(57)【要約】【課題】  熱間リングローリング加工時の素形材の熱間寸法を予測し、熱間での素形材設計へ適用することを可能とする方法を提供する。【解決手段】  素形材表面積、素形材体積、及び素形材平均肉厚から素形材固有の冷えやすさを求める工程と、ローリング開始温度及び素形材固有の冷えやすさからローリング終止温度を求める工程と、ローリング終止温度及び素形材の線膨張係数とから収縮率を求める工程と、求められた熱収縮率を使用して、素形材設計または金型設計を行う工程と、を有する。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の形状に熱間リングローリング加工される素形材の設計方法であって、
前記素形材の表面積、体積、及び平均肉厚から素形材固有の冷えやすさを求める工程と、
ローリング開始温度及び前記素形材固有の冷えやすさからローリング終止温度を求める工程と、
前記ローリング終止温度及び前記素形材の線膨張係数とから収縮率を求める工程と、
前記求められた熱収縮率を使用して、素形材設計または金型設計を行う工程と、
を有することを特徴とする熱間リングローリング加工における素形材の設計方法。
【請求項２】
前記素形材が、肉厚差がある大外径部及び小外径部を有する場合には、
前記大外径部及び前記小外径部の肉厚比を求める工程と、
前記肉厚比から前記大外径部及び前記小外径部の温度差を求める工程と、
をさらに含み、
前記ローリング終止温度を求める工程において、
前記大外径部の前記ローリング終止温度及び前記温度差とから前記小外径部のローリング終止温度を求め、
前記収縮率を求める工程において、
前記大外径部の前記ローリング終止温度及び前記線膨張係数とから前記大外径部の収縮率を求めるとともに、前記小外径部の前記ローリング終止温度及び前記線膨張係数とから前記小外径部の収縮率を求める、ことを特徴とする請求項１に記載の熱間リングローリング加工における素形材の設計方法。
【請求項３】
前記素形材固有の冷えやすさを求める工程において、前記素形材固有の冷えやすさは下記数式１により求められることを特徴とする請求項１または２に記載の熱間リングローリング加工における素形材の設計方法。
（数式１）
α＝（S÷V）÷t
ここで、αは冷えやすさであり、Sは素形材の表面積であり、Vは素形材の体積であり、tは素形材の平均肉厚である。
【請求項４】
前記ローリング終止温度を求める工程において、前記ローリング終止温度は下記数式２により求められることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の熱間リングローリング加工における素形材の設計方法。
（数式２）
Tend±30℃＝Tini-μ×α
ここで、Tiniは、ローリング開始温度（℃）であり、Tendは、ローリング終止温度（℃）であり、μは、実測結果から求められる係数であり、αは素形材固有の冷えやすさである。
【請求項５】
前記収縮率を求める工程において、収縮率は下記数式３により求められることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の熱間リングローリング加工における素形材の設計方法。
（数式３）
δ＝Tend×β
ここで、δは収縮率であり、Tendは、ローリング終止温度（℃）であり、βは素形材の線膨張係数である。
【請求項６】
前記肉厚比を求める工程において、前記肉厚比は下記数式４により求められることを特徴とする請求項２から５のいずれかに記載の熱間リングローリング加工における素形材の設計方法。
（数式４）
γ＝(DA-Din)/(DB-Din)
ここで、γは肉厚比であり、DAは素形材の大外径部の外径であり、DBは素形材の小外径部の外径であり、Dinは素形材の内径である。
【請求項７】
前記温度差を求める工程において、前記温度差は下記数式５により求められることを特徴とする請求項２から６のいずれかに記載の熱間リングローリング加工における素形材の設計方法。
（数式５）
Δt＝a×γ- b
ここで、Δtは温度差であり、γは肉厚比であり、a、bは、実測結果から求められる係数である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱間リングローリング加工における素形材の設計方法に関し、特に、熱間リングローリング加工時の素形材の熱間寸法を予測し、熱間での素形材設計へ適用する方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
熱間リングローリング加工では、ベアリング用素材など様々なリング形状の素形材を製造している。
【０００３】
この複雑な形状を持つ素形材の熱間寸法及び収縮率を予測する従来技術は見受けられない。素形材の熱間寸法は、金型の設計段階で決定する必要があり、そのためには加工終了時の温度（終止温度）、および、その温度から与えられる収縮率の情報が必要である。
【０００４】
従来は、素形材外径および鋼種で区分した標準から、熱間〜冷間での収縮率を求めていた。ただし、この標準には、素形材形状により生じる温度の差は含まれておらず、実態にそぐわない場合が多かった。
【０００５】
その他の技術として、棒線製造過程で、熱間切断を行う場合に材料の温度を測定もしくは予測して、切断長さを補正する技術が見受けられる（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開2004-255472号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
熱間にて素形材製造を行う場合、加工終了温度（以下、終止温度という）から常温になるまでの熱収縮率を予測して、素形材設計、金型設計を行うことが最も重要である。熱間加工時の狙い寸法は、「冷間寸法（客先への納入寸法）÷  熱収縮率」で決まるが、熱収縮率の予測を誤ると、狙いとは異なった寸法の素形材が得られることになる。
【０００７】
一方、終止温度は素形材形状によって様々に変わり得る。これは、素形材の外径や肉厚、表面積の多さなどによって、加工中の熱収支が変化するためである。また、製造する品目の中には、右図のように、非対称形状となる素形材もある。この場合、部位によって肉厚差があるため、各部位での終止温度は一様ではない。
【０００８】
このような点から、各素形材形状ごとの終止温度を見積もることは、現実的に不可能であった。そのため、前述のような標準（現状の標準）を用いて網羅的に対応していたが、狙いの熱間寸法が正しくない場合があった。この課題を解決するためには、素形材形状に対応した終止温度を予測する方法が必要であり、本発明はその課題を解決する方法である。
【０００９】
本発明は、このような従来の問題を解決するためになされたもので、熱間リングローリング加工時の素形材の熱間寸法を予測し、熱間での素形材設計へ適用することを可能とする方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の熱間リングローリング加工における素形材の設計方法は、素形材表面積、素形材体積、及び素形材平均肉厚から素形材固有の冷えやすさを求める工程と、ローリング開始温度及び素形材固有の冷えやすさからローリング終止温度を求める工程と、ローリング終止温度及び素形材の線膨張係数とから収縮率を求める工程と、求められた熱収縮率を使用して、素形材設計または金型設計を行う工程と、を有する。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、素形材形状に応じて収縮率を算出することにより、実際に素形材を製造することなく、素形材の熱間寸法を精度良く予測することが可能となる。そして、素形材の熱間寸法の予測結果に基づいて素形材設計及び金型設計を行うことにより、冷間での素形材の寸法精度を向上することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の実施形態である熱間リングローリング加工における素形材の設計方法について、図を参照して詳細に説明をする。
【００１３】
図１は、本実施形態の熱間リングローリング加工における素形材の設計方法が適用される素形材の形状の一例を示す断面図である。図に示すように、本実施形態の熱間リングローリング加工における素形材の設計方法が適用される素形材は、内径がDinのリング状の部材であり、一端部に外径がDLの大外径部Ａと、他端部に外径がDSの小外径部Ｂとを含んで構成されている。
【００１４】
（１）素形材形状から、素形材の冷えやすさを定量化する
熱間リングローリング加工において、素形材形状と終止温度を調査した結果、両者の間には線形の関係があることが判明した。つまり、S：素形材表面積、V：素形材体積、t：素形材平均肉厚とすると、素形材固有の冷えやすさαは、以下の数式１で表現できる。
（数式１）
α＝（S÷V）÷t
【００１５】
ここで、素形材平均肉厚ｔは、図１に示すように、大外径部Ａの肉厚をtL=(DL - Din)/2と定義し、小外径部Ｂの肉厚をts=(Ds- Din)/2と定義した場合に、t＝(tL + ts)/2で算出できる。
【００１６】
また、このαの値は、素形材図面から算出できる値である。このように、素形材の「表面積、体積、及び、平均肉厚」を用いることで、ローリング加工中の抜熱（温度低下）を予想することが可能となり、ローリング終止温度を予測することが可能となる。
【００１７】
（２）ローリング終止温度を求める
上記で求めたαの値を、数式２に代入することにより、ローリング終止温度Tend（℃）が得られる。なお、当方法の予測精度の面から、得られたローリング終止温度Tend（℃）に、±30℃の範囲を持たせている。
【００１８】
（数式２）
Tend±30℃＝Tini - μ×α
【００１９】
ここで、Tiniは、ローリング開始温度（℃）であり、Tendは、ローリング終止温度（℃）であり、μは、実測結果から求められる係数であり、αは素形材固有の冷えやすさである。
【００２０】
数式１は、実際に製造されているローリング品について、各種形状、各種鋼種を選定し、ローリング終止温度と素形材形状との関係を調査し、その結果、終止温度と素形材形状との間に見出された関係式である。本実施形態では、μを6640とする。この「μ＝6640」という値は、実測の結果から得たものである。実測の際には、鋼種・形状問わずに測定した結果であり、数式１の導出方法は、データをグラフ上にプロットし、1次の近似式で得られた結果である。
【００２１】
（３）ローリング終止温度に応じた収縮率を見積もる
上記で求めたローリング終止温度Tendと、鋼の線膨張係数βとの積が、終止温度〜室温までの収縮率δとなる。
【００２２】
（数式３）
δ＝Tend×β
【００２３】
この収縮率δを用いて、熱間素形材の設計及び金型の設計を行う。例えば、熱間素形材の設計では、「冷間での素形材寸法÷収縮率δ」により各部の熱間寸法を算出することが可能となり、この熱間寸法を熱間作業での狙い値とする。また、金型の設計では、上記熱間素形材の設計で算出した各部の熱間寸法を用いて、リングローリング前の荒地設計（つまり、荒地の金型設計）や、リングローリング時の金型設計を行うことが可能となる。また、収縮率δを1度求めれば、同一加工であれば、以降、予め求めていた数値を使用し続けて、加工することが可能である。
【００２４】
（４）肉厚差がある素形材への対応
図１に示すように素形材の部位毎に肉厚差がある場合は、下記数式４より両者の肉厚比γを求める。
【００２５】
（数式４）
γ＝(DA-Din)/(DB-Din)
【００２６】
ここで、DAは素形材の大外径部Ａの外径であり、DBは素形材の小外径部Ｂの外径であり、Dinは素形材の内径である。
【００２７】
この肉厚比γを下記数式５に代入することで、各部位での温度差Δt（℃）が求まる。
【００２８】
（数式５）
Δt＝a×γ- b
【００２９】
ここで、a、bは、実測結果から求められる係数である。
【００３０】
数式５は、実際に製造されているローリング品について、各種形状、各種鋼種を選定し、各部位での温度差Δtと肉厚比γとの関係を調査し、その結果、各部位での温度差Δtと肉厚比γとの間に見出された関係式である。本実施形態では、aを41.5とし、bを11.8とする。この「41.5」及び「11.8」という値は、実測の結果から得たものである。実測の際には、鋼種・形状問わずに測定した結果であり、数式５の導出方法は、データをグラフ上にプロットし、1次の近似式で得られた結果である。
【００３１】
この温度差Δt（℃）を、数式１に適用することで、部位毎の温度差Δt（℃）から生じる、収縮率δの差を予測することが可能となる。
【００３２】
具体的には、まず、数式２により、まず、大外径部Ａのローリング終止温度TA_endを予測する。
【００３３】
（数式６）
TA_end±30℃＝Tini-μ×α
【００３４】
次に、肉厚差のある素形材の場合には、温度差Δtを数式５により算出する。
【００３５】
次に、数式６により得られた大外径部Ａのローリング終止温度TA_endから温度差Δtを引くことにより小外径部Ｂのローリング終止温度TB_endを予測することが可能となる。
【００３６】
（数式７）
TB_end＝TA_end-Δt
【００３７】
したがって、大外径部Ａの収縮率δAは、下記数式８から求めることが可能である。
【００３８】
（数式８）
δA＝TA_end×β
【００３９】
また、小外径部Ｂの収縮率δBは、下記数式９から求めることが可能である。
【００４０】
（数式９）
δB＝TB_end×β
【００４１】
以上説明したように、本実施形態の熱間リングローリング加工における素形材の設計方法によれば、素形材形状に応じて収縮率δA及び収縮率δBを算出することにより、実際に素形材を製造することなく、素形材の熱間寸法を精度良く予測することが可能となる。そして、素形材の熱間寸法の予測結果に基づいて素形材設計及び金型設計を行うことにより、冷間での素形材の寸法精度を向上することが可能となる。
【００４２】
また、ローリング終止温度の予測による熱間狙い寸法の精度向上により、冷間寸法（客先納入寸法）の精度向上、さらには素形材取代の削減などに繋がる。また、現場操業上も、試作調整の手間が減ることになる。
【実施例】
【００４３】
以下、本発明の実施例について説明をする。ただし、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
【００４４】
（１）素形材形状から、素形材の冷えやすさを定量化する
本実施例では、図１に示す断面形状の素形材において、素形材表面積Sが「114671mm2」、素形材体積Vが「691163mm3」、素形材平均肉厚tが、「18.125mm」である素形材を使用した。したがって、素形材固有の冷えやすさαは、数式１より「0.0092」となる。
【００４５】
（２）肉厚差がある素形材への対応
本実施例では、大外径部Ａの外径DAが「φ276.7mm」であり、小外径部Ｂの外径DBが「φ256.2mm」であり、内径Dinが「φ230.2mm」の素形材を用いた。したがって、肉厚比γは、数式４より、「1.79」となる。
【００４６】
この肉厚比γを数式５に代入することで、大外径部Ａ及び小外径部Ｂでの温度差Δt「62.5」（℃）を得た。なお、数式５におけるa、bについては、実際に製造されているローリング品について見出された数値である「41.5」及び「11.8」としている。
【００４７】
この数式５における「41.5」及び「11.8」という値は、実測の結果から得たものであり、鋼種、素形材形状問わずに測定した結果、実測値をプロットし、1次の近似式で得られた数値である。具体的には、鋼種がSUJ2であり、γが2.069であり、Δtが66℃である。
【００４８】
この温度差Δt（℃）を、数式１に適用することで、部位毎の温度差Δt（℃）から生じる、収縮率δの差を予測した。
【００４９】
具体的には、まず、数式６により、まず、大外径部Ａのローリング終止温度TA_endを求めると「946℃」となる。
【００５０】
なお、数式６におけるμについては、実際に製造されているローリング品について見出された数値である「6640」としている。
【００５１】
この数式６における「6640」という値は、実測の結果から得たものであり、鋼種、素形材形状問わずに測定した結果、実測値をプロットし、1次の近似式で得られた数値である。具体的には、図３に示すように、鋼種がSUJ2であり、終止温度が907.8℃であり、αが0.0125である。
【００５２】
次に、数式６により得られた大外径部Ａのローリング終止温度TA_end「946℃」を用いて、数式７から小外径部Ｂのローリング終止温度TB_endを求めると、「883.5℃」となる。
【００５３】
したがって、大外径部Ａの収縮率δAは、数式８から「1.10」となる。なお、鋼の線膨張係数βの値は「11.6×10-6」である。
【００５４】
また、小外径部Ｂの収縮率δBは、数式９から「1.02」となる。
【００５５】
上記の方法にて、終止温度・収縮率を予測し、実機にて確認を行った結果を表１に示す。
【００５６】
【表１】
2010125476.tif 000002
【００５７】
各部位での収縮率を比較すると、従来方法にて導出した収縮率（δA＝1.30％、δB＝1.30％）と、実機テスト結果（δA＝1.16％、δB＝1.09％）とは、比較的大きな誤差が生じている。一方、本実施例の予測方法にて導出した収縮率（δA＝1.10％、δB＝1.02％）と、実機テスト結果（δA＝1.16％、δB＝1.09％）とは良く一致することがわかる。
【００５８】
表２は、従来の設計方法を適用した場合の小外径部（寸法φDs）の冷間寸法結果を示す表である。従来は、大外径部（φDL）、小外径部（φDS）の温度差を考慮せずに設計しているため、つまり、小外径部の収縮率を、大外径部と同一としているため、狙い値通りの寸法が得られない。具体的には、狙い値よりも寸法が大きめに外れる。
【００５９】
一方、本実施例の場合は、表２から分かるように、大外径部と小外径部との温度差を予め予測し、部位毎に適切な収縮率を適用しているため、狙いどおりの冷間寸法が得られることがわかる。
【００６０】
【表２】
2010125476.tif 000003
【００６１】
このように、従来の設計方法では、非対称形状の素形材の場合には、部位毎の温度差が予測できていなかったため、狙い寸法との誤差が生じていたが、本実施例の設計方法では、ほぼ狙い通りの寸法となっている。よって、本発明の熱間リングローリング加工における素形材の設計方法の妥当性が証明された。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
【図１】本実施形態の熱間リングローリング加工における素形材の設計方法が適用される素形材の形状の一例を示す断面図である。
【図２】本実施形態の数式５の導出方法を示す図である。
【図３】本実施形態の数式２及び数式６の導出方法を示す図である。
【図１】
2010125476.tif 000004
【図２】
2010125476.tif 000005
【図３】
2010125476.tif 000006