(57)【要約】  【課題】  従来、汎用プレスでは製造することの難しかった複雑形状を有する中空部品を精度良く製造する方法を提供する。  【解決手段】  鋼材からなる円筒部材あるいは底付円筒部材１の内部に、内部圧力保持金属２を挿入した鍛造用素材３に鍛造加工を施し所定の外形形状の成形した後、鍛造品５を内部圧力保持金属２融点以上の温度に加熱して、内部圧力保持金属２を溶融・除去して、鋼材からなる中空部品６を得る。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
鋼材からなる筒状部材あるいは底付筒状部材の内部に、該鋼材よりも融点の低い内部圧力保持金属を配して、該鋼材と該内部圧力保持金属が複合された鍛造用素材とし、該鍛造用素材に鍛造加工を施し所定の外形形状に成形した後、得られた成形体を該内部圧力保持金属の融点以上の温度に加熱して該内部圧力保持金属を溶融除去することを特徴とする、中空形状部品の製造方法。
【請求項２】
前記鍛造用素材がクラッド棒であることを特徴とする、請求項１に記載の中空形状部品の製造方法。
【請求項３】
前記内部圧力保持金属の伸びが１０％以上であることを特徴とする、請求項１または２に記載の中空形状部品の製造方法。
【請求項４】
前記成形体を、前記鋼材の焼き入れ温度と前記内部圧力保持金属の融点のいずれか高い方を下限とする温度以上に加熱して、該内部圧力保持金属を溶融除去した直後に、焼き入れを行うことを特徴とする、請求項１ないし３のいずれか１項に記載の中空形状部品の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、中空形状を有する部品の製造方法に係わるものであり、特に鍛造による鋼製の中空形状部品の製造方法に係わる。
【背景技術】
【０００２】
自動車部品においては、近年の軽量化ニーズから、中空部品の使用割合が増えつつある。
【０００３】
中空部品の製造方法として、例えば特許文献１、特許文献２に記載の発明が知られている。
【０００４】
特許文献１に記載の発明は、中空体内部に非圧縮性の流動体を封入した中空金属素材をプレス加工して所定外形状に成形した後に、前記中空内部の非圧縮性流動体を排出することにより、中空部品を得る方法に関するものであって、非圧縮性流動体として例えば水、油等が用いられている。
【０００５】
また特許文献２に記載の発明は、金属製の筒状の素材の内部に常温で液体となる固体を配置し、前記固体が配置された素材を所望の形状に型鍛造して中空品を得る方法に関するものであって、常温で液体となる固体として例えば氷が用いられている。
【特許文献１】特開２００１−２５９７５３号公報
【特許文献２】特開平０９−２７１８８８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記特許文献１に開示される発明は、中空体内部に封入される物体が水、油等の流動体であるため、成形中に内部の流動体が流出しないようにする必要がある。例えば、同文献記載の発明の実施例では、蓋材を溶接したり、板状シールを貼り付けたりして、中空体内部に流動体を封入し、分割構造の成形金型内において、中空体の軸線方向に加圧されて成形される。即ち、同文献記載の発明は、バルジ成形、ハイドロフォーム成形と同様に、少なくとも型締め及び軸押しの２方向の加圧機構を有する特別な設備を必要とし、加圧機構をひとつしか持たない汎用プレスでは成形できないという課題を有している。
【０００７】
一方、特許文献２に開示される発明は、中空体内部に封入される物体が常温で液体となるような固体であるため、成形中に流出することがなく、一般的なプレスで成形可能である。しかしながら、同文献に記載される発明の実施例では常温で液体となるような固体として氷を用いているが、氷には延性が無く、成形中に粉砕し、中空体内部から一部こぼれ落ちることがある。しかも粉砕の挙動は成形毎に異なるため、得られる中空部品の寸法精度は低くなるという課題を有している。
【０００８】
そこで、本発明は、汎用プレスを用いて、寸法精度の高い製品形状を得ることのできる、中空形状部品の製造方法を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の要旨は、以下の通りである。
（１）  鋼材からなる筒状部材あるいは底付筒状部材の内部に、該鋼材よりも融点の低い内部圧力保持金属を配して、該鋼材と該内部圧力保持金属が複合された鍛造用素材とし、該鍛造用素材に鍛造加工を施し所定の外形形状に成形した後、得られた成形体を該内部圧力保持金属の融点以上の温度に加熱して該内部圧力保持金属を溶融除去することを特徴とする、中空形状部品の製造方法。
（２）  前記鍛造用素材がクラッド棒であることを特徴とする、上記（１）に記載の中空形状部品の製造方法。
（３）  前記内部圧力保持金属の伸びが１０％以上であることを特徴とする、上記（１）または（２）に記載の中空形状部品の製造方法。
（４）  前記成形体を、前記鋼材の焼き入れ温度と前記内部圧力保持金属の融点のいずれか高い方を下限とする温度以上に加熱して、該内部圧力保持金属を溶融除去した直後に、焼き入れを行うことを特徴とする、上記（１）ないし（３）のいずれか１項に記載の中空形状部品の製造方法。
【発明の効果】
【００１０】
本発明に係わる中空部品の製造方法では、従来、汎用プレスでは製造することの難しかった複雑形状を有する中空部品を精度良く製造することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
本発明が対象とする鋼材は、例えば、ＪＩＳ  Ｇ  ４０５１で規定される機械構造用炭素鋼鋼材、ＪＩＳ  Ｇ  ４１０４で規定されるクロム鋼鋼材、ＪＩＳ  Ｇ  ４１０５で規定されるクロムモリブデン鋼鋼材が例示されるが、本発明はこれに限定されるものではない。また、本発明が対象とする内部圧力保持金属は、例えば、ＪＩＳ  Ｈ  ４０４０で規定されるアルミニウム及びアルミニウム合金の棒及び線、ＪＩＳ  Ｚ  ３２８２で規定されるはんだ、ＪＩＳ  Ｈ  ５３０３で規定されるマグネシウム合金ダイカストが例示されるが、本発明はこれに限定されるものではない。
【００１２】
本発明を図１に基づき、詳細に説明する。本発明では、鍛造用素材３として、鋼材からなる円筒部材あるいは底付円筒部材１と、鋼材よりも融点の低い内部圧力保持金属２からなる複合素材用いる（図１（ａ）参照）。
【００１３】
鋼材からなる円筒部材あるいは底付円筒部材１を得るには、丸棒を後方押出しする方法、機械加工する方法等があり、円筒状の場合には鋼管を用いても良い。内部圧力保持金属２を円柱状にするには、丸棒を切断する方法、円柱状に鋳造する方法などがある。鋼材からなる円筒部材あるいは底付円筒部材１の内部に、内部圧力保持金属２を挿入することにより、鋼材と内部圧力保持金属が複合された鍛造用素材３を形成する。
【００１４】
また、鋼材と内部圧力保持金属が複合された鍛造用素材３の形成方法として、内部圧力保持金属２を加熱し溶融させて、鋼材からなる円筒部材あるいは底付円筒部材１に鋳込むことも可能である。更に、外周部が鋼材、内部が鋼材よりも融点の低い金属からなるクラッド棒を鋼材と内部圧力保持金属が複合された鍛造用素材として用いても良い。ここでいうクラッド棒とは、鋼管内部に低融点金属を挿入し、これを圧延で長手方向に展伸させたものであり、本発明により大量生産を行う際の鍛造用素材として好適である。
【００１５】
このように形成した鍛造用素材３に、金型４を用いて鍛造加工を施し、所定の外形形状を有する鍛造品５に成形する（図１（ｂ）参照）。
【００１６】
なお、内部圧力保持金属を使用せずに円筒形状あるいは底付円筒形状のまま鍛造した場合、内部形状を保持することができず、円筒部に座屈や折れ込みが発生し、外形形状を金型４に充満させることが困難である。
【００１７】
これに対し、本発明では、鍛造用素材３の内部には、内部圧力保持金属２が充填されているため、円筒部に座屈や折れ込みが発生することなく、金型４に沿った所定外形形状の製品を製造することが可能である。なお、内部圧力保持金属２は、鍛造時に流出することがないため、必ずしも鍛造用素材３の軸線方向に加圧する必要はない。
【００１８】
したがって、加圧機構をひとつしか持たない汎用プレスでも鍛造可能である。また内部圧力保持金属２は延性を有するため、崩壊することが無く、寸法精度の良い製品形状が得られる。望ましくは、内部圧力保持金属２として、１０％以上の伸びを有する材料を用いると、寸法精度は中実鋼材を鍛造した場合と同等になる。
【００１９】
そして、鍛造品５を、内部圧力保持金属２の融点以上の温度に加熱することより、内部圧力保持金属２が溶融除去され、鋼材からなる中空部品６を得る（図１（ｃ）参照）。
【００２０】
また、鋼材からなる中空部品６の強度を増したい場合、焼き入れ焼き戻しを行うこともできる。その場合、鋼材の焼き入れ温度と内部圧力保持金属２の融点のいずれか高い方以上の温度に加熱した後、焼き入れを行っても良い。これにより、鋼材からなる中空部品６の焼き入れと内部圧力保持金属２の溶融除去を一度の加熱で兼ねることが可能である。
【００２１】
例えば、ＪＩＳ  Ｇ  ４０５１で規定されるＳ４５Ｃと、ＪＩＳ  Ｈ  ４０４０で規定されるＡ７０７５ＢＥが複合された鍛造用素材を鍛造した場合を考える。Ｓ４５Ｃは、８２０℃から８７０℃の温度域に加熱した後、焼き入れすることが好ましく、Ａ７０７５ＢＥの融点は６３５℃であるから、鍛造品を８２０℃から８７０℃の温度域に加熱し、Ａ７０７５ＢＥが溶融除去された後、焼き入れを行う。
【００２２】
なお、上記した実施形態は、鍛造用素材として、外周部鋼材を円筒部材あるい底付円筒部材を例にしているが、円筒形状に限定されることはなく、角筒形状、楕円筒形状であってもよく、内部圧力保持金属もこれに合わせればよい。
【実施例】
【００２３】
以下、本発明に基づき、鋼材からなる中空部品を実際に製造した例を説明する。
【００２４】
表１には、外周部の鋼材として用いた素材とそれぞれの引張強さ及び伸びを示す。
【００２５】
表２には、内部圧力保持金属として用いた素材と、それぞれの引張強さ、伸び及び融点を示す。
【００２６】
【表１】
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【００２７】
【表２】
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【００２８】
表１に示す円筒状の鋼材内部に、表２に示す内部圧力保持金属を挿入して、鋼材と内部形状保持金属が複合された鍛造用素材を形成する。本実施例では機械加工により鋼材を円筒状としたが、丸棒を後方押出しして得る方法、機械加工して得る方法、鋼管素材を用いる方法等によっても良い。
【００２９】
次に、鋼材と内部形状保持金属が複合された鍛造用素材の形成方法について説明する。内部の金属素材がＡ７０７５ＢＥの場合は、所定の直径の押出棒を所定長さに切断して円柱状とし、円筒状の鋼材に挿入することにより複合素材を形成した。Ｓ−Ｓｎ６０Ｐｂ４０Ｅの場合は、加熱し溶融させて、円筒状の鋼材内部に鋳込むことにより複合素材を形成した。ＭＤＣ１Ｄの場合は、所定の円柱形状に鋳込んだ後、円筒状の鋼材に挿入することにより複合素材を形成した。この他、外周部が鋼材、内部が鋼材よりも融点の低い金属固体からなるクラッド棒を複合素材として用いることも可能である。
【００３０】
比較例として、円筒状の鋼材内部に何も挿入しない場合、水を挿入する場合、氷を挿入する場合、についても実施した。水を挿入する場合には、円筒端部に厚さ１ｍｍの鉄板を溶接し、端部からの水の漏れを防止した。
【００３１】
このようにして形成した複合素材３を、図２に示す断面形状を有する金型４内に、鍛造での加圧方向が複合素材３の軸線方向と直角となるように配置し、金型間距離が１０ｍｍとなるよう鍛造加工を施した。成形体５を内部の金属体の融点以上の温度に加熱し、内部の金属体を溶融・除去して、鋼製の中空形状部品を得る前に、形状測定を実施した。
【００３２】
形状測定は、図３に示す製品断面形状のＡ部，Ｂ部及びＣ部の厚さを測定した。金型間距離が１０ｍｍの場合、Ａ部，Ｂ部及びＣ部の厚さ狙い値は、それぞれ２０ｍｍ，３０ｍｍ，３０ｍｍとなる。鍛造加工は同じ条件に対して５回実施し、寸法精度の指標として、Ａ部，Ｂ部及びＣ部の平均値及び標準偏差を求め、更にＢ部とＣ部の厚さの差の平均値を求めた。第３表に形状測定結果を併記する。
【００３３】
【表３】
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【００３４】
本発明例では、Ａ部，Ｂ部及びＣ部の厚さは、いずれも狙い値に対し、±０．１ｍｍ以内の範囲にあり、さらにそれぞれの標準偏差は０．０５以内と、バラツキも小さく精度の高い製品形状が得られる。
【００３５】
内部に挿入する金属体の伸びが３％と低い本発明例７〜９では、鍛造加工後に金属体に割れが発生していた。Ａ部では完全に金型に充満していたが、Ｂ部，Ｃ部では、極わずかに金型に接触していない部位がいくつか見られた。そのため、内部に挿入する金属体の伸びが１０％以上である本発明例１〜６では、Ｂ部とＣ部の差の平均値が０．０２以下であるのに対し、本発明例７〜９では、０．０８〜０．１０と、若干ではあるが精度が低下した。このことから、より精度の高い製品形状を得るためには、円筒状の鋼材の内部に挿入する金属体は、１０％以上の伸びを有することが望ましい。
【００３６】
一方、図４に示すように、円筒状の鋼材内部に何も挿入しない素材７を金型４を用いて鍛造加工した比較例１〜３では、図４に示すごとく、内部の抵抗がないため、鍛造品８はＡ部，Ｂ部及びＣ部とも金型４に充満しなかった。そのため狙い厚さに対し、Ａ部では１．０〜１．２ｍｍ、Ｂ部，Ｃ部では８ｍｍ程度厚さが不足した。また、それぞれの標準偏差も０．１５〜０．３７と、本発明例と比べて、バラツキが大きかった。
【００３７】
次に、円筒状の鋼材内部に水を挿入した比較例４〜６では、鍛造加工途中に、円筒端部と厚さ１ｍｍの鉄板の溶接部にき裂が発生し、内部に封入されていた水が流出した。そのため比較例１〜３と比べて、充満度は増したものの、Ａ部では０．６〜０．８ｍｍ、Ｂ部，Ｃ部では５．５〜６．０ｍｍ厚さが不足した。また、溶接部のき裂発生時期が、鍛造加工毎に異なったため、標準偏差は、比較例１〜３よりもむしろ大きかった。
【００３８】
次に、円筒状の鋼材内部に氷を挿入した比較例７〜９では、鍛造加工途中に、氷が粉砕し、円筒端部から一部こぼれ落ちた。粉砕した氷の大半は円筒状の鋼材内部に残存するため、比較例４〜６と比べて充満度は増し、Ａ部ではほぼ金型に充満したものの、Ｂ部，Ｃ部では２．０〜３．０ｍｍ厚さが不足した。また、氷の粉砕挙動が、鍛造加工毎に異なったため、Ｂ部，Ｃ部の標準偏差は大きかった。
【００３９】
円筒状の鋼材の肉厚が厚い比較例１０〜１２では、肉厚の薄い比較例１〜９と比べ、内部に挿入された物質の影響が出にくくなる。そのため、Ａ部，Ｂ部，Ｃ部とも狙い厚さに近くはなるものの、金型に完全充満することはなく、標準偏差も大きかった。
【００４０】
形状測定後、成形体を内部の金属体の融点以上の温度に加熱し、内部の金属体を溶融・除去して、鋼製の中空形状部品を得た。第４表に加熱温度を示す。外周部鋼材にＳ４５ＣもしくはＳＣＭ４３５を使用した発明例２，３，５，６，８，９では、加熱温度を８５０℃として、内部の金属体を溶融・除去した後、直ちに油冷することにより、焼き入れを施し、その後焼き戻しを行った。焼き入れ焼き戻しにより強度を付与する場合には、このように、内部の金属体を溶融・除去する工程と、焼き入れ時の加熱工程を兼ねることにより、熱処理工程を短縮し、低コスト化を図ることが可能である。
【表４】
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【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明の実施形態を説明するための図である。
【図２】実施例において、鍛造に用いた金型断面形状及び鍛造前後での複合素材の断面形状の変化を表す図である。
【図３】実施例において、鍛造成形品の形状測定を行った部位を示す図である。
【図４】実施例において、鋼材からなる円筒の内部に何も入れなかった場合に、鍛造前後での鋼材の断面形状の変化を表す図である。
【符号の説明】
【００４２】
１  鋼材からなる円筒部材あるいは底付円筒部材
２  内部圧力保持金属
３  鍛造用素材
４  鍛造金型
５、８  鍛造品
６  鋼材からなる中空部品
７  円筒状の鋼材からなる素材
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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