ユニバーサルジョイントに不可欠な鍛造工程

要点まとめ

ユニバーサルジョイントの鍛造プロセスは、高品質の鋼合金を極めて高い圧力下で成形する高度な製造方法であり、頑丈で耐久性のある部品を作り出すものです。主な技術には、金属を再結晶温度以上に加熱して成形を容易にする熱間鍛造や、より高い精度を得るための冷間鍛造があります。このプロセスでは高能力プレスと専用ダイを使用して、ヨークやクロスといった主要部品を成形し、高負荷用途に不可欠な優れた強度と連続的な結晶粒構造を確保します。

ユニバーサルジョイントと鍛造の利点について理解する

ユニバーサルジョイントは、通称U字ジョイントとも呼ばれ、回転するシャフト同士を接続する重要な機械的継手であり、互いに角度がずれている場合でもトルクと運動を伝達できるようにします。この柔軟性は、自動車のドライブシャフトやステアリングシステムから産業用・農業用機械に至るまで、数え切れないほどの用途で不可欠です。このジョイントは通常、2つのヨークが十字形の部品（スパイダー）によって接続されており、スパイダー内にはベアリングが収められ、円滑な回転を可能にしています。

これらの部品については、鍛造が与える非常に高い強度から、鍛造が好まれる製造方法です。鋳造や実材からの切削加工とは異なり、鍛造は金属を制御された塑性変形によって成形し、材料の内部結晶粒構造を部品の最終形状に沿わせます。これにより、ヨークとクロスの輪郭に沿って連続した結晶粒流れが形成され、優れた引張強度、疲労抵抗性および衝撃耐久性が得られます。このような構造的完全性は、使用期間中に絶えず複雑で交番する荷重に耐えなければならない部品にとって極めて重要です。

ユニバーサルジョイントの材料選定は、これらの過酷な条件によって決まります。高品質の合金鋼が標準的に選ばれるのは、優れた強度、靭性、および耐摩耗性を持つためです。例えば、45番鋼のような中炭素鋼は、ユニバーサルジョイントフォークなどの部品に広く使用されています。特殊な用途、特に高い耐腐食性が求められる場合では、ステンレス鋼合金が用いられることもあり、また表面には摩擦を低減し、かじりを防止するためのコーティングを施すことがあります。

主要な鍛造技術：熱間鍛造と冷間鍛造

ユニバーサルジョイントの製造は主に2つの主要な鍛造技術に依存しています：熱間鍛造と冷間鍛造です。どちらを選ぶかは、特定の部品、必要な材料特性、および生産量によって異なります。それぞれの方法は、精度、強度、コストの面で明確に異なる長所と短所を持っています。

ホットフォージング は、クロスなどのユニバーサルジョイント部品を製造する最も一般的な方法です。この工程では、鋼のビレットを再結晶点以上の温度まで加熱します。この極端な熱により金属が延性と可塑性を持ち、鍛造プレスやハンマーによる比較的少ない圧力で成形可能になります。熱間鍛造の主な利点は、複雑な3次元形状や大きな変形を比較的容易に作成できることであり、U字ジョイントのクロスのような複雑な形状に最適です。また、金属の粒状組織を微細化し、気孔を除去して靭性を向上させます。

コールドフォージング 一方、この工程は室温またはそれに近い温度で行われます。このプロセスでは金属を成形するためにはるかに高い圧力が必要ですが、ワーク硬化と呼ばれる現象により、優れた寸法精度、より良い表面仕上げ、そして強度の向上が得られます。クロスのような複雑な部品の初期成形にはあまり用いられませんが、冷間鍛造は特定の部品に使用されたり、切削加工をほとんど行わずに厳しい公差を達成するための二次的な仕上げ工程として利用されることがあります。

以下に、この2つの主要な方法を比較します：

段階的な製造プロセス

鍛造によるユニバーサルジョイントの製造は、単純な鋼材を高性能な機械部品へと変形させる多段階のプロセスです。各工程は最終製品が厳格な品質および耐久性基準を満たすよう、細心の注意を払って管理されています。詳細な手順は異なる場合がありますが、一般的には明確で順序立てられた流れに従います。

1. 材料の準備と切断： このプロセスは高品位の合金鋼の棒材を選定することから始まります。これらの棒材は品質検査を受けた後、ビレットまたはスラグと呼ばれる正確な長さに切断されます。各ビレットの重量および体積は、金型キャビティを完全に埋めるのに必要な分だけ材料が確保されるよう計算され、無駄（バリと呼ばれる）を最小限に抑えるようにしています。
2. 加熱（熱間鍛造の場合）： 切断されたビレットは、通常は誘導加熱炉などの炉へ運ばれ、鍛造に最適な温度まで加熱されます。鋼の場合は、通常1100°Cから1250°Cの範囲です。この工程は、金属を圧力下で成形できるほど十分に延性を持たせるために極めて重要です。
3. 鍛造および成形： 加熱されたビレットは、高荷重鍛造プレス内の特注設計された金型セットの下半分に素早く配置されます。その後、プレスが非常に大きな圧力を加え、塑性状態になった金属が金型空洞内に流れ込み、所望の形状（例：ヨークやクロス）に完全に充填されます。これは通常、部品をおおまかに成形する予備鍛造工程と、最終的な形状および細部を正確に仕上げる本鍛造工程からなる多段階プロセスです。
4. トリミング: 鍛造後、金型の上下半分が接合した部分の周辺には、わずかな余剰素材であるバリが生じます。このバリはトリミングプレスで除去され、後に再利用されます。
5. 熱処理： 所望の機械的特性を得るために、鍛造部品は熱処理を施されます。 HYBユニバーサルジョイント によると、これには鋼材を硬化させるための急冷（焼入れ）や、靭性を高めてもろさを低減させるために较低温度で再加熱する焼き戻しといった工程が含まれます。また、一部の部品には表面を硬く摩耗に強いものとするための渗炭処理が施されることもあります。
6. 仕上げと機械加工： 鍛造によりほぼ最終形状に近い状態が得られますが、軸受面や接続部の正確な公差を確保するためには精密機械加工が必要です。穴あけ、研削、旋削などの工程はCNC工作機械を使用して行われ、完全な適合性と円滑な動作を保証します。
7. 組立と品質管理： 最後に、ヨーク、クロス、軸受などの個々の部品が組み立てられます。製造プロセス全体を通じて、寸法検査や耐久性試験など厳格な品質管理が実施され、すべてのユニバーサルジョイントが性能仕様を満たしていることを確認しています。

特定の部品の鍛造：ヨークとクロス

ユニバーサルジョイントの主要な構成部品であるヨークとクロスは、それぞれ特有の形状を持つため、専用の鍛造金型設計および工程上の配慮が必要です。これらの工程を最適化することは、材料の有効利用、金型寿命の延長、最終製品の構造的完全性を確保する上で極めて重要です。

ユニバーサルジョイントヨークの鍛造

ユニバーサルジョイントフォーク（ヨーク）は、金属の分布に大きなばらつきがある典型的なフォーク状の鍛造品です。狭く高いリブを備えたこの複雑な形状は、効率的な鍛造を困難にします。従来の方法では材料の流れが不十分となり、一部の領域でバリが過剰に発生したり、他の部分では成形が不完全になることがあります。これは材料の無駄だけでなく、金型の早期摩耗や高い鍛造圧力の必要という問題も引き起こします。

これらの課題を克服するため、半密閉型予備鍛造プロセスなどの高度な技術が開発されています。以下で分析されているように、 Xinlong Machinery これには、金型構造を再設計して金属の流れをより適切に制御し、フラッシュゴミへと外側に逃げるのではなく、必要な空洞部へと強制的に流入させることが含まれます。予備鍛造形状および金型配置を最適化することにより、製造業者は材料利用率を約61.5％から75％以上に向上させることができ、最終的な鍛造荷重を大幅に低減でき、金型の使用寿命を2倍以上に延ばすことも可能です。

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クロスシャフトの鍛造

クロスシャフトはスパイダーとも呼ばれ、2つのヨークを接続する中心部品です。その4本の腕を持つ形状は、閉型熱間鍛造に最適な複雑な3次元部品の典型的な例です。この製造プロセスでは、中央部から4つのトラニオン（またはジャーナルピン）それぞれへ向かって金属組織の流れが連続していることを確保しなければなりません。これは、運転中に発生するねじり力や曲げ応力を耐えるために極めて重要です。

U字ジョイント用クロスシャフトの鍛造工程では、加熱された鋼材のビレットを金型内で圧縮し、材料をクロス形状の4本の腕に向かって外側に流動させます。プレフォームおよび金型の設計は、欠陥を残すことなく金型を完全に充填させるために極めて重要です。鍛造後、トラニオン部分にはニードルベアリングが装着されるため、耐摩耗性の高い硬い表面層を得るために浸炭処理などの熱処理が施されます。同時に、衝撃荷重を吸収できるよう、より強靭で延性のある芯部を維持します。

よく 聞かれる 質問

1. 鍛造プロセスの4つの種類は何ですか？

   金属を成形するために使用される主な鍛造プロセスには4種類あります。これには、正確な形状を含む2つの金型で金属を圧縮するインプレッションダイ鍛造（または閉じ型鍛造）、金属を囲まずに平らな金型間で成形するオープンダイ鍛造、精度を求めて常温で行う冷間鍛造、およびリング状の部品を作成するために使用されるシームレスロールリング鍛造が含まれます。

2. ユニバーサルジョイントはどのような材料でできていますか？

   ユニバーサルジョイントは通常、高トルクと摩耗に耐えられるよう、高強度で熱処理可能な鋼合金で製造されています。一般的な材料には、45番鋼などの炭素鋼やさまざまな合金鋼があります。海洋や海上環境など、高い耐腐食性が求められる用途では、316Lグレードのようなステンレス鋼が使われることもあります。また、摩擦を低減するためにPTFEコーティングが施されることもあります。

3. クロス鍛造プロセスとは何ですか？

   クロス鍛造は、機械的性質を向上させるために、鍛造用素材を交互の平面方向に予備成形する工程です。ユニバーサルジョイントのクロスの場合、閉型鍛造法が用いられ、加熱されたビレットを圧縮することで金属が外側に流れ、クロスの腕部分を形成する金型の4つの空洞へと充填されます。この工程では、金型空洞を完全に充填するとともに、余分な材料（バリ）を最小限に抑えることが設計上の目的です。