Forging apparatus and forging method

本発明は、素材に成形ローラを押し当てて、素材を当該素材の径方向および中心軸方向に拡げる成形を行う鍛造装置および鍛造方法に関するものである。

特許文献１には、円筒形状の金属製の素材を当該素材の径方向に拡げる拡径成形を行う鍛造方法が開示されている。 この特許文献１の鍛造方法は、素材を当該素材の中心軸を中心にして回転させ、回転させた素材における当該素材の中心軸方向の一方の端面に円筒形状の成形ローラを押し当てる。 そして、このようにして成形ローラを素材に接触させて、成形ローラを素材と連れ回りさせながら下降させる。 これにより、成形ローラから素材に圧力が加わり、素材を径方向に拡げることができる。

しかしながら、特許文献１の鍛造方法は、素材を当該素材の径方向に拡げる拡径成形を行うことができるが、素材の中心部分を当該素材の中心軸方向に立ち上げたボス部を形成するボス出し成形を行うことができない。 そのため、先ず、特許文献１の鍛造方法により拡径成形を行う工程を行った後に、別途、ボス出し成形を行う工程を行う必要がある。 したがって、ボス部を有する鍛造物を製造するに際して、工程毎に異なる鍛造装置が必要になるので、コストが高くなってしまう。

そこで、本発明は上記した問題点を解決するためになされたものであり、コストの低減を図りつつボス部を有する鍛造物を製造できる鍛造装置および鍛造方法を提供すること、を課題とする。

上記課題を解決するためになされた本発明の一態様は、回転軸を中心に回転する回転台と、円筒形状の成形ローラと、を有し、前記回転台により円筒形状の素材を当該素材の中心軸を中心に回転させながら、前記成形ローラの外周面を前記素材における当該素材の中心軸方向の端面に押し当てることにより、前記素材の鍛造を行う鍛造装置において、前記成形ローラは前記回転軸から離れて配置され、前記成形ローラの外周面における前記成形ローラの中心軸方向の前記回転軸側とは反対側の端部の位置は、鍛造を行った後の前記素材の外周面の位置よりも前記素材の径方向の外側であること、を特徴とする。

この態様によれば、回転台により円筒形状の素材を当該素材の中心軸を中心に回転させながら、成形ローラの外周面を素材における当該素材の中心軸方向の端面に押し当てることにより、素材を径方向に拡げる拡径成形を行うことができる。 さらに、成形ローラは回転台の回転軸から離れて配置されているので、素材の材料が成形ローラに対して回転軸側に流動して、素材の中央部分を素材の中心軸方向に立ち上げたボス部を形成するボス出し成形を行うことができる。 このように、拡径成形とボス出し成形を同時に行うことができる。 そのため、コストの低減を図りつつボス部を有する鍛造物を製造できる。

また、成形ローラの外周面における成形ローラの中心軸方向の回転台の回転軸側とは反対側の端部の位置は、鍛造を行った後の素材の外周面の位置よりも素材の径方向の外側である。 これにより、素材の鍛造を行っている間は、素材における当該素材の中心軸方向の端面にて広範囲にわたって成形ローラの外周面が押し当てられた状態となる。 そのため、鍛造後の素材の前記端面の精度が成形ローラの外周面により保証することができる。 したがって、鍛造後の素材の前記端面の精度を向上させることができる。

上記の鍛造装置においては、円筒形状のマンドレルを有し、前記マンドレルの中心軸は、前記回転軸と一致しており、前記成形ローラは、当該成形ローラの中心軸方向の前記回転軸側にある内側端面を備え、前記マンドレルの中心軸と前記内側端面との距離は、前記マンドレルの半径よりも大きく、かつ、前記素材の半径よりも小さいこと、が好ましい。

この態様によれば、マンドレルの外周面と成形ローラの内側端面との間に素材の材料を流動させることにより、素材の中心部分にて中空円筒形状のボス部を形成することができる。 そして、素材の材料はマンドレルの外周面に密着しながら流動するので、マンドレルの外周面の精度を管理することにより、ボス部の内周面にて所望の精度を確保できる。

上記の鍛造装置においては、前記成形ローラを２つ有すること、が好ましい。

この態様によれば、素材の鍛造を行う時間を短縮できる。 また、素材の端面の精度が向上する。

上記の鍛造装置においては、前記成形ローラの中心軸は、前記回転軸と略直交すること、が好ましい。

この態様によれば、成形ローラを支持する機構を簡素化できる。 特に、成形ローラを２つ有するときには、２つの成形ローラの中心軸を一致させながら、２つの成形ローラを１つの軸部材で一体化することができる。 そのため、２つの成形ローラを支持する機構を簡素化できる。

上記課題を解決するためになされた本発明の他の態様は、回転軸を中心に回転する回転台と、円筒形状の成形ローラと、を使用し、前記回転台により円筒形状の素材を当該素材の中心軸を中心に回転させながら、前記成形ローラの外周面を前記素材における当該素材の中心軸方向の端面に押し当てることにより、前記素材の鍛造を行う鍛造方法において、前記成形ローラは前記回転軸から離れて配置され、前記成形ローラの外周面における前記成形ローラの中心軸方向の前記回転軸側とは反対側の端部の位置は、鍛造を行った後の前記素材の外周面の位置よりも前記素材の径方向の外側であること、を特徴とする。

この態様によれば、回転台により円筒形状の素材を当該素材の中心軸を中心に回転させながら、成形ローラの外周面を素材における当該素材の中心軸方向の端面に押し当てることにより、素材を径方向に拡げる拡径成形を行うことができる。 さらに、成形ローラは回転台の回転軸から離れて配置されているので、素材の材料が成形ローラに対して回転軸側に流動して、素材の中央部分を素材の中心軸方向に立ち上げたボス部を形成するボス出し成形を行うことができる。 このように、拡径成形とボス出し成形を同時に行うことができる。 そのため、コストの低減を図りつつボス部を有する鍛造物を製造できる。

また、成形ローラの外周面における成形ローラの中心軸方向の回転台の回転軸側とは反対側の端部の位置は、鍛造を行った後の素材の外周面の位置よりも素材の径方向の外側である。 これにより、素材の鍛造を行っている間は、素材における当該素材の中心軸方向の端面にて広範囲にわたって成形ローラの外周面が押し当てられた状態となる。 そのため、鍛造後の素材の前記端面の精度が成形ローラの外周面により保証することができる。 したがって、鍛造後の素材の前記端面の精度を向上させることができる。

上記の鍛造方法においては、円筒形状のマンドレルを使用し、前記マンドレルの中心軸は、前記回転軸と一致しており、前記成形ローラは、当該成形ローラの中心軸方向の前記回転軸側にある内側端面を備え、前記マンドレルの中心軸と前記内側端面との距離は、前記マンドレルの半径よりも大きく、かつ、前記素材の半径よりも小さいこと、が好ましい。

この態様によれば、マンドレルの外周面と成形ローラの内側端面との間に素材の材料を流動させることにより、素材の中心部分にて中空円筒形状のボス部を形成することができる。 そして、素材の材料はマンドレルの外周面に密着しながら流動するので、マンドレルの外周面の精度を管理することにより、ボス部の内周面にて所望の精度を確保できる。

上記の鍛造方法においては、前記成形ローラを２つ使用すること、が好ましい。

この態様によれば、素材の鍛造を行う時間を短縮できる。 また、素材の端面の精度が向上する。

上記の鍛造方法においては、前記成形ローラの中心軸は、前記回転軸と略直交すること、が好ましい。

この態様によれば、成形ローラを支持する機構を簡素化できる。 特に、成形ローラを２つ有するときには、２つの成形ローラの中心軸を一致させながら、２つの成形ローラを１つの軸部材で一体化することができる。 そのため、２つの成形ローラを支持する機構を簡素化できる。

本発明に係る鍛造装置および鍛造方法によれば、コストの低減を図りつつボス部を有する鍛造物を製造できる。

本実施例の鍛造装置の構成概要を示す断面図であり、素材の鍛造を行う前の状態を示している。

本実施例の鍛造装置の構成概要を示す断面図であり、素材の鍛造を行った後の状態を示している。

素材に対して拡径成形とボス出し成形を行う原理を説明する図である。

図３のＡ−Ａ断面図である。

従来技術を説明する図である。

変形例の鍛造装置の構成概要を示す断面図である。

変形例の鍛造装置の構成概要を示す断面図である。

変形例の鍛造装置の構成概要を示す断面図である。

図８に示す変形例の鍛造装置におけるマンドレルの上面図である。

変形例の鍛造装置の構成概要を示す断面図である。

変形例の鍛造装置の構成概要を示す断面図である。

以下、本発明に係る実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。

＜鍛造装置の説明＞
まず、鍛造装置１の構成について説明する。 ここで、図１と図２は、本実施例の鍛造装置１の構成概要を示す断面図である。 そして、図１は素材Ｗの鍛造を行う前の状態を示し、図２は素材Ｗの鍛造を行った後の状態を示している。 図１や図２に示すように、鍛造装置１は、回転台１０と、マンドレル１２と、成形ローラ１４と、ローラ移動手段（不図示）などを有する。

回転台１０は、回転軸Ｌ１を中心に回転する。 そして、回転台１０は、面１０ａに配置された素材Ｗを当該素材Ｗの中心軸を中心に回転させる。

マンドレル１２は、円筒形状に形成されている。 そして、マンドレル１２は、回転台１０の面１０ａにて、マンドレル１２の中心軸が回転台１０の回転軸Ｌ１と一致するようにして配置されている。 そして、素材Ｗを回転台１０の面１０ａに配置するときは、マンドレル１２を素材Ｗの内周面Ｗａの内側に挿入して、マンドレル１２の外周面１２ａと素材Ｗの内周面Ｗａを接触させながら素材Ｗを回転台１０の面１０ａに配置する。 これにより、素材Ｗの中心軸を、回転軸Ｌ１とマンドレル１２の中心軸に一致させることができる。

成形ローラ１４は、円筒形状に形成されている。 そして、成形ローラ１４は、外周面１４ａと内側端面１４ｂなどを備える。 ここで、内側端面１４ｂは、成形ローラ１４の中心軸Ｌ２方向の回転軸Ｌ１側にある端面である。

図１に示す例においては、成形ローラ１４は、２つ設けられている。 そして、２つの成形ローラ１４は、回転台１０の回転方向について、互いに位相を１８０°ずらした位置に配置されている。 そして、２つの成形ローラ１４は、互いに中心軸Ｌ２を一致させて、シャフト２０により一体化されている。 そして、シャフト２０は、回転可能な状態でハウジング２２に取り付けられている。 そのため、シャフト２０により一体化された２つの成形ローラ１４は、当該成形ローラ１４の中心軸Ｌ２を中心にして、一体的に回転する。

また、図１に示すように、成形ローラ１４は、回転軸Ｌ１から離れて配置されている。 すなわち、回転軸Ｌ１と成形ローラ１４の内側端面１４ｂ（詳しくは、内側端面１４ｂにおける中心軸Ｌ２との交点）との間に、隙間が設けられている。 そして、回転軸Ｌ１と内側端面１４ｂとの距離δ０は、マンドレル１２の半径ｒよりも大きく、かつ、素材Ｗの半径Ｒよりも小さい。

また、成形ローラ１４の中心軸Ｌ２は、回転軸Ｌ１に略直交する。 具体的には、例えば、中心軸Ｌ２は、回転軸Ｌ１に対して、９０°±１０°（すなわち、８０°〜１００°）の角度で交わる。

なお、回転台１０やマンドレル１２や成形ローラ１４の材質は、例えば、冷間工具鋼（ＳＫＤ１１、ＳＫＨ）、超硬合金などが考えられる。 また、成形ローラ１４の外周面１４ａは、後述するように素材Ｗに接触する部分である。 そのため、成形ローラ１４の外周面１４ａは、表面状態を維持するためのコーティングが施されていることが望ましい。

また、ローラ移動手段は、前記のハウジング２２に取り付けられている。 このローラ移動手段は、ハウジング２２を回転台１０の回転軸Ｌ１方向に平行に移動させることにより、２つの成形ローラ１４を回転軸Ｌ１に対して平行に移動させる。 なお、ローラ移動手段は、例えば、ボールネジや油圧機構などである。

また、鍛造装置１は不図示の制御部を有する。 この制御部は、例えばマイクロコンピュータによって構成されており、回転台１０やローラ移動手段などの駆動を制御する。

＜鍛造方法の説明＞
次に、以上のような構成の鍛造装置１の作用として、鍛造装置１を使用して素材Ｗの鍛造を行う鍛造方法について説明する。

本実施例では、まず、中空円筒形状の素材Ｗを回転台１０の面１０ａの上に配置する。 このとき、素材Ｗの内周面Ｗａの内側にマンドレル１２を挿入し、素材Ｗの中心軸を回転台１０の回転軸Ｌ１に一致させる。 なお、マンドレル１２の高さＨ（回転軸Ｌ１方向の長さ）は、素材Ｗの高さｈ（回転軸Ｌ１方向の長さ）よりも大きい。

次に、回転軸Ｌ１（マンドレル１２の中心軸、素材Ｗの中心軸）を中心に、回転台１０とマンドレル１２を回転させる。 そして、これにより、素材Ｗを、回転軸Ｌ１を中心に回転させる。

次に、ローラ移動手段により、成形ローラ１４を素材Ｗに向かって移動させる。 そして、成形ローラ１４の外周面１４ａを素材Ｗの端面Ｗｂ（素材Ｗの中心軸方向の成形ローラ１４側の端面）に押し当てて、成形ローラ１４を素材Ｗに接触させる。 ここで、前記のように、素材Ｗを、回転軸Ｌ１を中心に回転させている。 そのため、成形ローラ１４を前記のように素材Ｗに接触させることにより、成形ローラ１４は素材Ｗとともに連れ回る。 すなわち、成形ローラ１４は、中心軸Ｌ２を中心に回転する。

そして、さらに、ローラ移動手段により、成形ローラ１４を素材Ｗに向かって移動させていく。 すると、成形ローラ１４から素材Ｗの端面Ｗｂに圧力が加わるので、素材Ｗが当該素材Ｗの径方向の外側に向かって拡がっていく。 このようにして、素材Ｗに対して、拡径成形を行うことができる。

また、本実施例では、回転台１０の回転軸Ｌ１（素材Ｗの中心軸）と成形ローラ１４の内側端面１４ｂとの間の距離δ０は、マンドレル１２の半径ｒよりも大きく、かつ、素材Ｗの鍛造を行う前の素材Ｗの半径Ｒ０（図１参照）および素材Ｗの鍛造を行った後の素材Ｗの半径Ｒ１（図２参照）よりも小さい。 これにより、素材Ｗの鍛造を行っている時および素材Ｗの鍛造を行った後に、図２に示すように、成形ローラ１４は、マンドレル１２から離れている。 詳細には、マンドレル１２の外周面１２ａと成形ローラ１４の内側端面１４ｂとの間は距離δ１で離れており、マンドレル１２の外周面１２ａと成形ローラ１４の内側端面１４ｂとの間に隙間が設けられている。 そのため、前記のように成形ローラ１４から素材Ｗの端面Ｗｂに圧力が加わると、図２に示すように、素材Ｗの径方向の内側の部分が、回転軸Ｌ１方向について成形ローラ１４側に向かって立ち上がっていく。 これにより、素材Ｗの中心部分に、素材Ｗの中心軸方向に立ち上がったボス部Ｗｃが形成される。 このようにして、素材Ｗに対して、ボス出し成形を行うことができる。

ここで、さらに詳細に、素材Ｗに対して拡径成形とボス出し成形を行う様子を説明する。 すると、素材Ｗの鍛造を行っている時は、素材Ｗからみれば、図３に示すように、成形ローラ１４が回転台１０の回転軸Ｌ１を中心に公転していることになる。 そして、このとき、素材Ｗと成形ローラ１４の交点の動きにより、素材Ｗの材料は、図４に示すように、こぞぎ取られるようにして素材Ｗの外周面Ｗｄ側へ流動し、かつ、回転軸Ｌ１側（マンドレル１２側）へ流動する。 そして、素材Ｗの材料が素材Ｗの外周面Ｗｄ側へ流動することにより、素材Ｗを当該素材Ｗの径方向に拡げる拡径成形が行われる。 また、素材Ｗの材料が回転軸Ｌ１側（マンドレル１２側）へ流動することにより、素材Ｗの材料がマンドレル１２の外周面１２ａに沿って素材Ｗの中心軸方向へ流動する。 これにより、ボス部Ｗｃを形成するボス出し成形が行われる。

以上のように、本実施例は、素材Ｗに対して拡径成形とボス出し成形を同時に行うことができる。

ここで、従来技術（例えば、特開昭６１−１４４２３２号公報）において、素材Ｗ０の鍛造を行っている時および素材Ｗ０の鍛造を行った後においては、図５に示すように、成形ローラ１００の成形面１０２における外側端部１０４の位置は、素材Ｗ０の外周Ｗ０ｂの位置よりも素材Ｗの径方向の内側となっている。 すると、素材Ｗ０の径方向について素材Ｗ０の端面Ｗ０ａの一部だけに成形ローラ１００の成形面１０２が押し当てられた状態となるので、鍛造を行った後の素材Ｗ０の端面Ｗ０ａの精度が低下するおそれがある。

これに対し、本実施例の鍛造装置１では、図２に示すように、成形ローラ１４の外周面１４ａにおける中心軸Ｌ２方向の回転軸Ｌ１側とは反対側の外側端部１４ｃの位置は、鍛造を行った後の素材Ｗの外周面Ｗｄの位置よりも素材Ｗの径方向の外側である。 これにより、素材Ｗの鍛造を開始してから終了するまで、素材Ｗの径方向について素材Ｗの端面Ｗｂにて広範囲にわたって成形ローラ１４の外周面１４ａが押し当てられた状態となる。 そのため、鍛造を行った後の素材Ｗの端面Ｗｂの精度を、成形ローラ１４の外周面１４ａにより保証できる。 したがって、鍛造を行った後の素材Ｗの端面Ｗｂの精度が向上する。

また、鍛造装置１は、従来の型鍛造（成形型を使用した鍛造）に比べて、低荷重で拡径成形とボス出し成形を行うことができる。

また、本実施例は、成形開始時から素材Ｗの材料がマンドレル１２に密着しながら流動するので、鍛造を行った後の素材Ｗの内径の精度が確保し易くなる。

なお、変形例として、成形ローラ１４を１つだけ設ける例も考えられる。

また、その他の変形例として、図６に示すように、マンドレル１２が回転台１０と別体である例も考えられる。 また、図７に示すように、回転台１０の面１０ａを斜面にし、成形ローラ１４の外周面１４ａを中心軸Ｌ２に対して傾けて形成した例も考えられる。 また、図８と図９に示すように、マンドレル１２の外周面１２ａにスプラインを形成してもよい。 これにより、素材Ｗの内周面Ｗａにスプラインを形成しながらボス部Ｗｃを形成することができる。 また、図１０に示すように、回転台１０の面１０ａを波形形状にする例も考えられる。

また、変形例として、図１１に示すように、マンドレル１２を有さない鍛造装置も考えられる。 このとき、鍛造を行う前の素材Ｗを、中実円筒形状に形成しておく。 なお、図６〜図８や図１０や図１１は、鍛造装置の一部を示している。

また、変形例として、成形ローラ１４の中心軸Ｌ２が、回転台１０の回転軸Ｌ１に対して４５°〜９０°の角度で交わる例も考えられる。

＜本実施例の効果＞
本実施例は、回転軸Ｌ１を中心に回転する回転台１０と、円筒形状の成形ローラ１４と、を有し、回転台１０により円筒形状の素材Ｗを当該素材Ｗの中心軸を中心に回転させながら、成形ローラ１４の外周面１４ａを素材Ｗにおける当該素材Ｗの中心軸方向の端面Ｗｂに押し当てることにより、素材Ｗの鍛造を行う鍛造装置１において、成形ローラ１４は回転軸Ｌ１から離れて配置され、成形ローラ１４の外周面１４ａにおける成形ローラ１４の中心軸Ｌ２方向の回転軸Ｌ１側とは反対側の外側端部１４ｃの位置は、鍛造を行った後の素材Ｗの外周面Ｗｄの位置よりも素材Ｗの径方向の外側である。

このように、回転台１０により円筒形状の素材Ｗを当該素材Ｗの中心軸を中心に回転させながら、成形ローラ１４の外周面１４ａを素材Ｗにおける当該素材Ｗの中心軸Ｌ２方向の端面Ｗｂに押し当てることにより、素材Ｗを径方向に拡げる拡径成形を行うことができる。 さらに、成形ローラ１４は回転台１０の回転軸Ｌ１から離れて配置されているので、素材Ｗの材料が成形ローラ１４に対して回転軸Ｌ１側に流動して、素材Ｗの中央部分を素材Ｗの中心軸方向に立ち上げたボス部Ｗｃを形成するボス出し成形を行うことができる。 このように、拡径成形とボス出し成形を同時に行うことができる。 そのため、コストの低減を図りつつボス部Ｗｃを有する鍛造物を製造できる。

また、成形ローラ１４の外周面１４ａにおける成形ローラ１４の中心軸Ｌ２方向の回転台１０の回転軸Ｌ１側とは反対側の外側端部１４ｃの位置は、鍛造を行った後の素材Ｗの外周面Ｗｄの位置よりも素材Ｗの径方向の外側である。 これにより、素材Ｗの鍛造を行っている間は、素材Ｗにおける当該素材Ｗの中心軸方向の端面Ｗｂにて広範囲にわたって成形ローラ１４の外周面１４ａが押し当てられた状態となる。 そのため、鍛造後の素材Ｗの端面Ｗｂの精度が成形ローラ１４の外周面１４ａにより保証することができる。 したがって、鍛造後の素材Ｗの端面Ｗｂの精度を向上させることができる。

また、鍛造装置１は、円筒形状のマンドレル１２を有し、マンドレル１２の中心軸は、回転台１０の回転軸Ｌ１と一致しており、成形ローラ１４は、当該成形ローラ１４の中心軸Ｌ２方向の回転軸Ｌ１側にある内側端面１４ｂを備え、マンドレル１２の中心軸と内側端面１４ｂとの距離δ１は、マンドレル１２の半径よりも大きく、かつ、素材の半径よりも小さいこと、が好ましい。

これにより、マンドレル１２の外周面１２ａと成形ローラ１４の内側端面１４ｂとの間に素材Ｗの材料を流動させることにより、素材Ｗの中心部分にて中空円筒形状のボス部Ｗｃを形成することができる。 そして、素材Ｗの材料はマンドレル１２の外周面１２ａに密着しながら流動するので、マンドレル１２の外周面１２ａの精度を管理することにより、ボス部Ｗｃの内周面にて所望の精度を確保できる。

また、鍛造装置１は、成形ローラ１４を２つ有することにより、素材Ｗの鍛造を行う時間を短縮できる。 また、素材Ｗの端面Ｗｂの精度が向上する。

また、鍛造装置１は、成形ローラ１４の中心軸Ｌ２は、回転台１０の回転軸Ｌ１と略直交する。 これにより、成形ローラ１４を支持する機構を簡素化できる。 特に、成形ローラ１４を２つ有するときには、２つの成形ローラ１４の中心軸を一致させながら、２つの成形ローラ１４を１つのシャフト２０で一体化することができる。 そのため、２つの成形ローラ１４を支持する機構を簡素化できる。 したがって、２つの成形ローラ１４の取り扱いが容易になる。 また、成形ローラ１４により素材Ｗに加えることができる力を、増大させることができる。 また、成形ローラ１４の剛性を得ることができる。

なお、上記した実施の形態は単なる例示にすぎず、本発明を何ら限定するものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良、変形が可能であることはもちろんである。

本発明の鍛造装置１および鍛造方法によって製造される鍛造物は、動力伝達部品に好適である。 例えば、自動車、建設車両、建設機械等に使用される歯車やシャフトなどの動力伝達に使用される鋼部品であって、特に自動車のトランスミッション歯車やＣＶＴのシーブなどに最適である。

１ 鍛造装置１０ 回転台１０ａ 面１２ マンドレル１２ａ 外周面１４ 成形ローラ１４ａ 外周面１４ｂ 内側端面１４ｃ 外側端部２０ シャフト２２ ハウジングＬ１ 回転軸Ｌ２ 中心軸Ｗ 素材Ｗａ 内周面Ｗｂ 端面Ｗｃ ボス部Ｗｄ 外周面Ｈ （マンドレルの）高さｈ （素材の）高さｒ （マンドレルの）半径Ｒ０ （素材の鍛造を行う前の）半径Ｒ１ （素材の鍛造を行った後の）半径δ０ 距離δ１ 距離