JPWO2012043374A1 - ブレード素材の製造方法及びブレード素材の製造装置 - Google Patents

Abstract

大型のプレス鍛造機を用いなくとも、長尺のブレード素材を製造することが可能な、ブレード素材の製造方法及びブレード素材の製造装置を提供する。根部側からブレード（翼）先端部に向け、金型により順次熱間鍛造を行うブレード素材の製造方法において、根部側の部位を把持し、金型により被鍛造材を拘束している時に、前記把持する部位と前記拘束された部位との間の領域にねじり加工を行うブレード素材の製造方法である。好ましくは、熱間鍛造と、ねじり加工とを繰り返すブレード素材の製造方法であり、さらに好ましくは、金型を順次交換しながら熱間鍛造を行うブレード素材の製造方法である。

Description

本発明は、ブレード（翼）先端部と根部とがねじれているブレード素材の鍛造による製造方法及びそのための製造装置に関するものである。

近年、蒸気タービンの高効率化により、蒸気タービンに用いられるブレードも長尺化してきている。例えば、約１５００ｍｍを超える長尺のブレード素材を製造する場合では、素材を上型と下型の間に挟み込んで、大型のプレス鍛造でブレード素材に成形する方法が主流である。
しかしながら、上記の方法では、１万トン以上の多大の加工力が必要となるため、鍛造機の設備投資金額も膨大であり、また、金型の製作費用も膨大となる。
これに対して、比較的小容量の鍛造機を用いて長尺のブレード素材を製造する方法も試みられている。技術的には大きく２つに分かれており、１つ目は、例えば、本願出願人の提案による特開昭６２−１９２２２３号公報（特許文献１）に代表されるような、鍛造する領域を分割して鍛造し、ブレード素材を得る方法である。２つ目の方法は、特開昭６３−２４１１１８号公報（特許文献２）に記されるように、水平状態を維持したまま鍛造を行って半製品を得てから、その半製品にねじり加工を行って、ブレード素材とする方法である。

特開昭６２−１９２２２３号公報 特開昭６３−２４１１１８号公報

上述した特許文献１に記載された鍛造する領域を分割して鍛造する方法では、最初の領域を鍛造によりブレード素材の形状に成形しても、次の領域の鍛造を行うと、鍛造による応力の影響で前に鍛造した領域が変形しまう場合がある。
また、特許文献２に記される半製品を製造した後に、ねじり加工を行う方法では、ねじり加工時に、最も変形し易い個所に変形が生じる。そのため、やはり形状の精度に課題が残る。特にブレードが長尺化すると、高精度な形状の成形はより一層困難となる。また、常温で局所的に大きな歪が加わると、後に直接焼鈍を行うと局所的に硬さが低下する危険性がある。
上述した理由から、特に長尺のブレード素材を製造する場合では、被鍛造材全体を上型と下型の間に挟み込んで、大型のプレス鍛造機を用いて、高い荷重によりブレード素材に成形する方法を採用せざるを得なかった。
本発明の目的は、大型のプレス鍛造機を用いなくとも、長尺のブレード素材を製造することが可能な、ブレード素材の製造方法及びブレード素材の製造装置を提供することである。

本発明は、上述の課題に鑑みてなされたものである。
すなわち本発明は、根部側からブレード先端部に向け、金型により順次熱間鍛造を行うブレード素材の製造方法において、根部側の部位を把持し、金型により被鍛造材を拘束している時に、前記把持する部位と前記拘束された部位との間の部分的な鍛造を終えた領域にねじり加工を行うブレード素材の製造方法である。
また、前記被鍛造材の根部側の把持はマニプレータで行い、且つ、根部側を把持するマニプレータによって被鍛造材を回転させることにより、ねじり加工を行うブレード素材の製造方法である。
更に本発明は、熱間鍛造と、ねじり加工とを繰り返すブレード素材の製造方法である。
好ましくは、金型を順次交換しながら熱間鍛造を行うブレード素材の製造方法である。
更に好ましくは、先に熱間鍛造した領域と、次に熱間鍛造する領域とが重複するブレード素材の製造方法である。
更に好ましくは、熱間鍛造されるブレード先端部が加熱炉内にある状態で部分的な鍛造とねじり加工を行うブレード素材の製造方法である。
更に好ましくは、マニプレータで把持した被鍛造材を加熱炉から引き出しながら鍛造を行うブレード素材の製造方法である。
また、本発明で用いる被鍛造材は、被鍛造材の横断面が円形であるか、或いは、被鍛造材の横断面が矩形であり、且つ、最終製品形状の拡縮に応じた形状であるブレード素材の製造方法である。

また、本発明は、金型により、被鍛造材の所定の位置に対して部分的な鍛造を行う機能と、被鍛造材を金型により拘束する機能とを有する鍛造装置と、被鍛造材の根部側からブレード先端部に向け、順次熱間鍛造を行うための前記被鍛造材の鍛造位置を合わせる移動機能と、被鍛造材を把持する機能と、前記鍛造装置により被鍛造材を拘束している時に、被鍛造材をねじることにより、前記把持した部位と前記金型により拘束した部位との間の部分的な鍛造を終えた領域にねじり加工を行う機能を備えたマニプレータとを具備するブレード素材の製造装置である。
好ましくは、鍛造装置は、被鍛造材を成形する金型を順次交換する機能を有するブレード素材の製造装置である。
更に好ましくは、鍛造材を加熱する加熱装置をさらに備えるブレード素材の製造装置である。
好ましくは、上記被鍛造材の根部側の把持をマニプレータで行い、該マニプレータで被鍛造材を加熱炉から引き出しながら鍛造を行うブレード素材の製造装置である。
また本発明では、加熱炉から引き出した被鍛造材の酸化スケールを除去するスケール除去装置を更に具備してもよい。

本発明によれば、大型のプレス鍛造を用いなくとも、長尺のブレード素材を製造することが可能となる。

本発明の鍛造装置一例を示す模式図である。 本発明の鍛造装置一例を示す模式図である。 本発明の鍛造装置一例を示す模式図である。 本発明の鍛造装置一例を示す模式図である。 被鍛造材の部分鍛造を行う箇所を示す模式図である。 本発明で製造するブレード素材の一例を示す模式図である。 被鍛造材（素材）の一例を示す模式図である。 被鍛造材（素材）の一例を示す模式図である。

上述したように、本発明の重要な特徴は、根部側の部位を把持し、鍛造を行う金型によりブレード素材に加工する被鍛造材を拘束している時に、前記把持する部位と前記拘束された部位との間の領域にねじり加工を行うことにある。
本発明のブレードの製造方法を図面を参照しながら一例を用いて詳しく説明する。ただし、本発明はここで取り上げた実施形態に限定されることはなく、要旨を変更しない範囲で適宜組み合わせや改良が可能である。
先ず、ブレード素材に加工する被鍛造材（素材）を用意する。用意する被鍛造材１の形状は、図７に示すような横断面が円形であるか、または、図８に示すような横断面が矩形であるものを用いとよい。例えば、横断面が円形であれば、部分鍛造する金型の位置決めが容易となる。また、断面が矩形のものであれば、鍛造時に金型と被鍛造材の接触面積を大きくしやすく、鍛造時に被鍛造材の肉流れの方向を長手方向と幅方向に制御しやすくなって、ブレード素材の形状の制御が容易となる。何れの形状のものを用いても構わないが、被鍛造材の接触面積が大きな断面が矩形の被鍛造材（素材）の方が、最終製品（ブレード素材）の形状制御の点から好ましい。
また、前述のブレード素材に加工する被鍛造材（素材）は、図７や図８に示すように、最終製品（ブレード素材）形状の拡縮に応じた形状とするのが好ましい。最終製品（ブレード素材）形状の拡縮に応じた形状について具体例を挙げて説明すると、例えば、根部側の厚さは厚く、ブレード先端部は厚さが薄いブレード素材の場合には、被鍛造材（素材）の厚さも根部側を厚めに、ブレード先端部側を薄くして厚さに変化を持たせた形状とすることにより、最終製品形状の拡縮に応じた形状とすることができる。また、例えば、最終製品形状が図６に示すような中央にボス部１０を有するブレード素材９の形状の場合には、被鍛造材（素材）の長手方向の断面積をボス部に相当する位置において大きくしたような形状とすることにより、最終製品形状の拡縮に応じた形状とすることができる。

本発明は熱間にて、鍛造とねじり加工とを順次行うことで、最終的には図６に示すようなブレード素材９の形状に加工するものである。そのため、熱間鍛造する前に被鍛造材の加熱が必要である。被鍛造材を加熱する加熱炉は、できるだけ鍛造装置に近い場所に設置して、被鍛造材の温度低下を抑制するのが好ましく、例えば、図１及び図２に示すような鍛造装置に隣接する位置に配置した加熱炉４中に被鍛造材１を挿入し、所定の温度で加熱・保持を行うのが好ましい。
そして、図１に示すように、ブレード素材の製造装置の配置としては、被鍛造材１を加熱する加熱炉４は、鍛造装置に対してマニプレータの反対側に設置するのが好ましい。中でも、図１及び図２に示すように、加熱炉４と鍛造装置２を接近させて配置し、更に、マニプレータ３とを一列に配すると、被鍛造材の根部側をマニプレータで把持して、被鍛造材を加熱炉から引き出しながら鍛造を行うことができ、被鍛造材を加熱装置から取り出した直後に所望の形状に鍛造を行うことができる。鍛造装置と加熱炉とが一列に配置され、且つ接近させることで、鍛造する直前まで被鍛造材を加熱することができる。また、被鍛造材の未成形部のブレード先端部が加熱炉内にある状態とすることができ、熱間鍛造直前まで未成形部の加熱が行えることから、被鍛造材の温度低下を防止することができ、部分的な鍛造の直前まで被鍛造材を加熱することで、被鍛造材の加工性を良好な状態に維持するものである。
なお、複数本の被鍛造材を熱間鍛造する場合は、例えば、図１及び図２に示す加熱炉４とは別の加熱炉を用いて被鍛造材の予熱を行っておいてもよい。これにより、新たな被鍛造材を挿入することによる加熱炉内の温度低下を抑制して、生産性を高めることができる。
また、加熱によって被鍛造材の表面に酸化スケールが生じると、鍛造の際に酸化スケールによる金型の損傷が進行する場合があるので、図４に示すようにデスケール装置６を設けて、酸化スケールの除去を行ってもよい。デスケール装置６は加熱炉４から取り出した被鍛造材に、例えば、水等を霧状にして噴射するものを利用できる。

本発明の鍛造装置２は、被鍛造材１を部分的に鍛造を行う機能と、被鍛造材を拘束する機能とを有する。更に、鍛造装置２は、被鍛造材１を所定の形状とする複数個の金型５を備える。本発明では、金型は上型と下型が一対とすることにより、鍛造装置の加圧で被鍛造材を所定の形状に成形することができる。このとき、被鍛造材が水平になるように鍛造できるように金型の調整を行っておくことが望ましい。
なお、図１〜図３では一列に並んだ複数個の金型５を記す。これは、個々の一対の上型と下型により、順次部分的な熱間鍛造が行えるように一列に配しているものである。金型を一列に配することで、鍛造とねじり加工とを終了した後、次の鍛造とねじり加工を行うのに必要な金型への交換時間を短縮できる。金型の交換時間が過度に長くなると、被鍛造材の温度が低下して、被鍛造材の加工性が劣化する。加工性の劣化により、鍛造やねじり加工が困難となるだけでなく、例えば、被鍛造材の金属組織や後に行う熱処理において、硬さの制御が困難となる場合がある。そのため、被鍛造材を加工する金型は、交換し易いように配するのが好ましい。

本発明の熱間鍛造を行う場合、例えば、図６に示すような形状のブレード素材９とするには根部の成形も必要となる。根部の成形は図１に示す本発明の鍛造装置で行ってもよいが、例えば、根部７のみを別の鍛造装置で予め成形しておき、それを被鍛造材として用いてもよい。
本発明で用いるマニプレータ３は、被鍛造材を把持すると同時にねじり加工を行う機能を備える。また、マニプレータは被鍛造材の根部側を把持して、次の部分的な鍛造を行う位置に移動させる機能を有する。なお、一般的なマニプレータが有する、被鍛造材を把持しつつ、走行、横行、傾斜等の動作を行う機能も当然具備するものである。
本発明では前述のマニプレータで根部側（根部を含む）を把持して、鍛造部位の位置決めを行う。例えば、図５に示すように、被鍛造材１を、領域（ａ）から領域（ｆ）に向けて、順次部分的に鍛造を行う場合、根部７をマニプレータで把持して、鍛造装置が備える金型で成形可能な位置に領域（ａ）を移動させる。
そして、領域（ａ）を部分的に鍛造し、領域（ａ）の形状を成形する。形状の成形を終えた後、次に領域（ｂ）を部分的に鍛造が行えるように、領域（ｂ）の成形用金型に交換すると共に、領域（ｂ）が鍛造可能な位置にマニプレータを移動させる。
このとき、部分的な鍛造領域は、領域（ａ）と領域（ｂ）とが重複するように調整するのが好ましい。領域を重複させないと、領域（ａ）と領域（ｂ）との境界部分に未鍛造の部分が残留する可能性があるためである。

次に領域（ｂ）の部分鍛造を行う。領域（ｂ）の部分鍛造により、領域（ｂ）の形状を成形し終えたら、図６のブレード素材の形状とするように、マニプレータを若干回転させるねじり加工を加える。ねじり加工を加える個所は、マニプレータで把持された根部７と、金型により拘束されて固定された領域（ｂ）の間の領域である。この場合であると領域（ａ）となる。
ねじり加工される領域（ａ）は、部分的な鍛造を行った領域である。そのため、鍛造によって、領域（ａ）は復熱されているため、被鍛造材自身の加工性が良好に保たれた状態でねじり加工が行える。

ねじり加工を終えると、領域（ｂ）の拘束を解き、次に領域（ｃ）を部分的に鍛造が行えるように、領域（ｃ）の成形用金型に交換すると共に、領域（ｃ）が鍛造可能な位置にマニプレータを移動させる。
このときもまた、部分的な鍛造領域は、領域（ｂ）と領域（ｃ）とが重複するように成形するのがよい。ねじり加工後に、部分的な鍛造領域の重複する領域を確保するのは、上述した未鍛造部分の残存の防止以外に、ねじり加工を加えた領域（ｂ）の領域（ｃ）側の形状の成形を一緒に行うことで、形状の成形を行うものである。従って、部分鍛造する重複領域は、ねじり加工の大きさにより、適宜変化させるとよい。
次に、領域（ｃ）の部分鍛造を行う。領域（ｃ）の部分鍛造により、領域（ｃ）の形状を成形し終えたら、図６のブレード素材の形状とするように、マニプレータを若干回転させるねじり加工を加える。ねじり加工を加える個所は、マニプレータで把持された根部７と、金型により拘束されて固定された領域（ｃ）の間の領域である。この場合であると領域（ａ）〜（ｂ）となり、マニプレータで把持した箇所と、金型で拘束する個所の距離が長くなる。もし、距離が長くなることにより、形状の成形が困難となる場合は、マニプレータ側の固定を一旦解除して、例えば、領域（ａ）が固定できるように、マニプレータを持ち替えてもよい。いずれにしてもマニプレータで把持するのは、金型で拘束している領域よりも根部側の部位である。

上述した部分的な鍛造と、ねじり加工とを繰り返し行い翼先端部８の領域（ｆ）まで鍛造を行うことでブレード素材９とすることができる。
本発明の製造方法によれば、熱間鍛造中、或いは／更に、部分的な熱間鍛造終了直後に、被鍛造材の部分的な鍛造を終えた領域にねじり加工を加えることができる。そのため、被鍛造材は、熱間鍛造中の復熱により、温度が高い状態に維持できるため、加工性が高く、ねじり加工が容易となる。
また、鍛造で成形し終えた箇所または根部をそのままマニプレータで引き出しながら、次の鍛造とねじり加工とを連続的に行うことが可能となるため、生産性に優れるものである。なお、本発明で言う鍛造には、所謂プレス鍛造も含まれる。
本発明によれば、大型のプレス鍛造を用いなくとも、長尺のブレード素材を製造することが可能となる。特には、被鍛造材の加工性を考えると、ＪＩＳ Ｇ ０２０３で記されるフェライト系耐熱鋼への適用が効果的である。

１ 被鍛造材
２ 鍛造装置
３ マニプレータ
４ 加熱炉
５ 金型
６ デスケール装置
７ 根部
８ 翼先端部
９ ブレード素材
１０ ボス部

Claims (14)

1. 根部側からブレード先端部に向け、金型により順次熱間鍛造を行うブレード素材の製造方法において、根部側の部位を把持し、金型により被鍛造材を拘束している時に、前記把持する部位と前記拘束された部位との間の部分的な鍛造を終えた領域にねじり加工を行うことを特徴とするブレード素材の製造方法。
2. 被鍛造材の根部側の把持はマニプレータで行い、且つ、根部側を把持するマニプレータによって被鍛造材をねじることにより、ねじり加工を行うことを特徴とする請求項１に記載のブレード素材の製造方法。
3. 熱間鍛造と、ねじり加工とを繰り返すことを特徴とする請求項１または２に記載のブレード素材の製造方法。
4. 金型を順次交換しながら熱間鍛造を行うことを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載のブレード素材の製造方法。
5. 先に熱間鍛造した領域と、次に熱間鍛造する領域とが重複することを特徴とする請求項１乃至４の何れかに記載のブレード素材の製造方法。
6. 熱間鍛造されるブレード先端部が加熱炉内にある状態で部分的な鍛造とねじり加工を行うことを特徴とする請求項１乃至５の何れかに記載のブレード素材の製造方法。
7. マニプレータで把持した被鍛造材を加熱炉から引き出しながら鍛造を行うことを特徴とする請求項５に記載のブレード素材の製造方法。
8. 被鍛造材の横断面が円形であり、且つ、最終製品形状の拡縮に応じた形状であることを特徴とする請求項１乃至７の何れかに記載のブレード素材の製造方法。
9. 被鍛造材の横断面が矩形であり、且つ、最終製品形状の拡縮に応じた形状であることを特徴とする請求項１乃至７の何れかに記載のブレード素材の製造方法。
10. 金型により、被鍛造材の所定の位置に対して部分的な鍛造を行う機能と、被鍛造材を金型により拘束する機能とを有する鍛造装置と、被鍛造材の根部側からブレード先端部に向け、順次熱間鍛造を行うための前記被鍛造材の鍛造位置を合わせる移動機能と、被鍛造材を把持する機能と、前記鍛造装置により被鍛造材を拘束している時に、被鍛造材をねじることにより、前記把持した部位と前記金型により拘束した部位との間の部分的な鍛造を終えた領域にねじり加工を行う機能を備えたマニプレータとを具備することを特徴とするブレード素材の製造装置。
11. 鍛造装置は、被鍛造材を成形する金型を順次交換する機能を有することを特徴とする請求項１０に記載のブレード素材の製造装置。
12. 鍛造装置に対してマニプレータの反対側に、被鍛造材を加熱する加熱炉をさらに備えることを特徴とする請求項１０または１１に記載のブレード素材の製造装置。
13. 被鍛造材の根部側の把持をマニプレータで行い、該マニプレータで被鍛造材を加熱炉から引き出しながら鍛造を行うことを特徴とする請求項１２に記載のブレード素材の製造装置。
14. 加熱炉から引き出した被鍛造材の酸化スケールを除去するスケール除去装置を具備することを特徴とする請求項１２または１３に記載のブレード素材の製造装置。

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