技術論文

熱間鍛造用平パンチの寿命向上
Die life improvement of flat type punches for hot forging
中崎盛彦＊1，江良康司＊2，明珍洋之＊3，高須一郎＊4

Morihiko Nakasaki, Koji Era, Hiroyuki Myochin and Ichiro Takasu
Synopsis: Since forged products have been required more complex and net-shape, the tool cost tends to increase day byday. The improvement of the die life is a crucial matter for the reduction of processing cost on forging business.
In this report, a case of the die life improvement was introduced. The die life of flat punches due to erosion crackfor hot forging was improved by using the punch with a center air vent. Consequently, the followings were foundthrough the CAE analysis and forging experiments;(1) The erosion cracks in this case was due to the spout of the lubricant trapped between a punch and a work, notin the room at the last stage of forging. It occurs under the high pressure over the criteria of the lubricant
spouting out.
(2) The higher pressure increasing rate, the shorter life of flat punches regarding life due to erosion cracks.
(3) To prevent the erosion crack of punches, it is effective to establish an air vent at the center of the contactsurface.
key words: erosion crack, net shape, air vent, hot forging, 3-D CAE analysis, die life, pressure, lubricant

組み、平パンチの金型寿命について整理し、短寿命要因で１．緒言あるガス疵防止のための方策を検討し、ガス孔を適切な位近年、鍛造品において、ネットシェイプ、ニアネットシ置に設けることにより寿命を向上させた。また、パンチのェイプといった、高精度かつ複雑な形状が要求されている。

ガス孔の位置・個数別にガス疵防止への効果を検証し、ガそのため、製品コストに占める金型費の割合が増加しておス孔位置の最適化について検討した。

り、金型費削減のため金型寿命の向上が鍛造業界の重要な

２．平パンチの寿命について課題となっている1)。
金型寿命については先行研究が多数あるが、濟木は鍛造型の３大寿命形態を摩耗、割れ、塑性変形であると述べて今回対象とした工具は、ワーク接触面が平坦な鍛造用平いる 。また、型割れ、摩耗、熱軟化摩耗、ヒートクラッ

パンチで、ワークとの接触面の外周近傍に深い疵が発生す

ク、エロージョンの５パターンに細分化して対策を取る例る問題があった。類似形状でも同様の問題が発生しており、もある 。金型寿命については、鍛造のCAE解析にて得らここでは最も短寿命なものを取り上げて取り組みを行った。

2)3)れる応力や温度を実現象に当てはめて解析することが多Fig.1に平パンチの外観と損傷形態を示す。パンチ角部

く、当社でもその一例を報告している 。また、金型寿命に発生するこの損傷は、形態からエロージョン起因と推定の大半を占める摩耗については、累積摩擦仕事量から金型される。金型寿命は、約600ショットと非常に短く、頻繁寿命を予測した例などがあるが 、ガス疵などエロージョにパンチを交換する必要があるため、コストのみならず金ン起因の金型損傷について述べられた例は少ない。エロー

型交換所要時間が大きくなることが問題であった。

4)

5)

ジョンとは、通常ダイス隅R部等に閉じこめられた空気や潤滑剤が瞬間的に噴出してダイスを損耗させる現象であり、エロージョン対策として金型のコーティングを変更して寿命を改善した例が取り上げられている3)。
本報では、熱間鍛造用平パンチにおけるエロージョン疵の原因の特定並びに改善につなげた。金型寿命改善に取り

12＊
3＊
4＊
＊

研究・開発センター プロセス開発グループ
環境管理部 環境技術グループ 兼 研究・開発センター
サントクテック株式会社 姫路工場 精鍛課
研究・開発センター プロセス開発グループ長，PhD

プロセス開発グループ

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Fig.1 Appearance of flat punch (Left) and cracks inpunch (Right).

３．CAE解析によるエロージョン発生原因の推定
本鍛造における材料の変形状態及びパンチ表面状態について調査するため、CAE解析により成形過程の推定を行った。解析コードには市販のDEFORM 3DTMを用いた。

Fig.2 Schematic diagrams of the deformation process.

Table 1に解析条件を示す。

そこで、工具寿命向上を目的として、平パンチにガス抜

Table 1 3D CAE analysis conditions.

き孔を設けた場合の実験を行った。従来のガス抜き穴を設けないパンチをタイプAとし、ワークの初期外径より外側に設けたタイプBのパンチと、ワークの初期外径より内側に設けたタイプCのパンチを試作し、それぞれ鍛造テストを実施した。ガス抜き孔は各パンチ3箇所、同心円状の等間隔、半径位置も同じ位置に設けた。Fig.3にパンチに設Fig.2に本鍛造工程におけるワーク変形過程のCAE解析けたガス孔の位置を示す。また、Fig.4にガス孔と対応す結果を示す。まず金型上部が充填し、ストローク率80％る閉空間位置関係を示す。パンチBは閉空間S1の、パンチでは、ダイス上部の金型と素材とが接触し、パンチ、ダイCはパンチとワークに残存する隙間S2部にトラップされた

ス、素材に囲まれた閉空間S1ができる。さらに加工が進む

潤滑剤の、吹き出しに対応したものである。これらの中かと、S1部に閉じ込められた空気や潤滑剤の逃げ場がなくなら、疵の多発したタイプAを除いたタイプB及びCのパンチり、金型同士のクリアランスのわずかな隙間から急激に吹を用いて実機テストを実施した。

き出すことにより金型を損傷させると推定した。

Fig.3 Appearances of punches after forging.

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４．実験結果
４・１

ガス孔位置のパンチ寿命への影響

鍛造テストの結果をFig.5に示す。タイプAはFig.1に示した通りエロージョン疵が発生し、寿命は約600ショットと非常に短かった。これに対し、タイプBでは、全9本のテスト品のうち、2本で外周のエロージョン疵が発生し、加えてガス抜き孔にも損傷が見られた。また4本では疵は見られないものの、ガス抜き孔が損傷して寿命となった。
タイプBのパンチの平均寿命は4,000ショット程度であった。この値は、タイプAに比べると大幅に改善されたと言えるが、熱間鍛造金型としては十分とは言えない。また、ガス抜き孔を設けたことによりガス抜き孔近傍の損傷が新たに発生している。これは、ガス抜き孔からガスが抜けたと推定されるため、エロージョンの発生箇所が変わったのみで発生要因は変わらないと考えられることから、疵の程度は改善されたものの、根本的な解決には至っていない。
一方、タイプCでは、7本のテスト品全てでエロージョ
ン疵は見られず、またガス抜き孔の損傷も軽微であることがわかった。タイプCの寿命要因は、鍛造初期に金型がワークに接触する部分のかじりによる摩耗であり、平均寿命は10,000ショット以上と良好な結果が得られた。
以上の結果より、パンチに発生するエロージョン疵を防止するには、タイプCのパンチが有効であることが分かった。また、パンチに発生するエロージョン疵の原因は、閉空間S1部に閉じ込められた空気や潤滑剤ではなく、パンチ
Fig.4 Schematic diagram of lubricant trapped room.と素材間のごくわずかな隙間S2部にトラップされた潤滑剤の噴き出しによるものと推定される。

Fig.5 Relationship between the die life factors and the air vent positions.

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４・２

平パンチのエロージョン損傷発生のメカニズムのCAE解析によりパンチにかかる面圧を算出し、疵発生の4.1節に示した結果を踏まえて、平パンチに発生したエメカニズムについて考察した。

ロージョン損傷の原因について検討する。ワーク表面の微Fig.6に各ストローク率における鍛造状況とパンチにか小ピットに潤滑剤が溜まるという知見 から、パンチとワかる面圧を示す。ストローク率0〜80％までは、パンチ中ークの接触面内に残存した潤滑剤の水溶性黒鉛の水分が気央に近いほど面圧が低くなっているため、潤滑剤がパンチ化、または黒鉛の粒子が吹き出すことによると考えること中央付近にトラップされている。ストローク率80%以降ができる。または、材料と固体潤滑剤を同時に変形体としになると、素材がダイス上部の壁面に接触して全体的に面て扱った解析結果 から、パンチと材料の接触面圧が中央圧が急上昇するため、ガス抜き孔のないタイプAのパンチほど小さいため、パンチと材料の間に潤滑剤が溜まっていでは、ワークとパンチの間にトラップされていた潤滑剤がるなどの原因が考えられる。こうした潤滑剤の噴き出しに噴き出し、パンチに疵を発生させたと考えられる。

7)8)は、鍛造時の面圧が影響すると考えられる。そこで、上記

Fig.6 Surface pressure distribution on the flat punch.
そこで、素材とダイス上部壁面の接触時から鍛造終了時噴き出すため、パンチに疵を発生させやすく、早期破損にまでの面圧の上昇値を時間で除した値を面圧上昇速度と定至ったと考えられる。

義し、平パンチを使用している数種類の類似型番においてタイプCのパンチに疵が発生しなかったのは、鍛造開始寿命との関係を調査した。Fig.7にその結果を示す。面圧からガス抜き孔が潤滑剤滞留位置に接触しているため、潤上昇速度が大きいものほど寿命が短い傾向があり、今回調滑剤が低面圧の間に徐々に抜けていったためと考えられ査した対象品が最も高い面圧であることが分かった。これる。一方、タイプBのパンチでは、ガス抜き孔がS2部と接ら平パンチのほとんどがエロージョン疵発生により寿命を触するのがストローク率86％以降のため、ガス抜き時の迎えており、面圧が急激に上昇するほど潤滑剤が勢いよく面圧が高いため、ガス抜き孔が損傷したと考えられる。

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Fig.7 Relationship between pressure increasing rate and die life.

4・3 ガス抜き孔位置の改善

結果をFig.8に示す。テスト品3本のうち、3本ともエロ上記の疵発生メカニズムから、パンチに発生する疵を防ージョン疵は発生せず、ガス抜き孔の損傷も軽微であった。

止するには、パンチ中央にガス抜き孔を１つだけ設けるだ

パンチDの寿命要因は摩耗であり、平均寿命は15,000シ

けで十分効果が得られると考えられる。そこで、ガス抜きョット以上と非常に良好な結果となった。このことから、孔をパンチの中央部に開けたパンチDを試作し、確認テス

上記の疵発生メカニズムの信憑性が確認できた。

トを行った。

Fig.8 Surface appearance of the punch with a center air vent after 15000 shots.

ると推定される。また、エロージョン疵は、面圧が一定以５．結言上の値を取る場合に発生することがわかった。
(2) エロージョン疵による平パンチの寿命は、面圧上昇速平パンチに発生するエロージョン疵に対する対策として度が上昇するにつれて低下することが分かった。

CAE解析及び実機実験を行い、以下の知見を得た。

(3) エロージョン疵を防止するには、パンチにガス抜き用(1) 平パンチに発生するエロージョン疵は、密閉鍛造末期の孔を設けることが有効であることが分かった。また、こに急激に空間が閉塞することによる空気や潤滑材の噴き出のガス抜き孔の位置は、ワークと材料が接触している位置、しではなく、パンチとワークの隙間にトラップされた潤滑特に中央部が最も望ましい。

剤が、急激な面圧の上昇により噴き出すことにより発生す40

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参考文献
1)財団法人 鍛造技術研究所，財団法人 素形材センター：平成7年度 鍛造
用金型寿命向上調査研究報告書， （1996）,3.
2)濟木弘行：特殊鋼、48-7 (1999), 35.
3)渡部清彦：素形材,46-5, (2005), 17.
4)中溝利尚、笠井貴之、高須一郎：山陽特殊製鋼技報, 9, (2002), 27.
5)森下弘一、鈴木寿之：塑性と加工、45-520 (2004), 310.
6)中小企業事業団：鍛造加工技術・技能マニュアル， （1999）， 14.
7)塑性加工におけるトライボロジー、コロナ社,東京 (1983).
8)中村保、田中繁一、早川邦夫、今泉晴樹、深井良明：第49回塑加連講論,(1998), 109.

■著者

中崎盛彦

江良康司

明珍洋之高須一郎

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