JP5457099B2

JP5457099B2 - 金型の加熱構造

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Publication number: JP5457099B2
Application number: JP2009181438A
Authority: JP
Inventors: 克昭中村
Original assignee: RINASCIMETALLI Co., Ltd.
Current assignee: RINASCIMETALLI Co., Ltd.
Priority date: 2009-08-04
Filing date: 2009-08-04
Publication date: 2014-04-02
Anticipated expiration: 2029-08-04
Also published as: JP2011031285A

Description

本発明は、鍛造型、鋳造型、プレス型等の金型を用いた金属成型技術において、成型用金属材料を間接加熱するために用いる金型の加熱構造に関する。

一般に、金属性部品をプレス加工や鍛造加工等の塑性加工により製造する際に用いる金型や、溶融金属を型に流し込んで製造する鋳造加工の用いる金型等は、加工部品（ワーク）の成型製造プロセスにおいて、金型周辺より加熱することにより金型を介して加工材料に熱を伝導加熱して成型加工がし易いようにし、或は、加熱材料の圧力時の良好な熱変性を生起するようにしている。

そして、特許文献１〜４に示すように、従来の金型の加熱形態としては、金型の外側面にコイルヒーター等の加熱手段を配設するものがある。

すなわち、特許文献１においては、鋳造用金型の側面に金型予熱用の加熱コイルを密着させたものがあり、特許文献２においては、鍛造・鋳造用の金型の製品成形面に加熱器支持部品を嵌着自在に構成し、加熱器支持部品の表面に加熱器を設けたものがある。

また、特許文献３においては、金型の周壁に凹部を形成して、凹部に伝熱部材を嵌着して、金型を周壁から加熱するように構成したものがあり、特許文献４においては、熱間鍛造用の金型の上方に加熱筒を配設し、加熱筒に対して金型を上昇させて加熱筒中に金型が嵌着するように構成して、金型の周側面から予熱するようにしている。

特開２００１−１１３３５４号公報特開２００６−２０５２２０号公報特開２００３−２３０９３０号公報特開平１１−１５６４６８号公報

しかし、上記従来技術のように金型の外側面を直接加熱しても結局は金型の予熱であるため、実際の鍛造作業中に加熱するものではなく金型の加熱が不充分であり、更には、鍛造作業中には金型に大きな鍛造圧力が加圧されるため、加熱状態を充分に保持しながらの鍛造作業が困難である。

また、金型の外周方向から加熱するために加熱手段を金型の外側面に装備する必要があり、金型装置全体の構造が複雑となり、コスト上でも成型性能上も不利となる欠点があり、更には、熱損失が大きく熱効率が悪いという欠点があり、更には、仮に金型ホルダーの内側に配設された金型に直接加熱手段を装備する形態をとると、大きさ、形状等多様性の金型に対応することができないという欠点があった。

また、加熱手段を金型の上下部に配置することにより高い熱効率を得る事が可能となるが、ヒータによる加熱で圧力を受ける加熱手段を構成する部材が軟化して強度不足となり変形する危険性が非常に高い。特に、ヒータの近傍は高温になりやすく、加熱手段を構成する部材の受圧部分の変形のため、成型温度を高くすることが困難である。

請求項１記載の金型の加熱構造では、筒状ホルダー内に金型を収納保持した金属材料成型装置において、ヒータ線を敷設するための溝部を水平方向に所定の間隔をおいて刻設し、該溝部にヒータ線を収納敷設してカバープレートにより覆設したヒータプレートを多数段積層してヒータプレートユニットを構成し、このヒータプレートユニットを、筒状ホルダーの内底面と金型の外底面との間に介設したことを特徴とする。

請求項２記載の金型の加熱構造では、請求項１に記載の金型の加熱構造において、金型は、鍛造型、鋳造型、プレス型等の金型を用いた金属成型用金型であることを特徴とする。

請求項３記載の金型の加熱構造では、請求項１又は２に記載の金型の加熱構造において、金型で成型する金属材料は、金属体に変形抵抗を局部的に低下させた低変形抵抗領域を形成し、この低変形抵抗領域を剪断変形させて前記金属体の金属組織を微細化したことを特徴とする。

請求項１に記載の発明によれば、金属材料成型装置において、ヒータ線を敷設するための溝部を水平方向に所定の間隔をおいて刻設し、該溝部にヒータ線を収納敷設してカバープレートにより覆設したヒータプレートを多数段積層してヒータプレートユニットを構成し、このヒータプレートユニットを、筒状ホルダーの内底面と金型の外底面との間に介設したので、熱エネルギーは金型の底面から伝導して鍛造成型等のための金属材料を加熱することができ、直接に金型を加熱するため金属材料への熱エネルギーの伝達が効率的行える効果を有する。

しかも、金型の底部より熱伝導するため、金型全体への熱伝導が均等に迅速に行えると共に、ヒータプレートを金型の底部に敷く構造であるため、金型の各種の外形上に対応した共通の加熱構造とすることができ、全体構造のコスト低減をはかり得る効果がある。

更には、金属材料の成型の種類に応じて各種の金型と交換する際にも、金型を持ち上げてホルダーから抜去するだけでよく、ヒータプレートはそのまま残留させておくことができるので、金型交換に際しては他の金型をヒータプレート上に載置すればよく、金型の交換作業が容易となり、作業効率を向上できる効果がある。

また、特に鍛造成型において、金型に金型材料の耐面圧である６０ｋｇ／mm²以上の圧力負荷をかけても、ホルダーの底部に敷設したヒータプレートが複数段積層されているため、ヒータプレートにかかる圧力負荷が各層のヒータプレートに分散されることになり、従って、ヒータプレートに上方よりかかる大きな圧力負荷にもかかわらず、各層のヒータプレートの破損を可及的に防止することができる効果がある。

また、プレートユニット中にヒータ線を確実に内蔵して、上方からの金型押圧の圧力負荷をヒータ線に及ぼすことなく、プレートユニットの内部を保護することができる効果があり、しかも、複数段積層しそれぞれ独立したプレートユニットが更にヒータプレートとカバープレートの各種プレートにより構成されているため、各種プレートが多数枚積層されて存在することになり、金型にかかる圧力負荷を更に多数枚の各種プレートに分散することができ、より効率的な圧力分散負荷効果を上げることができる。

また、水平方向に所定間隔を空けてヒータ線を敷設したヒータプレートを複数段積層し、各ヒータプレートに敷設されたヒータ線を、垂直・水平方向に分散設置した構造としたので、各ヒータプレートのヒータ線を均熱化することで、個々のヒータ線の発熱量を最小限に留める事が可能となり、各ヒータプレートの加熱軟化を防ぎ、ヒータプレートにかかる上方からの加圧による変形を防止する効果がある。

また、各ヒータプレートに敷設されたヒータ線を、垂直・水平方向に分散設置した構造とすることで、各ヒータプレートのヒータ線を均熱化して加熱軟化を防ぎつつ、ヒータプレートの耐熱温度近傍までの金型加熱が可能となる。

すなわち、ヒータプレートに、例えば、耐熱性を有する熱間ダイス鋼（JIS-SKD61）を使用した場合に、同鋼材の焼き戻し温度は約550℃であり、耐熱温度は約500℃である。そして、金型温度を500℃に加熱したい場合でも、複数段積層させた各ヒータプレートにおいては、ヒータ線を上下方向に分散積層し、平面的にもレイアウトにより分散可能であるため、ヒータ線の近傍温度を500℃に設定する事で金型を約500℃に加熱する事が可能となる。これにより耐熱温度以下に管理されたヒータプレートは、鍛造加工による加工圧力によって変形することなく鍛造加工に使用する事が可能となる。

請求項２の発明によれば、金型が鍛造型、鋳造型、プレス型等の金型を用いた金属成型用金型であるため、特に金型に鍛造圧力がかかるので、かかる圧力負荷を各種のプレートに分散して、圧力から確実なヒータ線の保護をはかり得る効果がある。

請求項３の発明によれば、金属材料の組織が剪断化されて、その製造プロセスにおいて金型の加熱が効率的にかつ有効に行えるため、複雑な形状の鍛造型製品を容易に製造することができる効果がある。

図１は本実施例に係る金属材料成型装置の全体の構成を示す模式図である。図２は本実施例に係る金型の加熱構造の構成を示す部分断面図である。図３は本実施例に係るヒータプレートの構成を示す端面図である。図４は本実施例に係る金型の加熱構造の構成を示す部分断面図である。図５は変形例に係るプレス成型における金型の加熱構造の構成を示す模式図である。

この発明は、筒状ホルダー内に金型を収納保持した金属材料成型装置において、筒状ホルダーの内底面と金型の外底面との間に、表面にヒータ線を敷設したヒータプレートを複数段積層して介設したことを特徴とする金型の加熱構造である。

また、ヒータプレート表面にヒータ線を敷設するための溝部を刻設し、溝部中にヒータ線を収納敷設すると共に、ヒータプレート表面にカバープレートを覆設することにより、ヒータプレートユニットを構成し、該ヒータプレートユニットを複数段積層してホルダーの内定面と金型の外底面との間に介設している。

また、水平方向に所定間隔を空けてヒータ線を敷設したヒータプレートを複数段積層し、各ヒータプレートに敷設されたヒータ線を、垂直・水平方向に分散設置している。

また、金型は、鍛造用金型を用いるとともに、金型で成型する金属材料は、金属体に変形抵抗を局部的に低下させた低変形抵抗領域を形成し、この低変形抵抗領域を剪断変形させて前記金属体の金属組織を微細化したものである。

以下、この発明の実施例を図１〜４に基づいて説明する。

図１は本発明の金属材料成型装置の全体の構成を示す模式図である。図２は本発明の金型の加熱構造の構成を示す断面図である。図３は本発明のヒータプレートの構成を示す端面図である。図４は本発明の金型の加熱構造の構成を示す断面図である。

本実施例の金型の加熱構造１００は、鍛造用の金型１５０を用いた金属材料成型装置１０に装着されるものであり、金属の鍛造成型を行う際に、金型１５０に一定の熱を加えるように構成したものである。金属材料成型装置１０は、基台となるダイセット１１上に、プレス体１２を昇降自在に保持するプレス支持体１３を配設し、その下方にホルダーに保持した金型１５０を配設し、ガイドピン１４に沿ったプレス支持体１３の油圧による昇降作動によって、プレス体１２を介して金型１５０内で金属の成型を行うように構成している。

上記の金属材料成型装置１０に装着された金型の加熱構造１００は、基台１１０とその上方に重ねた保持盤１２０と、保持盤上に立設した筒状のホルダー（筒状ホルダー１３０、上部筒状ホルダー１４０）と、筒状ホルダー１３０の内底面に複数枚重複して積層したヒータプレートユニット１６０と、ヒータプレートユニット上に載置した金型１５０とによりなる。

基台１１０は円盤状に形成されて金属材料成型装置１０のダイセット１１上に載置固定される金属盤であり、一定の厚みを有し、その表面には、同心円上に冷却水の環状溝１１１が多数刻設されて、各環状溝１１１は、互いに架橋溝（図示せず）にて連通されている。

架橋溝は、注水口１１２と排水口１１３とを有し、基台の外周壁に開口し、別途設けた注排水ホースに連通接続可能に構成されており、金型による鍛造成型時において基台への遮熱のための冷却機能を果たす。

保持盤１２０は、基台１１０と同様の金属盤よりなり、周縁部でボルトを介して基台１１０と一体にダイセット１１に載置固定されている。しかも、保持盤１２０の中央表面には円形凹部１２１を形成しており、円形凹部１２１には断熱ユニット１２２を収納している。

ホルダーは筒状に形成した筒状ホルダー１３０とし、下端に外方に伸延したフランジ１３１を設け、上端に内方に伸延した押さえフランジ１３２を設けている。フランジ１３１には保持盤１２０と一体に固設するためのボルト取付孔１３３を形成しており、取付ボルトをボルト取付孔１３３から保持盤１２０に形成した雌ネジ孔１２３に挿通螺着することにより筒状ホルダー１３０と保持盤１２０とは一体に連設される。

また、保持盤１２０上に筒状ホルダー１３０を載置固定する前に、予め後述するヒータプレートユニット１６０を、保持盤１２０の上面に所要枚数積層し、次いで、筒状ホルダー１３０をその上から載置して、筒状ホルダー１３０内にヒータプレート１６１を積層したヒータプレートユニット１６０を収納した状態とする。この際積層したヒータプレートユニット１６０は、筒状ホルダー１３０上端の押さえフランジ１３２によって上面を押圧されてヒータプレートユニット１６０の固定がなされる。

ヒータプレート１６１は、図２又は図３に示すように、プレート単体の下面に環状ヒータ溝１６２を同心円状に所定間隔をおいて三廻り刻設し、その中にヒータ線１６３を収納しており、更に、プレート単体下面に薄膜のカバープレート１６４を積層して密着させ、これらを多数段積層してヒータプレートユニット１６０を構成する。かかるヒータプレート１６１を多数段（例えば、５〜７段）積層することにより熱源部を構成する。

このように、熱源部としてヒータプレート１６１を多数段積層した構成することにより、ヒータプレート１６１に収納されたヒータ線１６３は、垂直・水平方向に分散設置されることとなり、各ヒータプレート１６１のヒータ線１６３を均熱化することで、個々のヒータ線１６３の発熱量を最小限に留める事が可能となり、各ヒータプレート１６１の加熱軟化を防ぎ、各ヒータプレート１６１にかかる上方からの加圧による変形を防止する効果がある。

なお、上記ヒータプレートユニット１６０は、ヒータプレート１６１とカバープレート１６４との間にヒータ線１６３を介設して構成したものであるが、当初よりヒータ線１６３を内蔵した状態でヒータプレートユニット１６０を鋳造にて構成することもできる。

この場合、全体が一体構成の鋳造としたために金型の鍛造時の圧力負荷に対して強度を保持することができると共に、製造もヒータ線１６３と一体鋳造であるため簡単に行える効果がある。

しかも、本実施例においては、温度調整をするために熱測定が可能なように、上下３箇所の位置に上段熱電対１７１、中段熱電対１７２、下段熱電対１７３が配設されており、上段熱電対１７１は後述する金型の上部の温度を測定し、中段熱電対１７２は金型の中部の温度を測定する。そして、下段熱電対１７３はヒータプレートユニット１６０の温度を測定している。

すなわち、本実施例においては、熱源としてのヒータプレートユニット１６０の温度、熱源から金型１５０に熱伝導した場合の金型１５０の上部及び中部の温度を測定することにより、金属材料の種別や成型形状や鍛造時間等の各種条件に合致した熱制御を可能としている。

また、筒状ホルダー１３０の上面には、更に、上部筒状ホルダー１４０を積層固定している。すなわち、上部筒状ホルダー１４０は、下端外周に連結フランジ１４１を設け、該フランジを筒状ホルダー１３０の上端に形成した押さえフランジ１３２に重ねて、ボルトにて一体に連結固定している。

しかも、上部筒状ホルダー１４０の開口上端面には、環状の固定フランジ１４２を着脱自在に取付けている。固定フランジ１４２は、内周面を一部内方へ突出させて突出係合縁部を形成している。

後述する金型１５０を上部筒状ホルダー１４０内に収納した際に、金型１５０の上端周縁部分に形成した凹部係合段と固定フランジ１４２の突出係合縁部とを係合密着させながら、上部筒状ホルダー１４０の開口上端面上に固定フランジ１４２を重ねてボルトで連結固定すれば、金型１５０は上部筒状ホルダー１４０内に収納固定された状態となる。

金型１５０は、上部筒状ホルダー１４０中に収納されて、筒状ホルダー１３０中のヒータプレートユニット１６０上に載置された状態となる。すなわち、金型１５０の底面とヒータプレートユニット１６０を構成する最上層のヒータプレート１６１の上面とが当設した状態で、ヒータプレートユニット１６０からの熱が金型１５０に直接伝導することになる。

金型１５０は成型形状に合わせて、１個又は複数個の金型要素に分割可能に構成されており、金型１５０の内部には、所定の成型形状に合致した凹部が形成されている。従って、金型１５０の型枠内に原形金属を挿入して、金属材料成型装置１０の油圧シリンダ（図示せず）によって、プレス体１２により原形金属に圧を加えれば、金型１５０の型枠形状に合致した金属変形が生起し、所望の金属製品が得られる。

上部筒状ホルダー１４０中に金型１５０を収納した際には、上部筒状ホルダー１４０の内周面と金型１５０の外周面との間にわずかな遮熱用のクリアランス１８０が形成されるようにしており、ヒータプレートユニット１６０から金型１５０に伝えられた伝導熱が可及的に上部筒状ホルダー１４０に伝わらないようにしている。

本発明の実施例においては、このような鍛造による金属製品の製造過程で、特に金型１５０の型枠中に、一定の圧力（例えば、６０Ｋｇ／mm²）で原形金属を押し込む過程において、金型１５０の底部にヒータプレートユニット１６０からの熱を伝導することにより金型１５０を加熱している。

このように、本発明の実施例においては、金型１５０を底部から加熱しながら鍛造作業を行うものである。特に、この際に金型１５０の底部からヒータプレートユニット１６０を介して加熱する構造とし、更には、ヒータプレートユニット１６０はヒータプレート１６１とカバープレート１６４とよりなり、その間でヒータプレート１６１の環状ヒータ溝１６２にヒータ線１６３を嵌入しているため、金型１５０に加わる圧力はヒータプレートユニット１６０で受けることになり、しかも、ヒータプレート１６１とカバープレート１６４とが多断層で積層されているので、金型１５０からの圧力負荷は、各プレートにそれぞれ分散してヒータ線１６３を保護し、かつ伝導効率のよい金型加熱をして成型材料の鍛造効率を向上することができる。

更には、本実施形態においては、各ヒータプレート１６１に収納されたヒータ線１６３を、垂直・水平方向に分散設置する構造としたので、各ヒータプレート１６１の局所的な発熱を避けて均熱化することでき、各ヒータプレート１６１の加熱軟化を防ぎ、各ヒータプレート１６１にかかる上方からの加圧による変形を防止することができる。また、各ヒータプレート１６１に使用される金属材料（例えば、熱間ダイス鋼（JIS-SKD61））の耐熱温度（例えば、約500℃）近傍まで金型１５０を加熱することができる。

更には、本実施例においては、複数配設した熱電対（上段熱電対１７１、中段熱電対１７２、下段熱電対１７３）により熱制御を行うことができ、金属材料の種別や成型形状や鍛造時間等の各種条件に合致した熱制御が可能となる。

更には、金型１５０を取り替える際には、環状の固定フランジ１４２を取り除き、上部筒状ホルダー１４０から金型１５０を抜去して他の金型１５０を上部筒状ホルダー１４０に挿入するのみでよく、筒状ホルダー１３０の底部に配した熱源たるヒータプレートユニット１６０はそのままで、熱伝熱効率のよい状態で確実に金型１５０のセットが行えるものである。

また、ヒータプレートユニット１６０のうち、金型１５０からの高圧力によってヒータプレート１６１の一部が損傷しても、上部筒状ホルダー１４０と筒状ホルダー１３０とを分解して、ヒータプレートユニット１６０を取り出して適宜メンテナンスとしてのヒータプレート１６１の交換が容易に行える構成としている。

なお、上部筒状ホルダー１４０内に収納した金型１５０は、ヒータプレートユニット１６０から加熱されるものであるが、金型１５０の外周方から金型を加熱するための補助ヒータ１８１を、金型１５０の周面内部或は金型１５０の外周面を囲繞した形状で配設することができる。すなわち、図４に示すように、上部筒状ホルダー１４０の内周面の所定位置に金型１５０の外周面を囲繞して接する状態で、熱源としての補助ヒータ１８１を配設することもできる。

本発明の変形例としてプレート鋼板のプレス成型における金型の加熱構造について図５に基づいて説明する。図５は変形例に係るプレス成型における金型の加熱構造の構成を示す模式図である。

すなわち、図５に示すようにこの変形例は、プレス成型における金型の加熱構造２００としており、内部に所定の成型凹部２０１ａを形成した金型２０１が、上方を開口状態として金型基台２０３上に載置されている。

金型２０１の開口部分には、プレート鋼板２０４が平面的に載置されており、その上方には、金型２０１の成型凹部２０１ａに上方から降下嵌入自在とした雄金型２０２が配設されている。

プレート鋼板２０４の金型２０１の外方においては、プレート鋼板２０４の上方及び下方に、上下プレートホルダー２０５が配設されており、この上下プレートホルダー２０５によってプレート鋼板２０４が圧着挟持されている。

上下プレートホルダー２０５は、複数枚（例えば、３枚）のプレートを重複して積層した構成としており、各プレートには複数（例えば、３個）のヒータワイヤ２０６が収納されている。そして、各プレートに収納されているヒータワイヤ２０６を加熱することにより、プレート鋼板２０４に熱伝導してプレート鋼板２０４を加熱するように構成している。このように金型２０１の両外方からプレート鋼板２０４を加熱することにより、金型２０１に合致するプレート鋼板２０４に熱変形し易い部分を形成し、この可塑部分において雄金型２０２と金型２０１とによりプレス変形加工を行うようにしている。

以上のように、この変形例においては、プレート鋼板２０４の所定の変形部分のみを熱伝導により加熱することができ、しかもプレス加圧部外に配置した加熱部（つまり、上下プレートホルダー２０５に収納されたヒータワイヤ２０６）において加熱するものであるため、プレス加圧の加圧負荷は加熱部に一切影響することはなく、金属板（例えば、プレート鋼板２０４）の加熱変形作業が円滑に行える効果を有する。

また、この変形例においても、プレス加圧部外に配置した加熱部であるプレートホルダー２０５は、それぞれ複数（例えば、３個）のヒータワイヤ２０６を収納した複数枚（例えば、３枚）のプレートを重複して積層し、ヒータワイヤ２０６を垂直・水平方向に分散して設置する構成としたため、プレートホルダー２０５の局所的な加熱を避けて均熱化することができ、プレートホルダー２０５の加熱軟化を防ぐことを可能としている。

以上、実施例を通して本発明を説明してきたが、本発明はこれらに限定されるものではない。また、上述した各効果は、本発明から生じる最も好適な効果を列挙したに過ぎず、本発明による効果は、本実施例に記載されたものに限定されるものではない。

１０金属形成装置
１００金型の加熱構造
１１０基台
１２０保持盤
１３０筒状ホルダー
１４０上部筒状ホルダー
１５０金型
１６０ヒータプレートユニット
１６１ヒータプレート
１６２環状ヒータ溝
１６３ヒータ線
１６４カバープレート

Claims

筒状ホルダー内に金型を収納保持した金属材料成型装置において、
ヒータ線を敷設するための溝部を水平方向に所定の間隔をおいて刻設し、該溝部にヒータ線を収納敷設してカバープレートにより覆設したヒータプレートを多数段積層してヒータプレートユニットを構成し、このヒータプレートユニットを、筒状ホルダーの内底面と金型の外底面との間に介設したことを特徴とする金型の加熱構造。
金型は、鍛造型、鋳造型、プレス型等の金型を用いた金属成型用金型であることを特徴とする請求項１に記載の金型の加熱構造。
金型で成型する金属材料は、金属体に変形抵抗を局部的に低下させた低変形抵抗領域を形成し、この低変形抵抗領域を剪断変形させて前記金属体の金属組織を微細化したことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の金型の加熱構造。