JP4177191B2 - 閉塞鍛造装置および閉塞鍛造方法 - Google Patents
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【発明の属する技術分野】
本発明は、冷間鍛造に代表されるような閉塞鍛造装置および閉塞鍛造方法に関し、特に前方押出しもしくは後方押出しを併用する閉塞鍛造装置および閉塞鍛造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
この種の閉塞鍛造もしくは密閉鍛造に関する技術として例えば特許文献1に記載のものが知られている。
【0003】
この従来の技術では、ダイス内に対向配置されることになる上下のパンチのうち上パンチ側を可動側として鍛造成形を行うにあたり、ダイスのインプレッションを上方側から順に大径部分、中径部分および小径部分とからなる段付き形状のものとし、中径部分と同等の大きさの素材を上記大径部分にセットした上で上下のパンチによりその素材を加圧して、素材に圧縮応力を加えながら小径部分側に押出し、さらなる加圧動作によりダイスと上下のパンチとで形成される閉空間内で素材を鍛造成形して所定形状の鍛造品とするものである。
【0004】
【特許文献1】
特開平7−116764号公報 (図1〜図3)
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
特許文献1に代表されるような従来の技術では、閉塞鍛造の特殊性として上パンチが下死点位置に達した瞬間に加圧力が急激に上昇する傾向にあり、型構造として相応の強度対策が講じられてはいても、鍛造品そのものの形状や大きさによっては型構造上十分な強度を確保できないことがある。例えば、素材として金属粉を焼結成形した予備成形体を用いて、それを冷間鍛造して所定形状に仕上げる焼結冷間鍛造品の場合にその傾向が強い。
【0006】
そのため、成形しようとする鍛造品の形状によっては上パンチが下死点位置に達した瞬間に鍛造品を押し切ることになる加圧力を加減する必要があり、その結果として上パンチによって拘束されることになる鍛造品の上端面の加工精度もしくは形状精度が低下する。例えば、成形しようとする鍛造品の上端面を平坦に仕上げる必要がある場合でも、上記のように上パンチが下死点位置に達した瞬間の加圧力が制限されることにより、鍛造品の上端面を規定寸法通りの平坦面に仕上げることができないことになる。その結果、後工程にて機械加工等による仕上げ加工が必要となり、コストアップが余儀なくされることとなって好ましくない。
【0007】
本発明はこのような課題に着目してなされたものであり、例えば上パンチが下死点位置に達した瞬間の加圧力が制限された場合でも、あたかもばりの発生を積極的に容認するばり出し鍛造(半分密閉鍛造)のように材料の一部が逃げ得る領域を確保しておくことで、鍛造品を確実に拘束して寸法精度の高い鍛造品を成形できるようにした閉塞鍛造装置および閉塞鍛造方法を提供しようとするものである。
【0008】
【課題を解決するための手段】
請求項1に記載の発明は、少なくともダイスとこのダイス内に対向配置される一対の加圧パンチとで形成される閉空間内に素材を収容した上で、この素材を一対の加圧パンチにより加圧して前方押出しもしくは後方押出しの形態で鍛造品を成形するにあたり、ダイスの内周面に、鍛造品の成形末期にその鍛造品が収容されている閉空間と連通し且つ鍛造品のうち押出し方向側の端縁コーナー部が臨む逃げ凹部を形成し、この逃げ凹部のうち鍛造品の抜き取り方向側の端部をテーパ面としたことを特徴とする。
【0009】
したがって、この構成のもとでは、成形初期段階では一対の加圧パンチによる加圧拘束力を受けて素材が前方押出しもしくは後方押出しの形態で押出し鍛造され、素材肉が閉空間内に充満するかたちで成形が進行する。その一方、成形末期の段階になると閉空間が微小な逃げ凹部と連通するようになり、最終的には素材肉の一部が逃げ凹部側にまで張り出すかたちで鍛造品の成形が完了する。すなわち、閉塞鍛造でありながらいずれか一方の加圧パンチがそのストローク限位置に達して鍛造品を押し切る段階では、その素材肉の一部が逃げ凹部側まで張り出すことにより、その押し切った時点での加圧力の極端に高くなることがないだけでなく、鍛造品を高精度に仕上げることができるようになる。
【0010】
その上、先に述べたように鍛造品の一部である素材肉が逃げ凹部側まで張り出すことで、その張り出し部位に関するかぎりは鍛造品の形状は正規形状でないことになるものの、成形後の鍛造品が例えばノックアウト部材によって突き出される際に上記の張り出し部位がテーパ面によって矯正される。その結果、張り出し部が付帯している鍛造品の形状精度が高められることになる。
【0011】
このように請求項1に記載の発明によれば、いずれか一方の加圧パンチがストローク限位置に達して鍛造品を押し切ることになる加圧力が制限された場合であっても、一対の加圧パンチによって鍛造品を確実に加圧拘束することができるから、拘束不足等を招くことなく鍛造品の寸法精度および形状精度が向上する。その結果、後工程にて機械加工等の仕上げ加工を行う必要がなくなり、工数削減とコストダウンを図ることができる。
【0012】
また、逃げ凹部に対応する張り出し部が鍛造品に一旦は付帯することになるものの、その張り出し部はテーパ面によって矯正されることになるので、鍛造品の形状精度が向上する。
【0014】
請求項2に記載の発明は、ダイスとこのダイス内に対向配置される一対の加圧パンチと、これらの加圧パンチを貫通するマンドレルとで形成される閉空間内に環状の素材を収容した上で、この素材を一対の加圧パンチにより加圧して前方押出しもしくは後方押出しの形態で鍛造品を成形するにあたり、前記マンドレルの外周面に、鍛造品の成形末期にその鍛造品が収容されている閉空間と連通し且つ鍛造品のうち押出し方向側の端縁コーナー部が臨む逃げ凹部を形成し、この逃げ凹部のうち鍛造品の抜き取り方向側の端部をテーパ面としたことを特徴とする。
【0015】
この構成のもとでは、上記の軸穴の成形を司るマンドレルに先のダイス側と同様の逃げ凹部を形成してあるため、その軸穴についてダイス側の逃げ凹部と同様の機能が発揮される。
【0016】
したがって、この請求項2に記載の発明によれば、鍛造品のうち特に逃げ凹部を設定した軸穴相当部の形状精度が向上する。
【0017】
【発明の実施の形態】
図1以下の図面は本発明の好ましい実施の形態を示す図であり、図3に示すように素材として予め金属粉を焼結成形した予備成形体Pを用いて、それを冷間鍛造して図4に示すようないわゆる内歯車状の焼結冷間鍛造品Wを成形する場合の例を示している。なお、ここで使用する予備成形体Pは、例えば特開2002−275572号公報および特開2002−294388号公報等に記載のような特定の鉄基粉末成形用素材を用いた上で予備圧縮成形と予備焼結(仮焼結)とが施されたものを使用するものとする。
【0018】
図3に示すように、素材(ブランク)としての予備成形体Pは、中心に段付き穴hを有する偏平円筒状もしくは円環状のものとして予め成形されている一方、その予備成形体Pから鍛造成形される鍛造品としての焼結冷間鍛造品Wは、図4に示すように略深皿状の本体部Bの内周にフランジ部F付きの軸穴Hを有していて、且つその本体部Bの内周面に内歯状の歯形部Gを有するものとして成形される。
【0019】
鍛造装置としての金型は、図3に示すように、円筒状のインプレッションたる内周面1aを有するダイス1のほか、対向配置された上下の加圧パンチ2,3、およびそれらの加圧パンチ2,3を貫通するマンドレル4およびノックアウトピン5等を主要素として構成される。ダイス1はスペーサ21を介してパンチホルダ6に支持されている。下側の加圧パンチ3はマンドレル4のためのガイド穴3aを有する円筒状のものであって、図4に示すようにノックアウトピン5とともに上方に突き出し可能ではあるものの、通常は図3に示すようにダイス1に内挿されながらパンチホルダ6に着座するかたちで支持されている。一方、上側の加圧パンチ2もマンドレル4のためのガイド穴2aを有する円筒状のものであって、図示しないラムに固定支持されているとともに、鍛造成形時にはそのラムとともに下降して、下側の加圧パンチ3とともにダイス1に内挿される。これにより、図1に示すようにダイス1と上下の加圧パンチ2,3とにより閉塞鍛造のための閉空間Rが形成されて、焼結冷間鍛造品Wが成形される。
【0020】
上側の加圧パンチ2は、図1から明らかなように、焼結冷間鍛造品Wのうち歯形部Gを含む本体部Bの内周面と上端面およびフランジ部Fの上端面の形状の成形を司るものであるから、その上側の加圧パンチ2の下端部には内外二段の段状部たるショルダー部7,8が形成されているとともに、それらショルダー部7,8にはさまれた突状部9の外周には上側の加圧パンチ2の円筒外周面よりも小径な外歯車状の歯形成形部10が形成されている。
【0021】
一方、上下の加圧パンチ2,3とともに上記の閉空間Rを形成することになるダイス1の内周面1aおよびマンドレル4の外周面にはエアベント(空気抜き)を兼ねた微小深さの逃げ凹部11,12が環状溝の形態でその全周に形成されている。これらの逃げ凹部11,12の位置は、図3に示すように素材たる予備成形体Pを下パンチ3上の位置決め載置した状態で、予備成形体Pの外周側上端コーナー部および内周側上端コーナー部に近接するもこれらと干渉しないような位置であって、且つ図1に示すように上側の加圧パンチ2が下死点位置に達して焼結冷間鍛造品Wの成形が完了した状態では、その焼結冷間鍛造品Wの押出し方向側の端縁コーナー部すなわちの外周側上端コーナー部および内周側上端コーナー部がそれぞれ所定寸法だけ逃げ凹部11,12側に入り込むような位置に設定されている。
【0022】
ここで、図2に拡大して示すように、ダイス1側の逃げ凹部11の上下両端部はテーパ面13a,13bと曲率が例えばR1以上のアール面取り部14a,14bをもってダイス1のインプレッションたる内周面1aに連続しているとともに、そのダイス1側の逃げ凹部11の幅寸法W1を例えば14mm程度に設定した場合、その深さDは0.5±0.2mm程度に、テーパ面13a,13bの角度θは30°程度にそれぞれ設定されている。同時に逃げ凹部11の内隅部のアール面取り部15a,15bもアール面取り部14a,14bと同等の大きさに設定されている。ここで、マンドレル4側の逃げ凹部12についてもダイス1側のものと同等の大きさのものとして形成されている。
【0023】
このように構成された金型構造によれば、図3に示すように素材たる円環状の予備成形体Pを下側の加圧パンチ3の上に位置決め載置した上で上側の加圧パンチ2を下降させることで鍛造成形が開始される。
【0024】
下降した上側の加圧パンチ2がダイス1に内挿されながら下側の加圧パンチ3とともに予備成形体Pを加圧拘束するようになると、焼結冷間鍛造品Wのための閉空間Rが形成されるとともに、その閉空間Rの容積が徐々に縮小されながら素材肉が歯形成形部10を含む上側の加圧パンチ2の突状部9の形状になじむように予備成形体Pの塑性流動が開始され、いわゆる後方押出しの形態で鍛造成形が開始される。そして、成形初期段階では図1に示した焼結冷間鍛造品Wに近似した体積配分となるようにその塑性流動が進行することから、この段階では素材肉の一部がダイス1側およびマンドレル4側の逃げ凹部11,12に入り込むことはなく、予備成形Pに含まれる空気を追い出しつつ密閉された閉空間Rでの閉塞鍛造が進行する。
【0025】
すなわち、図3の素材としての予備成形体Pの形状と図1の焼結冷間鍛造品Wの形状とを比較すると明らかなように、後方押出しによる予備成形体Pの塑性流動によって、上側の加圧パンチ2の押出し方向と逆方向に素材肉が徐々に略深皿状に***して、フランジ部F付きの軸穴Hと歯形部Gの鍛造成形が促進されるとともに予備成形体Pの密度が高くなる。
【0026】
やがて、成形末期すなわち上側の加圧パンチ2が少なくともそのストローク限位置である下死点位置に達する直前になると、その成形完成度が高められて、素材たる予備成形体Pの形状が図1の焼結冷間鍛造品Wに近似したものとなることから、同図に示すように素材たる予備成形体P(焼結冷間鍛造品W)の外周側上端コーナー部および内周側上端コーナー部がそれぞれダイス1側およびマンドレル4側の逃げ凹部11,12に入り込むようになる。
【0027】
そして、上側の加圧パンチ2が下死点位置に達すると、それをもって焼結冷間鍛造品Wの成形が完了したことになるのであるが、先の閉空間Rの体積が焼結冷間鍛造品Wの体積とほぼ等しいものとなって実質的に上下の加圧パンチ2,3が成形後の焼結冷間鍛造品Wを押し切るかたちとなることから、その瞬間に上下の加圧パンチ2,3が成形されたばかりの焼結冷間鍛造品Wに及ぼす加圧力が上昇する。その瞬間に、焼結冷間鍛造品Wの素材肉の逃げ場がない故に、図2に示すように、焼結冷間鍛造品Wの素材肉の一部すなわち成形されたばかりの焼結冷間鍛造品Wの外周側上端コーナー部および内周側上端コーナー部がそれぞれの逃げ凹部11,12側に張り出すようにしてわずかに膨出する。なお、その張り出し部を図2に符号Qで示す。これによって、焼結冷間鍛造品Wのうち歯形部G以外で上側の加圧パンチ2と接触している平坦部の加工精度が高められることになる。同時に、塑性流動によって焼結冷間鍛造品W内の空隙が減少することで焼結冷間鍛造品Wとしての密度も高められることになる。このように上側の加圧パンチ2が下死点位置に達した状態をもって焼結冷間鍛造品Wの成形が完了する。
【0028】
上側の加圧パンチ2が下死点位置に達した以降は、図4に示すようにノックアウトピン5の上昇動作によって下側の加圧パンチ3と成形されたばかりの焼結冷間鍛造品Wとが上側の加圧パンチ2とともに上方に突き出される。この突き出し過程において、図2に示したように焼結冷間鍛造品Wのうち先に逃げ凹部11,12側に張り出した外周側上端コーナー部および内周側上端コーナー部の張り出し部Qが、各逃げ凹部11,12の上端部側(焼結冷間鍛造品Wの抜き取り方向側)のテーパ面13aとそれに連続するダイス1の内周面1aやマンドレル4の外周面と順次摺接するかたちとなる。このため、テーパ面13a等にて張り出し部Qが押し戻されるように矯正され、成形後の焼結冷間鍛造品Wには先の張り出し部Qの痕跡はほとんど残らないようになる。
【0029】
そして、成形されたばかりの焼結冷間鍛造品Wが図4のようにダイス1から完全に突き出されるのと相前後して、例えば上側の加圧パンチ2に内蔵された図外の上側のノックアウトピンが突き出し動作することにより、焼結冷間鍛造品Wは上側の加圧パンチ2からも離型されて下側の加圧パンチ3上に残されることになる。
【0030】
このように本実施の形態によれば、金型構造の強度が成形対象となる焼結冷間鍛造品Wの形状等の制約から十分に確保できない場合であっても、上側の加圧パンチ2が下死点位置に達して焼結冷間鍛造品Wを押し切った瞬間の加圧力を極端に大きくすることなく、寸法精度および形状精度に優れた焼結冷間鍛造品Wを成形することが可能となる。
【0031】
ここで、上記の実施の形態では、素材として焼結予備成形体Pを用いて焼結冷間鍛造品Wを冷間鍛造成形する場合を例にとって説明したが、下記のように本発明の主旨を逸脱しない範囲内で他の実施の形態として種々変更することは可能である。
【0032】
(1)焼結鍛造以外の通常の鍛造のほか、温間や熱間の各鍛造方式にも適用することができる。
【0033】
(2)上記の実施の形態では、下側の加圧パンチ3に対向する上側の加圧パンチ2の接近移動により後方押出しの形態で鍛造品Wを成形するものについて説明したが、前方押出しの形態としても本発明を同様に適用することができる。
【0034】
(3)成形後の焼結冷間鍛造品Wを上側の加圧パンチ2から離型させる手段として、例えば上側の加圧パンチ2を複数の筒状の構造体からなる複合構造として、筒状の構造体同士の相対移動により上側の加圧パンチ2から焼結冷間鍛造品Wを突き出すようにしてもよい。
【0035】
(4)ダイス1の内周面1aおよびマンドレル4の外周面に形成される逃げ凹部11,12は、その全周面に形成される溝状のものに代えて、周方向に部分的に形成してもよい。
【0036】
また、各請求項に記載したもの以外の本発明の主要な構成をその作用効果とともに記載すれば次のとおりである。
【0037】
(5)請求項1〜3のいずれかの記載を前提として、閉空間Rに収容される素材Pは環状のものであってその素材Pの中心部をマンドレル4が貫通するようになっていて、成形後の鍛造品である焼結冷間鍛造品Wは軸穴Hを有する深皿状の本体部Bの内周面に内歯状の歯形部Gが形成されているものであることを特徴とする閉塞鍛造装置。
【0038】
この構成のもとでは、環状の素材Pから、軸穴Hを有する深皿状の本体部Bの内周面に内歯状の歯形部Gが形成された鍛造品としての焼結冷間鍛造品Wが成形されることになる。
【0039】
したがって、軸穴Hと歯形部Gを有する鍛造品としての焼結冷間鍛造品Wを高精度に仕上げることができることから、後工程にて機械加工等の仕上げ加工を行う必要がなくなり、工数削減とコストダウンを図ることができる。
【0040】
(6)少なくともいずれか一方のパンチ2の加圧面の内外周には段状のショルダー部7,8が形成されていることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の閉塞鍛造装置。
【0041】
この構成のもとでは、鍛造品としての焼結冷間鍛造品Wの上端面がより強固に拘束される。したがって、鍛造品である焼結冷間鍛造品Wの上端面の加工精度が一段と向上する。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の好ましい実施の形態を示す図で、閉塞鍛造用の金型構造において成形が完了した瞬間の状態を示す要部拡大断面図。
【図2】図1のA部拡大説明図。
【図3】図1の金型構造において成形が開始される前の状態を示す要部拡大断面図。
【図4】同じく図1の金型構造において成形後の焼結冷間鍛造品が突き出され状態を示す要部拡大断面図。
【符号の説明】
1…ダイス
1a…内周面
2…上側の加圧パンチ
3…下側の加圧パンチ
4…マンドレル
10…歯形成形部
11,12…逃げ凹部
13a,13b…テーパ面
B…本体部
G…歯形部
H…軸穴
P…予備成形体(素材)
R…閉空間
W…焼結冷間鍛造品(鍛造品)
Claims (4)
- 少なくともダイスとこのダイス内に対向配置される一対の加圧パンチとで形成される閉空間内に素材を収容した上で、この素材を一対の加圧パンチにより加圧して前方押出しもしくは後方押出しの形態で鍛造品を成形する閉塞鍛造装置であって、
ダイスの内周面に、鍛造品の成形末期にその鍛造品が収容されている閉空間と連通し且つ鍛造品のうち押出し方向側の端縁コーナー部が臨む逃げ凹部を形成し、この逃げ凹部のうち鍛造品の抜き取り方向側の端部をテーパ面としたことを特徴とする閉塞鍛造装置。 - ダイスとこのダイス内に対向配置される一対の加圧パンチと、これらの加圧パンチを貫通するマンドレルとで形成される閉空間内に環状の素材を収容した上で、この素材を一対の加圧パンチにより加圧して前方押出しもしくは後方押出しの形態で鍛造品を成形する閉塞鍛造装置であって、
前記マンドレルの外周面に、鍛造品の成形末期にその鍛造品が収容されている閉空間と連通し且つ鍛造品のうち押出し方向側の端縁コーナー部が臨む逃げ凹部を形成し、この逃げ凹部のうち鍛造品の抜き取り方向側の端部をテーパ面としたことを特徴とする閉塞鍛造装置。 - ダイスとこのダイス内に対向配置される一対の加圧パンチとで形成される閉空間内に素材を収容した上で、この素材を一対の加圧パンチにより加圧して前方押出しもしくは後方押出しの形態で鍛造品を成形する閉塞鍛造方法であって、
前記ダイスの内周面に、鍛造品の成形末期にその鍛造品が収容されている閉空間と連通し且つ鍛造品のうち押出し方向側の端縁コーナー部が臨む逃げ凹部を形成するとともに、この逃げ凹部のうち鍛造品の抜き取り方向側の端部をテーパ面としておき、
前記一対の加圧パンチにより前記素材を加圧拘束することで鍛造品を成形しつつ成形末期には鍛造品のうち押出し方向側の端縁コーナー部を前記逃げ凹部内に張り出させ、
この成形された鍛造品の抜き取りを行う際、前記逃げ凹部内に張り出した押出し方向側の端縁コーナー部をその逃げ凹部のテーパ面によって押し戻すように矯正することを特徴とする閉塞鍛造方法。 - ダイスとこのダイス内に対向配置される一対の加圧パンチと、これらの加圧パンチを貫通するマンドレルとで形成される閉空間内に環状の素材を収容した上で、この素材を一対の加圧パンチにより加圧して前方押出しもしくは後方押出しの形態で鍛造品を成形する閉塞鍛造方法であって、
前記マンドレルの外周面に、鍛造品の成形末期にその鍛造品が収容されている閉空間と連通し且つ鍛造品のうち押出し方向側の端縁コーナー部が臨む逃げ凹部を形成するとともに、この逃げ凹部のうち鍛造品の抜き取り方向側の端部をテーパ面としておき、
前記一対の加圧パンチにより前記素材を加圧拘束することで鍛造品を成形しつつ成形末期には鍛造品のうち押出し方向側の端縁コーナー部を前記逃げ凹部内に張り出させ、
この成形された鍛造品の抜き取りを行う際、前記逃げ凹部に張り出した押出し方向側の端縁コーナー部をその逃げ凹部のテーパ面によって押し戻すように矯正することを特徴とする閉塞鍛造方法。
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