JP5180669B2 - Mouthpiece shell manufacturing method - Google Patents
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Description
この発明は、半球形鏡板を接合するため、円筒状の端部が口絞りされた圧力容器用大型リング部材の口絞りシェルを鍛造により製造する方法に関する。 The present invention relates to a method for manufacturing a squeezed shell of a large ring member for a pressure vessel having a cylindrical end portion squeezed in order to join hemispherical end plates.
化工機器用リアクターや原子力用圧力容器などの大型圧力容器では、その本体部の直円筒状シェル(ストレートシェル、以下、円筒状シェルまたは円筒状シェル部と記載する)の端部に設けた口絞り部に、半球形状の鏡板が接合されている。従来、この半球形鏡板の直径と本体部の円筒状シェルの外径が大きく異なる場合は、図3(a)に示すように、半球形状の鏡板10と円筒状シェル9dとの間にリング形状で両端面の外径が異なるダッチマン11と呼ばれる中間部材を介在させて接合していた。しかし、この中間部材を介在させる接合方法では、溶接線が増え、製造コストが高くなるため、ダッチマン11と円筒状シェル9dを一体成形することにより、図3(b)に示すように、端部に口絞り部9cが形成された口絞りシェルが求められていた。
For large pressure vessels such as reactors for chemical equipment and pressure vessels for nuclear power, a mouthpiece provided at the end of a straight cylindrical shell (straight shell, hereinafter referred to as cylindrical shell or cylindrical shell portion) of the main body A hemispherical end plate is joined to the part. Conventionally, when the diameter of the hemispherical end plate and the outer diameter of the cylindrical shell of the main body portion are greatly different, as shown in FIG. 3A, a ring shape is formed between the
例えば、特許文献1には、図4(a)、(b)に示すように、芯金5bと金敷6bとの間で、直円筒状の被鍛造部材を回転させながら鍛造する際に、芯金5bに段部5cを設け、被鍛造材1dを鍛造中に、その端部を段部5cに下り込ませることによって、口絞り部9cを形成するようにした大形リングの口絞り鍛造方法が開示されている。
For example, in
また、特許文献2では、図5(a)、(b)に示すように、鍛造リング部材1eの端部に、内面にテーパを有する口絞り成形用ダイ12を作用させて口絞り成形を行なうにあたり、鍛造リング部材1eの成形端部域に薄肉化加工を施すか、またはその領域の周方向にノッチ加工を施して、プレスベッド上の置台13に載置した鍛造リング部材1eに、口絞り成形用ダイ12を、均一圧下するためのプレート15を介してプレス金敷16により作用させる口絞り成形方法が開示されている。
しかし、特許文献1に開示された鍛造方法で口絞り部を成形する場合、口絞り部9cと円筒状シェル部9dの境目に引けによる欠肉が発生する。とくに、円筒状シェル部9cの端部に、その外周にわたって容器支持用に短く突出させた部位を設ける場合、前記欠肉の発生を防止するために余肉を大きく付ける必要があり、コストアップになるとともに鍛造工程設計が難しくなる。また、特許文献2に開示された口絞り成形方法では、口絞り部を、円筒状シェル部(本体部)の拡径鍛造により形成するのではなく、口絞り用成形ダイ12を用いたプレス加工により形成するため、製品の鍛造リングに合わせた口絞り用成形ダイ12が必要となり製造コストが増加する。また、円筒状シェル部の直径が大きくなるとプレス荷重も大きくなることなり、プレス力量よりも大きくなって製造できない場合がある。
However, in the case of forming the squeezed portion by the forging method disclosed in
このため、本出願人は、前記口絞り部と円筒状シェル部の境目に引けを抑制して欠肉の発生を防止し、かつ、鍛造条件によっては発生し得る円筒状シェル部9dの外周面のテーパ発生を防止して、機械加工しろが少なく、製品歩留まりを向上させるために、図6に示すように、リング状素材1fの外周面にノッチ7を加工し、その加工位置や拡径鍛造における圧下率などの鍛造条件を適正化した口絞りシェルの製造方法を開示した(特許文献3参照)。
しかし、特許文献3に開示された鍛造方法で口絞りシェルを製造する場合(図6(a)、(b)参照)、口絞り部9cと円筒状シェル部9dの境目に引けを抑制して欠肉の発生を防止し、かつ、円筒状シェル部9dの外周面のテーパ発生を防止することは可能であるが、リング状素材1fの外径Dが大きくなると、拡径鍛造による円筒状シェル部9dの拡径に伴って、口絞り部9cの絞り径Daも拡径されるため、拡径鍛造における目標絞り量δaに対する周回数や圧下率設定などの鍛造工程設計が難しくなり、したがって、絞り量を目標値まで絞れない可能性がある。
However, when the aperture shell is manufactured by the forging method disclosed in Patent Document 3 (see FIGS. 6A and 6B), the closing of the boundary between the
そこで、この発明の課題は、リング状素材の外周面にノッチを加工して、拡径鍛造により円筒状シェルの端部に口絞り部が一体に形成されるようにした口絞りシェルを製造する際に、大径のリング状素材であっても、円筒状シェル部の拡径に伴う口絞り部の拡径を防止することにより、鍛造工程設計を容易とし、かつ絞り量を大きくとれる口絞りシェルの製造方法を提供することである。 Accordingly, an object of the present invention is to manufacture a mouthpiece shell in which a notch is machined on the outer peripheral surface of a ring-shaped material, and a mouthpiece portion is formed integrally with the end portion of the cylindrical shell by diameter expansion forging. On the other hand, even for large-diameter ring-shaped materials, it is possible to simplify the forging process design and increase the amount of drawing by preventing the diameter of the mouth-drawing part from expanding due to the expansion of the cylindrical shell part. It is to provide a method for manufacturing a shell.
前記の課題を解決するために、この発明では以下の構成を採用したのである In order to solve the above problems, the present invention employs the following configuration.
請求項1に係る口絞りシェルの製造方法は、リング状の被加工材の外周面にノッチを加工する工程を有し、このリング状の被加工材を芯金と金敷との間で回転させながら拡径鍛造することにより、円筒状シェルの端部に口絞り部が一体に形成されるようにした口絞りシェルの製造方法であって、前記円筒状シェルの外径または肉厚が、予め設定した所定の値になるまで口絞り部を予備成形した後、仕上げの拡径鍛造を行なう工程を有し、前記予備成形の後、前記口絞り部を冷却しながら拡径鍛造を行なうことを特徴とする。
The manufacturing method of the mouth-opening shell according to
請求項2に係る口絞りシェルの製造方法は、前記冷却をする口絞り部の先端部が、先端部の端面であることを特徴とする。 According to a second aspect of the present invention, there is provided a manufacturing method of the mouthpiece shell, wherein a tip portion of the mouthpiece portion for cooling is an end surface of the tip portion.
請求項3に係る口絞りシェルの製造方法は、前記冷却を、水もしくは空気、または水と空気との気液混合液で行なうことを特徴とする。 According to a third aspect of the present invention, there is provided a method for producing an aperture shell, wherein the cooling is performed with water or air or a gas-liquid mixture of water and air.
請求項4に係る口絞りシェルの製造方法は、前記冷却を、前記先端部の端面に対向させて、上金敷の直下の先端部端面の位置に、または、この位置を含めて周方向に複数の位置に、それぞれ配置したノズルにより行なうことを特徴とする。 According to a fourth aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing the mouth-opening shell, wherein the cooling is performed at a position on the end surface immediately below the upper anvil, or in a circumferential direction including this position. It is characterized by the fact that it is carried out by the nozzles respectively arranged at the positions.
請求項5に係る口絞りシェルの製造方法は、前記冷却を、前記円筒状シェルの外表面温度と口絞り部の外表面温度との差が100℃〜300℃の範囲にあるように行なうことを特徴とする。
In the method of manufacturing the mouth shell according to
この発明では、リング状素材の外周面にノッチを加工して、このリング状素材を芯金と金敷との間で回転させながら拡径鍛造することにより、円筒状シェル部の端部に口絞り部が一体に形成された口絞りシェルを製造するにあたり、前記拡径鍛造の前半で口絞り部を予備成形した後、この口絞り部の先端部端面などの部位を冷却しながら仕上げの拡径鍛造を行なうようにしたので、口絞り部の温度降下による変形抵抗の上昇により、予備成形された口絞り部の先端部拘束力が強化されるため、円筒状シェル部の仕上げ拡径鍛造に伴う口絞り部の拡径が防止される。それによって、目標絞り量に対する周回数や圧下率設定などの鍛造工程設計が容易となり、絞り量自体も大きくとることが可能となって、簡便な工程設計で機械加工代の少ない口絞りシェルの鍛造仕上がり品が得られ、製品歩留が向上する。 According to the present invention, a notch is formed on the outer peripheral surface of the ring-shaped material, and the ring-shaped material is subjected to diameter forging while rotating between the core metal and the anvil, so that the end of the cylindrical shell portion is apertured. When manufacturing the mouthpiece shell in which the parts are integrally formed, after the mouthpiece portion is preformed in the first half of the above-mentioned diameter expansion forging, the diameter of the finished portion is expanded while cooling the part such as the end face of the mouthpiece portion. Since the forging is performed, the increase in deformation resistance due to the temperature drop of the mouthpiece portion increases the tip restraint force of the preformed mouthpiece portion, which is accompanied by the finish diameter expansion forging of the cylindrical shell portion. The diameter of the mouth restrictor is prevented from expanding. This facilitates forging process design, such as setting the number of laps for the target drawing amount and setting the reduction ratio, making it possible to increase the drawing amount itself, and forging a mouth-drawing shell with a simple process design and low machining costs. Finished products can be obtained and product yield is improved.
以下に、この発明の実施形態を添付の図1および図2に基づいて説明する。 Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 and 2.
図1(a)〜(d)は、実施形態の口絞りシェルの製造工程を示したものである。上端部および底部の偏析部を切断後、加熱された、例えば、炭素鋼または低合金鋼(Cr−Mo鋼等)などの鋼塊1は、上下の金型2、3により据え込み鍛造(Upsetting)された後、ポンチ4で孔あけ(Piercing)され、その際に鋼塊中心部の偏析および空隙欠陥部が除去される(図1(a))。次工程では、前記孔あけ(Piercing)された素材1aに芯金5を挿入して、この芯金5と上金敷6により、素材1aは仕上がり長さまで鍛伸され、内部組織も改善されて、拡径鍛造用の円筒状素材1bが形成される(図1(b))。この円筒状素材1bは、次の第1の拡径鍛造工程で、芯金5と上金敷6により、肉厚t0をtまで減少させながら、その外径D0が中間仕上げ外径Dまで拡径されたリング状の被加工材1cとなる(図1c)。この第1の拡径鍛造工程の終了後、上下動可能な上金敷6を上側に退避させて、芯金5を挿入した状態で、リング状の被加工材1cの口絞り側の端面Eから所要の距離L1の位置の外周面周方向に、図1(e)に要部を示したように、深さhのV字状のノッチ7が加工される。そして、第2の拡径鍛造工程では、芯金5を、その端面5aが前記ノッチ7の直下に位置するように、軸方向に移動させ、口絞り成形を開始する(図1(d))。この口絞り成形開始時に、図2(a)および(b)に示すように、口絞り部の先端部端面Eaを冷却するために、この先端部端面Eaに対向して、上金敷6の直下の位置S1を含めて、周方向に45°の等間隔で合計8箇所の位置S1〜S8に配置したスプレイノズル8から、先端部端面Eaに冷却水が噴射され、口絞り部9aの先端部が強制水冷される。この第2の拡径鍛造工程では、円筒状シェル部9bの外径Dbおよび口絞り部9a先端の外径Daが、非接触式寸法測定器で計測され、口絞り量δ(=(Db−Da)/2)が、リアルタイムで表示されるようになっている。なお、前記ノッチ7は、口絞り部9aの外周面に、軸方向に複数設けることもできる。また、ノッチの形状は必ずしもV字状に限るものではない。
1A to 1D show a manufacturing process of the mouthpiece shell of the embodiment. After cutting the segregated portion at the upper end and the bottom, the
上記の強制冷却時の口絞り部9aの温度Tf、および円筒状シェル部9bの温度Tcは、それぞれの長手方向中央の外表面の位置で測定される。そして、円筒状シェル部9bの外径Dbが所定の仕上がり外径まで拡径鍛造されたときに、目標絞り量δaを得るために、円筒状シェル部9bの温度Tcと口絞り部9aの温度Tfの差ΔTが、100〜300℃の範囲の目標温度差となるように強制水冷時の冷却水流量(スプレイ流量)が制御される。なお、先端部端面Eaの冷却位置は、必ずしも周方向に等間隔に8箇所に限るものではなく、少なくとも上金敷6の直下の位置S1を含んでいれば、例えば、S1と軸対象の位置S5の2箇所のみを冷却してもよい。また、冷却部位は、必ずしも先端部端面Eaに限るものではなく、例えば、口絞り部9aの外周面を冷却してもよい。また、冷却媒体は、窒素ガスなどの空気以外の他の気体でもよく、この他の気体を気液混合ミストに用いてもよい。
The temperature Tf of the
さらに、目標口絞り量δaが比較的小さい場合など、目標絞り量の大きさによって、第2の拡径鍛造工程では、まず、芯金5を、その端面5aが前記ノッチ7の直下に位置するように、軸方向に移動させて口絞り成形を開始し、円筒シェル部9bの外径Dまたは肉厚tが、予め設定した所定の値になるまで口絞り部9aを予備成形した後、上述のように、口絞り部9aの先端部を強制水冷しながら仕上げの拡径鍛造を行なうようにすることもできる。また、前記のリアルタイムで表示された口絞り量δに基づいて、この表示された口絞り量δが目標口絞り量δaを超える傾向が認められる場合には、拡径鍛造工程の途中で、強制冷却を停止することもできる。このようにして、第2の拡径鍛造工程で、外周面に深さhのV字状ノッチ7が加工された、外径D、肉厚tのリング状の被加工材1cから、外径Db、肉厚t1の円筒状シェル部9bの端部に口絞り部9aが一体に形成された口絞りシェル9の鍛造上がり品が製造される。
Further, depending on the size of the target aperture amount, such as when the target aperture amount δa is relatively small, in the second diameter expansion forging step, first, the
低合金鋼(鋼種SCM420)の鋼塊(重量70ton)から、図1(a)および(b)に示した工程により、外径2760mm×肉厚650mm×長さ2300mmの円筒状素材1bを形成し、図1(c)に示した工程により、肉厚tが450mmになるまで拡径鍛造を行なった。このときの被加工材1cの外径は約3000mmである。この拡径鍛造の時点で、被加工材1cの端面Eから800mmの位置の外周面に、周方向に深さh=150mmのV字状のノッチ7を加工した後、図1(d)に示したように、芯金5を、その端面5aがノッチ7の直下に位置するように、軸方向に移動させ、口絞り成形を開始した。この口絞り成形の開始時点から、図1(d)に模式的に示すように、被加工材1cの端面Eを、表1のNo.1〜No.4に示す4条件で、それぞれ強制冷却し、仕上げ外径まで拡径鍛造を行なった(実施例1〜4)。比較例(No.5)として、強制冷却せずに仕上げ外径まで拡径鍛造を行なった。表1にはそれぞれの条件での円筒状シェル部9bの温度Tcと、口絞り部9aの温度Tfとの差および目標絞り量(目標値)δaに対する実績絞り量(実績値)δmを記載した。スプレイ水冷却の場合、ノズル(吐出)圧力3kg/cm2、流量0.2m3/h、強制風冷の場合、空気流量4.8Nm3/hである。
A
表1から、スプレイ水冷却、強制風冷いずれの場合も、口絞り部の先端部端面を冷却しながら、拡径鍛造により口絞り成形を行なう方が、冷却をせずに口絞り成形を行なう場合よりも、絞り量δ(実績値)を大きくとることができる(目標値の80%以上)。スプレイ水冷却の場合、周方向の冷却箇所を複数にする方が絞り量δ(実績)も大きくなり、No.4の上金敷直下の位置S1+軸対象位置S5(図2参照)の2箇所を冷却すると、絞り量δ(実績値)は105mmとなり、目標値(110mm)に対して、95%以上の絞り量を実現することができる。また、No.1の周方向等間隔で8箇所冷却する場合には、目標値(110mm)を超える大きな絞り量をとることができる。この場合には、拡径鍛造中に冷却水流量の調節、または冷却箇所を減少させることにより、目標絞り量を実現することができる。 From Table 1, in either case of spray water cooling or forced air cooling, the mouth drawing is performed by the diameter expansion forging while cooling the tip end face of the mouth drawing without cooling. The aperture amount δ (actual value) can be made larger than the case (80% or more of the target value). In the case of spray water cooling, if the number of cooling locations in the circumferential direction is increased, the amount of restriction δ (actual result) also increases, and two locations, No. 4 position S1 directly below the upper metal pad + shaft target position S5 (see FIG. 2). When cooled, the aperture amount δ (actual value) is 105 mm, and an aperture amount of 95% or more with respect to the target value (110 mm) can be realized. Further, in the case of cooling eight locations at equal intervals in the circumferential direction of No. 1, a large aperture amount exceeding the target value (110 mm) can be taken. In this case, the target throttle amount can be realized by adjusting the cooling water flow rate or reducing the number of cooling points during the diameter expansion forging.
円筒状シェル部9bの温度Tcと口絞り部9aの温度Tfの差ΔTは、スプレイ水冷却、強制風冷いずれの場合でも、上金敷直下の位置S1(図2参照)の1箇所冷却の場合でも、100℃以上となっている(No.2,No.3)。また、周方向等間隔で8箇所冷却する場合には、前記温度差ΔTは、250℃以上となっている(No.1)。一方、冷却を行なわない場合には、温度差ΔTは、58℃と小さく、絞り量δ(実績値)も85mmで、目標値(110mm)の80%以下にとどまっている(No.5)。このように、温度差ΔTが100℃に到達しない小さな値の場合には、絞り量δ(実績値)もあまり大きくとれない。また、温度差ΔTが300℃を超えると、口絞り部の温度が低くなり、変形抵抗が著しく増加するため、端部拘束力が強くなり過ぎて、絞り量δも大きくなり過ぎ、拡径鍛造過程で、目標絞り量に制御することが、却って難しくなる。また、局部冷却のために、円周方向のバラツキも大きくなる。したがって、円筒状シェル部9bの温度Tcと口絞り部9aの温度Tfの差ΔTが100℃〜300℃の範囲にあるように、口絞り部先端部の冷却を行なうことが望ましい。
The difference ΔT between the temperature Tc of the
1:鋼塊 1a:素材b 1b:円筒状素材
1c:リング状の被加工材 2、3:金型 4:ポンチ
5:芯金 5a:芯金端面 6:上金敷
7:ノッチ 8:スプレイノズル 9:口絞りシェル
9a:口絞り部 9b:円筒状シェル部 E:素材端面
Ea:口絞り部端面
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