JP2018508364A - リング圧延方法及びリング圧延用装置 - Google Patents

Abstract

リング圧延方法及びそれに対応する装置を開示する。主軸と、内側径方向表面と、外側径方向表面と、第１軸方向表面と、第２軸方向表面とを有するリング状ワークピースを提供する。径方向ロールバイト領域において、該ワークピースに対して、該外側径方向表面に作用する成形ロールと内側径方向表面に作用するマンドレルロールとの間の径方向の圧力を加える。この第１軸方向表面及び第２軸方向表面に、それぞれ第１軸方向ロール及び第２軸方向ロールを設けてワークピースに軸方向の圧力を加える。該第１軸方向ロール及び該第２軸方向ロールは、該ワークピースの周りで主軸に対して測定される、該径方向ロールバイト領域の±１０°以内に角度位置に設けられる。複数の周方向拘束ロールがワークピースの外側径方向表面又は内側径方向表面の周りに設けられる。該ワークピースの断面形状を制御するにあたり、該マンドレルロール及び／又は成形ロールは、該ワークピースと接触するための突出部を有し、該突出部は、該ワークピースの軸方向の高さよりも小さい軸方向範囲を有し、該マンドレルロール及び／又は成形ロールは、該ワークピースに対して軸方向に移動可能である。

Description

本発明は、リング圧延方法、リング圧延装置、並びにこのリング圧延方法及び／又は装置を使用して得られる又は得ることのできる製品に関する。リング圧延は、材料成形、特に金属成形のカテゴリーである。

従来技術
リング圧延は、典型的には航空宇宙産業、エネルギー変換産業、石油及びガス抽出産業などの工学用途向けの大型（例えば直径１〜５ｍの）金属リングを生成するバルク金属成形プロセスである。

開始時外径を有するリング形状の金属加工物は、開始時直径よりも大きな直径のシームレスリングに圧延される。軸対称形状及び矩形断面を有するリング状ワークピースを考慮すると、ワークピースの表面は径方向表面及び軸方向表面として形成できる。ワークピースの内周には、ワークピースの主軸と同軸の内側径方向表面が配置され、ワークピースの外周には、ワークピースの径方向に直交する外側径方向表面が配置される。第１及び第２軸方向表面（例えば、上部及び下部軸方向表面）は、ワークピースの径方向に平行及びワークピースの主軸に直交する。

径方向リング圧延プロセスとして知られているリング圧延プロセスは、ワークピースの外側径方向表面に作用する成形ロール（典型的には駆動状態）及びワークピースの内側径方向表面に作用するマンドレルロール（典型的にはアイドル状態）の２個のロールを使用する。リングは、断面積が徐々に減少し、それに応じてリングの直径が増大する。

径方向リング圧延の変形例として、成形ロール及びマンドレルロールの径方向に対向して、すなわちリングの他の側に、軸方向ロールを追加する径方向及び軸方向リング圧延プロセスが知られている。径方向及び軸方向のリング圧延についての典型的な構成を図１Ａ及び１Ｂに示す。ワークピース１０は、それぞれ外側径方向表面１４及び内側径方向表面１８に作用する成形ロール１２とマンドレルロール１６との間で次第に形成される。２個のガイドロール２０、２２がワークピースの外側径方向表面１４に当接して、ワークピースをセンタリングし安定化させる。成形ロール１２とマンドレルロール１４との間のロールバイトの位置２４からリングの主軸Ａ周りに１８０°の角度で変位された位置で、下部軸方向ロール２６と上部軸方向ロール２８がワークピース１０の第１軸方向表面３０及び第２軸方向表面３２と当接して、そのままワークピースの軸方向の高さを制御する。

Ｈａｎ他（非特許文献１１）には、成形プロセス（図１Ａ及び１Ｂに関して記載されたプロセス）中にワークピースの直径及び厚さのみならずワークピースの高さ（主軸方向に沿ったワークピースの軸方向の範囲）を減少させるリング圧延プロセスの可能性が記載されている。成形ロールとワークピースとの間には拘束シリンダが介在している。ワークピースが徐々に変形するにつれて、ワークピースの軸方向の高さ及び直径が拘束シリンダの内径に対応するワークピースの外径の制限を増大させるが、軸方向の高さの成長は拘束されない。

上記議論は、矩形断面のリングの形成に限定される。さらに複雑な断面のリングを形成することも興味をもたれていることが知られている。これは、所望の最終製品が比較的複雑な断面を有する場合に特に重要である。このような形状を形成するための方法の一つは、矩形断面リングを形成し、その後機械加工して成形することである。しかし、これにより、元のワークピースの材料の大部分が除去されるという意味で、プロセスの歩留まりが低くなってしまう。さらに、リング圧延のいくつかの利点（特に、ワークピースの表面付近の微細な及び／又はテクスチャ加工されたミクロ構造の作製）は少なくとも部分的に失われる可能性がある。なお、リング圧延の他の利点は、典型的には、上記のものと比較してプロセス速度が改善され、鋳造と比較してミクロ構造が改善することである。

原則として、略ネット形状の製品を形成するために、成形されたマンドレルロール、成形された成形ロール又はその両方を使用して複雑な断面形状のリングを達成することができる。しかし、この方法の欠点は、異なる所望の断面形状によって異なる成形工具の使用が必要となることであるところ、これは、リング圧延による複雑な断面形状の少量製造には費用効果がないことを意味する。

ＦＲ−Ａ−２０４０３６１には、リング圧延中におけるワークピースの断面積の減少に対応するために、成形ロールと、マンドレルロールと、第１及び第２軸方向ロールとがその回転軸に沿って移動可能なリング圧延プロセスが本明細書の図１４に示されかつ以下で詳細に説明するのと同様の構成で記載されている。このように、ＦＲ−Ａ−２０４０３６１の記載は矩形断面形状のみの製造に限定されている。これとは別に、ＦＲ−Ａ−２０４０３６１には、成形ロールが非矩形の断面を生じさせるためにワークピースに付与される特定の形状を有するリング圧延プロセスも記載されている。ＦＲ−Ａ−２０４０３６１の記載から、成形された成形ロールは、ワークピースに対してその回転軸に沿って移動できないため、達成可能な断面形状は、成形ロールの外部表面に対応する断面形状に厳密に制限されることは明らかである。また、成形された成形ロールは、ＦＲ−Ａ−２０４０３６１のマンドレルロールに対して独立して軸方向に配置できない。

Ｔｉｅｄｅｍａｎｎ他（非特許文献５）には、１個の成形ツール（この場合はマンドレルロール）を使用して、この成形ツールの軸方向及び径方向の移動を制御することによってワークピースに異なる断面形状を生じさせる方法が記載されている。このＴｉｅｄｅｍａｎｎ他の方法は、成形ロール４０及びガイドロール４２、４４が図１Ａ及び１Ｂに示されるように配置されている図２（非特許文献５に記載）に示されている。マンドレルロール４６は環状突出部４８を有する。このマンドレルロールは、径方向に移動可能であるのみならず、軸方向にも移動可能である。これにより、ワークピース５０の内側径方向表面に異なるプロファイル形状が形成されることになる。しかしながら、Ｔｉｅｄｅｍａｎｎ他は、マンドレルロールの移動を制御して、必要なワークピースの形状を生じさせることを実証していないことに留意すべきである。むしろ、Ｔｉｅｄｅｍａｎｎ他は、得られるワークピースの形状はマンドレルロールの所定の動きに基づくものであるとみなしている。

仏国特許出願公開第２０４０３６１号明細書

Ｈａｗｋｙａｒｄ，Ｊ．Ｂ．，及びＭｏｕｓｓａ，Ｇ．：Ｓｔｕｄｉｅｓ ｏｆ Ｐｒｏｆｉｌｅ Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ａｎｄ Ｒｏｌｌ Ｆｏｒｃｅ ｉｎ Ｐｒｏｆｉｌｅ Ｒｉｎｇ Ｒｏｌｌｉｎｇ．Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ｔｈｅ ３ｒｄ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｒｏｔａｒｙ Ｍｅｔａｌｗｏｒｋ Ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ（１９８４）ｐｐ３０１−３１０ Ｍａｒｃｚｉｎｓｋｉ，Ｈ．Ｊ．：Ｔｈｅ Ｈｏｔ Ｒｉｎｇ Ｒｏｌｌｉｎｇ Ｐｒｏｃｅｓｓ ａｎｄ ｉｔｓ Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ ｉｎｔｏ Ａｕｔｏｍａｔｉｃ Ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ Ｌｉｎｅｓ．Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ｔｈｅ ３ｒｄ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｒｏｔａｒｙ Ｍｅｔａｌｗｏｒｋ Ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ（１９８４）．ｐｐ．２５１−２６５ Ｑｉａｎ，Ｄ．−Ｓ．，Ｈｕａ，Ｌ．，及びＰａｎ，Ｌ．−Ｂ．：Ｂｌａｎｋ ｄｅｓｉｇｎ ｏｐｔｉｍｉｓａｔｉｏｎ ｆｏｒ Ｔ−ｓｅｃｔｉｏｎ ｒｉｎｇ ｒｏｌｌｉｎｇ．Ｉｒｏｎｍａｋｉｎｇ ＆ Ｓｔｅｅｌｍａｋｉｎｇ，（２００９）３６（６） Ｓｏｕｚａ，Ｕ．Ｄｅ，Ｖａｚｅ，Ｓ．，Ｐｕｒｓｅｌｌ，Ｚ．，及びＰｈｉｌｌｉｐｓ，Ｋ．Ｐｒｏｆｉｌｅ Ｒｉｎｇ Ｒｏｌｌｉｎｇ．Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ ＆ Ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ，（２００３）Ｍａｙ ３５−３７ Ｔｉｅｄｅｍａｎｎ，Ｉ．，Ｈｉｒｔ，Ｇ．，Ｋｏｐｐ，Ｒ．，Ｍｉｃｈｌ，Ｄ．，及びＫｈａｎｊａｒｉ，Ｎ．：Ｍａｔｅｒｉａｌ ｆｌｏｗ ｄｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎ ｆｏｒ ｒａｄｉａｌ ｆｌｅｘｉｂｌｅ ｐｒｏｆｉｌｅ ｒｉｎｇ ｒｏｌｌｉｎｇ．Ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，（２００７）１（３） Ｑｉａｎ，Ｄ．，Ｈｕａ，Ｌ．，及びＤｅｎｇ，Ｊ．：ＦＥ ａｎａｌｙｓｉｓ ｆｏｒ ｒａｄｉａｌ ｓｐｒｅａｄ ｂｅｈａｖｉｏｒ ｉｎ ｔｈｒｅｅ−ｒｏｌｌ ｃｒｏｓｓ ｒｏｌｌｉｎｇ ｗｉｔｈ ｓｍａｌｌ−ｈｏｌｅ ａｎｄ ｄｅｅｐ−ｇｒｏｏｖｅ ｒｉｎｇ．Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｆ Ｎｏｎｆｅｒｒｏｕｓ Ｍｅｔａｌｓ Ｓｏｃｉｅｔｙ ｏｆ Ｃｈｉｎａ，（２０１２）２２ Ｈａｎ，Ｘ．，Ｈｕａ，Ｌ．，Ｚｈｏｕ，Ｇ．，Ｌｕ，Ｂ．，及びＷａｎｇ，Ｘ．：ＦＥ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ ｃｙｌｉｎｄｒｉｃａｌ ｒｉｎｇ ｒｏｌｌｉｎｇ．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，（２０１４）２１４（６），１２４５−１２５８ Ｆｉｃｋｅｒ，Ｔ．，Ｈａｒｄｔｍａｎｎ，Ａ．，及びＨｏｕｓｋａ，Ｍ．Ｒｉｎｇ Ｒｏｌｌｉｎｇ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ａｔ ｔｈｅ Ｄｒｅｓｄｅｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ− ｉｔｓ Ｈｉｓｔｏｒｙ ｆｒｏｍ ｔｈｅ Ｂｅｇｉｎｎｉｎｇ ｉｎ ｔｈｅ ７０ ｓ ｔｏ ｔｈｅ Ｐｒｅｓｅｎｔ．Ｓｔｅｅｌ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ．（２００５） Ｓｔａｎｉｓｔｒｅｅｔ，Ｔ．Ｆ．，Ａｌｌｗｏｏｄ，Ｊ．Ｍ．，及びＷｉｌｌｏｕｇｈｂｙ，Ａ．Ｍ．：Ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ａ ｆｌｅｘｉｂｌｅ ｍｏｄｅｌ ｒｉｎｇ ｒｏｌｌｉｎｇ ｍａｃｈｉｎｅ．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，（２００６）．１７７（１−３），６３０−６３３ Ｅｒｍａｎ，Ｅ．，及びＳｅｍｉａｔｉｎ，Ｓ．Ｌ．（Ｅｄｓ．）．Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｍｏｄｅｌｉｎｇ ｏｆ Ｍｅｔａｌｗｏｒｋｉｎｇ Ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ．Ｗａｒｒｅｎｄａｌｅ，Ｐａ Ｍｅｔａｌｌｕｒｇｉｃａｌ Ｓｏｃｉｅｔｙ（１９８７） Ｘｉｎｇｈｕｉ Ｈａｎ，Ｌｉｎ Ｈｕａ，Ｇｕａｎｇｈｕａ Ｚｈｏｕ，Ｂｏｈａｎ Ｌｕ，Ｘｉａｏｋａｉ Ｗａｎｇ； Ａ ｎｅｗ ｃｙｌｉｎｄｒｉｃａｌ ｒｉｎｇ ｒｏｌｌｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｆｏｒ ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ ｔｈｉｎ−ｗａｌｌｅｄ ｃｙｌｉｎｄｒｉｃａｌ ｒｉｎｇ，Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，Ｖｏｌｕｍｅ ８１，Ａｐｒｉｌ ２０１４，Ｐａｇｅｓ ９５−１０８

発明の概要
本発明者は、リング圧延時のワークピースの材料の流れに関する課題を検討した。これにより、リング圧延プロセス及び本発明の創作に関する新たな洞察に至った。特に、本発明は、リング圧延中のワークピースの断面形状に対する改善された制御を提供することを目的とする。本発明は、以下でより詳細に説明するように、材料の流れを制御することによって特定のワークピース形状を生成することを目的とする。

Ｔｉｅｄｅｍａｎｎの開示と比較して付加的な制約を与えるために軸線方向のロールを使用するため、成形されたマンドレル又は成形ロールが軸方向に移動する際に、所望のワークピース形状をさらに予測可能に達成することができる材料の流れに対して追加の制御が存在する。

したがって、第１の態様では、本発明は、請求項１に記載のリング圧延方法を提供する。

第２の態様では、本発明は、請求項８に記載のリング圧延装置を提供する。

本発明者は、このように軸方向ロールを配置することにより、成形プロセスにおける材料流れ特性に対する制御が改善され、結果として、リングの周方向成長中にワークピースの断面形状（成形されたマンドレル及び／又は成形ロールの軸方向移動によって決定される）をより正確に制御することができることを見出した。本発明者は、上記軸方向ロールの配置により、リング状ワークの主軸に対して測定される、径方向ロールバイト領域から１８０°に軸方向ロールを配置する従来の構成よりも実質的な利点、すなわちロールの各セットの効果が空間的に分離される利点が得られると考える。上記の構成によって得られる追加の利点は、ワークピースがマンドレルロール（又は成形ロール）を登ることが防止されるため、プロセス中により大きな安定性が存在することである。

マンドレルロールは、ワークピースと接触するための突出部を有することができる。この突出部は、ワークピースの軸方向高さ、例えばプロセス開始時のワークピースの開始時軸方向高さよりも小さい軸方向の範囲を有することができる。この際、マンドレルロールは、リング圧延プロセスの中にワークピースに対して軸方向に移動可能である。これにより、マンドレルロールの突出部は、ワークピースに設けられる形状を制御するために、ワークピースの異なる軸方向位置に設けることができる。このアプローチは、装置のツーリングを変更することなくワークピースに必要な異なる形状を生成するために、マンドレルロールの移動を制御することによってリング圧延プロセスを制御することができるので有利である。したがって、このアプローチは、複雑な断面形状のリング状部品の１回限りの製造又は少量製造によく適している。

マンドレルロールに関して上記した特徴を、成形ロールに代替的に又は付加的に設けることができる。すなわち、成形ロールは、ワークピースと接触するための突出部を有することができる。この突出部は、ワークピースの軸方向高さ、例えばプロセス開始時のワークピースの開始時軸方向高さよりも小さい軸方向の範囲を有することができる。この際、成形ロールは、リング圧延プロセス中に軸方向に移動可能であることが好ましい。

好ましくは、成形ロールはマンドレルロールに対して独立して配置可能である。好ましくは、マンドレルロールは、成形ロールに対して独立して配置可能である。

本発明の第１及び／又は第２の態様は、以下の任意の特徴のいずれか１つ又は互換性がある限りにおいて以下の任意の特徴の任意の組み合わせを有することができる。

リング圧延中に、成形ロールはワークピースの外側径方向表面の接触領域にわたってワークピースと接触する。同様に、マンドレルロールは、ワークピースの内側径方向表面の接触領域にわたってワークピースと接触する。これらの接触領域は、径方向ロールバイト領域の範囲を画定する。ワークピースが存在しない場合には、径方向ロールバイト領域は、少なくとも成形ロールとマンドレルロールとの間の最小距離の位置に配置されることが分かる。ワークピースが存在する際には、各パスによりワークピースに加えられる減少の程度に応じて、径方向ロールバイト領域は、成形ロールとマンドレルロールとの間の最小距離の位置の上流に延在する。

同様に、第１軸方向ロールは、ワークピースの第１軸方向表面の接触領域にわたってワークピースと接触する。同様に、第２軸方向ロールは、ワークピースの第２軸方向表面の接触領域にわたってワークピースと接触する。これらの接触領域は、軸方向ロールバイト領域の範囲を画定する。ワークピースが存在しない場合には、軸方向ロールバイト領域は、少なくとも第１軸方向ロールと第２軸方向ロールとの間の最小距離の位置に配置されることが分かる。ワークピースが存在する場合には、各パスによりワークピースに加えられる減少の程度に応じて、軸方向ロールバイト領域は、第１軸方向ロールと第２軸方向ロールとの間の最小距離の位置の上流に延在する。

好ましくは、軸方向ロールバイト領域及び径方向ロールバイト領域は、ワークピースの周りの角度位置の観点で重複する。これにより、好ましくは、軸方向ロールは、成形ロール及びマンドレルロール（逆も同様）によって生成される材料流れに影響を及ぼす。

一般的には、第１軸方向ロール及び第２軸方向ロールは、リング状ワークピースの主軸に対して測定される、前記径方向ロールバイト領域の±５°以内又は前記径方向ロールバイト領域の±２°以内又は前記径方向ロールバイト領域と一致する角度位置に設けることが可能である。

マンドレルロールは、典型的には、ワークピースの主軸に平行な軸の周りを回転する。同様に、成形ロールは、典型的には、ワークピースの主軸に平行な軸の周りを回転する。

軸方向ロールは、典型的には、ワークピースの主軸に対して平行ではない軸の周りを回転する。いくつかの実施形態では、それらの回転軸は、ワークピースの径方向に平行であってもよい。しかしながら、他の実施形態では、それらの回転軸は主軸に平行とワークピースの径方向に平行との中間とすることができる。

好ましくは、軸方向ロールは、複数のアイドリングロールである（すなわち、好ましくは、これらのものは、使用中には駆動しないが、回転するワークピースとの接触によって回転する）。

好ましくは、成形ロールが駆動する。マンドレルロールは、アイドリングロールであってもよい。あるいは、マンドレルロールは駆動してもよい。その際、成形ロールはアイドリングロールであってもよい。

別の構成では、軸方向ロールの一方又は両方が駆動してもよい。これは、特に、成形プロセスの目的がワークピースの開始時寸法に対して比較的平坦で浅いリングを生成することである場合に当てはまる。この別の構成では、マンドレルロールと成形ロールの両方がアイドリングロールであってもよい。

複数の周方向拘束ロールを設けることができる。これらのものは、ワークピースの外側径方向表面又は内側径方向表面に作用するように配置できる。好ましくは、周方向拘束ロールは、装置のツーリングを変更することなく、ワークピースの外側径方向表面又は内側径方向表面のいずれかに配置されるように構成される。

周方向拘束ロールは、ワークピース内の圧縮又は引張フープ応力を制御し、かつ、ワークピースを安定化させ、中心合わせするように作用することが好ましい。本発明者は、このような制御により、径方向ロールバイト領域での材料流れ特性がさらに大きく制御されることになり、それによって製品の形状に対するより大きな制御に至ることを見出した。周方向拘束ロールは、材料の周方向の流れに対する追加の制御を可能にし、製造可能なワークピース形状の範囲をさらに改善する。

周方向拘束ロールがワークピース内の圧縮又は引張フープ応力を制御するように作用する場合に、本発明者は、これが本発明の第１及び第２の態様に関して記載された第１及び第２軸方向ロール（及び／又はそれらの位置）の要件によって拘束されない本発明の独立態様となると考える。

３個以上の周方向拘束ロールを設けることができる。３個、４個、５個、６個又は７個の周方向拘束ロールが存在することができると考えられる。好ましくは、周方向拘束ロールは、ワークピースの周りに略規則的に角度を付けて分配される。

３個以上の周方向拘束ロールが設けられる場合には、本発明者は、これが本発明の第１及び第２の態様に関して記載された第１及び第２の軸方向ロール（及び／又はそれらの位置）又はマンドレル若しくは成形ロールの形状若しくは可動性の要件には拘束されない本発明の独立態様となると考える。

マンドレルロール及び／又は成形ロールがワークピースの断面形状を制御するために軸方向に移動可能な場合には、周方向拘束ロールは、マンドレル及び／又は成形ロールと同じ形状を有し、かつ、同様に軸方向に移動可能であることが好ましい。これにより、ワークピースのフープ応力を制御するために、マンドレルロール及び／又は成形ロール並びに周方向拘束ロールの軸方向の移動をつなげることができる。

好ましくは、ワークピースは軸対称であり、最終製品は軸対称である。しかし、いくつかの実施形態では、少なくとも最終製品は非軸対称であってもよい。これは、ワークピースの各回転中にローラの位置を制御することによって達成できる。例えば、コンピュータ数値制御（ＣＮＣ）システムを使用して、必要な形状をワークピースに追従させて適用するように各回転中にローラの位置を制御することによって、ワークピースを必要な非軸対称形状に成形することができる。

このような形状は、例えばＦＡＧインダストリーズ社によって提供されかつ以下に記載されるタイプの３重リング偏心ベアリングを製造するために重要である：
http://www.schaeffler.com/remotemedien/media/_shared_media/08_media_library/01_publications/schaeffler_2/publication/downloads_18/wl_23502_de_en.pdf［２０１６年２月２７日にアクセスしたＵＲＬ］。

また、非軸対称形状は、ガスタービン機械、例えばガスタービンの燃焼室付近でも有用な場合がある。

本発明は、原則として、塑性加工することができる任意の材料から形成されたワークピースに適用可能である。しかし、本発明は、金属加工に特に適しており、好ましい材料は、鋼を含めた鉄合金、アルミニウム及びアルミニウム合金、ニッケル及びニッケル合金、チタン又はチタン合金、又はこのような材料の組み合わせである。

本発明のさらなる任意の特徴を以下に示す。

本発明の実施形態を、添付図面を参照して例示として以下に説明する。

図１Ａは公知のリング圧延装置の概略平面図を示す。 図１Ｂは図１Ａの構成の概略部分断面図を示す。 図２は非特許文献５のリング圧延機構の概略レイアウトを示す。 図３は非特許文献９に係るリング圧延機の径方向ロールバイト領域におけるロール構成の概略部分断面図を示す。 図４Ａは材料流れの評価に使用されるワークピース幾何形状の概略断面図を示す。 図４Ｂは材料流れの評価に使用されるワークピース幾何形状の概略断面図を示す。 図５はフレキシブル軸方向圧延プロセスによる異なる流れパターンの図を示す。 図６は、β（縦座標）とα（横座標）との異なる比率について流れモードを決定するための上限アプローチの結果の図である。 図７は、様々なβ値についてのワークピースの予測最終断面を示す、ＦＥＭシミュレーションによる流れパターンの予測結果を示す。 図８は、Ａ＝０．５である場合の様々なＣ及びＢ値についてのＬ字形を形成するための操作ウィンドウを示す。 図９は図８のＡ、Ｂ及びＣを示す。 図１０は本発明の一実施形態に係るリング圧延装置の概略斜視図を示す。 図１１は図１０と同様の図を示すが、ただし、ワークピースは装置内に示されている。 図１２は図１０の装置の作業領域の拡大図を示す。 図１３は図１１と同様の図を示すが、周方向拘束ロールはワークピースの内側径方向表面に作用する。 図１４は、本発明の範囲内ではない参考例の径方向ロール及び軸方向ロールによって形成されたロールバイト領域の概略断面図を示す。 図１５は本発明の一実施形態の径方向ロール及び軸方向ロールによって形成されたロールバイト領域の概略断面図を示す。 図１６は、本発明の一実施形態に係るリング圧延プロセスを使用して初期のリング状ワークピースから成形される複雑な断面形状を示す。 図１７は、本発明の一実施形態に係るリング圧延プロセスを使用して初期のリング状ワークピースから成形される複雑な断面形状を示す。 図１８は、本発明の一実施形態に係るリング圧延プロセスを使用して初期のリング状ワークピースから成形される複雑な断面形状を示す。 図１９は、本発明の一実施形態に係るリング圧延プロセスを使用して初期のリング状ワークピースから成形される複雑な断面形状を示す。 図２０は、本発明の一実施形態に係るリング圧延プロセスを使用して初期のリング状ワークピースから成形される複雑な断面形状を示す。 図２１は、本発明の一実施形態に係るリング圧延プロセスを使用して初期のリング状ワークピースから成形される複雑な断面形状を示す。

好ましい実施形態及び本発明の追加の特徴の詳細な説明
本発明の好ましい実施形態では、既知の径方向プロファイルリング圧延技術と比較して追加の柔軟性が提供される。これにより、高価な部品専用工具を必ずしも必要とすることなく、材料歩留まりの向上と下流加工費の削減が得られる。この作業を支える検討では、以前の実験的検討と比較して異なるアプローチがとられている。３つの重要な流れパターンが分類され、これらの流れパターンは、所期のＬ字型断面のリングの外側及び内側プロファイリング：軸方向流れ及び均一／不均一周方向流れに観察される。薄い部分に対する厚い部分の軸方向高さの比及びリングアスペクト比は、これらの流れパターンのいずれが生じるのかを決定する重要な要因であると考えられる。これらの要因の傾向は、望ましくない不均一な流れを考慮して、平坦なフレキシブル径方向プロファイルリング圧延によって達成可能な最終形状の範囲に対する一定の限界を示唆する。

リング圧延は、典型的には、航空宇宙産業、エネルギー変換産業、石油及びガス抽出産業などの工学用途向けの大型（直径１〜５ｍ）金属リングを生成するバルク金属成形プロセスである。従来、このプロセスでは、各用途に合わせて「プロファイル」ツールセットが生成されない限り、矩形断面の金属リングが作製されていた。
そのため、プロファイルツールを製造することが経済的でないときの多数の低容量リング圧延用途では、長方形のリングが作製され、最終形状に機械加工される。それにより、かなりの歩留まり損失（投入材料と完成品中の材料との差）及び追加の加工費が発生する。理想的には、一組の「ユニバーサル」ツールにより、長方形／バレル金属リングプリフォームを様々な径方向プロファイルリングに変換することが可能だと考えられる。

典型的な径方向・軸方向のリング圧延機を図１Ａ及び図１Ｂに示す。厚肉リング状ワークピース１０は、動力成形ロール１２と空転する内側マンドレルロール１４との間の径方向ロールバイトで薄くなる。２個のガイドロール２０、２２がリング１０を中心に置いて安定させる。第２対のツール、下部軸方向ロール２６及び上部軸方向ロール２８は、リングの軸方向高さを制御する。

図１Ａ及び図１Ｂの機械装置は、部品特有の形状のツーリングが使用される場合には非矩形のリング断面を生成するために使用できる。内側径方向プロファイルは成形マンドレルを必要とする一方で、外側径方向プロファイルは成形ロール及びガイドロールを必要とする。

英国マンチェスター大学理工学部のプロファイルリングローリングに関する包括的な実験的研究から、プロファイル充填（ワークピースの断面がプロファイルツールによって変化する度合い）が最大に薄くなった径方向部分から最小に薄くなった部分への材料の内側軸方向流れを必要とすることが示された。ただし、これが生じることは保証されない［非特許文献１］。この研究は、場合によっては最初に成形されたリングプリフォームから始めることによってのみ適切なプロファイル充填が達成できると結論付けている。さらに、いくつかの用途では、一連の中間プロファイルツールが必要であった。同様の結論がＭａｒｃｚｉｎｋｓｉ［非特許文献２］によって１９８０年代の産業上実施の議論及び非特許文献３などのＦＥＭシミュレーション研究でもたらされた。航空エンジン筐体などの薄壁リングを製造する際の中間ツーリングの必要性は、当該産業界において歩留まり低下の観点からも強調されている［非特許文献５］。

プロファイルリングの圧延に必要な部品固有のツーリングは、少量用途については開発するのが非常に高価である。これは、柔軟性のある又は成長性のある径方向プロファイルリング圧延の研究に対する動機付けとなった。

ワックスリングを処理加工するための実験的なフレキシブル機がドイツ国アーヘンのＲＷＴＨで開発された。図２は、この機械の概略レイアウトを示しており、内側マンドレル４６は軸方向（垂直方向）に移動し、それによってリング５０の薄い部分を漸進的に移動させることができる。

このツールは、他には拘束されないリングの小さな部分に作用するため、従来のプロファイル圧延よりもさらに大きな材料流れパターン範囲が可能である。簡単なツール移動の幾何学的結果を予測する材料流れの経験的モデルがＴｉｅｄｅｍａｎｎ［非特許文献５］によって開発された。しかし、重大なことに、これは、（ａ）所定の形状を達成するのに必要なツールの動きを決定し、及び（ｂ）このツーリング設定で実際に達成できる形状の範囲を厳密に決定するように「反転」していないように思われる。

成形性を改善するための新たな機械設備の研究が進められている。中国の武漢工科大学では、３ロールクロス圧延が研究されている。このプロセスでは、外側の成形ロールと２個の外側「受動ロール」との間に厚肉のリングが形成される。深い外側径方向溝の良好な充填が達成された；受動ロールは、周方向の流れを防止することによってプロファイル充填に必要な内側軸流を可能にするように思われる［非特許文献６］。

円筒リング圧延に関する研究では、リングをその周囲にあるソリッドスリーブで拘束することが可能であり、軸方向材料流れ（従来の「圧延方向」に垂直）のみを可能にすることが示されている。この方法により、内側プロファイルの充填が改善された［非特許文献７］。

ドイツ国のドレスデン工科大学では、軸方向流れの促進も研究されている。この技術では、外側プロファイルが長い管状リング上に徐々に生成される［非特許文献８］。管の小さな部分がプロファイルツールによって径方向に薄化され、また、周方向の流れはワークピースの残部によって防止されるため、材料は軸方向に流れる。

しかし、これらの方法のいずれも柔軟性があるとは考えられない。新たな部品に特定のツーリングを開発する必要がある。依然として、本願出願時に発明者が知る限りでは、部品特有のツーリングを使用することなしに非成形ブランクから成形プロファイルを確実に生成するための解決手段は存在しない。この解決手段の基礎は、達成可能なリング形状の範囲を決定することを可能にする、フレキシブル径方向リング圧延で観察される流れパターンの理解にある。

径方向薄肉化に対するリングワークピースの応答を理解するために、英国ケンブリッジ大学のモデルリング圧延機で実験的研究を行った。この機械は、達成可能なリング形状に対する新規機械設備の影響を調査するために開発された［非特許文献９］。径方向ロールバイトでの機械の構成を図３に概略的に示す。ワークピース６０は、成形ロール６２、支持ロール６４及びマンドレルロール６６と共に断面で示されている。マンドレルロールは、圧延中にワークピースに階段状内径面を付与するために、軸方向の移動及び径方向の移動が可能である。

図３において、αはマンドレルロールによって作用されるワークピースリング高さＨの割合を示す。γは初期ワークピース厚さＴと比較したワークピース厚さの減少を示す。

Ｌ字形プロファイルを目的としたこれらの実験の選択されたサブセットからの結果を以下で議論する。この種のプロファイルから興味深い流れパターン範囲が得られるところ、これについては以下でさらに要約する。これは、溶接ネックフランジなどの産業上関連する部品の代表であると考えられる。

独占権に係るオイル・クレー混合物であるモデル材料の工作用粘土を実験に使用した。このものは、金属ワークピースの流れパターンの予測に広く使用されている。というのは、このものはエンジニアリング金属と同様の応力−歪み流れ曲線（明確な歩留まり、ひずみ速度硬化）を有するためである。非特許文献１０を参照されたい。

リングプリフォームを金型内で製造した。「厚い」壁及び「薄い」壁のリングを代表して、壁厚（Ｔ）に対する軸方向高さ（Ｈ）の比（β）を変えて２つのサイズを開発した。これらを図４Ａ及び図４Ｂに示す。測定値はｍｍ単位である。

プリフォームの各サイズについて６回の実験を行った。各リングを、外側径方向又は内側径方向の両方に対して、その元の軸方向高さの２５、５０又は７５％（α）にわたって、マンドレルによって元の厚さの約５０％（γ）まで部分的に窪ませた。したがって、これは外側及び内側プロファイリングになる。

図５に示すように、これらの結果において３つの主要な流れパターンが観察できた：軸方向流れ、不均一周方向流れ及び均一周方向流れ。

図５ａは、主として軸方向材料流れを受けたリングの断面を示す。この肉厚のプリフォームでの実験では、外側成形ロールツールがリングの初期高さの５０％以上（α＝５０％）で作用した。リングはほとんどが高さの方に伸び、周方向にはほとんど伸びていなかったが、これは軸方向材料流れが支配的であったことを示す。リングの底部は十分に大きく、ほぼ剛性を保っているように見える。ツールの作用がこの領域内に周方向の歩留まりに十分なフープ応力を達成することは不可能であった。

第２の流れパターン、すなわち不均一な周方向流れが図５ｂに示されている。この場合、内側プロファイルは、α＝５０％で生成されたが、薄壁プリフォーム上に生成された（図４Ｂ）。リングはほぼ円錐状に見え、上の部分は円周上に成長し、下の部分はそれほど大きくなく、「曲がった」断面となる。下部セクションには、部分的に引き伸ばされて屈曲することを可能にし、上部セクションが圧延方向に（かつわずかに軸方向に）流れることを可能にするのに十分な引張フープ応力が生じていなければならない。

最後に、図５ｃは、α＝７５％の内側プロファイルについての均一な周方向流れを示す。リングの断面は本来意図したように正方形のままである。これは、（ａ）十分な材料が頂部から底部まで軸方向内側に流れることができ、（ｂ）周方向に生じる十分なフープ応力が発生するため、可能であるように思われる。

上記のタイプのフレキシブル径方向リング圧延における流れパターンを予測するために、解析モデリング及びシミュレーションが実施されている。特定の流れパターンがいつ発生するかの予測は上限アプローチによって行われ、内部プロファイリングの有限要素法（ＦＥＭ）研究からも推測される。

上限アプローチでは、理想化剛性プラスチック速度場を各流れパターンに対して生じさせた。最小の作用入力（塑性加工、不連続でのせん断及びロールでの摩擦）を必要とする速度場は、実際の流れパターンを示すものと仮定した。

図６は、β及びαの離散化された比について最小作用でモードをプロットすることによるこの上限アプローチの結果を示す。

ツールがリングの小さな部分（小さなα）に作用する場合に、軸方向流れが予測される。大きなαについては、均一な周方向流れが予測される。αの中間値については、リングの高さ対厚さの比βが重要になる：薄壁リング（大きなβ）は不均一な周方向成長を示すと予測される。

一連の３Ｄ ＦＥＭシミュレーションを使用して、α＝５０％について比率βを変化させる効果についてパラメトリック研究を行った。このシミュレーションを、明示ソルバーを用いてＡＢＡＱＵＳで行った。このシミュレーションから、図７に示すように、軸方向の成長から不均一な周方向の成長への移行が示唆される。これは、実験結果及び上限分析予測と概ね一致している。

ここで、上記フレキシブル径方向リング圧延プロセスから達成可能な幾何学的形状の範囲についての例示的な評価を行う。Ｌ形状については、最終的な（初期ではない）幾何学的比率、すなわち、Ａ＝０．５、変化するＢ及びＣで、操作ウィンドウ手法を使用する（Ａ、Ｂ及びＣの説明については図９を、操作ウィンドウについては図８を参照のこと）。Ａは、最終（初期ではない）リング高さよりも薄いリングの軸方向の割合である。Ｂは最終断面のアスペクト比であり、Ｃは最終厚さ比（すなわち、厚い−薄い／厚い）である。

まず、必要な外側半径まで回転させ、次いで、リングを上部に成形することによって軸方向流れを利用することが可能である。この戦略は、比較的低いアスペクト比のリング（Ｂ＜１．５−２）に限定される。厚さの変動には上限が見込まれる（例えば、Ｃ＞０．７５）。大きなＢについては、不均一周方向流れモードは、許容できない円錐度を有するリングを生成するように見えるが、まず最も薄化されるべきリングの表面に最初に作用し、次に円錐形に合わせるように底部に作用することによってこの流れパターンを利用することが可能な場合がある。しかしながら、このアプローチは、高プロファイル充填（Ｃ＞０．２−０．４）を達成することはなさそうであり、また、各パスでの窪みの順序及び量を注意深く制御する必要があると考えられる。

上で報告された研究に基づいて、柔軟性のあるツーリングで成形リングを製造するためのリング圧延プロセスが可能である。このようなプロセスは、少量用途での歩留まり損失及び下流加工コストを低減することができる。

図１０は、本発明に係るリング圧延装置の一実施形態を示す。全体として１００で示された装置は、図１１及び図１３に示されるワークピース１０２、１０４なしでここに示されている。これらは他の点では同一であるため、適用可能な場合には同様の符号を使用する。

装置１００は支持テーブル１０６を備え、この支持テーブル１０６上には、ワークピースの主軸と一致するように配置された中心軸を有するリング状の支持部材１０８が取り付けられている。リング状の支持部材１０８の周りの様々な角度位置には、支持トラック１１０が取り付けられている。キャリッジ１１２は、アクチュエータ１１４を介して支持トラック１１０に沿って直線的に移動可能であり、その前端には周方向拘束ロール１１６が軸方向に取り付けられており、これらの周方向拘束ロール１１６は、ワークピースの外側径方向表面（図１１）又はワークピースの内側径方向表面のいずれかに押圧するように構成されている（図１３）。周方向拘束ロール１１６は、ワークピースの内側径方向表面で使用できるように、一方の端部（ここでは上端）のみで支持されている。

周方向拘束ロール１１６は、リング状支持部材１０８の中心軸に対して、隣接する周方向拘束ロール間に典型的には４５°以上かつ９０°以下の角度で装置の周りに角度を付けて分配されているが、ただし、ロールバイト領域に隣接して配置された２個の周方向拘束ロール（以下でより詳細に説明する）間及びロールバイト領域の反対側に、より大きな角度をつけることができることが可能である場合を除く。

上記のように、リング状ワークピースは、主軸と、内側径方向表面と、外側径方向表面と、第１軸方向表面と、第２軸方向表面とを有する。これにより、装置の特徴をさらに容易に説明することが可能である。この装置は成形ロール１２０を有し、成形ロール１２０は、垂直軸を中心に回転するように取り付けられ、かつ、モータ（図示せず）によって駆動可能である。また、この装置はマンドレルロール１２２も有し、このマンドレルロール１２２は、垂直軸の周りに回転するように取り付けられ、かつ、空転してもよいし、モータ（図示せず）によって回転するように駆動してもよい。成形ロール１２０及びマンドレルロール１２２は共に、ワークピースにそれらの間の径方向圧力を加え、径方向のロールバイト領域において、成形ロールは外側径方向表面に作用し、マンドレルロールはワークピースの内側径方向表面に作用する。

また、この装置は、第１下部軸方向ロール１２４と、第２上部軸方向ロール１２６とを有する。これらは、それぞれワークピースの径方向に平行な水平軸を中心に回転可能である。第１軸方向ロール１２４と第２軸方向ロール１２６は共に、ワークピースにそれらの間での軸方向圧力を加え、第１軸方向ロールは第１軸方向表面に作用し、第２軸方向ロールは第２軸方向表面に作用する。第１及び第２軸方向ロールは、径方向位置及び円周方向位置の点で互いに整合して配置される。具体的には、第１及び第２軸方向ロールは、リング状ワークピースの主軸に対して測定される、径方向ロールバイト領域の±１０°以内の角度位置に設けられる。より好ましくは、第１及び第２軸方向ロールとワークピースとの間の相互作用が軸方向ロールバイト領域（すなわち、ワークピースと第１及び第２軸方向ロールとの接触領域）を決め、軸方向ロールバイト領域と径方向ロールバイト領域とは、ワークピースの周りの角度位置の点で重複する。これにより、本発明者は、ワークピースの材料の流れが効果的に制御され、比較的複雑な断面形状が形成されるのを可能にすると考える。事実上、ロールの配置は、閉鎖パス径方向圧延の機構を柔軟に再現する。

図１２は図１０の装置の作業領域の拡大図を示す。ワークピースは存在しないので、装置の特徴を見ることができる。成形ロール１２０、マンドレルロール１２２、第１軸方向ロール１２４及び第２軸方向ロール１２６が示されている。マンドレルロール１２２は、典型的にはワークピースの軸方向高さよりも小さく、かつ、成形ロールの軸方向範囲よりも小さい軸方向範囲を有する環状突出部１２８を有することが分かる。さらに、マンドレルロールは、軸方向（及び径方向）に移動することができる。したがって、使用中に、マンドレルロールの移動の制御を使用して、ワークピースの内側径方向表面に特定の形状を生じさせ、それによってワークピースに特定の所望の断面形状を生じさせることができる。このプロセス中におけるワークピースの望ましくない軸方向の流れは、第１及び第２軸方向ロールによって制限されかつ制御される。

別の実施形態（図示せず）では、マンドレルロールは、円筒形状及びワークピースの軸方向の高さと少なくとも同じ（好ましくは大きい）軸方向範囲を有する。この実施形態では、成形ロールは、ワークピースの軸方向高さよりも小さく、かつ、マンドレルロールの軸方向範囲よりも小さい軸方向範囲を有する環状突出部を有する。さらに、成形ロールは、軸方向（及び径方向）に移動することができる。したがって、使用中に、成形ロールの移動の制御を使用して、ワークピースの外側径方向表面に特定の形状を生じさせ、それによりワークピースに特定の所望の断面形状を生じさせることができる。このプロセス中におけるワークピースの望ましくない軸方向流れは、上記の実施形態と同様に、第１及び第２軸方向ロールによって制限されかつ制御される。ワークピースの外側径方向表面がプロファイルされ、かつ、周方向拘束ロールは外側径方向表面に当接するこの実施形態では、好ましくは周方向拘束ロールも成形ロールと整合して軸方向に移動可能であり、周方向拘束ロールは成形ロールと同様のプロファイル形状を有する。

さらなる別の実施形態（図示せず）では、マンドレルロール及び成形ロールの両方は、上記タイプの環状突出部を有し、両方が軸方向に移動可能である。これにより、内側及び外側径方向表面に特定の形状を形成することが可能になり、複雑な断面リング形状を形成するための装置の柔軟性がさらに高まる。この場合、周方向拘束ロールは、前段落で説明した形態を有することが好ましく、形状及び軸方向運動は、周方向拘束ロールが内側径方向表面に当接する場合にはマンドレルロールに適合し、周方向拘束ロールがワークピースの外側径方向表面に当接する場合には成形ロールに適合する。

上で報告した予備モデリング及び実験的研究で説明したように、ワークピースにおけるフープ応力は、フレキシブル径方向リング圧延における適切な複雑形状の形成に重要な役割を果たすと考えられる。したがって、周方向拘束ロール１１６は、フープ応力を制御し、さらに、装置の動作中にワークピースを安定化させかつ中心にするために配置される。少なくとも３個の周方向拘束ロールを使用すると、フープ応力の制御を助長することが期待され、発明者は、最大７個の周方向拘束ロールを使用することでフープ応力の良好な制御が得られ、この良好な制御により所期の断面形状が形成されることになると考える。

なお、図１１は、外側径方向表面に作用する周方向拘束ロール１１６を有するため、圧縮フープ応力を促進させる。これに対し、図１３は、内側径方向表面に作用する周方向拘束ロール１１６を有するため、引張フープ応力を促進させる。

本発明者は、マンドレルロール及び成形ロールがそれぞれ平坦な円筒ロールであるリング圧延技術においても、上記実施形態における周方向拘束ロールを設けることが重要であると考える。したがって、さらに別の実施形態（図示せず）では、周方向拘束ロールは、円筒状マンドレル及び成形ロールと共に使用され、また上記のような径方向ロールバイトでの第１及び第２軸方向ロールと共に使用される。圧縮又は引張フープ応力に対する追加の制御により、ロールバイトでの材料の流れに対する制御がさらに高められる。なお、非特許文献１１は、周方向の流れを完全に防止するために大型金属スリーブを使用する。しかし、これは柔軟性がなく、各部品に新たなスリーブが必要となる。

図１４は、本発明の範囲内にはない参考構成の径方向及び軸方向ロールによって形成されたロールバイト領域の概略断面図を示す。ここで、成形ロール１５０及びマンドレルロール１５２は、平坦な円柱形状を有し、垂直軸周りに回転する。また、第１（下部）軸方向ロール１５４及び第２（上部）軸方向ロール１５６も平坦な円筒形状を有し、水平軸を中心に回転する。成形ロール１５０及びマンドレルロール１５２は、回転可能かつ独立して径方向に移動可能であることに加えて、それらの回転軸に沿って独立して移動可能である（すなわち、上下に並進する）。同様に、第１及び第２軸方向ロール１５４、１５６は、回転可能でありかつ垂直方向に独立して移動可能であることに加えて、それらの回転軸に沿って（すなわち、径方向に並進するように）独立して或いはマンドレルロール及び／又は成形ロールと共に移動可能である。ロール１５０、１５２、１５４、１５６の平行移動を協働させることにより、成形中のワークピースの変化する断面に適合させるために、ロールバイト領域に示されているように共にフィットさせることが可能であるが、得られるワークピースの断面形状は矩形断面形状に制限される。

図１５は、本発明の一実施形態の径方向ロール及び軸方向ロールによって形成されたロールバイト領域の概略断面図を示す。これは図１４の変形例であり、ここで、変更はマンドレルロールに設けられている。ここで、成形ロール１５０ａは、平板状の円筒形状を有し、垂直軸を中心に回転する。また、第１（下部）軸方向ロール１５４ａ及び第２（上部）軸方向ロール１５６ａは、平坦な円筒形状も有し、水平軸の周りを回転する。成形ロール１５０ａは、回転可能かつ独立して径方向に移動可能であることに加えて、その回転軸に沿って移動可能である（すなわち、上下に並進する）ことが好ましい。同様に、第１及び第２軸方向ロール１５４ａ、１５６ａは、回転可能かつ独立して垂直方向に移動可能であることに加えて、回転軸に沿って独立して移動可能である（すなわち、径方向に並進する）。マンドレルロール１５２ａは、垂直軸の周りを回転し、回転可能かつ独立して径方向に移動可能であることに加えて、その回転軸に沿って移動可能である（すなわち、上下に並進する）。マンドレルロール１５２ａは、例えば成形ロールと比較して軸方向に比較的狭い環状突出部１５２ｂを有する。したがって、マンドレルロールの平行移動の制御は、ワークピースの内側径方向表面の比較的複雑な形状及びそれに対応してワークピースの複雑な断面形状の形成を可能にする。

図１６〜図２１は、本発明の一実施形態に係るリング圧延プロセスを使用して初期のリング状ワークピースから形成される複雑な断面形状を示す。

図１６は、本発明の一実施形態に係る装置（概略的に示されている）におけるリング圧延プロセスの開始時での回転軸に平行な断面のワークピース２０２を示す。図１７は、プロセスの実質的に同じ段階でのワークピースをその回転軸に垂直な断面で示す。

マンドレルロール２５２は、ワークピース２０２の内側径方向表面に当接する。マンドレルロール２５２は、ワークピースの軸方向高さ全体に接触するのに十分な軸方向高さを有する。この実施形態では、プロセス中のワークピースの半径の増大を確保にするために、マンドレルロールは軸方向には移動せず、径方向にのみ移動する。成形ロール２５０ｂは、軸方向高さがワークピースの始動軸方向高さよりも小さい。これの効果は、成形ロール２５０ｂがワークピースの１回転の間にワークピースの外側径方向表面の一部のみと接触することである。図１６では、成形ロール２５０ｂは、ワークピースの外側径方向表面の上部と接触する。

上部軸方向ロール２５６及び下部軸方向ロール２５４は、ワークピース２０２の上部軸方向表面及び下部軸方向表面とそれぞれ接触する。

図１７に示すように、６個の周方向拘束ロール２１６が設けられている。これらは、上記のように、プロセス中にワークピース内の圧縮フープ応力を制御し維持する。

成形ロール２５０ｂがワークピース２０２の外側径方向表面の上部のみに当接する効果は、ワークピース２０２の外側径方向表面に段差形状が形成されることである。

また、図１８及び１９は、同じリング圧延プロセスにおける後段階を示す。図１６及び図１７と同様に、図１８は、リング圧延工程中の中間時点における回転軸に平行な断面のワークピース２０２を示す。図１９は、プロセスの実質的に同じ段階のワークピースをその回転軸に垂直な断面で示す。

図１８及び図１９に示すように、ワークピースの階段状プロファイルを実質的な程度にまで形成させている。その後、成形ロール２５０ｂをワークピースに対してかつマンドレルロール２５２に対して軸方向に移動させて、ワークピースの外側径方向表面の残部に当接させている。

完成したワークピースの形状を図２０（回転軸に平行な断面）及び図２１（回転軸に垂直な断面）に示す。図１８及び図１９に示されるプロセスの一部の結果として、材料流れがマンドレルロールと上部及び下部軸方向ロールによって案内されかつ拘束され、周方向拘束ロール２１６が安定した圧縮フープ応力を与え、かつ、成形ロール２５０ｂと同じワークピースの外側径方向表面の軸方向部分に当接することで、ワークピースの直径は、図１８及び図１９と比較してさらに拡大しており、外側径方向表面での段の深さは、ワークピースの外側径方向表面の下部部分で実施された作業のため減少している。

本発明を上記例示実施形態に関連して説明してきたが、本明細書の記載に接した当業者であれば、多くの均等な変更及び変形が明らかであろう。したがって、上記本発明の例示実施形態は、例示であり限定ではないとみなされる。本発明の精神及び範囲から逸脱することなく、記載した実施形態に対する様々な変更を行うことができる。

上で参照した全ての文献は、参照により本明細書において援用する。

１０ 厚肉リング状ワークピース
１２ 成形ロール
１４ マンドレルロール
２０ ガイドロール
２２ ガイドロール
２６ 下部軸方向ロール
２８ 上部軸方向ロール
６０ ワークピース
６２ 成形ロール
６４ 支持ロール
６６ マンドレルロール
１００ リング圧延装置
１０２ ワークピース
１０４ ワークピース
１０６ 支持テーブル
１０８ 支持部材
１１０ 支持トラック
１１２ キャリッジ
１１４ アクチュエータ
１１６ 周方向拘束ロール
１２０ 成形ロール
１２２ マンドレルロール
１２４ 第１下部軸方向ロール
１２６ 第２上部軸方向ロール
１５０ａ 成形ロール
１５２ａ マンドレルロール
１５４ａ 第１軸方向ロール
１５６ａ 第２軸方向ロール
２０２ ワークピース
２１６ 周方向拘束ロール
２５０ｂ 成形ロール
２５２ マンドレルロール
２５４ 下部軸方向ロール
２５６ 上部軸方向ロール

Claims (14)

1. 主軸と、内側径方向表面と、外側径方向表面と、第１軸方向表面と、第２軸方向表面とを有するリング状ワークピースを与えるリング圧延方法であって、該方法は、径方向ロールバイト領域において、該ワークピースに対して、該外側径方向表面に作用する成形ロールと内側径方向表面に作用するマンドレルロールとの間の径方向の圧力を加える工程を含み、
   該第１軸方向表面及び該第２軸方向表面に、それぞれ第１軸方向ロール及び第２軸方向ロールを設けて該ワークピースに軸方向の圧力を加え、ここで、該第１軸方向ロール及び該第２軸方向ロールは、該ワークピースの周りで主軸に対して測定される、該径方向ロールバイト領域の±１０°以内に角度位置に設けられ、そして、該ワークピースの断面形状を制御するにあたり、
   （ｉ）該マンドレルロールが該ワークピースと接触するための突出部を有し、該突出部は、該ワークピースの軸方向の高さよりも小さい軸方向範囲を有し、該マンドレルロールは、リング圧延プロセスの間に該ワークピースに対して軸方向に移動可能であり、及び／又は
   （ｉｉ）該成形ロールが該ワークピースと接触するための突出部を有し、該突出部は、該ワークピースの軸方向の高さよりも小さい軸方向範囲を有し、該成形ロールは、リング圧延プロセスの間に該ワークピースに対して軸方向に移動可能である、リング圧延方法。
2. 前記軸方向ロールバイト領域及び前記径方向ロールバイト領域が、前記ワークピースの周りの角度位置の点で重複する、請求項１に記載のリング圧延方法。
3. 周方向拘束ロールが前記ワークピースの前記外側径方向表面又は前記内側径方向表面に作用するように設けられる、請求項１又は２に記載のリング圧延方法。
4. 前記周方向拘束ロールが前記ワークピース内の圧縮又は引張フープ応力を制御するように作用する、請求項３に記載のリング圧延方法。
5. ３個以上の周方向拘束ロールが設けられる、請求項３又は４に記載のリング圧延方法。
6. 前記周方向拘束ロールが前記ワークピースの周りに略規則的に角度を付けて分配されていることを特徴とする、請求項５に記載のリング圧延方法。
7. 前記周方向拘束ロールが、前記マンドレル及び／又は前記成形ロールと同じ形状を有し、かつ、前記ワークピースに対して同様に軸方向に移動可能である、請求項３〜６のいずれかに記載のリング圧延方法。
8. 主軸と、内側径方向表面と、外側径方向表面と、第１軸方向表面と、第２軸方向表面とを有するリング状ワークピースをリング圧延するためのリング圧延装置であって、該装置は、径方向ロールバイト領域において、該ワークピースに対して、該外側径方向表面に作用する成形ロールと該内側径方向表面に作用するマンドレルロールとの間の径方向の圧力を加えるための成形ロール及びマンドレルロールと、該ワークピースに対してそれぞれ該第１軸方向表面と該第２軸方向表面との間の軸方向の圧力を加えるために設けられる第１軸方向ロール及び第２軸方向ロールとを備え、該第１軸方向ロール及び該第２軸方向ロールは、該ワークピースの周りでかつ該リング状ワークピースの主軸に対して測定される、該径方向ロールバイト領域の±１０°以内の角度位置に設けられ、
   該ワークピースの断面形状を制御するにあたり、
   （ｉ）該マンドレルロールが該ワークピースと接触するための突出部を有し、該突出部は、該ワークピースの軸方向の高さよりも小さい軸方向範囲を有し、該マンドレルロールは、該ワークピースに対して軸方向に移動可能であり、及び／又は
   （ｉｉ）該成形ロールが該ワークピースと接触するための突出部を有し、該突出部は、該ワークピースの軸方向の高さよりも小さい軸方向範囲を有し、該成形ロールは、該ワークピースに対して軸方向に移動可能である、リング圧延装置。
9. 前記軸方向ロールバイト領域及び前記径方向ロールバイト領域が、前記ワークピースの周りの角度位置の点で重複する、請求項８に記載のリング圧延装置。
10. 周方向拘束ロールが前記ワークピースの前記外側径方向表面又は前記内側径方向表面に作用するように設けられる、請求項８又は９に記載のリング圧延装置。
11. 前記周方向拘束ロールが前記ワークピース内の圧縮又は引張フープ応力を制御するように作用する、請求項１０に記載のリング圧延装置。
12. ３個以上の周方向拘束ロールが設けられる、請求項１０又は１１に記載のリング圧延装置。
13. 前記周方向拘束ロールが前記ワークピースの周りに略規則的に角度を付けて分配されていることを特徴とする、請求項１２に記載のリング圧延装置。
14. 前記周方向拘束ロールが、前記マンドレル及び／又は前記成形ロールと同じ形状を有し、かつ、前記ワークピースに対して同様に軸方向に移動可能である、請求項１０〜１３のいずれかに記載のリング圧延装置。

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