斜め有底筒状部材の製造方法
【課題】寸法精度の良い斜め有底筒状部材を低コストで製造する。
【解決手段】筒状部(2)の一端に傾斜する底部(3)を有する斜め有底筒状部材(1)を、据え込み加工により傾斜面(11)を有する予備成形品(10)を成形する予備成形工程と、前記予備成形品(10)を鍛造して斜め有底筒状部材(1)を成形する本成形工程とにより製造する。前記斜め有底筒状部材(1)を、底部の傾斜方向の中間において軸線を通り鍛造方向に平行な面で仮想分割し、筒状部(2)の高さの高い側を高半部とするともに低い側を低半部とし、予備成形品(10)を、軸線を通り据え込み方向に平行な面で前記斜め有底筒状部材(1)の高半部に対応する第１半部と低半部に対応する第２半部に仮想分割し、前記斜め有底筒状部材の全体積に対する高半部の体積の比率を１としたとき、予備成形品の全体積に対する第１半部の体積の比率を０．９〜１．２の範囲とする。
【解決手段】筒状部(2)の一端に傾斜する底部(3)を有する斜め有底筒状部材(1)を、据え込み加工により傾斜面(11)を有する予備成形品(10)を成形する予備成形工程と、前記予備成形品(10)を鍛造して斜め有底筒状部材(1)を成形する本成形工程とにより製造する。前記斜め有底筒状部材(1)を、底部の傾斜方向の中間において軸線を通り鍛造方向に平行な面で仮想分割し、筒状部(2)の高さの高い側を高半部とするともに低い側を低半部とし、予備成形品(10)を、軸線を通り据え込み方向に平行な面で前記斜め有底筒状部材(1)の高半部に対応する第１半部と低半部に対応する第２半部に仮想分割し、前記斜め有底筒状部材の全体積に対する高半部の体積の比率を１としたとき、予備成形品の全体積に対する第１半部の体積の比率を０．９〜１．２の範囲とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、傾斜した底部を有する斜め有底筒状部材の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
筒状部の軸線に対して傾斜した底部を有する斜め有底筒状部材、例えばエンジンピストンを鍛造する場合、図５（Ａ）（Ｂ）に示すように、連続鋳造材を軸線に対して直角にスライス切断した円柱形素材(40)をダイス(41)に装填し、パンチ(42)で鍛造して目的形状に成形する。鍛造過程において、ダイス(41)の筒状部成形用の凸部(43)の先端面とパンチ(42)の先端面との間に傾斜底部(44)が成形され、素材(40)がダイス(41)の内周面と前記凸部(43)の外周面と間に充填されて筒状部(45)が成形されて斜め有底筒状部材(46)となる。かかる斜め有底筒状部材(46)では筒状部(45)の高さの長い（高い）側と短い（低い）側とで体積に差があり、長い側にも材料が確実に充填されるようにスライドを下げて荷重をかけて、長い側を成形している。しかし、荷重を高くして成形すると、先に成形された短い側にバリが立ち、高荷重で成形することにより型寿命が短くなる。また、短い側からのメタルフローと長い側からのメタルフローがぶつかる位置に巻き込み欠陥が生じやすくなる。
【０００３】
一方、反りやうねりを有する複雑形状の鍛造品を製造するために、連続鋳造材の鋳造方向に対して傾斜した角度で切断したスライス材を鍛造素材に用いることが提案されている（特許文献１）。斜め有底筒状部材の鍛造においても、鍛造用素材を製作する際に、一方の端面を斜めに切断して鍛造品の体積バランスに近似した素材を用いることにより、巻き込み欠陥の発生が抑制されるとともに荷重が低減されると思われる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−２３０４３７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、機械加工によって鍛造用素材を製作するのは手間がかかり、加工代が無駄になって材料歩留まりが悪く製造コストを高める原因となる。しかも、斜めに切断すると、直角に切断するよりも手間も加工代も多くなる。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、上述した技術背景に鑑み、寸法精度の良い斜め有底筒状部材を低コストで製造できる斜め有底筒状部材の製造方法の提供を目的とする。
【０００７】
即ち、本発明の斜め有底筒状部材は下記［１］〜［８］に記載の構成を有する。
【０００８】
［１］ 筒状部の一端に該筒状部の軸線に対して傾斜する底部を有する斜め有底筒状部材を製造する方法において、
据え込み加工により予備成形品を成形する予備成形工程と、前記予備成形品を鍛造して斜め有底筒状部材を成形する本成形工程を有し、
前記斜め有底筒状部材を、底部の傾斜方向の中間において軸線を通り鍛造方向に平行な面で仮想分割し、筒状部の高さの高い側を高半部とするともに低い側を低半部とし、
前記予備成形工程において成形する予備成形品を、軸線を通り据え込み方向に平行な面で前記斜め有底筒状部材の高半部に対応する第１半部と低半部に対応する第２半部に仮想分割し、前記斜め有底筒状部材の全体積に対する高半部の体積の比率を１としたとき、予備成形品の全体積に対する第１半部の体積の比率を０．９〜１．２の範囲とすることを特徴とする斜め有底筒状部材の製造方法。
【０００９】
［２］前記予備成形品の第１半部と第２半部の体積の差を、前記斜め有底筒状部材の高半部と低半部の体積の差よりも拡大する前項１に記載の斜め有底筒状部材の製造方法。
【００１０】
［３］前記斜め有底筒状部材は高半部の体積が低半部の体積よりも大きい前項１または２に記載の斜め有底筒状部材の製造方法。
【００１１】
［４］前記予備成形工程において、小径の素材から斜め有底筒状部材と同径に径を拡大した予備成形品を成形する前項１〜３のいずれかに記載の斜め有底筒状部材の製造方法。
【００１２】
［５］予備成形工程において、軸線に対して傾斜する端面を有する予備成形品を成形し、周壁の高さの高い側を前記第１半部とし低い側を前記第２半部とする前項１〜４のいずれかに記載の斜め有底筒状部材の製造方法。
【００１３】
［６］前記予備成形品は、鍛造用ダイスへの装填位置を決める位置決め部を有する前項１〜５のいずれかに記載の斜め有底筒状部材の製造方法。
【００１４】
［７］前記位置決め部は予備成形品の周壁から突出し、鍛造用ダイスに設けられた溝に嵌合される凸部である前項６に記載の斜め有底筒状部材の製造方法。
【００１５】
［８］底部に凹部を有する斜め有底筒状部材に対し、予備成形品の傾斜する端面に凹部を形成する前項１〜７のいずれかに記載の斜め有底筒状部材の製造方法。
【発明の効果】
【００１６】
上記［１］に記載の斜め有底筒状部材の製造方法によれば、斜め有底筒状部材の体積比が予備成形品の体積比に反映されているため、本成形工程におけるメタルフローが良好であり寸法精度の良い斜め有底筒状部材を製造でき、金型寿命も長くなる。また、予備成形品を据え込み加工により製作するので、短時間で寸法精度の良い予備成形品を成形でき、材料に無駄が生じない。
【００１７】
上記［２］［３］に記載の各斜め有底筒状部材の製造方法によれば、特にメタルフローが良くなって上記効果が顕著となる。
【００１８】
上記［４］に記載の各斜め有底筒状部材の製造方法によれば、予備成形品が斜め有底筒状部材により近い形状となり、顕著に上記効果を奏することができる。
【００１９】
上記［５］に記載の斜め有底筒状部材の製造方法によれば、予備成形品の形状決定が容易である。
【００２０】
上記［６］に記載の斜め有底筒状部材の製造方法によれば、鍛造用ダイス内の所定位置に予備成形品を装填することができる。また、予備成形品が固定されるので、ダイス破損の危険性を低減できる。
【００２１】
上記［７］に記載の斜め有底筒状部材の製造方法によれば、鍛造用ダイス製作が容易にできるとともに、金型が破損しにくい。
【００２２】
上記［８］に記載の斜め有底筒状部材の製造方法によれば、予備成形品が斜め有底筒状部材により近い形状となるので、材料に無駄が生じない。また本成形金型に位置決め用の嵌合部を形成する必要がない。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明によって製造する斜め有底筒状部材の一実施形態を示す斜視図である。
【図２】図１の斜め有底筒状部材を製造するための予備成形品を示す斜視図である。
【図３】本発明における本成形工程を模式的に示す断面図であり、（Ａ）はダイスに予備成形品を装填した鍛造準備状態、（Ｂ）はパンチを下死点まで降下させた鍛造完了状態を示している。
【図４Ａ】予備成形品の他の例を示す斜視図である。
【図４Ｂ】予備成形品のさらに他の例を示す斜視図である。
【図５】従来の鍛造工程を模式的に示す断面図であり、（Ａ）はダイスに素材を装填した鍛造準備状態、（Ｂ）はパンチを下死点まで降下させた鍛造完了状態を示している。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
図１は斜め有底筒状部材(1)の一例であり、図２はこの斜め有底筒状部材(1)を成形するための予備成形品(10)である。また、図３（Ａ）（Ｂ）は、前記予備成形品(10)を鍛造して斜め有底筒状部材(1)を製造するための鍛造装置である。
〔斜め有底筒状部材〕
斜め有底筒状部材(1)は、断面円形の筒状部(2)の一端が筒状部(2)の軸線（Ｑｓ）に直交する面で開口し、他端が軸線（Ｑｓ）に対して傾斜する底部(3)によって閉じられたカップ状成形品である。傾斜した底部(3)は楕円形を呈し、この底部(3)の外面に円形の窪み(4)が形成されている。また、楕円形の底部(3)の長径方向の一端には筒状部(2)から位置決め部(5)が突出している。
【００２５】
前記斜め有底筒状部材(1)において、該斜め有底筒状部材(1)を、軸線（Ｑｓ）を通る垂直面（鍛造方向と平行な面）で２つの領域に仮想分割し、筒状部(2)の高さの高い側を高半部(ＳＨ)、低い側を低半部(ＳＬ)と称し、全体積を（ＶＳ）、高半部(ＳＨ)の体積を（ＶＳＨ）、低半部（ＳＬ）の体積を（ＶＳＬ）とする。前記底部(3)が傾斜しているため、高半部(ＳＨ)の体積（ＶＳＨ）は低半部（ＳＬ）の体積（ＶＳＬ）よりも大きくなっている。
〔予備成形品〕
予備成形品(10)は概略円柱体であり、一方の端面は円柱体の軸線（ＱＰ）に直交し、他方の端面(11)は軸線（ＱＰ）に対して傾斜して楕円形を呈し、円形の窪み(12)が形成されている。楕円形の端面(11)の長径方向の一端には、周壁から突出する位置決め用凸部(13)が形成されている。前記位置決め用凸部(13)は、本成形工程においてダイス(20)に予備成形品(10)を装填する際に位置を決めるためのものである。
【００２６】
前記予備成形品(10)において、該予備成形品(10)を、軸線（ＱＰ）を通る垂直面で２つの領域に仮想分割し、周壁の高さの高い側を第１半部（Ｐ１）、低い側を第２半部（Ｐ２）と称し、全体積を（ＶＰ）、第１半部(Ｐ１)の体積を（ＶＰ１）、第２半部（Ｐ２）の体積を（ＶＰ２）とする。前記第１半部（Ｐ１）および第２半部（Ｐ２）は斜め有底筒状部材(1)の高半部（ＳＨ）および低半部（ＳＬ）に対応する。前記楕円形の端面(11)は傾斜しているので、第１半部（Ｐ１）の体積（ＶＰ１）は第２半部（Ｐ２）の体積（ＶＰ２）よりも大きくなっている。また、予備成形品(10)の全体積（ＶＰ）は斜め有底筒状部材(1)の全体積（ＶＳ）に等しい。
〔予備成形工程〕
素材を据え込み加工し、径を前記斜め有底筒状部材(1)と略同等となるように拡大するとともに、一方の端面を傾斜させて楕円形端面(11)を形成するとともに窪み(12)を形成し、かつ位置決め部(12)を突出させることにより、予備成形品(10)を製作する。
【００２７】
予備成形品(10)は、第１半部（Ｐ１）と第２半部（Ｐ２）の体積比（ＶＰ１：ＶＰ２）を、斜め有底筒状部材(1)の高半部（ＳＨ）と低半部（ＳＬ）の体積比（ＶＳＨ：ＶＳＬ）に一致させるか、あるいは近似させた形状に成形する。
〔本成形工程〕
図３（Ａ）（Ｂ）に示す鍛造装置は、ダイス(20)およびパンチ(26)を備えている。前記ダイス(20)は成形孔(21)の底部に斜め有底筒状部材(1)の中空部に対応する成形用凸部(22)が設けられ、その先端面(23)は前記斜め有底筒状部材(1)の底部(3)に対応して図面上右下がりに傾斜し、左側で高半部（ＳＨ）を成形し右側で低半部（ＳＬ）を成形するものとなされている。また、成形孔(21)の周壁に予備成形品(10)の位置決め用凸部(13)を嵌合させる溝(24)が設けられている。図中の(25)は鍛造品を突き出すためのノックアウトピンである。
【００２８】
前記パンチ(26)は、先端面(27)が前記斜め有底筒状部材(1)の底部(3)に対応して図面上右下がりに傾斜し、窪み(4)を成形するための円形凸部(28)が設けられている。また、前記パンチ(26)の周壁にはダイス(20)の溝(24)に嵌合する凸部(29)が設けられている。
【００２９】
図３（Ａ）に示すように、前記ダイス(20)の成形孔(21)に予備成形品(10)を入れ、位置決め用凸部(13)を溝(24)に嵌合させる。これにより、予備成形品(10)はダイス(20)の成形孔(21)内で回動が規制され、第１半部（Ｐ１）が成形孔(21)の図面上左側に位置するように装填される。
【００３０】
そして、図３（Ｂ）に示すように、前記パンチ(26)を下降させて予備成形品(10)に荷重を加え、パンチ(26)の先端面(27)とダイス(20)の成形用凸部(22)の先端面(23)との間の材料を流動させてダイス(20)の成形孔(21)の周壁と成形用凸部(22)の周壁との間に充填し、所定厚さの傾斜した底部(3)を形成するとともに筒状部(2)を成形する。また、同時にパンチ(26)の円形凸部(28)が予備成形品(10)の窪み(12)に嵌合し、荷重により底部(3)の円形窪み(4)が成形される。前記パンチ(26)が下死点まで降下して鍛造が完了した後、パンチ(26)を上昇させ、ノックアウトピン(25)を上昇させて鍛造された斜め有底筒状部材(1)を突き出す（図示省略）。鍛造した斜め有底筒状部材(1)には位置決め用凸部(5)が繋がっているので切除する。
この鍛造工程において、予備成形品(10)の体積比（ＶＰ１：ＶＰ２）は斜め有底筒状部材(1)の体積比（ＶＳＨ：ＶＳＬ）に一致または近似しているので、従来のフラットな予備成形品（体積比：ＶＰ１＝ＶＰ２）からの鍛造よりもメタルフローが良くなる。このため、従来よりも低荷重でダイス内に材料を確実に充填することができ、低荷重で寸法精度の良い斜め有底筒状部材(1)を鍛造できる。また、低荷重で鍛造できることにより金型寿命が向上し、かつ巻き込み欠陥も抑制される。
【００３１】
本発明の予備成形工程では据え込み加工によって予備成形品(10)を成形する。据え込み加工に供する素材の製造方法や形状は限定されず、例えば連続鋳造材や押出材をスライス切断したもの、急冷凝固した金属粉末を固形化して押出した押出材をスライス切断したもの等を用いる。予備成形品(10)は斜め有底筒状部材(1)と同等径であることが好ましいが、素材を斜め切断して予備成形品を製作するには斜め有底筒状部材と同等径の素材が必要となり、切断面が斜めになることと相俟って切断面積が大きくなり、加工代が大きくなって材料歩留まりが悪くなる。しかも、素材の径が大きくなるほど中心部の金属組織が粗くなりやすく、粗い金属組織を有する予備成形品を鍛造すると、粗い金属組織が斜め有底筒状部材に持ち越されるおそれがある。据え込み加工では、小径の素材から大径の予備成形品を製作できるので素材の金属組織に起因する問題が少なく、かつ加工代が不要であるから材料歩留まりも良く、切断よりも短時間で製作できる。また、切断よりも寸法精度が良く、位置決め部も同時に成形できる。さらに、据え込み加工ではバリが発生しないので、材料歩留まりが良く、バリ取り作業も不要である。そして、材料歩留まりの向上、予備成形時間の短縮、さらに上述したダイス寿命の延長によりコストを低減できる。
【００３２】
前記予備成形品(10)の体積比（ＶＰ１：ＶＰ２）は、斜め有底筒状部材(1)の体積比（ＶＳＨ：ＶＳＬ）に一致または近似させることで本成形工程におけるメタルフローが良くなって上述した効果が得られる。かかる効果が得られる近似範囲は、斜め有底筒状部材(1)の全体積（ＶＳ）に対する高半部（ＳＨ）の体積（ＶＳＨ）の比率（ＶＳＨ／ＶＳ）を１としたとき、予備成形品(10)の全体積（ＶＰ）に対する第１半部（Ｐ１）の体積（ＶＰ１）の比率（ＶＰ１／ＶＰ）が０．９〜１．２の範囲であることが好ましく、さらに１〜１．０５の範囲が好ましい。
【００３３】
さらに上述した好適範囲のうちでも、前記予備成形品(10)の第１半部（Ｐ１）と第２半部（Ｐ２）の体積の差（ＶＰ１−ＶＰ２）を、前記斜め有底筒状部材(1)の高半部（ＳＨ）と低半部（ＳＬ）の体積の差（ＶＳＨ−ＶＳＬ）よりも拡大して設定することによって、さらにメタルフローが良くなる。その理由は、筒状部の長い側を成形した後に短い側にメタルが流れた方がフローが容易であり、逆の流れ、つまり短い側から長い側へはメタルの移動がなされにくいためである。
【００３４】
また、前記予備成形品(10)の端面(11)の傾斜角度（θＰ）を斜め有底筒状部材(1)の底部(3)の傾斜角度（θＳ）に一致させるか、あるいは近似させれば体積比も近似するものとなる。このため、厳密に斜め有底筒状部材(1)の体積比を計算しなくても、底部(3)の傾斜角度（θＳ）で予備成形品(10)の形状を決定しても上記効果が得られる。特に、図示例のような、筒状部(2)の開口面が軸線（ＱＳ）に直交する斜め有底筒状部材(1)においては、傾斜角度（θＰ）（θＳ）を近似させるだけでも体積比が良く一致するので、予備成形品の簡易な形状決定方法として推奨できる。但し、筒状部や底部に肉厚の変化のある複雑形状品では、予備成形品の端面の傾斜角度（θＰ）を斜め有底筒状部材の底部の傾斜角度（θＳ）に一致させるだけでは体積比が一致しないこともある。
【００３５】
本発明の方法は、斜め有底筒状部材が軸線に対して傾斜する底部を有するものである限り適用でき、筒状部の形状や肉厚、底部に形成された凹凸の有無等が何ら限定されない。このため、筒状部の周壁の高さは、傾斜する底部の低い側（下がっている側）よりも高い側の方が低くなることもあり、また低半部が高半部よりも体積が大きくなることもある。いかなる形状の斜め有底筒状部材に対しても、仮想分割した２つの半部の体積比を予備成形品の体積比に反映させることによってメタルフローを改善し、上述した諸効果を奏することができる。但し、上述した斜め有底筒状部材(1)のように高半部（ＳＨ）の体積（ＶＳＨ）が低半部（ＳＬ）の体積（ＶＳＬ）よりも大きい形状において、特に顕著な効果が得られる。即ち、短い側が先に成形されてしまうことで金型寿命が悪くなる場合に高い効果が得られる。
【００３６】
仮想分割は、軸線を通り体積差が最大となる面で行うことが最も好ましい。このように仮想分割した場合に本成形工程におけるメタルフローが最も良くなる。ただし、本発明は体積差が最大となる仮想分割を行うことに限定するものではなく、傾斜方向の中間の任意位置で行っても良く、中央からどちらかに寄った位置で仮想分割してその体積比を予備成形品に反映させても良い。さらに、斜め有底筒状部材の体積比を予備成形品に反映させれば良いので、予備成形品に傾斜面を設けずに段を付ける等の方法で体積比を調節することもできる。但し、予備成形品は鍛造品の形状により近い形状である方が好ましく、かかる観点から傾斜面を有する予備成形品を推奨できる。
【００３７】
図２に示した予備成形品(10)は１つの傾斜面を有するものであるが、複数の面を傾斜させて体積比を近似させるようにしても良い。図４Ａに示す予備成形品(15)は円柱体の両端面(16)(17)を逆方向に傾斜させたものである。斜め有底筒状部材の体積比を予備成形品に反映させればメタルフローを改善できるので、傾斜させる面の数は何ら限定されない。２面を傾斜させる場合、２面の傾斜方向が同じでも傾斜角度を変えれば体積に差を付けることができる。
【００３８】
また、斜め有底筒状部材(1)に形成する凹凸を予備成形品(10)にも形成しておくことも好ましい。かかる形状の予備成形品(10)は斜め有底筒状部材(1)により近い形状となるので材料に無駄が生じない。また、予備成形品(10)の凹凸を本成形用の金型における位置決め部として利用できる場合は、位置決め用の嵌合部を別途形成する必要がなくなる。上記例では、斜め有底筒状部材(1)の底面の窪み(4)を形成するために、予備成形品(10)の端面(11)に前記窪み(4)に対応する窪み(12)を形成したものである。勿論、図４Ｂに示すような、端面(18)に窪みのない予備成形品(19)を用いても、図１の窪み(4)を有する斜め有底筒状部材(1)を鍛造できる。
【００３９】
さらに、予備成形品(10)にはダイス(20)の成形孔(21)に装填する際の位置決め部を形成しておくことが好ましい。図２に示した予備成形品(10)では周壁に凸部(13)を形成する一方で、ダイス(20)の成形孔(21)の周壁にこの凸部(13)に嵌合する溝(24)を形成し、これらを嵌合させることにより位置決めを行っているが、位置決め用の凸部および溝は予備成形品およびダイスのどちらに設けても良い。但し、ダイス(20)に凸部を設けるよりも溝を設ける方がダイス製作が容易でありダイス強度も確保しやすいので、予備成形品(10)に凸部(5)を設けてダイス(20)に溝(24)を設けることが好ましい。また、ダイス(20)に位置決め部を設けることなく予備成形品にのみ位置決め部を設け、この位置決め部によってチャッキング装置の掴持姿勢を決め、決められた姿勢でダイスに移すことによって装填位置を決めることもできる。
【００４０】
本成形工程においては、一般的な鍛造と同じくダイスおよびパンチに潤滑剤を供給する他、予備成形品にも潤滑性を付与しておくことが好ましい。例として、エンジンピストンを成形する場合には、予備成形品に潤滑性を付与することにより、鍛造荷重を低減し、また冠面側のバルブリセス不良の防止することができる。予備成形品への潤滑性付与はボンデ処理等によって適宜行う。また、ダイス、パンチおよび予備成形品を加熱しておくことも好ましい。アルミニウムまたはアルミニウム合金の鍛造において、ダイスの加熱温度は２００〜４００℃が好ましく、特に２５０〜３００℃が好ましい。同様に、パンチの加熱温度は５０〜２５０℃が好ましく、特に１００〜２００℃が好ましい。同様に、予備成形品の加熱温度は４００〜４８０℃が好ましく、特に４２０〜４６０℃が好ましい。
【００４１】
本発明において斜め有底筒状部材の材料は限定されないが、本成形工程におけるメタルフローが改善されることから、伸びが悪く難鍛造材料の鍛造において顕著な効果が得られる。かかる材料として、Ｓｉ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｍｇ、Ｆｅを含有するアルミニウム合金を例示できる。例えば、Ｓｉ：１０．５〜１３．５質量％、Ｃｕ：３〜５質量％、Ｎｉ：１〜３質量％、Ｆｅ：０．１〜０．５質量％、Ｍｇ：０．８〜１．２質量％を含有するアルミニウム合金、あるいはＳｉ：１１〜１２質量％、Ｃｕ：３〜５質量％、Ｍｇ：１〜１．４質量％およびＦｅ：４〜６質量％を含有するアルミニウム合金、特に前記組成のアルミニウム急冷凝固粉末合金を挙示できる。前者の合金において、好ましいＳｉ濃度は１１．５〜１２．５質量％、好ましいＣｕ濃度は３．５〜４．５質量％、好ましいＮｉ濃度は１．５〜２．５質量％、好ましいＦｅ濃度は０．３〜０．５質量％、好ましいＭｇ濃度は０．９〜１．１質量％である。
【実施例】
【００４２】
表１に示す組成の合金を用いて、図１に示す斜め有底筒状部材(1)を製作した。前記斜め有底筒状部材(1)は、断面円形の筒状部(2)の一端が開口し、他端が軸線（Ｑｓ）に対して傾斜する底部(3)によって閉じられたカップ状成形品である。前記底部(3)の傾斜角度（θＳ）は７．５°であり、底部(3)の外面には円形の窪み(4)が形成されている。また、軸線（ＱＳ）を通る垂直面で仮想分割した高半部（ＳＨ）と低半部（ＳＬ）の体積比（ＶＳＨ：ＶＳＬ）は５４％：４６％である。
【００４３】
【表１】
【００４４】
〔実施例１〜１２〕
表２に示す各実施例において、予備成形工程において据え込み加工により傾斜面を有する予備成形品を製作し、続いて本成形工程において、図３（Ａ）（Ｂ）に示すダイス(20)およびパンチ(26)を用いて予備成形品を鍛造して斜め有底筒状部材(1)を鍛造した。
（予備成形工程）
予備成形工程において、実施例１、２、４、５、７、８、１０、１１は、据え込み加工用素材として、表１の合金Ｂまたは合金Ｃの連続鋳造材をスライス切断したもの用い、実施例３、６、９、１２は表１の合金Ｄを急冷凝固した粉末を固形化したものを押出し、この押出材をスライス切断したものを用いた。また、据え込み加工における成形温度は表２に示すとおりである。
【００４５】
実施例１〜９では、図４Ｂに示すように円柱体の一つの端面(18)を傾斜させた予備成形品(19)を製作した。予備成形品(19)の傾斜する端面(18)の傾斜角度（θＰ）は１０°（実施例１〜３）、５°（実施例４〜６）、または１５°（実施例７〜９）であり、周壁に位置決め用凸部(13)が突設されたものである。
【００４６】
実施例１０〜１２では、図２に示すように円柱体の一つの端面(11)を傾斜させた予備成形品(10)を製作した。前記予備成形品は、傾斜する端面(11)に円形の窪み(12)を有し、周壁に位置決め用凸部(13)が突設されたものである。また、傾斜面(11)の傾斜角度（θＰ）は１０°である。
【００４７】
実施例１〜１２の予備成形品において、軸線（ＱＰ）を通る垂直面で仮想分割した高い側の第１半部（Ｐ１）と低い側の第２半部（Ｐ２）の体積比（ＶＰ１：ＶＰ２）は表２に示すとおりである。
（本成形工程）
本成形工程においては、ダイス(20)およびパンチ(26)に潤滑剤を塗布するとともに、予備成形品にボンデ処理を施して潤滑性を付与した。また、予備成形品は表２に示す温度に予備加熱し、ダイス(20)およびパンチ(26)もそれぞれ表２に示す温度に加熱した。
【００４８】
実施例１〜３、７〜１２は、予備成形品(10)(19)の傾斜する端面(11)(18)を上にしてダイス(20)の成形孔(21)に装填し、実施例４〜６では傾斜する端面(11)を下にして装填した。いずれの例においても、予備成形品(10)(19)は位置決め用凸部(13)をダイス(20)の溝(24)に嵌合することによって所定位置に装填することができた。
【００４９】
そして、パンチ(26)を下記の荷重で降下させて鍛造し、斜め有底筒状部材(1)を製作した。
【００５０】
××：０．７７ＭＰａ以上（５２０ｔ以上）
×：０．７４ＭＰａ以上０．７７ＭＰａ未満（５００ｔ以上５２０ｔ未満）
○：０．７２ＭＰａ以上０．７４ＭＰａ未満（４９０ｔ以上５００ｔ未満）
◎：０．７１ＭＰａ以上０．７２ＭＰａ未満（４８０ｔ以上４９０ｔ未満）
◎◎：０．７１ＭＰａ未満（４８０ｔ未満）
【００５１】
【表２】
【００５２】
〔比較例２１〜３３〕
表３に示す各比較例において、据え込み加工または機械加工により鍛造に供する予備成形品を製作した。
（予備成形工程）
比較例２１〜２７、３１〜３３は据え込み加工によって予備成形品を製作した。据え込み加工用素材として、比較例２１〜２３、２５、２６、３１、３２は表１の合金Ａ、Ｂ、Ｃの連続鋳造材をスライス切断したもの用い、比較例２４、２７、３３は表１の合金Ｄを急冷凝固した粉末を固形化したものを押出し、この押出材をスライス切断したものを用いた。比較例２１〜２７の予備成形品は、図５（Ａ）の素材(40)に参照されるような、両端面が軸線に直交する円柱体で傾斜面を有さない形状とした。比較例３１〜３３の予備成形品は、円柱体の両端面が共に７．５°に傾斜する形状とした。また、据え込み加工における成形温度は表３に示すとおりである。
【００５３】
比較例２８〜３０は機械加工によって予備成形品を製作した。比較例２８、２９は、表１の合金Ｂ、Ｃを斜め有底筒状部材(1)と同径に連続鋳造し、この連続鋳造材を切断して一端面が１０°に傾斜するように加工した。比較例３３は表１の合金Ｄを急冷凝固した粉末を固形化したものを斜め有底筒状部材(1)と同径に押出し、この押出材を切断して一端面が１０°に傾斜するように加工した。これらの切断加工品は、位置決め部(13)が無いことを除いて図４Ｂの鍛造用素材(19)と同形である。
【００５４】
比較例２１〜３３の予備成形品において、軸線（ＱＰ）を通る垂直面で仮想分割した高い側の第１半部（Ｐ１）と低い側の第２半部（Ｐ２）の体積比（ＶＰ１：ＶＰ２）は表３に示すとおりである。
（本成形工程）
実施例の本成形工程と同じく、ダイス(20)およびパンチ(26)に潤滑剤を塗布するとともに、予備成形品にボンデ処理を施して潤滑性を付与した。また、予備成形品は表３に示す温度に予備加熱し、ダイス(20)およびパンチ(26)もそれぞれ表３に示す温度に加熱した。そして、パンチ(26)を降下させて鍛造し、斜め有底筒状部材(1)を製作した。鍛造荷重の
記号は実施例に準じる。
【００５５】
【表３】
【００５６】
実施例および比較例で製作した斜め有底筒状部材について、筒状部の成形性、形態、高温機械特性、品質、コストについて下記の方法および基準で評価し、さらに総合的に評価した。これらの評価結果を表２および表３に合わせて示す。
【００５７】
（成形性）
目視観察により評価した。
×：筒状部が均等に形成されていない
○：筒状部がほぼ均等に成形されている
◎：筒状部が均等に成形されている
【００５８】
（形態）
巻き込み欠陥の深さによって評価した。
×：深さが１ｍｍ以上の巻き込み欠陥が発生した
○：巻き込み欠陥の深さが０．５ｍｍ以上１ｍｍ未満であった
◎：巻き込み欠陥が深さが０．３ｍｍ以上０．５ｍｍ未満であった
◎◎：巻き込み欠陥の深さが０．３ｍｍ未満であった
【００５９】
（コスト）
１０万個の斜め有底筒状部材を製作するときのコストについて、同形状の有底筒状部材を鋳物で製作し、鋳物品１個あたりのコストを「１」とした場合のコストを相対的に比較した。
×：２以上
◎：１．５
【００６０】
（高温機械特性）
３００℃における高温疲労強度を測定した。
×：３０ＭＰａ以上４５ＭＰａ未満
○：４５ＭＰａ以上６０ＭＰａ未満
◎：６０ＭＰａ以上
【００６１】
（品質）
×：内部欠陥あり
○：内部欠陥なし
【００６２】
（総合）
成形荷重、成形性、形態不良、機械特性、品質、コストの評価を総合して、下記の基準で評価した。
××：××が１つ以上
×：×が１つ以上
○：◎が１つ以上
◎：◎が２つ以上
◎◎：◎◎が１つ以上または◎が４つ以上
【００６３】
表２および表３より、斜め有底筒状部材の体積比を反映させた予備成形品を鍛造することにより、低コストで寸法精度の良い斜め有底筒状部材を製作できることを確認した。
【産業上の利用可能性】
【００６４】
本発明によれば、低コストで寸法精度の良い斜め有底筒状部材を製造でき、例えばエンジンピストンの製造に適用できる。
【符号の説明】
【００６５】
1…斜め有底筒状部材
2…筒状部
3…底部
4…窪み
5…位置決め用凸部
ＳＨ…高半部
ＳＬ…低半部
10…予備成形品
11…端面
12…窪み
13…位置決め用凸部
Ｐ１…第１半部
Ｐ２…第２半部
20…ダイス
26パンチ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、傾斜した底部を有する斜め有底筒状部材の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
筒状部の軸線に対して傾斜した底部を有する斜め有底筒状部材、例えばエンジンピストンを鍛造する場合、図５（Ａ）（Ｂ）に示すように、連続鋳造材を軸線に対して直角にスライス切断した円柱形素材(40)をダイス(41)に装填し、パンチ(42)で鍛造して目的形状に成形する。鍛造過程において、ダイス(41)の筒状部成形用の凸部(43)の先端面とパンチ(42)の先端面との間に傾斜底部(44)が成形され、素材(40)がダイス(41)の内周面と前記凸部(43)の外周面と間に充填されて筒状部(45)が成形されて斜め有底筒状部材(46)となる。かかる斜め有底筒状部材(46)では筒状部(45)の高さの長い（高い）側と短い（低い）側とで体積に差があり、長い側にも材料が確実に充填されるようにスライドを下げて荷重をかけて、長い側を成形している。しかし、荷重を高くして成形すると、先に成形された短い側にバリが立ち、高荷重で成形することにより型寿命が短くなる。また、短い側からのメタルフローと長い側からのメタルフローがぶつかる位置に巻き込み欠陥が生じやすくなる。
【０００３】
一方、反りやうねりを有する複雑形状の鍛造品を製造するために、連続鋳造材の鋳造方向に対して傾斜した角度で切断したスライス材を鍛造素材に用いることが提案されている（特許文献１）。斜め有底筒状部材の鍛造においても、鍛造用素材を製作する際に、一方の端面を斜めに切断して鍛造品の体積バランスに近似した素材を用いることにより、巻き込み欠陥の発生が抑制されるとともに荷重が低減されると思われる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−２３０４３７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、機械加工によって鍛造用素材を製作するのは手間がかかり、加工代が無駄になって材料歩留まりが悪く製造コストを高める原因となる。しかも、斜めに切断すると、直角に切断するよりも手間も加工代も多くなる。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、上述した技術背景に鑑み、寸法精度の良い斜め有底筒状部材を低コストで製造できる斜め有底筒状部材の製造方法の提供を目的とする。
【０００７】
即ち、本発明の斜め有底筒状部材は下記［１］〜［８］に記載の構成を有する。
【０００８】
［１］ 筒状部の一端に該筒状部の軸線に対して傾斜する底部を有する斜め有底筒状部材を製造する方法において、
据え込み加工により予備成形品を成形する予備成形工程と、前記予備成形品を鍛造して斜め有底筒状部材を成形する本成形工程を有し、
前記斜め有底筒状部材を、底部の傾斜方向の中間において軸線を通り鍛造方向に平行な面で仮想分割し、筒状部の高さの高い側を高半部とするともに低い側を低半部とし、
前記予備成形工程において成形する予備成形品を、軸線を通り据え込み方向に平行な面で前記斜め有底筒状部材の高半部に対応する第１半部と低半部に対応する第２半部に仮想分割し、前記斜め有底筒状部材の全体積に対する高半部の体積の比率を１としたとき、予備成形品の全体積に対する第１半部の体積の比率を０．９〜１．２の範囲とすることを特徴とする斜め有底筒状部材の製造方法。
【０００９】
［２］前記予備成形品の第１半部と第２半部の体積の差を、前記斜め有底筒状部材の高半部と低半部の体積の差よりも拡大する前項１に記載の斜め有底筒状部材の製造方法。
【００１０】
［３］前記斜め有底筒状部材は高半部の体積が低半部の体積よりも大きい前項１または２に記載の斜め有底筒状部材の製造方法。
【００１１】
［４］前記予備成形工程において、小径の素材から斜め有底筒状部材と同径に径を拡大した予備成形品を成形する前項１〜３のいずれかに記載の斜め有底筒状部材の製造方法。
【００１２】
［５］予備成形工程において、軸線に対して傾斜する端面を有する予備成形品を成形し、周壁の高さの高い側を前記第１半部とし低い側を前記第２半部とする前項１〜４のいずれかに記載の斜め有底筒状部材の製造方法。
【００１３】
［６］前記予備成形品は、鍛造用ダイスへの装填位置を決める位置決め部を有する前項１〜５のいずれかに記載の斜め有底筒状部材の製造方法。
【００１４】
［７］前記位置決め部は予備成形品の周壁から突出し、鍛造用ダイスに設けられた溝に嵌合される凸部である前項６に記載の斜め有底筒状部材の製造方法。
【００１５】
［８］底部に凹部を有する斜め有底筒状部材に対し、予備成形品の傾斜する端面に凹部を形成する前項１〜７のいずれかに記載の斜め有底筒状部材の製造方法。
【発明の効果】
【００１６】
上記［１］に記載の斜め有底筒状部材の製造方法によれば、斜め有底筒状部材の体積比が予備成形品の体積比に反映されているため、本成形工程におけるメタルフローが良好であり寸法精度の良い斜め有底筒状部材を製造でき、金型寿命も長くなる。また、予備成形品を据え込み加工により製作するので、短時間で寸法精度の良い予備成形品を成形でき、材料に無駄が生じない。
【００１７】
上記［２］［３］に記載の各斜め有底筒状部材の製造方法によれば、特にメタルフローが良くなって上記効果が顕著となる。
【００１８】
上記［４］に記載の各斜め有底筒状部材の製造方法によれば、予備成形品が斜め有底筒状部材により近い形状となり、顕著に上記効果を奏することができる。
【００１９】
上記［５］に記載の斜め有底筒状部材の製造方法によれば、予備成形品の形状決定が容易である。
【００２０】
上記［６］に記載の斜め有底筒状部材の製造方法によれば、鍛造用ダイス内の所定位置に予備成形品を装填することができる。また、予備成形品が固定されるので、ダイス破損の危険性を低減できる。
【００２１】
上記［７］に記載の斜め有底筒状部材の製造方法によれば、鍛造用ダイス製作が容易にできるとともに、金型が破損しにくい。
【００２２】
上記［８］に記載の斜め有底筒状部材の製造方法によれば、予備成形品が斜め有底筒状部材により近い形状となるので、材料に無駄が生じない。また本成形金型に位置決め用の嵌合部を形成する必要がない。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明によって製造する斜め有底筒状部材の一実施形態を示す斜視図である。
【図２】図１の斜め有底筒状部材を製造するための予備成形品を示す斜視図である。
【図３】本発明における本成形工程を模式的に示す断面図であり、（Ａ）はダイスに予備成形品を装填した鍛造準備状態、（Ｂ）はパンチを下死点まで降下させた鍛造完了状態を示している。
【図４Ａ】予備成形品の他の例を示す斜視図である。
【図４Ｂ】予備成形品のさらに他の例を示す斜視図である。
【図５】従来の鍛造工程を模式的に示す断面図であり、（Ａ）はダイスに素材を装填した鍛造準備状態、（Ｂ）はパンチを下死点まで降下させた鍛造完了状態を示している。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
図１は斜め有底筒状部材(1)の一例であり、図２はこの斜め有底筒状部材(1)を成形するための予備成形品(10)である。また、図３（Ａ）（Ｂ）は、前記予備成形品(10)を鍛造して斜め有底筒状部材(1)を製造するための鍛造装置である。
〔斜め有底筒状部材〕
斜め有底筒状部材(1)は、断面円形の筒状部(2)の一端が筒状部(2)の軸線（Ｑｓ）に直交する面で開口し、他端が軸線（Ｑｓ）に対して傾斜する底部(3)によって閉じられたカップ状成形品である。傾斜した底部(3)は楕円形を呈し、この底部(3)の外面に円形の窪み(4)が形成されている。また、楕円形の底部(3)の長径方向の一端には筒状部(2)から位置決め部(5)が突出している。
【００２５】
前記斜め有底筒状部材(1)において、該斜め有底筒状部材(1)を、軸線（Ｑｓ）を通る垂直面（鍛造方向と平行な面）で２つの領域に仮想分割し、筒状部(2)の高さの高い側を高半部(ＳＨ)、低い側を低半部(ＳＬ)と称し、全体積を（ＶＳ）、高半部(ＳＨ)の体積を（ＶＳＨ）、低半部（ＳＬ）の体積を（ＶＳＬ）とする。前記底部(3)が傾斜しているため、高半部(ＳＨ)の体積（ＶＳＨ）は低半部（ＳＬ）の体積（ＶＳＬ）よりも大きくなっている。
〔予備成形品〕
予備成形品(10)は概略円柱体であり、一方の端面は円柱体の軸線（ＱＰ）に直交し、他方の端面(11)は軸線（ＱＰ）に対して傾斜して楕円形を呈し、円形の窪み(12)が形成されている。楕円形の端面(11)の長径方向の一端には、周壁から突出する位置決め用凸部(13)が形成されている。前記位置決め用凸部(13)は、本成形工程においてダイス(20)に予備成形品(10)を装填する際に位置を決めるためのものである。
【００２６】
前記予備成形品(10)において、該予備成形品(10)を、軸線（ＱＰ）を通る垂直面で２つの領域に仮想分割し、周壁の高さの高い側を第１半部（Ｐ１）、低い側を第２半部（Ｐ２）と称し、全体積を（ＶＰ）、第１半部(Ｐ１)の体積を（ＶＰ１）、第２半部（Ｐ２）の体積を（ＶＰ２）とする。前記第１半部（Ｐ１）および第２半部（Ｐ２）は斜め有底筒状部材(1)の高半部（ＳＨ）および低半部（ＳＬ）に対応する。前記楕円形の端面(11)は傾斜しているので、第１半部（Ｐ１）の体積（ＶＰ１）は第２半部（Ｐ２）の体積（ＶＰ２）よりも大きくなっている。また、予備成形品(10)の全体積（ＶＰ）は斜め有底筒状部材(1)の全体積（ＶＳ）に等しい。
〔予備成形工程〕
素材を据え込み加工し、径を前記斜め有底筒状部材(1)と略同等となるように拡大するとともに、一方の端面を傾斜させて楕円形端面(11)を形成するとともに窪み(12)を形成し、かつ位置決め部(12)を突出させることにより、予備成形品(10)を製作する。
【００２７】
予備成形品(10)は、第１半部（Ｐ１）と第２半部（Ｐ２）の体積比（ＶＰ１：ＶＰ２）を、斜め有底筒状部材(1)の高半部（ＳＨ）と低半部（ＳＬ）の体積比（ＶＳＨ：ＶＳＬ）に一致させるか、あるいは近似させた形状に成形する。
〔本成形工程〕
図３（Ａ）（Ｂ）に示す鍛造装置は、ダイス(20)およびパンチ(26)を備えている。前記ダイス(20)は成形孔(21)の底部に斜め有底筒状部材(1)の中空部に対応する成形用凸部(22)が設けられ、その先端面(23)は前記斜め有底筒状部材(1)の底部(3)に対応して図面上右下がりに傾斜し、左側で高半部（ＳＨ）を成形し右側で低半部（ＳＬ）を成形するものとなされている。また、成形孔(21)の周壁に予備成形品(10)の位置決め用凸部(13)を嵌合させる溝(24)が設けられている。図中の(25)は鍛造品を突き出すためのノックアウトピンである。
【００２８】
前記パンチ(26)は、先端面(27)が前記斜め有底筒状部材(1)の底部(3)に対応して図面上右下がりに傾斜し、窪み(4)を成形するための円形凸部(28)が設けられている。また、前記パンチ(26)の周壁にはダイス(20)の溝(24)に嵌合する凸部(29)が設けられている。
【００２９】
図３（Ａ）に示すように、前記ダイス(20)の成形孔(21)に予備成形品(10)を入れ、位置決め用凸部(13)を溝(24)に嵌合させる。これにより、予備成形品(10)はダイス(20)の成形孔(21)内で回動が規制され、第１半部（Ｐ１）が成形孔(21)の図面上左側に位置するように装填される。
【００３０】
そして、図３（Ｂ）に示すように、前記パンチ(26)を下降させて予備成形品(10)に荷重を加え、パンチ(26)の先端面(27)とダイス(20)の成形用凸部(22)の先端面(23)との間の材料を流動させてダイス(20)の成形孔(21)の周壁と成形用凸部(22)の周壁との間に充填し、所定厚さの傾斜した底部(3)を形成するとともに筒状部(2)を成形する。また、同時にパンチ(26)の円形凸部(28)が予備成形品(10)の窪み(12)に嵌合し、荷重により底部(3)の円形窪み(4)が成形される。前記パンチ(26)が下死点まで降下して鍛造が完了した後、パンチ(26)を上昇させ、ノックアウトピン(25)を上昇させて鍛造された斜め有底筒状部材(1)を突き出す（図示省略）。鍛造した斜め有底筒状部材(1)には位置決め用凸部(5)が繋がっているので切除する。
この鍛造工程において、予備成形品(10)の体積比（ＶＰ１：ＶＰ２）は斜め有底筒状部材(1)の体積比（ＶＳＨ：ＶＳＬ）に一致または近似しているので、従来のフラットな予備成形品（体積比：ＶＰ１＝ＶＰ２）からの鍛造よりもメタルフローが良くなる。このため、従来よりも低荷重でダイス内に材料を確実に充填することができ、低荷重で寸法精度の良い斜め有底筒状部材(1)を鍛造できる。また、低荷重で鍛造できることにより金型寿命が向上し、かつ巻き込み欠陥も抑制される。
【００３１】
本発明の予備成形工程では据え込み加工によって予備成形品(10)を成形する。据え込み加工に供する素材の製造方法や形状は限定されず、例えば連続鋳造材や押出材をスライス切断したもの、急冷凝固した金属粉末を固形化して押出した押出材をスライス切断したもの等を用いる。予備成形品(10)は斜め有底筒状部材(1)と同等径であることが好ましいが、素材を斜め切断して予備成形品を製作するには斜め有底筒状部材と同等径の素材が必要となり、切断面が斜めになることと相俟って切断面積が大きくなり、加工代が大きくなって材料歩留まりが悪くなる。しかも、素材の径が大きくなるほど中心部の金属組織が粗くなりやすく、粗い金属組織を有する予備成形品を鍛造すると、粗い金属組織が斜め有底筒状部材に持ち越されるおそれがある。据え込み加工では、小径の素材から大径の予備成形品を製作できるので素材の金属組織に起因する問題が少なく、かつ加工代が不要であるから材料歩留まりも良く、切断よりも短時間で製作できる。また、切断よりも寸法精度が良く、位置決め部も同時に成形できる。さらに、据え込み加工ではバリが発生しないので、材料歩留まりが良く、バリ取り作業も不要である。そして、材料歩留まりの向上、予備成形時間の短縮、さらに上述したダイス寿命の延長によりコストを低減できる。
【００３２】
前記予備成形品(10)の体積比（ＶＰ１：ＶＰ２）は、斜め有底筒状部材(1)の体積比（ＶＳＨ：ＶＳＬ）に一致または近似させることで本成形工程におけるメタルフローが良くなって上述した効果が得られる。かかる効果が得られる近似範囲は、斜め有底筒状部材(1)の全体積（ＶＳ）に対する高半部（ＳＨ）の体積（ＶＳＨ）の比率（ＶＳＨ／ＶＳ）を１としたとき、予備成形品(10)の全体積（ＶＰ）に対する第１半部（Ｐ１）の体積（ＶＰ１）の比率（ＶＰ１／ＶＰ）が０．９〜１．２の範囲であることが好ましく、さらに１〜１．０５の範囲が好ましい。
【００３３】
さらに上述した好適範囲のうちでも、前記予備成形品(10)の第１半部（Ｐ１）と第２半部（Ｐ２）の体積の差（ＶＰ１−ＶＰ２）を、前記斜め有底筒状部材(1)の高半部（ＳＨ）と低半部（ＳＬ）の体積の差（ＶＳＨ−ＶＳＬ）よりも拡大して設定することによって、さらにメタルフローが良くなる。その理由は、筒状部の長い側を成形した後に短い側にメタルが流れた方がフローが容易であり、逆の流れ、つまり短い側から長い側へはメタルの移動がなされにくいためである。
【００３４】
また、前記予備成形品(10)の端面(11)の傾斜角度（θＰ）を斜め有底筒状部材(1)の底部(3)の傾斜角度（θＳ）に一致させるか、あるいは近似させれば体積比も近似するものとなる。このため、厳密に斜め有底筒状部材(1)の体積比を計算しなくても、底部(3)の傾斜角度（θＳ）で予備成形品(10)の形状を決定しても上記効果が得られる。特に、図示例のような、筒状部(2)の開口面が軸線（ＱＳ）に直交する斜め有底筒状部材(1)においては、傾斜角度（θＰ）（θＳ）を近似させるだけでも体積比が良く一致するので、予備成形品の簡易な形状決定方法として推奨できる。但し、筒状部や底部に肉厚の変化のある複雑形状品では、予備成形品の端面の傾斜角度（θＰ）を斜め有底筒状部材の底部の傾斜角度（θＳ）に一致させるだけでは体積比が一致しないこともある。
【００３５】
本発明の方法は、斜め有底筒状部材が軸線に対して傾斜する底部を有するものである限り適用でき、筒状部の形状や肉厚、底部に形成された凹凸の有無等が何ら限定されない。このため、筒状部の周壁の高さは、傾斜する底部の低い側（下がっている側）よりも高い側の方が低くなることもあり、また低半部が高半部よりも体積が大きくなることもある。いかなる形状の斜め有底筒状部材に対しても、仮想分割した２つの半部の体積比を予備成形品の体積比に反映させることによってメタルフローを改善し、上述した諸効果を奏することができる。但し、上述した斜め有底筒状部材(1)のように高半部（ＳＨ）の体積（ＶＳＨ）が低半部（ＳＬ）の体積（ＶＳＬ）よりも大きい形状において、特に顕著な効果が得られる。即ち、短い側が先に成形されてしまうことで金型寿命が悪くなる場合に高い効果が得られる。
【００３６】
仮想分割は、軸線を通り体積差が最大となる面で行うことが最も好ましい。このように仮想分割した場合に本成形工程におけるメタルフローが最も良くなる。ただし、本発明は体積差が最大となる仮想分割を行うことに限定するものではなく、傾斜方向の中間の任意位置で行っても良く、中央からどちらかに寄った位置で仮想分割してその体積比を予備成形品に反映させても良い。さらに、斜め有底筒状部材の体積比を予備成形品に反映させれば良いので、予備成形品に傾斜面を設けずに段を付ける等の方法で体積比を調節することもできる。但し、予備成形品は鍛造品の形状により近い形状である方が好ましく、かかる観点から傾斜面を有する予備成形品を推奨できる。
【００３７】
図２に示した予備成形品(10)は１つの傾斜面を有するものであるが、複数の面を傾斜させて体積比を近似させるようにしても良い。図４Ａに示す予備成形品(15)は円柱体の両端面(16)(17)を逆方向に傾斜させたものである。斜め有底筒状部材の体積比を予備成形品に反映させればメタルフローを改善できるので、傾斜させる面の数は何ら限定されない。２面を傾斜させる場合、２面の傾斜方向が同じでも傾斜角度を変えれば体積に差を付けることができる。
【００３８】
また、斜め有底筒状部材(1)に形成する凹凸を予備成形品(10)にも形成しておくことも好ましい。かかる形状の予備成形品(10)は斜め有底筒状部材(1)により近い形状となるので材料に無駄が生じない。また、予備成形品(10)の凹凸を本成形用の金型における位置決め部として利用できる場合は、位置決め用の嵌合部を別途形成する必要がなくなる。上記例では、斜め有底筒状部材(1)の底面の窪み(4)を形成するために、予備成形品(10)の端面(11)に前記窪み(4)に対応する窪み(12)を形成したものである。勿論、図４Ｂに示すような、端面(18)に窪みのない予備成形品(19)を用いても、図１の窪み(4)を有する斜め有底筒状部材(1)を鍛造できる。
【００３９】
さらに、予備成形品(10)にはダイス(20)の成形孔(21)に装填する際の位置決め部を形成しておくことが好ましい。図２に示した予備成形品(10)では周壁に凸部(13)を形成する一方で、ダイス(20)の成形孔(21)の周壁にこの凸部(13)に嵌合する溝(24)を形成し、これらを嵌合させることにより位置決めを行っているが、位置決め用の凸部および溝は予備成形品およびダイスのどちらに設けても良い。但し、ダイス(20)に凸部を設けるよりも溝を設ける方がダイス製作が容易でありダイス強度も確保しやすいので、予備成形品(10)に凸部(5)を設けてダイス(20)に溝(24)を設けることが好ましい。また、ダイス(20)に位置決め部を設けることなく予備成形品にのみ位置決め部を設け、この位置決め部によってチャッキング装置の掴持姿勢を決め、決められた姿勢でダイスに移すことによって装填位置を決めることもできる。
【００４０】
本成形工程においては、一般的な鍛造と同じくダイスおよびパンチに潤滑剤を供給する他、予備成形品にも潤滑性を付与しておくことが好ましい。例として、エンジンピストンを成形する場合には、予備成形品に潤滑性を付与することにより、鍛造荷重を低減し、また冠面側のバルブリセス不良の防止することができる。予備成形品への潤滑性付与はボンデ処理等によって適宜行う。また、ダイス、パンチおよび予備成形品を加熱しておくことも好ましい。アルミニウムまたはアルミニウム合金の鍛造において、ダイスの加熱温度は２００〜４００℃が好ましく、特に２５０〜３００℃が好ましい。同様に、パンチの加熱温度は５０〜２５０℃が好ましく、特に１００〜２００℃が好ましい。同様に、予備成形品の加熱温度は４００〜４８０℃が好ましく、特に４２０〜４６０℃が好ましい。
【００４１】
本発明において斜め有底筒状部材の材料は限定されないが、本成形工程におけるメタルフローが改善されることから、伸びが悪く難鍛造材料の鍛造において顕著な効果が得られる。かかる材料として、Ｓｉ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｍｇ、Ｆｅを含有するアルミニウム合金を例示できる。例えば、Ｓｉ：１０．５〜１３．５質量％、Ｃｕ：３〜５質量％、Ｎｉ：１〜３質量％、Ｆｅ：０．１〜０．５質量％、Ｍｇ：０．８〜１．２質量％を含有するアルミニウム合金、あるいはＳｉ：１１〜１２質量％、Ｃｕ：３〜５質量％、Ｍｇ：１〜１．４質量％およびＦｅ：４〜６質量％を含有するアルミニウム合金、特に前記組成のアルミニウム急冷凝固粉末合金を挙示できる。前者の合金において、好ましいＳｉ濃度は１１．５〜１２．５質量％、好ましいＣｕ濃度は３．５〜４．５質量％、好ましいＮｉ濃度は１．５〜２．５質量％、好ましいＦｅ濃度は０．３〜０．５質量％、好ましいＭｇ濃度は０．９〜１．１質量％である。
【実施例】
【００４２】
表１に示す組成の合金を用いて、図１に示す斜め有底筒状部材(1)を製作した。前記斜め有底筒状部材(1)は、断面円形の筒状部(2)の一端が開口し、他端が軸線（Ｑｓ）に対して傾斜する底部(3)によって閉じられたカップ状成形品である。前記底部(3)の傾斜角度（θＳ）は７．５°であり、底部(3)の外面には円形の窪み(4)が形成されている。また、軸線（ＱＳ）を通る垂直面で仮想分割した高半部（ＳＨ）と低半部（ＳＬ）の体積比（ＶＳＨ：ＶＳＬ）は５４％：４６％である。
【００４３】
【表１】
【００４４】
〔実施例１〜１２〕
表２に示す各実施例において、予備成形工程において据え込み加工により傾斜面を有する予備成形品を製作し、続いて本成形工程において、図３（Ａ）（Ｂ）に示すダイス(20)およびパンチ(26)を用いて予備成形品を鍛造して斜め有底筒状部材(1)を鍛造した。
（予備成形工程）
予備成形工程において、実施例１、２、４、５、７、８、１０、１１は、据え込み加工用素材として、表１の合金Ｂまたは合金Ｃの連続鋳造材をスライス切断したもの用い、実施例３、６、９、１２は表１の合金Ｄを急冷凝固した粉末を固形化したものを押出し、この押出材をスライス切断したものを用いた。また、据え込み加工における成形温度は表２に示すとおりである。
【００４５】
実施例１〜９では、図４Ｂに示すように円柱体の一つの端面(18)を傾斜させた予備成形品(19)を製作した。予備成形品(19)の傾斜する端面(18)の傾斜角度（θＰ）は１０°（実施例１〜３）、５°（実施例４〜６）、または１５°（実施例７〜９）であり、周壁に位置決め用凸部(13)が突設されたものである。
【００４６】
実施例１０〜１２では、図２に示すように円柱体の一つの端面(11)を傾斜させた予備成形品(10)を製作した。前記予備成形品は、傾斜する端面(11)に円形の窪み(12)を有し、周壁に位置決め用凸部(13)が突設されたものである。また、傾斜面(11)の傾斜角度（θＰ）は１０°である。
【００４７】
実施例１〜１２の予備成形品において、軸線（ＱＰ）を通る垂直面で仮想分割した高い側の第１半部（Ｐ１）と低い側の第２半部（Ｐ２）の体積比（ＶＰ１：ＶＰ２）は表２に示すとおりである。
（本成形工程）
本成形工程においては、ダイス(20)およびパンチ(26)に潤滑剤を塗布するとともに、予備成形品にボンデ処理を施して潤滑性を付与した。また、予備成形品は表２に示す温度に予備加熱し、ダイス(20)およびパンチ(26)もそれぞれ表２に示す温度に加熱した。
【００４８】
実施例１〜３、７〜１２は、予備成形品(10)(19)の傾斜する端面(11)(18)を上にしてダイス(20)の成形孔(21)に装填し、実施例４〜６では傾斜する端面(11)を下にして装填した。いずれの例においても、予備成形品(10)(19)は位置決め用凸部(13)をダイス(20)の溝(24)に嵌合することによって所定位置に装填することができた。
【００４９】
そして、パンチ(26)を下記の荷重で降下させて鍛造し、斜め有底筒状部材(1)を製作した。
【００５０】
××：０．７７ＭＰａ以上（５２０ｔ以上）
×：０．７４ＭＰａ以上０．７７ＭＰａ未満（５００ｔ以上５２０ｔ未満）
○：０．７２ＭＰａ以上０．７４ＭＰａ未満（４９０ｔ以上５００ｔ未満）
◎：０．７１ＭＰａ以上０．７２ＭＰａ未満（４８０ｔ以上４９０ｔ未満）
◎◎：０．７１ＭＰａ未満（４８０ｔ未満）
【００５１】
【表２】
【００５２】
〔比較例２１〜３３〕
表３に示す各比較例において、据え込み加工または機械加工により鍛造に供する予備成形品を製作した。
（予備成形工程）
比較例２１〜２７、３１〜３３は据え込み加工によって予備成形品を製作した。据え込み加工用素材として、比較例２１〜２３、２５、２６、３１、３２は表１の合金Ａ、Ｂ、Ｃの連続鋳造材をスライス切断したもの用い、比較例２４、２７、３３は表１の合金Ｄを急冷凝固した粉末を固形化したものを押出し、この押出材をスライス切断したものを用いた。比較例２１〜２７の予備成形品は、図５（Ａ）の素材(40)に参照されるような、両端面が軸線に直交する円柱体で傾斜面を有さない形状とした。比較例３１〜３３の予備成形品は、円柱体の両端面が共に７．５°に傾斜する形状とした。また、据え込み加工における成形温度は表３に示すとおりである。
【００５３】
比較例２８〜３０は機械加工によって予備成形品を製作した。比較例２８、２９は、表１の合金Ｂ、Ｃを斜め有底筒状部材(1)と同径に連続鋳造し、この連続鋳造材を切断して一端面が１０°に傾斜するように加工した。比較例３３は表１の合金Ｄを急冷凝固した粉末を固形化したものを斜め有底筒状部材(1)と同径に押出し、この押出材を切断して一端面が１０°に傾斜するように加工した。これらの切断加工品は、位置決め部(13)が無いことを除いて図４Ｂの鍛造用素材(19)と同形である。
【００５４】
比較例２１〜３３の予備成形品において、軸線（ＱＰ）を通る垂直面で仮想分割した高い側の第１半部（Ｐ１）と低い側の第２半部（Ｐ２）の体積比（ＶＰ１：ＶＰ２）は表３に示すとおりである。
（本成形工程）
実施例の本成形工程と同じく、ダイス(20)およびパンチ(26)に潤滑剤を塗布するとともに、予備成形品にボンデ処理を施して潤滑性を付与した。また、予備成形品は表３に示す温度に予備加熱し、ダイス(20)およびパンチ(26)もそれぞれ表３に示す温度に加熱した。そして、パンチ(26)を降下させて鍛造し、斜め有底筒状部材(1)を製作した。鍛造荷重の
記号は実施例に準じる。
【００５５】
【表３】
【００５６】
実施例および比較例で製作した斜め有底筒状部材について、筒状部の成形性、形態、高温機械特性、品質、コストについて下記の方法および基準で評価し、さらに総合的に評価した。これらの評価結果を表２および表３に合わせて示す。
【００５７】
（成形性）
目視観察により評価した。
×：筒状部が均等に形成されていない
○：筒状部がほぼ均等に成形されている
◎：筒状部が均等に成形されている
【００５８】
（形態）
巻き込み欠陥の深さによって評価した。
×：深さが１ｍｍ以上の巻き込み欠陥が発生した
○：巻き込み欠陥の深さが０．５ｍｍ以上１ｍｍ未満であった
◎：巻き込み欠陥が深さが０．３ｍｍ以上０．５ｍｍ未満であった
◎◎：巻き込み欠陥の深さが０．３ｍｍ未満であった
【００５９】
（コスト）
１０万個の斜め有底筒状部材を製作するときのコストについて、同形状の有底筒状部材を鋳物で製作し、鋳物品１個あたりのコストを「１」とした場合のコストを相対的に比較した。
×：２以上
◎：１．５
【００６０】
（高温機械特性）
３００℃における高温疲労強度を測定した。
×：３０ＭＰａ以上４５ＭＰａ未満
○：４５ＭＰａ以上６０ＭＰａ未満
◎：６０ＭＰａ以上
【００６１】
（品質）
×：内部欠陥あり
○：内部欠陥なし
【００６２】
（総合）
成形荷重、成形性、形態不良、機械特性、品質、コストの評価を総合して、下記の基準で評価した。
××：××が１つ以上
×：×が１つ以上
○：◎が１つ以上
◎：◎が２つ以上
◎◎：◎◎が１つ以上または◎が４つ以上
【００６３】
表２および表３より、斜め有底筒状部材の体積比を反映させた予備成形品を鍛造することにより、低コストで寸法精度の良い斜め有底筒状部材を製作できることを確認した。
【産業上の利用可能性】
【００６４】
本発明によれば、低コストで寸法精度の良い斜め有底筒状部材を製造でき、例えばエンジンピストンの製造に適用できる。
【符号の説明】
【００６５】
1…斜め有底筒状部材
2…筒状部
3…底部
4…窪み
5…位置決め用凸部
ＳＨ…高半部
ＳＬ…低半部
10…予備成形品
11…端面
12…窪み
13…位置決め用凸部
Ｐ１…第１半部
Ｐ２…第２半部
20…ダイス
26パンチ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
筒状部の一端に該筒状部の軸線に対して傾斜する底部を有する斜め有底筒状部材を製造する方法において、
据え込み加工により予備成形品を成形する予備成形工程と、前記予備成形品を鍛造して斜め有底筒状部材を成形する本成形工程を有し、
前記斜め有底筒状部材を、底部の傾斜方向の中間において軸線を通り鍛造方向に平行な面で仮想分割し、筒状部の高さの高い側を高半部とするともに低い側を低半部とし、
前記予備成形工程において成形する予備成形品を、軸線を通り据え込み方向に平行な面で前記斜め有底筒状部材の高半部に対応する第１半部と低半部に対応する第２半部に仮想分割し、前記斜め有底筒状部材の全体積に対する高半部の体積の比率を１としたとき、予備成形品の全体積に対する第１半部の体積の比率を０．９〜１．２の範囲とすることを特徴とする斜め有底筒状部材の製造方法。
【請求項２】
前記予備成形品の第１半部と第２半部の体積の差を、前記斜め有底筒状部材の高半部と低半部の体積の差よりも拡大する請求項１に記載の斜め有底筒状部材の製造方法。
【請求項３】
前記斜め有底筒状部材は高半部の体積が低半部の体積よりも大きい請求項１または２に記載の斜め有底筒状部材の製造方法。
【請求項４】
前記予備成形工程において、小径の素材から斜め有底筒状部材と同径に径を拡大した予備成形品を成形する請求項１〜３のいずれかに記載の斜め有底筒状部材の製造方法。
【請求項５】
予備成形工程において、軸線に対して傾斜する端面を有する予備成形品を成形し、周壁の高さの高い側を前記第１半部とし低い側を前記第２半部とする請求項１〜４のいずれかに記載の斜め有底筒状部材の製造方法。
【請求項６】
前記予備成形品は、鍛造用ダイスへの装填位置を決める位置決め部を有する請求項１〜５のいずれかに記載の斜め有底筒状部材の製造方法。
【請求項７】
前記位置決め部は予備成形品の周壁から突出し、鍛造用ダイスに設けられた溝に嵌合される凸部である請求項６に記載の斜め有底筒状部材の製造方法。
【請求項８】
底部に凹部を有する斜め有底筒状部材に対し、予備成形品の傾斜する端面に凹部を形成する請求項１〜７のいずれかに記載の斜め有底筒状部材の製造方法。
【請求項１】
筒状部の一端に該筒状部の軸線に対して傾斜する底部を有する斜め有底筒状部材を製造する方法において、
据え込み加工により予備成形品を成形する予備成形工程と、前記予備成形品を鍛造して斜め有底筒状部材を成形する本成形工程を有し、
前記斜め有底筒状部材を、底部の傾斜方向の中間において軸線を通り鍛造方向に平行な面で仮想分割し、筒状部の高さの高い側を高半部とするともに低い側を低半部とし、
前記予備成形工程において成形する予備成形品を、軸線を通り据え込み方向に平行な面で前記斜め有底筒状部材の高半部に対応する第１半部と低半部に対応する第２半部に仮想分割し、前記斜め有底筒状部材の全体積に対する高半部の体積の比率を１としたとき、予備成形品の全体積に対する第１半部の体積の比率を０．９〜１．２の範囲とすることを特徴とする斜め有底筒状部材の製造方法。
【請求項２】
前記予備成形品の第１半部と第２半部の体積の差を、前記斜め有底筒状部材の高半部と低半部の体積の差よりも拡大する請求項１に記載の斜め有底筒状部材の製造方法。
【請求項３】
前記斜め有底筒状部材は高半部の体積が低半部の体積よりも大きい請求項１または２に記載の斜め有底筒状部材の製造方法。
【請求項４】
前記予備成形工程において、小径の素材から斜め有底筒状部材と同径に径を拡大した予備成形品を成形する請求項１〜３のいずれかに記載の斜め有底筒状部材の製造方法。
【請求項５】
予備成形工程において、軸線に対して傾斜する端面を有する予備成形品を成形し、周壁の高さの高い側を前記第１半部とし低い側を前記第２半部とする請求項１〜４のいずれかに記載の斜め有底筒状部材の製造方法。
【請求項６】
前記予備成形品は、鍛造用ダイスへの装填位置を決める位置決め部を有する請求項１〜５のいずれかに記載の斜め有底筒状部材の製造方法。
【請求項７】
前記位置決め部は予備成形品の周壁から突出し、鍛造用ダイスに設けられた溝に嵌合される凸部である請求項６に記載の斜め有底筒状部材の製造方法。
【請求項８】
底部に凹部を有する斜め有底筒状部材に対し、予備成形品の傾斜する端面に凹部を形成する請求項１〜７のいずれかに記載の斜め有底筒状部材の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４Ａ】
【図４Ｂ】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４Ａ】
【図４Ｂ】
【図５】
【公開番号】特開２０１２−６１５２４（Ｐ２０１２−６１５２４Ａ）
【公開日】平成２４年３月２９日（２０１２．３．２９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２８７６８９（Ｐ２０１１−２８７６８９）
【出願日】平成２３年１２月２８日（２０１１．１２．２８）
【分割の表示】特願２００７−２８０３２７（Ｐ２００７−２８０３２７）の分割
【原出願日】平成１９年１０月２９日（２００７．１０．２９）
【出願人】（０００００２００４）昭和電工株式会社 (3,251)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年３月２９日（２０１２．３．２９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１２月２８日（２０１１．１２．２８）
【分割の表示】特願２００７−２８０３２７（Ｐ２００７−２８０３２７）の分割
【原出願日】平成１９年１０月２９日（２００７．１０．２９）
【出願人】（０００００２００４）昭和電工株式会社 (3,251)
【Ｆターム（参考）】
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