(57)【要約】【課題】欠肉を抑制し、かつ、歩留りの低下を抑制できる円形材の製造方法を提供する。【解決手段】円形材の製造方法は、初期圧下工程と、拘束工程と、押し上げ工程と、最終圧下工程と、を含む。初期圧下工程では、円形材に成形される円柱素材５を第１下型３に載置し、円柱素材５の上面を上型２で圧下することにより円柱素材５を半径方向に変形させる。拘束工程では、半径方向に変形している円柱素材５の外周面５Ａを上型２の側壁部２３に当て、円柱素材５の半径方向の変形を拘束する。押し上げ工程では、拘束工程の開始後、上型２による円柱素材５の上面の圧下を停止させ、第１下型３よりも円柱素材５の半径方向外側に配置された第２下型４で、円柱素材５の縁部５Ｂの下面を上方に向けて加圧し、円柱素材５の縁部５Ｂを押し上げる。最終圧下工程では、押し上げ工程の終了後、上型２による円柱素材５の上面の圧下を再開し、上型２を下死点に到達させる。【選択図】図５
2020163441.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
円形材の製造方法であって、
前記円形材に成形される円柱素材を第１下型に載置し、前記円柱素材の上面を上型で圧下することにより前記円柱素材を半径方向に変形させる初期圧下工程と、
前記半径方向に変形している前記円柱素材の外周面を前記上型の側壁部に当て、前記円柱素材の半径方向の変形を拘束する拘束工程と、
前記拘束工程の開始後、前記上型による前記円柱素材の上面の圧下を停止させ、前記第１下型よりも前記円柱素材の半径方向外側に配置された第２下型で、前記円柱素材の縁部の下面を上方に向けて加圧し、前記円柱素材の縁部を押し上げる押し上げ工程と、
前記押し上げ工程の終了後、前記上型による前記円柱素材の上面の圧下を再開し、前記上型を下死点に到達させる最終圧下工程と、を備える円形材の製造方法。
【請求項２】
請求項１に記載の円形材の製造方法であって、
前記最終圧下工程では、
前記第２下型を下死点に到達させた後、前記上型による前記円柱素材の上面の圧下を再開し、前記上型を下死点に到達させる、円形材の製造方法。
【請求項３】
請求項１に記載の円形材の製造方法であって、
前記最終圧下工程では、
前記第２下型を前記上型と同時に下死点に到達させる、円形材の製造方法。
【請求項４】
請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の円形材の製造方法であって、
前記押し上げ工程では、
前記第２下型が前記円柱素材の縁部を上方に向けて変形させる、円形材の製造方法。
【請求項５】
請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の円形材の製造方法であって、
前記第２下型は、前記第１下型に加圧装置を介して取り付けられている、円形材の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、円形材の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
鉄道用車輪、ギア及びリングに代表される円形材は、例えば、次のとおり製造される。
【０００３】
初めに、円柱素材（ビレット）を加熱する。加熱された円柱素材に対して荒地成形加工を実施して、中間品（鍛造荒地）を製造する。荒地成形加工では、１回又は複数回の鍛造を実施する。鍛造荒地に対して、仕上圧延及び仕上鍛造等を実施して、円形材を製造する。仕上鍛造後の円形材に対して、必要に応じて、熱処理及び機械加工を実施する。
【０００４】
このような円形材では、円形材の中心軸に沿った断面がＨ形状であることが多い。Ｈ形状の断面を有する円形材を据込鍛造する場合、円柱素材を大きく変形させる必要があるため、材料が金型の隅々まで流動せず、鍛造荒地に欠肉が生じることがある。鍛造荒地の欠肉を抑制するため、円柱素材の体積を増加させれば、荒地成形加工後に大量のバリが生じ、歩留りが低下する。
【０００５】
円形材の欠肉を抑制する方法は、例えば、国際公開第０１／７７３９８号（特許文献１）に開示されている。
【０００６】
特許文献１に開示される方法では、アルミニウム合金丸棒を鍛造し、所定の高さの羽根部を有するスクロール部品を製造する。鍛造により羽根部に材料を流動させ、羽根部が成長している途中で、羽根部の先端に成長方向とは反対方向に背圧を付与する。これにより、鍛造中の羽根部へのメタルフロー量がバラつかずに均一となり、製品であるスクロール部品の羽根部の高さが均一になる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】国際公開第０１／７７３９８号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、特許文献１の方法では、円形材を圧下する方向の端（特許文献１では羽根部の先端）のメタルフローを制御し、材料の充満性を向上させることは出来ても、圧下する方向と反対方向の端の材料の充満性を向上させることはできない。Ｈ形状の断面を有する円形材の場合、鍛造の際に材料を圧下方向の端だけでなく、圧下方向と反対方向の端にも流動させる必要がある。そのため、特許文献１の方法では、Ｈ形状の断面を有する円形材の圧下方向と反対方向の隅領域の欠肉を抑制することは難しい。
【０００９】
本開示の目的は、欠肉を抑制し、かつ、歩留りの低下を抑制できる円形材の製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本開示の円形材の製造方法は、初期圧下工程と、拘束工程と、押し上げ工程と、最終圧下工程と、を含む。初期圧下工程では、円形材に成形される円柱素材を第１下型に載置し、円柱素材の上面を上型で圧下することにより円柱素材を半径方向に変形させる。拘束工程では、半径方向に変形している円柱素材の外周面を上型の側壁部に当て、円柱素材の半径方向の変形を拘束する。押し上げ工程では、拘束工程の開始後、上型による円柱素材の上面の圧下を停止させ、第１下型よりも円柱素材の半径方向外側に配置された第２下型で、円柱素材の縁部の下面を上方に向けて加圧し、円柱素材の縁部を押し上げる。最終圧下工程では、押し上げ工程の終了後、上型による円柱素材の上面の圧下を再開し、上型を下死点に到達させる。
【発明の効果】
【００１１】
本開示の円形材の製造方法によれば、欠肉を抑制し、かつ、歩留りの低下を抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】図１は、第１実施形態の鍛造装置の鉛直方向に沿った片側断面図である。
【図２】図２は、円柱素材を鍛造装置に配置した状態を示す片側断面図である。
【図３】図３は、円柱素材の半径方向の変形を拘束している状態を示す片側断面図である。
【図４】図４は、第２下型で円柱素材の縁部の下面を押し上げる前の状態を示す片側断面図である。
【図５】図５は、第２下型で円柱素材の縁部の下面を押し上げている状態を示す片側断面図である。
【図６】図６は、上型が下死点に到達した状態を示す片側断面図である。
【図７】図７は、円形材の中心軸に沿った断面図である。
【図８】図８は、一般的な円形材の製造方法を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
まず、円形材について説明する。図７は、円形材５０の中心軸に沿った断面図である。円形材５０は、概略円形の外形を有する。円形材５０は、中央部５１と、縁部５２と、を含む。
【００１４】
中央部５１は、円形材５０の中心軸Ｃ２から所定の距離の範囲の部分である。縁部５２は、円形材５０の半径方向において、中央部５１の外側に位置する部分である。
【００１５】
円形材５０の中心軸Ｃ２に沿った断面視で、縁部５２は中央部５１の表面及び裏面の双方から突出しており、その肉厚は中央部５１よりも厚い。すなわち、円形材５０はＨ形状の断面を有する。
【００１６】
このような形状の円形材５０の一般的な製造方法について説明する。図８は、一般的な円形材の製造方法を示す断面図である。円形材は、概略円柱形状を有する円柱素材５を上型１０１及び下型１０３を用いて鍛造することによって製造される。円柱素材５を上型１０１で圧下すると、材料が半径方向に流動し、円柱素材５の縁部５Ｂが上型１０１の側壁部１０２に当たる。さらに上型１０１による圧下を進めると、側壁部１０２に当たった縁部５Ｂは、側壁部１０２によって下方（下型１０３側）に引きずられる。したがって、縁部５Ｂの上方（上型１０１側）の隅領域Ａ１、Ａ２に材料が充満しにくく、製造された円形材に欠肉が生じやすい。特に、上型１０１の隅領域Ａ１、Ａ２のうち、円形材の中心軸に近い方の隅領域Ａ１は、材料の流動方向に対して負角となる位置にあるため材料が充満しにくい。
【００１７】
本発明者らは、円形材の縁部の欠肉を抑制する方法を検討した。その結果、本発明者らは、上型１０１の隅領域Ａ１、Ａ２に材料を強制的に充満させることができれば、円形材の縁部の欠肉が抑制されると考えた。本実施形態の円形材の製造方法は、このような検討に基づく。
【００１８】
（１）本実施形態の円形材の製造方法は、初期圧下工程と、拘束工程と、押し上げ工程と、最終圧下工程と、を含む。初期圧下工程では、円形材に成形される円柱素材を第１下型に載置し、円柱素材の上面を上型で圧下することにより円柱素材を半径方向に変形させる。拘束工程では、半径方向に変形している円柱素材の外周面を上型の側壁部に当て、円柱素材の半径方向の変形を拘束する。押し上げ工程では、拘束工程の開始後、上型による円柱素材の上面の圧下を停止させ、第１下型よりも円柱素材の半径方向外側に配置された第２下型で、円柱素材の縁部の下面を上方に向けて加圧し、円柱素材の縁部を押し上げる。最終圧下工程では、押し上げ工程の終了後、上型による円柱素材の上面の圧下を再開し、上型を下死点に到達させる。
【００１９】
本実施形態の円形材の製造方法では、円柱素材の半径方向の変形を拘束した後、円柱素材の外周面から所定の距離の部分である縁部を第２下型が下方から上方に向けて加圧し，強制的に縁部の材料を押し上げる。そのため、円柱素材の材料が上型の隅領域に充満しやすくなり、欠肉が抑制される。その結果、円柱素材の体積を大きくする必要がなく、歩留りも向上する。
【００２０】
（２）上記（１）の円形材の製造方法において、最終圧下工程では、第２下型を下死点に到達させた後、上型による円柱素材の上面の圧下を再開し、上型を下死点に到達させるのが好ましい。
【００２１】
このような円形材の製造方法では、最終圧下工程で上型が円柱素材を圧下している間、第２下型が円柱素材から離れている。そのため、第２下型と他の金型との隙間がそもそも存在せず、円柱素材の材料が第２下型と他の金型との隙間に流動し、バリが発生することが抑制される。
【００２２】
（３）上記（１）の円形材の製造方法において、最終圧下工程では、第２下型を上型と同時に下死点に到達させるのが好ましい。
【００２３】
このような円形材の製造方法では、最終圧下工程において上型が下死点に到達するまでの間、第２下型が円柱素材の縁部を下方から上方に向けて加圧し続ける。これにより、下型の隅領域にも材料が充満しやすくなり、下型の隅領域の欠肉も抑制される。
【００２４】
（４）上記（１）〜（３）のいずれかの円形材の製造方法において、押し上げ工程では、第２下型が円柱素材の縁部を上方に向けて変形させるのが好ましい。
【００２５】
このような円形材の製造方法では、円柱素材の材料が上型の隅領域に強制的に流し込まれるため、円形材の欠肉がさらに抑制される。
【００２６】
（５）上記（１）〜（４）のいずれかの円形材の製造方法において、第２下型は、第１下型に加圧装置を介して取り付けられているのが好ましい。
【００２７】
以下、図面を参照して本開示の実施の形態を詳しく説明する。図中同一又は相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。
【００２８】
＜第１実施形態＞
［鍛造装置１］
まず、第１実施形態の円形材の製造方法で用いる鍛造装置について説明する。図１は、第１実施形態の鍛造装置１の鉛直方向に沿った片側断面図である。鍛造装置１は、上型２と、第１下型３と、第２下型４と、を含む。
【００２９】
上型２は、鉛直方向に移動可能であり、図示しないラムに取り付けられる。上型２は、上中央部２１と、上凹部２２と、側壁部２３と、を含む。
【００３０】
上中央部２１は、鍛造装置１の中心軸Ｃ１から所定の範囲の距離の部分であり、製造される円形材の中央部に対応する形状を有する。
【００３１】
上凹部２２は、上中央部２１よりも鍛造装置１の半径方向の外側に配置される。上凹部２２は、上中央部２１よりも上方に凹んでおり、円形材の縁部に対応する形状を有する。
【００３２】
側壁部２３は、上凹部２２よりも鍛造装置１の半径方向の外側に配置される。側壁部２３は、上凹部２２から上中央部２１よりも下方の位置まで延びており、製造される円形材の外周面に対応する形状を有する。
【００３３】
第１下型３は、上下方向（圧下方向）において上型と対向し、図示しないボルスタプレートに固定される。第１下型３は、下中央部３１と、下凹部３２と、を含む。
【００３４】
下中央部３１は、鍛造装置１の中心軸Ｃ１から所定の範囲の距離の部分であり、圧下方向において上中央部２１と対向する。下中央部３１は、円形材の中央部に対応する形状を有する。
【００３５】
下凹部３２は、下中央部３１よりも鍛造装置１の半径方向の外側に配置され、圧下方向において上凹部２２と対向する。
【００３６】
第２下型４は、第１下型３の下凹部３２に収容可能に配置される。第２下型４は、円形材の縁部に対応する形状を有する。第２下型４は、下凹部３２に加圧装置１２を介して取り付けられる。加圧装置１２は、例えば、油圧シリンダである。
【００３７】
［製造方法］
続いて、上述の鍛造装置１を用いた第１実施形態の円形材の製造方法について説明する。円形材の製造方法は、加熱工程と、初期圧下工程と、拘束工程と、押し上げ工程と、最終圧下工程と、を含む。以下、図２〜図６を参照して各工程について説明する。
【００３８】
［加熱工程］
初めに、概略円柱形状を有する円柱素材５を図示しない加熱炉で加熱する。円柱素材５の材質は、例えば、鋼からなるビレットである。円柱素材５のサイズは特に限定されず、製造する円形材のサイズに合わせて適宜設定される。また、円柱素材５の加熱温度は特に限定されず、円柱素材５の材質、加工量等によって適宜設定される。
【００３９】
［初期圧下工程］
図２を参照して、初期圧下工程では、まず、加熱された円柱素材５を第１下型３の下中央部３１に載置する。次に、上型２を下降させ、上型２の上中央部２１で円柱素材５の上面を圧下する。円柱素材５のうち上型２で圧下された部分の材料は、半径方向外側に向かって流動し、円柱素材５が変形する。
【００４０】
［拘束工程］
図３を参照して、円柱素材５の半径方向の延長線上には、上型２の側壁部２３が存在する。そのため、円柱素材５の半径方向外側への変形が所定量に達すると、円柱素材５の外周面５Ａが側壁部２３に当接する。これにより、円柱素材５の半径方向外側への変形が拘束される。この側壁部２３による拘束は、上型２が下死点に到達するまで続く。
【００４１】
［押し上げ工程］
図４を参照して、円柱素材５の外周面５Ａが側壁部２３に当接した後、すなわち円柱素材５の半径方向の変形の拘束を開始した後、上型２の下降を停止する。上型２の停止に際し、円柱素材５と側壁部２３とが当接したか否かの判定は、例えば、側壁部２３に設けた温度センサで検知してもよいし、圧力センサで検知してもよいし、予めシミュレーション等で当接するタイミングを予想していてもよい。
【００４２】
図５を参照して、上型２の下降を停止した後、加圧装置１２を操作し、第１下型３の下凹部３２に収容していた第２下型４を上昇させる。第２下型４が所定距離上昇すると、第２下型４は円柱素材５の縁部５Ｂの下面に当接する。円柱素材５の縁部５Ｂは、円柱素材５のうち上型２の上中央部２１及び第１下型３の下中央部３１よりも半径方向外側にはみ出している部分をいう。
【００４３】
第２下型４の上昇は、第２下型４と円柱素材５の縁部５Ｂとが当接した後も継続される。これにより、円柱素材５の縁部５Ｂが第２下型４によって加圧され、上方に持ち上げられる。縁部５Ｂが持ち上げられると、上型２の上凹部２２に縁部５Ｂの材料が流入する。第２下型４と円柱素材５の縁部とが当接してから第２下型４を所定距離上昇させた後、第２下型４の上昇を停止する。第２下型４を上昇させる距離は、特に限定されず、上凹部２２の深さ等に基づいて適宜設定される。
【００４４】
［最終圧下工程］
図６を参照して、第２下型４の上昇を停止した後、加圧装置１２を操作し、第２下型４を下降させ、第１下型３の下凹部３２に収容する。すなわち、第２下型４を下死点に到達させる。第２下型４を下凹部３２に収容した後、再び上型２を下降させ、下死点に到達させる。これにより、円柱素材５が更に圧下され、材料が上型２、第１下型３及び第２下型４で形成される空間に充満する。上型２が下死点に到達すると、鍛造が終了し、円形材５０が得られる。なお、最終圧下工程で製造される鍛造品は、製品である円形材５０であってもよいし、鍛造荒地であってもよい。鍛造荒地の場合、最終圧下工程後に鍛造荒地に仕上げ鍛造、機械加工等を施し、円形材とする。
【００４５】
［効果］
第１実施形態の円形材の製造方法では、押し上げ工程において第２下型４が円柱素材５の縁部５Ｂを上方に持ち上げる。そのため、縁部５Ｂの材料が上方に流動し、上型２の上凹部２２に充満しやすい。これにより、鍛造中に上型２の上凹部２２の隅領域にも材料が行き渡りやすくなり、製造された製品の欠肉が抑制される。
【００４６】
第１実施形態の円形材の製造方法では、上型２が下死点に到達する前に、第２下型４が下死点に到達する。そのため、上型２が下死点に到達するまで、材料が第２下型４と第１下型３との隙間又は第２下型４と上型２の側壁部２３との隙間に流入することがなく、バリの発生が抑制される。
【００４７】
第１実施形態の円形材の製造方法では、第２下型４が上下方向に可動できるため、第２下型４は円柱素材５の縁部５Ｂを持ち上げることができるとともに、第１下型３の下凹部３２に収容された後は円形材を成形する金型としての役割も果たすことができる。これにより、第１実施形態の製造方法を、１つの鍛造装置によって実施することができ、製造効率が高まる。
【００４８】
＜第２実施形態＞
続いて、第２実施形態の円形材の製造方法について説明する。第２実施形態の円形材の製造方法では、上述の第１実施形態の鍛造装置１を用いる。
【００４９】
第２実施形態の円形材の製造方法では、最終圧下工程において、第２下型４と上型２とが同時に下死点に到達する点が第１実施形態と異なる。
【００５０】
第２実施形態の最終圧下工程では、第２下型４の上昇を停止した後、第２下型４を下降させずに上型２を下降させる。上型２が下降すると、上型２によって円柱素材５が下方に向けて押される。円柱素材５が下方に押されることで、第２下型４も下方に向けて押され、上型２と連動して下降し、上型２が下死点に到達すると同時に第２下型４も下死点に到達する。ただし、上型２が下降している際、第２下型４は円柱素材５の縁部５Ｂの下面に、上型２の圧下力よりも弱い力を加えるように加圧装置１２を設定する。
【００５１】
このような第２実施形態の円形材の製造方法によれば、上型２が圧下を再開してからから下死点に到達するまでの間、第２下型４が円柱素材５の縁部５Ｂの下面を上方に押し続ける。そのため、下型の隅領域にも材料が充満しやすくなり、欠肉がさらに抑制される。
【００５２】
以上、本実施形態の円形材の製造方法について説明した。その他、本開示は上記の実施形態に限定されず、本開示の趣旨を逸脱しない範囲で、種々の変更が可能であることは言うまでもない。
【００５３】
例えば、円柱素材がビレットである場合について説明したが、円柱素材はこれに限定されず、ビレットを予成形したものであってもよい。円柱素材を予成形することで、円柱素材の体積が適切に配分される。このような円柱素材を鍛造することで、金型への材料の充満性が向上し、円形材の欠肉がさらに抑制される。
【００５４】
例えば、上述の各実施形態では、熱間鍛造によって円形材を製造する場合について説明したが、本開示の円形材の製造方法はこれに限定されず、冷間鍛造によって円形材を製造する場合にも適用できる。この場合、上述の各実施形態における加熱工程は省略される。
【符号の説明】
【００５５】
１：鍛造装置
２：上型
３：第１下型
４：第２下型
５：円柱素材
５Ａ：外周面
５Ｂ：縁部
１２：加圧装置
２１：上中央部
２２：上凹部
２３：側壁部
３１：下中央部
３２：下凹部
【図１】
2020163441.tif 000003
【図２】
2020163441.tif 000004
【図３】
2020163441.tif 000005
【図４】
2020163441.tif 000006
【図５】
2020163441.tif 000007
【図６】
2020163441.tif 000008
【図７】
2020163441.tif 000009
【図８】
2020163441.tif 000010