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鍛造におけるルールベースのDFM解析とは、圧縮力によって金属を特定の形状に制御された変形させることです。鍛造工程は紀元前8000年にまで遡り、単純な鍛冶屋の手作業から発展しました。当時も現在も、一連の圧縮ハンマー打撃によって部品の成形または鍛造が行われています。現代の鍛造では、機械駆動のインパクトハンマーまたはプレスが使用され、制御された圧力によってワークピースを変形させます。[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ]
鍛造工程は鋳造よりも優れており、形成される部品はより緻密なミクロ組織、より明確な結晶構造、より低い気孔率を有し、鋳造よりもはるかに強度が高い。すべての固体金属および合金は鍛造可能であるが、それぞれに高から低または不良までの鍛造性評価がある。関係する要因は、材料の組成、結晶構造、および機械的特性であり、すべて温度範囲内で考慮される。温度範囲が広いほど、鍛造性評価は高くなる。ほとんどの鍛造は加熱されたワークピース上で行われる。冷間鍛造は室温で行うことができる。最も鍛造しやすい材料はアルミニウム、[ 5 ]銅、およびマグネシウムである。より低い評価は、各種鋼、ニッケル、およびチタン合金に適用される。熱間鍛造温度は、耐火金属の場合、93~1,650 °C(199~3,002 °F)である。[ 6 ] [ 7 ]
オープンダイ鍛造では、円筒形のビレットを一対の平らなダイスまたはプラテンの間で据え込み加工する。摩擦のない均一な変形により、円筒の高さが減少し、直径が増加する。シャフト、ディスク、リングなどの鍛造は、オープンダイ鍛造技術を用いて行われる。この工程により、角張った鋳塊は円形に成形される。オープンダイ鍛造は、コギング、フラーリング、エッジングの3つの主要なタイプに分類される。[ 8 ] [ 9 ]
印象型鍛造としても知られるこの方法では、一対の金型で印象が付けられます。これらの印象は、変形中にワークピースに転写されます。金型の間にはフラッシュ ガッターと呼ばれる小さな隙間が設けられており、余分な金属がガッターに流れ込んでフラッシュを形成できるようにします。フラッシュは、金型キャビティ内でワークピースを変形させる際に重要な役割を果たします。フラッシュ ガッターの長さと厚さの比率が高いため、隙間での摩擦が非常に高くなります。このため、フラッシュ ギャップ内の材料には高い圧力がかかります。流れに対する抵抗が大きくなります。これにより、金型キャビティへの効率的な充填が促進されます。熱間鍛造では、フラッシュはサイズが小さいため、より速く冷却されます。これにより、フラッシュ材料の変形抵抗に対する耐性が向上します。この結果、ワークピースの大部分が変形を強いられ、金型キャビティをより効率的に充填できるため、金型キャビティの複雑な部分も充填されます。
鍛造工程では、ワークピースは再結晶温度以上または以下の温度に保たれます。前者は熱間鍛造、後者は冷間鍛造と呼ばれます。[ 10 ] [ 11 ]
熱間鍛造とは、金属を再結晶温度以上の温度で加工することと定義されます。熱間鍛造の主な利点は、金属が変形する際に、ひずみ硬化効果が再結晶過程によって打ち消されることです。[ 12 ]
冷間鍛造は、金属を再結晶温度以下、通常は室温付近で加工することと定義されます。[ 13 ] [ 14 ]
長さ、幅、高さの許容差、不一致の許容差、残留フラッシュ(およびトリムされた平面)の許容差、およびピアス穴の許容差。
厚さ許容差とエジェクタマーク許容差。
真直度および平面度の許容差、および中心間寸法の許容差。
フィレットとエッジの半径の許容差、バリの許容差、表面の許容差、ドラフト角度の表面の許容差、深穴の偏心許容差、ピアス穴の偏心許容差、同心ボスの許容差、未鍛造ストックの許容差、およびせん断端の変形の許容差。
長さ、幅、高さ、厚さの公差は、寸法の許容差だけでなく、以下の形状の偏差も対象とします。a) 真円度からの偏差、b) 円筒度からの偏差、c) 平行度からの偏差、およびd) 指定された輪郭からのその他の偏差。これらの偏差は、公差で定められた限度を超えてはなりません。極端な場合には、供給者と購入者の間で別途合意がない限り、公差の全範囲に及ぶ場合があります。形状の偏差に関する制限事項が合意されている場合は、図面にその旨を記載するものとします。
鍛造品サプライヤーが金型や工具の設計と鍛造品検査手順の確立の両方においてその経験を最大限に活用できるようにするために、購入者は以下の情報を提供することが望ましい。[ 15 ]
作成者は、その後、購入者に提出するドロップ図面を準備し、承認を得て、必要に応じて共同協議を行うことをお勧めします。
購入者が独自の完全な寸法の鍛造図面を準備したい場合、完成した機械加工部品の図面と上記のその他の情報をサプライヤーに提供することが同様に重要です。
ドラフト角度面に関する例外を除き、この規格で示される許容差は、合意された鍛造図面に具体的に示された寸法にのみ適用されることに注意することが重要です。
このため、鍛造図面に寸法を記載する方法は、鍛造品の寸法管理に非常に重要な意味を持ちます。
鍛造図面に示されていない寸法の許容差は、標準から取得することはできませんが、必要な場合は、合意された鍛造図面にすでに示されている寸法と許容差に基づく計算によってのみ決定できます。
すべての鍛造図面には、「特に指定がない限り、許容差はIS: 3469 (Part II)-1974に準拠します」と明記する必要があります。
鍛造図面を正しく承認するには、図面の下部に次の形式で許容差を示すことが推奨されます。
カテゴリー: 1.長さと全体の直径 2.幅 3.高さ 4.ミスマッチ 5.残留バリとトリムされた平面 6.厚さ 7.真直度 8.平面度 9.フィレットとエッジの半径 10.表面
特定の寸法にのみ適用される公差は、図面において当該寸法と関連付けて記載しなければならない。エジェクターマーク公差およびバリ公差は、鍛造図面において特定の箇所と関連付けて記載しなければならない。発注者と供給者の間で合意された特別公差は、鍛造図面に明確に記載し、可能な限り、当該寸法と関連付けて記載しなければならない。
購入者が承認した鍛造部品の図面は、鍛造部品の検査のための有効な書類です。また、この図面は、加工されていない鍛造部品の公差に関する唯一の有効な書類でもあります。
鍛造工程には様々な種類がありますが、大きく分けて3つの種類に分類できます。1. 引抜き:長さが増加し、断面積が減少する。2. アプセット:長さが減少し、断面積が増加する。3. 密閉型圧縮成形:多方向の流れを生み出す。一般的な鍛造工程には、ロール鍛造、スウェージング、コギング、オープンダイ鍛造、インプレッションダイ鍛造、プレス鍛造、自動熱間鍛造、アプセットなどがあります。
オープンダイ鍛造は鍛冶屋鍛造とも呼ばれます。オープンダイ鍛造では、ハンマーが降ろされ、固定された金床上に置かれたワークピースを変形させます。オープンダイ鍛造という名称は、ダイ(ワークピースを収縮させる鍛造機の作業面)がワークピースを囲んでいないため、ダイと接触する部分以外はワークピースが流動する点に由来しています。そのため、作業者はワークピースを適切な方向に向け、適切な位置に配置して、所望の形状にする必要があります。ダイは通常は平らですが、特殊な加工のために特殊な形状の表面を持つ場合もあります。例えば、ダイは円形、凹面、凸面を持つ場合があり、穴あけ工具や切断工具としても機能します。オープンダイ鍛造は少量生産に適しており、芸術的な鍛造や特注品に適しています。また、オープンダイ鍛造は、インゴットを粗加工して次の加工工程に備えるためにも使用されます。これにより、必要な方向への強度を高めるために結晶粒を配向させることもできます。
インプレッションダイ鍛造は、クローズドダイ鍛造とも呼ばれます。インプレッションダイ作業では、金属は鋳型に似たダイに配置され、アンビルに取り付けられます。通常、ハンマーダイも成形されます。次に、ハンマーをワークピースに落とすと、金属が流れてダイのキャビティに充填されます。ハンマーは通常、ミリ秒単位でワークピースに接触します。部品のサイズと複雑さに応じて、ハンマーは連続して複数回落とされる場合があります。余分な金属がダイのキャビティから押し出されます。これはフラッシュと呼ばれます。フラッシュは材料の残りの部分よりも急速に冷却されます。この冷たい金属はダイ内の金属よりも強度が高いため、それ以上フラッシュが形成されるのを防ぐのに役立ちます。これにより、金属がダイのキャビティを完全に充填するように強制されます。鍛造後、フラッシュはトリミングされます。
商業的な印象型鍛造では、ワークピースは通常、インゴットから最終形状になるまで、ダイスの一連のキャビティを通過します。最初の印象は、後のキャビティの要件に合わせて金属を大まかな形状に分配するために使用されます。この印象は、エッジング、フラーリング、または曲げ印象と呼ばれます。次のキャビティはブロッキング キャビティと呼ばれ、ワークピースはここで、最終製品に徐々に似た形状に加工されます。これらの段階で、ワークピースに大きな曲げと大きなフィレットが付与されます。最終形状は、最終または仕上げ印象キャビティで鍛造されます。製造する部品の数が少量の場合は、ダイスに最終印象キャビティを設けずに、最終的な特徴を機械加工する方が経済的な場合があります。
近年、インプレッションダイ鍛造は、誘導加熱、機械による供給、位置決めと操作、鍛造後の部品の直接熱処理など、自動化が進むにつれてさらに改良されてきました。
型鍛造の一種に、フラッシュレス鍛造、あるいは真の密閉型鍛造があります。この鍛造方法では、金型のキャビティが完全に密閉されているため、ワークピースにバリ(金属のバリ)が生じません。この工程の主な利点は、バリによる金属損失が少ないことです。バリは、出発材料の20~45%を占めます。この工程の欠点としては、金型設計の複雑さによる追加コスト、潤滑剤の供給強化、ワークピースの配置精度向上などが挙げられます。
型鍛造を組み込んだ部品成形には、他にも様々なバリエーションがあります。一つの方法は、液体金属から鍛造用プリフォームを鋳造することです。このプリフォームは、固体まで冷却された後、まだ熱いうちに取り出されます。その後、単キャビティダイで仕上げ加工されます。バリはトリミングされ、室温まで焼入れされて部品が硬化します。
別のバリエーションは、上記で概説したものと同じプロセスに従いますが、プリフォームは、成形されたコレクターに金属液滴を噴霧堆積することによって生成されます (オスプレイ プロセスに類似)。
型鍛造は、金型製作とキャビティ設計作業が必要となるため、初期コストが高くなります。しかし、部品ごとの経常コストは低いため、生産量が増えるほど経済的になります。これが、自動車産業や工具産業で鍛造品が多く使用される主な理由の一つです。これらの産業分野で鍛造品が広く使用されるもう一つの理由は、鍛造品は一般的に、同じ材料の鋳造部品や機械加工部品と比較して、強度対重量比が約20%高いことです。
鍛造金型は通常、高合金鋼または工具鋼で作られています。金型は耐衝撃性、耐摩耗性、高温下でも強度を維持し、急速な加熱と冷却のサイクルにも耐えられる必要があります。より優れた経済的な金型を製造するためには、以下のルールに従う必要があります。
1. ダイスは、可能な限り単一の平坦な面に沿って分割する必要があります。そうでない場合は、分割計画は部品の輪郭に沿う必要があります。 2. 分割面は、鍛造品の中心を通る平面でなければならず、上端または下端の近くであってはなりません。 3. 適切な抜き勾配を設ける必要があります。アルミニウムの場合は少なくとも 3°、鋼の場合は 5° ~ 7° が適切なガイドラインです。 4. 十分なフィレットと半径を使用する必要があります。 5. リブは低く幅広である必要があります。 6. 金属の流れに極端な差が生じないように、各セクションのバランスをとる必要があります。 7. 金属の流れのラインを十分利用する必要があります。 8. 寸法公差は、必要以上に狭くしないでください。 インプレッションダイ鍛造法を使用して製造された鋼部品の寸法公差を次の表に示します。分割面全体の寸法は、ダイスの閉じ方に影響を受けるため、ダイスの摩耗と最終的なフラッシュの厚さに依存します。金型の1つのセグメントまたは半分に完全に収まる寸法は、はるかに高い精度で維持できます。鍛造では、摩擦と摩耗を軽減するために潤滑剤が常に使用されます。また、ワークピースから金型への熱伝達を制限するための熱バリアとしても使用されます。さらに、潤滑剤は離型剤として機能し、部品が金型に固着するのを防ぎます。[ 16 ]
プレス鍛造はドロップハンマー鍛造の一種です。ドロップハンマー鍛造とは異なり、プレス鍛造は連続的な圧力または力を加えることでゆっくりと加工を進めます。金型がワークピースに接触する時間は秒単位で測定されます(ドロップハンマー鍛造ではミリ秒単位です)。ドロップハンマー鍛造と比較したプレス鍛造の主な利点は、ワークピース全体を変形させることができることです。
ドロップハンマー鍛造では、通常、ハンマーとアンビルに接触するワークピースの表面のみが変形し、内部は比較的変形しません。このプロセスにはいくつかの欠点がありますが、そのほとんどは、ワークピースが金型に長時間接触していることに起因します。金型はワークピースに接触しているため、ワークピースはより早く冷却されます。金型は周囲の雰囲気よりもはるかに多くの熱伝達を促進するからです。ワークピースは冷却するにつれて強度が増し、延性が低下します。そのため、変形が続くと割れが発生する可能性があります。そのため、熱損失を減らし、表面流動を促進し、より微細な部品やより厳しい公差の製品を製造するために、通常は加熱された金型が使用されます。ワークピースは再加熱が必要になる場合もあります。
プレス鍛造は、オープンダイ鍛造やインプレッションダイ鍛造など、あらゆるタイプの鍛造に使用できます。インプレッションダイプレス鍛造は、ドロップフォージングよりもドラフトが少なく、寸法精度に優れています。また、プレス鍛造は金型を一度閉じるだけで完了することが多いため、自動化が容易です。
アプセット鍛造は、ワークピースの長さを圧縮することで直径を大きくする鍛造方法です。生産数から判断すると、最も広く用いられている鍛造方法です。アプセット鍛造は通常、専用の高速機械で行われます。これらの機械は、ワークピースをあるステーションから次のステーションへ素早く交換できるよう、水平面内で動作するように設定されています。最初のワークピースは通常、線材または棒材ですが、直径25cm(9.8インチ)までの棒材を扱える機械もあります。標準的なアプセット鍛造機は、複数のキャビティを持つ分割ダイスを採用しています。ダイスは、ワークピースが1つのキャビティから次のキャビティへ移動できる程度に開きます。その後、ダイスが閉じ、ヘッディングツール(ラム)が棒材に対して縦方向に移動して、キャビティ内にアプセットします。すべてのキャビティが毎サイクルで使用された場合、毎サイクルで完成品が製造されるため、この方法は大量生産に最適です。[ 17 ]
アプセット鍛造プロセスを使用して製造される一般的な部品の例として、エンジン バルブ、カップリング、ボルト、ネジ、その他の留め具などがあります。
アップセット鍛造する部品を設計するときは、次の 3 つのルールに従う必要があります。
自動熱間鍛造プロセスでは、工場長の棒鋼(通常 7 メートルまたは 23 フィートの長さ)を室温で機械の一方の端に送り込み、もう一方の端から熱間鍛造製品が出てきます。このプロセスは非常に高速で行われ、小さな部品は 1 分あたり 180 個 (ppm) の速度で製造でき、大きな部品は 90 ppm の速度で製造できます。部品は、中実または中空、円形または対称形で、最大 6 kg (13 ポンド)、最大直径 18 cm (7.1 インチ) まで可能です。このプロセスの主な利点は、生産率が高く、低コストの材料を使用できることです。機械の操作にはほとんど労力は必要ありません。フラッシュは生成されないので、従来の鍛造に比べて 20 - 30% の材料を節約できます。最終製品は常に 1,050 °C (1,920 °F) なので、空冷すると部品は簡単に機械加工できるようになります (利点は、鍛造後に焼きなましが不要であることです)。公差は通常±0.3 mm(0.012インチ)、表面は清浄で、抜き勾配は0.5~1°です。接触時間は6/100秒程度であるため、工具寿命は従来の鍛造品のほぼ2倍です。
このプロセスの欠点は、小型の対称部品にしか実行できず、コストがかかることです。初期投資は 1,000 万ドルを超える場合があり、このプロセスを正当化するには大量の生産が必要です。このプロセスは、高出力誘導コイルを使用して、60 秒未満で棒材を 1,200 ~ 1,300 °C (2,190 ~ 2,370 °F) に加熱することから始まります。次に、ローラーでスケール除去し、ブランクに剪断し、連続するいくつかの成形段階に移行します。その間に、据え込み、予備成形、最終鍛造、および (必要な場合) 穴あけが行われます。このプロセスは、高速冷間成形操作と組み合わせることもできます。通常、冷間成形操作は仕上げ段階を行うため、自動熱間鍛造の高速性を維持しながら、冷間加工の利点を活用できます。
この工程で製造される部品の例としては、ホイールハブユニットベアリング、トランスミッションギア、テーパーローラーベアリングレース、ステンレス鋼製カップリングフランジ、LPガスシリンダー用ネックリングなどがあります。マニュアルトランスミッションギアは、冷間加工と組み合わせて使用される自動熱間鍛造の一例です。
ロール鍛造とは、丸棒または平棒の厚みを減らし、長さを伸ばす工程です。ロール鍛造は、それぞれ1000個以上の溝が刻まれた2つの円筒形または半円筒形のロールを用いて行われます。棒材をロールに挿入し、停止位置に到達するとロールが回転し、棒材は機械から押し出される際に段階的に成形されます。
その後、ワークピースは次の溝に移されるか、または回転させて同じ溝に再び挿入されます。この工程は、所望の形状とサイズが得られるまで続けられます。この工程の利点は、バリが発生せず、ワークピースに良好な木目構造が付与されることです。この方法で製造される製品の例としては、車軸、テーパーレバー、板ばねなどが挙げられます。
この工程は精密鍛造とも呼ばれます。この工程は、鍛造後の工程に伴うコストと廃棄物を最小限に抑えるために開発されました。そのため、精密鍛造による最終製品は、最終的な機械加工をほとんど、あるいは全く必要としません。コスト削減は、材料使用量の削減、ひいてはスクラップの削減、全体的なエネルギー消費量の削減、そして機械加工の削減または廃止によって実現されます。精密鍛造では、抜き勾配も1°から0°まで低減、あるいは低減されます。この工程のダウンサイジングはコスト削減につながるため、大幅なコスト削減が達成できる場合にのみ実施されます。
最も一般的な鍛造装置はハンマーとアンビルです。ハンマーとアンビルの原理は、今日でもドロップハンマー装置に使用されています。機械の原理は非常にシンプルで、ハンマーを持ち上げて、アンビル上に置かれたワークピースに落とすか、突き刺します。ドロップハンマー間の主な違いは、ハンマーの動力源にあります。最も一般的なのは、エアハンマーとスチームハンマーです。ドロップハンマーは通常、垂直位置で動作します。その主な理由は、熱や音として放出されない余分なエネルギー(ワークピースの変形に使用されないエネルギー)を基礎に伝達する必要があるためです。さらに、衝撃を吸収するために大きな機械ベースが必要です。[ 18 ] [ 19 ] [ 20 ]
ドロップハンマーの欠点を克服するために、カウンターブロー機またはインパクターが使用されます。カウンターブロー機では、ハンマーとアンビルの両方が動き、ワークピースはそれらの間に挟まれます。ここで余分なエネルギーが反動となります。これにより、機械は水平方向に動作し、ベースが小さくなります。その他の利点としては、騒音、熱、振動が少ないことが挙げられます。また、明らかに異なるフローパターンを生成します。これらの機械はどちらも、オープンダイまたはクローズドダイ鍛造に使用できます。鍛造プレス(単にプレスと呼ばれることが多い)は、プレス鍛造に使用されます。[ 21 ]
プレスには主に2種類あります。機械プレスと油圧プレスです。機械プレスは、カム、クランク、またはトグルを使用してプリセット(ストロークの特定の位置で事前に決定された力)および再現可能なストロークを生成します。このタイプのシステムの特性により、異なるストローク位置で異なる力を使用できます。機械プレスは、油圧プレスよりも高速です(最大50ストローク/分)。容量は3~160MN(300~18,000トン)です。油圧プレスは、流体圧力とピストンを使用して力を生成します。油圧プレスが機械プレスに勝る利点は、柔軟性と容量が大きいことです。欠点は、速度が遅く、サイズが大きくなり、運用コストが高くなることです。ロール鍛造、据え込み、自動熱間鍛造プロセスはすべて、専用の機械を使用します。
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