(57)【要約】【課題】アップセット成形と型鍛造とを組み合わせた機械部品の製造方法において、完成品としての機械部品にバリが発生するのを低減しつつ、上型や下型に割れ等の損傷が生じるのを防止する手段を提供する。【解決手段】本発明に係る機械部品の製造方法は、ワークを上型によって下枠内のキャビティへ押し込んで所定形状に鍛造する機械部品の製造方法であって、前記キャビティの容積と前記ワークの体積との比である、前記キャビティの容積／前記ワークの体積の値を、０．９７以上であって１未満としたものである。【選択図】図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ワークを上型によって下枠内のキャビティへ押し込んで所定形状に鍛造する機械部品の製造方法であって、
前記キャビティの容積と前記ワークの体積との比である、前記キャビティの容積／前記ワークの体積の値を、０．９７以上であって１未満としたことを特徴とする機械部品の製造方法。
【請求項２】
前記キャビティの径に対する前記ワークの径の比を、０．５以上であって０．６以下としたことを特徴とする請求項１に記載の機械部品の製造方法。
【請求項３】
前記キャビティの溝深さに対する前記ワークの長さの比を、０．４以上であって０．７以下としたことを特徴とする請求項１に記載の機械部品の製造方法。
【請求項４】
前記ワークが、１０００℃以上であって１２００℃以下の温度に保持された状態で鍛造されることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の機械部品の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金型のキャビティ内でワークを塑性変形させて所定形状に鍛造する機械部品の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、エンジンバルブのような機械部品を製造する場合、アップセット成形と型鍛造とを組み合わせた製造方法が用いられる。この製造方法では、まず金属棒であるワークの一端部にアップセット成形を施す、すなわちワークを加熱しながら軸方向へ押圧することにより、ワークの一端部を径方向に膨出させる。そして、下型に形成された所定形状のキャビティの内部に、径方向に膨出したワークの一端部をセットし、下型に対向して設けられた上型でワークを鍛造するすなわち繰り返し鍛造することにより、ワークをキャビティに沿った形状に成形する（例えば、特許文献１を参照）。
【０００３】
このようなエンジンバルブの製造方法では、鍛造により塑性変形したワークが上型と下型との間の隙間に流入することにより、完成した機械部品にバリが生じるという問題がある。従って、このバリの発生を低減させるべく、いわゆるバリレス鍛造が近年採用されている。このバリレス鍛造では、ワークを鍛造する上型を、キャビティの開口に隙間無く嵌合する形状に形成する。そうすれば、塑性変形したワークが流入する隙間が上型と下型との間に生じないため、バリの発生を抑制することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０００−５１９９１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、機械部品の製造方法として用いられる従来のバリレス鍛造では、上型の形状がキャビティの開口に隙間無く嵌合する形状であるため、鍛造時にはキャビティ内部が密封状態となる。従って、上型と下型との間に作用する最大面圧が大きくなって、鍛造を繰り返す間に上型や下型に割れ等の損傷が生じやすく、金型の寿命が短くなるという問題がある。
【０００６】
本発明は、このような事情を考慮してなされたものであり、その目的は、アップセット成形と型鍛造とを組み合わせた機械部品の製造方法において、完成品としての機械部品にバリが発生するのを低減しつつ、上型や下型に割れ等の損傷が生じるのを防止する手段を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために、本発明は以下の手段を採用している。すなわち、本発明に係る機械部品の製造方法は、ワークを上型によって下枠内のキャビティへ押し込んで所定形状に鍛造する機械部品の製造方法であって、前記キャビティの容積と前記ワークの体積との比である、前記キャビティの容積／前記ワークの体積の値を、０．９７以上であって１未満としたことを特徴とする。
【０００８】
このような製造方法によれば、ワークの体積をキャビティの容積に近い大きさとすることにより、上型によって鍛造されて塑性変形したワークのうち、上型と下型との間の隙間に流入するワークの量が少なくなる。従って、上型でワークを鍛造する力は最小限の力で済むため、上型と下型との間に生じる面圧は小さくなる。これにより、上型や下型に割れ等の損傷が生じにくい。
【０００９】
また、本発明に係る機械部品の製造方法は、前記キャビティの径に対する前記ワークの径の比を、０．５以上であって０．６以下としたことを特徴とする。
【００１０】
このような製造方法によれば、キャビティの径に対するワークの径の比が０．５以上であるため、キャビティの容積に対してワークの体積が不足することがなく、鍛造後の機械部品にいわゆる欠肉が発生しない。また、キャビティの径に対するワークの径の比が０．６以下であるため、キャビティの容積に対してワークの体積が過多となることもなく、鍛造後の機械部品に割れは発生せずまたバリが大量に発生することもない。
【００１１】
また、本発明に係る機械部品の製造方法は、前記キャビティの溝深さに対する前記ワークの長さの比を、０．４以上であって０．７以下としたことを特徴とする。
【００１２】
このような製造方法によれば、キャビティの溝深さに対するワークの長さの比が０．４以上であるため、キャビティの容積に対してワークの体積が不足することがなく、鍛造後の機械部品にいわゆる欠肉が発生しない。また、キャビティの溝深さに対するワークの長さの比が０．７以下であるため、キャビティの容積に対してワークの体積が過多となることもなく、鍛造後の機械部品に割れは発生せずまたバリが大量に発生することもない。
【００１３】
また、本発明に係る機械部品の製造方法は、前記ワークが、１０００℃以上であって１２００℃以下の温度に保持された状態で鍛造されることを特徴とする。
【００１４】
このような製造方法によれば、鍛造時にワークが１０００℃以上の温度に保持されるので、ワークを十分に塑性変形させてキャビティに合致した形状に成形することができる。また、鍛造時にワークが１２００℃以下の温度に保持されるので、強靭な組織を有する機械部品が製造される。
【発明の効果】
【００１５】
本発明に係る機械部品の製造方法によれば、アップセット成形と型鍛造とを組み合わせた機械部品の製造方法において、完成品としての機械部品にバリが発生するのを低減しつつ、上型や下型に割れ等の損傷が生じるのを防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の実施形態に係るエンジンバルブの製造方法に関し、特にアップセット成形について説明する説明図である。
【図２】ワークのアップセット成形部の周辺を拡大した部分拡大正面図である。
【図３】本発明の実施形態に係るエンジンバルブの製造方法に関し、特に型鍛造について説明する説明図である。
【図４】キャビティの容積について説明するための概略断面図である。
【図５】本発明の実施形態に係るエンジンバルブの製造方法に関し、特に型鍛造について説明する説明図である。
【図６】「キャビティの容積／ワークの体積」の値と、上型の押圧面と下型の被押圧面との間に作用する最大面圧との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、図面を参照し、本発明の実施の形態に係る機械部品の製造方法ついて説明する。ここで本実施形態では、機械部品の一例であるエンジンバルブを、アップセット成形と型鍛造との組み合わせによって製造する方法について説明する。そしてまず、アップセット成形に使用するアップセット成形装置の構成、及び型鍛造に使用する型鍛造装置の構成について、図１及び図３を用いてそれぞれ説明する。
【００１８】
図１（ａ）に示すように、アップセット成形装置１０は、往復動可能に設けられたピストンロッド１１と、このピストンロッド１１の往復動方向に所定間隔だけ離間して設けられた台座１２と、ピストンロッド１１と台座１２の間に設けられた支持電極対１３と、を備えるものである。
【００１９】
ピストンロッド１１は、被加工物としてのワークＷの一端を押圧するためのものである。このピストンロッド１１は、空気や油等を駆動源として図１（ａ）に向かって上下方向に往復動可能となっている。また、台座１２は、ワークＷの他端を支持するためのものである。また、支持電極対１３は、ワークＷを挟持することで移動不能に保持する役割と、加熱時にワークＷを電源（不図示）に接続する役割とを果たすものである。この支持電極対１３は、ピストンロッド１１の往復動方向と略直交する方向へ所定距離だけ離間して配置され、互いに近接しまたは離間するようにそれぞれ移動可能に設けられている。
【００２０】
図３に示すように、型鍛造装置２０は、固定して設置された下型２１と、その上方に設置されて下型２１に近接しまたは離間するように移動可能な上型２２と、を有するものである。尚、本実施形態では下型２１を固定して上型２２を移動可能としたが、これに限られず、上型２２を固定して下型２１を移動可能としてもよいし、または上型２２と下型２１の両方を移動可能としてもよい。
【００２１】
下型２１は、図３に示すように、上型２２に面する被押圧面２１１の中央部に、製造すべきエンジンバルブの形状に対応した形状のキャビティ２１２が形成されている。そして、このキャビティ２１２の底部から上型２２とは逆方向へ延びるようにして、ワークＷと略同径のワーク挿通穴２１３が形成されている。
【００２２】
上型２２は、図３に示すように、下型２１に面する押圧面２２１の中央部に、下型２１のキャビティ２１２に略嵌合する形状の凸部２２２が形成されている。ここで、凸部２２２の押圧面２２１からの突出高さＨ１は、キャビティ２１２の被押圧面２１１からの溝深さＨ２より小さく形成されている。これにより、凸部２２２の存在に拘らず、押圧面２２１と被押圧面２１１とが当接する位置まで上型２２を下型２１に近接させることが可能となっている。
【００２３】
ここで図４は、下型２１のキャビティ２１２の周辺を拡大した部分拡大断面図である。尚、図４では説明の便宜上、キャビティ２１２とワーク挿通穴２１３との境界をキャビティ境界線２３として図示している。下型２１のキャビティ２１２は、上型２２の凸部２２２より若干大径に形成されている。これにより、上型２２の押圧面２２１が下型２１の被押圧面２１１に当接する位置まで凸部２２２をキャビティ２１２に嵌合させた時に、上型２２と下型２１との間には若干のラジアル隙間２４が形成される。
【００２４】
また本願発明では、図４に示すように、上型２２の凸部２２２を下型２１のキャビティ２１２に嵌合させた状態において網状のハッチングを施した領域、すなわち上型２２の凸部２２２の下面と、キャビティ２１２の内周面と、キャビティ境界線２３とによって包囲される空間の容積を、「キャビティ２１２の容積」として定義する。尚、上型２２と下型２１との間に形成される前記ラジアル隙間２４の容積は、この「キャビティ２１２の容積」には含まれないものとする。
【００２５】
次に、アップセット成形装置１０及び型鍛造装置２０を用いたエンジンバルブの製造方法について、工程毎に説明する。本実施形態では、被加工物であるワークＷとして、ＳＵＨ（Ｓｔｅｅｌ  Ｕｓｅ  Ｈｅａｔ  Ｒｅｓｉｓｔｉｎｇ）と呼ばれ、高温環境下で耐酸化性、耐腐食性、または高強度を有する耐熱鋼からなる棒状の素材が用いられる。
【００２６】
エンジンバルブを製造しようとする作業者は、まず図１（ａ）に示すように、略円柱形状の金属棒であるワークＷをアップセット成形装置１０にセットする。すなわち作業者は、アップセット成形装置１０を構成する支持電極対１３を十分に離間させた状態において、ワークＷの長手方向一端を台座１２に当接させるとともに、長手方向他端をピストンロッド１１に当接させる。
【００２７】
次に作業者は、図１（ｂ）に示すように、支持電極対１３を互いに近接する方向へそれぞれ移動させることにより、ワークＷを支持電極対１３で両側から挟持する。そして作業者は、この状態からピストンロッド１１を台座１２に近付く方向へ移動させることにより、ワークＷの長手方向他端をピストンロッド１１で押圧する。
【００２８】
そうすると、図１（ｃ）に示すように、ワークＷの台座１２側の端部には、径方向へ膨出してなるアップセット成形部ＷＡが成形される。その後作業者は、図１に詳細は示さないが、支持電極対１３を互いに離間する方向へそれぞれ移動させるとともに、ピストンロッド１１を台座１２から遠ざかる方向へ移動させる。これにより、支持電極対１３による挟持及びピストンロッド１１による押圧からワークＷを開放する。そして作業者は、ワークＷをアップセット成形装置１０から取り出す。
【００２９】
ここで、図２は、ワークＷのアップセット成形部ＷＡの周辺を拡大した部分拡大正面図である。アップセット成形後のワークＷは、図２に示すように、アップセット成形前のワークＷと同径の軸部ＷＪと、径方向に膨出したアップセット成形部ＷＡとを有している。そして本願発明では、アップセット成形部ＷＡの体積を「ワークＷの体積」として定義する。尚、図２では説明の便宜上、アップセットと軸部ＷＪとの境界を、アップセット境界線ＷＢとして図示している。
【００３０】
次に作業者は、図３に示すように、アップセット成形部ＷＡが形成されたワークＷを型鍛造装置２０にセットする。すなわち作業者は、型鍛造装置２０の上型２２を下型２１から十分に離間させた状態において、ワークＷの軸部ＷＪをワーク挿通穴２１３に挿通させ、ワーク挿通穴２１３より大径のアップセット成形部ＷＡがキャビティ２１２の底部に当接した状態とする。この時、アップセット成形部ＷＡの頂部は、下型２１の被押圧面２１１より上方へ突出した状態となっている。
【００３１】
そして作業者は、ワークＷを鍛造して所定形状に変形させる。すなわち作業者は、図３に示す状態から上型２２を下型２１に対して近接するようにまたは離間するように往復動させ、上型２２の凸部２２２でワークＷを鍛造する動作を繰り返す。これにより、図５に示すように、ワークＷが塑性変形してキャビティ２１２の内周面に沿った形状となり、所望の形状のエンジンバルブが完成する。また、塑性変形したワークＷの一部は、上型２２と下型２１との間に形成されたラジアル隙間２４へ侵入する。そして、このラジアル隙間２４に侵入した部分が、完成したエンジンバルブの周縁部にバリＢとして形成される。
【００３２】
最後に作業者は、エンジンバルブからバリＢを除去する後処理を行う。すなわち作業者は、図に詳細は示さないが、回転駆動される砥石を径方向に移動させて図５に示すバリＢを研磨することにより、エンジンバルブの周縁部からバリＢを除去する。
【００３３】
ここで、鍛造時に上型２２の押圧面２２１と下型２１の被押圧面２１１との間に軸方向への隙間（不図示）が形成される場合、塑性変形したワークＷの一部が、図５に示すラジアル隙間２４だけでなく軸方向への隙間にも侵入することにより、完成したエンジンバルブの周縁部には図５に示すような軸方向に延びるバリＢだけでなく、径方向に延びるバリも形成される。従って、この場合の後工程としては、前述のように砥石を用いた研磨によって軸方向に延びるバリＢを除去する作業だけでなく、回転駆動される旋盤を軸方向に移動させて径方向に延びる不図示のバリを切削して除去する作業が必要となる。この点、本実施形態では鍛造時に押圧面２２１と被押圧面２１１とが密着し両者の間に隙間が生じないため、完成したエンジンバルブの周縁部には径方向に延びるバリは形成されない。従って、本実施形態に係るエンジンバルブの製造工程によれば、後工程が砥石による研磨作業だけで足り、旋盤による切削作業が不必要な分、径方向に延びるバリが形成される場合と比較して作業を簡略化することができるという利点がある。
【００３４】
ところで、本願発明では、「キャビティ２１２の容積」を「ワークＷの体積」で除算した「キャビティ２１２の容積／ワークＷの体積」の値が０.９７以上であって１未満となるように、キャビティ２１２の容積を設計している。このように、キャビティ２１２の容積をワークＷの体積に近い大きさとすれば、塑性変形して上型２２と下型２１との間のラジアル隙間２４に流入するワークＷの量が少なくなる。従って、上型２２の凸部２２２でワークＷを鍛造する力は最小限の力で済むため、上型２２の押圧面２２１と下型２１の被押圧面２１１との間に生じる面圧は小さくなる。これにより、上型２２や下型２１には割れ等の損傷が生じにくい。
【００３５】
図６は、「キャビティ２１２の容積／ワークＷの体積」の値と、上型２２の押圧面２２１と下型２１の被押圧面２１１との間に作用する最大面圧との関係を示すグラフであって、横軸が「キャビティ２１２の容積／ワークＷの体積」を、縦軸が最大面圧をそれぞれ示している。また、図６中における黒四角のプロット、白三角のプロット、白四角のプロットは、アップセット成形部ＷＡの形状が互いに異なるタイプＡ，Ｂであることをそれぞれ意味している。ここで、黒四角で示すタイプＡのワークＷに着目すると、「キャビティ２１２の容積／ワークＷの体積」の値が０．９７以上であって１未満の範囲にあるプロットは、いずれもその最大面圧が図中に二点差線で示す面圧閾値Ｓを下回っている。従って、鍛造を繰り返しても上型２２や下型２１に割れ等の損傷が生じにくい。他方、「キャビティ２１２の容積／ワークＷの体積」の値が０．９７未満の範囲にあるプロットは、いずれもその最大面圧が面圧閾値Ｓを上回っている。従って、鍛造を繰り返す間に上型２２や下型２１に割れ等の損傷が生じやすい。
【００３６】
また、図６中に白四角で示すタイプＢのワークＷに着目した場合も、タイプＡのワークＷと同様に、「キャビティ２１２の容積／ワークＷの体積」の値が０．９７以上であって１未満の範囲にあるプロットは、いずれもその最大面圧が面圧閾値Ｓを下回っており、上型２２や下型２１に損傷が生じにくい。他方、「キャビティ２１２の容積／ワークＷの体積」の値が０・９７未満の範囲にあるプロットは、その最大面圧が面圧閾値Ｓを上回っており、上型２２や下型２１に損傷が生じやすい。
【００３７】
尚、キャビティ２１２は、その容積が上記の関係を満たす範囲であれば、その断面形状は本実施形態の形状に限定されず、適宜設計変更が可能である。
また、本実施形態では、「キャビティ２１２の容積／ワークＷの体積」の値を０.９７以上であって１未満に設定する手段としてキャビティ２１２の容積を制御したが、これに代えて、ワークＷの体積を制御してもよい。すなわち、ワークＷの一端に形成されるアップセット成形部ＷＡが所望の体積になるよう、アップセット成形装置１０の各部を調整してもよい。しかし、本実施形態のようにキャビティ２１２の容積を制御する方が、ワークＷの体積を制御する場合と比較して、その制御が容易化するという利点がある。
【００３８】
また、本実施形態では、キャビティ２１２の容積を上記のように設計した条件下において、更にキャビティ２１２の径、キャビティ２１２の溝深さ、及び鍛造時におけるワークＷの温度が鍛造後のエンジンバルブにそれぞれどのような影響を及ぼすかについても実験を行った。ここで本願発明では、図３に示すキャビティ２１２の最大径Ｒ２を「キャビティ２１２の径」と定義する。更に本願発明では、図２に示すアップセット成形部ＷＡの最大径Ｒａを「ワークＷの径」と定義するとともに、アップセット成形部ＷＡの軸方向長さＬａを「ワークＷの長さ」として定義する。
【００３９】
その結果、図３に示すキャビティ２１２の径に対するワークＷの径の比が０．５以上であって０．６以下である場合に、良好なエンジンバルブを製造することができた。すなわち、キャビティ２１２の径に対するワークＷの径の比が０．５より小さい場合には、キャビティ２１２の容積に対してワークＷの体積が不足することにより、完成したエンジンバルブの一部が欠落する、いわゆる欠肉が発生した。一方、キャビティ２１２の径に対するワークＷの径の比が０．６より大きい場合には、キャビティ２１２の容積に対してワークＷの体積が過多となることにより、完成したエンジンバルブに割れが発生し或いはバリＢが大量に発生した。この点、キャビティ２１２の径に対するワークＷの径の比が０．５以上であって０．６以下の範囲である場合、欠肉が発生することなく且つバリＢの発生も少なかった。
【００４０】
また、図３に示キャビティ２１２の溝深さＨ２に対するワークＷの長さの比が０．４以上であって０．７以下である場合に、良好なエンジンバルブを製造することができた。すなわち、キャビティ２１２の溝深さＨ２に対するワークＷの長さの比が０．４より小さい場合には、キャビティ２１２の容積に対してワークＷの体積が不足することにより、いわゆる欠肉が発生した。一方、キャビティ２１２の溝深さＨ２に対するワークＷの長さの比が０．７より大きい場合、キャビティ２１２の容積に対してワークＷの体積が過多となることにより、完成したエンジンバルブに割れが発生し或いはバリＢが大量に発生した。この点、キャビティ２１２の溝深さＨ２に対するワークＷの径の比が０．４以上であって０．７以下の範囲である場合、欠肉が発生することなく且つバリＢの発生も少なかった。
【００４１】
また、鍛造時におけるワークＷの温度が１０００℃以上であって１２００℃以下である場合に、良好なエンジンバルブを製造することができた。すなわち、ワークＷの温度が１０００℃未満の状態で鍛造を行うと、ワークＷが十分に塑性変形せず、キャビティ２１２に合致した形状にワークＷを成形することができないという問題が生じる。一方、ワークＷの温度が１２００℃を超えた状態で鍛造を行うと、鍛造後のエンジンバルブの組織が脆弱になるという問題が生じる。この点、ワークＷの温度が１０００℃以上１２００℃以下の状態で鍛造を行うと、ワークＷを十分に塑性変形させてキャビティ２１２に合致した形状に成形することができるとともに、強靭な組織を有するエンジンバルブを製造することができる。
【００４２】
尚、上述した実施形態において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ、或いは動作手順等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。
【符号の説明】
【００４３】
１０  アップセット成形装置
１１  ピストンロッド
１２  台座
１３  支持電極対
２０  型鍛造装置
２１  下型
２１１  被押圧面
２１２  キャビティ
２１３  ワーク挿通穴
２２  上型
２２１  押圧面
２２２  凸部
２３  キャビティ境界線
２４  ラジアル隙間
Ｂ  バリ
Ｈ１  突出高さ
Ｈ２  溝深さ
Ｌａ  アップセット成形部の軸方向長さ
Ｒ２  キャビティの最大径
Ｒａ  アップセット成形部の最大径
Ｓ  面圧閾値
Ｗ  ワーク
ＷＡ  アップセット成形部
ＷＢ  アップセット境界線
ＷＪ  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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【図５】
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【図６】
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