JPH08332544A - 長尺素材の据込み加工方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 構造簡素にして、高径比２．５以上の被加工
素材に座屈を防止しながら、大きな圧縮変形を与える据
込み加工により、高品質の大形品を製造可能とする長尺
素材の据込み加工方法の提供。 【構成】 金属材料からなる長尺の被加工素材１を下工
具４と上工具５との間に挟んだ状態で、被加工素材１を
熱間加工によつて中心軸線方向に圧縮加工する長尺素材
の据込み加工方法であつて、被加工素材１に中心軸線方
向での温度差をつけた状態で圧縮加工を与えることを特
徴とする長尺素材の据込み加工方法。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、長尺素材の据込み加工
方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術及びその課題】従来、産業機械用フランジ
などの製品は、金属材料からなる被加工素材を圧縮変形
させる据込み加工によつて製作されている。すなわち、
製品よりも直径が小さく高さが大きい中実円柱状の被加
工素材を材料とし、被加工素材の中心軸線方向の両端面
に配置した平板工具によつて圧縮変形させ、機械加工を
施して所定の製品となしている。

【０００３】しかしながら、このような従来の長尺素材
の据込み加工方法にあつては、被加工素材に座屈を生ず
る傾向にある。この座屈現象は、オイラーの式に依存す
るが、一般には被加工素材の直径Ｄと高さＨとの比（高
径比：Ｈ／Ｄ）が２．５以上において座屈を生ずること
が知られている。高径比が２．５以上の場合には、座屈
荷重に達した後に、中心軸線方向の圧縮変形よりも横方
向のたわみ変形が優勢となつて座屈を生ずるものと考え
られている。

【０００４】被加工素材が座屈を起こした場合には、正
常な据込み鍛造がなされず、形状不良や折れ込などの材
料欠陥の原因となる。また、一旦座屈が起こり始めた被
加工素材は曲がり癖がついてしまい、どのように形状を
矯正して据込み鍛造を再開しても、座屈が起きてしま
う。このため、被加工素材を受入れる凹所を上工具又は
下工具に加工し、座屈を抑制する方法も提案されている
が、この方法にあつては工具の構造が複雑となり、コス
トが嵩む。

【０００５】一方、従来の座屈限界である高径比２．５
未満を守れば座屈は防止できるが、高合金鋼などの鍛造
品を製造する場合、一般に偏析などの問題で径の大きな
被加工素材が鋳造できないため、製造可能な製品重量の
上限が決まつてしまう。従つて、大形品が造れないこと
になる。偏析は、大径の高合金も生じ易い。この偏析を
抑制するため、例えばＥＳＲで小径の材料を使用すれ
ば、偏析は抑制されるが長尺となり、鍛造において座屈
が起こり易くなる。他方、偏析などの問題が克服されて
大径の被加工素材が得られたとしても、大きな圧縮変形
が与えられない場合には、製品の特性改善に最も影響を
与える分塊鍛造工程が施され難いため、製品の品質が劣
ることとなる。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は、このような従
来の技術的課題に鑑みてなされたものであり、その構成
は、次の通りである。請求項１の発明の構成は、金属材
料からなる長尺の被加工素材１を下工具４と上工具５と
の間に挟んだ状態で、被加工素材１を熱間加工によつて
中心軸線方向に圧縮加工する長尺素材の据込み加工方法
であつて、被加工素材１に中心軸線方向での温度差をつ
けた状態で圧縮加工を与えることを特徴とする長尺素材
の据込み加工方法である。請求項２の発明の構成は、中
心軸線方向の一部に断熱材２を巻付けた被加工素材１を
全体的に加熱し、その後空冷を与えて被加工素材１の中
心軸線方向に温度差をつけることを特徴とする請求項１
の長尺素材の据込み加工方法である。

【０００７】

【作用】請求項１の発明によれば、被加工素材１は、中
心軸線方向で比較的高温の部分と比較的低温の部分とを
有し、中心軸線方向に温度差を与えた状態となつてい
る。この温度差を与えた被加工素材１は、一対の下工具
４と上工具５との間に介装させて、両工具４，５間に圧
縮力を作用させ、被加工素材１に据込み加工を施す。据
込み加工を平型からなる両工具４，５を使用した自由据
込みとすることにより、金型に加工を施す密閉形と比較
して、構造が簡素となる。

【０００８】そして、被加工素材１は、比較的高温の部
分が低変形抵抗域を形成している。このため、先ず、低
変形抵抗域に変形が集中し、大きく圧縮されて塑性変形
されて横方向に膨らむ。このように、据込み鍛造の開始
に際して高温の低変形抵抗領域が優先的に圧縮されて塑
性変形を受けて膨らむことにより、据込み加工の開始時
の変形領域が中心軸線方向で限定され、高径比Ｈ／Ｄが
速やかに小さくなり、安定化する。その後、低変形抵抗
域が、断面積の増大に伴つて次第に高変形抵抗域に変化
し、被加工素材１の全体に据込み加工が施されることに
なる。かくして、高径比Ｈ／Ｄが２．５以上の被加工素
材１に対しても、屈曲を生ずることなく据込み鍛造を施
すことが可能となる。

【０００９】請求項２の発明によれば、中心軸線方向の
一部に断熱材２を巻付けた被加工素材１を加熱炉に入
れ、熱間加工温度に加熱し、出炉後に所定時間放置して
空冷する。これにより、断熱材２によつて覆つた部分が
冷却が妨げられて比較的高温で、断熱材２によつて覆わ
ない部分が冷却が促されて比較的低温となり、中心軸線
方向に温度差を与えた状態となる。

【００１０】

【実施例】以下、本発明の実施例について図面を参照し
て説明する。図１〜図４は、本発明の１実施例を示す。
図中において符号１は金属材料からなる被加工素材を示
し、被加工素材１は直径Ｄ、高さＨの中実円柱体をなす
ように製作してある。この被加工素材１の直径Ｄと高さ
Ｈとの比（高径比：Ｈ／Ｄ）は、２．５以上、具体的に
は２．５≦Ｈ／Ｄ≦５．５の範囲に設定し、座屈を抑制
しながら所定の据込み率での鍛造の効果を確保するよう
にしてある。被加工素材１は、例えば再溶解精錬法で製
作したＥＳＲ材の高合金材である。ＥＳＲ材は、組織が
緻密で比較的偏析が少ないが、更に直径Ｄが小さいほど
偏析が少なくなる。

【００１１】この被加工素材１の中心軸線方向の一部
（本例では中央部）は、予め、不燃材（例えばカオウー
ル）からなる断熱材２によつて覆う。断熱材２は、空気
の断熱性を利用して加熱後の被加工素材１の均一な温度
低下を抑制する機能を有し、被加工素材１の高さＨの３
５〜７０％に巻き付ける。

【００１２】この被加工素材１を加熱炉に入れ、熱間加
工温度（６００〜１２００℃）に全体的に均一温度に加
熱し、出炉後に所定時間常温に放置して空冷する。この
空冷時間は、周囲の雰囲気温度にも影響されるが、具体
的には２〜１０分、好ましくは６〜７分とする。これに
より、被加工素材１は、断熱材２によつて覆つた部分は
冷却が妨げられて比較的高温となり、断熱材２によつて
覆わない部分は冷却が促されて比較的低温となり、中心
軸線方向に温度差を与えた状態となる。

【００１３】次に、温度差を与えた被加工素材１は、断
熱材２を巻いたままで、図１に示すように上下一対の平
滑かつ平行な下工具４と上工具５との間に介装させて、
両工具４，５間に図外のプレスによる圧縮力Ｐを作用さ
せ、被加工素材１に据込み加工を施す。据込み加工を平
型からなる両工具４，５を使用した自由据込み加工とす
ることにより、金型に加工を施す密閉形と比較して、構
造が簡素となる。被加工素材１は、中心軸線方向の一部
に断熱材２を巻きつけたことによつて低変形抵抗域が形
成されている。このため、先ず、この断熱材２を巻いた
低変形抵抗域に変形が集中し、断熱材２が破断を受けな
がら大きく圧縮されて塑性変形されて横方向（中心軸線
と直交方向）に膨らむ。これにより、加工荷重が次第に
増大し、見掛けの応力ひずみ曲線の傾きが大きくなる。
この傾きは、オイラーの座屈応力を示す式（１）から座
屈応力σ_z に比例している。その結果、座屈が起こりに
くくなる。

【００１４】

【００１５】このように、被加工素材１の一部に断熱材
２を巻き、加熱後に空冷することにより、断熱材２を巻
いた部分が比較的高温の低変形抵抗域を形成し、断熱材
２を巻かない部分が高変形抵抗域を形成するので、中心
軸線方向に変形抵抗差をつけることになる。そして、据
込み鍛造の開始に際して高温の低変形抵抗領域が優先的
に圧縮されて塑性変形を受けて膨らむことにより、据込
み加工の開始時の変形領域が中心軸線方向で限定され
る。また、この低変形抵抗域を被加工素材１の中心軸線
方向の中央部とすることにより、据込み加工に際して座
屈を生じ易い不安定な領域が早期に膨らんで安定化す
る。その後、低変形抵抗域が、断面積の増大に伴つて次
第に高変形抵抗域に変化し、被加工素材１の全体に据込
み加工が施されることになる。かくして、高高径比（Ｈ
／Ｄ＝２．５以上）の被加工素材１に対しても、屈曲を
生ずることなく据込み鍛造を施すことが可能となる。据
込み加工した被加工素材１は、その後、機械加工を施
し、所定の製品とする。

【００１６】本発明による座屈防止の機能を確認するた
めに、図２に示すように被加工素材１の中心軸線方向を
水平方向に対して傾けたり、上工具５を下工具４に対し
て傾けたりして、意識的に初期偏心をつけた解析モデル
を用いてＦＥＭ解析を行つた。その結果、上工具５と被
加工素材１の上面との間に１°程度の傾きθがある場合
でも、座屈を生ずることなく鍛造加工を施すことが可能
であることが確認された。

【００１７】しかして、従来、偏析の問題から径を大き
くすることができない高合金材では、重量を稼ぐため高
径比が大きくなり、据込み鍛造においてわずかな素材の
初期偏心やプレスのがたによつて座屈が起きていた。こ
の対策として、高高径比素材の中心軸線方向の全体に断
熱材を巻いて保温を図るのではなく、被加工素材１の中
心軸線方向に温度差をつけ、被加工素材１の一部（好ま
しくは中央部）を低変形抵抗域にすることにより、イン
コネル７１８等の高高径比素材の据込み加工を座屈を抑
制しながら行うことができる。

【００１８】また、被加工素材１に温度差をつけない場
合と、被加工素材１の中心軸線方向の中央部に高さＨの
半分程度に断熱材２を巻き、８分間だけ常温で空冷して
温度差をつけた場合とについて、それぞれ５０％まで圧
下させて解析を行つた。図３に両者の応力−ひずみ曲線
の模式図を示す。同図に示す応力−ひずみ曲線の傾きＥ
は、温度差をつけない場合を示す曲線Ａに比べて、温度
差をつけた場合を示す曲線Ｂの方が増大している。これ
により、被加工素材１に温度差をつけることで、座屈荷
重が増加することが分かる。

【００１９】図４，図５に両者の５０％圧下後の変形図
を縦断面によつて示す。被加工素材１に温度差をつけた
場合を示す図４から、座屈が効果的に防止され、また、
被加工素材１に温度差をつけない場合を示す図５から、
屈曲部Ｆが生じて座屈を起こすことが分かる。なお、実
機試験では、高さ１５３５ｍｍ、直径３９０ｍｍ（高径
比４）のインコネル７１８からなる被加工素材１に断熱
材２を巻き、１１２０℃に加熱した後、据込み鍛造を実
施した。このようにして、高径比４．０であつても十分
に座屈を防ぐ効果があるのみならず、高径比３．５まで
はきわめて正常に据込みができることも確認された。

【００２０】なお、本発明は、被加工素材１の中心軸線
方向の一部（好ましくは両端部を除く中間部）に断熱材
２を巻けばよく、断熱材２を所定間隔毎に複数巻きつけ
ることも可能である。また、一般金属によつて形成した
被加工素材１に対し、本発明を適用することも可能であ
る。

【００２１】

【発明の効果】以上の説明によつて理解されるように、
本発明によれば、高径比２．５以上の被加工素材であつ
ても、座屈荷重に達する前に低変形抵抗域が圧縮変形さ
れて高径比２．５未満となるので、座屈を防止しなが
ら、大きな圧縮変形を与える据込み加工ができ、高品質
の大形品の製造が可能となる。また、上工具又は下工具
に被加工素材を受入れる凹所を加工して、座屈を抑制す
る必要がないので、工具の構造が簡素となり、低コスト
となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の１実施例にかかる据込み装置を示す
図。

【図２】 同じく作用説明図。

【図３】 同じく応力／ひずみ特性を示す線図。

【図４】 同じく据込み加工後の変形状態を示す説明
図。

【図５】 従来例の据込み加工後の変形状態を示す説明
図。

【符号の説明】

１：被加工素材、４：下工具、５：上工具、Ｄ：直径、
Ｈ：高さ。

フロントページの続き (72)発明者 熊谷 保之 北海道室蘭市茶津町４番地 株式会社日本 製鋼所内

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 金属材料からなる長尺の被加工素材
   （１）を下工具（４）と上工具（５）との間に挟んだ状
   態で、被加工素材（１）を熱間加工によつて中心軸線方
   向に圧縮加工する長尺素材の据込み加工方法であつて、
   被加工素材（１）に中心軸線方向での温度差をつけた状
   態で圧縮加工を与えることを特徴とする長尺素材の据込
   み加工方法。
2. 【請求項２】 中心軸線方向の一部に断熱材（２）を巻
   付けた被加工素材（１）を全体的に加熱し、その後空冷
   を与えて被加工素材（１）の中心軸線方向に温度差をつ
   けることを特徴とする請求項１の長尺素材の据込み加工
   方法。