WO2016103316A1 - 熱間据込み鍛造用の素材形状 - Google Patents

熱間据込み鍛造用の素材形状 Download PDF

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允晶 洪
高大 牧山
哲也 谷上
レミ 向瀬
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株式会社日立製作所
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21J—FORGING; HAMMERING; PRESSING METAL; RIVETING; FORGE FURNACES
    • B21J5/00—Methods for forging, hammering, or pressing; Special equipment or accessories therefor
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21J—FORGING; HAMMERING; PRESSING METAL; RIVETING; FORGE FURNACES
    • B21J5/00—Methods for forging, hammering, or pressing; Special equipment or accessories therefor
    • B21J5/06—Methods for forging, hammering, or pressing; Special equipment or accessories therefor for performing particular operations
    • B21J5/08—Upsetting

Definitions

  • the present invention is a technology related to a material shape for hot upset forging.
  • the purpose of hot forging is not only to reduce the molding load. By applying a large deformation by hot forging, it is possible to eliminate shrinkage cavities generated inside the metal material by casting.
  • the crystal grains are refined by processing heat treatment by forging. This is called crystal grain refinement by recrystallization. Fine crystal grains prevent the development of cracks and improve the toughness of the material.
  • Forging methods can be broadly divided into die forging, which uses a forging die, and free forging, where a workpiece is set on a jig and molded with a hammer.
  • the One of the categories of this free forging process is upset forging.
  • “Upsetting” is a molding method in which the pressure is increased in the axial direction to reduce the height and simultaneously increase the cross section. In upsetting forging, if the upper and lower dies for press working are shared, the production cost of molds corresponding to products such as die forging can be reduced, and upsetting forging is performed for each compression shaft of the multi-axis forging method. And so on.
  • forged sample 20 is generally bulged outwardly in the circumferential direction by forging sample 20 after processing, for example, by subjecting forged sample 10 having a cylindrical shape to compression processing 40 as shown in FIG. 2.
  • a phenomenon (this is called Barreling) occurs. This is because the axial distribution of the diameter of the forged sample after processing is not uniform, and the central portion swells and becomes large. For this reason, in the next process, processing steps such as cutting, grinding, and polishing the bulging portion (valering portion) are necessary.
  • Patent Document 1 Japanese Patent Application Laid-Open No. 2006-231357 discloses a method for predicting the shape of a forged sample after upsetting using a finite element method in multi-stage hot forging, for example, the height of a round bar-shaped initial material.
  • the upsetting shape such as the end diameter after upsetting from the relationship between the weight and diameter
  • molding defects such as cracks and cracks due to turning up of the sample due to defective setting of the sample in the mold in the next process A method for preventing this is disclosed.
  • Non-Patent Document 1 describes a method for estimating a load (work hardening curve) including a large strain region in which strain exceeds 1.0 in upsetting processing or uniaxial compression processing.
  • Patent Document 1 discloses a method of predicting a material shape after upsetting by a finite element method in a hot bar forging process or a uniaxial compression process in which a material shape to be charged is a round bar shape. It is described that. It describes a method for predicting the maximum diameter, minimum diameter, height, barreling shape, that is, side deflection shape, etc. after installation from the relationship between the initial height, weight and diameter of the round bar. According to this method, it is described that a defect at the time of mold setting in the next process can be prevented by estimating the deformed shape after upsetting from the shape information and pressing force of the initial material.
  • the method as in Patent Document 1 merely estimates the shape after deformation from the round bar shape, and does not mention a method for controlling the deformation shape.
  • the deformed shape due to the round bar shape is deformed into a shape in which the side surface is bent or a shape accompanied by ballering, and an asymmetric deformation having a different peripheral diameter occurs in the axial direction of the deformed shape.
  • the machining allowance increases, the material yield decreases, and the processing time increases.
  • the region where the strain distribution is non-uniform becomes large due to the ballering deformation, there is a problem that the quality of the hot forged product cannot be predicted.
  • Non-Patent Document 1 since the material shape for estimating the load in the large strain region where the strain exceeds 1.0 is required to increase the compression rate, the center portion in the axial direction is not a round bar.
  • a dumbbell-shaped test piece having a cylindrical portion at the upper and lower ends is used to prevent constriction and slippage from occurring at the upper and lower end surfaces of the sample.
  • the influence of friction with the tool during deformation is eliminated by restraining the cylindrical parts of the upper and lower ends of the dumbbell-shaped test piece. It is described that it is possible to estimate the load (work hardening curve).
  • the material shape is a shape intended to eliminate the influence of friction with the tool at the time of compressive deformation, and is a portion that can be sandwiched between the constriction and the mold at the center. It has a shape having upper and lower cylindrical portions.
  • the shape prediction after compression deformation it is described that there is a valering deformation as in the above-mentioned Patent Document 1, and that the constriction portion by the die of the cylindrical portion occurs.
  • the main object of the present invention is to provide a material shape that can be uniformly deformed with a uniform circumferential diameter in the axial direction with respect to upsetting or uniaxial compression in hot forging. It is. In particular, it is to provide a technique capable of improving the material yield of the next process by uniformly deforming.
  • the material shape for hot upset forging is a columnar material having a circular upper end surface and a lower end surface that is axisymmetric with respect to the central axis, and includes a central axis.
  • the outer shape of the side connecting the upper end side and the lower end side is, from the upper end side, the first convex curvature, the second convex curvature, the first concave curvature, the second concave curvature,
  • a shape extending to the lower end side is formed by a continuation of the outer shape having the third convex curvature and the fourth convex curvature, and the first convex curvature radius and the second convex curvature radius.
  • Each ratio value obtained by dividing each value of the first concave curvature radius, the second concave curvature radius, the third convex curvature radius, and the fourth convex curvature radius by the material height. was configured to be in a range greater than 0.37 and less than 0.68.
  • points between the outer shapes having the first convex curvature and the second convex curvature are the first maximum radius of the material, and the first recess curvature and the second recess.
  • the radius at the point between the outer shapes each having a curvature, or before and after the point where the tangent direction of the outer shape of the side of the cross-sectional shape coincides with the central axis direction is the minimum radius of the material, and the third
  • the shape of the material is determined from the point on the outer shape that is the first maximum radius of the material with respect to the total height of the material.
  • the ratio of the height to the upper end and the ratio of the height from the point on the outer shape that is the second maximum radius of the material to the total height of the material to the lower end of the material is greater than 0.15. And in a range smaller than 0.2.
  • the first shape of the material is determined from the point on the outer shape that is the minimum radius of the material with respect to the total height of the material.
  • the outer shape that is the minimum radius of the material from the ratio of the height to the point on the outer shape that becomes the maximum radius and the point on the outer shape that becomes the second maximum radius of the material with respect to the total height of the material.
  • the ratio of the height to the point was configured to be in a range larger than 0.3 and smaller than 0.37.
  • the deformed shape in the hot upset forging process, has no valering deformation in the circumferential direction in the axial direction, and becomes a uniform shape in the axial direction.
  • the amount of the cutting material is reduced because the burring portion is eliminated, and the production cost can be reduced while the material yield is improved.
  • the material shape of the present invention by introducing one constriction at the center, a convex peak from the top, and a convex peak from the bottom, for conventional upset forging with the same height and the same maximum diameter as the round bar shape
  • the weight of the material can be reduced with respect to the round bar of Patent Document 1 which is the material shape, and the press load can be reduced by about 10% at the same compression rate, and the production cost can be reduced.
  • the horizontal axis is uniform It is a natural logarithm of deformability
  • the vertical axis is a graph plotting each radius of curvature value divided by the material height.
  • the vertical axis is a value obtained by dividing the parameters A12 and A18 of the material shape before processing by the material height
  • the horizontal axis is a graph plotted with the natural logarithm of uniform deformability.
  • the vertical axis is a value obtained by dividing the raw material shape parameters A14 and A16 by the material height
  • the horizontal axis is a graph obtained by plotting the natural logarithm of uniform deformability.
  • the horizontal axis is the log (minimum radius / maximum radius) value of the material
  • the vertical axis is the log of the deformed shape (uniform It is a graph plotted by the (deformability) value. It is a figure explaining the deformation
  • the object of the present invention is that when the material shape after processing in the hot upset forging process is finished into the product shape in the next step, the processing cost is reduced most when the material shape after processing is cylindrical. It is determined that the shape is closer to the shape, and a material shape for upsetting forging that should be thrown in before machining that is suitable for bringing the material shape after processing closer to the cylindrical shape is proposed.
  • FIG. 2 shows a processed raw material 20 having a barreling shape (bulged portion) 30 by processing a cylindrical material 10 that has been frequently introduced in a conventional hot upset forging process. Yes. Observing this hot upset forging process, after the start of compression 40, it first begins to bulge from the central part of the cylindrical material, and then gradually begins to bulge from a position closer to the upper and lower ends.
  • FIG. 3 a model of the material shape before processing for making the material shape after processing in the hot upset forging process closest to the cylindrical shape is shown in FIG.
  • the model shown in FIG. 3 is a columnar body that is rotationally symmetric about a central axis 50 in the height direction (Z-axis), and is an XZ composed of a horizontal X-axis orthogonal to the central axis 50 (Z-axis).
  • the cross section of the right half from the central axis 50 when the model is cut in a plane is shown.
  • each of the Z axis height is AL
  • the upper end surface radius is A10
  • the lower end surface radius is A17
  • the curvature formed by the outline of the side surface in the cross-sectional view is the curvature radius R1 sequentially from the upper end surface side.
  • the height of the curvature of the side surface outline to each inflection point is composed of height parameters A12, A141, A142, A161, A162, and A18 sequentially from the upper end surface side.
  • the inflection point A23 on the outline on the side surface of the cross-sectional view of the model is at a height of about AL / 2, and the radius of the model at the inflection point A23 is A13, which is the smallest radius in the model. Value. (If the inflection point has the same curvature on both sides, it is not called an inflection point.
  • FIG. 4 illustrates a method for evaluating the result of the deformed shape when upsetting forging or uniaxial forging is performed on a model sample in which parameters are specifically defined.
  • a barring deformation F10 in which the vicinity of the center F20 of the material is bent occurs during deformation. Due to the occurrence of the ballering deformation F10, the radius of the central portion F20 is increased, and a difference between the radius F21 of the upper end surface portion and the radius F11 of the central portion is generated in the axial direction, and the uniform deformability is lowered.
  • FIG. 4 is a schematic diagram of a cross-section of the deformed shape F0 after upset forging and a method for evaluating uniform deformability.
  • the evaluation direction of uniform deformability is evaluated by measuring the change in radius with respect to the axial direction. The closer the value is to 1, the higher the uniform deformation.
  • the height AF of the deformed material the height 1/2 of AF is F1
  • the height 3/4 of AF is F2.
  • the radius corresponding to the half height AF of F1 is F11
  • the radius corresponding to the height F2 of 3/4 of AF is F12
  • the uniform deformability is evaluated by the value of the ratio F12 / F11 of F12 to F11. To do.
  • both the parameters A12 and A18 of the material shape before processing shown in FIG. 3 have a ⁇ parameter value / total height AL ⁇ value larger than 0.15 and smaller than 0.20. It was found that the deformed shape after processing can be accommodated in the range of ⁇ 0.015 ⁇ Log (uniform deformation property) ⁇ 0 ⁇ by being within the range.
  • FIG. 1 shows a material shape that is proposed based on experimental verification of each shape parameter of the material shape model before processing initially assumed in FIG. It is a columnar material shape that is rotationally symmetric with respect to a central axis that coincides with the Z axis, and FIG.
  • the proposed shape is characterized by having a cross-sectional outer shape in which a peak, a valley, and a peak are continuous in the central axis direction.
  • the radius A10 of the upper end A20 is not called an inflection point if the curvature on both sides of the inflection point is the same as the specific point A21 on the outline (in this case, the tangential direction of the outline of the cross-sectional shape is A point that coincides with the Z-axis direction is adopted (hereinafter referred to as “specific point”), and is smaller than the radius A11, and the upper end A20 and the specific point A21 always have a convex curvature (curvature radius R1).
  • the value is characterized in that the ratio R1 / AL of the curvature radius R1 with respect to the total height AL of the columnar material is greater than 0.37 and less than 0.68.
  • the radius A11 at the position of the specific point A21 is the maximum radius of the material shape.
  • the height A12 of the upper end portion A20 and the maximum diameter portion (specific point A21) is characterized in that A12 / AL is larger than 0.15 and smaller than 0.2 with respect to the material height AL.
  • There is a specific point A23 at a position on the outline that is a height A14 A141 + A142 below the specific point A21 in the Z-axis direction.
  • the radius A13 at the specific point A23 is the minimum radius of the entire material, and the specific point A23 is located at a height that is 1 ⁇ 2 of the total height AL of the material.
  • the specific point A21 of the outer shape position having the maximum radius and the specific point A23 of the outer shape position having the minimum radius always have a curvature.
  • the specific point A21 having the maximum radius and the specific point A23 having the minimum radius have a height of A14 in the Z-axis direction, and have the maximum radius with the inflection point A22 located at the outer shape position 1 ⁇ 2 of the height A14.
  • the specific point A21 has a convex curvature (curvature radius R2), which is characterized in that the ratio R2 / AL of the curvature radius R2 to the total height AL of the material is larger than 0.37 and smaller than 0.68.
  • the curvatures of R1 and R2 need to match.
  • the inflection point A22 and the specific point A23 have a concave curvature (curvature radius R3).
  • the value R3 / AL of the curvature radius R3 with respect to the total height AL of the material is larger than 0.37 and is 0.68. It is characterized by being smaller.
  • the height A14 A141 + A142 between the specific point A21 having the maximum radius and the specific point A23 having the minimum radius indicates that the ratio of A14 / AL to the total height AL of the material is larger than 0.30 and smaller than 0.37.
  • There is a height A16 A161 + A162 between a specific point A23 having a minimum radius and a specific point A25 having a lower maximum radius A15.
  • curvature radius R4 there is a concave curvature (curvature radius R4) between the inflection point A24 corresponding to the half of the height A16 and the specific point A23, and the value is equal to the curvature radius R4 with respect to the total height AL of the material.
  • the ratio R4 / AL is greater than 0.37 and less than 0.68.
  • the curvatures of R3 and R4 need to match.
  • curvature radius R5 there is a convex curvature (curvature radius R5) between the inflection point A24 and the specific point A25, and the value is a ratio R5 / AL of the curvature radius R5 to the total height AL of the material greater than 0.37. It is characterized by being smaller than 0.68.
  • the height of A16 is characterized in that the value of A16 / AL is larger than 0.30 and smaller than 0.37 with respect to the total height AL of the material.
  • the height between the specific point A25 having the lower maximum radius and the lower end A26 is A18, and there is always a convex curvature (curvature radius R6) between the specific point A25 and the lower end A26. It is characterized by that.
  • the curvature between the specific point A25 and the lower end A26 is characterized in that the ratio R6 / AL of the curvature radius R6 is greater than 0.37 and less than 0.68 with respect to the total height AL of the material.
  • the curvatures of R5 and R6 need to match.
  • the height A18 between the specific point A25 and the lower end A26 is characterized in that the value of A18 / AL is larger than 0.15 and smaller than 0.2 with respect to the total material height AL.
  • the upper end surface radius A10 and the lower end surface radius A17 are the same value.
  • FIG. 9 shows the ratio of the maximum radius A11 and the minimum radius A13 of the material shape before processing: Log (minimum radius / maximum radius) using the material shape proposed in Example 1 and other materials to be compared.
  • Log minimum radius / maximum radius
  • FIG. 9 shows the ratio of the maximum radius A11 and the minimum radius A13 of the material shape before processing: Log (minimum radius / maximum radius) using the material shape proposed in Example 1 and other materials to be compared.
  • the horizontal shape of the material after processing is shown on the graph of Log (minimum radius / maximum radius) and the vertical axis of Log (uniform deformation). It was evaluated by plotting.
  • M1 was evaluated by the deformed shape after upsetting forging using the dumbbell-shaped test piece shape adopted in Non-Patent Document 1, and M3 was installed using the round bar steel shape adopted in Patent Document 1. It is the result evaluated by the deformation
  • M2 and M4 are examples of results obtained by evaluating the deformed shape after upset forging using the material shape proposed in the first embodiment. The results of M1 to M4 will be described in detail in Examples 3 to 7.
  • the vertical axis is the value of Log (uniform deformation), and a value greater than 0 means that the radius of F2 is larger than the radius of F1 (see FIG. 4), and there is a high possibility that buckling will occur in the deformed shape.
  • Log (uniform deformation) has an upper limit of 0.
  • Log (uniform deformability) is less than -0.015, the ballering shape F10 occurs, and the radius of F11 is 1.5% or more larger than the radius of F12, and the uniform deformability is poor.
  • FIG. 10 shows a deformed shape after upsetting forging using a dumbbell-shaped test piece shape adopted in Non-Patent Document 1 corresponding to M1 in FIG. 9 of Example 2.
  • 10A shows the material shape before deformation of Non-Patent Document 1
  • FIG. 10B shows the deformation shape after upsetting forging.
  • the material shape of Non-Patent Document 1 is that the cross-sectional shape in the axial direction from the upper end portion L0 is a cylindrical peripheral portion L2 and a valley portion L4, and the upper end radius L1 and the lower end radius L3 are the maximum of the material. It becomes the diameter.
  • the cylindrical peripheral portions L2 and L6 are portions that are sandwiched between the step portions of the dies K11 and K12, and the radius of the point L5 on the outline of the height 1 ⁇ 2 with respect to the total material height LH is the minimum radius L7. .
  • the lower end also has the same structure as above.
  • FIG. 10B shows a deformed shape after upsetting forging using the material shape of Non-Patent Document 1.
  • the cylindrical peripheral portions L2 and L6 at the upper and lower end portions sandwiched between the dies K11 and K12 are restrained by the dies K11 and K12 during upsetting forging, so that no deformation occurs. Concentrated deformation occurs in a portion that is not constrained by a mold other than L2 and L6.
  • the outer peripheral central portion L5 having the minimum radius L7 before processing is intensively deformed,
  • the burring portion generation area increases like L14 which is the central portion of the deformed shape.
  • FIG. 11 (c) shows the shape after non-patent document 1 is compressed by upsetting forging so that the material height after processing is reduced by 50%, 60% and 70%, respectively. It is sectional drawing of a deformed shape.
  • FIG.11 (d) uses the raw material shape of this invention proposed in Example 1, and the material height after a process is reduced by 50%, 60%, and 70% by upset forging, respectively.
  • Cross-sectional views of deformed shapes after compression are arranged correspondingly.
  • FIG. 12 shows a sectional view of a deformed shape after upset forging using the material shape of the present invention corresponding to M4 shown in FIG. FIG. 12A satisfies all the shape conditions of the material shape of the present invention proposed in the first embodiment.
  • FIG. 13 is a comparative diagram for evaluating the cutting material amount reduction by the material shape of the present invention.
  • (a) is a forged product shape P1 “an example of a turbine foil shape”
  • (b) is a deformed shape P2 “shape of Example 4” after upsetting forging according to the material shape of the present invention
  • (c) is a buckling.
  • (d) is a deformed shape P4 after upset forging using the material shape adopted in Non-Patent Document 1.
  • “Shape”, (e) is a deformed shape P5 “shape of M3 of Example 2” after upsetting forging using the conventional round bar steel targeted in Patent Document 1 as a material.
  • P1 Based on the forged product shape P1, P1 is overlapped with P2, P3, P4, P5 to evaluate the amount of cutting material for finishing the deformed shape after upsetting forging into the forged product shape P1, and it is extra than the product shape
  • the thickness was calculated and the amount of cutting material was evaluated.
  • the deformed heights PL12, PL13, PL14, and PL15 after upset forging are substantially the same as the forged product height PL11 including the surface finishing allowance of the upper and lower end surfaces.
  • the deformed shape P3 has a portion where the diameter becomes smaller than the forged product shape P1 due to the occurrence of buckling PL3 in which the center of the side surface of the material is recessed toward the inner diameter side during deformation, and the product cannot be removed. become.
  • the cylindrical portions PL21 and PL22 are not deformed along with the deformation, and the post-deformation height PL2 is insufficient with respect to the end height PL1 of the forged product, so that the product cannot be removed.
  • the deformed shape P5 has a cutting area to be cut up to the forged product shape P1 (the cutting amount is converted in the cross-sectional area) due to the occurrence of a barring shape PL4 in which the center of the side surface of the material is bent toward the outer shape during deformation.
  • the cutting area to be cut from the deformed shape P2 due to the raw material shape of the present invention to the forged product shape P1 will be larger.
  • FIG. 14 shows the evaluation results of the amount of material to be cut to the forged product shape P1 based on the deformed material shape compared to FIG. It is the result by relative evaluation when the amount of cutting material from the deformed shape P5 processed from the raw material shape of Patent Document 1 using the conventional shape (round bar steel) is 1.
  • a value higher than 1 is a result of increasing the amount of cutting material as compared with the conventional upset forging shape P5, and a value lower than 1 is a result of reducing the amount of cutting material as compared with the conventional upsetting forged shape P5.
  • a negative value indicates that the forged product shape cannot be obtained.
  • the value of the deformed material shape P2 is 0.8, the value of P3 is -0.15, the value of P4 is -0.1, and the value of P5 is 1. Since the shape P2 after deformation from the material shape of the present invention does not have the ballering shape PL4 at the time of deformation, the cutting amount at the side end portion is smaller than the shape P5 after deformation from the material shape of Patent Document 1, thereby cutting material The amount can be reduced.
  • a material shape is used in which the curvature of the concave portion is smaller than the total height AL of the material with the curvature radii R3, R4 ratios R3 / AL, R4 / AL being smaller than 0.37.
  • a buckling PL3 is generated in the central portion, and therefore the forged product shape P1 cannot be obtained, and thus becomes a negative value.
  • the deformed shape P4 obtained by upsetting and forging the material shape used in Non-Patent Document 1 does not deform the cylindrical portions PL11 and PL12 at the upper and lower end portions, so the height of the side end portion PL1 of the forged product shape P1 is high. Therefore, the side end height PL2 of P4 is low, and the forged product shape cannot be obtained. From this result, the amount of cutting material can be reduced by the shape P2 after deformation from the raw material shape of the present invention, which can contribute to the reduction of manufacturing cost.
  • FIG. 15 is an example corresponding to M2 shown in FIG. 9 of Example 2, and is an example of a deformed shape after upsetting forging using a material shape that deviates from the material shape condition of the present invention.
  • FIG. 12 shows the conditions of the first embodiment showing the material shape condition of the present invention, “the specific point A23 having the minimum radius and the specific point A25 having the lower maximum radius have a height of A16, which is 1 / of the height A16.
  • the material shape shown in FIG. 15 has a concave curvature (curvature radius R3) between the inflection point A22 and the specific point A23, and a concave shape between the specific point A23 and the inflection point A24.
  • curvature radius R4 is smaller than the value defined in the first embodiment, and the ratios R3 / AL and R4 / AL of the curvature radii R3 and R4 with respect to the total height AL of the material are smaller than 0.37
  • the occurrence of the buckling Z2 in which the specific point A23 having the minimum radius is recessed in the center portion is characteristic in that uniform deformability is lost.
  • FIG. 16 is an example corresponding to M3 shown in FIG. 9 of Example 2, and is an example of a deformed shape after upsetting forging using a conventional round bar steel, which is the subject of Patent Document 1, as a material.
  • the material shape of the conventional round bar steel has the same radius C1 from the upper end to the lower end, During upsetting forging, deformation concentrates in the vicinity of C2, which is 1 ⁇ 2 of the total material height CL, and (b) a barring shape C4 is generated in the vicinity of the center portion C3 of the deformed shape. From this result, the uniform deformability is smaller than ⁇ 0.015 as in M3 of Example 2, and there is no uniform deformability.

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Abstract

熱間据込み鍛造用の素材形状を、上端面と下端面が円形で中心軸（５０）に対して軸対称の柱状素材であり、中心軸（５０）を含む断面形状において、上端辺と下端辺とを結ぶ側辺の外形形状が、上端辺側より第１の凸部曲率（Ｒ１）、第２の凸部曲率（Ｒ２）、第１の凹部曲率（Ｒ３）、第２の凹部曲率（Ｒ４）、第３の凸部曲率（Ｒ５）及び第４の凸部曲率（Ｒ６）をそれぞれ有する外形形状の連続によって下端辺側に至る形状を成し、これら凸部曲率又は凹部曲率の曲率半径の各値を素材高さ（ＡＬ）で割った値が０．３７より大きく０．６８より小さい範囲であり、第１の凸部曲率（Ｒ１）と第２の凸部曲率（Ｒ２）との間で側辺の外形形状の接線方向が中心軸方向と一致する点における半径が素材の最大半径となり、第１の凹部曲率（Ｒ３）と第２の凹部曲率（Ｒ４）との間で側辺の外形形状の接線方向が中心軸と一致する点における半径が素材の最小半径となるよう構成する。

Description

熱間据込み鍛造用の素材形状
　本発明は、熱間据込み鍛造用の素材形状に関する技術である。
　金属材料の加工において、鍛造は金属に大きな変形を与えるため、金属材料の変形抵抗を減少させるために再結晶温度以上の高温に加熱して成形する熱間鍛造が、大型製品の鍛造には多く行われる。
　熱間鍛造を行う目的は成形荷重を下げることだけではない。熱間鍛造で大変形を加えることで、鋳造で金属材料内部に生じた引け巣を無くすことが出来る。また鍛造による加工熱処理により結晶粒が微細化する。このことを再結晶による結晶粒の微細化と呼ぶ。微細な結晶粒は亀裂の進展を防止し材料の靭性の向上につながる。
　鍛造方法は大きく分けて、鍛造用金型を用いて鍛造する型鍛造(die forging)と、加工物を治具などにセットして、ハンマー等で成形する自由鍛造(free forging)に大別される。この自由鍛造加工の分類の１つに据え込み鍛造がある。「据え込み」とは、軸方向に加圧して高さを減少させると同時に断面を増大させる成形方法である。据え込み鍛造は、プレス加工用の上下の金型を共用すれば、型鍛造のような製品対応の金型の製作コストを抑えられ、多軸鍛造法の各圧縮軸ごとに据え込み鍛造を行うなど多用されている。
　据え込み鍛造により、図２に示すように例えば円柱形状の加工前の鍛造試料１０を圧縮加工４０をすることにより加工後の鍛造試料２０には、一般に鍛造試料が周方向の外部に膨出する現象(これをバレリング[Barreling]と呼ぶ)が生ずる。これは、加工後の鍛造試料の直径の軸方向の分布が均一ではなく、中央部が膨らんで大きくなっている。このため、次工程では、膨出部(バレリング部)を切削、研削、研磨するなどの加工工程が必要となっている。
　特許文献１(特開２００６－２３１３７７号公報)には、多段熱間鍛造において、据え込み加工後の鍛造試料の形状を有限要素法を用いて予測する方法、例えば丸棒形状の初期素材の高さ、重量および直径の関係から据込み後の端部径など据込み加工形状を予測することにより、次工程における試料の金型内セット不良による試料のまくれ等による折込み傷、亀裂等の成形不良を防止する方法を開示している。
　非特許文献１には、据え込み加工あるいは単軸圧縮加工において、ひずみが１．０を超える大ひずみ域を含む荷重(加工硬化曲線)を推定するための方法が記載されている。
特開２００６－２３１３７７号公報
宇佐神正玄、外１名、「大ひずみ域成形解析のための加工硬化曲線の推定(第２報)」平成２６年度塑性加工春季講演会ｐ．２５３－２５４
　前記特許文献１には、熱間鍛造加工での据え込み加工あるいは単軸圧縮加工において、投入される素材形状が丸棒形状であり、据え込み加工後の素材形状を有限要素法により予測する方法であると記載している。丸棒材の初期高さ、重量および直径の関係から据込み後の最大径、最小径、高さ、バレリング（Ｂａｒｒｅｌｉｎｇ）形状、つまり側面たわみ形状などを予測する方法が記載されている。この方法では、初期素材の形状情報およびプレス力から据え込み加工後の変形形状を見積もることにより次工程における金型セット時の不良を防ぐことができると記載されている。しかし、特許文献１のような方式では、丸棒形状から変形後の形状を見積もるだけであり、変形形状を制御するための方法について言及されていない。据え込み鍛造工程において、丸棒形状による変形後の形状は側面がたわむような変形あるいはバレリングを伴う形状に変形し、変形形状の軸方向において周径が異なる非対称変形が発生する。例えば、バレリング部を切削加工により、製品形状に仕上げる場合、削り代が多くなり材料歩留りが低下すると共に加工時間の上昇になる。また、バレリング変形を有することにより、ひずみ分布が非均一な領域が大きくなるため、熱間鍛造品の品質予測が不可能な問題がある。
　前記非特許文献１が開示する技術では、ひずみが１．０を超える大ひずみ域の荷重を推定するための素材形状は圧縮率を高める必要があるため、丸棒材ではなく軸方向の中心部にくびれと、試料の上下端面ですべりが起こらないように抑制するための上下端の円筒部を有するダンベル型の試験片を用いている。そして、圧縮変形時、端面での摩擦の影響を排除するため、ダンベル型試験片の上下端の円筒部を拘束することにより変形時の工具との摩擦の影響を排除して、大ひずみ域までの荷重(加工硬化曲線)を推定することが可能であると記載している。しかし、非特許文献１のような方式は、素材形状は圧縮変形時の工具との摩擦の影響を排除することを目的とした形状であると共に、中心部にくびれと金型に挟める部分である上下端の円筒部を有する形状である。圧縮変形後の形状予測については前記特許文献１と同様にバレリング変形があり、円筒部の金型による拘束部にめり込みが発生すると記載されている。また、変形後の形状を制御するための方法については記載されていない問題がある。
　以上を鑑み、本発明の主な目的は、熱間鍛造における据え込み加工あるいは単軸圧縮加工に関して、変形後の素材形状が軸方向の周径が均一な均一変形ができる素材形状を提供することである。特に、均一変形させることにより、次工程の材料歩留りが向上できる技術を提供することである。
　上記課題を解決するために本発明では、熱間据込み鍛造用の素材形状を、上端面と、下端面が円形で、中心軸に対して軸対称の柱状素材であり、中心軸を含む断面形状において、上端辺と、下端辺とを結ぶ側辺の外形形状が、上端辺側より、第１の凸部曲率、第２の凸部曲率、第１の凹部曲率、第２の凹部曲率、第３の凸部曲率、及び第４の凸部曲率をそれぞれ有する外形形状の連続によって、下端辺側へ至る形状を成し、前記第１の凸部曲率半径、前記第２の凸部曲率半径、前記第１の凹部曲率半径、前記第２の凹部曲率半径、前記第３の凸部曲率半径、及び前記第４の凸部曲率半径の各値を前記素材高さで割った各割合の値は、０．３７より大きく、及び０．６８より小さい範囲にあるように構成した。
　また、上記課題を解決するために本発明では、前記熱間据込み鍛造用の素材形状において、前記第１の凸部曲率と前記第２の凸部曲率とをそれぞれ有する外形形状の間の点、またはその前後において、前記断面形状の側辺の外形形状の接線方向が中心軸方向と一致する点における半径は素材の第１の最大半径となり、前記第１の凹部曲率と前記第２の凹部曲率とをそれぞれ有する外形形状の間の点、またはその前後において、前記断面形状の側辺の外形形状の接線方向が中心軸方向と一致する点における半径は素材の最小半径となり、前記第３の凸部曲率と前記第４の凸部曲率とをそれぞれ有する外形形状の間の点、またはその前後において、前記断面形状の側辺の外形形状の接線方向が中心軸方向と一致する点における半径は素材の第２の最大半径となるように構成した。
　また、上記課題を解決するために本発明では、前記熱間据込み鍛造用の素材形状において、前記素材の全高さに対する前記素材の第１の最大半径となる外形形状上の点から前記素材の上端部までの高さの割合、及び前記素材の全高さに対する前記素材の第２の最大半径となる外形形状上の点から前記素材の下端部までの高さの割合は、０．１５より大きく、及び０．２より小さい範囲にあるように構成した。
　また、上記課題を解決するために本発明では、前記熱間据込み鍛造用の素材形状において、前記素材の全高さに対する前記素材の最小半径となる外形形状上の点から前記素材の第１の最大半径となる外形形状上の点までの高さの割合、及び前記素材の全高さに対する前記素材の第２の最大半径となる外形形状上の点から前記素材の最小半径となる外形形状上の点までの高さの割合は、０．３より大きく、及び０．３７より小さい範囲にあるように構成した。
　本発明の代表的な素材形状によれば、熱間据込み鍛造工程に関して、変形形状が軸方向に周径にバレリング変形がなく、軸方向に均一形状となる。
  例えば、据え込み鍛造工程後、次工程において切削加工により製品形状に仕上げる場合、バレリング部が無くなるため、切削材料量が少なくなり、材料の歩留り向上と共に生産コスト低減ができる。
　本発明の素材形状では、中央部に一つのくびれと上部から凸形状の山部、下部から凸形状の山部の導入により、丸棒形より同じ高さ、同じ最大径の従来据え込み鍛造用素材形状である特許文献１の丸棒に対して素材の重量を低減することができと共に同じ圧縮率においてプレス荷重が１０％程度低減でき、生産コストの低減ができる。
本発明の熱間据込み鍛造用素材形状を示す断面図である。 据え込み鍛造により円柱試料の周方向の外部にバレリング(膨出部)が生ずることを説明する図である。 本発明で検討した熱間据込み鍛造用素材形状のモデルの断面図である。 据え込み鍛造後の変形形状の断面の模式図および均一変形性の評価方法を説明する図である。 凸部曲率半径Ｒ１，Ｒ２，Ｒ５，Ｒ６、凹部曲率半径Ｒ３，Ｒ４をそれぞれ個別に、または関連付けて変えて作成した試料を据え込み鍛造加工を実施後の変形形状の結果を、横軸は均一変形性の自然対数値で、縦軸は各曲率半径値を素材高さで割った値でプロットしたグラフである。 縦軸には加工前の素材形状のパラメータＡ１２、Ａ１８を素材高さで割った値で、横軸は均一変形性の自然対数値でプロットしたグラフである。 縦軸には加工前の素材形状のパラメータＡ１４、Ａ１６を素材高さで割った値で、横軸は均一変形性の自然対数値でプロットしたグラフである。 (ａ) バレリング形状が発生している場合の加工後の変形形状の例、(ｂ) 座屈形状が発生している場合の加工後の変形形状の例、(ｃ) 本発明の素材形状を使用して据え込み鍛造後の変形形状の例、を示した図である。 本発明の素材形状、及びその他の比較対象の素材を用いて据え込み鍛造を実施した結果を、横軸は素材のLog（最小半径／最大半径）値により、縦軸は変形形状のLog(均一変形性)値によりプロットしたグラフである。 非特許文献１において採用しているダンベル型の試験片形状を用いて据え込み鍛造後の変形形状を説明する図である。 (ｃ) 非特許文献１の素材形状を用いて、据え込み鍛造により、加工後の素材高さがそれぞれ５０％減、６０％減、７０％減となる圧縮を行った後の変形形状の断面図、(ｄ) 本発明の素材形状を用いて、据え込み鍛造により、加工後の素材高さがそれぞれ５０％減、６０％減、７０％減となる圧縮を行った後の変形形状の断面図である。 本発明の素材形状を用いて据え込み鍛造後の変形形状の断面図である。 本発明の素材形状による切削材料量低減の評価を行うための比較図である。 図１３に比較する各変形後の素材形状に基づき、鍛造製品形状Ｐ１まで切削すべき材料量の評価結果を示す図である。 本発明の素材形状条件から外れた素材形状を用いて据え込み鍛造後の変形形状の例を説明する図である。 特許文献１で対象としている従来の丸棒鋼を素材に使用して据え込み鍛造後の変形形状の例を説明する図である。
　以下、本発明の一実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一部には原則として同一符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。
　本発明が対象とするのは、熱間据え込み鍛造工程において加工後の素材形状が、次工程において製品形状に仕上げる場合に最も加工代が少なく済ませられるのは、前記加工後の素材形状が円筒形状により近いものであればよいと判断して、加工後の素材形状を円筒形状により近づけるために適した加工前に投入すべき据え込み鍛造用素材形状を提案するものである。
　図２に示すのは、従来の熱間据え込み鍛造工程において多く投入されている円筒形状の素材１０を加工して、バレリング形状(膨出部)３０を有した加工後の素材２０を得ている。この熱間据え込み鍛造工程を観察すると、圧縮４０開始後、最初に円筒形状の素材の中央部よりふくれ始めて、それから徐々に上下端部に近いところよりふくれ始めている。
　そこで、熱間据え込み鍛造工程で加工後の素材形状を最も円筒形状に近くするための加工前の素材形状のモデルを、図３に示す。図３に示すモデルは、高さ方向(Ｚ軸)の中心軸５０回りに回転対称の柱状体であって、前記中心軸５０(Ｚ軸)と直交する水平方向のＸ軸より成るＸ－Ｚ平面でモデルを切断した場合の中心軸５０から右半分の断面を表す。
　モデルは、Ｚ軸高さがＡＬ、上端面半径がＡ１０、下端面半径がＡ１７の各パラメータ、および、断面図上における側面の外形線が成す曲率が、上端面側より順次、曲率半径Ｒ１の凸部曲率、曲率半径Ｒ２の凸部曲率、曲率半径Ｒ３の凹部曲率、曲率半径Ｒ４の凹部曲率、曲率半径Ｒ５の凸部曲率、曲率半径Ｒ６の凸部曲率の連続のパラメータで構成されている。そして、側面の外形線の曲率の各変曲点までの高さを上端面側より順次、Ａ１２，Ａ１４１，Ａ１４２，Ａ１６１，Ａ１６２，Ａ１８の高さパラメータで構成されている。
  さらに、モデルの断面図の側面側の外形線上の変曲点Ａ２３は、ほぼＡＬ／２の高さにあり、変曲点Ａ２３におけるモデルの半径はＡ１３であり、本モデルの中で最も小さい半径値となる。(変曲点の両側の曲率が同じとなれば変曲点とは呼ばない。その場合は、断面形状の外形線の接線方向がＺ軸方向と一致する点を採用する。)
　本願発明者は、前記素材形状のモデル(図３)の各パラメータを種々変えて、後述する熱間据え込み鍛造加工試験により加工された素材形状を評価した。
  図４は、パラメータを具体的に定義したモデルの試料を据え込み鍛造、あるいは単軸鍛造を実施した際の変形形状の結果の評価方法を説明する。
　棒形状による据え込み鍛造では変形時、素材の中央部Ｆ２０近辺がたわむようなバレリング変形Ｆ１０が発生する。バレリング変形Ｆ１０が発生することにより、中央部Ｆ２０の半径が大きくなり、軸方向に対して上端面部の半径Ｆ２１と中央部の半径Ｆ１１の差が発生し、均一変形性が低下する。
　図４は据え込み鍛造後の変形形状Ｆ０の断面の模式図および均一変形性の評価方法である。均一変形性の評価方向は軸方向に対する半径の変化を測定し、その割合により評価する。その値は１に近いほど高均一変形性であると判断する。
  例えば、変形後の素材の高さＡＦに対してＡＦの１／２の高さはＦ１、ＡＦの３／４の高さはＦ２である。ＡＦの１／２の高さＦ１に対応する半径はＦ１１、ＡＦの３／４の高さＦ２に対応する半径はＦ１２であり、Ｆ１１に対するＦ１２の割合Ｆ１２／Ｆ１１の値により均一変形性を評価する。
　図５，６，７は、図３に示す加工前の素材形状のモデルの各パラメータに種々の値を適用して試料を作成して、据え込み鍛造加工を実施後の変形形状の結果に基いて、変形形状の均一変形性を評価して、各図の上にプロットして、破線で示す分布の傾向を得ている。なお、各図上には、代表点のみを残してプロットしてある。
  各図の横軸は均一変形性の自然対数値で表し、左縦軸は図３の一部のパラメータの変化に着目して、該パラメータの値を全高さＡＬとの比率で表して縦軸にプロットした場合である。
　図５の場合は、凸部曲率半径Ｒ１，Ｒ２，Ｒ５，Ｒ６、凹部曲率半径Ｒ３，Ｒ４をそれぞれ個別に、または関連付けて変えて作成した試料を据え込み鍛造加工を実施後の変形形状の結果を、横軸は均一変形性の自然対数値で表し、左縦軸は変化をさせた凸部曲率半径Ｒ１，Ｒ２，Ｒ５，Ｒ６、凹部曲率半径Ｒ３，Ｒ４のいずれかの加工前の素材形状のパラメータの値を全高さＡＬで割った値を表している。
　図５において、横軸Log(均一変形性)の値が０より大きい値の場合、それは図８(ｂ)に示すように、加工後の変形形状に座屈が発生して、変形後の素材の１／２の高さでの半径Ｆ１１よりも３／４の高さでの半径Ｆ１２の方が大きくなる場合である。本実施例では、加工後の変形形状に座屈が発生する場合｛Log(均一変形性) ＞ ０｝の加工前の素材形状のパラメータ値は対象には入れないこととする。
  また、図８(ａ)に示すように、バレリング形状が発生していると判定する基準は、加工後の変形形状が｛Log(均一変形性) ＜ －０．０１５｝となる場合と定義して、それに該当する(バレリング形状が発生する)加工前の素材形状のパラメータ値を持つ試料は、本実施例では対象には入れないこととする。
　その結果、図５では、加工前の素材形状の凸部曲率半径Ｒ１，Ｒ２，Ｒ５，Ｒ６、凹部曲率半径Ｒ３，Ｒ４の全ての｛パラメータ値／全高さＡＬ｝を、０．３７より大きく、０．６８より小さい範囲に収めることにより、加工後の変形形状を、｛－０．０１５＜Log(均一変形性) ＜０｝の範囲に収めることが出来ると判った。
　図５，６，７において、符号Ｍ２，Ｍ３，Ｍ４を付したプロット点の例は、図８に示す加工後の代表的な変形形状となる場合であり、実施例４，６，７において後述する。
　また、図６では同様に、図３に示す加工前の素材形状のパラメータＡ１２と、Ａ１８のいずれも、｛パラメータ値／全高さＡＬ｝の値を、０．１５より大きく、０．２０より小さい範囲に収めることにより、加工後の変形形状を、｛－０．０１５＜Log(均一変形性) ＜０｝の範囲に収めることが出来ると判った。
　また、図７では同様に、図３に示す加工前の素材形状のパラメータＡ１４(＝Ａ１４１＋Ａ１４２)と、Ａ１６(＝Ａ１６１＋Ａ１６２)のいずれも、｛パラメータ値／全高さＡＬ｝の値を、０．１５より大きく、０．２０より小さい範囲に収めることにより、加工後の変形形状を、｛－０．０１５＜Log(均一変形性) ＜０｝の範囲に収めることが出来ると判った。
　本実施例において提案するのは、熱間据込み鍛造工程において投入すべき素材形状であって、以下に示す形状を有することを特徴とする。
  図１に、図３において最初に仮定した加工前の素材形状のモデルの各形状パラメータを実験による検証に基いて提案する素材形状を示す。Ｚ軸と一致する中心軸に対して回転対称な柱状の素材形状であり、図１ではＺ軸－Ｘ軸平面で切断した断面の中心軸より右半分の断面図を示す。
　本提案形状は、中心軸方向に山部、谷部、山部が連続する断面の外形形状を持つことを特徴とする。
  例えば、上端部Ａ２０の半径Ａ１０は、外形線上の特定点Ａ２１（変曲点の両側の曲率が同じとなれば変曲点とは呼ばない。その場合は、断面形状の外形線の接線方向がＺ軸方向と一致する点を採用する。その点を以後、「特定点」と呼ぶ。）における半径Ａ１１より小さく、上端部Ａ２０と特定点Ａ２１には必ず凸形状の曲率(曲率半径Ｒ１)があり、その値は柱状素材の全高さＡＬに対して曲率半径Ｒ１の割合Ｒ１／ＡＬが０．３７より大きく０．６８より小さいことを特徴とする。ここで特定点Ａ２１位置における半径Ａ１１は本素材形状の最大半径となる。
　上端部Ａ２０と最大径部(特定点Ａ２１)との高さＡ１２は、素材高さＡＬに対してＡ１２／ＡＬが０．１５より大きく０．２より小さいことを特徴とする。
  特定点Ａ２１よりＺ軸方向の下方に高さＡ１４＝Ａ１４１＋Ａ１４２離れた外形線上の位置に特定点Ａ２３がある。特定点Ａ２３における半径Ａ１３は素材全体の最小半径となり、特定点Ａ２３は素材全高さＡＬの１／２の高さに位置する。最大半径を有する外形位置の特定点Ａ２１と最小半径を有する外形位置の特定点Ａ２３には必ず曲率が存在することを特徴とする。
　最大半径を有する特定点Ａ２１と最小半径を有する特定点Ａ２３にはＺ軸方向にＡ１４の高さがあり、高さＡ１４の１／２の外形位置に位置する変曲点Ａ２２と最大半径を有する特定点Ａ２１には凸形状の曲率(曲率半径Ｒ２)があり、その値は素材の全高さＡＬに対して曲率半径Ｒ２の割合Ｒ２／ＡＬは０．３７より大きく０．６８より小さいことを特徴とする。
  ただし、Ｒ１の曲率とＲ２の曲率を滑らかにするためにＲ１とＲ２の曲率は一致する必要がある。
　変曲点Ａ２２と特定点Ａ２３には凹形状の曲率(曲率半径Ｒ３)があり、その値は素材の全高さＡＬに対して曲率半径Ｒ３の割合Ｒ３／ＡＬは０．３７より大きく０．６８より小さいことを特徴とする。
  最大半径を有する特定点Ａ２１と最小半径を有する特定点Ａ２３との高さＡ１４＝Ａ１４１＋Ａ１４２は、素材の全高さＡＬに対してＡ１４／ＡＬの割合が０．３０より大きく０．３７より小さいことを特徴とする。
  最小半径を有する特定点Ａ２３と下側の最大半径Ａ１５を有する特定点Ａ２５との間には高さＡ１６＝Ａ１６１＋Ａ１６２がある。高さＡ１６の１／２の位置にあたる変曲点Ａ２４と特定点Ａ２３との間には凹形状の曲率(曲率半径Ｒ４)があり、その値は素材の全高さＡＬに対して曲率半径Ｒ４の割合Ｒ４／ＡＬは０．３７より大きく０．６８より小さいことを特徴とする。ただし、Ｒ３の曲率とＲ４の曲率を滑らかにするためにＲ３とＲ４の曲率は一致する必要がある。
　変曲点Ａ２４と特定点Ａ２５との間には凸形状の曲率(曲率半径Ｒ５)があり、その値は素材の全高さＡＬに対して曲率半径Ｒ５の割合Ｒ５／ＡＬは０．３７より大きく０．６８より小さいことを特徴とする。
  Ａ１６の高さは素材の全高さＡＬに対してＡ１６／ＡＬの値が０．３０より大きく０．３７より小さいことを特徴とする。
　下側の最大半径を有する特定点Ａ２５と下端部Ａ２６との間の高さはＡ１８であり、特定点Ａ２５と下端部Ａ２６との間には必ず凸形状の曲率(曲率半径R6)が存在することを特徴とする。特定点Ａ２５と下端部Ａ２６との間の曲率は素材の全高さＡＬに対して曲率半径Ｒ６の割合Ｒ６／ＡＬは０．３７より大きく０．６８より小さいことを特徴とする。
  ただし、Ｒ５の曲率とＲ６の曲率を滑らかにするためにＲ５とＲ６の曲率は一致する必要がある。
  特定点Ａ２５と下端部Ａ２６との間の高さＡ１８は素材全高さＡＬに対してＡ１８／ＡＬの値が０．１５より大きく０．２より小さいことを特徴とする。
  例えば本実施例では、上端面半径Ａ１０と下端面半径Ａ１７とは同じ値である。
　以上に述べた各パラメータの条件を満たす素材を据え込み鍛造工程に投入した場合には、図８(ｃ)に示すように中心軸方向に径の分布が均一な加工後の変形形状が得られる。
　図９は、実施例１で提案した素材形状、及びその他の比較対象の素材を用いて、加工前の素材形状の最大半径Ａ１１および最小半径Ａ１３の割合：Log（最小半径／最大半径）を変えた試料に対して、据え込み鍛造を実施した場合に、加工後の素材の外形の均一性を、横軸はLog（最小半径／最大半径）、縦軸はLog(均一変形性)のグラフ上にプロットして評価したものである。
　Ｍ１は非特許文献１において採用しているダンベル型の試験片形状を用いて据え込み鍛造後の変形形状により評価した結果、Ｍ３は特許文献１において採用している丸棒鋼の形状を用いて据え込み鍛造後の変形形状により評価した結果である。
  Ｍ２、Ｍ４は実施例１において提案した素材形状を用いて据え込み鍛造後の変形形状により評価した結果の例である。前記のＭ１～Ｍ４の結果については実施例３～７にて詳細に説明する。
　縦軸はLog（均一変形性）の値であり、０より大きい値はＦ２の半径がＦ１の半径より大きいこととなり(図４参照)、変形形状に座屈が発生する可能性が高いため、Log（均一変形性）は０を上限とする。
  また、Log（均一変形性）が－０．０１５より小さい値はバレリング形状Ｆ１０が発生し、Ｆ１２の半径よりＦ１１の半径は１．５％以上大きいこととなり、均一変形性が悪い。
　これらの結果により、実施例１の形状条件において、最大半径と最小半径の割合Log（最小半径／最大半径）の値が－０．１より大きく、及び－０．０３５より小さい素材形状の場合、Log（均一変形性）が０より小さく、及び－０．０１５より大きくなり、本発明の素材形状はＭ７の範囲において均一変形が可能となる。
　図１０は、実施例２の図９においてＭ１に対応する非特許文献１において採用しているダンベル型の試験片形状を用いて据え込み鍛造後の変形形状である。図１０(ａ)は非特許文献１の変形前の素材形状、（ｂ）は据え込み鍛造後の変形形状である。
  図１０(ａ)において、非特許文献１の素材形状は、上端部Ｌ０から軸方向の断面形状は円筒周辺部Ｌ２、谷部Ｌ４があり、上端部半径Ｌ１および下端部半径Ｌ３が素材の最大径となる。円筒周辺部Ｌ２、Ｌ６は据え込み鍛造の場合に金型Ｋ１１、Ｋ１２の段差部に挟める部分となり、素材全高さＬＨに対する高さ１／２の外形線上の点Ｌ５の半径が最小半径Ｌ７となる。下端部も上記と同じ構造となる。
　図１０(ｂ)は非特許文献１の素材形状を用いて据え込み鍛造後の変形形状を示す。金型Ｋ１１、Ｋ１２に挟まれた上下端部の円筒周辺部Ｌ２、Ｌ６は据え込み鍛造時、金型Ｋ１１、Ｋ１２に拘束されるため変形が全く発生しない。Ｌ２，Ｌ６以外の金型に拘束されてない部分に集中的な変形が発生し、特に非特許文献１の素材形状は加工前の最小半径Ｌ７を有する外周中央部Ｌ５が集中的に変形し、変形後形状の中央部であるＬ１４のようにバレリング部発生領域が増加することとなる。この結果から実施例２のＭ１のようにLog（均一変形性）が－０．０１５より小さくなり、均一変形性がないことが特徴である。
  また、変形率を増加してもL１４部のみ変形が発生し、拘束部Ｌ２、Ｌ６は変形しないことが特徴である。
　図１１(ｃ)は、非特許文献１の素材形状を用いて、据え込み鍛造により、加工後の素材高さがそれぞれ５０％減、６０％減、７０％減となる圧縮を行った後の変形形状の断面図である。また、図１１(ｄ)は、実施例１において提案した本発明の素材形状を用いて、据え込み鍛造により、加工後の素材高さがそれぞれ５０％減、６０％減、７０％減となる圧縮を行った後の変形形状の断面図を、対応させて配列している。
　熱間据え込み鍛造では、素材の全高さに対して変形後の高さが５０％以下になるまで圧縮する。今回の検討では、前記の両者とも素材の全高さに対して変形後の高さが５０～３０％における変形形状を比較したものである。非特許文献１の形状の場合、図１１(Ｃ)に示すように上下端部の円筒部Ｌ２，Ｌ６が金型に拘束され変形が起こらないことにより、圧縮率を上げる(変形後の高さが小さくなる)と共にバレリング変形も大きくなる傾向となる。一方、図１１(Ｄ)に示す本発明素材形状(実施例１)では、圧縮率を上げてもバレリング変形を起こさないことが特徴となる。
  これらの結果から、本発明の素材形状により、据え込み鍛造において均一変形が可能となることが明らかになる。
　図１２は、実施例２の図９に示すＭ４に対応する本発明の素材形状を用いて据え込み鍛造後の変形形状の断面図を示す。
  図１２(ａ)は、実施例１に提案した本発明の素材形状の形状条件をすべて満足する。据え込み鍛造によって、図１２(ｂ)に示す通り、素材全高さＤＬの１／２の高さの外形位置Ｄ１にバレリング形状を発生することなく、平行形状Ｄ２に変形することにより、Ｚ軸方向に対する半径の変化が均一となり、均一変形が可能であることが特徴である。
　図１３は、本発明の素材形状による切削材料量低減の評価を行うための比較図である。
  (ａ)は鍛造製品形状Ｐ１「タービンホイル形状の一例」であり、(ｂ)は本発明の素材形状による据え込み鍛造後の変形形状Ｐ２「実施例４の形状」、(ｃ)は座屈が発生した変形形状例Ｐ３「実施例２のＭ２の形状」、(ｄ)は非特許文献１で採用している素材形状を使用して、据え込み鍛造後の変形形状Ｐ４「実施例３の形状」、(ｅ)は特許文献１で対象としている従来の丸棒鋼を素材に使用して据え込み鍛造後の変形形状Ｐ５「実施例２のＭ３の形状」である。
　鍛造製品形状Ｐ１に基づき、据え込み鍛造後の変形形状から鍛造製品形状Ｐ１に仕上げるための切削材料量について評価するため、Ｐ１と、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４、Ｐ５とを重ね合い、製品形状より余分な肉厚を算出し、切削材料量について評価した。据え込み鍛造後の変形形状の高さＰＬ１２、ＰＬ１３、ＰＬ１４、ＰＬ１５は、上下端面の表面仕上げ代を入れてほぼ鍛造製品高さＰＬ１１と同じである。
　変形形状Ｐ３は、変形時、素材の側面の中心部が内径側にめり込むような座屈ＰＬ３が発生することにより、直径が鍛造製品形状Ｐ１より小さくなる部分が発生して、製品が取れないことになる。
　変形形状Ｐ４は、変形と共に円筒部ＰＬ２１，ＰＬ２２が変形しないため、鍛造製品の端部高さＰＬ１に対して変形後の高さＰＬ２が足りないため、製品が取れないこととなる。
　変形形状Ｐ５は、変形時に素材の側面の中心部が外形側にたわむようなバレリング形状ＰＬ４の発生により、鍛造製品形状Ｐ１まで切削すべき切削面積(断面形状の領域で切削量を換算する)が本発明の素材形状による変形形状Ｐ２から鍛造製品形状Ｐ１まで切削すべき切削面積より広くなることとなる。
　図１４は、図１３に比較する各変形後の素材形状に基づき、鍛造製品形状Ｐ１まで切削すべき材料量の評価結果を示す。従来の形状(丸棒鋼)を使用する特許文献１の素材形状から加工した変形形状Ｐ５からの切削材料量を１とした場合の相対評価による結果である。１より高い値は従来の据え込み鍛造形状Ｐ５より、切削材料量が増加する結果であり、１より低い値は従来の据え込み鍛造形状Ｐ５より、切削材料量が低減できる結果である。マイナス値は鍛造製品形状が取れないことを示す。
　評価結果から、変形後の素材形状Ｐ２の値は０．８、Ｐ３の値は－０．１５、Ｐ４の値は－０．１、Ｐ５の値は１となる。
  本発明の素材形状から変形後の形状Ｐ２は、変形時、バレリング形状ＰＬ４が無いため、特許文献１の素材形状から変形後の形状Ｐ５より側面端部の切削量が小さくなり、これにより切削材料量が低減できる。
　本発明の素材形状の形状条件において、凹部の曲率が素材の全高さＡＬに対して曲率半径Ｒ３、Ｒ４の割合Ｒ３/ＡＬ、Ｒ４／ＡＬが０．３７より小さい素材形状を使用して、据え込み鍛造を実施した変形後の形状Ｐ３では、中央部に座屈ＰＬ３が発生しているため鍛造製品形状Ｐ１が取れないことからマイナス値となる。
　非特許文献１で使用している素材形状を据え込み鍛造を実施した変形後の形状Ｐ４は、上下端部の円筒部ＰＬ１１、ＰＬ１２が変形しないため、鍛造製品形状Ｐ１の側面端部ＰＬ１の高さよりＰ４の側面端部高さＰＬ２が低く鍛造製品形状が取れないことからマイナス値となる。この結果から、本発明の素材形状から変形後の形状Ｐ２により切削材料量が低減でき、製造コスト低減に貢献可能となる。
　図１５は、実施例２の図９に示されるＭ２に対応する例で、本発明の素材形状条件から外れた素材形状を用いて据え込み鍛造後の変形形状の例である。
  図１２は本発明の素材形状条件を示す実施例１の条件「最小半径を有する特定点Ａ２３と下側の最大半径を有する特定点Ａ２５にはＡ１６の高さがあり、高さＡ１６の１／２の高さに位置する外形線上の変曲点Ａ２４と特定点Ａ２３との間には凹形状の曲率があり、その値は素材の全高さＡＬに対して曲率半径Ｒ４の割合Ｒ４／ＡＬは０．３７より大きく０．６８より小さいことを特徴とする。」を満たしている。
　それに対して、図１５に示す素材形状は、変曲点Ａ２２と特定点Ａ２３との間の凹形状の曲率(曲率半径Ｒ３)と、特定点Ａ２３と変曲点Ａ２４との間の凹形状の曲率(曲率半径Ｒ４)とが、実施例１で定義された値より小さく、素材の全高さＡＬに対して曲率半径Ｒ３、Ｒ４の割合Ｒ３／ＡＬ、Ｒ４／ＡＬは０．３７より小さい場合、据え込み鍛造を実施時、最小半径を有する特定点Ａ２３が中央部に凹むような座屈Ｚ２が発生することにより、均一変形性が無くなることが特徴である。
　図１６は、実施例２の図９に示されるＭ３に対応する例で、特許文献１で対象としている従来の丸棒鋼を素材に使用して据え込み鍛造後の変形形状の例である。  (ａ)従来の丸棒鋼の素材形状は上端部から下端部までの半径Ｃ１が同じであり、
据え込み鍛造時に、素材全高さＣＬの１／２となるＣ２近辺に変形が集中し、(ｂ)変形形状の中心部Ｃ３近辺にバレリング形状Ｃ４が発生する。この結果から実施例２のＭ３のように均一変形性が－０．０１５より小さくなり、均一変形性がないことが特徴である。
１０　円柱形状の加工前の鍛造試料
２０　加工後の鍛造試料
３０　膨出部(バレリング部)
４０　据え込み鍛造による圧縮加工
５０　中心軸
Ａ１０　上端面半径
Ａ１１　本発明の素材形状の第１の最大半径
Ａ１２　上端部Ａ２０と最大径部(特定点Ａ２１)との高さ
Ａ１３　特定点Ａ２３における本発明の素材形状の最小半径
Ａ１４　最大半径を有する特定点Ａ２１と最小半径を有する特定点Ａ２３の間の高さ
Ａ１４１　凸部曲率Ｒ１と凸部曲率Ｒ２との間の変曲点と、凸部曲率Ｒ２と凹部曲率Ｒ３との間の変曲点との高さ
Ａ１４２　凸部曲率Ｒ２と凹部曲率Ｒ３との間の変曲点と、凹部曲率Ｒ３と凹部曲率Ｒ４との間の変曲点との高さ
Ａ１５　本発明の素材形状の第２の最大半径
Ａ１６　最小半径を有する特定点Ａ２３と下側の最大半径Ａ１５を有する特定点Ａ２５との間の高さ
Ａ１６１　凹部曲率Ｒ３と凹部曲率Ｒ４との間の変曲点と、凹部曲率Ｒ４と凸部曲率Ｒ５との間の変曲点との高さ
Ａ１６２　凹部曲率Ｒ４と凸部曲率Ｒ５との間の変曲点と、凸部曲率Ｒ５と凸部曲率Ｒ６との間の変曲点との高さ
Ａ１７　下端面半径
Ａ１８　下側の最大半径を有する特定点Ａ２５と下端部Ａ２６との間の高さ
Ａ２０　上端部
Ａ２１　第１の最大半径を有する特定点
Ａ２２　変曲点(曲率半径Ｒ２の凸部曲率と曲率半径Ｒ３の凹部曲率との境界点)
Ａ２３　最小半径を有する特定点
Ａ２４　変曲点(曲率半径Ｒ４の凹部曲率と曲率半径Ｒ５の凸部曲率との境界点)
Ａ２５　第２の最大半径を有する特定点
Ａ２６　下端部
ＡＦ　変形後の素材の高さ
ＡＬ　素材全高さ
Ｃ１　丸棒鋼の素材の半径
Ｃ２　素材全高さＣＬの１／２の高さの位置
Ｃ３　変形形状の中心部
Ｃ４　バレリング形状
Ｄ１　素材全高さＤＬの１／２の高さの外形位置
Ｄ２　平行形状
ＤＬ　素材全高さ
Ｆ０　据え込み鍛造後の変形形状
Ｆ１　変形後の素材の高さＡＦの１／２の高さ
Ｆ１０　バレリング変形
Ｆ１１　変形後の素材の高さＦ１に対応する半径
Ｆ１２　変形後の素材の高さＦ２に対応する半径
Ｆ２　変形後の素材の高さＡＦの３／４の高さ
Ｆ２０　変形後の素材の中央部
Ｆ２１　上端面部の半径
Ｋ１１，Ｋ１２　金型
Ｌ１　上端部半径
Ｌ２　円筒周辺部
Ｌ３　下端部半径
Ｌ４　谷部
Ｌ５　外周中央部
Ｌ６　円筒周辺部
Ｌ７　加工前の最小半径
ＬＨ　加工前素材高さ
Ｍ１　非特許文献１において採用しているダンベル型の試験片形状を用いて据え込み鍛造後の変形形状の例
Ｍ２　本発明の素材形状条件から外れた素材形状を用いて据え込み鍛造後の変形形状の例
Ｍ３　特許文献１において採用している丸棒鋼の形状を用いて据え込み鍛造後の変形形状
Ｍ４　本発明の素材形状を用いて据え込み鍛造後の変形形状の例
Ｍ７　本発明の素材形状を用いて、加工後の変形形状において半径の均一変形が可能な範囲
Ｐ１　鍛造製品形状「タービンホイル形状の一例」
Ｐ２　本発明の素材形状による据え込み鍛造後の変形形状
Ｐ３　座屈が発生した変形形状例
Ｐ４　非特許文献１で採用している素材形状を使用して、据え込み鍛造後の変形形状
Ｐ５　特許文献１で対象としている従来の丸棒鋼を素材に使用して据え込み鍛造後の変形形状
ＰＬ１　鍛造製品の端部高さ
ＰＬ１１　鍛造製品高さ
ＰＬ１２，ＰＬ１３，ＰＬ１４，ＰＬ１５　各素材の据え込み鍛造後の変形形状の高さ
ＰＬ２　変形形状Ｐ４の変形後の高さ
ＰＬ２１，ＰＬ２２　変形形状Ｐ４の円筒部
ＰＬ３　変形形状Ｐ３の素材の側面の中心部の座屈
ＰＬ４　変形形状Ｐ５のバレリング形状
Ｒ１　曲率半径(凸部曲率)
Ｒ２　曲率半径(凸部曲率)
Ｒ３　曲率半径(凹部曲率)
Ｒ４　曲率半径(凹部曲率)
Ｒ５　曲率半径(凸部曲率)
Ｒ６　曲率半径(凸部曲率)
Ｚ２　座屈

Claims (8)

  1. 　熱間据込み鍛造用の素材形状であって、
    　上端面と、下端面が円形で、中心軸に対して軸対称の柱状素材であり、
    　中心軸を含む断面形状において、上端辺と、下端辺とを結ぶ側辺の外形形状が、上端辺側より、第１の凸部曲率、第２の凸部曲率、第１の凹部曲率、第２の凹部曲率、第３の凸部曲率、及び第４の凸部曲率をそれぞれ有する外形形状の連続によって、下端辺側へ至る形状を成し、
    　前記第１の凸部曲率半径、前記第２の凸部曲率半径、前記第１の凹部曲率半径、前記第２の凹部曲率半径、前記第３の凸部曲率半径、及び前記第４の凸部曲率半径の各値を前記素材高さで割った各割合の値は、０．３７より大きく、及び０．６８より小さい範囲にあることを特徴とする熱間据込み鍛造用の素材形状。
  2. 　前記第１の凸部曲率と前記第２の凸部曲率とにより、前記上端辺と、下端辺とを結ぶ前記断面形状の側辺の外形形状に山部が形成され、
    　前記第１の凹部曲率と前記第２の凹部曲率とにより、前記山部に続けて、前記側辺の外形形状に谷部が形成され、
    　前記第３の凸部曲率と前記第４の凸部曲率とにより、前記谷部に続けて、前記側辺の外形形状に山部が形成されることを特徴とする請求項１に記載の熱間据込み鍛造用の素材形状。
  3. 　前記第１の凸部曲率と前記第２の凸部曲率とをそれぞれ有する外形形状の間の点、またはその前後において、前記断面形状の側辺の外形形状の接線方向が中心軸方向と一致する点における半径は素材の第１の最大半径となり、
    　前記第１の凹部曲率と前記第２の凹部曲率とをそれぞれ有する外形形状の間の点、またはその前後において、前記断面形状の側辺の外形形状の接線方向が中心軸方向と一致する点における半径は素材の最小半径となり、
    　前記第３の凸部曲率と前記第４の凸部曲率とをそれぞれ有する外形形状の間の点、またはその前後において、前記断面形状の側辺の外形形状の接線方向が中心軸方向と一致する点における半径は素材の第２の最大半径となることを特徴とする請求項１に記載の熱間据込み鍛造用の素材形状。
  4. 　前記素材の全高さに対する前記素材の第１の最大半径となる外形形状上の点から前記素材の上端部までの高さの割合、及び前記素材の全高さに対する前記素材の第２の最大半径となる外形形状上の点から前記素材の下端部までの高さの割合は、０．１５より大きく、及び０．２より小さい範囲にあることを特徴とする請求項３に記載の熱間据込み鍛造用の素材形状。
  5. 　前記素材の全高さに対する前記素材の最小半径となる外形形状上の点から前記素材の第１の最大半径となる外形形状上の点までの高さの割合、及び前記素材の全高さに対する前記素材の第２の最大半径となる外形形状上の点から前記素材の最小半径となる外形形状上の点までの高さの割合は、０．３より大きく、及び０．３７より小さい範囲にあることを特徴とする請求項３に記載の熱間据込み鍛造用の素材形状。
  6. 　前記第１の凸部曲率半径と前記第２の凸部曲率半径とが同じ値であり、
    　前記第１の凹部曲率半径と前記第２の凹部曲率半径とが同じ値であり、及び
    　前記第３の凸部曲率半径と前記第４の凸部曲率半径とが同じ値であることを特徴とする請求項１に記載の熱間据込み鍛造用の素材形状。
  7. 　前記第１の凸部曲率半径、前記第２の凸部曲率半径、前記第３の凸部曲率半径、及び前記第４の凸部曲率半径とが同じ値であり、並びに
    　前記素材の最小半径となる外形形状上の点が、前記素材の全高さの１／２の高さに位置することを特徴とする請求項６に記載の熱間据込み鍛造用の素材形状。
  8. 　前記第１、または第２の最大半径と前記最小半径との割合（最小半径／最大半径）の自然対数値Log（最小半径／最大半径）が、－０．１より大きく、及び－０．０３５より小さいことを特徴とする請求項３に記載の熱間据込み鍛造用の素材形状。
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