JP6179796B2 - 熱間鍛造用金型及び熱間鍛造方法 - Google Patents

Description

本発明は、リング状の被鍛造材の熱間鍛造時、形状矯正が容易にでき、真円状の熱間鍛造材を形成できる熱間鍛造用金型及び熱間鍛造方法に関するものである。

例えば、タービンディスク等の製品は、リング状の成形体をリング圧延後に熱間鍛造して中間製品とし、更に機械加工してタービンディスク等の製品として製造されている。
このようなタービンディスクに用いられるリング状の成形体の製造方法としては、例えば、特開２０１１−２５５４０９号公報（特許文献１）に、合金素体を鍛造して円板状の鍛造体を作製する鍛造工程と、前記鍛造体に貫通孔を形成してなるリング状中間体をリング圧延してリング状成形体を作製するリング圧延工程と、を備えるリング状成形体の製造方法であって、前記鍛造工程では、前記鍛造体の周方向のひずみの絶対値εθ１が０．３以上、該鍛造体の高さ方向のひずみの絶対値εｈが０．３以上、これらひずみの絶対値同士の比εｈ／εθ１が０．４〜２．５の範囲内となる熱間鍛造を、少なくとも２回以上行う環状成形体の製造方法の発明の開示がある。

特開２０１１−２５５４０９号公報

上述した特許文献１には、タービンディスクの製造方法としてフローチャートが示され、それによれば、Ｎｉ基合金の溶解・鋳造によりビレットを作製し、次に熱間鍛造を行って鍛造材を得てから穿孔加工・中間リング圧延によりリング状中間材とし、更にリング圧延を行ってリング状成型体とし、熱処理と切削加工によってタービンディスクにする工程が示されている。
この特許文献１の製造方法によれば、熱間鍛造は中間リング圧延用の素材を得るためのビレット作製時に行われるだけとなっている。
これに対し、従来よりも大型のタービンディスクを製造しようとする場合、リング圧延後のリング状の素材を用いて再度熱間鍛造を行う方法が考えられる。しかしながら、リング圧延はリングの一部分を加圧しながら、素材を回転させて圧延する方法のため、素材の厚さに差異が生じて素材が楕円になりやすく、楕円の修正を仕切れずにリング状の素材が楕円形状になっている場合がある。楕円となったリング状の素材をそのまま熱間鍛造用素材として用いようとすると、所望の形状が得られないことから、切削加工により形状修正を行う必要がある。そうなると、楕円となったリング圧延後のリング圧延材を切削加工により形状修正する場合、切削量が増えて歩留りが悪くなるだけでなく、加工時間も長くなり経済的ではない。
本発明の目的は、真円とすることが困難なリング圧延後の楕円形状のリング状の被鍛造材であっても、切削加工を行うことなく形状の矯正が可能で、真円状の鍛造材が得られる熱間鍛造用金型及び熱間鍛造方法を提供することである。

本発明は上述した課題に鑑みてなされたものである。
すなわち本発明は、リング状の被鍛造材を上下一対の金型により熱間鍛造するための熱間鍛造用金型であって、前記一対の金型の少なくとも一方には、前記被鍛造材を押圧する際、前記被鍛造材の内周側の稜部が接触する位置に第一傾斜面が形成されており、前記第一傾斜面の外周方向には第二傾斜面を有し、且つ、前記第一傾斜面は当該金型の中心軸に対する垂直な面に対して２〜３０°の角度を有し、前記第二傾斜面は前記第一傾斜面よりも、当該金型の中心軸に対する垂直な面に対して大きい角度を有する熱間鍛造用金型である。
好ましくは、前記第一傾斜面は、前記一対の金型の両方に形成されており、それぞれの第一傾斜面は当該金型の中心軸に対する垂直な面に対して互いに面対称となっている熱間鍛造用金型である。
また、本発明は、リング状の被鍛造材を上下一対の金型により熱間鍛造する方法おいて、前記一対の金型の少なくとも一方には、前記被鍛造材を押圧する際、前記被鍛造材の内周側の稜部が接触する位置に第一傾斜面が形成されており、前記第一傾斜面の外周方向には第二傾斜面を有し、且つ、前記第一傾斜面は当該金型の中心軸に対する垂直な面に対して２〜３０°の角度を有し、前記第二傾斜面は前記第一傾斜面よりも、当該金型の中心軸に対する垂直な面に対して大きい角度を有し、
前記一対の金型の間に前記被鍛造材を配置し、前記被鍛造材を前記一対の金型で押圧する際、前記被鍛造材の内周側の稜部が最初に前記第一傾斜面に接触し、更に第一傾斜面に沿って押圧されていくことにより、前記リング状の被鍛造材の形状が真円状に鍛造される熱間鍛造方法である。

本発明によれば、真円とすることが困難なリング圧延後の楕円形状のリング状の被鍛造材であっても、切削加工を行うことなく形状の矯正が可能であり、また、真円状に鍛造することができるものであるから、歩留まりを向上させ、経済的にも有利とすることができる。

本発明のリング材成形用の熱間鍛造用金型（下型）に被鍛造材を載置して、熱間鍛造用金型（上型）で鍛造する際の位置関係の一例を示す断面模式図である。 本発明のリング材成形用の熱間鍛造用金型（下型）に被鍛造材を載置した一例を示す断面模式図である。

本発明を図面を用いて説明する。
図１は、本発明に係る熱間鍛造用金型の断面模式図である。本発明は図１に示すように、リング状の被鍛造材１を上下一対の金型（上型２、下型３）により熱間鍛造するための熱間鍛造用金型の発明である。
本発明に係る熱間鍛造用金型では、熱間鍛造用金型のうち、上型２か、若しくは、下型３の少なくとも一方の金型において、前記被鍛造材１の内周側の稜部４と接触する第一傾斜面５を形成するものである。なお、本発明で言う「内周側の領部」とは、被鍛造材上面または下面であって、稜部がなす内周円と、第一傾斜部の外径と等しい外径を有する外周円とで囲まれたリング状の面が第一傾斜面と面接触する箇所を言う。
なお、この第一傾斜面５は下型３に形成される場合、図１上で言えば中心軸から外側に向かって下がる方向に形成され、上型２に形成される場合、図１で言えば中心軸から外側に向かって上がる方向に形成される。この第一傾斜面５は、被鍛造材１の内周側の稜部４と接触するために形成されるので、逆の方向には構成できないことは明らかであり、傾斜の方向は特定される。
本発明を下型３に適用した場合の断面模式図を図２に示す。この図２に示す本発明の金型は、円盤状の下型３の中心軸から金型の外周方向に向かって第一傾斜面５が形成されている。この第一傾斜面５はリング状の被鍛造材１の内周側の稜部４が接触する位置に形成されている。そして、一対の金型で被鍛造材１を押圧するときに、最初に、前記第一傾斜面に前記リング状の被鍛造材１の内周側の稜部４の一部または全部が接触し、更に押圧することによりリング状の被鍛造材１の形状が真円状に鍛造されることになる。このリング状の被鍛造材の内周側の稜部が最初に金型の傾斜面に接触し、更に傾斜面に沿って鍛造されていくことにより、中心に近いほど大きく押圧され、外側に行くほど押圧されないことにより、直径が短い領部から順次第一傾斜面に接触し始め、それに伴い楕円が少しずつ矯正されていき、最終的に被鍛造材の領部全部が第一傾斜面に接触することで、第一傾斜面に沿って被鍛造材の内径が均等に広がって行き、芯出しが容易に行われて鍛造材を真円状に形成することができる。
なお、上記効果を得るには、第一傾斜面はリング状の被鍛造材の内径よりも金型の外周側まで形成しておくことが重要である。

なお、本発明では前述の第一傾斜面５は、金型の中心軸に対する垂直な面に対して２〜４５°の傾斜角を有することが好ましい。金型の中心軸に対する垂直な面に対して２〜４５°の傾斜角を有するとは、言い換えると、円錐の母線と底面のなす角度が２〜４５°であることを言う。
本発明で第一傾斜面５の傾斜角度を２〜４５°とするのは、傾斜角度が２°未満であるとリング状の被鍛造材の内径を確実に真円状に拡張する効果が得にくくなるためである。また、傾斜角度が４５°を超えると、その分、下型３の厚さが厚くなってしまい、金型が大型化してしまう。金型の大型化は、金型作製費用の増加につながり不経済である。そのため、本発明では、好ましい第一傾斜面の傾斜角度を２〜４５°とする。好ましい第一傾斜面の傾斜角度の下限は３°であり、さらに好ましくは５°である。一方、好ましい第一傾斜面の傾斜角度の上限は３０°であり、さらに好ましくは１５°である。
なお、上記のような第一傾斜面を有する金型を、例えば、下型３か上型２のみに用いて、もう一方の金型を平坦状の金型とすることもできる。この場合、第一傾斜面を有する金型でリング状の被鍛造材の内径の形状が真円状に拡張させる効果を得ることができる。
しかし、上下一対の金型の両方に第一傾斜面を形成し、その角度を同じ角度（金型の中心軸に対する垂直な面に対して互いに面対称）とすることで、より確実にリング状の被鍛造材の内周側の形状を真円状に拡張させる効果を得ることができるだけでなく、熱間鍛造による鍛流線による機械的強度の向上や、その後の切削加工での切削量を軽減させ、切削に要する時間を短縮できることから、歩留まりを向上させ、経済的にも極めて有利となる。

また、本発明では、前記第一傾斜面の更に外周方向には、前記第一傾斜面の角度より大きい第二傾斜面６を形成してもよい。第二傾斜面６を形成することにより、リング状の被鍛造材１の芯出しがさらに容易となる。
これは、第二傾斜面６により、型彫の深さが深くなり、たとえ、リング状の被鍛造材１を適当に配置したとしても、芯ずれを軽微なものとすることができるからである。そして、押圧時にリング状の被鍛造材１の金型内での移動が容易になり、結果として押圧時に自動的に芯出しを行うことが可能となる。
なお、本発明の熱間鍛造用金型の第二傾斜面の外周側に型彫面を形成すると、真円状であり、且つ、ニアネットシェイプの鍛造材を得ることが可能である。

次に、上記の本発明の熱間鍛造用金型を用いた実施例を記す。
用意した２つリング状の被鍛造材はＡｌｌｏｙ７１８相当合金の組成を有するものであり、リング圧延によりリング状としたものである。
１つは、リング圧延ままの若干楕円となった被鍛造材Ａであり、もう１つは、本発明の効果をより明確に示すために、リング圧延したリング圧延材の外周面を熱間プレスでプレスして、強制的に楕円形状にしたものを被鍛造材Ｂとした。リング状の被鍛造材の寸法を表１に示す。

上記のリング状の被鍛造材Ａ及び被鍛造材Ｂを用いて、１０００℃にて熱間鍛造を行った。このとき用いた本発明の熱間鍛造用金型は、図１及び２に示すように、上型２と下型３ともに第一傾斜面を同じ角度の７°とした。なお、第二傾斜面の角度は４５°である。
熱間鍛造温度に加熱した被鍛造材Ａ及び被鍛造材Ｂを下型３に配置した。このとき、特に芯出しは行わなかった。熱間鍛造は１５,０００トンプレス鍛造機を用いた。
熱間鍛造の際には、一対の金型で被鍛造材を押圧するときに、第一傾斜面５に被鍛造材内周側の稜部の一部が最初に接触し、更に押圧することによりリング状の被鍛造材の内径の形状が拡張された。特に偏肉等の問題は確認されなかった。
熱間鍛造後の外径寸法と内径寸法を表２に示す。

表２に示すように、被鍛造材Ａ及び被鍛造材Ｂともに、楕円形状が矯正され、真円状となっていることが分かる。
以上のことから、本発明によれば、形状が不安定なリング状の被鍛造材であっても、形状の矯正が可能であり、且つ、芯出しが容易とすることができ、真円状の鍛造材を得られることが分かる。
また、従来のリング圧延材からの切削加工とは異なり、熱間鍛造材を切削加工できることから、歩留まりを向上させ、経済的にも有利とすることが可能である。また、熱間鍛造の鍛流線により、機械的強度の向上も期待できる。

本発明によれば、恒温鍛造やホットダイ等の各種熱間鍛造や熱間プレスに適用可能である。また、真円が求められる、単なるリング状の形状を有する最終製品の形状が楕円となっている場合の形状矯正にも使用することができる。

１ リング状の被鍛造材
２ 上型
３ 下型
４ 稜部
５ 第一傾斜面
６ 第二傾斜面

Claims (3)

1. リング状の被鍛造材を上下一対の金型により熱間鍛造するための熱間鍛造用金型であって、前記一対の金型の少なくとも一方には、前記被鍛造材を押圧する際、前記被鍛造材の内周側の稜部が接触する位置に第一傾斜面が形成されており、前記第一傾斜面の外周方向には第二傾斜面を有し、且つ、前記第一傾斜面は当該金型の中心軸に対する垂直な面に対して２〜３０°の角度を有し、前記第二傾斜面は前記第一傾斜面よりも、当該金型の中心軸に対する垂直な面に対して大きい角度を有することを特徴とする熱間鍛造用金型。
2. 前記第一傾斜面は、前記一対の金型の両方に形成されており、それぞれの第一傾斜面は当該金型の中心軸に対する垂直な面に対して互いに面対称となってい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. リング状の被鍛造材を上下一対の金型により熱間鍛造する方法おいて、前記一対の金型の少なくとも一方には、前記被鍛造材を押圧する際、前記被鍛造材の内周側の稜部が接触する位置に第一傾斜面が形成されており、前記第一傾斜面の外周方向には第二傾斜面を有し、且つ、前記第一傾斜面は当該金型の中心軸に対する垂直な面に対して２〜３０°の角度を有し、前記第二傾斜面は前記第一傾斜面よりも、当該金型の中心軸に対する垂直な面に対して大きい角度を有し、
   前記一対の金型の間に前記被鍛造材を配置し、前記被鍛造材を前記一対の金型で押圧する際、前記被鍛造材の内周側の稜部が最初に前記第一傾斜面に接触し、更に第一傾斜面に沿って押圧されていくことにより、前記リング状の被鍛造材の形状が真円状に鍛造されることを特徴とする熱間鍛造方法。