JP2015217428A - 非磁性保持環の冷間拡環加工方法及び拡環加工装置 - Google Patents

Abstract

【課題】加工硬化によって与えられる機械強度のばらつきを簡易に抑制できる非磁性保持環の冷間拡環加工方法の提供。【解決手段】非磁性保持環の円形孔内部に配置した複数のダイスを同期させて放射状外方に向けて移動させ該円形孔を拡張加工する拡環加工方法である。円形孔の内周面にダイスの押付面を押し付ける拡環ステップを少なくとも２回以上繰り返し、連続する拡環ステップの間には、隣接するダイスの間隙を縮める縮小ステップと、内周面におけるダイスの押し付け位置を円周方向に変更させる回転ステップとを含むことを特徴とする。【選択図】図５

Description

本発明は、円形孔を有する非磁性保持環の拡環加工方法及びその装置に関し、特に、複数のダイスを円形孔内部に配置し同期させて放射状外方に向けて移動させ非磁性保持環の円形孔を拡張加工する拡環加工方法及びその装置に関する。

発電機にロータコイルを取り付けるためにロータの肩部に焼き嵌めされるエンドリングやロータを固定するためのリテーニングリングと称される非磁性鋼からなるリング状（環状）の保持環が知られている。特に、大型のタービン発電機に用いられる非磁性保持環では、例えば、径の大きなロータの回転による遠心力に対して重量のあるロータコイルを保持できるだけの機械強度が要求される。一般的には、オーステナイト非磁性鋼からなる高強度鋼部材をリング状に鍛造・機械加工した上で、加工硬化を与えるように冷間加工を施して供される。

ところで、リング状の鋼部材の加工方法としては、リング内周面と外周面の両側をローラで挟んで押圧するとともに、上下両端面もローラで挟んで押圧しながら、リング状の鋼部材を周方向に回転させるリングミルによる鍛造加工方法が広く知られている。また、リング状の鋼部材の円形（中央）孔にマンドレルを差し込み、鋼部材の外周からダイスをプレスによってマンドレルに向けて押し込みながら、リングを回転させるマンドレルによる鍛造加工方法も知られている。これらいずれの加工方法も、ローラやダイスといった押圧部材を押し付ける鋼部材のリング内周面と対をなす外周面を拘束しながら鍛造加工を行っており、また、周方向に鋼部材を回転させながら鍛造加工を行うため、周方向に比較的均一な塑性変形を与えていくことが可能である。

一方、上記したような非磁性保持環の冷間加工、特に、大型の非磁性保持環の冷間加工では、リング状の鋼部材の円形（中央）孔を外方へ向けて押し拡げるような、拡環加工が行われる。

例えば、特許文献１では、分割ダイスを用いたリング状の鋼部材の冷間加工方法が開示されている。詳細には、中心軸に垂直な断面を多角形とする角錐台形の芯金（ポンチ）と、芯金外周の角錐面のそれぞれに当接して長手方向に摺動し得る所定数の分割ダイスとからなる複合ダイスを鋼部材の円形孔の内部に挿入して、これにプレス機により芯金を圧下していく。芯金の圧下に伴い、その角錐面に摺動する分割ダイスのそれぞれが同期しながら放射状外方に向けて移動する。ここで分割ダイスのそれぞれは、全ての分割ダイスを連続（集合）させたときに外周側を円筒面とする外周面を有し、かかる外周面を鋼部材の円形孔の内周面に当接させ、外側に向けて押圧するのである。これによって鋼部材の円形孔の径を拡大させるように冷間加工を付与できる。

このような分割ダイスを用いたリング状の鋼部材の冷間加工では、リングミルやマンドレルによる鍛造加工方法とは異なり、押圧部材である分割ダイスを押し付ける鋼部材のリング内周面と対をなす外周面を拘束せずに拡環加工を行っている。

特公平１−４２３２７号公報

分割ダイスを用いたリング状の鋼部材の冷間加工では、リング周方向に沿って局所的に加工量にムラを生じ、加工硬化による機械強度に部分的なばらつきを生じ易い。これに対して、特許文献１では、一次加工としてテーパを有するポンチを鋼部材の中央孔に圧入して拡環を行い、更に、二次加工として複合ダイスを用いて拡環を行うとしている。

本発明は、上記したような状況に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、加工硬化によって与えられる機械強度のばらつきを簡易に抑制できる非磁性保持環の冷間拡環加工方法及び拡環加工装置を提供することにある。

本発明者らは、分割ダイスを用いたリング状の鋼部材の冷間加工において加工量にムラを生じる原因について、ダイスが分割されているため、鋼部材の内周面へ押し付けたダイスの当接する押付面が不連続であることにあると考え、解析及び実験を通じて本発明をするに至った。

すなわち、本発明による冷間拡環加工方法は、非磁性保持環の円形孔内部に配置した複数のダイスを同期させて放射状外方に向けて移動させ該円形孔を拡張加工する拡環加工方法であって、前記円形孔の内周面に前記ダイスの押付面を押し付ける拡環ステップを少なくとも２回以上繰り返し、連続する前記拡環ステップの間には、隣接する前記ダイスの間隙を縮める縮小ステップと、前記内周面における前記ダイスの押し付け位置を円周方向に変更させる回転ステップとを含むことを特徴とする。

かかる発明によれば、ダイス同士の間隙を縮めるとともに非磁性保持環の円形孔内周面におけるダイスの押し付け位置を順次変更し、周方向に沿って局所的に加工量のムラを生じることを減じ得て、非磁性保持環の機械強度のばらつきを抑制できるのである。

上記した発明において、前記縮小ステップは、前記ダイスの前記押付面の面積を拡げるアダプタを取り付ける取付けステップを含むことを特徴としてもよい。かかる発明によれば、アダプタを取り付けるだけで簡易に押付面の面積を拡げて、非磁性保持環の機械強度のばらつきを抑制できる。

上記した発明において、前記取付けステップは、曲率半径の異なる前記押付面を有する前記アダプタを複数枚重ねて取り付けるステップであり、外周側でより大なる前記曲率半径を有する前記アダプタを与えることを特徴としてもよい。かかる発明によれば、大なる曲率半径により押付面の面積を簡易に増大させ得て、非磁性保持環の機械強度のばらつきを抑制できる。

上記した発明において、前記回転ステップは、隣接する前記ダイスの間隙位置を前記内周面における前記ダイスの前記押付面の押し付け位置に回転移動させるステップであることを特徴としてもよい。かかる発明によれば、拡環ステップにおいて間隙となった位置を、次回の拡環ステップにおいて押し付け位置に変更し、非磁性保持環の機械強度のばらつきを確実に抑制し得る。

上記した発明において、最初の前記拡環ステップにおいて、半径方向の移動距離を最も大とすることを特徴としてもよい。かかる発明によれば、効率よく非磁性保持環を得て、その機械強度のばらつきを確実に抑制し得る。

上記した発明において、前記回転ステップは、前記円形孔の向きを反転させる反転ステップをさらに含むことを特徴としてもよい。かかる発明によれば、非磁性保持環の周方向の機械強度のばらつきを抑制するとともに、軸方向の機械強度のばらつきも抑制し得るのである。

また、本発明による拡環加工装置は、非磁性保持環の円形孔内部に配置した複数のダイスを同期させて放射状外方に向けて移動させ該円形孔の内周面に該ダイスの押付面を押し付けて該円形孔を拡張加工する拡環加工装置であって、前記非磁性保持環をこの上に配置するステージの法線を中心軸に有する円筒体の前記中心軸を通る面で等角度に分割した前記ダイスは、前記ステージ上で前記中心軸から同期して放射状に移動自在であり前記円筒体の径を変更可能であることを特徴とする。

かかる発明によれば、円筒体の径を変更、すなわち、非磁性保持環の円形孔内周面へのダイスの押付面の面積を変更可能であって、周方向に沿って局所的に加工量のムラを生じることを減じ得て、非磁性保持環の機械強度のばらつきを抑制できる機械加工を与え得る。

上記した発明において、前記ダイスは、それぞれの前記押付面にその面積を拡げるアダプタを取り付け可能であることを特徴としてもよい。かかる発明によれば、効率よく非磁性保持環の円形孔内周面へのダイスの押しつけ面の面積を変更できて、非磁性保持環の機械強度のばらつきを抑制し得る機械加工を与え得る。

上記した発明において、前記ダイスは、曲率半径の異なる前記押付面を有する前記アダプタを複数枚重ねて取り付け可能であって、外周側でより大なる前記曲率半径を有する前記アダプタを与え得ることを特徴としてもよい。かかる発明によれば、大なる曲率半径により押付面の面積を簡易に増大させ得て、非磁性保持環の機械強度のばらつきを抑制し得る機械加工を与え得る。

本発明による拡環加工装置の平面部分図である。 本発明による拡環加工装置の正断面図である。 拡環加工装置の要部の（ａ）平面図及び（ｂ）斜視図である。 拡環加工装置の要部の平面図である。 本発明による拡環加工方法のフロー図である。 拡環加工装置の要部の斜視図である。

まず、本発明による１つの実施例である拡環加工装置について、図１乃至図４を用いて詳細に説明する。

図１及び図２に示すように、拡環加工装置１０は、非磁性鋼からなる保持環素材２０の拡環加工を行う装置である。拡環加工装置１０は、中心軸Ｃを中心とし中央に孔２を有する上面視円形の土台１と、土台１の上面に載置されて中心軸Ｃの周りに等角度で並ぶ略Ｌ字型の複数のダイス３と、複数のダイス３の下部の土台載置部３１の側面及び上面の一部を覆うよう土台１の上面に取り付けられるカバー体４と、複数のダイス３の間に中心軸Ｃに沿って挿入される芯金５とを含む。土台１の孔２は、後述するように芯金５を圧下したときにその先端を収容し得る。また、カバー体４の側面には、ダイス３のそれぞれに対応して油圧シリンダ６が取り付けられており、芯金５を抜き取ったときに土台載置部３１を押圧してダイス３を中心軸Ｃに向けて移動させ、原点復帰させ得る。

図３を併せて参照すると、本実施例においてダイス３は１２個のいわゆる分割ダイスであり、中心軸Ｃを通る平面にて円板体を等角度で１２等分した形状を有する土台載置部３１と、同様に円筒を１２等分した上面視を略部分円環状の形状とし上方に延びる棒状部３２とを含む。また、ダイス３は中心軸Ｃに面する側に平面からなる斜面３４を備え、角錐台形状を有する芯金５の側面と摺動可能である。本実施例において、芯金５は中心軸Ｃに垂直な断面を略正１２角形としている。斜面３４には芯金５との摺動を滑らかにするための図示しない摺動部ライナーが固定されている。これにより、芯金５の圧下によりダイス３のそれぞれは放射状外方に向けて移動可能であり、円筒形状を有する保持環素材２０に塑性歪みを与えるように円形孔を拡張加工する拡環加工を可能とする。

図４（ａ）を参照すると、アダプタ３５はダイス３の外周面３３とほぼ同じ中心角（交差角）を有する部分円環状の形状を断面とする瓦状の曲板体であり、１枚又は複数枚重ねて使用される。上記したようにダイス３を１２個としたときは、かかる中心角（交差角）は約３０度である。また、本明細書において、部分円環とは扇型から半径の小さな扇型を切り取った残りの形状を言う。アダプタ３５のうち最も内側に使用されるものは、その内側の面の曲率半径を外周面３３の曲率半径とほぼ同じとされる。以降、内側のアダプタ３５の曲率半径に合わせて外側に行くほどアダプタ３５の曲率半径が大きくなる。

これにより、図４（ｂ）のようにアダプタ３５を使用しない場合の保持環素材２０の内周面に当接させたダイス３の隣接するもの同士の間隙Ｗ２に比べて、図４（ａ）のようにアダプタ３５を使用した場合に隣接するダイス３同士の間隙Ｗ１が縮小される。また、アダプタ３５を使用することで、保持環素材２０の内周面に当接する最外層のアダプタ３５の外周面３６の曲率半径が大きくなり、保持環素材２０に押し付けたときの接触面積が増大する。つまり、ダイス３はアダプタ３５を取り付けられることで、間隙Ｗ１を縮小し、保持環素材２０への押付面の面積を増大させる。これにより、拡環加工を施したときの保持環素材２０に与える塑性歪みの円周方向のばらつきを減じるよう、すなわち局所的に加工量のムラを生じることを減じるよう加工を与え得る。

なお、間隙Ｗ１は狭くされると好ましいが、アダプタ３５の取り付け作業を考慮すると、一定以上の寸法を有しているほうが良好である。例えば、拡環前の保持環素材２０の円形孔の内径を６４０〜１３５０ｍｍとする場合、典型的には、間隙Ｗ１を保持環素材２０に当接させたときに１０ｍｍ以下とすることが好ましく、より好ましくは３ｍｍ〜１０ｍｍである。

次に、拡環加工装置１０を用いた拡環方法について図５に沿って図２及び図４を参照しつつ説明する。

まず、図４（ａ）に示すように、ダイス３にアダプタ３５を必要な枚数だけ取り付ける（縮小ステップ：Ｓ１）。アダプタ３５の取り付けは保持環素材２０の内径寸法によっては不要であるが、アダプタ３５を取り付けることで間隙Ｗ１の寸法を縮小できるとともに当接面の保持環素材２０の内周面との曲率半径の差を小さくできる。

続いて、保持環素材２０の円形孔内部にダイス３を配置させるよう保持環素材２０を拡環加工装置１０に設置した上で、芯金５を中心軸Ｃに沿って上からプレスにより圧下させる（拡環ステップ：Ｓ２）。芯金５の移動により、複数のダイス３は放射状外方に向けてそれぞれ同期して移動し、図４（ａ）又は（ｂ）のように、アダプタ３５を取り付けられた（取り付けていない場合もあるが、同様である。）ダイス３の外周面３６又は外周面３３を保持環素材２０の内周面に押し付けてこれを押圧し、保持環素材２０の円形孔を拡張加工する。必要量の圧下を終えたら芯金５を引き抜き、油圧シリンダ６によりダイス３を原点に復帰させる。

続いて、保持環素材２０を円周方向に回転させる（回転ステップ：Ｓ３）。ここで回転角度は、少なくとも、拡環ステップＳ１においてダイス３の外周面３３又は外周面３６を押し付けられた押し付け位置を次回の拡環ステップにおいて変更するように選択される。かかる回転角度により、保持環素材２０において、外周面３３又は３６を押し付けられて拘束を受けた押し付け位置を次回の拡環ステップにおいて変更させる。また、保持環素材２０においてダイス３３同士の間隙となった位置を次回の拡環ステップでは隣接するダイス３同士の間隙とならない位置にすることが好ましい。特に、所定回数だけ繰り返される拡環ステップの全てにおいて、間隙となる位置を異なる位置とするようにすることが好ましい。すなわち、拡環ステップを行う所定回数よりも小さい整数ｎについて、回転させるピッチ×ｎを常に間隙同士のピッチの倍数にならないようにするのである。これによって、保持環素材２０の円周方向の加工量に局所的なムラを生じることを減じることができる。

また、回転ステップにおいて、保持環素材２０の円形孔の向き（図２の上下）を反転させる反転ステップを与えてもよい。反転ステップでは、上記した回転ステップによる円周方向の回転に加え、例えば間隙の位置を対称とする対称軸にて反転させる。これにより、保持環素材２０の軸方向の加工量に局所的なムラを生じることを減じて機械強度のばらつきを抑制し得る。

以降、縮小ステップ（Ｓ４）、拡環ステップ（Ｓ５）、回転ステップ（Ｓ６）をそれぞれ繰り返し、所定回数の拡環ステップ（Ｓ７）を行って終了となる。なお、縮小ステップは必要に応じて行われ、すなわち、拡環ステップにより拡張された保持環素材２０の円形孔の寸法に対応させて、必要に応じてアダプタ３５をダイス３３の外側に追加して取り付けるのである。

ところで、複数回繰り返す拡環ステップにおいて、１回あたりの加工寸法、すなわち芯金５の圧下によるダイス３の移動距離の大きい方がその回数を減じることができて効率的である。一方で、加工寸法が大きいと保持環に与える塑性歪みの円周方向のばらつきが大きくなりやすい。そこで、最終的に与えられる塑性歪みの分布に最も大きな影響を与える最後の拡環ステップの加工寸法を小さくすることが好ましい。つまり、作業効率を併せて考慮すると、最初の拡環ステップ（Ｓ１）において最も加工寸法を大きく、すなわち、ダイス３の半径方向の移動距離を最も大とすることが好ましい。

以上、本実施例によれば、アダプタ３５を取り付けることにより隣接するダイス３同士の間隙を縮小することができる。特に、拡環加工によって保持環素材２０の円形孔を拡張させても、アダプタ３５を追加することでアダプタ３５を含めたダイス３同士の間隙を縮小でき、保持環素材２０に局所的に与える加工量の円周方向のムラを減じ得る。これにより、拡環加工による加工硬化によって得られる保持環の耐力を含む機械強度のばらつきを抑制できる。また、回転ステップにより、ダイス３の外周面３３又は３６を押し付けられて拘束を受ける押し付け位置を変更できるのでこれによっても円周方向の加工量の局所的なムラを減じ得る。つまり、アダプタ３５の取り付けと回転ステップの実施との簡易な方法で、得られる保持環の機械強度のばらつきを抑制できる。

なお、図６に示すように、上記したダイス３の代わりに、外周面３３を含む外側部３６と斜面３４を含む内側部３７とに棒状部３２を分離可能としたダイス３’を用いることもできる。外側部３６と内側部３７との間に平板状のスペーサ３９を挿入することで、斜面３４に対して外周面３３の位置をより外方に位置させて、内径の大きな保持環素材２０にも対応可能である。このようなダイス３’を用いても、上記したダイス３と同様に保持環の機械強度のばらつきを抑制できる。

ここまで本発明による代表的実施例及びこれに基づく改変例について説明したが、本発明は必ずしもこれらに限定されるものではない。当業者であれば、添付した特許請求の範囲を逸脱することなく、種々の代替実施例を見出すことができるだろう。

３ ダイス
５ 芯金
１０ 拡環加工装置
２０ 保持環素材
３５ アダプタ

Claims (9)

1. 非磁性保持環の円形孔内部に配置した複数のダイスを同期させて放射状外方に向けて移動させ該円形孔を拡張加工する拡環加工方法であって、
   前記円形孔の内周面に前記ダイスの押付面を押し付ける拡環ステップを少なくとも２回以上繰り返し、連続する前記拡環ステップの間には、隣接する前記ダイスの間隙を縮める縮小ステップと、前記内周面における前記ダイスの押し付け位置を円周方向に変更させる回転ステップとを含むことを特徴とする冷間拡環加工方法。
2. 前記縮小ステップは、前記ダイスの前記押付面の面積を拡げるアダプタを取り付ける取付けステップを含むことを特徴とする請求項１記載の冷間拡環加工方法。
3. 前記取付けステップは、曲率半径の異なる前記押付面を有する前記アダプタを複数枚重ねて取り付けるステップであり、外周側でより大なる前記曲率半径を有する前記アダプタを与えることを特徴とする請求項２記載の冷間拡環加工方法。
4. 前記回転ステップは、隣接する前記ダイスの間隙位置を前記内周面における前記ダイスの前記押付面の前記押し付け位置に回転移動させるステップであることを特徴とする請求項１乃至３に記載の冷間拡環加工方法。
5. 最初の前記拡環ステップにおいて、半径方向の移動距離を最も大とすることを特徴とする請求項１乃至４のうちの１つに記載の冷間拡環加工方法。
6. 前記回転ステップは、前記円形孔の向きを反転させる反転ステップをさらに含むことを特徴とする請求項１乃至５のうちの１つに記載の冷間拡環加工方法。
7. 非磁性保持環の円形孔内部に配置した複数のダイスを同期させて放射状外方に向けて移動させ該円形孔の内周面に該ダイスの押付面を押し付けて該円形孔を拡張加工する拡環加工装置であって、
   前記非磁性保持環をこの上に配置するステージの法線を中心軸に有する円筒体の前記中心軸を通る面で等角度に分割した前記ダイスは、前記ステージ上で前記中心軸から同期して放射状に移動自在であり前記円筒体の径を変更可能であることを特徴とする拡環加工装置。
8. 前記ダイスは、それぞれの前記押付面にその面積を拡げるアダプタを取り付け可能であることを特徴とする請求項７記載の拡環加工装置。
9. 前記ダイスは、曲率半径の異なる前記押付面を有する前記アダプタを複数枚重ねて取り付け可能であって、外周側でより大なる前記曲率半径を有する前記アダプタを与え得ることを特徴とする請求項８記載の拡環加工装置。

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