JP2018144109A - 熱間鍛造用金型 - Google Patents

Abstract

【課題】 荒地成形用の熱間鍛造用金型にも適用可能で、局部的な引張応力を軽減することが可能な熱間鍛造用金型を提供する。
【解決手段】 上型と下型とでなる熱間鍛造用金型において、前記上型は複数個の金型片を組み合わせた分割金型でなり、前記上型の円形押圧面の中央部には被鍛造材の余肉部形成用の円形状の窪み部または貫通孔が設けられ、且つ、熱間鍛造時の引張応力集中部で分割されている熱間鍛造用金型であり、好ましくは、前記窪み部または貫通孔の直径は、円形押圧面の直径の３〜３０％である熱間鍛造用金型である。更に好ましくは、前記下型は、複数個の金型片の組立て体である熱間鍛造用金型である。
【選択図】 図１

Description

本発明は、熱間鍛造用金型に関するものである。

近年、蒸気タービンの高効率化の要請により、蒸気タービンに用いられるタービンブレードも長尺化してきている。また、例えば、航空ジェットエンジンのタービンディスクは、ニッケル合金やチタン合金製であり、同心円状で直径１メートルを超える大きさがある。これらの大型鍛造品を製造するには、熱間型打鍛造中の変形荷重は１５０ＭＮを超える非常に大きな加圧力を必要とする。
これらの大型鍛造品を製造するには、荒地成形の後、製品形状に熱間鍛造が行われるが、上述したように鍛造品の大型化により、金型も大型化が図られることになる。大型の熱間鍛造品を作製する場合、従来はで非常に大きな素材ブロックからの削りだしによって一体型の金型の製作がなされていた。これに対し、複数の金型片を組立てて大型の金型を作製する提案がなされている。例えば、特開２００９−６６６６１号公報（特許文献１）には、放射状のパターンで配置された複数の金型片を組み立てて一体化する方法が開示されている。

特開２００９−６６６６１号公報

上述の特許文献１に記載の方法は、被鍛造材を加工する際に、変形させる被鍛造材の半径方向の動きに一致して順応するように複数の金型片が半径方向に自由に移動するものである。即ち、被鍛造材を金型で変形させる鍛造サイクルに際して、被鍛造材の半径方向外側への肉流れを、金型片が半径方向外側へ同時に移動することによって自動的に補助し、その結果鍛造時の被鍛造材の半径方向の成長を、金型片との摩擦で阻害することなく促進することによって、鍛造品の亀裂発生率を低減するものである。
ところで、熱間鍛造する時の熱間鍛造用金型には、局部的に大きな引張応力が加わることになる。熱間鍛造用金型は引張り応力に対して著しく弱いという問題があるが、上述の特許文献１を含め、この引張応力に対する検討はなされていないのが現状である。特に、例えば、タービンブレードの荒地を成形する荒地成形用の熱間鍛造用金型については、殆ど検討がなされていない。
本発明の目的は、特に大型鍛造品を製造するための荒地成形用の熱間鍛造用金型にも適用可能で、局部的な引張応力を軽減することが可能な熱間鍛造用金型を提供することである。

本発明者は、特に大型の鍛造品を製造するための熱間鍛造用金型を設計するにあたり、種々のシミュレーションを行った。その結果、例えば、タービンブレードの荒地を成形する荒地成形用の熱間鍛造用金型の上型を一体型とした場合、局部的に大きな引張応力集中部が生じることを確認した。その引張応力集中部が生じたまま金型を使用すれば、前記の上型の破壊につながることを知見した。
そのため、破壊の起点となる引張応力集中部に対する引張応力の軽減を検討した結果、応力集中部を分割することで、引張応力を飛躍的に軽減できることを見出し、本発明に到達した。
すなわち本発明は、上型と下型とでなる熱間鍛造用金型において、前記上型は複数個の金型片を組み合わせた分割金型でなり、前記上型の円形押圧面の中央部には被鍛造材の余肉部形成用の円形状の窪み部または貫通孔が設けられ、且つ、熱間鍛造時の引張応力集中部で分割されている熱間鍛造用金型である。

好ましくは、前記窪み部または貫通孔の直径は、円形押圧面の直径の３〜３０％である熱間鍛造用金型である。
また、好ましくは、前記下型は、複数個の金型片の組立て体である熱間鍛造用金型である。
また、前記熱間鍛造用金型は、少なくとも翼部となる部分と、根部となる部分を有するタービンブレードの予備成形体作製用の熱間鍛造用金型であることが好ましい。
好ましくは、前記熱間鍛造用金型において、前記根部となる部分の成形は前記上型と下型とにより成形する熱間鍛造用金型である。

本発明によれば、熱間鍛造時の熱間鍛造用金型に生じる引張応力を飛躍的に軽減することが可能なため、熱間鍛造中の熱間鍛造用金型の破壊を確実に防止することが可能である。

本発明の熱間鍛造用金型の一例を示す概略図である。 本発明の熱間鍛造用金型を用いて得られるタービンブレードの予備成形体の一例を示す模式図である。 従来の一体物でなる熱間鍛造用金型に生じる引張応力の分布を示す図である。 本発明の熱間鍛造用金型に生じる引張応力の分布を示す模式図である。

本発明の重要な特徴の一つは、熱間鍛造用金型において、熱間鍛造中に生じる引張応力集中箇所で熱間鍛造用金型を分割したことにある。
図４は本発明の熱間鍛造用金型をタービンブレードの予備成形体成形用の熱間鍛造用金型（上型）として用いたときの引張応力の分布を示す模式図である。図３は従来の熱間鍛造用金型をタービンブレードの荒地を成形する荒地成形用の熱間鍛造用金型（上型）として用いたときの引張応力の分布を示す模式図である。なお、この時の鍛造における最大荷重は６０００トンであり、市販の有限要素法によるシミュレーションソフトを用いて計算した結果である。素材はＪＩＳ−６０種で規定されるＴｉ合金である。
図３を見ると熱間鍛造時に熱間鍛造用金型のコーナー部に局部的な引張応力が発生しているのが分かる。このコーナー部に対する引張応力は数千トン以上の鍛造荷重が加わると、コーナー部から熱間鍛造用金型が破壊する危険性が非常に高いことを示している。
一方、図４は、図３で示された局部的な引張応力集中箇所を分割部として、熱間鍛造用金型を２つの金型片（図１で示す上型（上型金型片Ａ）２と上型（上型金型片Ｂ）３に相当）とし、この金型片を組み立てて用いたときの引張応力の分布を示す模式図である。局部的な引張応力集中箇所は消滅し、分割部と上型にも局部的な引張応力の発生は確認されていないことが分かる。解析結果から引張応力集中部の応力を求めた。表１にその結果を示す。

表１に示すように、本発明の熱間鍛造用金型を用いれば、コーナー部に確認された引張応力集中箇所の応力を一体型と比較して１／２以下とすることが確認された。
以上の結果から、本発明の熱間鍛造用金型をタービンブレードの荒地を成形する荒地成形用の熱間鍛造用金型（上型）として用いたときに有効であることが確認された。
なお、図１に本発明の熱間鍛造用金型の構成例を示す。この熱間鍛造用金型において、上型は、２つの金型片２（上型金型片Ａ）、３（上型金型片Ｂ）を組み合わせて構成されている。この２つの金型片の接合方法としては、例えば、焼嵌め、冷やし嵌めやボルト等の締結治具により接合することができる。
以上のように、通常の熱間鍛造用金型では、図３のような一体物であるため、熱間鍛造時に被鍛造材を強加工する位置に応力集中部が形成され、大きなプレス荷重が加わると破壊の危険性があった。一方、本発明の熱間鍛造用金型は、熱間鍛造時の応力集中部を分割しているため、前述のタービンブレードの予備成形体を成形する予備成形体成形用の熱間鍛造用金型（上型）の他、被鍛造材押圧面の角部等の局部的な応力集中箇所を有するような、熱間鍛造用金型にも適用することが可能である。

また、本発明の重要な特徴の二つ目は、図１に示すように熱間鍛造用金型の上型の中央部には被鍛造材の余肉部形成用の窪み部または貫通孔７を設けたことにある。
余肉成形用の窪み部または貫通孔７は、例えば、タービンブレードの予備成形体に、後に製品形状に熱間鍛造する際に金型とタービンブレードの予備成形体とを最適な位置に載置するための位置決め用の凸部を形成するためのものである。本発明では、この凸部を熱間鍛造時に余肉部として形成する目的で、上型の中央部に設けられた窪み部または貫通孔７を利用して行うこととする。前記凸部（余肉部）を形成するためには、窪み部または貫通孔の何れでも構わないが、例えば、貫通孔であれば熱間鍛造中のガス抜きの孔としても用いることができるため好都合である。
また、本発明では、前記の余肉部形成用の窪み部または貫通孔７の直径は、被鍛造材が上型に接触する円形押圧面の直径の３〜３０％であることが好ましい。これは、例えば、被鍛造材が上型に接触する円形押圧面の直径の３％未満であると、成形に必要な最大荷重が非常に大きく、プレスの仕様制限荷重内での成形が難しくなる。一方、被鍛造材が円形押圧面の直径の３０％を超えると凸部の成形速度が低下し、上型２と下型５の間に熱間鍛造中の被鍛造材が回りやすくなり、ばりの発生リスクが大きくなる。そのため、余肉部形成用の窪み部または貫通孔の直径は、円形押圧面の直径の３〜３０％が好ましい。好ましい下限は５％であり、更に好ましくは７％である。また、好ましい上限は２５％であり、更に好ましくは２０％である。

また、本発明で用いる熱間鍛造用金型の下型は、複数個の金型片の組立て体であることが好ましい。本発明を大型鍛造品を製造するための荒地成形用にも用いる場合には、被鍛造材の大きさも大型化する。その場合、１つの下型を小型化して加熱炉にて所定の温度に予熱する方が熱間鍛造時の被鍛造材の温度低下を抑制し、変形抵抗がより小さい状況にて鍛造が可能であるため変形促進に有利となる。特に、被鍛造材を部分的に加熱して被鍛造材の一部を熱間鍛造する場合、熱間鍛造する部位の位置に相当する下型の金型片のみを加熱することもできる。また、幾つかの金型片を組み立てると、被鍛造材が大型化、長尺化してもそれに応じた金型片を組合わせることも可能となる。以上のことから本発明では熱間鍛造用金型の下型は、複数個の金型片の組立て体とするのが好ましい。
また、下型を複数個の金型片の組立て体とする場合、例えば、上型の降下をガイドする下型４（下型金型片Ａ）、熱間鍛造にて上型と共に被鍛造材１の所望の形状とするための下型５（下型金型片Ｂ）及び被鍛造材１を拘束する下型６（下型金型片Ｃ）とに分けることができる。前記の下型５（下型金型片Ｂ）と下型６（下型金型片Ｃ）の分割の起点となる位置は被鍛造材１が挿入される内周側の起点よりも外周側の起点の位置が上型から離れる位置（下側）になるように、段差や傾斜を設けるのが良い。これは、熱間鍛造時に下型が膨張した場合、前記の構成とすることで下型同士の熱膨張による拘束力を軽減できるためである。

ところで、前述した熱間鍛造用金型を用いて製造するタービンブレードの予備成形体１１は、例えば、図２に示す形状となる。上型（場合によっては上型と下型）により形成された膨らみをもった根部となる部位１３の先端には余肉部１２が形成されている。また、根部となる部位１３に続いて翼部となる部位１４が形成される。
このタービンブレードの予備成形体を成形する予備成形体用の熱間鍛造用金型において、前記上型と下型とにより、タービンブレードの予備成形体の根部を成形可能なようにするのが好ましい。これは、例えば根部となる部位１３と翼部となる部位１４との境目の位置までの形状を上型のみで成形すると、根部と翼部との境目周辺にばりが発生しやすく、加圧面積が大きくなることから鍛造時の荷重が高くなる。熱間鍛造時の荷重が高くなると、数万トン規模の熱間鍛造装置を用いても所望の形状に成形するのが困難となる場合がある。そのため、ばりの発生を抑制すると共に熱間鍛造時の荷重を低下させる目的で、根部の成形は、上型と下型とにより行うのが好ましい。中でも、根部となる部分の最大外径部を上型と下型とにより成形するのが好ましい。

次に前述した本発明の熱間鍛造用金型を用いてタービンブレード用の予備成形体を製造する場合の製造方法について説明する。なお、ここで記す予備成形体とは、その後、更に荒地に加工される場合もある。
先ず、部分加熱工程として、棒状の被鍛造材の一部を加熱する。加熱する部分は熱間鍛造にて根部となる部分の形状に加工を施す場所である。好ましい加熱方法としては、素材の形状に左右されない加熱炉に被鍛造材の一部を入材する方法である。もし、素材の形状が一定であれば、例えば高周波加熱であっても良い。
また、金型予熱工程として、熱間鍛造用金型も予熱する。
金型の予熱工程は、熱間鍛造時の荷重を低減するのに効果的である。予熱する金型としては、上型は必須として、下型が複数個の場合、根部となる部位を成形する下型の金型片を優先的に予熱するのが好ましい。予熱する温度としては、金型の材質にもよるが２００〜５００℃で十分である。
次に前記の金型予熱工程により予熱した下型を組み立てて一体化して、前記の下型組み立て工程により組み立てた下型に、前記部分加熱工程により一部を加熱した被鍛造材を配置する。この場合、前述したとおり、部分的に加熱した被鍛造材の根部となる部位を上型側で成形可能なように配置する。
そして、前記被鍛造材配置工程により配置された被鍛造材の加熱された部分を、前記金型予熱工程により予熱された上型で押圧して、図２に示すタービンブレードの予備成形体に熱間鍛造を行う。
最後に、押圧により成形された成形体を下型から除去することでタービンブレードの予備成形体を得ることができる。

上記のシミュレーション結果を受けて、図１に示す熱間鍛造用金型を用いて、実際に据込熱間鍛造を行った。用いた被鍛造材は直径φ１８６ｍｍ×１１５０ｍｍＬのＪＩＳ−６０種で規定されるＴｉ合金とし、タービンブレードの荒地用の予備成形体を成形するための部分的な荒地成形を行った。また、用いた熱間鍛造機は、最大荷重６０００トンの熱間鍛造機であり、熱間プレスにて熱間鍛造を行った。
先ず、前記の被鍛造材を９４０℃に加熱した。被鍛造材の加熱は前記の棒状の被鍛造材の一部を加熱した。加熱する部分は熱間鍛造にて根部となる部分の形状に加工を施す場所とし、加熱炉に被鍛造材の一部を入材する方法を適用した。
また、熱間鍛造に用いる金型も４００〜４５０℃で予熱を行った。予熱する上型の円形押圧面の直径は１８６ｍｍであり、その中央部に被鍛造材の余肉部形成用の直径が７０ｍｍの貫通孔を設け、図１に示すように熱間鍛造時の引張応力集中部で分割したものである。また、下型は３個の金型片を組合わせたものとし、そのうち熱間鍛造にて根部となる部分を成形する下型５（下型金型片Ｂ）及び下型４（下型金型片Ａ）には予熱を行った。
次に前記の金型予熱工程により予熱した下型を組み立てて一体化して図１で示す下型の組立て体とした。前記の下型組み立て工程の後、図１に示すように下型に被鍛造材１をセットした。被鍛造材１のセットは、部分的に加熱した被鍛造材１の根部となる部位を上型側で成形可能なように配置した。その後、上型（上型金型片Ａ２と上型金型片Ｂ３）を用いて、型入れ鍛造を行った。鍛造時の最大荷重は約６０００トンであった。この荷重は、一体物の上型を用いたときには破壊の危険性がある荷重となっていた。
上記の熱間鍛造において、応力集中部で分割した本発明の熱間鍛造用金型を用いたため、上型が破壊されることもなく、熱間鍛造が行えた。押圧により成形された成形体を下型から除去することでタービンブレードの予備成形体とした。熱間鍛造後の熱間鍛造材を目視で確認したところ、何等欠陥の無い熱間鍛造材となっていることを確認した。

以上の結果から、本発明の熱間鍛造用金型は、応力集中部で分割する構造としたことから、特に、大きな荷重で熱間鍛造を行う場合の熱間鍛造用金型として好適であることは明らかである。また、図１のような上型で被鍛造材を押圧する場合には、特に好適な構造である。
今後ますます大型化する製品の熱間鍛造に対しては、本発明に係る熱間鍛造用金型は必要不可欠な技術となる。

１ 被鍛造材
２ 上型（上型金型片Ａ）
３ 上型（上型金型片Ｂ）
４ 下型（下型金型片Ａ）
５ 下型（下型金型片Ｂ）
６ 下型（下型金型片Ｃ）
７ 余肉部成形用貫通孔
１１ タービンブレードの予備成形体
１２ 余肉部
１３ 根部となる部位
１４ 翼部となる部位

Claims (5)

1. 上型と下型とでなる熱間鍛造用金型において、前記上型は複数個の金型片を組み合わせた分割金型でなり、
   前記上型の円形押圧面の中央部には被鍛造材の余肉部形成用の円形状の窪み部または貫通孔が設けられ、且つ、
   熱間鍛造時の引張応力集中部で分割されている
   ことを特徴とする熱間鍛造用金型。
2. 前記窪み部または貫通孔の直径は、円形押圧面の直径の３〜３０％であることを特徴とする請求項１に記載の熱間鍛造用金型。
3. 前記下型は、複数個の金型片の組立て体であることを特徴とする請求項１または２に記載の熱間鍛造用金型。
4. 前記熱間鍛造用金型は、少なくとも翼部となる部分と、根部となる部分を有するタービンブレードの予備成形体作製用の熱間鍛造用金型である請求項１乃至３の何れかに記載の熱間鍛造用金型。
5. 請求項４に記載の熱間鍛造用金型において、前記根部となる部分の成形は前記上型と下型とにより成形することを特徴とする熱間鍛造用金型。