(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
異なる部品サイズ、異なる形状、または異なる負荷荷重で使用される鍛造用金型において、
前記荷重は、金属材料からなる素材から前記金型に作用する引張荷重と、前記引張荷重の反発力である圧縮荷重とであり、
鍛造成形時に前記金型内部に発生する前記各荷重を分散させると共に、前記各荷重の分布による応力集中を発生させる荷重分散用溝が、前記金型表面に設けられ、
前記荷重分散用溝は、前記引張荷重の分布と前記圧縮荷重の分布との間における、該荷重分散用溝を設けない場合での前記金型内部の応力集中箇所の近傍に形成された歯車成形用溝から離間した位置に設けられていること
を特徴とする鍛造用金型。
【請求項２】
請求項１記載の鍛造用金型において、
前記荷重分散用溝は、前記引張荷重によって前記金型の表面に発生する曲げモーメント及びたわみによる凹状部を抑制するための溝であること
を特徴とする鍛造用金型。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、鍛造用金型に関し、鍛造成形時に、金型内部で発生する応力集中を拡散（分散）させて、鍛造成形の押圧回数を増大させると共に、金型の長寿命化による鍛造品の製造コストの低廉化を図ることができる鍛造用金型に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、鍛造成形においては、図示しない歯車の素材であるＳＣＲ４２０Ｈ、ＳＣＭ４２０Ｈ等の金属材料（以下、「ワーク」と記載。）を、金型によって圧縮成形することにより、前記材料に塑性変形を与え、所望の形状に成形して鍛造品を生産する。
【０００３】
例えば、図４に示す歯車成形用金型の上型１００は、鍛造装置と組み合わせることにより所定の歯車を成形するための金型であり、中央部分には径の異なる貫通孔１０４及び１０６が上下に連通して設けられている。また、貫通孔１０６よりも径が小さい前記貫通孔１０４の内壁部分における下部には、歯車成形用溝１０８を備えた歯車成形部１１０が構成されている。
【０００４】
ここで、前記上型１００を鍛造装置と組み合わせ、前記上型１００をワークの上方から押圧すると、前記ワークは塑性変形し、金型に設けられた前記歯車成形部１１０によって、該ワークの外周部には外歯が付いた所定の歯車が形成される。そのとき、前記ワークから前記上型１００に荷重が作用する。
【０００５】
上型１００に作用する荷重は、前記ワークから上型１００に作用する引張荷重と、前記引張荷重の反発力として上型１００から前記ワークに作用する圧縮荷重である。なお、前記引張荷重が作用する方向は、上型１００を中心とした放射方向であり、他方、前記圧縮荷重が作用する方向は、前記上型１００の中心に向かう方向である。
【０００６】
図５は、前記引張荷重及び前記圧縮荷重の分布を、有限要素法を用いて解析した結果である画像１２０を示す。
【０００７】
この結果から、貫通孔１０４及び１０６の段差部分には、前記ワークから前記上型１００に作用する引張荷重分布１２２が存在し、一方、前記上型１００が鍛造装置にチャックされる部分には、前記上型１００から前記ワークに作用する圧縮荷重分布１２４が存在していることが分かる。
【０００８】
ここで、前記引張荷重分布１２２と前記圧縮荷重分布１２４の位置関係について考察する。前記引張荷重分布は、貫通孔１０４及び１０６の段差部分に局部的に発生しており、引張荷重に応じて前記貫通孔１０４及び１０６の内壁部分は容易に塑性変形される。特に、前記貫通孔１０４の内壁部分では、鍛造成形回数の増加に伴い、前記塑性変形が顕著に現れる。
【０００９】
図６は、歯車成形部１１０を含む前記貫通孔１０４の内壁部分を拡大したものである。異なる部品サイズ、異なる形状、または異なる負荷荷重で使用される鍛造用金型においては、前記上型１００の鍛造成形回数が増加すると、歯車成形部１１０は、前記ワークからの引張荷重によって徐々に摩耗される。他方、前記貫通孔１０４の表面には、前記引張荷重によって凹状部１１２が発生する。この凹状部１１２は、前記引張荷重分布１２２及び前記圧縮荷重分布１２４の間に発生する。
【００１０】
前記凹状部１１２は、鍛造成形回数の増加に伴い応力が徐々に蓄積される。そのため、ある限度以上の応力が蓄積されると、凹状部１１２は歪みの一部となり、最終的には凹状の永久歪みとして、前記上型１００の表面に残存する。このような凹状部１１２に素材が流動する場合、鍛造成形によって形成された歯車外周部における溝部には、凸状のバリが発生する。前記バリは目視できる程の大きなバリであるため、前記上型１００を修正して前記凹状部１１２を除去する必要がある。
【００１１】
従って、前記凹状部１１２の発生は、鍛造成形回数の低下と、鍛造品の歩留まりの低下と、鍛造製品の製造コストの増加をもたらす。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
本発明はこのような課題を考慮してなされたものであり、鍛造用金型に関し、鍛造成形の過程で、異なる部品サイズ、異なる形状、または異なる負荷荷重で鍛造用金型の内部に発生する応力集中を拡散（分散）させて、鍛造成形回数を増大（長寿命化）させると共に、金型の長寿命化による鍛造品の製造コストの低廉化を図ることができる鍛造用金型を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る鍛造用金型は、異なる部品サイズ、異なる形状、または異なる負荷荷重で使用される鍛造用金型において、前記荷重は、金属材料からなる素材から前記金型に作用する引張荷重と、前記引張荷重の反発力である圧縮荷重とであり、鍛造成形時に前記金型内部に発生する前記各荷重を分散させると共に、前記各荷重の分布による応力集中を発生させる荷重分散用溝が、前記金型表面に設けられ、前記荷重分散用溝は、前記引張荷重の分布と前記圧縮荷重の分布との間における、該荷重分散用溝を設けない場合での前記金型内部の応力集中箇所の近傍に形成された歯車成形用溝から離間した位置に設けられることを特徴としている。前記荷重分散用溝を金型表面、例えば、荷重分散用溝を設けない場合における応力集中箇所の近傍に前記荷重分散用溝を設けることによって、該荷重分散用溝付近に前記応力集中（荷重分散用溝を設けない場合の応力集中）とは別の応力集中が発生し、金型にかかる荷重の分散を図ることができる。これにより、鍛造用金型に関し、鍛造成形の過程で、異なる部品サイズ、異なる形状、異なる負荷荷重で使用される鍛造用金型の内部に発生する応力集中を拡散（分散）させて、鍛造成形回数を増大させると共に、金型の長寿命化による鍛造品の製造コストの低廉化を図ることができる。
【００１４】
また、引張荷重分布と圧縮荷重分布との間に該荷重分散用溝を設けることで、前記引張荷重分布と前記圧縮荷重分布とを分散させると共に、それらの荷重分布による応力集中を前記荷重分散用溝に発生させる。即ち、前記引張荷重分布と前記圧縮荷重分布を該荷重分散用溝の方向へ分散させる。これによって、前記引張荷重による金型表面への応力集中を効果的に分散化させ、鍛造成形回数の増加が可能となる。
【００１５】
上記した効果以外にも、前記引張荷重分布と前記圧縮荷重分布とが近接することによって、それら荷重分布で金型に発生する曲げモーメントが低下し、たわみによる金型表面の塑性変形が抑制されるという効果も得られる。従って、前記荷重分散用溝の配設によって、鍛造用金型の押圧方向におけるサイズを減少することができ、該金型の製造コストの低減も実現できる。
【００１６】
また、前記荷重分散用溝は、前記引張荷重によって前記金型の表面に発生する曲げモーメント及びたわみによる凹状部を抑制するための溝である。前記凹状部は、前記引張荷重によって発生し、該凹状部には前記引張荷重による応力集中が発生する。前記応力集中は、鍛造成形回数の増加に伴い金型表面の塑性変形を発生させるため、該金型では、最終的に摩耗や熱による型痩せやドグ歯刃先部の割れ、歯底部の摩耗が生じやすくなる。従って、前記荷重分散用溝を金型表面に設け、該荷重分散用溝に応力集中を発生させることによって、前記凹状部の発生は抑制されるので、金型形状の維持と鍛造成形回数の増加とを共に実現することが可能となる。
【００１７】
なお、前記荷重分散用溝を、前記凹状部が発生すると予想される金型表面に設けると、前記凹状部の発生は効果的に抑制されるため、好適である。
【００１８】
また、前記荷重分散用溝を有する鍛造用金型を構成する材料についても、該荷重分散用溝への応力集中によって金型の鍛造成形回数が増加するため、高硬度工具鋼を用いる必要はない。即ち、従来使用されている高速度工具鋼の替わりに、耐熱性を備えた高合金工具鋼等も好適に使用できる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る鍛造用金型を歯車成形用金型に適用した実施の形態例（以下、単に実施の形態に係る金型とも記す）について、図１〜図３を参照しながら説明する。
【００２０】
本実施の形態に係る鍛造用金型１０は、図１に示すように、円筒形の上型本体１２を有して構成されている。
【００２１】
前記金型１０は、貫通孔１４と歯車成形用溝１８とを有する第１金型部１０ａと、貫通孔１６を有する第２金型部１０ｂと、第３金型部１０ｃとから構成されている。そして、前記第１金型部１０ａと前記第２金型部１０ｂには、ＭＨ８５等の耐熱性を有する高合金工具鋼が好適に使用される。また、第３金型部１０ｃには、ＳＫＤ６１等の高合金工具鋼が好適に使用される。そして、前記金型１０は、第３金型部１０ｃを形成した後に、第２金型部１０ｂを形成し、最後に第１金型部１０ａを形成することによって作製される。
【００２２】
また、前記上型本体１２は、中央部分に径の異なる貫通孔１４及び１６が上下に連通して設けられ、上部に位置する径の小さい貫通孔１４の内壁部分における下部に歯車成形用溝１８が形成されて歯車成形部２０が構成されている。
【００２３】
特に、本実施の形態に係る鍛造用金型１０は、該金型１０による鍛造成形時に該金型１０内部に発生する荷重を分散するための荷重分散用溝２２が形成されている。この荷重分散用溝２２は、図２に示すように、例えば幅１０ｍｍ、深さ２ｍｍを備える溝であり、歯車成形部２０から２５ｍｍ離れた貫通孔１４の内周に沿って円環状に設けられている。そして、前記荷重分散用溝２２は、例えば切削加工により、歯車成形用溝１８から離間した位置に形成されている。なお、前記溝２２の幅として上記した例では１０ｍｍとしたが、この幅は任意の大きさでよい。また、該溝２２の形状は円環状に限定されず、半円状の切り込み等で構成することも可能であることは勿論である。
【００２４】
そして、この荷重分散用溝２２は、鍛造成形回数の増加によって、前記内壁面には図６に示す凹状部１１２の発生を抑制するために設けられる。
【００２５】
即ち、前記凹状部１１２は、鍛造成形回数の増加に伴い応力が徐々に蓄積される。そのため、ある限度以上の応力が蓄積されると、凹状部１１２は歪みの一部となり、最終的には凹状の永久歪みとして、図４に示す上型１００の表面に残存する。このような凹状部１１２に素材が流動する場合、鍛造成形によって形成された歯車外周部における溝部には、凸状のバリが発生する。前記バリは目視できる程の大きなバリであるため、鍛造用金型１０を修正して前記凹状部１１２を除去する必要がある。従って、前記凹状部１１２の発生は、鍛造成形回数の低下と、鍛造品の歩留まりの低下と、鍛造製品の製造コスト増加をもたらす。それ故、前記荷重分散用溝２２に応力集中を発生させて、前記凹状部１１２の発生を抑制させるのである。
【００２６】
次に、本実施の形態に係る鍛造用金型１０を用いて歯車を成形する工程について説明する。
【００２７】
前記金型１０を用いて歯車を成形するには、前記金型１０を上型として鍛造装置（例えば、特開平８−２７６２３８号公報参照）と組み合わせた後、前記金型１０を歯車の素材である金属材料（ワーク）の上方から押圧し、前記ワークを塑性変形させ、所定の歯車を成形することによって完成される。この鍛造成形時に、前記金型１０に作用する荷重は、前記ワークから前記金型１０に作用する引張荷重と、前記引張荷重の反発力として前記金型１０から前記ワークに作用する圧縮荷重である。なお、前記引張荷重が作用する方向は、金型１０を中心とした放射方向であり、他方、前記圧縮荷重が作用する方向は、前記金型１０の中心に向かう方向である。
【００２８】
図３は、前記引張荷重及び前記圧縮荷重の分布を、有限要素法を用いて解析した結果である画像３０を示す。
【００２９】
この結果から、貫通孔１４及び１６の段差部分には、前記ワークから前記金型１０に作用する引張荷重分布３２が発生し、一方、荷重分散用溝２２周辺の広い部分に、前記金型１０から前記ワークに作用する圧縮荷重分布３４が発生していることがわかる。
【００３０】
ここで、前記引張荷重分布３２及び前記圧縮荷重分布３４と、図５に示す従来技術に基づく上型１００の引張荷重分布１２２及び圧縮荷重分布１２４とをそれぞれ比較すると、荷重分散用溝２２を貫通孔１４の内壁面に設けることによって、前記引張荷重分布３２及び前記圧縮荷重分布３４を前記荷重分散用溝２２の近辺にまで分散させることができる。
【００３１】
その結果、荷重分散用溝２２に応力集中が発生し、貫通孔１４の他の内壁面における応力集中を低減することができる。従って、前記荷重分散用溝２２の配設によって凹状部１１２の発生は抑制され、鍛造成形回数が増加し、鍛造用金型１０の長寿命化が図られ鍛造品の製造コストの低廉化を有効に図ることができる。
【００３２】
特に、前記引張荷重分布３２と前記圧縮荷重分布３４との間に荷重分散用溝２２を設けることで、前記圧縮荷重分布３４を前記引張荷重分布３２の方向に分散することから、両者の分布を前記荷重分散用溝２２へ近接させることができる。そのため、これらの荷重分布で金型１０に発生する曲げモーメントは低下し、たわみによる貫通孔１４の表面における凹状部１１２の発生が抑制される。従って、前記荷重分散用溝２２の配設によって、金型１０の押圧方向におけるサイズを減少でき、該金型１０の製造コスト低減も実現できる。即ち、前記金型１０の押圧方向のサイズは、従来の金型と比較して、約２５％低減される。
【００３３】
また、前記荷重分散用溝２２の配設によって、鍛造成形回数が増加するため、第１金型部１０ａを構成する材料には、高速度工具鋼のような高硬度材料を使用しなくても構わない。本実施の形態で用いたＭＨ８５等の耐熱性を有する高合金工具鋼等も好適に使用できる。
【００３４】
なお、上述の例は、本発明に係る鍛造用金型の一実施の形態として、歯車成形用の鍛造用金型について説明したが、前記歯車成形用以外の鍛造用金型にも適用できることは勿論である。また、鍛造成形方法についても、金型の材質を変えることによって、熱間鍛造に限らず、冷間鍛造を初め、爆発成形、放電成形、電磁成形等にも適用可能である。
【００３５】
更に、この発明に係る鍛造用金型は、上述の実施の形態に限らず、この発明の要旨を逸脱することなく、種々の構成を採り得ることは勿論である。
【００３６】
【発明の効果】
以上、説明した本発明に係る鍛造用金型によれば、鍛造用金型に関し、鍛造成形の過程で、異なる部品サイズ、異なる形状、または異なる負荷荷重で使用される鍛造用金型の内部に発生する応力集中を拡散（分散）させて、鍛造成形回数を増大させると共に、金型の長寿命化による鍛造品の製造コストの低廉化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施の形態に係る鍛造用金型を示す縦断面図である。
【図２】荷重分散用溝を示す縦断面図である。
【図３】鍛造成形において、本実施の形態に係る金型の内部に発生する荷重の解析結果の画像を示す縦断面図である。
【図４】従来例に係る歯車成形用金型を示す縦断面図である。
【図５】鍛造成形において、従来例に係る歯車成形用金型の内部に発生する荷重の解析結果の画像を示す縦断面図である。
【図６】金型表面に発生する凹状部と歯車成形部における摩耗を示す縦断面図である。
【符号の説明】
１０…鍛造用金型                １０ａ…第１金型部
１０ｂ…第２金型部              １０ｃ…第３金型部
１２…上型本体                  １４、１６、１０４、１０６…貫通孔
１８、１０８…歯車成形用溝      ２０、１１０…歯車成形部
２２…荷重分散用溝              ３０、１２０…画像
３２、１２２…引張荷重分布      ３４、１２４…圧縮荷重分布
１００…上型                    １１２…凹状部
【図１】
0003817456.tif 000002
【図２】
0003817456.tif 000003
【図３】
0003817456.tif 000004
【図４】
0003817456.tif 000005
【図５】
0003817456.tif 000006
【図６】
0003817456.tif 000007