき、本発明方法では
下死点上１mmの間におけるスライド平均加工速度の下限
を120mm /secとしている。この場合、約５℃程度の温度
差が生じるが、この程度なら実操業上支障がないからで
ある。スライド平均加工速度の上限値はとくに制限ない
が、材料温度差０となる150mm/sec を一応の上限値とす
ることができるものの、実際上は設備コストの面から妥
当な加工速度に決めればよい。

【００１４】本発明におけるスライド平均加工速度を下
死点上１mmの範囲のみで限定したのは、つぎの理由によ
る。下死点上１mmの範囲は金型の受ける面圧が極めて
高いので接触熱伝導率が大となるが、下死点上２〜５mm
の範囲は金型に受ける面圧が低いので接触熱伝導率も低
いこと、下死点上１mmの範囲はスライドの成形時間が
長いが、下死点上２〜５mmの範囲は成形時間が短いこ
と、の２つの理由により素材の温度に関しては下死点上
１mmの範囲の影響が大きく、それ以外の範囲では影響が
小さいからである。

【００１５】上記の実験結果に現れたスライド平均加工
速度の高速化に基づく素材の温度低下の減少は、つぎの
ような理由によると考えられる。まず、素材成形の平均
温度差は、主に加工による発熱による温度上昇と、金型
への熱の流出による温度低下のバランスによって決まっ
てくる。ここで、温度上昇の主要因である加工熱Ｑの発
生を検討すると、これは次式で与えられる。 Ｑ＝Ｃ・Ｖ・Ｅ1 ⁿ⁺¹ ・Ｅ2 ^m ただし、Ｃは素材の種類、温度、金型での拘束条件によ
り決定される定数 Ｖは素材の体積 Ｅ1 は平均歪 Ｅ2 は平均歪速度 ｎ，ｍは温度と素材によって決まる定数 上式において、Ｃ・Ｖ・Ｅ1 の値は、加工速度にはまっ
たく無関係であり、成形前後の形状変化によってのみ決
定される。一方、Ｅ2 の値は加工速度に比例する値であ
るが、ｍ値が0.15〜0.20程度と小さいためにここで議論
している速度範囲においては、ほぼ一定とみなすことが
できる。したがって、Ｑの大きさ、すなわち加工熱の発
生による素材の温度上昇は、加工速度にほとんど影響を
受けずほぼ一定といえる。

【００１６】一方、金型への熱の流出を検討すると、こ
れは金型と素材との間の接触熱伝導率および金型と素材
が接触している時間すなわち成形時間にほぼ比例すると
考えられる。すなわち、成形時間は、直接プレスの加工
速度に反比例し、さらにクランクプレスにおいては、図
１からもわかるように下死点近傍において加工速度が急
激に低下し、下死点においては０となるため、下死点近
傍（とくに下死点上１mmの範囲）での加工速度が成形時
間に及ぼす影響が大きい。また接触熱伝導率は一般に金
型と素材の面圧の増加とともに大きくなるが、この面圧
もまた下死点近傍で急激に大きくなる。したがって、熱
伝導による熱の流出による素材の温度低下は下死点近傍
（下死点上１mmの範囲）での加工速度にほぼ依存して変
動すると考えられるのである。

【００１７】つぎに、本発明方法による場合、どの程度
成形荷重が減少するか、すなわち素材の温度低下の減少
と成形荷重との係わりを実験結果に基づき説明する。図
４はスライド加工速度と成形荷重の関係を示している。
実験条件は図５に示すように、成形前の製品平均厚みHo
が14mm、成形後の製品平均厚みH1が10.5mm、平均加工率
が25％、素材の材質が機械構造用炭素鋼の場合である。
結果は図４に示すように、本実施例クランクプレスの場
合( スライド平均加工速度125mm /sec）、平均値が70tf
であり、比較例（スライド平均加工速度75mm/sec）では
平均82tfであったのと比較すると、約12tf少なくなって
いることが判る。このように成形荷重が約15％減少し、
従ってプレスフレームの伸びも15％少くなるので、薄物
製品の鍛造に適するものである。

【００１８】つぎに、本発明方法による金型の長寿命化
効果を説明する。なお、金型寿命は金型表面温度に大き
く依存しており、約650 ℃以上になると軟化を起こし、
急激に寿命が短くなる。したがって、金型表面温度が低
いほど金型の寿命を延ばせるといえる。薄物成形でも、
実際に金型寿命が問題となるような比較的加工率が大き
い場合には、金型と素材の接触時間が長いので、実際に
スライド下死点上５mmの位置で、上金型と素材が接触を
開始するように設定した実験を行った。

【００１９】本発明方法における下死点上１mmの間のス
ライド平均加工速度120mm /secに対応する下死点上５mm
のスライド平均加工速度は250mm /secであり、従来機
（比較例）の下死点上５mmの間のスライド平均加工速度
は165mm /secである。それぞれのスライド平均加工速度
において、図７に示す金型表面の異なる３ヵ所の表面温
度を計測した結果を、同じ表示マークを用いて図６中に
示す。線Ａは本発明による３ヵ所の金型表面温度の平均
値を示す線であり、線Ｂは従来機（比較例）による３ヵ
所の金型表面温度の平均値を示す線である。

【００２０】これによると、本発明方法による場合は従
来機（比較例）による場合と比べて、金型表面温度が約
50℃低下しており、約600 ℃となっている。この温度低
下の主要因は、加工速度の増大による金型と素材の接触
時間の減少にある考えられる。このように金型が軟化を
起こす約650 ℃より約50℃近く表面温度を低く抑えうる
ことから、金型寿命を延ばすことができる。線Ｘは金型
寿命の予測値を示しており、従来方法による金型寿命を
100%とすれば、本発明の場合は120 〜130%程度になると
期待できる。

【００２１】

【発明の効果】以上のごとく本発明によれば、クランク
プレスを用いて多工程成形や自動化を行い、生産性を向
上し作業環境を改善しながら、薄物製品を正確な仕上げ
寸法に型打ちすることを可能とし、また金型の寿命を延
長することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の鍛造成形方法に用いるクランクプレス
と従来機（比較例）のクランクプレスのスライドストロ
ーク線図である。

【図２】スライド平均加工速度と素材の成形前後におけ
る平均温度差の関係を示すグラフである。

【図３】図２の実験条件である成形加工率の説明図であ
る。

【図４】スライド平均加工速度と成形荷重の関係を示す
グラフである。

【図５】図４の実験条件である成形加工率の説明図であ
る。

【図６】スライド下死点上５mmにおける平均加工速度と
金型表面温度の関係を示すグラフである。

【図７】図６の実験に供した金型の表面温度側定箇所を
示す説明図である。

【図８】本発明方法に用いられるクランクプレスの側面
図(a) および中央縦断面図(b)である。

【符号の説明】

Ａ 本実施例 Ｂ 従来機（比較
例） Ho 成形前の製品平均厚み H1 成形後の製品平
均厚み

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 木原 茂文 愛媛県新居浜市惣開町５番２号 住友重機 械工業株式会社新居浜製造所内

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】成形前の製品平均厚みが20mm以下、成形時
   の平均加工率が25％以下の薄物製品をクランクプレスで
   熱間鍛造する方法であって、前記クランクプレスのスラ
   イド平均加工速度を下死点上１mmの間で120mm /sec以上
   とすることを特徴とする薄物製品の熱間鍛造成形方法。