JPWO2015025769A1 - 金属加工用ダイ - Google Patents

Abstract

耐荷重性に優れるとともに，振動を成形部に効率良く伝達できて，小型軽量化および低コスト化を図ることができる金属加工用ダイを提供する。本発明の金属加工用ダイは，外周面に超音波振動が付与される筒状のダイ本体（２）と，上面がダイ本体（２）の下面に接触して固定される厚さの薄い防振ブロック（３）と，上面が防振ブロック（３）の下面に接触して固定される固定ブロック（４）とを備える。ダイ本体（２）の外周面に付与された超音波振動に共振して，ダイ本体２にその外周面から成形孔２１の内周面にかけて径方向の振動が発生するとともに，ダイ本体（２）に発生した振動に共振して，防振ブロック（３）にその防振ブロック（３）のダイ本体（２）との接触面を腹点とし，固定ブロック（４）との接触面を節点とする径方向の振動が発生するようにした。

Description

この発明は、超音波振動を用いた鍛造加工用ダイ等の金属加工用ダイおよびその関連技術に関する。

従来、押出加工、引抜加工、鍛造加工等、金型を用いた金属の塑性加工において、金型に超音波振動を与えながら加工する方法が周知である（特許文献１等）。そして同文献には、この鍛造加工方法を採用することによって、成形荷重の低減、焼き付きの改善を図ることができると記載されている。

一方、非特許文献１には、金型に超音波振動を与えながら引抜加工を行う方法が開示されている。同文献は、線材の引抜加工において、潤滑剤としてのフッ化炭素または三塩化エタンは、環境への負担が大きく、規制対象となっている。しかしながら、その潤滑剤の代替品として、低粘度の水溶性潤滑剤を使用すると、引抜時に十分な潤滑性能を得ることが困難であるという課題を提起している。その上で、同文献においては、その解決手段として、超音波振動を金型に与えながら、引抜加工を行うという方法を採用している。それによって、水溶性潤滑剤のように低粘度で塩素を含まない潤滑剤を用いても、十分な潤滑性能を得ることができることが検証されている。

またこの非特許文献１に開示されている引抜装置は、超音波振動を発信する振動子と引抜加工用ダイとが振動伝達部材（ホーン）によって連結されている。そして引抜加工時には、振動子から発振される超音波振動をホーンを介してダイに伝達するようにしている。

特開２００９−２７９５９６号公報

M.Murakawa,"The utility of radially and ultrasonically vibrated dies in the wire drawing process"M,Jin,2001,Journal of Materials Processing Technology,113,p81-p86

しかしながら、本発明者が、上記非特許文献１に開示される引抜装置を詳細に分析したところ、同文献の引抜装置においては、金型の構造上、高荷重に耐えることが困難であることが判明した。その結果、同文献の引抜装置を、他の金属加工装置、例えば特許文献１に示すような成形荷重が高い鍛造装置等に適用することは困難であるという結論に至った。

すなわち同文献の引抜装置は、ダイにホーンの一端が固定されるとともに、ホーンの他端に振動子が固定されている。さらにホーンには支持フランジが取り付けられており、その支持フランジが支持台に取り付けられることにより、ホーンが支持フランジを介して支持台に支持されている。また支持フランジのホーンに対する取付位置は、振動状態でのホーンにおいて、振幅がゼロで変位しない節点に設定されている。こうして、ホーンの振動によって支持フランジ自体が振動するのを抑制し、ホーンの振動が支持フランジを介して不用意に支持台等の外部に伝達するのを防止している。これにより、振動エネルギーの損失をなくし、振動子からダイの成形部に効率良く振動が伝達されるようにしている。

ところで、振動状態でのホーンの節点は、振動が伝達される方向（振動方向）に長さがない点であるため、支持フランジは、節点だけでなく節点周辺の多少振幅のある部分にも必然的に接触してしまい、支持フランジが振動するのを完全に無くすことは実際上不可能である。換言すると、支持フランジ自体の振動を極力抑制するためには、支持フランジの厚みを薄くして、ホーンの節点周辺における振動する部分に対する、支持フランジの接触面積を可及的に小さくする必要がある。しかしながら、支持フランジの厚みを薄くすると、支持フランジの強度が低下するため、成形荷重を大きくすることができず、既述したとおり、鍛造加工等の高荷重を伴う金属加工に適用することは困難である。

また支持フランジの厚みを厚くすれば、高荷重に耐えることができるが、そうすると、ホーンの節点周辺における振動する部分に対する、支持フランジの接触面積が大きくなってしまう。このため、支持フランジが振動することが避けられず、金型の振動が支持フランジを介して外部に伝達されてしまい、振動エネルギーの損失が大きくなり、振動子から成形部に効率良く振動を伝達することができなくなってしまう。その結果、高荷重の金属加工を行うには、超音波出力の大きい超音波出力装置（駆動装置）を採用する必要があり、超音波出力装置の高重量大型化を来たし、ひいては金属加工装置自体の高重量大型化および製作コストの増大を来すという課題が発生する、
この発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、高荷重の金属加工に耐えることができる上さらに、超音波出力が小さくとも、成形部を確実に振動させることができて、小型軽量化および低コスト化を図ることができる金属加工用ダイおよびその関連技術を提供することを目的とする。

本発明のその他の目的及び利点は、以下の好ましい実施形態から明らかであろう。

上記目的を達成するため、本発明は以下の構成を要旨とするものである。

［１］中央に金属材料を加工する成形孔が設けられ、かつ外周面に超音波振動が付与される筒状のダイ本体と、
軸心方向一方側の面が、前記ダイ本体における軸心方向他方側の面に接触して固定され、かつ前記ダイ本体よりも径方向の厚みが薄い防振ブロックと、
軸心方向一方側の面に、前記防振ブロックの軸心方向他方側の面に接触して固定され、かつ前記防振ブロックよりも径方向の厚みが厚い固定ブロックとを備え、
前記ダイ本体の外周面に付与された超音波振動に共振して、前記ダイ本体にその外周面から前記成形孔の内周面にかけて径方向の振動が発生するとともに、
前記ダイ本体に発生した振動に共振して、前記防振ブロックにその防振ブロックの前記ダイ本体との接触面を腹点とし、前記固定ブロックとの接触面を節点とする径方向の振動が発生するようにしたことを特徴とする金属加工用ダイ。

［２］前記防振ブロックにおける内周面と外周面との間の中央を通る中心線を、厚み中心線としたとき、
前記防振ブロックの前記ダイ本体との接触面において、前記厚み中心線が、前記ダイ本体の振動状態での節点から逸脱するように配置されている前項１に記載の金属加工用ダイ。

［３］前記防振ブロックの前記ダイ本体に対する接触面全域が、前記ダイ本体の振動状態での節点から逸脱するように配置されている前項１または２に記載の金属加工用ダイ。

［４］前記ダイ本体の内径を「φＡ」、外径を「φＢ」、前記防振ブロックの内径を「φＣ」、外径を「φＤ」としたとき、（φＤ−φＣ）／（φＢ−φＡ）＜０．３２の関係を満足するようにした前項１〜３のいずれか１項に記載の金属加工用ダイ。

［５］前記ダイ本体、前記防振ブロックおよび前記固定ブロックが一体に形成されている前項１〜４のいずれか１項に記載の金属加工用ダイ。

［６］前記ダイ本体の振動状態において、前記ダイ本体の軸心位置が腹点となり、かつ節点の数が偶数個となる状態を偶数モードとし、前記ダイ本体の軸心位置が節点となり、かつ節点の数が奇数個となる状態を奇数モードとし、
前記ダイ本体の振動状態での定常波の波長を「λ」とし、前記ダイ本体の内径を「φＡ」としたとき、
φＡ＜λ／３の場合には、前記ダイ本体が前記偶数モードとなるように形成されるともに、φＡ＞λ／３の場合には、前記ダイ本体が前記奇数モードとなるように形成されている前項１〜５のいずれか１項に記載の金属加工用ダイ。

［７］前記ダイ本体は、円筒状に形成されている前項１〜６のいずれか１項に記載の金属加工用ダイ。

［８］前記防振ブロックは、円筒状に形成されている前項１〜７のいずれか１項に記載の金属加工用ダイ。

［９］前記防振ブロックの少なくとも前記ダイズ本体側の部分は、周方向に間隔をおいて配置された複数の支柱ピンによって構成されている前項１〜７のいずれか１項に記載の金属加工用ダイ。

［１０］前記複数の支柱ピンは、周方向に等間隔おきに配置されている前項９に記載の金属加工用ダイ。

［１１］前項１〜１０のいずれか１項に記載の金属加工用ダイと、
前記ダイ本体の外周面に固定され、かつ前記ダイ本体の外周面に超音波振動を付与する振動付与手段とを備えたことを特徴とする加振器付き金属加工用ダイ。

［１２］前記振動付与手段は、一端が前記ダイ本体の外周面に接触した状態に固定されるホーンと、
ホーンの他端に接触した状態に固定され、かつ超音波振動を発振する振動子とを備える
前項１１に記載の加振器付き金属加工用ダイ。

［１３］鍛造素材を鍛造加工して鍛造品を成形するための鍛造加工用ダイであって、
前項１〜１０のいずれか１項に記載の金属加工用ダイによって構成されていることを特徴とする鍛造加工用ダイ。

［１４］前項１〜１０のいずれか１項に記載の金属加工用ダイと、
前記ダイ本体の成形孔に打ち込むパンチとを備えたことを特徴とする鍛造装置。

［１５］前項１１または１２に記載の加振器付き金属加工用ダイと、
前記ダイ本体の成形孔に打ち込むパンチとを備えたことを特徴とする鍛造装置。

発明［１］の金属加工用ダイによれば、防振ブロックのダイ本体との接触面側を振動させつつ防振を図るものであるため、防振ブロックをダイ本体の節点以外の広い部分に取り付けることができ、防振ブロックの厚みを厚く形成することができる。このため成形荷重が高い金属加工であっても、その高荷重に十分に耐えることができる。さらに防振ブロックによってダイ本体の振動が固定ブロックに伝達してしまうような不具合を防止できるため、ダイ本体の外周面から成形部に効率良く振動を伝達することができる。従って超音波出力が小さくとも、成形部を確実に振動させることができ、小型軽量化およびコストの削減を図ることができる
発明［２］［３］の金属加工用ダイによれば、上記の効果をより確実に得ることができる。

発明［４］の金属加工用ダイによれば、ダイ本体の振動が固定ブロックに伝達してしまうような不具合をより確実に防止することができる。

発明［５］〜［８］の金属加工用ダイによれば、上記の効果をより一層確実に得ることができる。

発明［９］［１０］の金属加工用ダイによれば、ダイ本体の外周面から成形部に効率良く振動を伝達することができる。

発明［１１］［１２］によれば、上記と同様に同様の効果を奏する加振器付き金属加工用ダイを提供することができる。

発明［１３］によれば、上記と同様に同様の効果を奏する鍛造加工用ダイを提供することができる。

発明［１４］によれば、上記と同様に同様の効果を奏する鍛造装置を提供することができる。

図１はこの発明の第１実施形態である鍛造装置を示す断面図である。 図２は第１実施形態の鍛造装置に適用された鍛造加工用ダイを示す断面図である。 図３Ａは第１実施形態の鍛造加工用ダイにおける防振ブロックの倒れ振動モードを説明するための断面図である。 図３Ｂは防振ブロックのダイ本体に対する取付位置を説明するための断面図である。 図４は第１実施形態の鍛造加工用ダイにおいて内径寸法が小さいダイ本体の振動状態を説明するための図であって、図（ａ）は偶数モードでの説明図、図（ｂ）は奇数モードでの説明図である。 図５は第１実施形態の鍛造加工用ダイにおいて内径寸法が大きいダイ本体の振動状態を説明するための図であって、図（ａ）は偶数モードでの説明図、図（ｂ）は奇数モードでの説明図である。 図６はダイ本体が不規則に振動した場合を説明するための断面図である。 図７Ａはこの発明の第２実施形態である鍛造加工用ダイを示す平面図である。 図７Ｂは第２実施形態の鍛造加工用ダイを示す側面断面図である。 図７Ｃは図７ＢのＶ１−Ｖ１線断面図である。 図８Ａはこの発明に適用可能な防振ブロックを示す平面断面図である。 図８Ｂはこの発明に適用可能な防振ブロックを示す平面断面図である。 図８Ｃはこの発明に適用可能な防振ブロックを示す平面断面図である。 図８Ｄはこの発明に適用可能な防振ブロックを示す平面断面図である。 図８Ｅはこの発明に適用可能な防振ブロックを示す平面断面図である。 図８Ｆはこの発明に適用可能な防振ブロックを示す平面断面図である。 図８Ｇはこの発明に適用可能な防振ブロックを示す平面断面図である。 図８Ｈはこの発明に適用可能な防振ブロックを示す平面断面図である。 図８Ｉはこの発明に適用可能な防振ブロックを示す平面断面図である。 図９Ａはこの発明の第１好適例である鍛造加工用ダイを示す平面図である。 図９Ｂは第１好適例の鍛造加工用ダイを示す側面断面図である。 図９Ｃは図９ＢのＶ２−Ｖ２線断面図である。 図１０Ａはこの発明の第２好適例である鍛造加工用ダイを示す平面図である。 図１０Ｂは第２好適例の鍛造加工用ダイを示す側面断面図である。 図１０Ｃは図１０ＢのＶ３−Ｖ３線断面図である。 図１０Ｄは図１０ＢのＶ４−Ｖ４線断面図である。 図１１はこの発明の第１変形例である押出装置を示す断面図である。 図１２はこの発明の第２変形例である引抜装置を示す断面図である。 図１３はこの発明の第３変形例である絞り装置を示す断面図である。 図１４はこの発明の第４変形例であるしごき装置を示す断面図である。

＜第１実施形態＞
図１はこの発明の第１実施形態である金属加工用ダイとしての鍛造加工用ダイ１が適用された鍛造装置を示す断面図、図２は鍛造加工用ダイ１を示す断面図である。

両図に示すように、この鍛造装置は、金属材料である鍛造素材（被加工材）に対し鍛造加工を行って、カップ状鍛造品Ｗを製造できるように構成されている。この鍛造装置は、下金型を構成する鍛造加工用ダイ１と、そのダイ１が設置されるアンビル５と、超音波振動を発振する振動子６と、振動子６の超音波振動をダイ１に伝達するためのホーン（振動伝達部材）７と、上金型を構成するパンチ８とを基本的な構成要素として備えている。ダイ１およびパンチ８は、互いの軸心を一致させて、その軸心方向が上下方向に沿うように配置されている。

ダイ１は、アンビル５の上面に固定される固定ブロック４と、固定ブロック４の上方に配置されるダイ本体２と、ダイ本体２を固定ブロック４に支持する防振ブロック３とを備えている。ダイ本体２、防振ブロック３および固定ブロック４は互いの軸心が一致するように配置されている。

本実施形態において、ダイ１を構成するダイ本体２、防振ブロック３および固定ブロック４の材質としては、工具鋼、チタン合金、アルミニウム合金、銅合金を例示することができる。

ダイ本体２は、軸心方向の寸法が短い円筒形状ないしドーナッツ状を有しており、中央の筒孔が成形孔２１として構成されている。成形孔２１の内径は、製造する鍛造製品の外径に対応して設定される。またダイ本体２の外径は、後に詳述するように、内径、付与する振動の波長、周波数、振幅等を基に求められる。

ダイ本体２における成形孔２１の軸心方向の寸法は通常、鍛造品Ｗの高さよりも大きく設定する。

なお、本実施形態においては、ダイ本体２の成形孔周縁部が成形部を構成している。さらに本実施形態においては、ダイ本体２の内径と、成形孔２１の内径と、成形孔内周面の内径とは同じ意味で用いられる。

防振ブロック３は円筒形状を有しているとともに、固定ブロック４は軸心方向の寸法が短い円筒形状ないしドーナッツ状を有している。防振ブロック３は、肉厚がダイ本体２および固定ブロック４の各肉厚よりも非常に薄く形成されている。この防振ブロック３の上端面は、ダイ本体２の下面における径方向の略中間のやや内側よりの位置において連結固定されている。

本実施形態において、ダイ本体２と防振ブロック３とは一体に形成しても良いし、別体で構成しても良い。別体で構成する場合には、周知の固定手段、例えば溶接、ねじ止め、焼き嵌め等を用いて、ダイ本体２と防振ブロック３とを接触させた状態で固定するようにすれば良い。なお本実施形態において、ダイ本体２と防振ブロック３とが一体に形成されている場合、ダイ本体２と防振ブロック３との境界面を、防振ブロック３のダイ本体２との接触面と称している。

また防振ブロック３の内径と、固定ブロック４の内径とは同じ大きさに形成されている。そして防振ブロック３の下端面が、固定ブロック４の上端面における筒孔周縁部に連結固定されている。これにより、防振ブロック３の筒孔内周面が固定ブロック４の筒孔内周面に連続するように配置されるとともに、ダイ本体２および固定ブロック４間に内側に大きくえぐれるようにくびれ状部１５が形成されている。

なお本発明においては、防振ブロック３の内径と、固定ブロック４の内径とは必ずしも同じ大きさに形成する必要はない。

本実施形態において、防振ブロック３と固定ブロック４とは一体に形成しても良いし、別体で構成しても良い。別体で構成する場合には、周知の固定手段、例えば溶接、ねじ止め、焼き嵌め等を用いて、防振ブロック３と固定ブロック４とを接触させた状態で固定するようにすれば良い。なお本実施形態において、固定ブロック４と防振ブロック３とが一体に形成されている場合、固定ブロック４と防振ブロック３との境界面を、防振ブロック３の固定ブロック４との接触面と称している。

このように構成されたダイ１における固定ブロック４の下端面がアンビル５の上端面に固定されている。この固定手段としては、ねじ止めやピン止め等の周知の固定手段を採用することができる。

ダイ１の成形孔２１の内側には成形ピン１０が配置されている。この成形ピン１０は、その下側がアンビル５を貫通した状態に配置されており、上端部がダイ１の成形孔２１内に互いの軸心を一致した状態に配置されている。この成形ピン１０は、その上端部の形状を鍛造素材に転写してカップ状鍛造品Ｗの内面を成形するものである。

なお、この成形ピン１０は、上下方向に移動自在に構成して、鍛造加工後に鍛造品Ｗを成形孔２１から突き出すためのノックアウトピンを兼用させるようにしても良い。また、成形ピン１０にノックアウトピンを兼用させずに別途、ノックアウト機構を設けるようにしても良い。

ダイ本体２に対応して配置されるパンチ８は、図示しない駆動手段によって上下方向に昇降できるようになっており、成形孔２１内に鍛造素材を投入した状態で、パンチ８を降下させて成形孔２１内に打ち込むことによって、鍛造素材に所定の成形荷重を付与できるようになっている。

なお鍛造素材としては、アルミニウム（アルミニウム合金も含む）製の連続鋳造材を所定長さに切断する等の方法によって製作された部材や、アルミニウムの粉末をビレット状に圧縮成形した後、熱間押出によって丸棒状に成形し、その押出材を所定長さに切断する等の方法によって製作された部材、さらには押出材からなる部材や、圧延材からなる部材等も使用することができる。

一方、ダイ本体２の外周面には、振動伝達部材としてのホーン７の一端がねじ止めによって固定されて、そのホーン７の一端面がダイ本体２の外周面に接触している。

ホーン７の他端には、超音波発振装置としての振動子６がねじ止めによって固定されて、振動子６の端面（振動出力面）がホーン７の他端面に接触している。

本実施形態において、振動子６は、１０〜５０ｋＨｚの超音波振動を出力することができ、例えば振動子１個あたり１ｋＷ、振幅１０μｍ（ｐ−ｐ）となっている。振動子６から発振される超音波振動は、振動子６とホーン７の接合面を介してホーン７に伝達されるとともに、ホーン７に伝達された超音波振動は、ホーン７とダイ本体２の接合面を介してダイ本体７に伝達されるようになっている。

ホーン７としては、振動子６の駆動周波数において、振動子６およびダイ本体２との接触面における振動方向が、各接触面に対して垂直方向に設定できるのであれば、つまり振動方向がダイ本体２の径方向に設定できるのであれば、従来より公知のものを使用することができる。

本実施形態においては、振動子６とホーン７とによって振動付与手段（加振器）が構成されている。さらに本実施形態においては、振動付与手段が取り付けられたダイ本体２によって加振器付き金属加工用ダイが構成されている。

なお、振動子６の振動出力面とホーン７の固定手段は、ねじ止め方式だけに限定されず、他の固定手段、例えばろう付けによって固定するようにしても良い。同様に、ホーン７とダイ本体２の固定手段も、ねじ止め方式だけに限定されず、ろう付け等の他の固定手段を採用しても良い。

さらに発明においては、ホーン７を設けずに、振動子６を直接ダイ本体２の外周面に接触させた状態で固定するようにしても良い。この場合には、振動子６のみによって振動付与手段が構成されることとなる。

次に本実施形態の鍛造装置の鍛造加工用ダイ１における振動状態について詳細に説明する。

まず円柱形の物体（振動体）と想定し、その振動体に外周面から超音波振動を付与して固有振動させた場合、高さと直径の比率（高さ／直径）が「１」を大きく上回る振動体では、上下方向（軸心方向）の振動が優勢となり、高さ／直径が「１」を大きく下回る振動体では、径方向（軸心に対し直交する方向）の振動が優勢となり、高さ／直径が「１」付近である振動体では、軸心方向と径方向の振動がほぼ等しくなる。径方向の振動が優勢な振動体、つまり直径が長く軸心方向の長さが短い振動体の中央に孔を開けて、ドーナッツ状に形成した場合には、内周面においても同様に径方向に振動する。本実施形態においては、このようにドーナッツ状の振動体が径方向に固有振動している状態を「呼吸振動モード」と称している。

本実施形態では、ダイ本体２にホーン７を介して振動子６から超音波振動が付与された際に、ダイ本体２が呼吸振動モードで振動し、ダイ本体２の成形孔内周面（成形面）が同様に呼吸振動モードで振動するように構成されている。そして本実施形態においては、ダイ本体２の成形孔内周面を呼吸振動モードで振動させた状態で、鍛造加工を行うものである。

ここで本実施形態においては、呼吸振動モードであっても、成形孔内周面には、径方向成分の振動以外に、軸心方向成分の振動が含まれている。しかしながら、成形孔内周面における軸心方向（上下方向）の中間位置から上下に遠ざかるに従って、軸心方向成分の振動が多くなる。図２に示すように本実施形態においては、成形孔内周面における振動のうち径方向成分の振動が６０％以上含まれる領域の軸心方向（上下方向）寸法Ｈが３ｍｍ以上となるように構成するのが好ましい。

一方、呼吸振動モードで振動するダイ本体２においては、径方向の位置によって、振幅がゼロで変位しない節点や、振幅が最大で最も変位する腹点が存在する。本実施形態においては、後に詳述するように防振ブロック３の上端面を、ダイ本体２の下面のいずれの位置にも固定でき、例えば防振ブロック３の上端面をダイ本体２の下面おける節点から外した位置に固定することもできる。

また防振ブロック３の下端面は、固定ブロック４の上端面に固定されて拘束されている。従って防振ブロック３には、ダイ本体２の振動に共振して、上端を自由端とし、下端を固定端とするような振動が発生する。

具体的には、本実施形態において、防振ブロック３は、ダイ本体２の振動に対し、上端が腹点とし、下端が節点となるように軸心方向の長さ（高さ）が設定されている。従って図３Ａに示すように防振ブロック３は、ダイ本体２の振動に共振することによって、上端が径方向（横揺れ方向）に振動するものの、下端が振動しないようになっている。このように防振ブロック３が、下端を支点に上端側が横揺れするように径方向に振動している状態を本実施形態では「倒れ振動モード（横揺れモード）」と称している。

固定ブロック４は、振動子６の発振する超音波振動の振動数に対し、固有振動数が大きく異なり、振動子６の振動数付近に共振点がなく、ダイ本体２や防振ブロック３の振動が伝達されるのを防止するようにしている。具体的には、固定ブロック４は、防振ブロック３と比べて外径や高さ方向（軸心方向）寸法が大きく形成されており、防振ブロック３の振動に共振しないようになっている。

このように防振ブロック３においては、ダイ本体２の呼吸振動モードの振動が倒れ振動モードの振動に変換されることにより、固定ブロック４に振動が発生するのが抑制される。このため固定ブロック４の下端面（アンビル５との接触面）での振動の振幅を非常に小さくゼロに近付けることができる。

本実施形態においては、固定ブロック４の下端面が全く振動しないことが理想ではあるが、実用的には、その下端面での振動の振幅が４μｍ以下に抑制されていれば良い。なお、この振幅が大き過ぎる場合には、振動エネルギーの損失により、成形部に効率良く振動を伝達することが困難となる。このため、振動子６を駆動する駆動装置（超音波出力装置）の出力が２０ｋＷ以下の場合には、振動子６によって、ダイ本体２を十分に振動させるだけの超音波振動を与えることができず、駆動装置の大型化および高コスト化を来すおそれがあり、好ましくない。

本実施形態では、防振ブロック３において、ダイ本体２から固定ブロック４に振動が伝達するのを効果的に遮断するには、ダイ本体２と防振ブロック３とをそれぞれ別体として捉えた場合、互いの共振周波数が同一であるのが良い。実用的には互いの共振周波数の差が±５ｋＨＺ以内であるの良く、より好ましくは±３ｋＨｚ以内であるのが良い。すなわちダイ本体２および防振ブロック３において互いの共振周波数が大きく異なる場合には、防振ブロック３の下端面の振動の振幅が大きくなり、不用意にも固定ブロック４からアンビル５に振動が伝達されてしまったり、ダイ本体２の振動が抑制されて、所望の呼吸振動モードの振動が確実に発生しないおそれがあり、好ましくない。

鍛造加工用ダイ１全体の共振周波数は振動子６の動作範囲内に設定する必要がある。鍛造加工用ダイ１全体とは、ダイ本体２、防振ブロック３および固定ブロック４の一体加工品またはこれらを連結一体化した部材である。参考までに、高出力の振動子６ではねボルト締め型の振動子が最も多く使用されているが、この方式の振動子では動作範囲が−１ｋＨｚ〜１ｋＨｚ（±１ｋＨｚ）であるため、この方式の振動子を使用する場合には、ダイ１全体の共振周波数は上記の動作範囲に限定される。

以上のように構成された鍛造装置においては、ダイ１の成形孔２１内に、金属材料としての鍛造素材（被加工材）をセットする。一方、振動子６から超音波振動を発振して、ホーン７を介してダイ本体２を呼吸振動モードで振動させて、成形孔内周面も同様に振動させる。その状態で、パンチ８を降下させて、鍛造素材を加圧して塑性流動させて、所定形状の鍛造品Ｗを成形する。

その後、成形ピン１０がノックアウトピンを兼用している場合には、その成形ピン１０によって鍛造品Ｗを成形孔２１内から突き出して、鍛造品Ｗを排出する。言うまでもなく、成形ピン１０がノックアウトピンを兼用していない場合には、図示しないノックアウトピンによって、鍛造品Ｗを成形孔２１から排出する。

この鍛造装置によれば、振動するダイ本体２に同調して、防振ブロック３が振動するものの、防振ブロック３は、倒れ振動モードで振動することにより、防振ブロック３の下端が振動するのを防止することができる。つまり、ホーン７からダイ本体２に付与される超音波振動が、防振ブロック３を介して不用意にも固定ブロック４、ひいてはアンビル５に伝達されるのを防止することができる。このため振動エネルギーの損失を低減できて、ホーン７からダイ本体２の成形部に効率良く振動を伝達することができる。従って、超音波出力が小さくとも、ダイ本体２の成形部を十分に振動させることができる。このため例えば出力が１０ｋＷ以下の出力が小さい超音波出力装置（駆動装置）を支障なく採用できて、超音波出力装置の小型軽量化、ひいては鍛造装置全体の小型軽量化を図ることができる。

また本実施形態においては、防振ブロック３のダイ本体２との接触面側を振動させつつ防振ブロック３によって振動を遮断するものであるため、防振ブロック３をダイ本体２の節点以外の部分にも取り付けることができ、防振ブロック３のダイ本体２に対する接触面積を広くすることができる。つまり防振ブロック３を厚く形成することができるため、支持強度を向上させることができ、本実施形態のように成形荷重が高い鍛造加工であっても、その高荷重に十分に耐えることができる。

また防振ブロック３のダイ本体２に対する取付位置が特に制限されることがなく、設計の自由度が増し、汎用性を向上させることができる。

ここで本実施形態においては図２に示すように、ダイ本体２の外周面におけるホーン７との接触面（加振点）での径方向成分の振動の振幅に対し、成形孔内周面における径方向成分の振幅が２０％以上確保するのが好ましい。つまり、ダイ本体２の外周面における加振点での振幅を「Ｏ」、成形孔内周面での振幅を「Ｉ」としたとき、「Ｉ／Ｏ≧０．２」の関係を満足させるのが好ましい。すなわちこの関係を満足しない場合には、既述したとおり、振動エネルギーの損失が多くなり、振動をホーン７からダイ本体２に効率良く伝達することが困難になるおそれがある。

また本実施形態においては、成形面として機能するダイ本体２の成形孔内周面を振動させて、鍛造加工を行うものであるため、振動による効果を十分に得るためには、成形孔内周面が径方向に振動する際の振幅が５μｍ以上であることが好ましく、振幅が大きい程、振動による効果も向上する。

なお、超音波振動を与えて鍛造加工を行う場合の効果としては、成形荷重の低減、焼き付きの低減、鍛造品Ｗの欠肉発生の防止等であり、これらのメカニズムとしてはＢｌａｈａ効果による鍛造素材の変形抵抗低減、ダイ本体２の成形孔内周面と鍛造素材との界面の摩擦低減、ハンマリング効果が挙げられる。ハンマリング効果とは、静的応力に超音波振動による繰り返し衝撃荷重が加わることにより鍛造素材が変形することである。

次に本実施形態の鍛造装置における鍛造加工用ダイ１の製作方法について説明する。

鍛造加工により製造しようとする製品（鍛造品Ｗ）の寸法から、鍛造加工用ダイ１におけるダイ本体２の成形孔２１の内径寸法φＡ（図１参照）や、成形孔２１の高さ（軸心方向寸法）、つまりダイ本体２の高さ（軸心方向寸法）を決定する。

続いて、パンチによる成形荷重を基に成形孔２１の内周面に発生する荷重を求め、その荷重に耐えることができるように、防振ブロック３の許容最小厚みを決定する。なお図１に示すように本実施形態においては、防振ブロック３の外径寸法から内径寸法を差し引いた値（φＤ−φＣ）を防振ブロック３の厚みとしている。

次に鍛造加工するに際して、最適な周波数（例えば１０ｋＨｚ〜５０ｋＨｚ）、許容最大超音波出力値（例えば１００Ｗ以上）、許容最大振幅（例えば３μｍ（ｐ−ｐ）に基づいて、超音波発振装置の振動子６を決定する。

次に以下に詳述するように、振動子６からの振動に共振するようにダイ本体２の外径寸法を設定する。

図４および図５はダイ本体が呼吸振動モードで振動している状態を説明するための図である。なお、各図において、上側にダイ本体２が振動する断面の状態を想定した図、下側にその断面における振動波（定常波）の波形を想定した図を示している。

これらの図に示すように、振動子６の周波数と、成形孔内周面の内径寸法φＡとから、奇数モードか偶数モードかを決定する。

図４（ａ）および図５（ａ）に示すように偶数モードとは、外周面から加振された際に、共振によりダイ本体２が固有振動した場合、ダイ本体２の中心位置（軸心位置）が振幅が最も大きい腹点（ａｎ）となり、かつ振幅が最も小さい節点（ｎｏ）の数が偶数個（同図の例では２個）となる状態である。

図４（ｂ）および図５（ｂ）に示すように奇数モードとは、ダイ本体２の中心位置（軸心位置）が節点（ｎｏ）となり、節点（ｎｏ）の数が奇数個（同図の例では１個）となる状態である。

なおダイ本体２の外周面は、自由端の加振位置であるため、常に腹点（ａｎ）となる。

図４（ａ）および図５（ａ）に示すように偶数モードは、軸心位置が腹点（ａｎ）であるため、成形孔２１の内径寸法φＡが小さくなるに従って、成形孔内周面での振幅Ａ２が次第に大きくなり、振動も激しくなっていく。このため成形孔２１の内径寸法φＡが小さい場合には、図４（ａ）に示すように偶数モードを採用することによって、成形孔内周面での振幅を大きくすることができる。

図４（ｂ）および図５（ｂ）に示すように奇数モードは、軸心位置が節点（ｎｏ）であるため、成形孔２１の内径寸法φＡが大きくなるに従って、成形孔内周面での振幅Ａ１が次第に大きくなり、振動も激しくなっていく。このため成形孔２１の内径寸法φＡが大きい場合には、図５（ｂ）に示すように奇数モードを採用することによって、成形孔内周面での振幅を大きくすることができる。

このように成形孔２１の内径寸法φＡが小さい場合には、偶数モードを採用し、内径寸法φＡが大きい場合には、奇数モードを採用するのが好ましい。

そこで本実施形態においては、振動状態でのダイ本体２の定常波（振動波）の波長を「λ」としたとき、内径寸法φＡが波長λの１／３よりも小さい場合（φＡ＜λ／３の場合）には、偶数モードの方が奇数モードよりも成形孔内周面での振幅が大きくなるため、偶数モードを選択するのが好ましい。また内径寸法φＡが波長λの１／３よりも大きい場合（φＡ＞λ／３の場合）には、奇数モードの方が偶数モードよりも成形孔内周面での振幅が大きくなるため、奇数モードを選択するのが好ましい。なお、内径寸法φＡが波長λの１／３と等しい場合（φＡ＝λ／３の場合）には偶数モードおよび奇数モードのいずれのモードを選択しても良い。

こうして偶数モードにするか、または奇数モードにするかを決定すれば、外径寸法φＢおよび波長λの関係式が求められるため、その関係式と、ダイ本体２の共振振動数および外径寸法φＢの関係式とから、外径寸法φＢを求めることができる。

なお図４および図５においては、奇数モードでは節点（ｎｏ）が１つの１次モード、偶数モードでは節点が２つの２次モードの場合を例に挙げて説明したが、本発明においては、３次以上のモードも適用することができる。この３次以上のモードを適用する場合であっても、上記と同様にダイ本体２の外径寸法を求めることができる。

ダイ本体２の大きさや形状を決定した後、防振ブロック３の大きさや形状を決定する。まず、防振ブロック３の軸心方向の長さ（高さ）を決定する。すなわち呼吸振動モードでダイ本体２が振動している際に、共振により倒れ振動モード（横揺れモード）で振動する防振ブロック３において、防振ブロック３の上端が振幅が最も大きい腹点となり、下端が節点となるように、防振ブロック３の軸心方向長さを決定する。この場合、節点が１つの１次モードで防振ブロック３の軸心方向長さを決定するのが好ましい。その理由は、節点が２つ以上の高次モードでは、防振ブロック３の軸心方向長さが長くなるため、強度的に不利益が発生する可能性が高くなるからである。

続いて、防振ブロック３の厚みを決定するが、既述したように、防振ブロック３における厚み（φＤ−φＣ）の最小値は、ダイ本体２で発生する荷重を基に決定されている。そして防振ブロック３における厚み（φＤ−φＣ）の最大値は以下のように決定する。

すなわち図６に示すように防振ブロック３の厚みが厚くなり過ぎた場合、ダイ本体２の振動で防振ブロック３が共振した際に、防振ブロック３が理想的な倒れ振動モードで振動せずに、防振ブロック３がその下端部を含んだ全体が振動するようになり、ダイ本体２の振動が防振ブロック３を介して固定ブロック４に伝達されてしまう。

そこで本実施形態においては、綿密な実験、研究、シミュレーション等を基に、ダイ本体２の厚みに対し、好適な防振ブロック３の厚みを特定した。すなわちダイ本体２の外径寸法φＢから内径寸法φＡを差し引いた値をダイ本体２の厚み（φＢ−φＡ）としたとき、（φＤ−φＣ）／（φＢ−φＡ）＜０．３２の関係を満たす場合には、ダイ本体２の振動に共振して、防振ブロック３が所望の倒れ振動モードで振動し、防振ブロック３の下端での振動が抑制され、固定ブロック４への振動の伝達を防止することができる。逆に言うと、（φＤ−φＣ）／（φＢ−φＡ）の値が０．３２以上の場合には、上記図６に示すように防振ブロック３は、所望の倒れ振動モードで振動せず、下端も含めた全体が不規則に振動してしまい、振動が固定ブロック４に伝達してしまうおそれがあり、好ましくない。

また既述したとおり、防振ブロック３はその強度面を考慮すると、（φＤ−φＣ）／（φＢ−φＡ）の値が０．０１以上に設定するのが良い。従って本実施形態のダイ１においては、０．０１≦（φＤ−φＣ）／（φＢ−φＡ）＜０．３２の関係を満足する場合には、防振ブロック３の強度（耐荷重性）を十分に確保しつつ、ダイ本体２から防振ブロック３を介して固定ブロック４に振動が伝達するのを防止できて、効率良く成形部を振動させることができる。

図３Ｂに示すように防振ブロック３の上端におけるダイ本体２への取付位置（接触位置）は、本発明においては、特に限定されるものではないが、防振ブロック３における外周面と内周面との間の中央を通る厚み中心線Ｃ３が、振動するダイ本体２の節点から逸脱した位置に設定するのが良く、より好ましくは、防振ブロック３の上端面全域（ダイ本体２との接触面全域）がダイ本体２の節点から逸脱した位置に設定するのが好ましい。すなわち防振ブロック３の厚み中心線Ｃ３が、ダイ本体２の節点上に設定されている場合には、ダイ本体２の疎密波の影響により、防振ブロック３が厚み方向（径方向）に膨出／圧縮するように振動して、所望の倒れ振動モードで振動しないおそれがある。そうすると、ダイ本体２の振動が防振ブロック３を介して固定ブロック４に伝達されてしまうおそれがある。

そこで既述したとおり、防振ブロック３におけるダイ本体２への取付位置を、防振ブロック３の厚み中心線Ｃ３が、ダイ本体２の節点から逸脱する位置に設定した場合、防振ブロック３を所望の倒れ振動モードで振動させることができ、振動の不用意な伝達を防止することができる。特に防振ブロック３におけるダイ本体２への取付位置を、防振ブロック３の上端面全域が、ダイ本体２の節点から逸脱する位置に設定した場合には、防振ブロック３を所望の倒れ振動モードで確実に振動させることができ、より一層確実に、振動の不用意な伝達を防止することができる。

固定ブロック４は、ダイ本体２や防振ブロック３の振動に対して共振状態が発生しないように、サイズや形状を設定する。例えば内径寸法を３００ｍｍ以上、高さ寸法（軸心方向寸法）を５０ｍｍ以上に設定する。

以上説明したように製作された鍛造加工用ダイ１を用いて、鍛造加工を行うことによって、既述したとおり、優れた効果、すなわち高荷重の鍛造加工に耐えることができる上さらに、超音波出力が小さくとも、成形部を確実に振動させることができて、小型軽量化およびコストの削減を図ることができるという優れた効果を得ることができる。

＜第２実施形態＞
図７Ａはこの発明の第２実施形態である鍛造加工用ダイを示す平面図、図７Ｂは側面断面図、図７Ｃは図７ＢのＶ１−Ｖ１線断面図である。

これらの図に示すように、この実施形態の鍛造加工用ダイ１においては、防振ブロック３が複数の支柱ピン３１によって構成されている。各支柱ピン３１は、周方向に等間隔おきに４本形成されている。各支柱ピン３１の断面は、同じ大きさの正方形状に形成されている。

この第２実施形態において、他の構成は、上記第１実施形態と実質的に同様であるため、同一または相当部分に同一符号を付して重複説明は省略する。

この第２実施形態の鍛造加工用ダイ１においても、上記第１実施形態と同様にして、同様の作用効果を得ることができる。

その上さらに、この第２実施形態の鍛造加工用ダイ１においては以下に説明するように、少ない加振力で、ダイ本体２に対し十分に高い振幅で振動させることができ、ダイ本体１の外周面から成形部に、より一層効率良く振動を伝達することができる。

すなわちダイ本体２に対し少ない加振力で、ダイ本体２を十分な振幅で径方向に振動させるためには、防振ブロック３の倒れ振動に基づく振動エネルギーの損失を極力少なくすることが好ましい。そのためには、防振ブロック３の曲げ荷重に対する剛性が、成形荷重に耐えられる範囲内において限りなく小さくするほど好ましい。例えば防振ブロック３の曲げ荷重剛性を５Ｎ／μｍ〜１２０００Ｎ／μｍに設定するのが好ましい。

防振ブロック３の曲げ荷重剛性（耐力）の下限値は、成形荷重に耐えることができる限界値を基に決定される。例えば防振ブロック３の耐力は以下の関係式（１）から決定される。

関係式（１）：「防振ブロック３の耐力」＞「防振ブロック３に作用する成形荷重」／「防振ブロック３の断面積」
ここで、防振ブロック３の成形荷重は、軸心方向に付加される荷重である。防振ブロック３の断面積は、防振ブロック３における軸心方向に対し直交する断面での断面積である。なお防振ブロック３の断面積が軸心方向の位置によって異なる場合、例えば防振ブロック３の外周面がテーパー状や階段状に形成されている場合、軸心方向の断面のうち最小の断面積を、上記関係式の防振ブロック３の断面積とする。

一方、防振ブロック３の曲げ荷重剛性は、防振ブロック３に倒れ振動を発生させるための加振力（曲げ荷重）と、防振ブロック３における倒れ振動時の最大振幅（曲げ振幅）との比に相当し、ヤング率と断面二次モーメントに比例する。すなわち防振ブロック３の曲げ荷重剛性は、以下の関係式（２）によって定義される。

関係式（２）：「曲げ荷重剛性」＝「静的曲げ荷重」／「曲げ振幅」＝「α（定数）」×「ヤング率」×「断面二次モーメント」／「防振ブロック３の長さ」
ここで、曲げ振幅と曲げ荷重とは、ダイ本体２および防振ブロック３間の境界において発生している振幅と荷重とのことである。また静的曲げ荷重が低減すれば、倒れ振動で共振しているときの曲げ荷重も同様に低減する。従って設計上は、曲げ荷重として静的曲げ荷重を用いた上記関係式（２）によって、曲げ荷重剛性を定義することができる。なお曲げ振幅はダイ本体２の振幅と同じである。

上記関係式（２）から防振ブロック３の長さＬ１を、可能な限り長く設定すれば、曲げ荷重剛性を小さくできることが判る。なお防振ブロック３の長さＬ１とは、防振ブロック３の軸心方向の長さであって、防振ブロック３におけるダイ本体２との接触面から固定ブロック５との接触面までの長さである。

ところで、防振ブロック３の長さＬ１は、ダイ本体２の共振周波数に応じて調整が必要である。例えばダイ本体２における径方向の振動の共振周波数と、防振ブロック３における倒れ振動の共振周波数との差を５ｋＨｚ以内に抑えることが好ましい。この共振周波数の差が５ｋＨｚを超えると、ダイ本体２における径方向の振動と防振ブロック３の倒れ振動とは同じ周波数で発生しなくなる。防振ブロック３における倒れ振動の共振周波数は、防振ブロック３の長さＬ１を短くすると高くなり、長さＬ１を長くすると低くなる。そこで共振周波数の差が上記の範囲以内となるように、防振ブロック３の長さＬ１を設定する。例えば防振ブロック３の長さＬ１を１０ｍｍ〜５０ｍｍに設定する。

なお、ダイス本体２の共振周波数は、「振幅」／「加振力」のピーク値から得られる周波数である。「振幅」／「加振力」とは、ダイス本体２においては「径方向の振幅」／「径方向の加振力」であり、防振ブロック３においては「曲げ振幅」／「曲げ荷重」に相当する。本実施形態において、防振ブロック３の長さＬ１は、ダイ本体２の「径方向の振幅」／「径方向の加振力」のピーク値が発生する長さに調整している。

また上記関係式（２）から断面二次モーメントを、可能な限り小さく設定すれば曲げ荷重剛性を小さくできることが判る。ここで既述した通り、防振ブロック３の長さ調整によっても、曲げ荷重剛性を小さくできる。しかしながら、防振ブロック３の長さは、共振周波数の関係から制約を受け、設計上の自由度が低い。従って、断面二次モーメントの調整によって、曲げ荷重剛性を小さくするのが好ましい。すなわち防振ブロック３の断面形状を変えることで、断面二次モーメントを小さくすることができる。例えば防振ブロック３の断面二次モーメントを１．５×１０^−７ｍ^４〜３．６×１０^−１０ｍ^４に設定する。

具体的には図７Ａ〜図７Ｃに示す第２実施形態の鍛造加工用ダイ１のように、防振ブロック３を複数の支柱ピン３１によって構成すれば良い。

本発明において、支柱ピン３１の数は、特に限定されるものではないが、２本〜６本に設定するのが好ましい。さらに本発明においては、支柱ピン３１を周方向に等間隔おきに形成するのが好ましい。また支柱ピン３１の断面形状や、形成位置も特に限定されるものではない。例えば支柱ピン３１の断面形状としては、正方形、長方形、扇形、円形、楕円形、長円形や、これらの形状を組み合わせた形状、異形形状を用いることができる。さらに防止ブロック３を構成する複数の支柱ピン３１を全て同じ断面形状に形成する必要はなく、複数の支柱ピン３１のうち、いずれかの支柱ピン３１の断面形状と他の支柱ピン３１の断面形状と異ならせるようにしても良い。

防振ブロック３の具体例を図８Ａ〜図８Ｉに示す。なおこれらの図は、図７ＢのＶ１−Ｖ１線断面に相当する断面図である。

図８Ａ〜図８Ｄに示す防振ブロック３は、周方向に等間隔おきに配置された４本または８本の支柱ピン３１によって構成されている。図８Ａに示す支柱ピン３１は径方向が長い長方形の断面を有している。図８Ｂに示す支柱ピン３１は、同図の断面状態において、径方向に対し直交する方向が長い長方形の断面を有している。図８Ｃおよび図８Ｄに示す支柱ピン３１は円形の断面を有している。

また本発明において、防振ブロック３を複数の支柱ピン３１によって構成する場合、支柱ピン３１を必ずしも等間隔おきに配置する必要はない。例えば図８Ｅに示す防振ブロック３は、４本の支柱ピン３１のうち、相対向する２つの支柱ピン３１が、等間隔に配置される場合の位置を基準にしたとき、周方向に所定量回転させた位置に配置されている。本発明において、この回転角度θは±２０°以内に調整するのが好ましい。なお本発明において回転角度θは０°に調整するのが最も好ましい。つまり本発明においては、複数の支柱ピン３１を周方向に等間隔で配置するのが最も好ましい。

また本発明においては、支柱ピン３１を円筒体の一部の形状に形成するのが好ましい。例えば図８Ｆに示す防振ブロック３においては、防振ブロック３を構成する円筒体に周方向に等間隔おきに、４つの切欠部３２が形成される。各切欠部３２は、軸心方向に連続するスリット状に形成されている。そして切欠部３２によって分離された円筒体の各一部が、支柱ピン３１としてそれぞれ構成される。さらに本発明においては、複数の切欠部３２を必ずしも等間隔おきに配置する必要はない。例えば図８Ｇに示す防振ブロック３においては、図８Ｆの防振ブロック３と比較して、相対向する２つの切欠部３２が周方向に所定量回転させた位置に配置されている。この回転角度θは±２０°以内に調整するのが好ましく、回転角度θは０°に調整するのが最も好ましい。

さらに図８Ｈに示す防振ブロック３においては、図８Ｆの防振ブロック３と比較して、切欠部３２のサイズが大きくなっている。従って各支柱ピン３１のサイズが小さくなっている。また図８Ｉに示すように防振ブロック３は、図８Ｈの防振ブロック３と比較して、相対向する２つの切欠部３２が周方向に２０°回転した位置に形成されている。これにより、これにより４つの支柱ピン３１のうち、対向し合う支柱ピン３１は、互いに同じ形状で同じ大きさに形成されるとともに、周方向に隣り合う支柱ピン３１は、異なる形状で異なる大きさに形成される。

また本実施形態においては、支柱ピン３１の総断面積は１００ｍｍ^２〜２３００ｍｍ^２に調整するのが好ましい。

本発明において、上記図８Ｆ〜図８Ｉに示すように防振ブロック３を構成する支柱ピン３１が、円筒体の一部によって構成される場合には、支柱ピン３１を形成する際の加工を容易に行うことができ、鍛造加工用ダイ１を容易に製作することができる。

＜実施例＞
上記図１および図２に示す実施形態の鍛造装置と同様の構成を有する実施例の鍛造装置を準備した。

本実施例の鍛造装置においては、鍛造加工用ダイ１として、ダイ本体２、防振ブロック３および固定ブロック４が一体に形成された一体成形品を準備した。この鍛造加工用ダイ１において、材質は工具鋼（ＳＫＤ６１）であり、硬度はＨＲＣ５０である。

表１に示すように鍛造加工用ダイ１におけるダイ本体２の外径寸法φＢは３７５ｍｍ、内径寸法φＡは９２ｍｍ、高さ（軸心方向長さ）は９０ｍｍである。

防振ブロック３の外径寸法φＤは１９０ｍｍ、内径寸法φＣは１６０ｍｍ、高さ（軸心方向長さ）は２０ｍｍである。

固定ブロック４の外径寸法は３００ｍｍ、内径寸法は１６０ｍｍ、高さ（軸心方向長さ）は５２．１ｍｍである。

ダイ本体２の成形孔２１内に配置される成形ピン１０は、外径寸法が８８ｍｍである。

また、直径（外径）１０ｍｍのピンを２本用いて、アンビル５の上面と固定ブロック４の下面とを接触した状態で固定した。

超音波振動子６として、出力１ｋＷ、駆動周波数２０±１ｋＨｚ、最大振幅５μｍのボルト締め型振動子を２本用いた。

超音波出力装置（駆動装置）は、ＰＬＬ（phase locked loop）発振方式のもので、出力は２ｋＷである。

ホーン７としては、外径（直径）５０ｍｍ、長さ１２６ｍｍのものを用いた。このホーン７の材質は工具鋼である。

超音波振動を与えるに際して、ダイ本体２の成形孔内周面に振幅５μｍの径方向の振動を発生させることを条件とした。

鍛造素材（被加工材）としては、外径（直径）７９ｍｍ、高さ（軸心方向長さ）３８ｍｍの円柱状ないし円盤状のものを用いた。この鍛造素材の材質は、４０００系アルミニウム合金である。

そして、鍛造素材の温度が４３０℃、金型温度３６０℃の温度条件で、黒鉛系潤滑剤をスプレーにより噴霧した後、鍛造素材をダイ本体２の成形孔２１にセットした。

その一方で振動子６からホーン７を介してダイ本体２に超音波振動を与えて、ダイ本体２を呼吸振動モードで振動させた。なお、鍛造素材を成形孔２１にセットする前からダイ本体２を振動させておいても良いし、鍛造素材をセットした後に、ダイ本体２を振動させるようにしても良い。

こうしてダイ本体２を振動させつつ、パンチ８を降下させて、鍛造素材を加圧して塑性流動させて、上記実施形態と同様に底厚８ｍｍのカップ状の鍛造品Ｗを成形した。

一方、超音波振動を与えない点以外は、上記と同様にして、比較例の鍛造方法による鍛造品を成形した。

比較例の鍛造方法では、成形荷重が４３０ｋＮであったが、実施例の鍛造方法では、成形荷重が比較例の鍛造方法の成形荷重に対し２０％も低減させることができた。

また実施例の鍛造方法では、超音波出力が２ｋＷと小さいにもかかわらず、振動付与による成形荷重の低減効果を確実に得ることができた。つまり実施例においては、振動エネルギーの損失が少なく、振動子６からダイ本体２の成形部に振動が効率良く伝達されていることが判明した。

以上の実施例から明らかなように、本発明に関連した鍛造加工用ダイを備えた鍛造装置は、高い成形荷重にも耐えることができる上さらに、小さい限られた超音波出力で効率良く振動させることができ、超音波振動による優れた効果、例えば成形性の改善効果等を確実に得ることができる。

＜シミュレーション実験＞
シミュレーション方法としては、防振ブロック３を含む鍛造加工用ダイ１における金型材料の特性と形状とから解析を行う。その解析によって、防振ブロック３とダイ本体２とが共振状態において、ダイ本体２と固定ブロック４との振動形態を求めた。振動形態とは振幅および振動方向である。シミュレーションの条件である入力情報は以下の通りである。

金型材料の特性としてのヤング率は２１０ＧＰａ、ポワソン比は０．３、密度は７９００ｋｇ／ｍ^３とした。

シミュレーション実験の対象となる鍛造加工用ダイ１の解析モデルは、上記図７Ａ〜図７Ｃに示す鍛造加工用ダイ１と同様にした。すなわちの防振ブロック３としての４本の支柱ピン３１が周方向に等間隔おきに形成されている。さらに各支柱ピン３１の断面は正方形である。なおダイ本体２および固定ブロック４において、外周の輪郭および内周の輪郭はそれぞれ円形に形成されている。

またダイ本体２の内径（成形孔の内径）φＡを３３ｍｍ、ダイ本体２の外径φＢを１７０ｍｍ、防振ブロック３の内径φＣを３３ｍｍ、固定ブロック４の外径φＥ１８０ｍｍとした。防振ブロック３の長さ（高さ）Ｌ１は１６ｍｍ、ダイ本体２の高さＬ２は３０ｍｍ、固定ブロック４の高さＬ３は３０ｍｍとした。

シミュレーションの計算方法としては、解析ソフト「ＡＮＳＹＳ」を用い、モード解析をブロックランチョス法で行った。そして、各支柱ピン３１の厚みＴ１（ｍｍ）と、幅Ｔ２（ｍｍ）とをそれぞれ変数として、４通りの解析を行った。その結果を表２に示す。

なお表２において「振動漏れ量」は以下の式で求められる。

「振動漏れ量」＝「固定ブロック４の下面における軸方向の振幅」／ダイ本体２における外周面の径方向の振幅」
表２に示すように、防振ブロック３の断面二次モーメントが小さい解析モデル２および解析モデル４は、振動漏れ量が少ないことが確認できた。また解析モデル３と解析モデル４とを比較すると、防振ブロック３の断面積が同じであっても、断面二次モーメントが小さい方が振動漏れ量が少ないことが確認できた。

＜第１好適例＞
以上のシミュレーション結果を踏まえて、好ましい防振ブロック３の構成を以下に示す。

図９Ａはこの発明の第１好適例の防振ブロックを備えた鍛造加工用ダイを示す平面図、図９Ｂは断面図、図９Ｃは図９ＢのＶ２−Ｖ２線断面図である。

これらの図に示すように、この第１好適例である鍛造加工用ダイ１においては、防振ブロック３が４本の支柱ピン３１によって構成されている。各支柱ピン３１は、周方向に等間隔おきに配置されており、扇形の断面を有している。さらにこの防振ブロック３は、図９Ｃの断面状態において、軸心を中心点とする点対称に形成されている。さらにこの第１好適例の防振ブロック３においては、円筒体に周方向に等間隔おきに、軸心方向に連続する４つの切欠部３２が形成される。そして切欠部３２によって分離された円筒体の各一部が、支柱ピン３１としてそれぞれ構成されている。

また支柱ピン３１の総断面積は、１００ｍｍ^２〜２３００ｍｍ^２とし、支柱ピン３１の高さ（長さ）Ｌ１は１０ｍｍ〜３０ｍｍとしている。さらに支柱ピン３１の材質は工具鋼である。

その他の構成は、上記実施形態と同様である。

この第１好適例の防振ブロック３を備えた鍛造加工用ダイ１においては、上記のシミュレーション結果を参照すると、振動漏れ量が少なくなり、ダイ本体２の外周面から成形孔内周面まで振動を効率良く伝達することができる。

＜第２好適例＞
図１０Ａはこの発明の第２好適例の防振ブロックを備えた鍛造加工用ダイを示す平面図、図１０Ｂは断面図、図１０Ｃは図１０ＢのＶ３−Ｖ３線断面図、図１０Ｄは図１０ＢのＶ４−Ｖ４線断面図である。

これらの図に示すように、この第２好適例である鍛造加工用第１においては、防振ブロック３が支柱ピン３１と円筒体３３との組合せによって構成されている。すなわち防振ブロック３における上側半分、つまりダイ本体２側の半分は、４本の支柱ピン３１によって構成される。さらに防振ブロック３における下側半分、つまり固定ブロック４側の半分は、円筒体３３によって構成されている。支柱ピン３１は、上記第１好適例の支柱ピン３１と同様に、扇形の断面を有し、周方向に等間隔おきに配置されている。

また支柱ピン３１の総断面積は、１００ｍｍ^２〜２３００ｍｍ^２とし、防振ブロック３の高さＬ１のうち、支柱ピン３１の高さＬ１１は１０ｍｍ〜３０ｍｍとしている。さらに円筒体３３の断面積は、４００ｍｍ^２〜２４００ｍｍ^２とし、円筒体３３の高さＬ１２は１０ｍｍ〜３０ｍｍとしている。支柱ピン３１の材質は工具鋼である。支柱ピン３１と円筒体３３とは一体に成形されており、これらの材質は工具鋼である。

その他の構成は、上記実施形態等と同様である。

この第２好適例の防振ブロック３を備えた鍛造加工用ダイ１においても、上記のシミュレーション結果を参照すると、振動漏れ量が少なくなり、ダイ本体２の外周面から成形孔内周面まで振動を効率良く伝達することができる。

＜変形例＞
上記実施形態においては、本発明の金属加工用ダイを、鍛造装置の鍛造加工用ダイに適用する場合を例に挙げて説明したが、それだけに限られず、本発明は、以下に説明するように他の金属加工用ダイにも適用することができる。

図１１はこの発明の第１変形例としての押出装置を示す断面図である。この第１変形例の押出装置においては、押出加工用ダイ１ａとして、本発明の金属加工用ダイが適用されている。この押出加工用ダイ１ａにおいては、成形孔（押出孔）２１ａの内周面が、押出加工用として所定のテーパー面に形成されている。さらに成形孔２１ａの上流側に対応して配置されたコンテナ１１ａが基台５ａにコンテナホルダー１２ａを介して支持されている。そして、コンテナ１１ａ内に収容されたビレット等の成形素材Ｗ１がステム１３ａによって押し出されることにより、成形素材Ｗ１が成形孔２１ａ内を通過して、成形品としての押出型材Ｗａが成形されるようになっている。

この押出装置において他の構成は、上記実施形態と実質的に同様であるため、同一または相当部分に同一符号を付して重複説明は省略する。

この押出装置においても、押出加工中には、上記実施形態と同様に、振動子６からホーン７を介してダイ本体２に超音波振動が与えられる。

またダイ本体２に与えられる振動に共振して、防振ブロック３が倒れ振動モードで振動することにより、上記と同様に、ダイ本体２の振動が防振ブロック３を介して、不用意に基台５ａに伝達されるのを防止することができる。

この押出装置においても、上記実施形態と同様に同様の作用効果を得ることができる。

図１２はこの発明の第２変形例としての引抜装置を示す断面図である。この第２変形例の引抜装置においては、引抜加工用ダイ１ｂとして、本発明の金属加工用ダイが適用されている。この引抜加工用ダイ１ｂにおいては、成形孔（引抜孔）２１ｂの内周面が、引抜加工用として所定のテーパー面に形成されている。そして、チャック１３ｂを介して引き込まれることにより、成形素材Ｗ１が成形孔２１ｂを通過して引抜型材（成形品）Ｗｂが成形されるようになっている。

この引抜装置において他の構成は、上記実施形態および変形例と実質的に同様であるため、同一または相当部分に同一符号を付して重複説明は省略する。

この引抜装置においても、引抜加工中には、上記実施形態と同様に、振動子６からホーン７を介してダイ本体２に超音波振動が与えられる一方 ダイ本体２の振動に共振して、防振ブロック３が倒れ振動モードで振動することにより、振動が不用意に基台５ａに伝達されるのが防止されるようになっている。

この引抜装置においても、上記実施形態と同様に同様の作用効果を得ることができる。

図１３はこの発明の第３変形例としての絞り装置を示す断面図である。この第３変形例の絞り装置においては、絞り加工用ダイ１ｃとして、本発明の金属加工用ダイが適用されている。この絞り装置においては、パンチ８の外周にしわ抑えプレート８ｃが設けられている。そしてダイ本体２上における成形孔２１ｃに対応する位置に、成形素材としての金属板がセットされた状態で、パンチ８およびしわ抑えプレート８ｃが降下することにより、金属板がその成形孔２１ｃの周縁部がしわ抑えプレート８ｃに抑止されつつ、成形孔２１ｃに対応する部分が凹状に絞り加工されて、カップ状ないし逆ハット状の絞り製品Ｗｃが成形されるようになっている。

この絞り装置において他の構成は、上記実施形態および変形例と実質的に同様であるため、同一または相当部分に同一符号を付して重複説明は省略する。

この絞り装置においても、絞り加工中には、上記実施形態と同様に、振動子６からホーン７を介してダイ本体２に超音波振動が与えられる一方、ダイ本体２の振動に共振して、防振ブロック３が倒れ振動モードで振動することにより、振動が不用意に基台５ａに伝達されるのが防止されるようになっている。

この絞り装置においても、上記実施形態と同様に同様の作用効果を得ることができる。

図１４はこの発明の第４変形例としてのしごき装置を示す断面図である。この第４変形例のしごき装置においては、しごき加工用ダイ１ｄとして、本発明の金属加工用ダイが適用されている。このしごき加工用ダイ１ｄにおいては、成形孔（押出孔）２１ｄの内周面が、しごき加工用として所定のテーパー面に形成されている。そしてカップ状の成形素材が、成形孔２１ｄにセットされた状態で、パンチ８が降下して成形素材の底壁が下方に押し込まれることにより、成形素材の周壁がしごき加工されて、背高のカップ状しごき製品Ｗｄが成形されるようになっている。

このしごき装置においても、しごき加工中には、上記実施形態と同様に、振動子６からホーン７を介してダイ本体２に超音波振動が与えられる一方、ダイ本体２の振動に共振して、防振ブロック３が倒れ振動モードで振動することにより、振動が不用意に基台５ａに伝達されるのが防止されるようになっている。

このしごき装置においても、上記実施形態と同様に同様の作用効果を得ることができる。

なお、上記実施形態等においては、ダイ本体２の成形孔２１の内周形状を断面円形に形成しているが、本発明において、成形孔２１の内周形状は特に限定されず、製造する成形品の外径形状（外周形状）に合わせて適宜形成すれば良い。例えばダイ本体２の内周形状を、楕円形や長円形に形成したり、３角形以上の多角形に形成したり、これらの複合形状に形成したり、異形形状に形成するようにしても良い。もっとも本発明においては、上記実施形態のようにダイ本体２の内周形状を円形に形成した場合、成形素材に対し周方向全域に均等な振動を与えることができる。従って成形時の振動による効果を十分に得ることができるため、成形孔の内周形状は、円形に形成するのが好ましい。

また本発明の金属加工用ダイを鍛造加工に用いる場合、鍛造条件は特に限定されるものではない。例えば熱間鍛造加工でも、冷間鍛造加工でも用いることができる。さらに密閉鍛造、半密閉鍛造、開放鍛造のいずれにも用いることができる。

本願は、２０１３年８月２２日付で出願された日本国特許出願の特願２０１３−１７２４８５号の優先権主張を伴うものであり、その開示内容は、そのまま本願の一部を構成するものである。

ここに用いられた用語及び表現は、説明のために用いられたものであって限定的に解釈するために用いられたものではなく、ここに示され且つ述べられた特徴事項の如何なる均等物をも排除するものではなく、この発明のクレームされた範囲内における各種変形をも許容するものであると認識されなければならない。

本発明は、多くの異なった形態で具現化され得るものであるが、この開示は本発明の原理の実施例を提供するものと見なされるべきであって、それら実施例は、本発明をここに記載しかつ／または図示した好ましい実施形態に限定することを意図するものではないという了解のもとで、多くの図示実施形態がここに記載されている。

本発明の図示実施形態を幾つかここに記載したが、本発明は、ここに記載した各種の好ましい実施形態に限定されるものではなく、この開示に基づいていわゆる当業者によって認識され得る、均等な要素、修正、削除、組み合わせ（例えば、各種実施形態に跨る特徴の組み合わせ）、改良及び／又は変更を有するありとあらゆる実施形態をも包含するものである。クレームの限定事項はそのクレームで用いられた用語に基づいて広く解釈されるべきであり、本明細書あるいは本願のプロセキューション中に記載された実施例に限定されるべきではなく、そのような実施例は非排他的であると解釈されるべきである。例えば、この開示において、「ｐｒｅｆｅｒｂｌｙ」という用語は非排他的なものであって、「好ましいがこれに限定されるものではない」ということを意味するものである。この開示および本願のプロセキューション中において、ミーンズ・プラス・ファンクションあるいはステップ・プラス・ファンクションの限定事項は、特定クレームの限定事項に関し、ａ）「ｍｅａｎｓ ｆｏｒ」あるいは「ｓｔｅｐ ｆｏｒ」と明確に記載されており、かつｂ）それに対応する機能が明確に記載されており、かつｃ）その構成を裏付ける構成、材料あるいは行為が言及されていない、という条件の全てがその限定事項に存在する場合にのみ適用される。この開示および本願のプロセキューション中において、「ｐｒｅｓｅｎｔ ｉｎｖｅｎｔｉｏｎ」または「ｉｎｖｅｎｔｉｏｎ」という用語は、この開示範囲内における１または複数の側面に言及するものとして使用されている場合がある。このｐｒｅｓｅｎｔ ｉｎｖｅｎｔｉｏｎまたはｉｎｖｅｎｔｉｏｎという用語は、臨界を識別するものとして不適切に解釈されるべきではなく、全ての側面すなわち全ての実施形態に亘って適用するものとして不適切に解釈されるべきではなく（すなわち、本発明は多数の側面および実施形態を有していると理解されなければならない）、本願ないしはクレームの範囲を限定するように不適切に解釈されるべきではない。この開示および本願のプロセキューション中において、「ｅｍｂｏｄｉｍｅｎｔ」という用語は、任意の側面、特徴、プロセスあるいはステップ、それらの任意の組み合わせ、及び／又はそれらの任意の部分等を記載する場合にも用いられる。幾つかの実施例においては、各種実施形態は重複する特徴を含む場合がある。この開示および本願のプロセキューション中において、「ｅ．ｇ．，」、「ＮＢ」という略字を用いることがあり、それぞれ「たとえば」、「注意せよ」を意味するものである。

この発明の金属加工用ダイは、例えば超音波振動を用いて型鍛造を行うようにした鍛造装置等に利用することができる。

１：鍛造加工用ダイ（金属加工用ダイ）
１ａ：押出加工用ダイ（金属加工用ダイ）
１ｂ：引抜加工用ダイ（金属加工用ダイ）
１ｃ：絞り加工用ダイ（金属加工用ダイ）
２：ダイ本体
２１，２１ａ：成形孔
３：防振ブロック
３１：支柱ピン
４：固定ブロック
６：振動子（振動付与手段）
７：ホーン（振動付与手段）
８：パンチ
Ｗ：鍛造品
φＡ：ダイ本体の内径寸法
φＢ：ダイ本体の外径寸法
φＣ：防振ブロックの内径寸法
φＤ：防振ブロックの外径寸法
λ：波長
ｎｏ：節点
ａｎ：腹点
Ｃ３：防振ブロックの厚み中心線

Claims (15)

1. 中央に金属材料を加工する成形孔が設けられ、かつ外周面に超音波振動が付与される筒状のダイ本体と、
   軸心方向一方側の面が、前記ダイ本体における軸心方向他方側の面に接触して固定され、かつ前記ダイ本体よりも径方向の厚みが薄い防振ブロックと、
   軸心方向一方側の面に、前記防振ブロックの軸心方向他方側の面に接触して固定され、かつ前記防振ブロックよりも径方向の厚みが厚い固定ブロックとを備え、
   前記ダイ本体の外周面に付与された超音波振動に共振して、前記ダイ本体にその外周面から前記成形孔の内周面にかけて径方向の振動が発生するとともに、
   前記ダイ本体に発生した振動に共振して、前記防振ブロックにその防振ブロックの前記ダイ本体との接触面を腹点とし、前記固定ブロックとの接触面を節点とする径方向の振動が発生するようにしたことを特徴とする金属加工用ダイ。
2. 前記防振ブロックにおける内周面と外周面との間の中央を通る中心線を、厚み中心線としたとき、
   前記防振ブロックの前記ダイ本体との接触面において、前記厚み中心線が、前記ダイ本体の振動状態での節点から逸脱するように配置されている請求項１に記載の金属加工用ダイ。
3. 前記防振ブロックの前記ダイ本体に対する接触面全域が、前記ダイ本体の振動状態での節点から逸脱するように配置されている請求項１または２に記載の金属加工用ダイ。
4. 前記ダイ本体の内径を「φＡ」、外径を「φＢ」、前記防振ブロックの内径を「φＣ」、外径を「φＤ」としたとき、（φＤ−φＣ）／（φＢ−φＡ）＜０．３２の関係を満足するようにした請求項１〜３のいずれか１項に記載の金属加工用ダイ。
5. 前記ダイ本体、前記防振ブロックおよび前記固定ブロックが一体に形成されている請求項１〜４のいずれか１項に記載の金属加工用ダイ。
6. 前記ダイ本体の振動状態において、前記ダイ本体の軸心位置が腹点となり、かつ節点の数が偶数個となる状態を偶数モードとし、前記ダイ本体の軸心位置が節点となり、かつ節点の数が奇数個となる状態を奇数モードとし、
   前記ダイ本体の振動状態での定常波の波長を「λ」とし、前記ダイ本体の内径を「φＡ」としたとき、
   φＡ＜λ／３の場合には、前記ダイ本体が前記偶数モードとなるように形成されるともに、φＡ＞λ／３の場合には、前記ダイ本体が前記奇数モードとなるように形成されている請求項１〜５のいずれか１項に記載の金属加工用ダイ。
7. 前記ダイ本体は、円筒状に形成されている請求項１〜６のいずれか１項に記載の金属加工用ダイ。
8. 前記防振ブロックは、円筒状に形成されている請求項１〜７のいずれか１項に記載の金属加工用ダイ。
9. 前記防振ブロックの少なくとも前記ダイス本体側の部分は、周方向に間隔をおいて配置された複数の支柱ピンによって構成されている請求項１〜７のいずれか１項に記載の金属加工用ダイ。
10. 前記複数の支柱ピンは、周方向に等間隔おきに配置されている請求項９に記載の金属加工用ダイ。
11. 請求項１〜１０のいずれか１項に記載の金属加工用ダイと、
    前記ダイ本体の外周面に固定され、かつ前記ダイ本体の外周面に超音波振動を付与する振動付与手段とを備えたことを特徴とする加振器付き金属加工用ダイ。
12. 前記振動付与手段は、一端が前記ダイ本体の外周面に接触した状態に固定されるホーンと、
    ホーンの他端に接触した状態に固定され、かつ超音波振動を発振する振動子とを備える
    請求項１１に記載の加振器付き金属加工用ダイ。
13. 鍛造素材を鍛造加工して鍛造品を成形するための鍛造加工用ダイであって、
    請求項１〜１０のいずれか１項に記載の金属加工用ダイによって構成されていることを特徴とする鍛造加工用ダイ。
14. 請求項１〜１０のいずれか１項に記載の金属加工用ダイと、
    前記ダイ本体の成形孔に打ち込むパンチとを備えたことを特徴とする鍛造装置。
15. 請求項１１または１２に記載の加振器付き金属加工用ダイと、
    前記ダイ本体の成形孔に打ち込むパンチとを備えたことを特徴とする鍛造装置。

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