JP5937872B2

JP5937872B2 - 熱間鍛造用金型装置とその締結方法

Info

Publication number: JP5937872B2
Application number: JP2012086397A
Authority: JP
Inventors: 卓長田; 恭英本田; 重臣荒木; 昌吾村上; 小島　壮一郎; 壮一郎小島; 悠介百田
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2012-04-05
Filing date: 2012-04-05
Publication date: 2016-06-22
Anticipated expiration: 2032-04-05
Also published as: JP2013215745A

Description

この発明は、難加工性材料の熱間鍛造に使用される加熱金型装置と、その締結方法に関するものである。

チタン合金やＮｉ基合金等の難加工性材料の鍛造に際しては、金型温度を鍛造素材の加熱温度と略同程度に保持し、歪速度を一定範囲内に制御して鍛造する恒温鍛造法や金型温度を鍛造素材の加熱温度に近づけると共に歪速度を制御して鍛造するホットダイフォージング方法が、難加工性金属材料を熱間精密型鍛造する方法として、適用されるようになった。

上記の恒温鍛造やホットダイフォージングに用いられる金型構造としては、熱間鍛造プレス装置１において、例えば、インダクションヒータなどの熱源２によって加熱される金型３、４は、プレス装置本体のベースプレート５、６に固定された金型支持台７、８に取り付けられている。そして、熱源２によって加熱された金型３、４から金型支持台７、８およびプレス装置本体側への熱移動を防ぐために、金型３、４と金型支持台７、８との間には、断熱構造部材９、１０が配置されている。この断熱構造部材９、１０には、金型に作用する鍛造荷重を受けるために、高い圧縮強度が要求される。（断熱構造部材、金型支持台は、タイロッドなどの締結手段によって、前記ベースプレートに取り付けられて一体化されている。）

しかし、上記の熱間精密型鍛造では、上下の金型は、鍛造素材の加熱温度に近い温度まで加熱されるため、常温で前記断熱プレートとダイプレートとを、前記プレス本体のベースプレートに取り付けて一体化しても、（一般に、通常）前記締結手段と一体化した断熱プレートとダイプレートおよびベースプレートの熱膨張量が異なるため、加熱過程で締結状態が緩んで不安定になり、隙間が発生するなどの不具合が生じる。このため、上記の難加工性金属材料の熱間精密型鍛造では、一般に、航空機や自動車部品等の複雑形状の精密成形を行なうため、成形品の寸法精度が低下し、また鍛造荷重の作用により、断熱プレートの断熱材の割損を生じて断熱性能も低下するなどの問題があった。

前記上金型と下金型とを有する加熱金型については、例えば特許文献１に、セラミックまたは黒鉛から成る金型部材を、加熱時にほとんど熱膨張を示さない複合繊維材料からなる補強リングで、常温で遊びのある状態で囲み、加熱時の金型部材の熱膨張により、金型部材が周囲の補強リングに密着して、補強リングが金型部材に、鍛造時に必然的に発生する引張り応力を減殺する作用を有する圧縮応力を及ぼすようにして、金型寿命を大幅に伸ばす結果をもたらす高温鍛造金型が記載されている。前記金型部材と補強リング間の遊びは、誘導された圧縮応力が鍛造加工温度において予め設定された値になるように、金型部材の使用材料の熱膨張係数を考慮して設定され得る。

特開２００８−４４０１２号公報

しかし、常温で前記断熱プレートとダイプレートとを、前記プレス本体のベースプレートに取り付けて一体化した金型装置では、前記各プレートの熱膨張係数が異なるため、金型部材の使用材料の熱膨張係数を考慮した設定が難しい。すなわち金型加熱過程における一体化した前記各プレートの緩みを予測して、常温での締結状態を調節することは難しいため、成形品の寸法精度が低下し、また断熱プレートの断熱材の割損を生じて断熱性能も低下するなどの問題が発生することは不可避であった。

そこで、この発明の課題は、少なくとも金型と断熱プレートとダイプレートとを一体化してプレス本体のベースプレートに取り付けることにより、金型の加熱過程で、この一体化した締結状態に緩みを生じずに安定した熱間精密型鍛造を実施できる熱間鍛造用金型装置およびその締結方法を提供することである。

前記の課題を解決するために、この発明では以下の構成を採用したのである。

請求項１に係る熱間鍛造金型装置は、熱間鍛造用プレスに使用される金型装置であって、加熱用熱源によって加熱される一対の金型と、前記一対の金型を、プレス本体に固定したベースプレートに各々支持する金型支持部材を備えるとともに、少なくとも前記一対の金型と前記金型支持部材とが、タイロッドまたはボルトと、ナットからなる締結手段により一体化され、この一体化が、前記タイロッドまたはボルトの両端側に嵌挿した皿ばねを介在させて行なわれたことを特徴とする。

このように、弾性部材である皿ばねを介在させることにより、常温で前記断熱プレートとダイプレートとべースプレートを締結したときに、皿ばねのたわみによって生じる復原力の作用で、上記の各プレートはそれぞれ、その合わせ面方向に付勢される。したがって、金型の加熱過程で、上記締結手段と一体化した断熱プレートとダイプレートおよびベースプレートの熱膨張量の相違による締結状態の緩みを前記復原力の作用によって、すなわち皿ばねのたわみによって吸収することができ、常温での締結状態が保たれる。

請求項２に係る熱間鍛造用金型装置は、請求項１において、一対の金型が、この金型および／または前記金型支持部材に組み入れたヒータによりそれぞれ加熱されることを特徴とする。

このようにすれば、加熱用熱源を、金型と加熱過程で締結状態に緩みが発生しない金型支持部材の間に組み入れることにより、コンパクトで成形品の寸法精度および断熱効果が安定したコンパクトな熱間鍛造用金型を実現することができる。

請求項３に係る熱間鍛造用金型装置は、請求項１または２において、金型支持部材が、断熱プレートとダイプレートからなることを特徴とする。

このように、金型支持部材が断熱プレートを備えることにより、加熱された金型から金型支持部材側への熱移動が抑制され、断熱効果にすぐれたコンパクトな熱間鍛造用金型装置を実現することができる。

請求項４に係る熱間鍛造用金型装置は、請求項１から３のいずれかの請求項において、前記皿ばねが複数介在し、この複数の皿ばねが、その円錐面を交互に反対方向に向けて嵌挿されていることを特徴とする。

一般に、前記上下金型の締結によって圧縮荷重が作用したときに皿ばねに生じる応力の大きさは、皿ばねのたわみ量に比例する。このように、皿ばねを直列に組み合わせることにより、上記締結による圧縮荷重に対して、たわみが組み合わせ個数に比例して大きくなるため、断熱プレートとダイプレートおよびベースプレートの加熱による締結状態の緩みを有効に吸収して、常温での締結状態を維持することができる。

請求項５に係る熱間鍛造用金型装置は、請求項１から３のいずれかの請求項において、前記皿ばねが複数介在し、この複数の皿ばねが、その円錐面を同一方向に向けて嵌挿されていることを特徴とする。

このように、皿ばねを並列に組み合わせることにより、皿ばね全体の弾性率が組み合わせ個数に比例して大きくなり、上記締結による圧縮荷重に対して、たわみが組み合わせ個数に比例して小さくなるため、そもそも加熱過程での締結状態の緩みも生じにくくなる。

請求項６に係る熱間鍛造用金型装置は、請求項１から３のいずれかの請求項において、前記皿ばねが複数介在し、この複数の皿ばねが、隣接する皿ばね同士の円錐面を反対方向に向けた部分と同一方向に向けた部分を有するように嵌挿されていることを特徴とする。

このように、皿ばねを直列と並列とを組み合わせて用いることにより、上記請求項４および５における複数個の皿ばねの作用を併有するため、締結状態の緩みをより確実に防止することができる。

請求項７に係る熱間鍛造用金型装置の締結方法は、加熱用熱源によって加熱される一対の金型と、前記一対の金型を、プレス本体に固定したベースプレートに各々支持する金型支持部材を備えた熱間鍛造用金型装置の締結方法であって、この熱間鍛造用金型装置を締結する手段がタイロッドまたはボルトと、ナットからなり、前記一対の金型と前記金型支持部材にそれぞれ貫通孔を設け、この貫通孔に前記タイロッドまたはボルトを挿通し、このタイロッドまたはボルトの両端側に皿ばねを嵌挿した後、前記タイロッドまたはボルトにナットを嵌め込み、前記皿ばねに所要のたわみを与えるように前記ナットを締め込み、前記皿ばねを介在させて、少なくとも前記一対の金型と前記金型支持部材とを一体化するようにしたことを特徴とする。

この発明では、加熱用熱源によって加熱される熱間鍛造用金型装置の断熱プレートとダイプレートとプレス本体に固定したべースプレートとを、前述の締結手段により、皿ばねを介在させて一体化したので、常温で前記各を締結して一体化したときに、皿ばねのたわみによってその内部に生じる復原力の作用で、金型の加熱過程で上記締結手段と一体化した各プレートの熱膨張量の差による締結状態の緩みを防止することができる。

また、前記皿ばねを複数個組み合わせて用いることにより、前記各プレートの締結によって受ける圧縮荷重に対して、組み合わせ方により皿ばねのたわみによって生じる復原力を調整できるため、一体化した前記各プレートの、金型加熱による締結状態の緩みを即座に解消して、常温での締結状態を保つことができる。

実施形態の熱間鍛造用金型装置を示す説明図（縦断正面図）である。実施形態の図１の熱間鍛造用金型に介在させる皿ばねの形状を示す説明図である。直列に介在させる皿ばねの説明図である。並列に介在させる皿ばねの説明図である。従来技術の熱間鍛造用金型装置を示す説明図（縦断正面図）である。

１：上金型２：下金型３、４：ダイプレート
３ａ、４ａ：金型支持部材５、６：断熱プレート
７、８：ベースプレート９：ヒータ用穴
１０：タイロッド１１：ナット１２：締結手段１３；座金
１４：皿ばね

以下に、この発明の実施形態を添付の図１から図５に基づいて説明する。

図１は、チタン合金やＮｉ基合金等の難加工性材料の密閉鍛造に用いられる熱間鍛造用金型装置を示したものである。この熱間鍛造用金型装置は、加熱用熱源によって加熱される一対の金型、すなわち上金型１および下金型２と、この上金型１および下金型２を支持する、上ダイプレート３と断熱プレート５、下ダイプレート４と断熱プレート６からそれぞれなる金型支持部材３ａ、４ａを備え、前記ダイプレート３、４は、プレス本体（図示省略）に固定されたベースプレート７、８にそれぞれ取り付けられるようになっている。

前記上金型１および下金型２には、それぞれ複数のヒータ用穴９が設けられ、このヒータ用穴に、加熱用熱源として、シーズヒータ（図示省略）がそれぞれ挿入されている。また、前記上金型１および下金型２と断熱プレート５、６の間に、例えば、複数のシーズヒータを組み入れたヒータプレートをそれぞれ配置し、このそれぞれのヒータプレートと、ダイプレート３と断熱プレート５、およびダイプレート４と断熱プレート６とで、それぞれ金型保持部材を構成するようにしてもよい。

前記上金型１と金型支持部材３ａとベースプレート７、および下金型２と金型支持部材４ａとベースプレート８は、タイロッド１０およびナット１１からなる複数の締結手段１２により締結され、一体化されている。前記タイロッド１０の両端側すなわち上側のベースプレート７および下側のベースプレート８側には、図２に示す形状の皿ばね１４が複数枚嵌挿され、ナット１１を締め込むことにより、上側の断熱プレート５とダイプレート３とベースプレート７、および下側の断熱プレート６とダイプレート４とベースプレート８がそれぞれ締結され、一体化されている。前記皿ばね１４は、図３に示すように、その円錐面１４ａを交互に反対方向に向けて複数枚（この実施形態では２枚）嵌挿され、ナット１１を締め込むことにより、図２に示した皿ばね１４がたわみ、それによって生じる復原力が作用した状態で、前記の一体化が実現されている。

図１に示したように、常温で前記タイロッド１０およびナット１１からなる締結手段１２によりそれぞれ一体化された上金型１と金型支持部材３ａとベースプレート７、および下金型２と金型支持部材４ａとベースプレート８と、この締結手段１２は、チタン合金やＮｉ基合金等の難加工性材料の鍛造に際し、上金型１および下金型２が、これらの鍛造素材の加熱温度と略同程度に加熱されるため、この上下の金型１、２からの熱伝導などの熱移動により加熱される。前記一体化された上金型１と金型支持部材３ａとベースプレート７、および下金型２と金型支持部材４ａとベースプレート８の熱膨張量が、締結手段１２のタイロッド１０の熱膨張量の同方向の熱膨張量よりも大きい場合、この熱膨張量の差により皿ばね１４のたわみ量が増加し、それによって皿ばね１４に生ずる復原力が増加し、その作用によって皿ばね１４を介在させた側のベースプレート７、８がそれぞれ金型支持部材３ａ、４ａの方へ付勢されるため、前記熱膨張量差を皿ばね１４がそのたわみによって吸収して、一体化した締結状態の緩みを防止することができる。一方、タイロッド１０の軸方向の熱膨張量が、一体化した上金型１と金型支持部材３ａとベースプレート７、および下金型２と金型支持部材４ａとベースプレート８の熱膨張量よりも大きい場合、常温での締結時の皿ばね１４のたわみによる復原力の作用で、皿ばね１４を介在させた側のベースプレート７、８がそれぞれ金型支持部材３ａ、４ａの方へ付勢されているため、一体化した締結状態の緩みを防止することができる。

前記タイロッド１０に嵌挿される皿ばね１４の枚数は、皿ばね１４の外半径Ｒ１および内半径Ｒ２、金型加熱温度における金型とタイロッドなどの締結部材との前記熱膨張量の差に基づいて設定する皿ばね１４のたわみ量、皿ばね１４の自由高さＨ、板厚ｈ、縦弾性係数等を用いて算出される、皿ばね１４の内部に生じる応力σ、および前記各プレート（５、３、７、および６、４、８）の、それぞれの接触界面の所要の圧力Ｐｍに基づいて算出することができる。なお、前記皿ばね１４は、金型装置の大きさ等に応じて、タイロッド１０の片端側にそれぞれ複数枚嵌挿することによっても、締結状態の緩みを防止することができる。また、図４に示すように、並列に複数枚積層してタイロッドやボルトなどの締結部材に嵌挿することもできる。さらに、図示しないが、直列と並列とを組み合わせて複数枚積層してタイロッドやボルトなどの締結部材に嵌挿することもできる。なお、金型１と金型支持部材３ａ、および下金型２と金型支持部材４ａとを上述のようにして一体化し、前記金型支持部材３ａ、４ａを、ベースプレート７、８に固定することもできる。

Claims

熱間鍛造用プレスに使用される金型装置であって、加熱用熱源によって加熱される一対の金型と、前記一対の金型を、プレス本体に固定したベースプレートに各々支持する金型支持部材を備えるとともに、少なくとも前記一対の金型と前記金型支持部材とが、タイロッドまたはボルトと、ナットからなる締結手段により一体化され、この一体化が、前記タイロッドまたはボルトの両端側に嵌挿した皿ばねを介在させて行なわれたことを特徴とする熱間鍛造用金型装置。
前記一対の金型が、この金型および／または前記金型支持部材に組み入れたヒータによりそれぞれ加熱されることを特徴とする請求項１に記載の熱間鍛造用金型装置。
前記金型支持部材が、断熱プレートとダイプレートからなることを特徴とする請求項１または２に記載の熱間鍛造用金型装置。
前記皿ばねが複数介在し、この複数の皿ばねが、その円錐面を交互に反対方向に向けて嵌挿されていることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の熱間鍛造用金型装置。
前記皿ばねが複数介在し、この複数の皿ばねが、その円錐面を同一方向に向けて嵌挿されていることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の熱間鍛造用金型装置。
前記皿ばねが複数介在し、この複数の皿ばねが、隣接する皿ばね同士の円錐面を反対方向に向けた部分と同一方向に向けた部分を有するように嵌挿されていることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の熱間鍛造用金型装置。
加熱用熱源によって加熱される一対の金型と、前記一対の金型を、プレス本体に固定したベースプレートに各々支持する金型支持部材を備えた熱間鍛造用金型装置の締結方法であって、この熱間鍛造用金型装置を締結する手段がタイロッドまたはボルトと、ナットからなり、前記一対の金型と前記金型支持部材にそれぞれ貫通孔を設け、この貫通孔に前記タイロッドまたはボルトを挿通し、このタイロッドまたはボルトの両端側に皿ばねを嵌挿した後、前記タイロッドまたはボルトにナットを嵌め込み、前記皿ばねに所要のたわみを与えるように前記ナットを締め込み、前記皿ばねを介在させて、少なくとも前記一対の金型と前記金型支持部材とを一体化するようにしたことを特徴とする熱間鍛造金型の締結方法。