(57)【要約】【課題】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、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ことを可能とする表面割れ防止の評価方法を提供する。【解決手段】冷間鍛造の各工程における半加工品または成形品の表面拡大率ρを表面割れの評価指標とし、半加工品または成形品の表面のすべての個所の表面拡大率ρをその鍛造素材の限界表面拡大率ρＡ以下とすることによって、表面割れの防止を可能とする冷間鍛造工程の評価方法とする。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷間鍛造の各工程における半加工品または成形品の表面拡大率を表面割れの評価指標とし、該半加工品または成形品の表面のすべての個所の表面拡大率を鍛造素材の限界表面拡大率以下とすることによって、表面割れの防止を可能とすることを特徴とする冷間鍛造工程の評価方法。
【請求項２】
前記鍛造素材がＳ５３Ｃであり、冷間鍛造品がナックルスピンドルであって、前記限界表面拡大率が１方向の伸び率で１０以下であることを特徴とする請求項１に記載の評価方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、自動車のナックルスピンドル、歯車等の冷間鍛造部品の冷間鍛造時の半加工品および成形品の表面割れの防止に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、自動車のナックルスピンドル、歯車等の所要の形状を有し、靭性を必要とする部品には冷間鍛造法が使用されてきた。
【０００３】
そして、冷間鍛造時の半加工および成形品の表面に発生する割れを防止するために、鍛造素材特性の改善に加えて、特許文献１に示されているような潤滑剤の改善、特許文献２に示されているような冷間鍛造時にビレットの温度がその潤滑皮膜の耐熱温度未満の温度に加熱する方法、特許文献３に示されているような型形状や製品形状を小修正する方法等種々の検討が行われ、その効果を鍛造型の製作前に評価する方法として非特許文献１に示されているような破壊条件式等が用いられてきた。
【０００４】
【特許文献１】
特開昭６２−１６９８９９号公報
【特許文献２】
特開平０３−１８９０４１号公報
【特許文献３】
特開２００１−２０５３８５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
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、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、鍛造工程数等のあらゆる条件の限界点での操業が要求されており、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った。
【０００６】
そして、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が、上記の非特許文献１に係る「延性破壊の条件式」等を使用しても、割れが生じる部位と応力値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。
【０００７】
本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであり、種々検討の結果、表面拡大率なる評価指標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ものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するための第１の発明は、冷間鍛造の各工程における半加工品または成形品の表面拡大率を表面割れの評価指標とし、該半加工品または成形品の表面のすべての個所の表面拡大率を該半加工品または成形品の限界表面拡大率以下とすることによって、表面割れの防止を可能とすることを特徴とする冷間鍛造工程の評価方法である。
【０００９】
第２の発明は、前記鍛造素材がＳ５３Ｃであり、冷間鍛造品がナックルスピンドルであって、前記限界表面拡大率が１方向の伸び率で１０以下であることを特徴とする請求項１に記載の評価方法である。
【００１０】
【発明の実施の形態】
冷間鍛造において、鍛造工程数を最小限に絞り、熱処理工程を廃止し、極限まで加工の合理化狙った、いわゆるニアネットシェイプ化を実現するには、上記の非特許文献１に係る「延性破壊の条件式」等を使用した従来の手法では、表面割れが生じる部位と応力値の高い部位とが異なることがあるために限界がある。
【００１１】
また、トライ＆エラー方式では、型の改修に多くの時間と、費用がかかり、また工程の途中で熱処理工程を追加することは、工程設計を基本から変更することとなり許容されない。そのため本実施の形態においては表面拡大率なる指標を使用し、鍛造工程の設計と鍛造型の製作を行なうものである。
【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工程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工程数と各工程の型形状（素材形状）を定める。
【００１４】
次に、第２工程において、各工程における素材表面の総ての個所の表面拡大率ρをＣＡＥにより算出する。
【００１５】
続いて、第３工程において、第２工程で算出した表面拡大率ρと鍛造素材のデータベース内の限界表面拡大率ρＡとの大小を比較する。そして算出した表面拡大率ρが限界表面拡大率ρＡより小さいとき、即ちρ≦ρＡのときには、鍛造の工程数は確定され、鍛造型の製作に着手可能となる。
【００１６】
表面拡大率ρが限界表面拡大率ρＡより大きいとき、即ちρ＞ρＡのときは、第１工程に戻って、表面拡大率ρの大きい部位の形状を修正して第２工程以降の作業を繰返す。
【００１７】
また、第３工程において、表面拡大率ρが限界表面拡大率ρＡに対して余裕のあるとき、即ちρ≪ρＡのときには、第１工程における工程設計において、鍛造工程を削減して第２工程以降の作業を繰返す。
【００１８】
上記第２工程において、表面拡大率ρは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、型を製作した後に改修するとき、或いは金型に先行して木型を製作して型形状を作成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効果的となる。
【００１９】
各工程における素材表面のすべての個所の表面拡大率ρを限界表面拡大率ρＡ以下にすることが必要であるが、上記の第２工程の実作業においては、素材表面の表面拡大率ρが限界表面拡大率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、それによりＣＡＥの解析工数を削減できる。
【００２０】
成形品の形状が複雑で鍛造工程間に熱処理工程の追加が必要となる場合には、この熱処理によって、それまでの加工歪みは除去されるので、熱処理の前後に区分しそれぞれの表面拡大率に着目し、それぞれの表面拡大率が限界表面拡大率以下となるように冷間鍛造工程設計および鍛造型製作を行えばよい。
【００２１】
また、本実施の形態は冷間鍛造工程の設計および鍛造型の製作にのみ限定されるものではなく、プレス工程の設計およびプレス型の製作にも適用することができ、冷間鍛造工程設計および鍛造型製作と同様の威力を発揮する。
【００２２】
【実施例】
鍛造素材にＳ５３Ｃの完全球状化焼鈍材（引張り強さ約５９０ＭＰａ）を用いた連続冷間鍛造の実施例について説明する。
【００２３】
図２は本発明の実施例に係るナックルスピンドルの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、鍛造型が製作されたものである。
【００２４】
図２において、１０はナックルスピンドル「以後「スピンドル」ともいう。」であり、軸部２０と碗状部３０で形成されている。このスピンドル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。
【００２５】
図（Ｂ）は第２工程であり、主として製品の碗状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碗状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。
【００２６】
表１は本発明の実施例に係る表面拡大率ρと表面割れの関係を一覧表にしたものである。
【００２７】
表１において、実施例１は図２に示すコーナＲを１ｍｍとしたものであり、鍛造の最終工程の部位Ｐ１において、摩擦係数μが０．１０、表面拡大率（計算値）が７．５であり、表面拡大率が小さく表面割れの発生はない。
【００２８】
実施例２は、図２に示すスピンドルのコーナＲを１５ｍｍとしたものであり、鍛造の最終工程の部位Ｐ２において、摩擦係数μが０．２０、表面拡大率（計算値）が８．０であり、実施例１と同様に表面拡大率が小さく表面割れの発生はない。
【００２９】
実施例３は、図２に示すスピンドルのコーナＲを５ｍｍとしたものであり、鍛造の最終工程の部位Ｐ３において、摩擦係数μが０．１０、表面拡大率（計算値）が６．４であり、実施例１、２と同様に表面拡大率が小さく表面割れの発生はない。
【００３０】
なお、参考に示した、実施例１、２、３のＣＡＥによる応力計算値はそれぞれ７４０、６４０、７００ＭＰａであり、いずれも鍛造素材の引張り強さを超えている。
【００３１】
比較例は、図２に示したものと同様のスピンドルであってコーナＲを１ｍｍとした鍛造加工の最終工程の部位Ｐ４において、摩擦係数μが０．２０、表面拡大率（計算値）が１３．０で、表面拡大率が大きく表面割れが発生している。
【００３２】
なお、参考に示した、ＣＡＥによる応力計算値が５４０ＭＰａであり、応力値が鍛造素材の引張り強さを超えてはいない。
【００３３】
鍛造素材がＳ５３Ｃの完全球状化焼鈍材の場合には、鍛造素材のデータベースによると、限界表面拡大率ρＡ（鍛造後の長さ／鍛造前長さ）が１０であるので、表面拡大率がそれぞれ７．５、８．０、６．４である実施例１、２、３とも表面割れが発生していないこと、比較例の場合は、表面拡大率が１３．０であって表面割れが生じていることから、表面拡大率ρが限界表面拡大率ρＡを超えると表面割れが生じることが裏付けられた。
【００３４】
一方、ＣＡＥによる応力計算値が鍛造素材の引張り強さを超えても、表面割れは発生しておらず、逆に応力計算値が引張り強さに満たない場合でも表面割れが発生しており、応力計算値を表面割れの評価指数とすることは困難であることが確認された。
【００３５】
図３は本発明の実施例に係るナックルスピンドルの冷間鍛造加工におけるＣＡＥによる変形解析図であり、図２に示すスピンドルの中央断面部の成形前の素材から製品形状に至るまでの変形状態を４段階に区分（図１の４つの工程とは一致せず）して表示したものであり、表１に示された表面拡大率ρの解析過程の一部をビジュアルに示したものである。
【００３６】
図（Ａ）は円筒形状中央断面を有限要素法により四角のエレメントに分割したものであり、図（Ｂ）から図（Ｄ）に加工変形が進むときのエレメントの変化の状態を示している。
【００３７】
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を定量的に捕らえることは困難であるが、ＣＡＥによる解析においては表面拡大率はデジタルに把握される。
【００３８】
本実施例において、このエレメントの一片の長さ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。
【００３９】
図４は表１に対応したものであり、鍛造型のＲ形状を変化させたときのスピンドルの中央断面における最終工程の表面拡大率を鍛造素材の位置（横軸）との関係において示したグラフであり、横座標の原点（０ｍｍ）部は図３（Ａ）の中心部を、横座標の末端（約３０ｍｍ）部は図３（Ａ）の右端部である。
【００４０】
図４では、表面拡大率ρを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が明確に把握できる。
【００４１】
本実施例においては、表面拡大率は１方向の伸び率をもって評価しているが、直交する２方向の伸び率の内、一方が他方に比較して大きいときは、その大きい方のみの伸び率をもって評価してよい。
【００４２】
しかし、両者の値が近づくにつれその合成値をもって評価することが必要となるが、合成した伸び率による値を限界表面拡大率ρＡとした素材のデータベースとして蓄積するとともに、ＣＡＥによる計算も合成した伸び率を計算して両方を対比するようにすればよい。
【００４３】
なお、本実施例においては、ＣＡＥによる表面拡大率の最大となる部位とその値についてプラスティシン実験を行い両者がよく一致することを確認した。
【００４４】
【表１】
2004276030.tif 000003
【００４５】
以上説明したように、本実施例によると表面拡大率によって、ＣＡＥによる応力計算値を使用する場合に比較して、冷間鍛造工程おける表面割れを正確に予測することが出きるので、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の設計および鍛造型の設計が可能となり、熱処理工程の削除、潤滑剤の合理化と合せて製造準備期間が短縮でき、鍛造型の改修費用の削減もできた。
【００４６】
【発明の効果】´
本願発明は、冷間鍛造の各工程における半加工品または成形品の表面拡大率を表面割れの評価指標とし、該半加工品または成形品の表面のすべての個所の表面拡大率を鍛造素材の限界表面拡大率以下とすることによって、表面割れの防止を可能とすることを特徴とする冷間鍛造工程の評価方法であるから、ＣＡＥによる応力計算値を使用する場合に比較して、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の設計および鍛造型の設計が可能となり、熱処理工程の削除、潤滑剤の合理化と合せて製造準備期間が短縮でき、鍛造型の改修費用の削減も可能となるという効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【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】本発明の実施例に係るナックルスピンドルの冷間鍛造の各工程における素材の形状図である。
【図３】本発明の実施例に係るナックルスピンドルの冷間鍛造におけるＣＡＥによる変形解析図である。
【図４】本発明の実施例に係る冷間鍛造における表面拡大率を示すグラフである。
【符号の説明】
１０・・・ナックルスピンドル
２０・・・碗状部
３０・・・軸部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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