JP2008188610A

JP2008188610A - ベアリングレースのカップ状成形体の成形方法

Info

Publication number: JP2008188610A
Application number: JP2007023835A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Takeuchi; 博竹内
Original assignee: Sanyo Special Steel Co Ltd
Current assignee: Sanyo Special Steel Co Ltd
Priority date: 2007-02-02
Filing date: 2007-02-02
Publication date: 2008-08-21

Abstract

【課題】鍛造欠陥不良が抑制されたベアリングレース用のカップ成形体の製造方法を提供する。
【解決手段】ベアリングレース用のカップ成形体の製造方法は、（１）鋼素材からなる円柱体４を軸方向に据込みにより圧縮して、円盤状の予備成形体７を成形し、（２）この予備成形体７をパンチ８およびダイ９を備えた鍛造型で鍛造し、円筒部２とこの円筒部２の下端の底部３からなるカップ状成形体１を成形する。この場合、（１）の据込みにおける、予備成形体７の端面のコーナー部の円の直径Ｄを、パンチ８の円柱体４からなる垂下体１１の上端の円盤部１０の内外径間の中央の円の直径Ｄｍの０．９９倍以上１．０２倍以下となるように鍛造の条件を調整する。
【選択図】図１

Description

本発明はベアリングレースの素形材の成形方法に関し、特にベアリングレースのカップ状成形体の熱間鍛造による成形方法に関するものである。

主に自動車や産業機械部品などとして用いられるベアリングレースは、通常は鍛造によって製造される。この鍛造による製造方法では、まず円柱状鋼素材が据込工程により軸方向に圧縮されて円盤状の予備成形体に形成される。次に、この予備成形体を成形工程により成形パンチおよびダイからなる鍛造型のダイに投入し、パンチをダイの中に下降して予備成形体を圧縮し、圧縮によって材料を流動し、円筒部と、この円筒部の下端に底部を備えたカップ状の成形体とする。この成形体から打抜工程において底部を打ち抜いて除去するポンカス抜きにより、ベアリングレースの素形材に完成する。

しかしながら、成形工程における圧縮時に、最後に材料が流動して充填される箇所であるパンチの円柱の上部と円盤体とのコーナー部分、とくに円盤体の外径とダイの内径とのコーナー部には材料が充填されにくいという問題点がある。このため、製品である素形材の円筒部の上端外周縁に欠肉を生じることがある。この欠肉防止のためには、鍛造の荷重を大きめに設定するか、成形工程における据込み形状の予備成形体の最外径部と成形ダイの内径壁のクリアランスの距離を調整する必要があった。

従来の据込工程における予備成形、成形工程における本成形およびポンカス抜きの打抜工程から成るハブ内輪鍛造方法において、欠肉やバリなどの欠陥不良をなくした円筒部と底部とフランジ部を備えた成形体を得るために、予備成形体の最外径である直径を、ＣＡＥ解析によって求めた金型形状とその金型に最適充填する予備成形体の直径との関係から導いた重回帰式から算出する値の０．９５〜１．０５倍の範囲内に収める方法が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。

この方法では、フランジ部を有する点で対象とする形状の違いから、円筒部と底部を備える成形体には対応していない。また、円筒部における上端外径部の欠陥抑制には適しているものの、円筒部の上端内径部の欠陥抑制には対応していない。

特開２００３−３１１３６５号公報

一方、大きな鍛造荷重は、生産設備への負荷を高めるうえ、成形時にパンチとダイとの微小な隙間から材料が流出しやすく、大きなバリを生じさせることがある。バリは後工程にて除去される必要があり、鍛造荷重の増大はベアリングレースの製造コストおよび生産性を低下させる要因でもある。また、成形工程における据込形状の最外径部と成形用のダイの内径壁とのクリアランスの距離を調整する方法では、実際に試作してみないと内外径の上端部の充填状況を確認することができない。従って、現状では、ベアリングレース製品の内外径の上端部の未充填の問題に関しては、有効かつ明確な鍛造工程の設計指針が存在していない。

本発明は、以上のような問題点に鑑みてなされたものであり、製品の内径および外径の上端部の成形不良を抑制して熱間鍛造によりベアリングレースの素形材を成形する方法を提供することである。

上記の課題を解決するための本発明の手段は、以下の（１）および（２）の工程の方法におけるものである。すなわち（１）鋼素材からなる円柱体を軸方向に据込みにより圧縮して、円盤状の予備成形体を形成する据込工程からなる予備成形方法と、（２）この予備成形された円盤状の予備成形体を成形用のパンチおよびダイを備えた鍛造型で型鍛造し、円筒部とこの円筒部の下端部に底部を備えたカップ状成形体を形成する成形工程からなる本成形方法からなる。本発明の手段で成形されたベアリングレースのカップ状成形体は、さらに、ベアリングレースのリング素形材とするために、カップ状成形体の円筒部の底部を円筒部から打ち抜き除去するポンカス抜きを実施してリング素形材とされる。

本発明の手段の方法の上記の（１）および（２）の手段について、さらに説明すると、（１）の据込工程により円盤状の予備成形体に据込みし、次いで、この円盤状の予備成形体をカップ状のダイに装入し、円盤状の予備成形体の円盤の上下面である平面部の周辺の円であるコーナー円の直径Ｄの大きさを、円盤体と小径の円柱の垂下部からなる成形用のパンチの円盤体の外径Ｄｏと小径の円柱の垂下部の直径Ｄｉとの中間の直径Ｄｍの０．９９倍〜１．０２倍に、調整して型鍛造する方法である。

本発明は上記の手段としたことで、ベアリングレースの素形材の内外径の上端コーナー部に同時にかつ良好に鋼材を流動させて充填させることができ、これまで問題となっていた製品の内外径の上端部の未充填となることを抑制でき、この鍛造方法で形成のベアリングレースは欠肉による欠陥が抑制され、さらに過大な鍛造圧を加えることがないのでバリ発生の懸念もなく品質に優れる素形材が成形でき、試作の繰り返しを軽減することができ、製造コストの低減、生産性の向上が図れる。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施の形態について説明する。図１は本発明の手段により成形されたカップ状成形体１であり、（ａ）はカップ状成形体１の斜視図であり、図１（ｂ）はその縦断面図である。このカップ状成形体１は、円筒部２と底部３とを備えており、円筒部２の内径面には若干の抜き勾配が付いている。また底部３は、この円筒部２の下端を塞いでいる。図１（ｂ）および図３においてＨで示している部分は、円筒部２の高さである。図１（ｂ）および図３において両矢印Ｄｉで示されている部分は、円筒部２の上端部の内径のパンチ８の小径円柱の垂下部１１の外径であり、両矢印Ｄｏで示されているのは円筒部２の上端部の外径でパンチ８の円盤部１０の外径である。また、図１の（ｂ）および図３において両矢印Ｄｍで示されているのは、上端部内外径の間のちょうど中央に相当する直径すなわちパンチ８の円盤部１０において垂下部１１の外径よりも外周側の円環部分の中間の円の直径である。すなわち上記の両矢印Ｄｏは本発明に使用する成形用のパンチ８を構成する円盤体の外径Ｄｏに、上記の両矢印Ｄｉは同じく成形用のパンチ８を構成する小径の円柱垂下部１１の外径である直径Ｄｉに相当する。

図２は、図１のカップ状成形体１を成形する据込工程の様子を示す正面図である。図２の（ａ）に示す鋼素材からなる円柱体４を素材とし、据込上金５および据込下金６からなるプレス機により据え込み加工する。まず、円柱体４を据込下金６に載置し、次に、プレス機によって据込上金５を据込下金６に対して相対的に下降することで、円柱体４を徐々に圧縮し、最終的に図２の（ｂ）に示すような据込形状の円盤状の予備成形体７を得る。図２の（ｂ）において両矢印Ｄで示されているのは、予備成形体７の上下の平面部の直径である。

図３は、図２の据込工程の後工程である本成形の工程の様子を示す縦断面図である。本成形の工程では、断面Ｔ型のパンチ８とカップ状のダイ９とを備えた鍛造型が用いられ、このパンチ８は、ダイ９に対して相対的に昇降可能である。断面Ｔ型のパンチ８は、円盤部１０と小径円柱の垂下部１１とからなり、垂下部１１は円柱状で円盤部１０の中心から下方に向けて垂下している。垂下部１１の外径は、円盤部１０の外径よりも小径である。また、カップ状のダイ９は円筒部１２と底部１３からなり、円筒部１２の内周面は、パンチ８における円盤部１０の外周面との間にクリアランスが形成される程度に円盤部１０の外径よりも若干大きくされている。

成形工程では、先ずカップ状のダイ９に据込み形状の予備成形体７が投入され、図３（ａ）に示されるように、カップ状のダイ９の底部１３に載置される。次に断面Ｔ型のパンチ８の下降により、予備成形体７の材料が流動し、底部１３の側から円筒部１２が徐々に充填されていく。図３（ｂ）は、パンチ８が最も下降した状態が示されている。この状態では、パンチ８とダイ９とによって形成されるキャビティの全体に、材料が充填されている。次にパンチ８が上昇し、鍛造型のカップ状のダイ９からカップ状成形体１が取り出される。この取り出したカップ状成形体１の形状は図１に示すとおりである。

以上の本発明の手段で成形されたカップ状成形体１は、次いで、図４に示すように、打抜工程により、カップ状成形体１の底部３であるポンカス１５（カップ状成形体１の内径部の底部３の部分を「ポンカス」と称する。）が、ポンカス抜き用のパンチ１４ａによりダイ１４ｂとの間で打ち抜かれて除去され、ベアリングレースのリング素形材２ａに形成される。カップ状成形体１の各部の寸法である円筒部２の外径Ｄｏ、円筒部２の内径Ｄｉ、および、カップ状成形体１の内底面から円筒部２の上端までの円筒部２の高さＨは、例えばハブ内輪を形成するとき、そのままハブ内輪に引き継がれる。本発明に係る製造方法は、円筒部２の内径Ｄｉが２０ｍｍ以上３５ｍｍ以下、円筒部２の外径Ｄｏが２５ｍｍ以上４５ｍｍ以下、円筒部２の高さＨが１０ｍｍ以上２０ｍｍ以下とし、この大きさを好適とするカップ状成形体１から形成するベアリングレースに形成される。

カップ状成形体１の円筒部２の、図５および図６に示す、外径上端周縁１６および内径上端周縁１７は、材料の流動による充填が最も遅れる箇所である。両者への充填がほぼ同時に達成されることにより、欠肉などの鍛造欠陥の不良の発生が抑制される。材料の流動履歴は、据込形状の予備成形体７の端部径である直径Ｄの影響を受ける。すなわち、カップ状成形体１の寸法に適した直径Ｄが設定されることにより、円筒部２の上端周縁部である外径上端周縁１６および内径上端周縁１７の同時充填が達成され、鍛造欠陥不良が抑制される。

種々の寸法を備えた鍛造型と種々の端部径である直径Ｄを備えた据込形状の予備成形体７とを想定し、図５の（ｃ）および図６の（ｃ）からさらに成形が進んだ状態である成形ストローク率９９％時における、円筒部２の外径上端周縁１６および内径上端周縁１７の材料の流動による充填状況、すなわち外径上端周縁１６および内径上端周縁１７のそれぞれの成形用のパンチ８と材料間の空隙体積をＣＡＥ解析によって求めた。そして、各空隙体積（Ｖ）を成形体の体積（Ｖｓ）で割った空隙体積率（Ｖ／Ｖｓ）を算出した。

Ｄ／Ｄｍが１．００のとき、空隙体積率は外径上端周縁１６で０．０６％、内径上端周縁１７で０．０４％と算出された。Ｄ／Ｄｍが０．９９のときは、空隙体積率は外径上端周縁１６で０．２６％、内径上端周縁１７で０．０８％となり、外径上端周縁１６の空隙が大きく増大し、外径上端の充填度合いは悪化した。一方、Ｄ／Ｄｍが１．０２のときは、空隙体積率は外径上端周縁１６で０．０７％、内径上端周縁１７で０．２０％となり、内径上端周縁１７の空隙が増大し、内径上端の充填度合いが悪化することが分かった。これらの解析結果をもとに、横軸にＤ／Ｄｍ、縦軸に空隙体積率Ｖ／Ｖｓをプロットしたものを図７にグラフとして示す。

図５に見られるようにＤよりもＤｍが大きく、さらにＤ／Ｄｍ＜０．９９となると、外径上端周縁１６の空隙体積率は０．１５％を超えて急激に増大した。すなわち、成形工程の初期に据込み形状の端部径であるコーナー部は、図５の（ｂ）に示すように成形用のパンチ８の目打部コーナー１８に巻きつくようにしながら矢印方向に流動し、次いで、図５の（ｃ）に見られるように、パンチ８の径寄りに位置したまま矢印方向の上向きに流動した。このため、成形工程の終了時には円筒部２の内径上端周縁１７は充填されるが、円筒部２の外径上端周縁１６は充填されにくかった。

逆に、図６に見られるようにＤよりもＤｍが小さく、さらにＤ／Ｄｍ＞１．０２となると、内径上端周縁１７の空隙体積率は０．１５％を超えて増大した。しかし、外径上端周縁１６は低位で安定した。すなわち図６の（ｂ）に示すように成形工程の初期において、据込み形状の予備成形体７の最外径部がカップ状のダイ９の内径壁１９に到達するため、上端部のコーナー部の外径の部分は、図６の（ｃ）に見られるように、パンチ８の外径よりに位置したままダイ９の内径壁１９から拘束を受けながら矢印の上向きに流動した。このため、成形工程の終了時にはパンチ８により円筒部２の外径上端周縁１６は充填されるが、円筒部２の内径上端周縁１７は充填されにくかった。

これらの観点から、円筒部２の外径上端周縁１６と内径上端周縁１７の充填状況は、予備成形体７の端部の直径Ｄがパンチ８の円盤部１０の中間の円の直径Ｄｍの０．９９倍以上１．０２倍以下が好ましく、また、１．００倍に近いほどより好ましいといえる。

カップ状成形体を示し、（ａ）は斜視図、（ｂ）は縦断面図である。予備成形の据込工程を示し、（ａ）は据込前を、（ｂ）は据込後示す縦断面図である。本成形の鍛造工程示し、（ａ）は鍛造前を、（ｂ）は鍛造後の縦断面図である。本発明の工程の後に続く打抜工程を示す縦断面図である。本成形の鍛造工程の充填挙動を示し、（ａ）はＤ＜Ｄｍの予備成形体を、（ｂ）は鍛造初期を、（ｃ）は鍛造後期を示す縦断面図である。本成形の鍛造工程の充填挙動を示し、（ａ）はＤ＞Ｄｍの予備成形体を、（ｂ）は鍛造初期を、（ｃ）は鍛造後期を示す縦断面図である。ＣＡＥ解析によるＤ／Ｄｍと空隙体積率Ｖ／Ｖｓの関係を示す図である。

符号の説明

１カップ状成形体
２円筒部
２ａリング素形材
３底部
４円柱体
５据込上金
６据込下金
７予備成形体（据込形状）
８パンチ
９ダイ
１０円盤部
１１垂下部
１２円筒部
１３底部
１４ａパンチ（ポンカス抜き用）
１４ｂダイ（ポンカス抜き用）
１５ポンカス
１６外径上端周縁
１７内径上端周縁
１８目打部コーナー
１９内径壁
Ｄ予備成形体の端面の直径
Ｄｍパンチの円盤部の中間の円の直径
Ｄｏパンチの円盤部の外径

Claims

鋼素材からなる円柱体を据込みにより軸方向に圧縮して円盤状の予備成形体とし、該円盤状の予備成形体をカップ状のダイに収納し、このダイの内径に挿嵌可能な大きさの円盤体と該円盤体の下面中央部から該円盤体より小径の円柱の垂下部を突出して有する断面Ｔ型のパンチにより、ダイに収納した円盤状の予備成形体を型鍛造して底部を有するカップ状成形体に成形する際に、円盤状の予備成形体の円盤端部のコーナー円の直径Ｄの大きさを、パンチの円盤体の外径Ｄｏと小径の円柱の垂下部の直径Ｄｉとの中間の直径Ｄｍの０．９９倍〜１．０２倍に調整して型鍛造することを特徴とするベアリングレースのカップ状成形体の成形方法。