JPS62259631A - 鍛伸加工における最適な金敷幅比の決定方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、鍛伸加工により、内部組織の健全な大型鍛鋼
品を成形するに際し、最適な金敷幅比を決定する方法に
関する。

（従来の技術） 大型鋼塊の内部には空隙が存在するため、鍛伸加工によ
りこの内部空隙を圧着（閉鎖）して健全な組織にしなけ
ればならない。

この鍛伸加工法として、例えば、■−■金敷鍛練法、温
間鍛造法、ＦＭ鍛造法などが知られている。

しかし、従来の方法においては、内部品質を左右する内
部空隙の閉鎖条件が必ずしも明らがでなかったために、
据込と鍛伸加工を複数回組合せて大型鍛鋼品を製造して
いた（第１）図参照）。この結果、鍛造工程が冗長とな
るばかりでなく、ヒート数の増加によるエネルギー損失
やスケール損失が大きく、コスト増の要因となっていた
。また製造期間が長くなるために、受注から納入までの
製品納期が極めて長期にわたるものが少なくなかった。

（発明が解決しようとする問題点） 上記従来の鍛伸加工法における問題点は、内部空隙の閉
鎖条件が必ずしも明らかでないことに起因している。

この空隙の圧着（閉鎖）に大きな影響を及ぼす因子とし
て、鍛造材の横断面形状、金敷形状、及び金敷幅比が古
くから知られているが、未だ系統的に調査解析されてい
ない。

そこで、本発明は、上記因子の内、金敷幅比に関するも
のであり、内部空隙の閉鎖条件を、鍛伸加工条件との関
係において明示することにより、内部品質を確保するに
必要な最適金敷幅比を求め、もって、最短の鍛伸方法を
見出す手法を提示することを目的とする。

（問題点を解決するための手段） 上記目的を達成するために、本発明は次の手段を講じた
。即ち、本発明の特徴とするところは、圧縮率γで、か
つＮ回のバスで、高さＨａＯ鋼塊を鍛伸加工する場合の
最適な上金敷幅比（Ｗ□／！Ｉｏ）及び上金敷幅比（Ｌ
　／１ｌｏ）を求める方法であって、ｅｑ Δεｅｑ＝ｃ＋　＋　　１　ｎ　　（Ｃ４・Ｗｕ／Ｈｏ
）　・ｒ−■Ｑ；空隙閉鎖パラメータ ＰａｖＨ鋼塊中心部における平均の静水圧応力 びｅｑ；相当応力 Δεｅｑ；鋼塊中心部における平均の相当塑性ひずみ量 Ｎ；鍛伸パス回数 添字ｉ；バスＮ。

γ：圧縮率 Ｗｕ；上金敷幅 ＨＬ；上金敷幅 ■ｏ；鋼塊の高さ Ｃ＋　＝　’ＡＳＣＺ＝２．３７、Ｃ：ｌ　＝　２Ａ−
Ｃ４＝　７．８６Ｗｕ／Ｈｏ≧０．４３　　＝−−−−
−−−−−−−−−−−−−−−−−−−・−■Ｗ　Ｌ
　／）ｉｏ＝０．８　−−−−−−−−−−−−−−−
−・−−−−−−−−■の条件式を用い、上記■、０式
の条件のもとで向／Ｈｏ　ｓ　　Ｗｃ　／Ｈｏが、■式
を満足する範囲内にあるよう、Ｗｕ／！ｔｏ及び−、／
ＨＯの値を求める点にある。

（作　用） 本発明は、第２図に示す如く、上金敷１と上金敷２間で
鋼塊３を鍛伸加工するものであり、該鍛伸加工に際して
、最適な上金敷幅比（Ｗｕ／１ｌｏ）及び上金敷幅比（
ＷＬ　／＋１０）を求めるものである。ここで、戦、向
、Ｉｌｏは、第２図に示す寸法を言う。

まず、本発明に用いる条件式につき説明する。

（１）内部空隙閉鎖条件式 鋼塊中の空隙が閉鎖するためには、局部的な静水圧応力
と相当ひずみが大きく関与している。そこで、本発明は
、この静水圧応力と相当ひずみの関係を求めることによ
り、最適加工条件を定めようとするものである。

密度変化する材料、例えば、粉末焼結体の体積ひずみ速
度は次式で表わされる。

ここで、ｄεＶ　；体積ひずみ増分 ρ；相対密度比（鍛造後の密度／真密度）ｐ；静水圧応
力 ｆｅｑＨ相当応力 ｄεｅｑ；相当塑性ひずみ増分 ａ、　ｍ、　ｎ高材料パラメータ ρｉ　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　０上
式■の左辺は、初期密度比ρ１によって決まる材料条件
に依存する量であり、同右辺は、加工条件によって決ま
る応力負荷経路に依存する量である。

いま、ρがρ、になった時、実質的に鍛鋼品の内部空隙
が閉鎖されたとすると、０式の左辺からρ　ｒ ρ。

によって限界値Ｑ、が求められる。

従って、■弐の右辺を、 とおくことにより、実質的に鍛鋼品の内部空隙が閉鎖さ
れることになる。即ち、加工条件によって決まる応力負
荷経路を、■弐に合致させることにより鍛鋼品の内部空
隙が閉鎖される。換言すれば、０式に合致する加工条件
により内部空隙が閉鎖される。ここで、Ｑを空隙閉鎖パ
ラメータと名付ける。

さて、０式を用いるためには、０式によりＱ。

を求めなければならず、Ｑｆを求めるには、材料パラメ
ータａ＋　ＩＩｌ＋　ｎ＋　　及び、内部空隙が閉鎖さ
れたとするρ、を求めなければならない。

そこで、まず第３図に示す各鍛伸方式Ａ、　　Ｂ。

Ｃにつき理論解析により、各圧下率における相当ひずみ
εｅｑと、静水圧応力Ｐの関係を求め、０式の右辺によ
り各圧下率ごとに空隙閉鎖パラメータＱを計算する。

次に、各鍛伸方式Ａ、Ｂ、Ｃにおいて焼結体の圧下実験
を行ない、各圧下率における密度比ρを求める。

このようにして理論解析により求めた空隙閉鎖パラメー
タＱと、焼結体の実験により求めた密度比ρの関係を示
すと第４図及び第５図になる。

第４・５図から明らかなように、種々の鍛伸法及び圧下
率によっても、密度比ρと空隙閉鎖パラメータＱの関係
は、はぼ一定に保たれていることがわかる。従って、第
４図及び第５図から、０式の左辺の材料パラメータａ、
ｍ、ｎを求めると、ａ　−２，７ｍ　＝０．５　　ｎ　
＝２．０となる。但し、ρ、　＝０．８５　（鋼塊中心
部の初期密度比）である。

次に、内部空隙が閉鎖されたときの相対密度比ρ、を求
める。

内部空隙が閉鎖されたときとは、鍛鋼製品の内部欠陥を
超音波探傷した場合に、欠陥が検出されない状態をいう
。そこで、焼結体実験において残存する内部空隙の分布
を調査し、第６図の特性を得た。

第６図によれば、粒径が２０μｍ以上の空隙の面積率は
、初期密度比０．８５の時で０，０９χあるが、加工の
進行につれて減少し、密度比０．９７以上では０χとな
って、空隙は消滅する。超音波探傷では、２０μｍ以上
の等傷欠陥が不良として検出されるため、上記実験の粒
径２０μｍの場合をもって判断すればよい。従って、本
発明においては、内部空隙が閉鎖されたときの相対密度
比ρ、を ρ、　＝０．９７・・・−・・−−−一−−−−−−−
−−−−〜−−−−−−−−一・・−・−・−・−・・
−・−［相］と定めた。

従って、上記０式及び　ａ　＝２．７　　ｍ　＝０．５
ｎ＝２．０　　ρｉ　＝０．８５　　を０式に代入する
ことにより、 Ｑｆ　　＃　０．１６−・−・−・−−−−−一−・・
−・−・−・・−一−−−−−・−・・−・・−・−・
−■となるので、■弐より閉鎖条件式 ％式％ しかし、実際の鍛伸加工に応じて、０式により空隙閉鎖
パラメータＱを算出するのは困難であるから、実用的に
次式で置きかえる。

ここで、Ｎは鍛伸パス回数であり、全工程の中で内部空
隙の圧着を目的とするバスについて加算するものとする
。またＰａｖは、ｉバスにおける加工ひずみΔεｅｑが
加えられる間の静水圧応力の平均値であり、それぞれ内
部空隙の最も密集しゃすい鋼塊中心部の値で評価される
。

以上を要約すれば、Ｎ回の鍛伸加工を行う場合、の条件
式を満足するような応力負荷経路をとる加工条件を選定
すれば、内部空隙が閉鎖され、健全な鍛鋼製品を得るこ
とができるのである。

（ＩＩ）閉鎖条件式■と加工条件の関係ところで、０式
は、理論解析または実験により計算できるが、実用上、
金敷寸法などの加工条件で評価できれば便利である。

そこで、本発明では、金敷幅比（Ｗｕ／ｌ（ｏ、　　Ｗ
ｔ／１ｌｏ）とＰａｖ／びｅｑ　　及びΔεｅｑ　　と
の関係を調べた。その結果を第７図及び第８図に示す。

即ち、内部空隙の圧着に大きな影響を与える因子として
金敷幅比があることは前述した通りであるが、本発明に
おいては、系統的に、金敷幅比とＰａν／（７ｅｑ、Δ
εｅｑの関係を調べ、第７・８図の結果を得たのである
。

上記第７・８図より、次の関係式を求めた。

Ｐａｖ ＝＝ｃ、　’　ｉ　ｎ（Ｃｚ　’　　ＷＬ　／ＨＯ）’
−−−−−’−”−”−’−■ｆｅｑ Δεｅｑ＝Ｃ３ＨＩｌｎ　（Ｃ４・Ｗｕ／Ｈｏ）　・ｒ
　−’−−−−■ここで、パラメータＣ＋、Ｃｔ、Ｃ５
、Ｃ６は以下の値をもつ。

Ｃ＋＝Ｚ Ｃ２冨２．３７ Ｃ：ｌ−％ Ｃ４，＝７．８６ 即ち、第７図より０式が導びがれ、第８図よりＷｕ／Ｊ
ｉｏが小さい場合を除いて０式が導びがれる。

以上のことより、閉鎖条件式■は、０式、０式を代入す
ることにより、金敷幅比（１）Ｌ／Ｈｏ、　Ｗｕ／Ｈｏ
）で評価することができる。

即ち、金敷幅比の最適な選定により内部空隙を有効に閉
鎖させることができるのである。

（Ｉ［Ｉ）閉鎖条件式の適用範囲 更に、金敷幅比と鍛練効果とを調べた結果を第９図及び
第１０図に示す。

即ち、金敷鍛造においては、鋼塊内部のひずみ分布、及
び応力分布は均一でなく、各部において相違する。そこ
で、金敷鍛造の応力、ひずみ分布の特徴を明らかにする
ため、相当ひずみの最大値およびピーク位置について調
べた。

第９図は相当ひずみの最大値と上下金敷幅比の関係を示
している。Ｗｕ／ｌｏｏ　＝　０．３における相当ひず
みの最大値は上金敷幅比−Ｌ　／Ｈｏが０．８程度まで
急速に大きくなるが、Ｗｔ　／ｌｉｏが０．８以上にな
るとほとんど変化しなくなる。上金敷幅比Ｗｕ／Ｈ。

＝０．５７の場合も同じ傾向である。

従って、第９図より、効率よく相当ひずみが与えられる
条件として、 Ｗｔ、　／ｌｌｏ≧０．８　−−−−−−−−−−−−
−−−−−−−−−−−−−−−−−■が得られる。

第１０図は、相当ひずみのピーク位置に及ぼす上下金敷
幅比の影響を示す。ピーク位置は、上金敷幅比Ｗｕ／Ｉ
ｌｏ　＝　０．３の時に、’ＡＨｏ、　０．５７の時に
％ｌｌ。

と！’Ｇ１）ｏとの間、０．８の時に鋼塊中心部の’ｙ
ＡＨｏとなる。即ち、上金敷幅比−ｕ／Ｈａが大きくな
るとピーク位置は内部空隙の密集する鋼塊中心部に移行
し、上金敷幅比にほとんど依存しない。このことから内
部空隙の密集する中心部に圧下効果が作用し始める条件
として、 Ｗｕ／ｌｌｏ　　≧０．４３　−−−−−−−−−−−
−−−−−−−−−−−−−■が得られる。

以上の■、■弐を用いることにより、鋼塊中心部におい
て、内部空隙を効率よく閉鎖させることができる。

以上をまとめると、■、０式の条件のもとで、■、０式
を用いＷｕ／Ｈｏ　−、Ｗｌ　／ｌｉｏが０式を満足す
る範囲内にあるよう　Ｗｕ／Ｈｏ及びＷｔ　／Ｈｏの値
を求めることにより、効率よく内部空隙を閉鎖させるこ
とができるのである。

以上の関係をグラフにしたのが第１図である。

この第１図は、例えば、バス回数Ｎ＝４の場合、点々で
示す範囲において、ＷＬ／ｌｌｏ　ＳＷｕ／）ｔｏの値
を選定すればよいことを示している。第１図における原
点を通る４５°の傾きの直線は、同直線の上側では、Ｗ
ｕ＜　Ｗｌ、となり、金敷が不安定となるため、この範
囲を除くためのものである。理論的には、同直線の上側
の領域を選定してもよい。

また、第１図より、Ｎ＞６を採用することは無意味であ
ることが判かる。従って、内部空隙圧着を目的とした鍛
伸加工バスは、最大６回までである。

（実施例） 本発明に係る０〜０式を用いて、上下金敷幅比（Ｗｕ／
Ｈｏ、　　ＷＬ／）ｉｏ）を求める。

実際の鍛伸加工において、鍛造材中心部に鍛練効果を及
ぼすためには、１回の圧下で与える圧縮率Ｔは、通常１
５％以上必要である。そこで、γ＝０．１５として、第
１図に示す上下金敷幅比とパス回数の関係よりバス回数
を決めれば、空隙圧着のために適正な上下金敷幅比を選
定できる。このようにして選定した一例を、表１に示す
。

表１　金敷幅比の組合せ例（圧縮率１５χの場合）第１
）図に、従来例の工程と、本発明を適用した場合の鍛造
プロセスの相違を示す。本発明を適用することにより、
所定バス回数で確実な空隙圧着が得られる為、従来の第
５・６エ程を短縮することができる。これは、約１５χ
の省エネルギーになる。

（発明の効果） 本発明に基いて、鍛伸パススケジュールの設計を行うこ
とにより、内部品質を十分確保すると同時に、最も効率
的な鍛伸加工条件を選定できるので、省エネルギー、歩
留り向上と共に、据込工程の省略による工程短縮が可能
となり、コストダウン、糖量短縮に大きく貢献する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の条件式をグラフ化したものであり、上
下金敷幅比とパス回数の関係を示すグラス、第２図は本
発明に係る鍛伸加工を説明するための斜視図、第３図は
各種鍛伸加工方式を示す断面図、第４図及び第５図は各
種鍛伸方式による密度比と空隙閉鎖パラメータとの関係
を示すグラフ、。 第６図は空隙の密度比と面積率の関係を示すグラフ、第
７図は中心部の平均静水圧応力に及ぼす金敷幅比の影響
を示すグラフ、第８図は中心部の相当ひずみに及ぼす金
敷幅比の影響を示すグラフ、第９図は相当ひずみの最大
値に及ぼす金敷幅比の影響を示すグラフ、第１０図は相
当ひずみ分布のピーク位置に及ボス金敷幅比の影響を示
すグラフ、第１）図は従来例の鍛造工程と本発明を適用
した場合の鍛造工程の比較図である。 １−・上金敷、２−・−上金敷、３・・−鋼塊（鍛造材
）。 特　許　出　願　人　　株式会社　神戸製鋼所第７　図 第９　図 丁卒叡怖ｃｂ　Ｗｌ／Ｈ。 第８図 第１０図 −Ｆ小収’１）％化Ｗｌ　／　Ｈ０ 手続主甫正書　１発） 昭和６１年６月１７日

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）圧縮率γで、かつＮ回のパスで、高さＨｏの鋼塊
   を鍛伸加工する場合の最適な上金敷幅比（Ｗ＿Ｕ／Ｈ＿
   Ｏ）及び下金敷幅比（Ｗ＿Ｌ／Ｈ＿Ｏ）を求める方法で
   あって、 Ｑ＝Σ＾Ｎ＿ｉ＿＝＿１（Ｐａｖｉ）／（σｅｑｉ）Δ
   εｅｑｉ≧０．１６・・・・・・・［１］但し、（Ｐａ
   ｖ）／（σｅｑ）＝Ｃ＿１・ｌｎ（Ｃ＿２・Ｗ＿Ｌ／Ｈ
   ｏ）・・・・・・・［２］Δεｅｑ＝Ｃ＿３・ｌｎ（Ｃ
   ＿４・Ｗ＿Ｕ／Ｈ＿Ｏ）・γ・・・・・・・［３］Ｑ；
   空隙閉鎖パラメータ Ｐａｖ；鋼塊中心部における平均の静水圧応力 σｅｑ；相当応力 Δεｅｑ；鋼塊中心部における平均の相当塑性ひずみ量 Ｎ；鍛伸パス回数 添字ｉ；パスＮｏ γ；圧縮率 Ｗ＿Ｕ；上金敷幅 Ｗ＿Ｌ；下金敷幅 Ｈ＿Ｏ；鋼塊の高さ Ｃ＿１＝１／３、Ｃ＿２＝２．３７、Ｃ＿３＝２／３、
   Ｃ＿４＝７．８６Ｗ＿Ｕ／Ｈ＿Ｏ≧０．４３・・・・・
   ・・・・・・・・・・・・・・・［４］Ｗ＿Ｌ／Ｈ＿Ｏ
   ＝０．８・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・［
   ５］の条件式を用い、上記［４］、［５］式の条件のも
   とでＷ＿Ｕ／Ｈ＿Ｏ、Ｗ＿Ｌ／Ｈ＿Ｏが、［１］式を満
   足する範囲内にあるよう、Ｗ＿Ｕ／Ｈ＿Ｏ及びＷ＿Ｌ／
   Ｈ＿Ｏの値を求めることを特徴とする鍛伸加工における
   最適な金敷幅比の決定方法。