JP5855529B2 - リング材の熱間圧延方法 - Google Patents

Description

本発明は、周方向に沿った凹部や凸部を備えていて外周面及び内周面が異形となっているリング材（リング状の圧延材）を製造するリング材の熱間圧延方法に関する。

チタン合金などの圧延材を用いて大型でリング材を製造するに際しては、リング圧延機において、リング状の圧延材を回転させながら、マンドレルロールを圧下させて、目標の形状及び外径寸法に圧延する。このように製造されたチタン合金製で大型のリング材は、例えば、航空機用ジェットエンジンのファンケースなどに用いられている。
このように、大型のリング材を製造する際に用いられるリング圧延機は、円筒状の圧延材を回転させるキングロールと、このキングロールと対面し、且つ圧延材を圧下するマンドレルロールと、圧延材の真円度を維持し、且つ圧延材が水平方向に移動しないように保持するセンタリングロールと、圧延材が圧延されることによって軸心方向（垂直方向）に移動しないように保持するアキシャルロールとで構成されている。製造するリング材がその外周面に凸部や凹部を備える「異形リング材」の場合、キングロール及び／又はマンドレルロールは、その表面に突起を有したプロファイルで構成されている。

上記したような、リング圧延機を用いて、鋳片から目標とする形状や寸法精度（真円度や外径寸法）のリング材まで圧延を行うに際しては、リング圧延中において、圧延材の円形状を維持したり、圧延材が上下方向及び水平方向に移動しないように維持するといった制御を行うことが非常に重要な事項となる。そのために、様々なリング圧延の技術が開発されている。

例えば、特許文献１には、リング状被圧延材の外径寸法をトレーサにより検知しながら、該被圧延材の半径方向の肉厚圧下を行うメインロール及びマンドレルと、該被圧延材の軸心方向の高さ圧下を行う上下一対のエッジャーロールとにより、該被圧延材を目標とする外径、内径、高さとなるようにリングローリング圧延を行う方法において、前記マンドレルとして、前記メインロールに対する直径比が１０〜２５％のマンドレルを用い、前記被圧延材の半径方向の肉厚圧下を行う技術が開示されている。

特開２００２−２１０５０４号公報

従来、異形リング材を製造するには、圧延材を圧延する前に、前段工程として、リング状の圧延材の外周面に、予め凹凸形状を削っておき、表面切削後の圧延材をリング圧延機で圧延するようにしている。圧延の際には、リング圧延機のセンタリングロールやアキシャルロールの位置や、マンドレルロールの送り速度などを制御するようしている。
ところが、異形リング材を製造すべく、突起形状を有したプロファイルを備えたキングロール及び／又はマンドレルロールで構成されたリング圧延機を用い、上記の制御方法でリング圧延を行った場合、目標の形状や外径寸法を得ることが困難なことがあった。

例えば、上部と下部（軸心方向に２等分）とが非対称のプロファイルを有したキングロール及びマンドレルロールでリング圧延を行うと、これらロールとリング材との排除面積が上部と下部とで異なり、圧延中における圧延材の軸方向での圧下率が不均一になる。このように、圧下率が不均一の状態で圧延材を圧延すると、上下で異形の突起形状を有したプロファイルによって、圧延中における圧延材の流れ方向が異なり、例えば、圧延材が上方に向かって広がるように圧延される状況が往々にして発生する。すなわち、圧延材が上方に向かってテーパ形状（ラッパ形状）に形成されるようになる。従って、目標のリング形状を得ることができない状況が発生する。

リング状の圧延材にテーパ形状が形成されると、この圧延材が圧延ロール（キングロールとマンドレルロール）に斜め方向に挿入されるようになる。圧延材が回転することによ
って斜め方向に繰り返し挿入されることになり、この圧延材が上下方向に移動してしまう問題も生じる虞がある。さらに、圧延材が上下方向に大きく移動することにより、圧延材の外周面に形成された突起形状が潰れてしまう問題も生じるようになる。その結果、良好な寸法精度を有した異形リング材の製造が困難となる。

そこで、特許文献１の技術を適用することが考えられるが、特許文献１のリング圧延の製造方法は、圧延時に生じるリング材の軸心方向のへこみ及びリング材の径外方向のへこみを軽減することができるとされるものの、圧延時におけるリング材（特に異形リング材）のラッパ形状を抑制したり、圧延中での圧延材の上下移動を抑えたりする技術を提供するものとはなっていない。高精度の大型のリング材を製造する現場では、圧延中の圧延材がテーパ形状になるのを未然に防ぐことのできる技術の要望が挙げられている。リング状の圧延材の外周面に予め凹凸形状に削る切削工程は、製造コストが高いため、この切削工程を排除する要望も挙げられている。

そこで、本発明は、上記問題点に鑑み、異形リング材を製造する際に、上下非対称のプロファイルを有したキングロールと圧延材との排除面積を制御することで、外周面が加工されていないリング状の圧延材から圧延精度のよい異形リング材を確実に製造することのできるリング材の熱間圧延方法を提供することを目的とする。

上述の目的を達成するため、本発明においては以下の技術的手段を講じた。
本発明に係るリング材の熱間圧延方法は、リング状の圧延材を周方向に回転させるキングロールと、当該キングロールと対面し且つ前記圧延材を半径方向に圧下するマンドレルロールとを有し、前記キングロール及び／又はマンドレルロールがロール軸心方向に沿って非対称のプロファイル形状を備えているリング圧延機を用いて、軸心方向に１つ以上の突起が外周面に形成されている異形リング材を熱間で圧延するリング材の熱間圧延方法であって、圧延初期における前記キングロールと圧延材との排除面積を、圧延材の軸心方向に沿った中央より上部の排除面積Ａ１と下部の排除面積Ａ２とに分けて算出し、算出された上部の排除面積Ａ１と、下部の排除面積Ａ２との値を用いて、前記キングロールと圧延材との排除面積の比（Ａ１／Ａ２）を算出し、前記排除面積の比（Ａ１／Ａ２）が、式（１）を満たし、前記圧延初期とは、前記キングロールと圧延材の接触長さが、前記圧延材の軸心方向に沿って０％より大きく１０％以下となっている圧延状態であることを特徴とする。

好ましくは、前記排除面積の比が、式（１）に代えて、式（２）を満たすとよい。

好ましくは、前記圧延材の軸心方向に沿った高さｈと、当該圧延材の半径方向の厚みｄとの比が、式（３）を満たすように、圧延を行うとよい。

本発明のリング材の熱間圧延方法によれば、異形リング材を製造する際に、上下非対称のプロファイルを有したキングロールと圧延材との排除面積を制御することで、外周面が加工されていないリング状の圧延材から圧延精度のよい異形リング材を確実に製造することが可能となる。

リング圧延機の概略を示す模式図である。 リング圧延機における圧延状態を示す断面図である。

以下、本発明に係るリング材の熱間圧延方法の実施形態を、図を参照して説明する。なお、本実施形態では、航空機用ジェットエンジンのファンケースなどに用いられるような純チタン製及びチタン合金（Ti-6Al-4Vなど）製の大型のリング材Ｚを例にとり説明する。
図１に示すように、本実施形態のリング材の熱間圧延方法に用いられるリング圧延機１は、リング状の圧延材Ｗ（元材）を所定の形状及び外径寸法のリング材Ｚ（圧延製品）に圧延するものである。

このリング圧延機１は、リング状の圧延材Ｗを回転させるキングロール２と、このキングロール２と対面し、この圧延材Ｗを径外方向に圧下するマンドレルロール３と、圧延材Ｗの真円度を維持しつつ、この圧延材Ｗが水平方向に移動しないように保持するセンタリングロール４と、この圧延材Ｗが圧延されることによって軸心方向（垂直方向）に移動しないように保持するアキシャルロール５とで構成されている。

キングロール２は、リング状の圧延材Ｗの外周面側に回転自在に固定されている。キングロール２は、モータなどの駆動装置が接続され回転駆動するようになっている。キングロール２が回転することによって、キングロール２と接触したリング状の圧延材Ｗが回転するようになる。本実施形態の場合、キングロール２は、突起を有したプロファイル（表面断面プロファイル）で構成されている。このプロファイルは、キングロール２の軸心に対して中央部より上部側と、中央部より下部側とで、異なった形状を有している。すなわち、このキングロール２は、上下非対称のプロファイルを有している。このプロファイルによって、リング材Ｚの外周面に上下非対称の突起が形成される。

マンドレルロール３は、キングロール２より小径の円筒形状であって、キングロール２と対面する位置（リング状の圧延材Ｗの内周面側）に回転自在で設置されている。マンドレルロール３は、水平方向（半径方向）に移動することができ、圧延材Ｗの内周面に接触している。このマンドレルロール３をリング状の圧延材Ｗの内周面に接触させると、リング状の圧延材Ｗの回転により、マンドレルロール３も従動回転するようになっている。接触したマンドレルロール３を径外方向にさらに移動させることで、圧延材Ｗに対する圧下が行われるようになっている。

なお、マンドレルロール３も所定の突起を有したプロファイルで構成されていてもよい。このプロファイルは、マンドレルロール３の軸心に対して中央部より上部側と、中央部より下部側とで、異なった形状を有している。すなわち、このマンドレルロール３は、上下非対称のプロファイルを有している。このプロファイルによって、リング材Ｚの内周面に上下非対称の突起が形成される。

センタリングロール４は、円筒形状であって、マンドレルロール３と対面するように左右一対で構成され、リング状の圧延材Ｗの外周面側に回転自在に固定されている。すなわち、リング状の圧延材Ｗが、センタリングロール４とマンドレルロール３との間を通過す
るようになっており、周方向に伸びた圧延材Ｗに曲げを与えることで、リング材Ｚの真円度の調整を行っている。また、センタリングロール４の径内方向への圧下により、リング材Ｚが水平方向へ移動しないように抑制されている。

アキシャルロール５は、円錐形状であって、キングロール２と対面する位置に上下一対、傾斜状態で配置されている。上下一対のアキシャルロール５の側面は、リング状の圧延材Ｗの上端面及び下端面を挟むように接触している。接触したアキシャルロール５は、リング状の圧延材Ｗの回転により回転し、上下（高さ）方向の圧下を行うようになっている。また、圧延材Ｗの上下方向の移動を抑制し、高さ方向の形状を保持している。

次に、上記のリング圧延機１を用いて、熱間でリング材Ｚを圧延するリング材の熱間圧延方法について説明する。
まず、チタン合金などの鋳片を加熱炉で所定の温度（６００℃〜１１００℃）まで加熱する。加熱された鋳片は、上下一対に配置された金型を備えたプレス機に導入される。加熱された鋳片は、上側にある金型の圧下によって、予め決定された板厚及び外径のディスク状の圧延材Ｗに形成される。さらに、ディスク状に形成された圧延材Ｗの中央部を穿孔し、予め決定された内径に拡張することで、圧延材Ｗがディスク形状からリング形状に加工される。

次に、リング状に加工された圧延材Ｗは、次工程にあるリング圧延機１に設置される。
このリング圧延機１では、この圧延材Ｗの外周面にキングロール２を接触させ、圧延材Ｗの内周面にマンドレルロール３を接触させる。リング圧延機１に設置されたリング状の圧延材Ｗは、キングロール２の回転駆動により回転し、キングロール２の対面に備えられたマンドレルロール３をキングロール２に近づけることで、圧延材Ｗは圧下され圧延が進む。目標の圧延精度になるまで、圧延材Ｗを回転させながら圧延を行うリング圧延を繰り返す。圧延されたリングは、熱処理後、製品検査を経て、最終の圧延製品となる。

このように、圧延材Ｗを回転させながら、目標の圧延精度になるまで繰り返し圧延を行うことで、目標の圧延精度を有した大型のリング材Ｚを製造することができる。
ところで、リングの圧延が進むにつれて、圧延材Ｗの外周面には、上下非対称のプロファイルを有したキングロール２により、突起が形成される。この上下非対称のプロファイルによる圧延は、圧延中においてのキングロール２の圧下率が上下で異なり、それに伴って材料流れの状況が異なるものとなり、リング材Ｚが上方あるいは下方に向かって開くようなテーパ形状（ラッパ形状）に形成されることがある。このようなテーパ形状が形成されることによって、所望される円筒度（軸心方向に真直な円筒）が得られず、最終製品である異形リング材Ｚの圧延精度に大きく影響を与える。また、テーパ形状のまま圧延されると、この圧延材Ｗが上下に移動してしまい、リングの製造が困難になってしまう虞もある。

そこで、本願発明者らは、鋭意研究を重ねた結果、圧延初期におけるリング状の圧延材Ｗと、表面断面プロファイルを有したキングロール２との接触面積を制御すると、圧延中に発生する圧延材Ｗのテーパ形状が抑制されることを見出した。
以下、本発明のリング材の熱間圧延方法について詳しく説明する。
本発明のリング材の熱間圧延方法は、圧延初期において、圧延材Ｗとキングロール２との排除面積を、圧延材Ｗの軸心方向に沿った中央より上部の排除面積Ａ１と下部の排除面積Ａ２とに分けて算出し、算出された上部の排除面積Ａ１と、下部の排除面積Ａ２との値を用いて、キングロール２と圧延材Ｗとの排除面積の比（Ａ１／Ａ２）を算出し、その算出した排除面積の比（Ａ１／Ａ２）に基づいて、キングロール２と圧延材Ｗとの圧下状態を設定する。

図２に示すように、リング状の圧延材Ｗの外周面にはキングロール２を接触させ、内周面にはマンドレルロール３を接触させる。これらロール２，３が圧延材Ｗに接触してから、ある程度圧延が進むまでの期間を圧延初期と呼ぶ。本実施形態の場合、圧延初期は、キングロール２と圧延材Ｗの接触長さが、圧延材Ｗの軸心方向に沿って０％より大きく１０％以下となっている圧延状態のことである。

例えば、図２には、圧延材Ｗの中央より上部の接触長さ（ａ）と、その中央部より下部
の接触長さ（ｂ，ｃ）とが示されており、これらを合計した接触長さ（ａ＋ｂ＋ｃ）が圧延材Ｗの高さｈに対して、０％より大きく１０％以下（０．１ｈ以下）の範囲でキングロール２と圧延材Ｗが接触した状態が示されている。
次に、圧延初期での接触長さが１０％以下の範囲内におけるキングロール２と圧延材Ｗとの接触面積を算出する。このとき、圧延材Ｗの軸心方向に対して中央より上部側と下部側に分けて排除面積を算出する。算出された排除面積の内、上部側の排除面積をＡ１（接触長さａの範囲）とし、下部側の排除面積をＡ２（接触長さｂ，ｃの範囲）とする。算出した上部側の排除面積Ａ１と、下部側の排除面積Ａ２との比（Ａ１／Ａ２）を算出する。算出された排除面積の比が式（１）の範囲を満たすように設定する。排除面積の比が、式（１）の範囲を満たすことで、圧延中に発生する圧延材Ｗのテーパ形状を抑制することができる。

さらに、この算出された排除面積の比を式（１）に代わって、式（２）の範囲を満たすようにすると、圧延中に発生する圧延材Ｗのテーパ形状を抑制することができ、圧延中における圧延材Ｗの安定性を保持することができる。

このように、圧延初期において、上部の排除面積Ａ１と下部の排除面積との比が、式（１）若しくは、式（２）の範囲を満たすように、キングロール２と圧延材Ｗを接触させておくようにする。
また、圧延材Ｗの軸心方向に沿った高さｈと、この圧延材Ｗの半径方向の厚みｄとの比が、式（３）の範囲を満たすように、圧延を行うようにする。

このように、圧延初期においてのキングロール２と圧延材Ｗとの接触状態の設定値（排除面積の比）を、式（１）若しくは式（２）の範囲内にし、圧延材Ｗの高さｈ、圧延材Ｗの厚みｄの比を式（３）の範囲内で圧延することで、圧延中のテーパ形状（ラッパ形状）を抑制することができ、目標の異形リング材Ｚの製造が可能となる。
［実験例］
以下、本発明のリング材の熱間圧延方法に基づき、異形リング材Ｚを圧延した実験例について、述べる。

表１は、算出した上部側の排除面積Ａ１と、下部側の排除面積Ａ２との比（Ａ１／Ａ２）が式（１）の範囲を満たすように、リング圧延を行なった結果をまとめたものである。

異形リング材Ｚを圧延した実験では、リング圧延機１に設置した真直なリング状の圧延材Ｗと、キングロール２との排除面積の比（Ａ１／Ａ２）を算出し、その条件でリング圧延を行い異形リング材Ｚを製造する。そして、リング圧延中にリング状の圧延材Ｗが、上下に振動するように移動する移動量（圧延材Ｗの浮き上がり量）を測定した。
表１に示すように、リング状の圧延材Ｗの上方への移動量を目視にて観察して記録し、５．０ｍｍより大きく移動した場合を不可「×」とし、３．０ｍｍより大きく５．０ｍｍより小さく移動した場合を可「△」とし、０ｍｍより大きく３．０ｍｍより小さく移動した場合を良好「○」とし、０ｍｍ（ほとんど移動せず）の場合を最良「◎」として、リング状の圧延材Ｗの移動量の評価、即ち、圧延材Ｗの圧延安定性（テーパ形状の有無）の評価を行った。

その結果、表１にて排除面積の比（Ａ１／Ａ２）が０．４〜０．６及び１．４の場合、リング圧延において、圧延中の圧延材Ｗが上方へ５．０ｍｍ以上浮き上がることが観察され、結果的に異形リング材Ｚを製造することが困難であった。この場合、リング材Ｚには
明らかなテーパ形状が発生していることを確認している。
排除面積の比（Ａ１／Ａ２）が０．７及び１．３の場合、リング状の圧延材Ｗが上方へ３．０ｍｍより大きく５．０ｍｍより小さい範囲で浮き上がることが確認され、リング材Ｚの製造がやや困難な状況であったことを示している。

表１の排除面積の比（Ａ１／Ａ２）が０．８及び１．２の場合には、圧延中のリング状の圧延材Ｗの浮き上がり量が０ｍｍより大きく３．０ｍｍより小さいため、異形リング材Ｚの製造が良好な状況で行われた。この場合、リング材Ｚにおいて、テーパ形状の発生を抑制することができた。
表１の排除面積の比（Ａ１／Ａ２）が０．９〜１．１の場合には、リング圧延において、圧延中のリング状の圧延材Ｗが上方への移動がほとんど見られなかった（０ｍｍ）。そのため、異形リング材Ｚの製造が良好な状況で行われ、且つ製造されたリング材Ｚにはテーパ形状が全く発生していなかった。

これらから分かるように、軸心方向に１つ以上の突起が外周面に形成されている異形リング材Ｚを製造するリング圧延では、突起を有したプロファイル（表面断面プロファイル）で構成されたキングロール２と、圧延材Ｗとの排除面積を上部の排除面積Ａ１と下部の排除面積Ａ２とに分けて算出し、これら算出された排除面積の値を用いて排除面積の比（Ａ１／Ａ２）を算出する。この排除面積の比が、０．９以上１．１以下の範囲、すなわち、上部の排除面積Ａ１と下部の排除面積Ａ２とがほぼ等しい面積とすることで、圧延中における圧延材Ｗのテーパ形状（ラッパ形状）を完全に抑制することができ、目標の異形リング材Ｚを製造できる。また、排除面積の比（Ａ１／Ａ２）が、０．７以上１．３以下の範囲であっても、テーパ形状を抑制することができ、目標の異形リング材Ｚを製造できる。

なお、今回開示された実施形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。また、今回開示された実施形態において、明示的に開示されていない事項、例えば、動作条件や測定条件、各種パラメータ、構成物の寸法、重量、体積などは、当業者が通常実施する範囲を逸脱するものではなく、通常の当業者であれば、容易に想定することが可能な値を採用している。

１ リング圧延機
２ キングロール
３ マンドレルロール
４ センタリングロール
５ アキシャルロール
Ｗ 圧延材
Ｚ リング材（異形リング）

Claims (3)

1. リング状の圧延材を周方向に回転させるキングロールと、当該キングロールと対面し且つ前記圧延材を半径方向に圧下するマンドレルロールとを有し、前記キングロール及び／又はマンドレルロールがロール軸心方向に沿って非対称のプロファイル形状を備えているリング圧延機を用いて、軸心方向に１つ以上の突起が外周面に形成されている異形リング材を熱間で圧延するリング材の熱間圧延方法であって、
   圧延初期における前記キングロールと圧延材との排除面積を、圧延材の軸心方向に沿った中央より上部の排除面積Ａ１と下部の排除面積Ａ２とに分けて算出し、
   算出された上部の排除面積Ａ１と、下部の排除面積Ａ２との値を用いて、前記キングロールと圧延材との排除面積の比（Ａ１／Ａ２）を算出し、
   前記排除面積の比（Ａ１／Ａ２）が、式（１）を満たし、
   前記圧延初期とは、前記キングロールと圧延材の接触長さが、前記圧延材の軸心方向に沿って０％より大きく１０％以下となっている圧延状態である
   ことを特徴とするリング材の熱間圧延方法。
   
2. 前記接触面積の比が、式（１）に代えて、式（２）を満たすことを特徴とする請求項１に記載のリング材の熱間圧延方法。
   
3. 前記圧延材の軸心方向に沿った高さｈと、当該圧延材の半径方向の厚みｄとの比が、式（３）を満たすように、圧延を行うことを特徴とする請求項１に記載のリング材の熱間圧延方法。