JPS622889B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本願発明は、製造方法に関し、特に、特定の断
面形状と正確な半径の金属リングを製造する方法
に関する。

金属リングは、工業上多様な用途に使用されて
いる。羽根鋳物、フアン鋳物、燃焼器ライナ、及
びタービンシユラウドの製造を含めて、ガスター
ビン機関用部品の製造において、当該リングは特
に有用である。典型的にはガスタービン機関用金
属リング構造物は、矩形断面の金属リングブラン
クから製造していたが、当該金属リングブランク
は、最終リング構造物に本質的に等しい半径と軸
方向幅を有し、そして、最終リング構造物の最大
厚さ部分に等しいか、それより大きい断面厚さを
有していた。所望の断面輪郭を得るために、旋盤
を使用して出発ブランクから余剰材料を削除す
る。このような作業の典型では、所望の断面輪郭
を得るために、はじめの出発材料の90％も除去し
なければならないこともある。従つて、従来技術
の機械加工方法は、非常に時間がかかり、そして
無駄のあることがわかつた。この問題は、ガスタ
ービン機関に使用するリングの製造においては特
に厳しい。なぜなら、比較的高価な高温用金属合
金を使用しているからであり、そしてこれらの強
靭合金を機械加工するには比較的高額の費用がか
かるからである。

後方押出し、熱間リング圧延、そして熱間又は
冷間圧延で細片原材料に輪郭を与え、それからリ
ング作るなどの他の方法も、金属リングの製造に
使用されていた。しかし、これらの従来方法は、
矩形断面を作り、機械加工する方法について、コ
スト低減をもたらしたにすぎない。これらの方法
には、ガスタービン機関部品の製造にそれらを広
く利用することを阻止した経済的な因子がある。
このように、熱間圧延リング形状物の製造コスト
が、あまりに高く、これらの方法の利用を制限す
ることがわかつた。更に、熱間圧延方法は、ガス
タービン機関構造物に必要な寸法及び形状の狭い
公差を維持できるほど十分な制御性に欠けている
こともわかつた。従つて、このような熱間圧延方
法では、所定の寸法公差を得るために、旋盤で圧
延構造物をかなり機械加工する必要があり、その
結果、製造時間と無駄材料の好ましくない増加と
なつた。同様に、リング構造物を冷間圧延する従
来方法は、ガスタービン機関に使用するのに適し
た金属リングを製造するためには、その次の費用
のかかる機械加工の必要なしには、充分に利用で
きなかつた。

従つて、本願発明の主目的は、特定の断面形状
と正確な半径の金属リングの製造方法を提供する
ことであり、当該方法には、出発材料の損耗が無
く、そして当該方法は、従来のリング製造技術よ
り著しく少ない時間で成し得る。

本願発明の方法によれば、所望の最終リング構
造物の重量と同じ重量を有する矩形又は円形又は
他の所望の断面の最初のリングが、ロールダイス
の選ばれた数対の間で連続的に冷間圧延されて、
所定の径と断面の輪郭となる。各圧延パスによつ
てリング材料の軸方向再分配を同時におこし、そ
れに対応するリング径の半径方向成長を引き起す
ように、ダイスを設計する。リングの破断なしに
リング材料に動きを生じさせるために焼鈍が必要
である場合には、相次ぐ圧延作業の間にリングを
焼鈍してもよい。最終リングの径は通常臨界的で
あるから、所望の最終リング径よりわずかに、好
ましくは0.5％以内で、小さい径に圧延し、そし
て精密エキスパンダで所定の最終径まで拡大して
もよい。以上のような拡大の精度は、通常得られ
るよりは勝れている。なぜなら、本願発明の教示
するところに従つて圧延したリングの断面輪郭と
リング径の均一性と反復性のためである。

本願発明によれば、狭い公差の精密加工が行な
えるとともに次のような効果をも有する。

本願発明の製造作業には材料損失がないから、
リング形状物の製造における材料コストは、機械
加工リングの同様コストより著しく低い。更に、
次の熱間加工又は機械加工作業を必要としないか
ら、従来技術を使用して同じリング量を製造する
のに必要な時間よりもかなり少ない時間で、本願
発明の方法を使用してリング量を圧延しうること
がわかつた。更に、複数のロールダイス組とロー
ルダイスの各組ごとの数回転とを利用する段階工
程で、輪郭が設けられるので、ロールダイス間の
分離荷重が、従来圧延技術に必要であるより著し
く小さい。従つて、本願発明の方法を実施するの
に使用する機械は、比較的大きい分離荷重を許容
しなければならない従来の圧延用途に使用された
ものより、費用がかからない。

本願発明は、以下の記載と図面とにより、一層
よく理解できる。

本願発明の方法を実施するにおいては、第３図
に示すような適当なリング形状物を出発材料とし
て使用する。最初のリングの形成は、第１図に示
す金属原材料の細片又は棒を圧延して、第２図に
示すリング形状とし、そしてその後、両端を結合
して第３図に示すリングを形成することによつ
て、できる。比較的なめらかなそしてきれいな結
合部をもたらす適当な周知の方法のいずれを利用
して両端を結合してもよい。結合部の小さな不連
続性は、次に続く圧延作業において除去できる。
出発リング形状物の形成は、他の適当な方法によ
つて、例えば金属片を後方押出しにより円筒形物
を形成し、その後当該円筒形物を切つて第３図に
示すようなリング構造物にすることによつてもで
きる。最終リングの形成において、材料に無駄を
生じないから、所望の最終リング構造物の重量に
正確に等しくなるように、最初のリングの重量を
注意深く選ばなければならない。出発リングの最
初の径は、所望の最終リング構造物のそれよりか
なり小さく（典型的には1/2）あるべきである。
小さい径を使用することは、材料の軸方向分配が
起きる初期圧延サイクル中に径の伸びがあること
を考慮しているのである。材料の主な軸方向分配
が生じてしまうと、最終形状に至るまでの圧延
は、リング全体にわたる全く均一な金属圧下と少
量の軸方向金属再分配を伴つて行なわれる。

半径の拡大が同時に行なわれるリングに輪郭づ
けるために、最初のリングを、適当な金属合金か
ら作つた円形の対称ダイスの選ばれた数対の間で
連続的に圧延する。初めのダイスは、材料の軸方
向移動を主に行い、リング径の増大を小さくする
ように使用しうる。本願方法で、後で使用するダ
イスは、所定の断面減少率に正しく比例して、径
の増大を大きくして、正確な形状を得るように設
計できる。この連続圧延は、圧延リングの半径の
早すぎる増大を防止するか又は少なくするが、こ
の早すぎる増大は、その結果として厚さの減少を
伴い、それが、所定の断面輪郭を得るには不充分
な材料厚さのままに残し、その結果過大な径とな
る。更に、圧延の最終段における寸法制御を達成
するためには、リングの断面全体にほゞ均一の圧
下を得ることが望ましい。

さらに、全ての圧延作業を冷間リング構造体に
対して行うのが好ましいが、圧延作業のはじめの
段階で急速に軸方向の輪郭を最終のものに近づけ
るために、圧延のはじめの段階では、公知の熱間
圧延技術を使用することも可能である。このよう
な公知の熱間圧延技術をはじめの段階の圧延パス
に使用した場合、寸法許容差を必要なレベルに維
持するために、最終圧延パスは冷間で行うことが
望ましい。

ダイスを交換の間に潤滑することも好ましい。
従来の圧延では、過度に効果的な潤滑剤や、過度
に低い摩擦係数を有することは好ましくない。圧
延部分がダイス内ですべつてしまう。しかし、本
願発明の方法のダイスによつて行なわれるパス当
りの食込みは、従来技術に一般に使用されるより
も非常に小さい。従つて、グリースや二硫化モリ
ブデンのような非常に効果的な潤滑剤が使用でき
て、リング材料の軸方向分配を助長する。

ダイス組の必要数は、所望する輪郭づけの程度
と、使用材料の加工硬化傾向に依存する。リング
の破断を引起すことなしに材料の動きの量を最大
にするように、ロールダイスの各対を選ぶべきで
ある。本方法のロールダイスは、第４図と第５図
に最もよく示される包囲概念に基づいている。こ
うして、上側ダイス９と下側ダイス１０が、圧延
リング８の断面を完全に包囲する。上側及び下側
ダイスは、狭い公差、好ましくは隣接する垂直ダ
イス面１１と１２において、0.0005乃至0.0015イ
ンチの程度で製造されるが、それは圧延リングの
軸方向整合を正確に制御するためである。リング
断面８を収容するように、隣接ダイス面１５，１
６，１７及び１８に隙間を設計する。各組の上側
及び下側ダイスは、それらが肩部１３及び１４を
有し、当該肩部がそのダイス組のロール作業の終
りに各々一緒になるように設計される。これは、
圧延機が充分な締切制御を有していれば、必要な
い。ダイスが包囲概念にもとづいているから、第
５図によく示されるように、ダイス９及び１０の
破断を引起すことなしに、するどい張出部を面１
９に使用できる。更に、一般にダイス９及び１０
が、下側ダイス１０が上側ダイス９を包囲するよ
うにして、一緒になるが、いくつかの形状物で
は、下側ダイス１０で上側ダイス９を包囲するこ
とによつて、張出部による破断を防止することが
可能である。

本方法に使用するダイスの正確な形状は、最終
リング構造物の所望の形状と径によつて、そして
次の一般理論によつて決定される。ダイスが比較
的平らな圧延面を有するなら、材料の軸方向再分
配を最小にして、材料の厚さの減少と径の増大を
引き起す。圧下量が、圧延リング構造物の軸方向
断面を横切つて、均一でないかぎり、前記のよう
な平らな圧延面は、圧延構造物内に周方向内部応
力を蓄積させる。対照的に、ダイスの面が尖端に
なつていれば、リング構造物の剪断を引き起し、
その結果径の拡大を最小にして材料の軸方向再分
配を最大にし、そして周方向応力がほとんどな
い。径の増大を最小にして材料の軸方向再分配を
行なうには、他に、ロールの曲げ作用とロールの
ピンチ作用の２方法がある。本願方法に使用され
るダイスの形成は、周方向応力を最小にしてリン
グ材料の軸方向分配をもたらすように、これら４
原理を結合するように行なわれている。

リングが冷間加工の間に硬化されるから、ダイ
スの交換の間に、リングを焼鈍することは一般に
好ましい。リング用に使用する金属又は合金材料
の加工硬化傾向は、焼鈍前になされうる材料厚さ
の減少量を一般に決定する。多くのニツケル基合
金及びコバルト基合金は、中間焼鈍前に冷間加工
によつて約30パーセントの圧下が可能である。し
かし、いくつかの合金や形状物では、40パーセン
トの減少が可能である。

軸方向に金属を分配するとき、断面に沿う圧下
率を等しくすることは困難である。最大の変形を
受ける断面部分は、少ない圧下を受ける部分より
直径方向に一層伸びる傾向がある。これら２つの
面は互に相対する傾向があり、材料内に圧縮領域
と引張領域をもたらす。いかなる材料にあつて
も、中間焼鈍前に許容できる内部応力の量に限界
がある。これらの制限と、冷間加工金属の一般的
加工硬化傾向によつて課せられる制限のために、
ニツケル又はコバルト基合金の金属リングは、厚
さを約20パーセント減少したあとに焼鈍すること
を勧める。

本願発明の方法に従つて圧延した金属リング
は、その次の機械加工作業や熱間加工作業を全く
必要とせずに、狭い公差に製造できる。本願発明
の圧延過程を使用して±0.002インチの公差限界
が達成された。

例えば、第８図に示すような断面輪郭を有する
ガスタービン機関用圧縮器のステータ羽根リング
の製造を考えてみる。当該リングは、第３図に示
す出発ブランクから製造した。ブランクを、最初
に、適当なロールダイスの組を使用して、第６図
に図示する断面輪郭に圧延した。この最初の圧延
作業によつて、リングの比較的大きな軸方向再分
配と輪郭づけが得られ、最初のリングブランクの
径を約10パーセント増大した。この軸方向再分配
と輪郭づけは、第６図の断面と最初の短形断面と
を比較することによつてわかる。第６図の断面輪
郭に圧延した後、リングを焼鈍し、そして違う組
のダイス内で再び圧延して、第７図に示す輪郭を
有しそして約10パーセントの断面減少に比例して
半径方向に拡大したリングを製造した。リング
は、その後第２の焼鈍を受けそして第３の組のロ
ールダイスを使用して第８図に示す最終断面輪郭
に圧延された。この最終圧延工程で、最初の出発
ブランクの径の約150パーセントに等しい径を有
するリングになる。第６図から第８図のリング輪
郭を比較してわかるように、はじめのロールダイ
スは、リング材料の軸方向再分配を主に生ずるよ
うに使用され、一方、あとのロールダイスは、軸
方向材料再分配を小さくして所望の設計要件の半
径方向の拡大を生ずるのに使用される。圧延面に
おけるリング断面を完全に包囲するように全ての
ロールダイスを設計する。各組の上側と下側のダ
イスが閉じたとき、各ダイス組の圧延作業は、終
りになつたと考えられた。ロールダイスの最終対
が閉じたときに、断面形状が狭い公差に制御され
るように、出発ブランクの重量を注意深く選択
し。こうして圧延されたリングの径の再現性が非
常によいので、次の約1/2パーセントの拡大作業
で狭い径制御（例えば、±0.002インチ（0.005
cm））が得られる。

本願発明の方法は、ガスタービン機関用金属リ
ング構造物の製造に特に有用であるが、リング輪
郭構造物を必要とするいかなる用途のリングを製
造するのにも使用できる。本願発明の方法を使用
して、断面厚さに10倍までの又はそれ以上の変動
がある特定の断面輪郭を有する金属リングを形成
し、そして、所望の部品条件にあうように出発リ
ングブランクの半径を適正に増大することができ
る。

さらに、全ての圧延作業を冷間で行うことが望
ましいが、初期段階の圧延の一部を熱間で行い、
圧延作業の早期に軸方向の形を迅速にほぼ決めて
しまうことも本発明の範囲内にある。また、本発
明の出発リングブランクとして、熱間圧延で予成
形したリングや他の熱間加工を経たリングを使用
することも可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本願発明の方法に使用できる細片金
属原材料の１片の斜視図。第２図は、本願発明の
教示するところに従つて形成した第１図の金属原
材料の斜視図。第３図は、本願発明の方法に使用
できるリングブランクの斜視図。第４図は、本願
発明の実施に使用するリングとダイス組の断面
図。第５図は、第４図のリングとダイス組の１部
の拡大断面図。第６図は、本願発明の方法を使用
して、輪郭を付け、拡大した第３図のリングの断
面図。第７図は、本願発明の方法を使用して、更
に輪郭を付け、拡大した第６図のリングの断面
図。第８図は、本願発明の方法に従つて、更に処
理した第７図のリングの斜視図。 ８…リング断面、９…上側ダイス、１０…下側
ダイス。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 所望の最終リングの重量に実質的に等しい重
   量を有し且つ所望の最終直径より実質的に小さい
   直径を有する最初の金属リングを製造する工程
   と、リングの直径を増大し、そして所望の輪郭を
   形成するために、リングを実質的に包囲する選ば
   れた数対のロールダイスの間で、所望の最終輪郭
   と直径が得られるまで、前記最初のリングを冷間
   圧延する工程とを有する金属リングの製造方法に
   おいて、はじめの数対のロールダイスを利用し
   て、はじめの圧延段階で所望の断面形状に近づけ
   るために、リング径の増大を比較的小さく抑えて
   リング材料の主に軸方向の分布を段階的に生じさ
   せ、そして、後の数対のロールダイスは、リング
   材料の軸方向の分布を比較的小さくして、これに
   対応して主にリング径を増大させるように利用す
   ることからなることを特徴とする金属リングの製
   造方法。 ２ 簡単な断面の金属細片原材料の全長を圧延し
   てリング形状にし、細片原材料の両端を結合し
   て、リングを形成することによつて、最初のリン
   グを製造する、特許請求の範囲第１項記載の金属
   リングの製造方法。 ３ 金属片を後方押出しにより円筒形物に形成
   し、その後、該円筒形物をリングに切つて、最初
   のリングを製造する、特許請求の範囲第１項記載
   の金属リングの製造方法。 ４ 断面輪郭の選ばれた領域の圧下後の厚さがは
   じめの輪郭の1/10まで減少する、特許請求の範囲
   第１項記載の金属リングの製造方法。 ５ 各圧延作業の間に中間焼鈍作業を入れて、異
   つたロールダイスを連続的に圧延作業用に使用す
   る、特許請求の範囲第１項記載の金属リングの製
   造方法。 ６ 最終圧延リングの径を拡大するために精密エ
   キスパンダを使用する工程を有する、特許請求の
   範囲第１項記載の金属リングの製造方法。 ７ リング断面が所望の形状に輪郭づけられ、そ
   の間、リング径が増大するように、選ばれた数対
   のロールダイスの間でリングを連続的に圧延す
   る、特許請求の範囲第１項記載の金属リングの製
   造方法。 ８ 最初のリングが矩形断面である特許請求の範
   囲第１項記載の金属リングの製造方法。 ９ 各連続的圧延作業において、リング材料の軸
   方向分布とリング径の半径方向拡大の両方があ
   る、特許請求の範囲第１項記載の金属リングの製
   造方法。 １０ 所望の形状にリングの断面を輪郭づけるよ
   うに、リングを実質的に包囲するロールダイスの
   連続的な数対の間で、所望の最終リングの重量に
   等しい重量を有する冷間金属リングを連続的に圧
   延し、そして、最初のリングの径よりかなり大き
   く且つ所望の最終リング径よりやや小さい径に、
   リングの径を増大する金属リングの製造方法にお
   いて、はじめの数対のロールダイスを利用して、
   はじめの圧延段階で所望の最終断面形状に近づけ
   るために、リング径の増大を比較的小さく抑えて
   主にリング材料の軸方向の分布を段階的に生じさ
   せ、そして、後の数対のロールダイスは、リング
   材料の軸方向の分布を比較的小さくして、これに
   対応して主にリング径を増大させるように利用す
   ることからなる工程と、連続的圧延作業の間にリ
   ングの破断なしにリング材料の冷間加工ができる
   のに必要なだけ、リングを焼鈍する工程と、所望
   の最終径まで直径を増大させるため、圧延後のリ
   ングを精密エキスパンダで拡大する工程とを特徴
   とする金属リングの製造方法。 １１ リングの断面積が、選択したダイス組によ
   つて10パーセントから30パーセントの範囲で減少
   する、特許請求の範囲第１０項記載の金属リング
   の製造方法。