JP4585724B2 - 鍛造成形装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、鍛造成形装置に関し、一層詳細には、パンチおよびダイの寿命を著しく長期化することが可能な鍛造成形装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
鍛造加工は、ワークを塑性変形させて所望の形状に成形する一手段として広汎に採用されている。
【０００３】
そのような鍛造加工を遂行するための一般的な鍛造成形装置の要部縦断面構成図を図４に示す。この鍛造成形装置１は、図５に断面が示される成形品１０を得るためのものであり、該成形品１０の外部形状に対応する形状のキャビティ２が設けられたダイ３と、成形品１０の内部形状に対応する形状のパンチ４とを備える。
【０００４】
このうち、ダイ３は、該ダイ３の下方に配置された支持盤５に支持されている。そして、ダイ３と支持盤５は、該ダイ３と該支持盤５に外嵌されたホルダ６によって鍛造成形装置１に装着されている。
【０００５】
ここで、ダイ３および支持盤５には貫通孔７が形成されており、該貫通孔７には、鍛造加工が施された成形品１０を鍛造成形装置１から取り出すためのノックアウトピン８が挿通されている。すなわち、このノックアウトピン８は図示しない第１駆動機構に連結されており、該第１駆動機構が付勢されることに伴って図４における上下方向に変位する。
【０００６】
一方、パンチ４も図示しない第２駆動機構に連結されており、該第２駆動機構が付勢されることに伴ってダイ３に指向して接近または離間する。
【０００７】
この鍛造成形装置１を使用しての鍛造加工は、次のように遂行される。
【０００８】
まず、パンチ４をダイ３から離間させた状態で、図示しないワークをキャビティ２に配置する。次いで、前記第２駆動機構を付勢してパンチ４を下降させ、キャビティ２に挿入する。これに伴って前記ワークがダイ３から支持される一方でパンチ４により押圧され、その結果、ワークが塑性変形を起こす。すなわち、外部形状がキャビティ２の形状に対応し、かつ内部形状がパンチ４の形状に対応するように成形される。
【０００９】
得られた成形品１０は、前記第１駆動機構が付勢されることに伴って図４における上方に変位したノックアウトピン８でキャビティ２外に押し出され、これにより鍛造成形装置１から取り出されるに至る。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
ダイおよびパンチとしては、耐摩耗性に優れかつ高強度であることが要求される。このような観点から、ダイおよびパンチの構成材料として、焼結高速度工具鋼（以下、粉末ハイス鋼という）を採用することが主流になりつつある。しかしながら、例えば、成形品の生産効率を向上させるために成形速度を高めようとした場合では、粉末ハイス鋼の耐摩耗性は必ずしも充分であるとは言い難い。
【００１１】
そこで、粉末ハイス鋼に比して耐摩耗性に優れる硬質材料からダイまたはパンチを構成することが想起される。このような硬質材料としては、ＷＣ粉末とＣｏ粉末等とが焼結されてなる超硬合金や、ＴｉＣ粉末とＭｏ粉末等とが焼結されてなるサーメットが例示される。また、本出願人らが特開２０００−３０１２７９号公報にて提案した、表面から内部に指向してセラミックスの組成比が減少しかつ金属の組成比が上昇する傾斜複合材からなるダイおよびパンチも粉末ハイス鋼からなるものに比して優れた耐摩耗性を示す。
【００１２】
しかしながら、このような硬質材料からなるダイと粉末ハイス鋼からなるパンチとを併用して実際に鍛造加工を行うと、パンチの寿命が著しく短くなってしまう。すなわち、粉末ハイス鋼からなるダイおよびパンチを備える鍛造成形装置（以下、従来技術１という）でのダイおよびパンチの寿命が約１０万ショットであるのに対し、硬質材料からなるダイと粉末ハイス鋼からなるパンチを備える鍛造成形装置（以下、従来技術２という）では、ダイの寿命は約２０万ショットと２倍に伸びるが、パンチの寿命は約３万ショットと１／３以下となる。また、これとは逆に、粉末ハイス鋼からなるダイと硬質材料からなるパンチとを併用して鍛造加工を行うと、ダイが短命となる。
【００１３】
このような事態が生じた場合には、鍛造成型装置の運転を停止して、使用できなくなったパンチやダイを交換しなければならない。したがって、成形品の生産効率が低下してしまうとともに、パンチやダイの購入費が高騰する。すなわち、加工コストが上昇してしまうという不具合が惹起される。なお、上記の事態は、鍛造加工時にダイやパンチに作用する応力を緩和するために、ＳＫＤ６１材やＳＫＨ５７材等の比較的軟質な材料から支持盤５を構成し、この支持盤５を鍛造加工時に弾性変形させるようにしても回避することは困難である。
【００１４】
また、ダイやパンチの寸法にはある程度の誤差が含まれているが、このためにダイまたはパンチを交換する前の鍛造成形装置による成形品と、交換した後の鍛造成形装置による成形品とで寸法が異なることがある。すなわち、ダイまたはパンチを頻繁に交換する場合、成形品の寸法がばらついてしまうことがあるという不具合も惹起される。
【００１５】
本発明は上記した問題を解決するためになされたもので、超硬合金やサーメット、傾斜複合材等の硬質材料からなるダイまたはパンチを備える場合においても該ダイまたは該パンチの長寿命化を図ることができ、このために加工コストが低減するとともに、成形品の寸法がばらついてしまうことを回避することが可能な鍛造成形装置を提供することを目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
前記の目的を達成するために、本発明は、キャビティが設けられたダイと、前記ダイに外嵌されたホルダと、前記ダイの下方に配置された支持盤と、前記キャビティに挿入されるパンチとを備える鍛造成形装置において、
前記ダイと前記支持盤との間にヤング率が７０〜２００ＧＰａを示すインサート部材を前記ホルダの挿入部の内壁から離間した状態で介装したことを特徴とする。
【００１７】
このように構成された鍛造成形装置においては、ワークに対して鍛造加工が施される際に、該ワークから発生した応力がインサート部材を弾性変形させるために消費される。さらに、このようなインサート部材内では、応力が伝達されるに際し、該応力波の縦波成分と横波成分との間のインピーダンス差が著しく大きくなる。すなわち、縦波成分のインピーダンスが５０〜１００程度であるのに対して、横波成分のインピーダンスは８〜４６程度となる。このような状況下では、応力波がインサート部材内で消費されることになる。このような理由から、ダイおよびパンチに作用する応力が著しく低減されるので、該ダイおよび該パンチの寿命が長期化する。
【００１８】
しかも、このためにダイおよびパンチの交換頻度が減少するので、鍛造成形装置の運転を停止する頻度も減少する。すなわち、鍛造加工を停止することなく継続して行うことができるようになるので、成形品の生産効率が大幅に向上する。さらに、この場合、ダイおよびパンチを大量に購入する必要がなくなるので、購入費が高騰することもない。以上のようなことから、成形品の加工コストを大幅に低減することができる。
【００１９】
なお、ヤング率が上記した範囲内であるインサート部材の好適な構成材料としては、Ｔｉ、Ｔｉ合金、ＣｕまたはＣｕ合金のいずれかを挙げることができる。
【００２０】
また、応力を充分に消費させるために、ワークの肉厚に応じてインサート部材の肉厚を設定するようにしてもよい。具体的には、ワークの肉厚が３ｍｍを超えるときにはインサート部材の肉厚を０．５ｍｍとし、ワークの肉厚が１〜３ｍｍのときにはインサート部材の肉厚を０．５〜２ｍｍとし、ワークの肉厚が１ｍｍ未満のときにはインサート部材の肉厚を２ｍｍ以上とすることが好ましい。なお、ここでいうワークの肉厚とは、パンチとダイとの間に挟まれる箇所であって、かつパンチの移動方向に対して略直交する面における厚みである。
【００２１】
また、インサート部材の側壁部は、湾曲形成されていることが好ましい。この場合、ワークに対して鍛造加工が施されることに伴って該インサート部材が弾性変形する際、該インサート部材の支持盤の上端面およびダイの下端面に対する摺動を円滑に進行させることができる。インサート部材の側壁部に鋭角な箇所が存在しないので、該インサート部材が摺動する際に、ホルダの上端面およびダイの下端面に存在する微小な凹部または凸部に側壁部が引っ掛かってしまうことが回避されるからである。
【００２２】
以上のような構成の鍛造成形装置においては、ダイまたはパンチの少なくともいずれか一方に、ビッカース硬度が８００以上を示す硬質材料からなるものを使用することができる。上記したように、本発明に係る鍛造成形装置では、ダイおよびパンチに作用する応力が小さい。したがって、このような硬質材料からなるダイまたはパンチであっても、寿命を長期化することができる。
【００２３】
しかも、この場合、上記した従来技術１の鍛造成形装置に比して成形速度を高くすることができる。すなわち、成形品の生産効率を一層向上させることができる。
【００２４】
なお、硬質材料の好適な例としては、超硬合金、サーメット、または表面から内部にかけてセラミックスと金属の組成比が変化する傾斜複合材のいずれかを挙げることができる。これらの具体的な例は、上記した通りである。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る鍛造成形装置につき好適な実施の形態を挙げ、添付の図面を参照して詳細に説明する。なお、図４に示される構成要素に対応する構成要素については同一の参照符号を付し、その詳細な説明を省略する。
【００２６】
本実施の形態に係る鍛造成形装置の要部縦断面構成図を図１に示す。この鍛造成形装置２０は、図５に示される成形品１０を得るためのもので、ダイ２２と、該ダイ２２の下方に配置された支持盤５とを備え、支持盤５とダイ２２との間にはインサート部材２４が介装されている（図１参照）。そして、支持盤５およびダイ２２にホルダ６が外嵌されることにより、該支持盤５、ダイ２２およびインサート部材２４が鍛造成形装置２０に装着されている。
【００２７】
この場合、支持盤５およびホルダ６はＳＫＤ６１材からなり、一方、この支持盤５上に載置されたダイ２２は、特開２０００−３０１２７９号公報に記載のダイリングと同様に構成された傾斜複合材からなる。すなわち、このダイ２２は、ＷＣ等のセラミックスとＣｏ等の金属とを含有する複合材料である。そして、図１のＩＩ−ＩＩ線矢視断面図である図２からも諒解されるように、該ダイ２２におけるセラミックスの組成比は、表面側、すなわち、ホルダ６が外嵌される外壁部側と、キャビティに露呈した内壁部側と、上端面および下端面で最も高く、中央部（内部）が最も低い。これに対し、金属の組成比は、表面側が最も低く、内部が最も高い。換言すれば、該ダイ２２の表面にはセラミックスリッチ部２６が形成されており、かつ内部には金属リッチ部２８が形成されている。また、セラミックスリッチ部２６と金属リッチ部２８との間には、セラミックスリッチ部２６から金属リッチ部２８に指向してセラミックスの組成比が減少するとともに金属の組成比が増加する傾斜部３０が介在している。
【００２８】
このダイ２２の内壁部および外壁部、すなわち、セラミックスリッチ部２６のビッカース硬度は、１４００以上を示す。
【００２９】
インサート部材２４（図１参照）は、鍛造加工時にダイ２２およびパンチ４に作用する応力を緩和するためのものである。すなわち、後述するように、図示しないワークに鍛造加工が施される際にインサート部材２４が弾性変形を起こすことに伴い、応力の大部分が消費される。
【００３０】
インサート部材２４としては、ヤング率が７０〜２００ＧＰａを示すものが選定される。ヤング率が７０ＧＰａ未満のものでは、鍛造加工時に座屈や破損が生じることがある。一方、２００ＧＰａを超えるものであると、鍛造加工時に弾性変形を起こし難くなるので、応力を緩和することが困難となる。
【００３１】
このような条件を満足するインサート部材２４の好適な例としては、Ｔｉ、Ｔｉ合金、ＣｕまたはＣｕ合金からなるものを挙げることができる。なお、Ｔｉ合金としては、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金が例示される。ここで、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金とは、６重量％のＡｌと４重量％のＶを構成元素として含むＴｉ合金を意味する。一方、Ｃｕ合金としては、Ｃｕ−Ｃｒ合金や、黄銅または真鍮と称されるＣｕ−Ｚｎ合金が例示される。
【００３２】
インサート部材２４の構成材料は、成形荷重によって選定するようにしてもよい。例えば、成形荷重が数十ｋＮである場合には、ＣｕまたはＣｕ−Ｃｒ合金等、ヤング率１２０ＧＰａ程度のものでインサート部材２４を構成することが好ましい。また、成形荷重が数十〜１００ｋＮである場合には、Ｃｕ−Ｚｎ合金等のヤング率が１００ＧＰａ程度のものが好適であり、１００ｋＮを超える場合には、ＴｉまたはＴｉ合金等のヤング率が１２０ＧＰａ程度のものが好適である。
【００３３】
さらに、図１の要部拡大図である図３に示されるインサート部材２４の肉厚ｔは、ワークの肉厚が小さいほど大きくすることが好ましい。鍛造加工の際にダイ２２およびパンチ４に作用する応力は、ワークの肉厚が小さくなるほど大きくなるからである。すなわち、ワークの肉厚が小さくなるほどインサート部材２４で緩和する応力を大きくする必要があるからである。
【００３４】
具体的には、ワークが３ｍｍを超える肉厚を有するものである場合、インサート部材２４の肉厚ｔは０．５ｍｍ程度で充分である。また、肉厚が１〜３ｍｍのワークでは、インサート部材２４の肉厚ｔを０．５〜２ｍｍとすればよい。この場合、２ｍｍを超える肉厚ｔを有するインサート部材２４であってもよいことはいうまでもない。さらに、ワークの厚みが１ｍｍに満たない場合には、インサート部材２４の肉厚を２ｍｍ以上とすることが好ましい。
【００３５】
例えば、肉厚１ｍｍのＳＣＭ４２０調質材からなるワークに対して１８０ｋＮの成形荷重で鍛造加工を施すことによって図５に示す形状の成形品１０とする場合、インサート部材２４としては、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金からなるものを選定し、肉厚ｔを１ｍｍとすればよい。
【００３６】
ここで、インサート部材２４とホルダ６との間には、所定の間隔ｗでクリアランス３２が設けられている。また、インサート部材２４の側壁部は湾曲形成されている。
【００３７】
このような構成において、ホルダ６、インサート部材２４およびダイ２２には貫通孔７が形成されており、該貫通孔７内には、図示しない第１駆動機構に連結されたノックアウトピン８が挿通されている。
【００３８】
一方、パンチ４は粉末ハイス鋼からなり、図示しない第２駆動装置に連結されている。
【００３９】
本実施の形態に係る鍛造成形装置２０の要部は基本的には以上のように構成されるものであり、次にその作用効果について説明する。
【００４０】
この鍛造成形装置２０を使用しての鍛造加工は、次のように遂行される。
【００４１】
まず、パンチ４をダイ２２から離間させた状態で、ワークをキャビティ２に配置する。次いで、前記第２駆動機構を付勢してパンチ４を下降させ、キャビティ２に挿入する。これに伴ってワークがダイ２２から支持されながらパンチ４で押圧され、その結果、該ワークが塑性変形を起こす。すなわち、外部形状がキャビティ２の形状に対応し、かつ内部形状がパンチ４の形状に対応するように成形される。
【００４２】
この押圧力が加えられることに伴い、ワークからの反作用（応力）が生じる。しかしながら、この応力の大部分は、比較的軟質で弾性に富むインサート部材２４内で消費される。このため、発生した応力のうち、ダイ２２および該パンチ４に作用する分力が著しく低減される。要するに、インサート部材２４は、応力が発生した際に自身が弾性変形を起こすことによって、ダイ２２およびパンチ４に作用する応力を低減する。換言すれば、インサート部材２４は応力緩和作用を営む。
【００４３】
このように、インサート部材２４が応力を緩和することによってダイ２２およびパンチ４に作用する応力が著しく低減されるので、該ダイ２２および該パンチ４の寿命が長期化する。具体的には、両者とも約８１万ショットまで使用することができる。
【００４４】
すなわち、支持盤５とダイ２２との間にインサート部材２４を介装することによって、パンチ４およびダイ２２の寿命を、従来技術１のダイおよびパンチの約８．１倍、従来技術２のダイの約４倍、パンチ４に至っては約２６．７倍と著しく長期化することができる。このため、ダイ２２またはパンチ４の交換頻度が著しく減少するので、必然的に、鍛造成形装置２０の運転を停止する頻度も減少する。換言すれば、鍛造加工を停止することなく継続して行うことができるので、成形品１０の生産効率が大幅に向上する。しかも、この場合、ダイ２２およびパンチ４の購入費が高騰することもない。したがって、成形品１０の加工コストが大幅に低減する。
【００４５】
さらに、長期間に亘ってダイ２２およびパンチ４を交換する必要がないので、成形品１０の寸法がばらつくことを回避することもできる。
【００４６】
結局、本実施の形態に係る鍛造成形装置２０では、ダイ２２およびパンチ４の寿命が長期化するので、成形品１０の加工コストを大幅に低減することができるとともに、該成形品１０の寸法精度を確保することができる。
【００４７】
また、上記したように、インサート部材２４とホルダ６との間には、間隔ｗでクリアランス３２が設けられている。このため、インサート部材２４からホルダ６に応力が伝達されてしまうことはない。さらに、インサート部材２４は、ワークに鍛造加工が施される際に該ワークから発生した熱が伝達されることによって熱膨張を起こすが、クリアランス３２が設けられているので熱膨張も妨げられることはない。したがって、インサート部材２４に熱応力が作用することを回避することができ、結局、該インサート部材２４が変形してしまうことを回避することができる。
【００４８】
また、インサート部材２４の側壁部が湾曲形成されているために、熱膨張や弾性変形を起こした際のインサート部材２４の支持盤５およびダイ２２に対する摺動が円滑に進行する。このような形態のインサート部材２４では、側壁部に鋭角な箇所が存在しないので、ホルダ６の上端面およびダイ２２の下端面に対して摺動する際に、該上端面および該下端面に存在する微小な凹部または凸部に側壁部が引っ掛かってしまうことが回避されるからである。
【００４９】
以上から諒解されるように、本実施の形態に係る鍛造成形装置２０では、インサート部材２４とホルダ６との間にクリアランス３２を設け、かつインサート部材２４の側壁部を湾曲形成しているので、該インサート部材２４は容易に熱膨張ないし弾性変形を起こすことができる。このため、応力緩和作用が良好に営まれる。
【００５０】
得られた成形品１０は、前記第１駆動機構が付勢されることに伴って図１における上方に変位したノックアウトピン８でキャビティ２外に押し出され、これにより鍛造成形装置２０から取り出されるに至る。この際、インサート部材２４は元の寸法に復元する。
【００５１】
なお、上記した実施の形態では、特開２０００−３０１２７９号公報に記載されたダイリングと同様に構成されたダイ２２を備える鍛造成形装置２０を例示して説明したが、特にこれに限定されるものではなく、超硬合金やサーメットからなるダイを備える鍛造成形装置であってもよい。また、パンチが超硬合金、サーメットまたは傾斜複合材からなる鍛造成形装置であってもよい。勿論、ダイおよびパンチの双方を前記のような硬質材料で構成するようにしてもよい。
【００５２】
さらに、ダイ２２およびパンチ４の構成材料は硬質材料に限定されるものではなく、粉末ハイス鋼やＳＫＤ１１材等、一般的なダイおよびパンチの構成材料であってもよい。このような場合においても、従来技術１のダイおよびパンチに比してダイおよびパンチの寿命を長期化することができる。
【００５３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る鍛造成形装置によれば、ダイと該ダイを下方から支持する支持盤との間にインサート部材を介装するようにしているので、ワークに対して鍛造加工を施す際にダイおよびパンチに作用する応力が著しく低減する。このため、ダイおよびパンチの寿命が長期化するので、加工コストが大幅に低減するとともに、成形品の寸法がばらつくことを回避することができるという効果が達成される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施の形態に係る鍛造成形装置の要部縦断面構成図である。
【図２】図１のＩＩ−ＩＩ線矢視断面図である。
【図３】図１の要部拡大図である。
【図４】従来技術に係る鍛造成形装置の要部縦断面構成図である。
【図５】図４の鍛造成形装置によって作製される成形品の概略全体縦断面図である。
【符号の説明】
１、２０…鍛造成形装置 ２…キャビティ
３、２２…ダイ ４…パンチ
５…支持盤 １０…成形品
２４…インサート部材 ２６…セラミックスリッチ部
２８…金属リッチ部 ３０…傾斜部
３２…クリアランス

Claims (5)

1. キャビティが設けられたダイと、前記ダイに外嵌されたホルダと、前記ダイの下方に配置された支持盤と、前記キャビティに挿入されるパンチとを備える鍛造成形装置において、
   前記ダイと前記支持盤との間に摺動自在に介装され、且つ側壁部が前記ホルダの挿入部の内壁から離間したインサート部材を備え、
   前記インサート部材は、ヤング率が７０〜２００ＧＰａを示すとともに、前記側壁部が湾曲形成されていることを特徴とする鍛造成形装置。
2. 請求項１記載の装置において、前記インサート部材がＴｉ、Ｔｉ合金、ＣｕまたはＣｕ合金のいずれかからなることを特徴とする鍛造成形装置。
3. 請求項１または２記載の装置において、前記インサート部材の肉厚は、ワークの肉厚が３ｍｍを超えるときに０．５ｍｍ、ワークの肉厚が１〜３ｍｍのときに０．５〜２ｍｍ、ワークの肉厚が１ｍｍ未満のときに２ｍｍ以上であることを特徴とする鍛造成形装置。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の装置において、前記パンチまたは前記ダイの少なくともいずれか一方は、ビッカース硬度が８００以上を示す硬質材料からなることを特徴とする鍛造成形装置。
5. 請求項４記載の装置において、前記硬質材料が超硬合金、サーメット、または表面から内部にかけてセラミックスと金属の組成比が変化する傾斜複合材のいずれかであることを特徴とする鍛造成形装置。

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