トップ :: B 処理操作 運輸 :: B21 本質的には材料の除去が行なわれない機械的金属加工;金属の打抜き

【発明の名称】 鍛造方法および鍛造装置
【発明者】 【氏名】矢吹 徹朗

【氏名】佐藤 日出之

【氏名】藤井 敬之

【要約】 【課題】鍛造成形品の寸法精度を向上させるとともに、機械加工工程を極力低減してコストを低減することが可能な鍛造方法および鍛造装置を提供する。

【解決手段】ワークを金型の内部に設置し、前記ワークを前記金型の上型部により前記金型の下型部側へ軸方向に押圧し、前記ワークの端面の肉を流動させて前記ワークの端面を凹凸の形状に成形する鍛造方法であって、前記押圧成形時に、前記上型部および前記下型部とは独立して前記ワークを軸方向に押圧保持する独立押圧保持手段を使用することを特徴とする鍛造方法。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
ワーク(W)を金型(1、2、3)の内部に設置し、前記ワークを前記金型の上型部(1)により前記金型の下型部(2)側へ軸方向に押圧し、前記ワークの端面の肉を流動させて前記ワークの端面を凹凸の形状に成形する鍛造方法であって、
前記押圧成形時に、前記ワークの端面に、前記上型部(1)により前記下型部(2)側へ軸方向に押圧する第1外力(P0)を加えると共に、該第1外力と独立した第2外力(P1、P2、P3)を加えて前記ワーク端面を押圧保持することにより、前記ワーク端面を凹凸形状に成形することを特徴とする鍛造方法。
【請求項2】
前記押圧成形時に、前記上型部および前記下型部とは独立して前記ワークを軸方向に押圧保持する独立押圧保持手段(4、5、6)を使用することを特徴とする請求項1に記載の鍛造方法。
【請求項3】
前記第2外力(P1、P2、P3)が、前記独立押圧保持手段による押圧保持力(P1、P2、P3)であることを特徴とする請求項2に記載の鍛造方法。
【請求項4】
複数の前記独立押圧保持手段(4、5、6)を使用して、該複数の独立押圧保持手段による各押圧保持力(P1、P2、P3)を、相互に独立して発生させることを特徴とする請求項2または3に記載の鍛造方法。
【請求項5】
ワーク(W)を金型(1、2、3)の内部に設置し、前記ワークを前記金型の上型部(1)により前記金型の下型部(2)側へ軸方向に押圧し、前記ワークの端面の肉を流動させて前記ワークの端面を凹凸形状に成形する鍛造装置であって、
前記押圧成形時に、前記ワークの端面に、前記上型部(1)により前記下型部(2)側へ軸方向に押圧する第1外力(P0)を加えるとともに、押圧保持手段(4、5、6)により前記第1外力と独立した第2外力(P1、P2、P3)を加えて前記ワークの端面を押圧保持することにより、前記ワーク端面を凹凸形状に成形することを特徴とする鍛造装置(10)。
【請求項6】
前記押圧保持手段(4、5、6)は、前記上型部および前記下型部とは独立して前記ワークを軸方向に押圧保持する独立押圧保持手段(4、5、6)であることを特徴とする請求項5に記載の鍛造装置(10)。
【請求項7】
前記第2外力(P1、P2、P3)が、前記独立押圧保持手段による押圧保持力(P1、P2、P3)であることを特徴とする請求項6に記載の鍛造装置(10)。
【請求項8】
前記独立押圧保持手段(4、5、6)を複数設け、該複数の独立押圧保持手段による各押圧保持力(P1、P2、P3)を、相互に独立して発生させることを特徴とする請求項6または7に記載の鍛造装置(10)。
【発明の詳細な説明】【技術分野】
【0001】
本発明は、鍛造成形品の精度向上および製造コストの低減が可能な鍛造方法および鍛造装置に関する。
【背景技術】
【0002】
従来から、金属からなる素材に押圧力を付与することによって前記素材を所定形状に鍛造成形する鍛造用素材の成形方法が知られている。
【0003】
そして、一般的な鍛造成形方法では、所望の寸法精度の鍛造成形品を得ることが困難であるため、鍛造された成形品に対して別工程において機械加工を施し、所望の寸法精度となるように仕上げている。このように付加的に機械加工を施して所望の寸法精度を確保する場合、機械加工により製造工程数が増大するという問題がある。
【0004】
この問題を解決するために、ワーク(被加工材)の外周部位をしごき加工することにより、外周部位の寸法精度を向上させるものがある(特許文献1参照)。しかし、ワーク(被加工材)の端面の肉を流動させて凹凸の形状に鍛造成形する場合において、特にワークの端面に点対称形状ではない(以下「非点対称形状」と言う)溝形状を形成する場合(図3参照)、肉厚が不均一であるためワーク素材内の各位置の内部応力が均等化されにくくなる。この場合、欠肉等の不良が発生し、さらには溝の立ち上がり部が垂直に形成されず傾いて形成されてしまい、所望の精度が確保されず、機械加工を施さない場合には要求機能を満足しないという問題もあった。
【0005】
この問題を詳細に説明する。図3は、ワークを成形した成形品を表す図であり、(a)は成形品をX方向から視た図、(b)は成形品の断面図、(c)は成形品をY方向から視た図である。図4は、成形品の溝部の拡大断面図である。図6は、従来の鍛造方法により鍛造した成形品の溝部の精度を実測データに基づいて表した図である。図8は、従来方法により加工されたワークの外観図である。図9は、従来の鍛造方法を説明するための図であり、ワークを塑性変形させている途中状態の図である。
【0006】
図3に示すように、成形品90は、例えば自動車用ブレーキ部品であり、全体としては略円柱形状をしており、該円柱の軸心Zに対して「非点対称形状」をした溝93および外壁部91を有する。すなわち、溝立ち上り部93aおよび93cの略円周形状曲線は、「非点対称形状」をしているので、円柱の軸心Zに対して半回転したとき、元の略円周形状曲線に重ならない。溝93が形成されることにより、中央に楕円形の島部94が形成され、外周に土手状の外壁部91が形成されている。外壁部91は、広い部分(厚肉部)91aと狭い部分(薄肉部)91bとを有している。
【0007】
一方、図9において、50は、従来の成形装置を示す。51は金型上型部である上パンチ、52は金型下型部である下パンチ、3はダイス、Wは鍛造加工前のワーク(鍛造加工前のワーク端面を一点鎖線で示す)、W1は鍛造加工途中状態のワーク(実線で示す)、CはワークWの端面に凹凸形状を形成するための金型キャビティである。なお、上パンチ51と下パンチ52とは、実質上、同一部材であり、上パンチ51と下パンチ52のキャビティCは同一形状をしている。
【0008】
上パンチ51および下パンチ52は、ダイス3に対して摺動自在に組合わせられている。下パンチ52およびダイス3は、鍛造加工装置本体(図示せず)に固定されており変位しない。ワークWが下パンチ52の上に設置されると、上パンチ51がダイス3の中央穴3aへ挿入され、ワークWの真上でセットされる。次に、上パンチ51は、駆動装置(図示せず)により荷重P0で軸方向に下方へワークWを押圧しながら移動する。上パンチ51は、所定の位置まで下方へ移動し、その後上昇する。こうして上パンチ51の下端面形状(キャビティCを含む)がワークWの上端面に転写されることとなる。
【0009】
上パンチ51によりワークWが押圧され始めると、ワークWの両端面の肉は、上パンチ51の凸部51aと下パンチ52の凸部52aの押圧力により塑性変形を起してキャビティC内へ流動する。この時のワークWの状態をW1で表している。なお、上パンチ51の凸部51axの幅は凸部51ayの幅より広く、キャビティC2部の幅は、C3部の幅よりも広くなっている。
【0010】
図9に示すように、広い幅のキャビティ部C2へのワークWの流入量は多く、狭い幅のキャビティ部C3へのワークWの流入量は少ない。これは、広い幅のキャビティ部C2への素材流動抵抗が、C3に比べ小さいことと、凸部51axの幅が広いため押圧荷重を受けるワーク素材の部分が多いことによる。そして、凸部51axに当接するワーク部位は、内部応力が高くなる。このため、狭い幅のキャビティ部分C3においてワーク素材がキャビティ内に充填せず、鍛造後のワークの相当部位が一部かける欠肉が生じやすくなる。
【0011】
図8に示すように、従来の鍛造方法による成形品では、矢印部が欠肉となっていることが分かる。また、狭い溝部93に対応する島部94側の立ち上がり部93ayは、垂直に形成されず傾いて形成される。実験によると、直径40mm、高さ30mm、溝深さ5mmの成形品において、該立ち上がり部93ayに関する最大傾き量が約100μm(図6参照)あった。なお、この最大傾き量の要求目標値は、50μm以内であり、従来方法による成形品では、要求目標値を達成しなかった。
【0012】
一方、図4は、成形品90の溝部93の拡大断面図である。そして、図6は、従来方法により鍛造した成形品の精度を実測データに基づいて表した図である。図4は、図6(および後述する図5)の横軸xおよび縦軸yの定義を説明するための図である。図4において、sは基準点であり、tは計測位置である。そして、xは計測位置tにおける基準点sからの距離を表しており、yは計測位置tにおける基準点sからの溝立ち上り部93aの傾き量を表している。図6に示すように、薄肉部91bに対応する地点B(図3(a)参照)の溝立ち上り部の最大傾き量は、実測値で約100μmであり、厚肉部91aに対応する地点Aの溝立ち上り部の最大傾き量は、約60μmであった。地点Aと地点Bとは溝立ち上り部の傾き量が大きく相違していることが分かる。なお、溝立ち上り部の最大傾き量の目標値は、50μmである。
【0013】
【特許文献1】特開2004−344931号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0014】
本発明は、前記の問題を考慮してなされたものであり、鍛造成形品の寸法精度を向上させるとともに、機械加工工程を極力低減してコストを低減することが可能な鍛造方法を提供することを目的とする。特に、ワークの端面の肉を流動させて凹凸の形状に成形する鍛造方法において、欠肉等の不良を伴うことなく、鍛造成形品の寸法精度を向上させるとともに、機械加工工程を極力低減してコストを低減することが可能な鍛造方法および鍛造装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0015】
本発明は、前記課題を解決するための手段として、以下の形態の鍛造方法および鍛造装置を提供する。
本発明の第1形態によれば、鍛造方法または鍛造装置は、押圧成形時に、ワークの端面に、上型部により下型部側へ軸方向に押圧する第1外力を加えると共に、第1外力と独立した第2外力を加えてワーク端面を押圧保持することにより、前記ワーク端面を凹凸形状に成形することを特徴とする。
【0016】
これにより、特に点対称ではない凹凸形状をワーク端面に形成する場合、第1外力と独立した第2外力とを加えることにより、ワーク端面の内部応力が均等化され、金型キャビティ内で偏りの無い塑性流動を生じさせることが可能となる。すなわち、塑性流動したワーク材料は、従来よりも均一な内部応力で流動性も均一化されて金型キャビティ内の隅々にまで充填される。こうして、欠肉等の不良を伴うことなく、鍛造成形品の寸法精度を向上させることが可能となり、ワークの機械加工工程を極力低減することが可能となる。
【0017】
本発明の第2形態によれば、鍛造方法または鍛造装置は、押圧成形時に、上型部および下型部とは独立して前記ワークを軸方向に押圧保持する独立押圧保持手段を使用することを特徴とする。
これにより、第2外力を発生させる具体的手段が提供される。
【0018】
本発明の第3形態によれば、鍛造方法または鍛造装置は、第2外力が、前記独立押圧保持手段による押圧保持力であることを特徴とする。第2外力の具体的態様を表したものである。
【0019】
本発明の第4形態によれば、鍛造方法または鍛造装置は、複数の独立押圧保持手段を使用して、複数の独立押圧保持手段による各押圧保持力を、相互に独立して発生させることを特徴とする。
これにより、一層、鍛造成形時にワーク材料の塑性流動をきめ細かく制御可能となり、より一層、鍛造成形品の寸法精度を向上させることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0020】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図1は、本発明に係る鍛造方法および鍛造装置を説明するための図である。図2は、図1の上パンチの拡大断面図である。図5は、本発明に係る鍛造方法および鍛造装置により鍛造した成形品の溝の精度を実測値により表した図である。図7は、本発明に係る鍛造方法および鍛造装置により加工されたワークの外観図である。
【0021】
まず、本発明に係る鍛造装置について説明する。
図1において、10は、本発明に係る鍛造装置を示す。1は金型上型部を構成する上パンチ、2は金型下型部を構成する下パンチ、3はダイス、Wは円柱状のワーク、Cは金型キャビティである。4は上パンチ1とは独立した第1押圧保持手段、5は下パンチ2とは独立した第2押圧保持手段、6は下パンチ2とは独立した第3押圧保持手段である。
【0022】
ダイス3は略円筒状の剛性の高い構造をしており、中央にワークWを設置する円筒穴3aを有する。この円筒穴3aには、上側に円筒状の第1押圧保持手段4が摺動自在に挿入されており、中間にワークWが設置され、下側に第2押圧保持手段5が摺動自在に挿入されている。この円筒穴3aと、第1押圧保持手段4、ワークW、第2押圧保持手段5との間隙は、相互の摺動を阻害しない程度にゼロに近い状態となっている。
【0023】
そして、第1押圧保持手段4の中央には穴4bが明いており、その中へ上パンチ1が摺動自在に挿入され、ワークWの真上でセットされている。また、第2押圧保持手段5の中央にも穴5bが明いており、その中へ下パンチ2が摺動自在に挿入されている。下パンチ2の中央には、穴2bが明いており、その中へ第3押圧保持手段6が摺動自在に挿入されている。上パンチ1の成形用凸部1aと下パンチ2の成形用凸部2aは同一形状をしている。なお、成形用凸部1aは、略円筒状をしており、その略円筒の中心はパンチ1の軸心から偏心している。そして、成形用凸部1aは、パンチ1の軸方向に突出するように形成され、その幅は、一方が狭く一方が広く形成されている。
【0024】
上パンチ1、第1押圧保持手段4、第2押圧保持手段5、第3押圧保持手段6の各手段に対して、相互に独立した対応する複数の駆動手段7a〜7dがそれぞれ接続されている。これらを、それぞれ上パンチ駆動手段7a、第1駆動手段7b、第2駆動手段7c、第3駆動手段7dと呼ぶこととする。これらの駆動手段は、例えば油圧モータにより駆動される。
【0025】
下パンチ2およびダイス3は、鍛造加工装置本体に固定されており変位しない。また、下パンチ2および第2押圧保持手段5および第3押圧保持手段6の各端面は同一平面にセットされている。この状態で、ワークWが下パンチ2および第2押圧保持手段5および第3押圧保持手段6の端面上に設置されると、上パンチ1および第1押圧保持手段4が、ダイス3の中央穴3aへ挿入され、ワークWの真上でセットされる。
【0026】
次に本発明に係る鍛造装置を使用した鍛造方法並びに作用効果について説明する。
上パンチ駆動手段7aおよび第1駆動手段7bに電圧がオンされると上パンチ駆動手段7aおよび第1駆動手段7bが軸方向に沿って下方へと変位し、図1に示すように、上パンチ1および第1押圧保持手段4の下面がワークWの上面に当接する。この当接時点(以下、「上パンチ当接時点」と言う)から、上パンチ1には例えばP0=1000MPaの圧力が上パンチ駆動手段7aを介して掛かり、第1押圧保持手段4には例えばP1=300MPaの圧力が第1駆動手段7bを介して掛かる。第1押圧保持手段4は、押圧力が300MPaに到達した時点で、その上下方向における位置を維持し、ワークWの端面を押圧保持する。
【0027】
次に、図2に示すように、上パンチ1の駆動手段7aにより、上パンチ1がワーク端面よりさらに下方へと変位することにより、上パンチ1の凸部1ax、1ayがワークWの内部に押し込まれ、ワークWの端面の外周側の肉は、ダイス3の内周面3aと上パンチ1の外周面1dとの間に区画形成される空間(Wa、Wbで示される部位)へと流動する。この時、ワークWの端面の外周側の肉は、300MPaの圧力が掛かった第1押圧保持手段4により常時押圧保持されている。このため、この外部すなわち上パンチの駆動手段7aとは独立した第1駆動手段7bから加えられた圧力P1により、上パンチ1の凸部1ax、1ayの直下部のワーク内圧が均等化され、外周側の肉(Wa、Wb部)が、偏りなく均等に前記空間内へ流動することとなる。すなわち、外周側の肉の各部位には、約300MPaの均一な内部応力がかかる。こうして、前記空間が、前記ワークWの流動した肉によって満たされた状態となる。
【0028】
また、上パンチ1の凸部1ax、1ayがワークWの内部に押し込まれた時、同時に、ワークWの端面の上パンチ1と当接する部位の肉が上パンチ1のキャビティC内へも流動する。この時、第1押圧保持手段4による外部から加えられた圧力P1により、上パンチ1の凸部1ax、1ayの直下部のワーク内圧が均等化されているため、凸部1ax、1ayの直下部のワークの肉も偏りなく均等に前記空間C内へ流動することとなる。
【0029】
一方、上パンチ当接時点から、第2押圧保持手段5に対しても第1保持手段4と同様、第2駆動手段7cを介して例えばP2=100MPaの圧力が掛かり、ワークWの下端面を押圧保持し、また、第3押圧保持手段6には第3駆動手段7dを介して例えばP3=200MPaが掛かり、第2押圧保持手段5と同様、ワークWの下端面を押圧保持する。この状態で、下パンチ2がワークWの内部に押し込まれた時、ワークWの端面の下パンチ2と当接する部位の肉がその周囲へ流動する。この時、第2押圧保持手段5による外部から加えられた圧力P2および第3押圧保持手段6による外部から加えられた圧力P3により、下パンチ2のワークWへの当接面直下部のワーク内圧が均等化されているため、ワークの肉も偏りなく均等に流動することとなる。また、第1、第2、第3押圧保持手段4、5、6に掛かる押圧保持力は、原則として、パンチ1、2に掛かる押圧力より小さくしている。これは、パンチ1、2の押圧力によりワークWが変形した際の流動する肉を保持するのに必要な保持圧力があればよいためである。
【0030】
上パンチ1及び下パンチ2が、所定の深さまで移動し、所定の形状が形成された際に、それぞれの上パンチ駆動手段7a及び下パンチ駆動手段7dにより、両パンチの移動を停止する。次に、上パンチ駆動手段7aおよび第1駆動手段7bにより上パンチ1および第1押圧保持手段を上方へ変位させる。上パンチ1および第1押圧保持手段4をワークWに対して離間させた後、第3押圧保持手段6を上方へ変位させて成形されたワークWをダイス3から取り出す。すなわち、第3押圧保持手段6は、成形品を押し出す手段でもある。図3は、従来の鍛造成形品の説明として用いたが、上記本発明に係る鍛造方法および鍛造装置を用いて鍛造された成形品をも示すものであり、その概略の形状は、従来の鍛造成形品と同様であるので、その説明は省略する。
【0031】
図5は、上記本発明に係る方法により成形した図3における鍛造成形品(以下、「発明成形品」と言う)の溝の精度を実測値で表したものである。図5の横軸xおよび縦軸yは、図6において図4を参照して説明した数値と同様である。すなわち、図4は、図5の横軸xおよび縦軸yの定義を説明するための図である。図4において、sは基準点であり、tは計測位置である。そして、xは計測位置tにおける基準点sからの距離を表しており、yは計測位置tにおける基準点sからの溝立ち上り部93aの傾き量を表している。
図5に示すように最大の倒れ量yは、B地点において約10μmであり、従来技術による鍛造成形品の最大倒れ量約100μmに比し、大幅に低減されている。最大倒れ量の目標値は、A地点およびB地点ともに50μm以下であるので、目標値内に収まっている。さらに、発明成形品の最大倒れ量に関するA地点とB地点の差は、ほとんどなくなっている。このように、発明成形品は良好な精度を達成しており、溝立ち上り部93aを機械加工することは不要となる。なお、従来方法による成形品の溝立ち上り部93aを機械加工することは非常に時間が掛かり、品質管理も容易ではなかった。
【0032】
以上のように、複数の押圧保持手段でワークWを押圧保持しながら、金型の上型部と下型部により成形するので、欠肉の無い精度の高い成形品を鍛造することが可能となる。そのため、ワークWを鍛造成形した後に別工程で機械加工を行うことや、そのための加工装置が不要となることにより、設備コストを削減することができるとともに、製造工程を短縮化することができる。
【0033】
また、上記装置においては、ワークWの両端面に凹凸形状を形成するようにパンチ、押圧保持手段が構成されていたが、上パンチ側のみに凹凸形状を形成するものでも同様の効果を生じる。本発明方法および装置に係る鍛造は、鍛造素材への加熱の有無や、加熱温度等に拘わらず、各種の条件下で行うことが可能である。すなわち、本発明方法および装置は、冷間鍛造だけでなく、熱間鍛造に対しても、有利に適用され得る。
【0034】
本発明により、特に点対称ではない凹凸形状をワーク端面に形成する場合、第1外力と独立した第2外力をワーク端面に加えて押圧保持することにより、ワーク端面の内部応力が均等化され、金型キャビティ内で偏りの無い塑性流動を生じさせることが可能となる。すなわち、塑性流動したワーク材料は、従来よりも均一な内部応力で流動性も均一化されて金型キャビティ内の隅々にまで充填される。こうして、欠肉等の不良を伴うことなく、鍛造成形品の寸法精度を向上させることが可能となり、ワークの機械加工工程を極力低減することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【0035】
【図1】本発明に係る鍛造方法および鍛造装置を説明するための図である。
【図2】図1の上パンチの拡大断面図である。
【図3】ワークを鍛造した鍛造成形品を表す図であり、(a)は成形品をX方向から視た図、(b)は成形品の断面図、(c)は成形品をY方向から視た図である。
【図4】図3の溝部の拡大断面図である。
【図5】本発明に係る方法による鍛造成形品の精度を実測値により表した図である。
【図6】従来方法による鍛造成形品の精度を実測値により表した図である。
【図7】本発明に係る方法による鍛造成形品の外観図である。
【図8】従来方法による鍛造成形品の外観図である。
【図9】従来の鍛造方法を説明するための図である。
【符号の説明】
【0036】
1 上パンチ
2 下パンチ
3 ダイス
4 第1押圧保持手段
5 第2押圧保持手段
6 第3押圧保持手段
【出願人】 【識別番号】000004260
【氏名又は名称】株式会社デンソー
【出願日】 平成18年10月4日(2006.10.4)
【代理人】 【識別番号】100099759
【弁理士】
【氏名又は名称】青木 篤

【識別番号】100092624
【弁理士】
【氏名又は名称】鶴田 準一

【識別番号】100102819
【弁理士】
【氏名又は名称】島田 哲郎

【識別番号】100133008
【弁理士】
【氏名又は名称】谷光 正晴


【公開番号】 特開2008−87063(P2008−87063A)
【公開日】 平成20年4月17日(2008.4.17)
【出願番号】 特願2006−273089(P2006−273089)