(57)【要約】 【課題】連続冷間鍛造における半加工品および成形品の表面割れの発生を、鍛造型製作前に正確に予測して、連続冷間鍛造の工程設計および表面割れの生じない鍛造型を短期間に、かつ安価に製作する連続冷間鍛造方法を提供する。【解決手段】全鍛造工程における半加工品または成形品の表面のすべての部位の表面拡大率ρを、前記鍛造素材の限界表面拡大率ρＡ以下とし、該表面拡大率ρが該鍛造素材の限界表面拡大率ρＡを超える場合にはその限界表面拡大率ρＡの１.５倍以下とし、該限界表面拡大率ρＡを超える部位の最大主応力σを前記鍛造素材の引張り強さσＢ以下、より好ましくは８５％以下に収める。【選択図】 図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
完全球状化熱処理後の炭素鋼を鍛造素材とする連続冷間鍛造における表面割れ防止方法であって、全鍛造工程における半加工品または成形品の表面のすべての部位の表面拡大率を、前記鍛造素材の限界表面拡大率以下とし、該表面拡大率が該鍛造素材の限界表面拡大率を超える場合には、該限界表面拡大率を超える部位の最大主応力を前記鍛造素材の引張り強さ以下に収めることを特徴とする表面割れの防止方法。
【請求項２】
完全球状化熱処理後の炭素鋼を鍛造素材とする連続冷間鍛造における表面割れ防止方法であって、全鍛造工程における半加工品または成形品の表面のすべての部位の表面拡大率が、該鍛造素材の限界表面拡大率の１.０倍を超えるが１.５倍以下の範囲にあり、該限界表面拡大率を超える部位の最大主応力を前記鍛造素材の引張り強さ以下に、より好ましくは該鍛造素材の引張り強さの８５％以下に収めることを特徴とする表面割れの防止方法。  
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、自動車等の連続冷間鍛造時の半加工品および成形品の表面割れの防止方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、自動車等に使用され靭性を必要とする部品には、連続冷間鍛造法が使用されてきた。
【０００３】
そして、連続冷間鍛造時の半加工品および成形品の表面に発生する割れを防止するために、鍛造素材、潤滑剤等の改善が行われている。そして鍛造型の製作前に表面割れの有無を判定する方法として、特許文献１には型により鍛造加工される被加工材の内部に、ファイバーフローラインを表現するための複数のトレースポイントを設定し、被加工材の変形に伴うトレースポイントの変位を算出し、変位後のトレースポイントを結ぶことにより被加工材の変形後のファイバーフローラインを表現し、また変形による拡大率の高い部分にはトレースポイント間に新たなトレースポイントを設定し、短時間で鍛造工程をシミュレートすることができ、素材の長手方向に垂直な断面内や大きく拡大される部位の解析および解析結果の３次元的評価をも行うことのできる鍛造解析方法が示されており、また非特許文献１には延性破壊の条件式が示されている。  
【特許文献１】特開２０００−１９７９４２号公報
【非特許文献１】大矢根守哉  「延性破壊の条件式について」日本機械学会誌  第７５巻  第６３９号  昭和４７年４月  Ｐ５９６〜６０１
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
近年、ニアネットシェイプ化が進むに従って、鍛造素材、潤滑条件、鍛造工程数等、あらゆる条件の限界点における操業が要求されるため、従来から行なわれてきた、過去の経験に基づく実機によるトライ＆エラー方式では対応できなくなり、また、実機で検討する前にＣＡＥによる表面割れの有無を事前に精度高く予測する必要がある。
【０００５】
しかしながら、上記特許文献１には鍛造解析方法が示されはいるものの、表面割れの限界条件が明確ではない、また上記の非特許文献１に係る「延性破壊の条件式」を使用しても、割れが生じる部位と応力の高い部位とが異なることがあるため、鍛造金型を製作する前に表面割れの有無を精度高く予測することが困難で、これに代わる手法が求められている。
【０００６】
本発明は上記課題を達成するためになされたものであり、種々検討の結果、表面拡大率（伸び率）なる評価指標と最大主応力を用いることによって、割れの有無を事前に精度高く予測できることに着眼してなされた連続冷間鍛造における表面割れ防止法である。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記課題を達成するための第１の発明は、完全球状化熱処理後の炭素鋼を鍛造素材とする連続冷間鍛造における表面割れ防止方法であって、全鍛造工程における半加工品または成形品の表面のすべての部位の表面拡大率を、前記鍛造素材の限界表面拡大率以下とし、該表面拡大率が該鍛造素材の限界表面拡大率を超える場合には、該限界表面拡大率を超える部位の最大主応力を前記鍛造素材の引張り強さ以下に収めることを特徴とする表面割れの防止方法である。
【０００８】
第２の発明は、完全球状化熱処理後の炭素鋼を鍛造素材とする連続冷間鍛造における表面割れ防止方法であって、全鍛造工程における半加工品または成形品の表面のすべての部位の表面拡大率が、該鍛造素材の限界表面拡大率の１.０倍を超えるが１.５倍以下の範囲にあり、該限界表面拡大率を超える部位の最大主応力を前記鍛造素材の引張り強さ以下に、より好ましくは該鍛造素材の引張り強さの８５％以下に収めることを特徴とする表面割れの防止方法。である。
【０００９】
連続冷間鍛造においては表面拡大率が限界表面拡大率以下となるように工程設計、型設計を行うことにより半加工品または成形品の表面割れを防止することができる。  
また、表面拡大率が限界表面拡大率を超えた所定の領域において半加工品または完成品の表面割れが生じる場合と生じない場合が発生し、表面拡大率がこの領域から外れて大きくなると上記変動要因に拘わらず常に表面割れが生じる。しかし、完全球状化熱処理後の炭素鋼を鍛造素材とする連続冷間鍛造においては、表面拡大率が限界表面拡大率を超える場合でも、限界表面拡大率の１.５倍以下の場合は、その部位の最大主応力を引張り強さσＢ以下にすれば、表面割れを防止することができ、その部位の最大主応力を引張り強さσＢの８５％以下にすればより安定した鍛造表面を得ることができる。
【００１０】
なお、最大主応力値を引張り強さ以下に収めるには、工程設計、型設計変更に限られず、鍛造素材の特性変更や潤滑剤の変更等により行なってもよい。
【発明の効果】
【００１１】
第１の発明は、完全球状化熱処理後の炭素鋼を鍛造素材とする連続冷間鍛造における表面割れ防止方法であって、全鍛造工程における半加工品または成形品の表面のすべての部位の表面拡大率を、前記鍛造素材の限界表面拡大率以下とし、該表面拡大率が該鍛造素材の限界表面拡大率を超える場合には、該限界表面拡大率を超える部位の最大主応力を前記鍛造素材の引張り強さ以下に収めることを特徴とする表面割れの防止方法であり、第２の発明は、完全球状化熱処理後の炭素鋼を鍛造素材とする連続冷間鍛造における表面割れ防止方法であって、全鍛造工程における半加工品または成形品の表面のすべての部位の表面拡大率が、該鍛造素材の限界表面拡大率の１.０倍を超えるが１.５倍以下の範囲にあり、該限界表面拡大率を超える部位の最大主応力を前記鍛造素材の引張り強さ以下に、より好ましくは該鍛造素材の引張り強さの８５％以下に収めることを特徴とする表面割れの防止方法であるから、ＣＡＥによる応力計算値のみを使用する場合に比較して、連続冷間鍛造工程おける表面割れを正確に予測することができ、トライ＆エラーを繰返す必要がなくなるため、鍛造工程数を必要最小限とした最適の鍛造工程設計および鍛造型設計が可能となり、熱処理工程の廃止、製造準備期間の短縮、鍛造型の製作費用の削減ができるという効果が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
図１は本実施の形態に係る鍛造工程設計および鍛造型製作のフロー図である。
【００１３】
図１において、先ず第１作業において従来の経験またはデータベースに基づき、製品形状を睨んで所定の鍛造工程数と各工程の型形状（素材形状）を定める。
【００１４】
次に、第２作業において、各工程における素材表面のすべての部位の表面拡大率（伸び率）ρを３次元ＣＡＥにより算出する。
【００１５】
続いて、第３作業において、第２作業で算出した表面拡大率（伸び率）ρと鍛造素材のデータベース内の限界表面拡大率（伸び率）ρＡとの大小を比較する。そして算出した表面拡大率（伸び率）ρが限界表面拡大率（伸び率）ρＡより小さいとき、即ちρ≦ρＡのときには、鍛造工程数は確定され、鍛造型の製作に着手可能となる。ここで限界表面拡大率とは鍛造素材鋼表面の主応力が引張り強さを僅かに超える状態において、表面拡大率が一定値より大きくなると、鍛造素材鋼の表面に割れの生じる表面拡大率の限界値（最大値）をいい、それぞれの鍛造素材鋼がそれぞれ有する固有の値である。
【００１６】
表面拡大率（伸び率）ρが限界表面拡大率（伸び率）ρＡより大きいとき、即ちρ＞ρＡのときは、第４作業において、表面拡大率（伸び率）ρが限界表面拡大率の１.５倍を超える場合には、第１作業に戻って、表面拡大率（伸び率）ρの大きい部位の形状を修正して第２作業以降の作業を繰返す。表面拡大率（伸び率）ρが限界表面拡大率（伸び率）ρＡの１.５倍以下である場合には、第５作業において、表面拡大率（伸び率）ρが限界表面拡大率（伸び率）ρＡより大きく、その１.５倍以下の部位の最大主応力σを算出し、鍛造素材のデータベース内の引張り強さσＢとの大小を比較する。そして算出した最大主応力σが引張り強さσＢより小さい（より好ましくは、引張り強さの８５％以下）のとき、即ちσ＜σＢ（より好ましくはσ≦０.８５σＢ）のとは、鍛造工程数は確定され、鍛造型の製作に着手可能となる。逆に算出した最大主応力σが引張り強さσＢより大きいとき、即ちσ＞σＢのときは、第１作業に戻って、表面拡大率（伸び率）ρの大きい部位の形状を修正して第２作業以降の作業を繰返す。
【００１７】
なお、第３作業において、表面拡大率（伸び率）ρが限界表面拡大率（伸び率）ρＡに対して余裕のあるとき、即ちρ≪ρＡのときには、第１作業における工程設計において、鍛造工程を削減して第２作業以降の作業を繰返し、逆に第３作業において表面拡大率（伸び率）ρが限界表面拡大率（伸び率）ρＡよりはるかに大きいとき、即ちρ≫ρＡのときは、鍛造工程を増加させる必要がある。
【００１８】
また、上記第２作業において、表面拡大率（伸び率）ρは３次元ＣＡＥによって算出したが、プラスティシン実験によって測定することも可能であり、金型を製作した後に改修するとき、或いは金型に先行して試作金型を製作して金型形状を決定するときにはプラスティシン実験によって測定することが有効である。
【００１９】
上記の通り、各鍛造工程における素材表面のすべての部位の表面拡大率（伸び率）ρを検討する必要であるが、上記フロー図の第２作業の実作業においては、素材表面の表面拡大率（伸び率）ρが限界表面拡大率（伸び率）ρＡに近いと予想される部位のみを選んでＣＡＥ解析を行えば目的を達成することができ、ＣＡＥの解析工数を低減できる。
【実施例】
【００２０】
ｍａｓｓ％で、Ｃ：０.４５〜０.６０％、Ｓｉ：０.０３〜０.１５％、Ｍｎ：０.２０
〜０．５０％、Ｂ：５〜５０ｐｐｍ、Ｔｉ：０.０２〜０．０５％、Ｎ≦：１００ｐｐｍ
であり、その他不純物元素を含む炭素鋼で完全球状化焼鈍材（限界表面拡大率ρＡ＝１０、引張り強さ５９０ＭＰａ）を鍛造素材に用い、鍛造工程設計と鍛造型製作に表面拡大率（伸び率）ρを適用したナックルスピンドルの連続冷間鍛造に係る実施例と比較例について以下説明する。
【００２１】
図２は本発明の実施例または比較例に係るナックルスピンドルの連続冷間鍛造の各工程における素材の形状図（断面）であり、図１に示す鍛造工程設計および鍛造型製作のフロー図に基づいて工程設計され、鍛造型の製作がなされたものである。
【００２２】
図２において、１０はナックルスピンドルであり、軸部２０とボール部３０で形成されている。このナックルスピンドル１０は４つの冷間鍛造工程で構成され、図（Ａ）は第１工程を示し、円筒状の鍛造素材のうち、主として製品の軸部となる部分が加工成形されている。
【００２３】
図（Ｂ）は第２工程であり、主として製品のボール部となる部分が加工成形され、図（Ｃ）は第３工程であり、第２工程に続いて主として製品のボール部がさらに加工成形されている。図（Ｄ）は最終工程となる第4工程であり、製品形状まで加工成形されている。
【００２４】
図３は本発明の実施例１に係るナックルスピンドルの連続冷間鍛造における３次元ＣＡＥによる変形解析図であり、図（Ａ）は円筒形状素材の1部を有限要素法によりエレメン
トに分割したものであり、図（Ｂ）は図２に示す第３工程に達したときの素材およびエレメントの変化の状態を鍛造素材の中心部（Ｏ点）から外周部（Ｇ点）に亘って示している。
【００２５】
なお、図３は変形をグラフィックに表現してはいるものの、目視によって表面拡大率（伸び率）ρを定量的に捕らえることは困難であるが、３次元ＣＡＥによる解析においては表面拡大率（伸び率）ρはデジタルに把握され、このエレメントの伸び率が所定の値を超えたところで表面割れが発生し、従来の延性破壊条件式等のように応力計算値の最大部位と表面割れの発生部位が異なることがないので、表面割れの評価が極めて正確にできる。図３のＣ部は表面拡大率がピ−クとなる部位を示している。
【００２６】
図４は本発明の実施例および比較例に係る連続冷間鍛造の第３工程におけるパンチの表面形状を示す外形線図である。
【００２７】
図５は実施例１および比較例１に係る連続冷間鍛造における表面拡大率（伸び率）ρを示すグラフであり、表１に示されている実施例１と比較例１に対応したものであり、鍛造型のコーナＲの形状の異なるナックルスピンドルの第３工程終了時のボール部内面の半径方向の表面拡大率（伸び率）ρを示し、横座標の原点（０ｍｍ）部は図３（Ｂ）の中心部（Ｏ点）を、横座標の末端（約８０ｍｍ）部は図３（Ｂ）の右端部（Ｇ点）に相当する。
【００２８】
図５では、表面拡大率（伸び率）ρをボール部内面の表面形状に沿って連続的に把握することが可能であり、どの部位で表面割れが発生するかを明確に把握できる。
【００２９】
表１は実施例と比較例に係る表面拡大率（伸び率）ρ、最大主応力σと表面割れの関係を一覧表にしたものである。
【００３０】
表１において、実施例１は図２に示すようにナックルスピンドルのコーナＲを１５ｍｍとしたものであり、表面拡大率（伸び率）ρは、第３工程が７.１、第４工程が７、６で
、表面割れは発生していない。因みに最大主応力σを見ると、第３工程が１００ＭＰａ、第４工程が６４０ＭＰａである。
【００３１】
実施例２は比較例１に使用した鍛造型と同一型（図２に示すようにコーナＲを１ｍｍとしたもの）を使用して成形したものであるが、鍛造の第２工程終了後、ボンデ処理を行ない潤滑を強化したことによってコーナＲが１ｍｍと小さいにも拘らず摩擦係数μが０.１
０と小さいため、第３、第４工程における表面拡大率がそれぞれ９.０、９.４と限界表面拡大率ρＡの１０以下にあり、表面割れはない。因みに、最大主応力σを見ると、第３工程では−２０ＭＰａ、第４工程では７４０ＭＰａと引張り強さσＢの５９０ＭＰａ（伸び率）を超えている。
【００３２】
実施例１、実施例２から表面拡大率ρが限界表面拡大率ρＡ以下(ρ＜１０)であれば
、最大主応力σの如何に拘わらず表面割れの発生がないことが分かる。
【００３３】
次に、比較例１は実施例１と同じ４つの工程からなり、実施例１と同一の素材鋼を使用しているが、鍛造型の形状が異なる（コーナＲ＝１ｍｍ）ものであり、第３工程における表面拡大率（伸び率）ρが１１.８と限界表面拡大率ρＡの１０を超えているが、最大主
応力が２１０ＭＰａと小さく（σ≦０.８５σＢ）、コーナＲ部の表面割れの発生はない。しかし第４工程において、表面拡大率ρが１２.２と第３工程と同等であるが最大主応力σが８６０ＭＰａと引張り強さσＢの５９０ＭＰａを超えており、表面割れが第４工程において顕在化している。
【００３４】
比較例２は比較例１に使用した鍛造型と同一型（図２に示すようにコーナＲを１ｍｍとしたもの）、同一素材鋼使用し、潤滑量を減らすことにより摩擦係数を０.２５にしたも
のであるが、第３工程における表面拡大率（伸び率）ρが１４.１と限界表面拡大率ρＡ
の１０を超えているが、最大主応力σが４００ＭＰａと小さく（σ≦０.８５σＢ）、コーナＲ部の表面割れの発生はない。しかし第４工程において、表面拡大率ρが１４.４と第３工程と同等であるが最大主応力σが８８０ＭＰａと引張り強さσＢの５９０ＭＰａを超えており、比較例１と同様に第４工程において表面割れが顕在化している。
【００３５】
比較例１、比較例２の第３工程から表面拡大率ρが限界表面拡大率ρＡの１０を超えても１５以下（ρ≦１５）である場合には、最大主応力σが引張り強さσＢに対して余裕があれば（σ≦０.８５σＢ）、表面割れが発生しないことが明白である。
【００３６】
比較例３、４、５は比較例１に使用した鍛造型と同一型（図２に示すようにコーナＲを１ｍｍとしたもの）、同一素材鋼を使用し、潤滑量を変化させて摩擦係数をそれぞれ０.３０、０.４０、０.１０にしたものであり、第３工程における表面拡大率ρが１７.３、１９.６、１６.７と限界表面拡大率ρＡの１０を大幅に超えて（ρ＞１５）表面割れが第３工程で発生した。因みに第３工程の最大主応力σを見ると、それぞれ６８０、７８０、４００ＭＰａと引張り強さσＢの５９０ＭＰａの上下にある。
【００３７】
比較例３、４、５（第３工程）から、表面拡大率ρが限界表面拡大率ρＡから大幅に超える（ρ＞１５）と表面割れが生じ、この場合は最大主応力σを算出するまでもないことが分かる。
【００３８】
実施例３は実施例１に使用した鍛造型と同一型を使用し、潤滑剤を減じて成形したものであり、第３、第４工程における表面拡大率がそれぞれ１１.８、１２.０と限界表面拡大率ρＡの１０を超えているが、表面割れはない。因みに、最大主応力σを見ると、第３工程では１８０ＭＰａと引張り強度の８５％以下であり、第４工程では５２０ＭＰａと引張り強度の８５％を超えている。表面拡大率ρが限界表面拡大率ρＡの１０を超えても１５以下の範囲にあれば、最大主応力σが引張り強度σＢの８５％を超えても１００％に満たない場合は表面割れの発生はない。特に引張り強度σＢの８５％以下の場合には、表面拡大率が限界表面拡大率ρＡ以下にある場合と同様の極めて良好な鍛造表面が得られる。
【００３９】
【表１】
2006150444.tif 000003
【００４０】
以上説明したように、本実施例によると表面拡大率（伸び率）ρによって、３次元ＣＡＥによる応力計算値を使用する場合に比較して、連続冷間鍛造工程おける表面割れを正確に予測することができるので、トライ＆エラーを繰返す必要がなくなり、鍛造工程数の削減を可能とする最適の鍛造工程設計および鍛造型設計が可能となり、熱処理工程の廃止、製造準備期間が短縮でき、鍛造型の製作費用の削減もできた。  
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本実施の形態に係る鍛造工程設計および鍛造型製作のフロー図である。
【図２】本発明の実施例または比較例に係るナックルスピンドルの連続冷間鍛造の各工程における素材の形状図である。
【図３】本発明の実施例１に係るナックルスピンドルの連続冷間鍛造における３次元ＣＡＥによる変形解析図である。
【図４】本発明の実施例および比較例に係る連続冷間鍛造の第３工程におけるパンチの表面形状を示す外形線図である。
【図５】本発明の実施例１および比較例１に係る連続冷間鍛造における表面拡大率（伸び率）ρを示すグラフである。
【符号の説明】
【００４２】
１０・・・ナックルスピンドル
２０・・・ボール部
３０・・・軸部
【図１】
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【図２】
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【図３】
2006150444.tif 000006
【図４】
2006150444.tif 000007
【図５】
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