JP5801783B2 - 分割ダイス - Google Patents

Description

本発明は、鍛造品を製造する際に用いるダイスであって、詳しくは、チタン製のシャフト部材の押出し成形に用いる分割ダイスに関する。

一般に、純チタンやTi-6Al-4Vなどのチタン合金は、優れた機械特性や耐食性を有することから、航空機や車両などの輸送機器のエンジン部材、あるいはシャーシなどの構造部材に用いられている。
このような純チタンやチタン合金を用いて上述した鍛造品を鍛造する際には、一般に金型を用いた熱間の据え込み鍛造方法が用いられる。据え込み鍛造方法は、予め製品形状を模して形成された金型内に加熱された被加工材（荒地）を装入し、原料を高温状態に保持したまま金型に沿った形状に引き伸ばすように変形させながら鍛造するものである。据え込み鍛造方法を用いれば、鍛造中の変形において製品形状に沿ったメタルフローが得られるため他の加工方法に比べてより粘り強く、耐衝撃破壊性に優れた鍛造品を得ることができる。

一方で、この据え込み鍛造方法では、成型後に鍛造品が金型に強固に固着して、引き剥がすことが困難となる場合がある。そのため、据え込み鍛造方法では、離形性や潤滑性を高めるために予め潤滑剤を用いて鍛造を行うことが一般的である。加えて、中心軸のまわりに分割された金型、すなわち分割ダイスを用い、鍛造品の離型時にダイスを分離することで、鍛造品がダイスに強固に固着することを防ぐようにしている。

分割可能に形成されたダイスとしては、例えば、特許文献１、２に開示されたものがある。
特許文献１には、筒状の外枠と、この外枠の軸線方向視にて複数に分割された内型からなり、この内型内に被加工材を配置してプレスすることにより鍛造を行うプレス鍛造用型において、前記外枠と内枠の互いに対向する面が、前記軸線を含む断面において軸線と斜めに交わる方向に形成されると共に、前記対向面の間には突条と溝からなり前記軸線と斜めに交わる方向のみの相対移動を許容する係合部が形成されているプレス鍛造用型が開示されている。

また、特許文献２には、中実材または中空材の押出し加工に使用される環状ダイスであって、ダイス孔中心軸まわりに複数に分割され、各分割片のダイス孔中心軸まわりの分割角度αが１９０°より小さく、ダイス孔中心軸方向における分割面の傾斜角度βが２０°以上である押出し加工用ダイスが開示されている。

特開平３−２５４３２８号公報 特開平８−１９８１５号公報

特許文献１に開示されたプレス鍛造用型（分割ダイス）を用いることで、被加工材と外枠とを軸線方向に相対移動させることにより、内型及び被加工材を個々に操作せずに、容易に被加工材を内型より分離することが可能となる。この作用効果は、特許文献２の押出し加工用ダイスでも発現するものと思われる。
しかしながら、特許文献１に記載された分割ダイスを用いて、据え込み鍛造を行った場合、鍛造中に被加工材の一部が分割ダイスの分割面（分割されたダイスが対面する隙間）に入り込む事態、すなわち「材料の差し込み」が発生することがある。材料の差し込みは、ダイスからの鍛造品の離型を困難にするばかりか、分割ダイスの分離も困難にし、さらには、鍛造品の表面性状の劣化にも繋がることとなる。

一方で、特許文献２の押出し加工用ダイスでは、中心軸（上下方向軸）に対する分割面の傾斜角度βが２０°以上とされているので、分割面間に材料が入り込む事態が避けられ
ることが期待できる。
しかしながら、特許文献２の押出し加工用ダイスでは、ダイスの隙間部分における軸方向の差込みは防止できるものの、ダイスの半径方向への差込みが防止できないことが現場の実績として挙がってきている。

本発明は、上述の問題に鑑みてなされたものであり、鍛造品の剥離が容易に行える分割タイプのダイスであって、ダイス分割面への材料の差込みを確実に抑制可能とする分割ダイスを提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明では以下の技術的手段を講じている。
即ち、本発明の分割ダイスは、フランジ部と軸部を有する形状の鍛造品を熱間押し出し鍛造にて成形するために上下方向に貫通する貫通孔が形成された内周面を備える環状のダイスにおいて、前記ダイスは、周方向に複数に分割されており、前記ダイスの分割面が環状のダイスの中心軸方向に対して傾斜していて、互いに付き合わさる一方の分割面には、ダイスの内周面が延設され且つ周方向に突き出すように形成された稜線部と、この稜線部より凹んだ部分とされた凹部とが形成されており、互いに付き合わさる他方の分割面には、一方の分割面に形成された凹部に嵌り込む凸部と、この凸部とダイスの内周面との間に設けられ且つ前記稜線部に対面する面取部とが形成されていることを特徴とする。

好ましくは、 前記分割ダイスが円筒状であって内周面が軸心方向に沿ってテーパ面とされているダイホルダ内に挿入され、前記ダイホルダの内周面により外周方向から保持されるように配備されるとよい。

本発明の分割ダイスを用いることで、鍛造品の剥離が容易に行えると共に、ダイスへの材料の差込みを確実に抑制可能となる。

本発明の分割ダイスを用いた据え込み鍛造方法を示している。 分割ダイスを分割した様子を示した図である。 本発明の分割ダイスを示した図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は正面断面図である。 本発明の分割ダイスを示した図であり、（ａ）はダイスの非分割時の様子を示したものであり、（ｂ）はダイスの分割時の様子を示したものである。 （ａ）は図２のＡ方向から見た拡大図であり、（ｂ）は図２のＢ方向から見た図である。

以下、本発明の分割ダイス４、及びこのダイス４が備えられた据え込み鍛造装置１について、図を基に説明する。
図１に示すように、据え込み鍛造装置１は、加熱された被加工材Ｍ（鍛造品Ｗの元となる材料であって、荒地と呼ぶこともある）を金型内に挿入して、金型の形状に沿って荒地Ｍを熱間状態で変形させることにより、所望の形状の鍛造品Ｗを成形するものである。具体的には、この据え込み鍛造装置１では、鍛造品Ｗを成形するための金型（熱間押出し成形用金型）が上下に分かれるようになっており、荒地Ｍが載置される下部金型３と、この下部金型３に載置された荒地Ｍを上方から圧下する上部金型２とから構成されている。

荒地Ｍは、純チタンやTi-6Al-4Vなどのチタン合金を用いて、上下方向に長尺とされた略円柱状であると共に、上端や下端の縁が斜めに面取りされたような形状に形成されている。
下部金型３は、荒地Ｍを押し出し鍛造する分割ダイス４（単に、ダイスと呼ぶこともある）と、このダイス４を内部に収容可能な円筒状のダイホルダ５（コンテナ）とを有している。

図２〜図５などに開示されているように、ダイホルダ５は円筒状に形成された部材であり、ダイホルダ５の中央には、その内径が荒地Ｍの外径より大きく形成された孔部７が上下方向に向かって貫通状に形成されている。ダイホルダ５の孔部７の下部にダイス４が収
容されている。上方からダイホルダ５の孔部７内に差し込まれた荒地Ｍは、ダイス４の上面に載置されるようになる。

ダイス４は上方に向かって開口したカップ状の環状部材であり、周方向に沿って複数に分割されている。ダイス４の中央にはダイス４を上下方向に貫通する貫通孔８ａが形成されている。また、貫通孔８ａの周囲のダイス４上面には、上方に向かって膨出するように湾曲した湾曲面１０（ダイスの内周面）が形成されていて、荒地Ｍはこの湾曲面１０を介してダイス４に接触するようになっている。

図２，図５（ｂ）などに示されているように、ダイスの外周面１１は、ダイホルダの内周面１２に上方から嵌り込むように形成されたテーパ面であり、正面断面視で下側が上側より径短となっている。
また、ダイス４の下側には、ダイス４を下方から支持する台座６が設けられている。台座６はダイス４の下端部と同径の環状部材であり、中央部に貫通孔８ｂが形成されている。ダイスの貫通孔８ａと台座６の貫通孔８ｂとは同径であり、連通するものとなっている。このダイスの貫通孔８ａと台座６の貫通孔８ｂとで材料案内部９が形成されている。

分割ダイス４と、その下に位置する台座６との連結状態については、後述する。
上記した台座６、分割ダイス４、及びダイホルダ５は、これらの下側に設けられた中ダイ及び下ダイを介してボルスタに取り付けられている（図示せず）。
分割ダイス４と台座６とを上下に貫通して延びる貫通孔８ａ，８ｂ、すなわち材料案内部９は、荒地Ｍを構成する材料のうち、ダイホルダ５の内部を充填した残りの材料を下方に向かって案内して、ダイホルダ５より小径（細首）の部分を成形する部分である。この材料案内部９はダイホルダ５の内径より径が小さな縦穴状に形成されていて、鍛造時には材料案内部９の上下方向の中途側までがダイホルダ５の内部を充填した残りの材料で充填されるようになっている（図１（ｂ）〜図１（ｄ）参照）。

この材料案内部９の内部には、鍛造時に材料が入ってこない下側に、鍛造が終了した鍛造品Ｗを排出するノックアウト棒１３と、このノックアウト棒１３を上下方向に移動させるノックアウトシリンダ（図示せず）とが設けられている。ノックアウト棒１３は材料案内部９の内部を上下方向に移動可能に形成されており、ノックアウト棒１３を上方に移動させて押し上げることで鍛造品Ｗをダイス４から引き剥がせるようになっている。

上記した分割ダイス４は、その下の台座６と首ふり機能を有するボルト２２でつながっている。具体的には、図３，図４に示すように、ダイス４の下面には、雌ネジ部が形成されており、この雌ネジ部には、ボルト２２がねじ込まれている。このボルト２２の頭部は、台座６の上部に形成された横溝２３に嵌り込むようになっている。横溝２３はその断面が凸状であって、横溝２３の上部にボルト２２の軸部が遊嵌し、横溝２３の底部にボルト２２の頭部が遊嵌するものとなっている。横溝２３の上部の上下長さは、ダイス４の下面から突出するボルト２２の軸部の長さより短いものとなっているため、ダイス４にねじ込まれたボルト２２は、凸状の横溝２３に対して、上下方向、水平方向に移動可能であって、ボルト２２が首ふり機能を有するものとなっている。

それ故、ノックアウトの時には、ダイス４が台座６の上で首振り移動しつつ分割して、鍛造品Ｗと離型される（図４（ｂ）参照）。この首ふり機能がなかったら、離型後のダイホルダ５内部でダイス４がバラバラになってしまい、バラバラになったダイス４を元に戻す作業を要する為、生産性が悪くなる。
一方、上部金型２は、下部金型３の上方に位置しており、下部金型３に載置された荒地Ｍに対して上方から近接離反とされている。上部金型２の下部には荒地Ｍを上方から圧下するポンチが取り付けられており、上部金型２を下降させることで荒地Ｍを上方から押しつぶすように圧下可能となっている。

さて、上記した分割ダイス４であるが、その構造の詳細を以下に述べる。
図２〜図５などに開示されているように、本実施形態のダイス４は、周方向に沿って複数個の分割ダイス体に分割されていて、その分割面が環状のダイス４の中心軸方向に対して傾斜している。互いに付き合わさる一方の分割面１６には、ダイスの内周面１０が延設され且つ周方向に突き出すように形成された稜線部１７と、この稜線部１７より凹んだ部
分とされた凹部１８とが形成されている。さらに、互いに付き合わさる他方の分割面１９には、一方の分割面１６に形成された凹部１８に嵌り込む凸部２０と、この凸部２０とダイスの内周面１０との間に設けられ且つこの稜線部１７に対面する面取部２１とが形成されている。

また、ダイスの外周面１１は、前述した如く、ダイホルダの内周面１２に上方から嵌り込むように形成されたテーパ面であり、正面断面視で、下側が上側より径短となっている。
このように、ダイスの外周面１１およびダイホルダの内周面１２をテーパ状にすることで、成形後の鍛造品Ｗをノックアウトするときにダイス４が軸方向および半径方向に分離するスペースができる。そのため、鍛造品Ｗのダイスからの離型性が確保できるようになる。加えて、ダイスの外周面１１およびダイホルダの内周面１２をテーパ状にすることで、専用の治具を用いてダイス４をダイホルダ５から脱着することができ、使用したダイス４の表面手入れ、潤滑剤塗付および別のダイスとの交換が可能になる。

また、本実施形態の分割ダイス４は、平面視で略左右対称に分割された、２つの分割ダイス体から構成されている。
このように、ダイス４を周方向に分割することで、成形後の鍛造品Ｗをノックアウトする際にダイス４が半径方向に分離することができるようになり、鍛造品Ｗのダイス４からの離型性が向上する。しかしながら、ダイスの分割数を増やしてしまうと、荒地Ｍに対するダイスの分割線の接触長さが増える。このようになると、荒地Ｍの一部がダイスの分割面に差し込む（荒地Ｍの一部が分割面に入り込む）危険性が高まるようになる。また、ダイスの分割数を増やしてしまうと、ダイスの加工（製造）コストも上がることとなる。上述した問題を生じさせないためには、ダイスの分割数を２〜４個程度にするのが望ましい。

本実施形態の場合、図２の左側に位置する分割ダイス体は雌型（雌型分割体１４）とされている。雌型分割体１４の端面には、ダイスの内周面１０が延設され且つ周方向に突き出すように形成された稜線部１７と、この稜線部１７より凹んだ部分とされた凹部１８とが形成されている。また、図５（ａ）に示す如く、雌型分割体１４の分割面１６を拡大して見ると、稜線部１７が庇（ひさし）のように突出している。

一方、図２の右側に位置する分割ダイス体は雄型（雄型分割体１５）とされている。
雄型分割体１５の端面には、一方の分割面１６に形成された凹部１８に嵌り込む凸部２０と、この凸部２０とダイスの内周面１０との間に設けられ且つ稜線部１７に対面する面取部２１とが形成されている。なお、ダイス４の離型性を向上させるためには、ダイスの分割面（凸部２０）の角度βが上下軸方向に対して５〜３０°傾斜していることが望ましい。本実施形態では、図５（ａ）に示す如く、凸部２０の角度はβ＝１０°とされている。なお、ダイスの分割面（凸部２０）の角度が大きい（例えばβ＞３０°）と、ダイス４の製作に必要な素材体積が大きくなり、ダイス加工の歩留りが下がってしまい好ましくない。

このように、ダイスの分割面１６，１９を軸方向に対して傾斜させることで、鍛造品Ｗが離形した後のダイス４が、半径方向に分割されやすくなる。そして、分割されたダイス４は、直ちに元の位置に戻るようになっている。
また、雄型分割体１５の分割面１９のうち、面取部２１においては、その傾斜角度は、雄型分割体１５の凸部２０の傾斜角よりも大きいもの（α＞β）とすることにより、加工中の荒地Ｍがダイス分割面に差し込むことを防止することが可能となる。αの値は３０〜４５°が望ましい。本実施形態では、図５（ａ）に示す如く、面取部２１はα＝４５°とされている。しかし、αを４５°よりも大きくすると、対面する雌型分割体１４の稜線部１７が鋭角で薄肉になり、この部分が成形中の荷重を受けて塑性変形したり、むしれが発生する虞があり好ましくない。

以上述べた本発明の分割ダイス４はダイホルダ５から脱着可能であり、内径形状の異なる数種類のダイスを１つのダイホルダ５に適用して様々な形状の押出成形部品を製造することができる。
上記した分割ダイス４は、様々な手法で製造することが可能であるが、本実施形態では、以下のようにして製造している。

まず、環状とされ且つ周方向に直交する断面が長方形であるダイス元材（素材）の上面から１０ｍｍ下方の点を中心に軸方向に対して１０°傾けて、縦に２分割する。その２分割された素材のうち、一方の素材の内周側をＮＣ加工機で湾曲状に切削し、内周面（湾曲面１０）とする。そして、湾曲面１０に続く角部の面取りを行うことで、面取部２１を形成する。この面取部２１の角度αは、湾曲面１０から下方に向けて４５°とされる（図５（ａ）参照）。面取りを終えた後の雄型分割体１５の分割面１９を見ると、凸部２０と湾曲面１０との間に円弧のような帯状を面取部２１が形成される。（図５（ｂ）参照）
また、別に、環状とされ且つ周方向に直交する断面が長方形であるダイス元材を用意し、上述と同様の方法で、縦に２分割する。分割された素材のうち一つの内周側をＮＣ加工機で湾曲状に切削し、内周面（湾曲面１０）とすることで、雌型分割体１４に加工する。その後、ダイス分割面の稜線部１７（庇部）と、この稜線部１７より凹んだ凹部１８とを放電加工によって仕上加工する。

その後、雄型分割体１５と雌型分割体１４とを嵌め合わせ、外径を加工して真円度を確保するとともに、ダイス４間の段差を手仕上げでならす。
最後に、雄型分割体１５と雌型分割体１４とを下面にダイス首ふり機能用ボルト２２用の雌ネジ孔を形成し、この雌ネジ孔にダイス首ふり機能用ボルト２２を螺合させ、台座６に装着する。

次に、図１（ａ）〜図１（ｄ）を用いて、上述した据え込み鍛造装置１を用いた鍛造方法を説明する。
上述したような据え込み鍛造装置１を用いて鍛造を行うに際しては、前工程として、素材ビレットを８５０℃程度(α-β相域)に加熱した上で、型入れ鍛造または自由鍛造により、円柱形状の荒地Ｍを成形する。その後、一旦、常温まで冷却し、グラインダまたは機械加工により荒地Ｍの表面疵を除去する。再び、荒地Ｍを９３０℃程度(β相域)に加熱する。

その上で、ダイス４とダイホルダ５とで構成される下部金型３（分割ダイス４）及び上部金型２を予め４００℃程度に加熱しておく。このとき、成形中の荒地Ｍと分割ダイス４との焼付を防止する対策として、高温で溶融するガラス潤滑剤をリング状に押し固めて成形したパッドＺをダイス４上に設置する。
そして、図１（ａ）に示すように、ポンチが荒地Ｍの上面に接触するまで上部金型２を押し下げ、荒地Ｍに対して、変形、歪みを付与する。加熱された荒地Ｍを１回鍛造することで、フランジと軸を有するシャフト形状の鍛造品Ｗを成形する（１ヒート、１モーション）。

その後、図１（ｂ）に示すように、荒地Ｍの更なる圧下を行う。すなわち、据え込み鍛造のポンチが荒地Ｍに接触するまで上部金型２を押し下げた後、さらに下方に向かって上部金型２を移動させると、上部金型２のポンチがダイホルダ５に収容された荒地Ｍを下方に向かって押しつぶし、押しつぶされて変形した材料が広がってダイホルダ５の内部を充填する。そして、ダイホルダ５の内部を充填しても余りのある材料が材料案内部９に流れ込む。その結果、荒地Ｍを構成していた材料が、ダイホルダ５と材料案内部９との双方に広がって、径が大きな円柱体の下側に径が小さな円柱体を同軸状に重ね合わせたような形状（略ボルト形状）の鍛造品Ｗが成形される。

図１（ｃ）、図１（ｄ）に示すように、上述した圧下が終了したら、ノックアウトシリンダを上方に向かって伸長させてノックアウト棒１３を上方に移動させ、ノックアウト棒１３で鍛造品Ｗを押し上げる。このとき、分割ダイス４は左右方向に分割し、分割ダイス４と鍛造品Ｗとの間に空隙が生まれるようになる。なぜなら、分割ダイス４は、台座６に対して遊嵌状に嵌り込んだボルト２２を介して連結されているため、分割ダイス４は左右に分割可能であると共に、上下にも若干ながら移動可能である（首振り構造）。

そのため、鍛造品Ｗは分割ダイス４から容易に離型し、鍛造品Ｗが分割ダイス４に固着するなどの不都合が生じることはない。加えて、図１（ｄ）に示すように、分割ダイス４
が台座６に対して首振り構造とされているため、鍛造品Ｗが押し出された後には、分割されたダイス４は、直ちにもとの位置に戻るようになっている。
図１（ｄ）の状況を経て、鍛造品Ｗが分割ダイス４から剥がれて、鍛造品Ｗを金型内から取り出されたら、その後、放冷、ファン冷却もしくは水冷により鍛造品Ｗを冷却する。

以上述べたように、本発明の分割ダイス４を用いた据え込み鍛造方法によれば、材料を高温状態に保持したまま金型形状に沿って引き伸ばすように変形させながら鍛造するものであり、鍛造時には金型形状に沿ったメタルフローが得られるため他の鍛造方法に比べて粘り強く、耐衝撃性・耐破壊性に優れた鍛造品Ｗを得ることができる。
また、本発明の分割ダイス４を用いることで、鍛造完了後に鍛造品Ｗを直ちにダイス４から離型でき、適正な温度範囲と冷却速度とで制御冷却を行うことが可能となるため、所望のミクロ組織と機械的特性を有する鍛造品Ｗを得ることができる。

その上、分割ダイス４を用いることで、成形中に荒地Ｍの差し込みを確実に防止でき、鍛造品Ｗの離型性を向上させることができる。ひいては、本発明の分割ダイス４を用いることにより、成形後の鍛造品Ｗの不良率を低減させることができ、生産性を飛躍的に向上させることができるようになる。
なお、今回開示された実施形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。特に、今回開示された実施形態において、明示的に開示されていない事項、例えば、運転条件や操業条件、各種パラメータ、構成物の寸法、重量、体積などは、当業者が通常実施する範囲を逸脱するものではなく、通常の当業者であれば、容易に想定することが可能な値を採用している。

１ 据え込み鍛造装置
２ 上部金型
３ 下部金型
４ 分割ダイス（ダイス）
５ ダイホルダ（コンテナ）
６ 台座
７ 孔部
８ａ ダイスの貫通孔
８ｂ 台座の貫通孔
９ 材料案内部
１０ 湾曲面（ダイスの内周面）
１１ ダイスの外周面
１２ ダイホルダの内周面
１３ ノックアウト棒
１４ 雌型分割体
１５ 雄型分割体
１６ 一方の分割面
１７ 稜線部
１８ 凹部
１９ 他方の分割面
２０ 凸部
２１ 面取部
２２ ボルト
２３ 横溝
Ｍ 被加工材（荒地）
Ｗ 鍛造品
Ｚ パッド

Claims (2)

1. フランジ部と軸部を有する形状の鍛造品を熱間押し出し鍛造にて成形するために上下方向に貫通する貫通孔が形成された内周面を備える環状のダイスにおいて、
   前記ダイスは、周方向に複数に分割されており、前記ダイスの分割面が環状のダイスの中心軸方向に対して傾斜していて、
   互いに付き合わさる一方の分割面には、ダイスの内周面が延設され且つ周方向に突き出すように形成された稜線部と、この稜線部より凹んだ部分とされた凹部とが形成されており、
   互いに付き合わさる他方の分割面には、一方の分割面に形成された凹部に嵌り込む凸部と、この凸部とダイスの内周面との間に設けられ且つ前記稜線部に対面する面取部とが形成されている
   ことを特徴とする分割ダイス。
2. 前記分割ダイスが、円筒状であって内周面が軸心方向に沿ってテーパ面とされているダイホルダ内に挿入され、前記ダイホルダの内周面により外周方向から保持されるように配備されることを特徴とする請求項１に記載の分割ダイス。