JPH0246945A - タービン羽根素材の成形方法及び装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、タービン羽根の素材成形に係り、特に、非対
称横断面をもち、長手方向に連続的に形状が変化するタ
ービン羽根の成形に好適な成形方法及び装置に関する。

〔従来の技術〕

従来、タービン羽根素材の製造は、第１２図（ａ）、（
ｂ）、（ｃ）に示すように、特定の長さの丸棒素材１を
加熱し、素材１を据え込み、最終型鍛造材３２と長手力
向各断面の断面積を合せた円錐台に予備成形材３１を成
形し、第１３図（ａ）に示すように、スクリュウプレス
４１を用いてスライド４３の下面に密閉上型４４をとり
つけ、下部に密閉下型４５を設定し、スライド４３がガ
イド４２に沿って移動自圧することにより、第１２図（
ｃ）に示す型鍛造材３２を成形している。その成形過程
をタービン羽根の任意断面について、第１３図（ｂ）に
示し、その際のストローク、荷重線図を第１３図（ｃ）
に示す。この方法の主な欠点は、密閉総型を用いて鍛造
するため、多大の加工力が必要で、数千トンから一万ト
ンをこえる場合もあり、鍛造工程が多く、多大の労力を
要し、金型製作費も高く、各タービン羽根と対応して各
各金型が必要で、成形プレス投資コストも草大である。

又、別な成形方法は、特開昭５５−１６１５４２号に記
載の様に、素材の絞り加工を密示したダイセットの！■
−空間内で三次元的プレスと合同して、単一工程で、処
理可能となっているが、雌雄金型を用いること、及び、
最終的に密閉したダイセット内で＠造することであり、
成形力はさ程小さくなく、型製作費についても考慮され
ていない。

更に、タービン羽根の予備成形材３１の成形については
、マニュファクチュアリング　システムズ　ボリューム
１１ナンバー４第３２３頁から、第３３３頁（ＭＡＮＵ
ＦＡＣＴＵＲＩＮＧ　ＳＹＳＴＥＭＳ　Ｖｏｌ　１１　
。

Ｎｏ、４　ＰＰ３２３〜３３３）において、論じられて
いる。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記、従来技術は、鍛造に使用する金型の共用化及び鍛
造に要する成形力について考慮がされておらず、成形力
が大きく、又、金型形状が複雑な三次元形状で、かつ、
各種タービン羽根に対応して各々金型が必要で、金型製
作期間及び製作費が大で、かつ、鍛造プレス設備容量が
多大で、設備費が多大である問題があった。

本発明の目的は、鍛造成形力を数十分の−に小さくし、
タービン羽根素材を部分金型を用いて対称断面成形後、
巾広げ成形で、断面の非対称化を図ることで、タービン
羽根素形材の逐次部分型鍛造を可能とし、変形が少なく
、かつ、加工能率の向上が図られ成形のフレキシブル化
による多種少量鍛造への経済的適用・金型コストの低減
を図ることにある。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的は、タービン羽根素材を、巾方向を中心に対し
て、左右対称な断面形状の金型を用いて、成形後、巾方
向中央部より出口側にかけて、幅拡げ成形用平型を用い
て、素材の長手方向送りと、巾方向送りを組合せ、幅方
向に厚みを階段状に、順次、成形し、成形に伴う変形を
拘束ガイドを用いて矯正し、仕上げ成形々状に対して均
一な鍛造率となる非対称形状断面を得る。次いで、最終
的に加圧部の巾方向形状がタービン羽根横断面々形状に
均一の取代がついた形状で、かつ、長手方向の成形の巾
の狭い異なる一対の金型を用いて、連続的に部分金型を
自動交換しながら、長手方向に、逐次、成形することに
より達成される。

〔作用〕

素材は、丸棒とし、タービン羽根最終成形品に相当する
体積と等しく、かつ、直径は、最大成形中の６０〜８０
％程度とし、最初にフラットな金型で一端を矩形状に成
形し、以後のタービン羽根成形におけるマニプレータの
把握部とする。尚、本把持部は、最終的には切断される
ため、材料歩留り上、最小にすることが望ましく、溶接
でとりつけることもある。対いで、円弧タップ型を用い
て丸棒をテーパ丸棒に成形する。テーパの形状は、最終
成形品のテーパに対応して適切に決定される。

次いで、翼巾の小さな端面側の断面において中中心に対
して対称な断面形状をもつタービン羽根の長手方向に対
して十分小さな巾の金型を用いて、長手方向に、順次、
連続成形を進める。

次いで、巾方向へ拡げ成形を行なうため、金型を素材軸
方向にとりつけ、素材を軸方向に送ると共に巾方向に上
・上移動させ連続的に断面の厚みを、順次、成形し、断
面の非対称化を図る。この際の巾拡げ成形の断面形状は
、仕上成形時の断面形状に対して、鍛造率が巾方向に均
一になるように成形序され、変形拘束ガイドを非成形部
側にマニプレータにより装置、連動させ成形時の変形を
防止する。

最後に、タービン羽根の断面形状をもつ金型で、長手方
向に成形し、適切な位置で、金型を交換し、なめらかな
所要の断面形状に成形することができる。

〔実施例〕

第８図（ａ）、（ｂ）に本発明の対象であるタービン羽
根２を示す。材質は、通常１２Ｃｒ不銹鋼で、第８図（
ａ）に示すように、横断面形状は。

設計上、複雑な非対称形状であり買入端部２２から翼車
端部２１にかけて、形状が変化している。

本発明は、このタービン羽根２の素材の成形方法および
装置に関するもので、本成形素材は、熱処理後、機械（
切削・研削）加工により、最終製品となる。

本成形方法として、まず、第１図（ｆ）　ノ９−ビン羽
根素材２０の全体Ｍ量を算出し、（ａ）の丸棒の寸法を
決め、基本素材１０とする。次いで、第（ｂ）に示す、
第一次素材１１を成形する。即ち、素材把持部１５の部
分をフラットな一対の左金型４、右金型５を用いて、交
互に成形する。第一次素材１１は、素材把持部１５を幅
Ｗｎ、高さ、ＨＲ、長さＬＲの矩形断面に成形したもの
である。

素材把持部１５は、作業上必要なもので、最終的には、
切断される。従って、この部分を予め溶接で接合するこ
ともある。

次に、（ｃ）に示す第二次素材１２を成形する。

本成形では、丸棒を、一対の左金型４、右金型５を用い
て成形し、テーパ丸棒とする。左金型４右金型５は、丸
タップ型であり、各断面は長さＬｌに対して直径φＤよ
りφｄまで連続成形される。

次に、（ｄ）に示す第三次素材１３を成形する。

この成形は、（ｆ）の１−１断面の形状を第２図（ａ）
に示すように対称化した対称断面１６をもつ左右金型４
．５　を用いて、テーパ丸形状断面を、順次、加圧成形
することにより、タービン羽根素材長手方向へ成形して
いく。テーバ丸棒部Ｌ１寸法がＬｌまで鍛伸される。以
上の成形をワンヒートの中で行なう。次いで、再加熱を
行ない、所要温度に加熱保持後、第（ｅ）に示す第四次
素材１４を成形する。本成形は、素材巾方向に狭く、長
手方向に広いフラットな左右金型４．５　を用いて、素
材を巾方向に送ると共に、順次加圧することにより、巾
方向に拡げることにより、断面形状の非対称化を図る。

即ち、第２図（ｂ）に示すように、対称断面１６の中央
より上の部分を順次加圧し、上部に巾を拡げ１幅拡げ断
面１７に成形し、断面形状の非対称化を実現する。本成
形では長手方向にはほとんど伸ばされず、Ｌ３はほぼＬ
ｌに等しく、Ｗ　ｚ　ｔが、　Ｗｓｔ、　Ｗ２ｚがＷａ
ｚと巾方向に３０％程度拡げられる１次に、第１図（ｆ
）に示すタービン羽根素材２０を仕上成形する。即ち、
Ｇ−Ｇ断面の形状をもつ左右金型４．５　を用いて、幅
拡げ断面１７を第２図（Ｑ）に示す仕上げ断面１８に、
順次加圧成形し、タービン羽根素材長手方向へ成形して
いく。ここで、幅拡げ断面１７は仕上げ断面１８に対し
て、巾方向各位置における変形率が均一になるように成
形することが重要であり、！＆終仕上成形における変形
を無くすのに有効である。

Ｇ−Ｇ断面形状で所定長さ成形後、型を交換して、Ｈ−
Ｈ断面の形状をもつ左右金型４．５　を用いて成形し更
にＩ−Ｉ断面の形状をもつ左右金型４．５に交換し順次
成形し、Ｌ３の寸法がＬ４まで鍛伸されタービン羽根素
材２０が成形される。

即ち、Ｇ−Ｇ断面は幅Ｗ＾高さＨ＾、Ｈ−Ｈ断面は、幅
Ｗａ、高さＨａ、Ｉ−Ｉ断面は幅Ｗｃ、高さＨｃの形状
である。この巾は、ＷＳ２からＷａｚの間の値である。

最終的には把持部１５は切断される。

以上のプロセスにより、非対称断面をもつタ−ビン羽根
素材２０を曲がり、そり等の変形なく、逐次、部分型鍛
造することができる。

第３図に、本成形に伴う変形防止方法について示す。本
成形において変形発生が予測されるのが、第四次素材１
４を成形する場合であり、この場合、成形部と非成形部
に分けられ、成形部が伸び、非成形部は伸びないため、
下方への曲がりが発生する。この曲がりを防止するため
、素材把持マニプレータハント６と対向するマニプレー
タハン１−６に変形拘束ガイド７をクランプ把持させ、
素材１４の下部をサポート連動することにより曲がりを
防ぐことができる。サポート状況断面を第３図のＢ−Ｂ
断面図である（ｂ）に示す。

又本成形プロセス中で、最も１重要、かつ、変形の発生
しやすい第四次素材成形について以下に詳述する。本成
形で、加圧順序が極めて重要で。

第４図（ａ）に示すように巾方向に連続送り成形後、長
手方向に位置決めし、次いで巾方向に連続送りし、■〜
Ｏヘシーケンシャル成形すると、各巾方向成形バス毎に
鍛造境界部２１が表われ、巾方向形状が不均一になり、
欠肉、鍛造欠陥が発生しやすい。従って、この欠点を回
避するため、第４図（ｂ）に示すように各巾方向位置に
対して、長手方向にくり、返し位置決めし、その位置を
相互にずらして、■〜■へシーケンシャル成形すること
により、均一な巾拡げ成形を実現できる。その詳細を第
５図、（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示す。

成形開始位置■より■まで第一段階の巾拡げ成形を実施
し次いで、金型を厚み方向に移動し、■よりＯまで連続
的に位置決め成形し、第５図（ｂ）の形状となる。更に
、金型を厚み方向に移動し０〜■まで連続的に位置決め
成形し、第５図（ｃ）の形状となる。この動作をくり返
すことにより巾方向に、厚みが、階段状に変化し、長手
方向に素材中が、テーパ状となる第四素材１４を得るこ
とができる。又、各厚み成形プロセスにおいて、第５図
（ａ）のように、長手方向送り位置を相互にかえること
により、形状を均一化している。

又、素材把持部と巾拡げ部との境界に、通常の金型を用
いて成形すると、第６図（ａ）に示す鍛造欠陥２２を生
じる。

従って、第７図（ａ）、（ｂ）に示すように、成形部の
両端でＱｌ、Ｑｓ長さで、かつ、ｔｄの逃げをもつ巾拡
げ金型２３が有効であることを実験的に確認した即ち、
Ｗａ＝３０ｍｍの場合、Ｑｘ＝１０＋ｎｎ＋、（Ｌａ＝
ｌＯｍ、Ｑ２＝１５０ｍｍ、ｔｄ＝５１罰が最適である
。即ち、Ｑｔ＝１／３Ｗｄ、Ｑ３＝１　　／　３　Ｗ　
ｄ　　、　　Ｑ　２　　＝　　５　Ｗ　ｄ　　、　　ｔ
　　ｄ　　＝　　１　／　６　Ｗ　ｄ　　となる。

次に１本成形方法を実施するための装置の一例を説明す
る。第９図（ａ）（ｂ）は、全体図を示しているが、装
置構成は、左右に対向して一方はタービン羽根素材２０
を把持するマニプレータ５ｏ、他方は、変形拘束ガイド
７を把持するマニプレータ５１、その間に、タービン羽
根素材２０を成形する鍛造機６０および鍛造材６０の右
・左加圧シリンダ６１．６２より構成される。

左右マニプレータ５０．５１は、可動軸として、タービ
ン羽根長手方向のＹ軸、左右方向のＹ軸、上下方向のＺ
軸、Ｙ軸まわりの回転Ａ軸をもっており、タービン羽根
素材２０、及び、変形拘束ガイド７をクランプするハン
ド６をもっている。Ｙ軸は油圧シリンダ５２によりベツ
ド５３上を駆動され、Ｙ軸はＤＣモータ５４により、Ｚ
軸はＤＣモータ５５により、Ａ軸はＤＣモータ５６によ
りそれぞれ動かされ、全体は、ＮＣ制御される。

次に、鍛造機６０について、説明する。左右金型を動か
し位置決めすると共に、可変ストローク、サイクルで加
圧可能な右・左加圧シリンダ６１゜６２を設けておりマ
ニプレータ６０．６１と連動して高速成形ができる。

本装置による成形動作を説明すると、第１図（ａ）の基
本素材１０の一端をマニプレータ５１にセットし、フラ
ット型を用いて素材把持部１５を矩形々状に成形し、第
一次素材１１を成形し次いで、左マニプレータ５０に持
ちかえて、金型の丸タップ型に交換して、第１図（ｂ）
の丸棒テーパ成形を行ない、第二次素材１２を成形する
。次いで、金型を対称型に交換して、第１図（ｃ）のよ
うに成形し、第三次素材１３を得る。ここまでのプロセ
スを一回の加熱で実施する。

再加熱後、金型をフラット型に交換し、右マニプレータ
５１に変形拘束ガイド７を把持させ、素材を左マニプレ
ータ５０に把持させ成形を開始する。

成形は第１図（ｄ）のように巾方向に拡げ、第四次素材
１４ができる。次いで、第１図（８）のタービン羽根素
材２０を金型を各断面Ａ−Ａ、Ｂ−Ｂ、Ｃ−Ｃの形状の
ものを、順次、交換しながら軸方向に成形する。

第１０図は、鍛造機６０を正面よりみたものであるが、
フレーム６７、フレーム６７の左右に設置された加圧シ
リンダ６１，６２、および、スライダ６３，６４、スラ
イダ内に取付けられたターレット金型交換装置６５．６
６及びターレット金型交換装置にとりつけられた複数の
金型４，５を設けている。

金型は最大八個取付けることができ、フラットとりつけ
ることができる。

次いで、第１１図により金型交換について説明する。連
続的、かつ、短時間に金型を交換することが、逐次熱間
鍛造では特に不可欠であり、スライダ６３に取りつけら
れたターレット金型交換装置６５固定ピン着脱リンク７
４が、フレーム６７にとりつけられた金型交換位置ドッ
ク７３上にきたとき、固定ピン７５が離脱し、ターレッ
ト駆動シリンダ７２によりターレット回転ピン７６をお
すことにより、ターレット金型交換装置６５が廻り、次
の金型に交換することができる。

本実施例によれば、タービン羽根素形材の巾拡げ成形時
の変形（曲がり、そり）を変形防止ガイドを把持位置決
め制御することにより高精度な三次元形状をうろことが
でき、タービン羽根素形材成形に有効である。

又、巾拡げ成形時、長手方向送りと巾方向送りを各厚み
成形毎に交互に行ない、かつ、長手方向位置決めを巾方
向位置に対してずらすことにより、均一な巾拡げ成形を
可能とし、更に、金型の加圧成形部に金型中の１／３程
度の長さで、かつ、逃げが金型中の１７６程度の金型に
することにより、急激な巾拡がりを防き、鍛造欠陥をな
くすことを可能とした。

更に、金型の自動交換機能、及び、鍛造プレススピード
が可変であり連続高速成形が可能となり、短時間でのタ
ービン羽根素材成形ができ、熱間成形において温度降下
をミニマムにおさえる点で有効である。

〔発明の効果〕

本発明によれば、変形の小さな、逐次部分型鍛造ができ
るので、金型コストの低減、加工力の低減を計る効果が
ある。

【図面の簡単な説明】

第１図、第２図、第３図、第４図、第５図、第６図、第
７図は本発明の一実施例の構成図、第８図は本発明の対
象品の正面図（ａ）および側面図（ｂ）、第９図は本発
明を行なう一実施例の全体装置を示す正面図（ａ）と上
面図（ｂ）、第１０図は鍛造機部を示す正面図、第１１
図は金型交換機構の一実施例゛の正面図および部分断面
図、第１２図は、従来加工方法を示す説明図、第１３図
は、従来成形方法を示す装置の正面図および成形プロセ
ス図である。 ４・・・左金型、５・・・右金型、７・・・変形拘束ガ
イド、１６・・・左右対称断面、１７・・・幅拡げ断面
図、１８・・・仕上げ断面、２０・・・タービン羽根素
材、２３・・・巾拡げ金型。 第 図 （カ （ｈ （Ｌ） 第４図 （ｂ） 第 因 第 図 ＜ａン 第５図 （Ｑ） 第６図 （α） （ｂ） 第８図 （ｂ） 第７面 第９図 （ｂ） （ｂ） 第１０図 第１２図 ／ （ルン （Ｃン 第１１図 荊１３　国

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、タービン羽根素材の成形に際し、特定の長さの素材
   を用い、前記素材を長手方向に連続して、部分加圧し、
   更に金型を順次交換することにより、三次元的に、逐次
   鍛造する方法において、対称断面成形後幅拡げ成形を行
   ない仕上成形で変形のない三次元非対称部分型に逐次鍛
   造することを特徴とするタービン羽根素材の成形方法。 ２、特許請求の範囲第１項において、 前記素材の長手方向送りと幅方向送りを組合せ、前記長
   手方向送りは各巾位置に対して相互に変化させると共に
   、巾方向に階段状に厚みを成形することを特徴とするタ
   ービン羽根素材の成形方法。 ３、特許請求の範囲第１項において、 前記素材の変形を防ぐため、前記素材と連動する変形防
   止ガイド付マニプレータを設けたことを特徴とするター
   ビン羽根素材の成形方法。 ４、熱間鍛造装置であつて、素材を把握する第一のマニ
   プレータと対向する変形防止ガイドを把握する第二のマ
   ニプレータを、前記第一のマニプレータおよび前記第二
   のマニプレータの間に水平に対向する部分金型を周期さ
   せ、前記素材を高速加圧できる鍛造プレス部を備え、マ
   ニプレータは、長手方向・幅方向・高さ方向及び長手方
   向軸を中心に回転できる機能をもち、前記鍛造プレス部
   は対向する金型の位置を各々制御でき、更に、加圧スト
   ローク・加圧速度を変えられる機能をもち、タービン羽
   根素材を連続的に自動逐次鍛造することと特徴とするタ
   ービン羽根素材成形装置。 ５、熱間鍛造装置であつて、水平に対向する金型を複数
   個設け、旋回式の金型取付台をもち、前記金型取付台を
   回転させることにより連続、かつ、自動的に金型を交換
   できる機能を設けたことを特徴とするタービン羽根素材
   成形装置。