JP7167820B2 - 円形材の製造方法 - Google Patents

Description

本開示は、円形材の製造方法に関する。

鉄道用車輪、ギア、リング等といった円形材は、例えば、次のように製造される。初めに、ビレットを加熱する。加熱されたビレットに対して１回以上の鍛造を実施し、予成形材を成形する。予成形材に対して仕上げ圧延、仕上げ鍛造等を施し、予成形材を所定の外形及び寸法に成形する。その後、必要に応じて熱処理、機械加工等を実施して、円形材を得る。

例えば、特許文献１は、エアコン用コンプレッサのスクロール部品である円形材の製造方法を開示する。この方法では、アルミニウム合金丸棒を据え込み加工して予成形材を成形し、パンチ及びダイスを用いてこの予成形材を鍛造する。予成形材は、パンチにより、スクロール部品の羽根部を成形するためのダイス空間に押し込まれる。予成形材において羽根部が成長している途中で、この羽根部に対し、成長方向と反対方向の背圧が付与される。

国際公開第０１／７７３９８号

ところで、円形材の一種として、薄肉の湾曲円板部と、厚肉の外周部とを有するものが知られている。このような円形材は、上型及び下型からなる金型を用い、予成形材に曲げ加工を施すことで成形される。具体的には、予成形材の平坦な円板部を下型で支持し、予成形材を上型で圧下することで、円板部を曲げる。

しかしながら、円板部を曲げる際、予成形材の外周部近傍の材料が半径方向外側かつ下方に向かって流動する。そのため、外周部が下型から半径方向外側に向かって離れやすく、外周部において欠肉が生じやすい。

本開示は、欠肉を抑制することができる円形材の製造方法を提供することを課題とする。

本開示に係る円形材の製造方法は、準備工程と、鍛造工程と、を備える。準備工程では、円板部と、円板部の外周縁に接続され、円板部よりも厚肉である外周部と、を含む予成形材を準備する。鍛造工程では、上型と、第１及び第２下型と、を含む金型によって予成形材を鍛造する。鍛造工程は、拘束工程と、曲げ工程と、を含む。拘束工程では、円板部を第１下型上に載置するとともに、外周部を第２下型に対向させた状態で上型を下降させ、外周部を第２下型及び上型で挟む。曲げ工程では、拘束工程後、上型をさらに下降させて下死点に到達させ、上型及び第１下型によって予成形材の円板部を曲げる。

本開示に係る円形材の製造方法によれば、欠肉を抑制することができる。

図１は、実施形態に係る製造方法で製造される円形材の縦断面図である。 図２は、図１に示す円形材の素材となる予成形材の縦断面図である。 図３は、実施形態に係る製造方法の鍛造工程で用いられる金型の１／２鉛直断面図である。 図４は、鍛造工程を説明するための模式図である。 図５は、鍛造工程を説明するための模式図である。 図６は、鍛造工程を説明するための模式図である。 図７は、鍛造工程を説明するための模式図である。 図８は、他の実施形態に係る製造方法の鍛造工程を説明するための模式図である。 図９は、一般的な方法で円形材を製造する場合を説明するための模式図である。

実施形態に係る円形材の製造方法は、準備工程と、鍛造工程と、を備える。準備工程では、円板部と、円板部の外周縁に接続され、円板部よりも厚肉である外周部と、を含む予成形材を準備する。鍛造工程では、上型と、第１及び第２下型と、を含む金型によって予成形材を鍛造する。鍛造工程は、拘束工程と、曲げ工程と、を含む。拘束工程では、円板部を第１下型上に載置するとともに、外周部を第２下型に対向させた状態で上型を下降させ、外周部を第２下型及び上型で挟む。曲げ工程では、拘束工程後、上型をさらに下降させて下死点に到達させ、上型及び第１下型によって予成形材の円板部を曲げる（第１の構成）。

第１の構成に係る円形材の製造方法では、上型及び第１下型によって予成形材の円板部が曲げられる間、予成形材の外周部が上型及び第２下型で挟まれて拘束されている。これにより、予成形材の鍛造中、半径方向外側への材料の流動が規制され、外周部を第１下型に沿わせることができる。よって、外周部における欠肉を抑制することができる。

上記の円形材の製造方法において、金型はさらに、第２下型を上方に向かって付勢する弾性部材を含んでいてもよい（第２の構成）。

第２の構成によれば、弾性部材の作用により、第２下型が外周部を下方から加圧するため、上型及び第２下型によって外周部をより強固に拘束することができる。よって、材料がより流動しにくくなり、外周部における欠肉をさらに抑制することができる。

第１の構成において、金型はさらに、第２下型を上下方向に移動させる駆動装置を含んでいてもよい（第３の構成）。

第３の構成によれば、駆動装置を制御して第２下型を上下動させることで、上型及び第２下型によって外周部を拘束する力及びタイミングを任意に設定することができる。

以下、図面を参照して本開示の実施の形態を詳しく説明する。図中同一又は相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。

［円形材の構成］
図１を参照して、まず、本実施形態に係る製造方法によって製造される円形材１について説明する。図１は、円形材１の縦断面図である。縦断面とは、円形材１の中心軸Ａ１を含む平面で切断した断面をいう。円形材１において、中心軸Ａ１が延びる方向は軸方向又は厚み方向であり、中心軸Ａ１に垂直な方向は半径方向である。

図１に示すように、円形材１は、湾曲円板部１１と、外周部１２と、を含む。

円形材１の軸方向視で、湾曲円板部１１の外形は実質的に円形である。湾曲円板部１１は、円環板状であってもよいし、孔なしの円板状であってもよい。本実施形態では、湾曲円板部１１は、孔なしの円板状である。円形材１の縦断面視では、湾曲円板部１１は、湾曲形状を有する。具体的には、湾曲円板部１１のうち半径方向の中央部分が軸方向の一方側に隆起している。

本実施形態において、湾曲円板部１１は、全体にわたり、概ね一定の厚みを有する。ただし、湾曲円板部１１では、他の部分と比較して厚みが大きい部分が存在してもよい。例えば、湾曲円板部１１が円環板状の場合、湾曲円板部１１の内周部分を他の部分よりも厚肉とすることができる。

外周部１２は、湾曲円板部１１を取り囲む。外周部１２は、湾曲円板部１１の外周縁１１１に接続されている。外周部１２は、湾曲円板部１１よりも厚肉である。外周部１２の厚みは、少なくとも、湾曲円板部１１の外周縁１１１の厚みよりも大きい。そのため、円形材１において、外周部１２は、湾曲円板部１１の外周縁１１１から厚み方向の両側に突出している。

［円形材の製造方法］
次に、円形材１の製造方法について説明する。本実施形態に係る円形材１の製造方法は、準備工程と、鍛造工程と、を含む。

（準備工程）
図２を参照して、準備工程では、円形材１（図１）の素材となる予成形材２を準備する。図２は、予成形材２の縦断面図である。ここでの縦断面とは、予成形材２の中心軸Ａ２を含む平面で切断した断面をいう。予成形材２において、中心軸Ａ２が延びる方向は軸方向又は厚み方向であり、中心軸Ａ２に垂直な方向は半径方向である。

予成形材２は、例えば、鋼からなるビレットに対し、１回以上の鍛造を実施して得ることができる。予成形材２は、円板部２１と、外周部２２と、を含む。

円板部２１は、円形材１の湾曲円板部１１（図１）に対応する部分であり、湾曲円板部１１と同様、予成形材２の軸方向視で実質的に円形の外形を有する。ただし、円板部２１は、湾曲しておらず、概ね平板状である。

円板部２１の厚みは、円形材１の湾曲円板部１１（図１）に対応して、全体にわたって概ね一定である。円形材１の湾曲円板部１１が厚肉の内周部分を有する場合、予成形材２の円板部２１の内周部分も円板部２１の他の部分よりも厚肉となる。

円板部２１は、外周縁２１１を有する。外周縁２１１には外周部２２が接続される。外周部２２は、円板部２１を取り囲む。外周部２２は、円形材１の外周部１２（図１）に対応する部分である。

外周部２２は、円板部２１よりも厚肉である。外周部２２は、予成形材２の縦断面視で、円板部２１よりも厚み方向の一方側及び他方側に突出する。すなわち、予成形材２は概略Ｈ形状の縦断面を有している。

（鍛造工程）
鍛造工程では、準備した予成形材２を鍛造する。

鍛造工程では、図３に示す金型３が用いられる。図３は、金型３の１／２鉛直断面図を示す。まず、金型３について説明する。

図３を参照して、金型３は、公知のプレス機（図示略）に取り付けられる。金型３は、上型３１と、第１下型３２と、第２下型３３と、を含む。金型３は、さらに、弾性部材３４を含む。

上型３１は、図示しないプレス機のラムに取り付けられ、鉛直方向に移動可能である。上型３１は、予成形材２を上方から圧下する。上型３１の下面には、凸部３１１と、平坦部３１２と、が設けられる。凸部３１１は、平坦部３１２よりも下方に突出している。凸部３１１は、円形材１の湾曲円板部１１（図１）に対応する形状を有する。すなわち、凸部３１１は、湾曲円板部１１の軸方向の一方面に相当する湾曲形状を有する。平坦部３１２は、凸部３１１の周囲に設けられる。平坦部３１２は、凸部３１１の外周縁に接続される。平坦部３１２は、凸部３１１の外周縁から概ね水平に延びている。

第１下型３２は、本体部３２１と、フランジ部３２２と、を含む。本体部３２１の上面３２１ａは、上型３１の凸部３１１に対向する。上面３２１ａは、上型３１の凸部３１１とともに円形材１の湾曲円板部１１（図１）を成形する加工面であり、湾曲円板部１１に対応する形状を有する。すなわち、上面３２１ａは、湾曲円板部１１の軸方向の他方面に相当する湾曲形状を有する。

フランジ部３２２は、本体部３２１の周囲に設けられる。フランジ部３２２は、本体部３２１から、その外周側に突出する。フランジ部３２２は、本体部３２１の下部に接続されている。

第２下型３３は、第１下型３２の本体部３２１の周囲に設けられ、上型３１の平坦部３１２と対向する。第２下型３３は、第１下型３２のフランジ部３２２の上方に位置付けられる。第２下型３３は、弾性部材３４を介し、フランジ部３２２によって支持されている。

弾性部材３４の下端部は、第１下型３２のフランジ部３２２に接続される。弾性部材３４の上端部は、第２下型３３に接続されている。弾性部材３４は、第２下型３３を上方に向かって付勢する。弾性部材３４の付勢力は、上型３１の圧下力よりも弱くなるように設定される。弾性部材３４は、例えば、ばね、油圧ダンパである。

次に、図４～図７を参照して、金型３によって予成形材２を鍛造する工程について説明する。図４～図７は、予成形材２の鍛造工程を説明するための模式図である。鍛造工程は、予成形材２の外周部２２を拘束する拘束工程と、予成形材２の円板部２１を曲げる曲げ工程と、を含む。

図４を参照して、拘束工程では、初めに予成形材２の円板部２１を第１下型３２上に載置する。より具体的には、円板部２１の中央部分を第１下型３２の本体部３２１上に載置する。この際、円板部２１の外周部分は、本体部３２１の上面３２１ａに接触しない。また、予成形材２の外周部２２は、第２下型３３と接触せずに対向している。

この状態から上型３１を下降させると、図５に示すように、凸部３１１が予成形材２に接触する。より詳細には、予成形材２の円板部２１のうち第１下型３２に接触していない外周部分に、凸部３１１が上方から接触する。これにより、円板部２１の外周部分が下方に移動するとともに、外周部２２も下方に移動する。すなわち、円板部２１及び外周部２２が上型３１によって圧下される。

予成形材２の外周部２２は、所定の距離下降した時点で第２下型３３と接触する。第２下型３３は弾性部材３４により上方に向けて付勢されているため、外周部２２が第２下型３３に到達した後、外周部２２の下降速度は低下する。外周部２２の下降が第２下型３３によって妨げられる一方、上型３１は速度を緩めずに下降し続ける。その結果、図６に示すように、上型３１の平坦部３１２が外周部２２に接触し、外周部２２が第２下型３３及び平坦部３１２によって挟まれる。これにより、拘束工程が完了する。

拘束工程の完了後、曲げ工程を実施する。曲げ工程では、上型３１をさらに下降させ、円板部２１を曲げる。この際、外周部２２は、第２下型３３及び上型３１で挟まれて拘束された状態となっている。この状態のまま、図７に示すように、上型３１を下降させて下死点まで到達させると、円板部２１の外周部分が第１下型３２の本体部３２１に接触し、上型３１及び第１下型３２によって円板部２１が狙いの湾曲形状に成形される。これにより、図７に示すように、曲げ工程が完了し、円形材１が得られる。

［効果］
一般的な方法で円形材１を製造する場合、例えば図９に示すように、上型３１と、下型９２と、を含む金型９で予成形材２の円板部２１に曲げ加工を施す。このとき、外周部２２が下型９２に未達の状態で円板部２１の曲げ加工が開始されるため、外周部２２の材料が予成形材２の半径方向外側かつ下方に向かって流動する。そのため、外周部２２の内径が拡大し、半径方向において外周部２２と下型９２との間に隙間Ｓが生じる。その結果、製造された円形材１の外周部１２に欠肉が生じやすい。これに対し、本実施形態の円形材１の製造方法では、外周部２２を上型３１及び第２下型３３で拘束した状態で円板部２１を曲げる。そのため、材料の半径方向外側への流動が抑制され、半径方向において外周部２２と第１下型３２との間に隙間が生じにくい。よって、製造された円形材１の外周部１２における欠肉を抑制することができる。

円形材１の外周部１２に欠肉が生じる可能性がある場合、一般に、この欠肉を補うことが可能な程度の余肉を、素材である予成形材２の外周部２２に設けておく必要がある。そのため、予成形材２に投入する材料の重量が増加し、歩留りが低下する。また、予成形材２から製造された円形材１において、機械加工等によって除去すべき余剰な材料が増えるため、加工負荷が増大する。さらに、予成形材２の円板部２１を金型９で圧下すると外周部２２が半径方向外側に押し出されるため、外周部２２では半径方向内側又は厚み方向に余肉を持たせる必要がある。予成形材２の外周部２２において半径方向内側に余肉を持たせた場合、加工中に外周部２２が金型９とこすれて円形材１に疵が生じる可能性がある。外周部２２において厚み方向に余肉を持たせた場合も、上型３１が下死点に到達した際に外周部２２が座屈し、やはり円形材１に疵が発生する可能性がある。

これに対し、本実施形態の円形材１の製造方法では、円形材１の外周部１２の欠肉が抑制されるため、予成形材２の外周部２２に不必要に余肉を設ける必要がない。よって、予成形材２に投入する材料の重量を低減させることができ、歩留りを向上させることができる。また、円形材１の余剰な材料を除去するための機械加工等を不要又は最小限とすることができるため、加工負荷を低減させることができる。さらに、予成形材２の余肉に起因して発生する円形材１の疵を抑制することができる。

本実施形態の円形材１の製造方法では、弾性部材３４が第２下型３３を上方に向かって付勢する。そのため、第２下型３３及び上型３１によって外周部２２を強固に挟むことができ、円板部２１の曲げ加工中における材料の流動がさらに抑制される。よって、外周部２２における欠肉をさらに抑制することができる。

また、上型３１の凸部３１１が円板部２１を圧下する場合、外周部２２の下面が外周側に向かって反りやすい。弾性部材３４によって第２下型３３を上方に付勢することで、外周部２２が第２下型３３から受ける垂直抗力が増大し、外周部２２の下面と第２下型３３との間の摩擦力が大きくなる。この摩擦力により、外周部２２の下面が外側に向かって反りにくくなる。よって、外周部２２の内径が拡大しにくくなり、外周部２２における欠肉をさらに抑制することができる。

以上、本実施形態の円形材の製造方法について説明した。その他、本開示は上記の実施形態に限定されず、本開示の趣旨を逸脱しない範囲で、種々の変更が可能であることは言うまでもない。

例えば、上記の実施形態では、拘束工程において、第２下型３３が上型３１よりも先に予成形材２の外周部２２と接触する場合について説明した。しかしながら、上型３１が第２下型３３よりも先に外周部２２と接触してもよい。要するに、上型３１が下死点に到達する前に外周部２２が上型３１及び第２下型３３によって挟まれればよく、上型３１及び第２下型３３が外周部２２と接触する順序は問わない。

上記の実施形態では、金型３が弾性部材３４を含む場合について説明した。しかしながら、金型３は、図８に示すように、弾性部材３４に代えて駆動装置３５を含んでいてもよい。駆動装置３５の上端部は、第２下型３３に接続される。駆動装置３５の下端部は、第１下型３２のフランジ部３２２に接続されていてもよいし、ボルスタプレート（図示略）に接続されていてもよい。駆動装置３５は、油圧制御により伸縮可能に構成されている。駆動装置３５は、例えば、油圧シリンダである。

このような構成の金型３により、駆動装置３５は第２下型３３を上下方向に自在に移動させることができる。よって、鍛造中に上型３１及び第２下型３３によって外周部２２を拘束する力を任意に設定することができ、かつ、第２下型３３を任意のタイミングで予成形材２の外周部２２に接触させることができる。

例えば、予成形材２を第１下型３２に載置し、駆動装置３５を伸長させれば、上型３１よりも先に第２下型３３を外周部２２に接触させることができる。あるいは、第２下型３３が上型３１と同時に外周部２２に接触するように駆動装置３５を伸長制御してもよい。また、上記の実施形態と同様、第２下型３３が上型３１よりも後に外周部２２に接触するように駆動装置３５を伸長制御することもできる。第２下型３３が外周部２２に接触した後、この第２下型３３と上型３１とで外周部２２を拘束した状態で、上型３１の下降速度に応じて駆動装置３５を縮退させながら、上型３１を下死点に到達させる。これにより、上型３１及び第１下型３２によって予成形材２の円板部２１を曲げることができる。

上記の実施形態に係る製造方法において、鍛造工程で得られる円形材は、仕上げ鍛造品であってもよいし、鍛造荒地であってもよい。円形材が鍛造荒地である場合、この円形材は、仕上げ鍛造、機械加工等を経て最終製品となる。

円形材を成形する鍛造工程は、熱間で実施されてもよいし、冷間で実施されてもよい。鍛造工程を熱間で実施する場合、鍛造工程の前に予成形材を所定の温度に加熱すればよい。

１：円形材
１１：湾曲円板部
１１１：外周縁
１２：外周部
２：予成形材
２１：円板部
２１１：円板部の外周縁
２２：外周部
３：金型
３１：上型
３２：第１下型
３３：第２下型
３４：弾性部材
３５：駆動装置

Claims (3)

1. 円形材の製造方法であって、
   円板部と、
   前記円板部の外周縁に接続され、前記円板部よりも厚肉である外周部と、を含む予成形材を準備する準備工程と、
   上型と、第１及び第２下型と、を含む金型によって前記予成形材を鍛造する鍛造工程と、を備え、
   前記鍛造工程は、
   前記円板部を前記第１下型上に載置するとともに、前記外周部を前記第２下型に対向させた状態で前記上型を下降させ、前記外周部を第２下型及び前記上型で挟む拘束工程と、
   前記拘束工程後、前記上型をさらに下降させて下死点に到達させ、前記上型及び前記第１下型によって前記予成形材の前記円板部を曲げる曲げ工程と、を含む、円形材の製造方法。
2. 請求項１に記載の円形材の製造方法であって、
   前記金型はさらに、
   前記第２下型を上方に向かって付勢する弾性部材を含む、円形材の製造方法。
3. 請求項１に記載の円形材の製造方法であって、
   前記金型はさらに、
   前記第２下型を上下方向に移動させる駆動装置を含む、円形材の製造方法。
   

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