(57)【要約】【課題】内部に冷却用の流路やヒートパイプのような中空構造を設けると型の肉厚が薄くなり成形に伴う加工圧に対する強度が不足する恐れがある小型の雄型の成形型において、冷却性が良く強度低下のない成形型を提供すること。【解決手段】成形型１の外周部を構成する外周部材２と成形型１の内部を構成する内部部材３を別部材とし、外周部材２の熱伝導率と線膨張率が、内部部材３の熱伝導率と線膨張率より小さな部材の組み合せとし、工作物成形時の温度において、外周部材２の内径寸法を内部部材の外径寸法より小さくした構造とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
工作物を成型する雄型の成形型において、前記成形型の外周部を構成する外周部材と前記成形型の内部を構成する内部部材を別部材とし、前記外周部材の熱伝導より前記内部部材の熱伝導性を高くし、前記外周部材と前記内部部材の接触部の所定熱伝達部における、前記外周部材の表面粗さと前記内部部材の表面粗さを所定値以下とし、前記所定熱伝達部の見掛けの面積に対する前記所定熱伝達部の真実接触面の面積の比率である接触比率を所定値以上とし、前記内部部材の前記所定熱伝達部と反対の端部に冷却部を設けた成形型。
【請求項２】
前記所定熱伝達部を少なくも連続して並ぶ交差点群で囲まれた閉曲面とし、
前記交差点群を、前記工作物の成型時に前記工作物が接触する前記成形型の表面部位の外縁部と前記外周部材と前記内部部材の接触面を最短で結ぶ直線が、前記接触面に交差する点とする請求項１に記載の成形型。
【請求項３】
前記冷却部と前記所定熱伝達部の距離をＬ（ｍ）とし、前記外周部材の熱伝導率をλ１（Ｗ・ｍ−１・ｋ−１）とし、前記内部部材の熱伝導率をλ２（Ｗ・ｍ−１・ｋ−１）とし、空気の熱伝導率をλ０（Ｗ・ｍ−１・ｋ−１）とし、前記所定熱伝達部の前記外周部材の表面粗さをδ１（μｍＲｚ）とし、前記所定熱伝達部の前記内部部材の表面粗さをδ２（μｍＲｚ）とし、前記接触比率をηとしたとき、
１７００００・η／（（δ１＋２３）／λ１＋（δ２＋２３）／λ２）＋１００００００・λ０／（δ１＋δ２）＞λ１・λ２／（Ｌ・（λ２−λ１））が成り立つ請求項１または請求項２に記載の成形型。
【請求項４】
前記内部部材の線膨張率を前記外周部材の線膨張率より大きくし、
所定温度において、前記外周部材が前記内部部材の熱膨張による膨張力を受ける請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の成形型。
【請求項５】
前記所定温度が前記工作物を成型する時の雄型の成形型の温度である請求項４に記載の成形型。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、成形型に関するものであり、詳しくは温間鍛造もしくは熱間鍛造用型の冷却と寿命向上に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
温間鍛造や熱間鍛造では型の温度上昇による寿命低下や熱膨張による精度低下を防止するため型の冷却をしている。冷却方法は型内部に通路を形成し、通路内に冷却流体を循環させ、外部に設けた冷却装置により冷却流体の熱を除去するものである。
また、金型内部にヒートパイプなどの熱伝達柱を多数埋め込み金型を冷却する従来技術（特許文献１参照）がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−１３８３６６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
小型の雄型の成形型の場合、内部に冷却用の流路やヒートパイプのような中空構造を設けると型の肉厚が薄くなり成形に伴う加工圧に対する強度が不足する恐れがある。そのため、図５に示すように冷却流路５４を備えた雌型５３は充分に冷却されるが、雄型の成形型５１の冷却部５２は工作物Ｗの成型部から離れた位置に配置されるので成形型５１の冷却性が低かった。
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、冷却性が良く強度低下のない雄型の鍛造型を安価に提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記の課題を解決するため、請求項１に係る発明の特徴は、工作物を成型する雄型の成形型において、前記成形型の外周部を構成する外周部材と前記成形型の内部を構成する内部部材を別部材とし、前記外周部材の熱伝導より前記内部部材の熱伝導性を高くし、前記外周部材と前記内部部材の接触部の所定熱伝達部における、前記外周部材の表面粗さと前記内部部材の表面粗さを所定値以下とし、前記所定熱伝達部の見掛けの面積に対する前記所定熱伝達部の真実接触面の面積の比率である接触比率を所定値以上とし、前記内部部材の前記所定熱伝達部と反対の端部に冷却部を設けたことである。
【０００６】
請求項２に係る発明の特徴は、請求項１に係る発明において、前記所定熱伝達部を少なくも連続して並ぶ交差点群で囲まれた閉曲面とし、
前記交差点群を、前記工作物の成型時に前記工作物が接触する前記成形型の表面部位の外縁部と前記外周部材と前記内部部材の接触面を最短で結ぶ直線が、前記接触面に交差する点とすることである。
【０００７】
請求項３に係る発明の特徴は、請求項１または請求項２に係る発明において、前記冷却部と前記所定熱伝達部の距離をＬ（ｍ）とし、前記外周部材の熱伝導率をλ１（Ｗ・ｍ−１・ｋ−１）とし、前記内部部材の熱伝導率をλ２（Ｗ・ｍ−１・ｋ−１）とし、空気の熱伝導率をλ０（Ｗ・ｍ−１・ｋ−１）とし、前記所定熱伝達部の前記外周部材の表面粗さをδ１（μｍＲｚ）とし、前記所定熱伝達部の前記内部部材の表面粗さをδ２（μｍＲｚ）とし、前記接触比率をηとしたとき、
１７００００・η／（（δ１＋２３）／λ１＋（δ２＋２３）／λ２）＋１００００００・λ０／（δ１＋δ２）＞λ１・λ２／（Ｌ・（λ２−λ１））が成り立つことである。
【０００８】
請求項４に係る発明の特徴は、請求項１ないし請求項３のいずれか１項に係る発明において、前記内部部材の線膨張率を前記外周部材の線膨張率より大きくし、
所定温度において、前記外周部材が前記内部部材の熱膨張による膨張力を受けることである。
【０００９】
請求項５に係る発明の特徴は、請求項４に係る発明において、前記所定温度が前記工作物を成型する時の雄型の成形型の温度であることである。
【発明の効果】
【００１０】
請求項1ないし請求項３に係る発明によれば、内部部材の熱伝導が大きいので外部部材単独で製作した成形型より冷却性がよく成形型の温度を低くできるので、より高温の素材を成型でき成形性がよくなる、また成形型の寿命が長くなる。
【００１１】
請求項４、請求項５に係る発明によれば、成型時に成形型の外部部材に加わる圧縮力を内部部材の膨張力により外部部材に加わる引張力が相殺するため、外部部材に加わる最大圧縮力を低減できる。このため、成型圧力を高くでき生産性がよくなる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本実施形態の成形型の断面を示す概略図である。
【図２】本実施形態の成形型を用いた成型の断面を示す概略図である。
【図３】冷却性の差を説明する模式図である。
【図４】本実施形態の変形態様の成形型を用いた成型の断面を示す概略図である。
【図５】従来の成形型を用いた成型の断面を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の実施の形態を図１〜図３に基づき説明する。
図１に示すように、成形型１は外周部材２の内部に内部部材３を配置した２層構造で、内部部材３は押しねじ４により外周部材２に押付けられ接触固定されている。工作物が成型時に接触するＡ部と反対の内部部材３の端部に液室５を設け、液室５に冷却媒体を供給する供給流路６と、液室５から冷却媒体を排出する排出流路７を備えている。
外周部材２の材料は工具鋼で、内部部材３の材料は高熱伝導体（銅やアルミニウムまたはそれらの合金が好適）である。
【００１４】
工作物Ｗの成型作動について図２に基づき説明する。
金型１は固定具８により供給流路６と排出流路７が座板９の流路９１、９２に連通されるように座板９に固定される。座板９は駆動軸１０により上下に往復可動に支持されている。成形型１に対向した下部に雌型１１が固定されて配置される。
工作物Ｗの成型は、所定の温度に保持された工作物Ｗの素材を雌型１１内に挿入し、成形型１を所定の位置まで下降させることで成型する。成型された工作物Ｗは図示しない取り出し装置で雌型１１から取り出される。
【００１５】
上記の２層構造の熱の伝達性について図３の模式図で原理を説明する。
外周部材２１の熱伝導率をλ１とし、内部部材２２の熱伝導率をλ２とし、外部部材２１から内部部材２２への熱伝達率をｈとする。工作物接触部側をＢ端として、冷却側をＣ端とし、Ｂ−Ｃ間の距離をＬとする。外部部材２１の熱伝達はＢ端の温度をＴ１とし、Ｃ端の温度をＴ３としＢからＣへの熱伝達以外に熱の伝達はないと仮定する。内部部材２２の熱伝達はＢ端の外部部材２１の温度をＴ１とし、Ｂ端の内部部材２２の温度をＴ２とし、Ｃ端の温度をＴ３としＢからＣへの熱伝達以外に熱の伝達はないと仮定する。
外部部材２１の単位断面積あたりの熱伝達量Ｑ１はＱ１＝λ１・（Ｔ１−Ｔ３）／Ｌとなり、内部部材２２の単位断面積あたりの熱伝達量Ｑ２はＱ２＝λ２・（Ｔ２−Ｔ３）／Ｌとなる。また、Ｂにおける外部部材２１から内部部材２２への単位断面積あたりの熱伝達量Ｑ３はＱ３＝ｈ・（Ｔ１−Ｔ２）となり、定常状態ではＱ２＝Ｑ３なのでλ２・（Ｔ２−Ｔ３）／Ｌ＝ｈ・（Ｔ１−Ｔ２）となる。
２層構造の内部部材２２の熱伝達量が外部部材２１の一体物より大きくなる限界はＱ２≧Ｑ１であり、λ２・（Ｔ２−Ｔ３）／Ｌ≧λ１・（Ｔ１−Ｔ３）／ＬからＴ２≧Ｔ３＋（Ｔ１−Ｔ３）・λ１／λ２となればよい。Ｔ２は式λ２・（Ｔ２−Ｔ３）／Ｌ＝ｈ・（Ｔ１−Ｔ２）を変形して、Ｔ２＝（ｈ・Ｔ１＋λ２・Ｔ３／Ｌ）／（λ２／Ｌ＋ｈ）となるので（ｈ・Ｔ１＋λ２・Ｔ３／Ｌ）／（λ２／Ｌ＋ｈ）≧Ｔ３＋（Ｔ１−Ｔ３）・λ１／λ２が内部部材２２の熱伝達量が外部部材２１の一体物より大きくなる条件を示す式となる。ｈについて式を整理するとｈ≧λ１・λ２／（Ｌ・（λ２−λ１））となり、外部部材２１から内部部材２２への熱伝達率がこの式で示されるｈであれば２層構造の熱伝達が一体物より大きくなる。
【００１６】
ここで、２つの固体の接触面における熱伝達率ｈは以下の式となることが知られている。
空気の熱伝導率をλ０とし、外周部材２１の表面粗さをδ１とし、内部部材２２の表面粗さをδ２とし、所定熱伝達部の見掛けの面積に対する所定熱伝達部の真実接触面の面積の比率である接触比率をηとしたとき、接触面における熱伝達率ｈは、
ｈ＝１７００００・η／（（δ１＋２３）／λ１＋（δ２＋２３）／λ２）＋１００００００・λ０／（δ１＋δ２）となることが知られている。
ここで、微細な凹凸を持つ２面が接触しているとき凸部同士が接触し凹部は隙間が空いた状態となり接触しない、このときの実際に接触している凸部の面積の総和を真実接触面の面積とし、接触していない凹部の面積の総和と真実接触面積の和を見掛けの面積とする。
【００１７】
以上より、式１７００００・η／（（δ１＋２３）／λ１＋（δ２＋２３）／λ２）＋１００００００・λ０／（δ１＋δ２）≧λ１・λ２／（Ｌ・（λ２−λ１））を満足するように、外周部材２１の表面粗さδ１と熱伝導率λ１、内部部材２２の表面粗さδ２と熱伝導率λ２、工作物成型部と冷却部の距離Ｌ、真実接触面の接触比率ηを選択すれば２層構造の成形型の冷却効果が一体物より高くなる。
【００１８】
以下に、本実施例の作動機能について図１に基づき、外周部材２に工具鋼を使用し内部部材３に銅を用いた例について詳細に説明する。
はじめに、冷却性の向上について説明する。温度が８００ｋにおける工具鋼のλ１は３４（Ｗ・ｍ−１・ｋ−１）、線膨張率は１４×１０−６（ｋ−１）である。温度が８００ｋにおける銅のλ１は３７０（Ｗ・ｍ−１・ｋ−１）、線膨張率は２０×１０−６（ｋ−１）である。Ｌを０．０３（ｍ）、λ０を０．０５（Ｗ・ｍ−１・ｋ−１）、外周部材の表面粗さδ１を３０（μｍＲｚ）、内部部材の表面粗さδ２を３０（μｍＲｚ）とすると、１７００００・η／１．６７５＋１０００≧1２４８．０１６となる。式を整理するとη≧０．００４１であれば冷却効果が一体物より高くなる。Ｌは図１に示すように工作物接触部の上端から冷却部までの距離とする。
ここで、接触比率ηを接触部材の押付圧をＰ（Ｍｐ）とし、やわらかい材料の硬度をＨ（Ｈｖ）としたとき、η＝０．６・Ｐ／Ｈとなることが知られているので、０．６・Ｐ／Ｈ≧０．００４１とすればよい。銅のＨを５０（Ｈｖ）とすると、Ｐ≧０．３４（Ｍｐ）となり、銅製の内部部材を０．３４Ｍｐ以上の圧力で外周部材に押し付けることで必要な接触比率ηを実現できる。
【００１９】
次に、成形圧力により外周部材２に作用する圧縮力を軽減する作用について説明する。
工作物を成形していない状態では、外周部材２が内部部材３により膨張力を与えられ引張応力が作用し、内部部材３は反作用の圧縮応力が作用するように相互寸法を定める。図１において、Ｄ部の寸法で具体的に説明する。
工作物成型時の最低温度をＴＬとし、最高温度をＴＨとする。相互に組み合せられていない状態で、温度がＴＬ場合の、外周部材２の内径寸法をＥとし、内部部材３の外形寸法をＦとすると、Ｅ≦Ｆに設定する。外周部材２の温度がＴＬからＴＨまでの平均線膨張率をα１とし、内部部材３の温度がＴＬからＴＨまでの平均線膨張率をα２とすると、最高温度ＴＨのときの、外周部材２の内径寸法はＥ・α１・（ＴＨ−ＴＬ）となり、内部部材３の外形寸法はＦ・α２・（ＴＨ−ＴＬ）となる。よって、温度上昇による締め代（直径）の増加は（Ｆ・α２−Ｅ・α１）・（ＴＨ−ＴＬ）となる。この締め代の増加による外周部材２に作用する引張応力が外周部材２の許容応力を越えないように最高温度ＴＨを設定する。
以上のように外周部材２の内径寸法と、内部部材３の外形寸法を設定することで、工作物成型時に作用する外周部材２への圧縮応力を低減できる。
【００２０】
上記の実施例では外部部材に工具鋼を用いた例を述べたが、セラミックス等の金属以外の材料を用いてもよい。
【００２１】
＜本実施形態の変形態様＞
上記の実施形態では、液室４に冷却媒体を流通させる構造について説明したが、これに限定されるものではない。
図４に示すように、内部部材３３の冷却端を基台８に接触させて熱を基台８側に逃すことで冷却をしてもよい。工作物Ｗが小型で冷却する熱量が小さな場合はこの構造で効果を得ることができる。
【符号の説明】
【００２２】
１：型  ２：外部部材  ３：内部部材  ４：押しねじ  ５：液室  ６：供給流路  ７：排出流路  ８：固定具  ９：基台  １０：駆動軸  １１：雌型  
【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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