(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
リング状素材の外周面にノッチを加工する工程を有し、このリング状素材を芯金と金敷との間で回転させながら拡径鍛造することにより、円筒状シェルの端部に口絞り部が一体に形成されるようにした口絞りシェルの製造方法であって、前記リング状素材の肉厚をＴ、全長をＬ０、リング状素材の口絞り部が形成される一方の端面Ｅａからノッチまでの距離をＬ１、このノッチから他方の端面Ｅｂまでの距離をＬ２、拡径鍛造後の円筒状シェルの肉厚をｔとし、許容される上限の絞り量をδ１ｕ、圧下率をＳとしたとき、前記ノッチの位置が、端面ＥａからＬ１／Ｌ０が０．２８以下の範囲にある外周面に、Ｌ２／Ｔ≧７．０を満たすように形成され、前記ノッチから端面Ｅｂまでの素材外周面に前記金敷を接触させ、圧下率Ｓが、以下の第１式を満たすように拡径鍛造することを特徴とする口絞りシェルの製造方法。
Ｓ≦（１／ｂ）×（δ１ｕ／Ｌ１）×（Ｌ０／Ｌ１）２ -------------（１）
ここで、圧下率（肉厚減少率）Ｓ＝（（Ｔ−ｔ）／Ｔ×１００（％））であり、ｂは素材の材質に依存する定数であり、許容される上限の絞り量δ１ｕは、目標絞り量δ１＋口絞り部外周面側の機械加工しろＭｕである。
【請求項２】
リング状素材の外周面にノッチを加工する工程を有し、このリング状素材を芯金と金敷との間で回転させながら拡径鍛造することにより、円筒状シェルの端部に口絞り部が一体に形成されるようにした口絞りシェルの製造方法であって、前記リング状素材の肉厚をＴ、全長をＬ０、外径をＤ２、リング状素材の口絞り部が形成される一方の端面Ｅａからノッチまでの距離をＬ１、このノッチから他方の端面Ｅｂまでの距離をＬ２、拡径鍛造後の円筒状シェルの肉厚をｔとし、許容される上限の絞り量をδ１ｕ、圧下率をＳとしたとき、前記ノッチの位置が、端面ＥａからＬ１／Ｌ０が０．３３以下の範囲にある外周面に、Ｌ２／Ｔ＜７．０を満たすように形成され、前記ノッチから端面Ｅｂまでの素材外周面に前記金敷を接触させ、圧下率Ｓが、以下の第１式および第２式のいずれをも満たすように拡径鍛造することを特徴とする口絞りシェルの製造方法。
Ｓ≦（１／ｂ）×（δ１ｕ／Ｌ１）×（Ｌ０／Ｌ１）２ -------------（１）
Ｓ≦ａ×（Ｌ０／Ｌ１）×（Ｄ２／Ｌ１）--------------------------（２）
ここで、ａおよびｂは素材の材質に依存する定数であり、許容される上限の絞り量δ１ｕは、目標絞り量δ１＋口絞り部外周面側の機械加工しろＭｕである。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、半球形鏡板を接合するため、円筒状の端部が口絞りされた圧力容器用大型リング部材の口絞りシェルの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
化工機器用リアクターや原子力用圧力容器などの大型圧力容器では、その本体部の直円筒状シェル（ストレートシェル）の端部に設けた口絞り部に、半球形状の鏡板が接合されている。従来、この半球形鏡板の直径と本体部の円筒状シェルの外径が大きく異なる場合は、図１１（ａ）に示すように、半球形状の鏡板７と直円筒状シェル８との間にリング形状で両端面の外径が異なるダッチマン９と呼ばれる中間部材を介在させて接合していた。しかし、この中間部材を介在させる接合方法では、溶接線が増え、製造コストが高くなるため、ダッチマン９と直円筒状シェル８を一体成形することにより、図１１（ｂ）に示すように、端部に口絞り部８ａが形成された口絞りシェルが求められていた。
【０００３】
例えば、特許文献１には、図１２（ａ）、（ｂ）に示すように、心金１０と金敷１１との間で、直円筒状の被鍛造部材を回転させながら鍛造する際に、心金１０に段部１３を設け、被鍛造材１２を鍛造中に、その端部を段部１３に下り込ませることによって、口絞り部１２ａを形成するようにした大形リングの口絞り鍛造方法が開示されている。
【０００４】
また、特許文献２では、大型肉厚の圧力容器の直円筒状部と半球形状鏡板との間に介在させる中空切頭円錐状長尺異径リングを、図１３（ａ）に示すように、まず、この異形リングの内部形状に合わせた異径スリーブ１４を嵌合した心金１５を心金支持台１６で支持し、この異径スリーブ１４に肉厚差を付けた鍛造素材１７を懸架し、穴広げ金敷１８と心金１５と異径スリーブ１４とで鍛造素材１７を順次回転させながら、その大径部１７ａの穴広げ鍛造を行ない、リング１９により小径部１７ｂの広がりを拘束した状態で大径部１７ａの穴広げを続行し、次に、図１３（ｂ）に示すように、前記金敷１８を、傾斜部２０と凸部２１を設けた金敷１８ａに取り換えて、鍛造素材１７を金敷１８ａと異径スリーブ１４とで穴広げを続行して鍛造成形する方法が開示されている。
【０００５】
さらに、特許文献３では、図１４（ａ）、（ｂ）に示すように、鍛造リング部材２２の端部に、内面にテーパを有する口絞り成形用ダイ２３を作用させて口絞り成形を行なうにあたり、鍛造リング部材２２の成形端部域に薄肉化加工を施すかまたはその領域の周方向にノッチ加工を施して、プレスベッド上の置台２４に載置した鍛造リング部材２２に、口絞り成形用ダイ２３を均一圧下するためのプレート２５を介してプレス金敷２６により作用させる口絞り成形方法が開示されている。
【特許文献１】特公昭５５−２４３７８号公報
【特許文献２】特公昭５７−４６９３８号公報
【特許文献３】特開昭６３−３１７２３１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、特許文献１に開示された鍛造方法で口絞り部を成形する場合、口絞り部１２ａと円筒状シェル部１２ｂの境目に引けによる欠肉が発生する。とくに、円筒状シェル部１２ａの端部に、その外周にわたって容器支持用に短く突出させたミニスカート部を設ける場合、前記欠肉の発生を防止するために、余肉を大きく付ける必要があり、鍛造工程設計が難しくなる。また、特許文献２に開示された鍛造方法では、金敷１８ａおよび異径スリーブの傾斜部１４ａの角度がとくに重要であるため、製品の円錐状長尺異径リングに合わせ金敷および異径スリーブが必要となり、製造コストが高くなる。さらに、特許文献３に開示された口絞り成形方法では、口絞り部を、円筒状シェル部（本体部）の拡げ鍛造により形成するのではなく、口絞り用成形ダイス２３を用いたプレス加工により形成するため、特許文献２の場合と同様に、製品の鍛造リングに合わせた口絞り用成形ダイスが必要となり、また、プレス荷重も大きくなることなどにより、製造コストが増加する。
【０００７】
そこで、この発明の課題は、口絞り部と直円筒状シェルとの境界部での材料の引けを抑制して欠肉の発生を防止でき、かつ、低コストで製品歩留まりが向上する、大型圧力容器用の口絞りシェルの製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記の課題を解決するために、この発明では以下の構成を採用したのである。
【０００９】
即ち、請求項１に係る口絞りシェルの製造方法は、リング状素材の外周面にノッチを加工する工程を有し、このリング状素材を芯金と金敷との間で回転させながら拡径鍛造することにより、円筒状シェルの端部に口絞り部が一体に形成されるようにした口絞りシェルの製造方法であって、前記リング状素材の肉厚をＴ、全長をＬ０、リング状素材の口絞り部が形成される一方の端面Ｅａからノッチまでの距離をＬ１、このノッチから他方の端面Ｅｂまでの距離をＬ２、拡径鍛造後の円筒状シェルの肉厚をｔとし、許容される上限の絞り量をδ１ｕ、圧下率をＳとしたとき、前記ノッチの位置が、端面ＥａからＬ１／Ｌ０が０．２８以下の範囲にある外周面に、Ｌ２／Ｔ≧７．０を満たすように形成され、前記ノッチから端面Ｅｂまでの素材外周面に前記金敷を接触させ、圧下率Ｓが、以下の第１式を満たすように拡径鍛造することを特徴とする。
Ｓ≦（１／ｂ）×（δ１ｕ／Ｌ１）×（Ｌ０／Ｌ１）２ -------------（１）
ここで、圧下率（肉厚減少率）Ｓ＝（（Ｔ−ｔ）／Ｔ×１００（％））であり、ｂは素材の材質に依存する定数であり、許容される上限の絞り量δ１ｕは、目標絞り量δ１＋口絞り部外周面側の機械加工しろＭｕである。
【００１０】
図１（ａ）および（ｂ）は、前記リング状素材１および拡径鍛造後の口絞りシェル２の長手方向の断面形状をそれぞれ示したものである。図１（ａ）に示したように、端面ＥａからＬ１の距離に、深さｈのＶ字状のノッチ３が、その一方の内壁面がリング状素材の中心軸に垂直となるようにして、その外周面に連続して形成されている。このＶ字状ノッチ３の端面Ｅａからの距離Ｌ１は、端面ＥａからＶ字状ノッチ３の溝底までの中心軸方向の距離である。図１（ｂ）で、δ１は絞り量を、δ２は鍛造条件によって発生し得る円筒状シェル部２ａの外周面のテーパ量をそれぞれ示す。すなわち、絞り量δ１は、口絞り部２ｂの端部Ａでの外径Ｄ２ａと円筒状シェル部２ａの端部Ｂでの外径Ｄ２ｂとの径差の１／２（＝（Ｄ２ｂ―Ｄ２ａ）／２）であり、テーパ量δ２は、円筒状シェル部２ａの両端部位Ｂ、Ｃにおける外径Ｄ２ｂとＤ２ｃとの径差の１／２（＝（Ｄ２ｃ―Ｄ２ｂ）／２）である。なお、円筒シェル部２ａにテーパが発生しない場合は、絞り量δ１は、円筒シェル部２ａの外径（Ｄ２ｂ＝Ｄ２ｃ）と口絞り部２bの端部Ａ（端面Ｅa）での外径Ｄ２ａとの径差の１／２となる。
【００１１】
表１に示す寸法のリング状素材（図１（ａ））を、室温での変形挙動が、鋼の熱間温度域での変形挙動と類似する鉛で作製し、拡径鍛造により図１（ｂ）に示した口絞りシェル２を形成した結果を図２〜図５に示す。図２は、円筒状シェル部２ａの外周面のテーパδ２／Ｌ２を圧下率Ｓに対してプロットしたものである。図３は、図２で得られた各リング状素材についての傾き（勾配）θ２を、リング状素材の拡径鍛造部の形状パラメータＬ２／Ｔに対してプロットしたものである。図３から、リング状素材の形状パラメータＬ２／Ｔが７．０以上であれば、好ましくは７．６以上であればθ２がゼロとなって、すなわちδ２／Ｔがゼロとなって、円筒状シェル部２ａの外周面にテーパが発生しないことがわかる。これは、肉厚Ｔに対する圧下域（Ｌ２）の比が７．０以上になると、リング状素材の長手方向の伸びが殆んど発生しない平面ひずみ状態に近い変形状態になるために、口絞り部２ｂが円筒状シェル部２ａに及ぼす影響が無視できる程度に小さくなるためである。
【００１２】
【表１】
0004571571.tif 000002
【００１３】
図４は、表１に示した各ノッチ３の位置について、口絞り部２ｂのテーパδ１／Ｌ１を圧下率Ｓに対してプロットしたものである。図５は、図４から得られる絞り量傾き（勾配）θ１（＝δ１／（Ｌ１×Ｓ））をノッチ３の位置パラメータＬ１／Ｌ０に対してプロットしたものである。図５から、絞り量傾きθ１（＝δ１／（Ｌ１×Ｓ））とノッチ３の位置パラメータＬ１／Ｌ０とは、（３）式の関係があることがわかる。
δ１／（Ｌ１×Ｓ）＝０．３２×（Ｌ１／Ｌ０）２ -------------（３）
（３）式から、目標とする絞り量δ１を得るために必要な圧下率Ｓは、（４）式で求めることができる。
Ｓ＝１／０．３２×（Ｌ０／Ｌ１）２×（δ１／Ｌ１）-----------（４）
したがって、目標とする絞り量δ１を得るためには、圧下率Ｓは、上記（５）式を満足する必要がある。
Ｓ＝（１／ｂ）×（δ１／Ｌ１）×（Ｌ０／Ｌ１）２ -------------（５）
ここで、ｂは材質によって決まる材質固有値であり、上記拡径鍛造実験のリング状素材として鉛を用いた場合、ｂ＝０．３２である。
【００１４】
前記口絞りシェルは、上述の拡径鍛造により口絞り部を形成した後、図６に模式的に示したように、機械加工を施して口絞りシェル製品となる。したがって、許容される上限の絞り量δ１ｕは、口絞り部２ｂの外周面の機械加工しろをＭｕとすると、δ１ｕ＝δ１＋Ｍｕとなる。このδ１ｕを（５）式のδ１に代入すると、許容される上限の圧下率ＳＵは、
ＳＵ＝（１／ｂ）×（δ１ｕ／Ｌ１）×（Ｌ０／Ｌ１）２------------（６）
したがって、圧下率Ｓは、許容される上限の圧下率ＳＵ以下とする必要があり（Ｓ≦ＳＵ）、（１）式を満足する必要がある。
Ｓ≦（１／ｂ）×（δ１ｕ／Ｌ１）×（Ｌ０／Ｌ１）２ -------------（１）
また、許容される下限の絞り量δ１Ｌは、口絞り部２ｂの内周面の機械加工しろをＭLとすると、δ１Ｌ＝δ１―ＭＬとなる。このδ１Ｌを（５）式のδ１に代入すると、許容される下限の圧下率ＳＬは、
ＳＬ＝（１／ｂ）×（δ１Ｌ／Ｌ１）×（Ｌ０／Ｌ１）２------------（７）
したがって、圧下率Ｓは、許容される下限の圧下率ＳＬ以上とする必要があり（Ｓ≧ＳＬ）、（８）式を満足する必要がある。
Ｓ≧（１／ｂ）×（δ１Ｌ／Ｌ１）×（Ｌ０／Ｌ１）２-------------（８）
このようにして、円筒状シェル部にテーパが発生せず、目標とする絞り量δ１が形成された口絞りシェルの鍛造品が得られる。なお、（１）式の定数ｂは、口絞りシェル用に供するリング状素材の材質について、表１に実験条件を示したような拡径鍛造実験を行なうことにより、容易に決定することができる。また、目標とする絞り量δ１は、口絞りシェルの仕上げ形状および拡径鍛造仕上がり品の外周側および内周側の機械加工しろを考慮して設定することができる。
【００１５】
請求項２に係る口絞りシェルの製造方法は、リング状素材の外周面にノッチを加工する工程を有し、このリング状素材を芯金と金敷との間で回転させながら拡径鍛造することにより、円筒状シェルの端部に口絞り部が一体に形成されるようにした口絞りシェルの製造方法であって、前記リング状素材の肉厚をＴ、全長をＬ０、外径をＤ２、リング状素材の口絞り部が形成される一方の端面Ｅａからノッチまでの距離をＬ１、このノッチから他方の端面Ｅｂまでの距離をＬ２、拡径鍛造後の円筒状シェルの肉厚をｔとし、許容される上限の絞り量をδ１ｕ、圧下率をＳとしたとき、前記ノッチの位置が、端面ＥａからＬ１／Ｌ０が０．３３以下の範囲にある外周面に、Ｌ２／Ｔ＜７．０を満たすように形成され、前記ノッチから端面Ｅｂまでの素材外周面に前記金敷を接触させ、圧下率Ｓが、以下の第１式および第２式のいずれをも満たすように拡径鍛造することを特徴とする。
Ｓ≦（１／ｂ）×（δ１ｕ／Ｌ１）×（Ｌ０／Ｌ１）２ -------------（１）
Ｓ≦ａ×（Ｌ０／Ｌ１）×（Ｄ２／Ｌ１）--------------------------（２）
ここで、ａおよびｂは素材の材質に依存する定数であり、許容される上限の絞り量δ１ｕは、目標絞り量δ１＋口絞り部外周面側の機械加工しろＭｕである。
【００１６】
図７は、円筒状シェル部のテーパδ２／Ｌ２を、口絞り領域を表す前記ノッチの位置パラメータＬ１／Ｌ０、口絞り部の拘束強さを表すパラメータＬ１／Ｄ２、および圧下率Ｓの積、（Ｌ１／Ｌ０）×（Ｌ１／Ｄ２）×Ｓに対してプロットしたものである。図中の数式は、δ２／Ｔと（Ｌ１／Ｌ０）×（Ｌ１／Ｄ２）×Ｓとの関数式（回帰式）を示したものである。図７から、（Ｌ１／Ｌ０）×（Ｌ１／Ｄ２）×Ｓ≦０．１１８５以下では、δ２／Ｌ２がゼロとなって、円筒状シェル部２ａの外周面にテーパが発生しないことがわかる。したがって、上記（１）および(２)式を満足するように圧下率Ｓを選択すれば、円筒状シェル部２ａの外周面にテーパが発生せずに、目標とする絞り量δ１が得られることがわかる。なお、上記（２）式の定数ａについても、口絞りシェル用に供するリング状素材の材質について、表１に実験条件を示したような拡径鍛造実験を行なうことにより、容易に決定することができる。
【発明の効果】
【００１７】
この発明では、リング状素材の外周面にノッチを加工して、このリング状素材を芯金と金敷との間で回転させながら拡径鍛造することにより、円筒状シェル部の端部に口絞り部が一体に形成された口絞りシェルを製造するにあたり、ノッチを加工する位置範囲を明確にして、円筒状シェル部の外周面にテーパを発生させず、その口絞り部との境界に欠肉を発生させずに目標絞り量を得るための拡径鍛造条件を明確にしたので、従来のプレス加工の場合よりも低コストで、機械加工しろが少なくて済む鍛造上がり品が得られ、このような製品歩留の向上がもたらされる鍛造工程設計を簡便に行なうことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下に、この発明の実施形態を添付の図８から図１０に基づいて説明する。
【００１９】
図８は、芯金４と金敷５との間に、例えば、Ｃｒ−Ｍｏ鋼等の圧力容器用の、全長Ｌ０、肉厚Ｔのリング状素材１をセットした状態を示している。このリング状素材１は、内部組織の改善のため、予め、その全長Ｌ０にわたって予備の拡径鍛造が施されている。前記リング状素材１には、口絞り部が形成される一方の端面Ｅａから軸方向に沿った距離Ｌ１の位置に、すなわちＬ１／Ｌ０≦０．２８で、かつＬ２／Ｔ≧７．０を満たす位置に、外周面に沿ってＶ字状のノッチ３が加工されている。前記芯金４の口絞り部２ｂ側の端部には、拡径鍛造時に口絞り部２ｂを拘束しないように段差６が設けられている。また、金敷５は、口絞り部２ｂを圧下しないように、リング状素材１のノッチ３から他方の端面Ｅｂまでの距離Ｌ２内の外周面を鍛造する幅に形成されている。そして、図９に示すように、リング状素材１を芯金４と金敷５の間で回転させながら、目標の絞り量δ１を得るために、上記（１）式を満足する圧下率Ｓ（＝（Ｔ−ｔ）／Ｔ×１００（％））に到達するまで、拡径鍛造を施す。  
【００２０】
このようにして、口絞り部２ｂを除いたリング状素材１の外周面を金敷５に押し当てて拡径鍛造を施せば、図９に示したように、ノッチ３の、鍛流線を分断する作用によって口絞り部２ｂと円筒状シェル部２ａとの境界部に材料の引けによる欠肉が発生せず、かつ、外周面にテーパが発生せずに目標絞り量δ１が得られる。このため、簡便な工程設計で機械加工代の少ない口絞りシェル２の鍛造仕上がり品が得られ、製品歩留が向上する。  
【００２１】
図１０は、図９に示した口絞りシェル２の鍛造仕上がり品に切削などの機械加工を施して図９に破線で示した形状に仕上げた口絞りシェル２の仕上げ形状とその口絞り部２ｂに取り付けられた半球形状の鏡板７を示したもので、円筒状シェル部２ａの端部にその外周にわたって短く突出させた容器支持用のミニスカート部２ｃが形成されている。図８および図９に示したように、ノッチ３を設けたリング状素材１を拡径鍛造することにより、簡便な工程設計で、欠肉の発生が防止された、機械加工代の少ない口絞りシェル２の鍛造仕上がり品が得られ、製品歩留が向上する。
【００２２】
前記口絞り部２ｂと円筒状シェル部２ａとの境界部に材料の引けによる欠肉が発生せず、かつ、外周面にテーパが発生せずに目標絞り量δ１が得るための圧下率は、上記（１）式および（２）式の両方を満たす圧下率Ｓを選定することによっても実現できる。円筒状シェル部２ａにテーパが発生しない条件式として、（２）式を用いているため、ノッチ３を加工する位置を、リング状素材１の外径Ｄ２を考慮して、すなわちリング状素材１の大きさを考慮して決定することができ、より大型のリング状素材の場合でも適切なノッチの位置を簡便に決定することができる。
【００２３】
なお、前記ノッチ３は、材料の引けを抑制して欠肉を防止するためには、口絞り部２ｂの肉厚の少なくとも５％以上の深さで設けることが望ましい。また、ノッチ３の形状は必ずしもＶ字状に限定するものではない。  
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】（ａ）リング素材の長手方向の断面形状を示す説明図である。（ｂ）拡径鍛造後の口絞りシェルの長手方向の断面形状を示す説明図である。
【図２】口絞りシェルの円筒状シェル部の外周面のテーパ（δ２／Ｌ２）を圧下率に対してプロットした説明図である。
【図３】図２の円筒状シェル部のテーパ（δ２／Ｌ２）を、リング状素材の形状パラメータ（Ｌ２／Ｔ）に対してプロットした説明図である。
【図４】表１に示した各ノッチの位置について、口絞り部のテーパδ１／Ｌ１を圧下率Ｓに対してプロットした説明図である。
【図５】口絞りシェルの絞り量傾きθ１（＝δ１／（Ｌ１×Ｓ））とノッチ位置パラメータ（Ｌ１／Ｌ０）との関係を示す説明図である。
【図６】拡径鍛造仕上がり品の目標絞り量とその許容範囲を模式的に示す説明図である。
【図７】円筒状シェル部のテーパδ２／Ｌ２を、拡径鍛造パラメータＦに対してプロットした説明図である。
【図８】拡径鍛造時の芯金４と金敷５との間にリング状素材をセットした状態を示す説明図である。
【図９】拡径鍛造により口絞り部が形成された状態を示す説明図である。
【図１０】口絞りシェルの仕上げ形状を示す説明図である。
【図１１】（ａ）中間部材を用いて半球形状鏡板と円筒状本体部を接合する構造を模式的に示した説明図である。（ｂ）円筒状本体部の端部に口絞り部を設けた一体型口絞りシェルを示す説明図である。
【図１２】（ａ）、（ｂ）従来技術の拡径鍛造により口絞りシェルを製造する方法を示す説明図である。
【図１３】（ａ）、（ｂ）他の従来技術の拡径鍛造により口絞りシェルを製造する方法を示す説明図である。
【図１４】従来技術のプレス成形により口絞りシェルを製造する方法を示す説明図である。
【符号の説明】
【００２５】
１：リング状素材        ２：口絞りシェル        ２ａ：円筒状シェル部
２ｂ：口絞り部          ２ｃ：ミニスカート部    ３：ノッチ
４：芯金                ５：金敷                ６：段部
７：鏡板                ８：直円筒状シェル      ９：ダッチマン
【図１】
0004571571.tif 000003
【図２】
0004571571.tif 000004
【図３】
0004571571.tif 000005
【図４】
0004571571.tif 000006
【図５】
0004571571.tif 000007
【図６】
0004571571.tif 000008
【図７】
0004571571.tif 000009
【図８】
0004571571.tif 000010
【図９】
0004571571.tif 000011
【図１０】
0004571571.tif 000012
【図１１】
0004571571.tif 000013
【図１２】
0004571571.tif 000014
【図１３】
0004571571.tif 000015
【図１４】
0004571571.tif 000016