(57)【要約】 【課題】  多段熱間鍛造において、据込み加工後の加工形状を予測し、次工程における金型内セット不良による材料のまくれ等による折込みキズ、亀裂等の成形不良を防止する方法を提供する。  【解決手段】  有限要素法を用い、素材の直径Ｄ０と、重量Ｗまたは高さＨ０の一方と、据込み加工後の最大径Ｄ１または端部径Ｄ２の一方とを入力して、据込み加工後の端部径Ｄ２または最大径Ｄ１の一方と、高さＨ１と、素材の端部縁の据込み加工後の端部径Ｄ３とを含む据込み加工形状を予測し、次工程における金型内セット不良を防止し、また素材の端部縁Ａを熱間鍛造後の製品の重要管理部の外部に位置せしめる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
丸棒鋼の熱間鍛造による据込み加工形状を有限要素法により予測する方法であって、素材の直径と、重量または高さの一方と、据込み加工後の最大径または端部径の一方とを入力して、据込み加工後の端部径または最大径の一方と、高さとを含む据込み加工形状の予測方法。
【請求項２】
丸棒鋼の熱間鍛造による据込み加工形状を有限要素法により予測する方法であって、素材の直径と、重量または高さの一方と、据込み加工後の最大径または端部径の一方とを入力して、据込み加工後の端部径または最大径の一方と、高さと、素材の端部縁が据込み加工後に位置する端部径とを含む据込み加工形状の予測方法。
【請求項３】
丸棒鋼の熱間鍛造による据込み加工形状を有限要素法により予測する方法であって、素材の直径と、重量または高さの一方と、据込み加工後の最大径または端部径の一方とを入力して、据込み加工後の端部径または最大径の一方と、高さと、素材の端部縁が据込み加工後に位置する端部径とを含む据込み加工形状を予測し、素材の端部縁を熱間鍛造後の製品の重要管理部の外部に位置せしめる据込み加工方法。
【請求項４】
前記重要管理部が、ベアリングレースの転動部であることを特徴とする請求項３に記載の据込み加工方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱間鍛造製品の成形不良を防止するための据込み加工後の形状予測に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、多段熱間鍛造の工程設計を行なう際には、前工程で据込み加工された加工形状を予測して、次工程における金型を適切な形状に設計するため、または据込み加工品を金型内に適正にセットするために下記の形状予測式（１）（２）を使用して、圧下量（Ｈ０−Ｈ１）から据込み加工後の最大径Ｄ１または逆に据込み加工後の最大径Ｄ１から必要な圧下量（Ｈ０−Ｈ１）を予測していた。
Ｈ１＝Ｗ×（１／Ｄ１２）×（１／γ）×（１／Ｋ）           ・・・（１）
Ｄ１＝｛（Ｗ／Ｈ１）（１／γ）（１／Ｋ）｝１／２            ・・・（２）
Ｈ１：据込み加工後の高さ（ｍｍ）
Ｄ１：据込み加工後の最大径（ｍｍ）
Ｋ：形状係数（Ｋ＝０．０００７３）
γ：素材比重（γ＝７．８５）
Ｗ：素材重量（ｇ）
【０００３】
また、下記の特許文献１には、円柱や６角柱などの基本形状の組み合わせによる３次元形状の認識方法を活用した入力手段と、体積や体積一定の原則に基いて求められる中間工程形状の寸法値および加工率などの熱間鍛造成形の工程設計に必要な技術計算を行なう計算手段と、それら技術計算より求められる値をあらかじめ登録された判断基準値と比較して評価する評価手段と、対話形式で製図を行なう製図手段と、作成された工程レイアウト図面を出力する出力手段からなる圧造機による圧造成形の工程設計支援装置であって、設計者が各工程の形状を入力すると、瞬時に体積および加工率が計算され表示されるとともに、これまでの経験値から求められた判断基準値に基き成形が不可能と判断される場合には警報が出されるものが示されている。
【特許文献１】特開平０６−３４４０６６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、従来の上記の形状予測計算式（１）（２）では、圧下量（Ｈ０−Ｈ１）から据込み加工後の最大径Ｄ１または逆に据込み加工後の最大径Ｄ１から必要な圧下量（Ｈ０−Ｈ１）を予測できるのみであり、また上記特許文献１に記載されている工程設計支援装置では、瞬時に体積および加工率が計算され表示されるとともに、これまでの経験値から求められた判断基準値に基き成形が不可能と判断されるが、据込み加工後の形状を正確に予測するものではなく、据込み加工後の端部径が分からず、従って次工程で被加工材を金型内にどのようにセットさせるかを正確に知ることができず、セット状態が悪いと材料まくれ等による折込みキズになるがそれを事前に予測できず、また鍛造前の素材の端部縁に切断キズが存在する場合は、その部分がベアリングレースの転動部等の重要管理部に位置するか否かを事前に予測することができず、実際に試作して見ないと分からないという問題があった。
【０００５】
本発明は係る問題点に鑑みてなされたものであり、据込み加工において、所定の加工条件を与え据込み加工後の形状を高精度に予測する方法を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を達成するための第１の発明は、丸棒鋼の熱間鍛造による据込み加工形状を有限要素法により予測する方法であって、素材の直径と、重量または高さの一方と、据込み加工後の最大径または端部径の一方とを入力して、据込み加工後の端部径または最大径の一方と、高さとを含む据込み加工形状の予測方法である。
【０００７】
第２の発明は、丸棒鋼の熱間鍛造による据込み加工形状を有限要素法により予測する方法であって、素材の直径と、重量または高さの一方と、据込み加工後の最大径または端部径の一方とを入力して、据込み加工後の端部径または最大径の一方と、高さと、素材の端部縁が据込み加工後に位置する端部径とを含む据込み加工形状の予測方法である。
【０００８】
第３の発明は、丸棒鋼の熱間鍛造による据込み加工形状を有限要素法により予測する方法であって、素材の直径と、重量または高さの一方と、据込み加工後の最大径または端部径の一方とを入力して、据込み加工後の端部径または最大径の一方と、高さと、素材の端部縁が据込み加工後に位置する端部径とを含む据込み加工形状を予測し、素材の端部縁を熱間鍛造後の製品の重要管理部の外部に位置せしめる据込み加工方法である。
【０００９】
第４の発明は、第３の発明において、前記重要管理部がベアリングレースの転動部であることを特徴とする据込み加工方法である。
【発明の効果】
【００１０】
第１の発明は、丸棒鋼の熱間鍛造による据込み加工形状を有限要素法により予測する方法であって、素材の直径と、重量または高さの一方と、据込み加工後の最大径または端部径の一方とを入力して、据込み加工後の端部径または最大径の一方と、高さとを含む据込み加工形状の予測方法であり、第２の発明はさらに素材の端部縁が据込み加工後に位置する端部径を含む据込み加工形状の予測方法であるから、次工程における金型セット時に特に重要な端部径および素材の端部縁が据込み加工後に位置する端部径を精度良く予測でき材料のまくれ等の折込みキズ、亀裂等の成形不良を防止できるという効果がある。
【００１１】
第３の発明は、丸棒鋼の熱間鍛造による据込み加工形状を有限要素法により予測する方法であって、素材の直径と、重量または高さの一方と、据込み加工後の最大径または端部径の一方とを入力して、据込み加工後の端部径または最大径の一方と、高さと、素材の端部縁が据込み加工後に位置する端部径とを含む据込み加工形状を予測し、素材の端部縁を熱間鍛造後の製品の重要管理部の外部に位置せしめる据込み加工方法であり、第４の発明は、第３の発明において、前記重要管理部がベアリングレースの転動部であることを特徴とする据込み加工方法であるから、素材の切断時の切断キズ等の発生することのある素材の端部縁をベアリングレースの転動面などの重要管理部から外すことができるという効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態について説明する。
【００１３】
図１は、本発明の実施の形態に係る素材と据込み成形品の断面図であり、（イ）は素材の断面図、（ロ）は据込み成形品の断面図である。
【００１４】
図１（イ）（ロ）においてＤ０は素材の直径、Ｈ０は素材の高さ（切断長）を表し、Ｄ１、Ｄ２、Ｈ１、Ｄ３はそれぞれ据込み加工後の最大径、端部径、高さおよび素材の端部縁（Ａ点）が据込み成形後に位置する端部径を表している。
【００１５】
素材を軸受け鋼ＳＵＪ２とし、直径Ｄ０を３０〜４６ｍｍ、高さＨ０を直径比（Ｈ０／Ｄ０）で表し、０.８〜１.３、圧下率（据込み量／素材高＝（（Ｈ０−Ｈ１）／Ｈ０）を２０〜８０％の範囲において、有限要素法によるＣＡＥ解析を行ない圧下率１０％毎の据込み加工形状についてデータベースを作る。解析ソフトとして汎用有限要素法解析ソフトＭＡＲＣを使用した。
【００１６】
本解析に使用する応力とひずみの関係は、φ６×９ｍｍの棒状の試験片の高さ方向中心外表面に熱電対を溶接し、熱間加工性試験機（装置名：サーメックマスターＺ、富士電波工機株式会社製）の試料台に載せ、チャンバー内を真空にし、試験片を１０００〜１１００℃に誘導加熱し、設定した所定のひずみ速度で圧下してパンチの位置によってひずみを算出し、レーザ変位計で試験片の直径を逐次測定しパンチの荷重と試験片の直径から求められる断面積により、実応力を求め応力−ひずみのグラフとした。また解析に用いる摩擦係数μは実機のメタルフローを見ながら定めた。
【００１７】
表１は本実施の形態においてデータベースを作成した素材の直径と高さの関係を一覧表にしたものであり、直径×高さが最小の３０×２４ｍｍから４６×５９.８ｍｍまで３０個を示している。表２は表１に示した素材を圧下率４０％で据込んだときの、高さ比（Ｈ０／Ｄ０）、端部径Ｄ２、最大径Ｄ１、表面Ｒ（ＲＡ）、端部径（Ｄ０対応）Ｄ３を一覧表にしたものであり、表３、表４は、表１と同一素材について、圧下率をそれぞれ５０％、８０％にしたときの高さ比（Ｈ０／Ｄ０）、端部径Ｄ２、最大径Ｄ１、表面Ｒ（ＲＡ）、端部径（Ｄ０対応）Ｄ３を一欄表にしたものであり、本実施の形態において作成したデータベースである圧下率２０〜８０％のうちの一部を示したものである。
【００１８】
１例として、表１の素材径Ｄ０が３０ｍｍ、素材高３３ｍｍ（高さ比（Ｈ０／Ｄ０）＝１.１）の素材を圧下率４０％で据込み加工すると、表２の高さ比（Ｈ０／Ｄ０）＝１.１、Ｄ０＝３０ｍｍの欄から据込み加工後の高さは１９.８ｍｍ、端部径Ｄ２は３５.２ｍｍ、最大径Ｄ１は４０.１ｍｍ、表面Ｒ（ＲＡ）は２１．２ｍｍ、端部径（Ｄ０対応）Ｄ３は３２．４ｍｍであることが読み取れる。表に記載されていない寸法の素材を据え込む場合には、内挿または外挿法によって求めることもできるし、または上記ＣＡＥ解析によって直接求めることもできる。
【００１９】
図２は据込み加工の圧下率に対する据込み加工後の最大径Ｄ１、端部径Ｄ２、端部径（Ｄ０対応）Ｄ３、表面Ｒ（ＲＡ）のそれぞれの関係を素材径Ｄ０と高さＨ０が同じく３８ｍｍの場合（Ｈ０／Ｄ０＝１）について示したものである。圧下率が大きくなると最大径Ｄ１、端部径Ｄ２、端部径（Ｄ０対応）Ｄ３は急激に大きくなり、逆に表面Ｒ（ＲＡ）は急激に小さくなっていることが分かる。
【００２０】
図３は素材径Ｄ０に対する据込み加工後の最大径Ｄ１、端部径Ｄ２、端部径（Ｄ０対応）Ｄ３、表面Ｒ（ＲＡ）のそれぞれの関係を素材径Ｄ０と高さＨ０が同じ（Ｈ０／Ｄ０＝１）で、圧下率５０％の場合についてグラフ表示したものである。
【００２１】
素材径Ｄ０が大きくなればそれにつれて最大径Ｄ１、端部径Ｄ２、端部径（Ｄ０対応）Ｄ３、表面Ｒ（ＲＡ）のいずれも大きくなっていることが分かる。
【００２２】
図４は素材の高さ比（Ｈ０／Ｄ０）比に対する据込み加工後の最大径Ｄ１、端部径Ｄ２、端部径（Ｄ０対応）Ｄ３、表面Ｒ（ＲＡ）の関係を素材径Ｄ０が３８ｍｍで圧下率が５０％の場合についてグラフ表示したものである。
【００２３】
高さ比（Ｈ０／Ｄ０）が変動しても、最大径Ｄ１、端部径Ｄ２、端部径（Ｄ０対応）Ｄ３は殆ど変化がないが、高さ比（Ｈ０／Ｄ０）が大きくなると表面Ｒ（ＲＡ）はその分大きくなっていることが分かる。
【実施例１】
【００２４】
素材をＳＵＪ２とし、実施の形態で説明した汎用有限要素法の解析ソフト、ひずみと応力の関係グラフ、摩擦係数μ＝０．３を使用し、直径Ｄ０の３０ｍｍ、重量Ｗの２０５ｇ、据込み加工後の最大径Ｄ１の６２ｍｍを入力データとして入力し、据込み加工後の端部径Ｄ２が５４．７３ｍｍ、高さＨ１が９．７９ｍｍ、表面Ｒ（ＲＡ）が５.８７ｍｍ、端部径（Ｄ０対応）Ｄ３が４１．２４ｍｍの予測形状を得た。一方、実機による据込み加工品の実測値は、端部径Ｄ２が５４.１ｍｍ、高さＨ１が、９.７ｍｍ、表面Ｒ（ＲＡ）が５．９１ｍｍ、端部径（Ｄ０対応）Ｄ３が４１.５ｍｍであり、計算値と実機による実測値との差は１％以下であった。なお、素材の高さＨ０の計算値は３７.０４ｍｍ、実測値は３７．１ｍｍであった。
【００２５】
実施例１の上記素材および据込み加工後の代表寸法を下記の実施例２、３の数値と対比して表５に示した。
【実施例２】
【００２６】
素材をＳＵＪ２とし、実施例１と同じく、実施の形態で説明した汎用有限要素法の解析ソフト、ひずみと応力の関係グラフ、摩擦係数μ＝０．３を使用し、直径Ｄ０の４０ｍｍ、重量Ｗの４７５ｇ、据込み加工後の端部径Ｄ２の４８ｍｍを入力データとして入力し、据込み加工後の最大径Ｄ１が５５.２６ｍｍ、高さＨ１が２７．３７ｍｍ、表面Ｒ（ＲＡ）が３０.０１ｍｍ、端部径（Ｄ０対応）Ｄ３が４３.６９ｍｍの予測形状を得た。一方、実機による据込み加工品の実測値は、最大径Ｄ１が５５.１ｍｍ、端部径４７．９ｍｍ、高さＨ１が２７.２ｍｍ、表面Ｒ（ＲＡ）が３０.５ｍｍ、端部径（Ｄ０対応）Ｄ３が４４.３ｍｍであり、計算値と実機による実測値との差は２％以下であった。なお、素材の高さＨ０の計算値は４８.２８ｍｍ、実測値は４８．３ｍｍであった。
【実施例３】
【００２７】
素材をＳＵＪ２とし、実施例１と同じく、実施の形態で説明した汎用有限要素法の解析ソフト、ひずみと応力の関係グラフ、摩擦係数μ＝０．３を使用し、直径Ｄ０の４５ｍｍ、重量Ｗの５２３ｇ、据込み加工後の最大径Ｄ１の６９ｍｍを入力データとして入力し、据込み加工後の端部径Ｄ２が６１.４９ｍｍ、高さＨ１が１８．９７ｍｍ、表面Ｒ（ＲＡ）が１４.０１ｍｍ、端部径（Ｄ０対応）Ｄ３が５３.４７ｍｍの予測形状を得た。一方、実機による据込み加工品の実測は、端部径Ｄ２が６２.２ｍｍ、高さＨ１が１９.１ｍｍ、表面Ｒ（ＲＡ）１４.１ｍｍ、端部径（Ｄ０対応）Ｄ３が５４.０ｍｍであり、計算値と実機による実測値との差は２％以下であった。なお、素材の高さＨ０の計算値は４２.０ｍｍ、実測値は４２．０ｍｍであった。
【００２８】
また、本実施例に係るベアリングレースの親子鍛造おいて、端部径（Ｄ０対応）Ｄ３が５３.４７ｍｍであると次工程で内輪転動部に素材の端部縁（Ａ部）が位置することが判明し、素材端部縁（Ａ部）を内輪転動部から排除することができた。
【００２９】
なお、製品の仕様は、重量で提示されるのが一般的であり、各工程の成形品も重量で管理されることから、上記実施例１〜３において、入力データに素材の重量Ｗを用いたが、素材の直径が定まれば、重量を指定することは高さ（切断長）を指定することに他ならないから入力データの重量Ｗを高さＨ０に置換えることできるのは自明である。表５において、素材の高を参考値として（）で示している。
【表１】
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【表２】
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【表３】
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【表４】
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【表５】
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【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の実施の形態に係る素材と据込み加工後の成形品の断面図であり、（イ）は素材、（ロ）は据込み品の断面図である。
【図２】本発明の実施の形態に係る、高さ比（Ｈ０／Ｄ０）＝１、直径＝高＝３８ｍｍとした場合の圧下率に対する据込み加工後の主要寸法の関係を示すグラフである。
【図３】本発明の実施の形態に係る、高さ比（Ｈ０／Ｄ０）＝１、圧下率５０％とした場合の素材径Ｄ０に対する据込み加工後の主要寸法の関係を示すグラフである。
【図４】本発明の実施の形態に係る、素材径Ｄ０＝３８ｍｍ、圧下率５０％とした場合の高さ比（Ｈ０／Ｄ０）に対する据込み加工後の主要寸法の関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【００３１】
１０・・・鍛造素材
２０・・・加工形状（据込み加工後）
Ｈ０・・・素材高（切断長）  
Ｄ０・・・素材径
Ｈ１・・・高さ（据込み加工後）
Ｄ１・・・最大径（据込み加工後）
Ｄ２・・・端部径（据込み加工後）
Ｄ３・・・端部径（Ｄ０対応）
ＲＡ・・・表面Ｒ（据込み加工後）
【図１】
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【図２】
2006231377.tif 000009
【図３】
2006231377.tif 000010
【図４】
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