JP6102286B2 - 成形品の製造方法、成形品製造用金型及び成形品製造装置 - Google Patents

Description

本発明は、貫通孔を有する金属素材、特に、鋼素材の外周部を寸法精度よく鍛造する成形品の製造方法、それに用いる金型、及び、該金型を備える装置に関する。

従来、例えば、歯車を製造する場合、熱間鍛造でギヤブランクを成形し、その後、ホブなどによる切削で歯形を創成する方法が一般的に用いられている。しかし、近年、歯車製造コストを低減することや、メタルフローを連続させて歯車の疲労強度を向上させることを目的として、切削工程を経ず、鍛造加工だけで歯車を製造する技術が注目されている（例えば、特許文献１〜３、参照）。

密閉鍛造や閉塞鍛造（以下単に「鍛造加工」という。）で歯車を製造する場合、素材を金型内に過不足なく押し込む必要があるが、素材が金型を満たす程度（以下「型充満度」ということがある。）を上げるため成形荷重を増大すると、金型への負荷が上昇して金型が破損するので、素材成形部の型充満度の向上には限界がある。

非特許文献１には、貫通孔のない素材の鍛造加工において、成形途中で素材を取り出して中心部に貫通孔を形成し、成形荷重の増加を伴うことなく成形を継続して、素材成形部の型充満度を高める画期的な成形方法が開示されている。しかし、この成形方法は、成形途中の素材を、一度、取り出して加工（中心部に貫通孔を形成）し、再度、成形を行うので、生産性が悪く実用的でない。

特許文献４には、非特許文献１記載の成形方法を踏まえ、素材成形部の型充満度を維持しつつ、大径部と小径部を有するマンドレルを用いて、成形途中で、素材内径側に空間を設け、複雑形状の部品でもパンチの加圧力を過大にすることなく、高精度の部品を安定して成形する加工方法が開示されている。この加工方法は、生産性に優れているが、素材成形部に、素材が型を満たさない未充満部が依然として残るという課題を抱えている。

特開２０１１−１２１１００号公報 特開２０１１−０１６１６２号公報 特開２００６−１８１５８９号公報 特開平０７−２８４８７５号公報

大賀喬一、近藤一義ら（１９８２）、分流方式による精密型鍛造加工の研究（第１報〜第３報）、日本機械学会論文集Ｖｏｌ.４８Ｎｏ.４２７、ｐ．４２５−４５１

素材を鍛造加工で成形する場合、成形荷重が低いと、金型の弾性変形量が減少して成形品の寸法精度が向上し、また、金型に対する負荷が減少して金型寿命が向上するので、成形荷重は低い方が好ましい。

本発明は、素材、特に、鋼素材を鍛造加工で成形する方法において、成形荷重を増大することなく素材を金型に押し込んで、素材が金型を満たさない未充満部（以下「型未充満部」ということがある。）が生じないように成形すること、即ち、鍛造加工において型充満性を向上させることを課題とし、該課題を解決する成形品の製造方法、該方法に用いる成形品製造用金型、及び、該金型を備える成形品製造装置を提供することを目的とする。

本発明者らは、特許文献４に開示の加工方法では、素材の塑性流動が不十分で、上下の金型を組み合せて形成する成形空間に型未充満部が生じ、素材の型充満性に劣る原因を鋭意調査した。その結果、その原因が、金型が形成する成形空間の形態、及び、成形に用いるマンドレルの形状・構造にあることを解明した。

そして、本発明者らは、素材の塑性流動が充分に生じ、金型内に型未充満部が生じない成形空間の形態、及び、マンドレルの形状・構造について鋭意研究した。

その結果、素材の鍛造加工、特に、環状素材の鍛造加工において、二つの段差で、大径部、中径部、及び、小径部を、この順序で形成したマンドレルを用い、素材の変形の進行に伴いマンドレルを移動し、大径部、中径部、小径部で、順次、成形途中の素材を保持して鍛造加工すると、素材の型充満度が顕著に向上すること、さらに、成形品の内径部における折込み（疵）が顕著に減少することが判明した。

本発明は、上記知見に基づいてなされたもので、その要旨は次の通りである。

（１）貫通孔を有する素材を、貫通孔に嵌装したマンドレルと、該素材を加圧するパンチの協働で、金型の成形空間に押し込み、上記素材の外周部を部品形状に成形する成形品の製造方法において、
（ｘ）二つの段差で、大径部、中径部、及び、小径部を、この順序で形成したマンドレルを用い、
（ｙ）上記マンドレルの大径部を素材の貫通孔に嵌装し、該素材を、パンチで加圧して、金型の成形空間に押し込み、
（ｚ）上記加圧荷重が所定の荷重に達し、金型の成形空間内の素材が所定の荷重で加圧されている状態で、
（z1）マンドレルを移動させて、素材を保持する大径部を中径部に替え、金型の成形空間内の素材の内径部側に素材流動空間を形成して、素材の塑性流動を促し、次いで、
（z2）上記素材の塑性流動により、素材が素材流動空間の一部又は全部を占有したとき、さらに、再度、マンドレルを移動させて、素材を保持する中径部を小径部に替え、上記素材流動空間を拡大又は再形成し、さらに、素材の塑性流動を促す
ことを特徴とする成形品の製造方法。

（２）前記素材が鋼素材であることを特徴とする前記（１）に記載の成形品の製造方法。

（３）前記部品形状が歯車形状であることを特徴とする前記（１）又は（２）に記載の成形品の製造方法。

（４）貫通孔を有する素材を、貫通孔に嵌装したマンドレルとパンチが協働して、該素材を成形空間に押し込んで、上記素材の外周部を部品形状に成形する成形品製造用金型であって、該金型の中心部にて、
（ｘ）二つの段差で、大径部、中径部、及び、小径部が、この順序で先端に向かい形成されている上記素材の塑性流動を促すマンドレルを、パンチに対して相対的に上下動可能に内包する
ことを特徴とする成形品製造用金型。

（５）貫通孔を有する素材を、貫通孔に嵌装したマンドレルとパンチが協働して、該素材を成形空間に押し込んで、上記素材の外周部を部品形状に成形する成形品製造用金型であって、該金型の中心部にて、
（x1）二つの段差で、大径部、中径部、及び、小径部が、この順序で先端に向かい形成されていて、かつ、（x2）上記大径部の直径ｄ1、中径部の直径ｄ2、及び、小径部の直径ｄ3が、下記式（１）及び（２）を満たし上記素材の塑性流動を促すマンドレルを、パンチに対して相対的に上下動可能に内包する
ことを特徴とする型充満性に優れた成形品製造用金型。
０．０１×ｄ1≦ｄ1−ｄ2≦０．１×ｄ1 ・・・（１）
０．０１×ｄ1≦ｄ2−ｄ3≦０．１×ｄ1 ・・・（２）
（６）前記部品形状が歯車形状であることを特徴とする前記（４）又は（５）に記載の成形品製造用金型。

（７）前記（４）〜（６）のいずれかに記載の成形品製造用金型を用いた成形品製造装置であって、マンドレルに対向する位置に、貫通孔を有する素材を収容し、該素材の外周部を部品形状に成形する成形空間を有する成形品用金型を備えることを特徴とする成形品製造装置。

（８）前記部品形状が歯車形状であることを特徴とする前記（７）に記載の成形品製造装置。

本発明によれば、環状素材の鍛造加工において、パンチとマンドレルの協働で、成形荷重を増大することなく、成形途中の素材に塑性流動を２度生じさせるので、鍛造加工における型充満度が顕著に向上し、寸法精度の優れた成形品を製造することができる。

本発明の成形品製造装置の一態様を示す図である。（ａ）は、中心部に、直径ｄ₁の大径部、直径ｄ₂の中径部、及び、直径ｄ₃の小径部を有するマンドレルを上下動可能に内包し、油圧シリンダー（図示なし）で上下動するメインパンチ（上金型）を示し、（ｂ）は、環状素材Ｗを支えるカウンターパンチ、環状素材Ｗを収容するコンテナ部、及び、環状素材Ｗの外周部を成形する成形部を有し、閉塞油圧ユニットによって荷重が負荷されるフローティングダイ（下金型）を示す。 本発明の成形品製造装置において、上下の金型を閉じ、環状素材Ｗの成形を開始する直前の状態を示す図である。 本発明の成形品製造装置における第二段階の成形（鍛造）態様を示す図である。（ａ）は、第一段階の成形（鍛造）が終了した状態を示し、（ｂ）は、マンドレルの大径部を上昇させ、第二段階の成形（鍛造）を行なっている状態を示し、（ｃ）は、第二段階の成形（鍛造）が終了しつつある状態を示す。 本発明の成形品製造装置における第三段階の成形（鍛造）態様を示す図である。（ａ）は、マンドレルの中径部を上昇させ、第三段階の成形（鍛造）を行なっている状態を示し、（ｂ）は、第三段階の成形（鍛造）が終了しつつある状態を示し、（ｃ）は、第三段階の成形（鍛造）が終了した状態を示す。 メインパンチのストロークと成形荷重の関係を模式的に示す図である。 成形品の一態様を示す図である。 実施例で用いたマンドレルの態様を示す図である。（ａ）は、従来装置が備えるマンドレルの態様を示し、（ｂ）は、本発明の成形品製造装置が備えるマンドレルの態様を示す。 歯先充満率の定義を示す図である。 マンドレルの直径変化量の総和ｄ［ｍｍ］と歯先充満率ｂ_c／ｂ［％］の関係を示す図である。 貫通孔を有する非軸対称の部品形状例を示す図である。 貫通孔を有する非回転対称の部品形状例を示す図である。

本発明の成形品の製造方法（以下「本発明方法」ということがある。）は、貫通孔を有する素材を、貫通孔に嵌装したマンドレルと、該素材を加圧するパンチの協働で、金型の成形空間に押し込み、上記素材の外周部を部品形状に成形する成形品の製造方法において、（ｘ）二つの段差で、大径部、中径部、及び、小径部を、この順序で形成したマンドレルを用い、
（ｙ）上記マンドレルの大径部を素材の貫通孔に嵌装し、該素材を、パンチで加圧して、金型の成形空間に押し込み、
（ｚ）上記加圧荷重が所定の荷重に達し、金型の成形空間内の素材が所定の荷重で加圧されている状態で、
（z1）マンドレルを移動させて、素材を保持する大径部を中径部に替え、金型の成形空間内の素材の内径部側に素材流動空間を形成して、素材の塑性流動を促し、次いで、
（z2）上記素材の塑性流動により、素材が素材流動空間の一部又は全部を占有したとき、さらに、再度、マンドレルを移動させて、素材を保持する中径部を小径部に替え、上記素材流動空間を拡大又は再形成して、さらに、素材の塑性流動を促す
ことを特徴とする。

本発明の成形品製造用金型（以下「本発明金型」ということがある。）は、貫通孔を有する素材を、貫通孔に嵌装したマンドレルとパンチが協働して、該素材を成形空間に押し込んで、上記素材の外周部を部品形状に成形する成形品製造用金型であって、該金型の中心部にて、（ｘ）二つの段差で、大径部、中径部、及び、小径部が、この順序で先端に向かい形成されている上記素材の塑性流動を促すマンドレルを、パンチに対して相対的に上下動可能に内包する
ことを特徴とする。

また、本発明金型は、貫通孔を有する素材を、貫通孔に嵌装したマンドレルとパンチが協働して、該素材を成形空間に押し込んで、上記素材の外周部を部品形状に成形する成形品製造用金型であって、該金型の中心部にて、（x1）二つの段差で、大径部、中径部、及び、小径部が、この順序で先端に向かい形成されていて、かつ、（x2）上記大径部の直径ｄ1、中径部の直径ｄ2、及び、小径部の直径ｄ3が、下記式（１）及び（２）を満たし上記素材の塑性流動を促すマンドレルを、パンチに対して相対的に上下動可能に内包する
ことを特徴とする型充満性に優れた成形品製造用金型。

０．０１×ｄ1≦ｄ1−ｄ2≦０．１×ｄ1 ・・・（１）
０．０１×ｄ1≦ｄ2−ｄ3≦０．１×ｄ1 ・・・（２）

さらに、本発明の成形品製造装置（以下「本発明装置」ということがある。）は、本発明金型を用いた成形品製造装置であって、マンドレルに対向する位置に、貫通孔を有する素材を収容し、該素材の外周部を部品形状に成形する成形空間（コンテナ部）を有する成形品用金型を備えることを特徴とする。

本発明は、非特許文献１に記載の成形原理を実際の冷間鍛造加工に応用し、型充満度の高い冷間鍛造加工を実現するものである。

技術的には、貫通孔を有する素材の貫通孔に嵌装し、鍛造加工中、該素材を保持するマンドレルに、二つの段差で、大径部、中径部、及び、小径部を、この順序で先端に向かって形成し、マンドレルの移動で、金型内の素材の内径側に、順次、該素材の塑性流動を促す空間（以下「素材流動空間」ということがある。）を設けることで、成形途中で塑性流動を２回促し、素材の型充満度を顕著に高めることを基本思想とする。

素材流動空間は、素材と接触するマンドレルの外径が減少する（大径部から中径部に、中径部から小径部に替える。）ことによって形成される、素材が充満していない空間である。

本発明の成形対象素材は、鍛造可能な金属素材であればよく、特定の金属素材に限定されないが、本発明の効果は、他の金属材料に比較して強度が高く、冷間鍛造が難しい鋼素材の場合に顕著である。それ故、本発明の成形対象素材は、鋼素材が好ましい。本発明の成形対象素材を鍛造加工する際の素材温度は、所望の型充満度を確保できる限りで、特定の温度に限定されない。

素材を鍛造加工する本発明金型の温度は、所望の型充満度を確保できる限りで、特定の温度に限定されない。

本発明方法、本発明金型、又は、本発明装置で製造する部品形状は、貫通孔を有し、鍛造加工で成形できる形状、又は、これに類似する部品形状であればよく、特定の部品形状に限定されない。特に、円環状の部品形状、軸対称又は回転対称の部品形状が好ましいが、例えば、図１０に例示する“貫通孔を有する非軸対称の部品形状”でもよく、また、図１１に例示する“貫通孔を有する非回転対称の部品形状”でもよい。

成形対象素材の形状は、製造する部品形状に倣った形状とする。部品形状が軸対称又は回転対称であれば、素材の中央部に貫通孔を形成する。部品形状が、例えば、非軸対称（図１０、参照）や、非回転対称（図１１、参照）の場合、貫通孔の位置は、所要の塑性流動を生起し、所望の型充満度を得る観点から、適宜設定する。

本発明方法、本発明金型、又は、本発明装置は、例えば、中央部に貫通孔を有する環状の鋼素材を、各種の歯車形状、例えば、プラネタリピニオンギヤ、プラネタリサンギヤ等の歯車形状に成形するのに好適である。

以下、図面に基づいて詳細に説明する。

まず、図１に、本発明装置の一態様を示す。図１（ａ）に、マンドレル２０を中心部に上下動可能に内包するメインパンチ１０を示し、図１（ｂ）に、カウンターパンチ４０、素材Ｗを挿入するコンテナ部３２、及び、環状素材Ｗの外周部を成形する高さｈの成形部３１を有するフローティングダイ３０を示す。フローティングダイ３０には、油圧ユニット３３によって荷重が負荷され、メインパンチ１０に押し付けられる。

図１（ａ）に示すように、油圧シリンダー（図示なし）で上下動するメインパンチ１０（上金型）は、直径ｄ1の大径部２０Ｌ、直径ｄ2の中径部２０Ｍ、及び、直径ｄ3の小径部２０Ｓを有するマンドレル２０を上下動可能に内包する。図１（ｂ）に示すように、フローティングダイ３０は、環状素材Ｗを支えるカウンターパンチ４０、環状素材Ｗを収容するコンテナ部３２、及び、環状素材Ｗの外周部を成形する、高さｈの成形部３１を備えている。

マンドレル２０には、第一段差２１と第二段差２２により、大径部２０Ｌ、中径部２０Ｍ、及び、小径部２０Ｓが形成されている。この点が、本発明金型の特徴である。第一段差２１と第二段差２２は、マンドレル２０の軸に垂直な面で形成してもよいし、該軸に斜めの斜面で形成してもよい。斜面の傾斜角は、所要の大きさの素材流動空間を確保できる角度であればよい。

大径部２０Ｌ、中径部２０Ｍ、及び、小径部２０Ｓの長さは、素材の寸法・形状、又は、成形品の寸法・形状を考慮して適宜設定する。特に、中径部２０Ｍの長さＬは、短いと成形品の厚さを受容できず、また、長いとマンドレル２０の移動に時間を要する。中径部２０Ｍの長さＬは、これらの点を考慮して、適宜設定する。

マンドレル２０は、メインパンチ１０及びフローティングダイ３０と協働して行う鍛造加工において、環状素材の内径部側に、環状素材の塑性流動を促す空間（素材流動空間）を形成し、さらに、該空間を拡大又は再形成して、環状素材Ｗの塑性流動を促し、型充満性を高めるという重要な役割を担う。この点については後述する。

図１に示す本発明装置においては、環状素材Ｗが、フローティングダイ３０のコンテナ部３２において、カウンターパンチ４０の上に載置されていて、環状素材Ｗの成形を開始しようとする状態にある（図１（ｂ）、参照）。本発明方法によれば、環状素材Ｗは、以下に説明する第一段階、第二段階、及び、第三段階を経て、成形品に製造されることが特徴である。

図２に、本発明装置において、上下の金型を閉じ、環状素材Ｗの成形を開始する直前の状態を示す。環状素材Ｗを成形するため、メインパンチ１０とマンドレル２０を下降させ、さらに、マンドレル２０を下降させ、マンドレル２０の段差２１をカウンターパンチ４０の上面（即ち、環状素材Ｗの下端）に位置させる。

即ち、環状素材Ｗの貫通孔に、マンドレル２０の大径部２０Ｌを嵌装する。その後、メインパンチ１０を下降させ、フローティングダイ３０を押し下げながら、環状素材Ｗを塑性変形させる。

環状素材Ｗの塑性変形が進行し、環状素材Ｗが高さｈの成形部３１へ塑性流動し、成形部３１の充満率が高まるのに伴い、メインパンチ１０にかかる荷重が増加する。荷重が設定値に達すると、設定値を超える荷重は、メインパンチ１０に負荷されなくなり、設定値に維持された状態で塑性変形（成形）の第一段階が終了する。この段階では、成形部３１内に、環状素材Ｗで満たされていない未充満部が存在している。

ここで、第一段階の成形に続く、第二段階の成形の態様、及び、第三段階の成形の態様を、それぞれ、図３、及び、図４に示す。

図３に、本発明装置における第二段階の成形（鍛造）態様を示す。図３（ａ）に、第一段階の成形（鍛造）が終了した状態を示し、図３（ｂ）に、マンドレルの大径部を上昇させ、第二段階の成形（鍛造）を行っている状態を示す。そして、図３（ｃ）に、第二段階の成形（鍛造）が終了しつつある状態を示す。

図３（ａ）に示すように、上金型４１と下金型４２で形成する成形空間４３には、成形素材Ｗ’が充満していない未充満部Ｔ1が存在する。

そこで、成形（鍛造）の第二段階では、図３（ｂ）及び（ｃ）に示すように、上金型４１に一定荷重Ｐが負荷されている状態で、マンドレル２０を上昇させて、成形素材Ｗ’を内径部側から保持する大径部２０Ｌを中径部２０Ｍに替えていく。

大径部２０Ｌを中径部２０Ｍに替えることにより、成形素材Ｗ’の内径部側に、素材の塑性流動を促す素材流動空間Ｓ1、Ｓ2を形成する。素材流動空間Ｓ1、Ｓ2の形成により、成形素材Ｗ’の未充満部Ｔ1と素材流動空間Ｓ1への塑性流動が促進され（図３（ｂ）中、成形素材Ｗ’内の矢印、参照）、さらに、成形素材Ｗ’の未充満部Ｔ2と素材流動空間Ｓ2への塑性流動が促進される（図３（ｃ）中、成形素材Ｗ’内の矢印、参照）。

素材流動空間Ｓ1、Ｓ2は、成形素材Ｗ’が充満していない空間であって、マンドレル２０の上昇に伴って上方に移動し、鍛造の進行に伴って、メインパンチは下方に移動する。これが、成形素材Ｗ’に対する１回目の鍛造である。

図４に、本発明装置における第三段階の成形（鍛造）態様を示す。図４（ａ）に、マンドレルの中径部を上昇させ、第三段階の成形（鍛造）を行なっている状態を示し、図４（ｂ）に、第三段階の成形（鍛造）が終了しつつある状態を示し、図４（ｃ）に、第三段階の成形（鍛造）が終了した状態を示す。

第三段階の成形（鍛造）では、図４（ａ）及び（ｂ）に示すように、金型４１に一定の荷重Ｐが負荷されている状態で、マンドレル２０を上昇させて、成形素材Ｗ’を内径部側から保持する中径部２０Ｍを小径部２０Ｓに替えていく。

中径部２０Ｍを小径部２０Ｓに替えていくことにより、成形素材Ｗ’の内径部側に素材流動空間Ｓ3、Ｓ4を形成し、成形素材Ｗ’の未充満部Ｔ3と素材流動空間Ｓ3、Ｓ4への塑性流動を促す（図４（ａ）及び（ｂ）中、成形素材Ｗ’内の矢印、参照）。

素材流動空間Ｓ3、Ｓ4も、同様に、マンドレル２０の上昇に伴って上方に移動し、鍛造の進行に伴って、メインパンチは下方に移動する。これが、成形素材Ｗ’に対する２回目の鍛造である。そして、最終的に、図４（ｃ）に示すように、上金型４１と下金型４２で形成する成形空間への充満度が高い成形品Ｗ”を得ることができる。

ここで、図５に、メインパンチのストロークと成形荷重の関係を模式的に示す。図５に示すように、第一段階の成形（図３（ａ）、参照）が終了（図５中、Ａ点、参照）するまで、成形荷重は増大する。そして、第一段階の成形（図３（ａ）、参照）の終了後も、そのまま、成形荷重を増大させると、成形空間への充満度は高まるが、金型が破損する。

しかし、本発明方法においては、第一段階の成形が終了（図５中、Ａ点）した後、図３に示す第二段階の成形（鍛造）、及び、図４に示す第三段階の成形（鍛造）において、金型を介して成形素材Ｗ’に負荷される荷重は一定である。

即ち、マンドレルの大径部で環状素材Ｗを内径部側から保持して成形した後、環状素材Ｗを保持する大径部を、順次、中径部、小径部に替えることにより、一定の荷重のもとで、素材の未充満部と塑性流動空間に向かう塑性流動（素材の分流）を２回進行させ、素材の型充満度を高めて、形状精度のよい成形品を得ることができる。この点が、本発明の特徴である。

第二段階の成形（鍛造）と第三段階の成形（鍛造）において、成形素材の塑性流動を２回促す際、本発明金型のマンドレルにおける第一段差２１での直径変化量“ｄ1−ｄ2”、及び、第二段差２２での直径変化量“ｄ2−ｄ3”は、冷間鍛造加工における型充満性の向上、及び、成形品の内径部に発生する折込みの抑制の点で重要である（図１、参照）。

ここで、図６に、成形品の一態様を示す。図６に示す成形品の内径部には、折込み（疵）Ｗ1が形成され、端部には、バリＷ2が形成されている。

本発明金型が中央部で内包する上下動可能なマンドレルの大径部の直径ｄ1、中径部の直径ｄ2、及び、小径部の直径ｄ3は、それぞれ、環状素材又は成型品の形状、寸法に応じて適宜設定する。

しかし、直径変化量“ｄ1−ｄ2”及び／又は“ｄ2−ｄ3”が小さいと、塑性流動を促すのに十分な体積を有する空間を、素材の内径部側に確保することができず、鍛造加工における型充満性を向上させる効果が小さくなる場合がある。一方、上記直径変化量が一定値を超えると、図６に示す折込み（疵）Ｗ1が大きくなり、また、“ｄ2−ｄ3”が一定値を超えると、バリＷ2が厚くかつ長くなることがある。このことを踏まえ、マンドレルにおける直径変化量“ｄ1−ｄ2”及び“ｄ2−ｄ3”を設定する。

本発明者らは、素材が鋼素材の場合において、直径変化量“ｄ1−ｄ2”及び“ｄ2−ｄ3”を変化させて、成形品の内径部に生じる折込み（疵）、及び、バリの発生状況を調査した。その結果、直径変化量“ｄ1−ｄ2”及び“ｄ2−ｄ3”は、下記式（１）及び（２）式を満たすことが、折込み（疵）や、バリの発生を抑制しつつ成型品の型充満性を高めるために有効であることが解った。

０．０１×ｄ1≦ｄ1−ｄ2≦０．１×ｄ1 ・・・（１）
０．０１×ｄ1≦ｄ2−ｄ3≦０．１×ｄ1 ・・・（２）

“ｄ1−ｄ2”及び／又は“ｄ2−ｄ3”が“０．０１×ｄ１”未満であると、前述したように、成形途中で、塑性流動を促すのに十分な体積を有する空間（素材流動空間）を、素材の内径部側に形成することができず、冷間鍛造加工における型充満性を向上させる効果が小さくなる場合がある。

一方、“ｄ1−ｄ2”及び／又は“ｄ2−ｄ3”が“０．１×ｄ1”を超えると、前述したように、成形品の内径部における折込み（疵）が大きくなる。“ｄ2−ｄ3”が“０．１×ｄ1”を超えると、バリが厚くかつ長くなることがある（図６、参照）。

マンドレルの段差の面は、マンドレルの軸心に対し、垂直でもよいし、傾斜していてもよい。本発明金型においては、マンドレルの外周に、上記式（１）及び（２）を満たす段差が存在することが、成型品の形状精度を高めるために重要なことである。

次に、本発明の実施例について説明する。実施例において、鋼素材を用い、成形品を歯車としたのは、以下の理由による。歯車の成形においては、金型の歯底部で応力集中が起こり、金型が破損し易い。

さらに、鋼は、変形抵抗が高く、成形時の金型への負荷が高い材料なので、鋼素材で成形できれば、特殊な材質の素材を除き、金型の焼付きや凝着、素材割れ等の問題を考慮しなければ、殆どの他の金属素材においても成形が可能である。したがって、鋼素材を用いる歯車の成形は、本発明の実施可能性と効果の顕著性を示すうえで最適である。

そして、実施例での条件は、本発明の実施可能性及び効果を確認するために採用した一条件例であり、本発明は、この一条件例に限定されるものではない。本発明は、本発明の要旨を逸脱せず、本発明の目的を達成する限りにおいて、種々の条件を採用し得るものである。

（実施例１）
素材として、ＳＣｒ４２０−Ｈ（質量％で、Ｃ：０．１９％、Ｓｉ：０．２４％、Ｍｎ：０．７３％、Ｐ：０．０１４％、Ｓ：０．０１９％、Ｃｒ：１．０９％）圧延材（６０ｍｍφ）を球状化焼鈍（７４０℃、３時間保持から徐冷）した後、外径４１ｍｍφ、内径３０ｍｍφの円環状に加工したテストピース素材を用いた。

上記素材に、潤滑剤として、リン酸塩石けん皮膜処理を行った後、塑性加工油を塗布し、従来装置と本発明装置を用い、保持荷重１４４０ｋＮで歯車に成形し、歯先充満率を測定した。

図７に、実施例で用いたマンドレルの態様を示す。図７（ａ）に、従来装置が備えるマンドレルの態様を示し、図７（ｂ）に、本発明装置が備えるマンドレルの態様を示す。マンドレルの直径変化量の総和ｄは、いずれも、２．０ｍｍである。

図８に、歯車の歯先充満率の定義を示す。図８に示すように、歯幅ｂと、歯先部分において素材が金型と接触した長さｂ_cの比ｂ_c／ｂを百分率で表したものが歯先充満率である。歯先充満率は、型充満性を定量的に評価する指標である。歯先充満率は、従来装置では８６％であったが、本発明装置では９５％であった。

（実施例２）
マンドレルの直径変化量の総和ｄを０．２ｍｍ、０．５ｍｍ、及び、１．０ｍｍとして、従来装置用のマンドレルと本発明装置用のマンドレルを作製し、実施例１と同様に歯車を成形し、歯先充満率を測定した。

図９に、マンドレルの直径変化量の総和ｄ［ｍｍ］と歯先の充満率ｂ_c／ｂ［％］の関係を、実施例１の結果と併せて示す。図９から、本発明装置においては、歯先の充満率が顕著に向上していることが解る。

（実施例３）
素材として、ＳＣｒ４２０−Ｈ（質量％で、Ｃ：０．１９％、Ｓｉ：０．２４％、Ｍｎ：０．７３％、Ｐ：０．０１４％、Ｓ：０．０１９％、Ｃｒ：１．０９％）圧延材（直径６０ｍｍφ）を球状化焼鈍（７４０℃３時間保持から徐冷）した後、外径４１ｍｍφ、内径３０ｍｍφの円環状に加工したテストピース素材を用い、潤滑剤として、リン酸塩石けん皮膜処理を行った後、塑性加工油を塗布した。

保持荷重１１４０ｋＮにて、表２に示すマンドレルの直径変化量の条件で、上記素材を室温で成形し、表１に示す諸元の歯車を製造し、金型の成形部への充満率（歯先充満率）を測定し、内部径における折込み（疵）の有無を目視で観察した。結果を、表２に併せて示す。

比較例１〜４は、従来形状のマンドレル（段差が一つ）を用いた例である。発明例１〜１０は、本発明金型（マンドレルに段差が二つ）を用いた例である。発明例７及び９は、上記式（１）を満たさない例であり、発明例８及び１０は、上記式（２）を満たさない例であるが、発明例７〜１０の製造方法は、依然として本発明（請求項１の発明）の範囲である。

ここで、表２における直径変化量の総和の欄は、鍛造過程におけるマンドレル直径変化量の総和を表す。比較例１〜４において用いたマンドレルは、従来型の一段段差であるから“ｄ1−ｄ2”に等しく、発明例において用いたマンドレルは、二段段差であるから“ｄ1−ｄ3”に等しい。

表２に実施例をまとめたが、折込み（疵）の評価は、目視により全く確認できないものを○、目視確認できるものの、浅くて、小さくて見え難く、実用上問題のないものを△、深くて、大きく、はっきりと折込み（疵）と確認でき、実用に供せないものを×とした。

歯先充満率に影響を及ぼす因子としては、素材の変形抵抗、素材−金型間の摩擦係数、成形荷重、及び、マンドレルの直径変化量の総和がある。この直径変化量の総和は、マンドレルの最大直径と最小直径の差に等しい。即ち、従来技術のように、一段式のマンドレルの場合、マンドレルの直径変化量の総和は、（ｄ1−ｄ2）であり、本発明金型のように二段式のマンドレルの場合は、（ｄ2−ｄ3）である。

以下の比較例及び発明例では、主に、マンドレルの直径と段差数を変え、主に、直径変化量の総和を変えている。

比較例１〜４では、成形の第二段階で、荷重及びｄ1一定のもとでｄ2を変化させた。マンドレルの直径変化量（ｄ1−ｄ2）の増加に伴い、歯先充満率が向上したが、比較例３、４では、内径部に折込み（疵）が発生した。比較例１、２では、内径部に折込み（疵）は発生しなかったが、直径変化量の大きい比較例２においても、歯先充満率は５５％と低い。

発明例１〜４では、成形の第二、第三段階の荷重及びｄ1を一定にして、ｄ2及びｄ3を変化させた。なお、ｄ2及びｄ3は、任意に設定できるが、発明例１〜４については、ｄ1−ｄ2＝ｄ2−ｄ3とした。マンドレルの直径変化量（（ｄ1−ｄ2）、（ｄ2−ｄ3））の増加に伴い、歯先充満率が向上している。

歯先充満率に影響を及ぼす因子である、素材の変形抵抗、素材−金型間の摩擦係数、成形荷重、直径変化量を同一条件とした、比較例１と発明例１、比較例２と発明例２、比較例３と発明例３、比較例４と発明例４を、それぞれ、比較する。

マンドレルの直径変化量の総和が同じである場合、段差が一つである比較例に比べると、段差を二つ有するマンドレルを用いた発明例においては、いずれも歯先充満率が向上し、内径部の折込み（疵）の発生も抑制されていることが解る。

発明例７は、（ｄ1−ｄ2）／ｄ1が上記式（１）の下限を下回る。発明例８は、（ｄ2−ｄ3）／ｄ1が上記式（２）の下限を下回る。発明例７及び８は、マンドレルの直径変化量の総和が比較例１及び発明例１と同じである。これらの発明例は、比較例１より歯先充満率が高いが、上記式（１）又は上記式（２）の下限を下回っているため、発明例１よりは歯先充満率が低い。しかし、実用に供するには問題ない。

発明例９は、（ｄ1−ｄ2）／ｄ1が上記式（１）の上限を上回る。発明例１０は、（ｄ2−ｄ3）／ｄ1が上記式（２）の上限を上回る。発明例９及び１０は、マンドレルの直径変化量の総和が比較例４及び発明例４と同じである。

これらの発明例は、比較例４より歯先充満率が高く、発明例４と同等の歯先充満率であるが、上記式（１）又は（２）の上限を上回っている。したがって、内径部に、かすかな折込み（疵）が確認されたが、浅く小さいため、実用に供するのに問題はなく、折込み評価は△である。

発明例１〜６は、上記式（１）及び（２）を満たすマンドレルを用いた例である。発明例１〜６では、歯先充満率が高く、折込み（疵）の発生が抑制されていて、良好な歯車を製造することができた。

発明例３、５、及び、６では、成形の第二、第三段階の荷重及びｄ1、マンドレルの直径変化量の総和を一定にして、直径変化量（ｄ1−ｄ2）と直径変化量（ｄ2−ｄ3）の比を変化させた。直径変化量の比の大小にかかわらず、歯先充満率が大きく向上している。

即ち、段差を二つ有するマンドレルを用いることにより、型充満度を著しく高め、さらに、欠陥の発生を抑制できることが解る。以上の実施例は、貫通孔を有する平歯車の成形の実施例であるが、本発明方法、本発明金型、及び、本発明装置は、実施例に限定されるものではない。

図８に示す歯車は、上述のように、金型が破損し易い部品であるが、本発明は、成形部の形状によらず、著しく型充満度を向上させる効果を奏するものである。したがって、本発明は貫通孔を有する円柱や六角柱、図１０に示す非軸対称部品、図１１に示す非回転対称部品、はすば歯車等を鍛造加工で製造する場合にも適用することができるものである。

即ち、本発明方法、本発明金型、及び、本発明装置は、金型内の素材に、塑性流動を２回生じさせるので、所望の型充満度を得ることが難しい部品形状を鍛造加工で製造する場合でも、従来技術に比べて、顕著に型充満度を高めることができる。

前述したように、本発明によれば、素材、特に、鋼素材の冷間鍛造において、パンチとマンドレルの協働で、成形途中の素材に塑性流動を２度生じさせるので、成形荷重を増大することなく、型充満度を顕著に高め、寸法精度の優れた鍛造成形品を得ることができる。よって、本発明は、鋼材加工産業において利用可能性が高いものである。

１０ メインパンチ
２０ マンドレル
２０Ｌ 大径部
２０Ｍ 中径部
２０Ｓ 小径部
２１ 第一段差
２２ 第二段差
３０ フローティングダイ
３１ 成形部
３２ コンテナ部
３３ 閉塞油圧ユニット
４０ カウンターパンチ
４１ 上金型
４２ 下金型
４３ 成形空間
Ｌ 距離
Ｐ 荷重
Ｓ1、Ｓ2、Ｓ3、Ｓ4 空間
Ｔ1、Ｔ2、Ｔ3 未充満部
Ｗ 環状素材
Ｗ’ 成形素材
Ｗ” 成形品
Ｗ1 折込み
Ｗ2 バリ
ｈ 成形部の高さ
ｄ1 大径部の径
ｄ2 中径部の径
ｄ3 小径部の径
ｂ 歯幅
ｂ_c 歯先部分において素材が金型と接触した長さ

Claims (8)

1. 貫通孔を有する素材を、貫通孔に嵌装したマンドレルと、該素材を加圧するパンチの協働で、金型の成形空間に押し込み、上記素材の外周部を部品形状に成形する成形品の製造方法において、
   （ｘ）二つの段差で、大径部、中径部、及び、小径部を、この順序で形成したマンドレルを用い、
   （ｙ）上記マンドレルの大径部を素材の貫通孔に嵌装し、該素材を、パンチで加圧して、金型の成形空間に押し込み、
   （ｚ）上記加圧荷重が所定の荷重に達し、金型の成形空間内の素材が所定の荷重で加圧されている状態で、
   （z1）マンドレルを移動させて、素材を保持する大径部を中径部に替え、金型の成形空間内の素材の内径部側に素材流動空間を形成して、素材の塑性流動を促し、次いで、
   （z2）上記素材の塑性流動により、素材が素材流動空間の一部又は全部を占有したとき、さらに、再度、マンドレルを移動させて、素材を保持する中径部を小径部に替え、上記素材流動空間を拡大又は再形成して、さらに、素材の塑性流動を促す
   ことを特徴とする成形品の製造方法。
2. 前記素材が鋼素材であることを特徴とする請求項１に記載の成形品の製造方法。
3. 前記部品形状が歯車形状であることを特徴とする請求項１又は２に記載の成形品の製造方法。
4. 貫通孔を有する素材を、貫通孔に嵌装したマンドレルとパンチが協働して、該素材を成形空間に押し込んで、上記素材の外周部を部品形状に成形する成形品製造用金型であって、該金型の中心部にて、
   （ｘ）二つの段差で、大径部、中径部、及び、小径部が、この順序で先端に向かい形成されている上記素材の塑性流動を促すマンドレルを、パンチに対して相対的に上下動可能に内包する
   ことを特徴とする成形品製造用金型。
5. 貫通孔を有する素材を、貫通孔に嵌装したマンドレルとパンチが協働して、該素材を成形空間に押し込んで、上記素材の外周部を部品形状に成形する成形品製造用金型であって、該金型の中心部にて、
   （x1）二つの段差で、大径部、中径部、及び、小径部が、この順序で先端に向かい形成されていて、かつ、（x2）上記大径部の直径ｄ1、中径部の直径ｄ2、及び、小径部の直径ｄ3が、下記式（１）及び（２）を満たし上記素材の塑性流動を促すマンドレルを、パンチに対して相対的に上下動可能に内包する
   ことを特徴とする型充満性に優れた成形品製造用金型。
   ０．０１×ｄ1≦ｄ1−ｄ2≦０．１×ｄ1 ・・・（１）
   ０．０１×ｄ1≦ｄ2−ｄ3≦０．１×ｄ1 ・・・（２）
6. 前記部品形状が歯車形状であることを特徴とする請求項４又は５に記載の成形品製造用金型。
7. 請求項４〜６のいずれか１項に記載の成形品製造用金型を用いた成形品製造装置であって、マンドレルに対向する位置に、貫通孔を有する素材を収容し、該素材の外周部を部品形状に成形する成形空間を有する成形品用金型を備えることを特徴とする成形品製造装置。
8. 前記部品形状が歯車形状であることを特徴とする請求項７に記載の成形品製造装置。

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