特許 7577013 金属素材の鍛造方法、金属素材の鍛造用の金型

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-10-24

(45)【発行日】2024-11-01

(54)【発明の名称】金属素材の鍛造方法、金属素材の鍛造用の金型

(51)【国際特許分類】

   B21J 5/06 20060101AFI20241025BHJP

【ＦＩ】

B21J5/06 D

【請求項の数】 6

(21)【出願番号】P 2021056548

(22)【出願日】2021-03-30

(65)【公開番号】P2022153822

(43)【公開日】2022-10-13

【審査請求日】2023-11-30

(73)【特許権者】

【識別番号】503378420

【氏名又は名称】日鉄ステンレス株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100106909

【弁理士】

【氏名又は名称】棚井 澄雄

(74)【代理人】

【識別番号】100175802

【弁理士】

【氏名又は名称】寺本 光生

(74)【代理人】

【識別番号】100134359

【弁理士】

【氏名又は名称】勝俣 智夫

(74)【代理人】

【識別番号】100188592

【弁理士】

【氏名又は名称】山口 洋

(72)【発明者】

【氏名】西村 基

(72)【発明者】

【氏名】石丸 詠一朗

【審査官】石田 宏之

(56)【参考文献】

【文献】特開平０３－２０４１２３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開昭６１－０４９７３６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開昭６３－２０３２４１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００１－０４７１７３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平１１－３２００２１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００３－０９４１４４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０２０－１３１２１７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開昭５２－０７６２７０（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許第０１３８１１０２（ＵＳ，Ａ）

【文献】欧州特許出願公開第０１１２３７６４（ＥＰ，Ａ１）

【文献】米国特許出願公開第２００３／００１５０１６（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｂ２１Ｊ ５／０６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

金型を用いて板状の金属素材を鍛造することにより、中空筒状の縦壁部および前記縦壁部の端部から突出するフランジ部を備えたフランジ部品を製造する金属素材の鍛造方法であって、
前記金型として、
平面状の上型面を有する上型と、
前記上型面の大きさよりも小さな平面状の下型面および前記下型面の外周端に接する側型面を有する下型と、
貫通中空部が設けられた本体部を有する中間型と、を備え、
前記中間型の前記本体部には、前記貫通中空部の軸方向の一方側から前記上型が挿入可能な第１嵌入部と、前記貫通中空部の前記軸方向の他方側から前記下型が挿入可能であってその内径が前記第１嵌入部の内径よりも小さな第２嵌入部と、前記第１嵌入部と前記第２嵌入部の間にあって、前記第１嵌入部の内径より小さく、第２嵌入部の内径より大きな第３嵌入部と、が設けられており、
前記第１嵌入部には、前記第３嵌入部との内径差により生じた環状型面が設けられているとともに、前記第３嵌入部には、前記第２嵌入部との内径差により生じた、前記環状型面の内周側において前記金属素材の板厚ｔ_０よりも大きな幅を有する環状の凹部が設けられている金型を用い、
前記中間型の前記第１嵌入部に前記金属素材を配置するとともに前記上型を前記第１嵌入部に挿入して、前記中間型の前記環状型面及び前記上型の前記上型面により前記金属素材を拘束する準備工程と、
前記環状型面及び前記上型面により前記金属素材を拘束したまま、前記下型によって前記金属素材を鍛造することにより、前記金属素材の中央部分の板厚を減肉させる第１鍛造工程と、
前記下型の下型面及び前記環状型面によって前記金属素材を支持した状態で、前記上型によって前記金属素材の全面を鍛造することにより、前記下型面及び前記環状型面に支持された部分を減肉させる第２鍛造工程と、を備え、
前記第１鍛造工程及び前記第２鍛造工程の前記鍛造時に、前記中間型の前記凹部及び前記下型の前記側型面に囲まれた空隙部に、前記金属素材の材料を圧入させる、金属素材の鍛造方法。

【請求項2】

前記第１鍛造工程における前記下型による前記金属素材に対する圧下量を、前記第２鍛造工程における前記上型による前記金属素材に対する圧下量よりも大きくする、請求項１に記載の金属素材の鍛造方法。

【請求項3】

前記第１鍛造工程及び前記第２鍛造工程における前記金属素材の温度を２００～５００℃の範囲とし、前記金型の温度を１００～２００℃の範囲とする、請求項１または請求項２に記載の金属素材の鍛造方法。

【請求項4】

前記金属素材が、ステンレス鋼板である、請求項１乃至請求項３の何れか一項に記載の金属素材の鍛造方法。

【請求項5】

前記第２鍛造工程後に、前記金属素材の前記中央部分を打ち抜いて開口部を設ける工程を備える、請求項１乃至請求項４の何れか一項に記載の金属素材の鍛造方法。

【請求項6】

板状の金属素材を鍛造することにより、フランジ部品を製造するために用いる金属素材の鍛造用の金型であって、
平面状の上型面を有する上型と、
前記上型面の大きさよりも小さな平面状の下型面および前記下型面の外周端に接する側型面を有する下型と、
貫通中空部が設けられた本体部を有する中間型と、を備え、
前記中間型の前記本体部には、前記貫通中空部の軸方向の一方側から前記上型が挿入可能な第１嵌入部と、前記貫通中空部の前記軸方向の他方側から前記下型が挿入可能であってその内径が前記第１嵌入部の内径よりも小さな第２嵌入部と、前記第１嵌入部と前記第２嵌入部の間にあって、前記第１嵌入部の内径より小さく、第２嵌入部の内径より大きな第３嵌入部と、が設けられており、
前記第１嵌入部には、前記第３嵌入部との内径差により生じた環状型面が設けられているとともに、前記第３嵌入部には、前記第２嵌入部との内径差により生じた、前記環状型面の内周側において前記金属素材の板厚ｔ_０よりも大きな幅を有する環状の凹部が設けられている、金属素材の鍛造用の金型。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、金属素材の鍛造方法、金属素材の鍛造用の金型に関する。

【背景技術】

【0002】

例えば、自動車部品として用いられる金属製のフランジ部品は、中空筒状の縦壁部と、縦壁部の一端部から縦壁部の外側に向けて突出するフランジ部とを有する。

【0003】

このようなフランジ部品は、鍛造及び削り出し加工により製造されることが多いが、削り出し加工は生産性の低下を招く。そこで、生産性向上のために、金属板に対してバーリング加工や張出加工を行うことでフランジ部品を製造することが検討されている。バーリング加工によりフランジ部品を製造する場合は、予め板中央に下穴を設けた金属板を用意し、下穴の開口径よりも大きな外径を有するパンチを下穴に押し込む。これにより、パンチの肩部によって下穴の周囲にあった材料がパンチの押し込み方向に曲げられるとともに、曲げられた材料が更にパンチの周方向に伸ばされる所謂伸びフランジ加工がなされることで、縦壁部が形成される。また、縦壁部の周囲にあってパンチによる変形を受けなかった部分がフランジ部になる。

【0004】

ところで、バーリング加工によって製造されたフランジ部品の縦壁部は、前述のように伸びフランジ成形によって形成されたものであるため、その肉厚が、フランジ部の肉厚よりも薄くなる。このため、フランジ部品においては、縦壁部の断面積が小さくなって剛性が低くなり、フランジ部品全体が変形しやすくなり、自動車部品としての性能を十分に発揮できないおそれがある。そこで、金属板からフランジ部品を製造する際に、縦壁部の肉厚をフランジ部の肉厚以上に増肉させる製造方法が望まれている。

【0005】

例えば、特許文献１の図７には、中空円板状部とリム部と歯部とを備えた歯車を製造する工程の一部として、素材１１を分流鍛造金型１２００に配置してから上部金型１２１０を所定量押し込むことにより、円板状部１１０’と円板状部１１０’の外周に軸方向の両側に突出した突出部１２０とを備えた鍛造成形体１２を成形する鍛造工程が示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【文献】特開２０１９－１０８９３０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

しかし、特許文献１において製造される鍛造成形体１２は、そもそも、中空円板状部とリム部と歯部とを備える歯車の中間製品であって、フランジ部品の中間成形品ではないので、フランジ部品の製造には適していない。

【0008】

また、フランジ部品を製造する手段として、鍛造及び削り出し加工を用いた場合は生産性の低下を招き、バーリング加工や張出加工を用いた場合は自動車部品としての性能を十分に発揮できなくなるのは、既に述べた通りである。

【0009】

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、金属板を素材として、金属素材の板厚以上の肉厚を有する縦壁部を鍛造により形成することを可能とする、金属素材の鍛造方法、金属素材の鍛造用の金型を提供することを課題とする。

【課題を解決するための手段】

【0010】

上記課題を解決するため、本発明は以下の構成を採用する。
［１］ 金型を用いて板状の金属素材を鍛造することにより、中空筒状の縦壁部および前記縦壁部の端部から突出するフランジ部を備えたフランジ部品を製造する金属素材の鍛造方法であって、
前記金型として、
平面状の上型面を有する上型と、
前記上型面の大きさよりも小さな平面状の下型面および前記下型面の外周端に接する側型面を有する下型と、
貫通中空部が設けられた本体部を有する中間型と、を備え、
前記中間型の前記本体部には、前記貫通中空部の軸方向の一方側から前記上型が挿入可能な第１嵌入部と、前記貫通中空部の前記軸方向の他方側から前記下型が挿入可能であってその内径が前記第１嵌入部の内径よりも小さな第２嵌入部と、前記第１嵌入部と前記第２嵌入部の間にあって、前記第１嵌入部の内径より小さく、前記第２嵌入部の内径より大きな第３嵌入部と、が設けられており、
前記第１嵌入部には、前記第３嵌入部との内径差により生じた環状型面が設けられているとともに、前記第３嵌入部には、前記第２嵌入部との内径差により生じた、前記環状型面の内周側において前記金属素材の板厚ｔ０よりも大きな幅を有する環状の凹部が設けられている金型を用い、
前記中間型の前記第１嵌入部に前記金属素材を配置するとともに前記上型を前記第１嵌入部に挿入して、前記中間型の前記環状型面及び前記上型の前記上型面により前記金属素材を拘束する準備工程と、
前記環状型面及び前記上型面により前記金属素材を拘束したまま、前記下型によって前記金属素材を鍛造することにより、前記金属素材の中央部分の板厚を減肉させる第１鍛造工程と、
前記下型の下型面及び前記環状型面によって前記金属素材を支持した状態で、前記上型によって前記金属素材の全面を鍛造することにより、前記下型面及び前記環状型面に支持された部分を減肉させる第２鍛造工程と、を備え、
前記第１鍛造工程及び前記第２鍛造工程の前記鍛造時に、前記中間型の前記凹部及び前記下型の前記側型面に囲まれた空隙部に、前記金属素材の材料を圧入させる、金属素材の鍛造方法。
［２］ 前記第１鍛造工程における前記下型による前記金属素材に対する圧下量を、前記第２鍛造工程における前記上型による前記金属素材に対する圧下量よりも大きくする、［１］に記載の金属素材の鍛造方法。
［３］ 前記第１鍛造工程及び前記第２鍛造工程における前記金属素材の温度を２００～５００℃の範囲とし、前記金型の温度を１００～２００℃の範囲とする、［１］または［２］に記載の金属素材の鍛造方法。
［４］ 前記金属素材が、ステンレス鋼板である、［１］乃至［３］の何れか一項に記載の金属素材の鍛造方法。
［５］ 前記第２鍛造工程後に、前記金属素材の前記中央部分を打ち抜いて開口部を設ける工程を備える、［１］乃至［４］の何れか一項に記載の金属素材の鍛造方法。
［６］ 板状の金属素材を鍛造することにより、フランジ部品を製造するために用いる金属素材の鍛造用の金型であって、
平面状の上型面を有する上型と、
前記上型面の大きさよりも小さな平面状の下型面および前記下型面の外周端に接する側型面を有する下型と、
貫通中空部が設けられた本体部を有する中間型と、を備え、
前記中間型の前記本体部には、前記貫通中空部の軸方向の一方側から前記上型が挿入可能な第１嵌入部と、前記貫通中空部の前記軸方向の他方側から前記下型が挿入可能であってその内径が前記第１嵌入部の内径よりも小さな第２嵌入部と、前記第１嵌入部と前記第２嵌入部の間にあって、前記第１嵌入部の内径より小さく、第２嵌入部の内径より大きな第３嵌入部と、が設けられており、
前記第１嵌入部には、前記第３嵌入部との内径差により生じた環状型面が設けられているとともに、前記第３嵌入部には、前記第２嵌入部との内径差により生じた、前記環状型面の内周側において前記金属素材の板厚ｔ０よりも大きな幅を有する環状の凹部が設けられている、金属素材の鍛造用の金型。

【発明の効果】

【0011】

本発明の金属素材の鍛造方法によれば、上型及び下型と、環状型面及び凹部を有する中間型とを備えた金型を用いることで、上型及び環状型面によってフランジ部品のフランジ部を形成し、下型の側型面及び中間型の凹部によってフランジ部品の縦壁部を形成することができる。特に、第１鍛造工程及び第２鍛造工程の鍛造時に、中間型の凹部及び下型の側型面に囲まれた空隙部に、金属素材の材料が圧入されるので、板状の金属素材から縦壁部を形成することができる。また、中間型の凹部の幅を、金属素材の板厚ｔ_０よりも大きくすることで、金属素材の板厚ｔ_０以上の肉厚ｔ_２を有する縦壁部を鍛造することができる。更に、鍛造を２工程に分けて行うことで、即ち、第１鍛造工程において下型によって金属素材を鍛造して、金属素材の中央部分の板厚を先に減肉させ、次いで、第２鍛造工程において上型によって金属素材の全面を鍛造して、下型面及び環状型面に支持された部分を減肉させることで、成形荷重を過剰に高めることなく、縦壁部及びフランジ部を形成することができる。

【0012】

また、本発明の金属素材の鍛造方法によれば、第１鍛造工程における下型による圧下量を、第２鍛造工程における上型による圧下量よりも大きくすることで、第１鍛造工程において、より多くの材料を、中間型の凹部及び下型の側型面に囲まれた空隙部に圧入させることができ、成形荷重を過剰に大きくすることなく、縦壁部を確実に形成できる。

【0013】

また、本発明の金属素材の鍛造方法によれば、第１鍛造工程及び第２鍛造工程における金属素材の温度を２００～５００℃の範囲とし、金型の温度を１００～２００℃の範囲とすることで、成形荷重を低くできるとともに、金型による抜熱を抑制して成形荷重の増大を防止できる。

【0014】

また、本発明の金属素材の鍛造方法によれば、金属素材としてステンレス鋼板を用いることで、ステンレス鋼からなるフランジ部品を鍛造により容易に形成することができる。

【0015】

また、本発明の金属素材の鍛造方法によれば、第２鍛造工程後の鍛造品の中央部分を打ち抜いて開口部を形成するので、鍛造と打ち抜きによってフランジ部品を製造することができる。

【0016】

次に、本発明の金属素材の鍛造用の金型によれば、上型及び下型と、環状型面及び凹部を有する中間型とを備えているので、上型及び環状型面によってフランジ部品のフランジ部を形成し、下型の側型面及び中間型の凹部によってフランジ部品の縦壁部を形成することができる。特に、鍛造時に、中間型の凹部及び下型の側型面に囲まれた空隙部に、金属素材の材料が圧入されるので、板状の金属素材から縦壁部を形成することができる。また、中間型の凹部の幅を、金属素材の板厚ｔ_０よりも大きくすることで、金属素材の板厚ｔ_０以上の肉厚ｔ_２を有する縦壁部を鍛造することができる。

【0017】

本発明の鍛造方法によって得られるフランジ部品は、縦壁部の肉厚が、フランジ部の肉厚よりも厚くされているので、フランジ部品全体の剛性を高めることができる。
なお、フランジ部品とは、円筒の底部につば状に張出した形状を有するものであり、他部品を接続するフランジ、ノズルプレート、ノズルマウント等のターボ部品等が挙げられる。

【図面の簡単な説明】

【0018】

【図1】図１は、本発明の実施形態である金属素材の鍛造用の金型及び金属素材を示す断面模式図。

【図2】図２は、本発明の実施形態である金属素材の鍛造方法の準備工程を説明する断面模式図。

【図3】図３は、本発明の実施形態である金属素材の鍛造方法の準備工程を説明する断面模式図。

【図4】図４は、本発明の実施形態である金属素材の鍛造方法の第１鍛造工程を説明する断面模式図。

【図5】図５は、本発明の実施形態である金属素材の鍛造方法の第２鍛造工程を説明する断面模式図。

【図6】図６は、本発明の実施形態である金属素材の鍛造方法の第２鍛造工程後の鍛造品を示す模式図。

【図7】図７は、本発明の実施形態である金属素材の鍛造方法の開口部を形成する工程後の鍛造品であるフランジ部品を示す模式図。

【図8】図８は、本発明の実施形態であるフランジ部品の要部を示す断面模式図。

【発明を実施するための形態】

【0019】

以下、本発明の実施形態である金属素材の鍛造方法（以下、「鍛造方法」という場合がある。）及び金属素材の鍛造用の金型（以下、「金型」という場合がある。）について、図面を参照して説明する。

【0020】

図１には、本実施形態の金型１の断面模式図を示す。図１に示すように、本実施形態の金型１は、上型２、下型３及び中間型４とから構成されている。上型２及び下型３は、中間型４に対して嵌合するように構成されている。

【0021】

上型２は、円柱状とされており、円柱の底面が上型面２１とされている。上型面２１の平面視形状は円形とされている。また、上型面２１は平面状とされている。

【0022】

下型３は、円柱状とされており、円柱の上面が下型面３１とされている。下型面３１の平面視形状は円形とされている。また、下型面３１は平面状とされている。更に、円柱状の下型３の外径は、上型２の外径よりも小さくされている。これにより、下型３は、上型面２１よりも小さな下型面３１を有するものとなる。更に、下型３の外径は、金属素材Ａの直径ｒ_０よりも小さくされる。

【0023】

また、下型３には、下型面３１の外周端３１ａに接する側型面３２が設けられている。側型面３２は、円柱状の下型３の周面である。

【0024】

中間型４は、貫通中空部４１が設けられた本体部４２から構成されている。貫通中空部４１は、本体部４２を上下方向に貫通している。

【0025】

中間型４の本体部４２には、第１嵌入部４３と第２嵌入部４４と第３嵌入部４７とが設けられている。第１嵌入部４３は、貫通中空部４１の軸方向の一方側（上側）から上型２が挿入可能とされている。第２嵌入部４４は、貫通中空部４１の軸方向の他方側（下側）から下型３が挿入可能とされている。第３嵌入部４７は、第１嵌入部４３と第２嵌入部４４との間に設けられており、第２嵌入部４４側から挿入された下型３が挿入可能とされている。第３嵌入部４７は、第１嵌入部４３及び第２嵌入部４４と連通している。

【0026】

第１嵌入部４３は、本体部４２の一部であって、中空円筒状とされており、円柱状の上型２が嵌入されるようになっている。第１嵌入部４３における貫通中空部４１の内径は、上型２の外径よりもクリアランスの分だけ大きくなっており、上型２の嵌入が円滑に行われるように構成されている。また、後述するように、本実施形態の鍛造方法の第２鍛造工程では、第２嵌入部４４から挿入された下型３によって金属素材Ａが鍛造されるが、その際に、第１嵌入部４３に第２嵌入部４４および第３嵌入部４７を通じて下型３の一部が入り込む。従って第１嵌入部４３は、上型２及び下型３の両方が入り込む領域になっている。

【0027】

また、第１嵌入部４３には、鍛造素材である金属素材Ａが挿入できるようになっている。第１嵌入部４３における貫通中空部４１の内径は、金属素材Ａの直径ｒ_０よりもクリアランスの分だけ大きくなっており、金属素材Ａの挿入が円滑に行われるように構成されている。

【0028】

第２嵌入部４４は、本体部４２の一部であって、中空円筒状とされており、円柱状の下型３が嵌入できるようになっている。第２嵌入部４４における貫通中空部４１の内径は、下型３の外径よりもクリアランスの分だけ大きくなっており、下型３の嵌入が円滑に行われるように構成されている。

【0029】

第３嵌入部４７は、本体部４２の一部であって、中空円筒状とされており、円柱状の下型３が嵌入できるようになっている。第３嵌入部４７における貫通中空部４１の内径は、第１嵌入部４３おける貫通中空部４１の内径よりも小さな内径とされている。これにより、第１嵌入部４３と第３嵌入部４７との間に内径差が生じている。この内径差により、第１嵌入部４３には、その底部に、環状型面４５が設けられている。環状型面４５は、貫通中空部４１の軸方向上側に向いた面になっている。環状型面４５は、金属素材Ａが第１嵌入部４３に挿入された際に、金属素材Ａが載置される面となる。

【0030】

また、第３嵌入部４７における貫通中空部４１の内径は、第２嵌入部４４における貫通中空部４１の内径よりも大きな内径とされている。これにより、第３嵌入部４７と第２嵌入部４４との間に内径差が生じている。この内径差により、第３嵌入部４７には、環状型面４５の内周側に環状の凹部４６が設けられている。中間型４を平面視した場合の凹部４６の幅ｗは、金属素材Ａの厚みｔ_０よりも大きな寸法の幅とされている。

【0031】

図１に示すように、鍛造素材である金属素材Ａは、直径ｒ_０、厚さｔ_０の平面視円形の金属板からなる。金属素材Ａは、平面視円形の上面Ａ１及び下面Ａ２と、上面Ａ１及び下面Ａ２の間にある帯状の周端面Ａ３とを有している。金属素材Ａの材質は金属であれば特に制限はなく、例えば、炭素鋼、ステンレス鋼、純アルミニウム、アルミニウム合金、純銅、銅合金などを用いることができるが、本実施形態ではステンレス鋼が好ましい。ステンレス鋼は、炭素鋼、アルミニウム合金または銅合金よりも硬度が高いため、鍛造では加工しにくい素材であるが、本実施形態の鍛造方法を適用することにより、従来の鍛造では製造が難しいとされていた形状であるフランジ部品を製造可能になる。また、ステンレス鋼は耐食性に優れるため、本実施形態の鍛造方法によって製造されるステンレス鋼よりなるフランジ部品は、自動車の排気系部品として好適に用いることが可能にある。フランジ部品が適用可能な排気系部品としては、ターボチャージャーの部品を例示できる。

【0032】

次に、本実施形態の鍛造方法について図面を参照して説明する。本実施形態の鍛造方法は、上型２と中間型４とにより金属素材Ａを拘束する準備工程と、下型３によって金属素材Ａを鍛造する第１鍛造工程と、上型２によって金属素材Ａを鍛造する第２鍛造工程とを順次行う。また、第２鍛造工程後の鍛造品に対して、打ち抜き工程を行ってもよい。以下、各工程について説明する。

【0033】

準備工程では、図２に示すように、中間型４の第１嵌入部４３における中空貫通部４１に、直径ｒ_０、厚みｔ_０の円板状の金属素材Ａを配置する。金属素材Ａは、上面Ａ１を上にした状態で、第１嵌入部４３に設けられた環状型面４５の上に載せられる。更に、中間型４の第１嵌入部４３に上型２を挿入し、上型面２１を金属素材Ａの上面Ａ１に押し当てる。このようにして、上型面２１及び環状型面４５によって金属素材Ａの外周部Ａ４をその厚み方向から挟んで拘束する。

【0034】

なお、図３には、中間型４に金属素材Ａを配置し、更に上型２及び下型３を中間型４に挿入した状態を示している。図３に示すように、金属素材Ａに上型２及び下型３を接触させると、金型１内に円環状の空隙部Ｋが形成される。空隙部Ｋは、下型３の側型面３２、中間型４の凹部４６及び金属素材Ａに囲まれた空間である。

【0035】

次に、第１鍛造工程では、図４に示すように、上型２の上型面２１及び中間型４の環状型面４５によって金属素材Ａを拘束したまま、下型３によって金属素材Ａを鍛造する。下型３は、第２嵌入部４４及び第３嵌入部４７を通じて第１嵌入部４３に達するまで進入させる。金属素材Ａは、上型２に支持された状態で、下型３によって鍛造される。金属素材Ａを安定して鍛造するために、上型２による金属素材Ａの拘束力は、下型３による鍛造時の加圧力よりも大きくする。

【0036】

金属素材Ａの直径ｒ_０よりも小さな下型面３１によって金属素材Ａを鍛造することにより、金属素材Ａの中央部分の板厚が減肉される。中央部分の厚みは、元の金属素材Ａの板厚ｔ_０から、第１鍛造工程における圧下量ｓ_１を差し引いた厚み（ｔ_０－ｓ_１）になる。一方、上型面２１及び環状型面４５によって拘束されていた金属素材Ａの外周部Ａ４の厚みは、元の金属素材Ａの板厚ｔ_０のままである。

【0037】

第１鍛造工程では、金属素材Ａの中央部分が減肉されると同時に、減肉によって押し出された金属素材Ａの材料Ｍが、凹部４６と側型面３２に囲まれた空隙部Ｋに圧入される。

【0038】

第１鍛造工程では、金属素材Ａの中央部分を鍛造するので、金属素材Ａの下面Ａ２の全面を鍛造する場合に比べて、鍛造時の成形荷重が小さくなる。

【0039】

次に、第２鍛造工程では、図５に示すように、下型３を、第２嵌入部４４および第３嵌入部４７を通じて第１嵌入部４３に進入させたままとして、下型３の下型面３１及び中間型４の環状型面４５によって金属素材Ａを支持した状態で、上型２によって金属素材Ａの上面Ａ１の全面を鍛造することにより、下型面３１及び環状型面４５に支持された部分を減肉させる。

【0040】

これにより、金属素材Ａの外周部Ａ４は、元の金属素材Ａの厚みｔ_０から、第２鍛造工程における圧下量ｓ_２に相当する厚み分が減肉される。外周部の厚みはｔ_１（＝ｔ_０－ｓ_２）になる。

【0041】

また、金属素材Ａの中央部分は、第１鍛造工程後の厚み（ｔ_０－ｓ_１）から、第２鍛造工程における圧下量ｔ_１に相当する厚み分が減肉される。中央部分の厚みはｔ_Ｐ（＝ｔ_０－（ｓ_１＋ｓ_２））になる。

【0042】

第２鍛造工程では、金属素材Ａが減肉されると同時に、減肉によって押し出された金属素材Ａの材料が、凹部４６と側型面３２に囲まれた空隙部Ｋに更に圧入され、空隙部Ｋは金属素材Ａの材料によってほぼ満たされる。

【0043】

ここで、第１鍛造工程及び第２鍛造工程それぞれにおける鍛造時の圧下量の関係を述べると、第１鍛造工程における下型３による金属素材Ａに対する圧下量ｓ_１は、第２鍛造工程における上型２による金属素材Ａに対する圧下量ｓ_２よりも大きくすることが好ましい。これにより、金属素材Ａの上面Ａ１の全面を圧下する上型２の圧下量ｓ_２を比較的小さくすることができ、成形荷重の増大が抑制される。

【0044】

また、第１鍛造工程及び第２鍛造工程における金属素材Ａの温度は２００～５００℃の範囲とし、金型１の温度は１００～２００℃の範囲とする。鍛造時の金属素材Ａの温度を２００℃以上とすることで、各鍛造工程における成形荷重を低減できる。また、金属素材Ａの温度が高すぎると、炭化物析出による強度低下および高温摺動性の低下を招くので、上限は５００℃以下とすることが好ましい。成形荷重の低減と材質の劣化を両立する好ましい温度条件は４００℃以下である。また、金型１の温度を１００℃以上にすることで、金属素材Ａからの抜熱を抑制することができるため好ましい。金型１の温度の高温化は、金属素材Ａとの焼き付きや焼き付きによる抵抗に伴う荷重増加が懸念されるので、金型１の温度の上限は２００℃以下とすることが好ましい。

【0045】

第１鍛造工程及び第２鍛造工程を順次行うことにより、図６に示すような、縦壁部１０１と、フランジ部１０２と、薄肉部１０３とを有する鍛造品１００が得られる。

【0046】

鍛造品１００の縦壁部１０１は、第１鍛造工程及び第２鍛造工程により、金属素材Ａの材料が空隙部Ｋに圧入されることにより形成される。フランジ部１０２は、第２鍛造工程において、中間型４の環状型面４５に支持された金属素材Ａの外周部Ａ４が、上型２の上型面２１によって圧下されることにより形成される。薄肉部１０３は、第１鍛造工程において金属素材Ａの中央部分が下型３の下型面３１によって圧下されるとともに、第２鍛造工程において金属素材Ａの中央部分が上型２の上型面２１によって圧下されることにより形成される。

【0047】

鍛造品１００の縦壁部１０１の肉厚ｔ_２は、金属素材Ａの板厚ｔ_０よりも厚いものとなる。フランジ部１０２の肉厚ｔ_１は、金属素材Ａの板厚ｔ_０から、第２鍛造工程における上型の圧下量ｓ_２を差し引いた厚み（ｔ_０－ｓ_２）になる。薄肉部１０３の肉厚ｔ_ｐは、金属素材Ａの板厚ｔ_０から、第１鍛造工程における下型３の圧下量ｓ_１と第２鍛造工程における上型２の圧下量ｓ_２の合計（ｓ_１＋ｓ_２）を差し引いた厚み（ｔ_０－（ｓ_１＋ｓ_２））になる。

【0048】

更に、鍛造品１００に対して、打ち抜き工程を行うことで、鍛造品１００の薄肉部１０３を打ち抜いてもよい。打ち抜き工程を実施することで、図７に示すような、中空筒状の縦壁部１０１と、縦壁部１０１の一端部から外側に突出するフランジ部１０２とを有するフランジ部品２００が得られる。

【0049】

フランジ部品２００は、縦壁部１０１の肉厚ｔ_２が、フランジ部１０２の肉厚ｔ_１よりも厚くされた鍛造品である。縦壁部１０１の肉厚ｔ_２がフランジ部１０２の肉厚ｔ_１よりも厚くされていることで、フランジ部品２００全体の剛性が高められ、変形しにくくなる。

【0050】

得られたフランジ部品２００は、例えば、自動車の排気系部品として好適に用いられる。フランジ部品２００が適用可能な排気系部品としては、ターボチャージャーの部品を例示できる。

【0051】

フランジ部品２００を構成する材料は、既に述べたように、ステンレス鋼であれば、オーステナイト系、フェライト系、オーステナイト－フェライト二相系、マルテンサイト系のいずれのステンレス鋼でもよいが、好ましくは耐食性及び強度に優れたオーステナイト系ステンレス鋼がよい。

【0052】

オーステナイト系ステンレス鋼として、例えば、質量％で、Ｃ：０．００５～０．２％、Ｓｉ：５．０％以下、Ｍｎ：０．１～５．０％、Ｐ：０．０１～０．０５％、Ｓ：０．０００１～０．０１％、Ｎｉ：５．０～２０．０％、Ｃｒ：１５．０～２６．０％、Ｎ：０．０２～０．３％、Ａｌ：０．００３～１．０％、Ｃｕ：０．０５～３．０％、Ｍｏ：０．０１～２．０％、Ｖ：０．０５～１．０％、Ｔｉ：０～０．３％、Ｎｂ：０～０．３％、Ｂ：０～０．００５０％、Ｃａ：０～０．０１％、Ｗ：０～３．０％、Ｚｒ：０～０．３％、Ｓｎ：０～０．５％、Ｃｏ：０～０．３％、Ｍｇ：０～０．０１％、Ｓｂ：０～０．５％、ＲＥＭ：０～０．２％、Ｇａ：０～０．３％、およびＴａ：０～１．０％、を含有し、残部がＦｅ及び不純物からなるオーステナイト系ステンレス鋼を例示できる。

【0053】

また、上記化学成分のうち、Ｔｉ：０．００５～０．３％、Ｎｂ：０．００５～０．３％、Ｂ：０．０００２～０．００５０％、Ｃａ：０．０００５～０．０１％、Ｗ：０．１～３．０％、Ｚｒ：０．０５～０．３％、Ｓｎ：０．０１～０．５％、Ｃｏ：０．０３～０．３％、Ｍｇ：０．０００２～０．０１％、Ｓｂ：０．００５～０．５％、ＲＥＭ：０．００１～０．２％、Ｇａ：０．０００２～０．３％、およびＴａ：０．００１～１．０％から選択される１種以上を含有してもよい。

【0054】

なお、本実施形態の鍛造方法では、下記の式１、式２で示される恒等式が成立する。下記式１及び式２は、金属素材Ａと鍛造品１００との間で体積が一定であることから求められる。下記式１及び式２が成立する範囲で、金属素材Ａの板厚ｔ_０、直径ｒ_０、鍛造品１００及びフランジ部品２００におけるフランジ部１０２の肉厚ｔ_１、縦壁部１０１の肉厚ｔ_２、縦壁部１０１の高さｈ、縦壁部１０１の内径ｒ_ｐ、鍛造品１００における薄肉部１０３の肉厚ｔ_ｐを調整することができる。式１及び式２におけるｔ_０、ｒ_０、ｔ_１、ｔ_２、ｈ、ｒ_ｐ、ｔ_ｐの単位はいずれもミリメートルである。図８には、鍛造品１００の要部と寸法線とを示している。

【0055】

本実施形態においては、例えば、ｔ_０＝３～８ｍｍとし、ｒ_０＝２０～５０ｍｍとし、ｔ_２＝１．１ｔ_０～１．３ｔ_０ｍｍとし、ｈ＝１．５ｔ_０～２．１ｔ_０ｍｍとし、ｒ_ｐ＝０．３ｒ_０～０．５ｒ_０ｍｍとし、ｔ_ｐ＝０超２ｍｍ以下とすることが好ましい。

【0056】

薄肉部１０３の肉厚ｔ_ｐが２ｍｍを超えると、打ち抜き工程において薄肉部１０３の打ち抜きが困難になる場合があるため、肉厚ｔ_ｐの上限を２ｍｍ以下とする。また、フランジ部１０３を設けるための条件として、ｒ_ｐ＋ｔ_２＜ｒ_０が成立することが望ましい。

【0057】

【数1】

【0058】

【数2】

【0059】

式２におけるＸは、定数であって、鍛造品１００またはフランジ部品２００の縦壁部の肉厚ｔ２を、金属素材Ａの板厚ｔ０で除した値（すなわち、Ｘ＝ｔ_２／ｔ_０）である。

【0060】

本実施形態では、定数Ｘを１．０超とし、好ましくは１．１～２．１の範囲とする。

【0061】

式１及び式２の利用方法の一例として、式１及び式２の右辺における（ｔ_０－ｔ_１）は、第２鍛造工程における上型２の圧下量ｓ_２に対応する。そこで、縦壁部の肉厚ｔ_２、高さｈを所定の値にするために、第２鍛造工程における上型２の圧下量ｓ_２をどの程度とするかを、式１及び式２によって設計してもよい。

【0062】

式１及び式２の利用方法の別の例として、鍛造品１００の寸法形状の目標値を先に決めておき、次に、鍛造品１００の寸法形状の目標値を達成するために必要な金属素材Ａの板厚ｔ_０及び直径ｒ_０を式１、式２から求めるともに、第１、第２鍛造工程における圧下量を決めてもよい。

【0063】

以上説明したように、本実施形態の金属素材の鍛造方法によれば、上型２及び下型３と、環状型面４５及び凹部４６を有する中間型４とを備えた金型１を用いることで、上型２及び環状型面４５とによって鍛造品１００及びフランジ部品２００のフランジ部１０２を形成し、下型３の側型面３２及び中間型４の凹部４６とによって鍛造品１００及びフランジ部品２００の縦壁部１０１を形成することができる。特に、第１鍛造工程及び第２鍛造工程の鍛造時に、中間型４の凹部４６及び下型３の側型面３２に囲まれた空隙部Ｋに、金属素材Ａの材料が圧入されるので、板状の金属素材Ａから縦壁部１０１を形成することができる。また、中間型４の凹部４６の幅を、金属素材Ａの板厚ｔ_０よりも大きくすることで、金属素材Ａの板厚ｔ_０以上の肉厚ｔ_２を有する縦壁部１０２を鍛造することができる。更に、鍛造を２工程に分けて行うことで、即ち、第１鍛造工程において下型３によって金属素材Ａを鍛造して、金属素材Ａの中央部分の板厚を先に減肉させ、次いで、第２鍛造工程において上型２によって金属素材Ａの全面を鍛造して、下型面３１及び環状型面４５に支持された部分を減肉させることで、成形荷重を過剰に高めることなく、縦壁部１０１及びフランジ部１０２を形成することができる。

【0064】

また、本実施形態の金属素材の鍛造方法によれば、第１鍛造工程における下型３による圧下量ｓ_１を、第２鍛造工程における上型２による圧下量ｓ_２よりも大きくすることで、第１鍛造工程において、より多くの材料を、空隙部Ｋに圧入させることができ、成形荷重を過剰に大きくすることなく、縦壁部１０１を確実に形成できる。

【0065】

また、本実施形態の金属素材の鍛造方法によれば、第１鍛造工程及び第２鍛造工程の鍛造時に、中間型４の凹部４６及び下型３の側型面３２に囲まれた空隙部Ｋに、金属素材Ａの材料を圧入させることで、縦壁部１０１を容易に形成することができる。

【0066】

また、本実施形態の金属素材の鍛造方法によれば、第１鍛造工程及び第２鍛造工程における金属素材Ａの温度を２００～５００℃の範囲とし、金型１の温度を１００～２００℃の範囲とすることで、成形荷重を低くできるとともに、金型１による抜熱を抑制して成形荷重の増大を防止できる。

【0067】

また、本実施形態の金属素材の鍛造方法によれば、金属素材Ａとしてステンレス鋼板を用いることで、ステンレス鋼からなる鍛造品１００及びフランジ部品２００を鍛造により容易に形成することができる。

【0068】

また、本実施形態の金属素材の鍛造方法によれば、第２鍛造工程後の鍛造品１００の中央部分を打ち抜いて開口部を形成するので、鍛造と打ち抜きによってフランジ部品２００を製造することができる。

【0069】

次に、本実施形態の金属素材の鍛造用の金型によれば、上型２及び下型３と、環状型面４５及び凹部４６を有する中間型４とを備えているので、上型２及び環状型面４５によって鍛造品１００及びフランジ部品２００のフランジ部１０２を形成し、下型４の側型面３２及び中間型４の凹部４６によって鍛造品１００及びフランジ部品２００の縦壁部１０１を形成することができる。特に、鍛造時に、中間型４の凹部４６及び下型３の側型面３２に囲まれた空隙部Ｋに、金属素材Ａの材料が圧入されるので、板状の金属素材Ａから縦壁部１０１を形成することができる。また、中間型４の凹部４６の幅を、金属素材Ａの板厚ｔ_０よりも大きくすることで、金属素材Ａの板厚ｔ_０以上の肉厚ｔ_２を有する縦壁部１０３を鍛造することができる。

【0070】

次に、本実施形態のフランジ部品２００によれば、縦壁部１０１の肉厚ｔ_２が、フランジ部１０２の肉厚ｔ_１よりも厚くされているので、フランジ部品２００全体の剛性を高めることができる。

【符号の説明】

【0071】

１…金型、２…上型、３…下型、４…中間型、２１…上型面、３１…下型面、３１ａ…外周端、３２…側型面、４１…貫通中空部、４２…本体部、４３…第１嵌入部、４４…第２嵌入部、４５…環状型面、４６…凹部、１０１…縦壁部、１０２…フランジ部、２００…フランジ部品、Ａ…金属素材、Ｋ…空隙部、ｓ_１…下型による圧下量、ｓ_２…上型による圧下量。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】