(57)【要約】  【課題】  被加工物との接触面に凸部を有するセラミック型を金具の内側に嵌め合わせた上型を用いた鍛造型において、鍛造時に凸部に掛かる大きな応力によって接触面と反対の面に引っ張り応力が作用しても、セラミック型に亀裂や破損を生じることのない鍛造型を提供する。  【解決手段】  被加工材を載置する下型９と、被加工材との接触面６に断面形状が曲面状の凸部４を有するセラミック型２を金具３の内側に嵌め合わせた上型８とからなり、セラミック型２は、接触面６と反対側の面７に凸部４と対応する断面形状が曲面状の凹部５を有する鍛造型１である。これによれば、鍛造時に凸部４に掛かる大きな応力によって接触面６と反対の面７に引っ張り応力が作用しても、凸部４と対応する断面形状が曲面状の凹部５を有しているので、掛かる引っ張り応力を分散し、セラミック型に亀裂や破損を生じることが少なく、長期間にわたって安定した鍛造品を得ることができる。【選択図】  図１
2010029902.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被加工材を載置する下型と、前記被加工材との接触面に断面形状が曲面状の凸部を有するセラミック型を金具の内側に嵌め合わせた上型とからなり、前記セラミック型は、前記接触面と反対側の面に前記凸部と対応する断面形状が曲面状の凹部を有することを特徴とする鍛造型。
【請求項２】
前記凸部および前記凹部が球面状であることを特徴とする請求項１に記載の鍛造型。
【請求項３】
前記凸部および前記凹部が同じ曲率半径を有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の鍛造型。
【請求項４】
前記セラミック型の前記接触面と反対側の面が金具と接触しない開放面であることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の鍛造型。
【請求項５】
前記セラミック型は、前記接触面に向けて径が小さくなっていることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の鍛造型。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属からなる被加工材を加圧して目的の形状とする鍛造加工に用いられる鍛造型に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、金属からなる被加工材を加圧して目的の形状とする鍛造加工が行なわれており、鍛造温度によって熱間鍛造，温間鍛造，冷間鍛造と呼ばれている。また、鍛造は、自由鍛造と鍛造型を用いる型鍛造の２種類があり、型鍛造は車などの部品を大量生産するのに適している。
【０００３】
図３は、従来の鍛造型を用いた熱間鍛造による自動車用エンジンバルブの鍛造方法を示す、（ａ）は鍛造型に被加工材をセットした状態の断面図であり、（ｂ）はセットした被加工材を加圧して鍛造している状態の断面図である。
【０００４】
図３に示すように、鍛造型10は、ダイス鋼等からなる上型11と下型12とから構成されている。この鍛造型10を用いた鍛造方法によれば、図３（ａ）のように予め高温に加熱され硬度が低下した金属からなる被加工材13を下型12にセットし、図３（ｂ）のように、上型11により被加工材13を加圧することによって、被加工材13が上型11および下型12の接触面の形状となり、自動車用エンジンバルブを得られる。
【０００５】
しかしながら、近年の高性能化や軽量化の要求に応えるために、自動車用エンジンバルブに限らず、鍛造が困難な種々の材料を扱うようになってきたことから、鍛造型が急激に磨耗し鍛造型の寿命が短いという問題が生じていた。
【０００６】
また、熱間鍛造では加工を繰り返すと、鍛造型の表面にヒートクラックが発生して成長し、鍛造型の表面が徐々に荒れていくため一定回数加工したところで鍛造型を交換せざるを得ず、生産性が低下するという問題があった。
【０００７】
このような問題に対して、被加工材13と接触する部分にセラミック型を用いた鍛造型として、特許文献１において図４に示すものが提案されている。
【０００８】
図４は、特許文献１で提案されているセラミック型を用いた鍛造型の断面図である。
【０００９】
この鍛造型20は、それぞれセラミック型15,17を金属ケース14,16により締め付けて支持した上型21と下型22とから構成されている。そして、実施例にはセラミック型に窒化珪素を用いたものが示されており、これによれば、セラミックの特性を効果的に活かした有用な鍛造型とすることができるというものである。
【特許文献１】特開平６−122034号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、特許文献１に記載の鍛造型20は、被加工材と接触する部分にセラミック型を用いているので、耐熱性および耐磨耗性に優れているものの、上型21のセラミック型15の被加工材との接触面に凸部を有するような構造では、鍛造時に凸部に掛かる大きな応力によって被加工材の接触面と反対の面に引っ張り応力が作用し、セラミック型15に亀裂が発生したり、ひどい場合には型のセラミック部分が破損したりするという問題があった。
【００１１】
本発明は、上記課題を解決すべく案出されたものであり、被加工物との接触面に凸部を有するセラミック型を金具の内側に嵌め合わせた上型を用いた鍛造型において、鍛造時に凸部に掛かる大きな応力によって接触面と反対の面に引っ張り応力が作用しても、セラミック型に亀裂や破損を生じることのない鍛造型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】
【００１２】
本発明の鍛造型は、被加工材を載置する下型と、前記被加工材との接触面に断面形状が曲面状の凸部を有するセラミック型を金具の内側に嵌め合わせた上型とからなり、前記セラミック型は、前記接触面と反対側の面に前記凸部と対応する断面形状が曲面状の凹部を有することを特徴とするものである。
【００１３】
また、本発明の鍛造型は、前記凸部および前記凹部が球面状であることを特徴とするものである。
【００１４】
また、本発明の鍛造型は、前記凸部および前記凹部が同じ曲率半径を有することを特徴とするものでる。
【００１５】
また、本発明の鍛造型は、前記セラミック型の前記接触面と反対側の面が金具と接触しない開放面であることを特徴とするものである。
【００１６】
また、本発明の鍛造型は、前記セラミック型が前記接触面に向けて径が小さくなっていることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の鍛造型によれば、被加工材を載置する下型と、被加工材との接触面に断面形状が曲面状の凸部を有するセラミック型を金具の内側に嵌め合わせた上型とからなり、セラミック型は、接触面と反対側の面に凸部と対応する断面形状が曲面状の凹部を有することにより、鍛造時に凸部に掛かる大きな応力によって接触面と反対の面に引っ張り応力が作用しても、凸部と対応する断面形状が曲面状の凹部を有しているので、掛かる引っ張り応力を分散し、セラミック型に亀裂や破損を生じることが少ないので長期間にわたって安定した鍛造品を得ることができる。
【００１８】
また、本発明の鍛造型は、凸部および凹部が球面状であるときには、曲面状であるときよりも、掛かる引っ張り応力を分散させることができるので、より高い鍛造の圧力にも耐え得る鍛造型となり、鍛造の困難な材料を扱うことが可能となる。
【００１９】
また、本発明の鍛造型は、凸部および凹部が同じ曲率半径を有するときには、鍛造時に凸部に掛かる大きな応力によって接触面と反対の面に掛かる引っ張り応力を均一化することができるので、曲面の一部に応力が集中して亀裂や破損が生じることを防止できる。
【００２０】
また、本発明の鍛造型は、セラミック型の接触面と反対側の面が金具と接触しない開放面であるときには、セラミック型を金具の内側に焼き嵌めしやすく、かつ凸部に掛かる応力によっても嵌め合いが緩むことがないので、繰り返し鍛造しても鍛造型に破損等の不具合が生じにくいので、鍛造型の寿命は長くなり、鍛造型の交換頻度が少ないので従来よりも生産効率を向上させることができる。
【００２１】
また、本発明の鍛造型は、セラミック型が接触面に向けて径が小さくなっているときには、特に熱間鍛造において、鍛造加工中に被加工材とセラミック型が強固に密着するという現象が生じたときに、接触面に向けてセラミック型の径が小さくなっていることによって、被加工材とセラミック型との密着力によって、金具からセラミック型が外れるおそれが少なくなり、長期間にわたって安定した鍛造品を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、本発明の鍛造型の実施の形態について説明する。
【００２３】
図１は、本発明の鍛造型の実施の形態の一例を示す概略断面図である。
本発明の鍛造型１は、被加工材を載置する下型９と、被加工材との接触面６に断面形状が曲面状の凸部４を有するセラミック型２を金具３の内側に嵌め合わせた上型８とからなり、セラミック型２は、接触面６と反対側の面７に凸部４と対応する断面形状が曲面状の凹部５を有している。このような構造の鍛造型１であることにより、鍛造時に凸部４に掛かる大きな応力によって接触面６と反対の面７に引っ張り応力が作用しても、凸部４と対応する断面形状が曲面状の凹部５を有しているので、掛かる引っ張り応力を分散し、セラミック型に亀裂や破損を生じることがないので長期間にわたって安定した鍛造品を得ることができる。
【００２４】
また、本発明の鍛造型１は、凸部４および凹部５が球面状であることが好ましい。鍛造時に凸部４に掛かる大きな応力によって接触面６と反対の面７に引っ張り応力が作用しても、凸部４と対応する断面形状が曲面状の凹部５を有していれば、掛かる引っ張り応力を分散することができるが、凸部４および凹部５が球面状であるときには、曲面状であるときよりも、掛かる引っ張り応力を分散させることができるので、より高い鍛造圧力にも耐え得る鍛造型１となり、鍛造の困難な材料を扱うことが可能となる。
【００２５】
また、本発明の鍛造型１は、凸部４および凹部５が同じ曲率半径を有していることが好ましい。凸部４および凹部５が同じ曲率半径を有しているときには、鍛造時に凸部４に掛かる大きな応力によって接触面６と反対の面７に掛かる引っ張り応力を均一化することができるので、曲面の一部に応力が集中して亀裂や破損が生じることを防止できる。
【００２６】
また、本発明の鍛造型１は、セラミック型２の接触面６と反対側の面７が金具３と接触しない開放面であることが好ましい。図４に示す特許文献１の鍛造型20のように、セラミック型15が金属ケース14に締め付けて支持され、被加工材との接触面のみが開放された構造では、金属ケース14にセラミック型15を嵌め込みにくく、セラミック型15の側面と接触面６と反対側の面７とに掛かる応力の違いから金属ケース14とセラミック型15との嵌め合いに緩みが生じやすい。これに対し、本発明の鍛造型１は、セラミック型２の接触面６と反対側の面７が金具３と接触しない開放面であることによって、セラミック型２を金具３の内側に焼き嵌めしやすく、かつ凸部４に繰り返し掛かる応力によっても嵌め合いが緩むことがないので、繰り返し鍛造しても鍛造型１に破損等の不具合が生じにくいので、鍛造型１の寿命は長くなり、鍛造型１の交換頻度が少ないので従来よりも生産効率を向上させることができる。
【００２７】
なお、本発明の鍛造型１のセラミック型２の形状としては、三角柱，四角柱などの多角形状であってもよいが、円柱形状であることがより好ましい。円柱形状であれば、角部がないので金具３への嵌め込みが容易であり、かつ中心から外周までの距離が均等なので、鍛造時に金具３とセラミック型２との接触面に掛かる応力を接触面全体に分散させることができるので、金具３との嵌め合い部の緩みなどの不具合を起こりにくくすることが可能となる。また角部が存在しないので、応力集中が生じにくく、応力集中により発生する亀裂や破損を生じることが少ない。
【００２８】
図２は、本発明の鍛造型の実施の形態の他の一例を示す概略断面図である。
【００２９】
図２に示す例のように、本発明の鍛造型１は、セラミック型２が接触面６に向けて径が小さくなっていることが好ましい。従来の鍛造型では、特に熱間鍛造において、鍛造加工中に被加工材とセラミック型２が強固に密着するという現象が生じたときに、セラミック型２が金具３から外れるおそれがあったが、本発明のように接触面６に向けてセラミック型２の径が小さくなっていることによって、被加工材とセラミック型２との密着力によって、金具３からセラミック型２が外れるおそれが少なくなり、長期間にわたって安定した鍛造品を得ることができる。
【００３０】
また、金具３は従来のダイス鋼（ＳＫＤ，ＳＫＴ）やＪＩＳ  Ｈ  3250−2006に記載されている銅合金（Ｃ3712Ｂ，Ｃ3771Ｂ）などを用いることが可能である。また、セラミック型２は、アルミナ質焼結体，ジルコニア質焼結体，炭化珪素質焼結体や窒化珪素質焼結体等を用いることができるが、その中でも窒化珪素質焼結体からなることが好ましい。窒化珪素質焼結体は、針状の微細結晶からなり高強度かつ耐磨耗性に優れており、これを本発明の鍛造型１のセラミック型２として用いれば、長期間にわたって安定した鍛造品を得ることが可能となるとともに、鍛造型１の長寿命化を図ることができる。
【００３１】
次に、本発明の鍛造型の製造方法の一例を説明する。
まず、金具３を製造する。ダイス鋼のインゴットからφ100ｍｍ，厚さが25ｍｍの円板を切り出し、この切り出した円板に万能研削盤を用いてセラミック型２を嵌め合わせるためのφ50ｍｍの孔加工を施す。その後、必要に応じてボール盤などを用いて鍛造装置に固定するためのネジ穴加工を施すことにより金具３を得ることができる。
【００３２】
なお、図２に示す例の接触面６に向けて径が小さくなっているセラミック型２に嵌め合わせる金具３を製造するには、万能研削盤を用いて円板に孔加工を施す際に、接触面６に向けて径が小さくなるように加工すればよい。
【００３３】
次に、窒化珪素質焼結体からなるセラミック型２を製造する。平均粒径が0.5〜10μｍの市販の窒化珪素１次原料と、所定量の焼結助剤，バインダ，溶媒とを混合してスラリーとした後、噴霧乾燥装置（スプレードライヤー）を用いて噴霧造粒して２次原料を得る。そして、この２次原料を用いて静水圧プレス成形法（ラバープレス）により、円板形状の成形体を成形する。その後、この成形体に必要に応じて切削加工を施し、還元雰囲気炉中で1800〜2100℃の温度で焼成し、必要に応じて研削加工を施して、φ50.4ｍｍ，厚さが26ｍｍの窒化珪素質焼結体からなる円板を得る。そして、円板の片面に曲率半径が50ｍｍ，幅が20ｍｍの凸部４と、その反対面に曲率半径が50ｍｍ，幅が20ｍｍの凹部５を研削加工により形成することにより、セラミック型２を得ることができる。
【００３４】
なお、図２に示す例の接触面６に向けて径が小さくなっているセラミック型２を製造するには、静水圧プレス成形法（ラバープレス）で用いる成形型を所定形状とするか、成形体に切削加工を施すことにより、接触面６に向けて径が小さくなるように加工すればよい。
【００３５】
しかる後、金具３を100〜800℃の温度で加熱して中心の孔を拡張させ、この孔にセラミック型２を締め代0.2ｍｍで焼き嵌めすることにより上型８を得ることができる。
【００３６】
次に、下型９を製造する。ダイス鋼のインゴットからφ100ｍｍ，厚さが50ｍｍの円板を切り出し、この切り出した円板に万能研削盤を用いて製品形状に合わせた所定の加工を施すことにより下型９を得る。
【００３７】
そして、本発明の鍛造型１である上型８および下型９を鍛造装置（図示せず）に取り付け、下型９に被加工材をセットし、上型８により被加工材を加圧することによって、被加工材が上型８および下型９の接触面の形状となり、所定形状の鍛造製品を得ることができる。
【実施例】
【００３８】
以下に本発明の実施例を示すが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
【００３９】
（実施例１）
本発明の実施の形態の一例である、図１に示した鍛造型１を製造した。
まず、金具３を製造するために、ダイス鋼のインゴットからφ100ｍｍ，厚さが25ｍｍの円板を切り出し、この切り出した円板に万能研削盤を用いてセラミック型２を嵌め合わせるためのφ50ｍｍの孔加工を施した。その後、鍛造装置に固定するためのネジ穴加工をボール盤にて施して金具３を得た。
【００４０】
次に、セラミック型２を製造するために、市販の平均粒径が１μｍのＹ２Ｏ３およびＡｌ２Ｏ３を合計で１質量％超えない範囲で含み純度が99〜99.8％で平均粒径が１μｍの窒化珪素１次原料粉末を準備し、この窒化珪素１次原料粉末100質量％に対し、バインダを１質量％，分散剤を0.5質量％以下，溶媒を100質量％加えてスラリーとした後、噴霧造粒装置（スプレードライヤー）にて造粒して２次原料を作製した。そして、この２次原料を用いて静水圧プレス成形法（ラバープレス）により円板形状に成形体を成形した。その後、この成形体に切削加工を施し、還元雰囲気炉中で1900℃の温度で焼成し、得られた焼結体に研削加工を施して、φ50.4ｍｍ，厚さが26ｍｍの窒化珪素質焼結体からなる円板を得た。そして、この円板の片面に曲率半径が50ｍｍ，幅が20ｍｍの曲面状の凸部４と、その反対面に曲率半径が50ｍｍ，幅が20ｍｍの凹部５を研削加工により形成し、セラミック型２を得た。
【００４１】
その後、金具３を500℃まで加熱して中心の孔を拡張させ、この孔にセラミック型２を締め代0.2ｍｍで焼き嵌めすることにより、上型８を得た。
【００４２】
次に、下型９を製造するために、ダイス鋼のインゴットからφ100ｍｍ，厚さが50ｍｍの円板を切り出し、この切り出した円板に万能研削盤を用いて製品形状に合わせた所定の加工を施すことにより下型９を得た。これにより、上型８と下型９とからなる本発明の鍛造型１を得た。
【００４３】
また、凹部５を設けない以外は上記同様の製造方法にてセラミック型を製造し、金具に焼き嵌めて上型を得て、下型と合わせて比較例１の鍛造型を得た。
【００４４】
また、ダイス鋼のインゴットからφ100ｍｍ，厚さが25ｍｍの円板を切り出し、この切り出した円板に万能研削盤を用いてφ50ｍｍ、深さが12.5ｍｍの座繰り穴を形成した金具を製造した。次に、セラミック型２と同様の材質、製造方法にてφ50.4ｍｍ、厚さが26ｍｍの窒化珪素質焼結体からなるセラミック型を製造した。そして、金具の座繰り穴に締め代0.2ｍｍでセラミック型を焼き嵌めし、セラミック型に曲率半径が50ｍｍ，幅が20ｍｍの曲面状の凸部を形成し、上型を得た。そして、下型と合わせて図４に示す被加工材との接触面のみが開放しているセラミック型を用いた比較例２の鍛造型を得た。
【００４５】
次に、本発明の鍛造型１と、凹部５を設けていない比較例１の鍛造型と、被加工材との接触面のみが開放している上型を用いた比較例２の鍛造型の３種類の鍛造型を同型の鍛造装置にそれぞれ取り付け、被加工材を加圧して自動車用エンジンバルブを成形する試験を実施した。試験は、１日（24時間）連続成形を実施し、１日毎にそれぞれの鍛造型のセラミック型に破損や亀裂がないか、セラミック型と金具との間に固定の緩みがないかを確認し、１週間実施した。
【００４６】
その結果、被加工材との接触面のみが開放している上型を用いた比較例２の鍛造型については、３日間でセラミック型と金具との間に緩みが生じ、５日目にセラミック型に破損が生じて途中で試験を中断せざるを得なかった。また、凹部を設けない以外は本発明の鍛造型１と同じ構成とした比較例１の鍛造型については、６日目まで金具とセラミック型との間に緩みは生じなかったかったものの、セラミック型の被加工材との接触面の反対側の面に引っ張り応力が原因で破損したと考えられる亀裂が見られ、それ以降の試験を中断せざるを得なかった。
【００４７】
これに対し、本発明の鍛造型１は、１週間の連続成形においても、セラミック型２と金具３との間に緩みもなく、セラミック型２の被加工材との接触面の反対側の面にも亀裂や破損は見られず、安定して鍛造品を得ることができた。
【００４８】
（実施例２）
次に、実施例１と同様の材質、製造方法にて図１に示す例の本発明の鍛造型１を得た。また、接触面６に向けて径が小さくなっているセラミック型２と、このセラミック型２に嵌め合わせることのできる金具３を製造し、実施例１と同様の下型９と合わせて、図２に示す例の接触面６に向けて径が小さくなっているセラミック型２を用いた本発明の鍛造型１を得た。
【００４９】
そして、これらの本発明の鍛造型１をそれぞれ実施例１と同様の鍛造装置に取り付け、被加工材を加圧して自動車用エンジンバルブを10日間連続成形する試験を実施し、接触面６に向けて径が小さくなっているセラミック型２の効果を確認した。
【００５０】
その結果、図２に示す例の接触面６に向けて径が小さくなっているセラミック型２を用いた本発明の鍛造型１の方がセラミック型２と金具３との間に緩みはほとんど見られず効果があることが確認された。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】本発明の鍛造型の実施の形態の一例を示す概略断面図である。
【図２】本発明の鍛造型の実施の形態の他の一例を示す概略断面図である。
【図３】従来の鍛造型を用いた熱間鍛造による鍛造方法を示す、（ａ）は鍛造型に被加工材をセットした状態の断面図であり、（ｂ）はセットした被加工材を加圧して鍛造している状態の断面図である。
【図４】従来のセラミック型を用いた鍛造型の断面図である。
【符号の説明】
【００５２】
１：鍛造型
２：セラミック型
３：金具
４：凸部
５：凹部
６：接触面
７：接触面と反対側の面
８：上型
９：下型
【図１】
2010029902.tif 000003
【図２】
2010029902.tif 000004
【図３】
2010029902.tif 000005
【図４】
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