(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧造にて成形される圧造品の成形穴を有するダイスと、
前記ダイスに対向して配置される一体構造の圧造工具とを備え、
前記ダイスの成形穴に加工前の素材を配置し、
前記圧造工具先端の押圧部により前記素材を押圧して前記圧造品を成形する
にあたり、
前記押圧部の弾性変形を積極的に促進し、加圧軸方向へのたわみにより、圧
造および徐荷時の圧造工具先端の十字穴成形部に作用する応力振幅を低減させる１つの底付き環状の溝空間または複数の底付き穴空間を、前記圧造工具先端の押圧部端面から圧造工具内部へ加圧軸と平行に形成したことを特徴とする圧造金型。
【請求項２】
前記１つの底付き環状の溝空間の溝内側輪郭が、ねじ頭部直径より大きく、かつ前記溝空間の溝外側輪郭が、前記圧造工具の外径より小さいことを特徴とする請求項１に記載の圧造金型。
【請求項３】
前記１つの底付き環状の溝空間に、固体の充填材料を挿入し、前記溝空間より中心軸側の押圧部が、加圧時に加圧軸方向に対する垂直方向へのたわみを抑制することを特徴とする請求項１に記載の圧造金型。
【請求項４】
前記固体の充填材料のヤング率が、前記圧造工具のヤング率と同値かそれより低いことを特徴とする請求項３に記載の圧造金型。
【請求項５】
前記複数の底付き穴空間を環状に配置し、前記複数の底付き穴空間の輪郭と接して形成される内接円直径が、ねじ頭部直径より大きく、かつ前記複数の底付き穴空間の輪郭と接して形成される外接円直径が、圧造工具の外径より小さいことを特徴とする請求項１に記載の圧造金型。
【請求項６】
前記複数の底付き穴空間に、固体の充填材料を挿入し、前記複数の底付き穴空間の配置の中心軸側の押圧部が、加圧時に加圧軸方向に対する垂直方向へのたわみを抑制することを特徴とする請求項１に記載の圧造金型。
【請求項７】
前記固体の充填材料のヤング率が、前記圧造工具のヤング率と同値かそれより低いことを特徴とする請求項６に記載の圧造金型。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、例えば、ねじの頭部などを圧造する際に用いられる圧造金型に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、十字穴付きねじ等のねじ切り前の部品は、圧造工具（上型）とダイス（下型）を用いて塑性加工の一種である圧造により製造されている。圧造工具先端の十字穴成形部は、圧造時に加圧軸方向へ圧縮応力が作用する。同時に、半径方向に膨張して被加工材料と密に接触し、続く除荷（圧造の逆工程で、圧造工具が加工開始点へ復帰する時）開始直後に、圧造工具の成形部が弾性回復することで被加工材料（圧造成形品の十字穴）が圧造工具に挟み込まれる。そのため、除荷中に圧造工具先端の十字穴成形部に加圧軸方向へ引張応力が発生するなど、応力が反復的に作用する。加えて、ねじ頭部形状の複雑化や寸法精度に対する要求が年々厳しくなっていることから、過酷な成形を余儀なくされ、工具寿命が低下するという問題があった。
【０００３】
そこで、このような問題に対処した従来技術を検討した結果、表面コーティングにより工具表面に硬質層を形成する方法（特許文献１，２）、また、特殊な熱処理により工具寿命を向上させる方法（特許文献３，４）を見出すことができた。
【０００４】
ところが、いずれの方法においても、工具表面硬度の向上による摩耗寿命対策を目的としており、通常の工具製作に加えて特殊処理を施す必要があり、工具製造コストが高騰するという不都合があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００３−１１２２２９
【特許文献２】特開２０００−０５４１０８
【特許文献３】特開平０８−３０００６６
【特許文献４】特開平０７−１７３５７２
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
圧造工具の工具寿命の低下は、圧造工具の交換回数が増えるので、その交換費用の増大を招き、また、圧造機の連続運転ができなくなり、生産効率が低下する原因にもなっていた。
【０００７】
このため、出願人は、「鍛造工具の設計方法及び鍛造工具」（特許第４４２８５８１号）及び「圧造工具」（特許第４６０１０１７号）を発明し、圧造工具内部に空間を設け、圧造工具の押圧部の微小な弾性変形を積極的に促進し、たわますことで圧造と除荷時の疲労破壊部の応力振幅を低下させることで圧造工具の疲労破壊を抑制し、耐久性の向上と長時間の連続使用を可能とした。すなわち、圧造工具に敢えて剛性の弱い部分を設けたことが特徴である。
【０００８】
しかし、出願人が提案した空間を設ける疲労破壊の抑制策のみでは、今後、鋼等の高強度素材を用いたねじ圧造へ展開する場合、発生する応力が増大するため、疲労破壊部の応力振幅を低下させる微小な弾性変形の発現の制御に限界が生じるものと推察される。そこで、圧造工具内部に空間を設けない構成にて、圧造と除荷時の疲労破壊部での応力振幅の低減策が必要となる。      
【０００９】
この発明は、以上の実情に鑑みてなされたもので、安価で簡易な構成で、圧造工具の疲労破壊を抑制し、長時間の連続使用を可能とし、さらなる高強度素材のねじ圧造への適用を可能とする圧造金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】
【００１０】
前記課題を解決し、かつ目的を達成するために、この発明は、以下のように構成した。
【００１１】
請求項１に記載の発明は、圧造にて成形される圧造品の成形穴を有するダイスと、
前記ダイスに対向して配置される一体構造の圧造工具とを備え、
前記ダイスの成形穴に加工前の素材を配置し、
前記圧造工具先端の押圧部により前記素材を押圧して前記圧造品を成形する
にあたり、
前記押圧部の弾性変形を積極的に促進し、加圧軸方向へのたわみにより、圧
造および徐荷時の圧造工具先端の十字穴成形部に作用する応力振幅を低減させる１つの底付き環状の溝空間または複数の底付き穴空間を、前記圧造工具先端の押圧部端面から圧造工具内部へ加圧軸と平行に形成したことを特徴とする圧造金型である。
【００１３】
請求項２に記載の発明は、前記１つの底付き環状の溝空間の溝内側輪郭が、ねじ頭部直径より大きく、かつ前記溝空間の溝外側輪郭が、前記圧造工具の外径より小さいことを特徴とする請求項１に記載の圧造金型である。
【００１６】
請求項３に記載の発明は、前記１つの底付き環状の溝空間に、固体の充填材料を挿入し、前記溝空間より中心軸側の押圧部が、加圧時に加圧軸方向に対する垂直方向へのたわみを抑制することを特徴とする請求項１に記載の圧造金型である。
【００１７】
請求項４に記載の発明は、前記固体の充填材料のヤング率が、前記圧造工具のヤング率と同値かそれより低いことを特徴とする請求項３に記載の圧造金型である。
【００１９】
請求項５に記載の発明は、前記複数の底付き穴空間を環状に配置し、前記複数の底付き穴空間の輪郭と接して形成される内接円直径が、ねじ頭部直径より大きく、かつ前記複数の底付き穴空間の輪郭と接して形成される外接円直径が、圧造工具の外径より小さいことを特徴とする請求項１に記載の圧造金型である。
【００２２】
請求項６に記載の発明は、前記複数の底付き穴空間に、固体の充填材料を挿入し、前記複数の底付き穴空間の配置の中心軸側の押圧部が、加圧時に加圧軸方向に対する垂直方向へのたわみを抑制することを特徴とする請求項１に記載の圧造金型である。
【００２３】
請求項７に記載の発明は、前記固体の充填材料のヤング率が、前記圧造工具のヤング率と同値かそれより低いことを特徴とする請求項６に記載の圧造金型である。
【発明の効果】
【００２８】
前記構成により、この発明は、以下のような効果を有する。
【００２９】
この発明では、ダイスに対向して配置される一体構造の圧造工具を備え、圧造工具先端の押圧部により素材を押圧して圧造品を成形するにあたり、圧造工具先端の押圧部の弾性変形を積極的に促進し、加圧軸方向へのたわみにより、圧造および除荷時の圧造工具先端の十字穴成形部に作用する応力振幅を低減させる１つの底付き環状の溝空間または複数の底付き穴空間を、圧造工具先端の押圧部端面から圧造工具内部へ加圧軸と平行に形成し、また円筒状の圧造工具と、その内部に十字穴成形部が付帯した円柱状の圧造工具を挿入する二体構造としたことで、円柱状の圧造工具の押圧部の弾性変形を積極的に促進し、加圧軸方向へのたわみにより、圧造および除荷時の圧造工具先端の十字穴成形部に作用する応力振幅を低減させる構成であり、安価で簡易な構成で、加工回数が増大しても圧造工具の疲労破壊を抑制し、長時間の連続使用を可能とし、さらなる高強度素材のねじ圧造への適用が可能となる。
【００３０】
なお、応力集中部を予め分割する二体型の工具として、特開２０００−６２７や、同じく二体型のダイスとして、特開平１−１９７０２９、特開平６−１９８３８１、特開２００６−２６７０９などがある。しかし、これらの技術は、応力集中する部位か、その近辺部位を分割の起点にする技術であり、この発明のように、応力集中とは関係のない部位を分割し、わざとたわますことで破壊部での応力振幅を低減する二体型の圧造工具構造では、そもそも設計思想が全く異なる。また、応力集中部か、その近辺部位を分割する従来技術では、分割部が加圧時にわずかに開き、そこへ材料が流入することでバリ（欠陥）が発生するが、この発明では、分割部位は材料と接触しないのでバリは発生しないなど優位性がある。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】第１の実施の形態の圧造の予備成形に用いる冷間圧造金型の組図を示す図である。
【図２】第１の実施の形態の圧造の主成形に用いる冷間圧造金型の組図を示す図である。
【図３】圧造品を示し、図３（ａ）は平面図、図３（ｂ）は正面図である。
【図４】第１の実施の形態の圧造の主成形に用いる実施の形態の冷間圧造金型の組図を示す図である。
【図５】第１の実施の形態の冷間圧造による主成形時の有限要素法解析モデルを示す図である。
【図６】疲労破壊部の応力振幅に及ぼす円筒状の溝空間の内径の影響を説明する図である。
【図７】疲労破壊部の応力振幅に及ぼす円筒状の溝空間の深さの影響を説明する図である。
【図８】疲労破壊部の応力振幅に及ぼす充填材料の影響を説明する図である。
【図９】第１の実施の形態の圧造の主成形に用いる他の実施の形態の冷間圧造金型の組図を示す図である。
【図１０】第１の実施の形態の圧造の主成形に用いるさらに他の実施の形態の冷間圧造金型の組図を示す図である。
【図１１】冷間圧造後の除荷時の有限要素法解析モデルを示す図である。
【図１２】疲労破壊部の応力振幅に及ぼす円柱状の圧造工具における下段部直径の影響を説明する図である。
【図１３】疲労破壊部の応力振幅に及ぼす円柱状の圧造工具と円筒状の圧造工具の圧入の影響を説明する図である。
【図１４】疲労破壊部の応力振幅に及ぼす円筒状の圧造工具のヤング率の影響を説明する図である。
【図１５】第１の実施の形態の解析結果（効果：除荷時の疲労破壊部の最大主応力）を説明する図である。
【図１６】第２の実施の形態の圧造工具を先端側から見た斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
以下、この発明の圧造金型の実施の形態について説明する。この実施の形態はねじの冷間圧造金型であり、この発明の好ましい形態を示すものであるが、この発明はこれに限定されない。
【００３３】
［第１の実施の形態］
この発明の第１の実施の形態を、図１乃至図１５に基づいて説明する。ねじの冷間圧造は、円柱素材から中間形状を成形する予備成形と、十字穴を持つ頭部を成形する主成形の２工程からなる。
【００３４】
図１に１／４カットモデルで示すとおり、予備成形に用いる冷間圧造用予備成形金型１００は、円柱素材を挿入するための穴１１０ａを有するダイス１１０と、このダイス１１０に対向して配置されるホルダー１２０と、このホルダー１２０に摺動可能に設けられた予備成形工具１２１を備えている。ホルダー１２０の成形穴１２０ａは、予備成形品４０の頭部を成形する形状である。ダイス１１０の穴１１０ａの下方には、ノックアウトピン１１１が摺動可能に設けられている。
【００３５】
圧造の予備成形は、ダイス１１０の円柱素材を挿入する穴１１０ａに、予備成形後は予備成形品４０となる円柱素材を配置し、ダイス１１０の上にホルダー１２０を接触させ、予備成形工具１２１を下方へ摺動して予備成形工具１２１の押圧部１２１ａにより円柱素材を押圧して予備成形品４０を成形する。予備成形中は、ホルダー１２０、ダイス１１０、ノックアウトピン１１１は、固定状態となっている。予備成形後に、ホルダー１２０と予備成形工具１２１を、加圧方向と逆方向に平行移動させ、さらに、工具交換機構（図示せず）により加圧軸上に残さないように移動させ、圧造機械の成形部には、予備成形品４０、ダイス１１０、ノックアウトピン１１１を残しておく。
【００３６】
図２に１／４カットモデルで示すとおり、主成形に用いる冷間圧造金型１は、図１の予備成形と同じダイス１１０と、このダイス１１０に対向して配置される圧造工具３０とを備えている。ダイス１１０の穴１１０ａには、図１において予備成形された予備成形品が残っており、圧造工具３０の成形穴３０ａ１は、圧造品４１の頭部を成形する形状であり、突起３０ａ２は、圧造品頭部の十字穴を成形する形状である。圧造工具３０の押圧部３０ａにより予備成形品を押圧して圧造品４１を成形し、この実施の形態では、突起３０ａ２により十字穴付ねじの十字穴を成形する。ここで、図２中に疲労破壊部２００を図示しておく。
【００３７】
圧造の主成形は、図１の予備成形後に圧造機械の成形部に残しておいたダイス１１０、予備成形品４０、ノックアウトピン１１１を用いて、それらに対向して圧造工具３０を配置し、圧造工具３０を作動して押圧部３０ａにより予備成形品４０を押圧して圧造品４１を成形する。主成形中は、ダイス１１０、ノックアウトピン１１１は、固定状態となっている。圧造工具３０を加圧方向と逆方向に平行移動（この動作を除荷と言う）させ、さらに、ノックアウトピン１１１を加圧方向と逆方向へ摺動して圧造品４１を取り出す。
【００３８】
圧造品４１は、図３に示すように、ねじ転造される前のねじ部品であり、ねじ転造される軸部４１ａと、頭部４１ｂとを有する。圧造工具３０の押圧部３０ａの突起３０ａ２を、軸心で十字状に突出する形状にすることで、頭部４１ｂに十字穴４１ｂ１が形成される。
【００３９】
圧造工具３０の内部には、図４に１／４カットモデルで示すように、冷間圧造の際に、圧造工具３０の押圧部３０ａの弾性変形を積極的に促進し、加圧軸方向へのたわみにより、圧造および除荷時の圧造工具先端の十字穴成形部に作用する応力振幅を低減させる円筒状の溝空間５０が、圧造工具先端の押圧部３０ａの押圧部端面３０ａ１から圧造工具内部へ加圧軸と平行に形成されている。
【００４０】
図４（ａ）の実施の形態では、溝空間５０の内形と外形が圧造工具３０の外周形状と相似となる円筒形状であり、圧造工具３０の押圧方向において、溝空間５０の位置が圧造時の衝撃による応力が到達する領域内であり、圧造工具先端の押圧部３０ａがたわみやすい溝径と溝高さに形成される。図４（ｂ）の実施の形態では、溝空間５０が図４（ａ）の実施の形態と同様に形成され、この溝空間５０に充填材料５１を挿入し、充填材料５１のヤング率を、圧造工具３０のヤング率より低く設定した構成である。圧造工具３０は、高速度鋼である。
【００４１】
図４（ａ），（ｂ）の実施の形態の溝空間５０は、圧造工具３０の押圧部３０ａの押圧部端面３０ａ１から始まり、溝空間５０の最小内径は、十字状に突出する形状の十字突起３０ａ２の仮想外径より大きく、圧造工具３０の外径の半分である。また、溝空間５０の深さＬは、圧造工具３０の全長の３分の１であり、溝空間５０の幅Ｄは、製作の容易性を考慮し、０．５〜２．５ｍｍ程度である。この溝空間５０は、旋削、放電加工等により製作される。
【００４２】
この主成形に用いる冷間圧造金型１では、図２に示すように、圧造工具３０を摺動して圧造工具３０の押圧部３０ａにより予備成形品４０を押圧し塑性加工し、十字穴４１ｂ１を有する圧造品４１を冷間圧造する。この圧造品４１を成形する際に、図４（ａ）の実施の形態では、圧造工具３０の内部に、圧造工具３０の押圧部３０ａの弾性変形を積極的に促進し、加圧軸方向へのたわみにより、圧造および除荷時の圧造工具先端の十字穴成形部の疲労破壊部２００に作用する応力振幅を低減させる円筒状の溝空間５０を、圧造工具３０の押圧部３０ａの押圧部端面３０ａ１から圧造工具内部へ加圧軸と平行に形成したことで、安価で簡易な構成で、加工回数が増大しても図２の疲労破壊部２００の疲労破壊を抑制し、長時間の連続使用を可能とし、さらなる高強度素材のねじ圧造への適用が可能となる。
【００４３】
図４（ａ）の実施形態の圧造工具３０は、円筒形状の溝空間５０の溝内径と高さの組み合わせで、圧造および除荷時の圧造工具先端の十字穴成形部の疲労破壊部２００に作用する応力振幅を制御できる。また、図４（ｂ）の実施の形態では、円筒形状の溝空間５０に、溝空間と同形状の充填材料５１を挿入した。充填材料５１により、加圧時の圧造工具３０の押圧部３０ａの微小な曲がりによる圧造品の欠陥発生を抑制できる。さらに、充填材料５１のヤング率を、圧造工具３０の押圧部３０ａのヤング率より低くすることで、押圧部３０ａの弾性変形を積極的に促進し、たわみにより圧造および除荷時の圧造工具先端の十字穴成形部の疲労破壊部２００に作用する応力振幅を抑制できる。
【００４４】
図５は、冷間圧造による主成形時の有限要素法解析モデルを示す。圧造工具は弾性体とし、３０，０００要素に分割した。この圧造工具は、高速度鋼であり、ヤング率２２８０００ＭＰａ、ポアソン比０．２８である。素材は、剛塑性体とし、解析のために２０，０００要素に分割した。主成形時の素材は、予め解析しておいた予備成形後の加工品とした。
【００４５】
次に、圧造および除荷時の圧造工具先端の十字穴成形部の疲労破壊部２００に作用する応力振幅の有限要素解析結果（効果）を、図６乃至図８に基づいて説明する。図６は、円筒状の溝空間の深さ４ｍｍの場合の、応力振幅に及ぼす溝空間内径の影響を説明する図である。溝幅を１ｍｍとし、溝空間に溝空間と同形状の充填材料を挿入した。なお、充填材料は圧造工具と同じ材質で、高速度鋼である。溝空間の内径を変化させて、圧造工具先端の十字穴成形部の疲労破壊部２００に作用する応力振幅を、有限要素法を用いた数値解析により求めた。図６に示すとおり、溝空間を形成することで、溝空間を設けない従来の圧造工具と比較して、圧造工具の押圧部は、溝空間がいずれの設定内径であっても剛性が低下し、たわみやすくなり、疲労破壊に影響を及ぼす応力振幅が低下している。また、溝空間の深さ４ｍｍの場合、溝空間の内径が大きくなるほど応力振幅は低下する。
【００４６】
図７は、円筒状の溝空間の内径６ｍｍの場合の、応力振幅に及ぼす溝空間深さの影響を説明する図である。溝幅を１ｍｍとし、溝空間に溝空間と同形状の充填材料を挿入した。圧造工具と充填材料の材質は、図６と同様である。溝空間の深さを変化させて、圧造工具先端の十字穴成形部の疲労破壊部２００に作用する応力振幅を、有限要素法を用いた数値解析により求めた。図６に示すとおり、溝空間を形成することで、溝空間を設けない従来の圧造工具と比較して、圧造工具の押圧部は、溝空間がいずれの設定深さであっても剛性が低下し、たわみやすくなり、疲労破壊に影響を及ぼす応力振幅が低下している。また、溝空間の深さが４ｍｍで、応力振幅は最低値を示し、溝空間の深さが４〜８ｍｍの範囲では従来の圧造工具の応力振幅より低下した。
【００４７】
図８は、応力振幅に及ぼす充填材料の影響を説明する図であり、円筒状の溝空間の内径は６ｍｍ、深さは４ｍｍで、溝空間に充填材料を挿入しない場合と、溝空間に充填材料を挿入し、充填材料の材質を高速度鋼（ＳＫＨ材）、高速度鋼よりヤング率が低い炭素鋼（Ｓ４５Ｃ）の場合について、圧造工具先端の十字穴成形部の疲労破壊部２００に作用する応力振幅を、有限要素法を用いた数値解析により求めた。圧造工具は高速度鋼とした。溝空間に充填材料を挿入しない場合と、溝空間に充填材料を挿入した場合ともに、溝空間を設けない従来の圧造工具と比較して、疲労破壊に影響を及ぼす応力振幅が低下している。溝空間に充填材料を挿入しない場合より溝空間に充填材料を挿入した場合の方が、疲労破壊に影響を及ぼす応力振幅が低下し、充填材料のヤング率は、圧造工具３０のヤング率より低い方が疲労破壊に影響を及ぼす応力振幅が低下した。
【００４８】
次に、圧造工具３０に形成する溝空間５０の深さの極限状態を示す。極限とは、溝空間５０の深さＬを最大限（圧造具３０を貫通することになるため、必然的に二体型の圧造工具となる）とし、溝空間５０の幅Ｄを最小限（必然的に二体型となった圧造工具同士をすきま嵌めの状態とする）とする構成であり、それらの実施形態を、図９乃至図１１に示す。すなわち、請求項８の二体型の圧造工具は、請求項１の一体型の圧造工具の深さの最大限と溝幅の最小限を表現したものであるとも言える。図９は、溝空間５０の深さＬを最大限にし、溝空間５０の幅Ｄを最小限とする構成を示し、この構成は、図１０に示すように実施される。
【００４９】
図９を実用的にした図１０の実施の形態では、円筒状の圧造工具６０と、その内部に十字穴成形部が付帯した円柱状の圧造工具７０を挿入する二体構造としたことで、円柱状の圧造工具７０の押圧部７０ｃの弾性変形を積極的に促進し、加圧軸方向へのたわみにより、圧造および除荷時の圧造工具先端の十字穴成形部に作用する応力振幅を低減させる構成である。円筒状の圧造工具６０の貫通孔６２は、下段孔６２ａと上段孔６２ｂとを有する段付き孔であり、円柱状の圧造工具７０は、下段部７０ａと上段部７０ｂとを有する。
【００５０】
この円柱状の圧造工具７０の下段部７０ａを、円筒状の圧造工具６０の上段孔６２ｂから挿入して下段孔６２ａに位置させ、円柱状の圧造工具７０の上段部７０ｂを、上段孔６２ｂに位置させることで、円柱状の圧造工具７０の押圧部７０ｃの弾性変形を積極的に促進し、加圧軸方向へのたわみにより、圧造および除荷時の圧造工具先端の十字穴成形部に作用する応力振幅を低減させる。
【００５１】
この円柱状の圧造工具７０は、上段部７０ｂの外径には特別な制限は無く、抜け落ち防止ができれば、直径は下段部７０ａより０．５ｍｍ大きい程度でよい。また、円柱状の圧造工具７０の上段部７０ｂの長さにも特別な制限は無く、上段部７０ｂの直径が下段部７０ａの直径と比較して十分に小さければ（０．５ｍｍ程度）、剛性に大きな変化はないため、円柱状の圧造工具７０の上段部７０ｂの長さは生産可能であり、圧造作業に支障とならない範囲内で決められる。
【００５２】
このように、円筒状の圧造工具６０に、円柱状の圧造工具７０を挿入し、円柱状の圧造工具７０の押圧部７０ｃの弾性変形を積極的に促進し、加圧軸方向へのたわみにより、圧造および除荷時の圧造工具先端の十字穴成形部に作用する応力振幅を低減させることで、安価で簡易な構成で、加工回数が増大しても長時間の連続使用を可能とし、さらなる高強度素材のねじ圧造への適用が可能となる。
【００５３】
この円柱状の圧造工具７０は、下段部７０ａの外径を可変すると、圧造および除荷時の圧造工具先端の十字穴成形部に作用する応力振幅を制御できる。また、円筒状の圧造工具６０と円柱状の圧造工具７０の材質が、同一であることが好ましいが、円筒状の圧造工具６０のヤング率と、円柱状の圧造工具７０のヤング率を変化させることで、圧造および除荷時の圧造工具先端の十字穴成形部に作用する応力振幅を制御できる。
【００５４】
また、円筒状の圧造工具６０が、下段部７０ａと上段部７０ｂとを有する段付形状であることで、除荷時の抜け落ち防止機能を有する。さらに、円筒状の圧造工具６０に、円柱状の圧造工具７０を圧入しないで挿入するから、円柱状の圧造工具７０が破壊したらこれのみを交換し、円筒状の圧造工具６０は、繰り返し使用できる。
【００５５】
図１１は、冷間圧造後の除荷時の有限要素法解析モデルを示し、ラムによって圧造工具を押し、圧造工具によって図５の圧造品である素材を押圧し、加工後、ダイスを固定し、圧造工具を上に引き抜くときに圧造工具の疲労破壊の要因となる引張り応力が発生する。この現象をモデル化した。圧造工具は解析のために３０，０００要素に分割した。図１１（ａ）の圧造工具は、従来型のものを用い、高速度鋼である。図１１（ｂ）の圧造工具は、圧造工具の押圧方向に沿って貫通孔を形成し、この貫通孔に円柱状の圧造工具を挿入し、円柱状の圧造工具の弾性変形を積極的に促進し、加圧軸方向へのたわみにより、圧造および除荷時の圧造工具先端の十字穴成形部に作用する応力振幅を低減させる。
【００５６】
次に、圧造および除荷時の圧造工具先端の十字穴成形部の疲労破壊部２００に作用する応力振幅の有限要素解析結果（効果）を、図１２乃至図１５に基づいて説明する。図１２は応力振幅に及ぼす円柱状の圧造工具７０の下段部７０ａの直径の影響を説明する図であり、円筒状の圧造工具６０と円柱状の圧造工具７０は、同一材質で高速度鋼とし、円柱状の圧造工具７０の円筒状の圧造工具６０へ圧入しない（すきま嵌め）で挿入した。また、上段部７０ｂの直径は、下段部７０ａより０．５ｍｍ大きくした。円柱状の圧造工具７０の下段部７０ａの直径を変化させて疲労破壊部２００に作用する応力振幅を有限要素法を用いた数値解析により求めた。円柱状の圧造工具７０は、溝空間を設けない従来の圧造工具と比較して設定したいずれの直径でも剛性が低下し、たわみやすくなり、疲労破壊に影響を及ぼす応力振幅が低下している。
【００５７】
この実施の形態の圧造工具の応力振幅は、円柱状の圧造工具７０の下段部７０ａの直径が、従来の圧造工具の直径（１２ｍｍ）の１／２で最低値を示し、直径４〜８ｍｍの範囲では、従来の圧造工具より応力振幅は低下する。円柱状の圧造工具７０の下段部７０ａの最小外径は、圧造品にバリ（欠陥）を生じさせないために、ねじ頭部最大直径以上である必要があり、最大外径は、円筒状の圧造工具６０を加工できる直径までとなる。
【００５８】
図１３は、応力振幅に及ぼす円筒状の圧造工具６０と円柱状の圧造工具７０の挿入状態（圧入の有無と圧入の程度）の影響を説明する図であり、円筒状の圧造工具６０と円柱状の圧造工具７０は、同一材質で高速度鋼とし、円柱状の圧造工具７０の下段部７０ａの直径は、図１２で最も応力振幅が低下する６ｍｍとした。また、上段部７０ｂの直径は、下段部７０ａより０．５ｍｍ大きくした。円柱状の圧造工具７０を円筒状の圧造工具６０に圧入することで、円柱状の圧造工具７０の剛性が向上し、たわみ難くなるため、応力振幅は低下せず、圧入率が上昇すると共に疲労破壊に影響を及ぼす応力振幅は上昇する。すなわち、円柱状の圧造工具７０を円筒状の圧造工具６０に圧入しないで挿入し、円柱状の圧造工具７０の押圧部７０ｃの弾性変形を積極的に促進させると、圧造および除荷時の圧造工具先端の十字穴成形部の疲労破壊部２００に作用する応力振幅は低下する。
【００５９】
図１４は、応力振幅に及ぼす円筒状の圧造工具６０のヤング率の影響を説明する図である。ここで、円柱状の圧造工具７０の下段部７０ａの直径は、図１２で最も応力振幅が低下する６ｍｍとし、円柱状の圧造工具７０を円筒状の圧造工具６０に圧入しないで挿入しており、円柱状の圧造工具７０の材質は、高速度鋼とした。また、円筒状の圧造工具６０の材質は、高速度鋼（ＳＫＨ材）、炭素鋼（Ｓ４５Ｃ）の場合について、圧造および除荷時の圧造工具先端の十字穴成形部の疲労破壊部２００に作用する応力振幅を有限要素法を用いた数値解析により求めた。この実施の形態では、円柱状の圧造工具７０を円筒状の圧造工具６０に圧入していないため、いずれのヤング率でもたわみ易くなり、従来の圧造工具と比較して疲労破壊に影響がある応力振幅は大幅に低下する。しかし、ヤング率が小さくなるとたわみ過ぎてしまい、かえって応力振幅が上昇することになる。したがって、円筒状の圧造工具６０と円柱状の圧造工具７０の材質が同一であると、たわみ過ぎることなく、応力振幅を低下することができるので好ましい。
【００６０】
図１５は、圧造後の除荷時の解析結果（効果）を示し、図１５（ａ）は、直径１２ｍｍの従来型の圧造工具の押圧部の先端部分の最大主応力分布を示す縦断面図であり、図１５（ｂ）は直径４ｍｍの圧造工具の押圧部の先端部分の最大主応力分布を示す縦断面図であり、図１５（ｃ）は直径６ｍｍの圧造工具の押圧部の先端部分の最大主応力分布を示す縦断面図であり、図１５（ｄ）は直径８ｍｍの圧造工具の押圧部の先端部分の最大主応力分布を示す縦断面図であり、図１５（ｃ）〜図１５（ｄ）はパンチの円筒状の圧造工具６０と円柱状の圧造工具７０は同材質で圧入しないで挿入した。
【００６１】
図１５（ｅ）は直径６ｍｍの圧造工具の押圧部の先端部分の最大主応力分布を示す縦断面図であり、円筒状の圧造工具６０と円柱状の圧造工具７０は同材質で、０．５％で圧入して挿入した。図１５（ｆ）は直径６ｍｍの圧造工具の押圧部の先端部分の最大主応力分布を示す縦断面図であり、円筒状の圧造工具６０と円柱状の圧造工具７０は同材質で、０．９％で圧入して挿入した。図１５（ｇ）は直径６ｍｍの圧造工具の押圧部の先端部分の最大主応力分布を示す縦断面図であり、円筒状の圧造工具６０の材質を円柱状の圧造工具７０よりヤング率が低いＳ４５Ｃとし、圧入しないで挿入した。
【００６２】
円柱状の圧造工具７０の周縁よりも軸心で十字状に突出する先端面によって圧造品に十字穴が成形され、解析による圧造工具の最大主応力は、図１５（ｈ）に示すように、応力レンジ０〜８００（ＭＰａ）とし、図に示す５段階に分け表示している。すなわち、円柱状の圧造工具７０の最大主応力は、十字状に突出する先端面に対応する部分から円弧状に応力が分布し、十字状に突出する先端面に対応する部分が、５段階目の６４０〜８００（ＭＰａ）であり、最大主応力が最も大きくなっている。この応力が最も大きくなっている部分において円柱状の圧造工具７０における疲労破壊の要因となる。
【００６３】
図１５（ａ）の従来型の圧造工具の押圧部の先端部分の最大主応力分布では、５段階目の６４０〜８００（ＭＰａ）の領域が大きいが、図１５（ｂ），（ｃ），（ｄ），（ｇ）の実施の形態の円柱状の圧造工具７０の先端部分の最大主応力分布では、５段階目の６４０〜８００（ＭＰａ）の領域が極端に小さくなっている。図１５（ｅ），（ｆ）の形態の円柱状の圧造工具７０の先端部分の最大主応力分布では、５段階目の６４０〜８００（ＭＰａ）の領域が小さくなっていない。
【００６４】
図１５（ｂ），（ｃ），（ｄ），（ｇ）では、円柱状の圧造工具７０の先端面を、周縁よりも軸心で突出する形状にし、この実施の形態で、圧造工具を摺動して円柱状の圧造工具７０により素材を押圧して圧造品を成形する際に、円筒状の圧造工具６０に円柱状の圧造工具７０を挿入し、円柱状の圧造工具７０の弾性変形を積極的に促進し、加圧軸方向へのたわみにより、圧造および除荷時の圧造工具先端の十字穴成形部に作用する応力振幅を低減させることができた。
【００６５】
［第２の実施の形態］
この発明の第２の実施の形態を、図１６に基づいて説明する。図１６は圧造工具を先端側から見た斜視図であり、この第２の実施の形態は、第１の実施の形態と同じ構成は同じ符号を付して説明を省略する。
【００６６】
この第２の実施の形態は、第１の実施の形態の圧造工具３０に形成する溝空間５０に代えて複数の穴空間５５を、圧造工具先端の押圧部端面から圧造工具内部へ加圧軸と平行に形成している。この複数の穴空間５５の配置により形成される形状が円形状であり、圧造工具３０の外周形状と相似である。
【００６７】
このように、複数の穴空間５５の配置により形成される形状が、圧造工具３０の外周形状と相似であり、複数の穴空間５５の配置により形成される形状の中心軸側の押圧部３０ａの外径が、ねじ頭部直径より大きく、複数の穴空間５１の配置により形成される形状の中心軸と反対側の押圧部３０ａの内径が、圧造工具３０の外径より小さい。
【００６８】
また、複数の穴空間５５の配置により形成される形状の内側および外側の形状が、任意形状であり、複数の穴空間５５の長さが、圧造工具先端の押圧部端面から圧造工具後端面より小さい。
【００６９】
この複数の穴空間５５に、固体の充填材料を挿入し、複数の穴空間５５の配置の中心軸側の押圧部３０ａが、加圧時に加圧軸方向に対する垂直方向へのたわみを抑制する構成とすることができ、固体の充填材料のヤング率が、圧造工具３０のヤング率と同値かそれより低く構成される。
【産業上の利用可能性】
【００７０】
この発明は、圧造する際に用いられる圧造金型に適用可能であり、安価で簡易な構成で、圧造工具の疲労破壊を抑制し、長時間の連続使用を可能とし、さらなる高強度素材のねじ圧造への適用を可能とする。
【符号の説明】
【００７１】
１  冷間圧造金型
３０，６０，７０  圧造工具
３０ａ    押圧部
３０ａ１  成形穴
３０ａ２  突起
４０  予備成形品
４１  圧造品
５０  溝空間
５１  充填材料
５５  穴空間
７０ｃ  押圧部
１１０  ダイス
１１１  ノックアウトピン
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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