WO2010018750A1 - 鍛造工具 - Google Patents

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WO2010018750A1
WO2010018750A1 PCT/JP2009/063486 JP2009063486W WO2010018750A1 WO 2010018750 A1 WO2010018750 A1 WO 2010018750A1 JP 2009063486 W JP2009063486 W JP 2009063486W WO 2010018750 A1 WO2010018750 A1 WO 2010018750A1
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WO
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punch
forging
hole
space
corner
Prior art date
Application number
PCT/JP2009/063486
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
雄二 牟禮
一雄 杉山
Original Assignee
株式会社ユニオン精密
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
Application filed by 株式会社ユニオン精密 filed Critical 株式会社ユニオン精密
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21K—MAKING FORGED OR PRESSED METAL PRODUCTS, e.g. HORSE-SHOES, RIVETS, BOLTS OR WHEELS
    • B21K1/00—Making machine elements
    • B21K1/44—Making machine elements bolts, studs, or the like
    • B21K1/46—Making machine elements bolts, studs, or the like with heads
    • B21K1/463—Making machine elements bolts, studs, or the like with heads with recessed heads

Definitions

  • This invention relates to a forging tool used for forging.
  • fastening parts such as screws and bolts have been forged using tools called punches (upper die) and dies (lower die). Stresses such as compression, tension, and shear are repeatedly applied to the punch, and sometimes these stresses are shocked.
  • the requirements for the shape and dimensional accuracy of parts are becoming stricter year by year, and the use of special materials such as high-strength steel is increasing, which necessitates high-risk molding conditions and reduces tool life due to fatigue failure. There was a problem.
  • Patent Documents 1 and 2 a method of forming a hard layer on the surface of the tool by surface coating
  • Patent Documents 3 and 4 a method of improving the tool life by a special heat treatment
  • the purpose is to improve the tool surface hardness, and it is necessary to perform a special treatment in addition to the normal tool manufacturing, resulting in a problem that the tool manufacturing cost increases.
  • Patent Documents 5 and 6 there is a method of dividing the stress concentration portion in advance (Patent Documents 5 and 6).
  • Patent Documents 5 and 6 there is a method of dividing the stress concentration portion in advance.
  • these techniques also have a disadvantage that the number of tools becomes plural and the tool manufacturing cost increases.
  • the present invention has been made in view of such circumstances, and an object of the present invention is to provide a forging tool that can be used continuously for a long period of time with a low-price and simple configuration, suppressing breakage of the punch.
  • the present invention is configured as follows.
  • the invention according to claim 1 is a die having a forming hole of a forged product formed by forging; A punch disposed opposite to the die, Place the material of the forged product in the forming hole of the die, In forming the forged product by pressing the material by the punch pressing portion of the punch, A forging tool characterized in that a space for dispersing and absorbing stress due to impact during forging is formed inside the punch by actively accelerating elastic deformation of the punch pressing portion and bending. .
  • the invention according to claim 2 is characterized in that the space portion is a cylindrical hole, and the position of the bottom of the hole with respect to the pressing direction is within a region where impact stress during forging reaches.
  • the invention according to claim 3 is characterized in that the distance from the contact surface of the punch pressing portion with the material to the bottom of the cylindrical hole has rigidity that does not collapse due to impact during forging.
  • the invention according to claim 4 is characterized in that the cross-sectional area in the direction orthogonal to the pressing direction of the space portion is larger than the cross-sectional area in the direction orthogonal to the pressing direction of the material.
  • Item 3. A forging tool according to Item 2.
  • the punch forms the space portion with an integral member having the cylindrical hole
  • the shape of the bottom of the hole is Whether the corner is a corner or a curved surface, Whether the center is flat or curved,
  • the corner is a combination of a corner or a curved surface and the center is a plane or a curved surface
  • the forging tool according to any one of claims 1 to 4, wherein the forging tool is any one of the above.
  • the punch fixes a lid member to an end of the cylindrical member, Forming the space portion of the cylindrical hole with a separate member of the cylindrical member and the lid member,
  • the punch pressing part is constituted by the lid member,
  • the shape of the bottom of the hole is Whether the corner is a corner or a curved surface, Whether the center is flat or curved,
  • the corner is a combination of a corner or a curved surface and the center is a plane or a curved surface,
  • the forging tool according to any one of claims 1 to 4, wherein the forging tool is any one of the above.
  • the invention according to claim 7 is characterized in that the region where the stress due to the impact during the forging reaches is quantified by a numerical analysis or a model experiment using a model material for plastic working.
  • Item 3. A forging tool according to Item 2.
  • the present invention has the following effects.
  • the elastic deformation of the punch pressing part is actively promoted by the space formed inside the punch, and the stress caused by the impact during forging is dispersed and absorbed by bending. Therefore, the breakage of the punch can be suppressed and the durability can be improved, so that continuous use for a long time is possible.
  • Fig. 3 (a) is a plan view and Fig. 3 (b) is a front view. It is a figure which shows the finite element method analysis model at the time of the preforming by cold heading. It is a figure which shows the finite element method analysis model at the time of the main shaping
  • a punch is a figure which shows the analysis conditions of embodiment which formed the space part with the integral member which has a cylindrical hole, and changed the shape of the bottom of a hole.
  • a punch is a figure which shows the analysis conditions of embodiment which formed the space part of the column-shaped hole with the member of a separate body of a cylindrical member and a cover member, and changed the shape of the bottom of a hole. It is a figure which shows an analysis result about the analysis conditions of embodiment which changed the shape of the bottom of a hole.
  • this embodiment is a cold forging tool for a screw and shows a preferred embodiment of the present invention, the present invention is not limited to this.
  • FIG. 1 is a diagram showing a set of cold forging tools before cold forging in main molding
  • FIG. 2 is a diagram showing a set of cold forging tools after cold forging
  • FIG. 3 is a diagram showing forged products
  • 3 (a) is a plan view
  • FIG. 3 (b) is a front view.
  • the cold forging tool 1 includes a die 10 having a forming hole 10a for a forged product formed by cold forging, a holder 20 disposed to face the die 10, and a slidable movement on the holder 20.
  • a punch 30 is provided.
  • the material 40 of the forged product is disposed in the molding hole 10 a below the head of the die 10.
  • the forming hole 10a has a shape for forming a cross hole screw.
  • a punch 30 is slidably provided in the slide hole 20 a of the holder 20.
  • the slide 30 is slid and the material 40 is pressed by the punch pressing portion 30a to form the forged product 41.
  • the front end surface 30a1 of the punch pressing part 30a is shaped to protrude from the peripheral edge 30a2 at the axial center. That is, in this embodiment, the front end surface 30a1 is projected in a cross shape, and a cross hole of a cross hole screw is formed.
  • the material 40 is obtained by cutting a rod-shaped member into a predetermined length.
  • the forged product 41 is a screw part before being thread-rolled, and includes a shaft portion 41a and a head portion 41b that are thread-rolled.
  • a cross hole 41b1 is formed in the head 41b by making the tip surface 30a1 of the punch pressing portion 30a project in a cross shape with an axial center from the peripheral edge 30a2.
  • a space 50 is formed that actively promotes elastic deformation of the punch pressing portion 30 a during cold forging and disperses and absorbs stress caused by impact during forging. ing.
  • the space 50 is a cylindrical hole, and in the pressing direction, the position of the bottom of the hole is in a region where the stress due to impact during forging reaches, and is formed at a position where it does not collapse during forging.
  • the cross-sectional area S ⁇ b> 1 in the direction orthogonal to the pressing direction of the space 50 is formed larger than the cross-sectional area S ⁇ b> 2 in the direction orthogonal to the pressing direction of the material 40.
  • the cylindrical hole forming the space 50 has a bottom shape that is a plane that is orthogonal to the axial center of the hole and has corners that are corners.
  • the material 40 of the forged product 41 is disposed in the forming hole 10 a of the die 10. Then, as shown in FIG. 2, the punch 30 is slid and the material 40 is pressed and plastically processed by the punch pressing portion 30a, and the forged product 41 having the cross hole 41b1 is cold forged.
  • the space portion 50 formed inside the punch pressing portion 30a actively promotes elastic deformation of the punch pressing portion 30a and is bent to forge the punch pressing portion 30a. It is possible to disperse and absorb the stress caused by the impact of time. Therefore, the breakage occurring in the punch pressing portion 30a can be suppressed and the durability is improved, so that the punch 30, the die 10, and the holder 20 can be used continuously for a long time.
  • the forging analysis by the finite element method is a continuous process of the preforming analysis model shown in FIG. 4 and the main forming analysis model shown in FIG. 5, and the result obtained by the preforming analysis is used as material data for the main forming analysis. Therefore, a highly accurate analysis was performed.
  • FIG. 4 shows an analysis model of preforming, and the analysis was performed by placing the material on the die and pressing the material with a punch that slides in the holder.
  • the punch was an elastic body and was divided into 30,000 elements for analysis.
  • This punch is a cemented carbide and has a Young's modulus of 540000 MPa and a Poisson's ratio of 0.22.
  • the material was a rigid plastic and was divided into 20,000 elements for analysis.
  • FIG. 5 shows a main molding analysis model, in which a punch is pressed by a ram, and the material that is the molded product of FIG. 4 is pressed by the punch.
  • the punch was divided into 30,000 elements for analysis.
  • the punch used was a conventional punch that did not provide a space.
  • FIG. 6 is a diagram showing the relationship between the processing load and stroke of the main forming punch, and shows a comparison between the analysis and the actual phenomenon.
  • the horizontal axis shows the punch stroke, and the vertical axis shows the punch processing load.
  • FIG. 7 shows the analysis result of the main forming
  • FIG. 7A shows the formation state at the end of the analysis
  • FIG. 7B is a longitudinal sectional view showing the stress distribution of the punch
  • FIGS. 7C and 7D are enlarged vertical sectional views of the stress distribution near the punch pressing portion. Points A, B, and C indicate stress concentration points.
  • FIG. 7A a cross hole is formed in the forged product by a tip surface protruding in a cross shape with an axial center from the periphery of the punch pressing portion.
  • FIG. 7 (b) the stress of the punch by the analysis is shown in the stress range of 0.000 to 1000 (MPa) and divided into eight stages shown in the figure.
  • the stress of the punch pressing portion is distributed in a circular arc shape from the portion corresponding to the tip surface protruding in a cross shape, and the portion corresponding to the tip surface protruding in a cross shape is 876-1000 ( MPa), and the stress is the largest.
  • a very large surface pressure is generated in the punch pressing portion, which causes a breakage in the punch pressing portion.
  • FIG. 8 is a diagram for explaining the analysis conditions of the present invention.
  • 8A is a perspective view showing a punch pressing portion of the punch
  • FIG. 8B is an enlarged perspective view showing the punch pressing portion
  • FIG. 8C is an inner diameter and a bottom position of a cylindrical hole forming a space.
  • the intersection of D and H in the figure indicates the inner diameter of the hole and the position of the bottom, and all 18 conditions were analyzed.
  • the front end surface of the punch pressing portion is shaped so as to protrude from the periphery of the periphery, and in this embodiment, the punch is slid and the material is pressed by the punch pressing portion to produce the forged product.
  • FIG. 9 shows the result of analysis, and is a diagram showing the relationship between the bottom thickness of the hole, which is the cylindrical space in FIG. 8C, and the change in the processing load when the inner diameter is changed.
  • the punch was 10 mm long and had a cylindrical shape with an inner diameter of 12 mm, and the space was formed by a cylindrical hole.
  • the machining load when the space is not formed is indicated by a dotted line.
  • a square mark indicates the processing load in the case of a space portion having an inner diameter of 3 mm and the bottom thickness H changed from the tip of the punch, and a circle mark indicates a space having an inner diameter of 6 mm and the bottom thickness H changed from the tip of the punch.
  • the processing load in the case of the part is shown, and the triangle mark shows the processing load in the case of the space part with the inner diameter of 9 mm and the bottom thickness H changed from the tip part of the punch.
  • the processing load becomes the smallest, and as the bottom thickness H becomes 1 mm from the tip of the punch, or 8 mm As a result, the processing load tends to increase as the bottom thickness is increased.
  • the processing load becomes the largest, and as the bottom thickness H becomes 1 mm from the tip of the punch, or the bottom thickness is 8 mm. As a result, the processing load tends to decrease as H is obtained.
  • the space portion D9 having an inner diameter of 9 mm when the bottom thickness H is about 3 mm from the tip of the punch, the processing load becomes the smallest, and as the bottom thickness H is 1 mm from the tip of the punch, or the bottom thickness is 8 mm. The result of the tendency that the processing load increases with increasing H was obtained.
  • the processing load of the space portion D3 having an inner diameter of 3 mm is smaller than the processing load of the space portion D3 having an inner diameter of 3 mm, and the processing load of the space portion D9 having an inner diameter of 9 mm tends to be smaller than the processing load of the space portion D3 having an inner diameter of 3 mm.
  • the processing load of the space portion D9 having an inner diameter of 9 mm is lower in the entire region of the plate pressure than the conventional punch that does not provide a space.
  • FIG. 10 to FIG. 12 show changes in stress distribution by changing the inner diameter and bottom thickness of the space.
  • the stress at the point C is 974, 1270, 1270 (MPa) when the bottom thickness H is 1 mm, 2 mm, and 3 mm.
  • the stress at the point C is 1330, 1050, 1240 (MPa) when the bottom thickness H is 1 mm, 2 mm, and 3 mm.
  • the stress was smaller than the stress at point C when the space of FIG. 7 was not provided.
  • the stress at the point A is 775 (MPa) and the stress at the point B is 894 (when the bottom thickness H is 2 mm.
  • the stress at point C is 707 (MPa)
  • the stress at point A is 638 (MPa) at 3 mm
  • the stress at point C is 1010 (MPa)
  • the stress at point A is 785 (MPa) at 4 mm.
  • the stress at point C is 1170 (MPa), the stress at point A is 875 (MPa), the stress at point C is 1360 (MPa) at 6 mm, the stress at point C is 1280 (MPa) at 8 mm, It became smaller than the stress of the corresponding point when not providing the space of FIG.
  • FIG. 13 to 15 show changes in the stress distribution by changing the inner diameter and the bottom thickness of the space at points A, B, and C.
  • FIG. 13 In FIG. 13, with respect to point A, the inner thickness of the cylindrical space is 3 mm, 6 mm, and 9 mm, and the bottom thickness H is changed.
  • the inner diameter was 3 mm
  • the stress when the bottom thickness H was about 3 mm was smaller than the stress when the space of the corresponding point A in FIG. 7 was not provided.
  • With an inner diameter of 6 mm even when the bottom thickness H was changed, the stress was smaller than when the corresponding space at point A in FIG. 7 was not provided.
  • With an inner diameter of 9 mm when the bottom thickness H was about 2 mm to 6 mm, the stress was smaller than when the corresponding point A space in FIG. 7 was not provided.
  • the bottom thickness H is changed with respect to the point B with the inner diameter of the cylindrical space being 3 mm, 6 mm, and 9 mm.
  • the inner diameter of 3 mm Even if the bottom thickness H was changed, the stress did not become smaller than when the corresponding point B space in FIG. 7 was not provided. Even when the inner diameter was 6 mm and the bottom thickness H was changed, the stress did not become smaller than the stress when the corresponding point B space in FIG. 7 was not provided.
  • the inner diameter was 9 mm, the stress when the bottom thickness H was about 2 mm was smaller than the stress when the space at the corresponding point B in FIG. 7 was not provided.
  • the bottom thickness H is changed with respect to the point C by setting the inner diameter of the cylindrical space to 3 mm, 6 mm, and 9 mm.
  • the inner diameter was 3 mm
  • the case where the bottom thickness H was about 1 mm to 3 mm was smaller than the stress at the corresponding point C in FIG.
  • the inner diameter was 6 mm
  • the stress when the bottom thickness H was about 1 mm to 3 mm was smaller than the stress when the space at the corresponding point C in FIG. 7 was not provided.
  • the inner diameter was 9 mm
  • the stress when the bottom thickness H was about 2 mm to 8 mm was smaller than the stress when the space at the corresponding point C in FIG. 7 was not provided.
  • the punch has a space formed by an integral member having a cylindrical hole, and can be manufactured at low cost by forming the punch by an integral member.
  • the shape of the bottom of the hole is a corner and a center is a plane, but the shape of the bottom of the hole can be formed as shown in FIG.
  • analysis number 1 is a comparative example, in which a linear hole is formed by wire cutting or the like, and the shape of the hole is a slit shape.
  • Analysis numbers 2 to 8 show the embodiment, and a space portion D9 having an inner diameter of 9 mm is formed in a punch having an outer diameter of 12 mm that was most effective in the analysis of the embodiment of FIGS.
  • the shape of the bottom of the hole was changed on the basis of the bottom thickness H of about 2 mm.
  • Analysis No. 2 is the shape of the bottom of the hole, the center is a plane and the corner is a corner, Analysis No. 3 is a curved surface with the center being a plane and a corner being concave, and Analysis No. 4 is the center being a plane and the corner is convex It is a curved surface.
  • analysis number 5 is a convex curved surface with a corner at the center and corners are corners
  • analysis number 6 is a convex curved surface with the center at a vertex and concave corners.
  • Analysis number 7 is a concave curved surface with a corner at the center and corners are corners
  • analysis number 6 is a concave curved surface with a shaft at the top and concave corners. .
  • the bottom shape of the punch hole may be a convex curved surface with a convex center and a convex corner at the center, or a concave curved surface with the central point at the center and a convex corner. It may be a curved surface.
  • the punch fixes the lid member to the end of the cylindrical member, forms a cylindrical hole space by a separate member of the cylindrical member and the lid member, A punch pressing part is comprised and the intensity
  • analysis number 9 is obtained by fixing a lid member having a stepped portion at the end to the end of the cylindrical member.
  • a lid member having a middle step at the end is fixed to the end of the cylindrical member.
  • the shape of the bottom of the hole is flat at the center and corners are corners.
  • a lid member having a lower stepped portion at the end is fixed to the end of the cylindrical member.
  • the shape of the bottom of the hole is a plane at the center and corners are corners.
  • the shape of the bottom of the hole may be a convex curved surface with the central axis at the center, or a concave curved surface with the axial center at the top.
  • the shape of the bottom of the hole may be a curved surface having a concave corner or a convex curved surface.
  • Analysis number 12 has a small-diameter chip-like lid member fixed to the end of the cylindrical member.
  • the bottom shape of the hole is flat at the center and corners are corners.
  • Analysis number 13 has a large-diameter chip-like lid member fixed to the end of the cylindrical member, and the shape of the bottom of the hole is flat at the center and corners are corners.
  • the shape of the bottom of the hole may be a convex curved surface with the central axis at the center or a concave curved surface with the axial center at the top.
  • the shape of the bottom of the hole may be a curved surface with a concave corner or a convex curved surface.
  • FIG. 18 shows the analysis results at the final processing stage for the analysis numbers 1 to 13 shown in FIGS. 16 and 17 and the conventional punch without holes.
  • the stress distribution and the stress at points A and B shown in the embodiment of FIGS. 1 to 15 are shown.
  • the stress distribution is asymmetric, the stresses at the points A and B are both large, and the processing load is also large. Further, even in the conventional punch having no hole, both the stresses at points A and B were large.
  • the values of the analysis number 2, the points A and B of the analysis number 5, and the stress and processing load are the same as the analysis number 1 of the comparative example, the point A of the conventional punch, the stress of the point B, and the processing.
  • both values are smaller than the load value, which is a good result.
  • the stresses at the points A and B are both smaller than the stress values at the points A and B of the conventional punch.
  • the values of the stress and the processing load at the point B of the analysis numbers 4 and 11 are both smaller than the values of the analysis number 1 of the comparative example and the point B and the processing load of the conventional punch, which is a favorable result.
  • the stress values at the points B of the analysis numbers 7 to 10, 12, 13 are both smaller than the values of the analysis number 1 of the comparative example and the stress values at the point B of the conventional punch. This is supported by the shock absorption effect (stress concentration is relaxed and dispersed) from the stress distribution.
  • This invention can be applied to a forging tool used when forging a forged product, and suppresses the fatigue recovery of the punch with an inexpensive and simple configuration, and enables continuous use for a long time.

Landscapes

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Abstract

【課題】安価で簡易な構成で、パンチの破壊を抑制し、長時間の連続使用を可能とした鍛造工具を提供する。 【解決手段】鍛造工具は、鍛造にて成形される鍛造品の成形穴を有するダイス１０と、ダイス１０に対向して配置されるパンチ３０と、を備え、ダイス１０の成形穴に鍛造品の素材４０を配置し、パンチ３０のパンチ押圧部３０により素材４０を押圧して鍛造品を成形するにあたり、パンチ３０の内部に、パンチ押圧部３０の弾性変形を積極的に促進し、たわますことで鍛造時の衝撃による応力を分散・吸収させる空間部５０を形成した。

Description

鍛造工具
　この発明は、鍛造する際に用いられる鍛造工具に関する。
　従来より、ねじ、ボルト等の締結部品は、パンチ（上型）とダイス（下型）と呼ばれる工具を用いて鍛造されている。パンチには、圧縮、引張、せん断などの応力が反復作用し、時にはこれらの応力が衝撃的に加わることがある。加えて、部品の形状・寸法精度に対する要求が年々厳しくなり、また高張力鋼等の特殊素材の採用も増えていることから、リスクの高い成形条件を余儀なくされ、疲労破壊により工具寿命が低下するという問題があった。
　そこで、このような問題に対処した従来技術を検討した結果、表面コーティングにより工具表面に硬質層を形成する方法（特許文献１，２）、また、特殊な熱処理により工具寿命を向上させる方法（特許文献３，４）を見出すことができた。
　ところが、いずれの方法においても、工具表面硬度の向上を目的としており、通常の工具製作に加えて特殊処理を施す必要があり、工具製造コストが高騰するという不都合があった。
　また、上記以外に、応力集中部を予め分割する方法（特許文献５，６）がある。しかし、これらの技術も、工具数が複数となり、工具製造コストが高騰するという不都合があった。
特開２００３－１１２２２９ 特開２０００－０５４１０８ 特開平０８－３０００６６ 特開平０７－１７３５７２ 特開２００６－２６７０９ 特開２０００－６２７
　工具寿命が低下すると、パンチ等の部品を頻繁に交換せざるを得ず、交換部品にかかるコストの上昇を招き、また鍛造機の連続運転ができなくなり、生産効率が低下する原因にもなっていた。
　この発明は、このような実情に鑑みてなされたもので、安価で簡易な構成で、パンチの破壊を抑制し、長時間の連続使用を可能とした鍛造工具を提供することを目的とする。
　前記課題を解決し、かつ目的を達成するために、この発明は、以下のように構成した。
　請求項１に記載の発明は、鍛造にて成形される鍛造品の成形穴を有するダイスと、
　前記ダイスに対向して配置されるパンチと
を備え、
　前記ダイスの成形穴に鍛造品の素材を配置し、
　前記パンチのパンチ押圧部により前記素材を押圧して前記鍛造品を成形するにあたり、
　前記パンチの内部に、前記パンチ押圧部の弾性変形を積極的に促進し、たわますことで鍛造時の衝撃による応力を分散・吸収させる空間部を形成したことを特徴とする鍛造工具である。
　請求項２に記載の発明は、前記空間部は、円柱形の穴であり、押圧方向に対する前記穴の底の位置が、鍛造時の衝撃応力が到達する領域以内までとすることを特徴とする請求項１に記載の鍛造工具である。
　請求項３に記載の発明は、前記パンチ押圧部の前記素材との接触面から前記円柱形の穴の底までの距離が、鍛造時の衝撃で圧壊しない剛性を持つことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の鍛造工具である。
　請求項４に記載の発明は、前記空間部の押圧方向に対して直交方向の断面積は、前記素材の押圧方向に対して直交方向の断面積より大きいことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の鍛造工具である。
　請求項５に記載の発明は、前記パンチは、前記円柱形の穴を有する一体の部材で前記空間部を形成し、
　前記穴の底の形状が、
　隅が角又は曲面か、
　中央が平面又は曲面か、
　隅が角又は曲面と、中央が平面又は曲面との組み合わせか、
の何れかであることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の鍛造工具である。
　請求項６に記載の発明は、前記パンチは、円筒部材の端部に蓋部材を固定し、
　前記円筒部材と前記蓋部材との別体の部材で前記円柱形の穴の空間部を形成し、
　前記蓋部材により前記パンチ押圧部を構成し、
　前記穴の底の形状が、
　隅が角又は曲面か、
　中央が平面又は曲面か、
　隅が角又は曲面と、中央が平面又は曲面との組み合わせか、
の何れかであることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の鍛造工具である。
　請求項７に記載の発明は、前記鍛造時の衝撃による応力が到達する領域を、数値解析あるいは塑性加工用のモデル材料を用いたモデル実験により定量化することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の鍛造工具である。
　前記構成により、この発明は、以下のような効果を有する。
　この発明では、鍛造品を成形する際に、パンチの内部に形成した空間部によってパンチ押圧部の弾性変形を積極的に促進し、たわますことで鍛造時の衝撃による応力を分散・吸収させることでパンチの破壊を抑制することができ耐久性が向上するため、長時間の連続使用が可能となる。
主成形における冷間圧造前の冷間圧造工具の組図を示す図である。 主成形における冷間圧造後の冷間圧造工具の組図を示す図である。 圧造品を示し、図３（ａ）は平面図、図３（ｂ）は正面図である。 冷間圧造による予備成形時の有限要素法解析モデルを示す図である。 冷間圧造による主成形時の有限要素法解析モデルを示す図である。 主成形のパンチの加工荷重とストロークとの関係を示す図である。 主成形の空間を設けない場合の解析結果を示す図である。 この発明の解析条件を説明する図である。 解析結果であり、図８（ｃ）の円柱形の空間部である穴の底厚と内径を変化させたときの加工荷重の変化を示す図である。 穴空間部が内径３ｍｍのときに、底厚を変化させた場合の部位ごとの応力分布の変化を示す図である。 穴空間部が内径６ｍｍのときに、底厚を変化させた場合の部位ごとの応力分布の変化を示す図である。 穴空間部が内径９ｍｍのときに、底厚を変化させた場合の部位ごとの応力分布の変化を示す図である。 Ａ点について、空間部の内径と底厚を変化させた場合の応力分布の変化を示す図である。 Ｂ点について、空間部の内径と底厚を変化させた場合の応力分布の変化を示す図である。 Ｃ点について、空間部の内径と底厚を変化させた場合の応力分布の変化を示す図である。 パンチは、円柱形の穴を有する一体の部材で空間部を形成し、穴の底の形状を変えた実施の形態の解析条件を示す図である。 パンチは、円筒部材と蓋部材との別体の部材で円柱形の穴の空間部を形成し、穴の底の形状を変えた実施の形態の解析条件を示す図である。 穴の底の形状を変えた実施の形態の解析条件について解析結果を示す図である。
　以下、この発明の鍛造工具の実施の形態について説明する。この実施の形態はねじの冷間圧造工具であり、この発明の好ましい形態を示すものであるが、この発明はこれに限定されない。
　この発明の実施の形態を、図１から図３に基づいて説明する。ねじの冷間圧造は、素材から中間形状を成形する予備成形と、十字穴を持つ頭部を成形する主成形の２工程からなる。図１は主成形の冷間圧造前の冷間圧造工具の組図を示す図、図２は冷間圧造後の冷間圧造工具の組図を示す図、図３は圧造品を示し、図３（ａ）は平面図、図３（ｂ）は正面図である。
　この冷間圧造工具１は、冷間圧造にて成形される圧造品の成形穴１０ａを有するダイス１０と、このダイス１０に対向して配置されるホルダ２０と、このホルダ２０に摺動可能に設けられたパンチ３０を備えている。ダイス１０の頭部下の成形穴１０ａに圧造品の素材４０を配置する。成形穴１０ａは、十字穴付ねじを成形する形状である。ホルダ２０の摺動孔２０ａには、パンチ３０が摺動可能に設けられている。
　パンチ３０を摺動してパンチ押圧部３０ａにより素材４０を押圧して圧造品４１を成形する。パンチ押圧部３０ａの先端面３０ａ１を、周縁３０ａ２よりも軸心で突出する形状にしている。すなわち、この実施の形態では、先端面３０ａ１を十字状に突出させ、十字穴付ねじの十字穴を成形する。
　素材４０は、棒状部材を所定長さに切断したものである。圧造品４１は、図３に示すように、ねじ転造される前のねじ部品であり、ねじ転造される軸部４１ａと、頭部４１ｂとを有する。パンチ押圧部３０ａの先端面３０ａ１を、周縁３０ａ２よりも軸心で十字状に突出する形状にすることで、頭部４１ｂに十字穴４１ｂ１が形成される。
　パンチ３０の内部には、冷間圧造の際に、パンチ押圧部３０ａの弾性変形を積極的に促進し、たわますことで鍛造時の衝撃による応力を分散・吸収させる空間部５０が形成されている。空間部５０は、円柱型の穴であり、押圧方向において、穴の底の位置が鍛造時の衝撃による応力が到達する領域内であり、鍛造時に圧壊しない位置に形成されている。また、空間部５０の押圧方向に対して直交方向の断面積Ｓ１は、素材４０の押圧方向に対して直交方向の断面積Ｓ２より大きく形成されている。この空間部５０を形成する円柱型の穴は、底の形状が、穴の軸心に対して直交する平面で、隅が角である。
　この冷間圧造工具１では、図１に示すように、ダイス１０の成形穴１０ａに圧造品４１の素材４０を配置する。そして、図２に示すように、パンチ３０を摺動してパンチ押圧部３０ａにより素材４０を押圧し塑性加工し、十字穴４１ｂ１を有する圧造品４１を冷間圧造する。この圧造品４１を成形する際に、パンチ押圧部３０ａの内部に形成した空間部５０によってパンチ押圧部３０ａの弾性変形を積極的に促進し、たわますことで、パンチ押圧部３０ａにかかる鍛造時の衝撃による応力を分散・吸収させることができる。したがって、パンチ押圧部３０ａに生じる破壊を抑制することができ耐久性が向上するため、パンチ３０、ダイス１０、ホルダ２０の長時間の連続使用が可能となる。
　次に、パンチ内部に空間を設ける効果について、図４から図１５の有限要素法による数値解析例に基づいて説明する。有限要素法による圧造の解析は、図４の予備成形の解析モデルと、図５の主成形の解析モデルとの連続工程とし、予備成形解析で得られた結果を主成形解析の素材データとすることで、精度の高い解析を行った。
　図４は予備成形の解析モデルを示し、ダイスに素材を配置し、ホルダ内を摺動するパンチで素材を押圧する解析を実施した。パンチは、弾性体とし、解析のために３０，０００要素に分割した。このパンチは、超硬合金であり、ヤング率５４００００ＭＰａ、ポアソン比０．２２である。素材は、剛塑性体とし、解析のために２０，０００要素に分割した。
　図５は主成形解析モデルを示し、ラムによってパンチを押し、パンチによって図４の成形品である素材を押圧する。この主成形を対象とした圧造解析では、図４の予備成形の解析における素材の加工硬化の影響を考慮している。パンチは解析のために３０，０００要素に分割した。なお、パンチは、空間を設けない従来型のものを用いた。
　図６は主成形のパンチの加工荷重とストロークとの関係を示す図であり、解析と実際の現象とを比較して示すものである。横軸にパンチのストロークを、縦軸にパンチの加工荷重を示しており、主成形の解析によるパンチの加工荷重とストロークとの関係と、実際の測定値によるパンチの加工荷重とストロークとの関係は、ほぼ同様の結果を得た。これによって、解析の信頼性が裏付けられた。
　図７は主成形の解析結果を示し、図７（ａ）は解析終了時の形成状態を示し、図７（ｂ）はパンチの応力分布を示す縦断面図である。図７（ｃ）と図７（ｄ）は、パンチ押圧部付近の応力分布の拡大縦断面図である。Ａ点、Ｂ点、Ｃ点は応力集中箇所を示す。図７（ａ）よりパンチ押圧部の周縁よりも軸心で十字状に突出する先端面によって圧造品に十字穴が成形されている。解析によるパンチの応力は、図７（ｂ）に示すように、応力レンジ
０．０００～１０００（ＭＰａ）とし、図に示す８段階に分け表示している。すなわち、パンチ押圧部の応力は、十字状に突出する先端面に対応する部分から円弧状に応力が分布し、十字状に突出する先端面に対応する部分が、８段階目の８７６～１０００（ＭＰａ）であり、応力が最も大きくなっている。この応力が最も大きくなっている部分において、パンチ押圧部に非常に大きな面圧が生じ、パンチ押圧部における破壊の要因となる。
　次に、図８は、この発明の解析条件を説明する図である。図８（ａ）はパンチのパンチ押圧部を示す斜視図、図８（ｂ）はパンチ押圧部を示す拡大斜視図、図８（ｃ）は空間を形成する円柱型の穴の内径と底位置を示す縦断面図であり、図のＤとＨの交点が穴の内径と底の位置を示すものとし、全１８条件を解析した。この発明の実施例では、パンチ押圧部の先端面を、周縁よりも軸心で突出する形状にし、この実施の形態で、パンチを摺動してパンチ押圧部により素材を押圧して圧造品を成形する際に、図９から図１５に示すように、パンチの内部に空間を設けることで衝撃による応力を分散・吸収することができた。パンチ押圧部の十字状に突出する先端面において、応力が集中する部分を、図８（ｂ）にＡ点、Ｂ点、Ｃ点で示した。
　図９は解析結果であり、図８（ｃ）の円柱形の空間部である穴の底厚と、内径を変化させたときの加工荷重の変化との関係を示す図である。パンチは、長さ１０ｍｍで、内径１２ｍｍの円柱形のものを用い、空間部は円柱形の穴で形成した。空間部を形成しない場合の加工荷重を点線で示している。四角印は、内径３ｍｍでパンチの先端部から底厚Ｈを変化させた空間部の場合についての加工荷重を示し、丸印は、内径６ｍｍでパンチの先端部から底厚Ｈを変化させた空間部の場合についての加工荷重を示し、三角印は、内径９ｍｍでパンチの先端部から底厚Ｈを変化させた空間部の場合についての加工荷重を示す。内径３ｍｍの空間部Ｄ３では、パンチの先端部から３～４ｍｍ程度の底厚Ｈにしたときが、加工荷重が最も小さくなり、パンチの先端部から１ｍｍの底厚Ｈにするに従い、または８ｍｍの底厚にするに従い加工荷重が大きくなる傾向の結果を得た。内径６ｍｍの空間部Ｄ６では、パンチの先端部から４ｍｍ程度の底厚Ｈにしたときが、加工荷重が最も大きくなり、パンチの先端部から１ｍｍの底厚Ｈにするに従い、または８ｍｍの底厚Ｈにするに従い加工荷重が小さくなる傾向の結果を得た。内径９ｍｍの空間部Ｄ９では、パンチの先端部から３ｍｍ程度の底厚Ｈにしたときが、加工荷重が最も小さくなり、パンチの先端部から１ｍｍの底厚Ｈにするに従い、または８ｍｍの底厚Ｈにするに従い加工荷重が大きくなる傾向の結果を得た。内径６ｍｍの空間部Ｄ６の加工荷重より、内径３ｍｍの空間部Ｄ３の加工荷重が小さく、内径３ｍｍの空間部Ｄ３の加工荷重より、内径９ｍｍの空間部Ｄ９の加工荷重が小さくなる傾向であった。特に、内径９ｍｍの空間部Ｄ９の加工荷重は、空間を設けない従来のパンチより板圧のほぼ全領域で加工荷重が低下している。
　図１０から図１２は、空間部の内径と底厚を変化させて応力分布の変化を得たものである。図１０では、内径３ｍｍの空間部Ｄ３において、底厚Ｈを変化させて応力分布を得たところ、底厚Ｈが１ｍｍ、２ｍｍ、３ｍｍにおいて、Ｃ点の応力が９７４、１２７０、１２７０（ＭＰａ）となり、図７の空間を設けない時のＣ点の応力より小さくなった。図１１では、内径６ｍｍの空間部Ｄ６において、底厚Ｈを変化させて応力分布を得たところ、底厚Ｈが１ｍｍ、２ｍｍ、３ｍｍにおいて、Ｃ点の応力が１３３０、１０５０、１２４０（ＭＰａ）となり、図７の空間を設けない時のＣ点の応力より小さくなった。図１２では、内径９ｍｍの空間部Ｄ９において、底厚Ｈを変化させて応力分布を得たところ、底厚Ｈが２ｍｍにおいて、Ａ点の応力が７７５（ＭＰａ）、Ｂ点の応力が８９４（ＭＰａ）、Ｃ点の応力が７０７（ＭＰａ）となり、３ｍｍにおいて、Ａ点の応力が６３８（ＭＰａ）、Ｃ点の応力が１０１０（ＭＰａ）となり、４ｍｍにおいて、Ａ点の応力が７８５（ＭＰａ）、Ｃ点の応力が１１７０（ＭＰａ）となり、６ｍｍにおいて、Ａ点の応力が８７５（ＭＰａ）、Ｃ点の応力が１３６０（ＭＰａ）となり、８ｍｍにおいて、Ｃ点の応力が１２８０（ＭＰａ）となり、図７の空間を設けない時の対応する点の応力より小さくなった。
　図１３から図１５は、Ａ点、Ｂ点、Ｃ点について、空間部の内径と底厚を変化させて応力分布の変化を得たものである。図１３では、Ａ点について、円柱形の空間の内径を３ｍｍ、６ｍｍ、９ｍｍとして底厚Ｈを変化させたものである。内径３ｍｍでは、底厚Ｈが３ｍｍ程度である場合が、図７の対応するＡ点の空間を設けない時の応力より小さくなった。内径６ｍｍでは、底厚Ｈを変化させても、図７の対応するＡ点の空間を設けない時の応力より小さくなった。内径９ｍｍでは、底厚Ｈが２ｍｍ～６ｍｍ程度である場合が、図７の対応するＡ点の空間を設けない時の応力より小さくなった。
　図１４では、Ｂ点について、円柱形の空間の内径を３ｍｍ、６ｍｍ、９ｍｍとして底厚Ｈを変化させたものである。内径３ｍｍでは、底厚Ｈを変化させても、図７の対応するＢ点の空間を設けない時の応力より小さくなることがなかった。内径６ｍｍでも、底厚Ｈを変化させても、図７の対応するＢ点の空間を設けない時の応力より小さくなることがなかった。内径９ｍｍでは、底厚Ｈが２ｍｍ程度である場合が、図７の対応するＢ点の空間を設けない時の応力より小さくなった。
　図１５では、Ｃ点について、円柱形の空間の内径を３ｍｍ、６ｍｍ、９ｍｍとして底厚Ｈを変化させたものである。内径３ｍｍでは、底厚Ｈが１ｍｍ～３ｍｍ程度である場合が、図７の対応するＣ点の応力より小さくなった。内径６ｍｍでは、底厚Ｈが１ｍｍ～３ｍｍ程度である場合が、図７の対応するＣ点の空間を設けない時の応力より小さくなった。内径９ｍｍでは、底厚Ｈが２ｍｍ～８ｍｍ程度である場合が、図７の対応するＣ点の空間を設けない時の応力より小さくなった。
　このように、解析により圧造品を成形する際に、パンチの内部に形成した空間部によってパンチ押圧部の弾性変形を積極的に促進し、たわますことで鍛造時の衝撃による応力を吸収・分散し、加工荷重あるいは応力が低下することが証明できた。解析では、Ａ点、Ｂ点、Ｃ点の全てにおいて内径９ｍｍ、底圧２ｍｍの時に応力が従来型よりも低減されることがわかった。
　図１乃至図１５の実施の形態では、パンチは、円柱形の穴を有する一体の部材で空間部を形成しており、パンチを一体の部材で形成することで安価に製作することができる。穴の底の形状は、隅が角で中央が平面であるが、穴の底の形状は、図１６に示すように形成することができる。図１６において、解析番号１は比較例であり、ワイヤーカット等で線状の穴を開けたものであり、穴の形状はスリット状である。解析番号２乃至８が実施の形態を示し、図１乃至図１５の実施の形態の解析で最も効果があった外径１２ｍｍのパンチに内径９ｍｍの空間部Ｄ９を形成し、パンチの先端部から２ｍｍ程度の底厚Ｈにしたものを基準にし、穴の底の形状を変化させた。
　解析番号２は穴の底の形状が、中央が平面で隅が角であり、解析番号３は中央が平面で隅が凹み状の曲面であり、解析番号４は中央が平面で隅が凸状の曲面である。また、解析番号５は中央が軸心を頂点とする凸状の曲面で隅が角であり、解析番号６は中央が軸心を頂点とする凸状の曲面で隅が凹み状の曲面である。また、解析番号７は中央が軸心を頂点とする凹み状の曲面で隅が角であり、解析番号６は中央が軸心を頂点とする凹み状の曲面で隅が凹み状の曲面である。また、パンチの穴の底の形状が、中央が軸心を頂点とする凸状の曲面で隅が凸状の曲面でもよく、中央が軸心を頂点とする凹み状の曲面で隅が凸状の曲面でもよい。
　また、パンチは、図１７に示すように、円筒部材の端部に蓋部材を固定し、円筒部材と蓋部材との別体の部材で円柱形の穴の空間部を形成し、蓋部材によりパンチ押圧部を構成し、鍛造品の素材に応じて蓋部材の強度を変えることができる。図１７において、解析番
号９は円筒部材の端部に、端部に上位置の段部を有する蓋部材を固定したもので、穴の底の形状が中央が平面で、隅が角である。解析番号１０は円筒部材の端部に、端部に中位置の段部を有する蓋部材を固定したもので、穴の底の形状が中央が平面で、隅が角である。解析番号１１は円筒部材の端部に、端部に下位置の段部を有する蓋部材を固定したもので、穴の底の形状が中央が平面で、隅が角である。この実施の形態で、穴の底の形状は、中央が軸心を頂点とする凸状の曲面でも良く、軸心を頂点とする凹み状の曲面でも良い。また、穴の底の形状は、隅が凹み状の曲面でも良く、凸状の曲面でも良い。
　解析番号１２は円筒部材の端部に、小径のチップ状の蓋部材を固定したもので、穴の底の形状が中央が平面で、隅が角である。解析番号１３は円筒部材の端部に、大径のチップ状の蓋部材を固定したもので、穴の底の形状が中央が平面で、隅が角である。この実施の形態で、穴の底の形状は、中央が軸心を頂点とする凸状の曲面でも良く、軸心を頂点とする凹み状の曲面でも良い。また、穴の底の形状は、隅が凹み状の曲面でも良く、凸状の曲面でも良い。
　図１６及び図１７において示した解析番号１乃至１３と、従来の穴がないパンチについて、最終の加工段階における解析結果を図１８に示す。図１８において、応力分布と、図１乃至図１５の実施の形態で示したA点、B点での応力を示す。解析結果では、比較例の解析番号１は、応力分布が非対称となり、かつＡ点と、Ｂ点の応力が共に大きく、加工荷重も大きかった。また、従来の穴がないパンチでもＡ点と、Ｂ点の応力が共に大きかった。この実施の形態では、解析番号２と、解析番号５のＡ点と、Ｂ点の応力、加工荷重の値が、比較例の解析番号１と従来パンチのＡ点と、Ｂ点の応力、加工荷重の値より共に小さく、良好な結果となっている。また、解析番号３と、解析番号６は、Ａ点と、Ｂ点の応力が値が、従来パンチのＡ点と、Ｂ点の応力の値より共に小さくい。また、解析番号４,11の
Ｂ点の応力、加工荷重の値が、比較例の解析番号１と従来パンチのＢ点の応力、加工荷重の値より共に小さく、良好な結果となっている。また、解析番号７乃至10,12,13のＢ点の応力の値が、比較例の解析番号１と従来パンチのＢ点の応力の値より共に小さく、良好な結果となっている。これは,応力分布からも衝撃吸収効果(応力集中が緩和され,分散して
いる)が裏付けられている。
　また、特に、十字穴付ねじの十字穴を成形する際に、パンチ押圧部の先端面に集中する衝撃による応力を分散させて低下することができる。この解析では、圧造品を成形する例として、十字穴付ねじの十字穴を成形する場合について説明したが、これに限定されず種々の鍛造品を成形する例についても同様な解析で証明することができる。
　この発明は、鍛造品を鍛造する際に用いられる鍛造工具に適用可能であり、安価で簡易な構成で、パンチの疲労回復を抑制し、長時間の連続使用を可能とする。
　１　冷間圧造工具
　１０　ダイス
　１０ａ　圧造品の成形穴
　２０　ホルダ
　２０ａ　摺動孔
　３０　パンチ
　３０ａ　　パンチ押圧部
　３０ａ１　パンチ押圧部３０ａの先端面
　３０ａ２　パンチ押圧部３０ａの周縁
　４０　圧造品の素材
　４１　圧造品
　４１ａ　軸部
　４１ｂ　頭部
　５０　空間部
　Ｓ１　空間部５０の押圧方向に対して直交方向の断面積
　Ｓ２　素材４０の押圧方向に対して直交方向の断面積

Claims (7)

  1. 　鍛造にて成形される鍛造品の成形穴を有するダイスと、
    　前記ダイスに対向して配置されるパンチと、
    を備え、
    　前記ダイスの成形穴に鍛造品の素材を配置し、
    　前記パンチのパンチ押圧部により前記素材を押圧して前記鍛造品を成形するにあたり、
    　前記パンチの内部に、前記パンチ押圧部の弾性変形を積極的に促進し、たわますことで鍛造時の衝撃による応力を分散・吸収させる空間部を形成したことを特徴とする鍛造工具。
  2. 　前記空間部は、円柱形の穴であり、押圧方向に対する前記穴の底の位置が、鍛造時の衝撃応力が到達する領域以内までとすることを特徴とする請求項１に記載の鍛造工具。
  3. 　前記パンチ押圧部の前記素材との接触面から前記円柱形の穴の底までの距離が、鍛造時の衝撃で圧壊しない剛性を持つことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の鍛造工具。
  4. 　前記空間部の押圧方向に対して直交方向の断面積は、前記素材の押圧方向に対して直交方向の断面積より大きいことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の鍛造工具。
  5. 　前記パンチは、前記円柱形の穴を有する一体の部材で前記空間部を形成し、
    　前記穴の底の形状が、
    　隅が角又は曲面か、
    　中央が平面又は曲面か、
    　隅が角又は曲面と、中央が平面又は曲面との組み合わせか、
    の何れかであることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の鍛造工具。
  6. 　前記パンチは、円筒部材の端部に蓋部材を固定し、
    　前記円筒部材と前記蓋部材との別体の部材で前記円柱形の穴の空間部を形成し、
    　前記蓋部材により前記パンチ押圧部を構成し、
    　前記穴の底の形状が、
    　隅が角又は曲面か、
    　中央が平面又は曲面か、
    　隅が角又は曲面と、中央が平面又は曲面との組み合わせか、
    の何れかであることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の鍛造工具。
  7. 　前記鍛造時の衝撃による応力が到達する領域を、数値解析あるいは塑性加工用のモデル材料を用いたモデル実験により定量化することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の鍛造工具。
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