JP2000218335A

JP2000218335A - 高歪付加鍛造方法

Info

Publication number: JP2000218335A
Application number: JP11018454A
Authority: JP
Inventors: Taku Osada; 卓長田; Nobuo Kanamaru; 信夫金丸
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 1999-01-27
Filing date: 1999-01-27
Publication date: 2000-08-08

Abstract

(57)【要約】【課題】製品寸法が変わるごとにそれに対応した鍛造
用金型を新たに製作することなく、通常使用している鍛
造用金型を用いて、被加工材に高歪領域を確実に、平均
して付加できる高歪付加鍛造方法を提供する。【解決手段】被加工材を鍛造する方法において、鍛造
温度での被加工材の変形抵抗値に近い値を有する金属予
備材を、前記被加工材と鍛造用金型との間に存在せしめ
て鍛造する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、アルミニウム合金
又はチタン合金の高歪付加鍛造に関するもので、特に、
軽量で高温強度に優れたＴｉ−Ａｌ合金の高歪付加鍛造
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】軽量かつ高強度であることを求められる
自動車用構造材や航空機用構造材はアルミニウム合金又
はチタン合金等を用いて鍛造により成形されることが多
くなっている。特に、高温強度に優れたＴｉ−Ａｌ合金
は自動車用、航空機用構造材だけでなく、宇宙分野の構
造材の用途が期待されている。

【０００３】これら自動車用、航空機用構造材の材料強
度の仕様を満足するために、アルミニウム合金およびは
チタン合金は鍛造の段階で、所定の値以上の歪量をこれ
らアルミニウム合金およびはチタン合金素材の全域に分
布するさせることが要求されている。所定の値以上の歪
量をアルミニウム合金およびはチタン合金に加えること
により、材料強度（靱性や疲労強度）を向上させて材料
強度の仕様を満足させるものである。しかし、アルミニ
ウム合金又はチタン合金等の被加工材を鍛造装置により
圧縮加工等を行った場合、被加工材と鍛造用金型との間
の摩擦のために、被加工材の塑性変形が生じにくく、そ
の結果、被加工材に低歪領域が発生する。例えば、図５
に示すような円柱形状の被加工材１を鍛造装置により圧
縮加工を行った場合、被加工材と鍛造用金型との間の摩
擦により被加工材の上下面の中心部近傍に低歪領域４が
生じる。特に、被加工材と鍛造用金型との潤滑性が悪く
摩擦係数が高くなる場合には、低歪領域が多くなる傾向
がある。

【０００４】この被加工材と鍛造用金型との潤滑性を改
善するために、被加工材と鍛造用金型の間に潤滑剤とと
もに金属箔（厚さ３０μｍの純Ｔｉ箔）を存在せしめる
恒温鍛造法（特許第２７２５４３８号公報参照）が提案
されている。この方法により、剪断摩擦係数値を０．０
９〜０．１３に低減（従来例は０．３０）できることが
記載されている。しかしながら、被加工材と鍛造用金型
との間の摩擦は完全に零とすることができないために、
前述した被加工材の低歪領域の発生を防止することは困
難である。

【０００５】このため、被加工材に低歪領域が発生する
問題点を解決するために、（イ）被加工材の寸法に対応
した鍛造用金型を製作し、この鍛造用金型を用いて被加
工材の鍛造を行い、被加工材の低歪領域の発生を抑制し
ている。さらに、（ロ）鍛造を行った後に、被加工材の
低歪領域を切削加工等により除去して、所定の値以上の
歪量となるアルミニウム合金又はチタン合金素材を採取
して、自動車用、航空機用構造材として用いられてい
る。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、（イ）
の被加工材の寸法に対応した鍛造用金型を用いる方法
は、製品寸法が変わるごとにそれに対応した鍛造用金型
を製作する必要がある。このため、少量多品種生産の場
合には金型費の占める割合が高くなり、コストアップの
原因となる。一方、（ロ）の被加工材の低歪領域を切削
加工等により除去する方法は、被加工材の低歪領域を除
去するために材料歩留が悪化し、材料費が高いチタン合
金、特に、Ｔｉ−Ａｌ合金を用いた自動車用、航空機用
構造材のコストを著しく高くなる問題がある。

【０００７】そこで本発明は、製品寸法が変わるごとに
それに対応した鍛造用金型を新たに製作することなく、
通常使用している鍛造用金型を用いて、被加工材に高歪
領域を確実に、平均して付加できる高歪付加鍛造方法を
提供することを目的とするものである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】前述した目的を達成する
ために、本発明のうちで第１発明（請求項１〜３に記載
の発明）は、被加工材を鍛造する方法において、鍛造温
度での被加工材の変形抵抗値に近い値を有する金属予備
材（以下、「予備材」と称す。）を、前記被加工材と鍛
造用金型との間に存在せしめて鍛造することを特徴とす
ることを特徴とするものである。鍛造温度での被加工材
の変形抵抗値の５０％〜２００％の範囲内となる予備材
を、被加工材と鍛造用金型との間に存在せしめて鍛造す
ることによって、金型直下で低歪となる領域を予備材側
に生じさせ、被加工材の塑性変形を促進させて、被加工
材に高歪領域を確実に、平均して付加することができ
る。この結果、鍛造後の被加工材の低歪領域を著しく減
少することができ、さらには、被加工材の低歪領域を零
のすることができるので、被加工材の除去量を著しく低
減することができるものである。このとき、予備材とし
て被加工材よりも材料費が安価な鉄鋼材料（例えば、炭
素鋼、スレンレス鋼等）を用いることにより、トータル
の材料費を低減できるので好ましい。さらに、予備材と
して、切削加工性に優れた予備材、例えば、炭素鋼等を
用いることにより、切削加工費を低減できるので好まし
い。

【０００９】ここで、鍛造温度での予備材の変形抵抗値
は、被加工材の変形抵抗値の５０％〜２００％の範囲内
にあればよい。鍛造加工時の塑性変形量が予備材と被加
工材との間で差が少ないので、被加工材と予備材はほぼ
一体の形で鍛造され、被加工材に所望の歪量を付加する
ことができる。そして、鍛造温度での予備材の変形抵抗
値が被加工材の変形抵抗値に近いほど望ましい。予備材
と被加工材との間でのバリ等の余肉の発生を少なくで
き、鍛造後の切削量や切削時間を低減できる。

【００１０】さらに、予備材のそれぞれの断面形状を、
被加工材の上面及び下面と略同一形状にすることによ
り、予備材と被加工材との間でのバリ等の余肉の発生を
より少なくでき、鍛造後の切削量や切削時間を低減でき
るので好ましい。予備材の厚さは、予め、製品形状と必
要な歪量より、実験により求めることができる。さら
に、この結果を基づいて、有限要素法等の数値計算によ
る数値シミュレーションにより求めることができる。

【００１１】また本発明のうちで第２発明（請求項４に
記載の発明）は、被加工材を鍛造する方法において、鍛
造温度での被加工材の変形抵抗値以上で、かつ、前記被
加工材の上面及び下面より小寸である予備材を、前記被
加工材の上面及び下面の低歪領域になる部分に重ね合わ
せて鍛造することを特徴とするものである。鍛造温度で
の被加工材の変形抵抗値以上で、かつ、前記被加工材の
上面及び下面より小寸である予備材を、前記被加工材の
上面及び下面の低歪領域になる部分に重ね合わせて鍛造
することによって、被加工材の上面及び下面の低歪領域
となる部分を積極的に塑性変形させて高歪を付加するこ
とができる。すなわち、予備材の変形抵抗値が被加工材
の変形抵抗値より高いので、鍛造時の塑性変形は主に被
加工材側で生ずることとなり、被加工材に高歪領域を確
実に、平均して付加することができる。さらに、予備材
は被加工材に高歪を付加させる領域にのみ重ねあわせれ
ばよく、高歪を付加させるのに必要な寸法の予備材を用
いればよいので、本発明の第１発明に比べて、切削加工
により除去する量を低減することができる。

【００１２】被加工材の上面及び下面の低歪領域は、前
述したように、被加工材の上下面の中心部近傍に生じる
場合が多いので、被加工材の上下面より小寸の予備材を
被加工材を上下面の中心部近傍に重ね合わせて鍛造する
ことができる。そして、予め、鍛造した被加工材の歪量
を求めておき、必要な歪量以下の低歪領域となる被加工
材の上面及び下面を求め、これら領域に前記予備材を重
ね合わせる鍛造することができる。前記鍛造した被加工
材の歪量は、経験値、実測値、さらには有限要素法等の
数値計算による数値シミュレーションにより求めること
ができる。さらに、予備材の形状は、本発明の第１発明
と同様に、予め、製品形状（断面積、厚さ等）と必要な
歪量より、実験により求めることができる。さらに、こ
の結果を基づいて、有限要素法等の数値計算による数値
シミュレーションにより求めることができる。

【００１３】予備材は、本発明の第１発明と同様に、被
加工材よりも材料費が安価の鉄鋼材料（炭素鋼、スレン
レス鋼等）を用いることができる。

【００１４】そして、本発明の第１発明および第２発明
の高歪付加鍛造方法は、アルミニウム合金又はチタン合
金の鍛造に用いることが好ましく、特に、Ｔｉ−Ａｌ合
金の鍛造に用いることがより好ましい。

【００１５】

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態を、図示例と
ともに説明する。図１は、本発明の第１実施の形態の説
明図であり、図ａは鍛造前の被加工材と予備材の断面形
状を示す模式図であり、図ｂは鍛造後の被加工材と予備
材の断面形状を示す模式図である。図２は、本発明の第
２実施の形態の説明図であり、図ａは鍛造前の被加工材
と予備材の断面形状を示す模式図であり、図ｂは鍛造後
の被加工材と予備材の断面形状を示す模式図である。そ
して、図５は、従来例の被加工材の断面形状を示す模式
図である。

【００１６】（本発明の第１実施の形態）本発明の第１
発明の高歪付加鍛造方法は、図１の図ａに示すように円
柱形状の被加工材（φ２００×２００ｍｍ）１の上下に
同じ直径の円盤状の予備材（φ２００×５０ｍｍ）２を
それぞれ配置したプレフォーム８を用いた。このとき、
被加工材と、この被加工材の鍛造温度における変形抵抗
値を考慮して予備材を適宜選択することができる。本第
１実施の形態で選んだ予備材の組み合わせの例を表１に
示す。第１発明例であるＮｏ．１の予備材の変形抵抗値
は、鍛造温度での被加工材の変形抵抗値５０％〜２００
％の範囲内にあり、このＮｏ．１の予備材の変形抵抗値
は鍛造温度での被加工材の変形抵抗値にほぼ近い値であ
る。

【００１７】

【表１】

【００１８】このとき使用する予備材の厚さは有限要素
法等の数値計算による数値シミュレーションにより求め
る。すなわち、１．製品形状とこの製品に必要な歪量より、被加工材の
形状（例えば、高さ、直径等）とこの被加工材の圧下率
を決定する。２. 次に、前述の必要な歪量や圧下率、および被加工材
と鍛造用金型との摩擦係数を基に、これまでの数値シミ
ュレーション結果や実操業に基づく経験値により予備材
の初期厚さの値を決定する。

【００１９】前述の円柱形状の被加工材１の上下に同じ
直径の円盤状の予備材２をそれぞれ配置したプレフォー
ム８を鍛造装置により圧下率５０％で鍛造した。図１の
図ｂに示すように、低歪領域４は予備材７の部分にのみ
に存在させ、製品部（鍛造後の被加工材の製品部）３
は、塑性変形を十分に生じさせ所定の値以上の高歪を付
加した。そして、切断部５まで、切削加工により低歪領
域４が存在する予備材７を除去することにより、所定の
値以上の歪量を有する所定の形状となる製品を得た。

【００２０】（本発明の第２実施の形態）本発明の第２
発明の高歪付加鍛造方法は、図２の図ａに示すように円
柱形状の被加工材（φ２００×２００ｍｍ）１の上下面
の中心部に円盤状の予備材（φ１６０×５０ｍｍ）２を
それぞれ配置したプレフォーム８を用いた。このとき、
第１実施の形態と同様に、被加工材と、この被加工材の
鍛造温度における変形抵抗値を考慮して予備材を適宜選
択することができる。本実施の形態で選んだ予備材の組
み合わせの例を表１のＮｏ．２に示す。Ｎｏ．２の予備
材の変形抵抗値は、鍛造温度での被加工材の変形抵抗値
より高いものである。そして、予備材の形状（断面積、
厚さ等）は、第１実施の形態と同様に、有限要素法等の
数値計算による数値シミュレーションにより求めること
ができる。

【００２１】前述の円柱形状の被加工材１の上下面の中
心部に円盤状の予備材２をそれぞれ配置したプレフォー
ム８を鍛造装置により圧下率４０％で鍛造した。図２の
図ｂに示すように、予備材２は被加工材１の変形抵抗値
より高いので、この予備材７は被加工材１内へ鍛造過程
で押し込まれる。この結果、図２の図ｂに示すように、
被加工材６内の製品部３には、十分に塑性変形を生じさ
せことができ、所定の値以上の高歪を付加することがで
きた。そして、被加工材６の上面および下面から切断部
５までの予備材７と共に被加工材を除去するために切削
加工を行い、所定の値以上の歪量を有する所定の形状と
なる製品を得た。本実施の形態では、被加工材に高歪を
付加させるのに必要な寸法の予備材を用いればよいの
で、前述の第１実施の形態に比べて、切削加工により除
去する量を低減することができる。

【００２２】

【実施例】前述の第１および第２実施の形態の鍛造結果
について、さらに、有限要素法による数値計算により解
析を行うと共に、鍛造試験結果との対応を行った。これ
らの結果を図示例とともに説明する。

【００２３】（第１実施例）第１実施例は、表１のＮ
ｏ．１の組合せの被加工材（Ｔｉ−１０Ｖ−２Ｆｅ−３
Ａｌ合金：Ａｌ−Ｔｉ合金）と予備材（ＪＩＳＳ４５
Ｃ）を用いた。図１の図ａに示すように円柱形状の被加
工材（φ２００×２００ｍｍ）１の上下に同じ直径の円
盤状の予備材（φ２００×５０ｍｍ）２をそれぞれ配置
したプレフォーム８を鍛造装置により、鍛造温度７５０
℃、圧下率５０％で歪速度制御（一定歪速度：０．１／
秒）により鍛造した。なお、比較のために、φ２００×
２００ｍｍのＴｉ−１０Ｖ−２Ｆｅ−３Ａｌ合金のプレ
フォームを同じ歪速度制御の条件で鍛造した。

【００２４】有限要素法の数値計算は前記それぞれのプ
レフォームについて、軸対称×上下対称４分の１モデル
により、鍛造結果の解析を行った。このとき、予備材と
鍛造用金型との摩擦係数を０．４、被加工材と鍛造用金
型との摩擦係数を１．０（固着：最も悪い鍛造条件を仮
定）を用いて解析した。第１発明例の有限要素法による
解析結果を図３の図ａに示す。図３の図ａは鍛造後の被
加工材と予備材の断面における相当歪み分布を示す図で
ある。図中の数字は、本図の右側の相当歪の表に対応す
る。そして、図中の太線の下部は、相当歪みが０．４
（所定の歪量：材料強度スペック）以上となる領域であ
る。また、図中の点線は、図３の図ｂで示した被加工材
６と予備材７の界面を示している。なお、相当歪みε_eq
とは、ｘ、ｙ、ｚ方向の歪みをε_x、ε_y、ε_zとし
て、下式のように定義される。

【００２５】

【数１】

【００２６】図３の図ａから明らかなように、被加工材
６のすべてが、相当歪みが０．４以上となる領域とな
る。一方、相当歪みが０．４未満となる低歪領域のすべ
てが予備材７中に存在することを確認した。さらに、本
実施例の被加工材より試験片を切り出し、結晶粒度を観
察し、所定の歪量で鍛造されていること確認した。

【００２７】一方、従来例のφ２００×２００ｍｍのＴ
ｉ−１０Ｖ−２Ｆｅ−３Ａｌ合金のプレフォームを鍛造
した場合、図６に示されるように、相当歪みが０．４未
満となる低歪領域が上面の中心部に存在し、そして、こ
の低歪領域が、上面から約１４ｍｍまで存在することが
判明した。

【００２８】次に、図３の図ａおよび図６の矢印の切断
部５で、これら鍛造材を切断して、被加工材の材料歩留
を比較した。第１発明例の被加工材の材料歩留は９０質
量％に対し、従来例の場合は４０質量％となった。この
結果より、本発明の高歪付加鍛造方法を用いることによ
り、被加工材の材料歩留を従来例の約２倍以上と飛躍的
に向上することが判明した。さらに、本実施例では予備
材に、Ｔｉ−１０Ｖ−２Ｆｅ−３Ａｌ合金に比べて切削
加工性に優れたＳ４５Ｃ（炭素鋼）を用いたので、切削
加工時間を短縮できる効果もあった。

【００２９】（第２実施例）第２実施例は、表１のＮ
ｏ．２の組合せの被加工材（Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金：
Ａｌ−Ｔｉ合金）と予備材（ＪＩＳＳ４５Ｃ）を用い
た。図２の図ａに示すように円柱形状の被加工材（φ２
００×２００ｍｍ）１の上下面の中心位置に円盤状の予
備材（φ１６０×５０ｍｍ）２をそれぞれ配置したプレ
フォーム８を鍛造装置により、鍛造温度９００℃、圧下
率４０％で歪速度制御（一定歪速度：０．１／秒）によ
り鍛造した。なお、比較のために、φ２００×２００ｍ
ｍのＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金のプレフォームを本実施例
と同じ鍛造条件で鍛造した。これらプレフォームについ
て、第１実施例と同じ解析条件で、有限要素法の数値計
算を行い鍛造結果の解析を行った。なお、図４は、本実
施例（第２発明例）の鍛造前の被加工材と予備材の断面
形状の状態（軸対称×上下対称４分の１モデル）を示す
図である。

【００３０】第２発明例の有限要素法による解析結果を
図５の図ａ、鍛造後の被加工材と予備材の断面形状の状
態（軸対称×上下対称４分の１モデル）を図５の図ｂに
示す。図５の図ａに示すように、相当歪みが０．４以上
となる領域が太破線で囲まれる領域（製品切り出し可能
領域）となり、被加工材の材料歩留は約５０質量％とな
った。このとき、従来例の材料歩留は約３０質量％であ
り、材料歩留が従来例の約１．７倍に向上することが判
明した。なお、第１実施例と第２実施例の従来材の材料
歩留が異なったのは、被加工材の材質および鍛造条件が
異なったことによるものである。

【００３１】本発明の実施の形態や実施例に限定される
ことなく、被加工材の形状は円柱形状だけでなく、他の
形状（例えば、最終製品に近い異形状）にも、本発明の
高歪付加鍛造方法は適用でき、本発明の作用効果を有す
るものである。本発明の高歪付加鍛造は、自動車用、航
空機用構造材等の製造方案に基づき、予備鍛造又は仕上
鍛造、さらには両方に適宜選択して用いることができ
る。そして、本発明の高歪付加鍛造方法は、Ａｌ−Ｔｉ
合金だけでなく、アルミニウム合金、チタン合金、さら
には、他の金属材料の鍛造に用いることができる。ま
た、予備材についても、炭素鋼、ステンレス鋼だけでな
く、他の鉄鋼材料等を用いることができる。

【００３２】

【発明の効果】以上に説明したように、本発明の第１発
明（請求項１〜３に記載の発明）は、被加工材を鍛造す
る方法において、鍛造温度での被加工材の変形抵抗値に
近い値を有する予備材を、前記被加工材と鍛造用金型と
の間に存在せしめて鍛造することによって、被加工材の
塑性変形を促進し、被加工材に高歪領域を確実に、平均
して付加できるので、被加工材の除去量を低減すること
を可能とするものである。そして、予備材として被加工
材よりも材料費が安価の鉄鋼材料（炭素鋼、スレンレス
鋼等）を用いることにより、トータルの材料費を低減を
可能とするものである。さらに、予備材として、切削加
工性に優れた予備材、例えば、炭素鋼等を用いることに
より、切削加工費を低減を可能にする。

【００３３】本発明の第２発明（請求項４に記載の発
明）は、鍛造温度での被加工材の変形抵抗値以上で、か
つ、前記被加工材の上面及び下面より小寸である金属予
備材を、前記被加工材の上面及び下面の低歪領域になる
部分に重ね合わせて鍛造することによって、被加工材の
上面及び下面の低歪領域となる部分を積極的に塑性変形
させて高歪を付加して、被加工材の除去量を低減するこ
とを可能とするものである。さらに、被加工材に高歪を
付加させるのに必要な寸法の予備材を用いればよいの
で、切削加工により除去する量をさらに低減することを
可能とするものである。そして、本発明の第１発明と同
様に、予備材として、被加工材よりも材料費が安価の鉄
鋼材料（炭素鋼、スレンレス鋼等）を用いることによ
り、前述の本発明の第１発明と同様を得る。

【００３４】そして、本発明の高歪付加鍛造方法は、ア
ルミニウム合金又はチタン合金、特に、Ｔｉ−Ａｌ合金
等の高価な材料の鍛造に用いることにより前述の効果を
発揮するものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施の形態の説明図であり、図ａ
は鍛造前の被加工材と予備材の断面形状を示す模式図で
あり、図ｂは鍛造後の被加工材と予備材の断面形状を示
す模式図である。

【図２】本発明の第２実施の形態の説明図であり、図ａ
は鍛造前の被加工材と予備材の断面形状を示す模式図で
あり、図ｂは鍛造後の被加工材と予備材の断面形状を示
す模式図である。

【図３】本発明の第１実施例（第１発明例）の結果を示
すの説明図であり、図ａは鍛造後の被加工材と予備材の
断面における相当歪分布（軸対称×上下対称４分の１モ
デル）を示す図であり、図ｂは鍛造後の被加工材と予備
材の断面形状の状態を示す図である。

【図４】本発明の第２実施例（第２発明例）の鍛造前の
被加工材と予備材の断面形状の状態（軸対称×上下対称
４分の１モデル）を示す図である。

【図５】本発明の第２実施例（第２発明例）の結果を示
すの説明図であり、図ａは鍛造後の被加工材と予備材の
断面における相当歪分布（軸対称×上下対称４分の１モ
デル）を示す図であり、図ｂは鍛造後の被加工材と予備
材の断面形状の状態を示す図である。

【図６】従来例の被加工材の断面形状を示す模式図であ
る。

【図７】従来例の鍛造後の被加工材の断面における相当
歪分布（軸対称×上下対称４分の１モデル）を示す図で
ある。

【符号の説明】

１被加工材２予備材（金属予備材）３製品部（鍛造後の被加工材の製品部）４低歪領域５切断部６鍛造後の被加工材７鍛造後の予備材８プレフォーム

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続きＦターム(参考） 4E087 AA10 BA02 BA04 BA05 CA11 CA21 CA31 CB02 CB07 CB10 CB11 EC12 EC17 EC22 EC46 ED09

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】被加工材を鍛造する方法において、鍛造
温度での被加工材の変形抵抗値に近い値を有する金属予
備材を、前記被加工材と鍛造用金型との間に存在せしめ
て鍛造することを特徴とする高歪付加鍛造方法。
【請求項２】前記金属予備材の変形抵抗値が鍛造温度
での被加工の変形抵抗値の５０％〜２００％の範囲にあ
る請求項１に記載の高歪付加鍛造方法。
【請求項３】前記金属予備材のそれぞれの断面形状
が、前記被加工材の上面及び下面と略同一形状である請
求項１又は２に記載の高歪付加鍛造方法。
【請求項４】被加工材を鍛造する方法において、鍛造
温度での被加工材の変形抵抗値以上で、かつ、前記被加
工材の上面及び下面より小寸である金属予備材を、前記
被加工材の上面及び下面の低歪領域になる部分に重ね合
わせて鍛造することを特徴とする高歪付加鍛造方法。
【請求項５】アルミニウム合金又はチタン合金の鍛造
に用いる請求項１乃至５のいずれかに記載の高歪付加鍛
造方法。
【請求項６】Ｔｉ−Ａｌ合金の鍛造に用いる請求項１
乃至４のいずれかに記載の高歪付加鍛造方法。