JP7346849B2 - 打抜きポンチ、これを備える鍛造装置、これを用いる鍛造方法 - Google Patents

Description

本発明は、例えば中空シャフトなどの鍛造に用いられる打抜きポンチ、当該打抜きポンチを備える鍛造装置、当該打抜きポンチを用いる鍛造方法に関する。

中空シャフトは、鍛造や鋳造により製造される。鍛造による中空シャフトの製造方法は、例えば、後方押出し工程と、トリミング工程と、を有している。後方押出し工程においては、押出しポンチでワークに後方押出し加工を施し、ワークを後方（軸方向）に伸長させながら、ワークの穴部を成形する。トリミング工程においては、打抜きポンチで穴部の底部を打ち抜くことにより、ワークからバリを除去する。

上述の中空シャフトの製造方法によると、後方押出し工程（穴部の成形）とトリミング工程（バリ抜き）とが各々独立して行われる。このため、合計２回のプレス動作が必要になる。また、各プレス動作ごとに、異なるポンチ（押出しポンチ、打抜きポンチ）が必要になる。

この点、特許文献１には、単一の工程（１回のプレス動作）で鍛造工程（穴部の成形）と穿孔工程（トリミング）とを行う、孔付き鍛造製品の製造方法が開示されている。図４（Ａ）～（Ｄ）に、同文献記載の製造方法に用いられる鍛造装置の軸方向断面図（その１～その４）を示す。鍛造装置１００は、下型１０１と上型１０２とを備えている。下型１０１には、キャビティ１０１ａとパイプ成形孔１０１ｂとが凹設されている。キャビティ１０１ａには、ワーク１０３が配置されている。パイプ成形孔１０１ｂの下側には、支持ポンチ１０１ｄが配置されている。上型１０２には、孔明けポンチ１０２ａが配置されている。まず、図４（Ａ）～（Ｂ）に示すように、上型１０２を下型１０１に近接させ、孔明けポンチ１０２ａでワーク１０３の一部をパイプ成形孔１０１ｂに押し込むことにより、ワーク１０３に穴部１０３ｃを形成する。この際、穴部１０３ｃの底部１０３ｄは、孔明けポンチ１０２ａと支持ポンチ１０１ｄとにより、挟持される。次に、図４（Ｃ）に示すように、孔明けポンチ１０２ａと支持ポンチ１０１ｄとを下降させることにより、底部１０３ｄつまりバリを打ち抜く。その後、図４（Ｄ）に示すように、孔明けポンチ１０２ａと支持ポンチ１０１ｄとを上昇させることにより、底部１０３ｄつまりバリを穴部１０３ｃから排出する。このようにして、ワーク１０３に穴部１０３ｃを穿設する。

特開２０１７－９４３４４号公報

同文献記載の製造方法によると、単一の工程で穴部の成形とトリミングとを行うことができる。しかしながら、２つのポンチ（孔明けポンチ１０２ａ、支持ポンチ１０１ｄ）が必要になる。そこで、本発明は、単一の工程かつ単一のポンチで穴部の成形とトリミングとを行うことができる打抜きポンチ、これを備える鍛造装置、これを用いる鍛造方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の打抜きポンチは、前方に向かって縮径するテーパ部を先端に備え、ワークを前方に押し出しながら前記ワークの穴部を成形する前方押出し加工と、前記穴部の底部を打ち抜くトリミングと、を行うことを特徴とする。

また、上記課題を解決するため、本発明の鍛造装置は、前記打抜きポンチを備えることを特徴とする。また、上記課題を解決するため、本発明の鍛造方法は、前記打抜きポンチでワークの穴部を成形する前方押出し加工ステップと、前記打抜きポンチで前記穴部の底部を打ち抜くトリミングステップと、を連続して行う伸ばし抜き工程を有することを特徴とする。

本発明の打抜きポンチは、ワークの穴部成形用のポンチと、トリミング（バリ抜き）用のポンチと、を兼ねている。このため、本発明の打抜きポンチ、鍛造装置、鍛造方法によると、単一の工程で穴部の成形とトリミングとを行うことができる。また、単一の打抜きポンチで、穴部の成形とトリミングとを行うことができる。

図１（Ａ）～（Ｃ）は、本発明の一つの実施形態である鍛造装置の軸方向断面図（その１～その３）である。 図２は、本発明の一つの実施形態である打抜きポンチの下側部分の軸方向断面図である。 図３は、実施例１～３のトリミングステップ後のワークの写真である。 図４（Ａ）～（Ｄ）は、従来の鍛造装置の軸方向断面図（その１～その４）である。

以下、本発明の打抜きポンチ、鍛造装置、鍛造方法の実施の形態について説明する。なお、以降の図においては、下方が本発明の「前方」に、上方が「後方」に、各々対応している。

（打抜きポンチ、鍛造装置）
まず、本実施形態の打抜きポンチ、鍛造装置の構成について説明する。図１（Ａ）～（Ｃ）に、本実施形態の鍛造装置の軸方向断面図（その１～その３）を示す。なお、図１（Ａ）は、後述の中空シャフトの製造方法の伸ばし抜き工程の前方押出し加工ステップ前段を示す。図１（Ｂ）は、同伸ばし抜き工程の前方押出し加工ステップ後段を示す。図１（Ｃ）は、同伸ばし抜き工程のトリミングステップを示す。図２に、本実施形態の打抜きポンチの下側部分の軸方向断面図を示す。

図１（Ａ）～（Ｃ）、図２に示すように、鍛造装置１は、上型（可動型）２と、下型（固定型）３と、を備えている。上型２は、下型３に対して、上方から離接可能である。上型２は、上型本体（図略）と、打抜きポンチ２０と、を備えている。打抜きポンチ２０は、先端面２００と、テーパ部２０１と、小径部２０２と、大径部２０３と、頭部２０４と、を備えている。小径部２０２は、本発明の「胴部」の概念に含まれる。

先端面２００は、下方から見て、円形の平面状を呈している。テーパ部２０１は、先端面２００の外縁に、角部を介して、連なっている。テーパ部２０１は、下方に向かって縮径する部分円錐状を呈している。先端面２００およびテーパ部２０１は、打抜きポンチ２０の下端（先端）に配置されている。小径部２０２は、テーパ部２０１の上端に、角部Ａを介して、連なっている。角部Ａは、角張っている。小径部２０２は、上下方向に延在する同径円柱状を呈している。大径部２０３は、小径部の上端に、テーパ状の段差部Ｂを介して、連なっている。大径部２０３は、上下方向に延在する同径円柱状を呈している。大径部２０３は、小径部２０２よりも大径である。頭部２０４は、大径部２０３の上方に連なっている。頭部２０４は、円板状を呈している。頭部２０４は、大径部２０３よりも大径である。

大径部２０３、頭部２０４は、上型本体に固定されている。先端面２００、テーパ部２０１、小径部２０２、大径部２０３、頭部２０４は、同じ中心軸Ｃ上に配置されている。中心軸Ｃは、上下方向に延在している。中心軸Ｃに対するテーパ部２０１の傾斜角度ｙは、２０°以上３０°以下に設定されている。小径部２０２の直径をＤ、先端面２００の直径をｄとして、Ｄ、ｄ、ｙは以下の式（１）を充足するように、設定されている。
ｙ＜－１６６×（ｄ／Ｄ）^２＋１２３×（ｄ／Ｄ）＋１５ ・・・ 式（１）

下型３は、下型本体３０と、リング３１と、を備えている。下型本体３０には、上下方向に延在する成形孔３００が穿設されている。リング３１は、円環状を呈している。リング３１は、成形孔３００の下端開口に配置されている。リング３１の内径は、成形孔３００の下端開口の口径よりも、小径である。リング３１の内径は、打抜きポンチ２０の小径部２０２の外径よりも、大径である。リング３１の内径と、打抜きポンチ２０の小径部２０２の外径と、の間には剪断用のクリアランスが設定されている。

ワーク４は、鋼製（例えばクロムモリブデン鋼製）であって、有底円筒状を呈している。ワーク４は、上向きに開口する穴部４０と、底部４１と、を備えている。穴部４０の内径は、打抜きポンチ２０の小径部２０２の外径よりも、大径である。

（中空シャフトの製造方法）
次に、上述の打抜きポンチ、鍛造装置を用いる中空シャフトの製造方法について説明する。なお、中空シャフトの製造方法は、本発明の「鍛造方法」の概念に含まれる。中空シャフトの製造方法は、温間鍛造（例えば鍛造温度９００℃）であって、伸ばし抜き工程を有している。伸ばし抜き工程は、前方押出し加工ステップと、トリミングステップと、を有している。

図１（Ａ）に示すように、前方押出し加工ステップにおいては、穴付きのワーク４に前方押出し加工を施す。なお、図１（Ａ）に示すように、前方押出し加工ステップの前に、予め、ワーク４には穴部４０が凹設されている。並びに、ワーク４は、下型本体３０の成形孔３００に配置されている。

本ステップにおいては、上型２つまり打抜きポンチ２０を下降させることにより、ワーク４の底部４１を下方に押し出す。すなわち、ワーク４および穴部４０を下方に伸長させる。図１（Ａ）～（Ｂ）に示すように、打抜きポンチ２０の小径部２０２は、穴部４０の内周面に当接しない。先端面２００、テーパ部２０１、角部Ａ、小径部２０２は、穴部４０の下側に伸長部４００を凹設する。先端面２００は、底部４１を下方に押し出す。テーパ部２０１は、底部４１の肉を径方向外側に押し広げる。角部Ａ、小径部２０２は、伸長部４００の内周面を成形する。他方、成形孔３００の内周面は、ワーク４の外周面を成形する。ワーク４の下端は、リング３１に到達する。このように、リング３１（言い換えると、成形孔３００の軸方向長さ）は、ワーク４の伸長量を決定している。

図１（Ｃ）に示すように、トリミングステップにおいては、ワーク４の底部４１を打ち抜く。なお、トリミングステップは、前方押出し加工ステップに連続して、同じプレス動作（打抜きポンチ２０の下降動作）で、実行される。

本ステップにおいては、前方押出し加工ステップに引き続き、打抜きポンチ２０を下降させる。ワーク４の下端は、打抜きポンチ２０の角部Ａと、リング３１の開口縁と、により上下方向から挟持される。このため、ワーク４の下端には、上下方向から剪断力が加わる。当該剪断力を利用して、打抜きポンチ２０は底部４１を打ち抜く。すなわち、打抜きポンチ２０は穴部４０を上下方向に貫通させる。底部４１（つまり抜きバリ）は、打抜きポンチ２０から剥離し、落下する。その後、上型２つまり打抜きポンチ２０を上昇させ、ワーク４を下型３の成形孔３００から取り外す。

（作用効果）
次に、本実施形態の打抜きポンチ、鍛造装置、中空シャフトの製造方法の作用効果について説明する。図１（Ａ）～（Ｃ）に示すように、打抜きポンチ２０は、ワーク４の穴部４０成形用のポンチと、トリミング（バリ抜き）用のポンチと、を兼ねている。このため、本実施形態の打抜きポンチ２０、鍛造装置１、中空シャフトの製造方法によると、単一の工程（伸ばし抜き工程）で穴部４０の成形とトリミングとを行うことができる。したがって、鍛造時間を短縮することができる。また、単一の鍛造装置１つまり単一の打抜きポンチ２０で、穴部４０の成形とトリミングとを行うことができる。このため、鍛造装置１の設置スペースを狭くすることができる。また、鍛造装置１の構成を簡単にすることができる。

また、図２に示すように、テーパ部２０１と小径部２０２との間には角部Ａが介在している。角部Ａは、切刃として機能する。このため、図１（Ａ）～（Ｃ）に示すように、穴部４０の成形や底部４１の打抜きを、確実に行うことができる。

ここで、仮に、図１（Ａ）～（Ｃ）に示す伸ばし抜き工程において、先端面２００と小径部２０２との間にテーパ部２０１が介在していないポンチ（例えば、従来からあるトリミングポンチ）を用いる場合を想定する。この場合、図１（Ｂ）に示す前方押出し加工ステップにおいて、ポンチは、ワーク４の底部４１を、下方のみに押し出すことになる。このため、ワーク４の側壁（例えば、伸長部４００の径方向外側部分）が過度に下方に引っ張られてしまう。したがって、ワーク４および穴部４０の伸長に伴って、ワーク４の側壁が過度に薄肉化しやすい。この点、本実施形態の打抜きポンチ２０は、先端面２００と小径部２０２との間にテーパ部２０１を備えている。テーパ部２０１は、底部４１の肉を径方向外側に押し広げることができる。このため、ワーク４および穴部４０の伸長に伴って、ワーク４の側壁が過度に薄肉化するのを抑制することができる。

また、図２に示すように、中心軸Ｃに対するテーパ部２０１の傾斜角度ｙは、２０°以上３０°以下に設定されている。傾斜角度ｙを２０°以上としたのは、２０°未満の場合（つまりテーパ部２０１が尖っている場合）、図１（Ｃ）に示す底部４１（つまり抜きバリ）が打抜きポンチ２０に抱き付きやすくなるからである。すなわち、底部４１が、打抜きポンチ２０から剥離しにくくなるからである。他方、傾斜角度ｙを３０°以下としたのは、３０°超過の場合、ワーク４の側壁が下方に引っ張られやすくなり、ワーク４の外周面に引け（くびれ）が発生しやすくなるからである。

また、図１（Ｃ）に示すように、成形孔３００の内周面（伸長部４００に径方向に対向する部分）には、抜き勾配（下方に向かって縮径するテーパ形状）が設定されている。このため、トリミングステップ後において、成形孔３００からワーク４を簡単に取り外すことができる。なお、トリミングステップ後のワーク４の外周面にも、成形孔３００の抜き勾配に対応して、下方に向かって縮径するテーパ形状が残っている。このため、ワーク４から得られる製品にもテーパ形状が残っている場合がある。

（その他）
以上、本発明の打抜きポンチ、鍛造装置、鍛造方法の実施の形態について説明した。しかしながら、実施の形態は上記形態に特に限定されるものではない。当業者が行いうる種々の変形的形態、改良的形態で実施することも可能である。

例えば、図１（Ａ）に示す穴部４０の深さ（軸方向長さ）は特に限定しない。穴部４０は、底部４１（伸長対象部）付近まで到達していればよい。また、前方押出し加工ステップの前に、穴部４０を凹設しておかなくてもよい。前方押出し加工ステップで、ワーク４に穴部４０を凹設し、引き続き穴部４０を伸長させてもよい。

図２に示す中心軸Ｃに対するテーパ部２０１の傾斜角度ｙは、２０°未満や３０°超過であってもよい。これらの場合であっても、鍛造時間を短縮することができる。また、単一の鍛造装置１つまり単一の打抜きポンチ２０で、穴部４０の成形とトリミングとを行うことができる。

鍛造装置１の上型２、下型３の構成は限定しない。上型２、下型３のうち、少なくとも一方が、他方に対して離接可能な可動型であればよい。また、打抜きポンチ２０のストローク方向は特に限定しない。垂直方向（上下方向）でも、水平方向でも、これらの方向に対して傾斜する方向でもよい。

本発明の打抜きポンチ、鍛造装置、鍛造方法の製造対象物は特に限定しない。貫通する穴部４０を備える物であればよい。例えば、自動車用トランスミッション部品（ドライブピニオンギア、リダクションドライブギア、ロータシャフトなど）などが挙げられる。

図１（Ｃ）に示すトリミングステップ後に、ワーク４の穴部４０の外周面や内周面などに加工（例えばスプライン加工など）を施してもよい。あるいは、トリミングステップ後のワーク４を、そのまま製品としてもよい。

鍛造温度は特に限定しない。冷間でも温間でも熱間でもよい。冷間の場合、温間や熱間の場合と比較して、鍛造後のワーク４の熱収縮量が小さいため、図１（Ｃ）に示すトリミングステップにおいて、底部４１が打抜きポンチ２０から剥離しやすい。このため、図２に示す中心軸Ｃに対するテーパ部２０１の傾斜角度ｙを小さく（例えば２０°未満に）設定しやすい。

図２に示す軸方向断面におけるテーパ部２０１の形状は特に限定しない。直線状（図２のＬ１）、曲線状（図２のＬ２）などであってもよい。曲線状の場合、凹状（径方向内側に凹む形状）であっても凸状（径方向外側に膨らむ形状）であってもよい。また、複数の直線が連続する形状（折れ線状）、複数の曲線が連続する形状（連続曲線状）、直線と曲線とが連続する形状などであってもよい。ワーク４の材質は特に限定しない。例えば、鉄やアルミニウムを含有する金属などであってもよい。

（実験）
以下、図１（Ａ）～（Ｃ）に示す鍛造装置を用いて行った実験について説明する。実験においては、実施例１～３の合計３種類の打抜きポンチ２０を用いてワーク４を鍛造し、図１（Ｃ）に示すトリミングステップ後のワーク４の状態を観察した。

表１に、実施例１～３の寸法を示す（図２参照）。実施例１～３の材質は、いずれもＳＣＭ４２０（クロムモリブデン鋼）である。表１中のＹは、以下の式（２）に示すように、前述の式（１）の右辺である。
Ｙ＝－１６６×（ｄ／Ｄ）^２＋１２３×（ｄ／Ｄ）＋１５ ・・・ 式（２）

表１に示すように、実施例１～３の全てにおいて、式（１）の関係（ｙ＜Ｙ）が成立している。実験条件について、鍛造温度は９００℃である。成形荷重は約５０ｔである。使用した鍛造装置（プレス）１は、１２００ｔサーボプレスである。実験前に鍛造装置１を予熱し、鍛造装置１の型面に白色系潤滑剤を塗布した。実施例１～３のサンプル数は、各々５個とした。

図３に、実施例１～３のトリミングステップ後のワークの写真を示す。なお、左側から順に実施例１、実施例２、実施例３である。図３に示すように、実施例１、実施例２の外周面は滑らかで綺麗だった。他方、実施例３の外周面には、楕円枠で囲むように、引け（くびれ）が発生した。実験から、傾斜角度ｙが３５°以上だと、ワーク４の外周面に引けが発生しやすいことが判った。傾斜角度ｙが３５°未満だと、ワーク４の外周面に引けが発生しにくいことが判った。傾斜角度ｙが３０°以下だと、ワーク４の外周面にほとんど引けが発生しないことが判った。

（ＣＡＥ）
以下、上記実験と同様の条件で行ったＣＡＥ（Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ａｉｄｅｄ Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ）について説明する。ＣＡＥにおいては、実施例４～５の合計２種類の打抜きポンチ２０を用いてワーク４を鍛造し、図１（Ｃ）に示すトリミングステップ後のワーク４の状態を解析した。表２に、実施例４～５の寸法を示す（図２参照）。

表１、表２に示すように、実施例４は実施例１と寸法が同一である。表２に示すように、実施例５は実施例４と直径Ｄ、傾斜角度ｙが同一である。実施例４においては、式（１）の関係（ｙ＜Ｙ）が成立している。他方、実施例５においては、式（１）の関係（ｙ＜Ｙ）が成立していない。

トリミングステップ後のワーク４の状態を解析すると、実施例４の場合、ワーク４の外周面に発生した引けの量（図１（Ｃ）に示す下型３の成形孔３００の内周面の半径－トリミングステップ後のワーク４の外周面の半径）は、０．３ｍｍ以下だった。つまり、Ｄ／２を１００％として、引け量は２．７％以下だった。他方、実施例５の場合、ワーク４の外周面に発生した引けの量は、０．３ｍｍを超えていた。つまり、Ｄ／２を１００％として、引け量は２．７％を超えていた。ＣＡＥから、ｙ＜Ｙの場合、ワーク４の外周面に引けが発生しにくいことが判った。ｙ＞Ｙの場合、ワーク４の外周面に引けが発生しやすいことが判った。

１：鍛造装置、２：上型、３：下型、４：ワーク、２０：打抜きポンチ、３０：下型本体、３１：リング、４０：穴部、４１：底部、２００：先端面、２０１：テーパ部、２０２：小径部（胴部）、２０３：大径部、２０４：頭部、３００：成形孔、４００：伸長部、Ａ：角部、Ｂ：段差部、Ｃ：中心軸、Ｄ：直径、ｄ：直径、ｙ：傾斜角度

Claims (5)

1. 前方に向かって縮径するテーパ部を先端に備え、
   ワークを前方に押し出しながら前記ワークの穴部を成形する前方押出し加工と、前記穴部の底部を打ち抜くトリミングと、を行う打抜きポンチであって、
   さらに、前記テーパ部の後端に角部を介して連なる胴部を備え、
   前記胴部の軸方向に対する前記テーパ部の傾斜角度は、２０°以上３０°以下であり、
   前記打抜きポンチの軸方向断面における前記テーパ部の形状は、直線状である打抜きポンチ。
2. さらに、前記テーパ部の前端に連なる先端面を備え、
   前記胴部の直径Ｄ、前記先端面の直径ｄ、前記胴部の軸方向に対する前記テーパ部の傾斜角度ｙが、以下の式（１）を満たす請求項１に記載の打抜きポンチ。
   ｙ＜－１６６×（ｄ／Ｄ）^２＋１２３×（ｄ／Ｄ）＋１５ ・・・ 式（１）
3. 前方に向かって縮径するテーパ部を先端に備え、
   ワークを前方に押し出しながら前記ワークの穴部を成形する前方押出し加工と、前記穴部の底部を打ち抜くトリミングと、を行う打抜きポンチであって、
   さらに、前記テーパ部の後端に角部を介して連なる胴部と、前記テーパ部の前端に連なる先端面と、を備え、
   前記胴部の直径Ｄ、前記先端面の直径ｄ、前記胴部の軸方向に対する前記テーパ部の傾斜角度ｙが、以下の式（１）を満たす打抜きポンチ。
   ｙ＜－１６６×（ｄ／Ｄ）^２＋１２３×（ｄ／Ｄ）＋１５ ・・・ 式（１）
4. 請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の打抜きポンチを備える鍛造装置。
5. 請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の打抜きポンチでワークの穴部を成形する前方押出し加工ステップと、
   前記打抜きポンチで前記穴部の底部を打ち抜くトリミングステップと、
   を連続して行う伸ばし抜き工程を有する鍛造方法。

Images