(57)【要約】【課題】鍛造成形品の寸法精度を向上させるとともに、機械加工工程を極力低減してコストを低減することが可能な鍛造方法および鍛造装置を提供する。【解決手段】ワークを金型の内部に設置し、前記ワークを前記金型の上型部により前記金型の下型部側へ軸方向に押圧し、前記ワークの端面の肉を流動させて前記ワークの端面を凹凸の形状に成形する鍛造方法であって、前記押圧成形時に、前記上型部および前記下型部とは独立して前記ワークを軸方向に押圧保持する独立押圧保持手段を使用することを特徴とする鍛造方法。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ワーク（Ｗ）を金型（１、２、３）の内部に設置し、前記ワークを前記金型の上型部（１）により前記金型の下型部（２）側へ軸方向に押圧し、前記ワークの端面の肉を流動させて前記ワークの端面を凹凸の形状に成形する鍛造方法であって、
前記押圧成形時に、前記ワークの端面に、前記上型部（１）により前記下型部（２）側へ軸方向に押圧する第１外力（Ｐ０）を加えると共に、該第１外力と独立した第２外力（Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３）を加えて前記ワーク端面を押圧保持することにより、前記ワーク端面を凹凸形状に成形することを特徴とする鍛造方法。
【請求項２】
前記押圧成形時に、前記上型部および前記下型部とは独立して前記ワークを軸方向に押圧保持する独立押圧保持手段（４、５、６）を使用することを特徴とする請求項１に記載の鍛造方法。
【請求項３】
前記第２外力（Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３）が、前記独立押圧保持手段による押圧保持力（Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３）であることを特徴とする請求項２に記載の鍛造方法。
【請求項４】
複数の前記独立押圧保持手段（４、５、６）を使用して、該複数の独立押圧保持手段による各押圧保持力（Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３）を、相互に独立して発生させることを特徴とする請求項２または３に記載の鍛造方法。
【請求項５】
ワーク（Ｗ）を金型（１、２、３）の内部に設置し、前記ワークを前記金型の上型部（１）により前記金型の下型部（２）側へ軸方向に押圧し、前記ワークの端面の肉を流動させて前記ワークの端面を凹凸形状に成形する鍛造装置であって、
前記押圧成形時に、前記ワークの端面に、前記上型部（１）により前記下型部（２）側へ軸方向に押圧する第１外力（Ｐ０）を加えるとともに、押圧保持手段（４、５、６）により前記第１外力と独立した第２外力（Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３）を加えて前記ワークの端面を押圧保持することにより、前記ワーク端面を凹凸形状に成形することを特徴とする鍛造装置（１０）。
【請求項６】
前記押圧保持手段（４、５、６）は、前記上型部および前記下型部とは独立して前記ワークを軸方向に押圧保持する独立押圧保持手段（４、５、６）であることを特徴とする請求項５に記載の鍛造装置（１０）。
【請求項７】
前記第２外力（Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３）が、前記独立押圧保持手段による押圧保持力（Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３）であることを特徴とする請求項６に記載の鍛造装置（１０）。
【請求項８】
前記独立押圧保持手段（４、５、６）を複数設け、該複数の独立押圧保持手段による各押圧保持力（Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３）を、相互に独立して発生させることを特徴とする請求項６または７に記載の鍛造装置（１０）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鍛造成形品の精度向上および製造コストの低減が可能な鍛造方法および鍛造装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、金属からなる素材に押圧力を付与することによって前記素材を所定形状に鍛造成形する鍛造用素材の成形方法が知られている。
【０００３】
そして、一般的な鍛造成形方法では、所望の寸法精度の鍛造成形品を得ることが困難であるため、鍛造された成形品に対して別工程において機械加工を施し、所望の寸法精度となるように仕上げている。このように付加的に機械加工を施して所望の寸法精度を確保する場合、機械加工により製造工程数が増大するという問題がある。
【０００４】
この問題を解決するために、ワーク（被加工材）の外周部位をしごき加工することにより、外周部位の寸法精度を向上させるものがある（特許文献１参照）。しかし、ワーク（被加工材）の端面の肉を流動させて凹凸の形状に鍛造成形する場合において、特にワークの端面に点対称形状ではない（以下「非点対称形状」と言う）溝形状を形成する場合（図３参照）、肉厚が不均一であるためワーク素材内の各位置の内部応力が均等化されにくくなる。この場合、欠肉等の不良が発生し、さらには溝の立ち上がり部が垂直に形成されず傾いて形成されてしまい、所望の精度が確保されず、機械加工を施さない場合には要求機能を満足しないという問題もあった。
【０００５】
この問題を詳細に説明する。図３は、ワークを成形した成形品を表す図であり、（ａ）は成形品をＸ方向から視た図、（ｂ）は成形品の断面図、（ｃ）は成形品をＹ方向から視た図である。図４は、成形品の溝部の拡大断面図である。図６は、従来の鍛造方法により鍛造した成形品の溝部の精度を実測データに基づいて表した図である。図８は、従来方法により加工されたワークの外観図である。図９は、従来の鍛造方法を説明するための図であり、ワークを塑性変形させている途中状態の図である。
【０００６】
図３に示すように、成形品９０は、例えば自動車用ブレーキ部品であり、全体としては略円柱形状をしており、該円柱の軸心Ｚに対して「非点対称形状」をした溝９３および外壁部９１を有する。すなわち、溝立ち上り部９３ａおよび９３ｃの略円周形状曲線は、「非点対称形状」をしているので、円柱の軸心Ｚに対して半回転したとき、元の略円周形状曲線に重ならない。溝９３が形成されることにより、中央に楕円形の島部９４が形成され、外周に土手状の外壁部９１が形成されている。外壁部９１は、広い部分（厚肉部）９１ａと狭い部分（薄肉部）９１ｂとを有している。
【０００７】
一方、図９において、５０は、従来の成形装置を示す。５１は金型上型部である上パンチ、５２は金型下型部である下パンチ、３はダイス、Ｗは鍛造加工前のワーク（鍛造加工前のワーク端面を一点鎖線で示す）、Ｗ１は鍛造加工途中状態のワーク（実線で示す）、ＣはワークＷの端面に凹凸形状を形成するための金型キャビティである。なお、上パンチ５１と下パンチ５２とは、実質上、同一部材であり、上パンチ５１と下パンチ５２のキャビティＣは同一形状をしている。
【０００８】
上パンチ５１および下パンチ５２は、ダイス３に対して摺動自在に組合わせられている。下パンチ５２およびダイス３は、鍛造加工装置本体（図示せず）に固定されており変位しない。ワークＷが下パンチ５２の上に設置されると、上パンチ５１がダイス３の中央穴３ａへ挿入され、ワークＷの真上でセットされる。次に、上パンチ５１は、駆動装置（図示せず）により荷重Ｐ０で軸方向に下方へワークＷを押圧しながら移動する。上パンチ５１は、所定の位置まで下方へ移動し、その後上昇する。こうして上パンチ５１の下端面形状（キャビティＣを含む）がワークＷの上端面に転写されることとなる。
【０００９】
上パンチ５１によりワークＷが押圧され始めると、ワークＷの両端面の肉は、上パンチ５１の凸部５１ａと下パンチ５２の凸部５２ａの押圧力により塑性変形を起してキャビティＣ内へ流動する。この時のワークＷの状態をＷ１で表している。なお、上パンチ５１の凸部５１ａｘの幅は凸部５１ａｙの幅より広く、キャビティＣ２部の幅は、Ｃ３部の幅よりも広くなっている。
【００１０】
図９に示すように、広い幅のキャビティ部Ｃ２へのワークＷの流入量は多く、狭い幅のキャビティ部Ｃ３へのワークＷの流入量は少ない。これは、広い幅のキャビティ部Ｃ２への素材流動抵抗が、Ｃ３に比べ小さいことと、凸部５１ａｘの幅が広いため押圧荷重を受けるワーク素材の部分が多いことによる。そして、凸部５１ａｘに当接するワーク部位は、内部応力が高くなる。このため、狭い幅のキャビティ部分Ｃ３においてワーク素材がキャビティ内に充填せず、鍛造後のワークの相当部位が一部かける欠肉が生じやすくなる。
【００１１】
図８に示すように、従来の鍛造方法による成形品では、矢印部が欠肉となっていることが分かる。また、狭い溝部９３に対応する島部９４側の立ち上がり部９３ａｙは、垂直に形成されず傾いて形成される。実験によると、直径４０ｍｍ、高さ３０ｍｍ、溝深さ５ｍｍの成形品において、該立ち上がり部９３ａｙに関する最大傾き量が約１００μｍ（図６参照）あった。なお、この最大傾き量の要求目標値は、５０μｍ以内であり、従来方法による成形品では、要求目標値を達成しなかった。
【００１２】
一方、図４は、成形品９０の溝部９３の拡大断面図である。そして、図６は、従来方法により鍛造した成形品の精度を実測データに基づいて表した図である。図４は、図６（および後述する図５）の横軸ｘおよび縦軸ｙの定義を説明するための図である。図４において、ｓは基準点であり、ｔは計測位置である。そして、ｘは計測位置ｔにおける基準点ｓからの距離を表しており、ｙは計測位置ｔにおける基準点ｓからの溝立ち上り部９３ａの傾き量を表している。図６に示すように、薄肉部９１ｂに対応する地点Ｂ（図３（ａ）参照）の溝立ち上り部の最大傾き量は、実測値で約１００μｍであり、厚肉部９１ａに対応する地点Ａの溝立ち上り部の最大傾き量は、約６０μｍであった。地点Ａと地点Ｂとは溝立ち上り部の傾き量が大きく相違していることが分かる。なお、溝立ち上り部の最大傾き量の目標値は、５０μｍである。
【００１３】
【特許文献１】特開２００４−３４４９３１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
本発明は、前記の問題を考慮してなされたものであり、鍛造成形品の寸法精度を向上させるとともに、機械加工工程を極力低減してコストを低減することが可能な鍛造方法を提供することを目的とする。特に、ワークの端面の肉を流動させて凹凸の形状に成形する鍛造方法において、欠肉等の不良を伴うことなく、鍛造成形品の寸法精度を向上させるとともに、機械加工工程を極力低減してコストを低減することが可能な鍛造方法および鍛造装置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】
【００１５】
本発明は、前記課題を解決するための手段として、以下の形態の鍛造方法および鍛造装置を提供する。
本発明の第１形態によれば、鍛造方法または鍛造装置は、押圧成形時に、ワークの端面に、上型部により下型部側へ軸方向に押圧する第１外力を加えると共に、第１外力と独立した第２外力を加えてワーク端面を押圧保持することにより、前記ワーク端面を凹凸形状に成形することを特徴とする。
【００１６】
これにより、特に点対称ではない凹凸形状をワーク端面に形成する場合、第１外力と独立した第２外力とを加えることにより、ワーク端面の内部応力が均等化され、金型キャビティ内で偏りの無い塑性流動を生じさせることが可能となる。すなわち、塑性流動したワーク材料は、従来よりも均一な内部応力で流動性も均一化されて金型キャビティ内の隅々にまで充填される。こうして、欠肉等の不良を伴うことなく、鍛造成形品の寸法精度を向上させることが可能となり、ワークの機械加工工程を極力低減することが可能となる。
【００１７】
本発明の第２形態によれば、鍛造方法または鍛造装置は、押圧成形時に、上型部および下型部とは独立して前記ワークを軸方向に押圧保持する独立押圧保持手段を使用することを特徴とする。
これにより、第２外力を発生させる具体的手段が提供される。
【００１８】
本発明の第３形態によれば、鍛造方法または鍛造装置は、第２外力が、前記独立押圧保持手段による押圧保持力であることを特徴とする。第２外力の具体的態様を表したものである。
【００１９】
本発明の第４形態によれば、鍛造方法または鍛造装置は、複数の独立押圧保持手段を使用して、複数の独立押圧保持手段による各押圧保持力を、相互に独立して発生させることを特徴とする。
これにより、一層、鍛造成形時にワーク材料の塑性流動をきめ細かく制御可能となり、より一層、鍛造成形品の寸法精度を向上させることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図１は、本発明に係る鍛造方法および鍛造装置を説明するための図である。図２は、図１の上パンチの拡大断面図である。図５は、本発明に係る鍛造方法および鍛造装置により鍛造した成形品の溝の精度を実測値により表した図である。図７は、本発明に係る鍛造方法および鍛造装置により加工されたワークの外観図である。
【００２１】
まず、本発明に係る鍛造装置について説明する。
図１において、１０は、本発明に係る鍛造装置を示す。１は金型上型部を構成する上パンチ、２は金型下型部を構成する下パンチ、３はダイス、Ｗは円柱状のワーク、Ｃは金型キャビティである。４は上パンチ１とは独立した第１押圧保持手段、５は下パンチ２とは独立した第２押圧保持手段、６は下パンチ２とは独立した第３押圧保持手段である。
【００２２】
ダイス３は略円筒状の剛性の高い構造をしており、中央にワークＷを設置する円筒穴３ａを有する。この円筒穴３ａには、上側に円筒状の第１押圧保持手段４が摺動自在に挿入されており、中間にワークＷが設置され、下側に第２押圧保持手段５が摺動自在に挿入されている。この円筒穴３ａと、第１押圧保持手段４、ワークＷ、第２押圧保持手段５との間隙は、相互の摺動を阻害しない程度にゼロに近い状態となっている。
【００２３】
そして、第１押圧保持手段４の中央には穴４ｂが明いており、その中へ上パンチ１が摺動自在に挿入され、ワークＷの真上でセットされている。また、第２押圧保持手段５の中央にも穴５ｂが明いており、その中へ下パンチ２が摺動自在に挿入されている。下パンチ２の中央には、穴２ｂが明いており、その中へ第３押圧保持手段６が摺動自在に挿入されている。上パンチ１の成形用凸部１ａと下パンチ２の成形用凸部２ａは同一形状をしている。なお、成形用凸部１ａは、略円筒状をしており、その略円筒の中心はパンチ１の軸心から偏心している。そして、成形用凸部１ａは、パンチ１の軸方向に突出するように形成され、その幅は、一方が狭く一方が広く形成されている。
【００２４】
上パンチ１、第１押圧保持手段４、第２押圧保持手段５、第３押圧保持手段６の各手段に対して、相互に独立した対応する複数の駆動手段７ａ〜７ｄがそれぞれ接続されている。これらを、それぞれ上パンチ駆動手段７ａ、第１駆動手段７ｂ、第２駆動手段７ｃ、第３駆動手段７ｄと呼ぶこととする。これらの駆動手段は、例えば油圧モータにより駆動される。
【００２５】
下パンチ２およびダイス３は、鍛造加工装置本体に固定されており変位しない。また、下パンチ２および第２押圧保持手段５および第３押圧保持手段６の各端面は同一平面にセットされている。この状態で、ワークＷが下パンチ２および第２押圧保持手段５および第３押圧保持手段６の端面上に設置されると、上パンチ１および第１押圧保持手段４が、ダイス３の中央穴３ａへ挿入され、ワークＷの真上でセットされる。
【００２６】
次に本発明に係る鍛造装置を使用した鍛造方法並びに作用効果について説明する。
上パンチ駆動手段７ａおよび第１駆動手段７ｂに電圧がオンされると上パンチ駆動手段７ａおよび第１駆動手段７ｂが軸方向に沿って下方へと変位し、図１に示すように、上パンチ１および第１押圧保持手段４の下面がワークＷの上面に当接する。この当接時点（以下、「上パンチ当接時点」と言う）から、上パンチ１には例えばＰ０＝１０００ＭＰａの圧力が上パンチ駆動手段７ａを介して掛かり、第１押圧保持手段４には例えばＰ１＝３００ＭＰａの圧力が第１駆動手段７ｂを介して掛かる。第１押圧保持手段４は、押圧力が３００ＭＰａに到達した時点で、その上下方向における位置を維持し、ワークＷの端面を押圧保持する。
【００２７】
次に、図２に示すように、上パンチ１の駆動手段７ａにより、上パンチ１がワーク端面よりさらに下方へと変位することにより、上パンチ１の凸部１ａｘ、１ａｙがワークＷの内部に押し込まれ、ワークＷの端面の外周側の肉は、ダイス３の内周面３ａと上パンチ１の外周面１ｄとの間に区画形成される空間（Ｗａ、Ｗｂで示される部位）へと流動する。この時、ワークＷの端面の外周側の肉は、３００ＭＰａの圧力が掛かった第１押圧保持手段４により常時押圧保持されている。このため、この外部すなわち上パンチの駆動手段７ａとは独立した第１駆動手段７ｂから加えられた圧力Ｐ１により、上パンチ１の凸部１ａｘ、１ａｙの直下部のワーク内圧が均等化され、外周側の肉(Ｗａ、Ｗｂ部)が、偏りなく均等に前記空間内へ流動することとなる。すなわち、外周側の肉の各部位には、約３００ＭＰａの均一な内部応力がかかる。こうして、前記空間が、前記ワークＷの流動した肉によって満たされた状態となる。
【００２８】
また、上パンチ１の凸部１ａｘ、１ａｙがワークＷの内部に押し込まれた時、同時に、ワークＷの端面の上パンチ１と当接する部位の肉が上パンチ１のキャビティＣ内へも流動する。この時、第１押圧保持手段４による外部から加えられた圧力Ｐ１により、上パンチ１の凸部１ａｘ、１ａｙの直下部のワーク内圧が均等化されているため、凸部１ａｘ、１ａｙの直下部のワークの肉も偏りなく均等に前記空間Ｃ内へ流動することとなる。
【００２９】
一方、上パンチ当接時点から、第２押圧保持手段５に対しても第１保持手段４と同様、第２駆動手段７ｃを介して例えばＰ２＝１００ＭＰａの圧力が掛かり、ワークＷの下端面を押圧保持し、また、第３押圧保持手段６には第３駆動手段７ｄを介して例えばＰ３＝２００ＭＰａが掛かり、第２押圧保持手段５と同様、ワークＷの下端面を押圧保持する。この状態で、下パンチ２がワークＷの内部に押し込まれた時、ワークＷの端面の下パンチ２と当接する部位の肉がその周囲へ流動する。この時、第２押圧保持手段５による外部から加えられた圧力Ｐ２および第３押圧保持手段６による外部から加えられた圧力Ｐ３により、下パンチ２のワークＷへの当接面直下部のワーク内圧が均等化されているため、ワークの肉も偏りなく均等に流動することとなる。また、第１、第２、第３押圧保持手段４、５、６に掛かる押圧保持力は、原則として、パンチ１、２に掛かる押圧力より小さくしている。これは、パンチ１、２の押圧力によりワークＷが変形した際の流動する肉を保持するのに必要な保持圧力があればよいためである。
【００３０】
上パンチ１及び下パンチ２が、所定の深さまで移動し、所定の形状が形成された際に、それぞれの上パンチ駆動手段７ａ及び下パンチ駆動手段７ｄにより、両パンチの移動を停止する。次に、上パンチ駆動手段７ａおよび第１駆動手段７ｂにより上パンチ１および第１押圧保持手段を上方へ変位させる。上パンチ１および第１押圧保持手段４をワークＷに対して離間させた後、第３押圧保持手段６を上方へ変位させて成形されたワークＷをダイス３から取り出す。すなわち、第３押圧保持手段６は、成形品を押し出す手段でもある。図３は、従来の鍛造成形品の説明として用いたが、上記本発明に係る鍛造方法および鍛造装置を用いて鍛造された成形品をも示すものであり、その概略の形状は、従来の鍛造成形品と同様であるので、その説明は省略する。
【００３１】
図５は、上記本発明に係る方法により成形した図３における鍛造成形品（以下、「発明成形品」と言う）の溝の精度を実測値で表したものである。図５の横軸ｘおよび縦軸ｙは、図６において図４を参照して説明した数値と同様である。すなわち、図４は、図５の横軸ｘおよび縦軸ｙの定義を説明するための図である。図４において、ｓは基準点であり、ｔは計測位置である。そして、ｘは計測位置ｔにおける基準点ｓからの距離を表しており、ｙは計測位置ｔにおける基準点ｓからの溝立ち上り部９３ａの傾き量を表している。
図５に示すように最大の倒れ量ｙは、Ｂ地点において約１０μｍであり、従来技術による鍛造成形品の最大倒れ量約１００μｍに比し、大幅に低減されている。最大倒れ量の目標値は、Ａ地点およびＢ地点ともに５０μｍ以下であるので、目標値内に収まっている。さらに、発明成形品の最大倒れ量に関するＡ地点とＢ地点の差は、ほとんどなくなっている。このように、発明成形品は良好な精度を達成しており、溝立ち上り部９３ａを機械加工することは不要となる。なお、従来方法による成形品の溝立ち上り部９３ａを機械加工することは非常に時間が掛かり、品質管理も容易ではなかった。
【００３２】
以上のように、複数の押圧保持手段でワークＷを押圧保持しながら、金型の上型部と下型部により成形するので、欠肉の無い精度の高い成形品を鍛造することが可能となる。そのため、ワークＷを鍛造成形した後に別工程で機械加工を行うことや、そのための加工装置が不要となることにより、設備コストを削減することができるとともに、製造工程を短縮化することができる。
【００３３】
また、上記装置においては、ワークＷの両端面に凹凸形状を形成するようにパンチ、押圧保持手段が構成されていたが、上パンチ側のみに凹凸形状を形成するものでも同様の効果を生じる。本発明方法および装置に係る鍛造は、鍛造素材への加熱の有無や、加熱温度等に拘わらず、各種の条件下で行うことが可能である。すなわち、本発明方法および装置は、冷間鍛造だけでなく、熱間鍛造に対しても、有利に適用され得る。
【００３４】
本発明により、特に点対称ではない凹凸形状をワーク端面に形成する場合、第１外力と独立した第２外力をワーク端面に加えて押圧保持することにより、ワーク端面の内部応力が均等化され、金型キャビティ内で偏りの無い塑性流動を生じさせることが可能となる。すなわち、塑性流動したワーク材料は、従来よりも均一な内部応力で流動性も均一化されて金型キャビティ内の隅々にまで充填される。こうして、欠肉等の不良を伴うことなく、鍛造成形品の寸法精度を向上させることが可能となり、ワークの機械加工工程を極力低減することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明に係る鍛造方法および鍛造装置を説明するための図である。
【図２】図１の上パンチの拡大断面図である。
【図３】ワークを鍛造した鍛造成形品を表す図であり、（ａ）は成形品をＸ方向から視た図、（ｂ）は成形品の断面図、（ｃ）は成形品をＹ方向から視た図である。
【図４】図３の溝部の拡大断面図である。
【図５】本発明に係る方法による鍛造成形品の精度を実測値により表した図である。
【図６】従来方法による鍛造成形品の精度を実測値により表した図である。
【図７】本発明に係る方法による鍛造成形品の外観図である。
【図８】従来方法による鍛造成形品の外観図である。
【図９】従来の鍛造方法を説明するための図である。
【符号の説明】
【００３６】
１    上パンチ
２    下パンチ
３    ダイス
４    第１押圧保持手段
５    第２押圧保持手段
６    第３押圧保持手段
【図１】
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【図２】
2008087063.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2008087063.tif 000008
【図７】
2008087063.tif 000009
【図８】
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【図９】
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