JP6519856B2 - 熱間鍛造用金型装置 - Google Patents
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Description
前記の大型熱間鍛造装置に最適な熱間鍛造用金型として、例えば、本願出願人の提案による国際公開第WO2013/147154パンフレット(特許文献1参照)には、被鍛造材を熱間型打鍛造するための熱間鍛造用金型として、前記熱間鍛造用金型は複数個のリング状金型片が互いに同心円状に組み合わされて固定されており、前記リング状金型片の軸方向が被鍛造材を鍛造する際の押圧方向となり、前記熱間鍛造用金型の被鍛造材と接する部分には型彫面が形成されるとともにニッケル基超耐熱合金の肉盛層が形成されている熱間鍛造用金型の発明がある。
ところで、5万トンクラスの大型熱間鍛造装置では、その鍛造荷重も大きくなるため熱間鍛造用金型の構造もそれに耐えうる構造とする必要がある。例えば、同じ材質で熱間鍛造用金型を作製した場合、その金型形状の違いによって熱間鍛造用金型の受ける鍛造荷重を小さくすることができれば、金型寿命を向上させることができる。
また、大型熱間鍛造装置に用いる熱間鍛造用金型は、その総重量は30トンを超える場合もある。例えば、このような重量の熱間鍛造用金型を用いて恒温鍛造やホットダイ鍛造を含む熱間鍛造を行う場合、熱間鍛造用金型とそれに組合わせて使用される中間台も大型化して、熱間鍛造用金型の成形面(作業面)の温度低下(抜熱)が激しいという課題が生じた。熱間鍛造用金型はある程度の温度を維持しておく方が熱間鍛造用金型の寿命を向上させる他、鍛造荷重を低くできて有利である。
本発明の目的は、大型の熱間鍛造装置に用いる熱間鍛造用金型装置において、その金型形状を適正なものとすることで、金型が受ける鍛造荷重を低減させることができ、更に、の温度低下を抑制することが可能な熱間鍛造用金型装置を提供することである。
すなわち本発明は、上金型ダイホルダと上金型とを備える上金型セットと、下金型ダイホルダと下金型とを備える下金型セットと、前記上金型セット及び下金型セットをそれぞれ保持する上金型セット保持部及び下金型セット保持部とを備える熱間鍛造用金型装置であって、
前記上金型は、成形面及び前記上金型セット保持部に対向する底面を備え、前記成形面側から前記底面側に向かって直径が漸増している部分と、前記上金型ダイホルダと接触する段状の押さえ部とを備え、
前記下金型は、成形面及び前記下金型セット保持部に対向する底面を備え、前記成形面側から前記底面側に向かって直径が漸増している部分と、前記下金型ダイホルダと接触する段状の押さえ部とを備える熱間鍛造用金型装置である。
好ましくは、前記熱間鍛造用金型装置の前記上金型の外周面と前記上金型ダイホルダの内周面との間、及び前記下金型の外周面と前記下金型ダイホルダの内周面との間に隙間部を備える熱間鍛造用金型装置である。
更に好ましくは、前記熱間鍛造用金型装置の前記上金型の押さえ部と前記上金型ダイホルダとが接触して、前記上金型が前記上金型ダイホルダを介して前記上金型セット保持部に固定され、且つ、前記押さえ部と前記上金型ダイホルダとが接触する部分には前記上金型からの伝熱を抑制する空隙部を備え、
前記下金型の押さえ部と前記下金型ダイホルダとが接触して、前記下金型が前記下金型ダイホルダを介して前記下金型セット保持部に固定され、且つ、前記押さえ部と前記下金型ダイホルダとが接触する部分には前記下金型からの伝熱を抑制する空隙部を備える熱間鍛造用金型装置である。
更に好ましくは、前記熱間鍛造用金型装置の前記空隙部は溝状であり、該空隙部の断面形状が、半円形状、曲面形状を備えたV字形状、曲面形状を備えたコの字形状の何れかである熱間鍛造用金型装置である。
更に好ましくは、前記熱間鍛造用金型装置の前記上金型は複数個の金型片の組合わせによる組立て体であり、前記下金型は複数個の金型片の組合わせによる組立て体である熱間鍛造用金型装置である。
更に好ましくは、前記熱間鍛造用金型装置の前記上金型の高さよりも前記上金型ダイホルダの高さが低く、且つ、
前記上金型の表面が、前記下金型ダイホルダに対向する面側の前記上金型ダイホルダの表面よりも前記下金型側に突出し、
前記上金型ダイホルダは前記上金型セット保持部に非接触であり、
前記下金型の高さよりも前記下金型ダイホルダの高さが低く、且つ、
前記下金型の表面が、前記上金型ダイホルダに対向する面側の前記下金型ダイホルダの表面よりも前記上金型側に突出し、
前記下金型ダイホルダは前記下金型セット保持部に非接触である熱間鍛造用金型装置である。
更に好ましくは、前記熱間鍛造用金型装置の前記上金型の前記上金型セット保持部側に上金型敷板を備え、前記下金型の前記下金型セット保持部側に下金型敷板を備える熱間鍛造用金型装置である。
更に好ましくは、前記熱間鍛造用金型装置の前記上金型と前記上金型敷板の総高さよりも前記上金型ダイホルダの高さが低く、且つ、
前記上金型の表面が、前記下金型ダイホルダに対向する面側の前記上金型ダイホルダの表面よりも前記下金型側に突出し、
前記上金型ダイホルダは前記上金型セット保持部に非接触であり、
前記下金型と前記下金型敷板の総高さよりも前記下金型ダイホルダの高さが低く、且つ、
前記下金型の表面が、前記上金型ダイホルダに対向する面側の前記下金型ダイホルダの表面よりも前記上金型側に突出し、
前記下金型ダイホルダは前記下金型セット保持部に非接触である熱間鍛造用金型装置である。
図1は本発明の熱間鍛造用金型装置の一例を示す断面模式図である。図1は、上金型ダイホルダ1と上金型2とを備える上金型セット3と、下金型ダイホルダ21と下金型4とを備える下金型セット5を備える熱間鍛造用金型装置を示している。
上金型2は、鍛造時に鍛造用素材を押圧する面に所望の形状が形成されている成形面を有し、上金型セット保持部6と対向する面として底面を有し、上金型ダイホルダ1と接触する押さえ部19を有する。また、下金型4は、鍛造時に鍛造用素材を押圧する面に所望の形状が形成されている成形面を有し、下金型セット保持部7と対向する面として底面を有し、下金型ダイホルダ21と接触する押さえ部19を有する。
上金型ダイホルダ1は上金型2に形成された押さえ部19と上金型ダイホルダ1とを接触させることで上金型2を側面側から保持し、下金型ダイホルダ21は下金型4に形成された押さえ部19と下金型ダイホルダ21とを接触させることで下金型4を側面側から保持するものである。なお、上金型ダイホルダ1及びは下金型ダイホルダ21は、熱間鍛造時の鍛造荷重は加わらないようにしたものである。この上金型ダイホルダ1及びは下金型ダイホルダ21を介して、下記の通り、上金型2は上金型セット保持部6に固定され、下金型4は下金型セット保持部7に固定される。
上金型セット3及び下金型セット5はそれぞれ上金型セット保持部6及び下金型セット保持部7に保持される。図1では、上金型セット保持部6と下金型セット保持部7は中間台として示され、クランプ8と位置決め締結部品(図示せず)により、上金型セット3及び下金型セット5がそれぞれ中間台(上金型セット保持部6,下金型セット保持部7)に保持される。具体的には、上金型ダイホルダ1及びは下金型ダイホルダ21の外周側にクランプが係止され、そのクランプと位置決め締結部品によって、上金型セット3が上金型セット保持部6に、下金型セット5が下金型セット保持部7に固定される。中間台(上金型セット保持部6,下金型セット保持部7)を設けない場合は、熱間鍛造装置本体に直接保持され、熱間鍛造装置本体が上金型セット保持部6と下金型セット保持部7となる。
なお、本発明で言う「上金型セット、下金型セット」とは、上金型2または下金型4とダイホルダ(1または21)との組立て体を言い、「熱間鍛造用金型装置」とは、前述の一対の上金型セット及び下金型セットを備えた金型装置を言う。
なお、図1では、上金型セット保持部6及び下金型セット保持部7側から鍛造素材を加工する作業面側に向かって、上下の金型敷板(11,22)、母型12及び成形型13の3つの金型片を少なくとも有する構造体として示している。この場合、上下の金型敷板(11,22)は、上金型セット保持部6と下金型セット保持部7に熱間鍛造時に均等に荷重を加えるため、上下の金型敷板(11,22)が母型12の底面に接触する面の接触面積は母型12の底面の面積以上を有するものとすると良い。また、上下の金型敷板(11,22)の材質を母型よりも安価な材質とすることで、上金型及び下金型の製作費用を低減することができる。また、母型12と成形型13とを分割するのは、一つには分割することで製造が容易になることと、もう一つには母型と成形型とを分割することで、熱間鍛造前にそれぞれの金型を予熱しやすくなるためである。
例えば、母型と成形型とが一体化している場合、大型熱間鍛造装置に用いようとするとその重量も大きくなり、予熱時間が大幅に長くなる。そこで、分割することにより所定の予熱温度に金型の温度を高める時間を短くすることもできる。また、例えば、母型と成形型とを別な材質とした場合、予熱温度を個別に設定することも可能である。更に、分割型(複数個の金型片)の組立て体とすると、鍛造荷重が大きく加わる成形型を高強度材とし、その他の母型や上下の金型敷板は成形型と比較してやや強度を落として安価な材質で構成することも可能となる。これにより、金型製作費用の低減をはかることができるため、好ましい。
これは、本発明が対象とする熱間鍛造用金型装置は、数万トン規模の大型熱間鍛造装置に使用するものであるため、成形型を備える成形面(作業面)から上金型セット保持部6や下金型セット保持部7に向かって漸減するような形状とすると、上下敷板や上下金型セット保持部に局所的な応力が発生することとなり、熱間鍛造用金型装置を破壊しやすくなるからである。
そこで本発明においては、上金型2及び下金型4が成形面側から底面側に向かって直径が漸増している部分20を有する形状とし、上金型2及び下金型4の底面側に位置する上金型セット保持部6、下金型セット保持部7やハードプレート(上金型敷板11、下金型敷板22)への接触面積を広げて鍛造荷重を分散させる構造とし、上金型2及び下金型4の底面側に位置する部品の破壊や欠陥の発生を防止する。この構造は、特に大型熱間鍛造装置に用いる熱間鍛造用金型装置においては重要である。
なお、図1では直径が漸増している部分20は、押さえ部19から上下の金型セット保持部6,7の間として示しているが、勿論、上金型2と下金型の外周面全体を漸増させてもよい。換言すると、例えば、上金型の場合であると、上金型ダイホルダに対向する上金型の外周部分に1ヶ所以上の漸増する部分を設けるとよい。なお、前記で1つ以上としたのは、図1に示すように、押さえ部19が有る場合、その押さえ部以外の任意の場所に漸増する部分を設ける場合が有るからである。
表1に示すように何れの計算場所においても直径が漸増した部分を有する金型Aの相当応力が低い結果となっている。
これは、前述のように、直径が漸増した部分を設けたため荷重が分散されたものであると考えられ、その効果として敷板や金型セット保持部への局所的な応力の集中を低減することができ、熱間鍛造用金型装置を破壊しづらくすることができる。
この結果から、特に大きな鍛造荷重を必要とする大型鍛造品に用いる熱間鍛造装置に用いる金型の形状は、直径が漸増した部分を設けた方が有利であり、その結果、金型寿命を向上させることができる。
また、本発明においては、上金型2及び下金型4の外周面と上下の金型ダイホルダ1、21の内周面との間に隙間部10を備えることが好ましい。この理由の一つには、大型熱間鍛造装置に用いるダイホルダはその寸法、重量も大きなものとなる。そこで、隙間部10を設けて上金型及び下金型からの抜熱量を少なくしてダイホルダの温度上昇を抑制することで、上金型及び下金型の温度低下を抑制することができる。また、熱間鍛造中や熱間鍛造前の保熱中において、上金型及び下金型が熱による膨張を起こしたときに、隙間部10が緩衝部として機能して上下の金型ダイホルダ1、21の内側にかかる応力を低減することができる。また、熱間鍛造中には、大きな鍛造応力によって上金型及び下金型が変形するが、隙間部10があることでダイホルダの変形が防止でき、上下の金型ダイホルダの寿命低下を抑制することができる。また、ダイホルダを高強度材で作製する必要もなくなり、ダイホルダの作製費用も低減することができる。
そのため、隙間部10としては、熱間鍛造中においても隙間部が維持できるだけの空間を備えておくのが好ましく、温度上昇を抑制すると共に、上金型と下金型と上下の金型ダイホルダとの熱膨張、上金型及び下上金型の変形量も勘案して、上金型2及び下金型4の外周面と前記上下の金型ダイホルダ1、21の内周面との間に1〜40mm程度の隙間部10を設けることが好ましい。この空隙の広さは上金型の寸法によって変化させるのが好ましく、例えば、上金型の直径が1000〜2000mm程度であれば1〜20mm程度とし、上金型の直径が2000mmを超えると5〜40mm程度とすると良い。上金型2の外周面と前記上下の金型ダイホルダ1、21の内周面との空隙を均等に保つために、本発明では位置決め締結部品(図示せず)により、所定の位置に上金型を固定すると良い。
図2で示す2つの金型は、金型Aが上金型2か下金型4に相当するものである。金型Bはダイホルダ(上金型ダイホルダ1または下金型ダイホルダ21)に相当するものである。図2は空隙部9の他、上金型2または下金型4の外周面と前記ダイホルダ(上金型ダイホルダ1または下金型ダイホルダ21)の内周面との間に隙間部10を設けたものである。押さえ部19に設けられた空隙部9の断面形状は半径5mmの半円状であり、金型Aの押さえ部19に沿って3本の空隙部を切削加工により形成した。また、金型Aの外周面と金型Bの内周面に設けた隙間部は10mmとした。ここでは、金型Aに空隙部を形成したが、金型Bに空隙部を形成しても良いし、金型Aと金型Bの両方に空隙部を形成しても良い。
そして、金型Aを450℃に加熱した。金型Bは加熱は行わず、金型Bの試験前温度は20℃である。そして、金型Aを金型Bに嵌め合わせ、金型Bの温度変化を10000秒間測定した。温度変化測定箇所は図2に示す4ヶ所である。試験中は、金型Aは金型Bと押さえ部で接触しており、この部分で熱交換がなされている。なお、比較例として、空隙部及び隙間部を設けないものも同じ条件で試験を行った。その結果を図3(図3(A)が本発明、図3(B)が比較例)に示す。
測定点P2は直接金型Aと金型Bが接触している点である。P2の測定結果は、比較例は200℃まで一気に昇温し、測定終了の10000秒後(2.7Hr後)にも50℃の温度があった。一方、空隙部を設けた本発明のP2では、190℃まで一気に昇温し、その後、速やかに温度が低下した。例えば、60℃までの温度低下時間は、本発明が6350秒(1.76Hr)に対し、比較例では7620秒(2.12Hr)であった。また、空隙部を備えた効果は、他の測定位置でも本発明の方が何れも温度上昇は少ないことでも分かる。本発明の図3(A)の温度変化と比較例の図3(B)の温度変化を比較すると、明らかに空隙部と隙間部を有しない比較例のほうが金型Bの温度が上昇していることがわかる。これにより、空隙部と隙間部を設けることにより、金型Aから金型Bへの伝熱が抑制できることがよく分かる。なお、P2は前述のように、金型Aと金型Bが接触している場所の測定結果である。本発明と比較例共に隙間部を設けており、隙間部が存在すると、飛躍的に金型Bの温度上昇が抑制できるていることが分かる。
その2つ目は、強度の高い材質側に空隙部9を形成することである。空隙部を形成した部分が占める割合が大きくなると、特に数万トン規模の熱間鍛造時には、金型に大きな荷重が加わる。空隙部を形成しても強度低下が低く抑えられるように強度の高い側の部品に空隙部を形成しておくことである。この場合、強度が高いのは、上下の金型ダイホルダに対しては金型である場合が多く、また上下の金型敷板に対しては母型である場合が多い。そのため、金型側(母型側)に空隙部を形成することも可能である。勿論、金型よりも高強度の材料で上下の金型ダイホルダ1、21や上下の金型敷板11、22を作製すると、上下の金型ダイホルダ1、21や上下の金型敷板11、22に空隙部を形成して良い。なお、例えば、金型の強度が最も高い場合であったとしても、大きな鍛造荷重が直接加わる位置への空隙部の形成は避け、また、金型製作費用の面でも金型側に空隙部を製作する場合は金型毎に加工を行う必要があるため費用が嵩む。よって、できるだけ上下の金型ダイホルダ側に空隙部を設けるのが好ましい。
どちらの方法を選択するかは鍛造荷重、製品形状などを勘案して選択すると良い。
また、空隙部の形態としては、例えば、上金型2及び下金型4の底面側(図1では上下の金型敷板接触面側)では、例えば、上金型2及び下金型4の底面を見たときに、直線状、円状、格子状、矩形状等、種々の形状を選択できる。どのような形状とするかは、加工のしやすさ、強度などを考慮して決定すると良い。また、空隙部の加工は、対向する部材のどちらか片方の部材に加工することや、両方の部材に加工することができる。
また、空隙部の深さは0.5〜5mm程度で十分である。伝熱防止効果は、空隙部の深さよりも空隙部を形成する割合の方が影響が大きいので、空隙部の深さを過度に深くする必要はない。
これは、上下の金型ダイホルダ1、21は熱間鍛造時の鍛造荷重は加わらないようにしたものである。例えば、ダイホルダの高さが上金型2や下金型4(上下の金型敷板11、22を有する場合には、上金型と下金型の高さに加えて上下の金型敷板の高さ)以上であると、熱間鍛造時にダイホルダが熱間鍛造荷重を受けるおそれがある。そうなると、ダイホルダが破壊するおそれがあり、ダイホルダの高さは上金型や下金型(上下の金型敷板11、22を有する場合には、上金型と下金型の高さに加えて上下の金型敷板の高さ)よりも2〜10mm程度低くしておき、更に、上下の金型ダイホルダは前記上金型セット保持部6や下金型セット保持部7に非接触としておき、完全に熱間鍛造時の荷重を受けないような構造としておくことが好ましい。
これにより、熱間鍛造時の鍛造荷重をダイホルダが受けるのを確実に防止することができる。
以上、説明する本発明の大型の熱間鍛造用金型装置によれば、熱間鍛造用金型の温度低下を抑制することが可能となる。
2 上金型
3 上金型セット
4 下金型
5 下金型セット
6 上金型セット保持部(中間台)
7 下金型セット保持部(中間台)
8 クランプ
9 空隙部
10 隙間部
11 上金型敷板
12 母型
13 成形型
19 押さえ部
20 直径が漸増している部分
21 下金型ダイホルダ
22 下金型敷板
Claims (8)
- 上金型ダイホルダと上金型とを備える上金型セットと、下金型ダイホルダと下金型とを備える下金型セットと、前記上金型セット及び下金型セットをそれぞれ保持する上金型セット保持部及び下金型セット保持部とを備える熱間鍛造用金型装置であって、
前記上金型は、成形面及び前記上金型セット保持部に対向する底面を備え、前記成形面側から前記底面側に向かって直径が漸増している部分と、前記上金型ダイホルダと接触する段状の押さえ部とを備え、
前記下金型は、成形面及び前記下金型セット保持部に対向する底面を備え、前記成形面側から前記底面側に向かって直径が漸増している部分と、前記下金型ダイホルダと接触する段状の押さえ部とを備えることを特徴とする熱間鍛造用金型装置。 - 前記上金型の外周面と前記上金型ダイホルダの内周面との間、及び前記下金型の外周面と前記下金型ダイホルダの内周面との間に隙間部を備えることを特徴とする請求項1に記載の熱間鍛造用金型装置。
- 前記上金型の押さえ部と前記上金型ダイホルダとが接触して、前記上金型が前記上金型ダイホルダを介して前記上金型セット保持部に固定され、且つ、前記押さえ部と前記上金型ダイホルダとが接触する部分には前記上金型からの伝熱を抑制する空隙部を備え、
前記下金型の押さえ部と前記下金型ダイホルダとが接触して、前記下金型が前記下金型ダイホルダを介して前記下金型セット保持部に固定され、且つ、前記押さえ部と前記下金型ダイホルダとが接触する部分には前記下金型からの伝熱を抑制する空隙部を備えることを特徴とする請求項1または2に記載の熱間鍛造用金型装置。 - 前記空隙部は溝状であり、該空隙部の断面形状が、半円形状、曲面形状を備えたV字形状、曲面形状を備えたコの字形状の何れかであることを特徴とする請求項3に記載の熱間鍛造用金型装置。
- 前記上金型は複数個の金型片の組合わせによる組立て体であり、前記下金型は複数個の金型片の組合わせによる組立て体であることを特徴とする請求項1乃至4の何れかに記載の熱間鍛造用金型装置。
- 前記上金型の高さよりも前記上金型ダイホルダの高さが低く、且つ、
前記上金型の表面が、前記下金型ダイホルダに対向する面側の前記上金型ダイホルダの表面よりも前記下金型側に突出し、
前記上金型ダイホルダは前記上金型セット保持部に非接触であり、
前記下金型の高さよりも前記下金型ダイホルダの高さが低く、且つ、
前記下金型の表面が、前記上金型ダイホルダに対向する面側の前記下金型ダイホルダの表面よりも前記上金型側に突出し、
前記下金型ダイホルダは前記下金型セット保持部に非接触であることを特徴とする請求項1乃至5の何れかに記載の熱間鍛造用金型装置。 - 前記上金型の前記上金型セット保持部側に上金型敷板を備え、前記下金型の前記下金型セット保持部側に下金型敷板を備えることを特徴とする請求項1乃至5の何れかに記載の熱間鍛造用金型装置。
- 前記上金型と前記上金型敷板の総高さよりも前記上金型ダイホルダの高さが低く、且つ、
前記上金型の表面が、前記下金型ダイホルダに対向する面側の前記上金型ダイホルダの表面よりも前記下金型側に突出し、
前記上金型ダイホルダは前記上金型セット保持部に非接触であり、
前記下金型と前記下金型敷板の総高さよりも前記下金型ダイホルダの高さが低く、且つ、
前記下金型の表面が、前記上金型ダイホルダに対向する面側の前記下金型ダイホルダの表面よりも前記上金型側に突出し、
前記下金型ダイホルダは前記下金型セット保持部に非接触であることを特徴とする請求項7に記載の熱間鍛造用金型装置。
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