JP4483578B2 - 枠体の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、例えば、タービン運転装置等の特定部品製造において好適な枠体の製造方法に関するものである。
なお、本出願は、日本国への特許出願（特願２００２−２０３９８１）に基づくものであり、この日本出願の記載内容は本明細書の一部として取り込まれるものとする。

従来から、発電機用ガスタービン等において、燃焼ガスのタービン羽根への噴接速度を上昇させるため、燃焼ガスが流動する燃焼筒の出口側すなわちタービン側の開口部に、矩形状の枠体を設け、この枠体により前記燃焼ガスの流路断面積を絞った構成のものがある。一般に、この枠体の開口面に沿った方向の厚さは、その矩形形状を構成する相対する辺毎で異なる構成となっている。この枠体の製造方法としては、一般に次のようなものが知られている。

まず、形成する枠体において矩形形状を構成する各辺のうち、この枠体の開口面に沿った方向に対して最も厚い幅と同等の断面寸法を備えた角棒を、矩形形状となるように曲げ成形する。この際、角棒の両端面を突き合せておき、その後、この端面をフラッシュバット溶接により接合し、矩形状部品を形成する。そして、この矩形状部品の前記各辺のうち、所定の辺に切削加工を施し、開口面に沿った方向に対して所定の厚さに形成する。これにより、矩形形状を構成する相対する辺毎で前記厚さが異なる前記枠体が形成される。この他、平板から切抜き加工及び切削加工を施し前記枠体を形成する方法も一般的に知られている。

しかしながら、前記従来の枠体の製造方法によれば、まず、角棒を使用して前記枠体を形成する場合には、この角棒の断面積は長手方向に対して全て均一であり、前記矩形状部品を曲げ成形により形成した後、前記厚さの薄い前記辺に切削加工を施す必要があるため、歩留まりが悪いという問題があった。さらに、前記枠体の製造工数について、この切削加工工数の占める割合が多いため、前記枠体の製造工数もかかり前記歩留まりの問題と相俟って、前記枠体が高価になるという問題があった。次に、平板に切抜き加工、切削加工を施して前記枠体を形成する場合においても、平板において前記枠体の開口部及び枠体の外方部に位置する部材は不要となるため、歩留まりが極めて悪いという問題があった。さらに、上述と同様に、加工工数もかかり前記枠体が高価となる問題があった。

本発明は、このような事情を考慮してなされたもので、前記枠体を形成するに際し、材料の歩留まりを削減し、さらに安価に形成することが可能な枠体の製造方法を提供することを目的とする。

本発明の枠体の製造方法では、金属材をリング圧延し円環状部品を形成後、該円環状部品を径方向に押圧し曲げ成形して矩形状部品を形成した後、該矩形状部品を型に入れ押圧し型鍛造することにより、枠体を形成する。
この発明に係る枠体の製造方法によれば、切削加工工数を最小限に抑えて前記枠体を形成することが可能になる。従って、金属材の歩留まり及び前記枠体の製造工数を削減することが可能になるため、安価に前記枠体を製造することが可能になる。
また、リング圧延により形成された円環状部品から形成されるので、枠体を構成する各壁部同士でグレンフローを連続させることができる。これにより、枠体の周方向にグレンフローが連続することになり、この枠体の内側から外側に向かった力に対する機械的強度、特に、クリープ強度の向上を図ることが可能になる。

前記矩形状部品を形成するに際し、前記矩形状部品の矩形形状を構成する角部の角度を型鍛造後の枠体の角度より小さくしておいてもよい。
この場合、前記矩形状部品の矩形形状を構成する角部の角度を、前記枠体の前記角度より小さく形成しているため、前記矩形状部品を型鍛造した際、この鍛造品の前記角部に欠肉を発生させることを抑制することが可能になる。すなわち、この欠肉発生抑制効果は、次のような場合に特に著しい効果を奏する。

前記矩形状部品を型鍛造する際、この矩形状部品はその開口面に沿った方向に対して垂直な方向に押圧されるが、この矩形状部品の前記角度が大きいと、前記角部の内表面が型に噛み込まれ大きなバリが発生し、その結果、前記枠体の一部、すなわち外表面に欠肉が生じることになる。しかし、前記矩形状部品の前記角部の角度がより小さく形成されていれば、前記角部の内表面が型に噛み込まれることがないため、この内表面のバリの発生を抑制することが可能になり、前記欠肉発生を抑制することが可能になる。
さらに、前記矩形状部品の前記角度を形成する枠体のものより小さく形成しておくと、結果として、この矩形状部品の外方側へこの角部が張出すことになり、この角部における周長を長くすることが可能になる。言い換えると、この角部における体積量を多くすることができ、いわばこの矩形状部品に余肉部を設けることができ、この矩形状部品に型鍛造を施し、枠体を形成した際、この枠体の前記角部を厚肉にすることができる。従って、枠体における応力集中個所である角部の肉厚を厚く形成することが可能になるので、高強度化が図られた枠体を容易かつ確実に形成することができる。

前記矩形状部品を形成するに際し、前記円環状部品の内側に中子を配置してもよい。
この場合、前記円環状部品から前記矩形状部品を形成するに際し、前記円環状部品の内側に前記中子を配置し押圧するため、押圧による変形を前記中子により拘束することが可能になる。従って、容易に前記矩形状部品を所望の形状に形成することが可能になり、前記枠体を安価に提供することが可能になる。

前記円環状部品を形成するに際し、該円環状部品の軸方向に対する高さを、前記枠体の複数個分の高さで形成しておき、この円環状部品に基づいて、前記矩形状部品を形成した後、該矩形状部品を前記枠体の１個分の高さ毎に切断し、その後、各別に型鍛造してもよい。
この場合、前記矩形状部品を形成するに際し、前記高さを、形成する枠体の複数個分の高さで形成しておき、その後、前記矩形状部品を前記枠体の１個分の高さ毎に切断し、各別に型鍛造して前記枠体を形成するため、高効率に前記枠体を形成することが可能になり、安価な前記枠体を提供することが可能になる。

以下、図面を参照し、この発明の実施の形態について説明する。図１から図７は、この発明の一実施形態として示した枠体の製造方法を説明するための説明図を示すものである。
まず、ビレット加工した金属材、例えばＮｉ基合金等の耐熱性合金を熱間鍛造加工により、その端面上に凹部を形成した後、この鍛造品をリング圧延機により、図１に示す円環状部品１を形成する。円環状部品１の軸方向の高さＡは、製造する枠体の開口面に沿った方向に対して垂直方向の高さと、後述する型鍛造工程において前記垂直方向に押圧される際の塑性変形代と、１つの円環状部品１から形成する前記枠体の個数等を考慮に入れて決定される。本実施の形態においては、１つの円環状部品１から２つの前記枠体を製造できるように、前記高さＡが設定されている。

ここで、次工程において、この円環状部品１を曲げ加工する鍛造装置５の概略構成について説明する。図２に示すように、鍛造装置５は、基台２と、基台２表面に対して前後移動可能に設けられた第１のパンチ３と、第１のパンチ３の移動方向と垂直方向に互いに同期して接近離間可能に設けられた一組の第２のパンチ４とを備えた構成となっている。ここで、基台２と第１のパンチ３とが互いに相対する表面は、平滑面となっており、一組の第２のパンチ４同士が互いに相対する表面は、互いに相対する方向へ凸となる曲面となっている。
このように構成された鍛造装置５において、円環状部品１を曲げ成形する方法について説明する。まず、第１のパンチ３と相対する基台２の表面に円環状部品１を設置するとともに、円環状部品１の内側に中子６を配置する。そして、第１のパンチ３を基台２表面に対して前進させ、円環状部品１をその内周面が中子６の表面と当接するとともに、第１のパンチ３の移動方向に対する円環状部品１の厚さを所望の厚さまで押圧し、第１の壁部７を備えた曲げ成形品８を形成する。

その後、図３に示すように、第１のパンチ３を後退させないで、曲げ成形品８の第１の壁部７表面に当接させておき、曲げ成形品８の内周面のうち第１の壁部７が形成されていない面が中子６の表面と当接するまで、第２のパンチ４を互いに接近する方向に同期させて移動する。この際、曲げ成形品８において、前記第１の壁部７の非形成面に、第２の壁部９が形成される。以上により、第１の壁部７及び第２の壁部９を備えるとともに、第１の壁部７と第２の壁部９と接続する角部１３を備えた矩形状部品１０が形成される。
ここで、第１の壁部７の前記厚さは、第２の壁部９の第２のパンチ４の移動方向に対する厚さより小となる関係を有した構成となっている。また、第２のパンチ４表面の前記曲面形状に依存して、第２の壁部９の、第１のパンチ３の移動方向に対する中央部には、矩形状部品１０の内方に向けて凸となる凸部１１が形成される。
この凸部１１が形成されることにより、角部１３における角度θは、凸部１１が形成されない場合、すなわち、矩形状部品１０の外周面と当接する第２のパンチ４の表面が平滑面の場合に形成される角度より小さくなる。これに伴い、角部１３は、この矩形状部品１０の外方側へ若干張出した形状となる。なお、本実施の形態においては、角部１３の角度θは、後述する型鍛造により形成する枠体１２に対応する部分の角度θ１より小さい角度で形成され、また、角部１３の前記張出し量は、後述する型鍛造時に用いる金型における角部１３の外側部分を成形する部分により噛み込まれないようにされている。

その後、矩形状部品１０を鍛造装置５から取り外すとともに、矩形状部品１０の内側に配置された中子６を取り外した後、図４に示すように、矩形状部品１０の開口面に沿った方向に対して垂直方向に所定の位置Ｌで矩形状部品１０を切断する。これにより、前記高さＡの半分の高さで形成された矩形状部品が２つ形成されることになる。
そして、この矩形状部品を図示しない型に設置した後、この矩形状部品を前記高さ方向に押圧し型鍛造することにより、所望の形状とされた図５Ａに示す枠体１２が形成される。
ここで、前記矩形状部品の角部１３における角度θは、枠体１２に対応する部分の角度θ１より小さく形成されているので、前記矩形状部品に型鍛造加工を施す際に、この部品に向かって前進移動し、この部品を押圧成形する図示しない金型における、この矩形状部品の角部１３の内側を成形する部分は、この角部１３の内側を噛み込まないことになる。従って、この型鍛造時に、角部１３の内側部分におけるバリの発生を抑制することができ、角部１３の外側部分における欠肉の発生を抑制することができる。

さらに、前記矩形状部品の角度１３を枠体１２のものより小さく形成しておくと、結果として、図６に示すように、この矩形状部品の外方側へこの角部１３が張出すことになり、この角部１３における周長を長くすることが可能になる。言い換えると、この角部１３における体積量を多くすることができ、いわばこの矩形状部品に余肉部を設けることができ、この矩形状部品に型鍛造を施し、枠体１２を形成した際、図６の２点鎖線で示すように、この枠体１２の前記角部を厚肉にすることができる。従って、枠体１２における応力集中個所である角部の肉厚を厚く形成することが可能になるので、高強度化が図られた枠体１２を容易かつ確実に形成することができる。なお、前記矩形状部品の角部１３の角度θは、この型鍛造時に枠体１２における所望の角度θ１に広がることになり、また、角部１３の前記張出し量が前述のようにされているので、角部１３の外側は、型鍛造時、この金型における角部１３の外側を成形する部分により噛み込まれないことになる。

以上のように形成された枠体１２は、リング圧延により形成された円環状部品１に曲げ加工及び型鍛造加工が施されて形成されるので、枠体１２を構成する長壁部１２ａ及び短壁部１２ｂの長手方向に延在するとともに、各壁部１２ａ，１２ｂ同士でグレンフロー（Ｇｒａｉｎ Ｆｌｏｗ）が連続することになる。すなわち、枠体１２の周方向にグレンフローが連続することになる。ここで、グレンフローとは、金属材料を加圧して成形する際に、この加圧による金属材料の変形に従ってこの材料の結晶組織が並んだ状態のことをいい、鍛流線（Ｆｌｏｗ Ｌｉｎｅ）とも呼ばれている。そして、このグレンフローの方向はこれと直角方向よりも機械的強度が高いことが知られている。

このグレンフローは、円環状部品１，矩形状部品１０，または枠体１２に、例えば塩酸と過酸化水素との混合液を用いて１０分から１５分程度エッチング処理を施すことにより、これらの表面に条として目視にて確認することができる場合がある。例えば、矩形状部品１０にこのエッチング処理を施した場合、角部１３には、図７の２点鎖線で示すようなグレンフロー２０を目視にて確認することができる場合がある。
また、枠体１２の諸寸法としては、図５Ａ、図５Ｂに示すように、例えば、長壁部１２ａの長さａが約５００ｍｍ、短壁部１２ｂの長さｂが約２００ｍｍ、枠体１２の高さｃが約５０ｍｍ、長壁部１２ａの厚さｄが約２５ｍｍ、短壁部１２ｂの厚さｅが約３０ｍｍ、長壁部１２ａと短壁部１２ｂとの接続部、すなわち枠体１２の角部１２ｃは、外表面における頂点と内表面における頂点との距離、すなわち肉厚ｆが約５０ｍｍとされて形成されている。

以上説明したように、本実施形態による枠体の製造方法によれば、切削加工工数を最小限に抑えて枠体１２を形成することが可能になる。従って、金属材の歩留まり及び枠体１２の製造工数を削減することが可能になるため、安価に枠体１２を製造することが可能になる。また、図３に示すように、第２の壁部９及び角部１３を形成するに際し、角部１３の角度θをより小さく形成することが可能になる。すなわち、矩形状部品１０外周面と当接する第２のパンチ４の表面を平滑面とした場合に形成される角度より小さく、さらには、枠体１２における所望の角度より小さく形成することが可能になる。
これにより、前記矩形状部品を型鍛造し枠体１２を形成するに際して、前記金型は角部１３の内表面を噛み込むことがないので、角部１３の内面にバリが発生することを抑制することができ、従って、角部１３の外面に欠肉が生ずることを抑制することができる。

また、円環状部品１から矩形状部品１０を形成するに際し、円環状部品１の内側に中子６を配置し押圧するため、押圧による変形を中子６により拘束することが可能になる。従って、容易に矩形状部品１０を所望の形状に形成することが可能になり、枠体１２を安価に提供することが可能になる。
また、矩形状部品１０の前記高さＡを上述した加工代等を考慮して、予め枠体１２の複数個分の高さで形成しておき、矩形状部品１０を前記切断位置Ｌで切断した後、これら矩形状部品を各別に型鍛造し枠体１２を形成するため、高効率に枠体１２を形成することが可能になり、安価に枠体１２を提供することが可能になる。

さらに、枠体１２は、リング圧延により形成された円環状部品１に曲げ加工及び型鍛造加工が施されて形成されるので、枠体１２を構成する各壁部１２ａ，１２ｂの長手方向にグレンフロー２０を延在させることができるとともに、このグレンフロー２０を、角部１２ｃを介して各壁部１２ａ，１２ｂ同士で連続させることができる。すなわち、枠体１２の周方向にグレンフローを連続させることができる。これにより、枠体１２の内側から外側へ向かった力に対する機械的強度、特に、クリープ強度の向上を図ることができる。
従って、発電機用ガスタービン等において、燃焼ガスのタービン羽根への噴接速度を上昇させるために、燃焼ガスが流動する燃焼筒の出口側すなわちタービン側の開口部に、この枠体１２を配設し、前記燃焼ガスの流路断面積を絞るために使用すると、特に著しい効果を奏することになる。すなわち、枠体１２を前述のように配設すると、この枠体１２には、この内側から外側へ向かう大きな力が、高温度下で作用することになるので、クリープ強度が問題となるが、グレンフロー２０を枠体１２の周方向に連続させることができるので、この枠体１２のクリープ強度の向上を図ることができる。

また、発電機用ガスタービン等の運転、停止を繰返すことで、枠体１２には温度サイクルが作用し、繰返し熱応力が作用することになり、耐久性が問題となるが、グレンフロー２０が前述のようになっているので、この耐久性の向上をも図ることができる。
特に、本実施形態による枠体の製造方法においては、前述したように、枠体１２における応力集中個所である角部を厚肉に形成することが可能になるので、前記機械的強度及び耐久性の向上を確実に図ることができる。
以上により、高温の温度サイクル下で高負荷が作用する環境下での使用に、特に好適な枠体１２を提供することが可能になる。

なお、本発明の技術的範囲は前記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。例えば、円環部品１は真円でなくてもよい。また、矩形状部品１０は、矩形に限らず多角形でもよく、また、図３、図４に示すような、角部１３の角度θが約９０°であるものに限らず、例えば平行四辺形でも、扇形でも良い。さらに、矩形状部品１０の前記高さＡを２個分の高さとしたが、その個数以上でも、１個のみであっても良い。

本発明は、例えば、タービン運転装置等の特定部品の製造において好適な枠体を製造する方法に関するものであり、この枠体では、グレンフローを各壁部同士で連続させることが可能になり、機械的強度、特にクリープ強度の向上を図ることができ、さらに、このような枠体を形成するに際し、製造上の不具合発生を抑制し、かつ、金属材の歩留まり及び製造工数の削減を図ることが可能になり、安価に前記枠体を形成することができる。

図１から図５は、本発明の一実施形態として示した枠体の製造方法の第１から第５工程を示す説明図である。
図６は、図４に示す矩形状部品から枠体を形成する際における、矩形状部品の角部を示す拡大平面図である。
図７は、図４に示す矩形状部品にエッチング理を施した際における、矩形状部品の角部を示す拡大平面図である。

Claims (5)

1. 金属製の枠体を形成する枠体の製造方法であって、
   金属材をリング圧延し円環状部品を形成後、該円環状部品を径方向に押圧し曲げ成形して矩形状部品を形成した後、該矩形状部品を型に入れ押圧し型鍛造することにより、枠体を形成する。
2. 請求項１記載の枠体の製造方法であって、
   前記矩形状部品を形成するに際し、前記矩形状部品の矩形形状を構成する角部の角度を型鍛造後の枠体の角度より小さくしておく。
3. 請求項１記載の枠体の製造方法であって、
   前記矩形状部品を形成するに際し、前記円環状部品の内側に中子を配置する。
4. 請求項２記載の枠体の製造方法であって、
   前記矩形状部品を形成するに際し、前記円環状部品の内側に中子を配置する。
5. 請求項１から４のいずれかに記載の枠体の製造方法であって、
   前記円環状部品を形成するに際し、該円環状部品の軸方向に対する高さを、前記枠体の複数個分の高さで形成しておき、該円環状部品に基づいて前記矩形状部品を形成した後、該矩形状部品を前記枠体の１個分の高さ毎に切断し、その後、各別に型鍛造する。

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