2.2 冷間圧造技術におけるプロセスおよびワークステーションの変形形状解析
ファスナー製品の冷間圧造（プレス加工）は、プレス機や自動冷間圧造機によって行われます。 逐次冷間プレス、単ステーション、多ステーション冷間鍛造では、上工程または上工程の鍛造（プレス）における半製品の形状が、次工程または次ステーションの成形に直接影響します。 したがって、合理的な変形率配分に基づいて正しい変形形状をいかに決定するかが、将来の変形や製品の品質に直結します。
2.2.1 棒状ファスナーの冷間圧造（プレス）工程
棒状ファスナーの冷間圧造 (プレス) 加工では、各プロセス (ステーション) の関連パラメーターを考慮する必要があります。 主なパラメータには鍛造比が含まれます。Lo と do は、それぞれブランクの鍛造部分の元の長さと直径です。 D.Hは、図36-7に示すように、鍛造後のワークピースの直径と高さを表します。
Lo/do は、ブランクの据え込み変形の長手方向の安定性、つまり、ブランクの据え込み部分が据込み中の長手方向の曲げに抵抗する能力の尺度です。 Lo/doの値が小さいほどヘッドの鍛造に有利であり、数値が小さいほどヘッドの鍛造に有利となる。 Lo/doの値が大きすぎるとブランクの鍛造部に縦曲がりが発生します。 Lo/do の値以外にも、ビレットの据え込み変形の長手方向の安定性に影響を与える要因があります。 自動冷間圧造機でも切断機でも、ブレードやスリーブカッターで切断する場合でも、ブランクの切断面は軸に対して直角ではなく、1度から5度の傾きが必要です。 このように、冷間圧造（プレス加工）の際、ビレットにかかる初期の打ち抜き力が中心に偏り、偏心が発生してビレットにかかる力が不均一になり、ヘッド成形時の縦曲げによる不均一な変形や折れが発生します。 傾斜角度が小さい部分では、変形時に発生する縦方向の曲がりが目立たず、ヘッドの品質に影響を与えません。 冷間圧造（プレス）プロセスでは、切断後、成形用のブランクを配置することが主な目的です。
また、初期打ち抜きキャビティの下端はビレットに鍛造力を加える伝達面となっている。 中心がずれていると、必然的に合力の中心もずれてしまいます。 同様に、縦曲がりの発生にも影響を与える要因である。 最初のパンチング時にバネ仕掛けの上部ロッドを使用すると (図 36-13 を参照)、この衝撃を軽減できます。 工作機械の動作精度や治具の取り付けに関するオペレータの調整レベルなどの他の要因も、最初のパンチング成形に影響を与えます。
初期の打ち抜き変形中のビレットの安定性を向上させるために、特に低炭素鋼や切削特性の悪いその他の鋼種の場合、変形中のビレットの安定性を高めるために、円錐形状に加えて、図36-12に示すように、最初の打ち抜きの小端の作業キャビティ内の高さ1.5-2mmの円筒形キャビティである必要があります。
図36-12 初期据え込みパンチの内部キャビティ形状
経験によれば、Ｌｏ／ｄｏが２．３以下の場合、１回の鍛造のみで縦方向の曲がりのないヘッドを形成することができる。 Lo/do が 4.5 以下の場合、ヘッドの成形を完了するには 2 つの鍛造プロセスが必要です。 Lo/doが8以下の場合、ヘッド成形は3回の鍛造で完了する必要があります。 つまり、Lo/doの値が大きいほど、より多くの鍛造回数が必要となります。 中炭素鋼や合金鋼は、鍛造による冷間加工硬化により、その後の変形加工が困難になります。 この場合、連続冷間鍛造（プレス）から連続冷間プレスに変更する必要があります。 工程間の半製品は、半製品の硬度を下げ、工程変形時に発生する内部応力を除去するために軟化および焼鈍されます。
D/Hの比が大きいほど、鍛造の難易度は高くなります。 実際、D、Hを表す製品の最終変形寸法は体積として計算でき、必要なブランクの長さLoと直径doを計算できます。 Lo/doの値によりアプセット回数を求めることができます。
(1) 六角ボルト頭部の初期据え込み形状の決定
初期鍛造の形状を合理的に決定すると、金型キャビティ内の金属の流れが促進され、金属繊維の流れが安定し、次のワークステーションの変形が容易になります。
初期鍛造品の形状は円錐形であり、初期鍛造円錐形キャビティには、図に示すようにスプリングトップロッド(針)のないものとスプリングトップロッド(針)のあるものとの2種類があります。 }}。
図 36-13 初期アプセッティングプロトタイプキャビティ
図36-14 初期据え込みパンチの内部キャビティ形状
スプリングトップロッドのない円錐パンチは、長いロッドワークの据え込み加工に使用されます。 ロッド部が短いワークにはスプリングトップロッドのパンチングダイスを使用します。 初期打ち抜き用のスプリングトップロッドのない円錐形キャビティの円錐角は、ワークピースが初期鍛造金型から外れやすくするために、適切に大きくする必要があります。 一般的には 8 度から 16 度とされており、初期鍛造パンチの内部キャビティ形状は図 36-14 に示されます。
３打鍛造の場合、２つのコーンを鍛造する必要がある。 最初のコーンのコーン角度は 2 度から 3 度の間で特に小さく、成形の基本的な役割を果たし、2 回目の初期鍛造変形中に良好な位置合わせと安定性を確保します。 円錐パンチの加工キャビティのサイズは、アプセットするヘッド形状の体積、ワイヤーの直径、パンチとダイの間の距離に基づいて計算できます。 図36-15から、円錐頭全体の体積は、体積V1と体積V2、つまりV-cone=V1+V2の2つの部分で構成されていることがわかります。 、V-coneは精密鍛造後の製品頭部の体積Vに等しくなります。Vが製品サイズから計算できる場合、V1=V-V2となります。
図 36-15 の胎児の頭の形状
図36-15から、V2にはパンチとダイ間のギャップ距離、ダイの加工キャビティの深さ、内部の金属の充填形状など、多くの制約があることがわかります。そしてV2を形成するバレル直径。 したがって、通常は次のような経験式が使用されます。
V1=KV (mm3) (式 36-17)
式中、V - 製品の頭部を形成する体積
K - 製品形状係数
六角ボルト、六角ガイドネックボルトの場合は、K=0.75-0.85;
半ナベネジの場合、K{{0}}.7 ～ 0.8。
皿ネジの場合は、K{{0}}.5～0.6。
コーンの小端径ｄＭは素材の最小径と同等かそれより若干小さく、コーンの大端径ＤＫは１．｛｛１｝｝．３ｄＭとする。
DK=1.2dM の場合、円錐の体積 V1 は次のようになります。
DK=1.3dMのとき、
(2)小ねじの初期鍛造形状の決定
小ねじには多くの種類があり、主に頭部の幾何学的形状が異なります。 全体として、小ネジ頭を成形するための鍛造比（S=Lo/do および D/h）は比較的小さいため、鍛造が容易になります。 単純な頭形状の小ねじの場合は、図36-16のように冷間鍛造で製作したワークをクリックすると一発鍛造が可能です。 しかし、小ネジの種類は頭部の溝が複雑なものも多くあります。 クロスグルーブタイプの場合、ヘッドの成形には2回以上のアプセットが必要です。 規格に基づいた溝の要件を満たす鍛造製品においては、初期の打ち抜き形状が決定的な役割を果たします。
図 36-16 冷間圧造で製造されたワークをクリックします
精密鍛造ヘッドを成形する際、溝にも据え込み加工と押し出し加工が施されます。 このとき、製品頭部の変形は、据え込みにより金属が流動して頭部の大端部を埋めるだけでなく、溝の押し出しによる力と逆方向に流動しようとする傾向があり、そのため、大端部の端の金属の充填に影響を与えます。 特に溝方向では明らかな「肉抜け」現象が見られます。 局所的な不完全性の問題を解決するために、最初の打ち抜きの上部を円弧状に加工します。 十字溝皿ねじの初期打ち抜きは、図36-17に示すように、頂部を錐角120度～150度の円錐形に加工します。 その目的は、変形中の金属の逆流を減らすことであり、これはヘッドの大端部を埋めるのに有益です。
内径六角筒ネジの初期鍛造形状の決定。 冷間圧造用内径六角円筒ねじ（頭部鍛造比1.5未満）は、頭部の内部六角穴が深く、複雑な幾何形状と高い製品性能が要求されるねじで、等級8.8、10.9、12.9があります。 使用される鋼材は中炭素鋼、合金鋼であり、冷間成形性が悪く、据え込み、前方押出、逆押出などの複雑な頭部変形が起こります。 したがって、このような製品の最初のパンチング成形では、通常、最初の圧造と 2 回目の予備圧造を行う必要があります。 図36-18は、生産において一般的に使用されるいくつかの初期鍛造形状を示しています。 2 番目のシーケンスのプリヘッダーでは、次のワークステーションで内側の六角形の穴をリファインする際の変形を軽減するために、内側の六角形の事前成形凹穴がヘッドに形成されます。 逆押出変形時の金属の流動抵抗を低減することで、六角パンチにかかる負荷を最小限に抑え、ヘッド上下端のエッジ部に均一に金属の流れを充填します。
図36-17 十字溝平丸頭冷間圧造工程
図36-18 冷間圧造用六角円筒ねじの一次鍛造素材と二次鍛造素材の模式図
(4) 棒状ファスナーの精密鍛造
ロッド状ファスナーの精密鍛造は、事前に形成されたブランクヘッドを上型と下型の間の作業キャビティに鍛造して、製品ヘッドの最終形状とサイズを得るプロセスです。
頭部の変形は製品頭部の幾何学的寸法によって異なり、一般に次のような形状になります。
ａ． 六角ボルトと四角ボルト
図36-19に示す成形領域には3つの領域があり、ヘッド高さの1/3が上部モデルキャビティで成形され、1/3から2/5が下部モデルキャビティで成形され、残りがフラッシュエッジを形成します上型と下型の隙間にあります。 最後に、トリミングプロセスを使用して、六角頭と四角頭のトリミングが完了します。
b. 半丸頭と平丸頭の小ねじで、頭部が上型（軽パンチング）のキャビティ内で完全に形成されています。
c. 内径六角円筒ボルトや凹型六角ボルトなど、下型キャビティ内で頭部を形成した製品です。 精密鍛造であるため、上型と下型の加工キャビティは製品のヘッドサイズの要件を満たす必要があります。
(5) 棒状ファスナーの絞り加工
六角ボルトは、3.6レベルから12.9レベルまでの幅広い強度レベルで生産されており、広く使用されている締結具です。 中強度級および低強度級の六角ボルトは、一般に細棒加工と粗棒加工の2つの工程で製造されます。 いわゆる細棒とは、冷間鍛造用のねじ山付きビレットの直径と同等の線材です。 ワイヤーのサイズはほとんど変化せず、ロッドを直接ねじって糸にすることができます。 並目ロッドは、ねじの外径よりも大きいワイヤです。 冷間鍛造プロセスでは、ネジ山の長さがネジ素材のサイズに達するように、1 つまたは 2 つ以上の絞りが配置されます。
内側六角円筒ねじは国家規格8.8級以上の高強度品です。 ヘッドの変形量は大きくありませんが、強度が高く、可塑性が低いワイヤーを使用しています。 したがって、粗ロッドリダクションプロセスが一般的に使用されます。 冷間圧造中、ねじ棒の直径がねじブランクのサイズに達するまで、1 回以上の縮小が実行されます。
六角ボルトは細棒加工を採用しており、並目棒に比べて冷間圧造時の頭部変形量が大きくなります。 短い仕様の全ねじ製品の製造に適しています。 細棒技術を使用したボルトの製造では、多くの場合、次の問題に直面します。
頭部の変形度が大きく、亀裂が生じやすい。 場合によっては、六角エッジの亀裂を切断しても完全に除去できない場合があります。
アプセット中、頭部は大きな変形により縦方向に曲がり、図36-20に示すように支持面から1/3の位置で折れ曲がり、ボルトがひっくり返ります。
ヘッドとロッドの接合強度が弱いため、細いロッドボルトでは回転する危険が潜んでいます。 粗ロッド削減技術の使用により、上記の問題が回避されます。 しかし、絞り加工が必要なため、絞り力が大きくなるだけでなく、その分金型構造も複雑になります。
1.初期鍛造金型; 2-凹型; 3- コンポーネント; 4-トップロッド; 5-クッションブロック
図36-19 冷間圧造六角頭と四角頭の模式図
図36-20 太い棒ボルトと細い棒ボルトの頭の据え込みによる折り曲げの模式図
通常は硬質合金で加工された絞り金型が必要となるため、金型のコストが増加します。
さらに、ワイヤの表面潤滑性と材料硬度にも特別な要件があります。 製造に使用されるワイヤーのほとんどは、リン酸塩処理およびケン化処理が施されています。 球状化焼鈍後のワイヤの硬度は 75-85 HRB でなければなりません。
全体として、粗ロッド縮小プロセスではワイヤーと金型に対する要件が高く、生産コストが増加しますが、製品品質の観点からは、材料の可塑性の低下によって引き起こされる製品の亀裂を減らすことができます。 材料利用率が向上し、製品強度要件が確保され、全体的な経済効率も依然として良好です。
(6) ボルト頭の刃先
六角ボルトには、「穴付きボルト」と「皿頭ボルト」の2種類があります。 生産と使用の観点から見ると、皿頭六角ボルトが総数量の90％以上を占めています。 頭部に凹穴のあるボルトは、頭部を直接冷間鍛造（プレス加工）するため、ワイヤーの塑性に対する要求が高くなります。 六角形のエッジは品質が悪く、角がむき出しになっていることが多く、締め付け中に滑りやすくなります。 これは装置の自動組立ラインにより敏感に反映され、このタイプのヘッドタイプのボルトの生産を客観的に制限します。
皿頭の六角形のボルトで、刃先を削り出して形成されています。 刃先は、マルチステーションの生産プロセスに応じてマルチステーション自動冷間圧造機に配置することも、専用の切断機で仕上げることもできます。
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