(57)【要約】【課題】押圧力確保等に係る鍛造装置のコスト低減と、熱間鍛造における被鍛造材の温度低下抑制に好適な金型を提供する。【解決手段】鍛造素材を間欠回転させながら押圧し、円板状の鍛造材を得るための金型であって、下型と、前記下型に対向して配置された上型とを備え、前記下型および上型は、それぞれ、凹部を介して回転対称的に配置された複数の押圧面を有し、前記下型の前記押圧面と、前記上型の前記押圧面とが対向して配置される。好ましくは、前記下型および上型を、それぞれ前記複数の押圧面を有する部分とそれ以外の部分との組み合わせとして構成する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
鍛造素材を金型に対して相対的に間欠回転させながら、前記鍛造素材を前記金型で押圧し、円板状の鍛造材を得るために用いられる金型であって、
前記金型は、下型と、前記下型に対向して配置される上型とを備え、
前記下型および上型は、それぞれ、凹部を介して回転対称的に配置された複数の押圧面を有し、
前記下型の前記押圧面と、前記上型の前記押圧面とは、互いに対向可能な位置に形成されていることを特徴とする金型。
【請求項２】
前記下型または上型は、前記押圧面を構成する部分とそれ以外を構成する部分とを組み合わせて構成されていることを特徴とする請求項１に記載の金型。
【請求項３】
前記押圧面を構成する部分は、各押圧面毎に別体の部材であることを特徴とする請求項２に記載の金型。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、円板状の鍛造材を得るための回転鍛造用の金型に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
円板形状の被鍛造材を熱間鍛造する技術として、いわゆる回転鍛造が知られている。回転鍛造では、回転鍛造用の上・下金型（金敷）の間に配置した円板状の被鍛造材（鍛造素材）を、円板中心軸の周りに間欠回転させながら、周方向に順次押圧する。例えば、特開２００９−０１２０５９号公報（特許文献１）には、下金敷の中心軸に直交する半径方向に延びる複数の押圧面が均等の角度で配置された上金敷を備えた、ディスク状鍛造物の製造装置が開示されている。
特許文献１には、かかる製造装置を用いて回転鍛造を行うことで被鍛造材全体に均等に歪みを与えられる点、上金敷によって被鍛造物を押圧する一回あたりの面積が、被鍛造物の全体を押圧するのに比べ少なくて済むので、小さい能力の製造装置でも外径の大きな被鍛造物を鍛造することが可能となる点等の利点が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００９−０１２０５９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述した特許文献１等に開示された回転鍛造によれば、小さい押圧力でも大型の被鍛造材の熱間鍛造が可能になり、鍛造装置のコスト低減が期待される。しかしながら、熱間鍛造における課題としては、加圧能力の問題のみならず、被鍛造材の温度低下の問題がある。熱間鍛造中に被鍛造材の温度低下が大きくなると、安定した鍛造が困難になる。特許文献1の鍛造装置はかかる問題を解決するものではなく、その他の従来の技術においても被鍛造材の温度低下を抑制するに十分なものではなかった。
【０００５】
上記課題に鑑み、本発明は、鍛造装置のコスト低減と、熱間鍛造における被鍛造材の温度低下抑制に好適な金型を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の金型は、鍛造素材を金型に対して相対的に間欠回転させながら、前記鍛造素材を前記金型で押圧し、円板状の鍛造材を得るために用いられる金型であって、前記金型は、下型と、前記下型に対向して配置される上型とを備え、前記下型および上型は、それぞれ、凹部を介して回転対称的に配置された複数の押圧面を有し、前記下型の前記押圧面と、前記上型の前記押圧面とは、互いに対向可能な位置に形成されていることを特徴とする。
【０００７】
また、前記金型において、前記下型または上型は、前記押圧面を構成する部分とそれ以外を構成する部分とを組み合わせて構成されていることが好ましい。
さらに、前記押圧面を構成する部分は、各押圧面毎に別体であることが好ましい。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、押圧力確保等に係る設備コストを低減するとともに、熱間鍛造における被鍛造材の温度低下抑制も可能な、金型を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明に係る金型の実施形態を示す図である。
【図２】本発明に係る金型の実施形態に用いる下型（上型）の構成を示す図である。
【図３】押圧面の形態を示すための、図２のＡＡ’の位置での断面図である。
【図４】本発明に係る金型の他の実施形態を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本発明に係る金型は、鍛造素材を金型に対して相対的に間欠回転させながら、前記鍛造素材を前記金型で押圧し、円板状の鍛造材を得るために用いられる金型であって、下型と、前記下型に対向して配置される上型とを備える。前記下型および上型は、それぞれ、凹部を介して回転対称的に配置された複数の押圧面を有し、前記下型の前記押圧面と、前記上型の前記押圧面とは、互いに対向可能な位置に形成されている点が本発明に係る金型の特徴の一つである。
押圧面を、凹部を介して配置することで、鍛造素材を押圧する一回あたりの面積が、鍛造素材全体を押圧する場合に比べて小さくなる。したがって、大きな鍛造素材を鍛造する場合であっても、鍛造装置に必要な加圧能力は低くて済むため、鍛造装置のコストを抑制することができる。さらに、上型と下型の両方に凹部が設けられているため、金型と鍛造素材との接触面積が小さい。そのため、熱間鍛造における鍛造素材の温度低下を抑制することができる。
また、鍛造素材は金型に対して相対的に間欠回転されるが、金型を回転させても良いし、鍛造素材を回転させても良い。大型の鍛造装置の場合、鍛造素材を回転させた方が、構成上、簡易に行える。
以下、本発明に係る金型の実施形態を、図を用いて具体的に説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
【００１１】
図１に本発明に係る金型の実施形態を示す。図１（ａ）は、鍛造の押圧方向（ｚ方向）に垂直な方向から見た金型１００の正面図である。金型１００は下型１００ａと、下型１００ａに押圧方向に対向して配置された上型１００ｂを有する。図２（ａ）は、下型１００ａの正面図、図２（ｂ）には下型１００ｂをｚ方向から見た平面図である。図１および２に示す実施形態では、下型１００ｂには中心から放射状に延び、かつ凹部３を介して回転対称的に配置された四つの押圧面２を有する。同形状の複数の押圧面を回転対称的、すなわち等角度間隔で配置するのは、均等な鍛造を行う上で有利だからである。加熱された鍛造素材１は、下型１００ｂの押圧面２に載置され、上型１００ａと下型１００ｂとの間で押圧する工程と、鍛造素材１を回転する工程とが繰り返される。
特許文献１に示すような従来の構成では、下型は全面が鍛造素材に接触するため、鍛造素材の温度低下が大きい。これに対して、図１および２に示す実施形態では、非押圧面を構成する凹部３には鍛造素材１が直接接触しないため、鍛造素材１の温度低下を抑制することができる。凹部３には金型素材の代わりに空気が存在するため、いわば断熱層としての機能が発揮される。しかも、上型よりも下型の方が鍛造素材１との接触時間が長いため、上型だけでなく、下型にも凹部を設けることが特に有効に機能する。
なお、上型１００ｂの概形と下型１００ａの概形は対称的であるため、特に断らない限り、以下、下型として説明する構成は、上型の構成にも該当する。
【００１２】
温度低下抑制の観点からは、凹部３の上面と押圧面２との間隔が大きいことが好ましい。一方で、かかる間隔が大きくなると金型全体が大型化する。そのため、凹部３の上面と押圧面２との間隔は、例えば３０〜２００ｍｍにすることが好ましい。
押圧面の数はこれを特に限定するものではないが、鍛造素材を安定して載置するためには、押圧面の数は三つ以上であることが好ましい。また、必要な押圧力を低減するためや鍛造素材から金型への熱伝導を抑制するためには、押圧面の数・面積が小さいことが好ましい。図１に示す実施形態では、かかる観点から押圧面の面積割合を凹部の面積割合よりも小さくしてある。一方、押圧面の数・面積が小さくなると、圧下回数が増え、鍛造に多くの時間がかかるようになり、製造効率が落ちる上に、鍛造素材の温度も低下するようになる。かかる観点からは、押圧面の面積割合を凹部の面積割合よりも大きくすることも好ましい。また、これらの観点のバランスを考慮して、押圧面の数は、三つまたは四つにすることが好ましく、下型（上型）の各押圧面の面積の合計は、凹部を形成しないと仮定した場合の円形の押圧面の面積の１０〜８０％にすることが好ましい。より好ましい押圧面面積の上限は５０％である。
【００１３】
また、鍛造素材から金型への熱伝導をさらに抑制するために、断熱材を凹部３に配置することもできる。下型１００ａ、上型１００ｂの少なくとも一方の周囲に断熱材を配置してもよい。
【００１４】
各押圧面の形状はこれを特に限定するものではないが、図１および２に示すように、中心から径方向に広がる略扇形状であることが好ましい。均一に鍛造する上で有利だからである。この場合、押圧面の間に形成される凹部も略扇形である。また、図１および２に示す押圧面の形状は中心から放射状に延びる、径方向を長手方向とする形状であるが、径方向が短手方向である形状を適用することもできる。
押圧面の押圧方向（ｚ方向）の高さは押圧面全体に渡って一定でもよいし、中心から外周に向かって押圧面が部分的または全体的に傾斜してもよい。また、押圧面が段差を備えることも可能である。押圧面が傾斜または段差を有することで、ニアネットシェイプに対応した鍛造が可能になる。また、鍛造によって与える歪量を径方向で変化させ、必要な部分に必要な量の歪みを与えることが可能であるため、効率的な鍛造にも資する。
【００１５】
また、図３（図２のＡ−Ａ’断面図）に示すように、押圧面２の周方向端部にテーパー部６を設けることがより好ましい。テーパー部６を設けることにより、鍛造素材の型離れを円滑にし、かぶり疵を確実に防止することが可能となる。なお、上型の押圧面の、前記下型のテーパー部６に対応する部分にもテーパー部を形成することで、かぶり疵の発生をより確実に防止することが可能となり、更に好ましい。
【００１６】
また、図１および２に示す実施形態では、各押圧面の外周側には、型合わせ面４を構成する凸部が設けられている。該凸部によって鍛造素材の外周が拘束される。鍛造素材の外周形状を規定する該凸部の内周面は、ディスク形状の鍛造材を得るために、押圧方向から見て円弧状をなす曲面状をなしている。型合わせ面４を構成する凸部の有無、形状はこれを特に限定するものではなく、必要とされる形状等に応じて決定することができる。例えば、内周面が押圧方向に平行な図１および２の実施形態の他に、凸部の内周面を傾斜面で構成することもできるし、内周面に段差を設けることもできる。一方、型合わせ面に段差を設ければ、上下の金型を合わせた時に型合わせ面４の一部に隙間が形成される。かかる構成によれば、該隙間への肉流れも確保され、押圧荷重が過大になるのを防ぐことができる。
【００１７】
図４に示す実施形態のように、下型１００ａおよび上型１００ｂは、それぞれ、複数の押圧面を有する部分７とそれ以外の部分８（以下、金型本体ともいう）との組み合わせとして構成されていることが好ましい。図４に示すかかる実施形態は、図２に示す、複数の押圧面を有する部分７とそれ以外の部分８とが連続、一体である実施形態に対して、以下の利点がある。
押圧面を有する部分７とそれ以外の部分８とを別体にすることにより、押圧面を有する部分７とそれ以外の部分８とで、材料特性や機能を変えることができる。例えば、押圧面を有する部分７を高温強度に優れた超耐熱合金とし、それ以外の部分８を安価な熱間金型用鋼とすることで、上型や下型の寿命を向上させつつ、金型作製費用も抑制することができる。押圧面を有する部分以外の部分をより熱伝導率の低い材料にして熱伝導を抑制することも可能である。また、押圧面を有する部分７とそれ以外の部分８との間に、これらの材料よりも熱伝導率が小さい断熱材を配置すれば、断熱性をさらに高めることもできる。
【００１８】
また、押圧面を有する部分７として、全体が一体である構成を採用することもできるが、各押圧面毎の別体の部材で構成されていることがより好ましい。図４（図１および２も同様）に示した実施形態では、下型１００ａは、その中心部分に円形状の凹部５を備える。押圧面を有する部分は、中心の凹部５と周方向に配置された凹部３によって隔離された、各押圧面毎の別体の部材で構成されている。押圧面を有する部分７を各押圧面毎の別体の部材で構成することで、金型の作製が特に容易になる。
【００１９】
また、各押圧面毎に別体で構成された部材は、溶接等によって金型本体に固着することもできるが、金型本体に脱着可能にすることが好ましい。脱着可能な方式を採用すると、例えば、押圧面の肉盛補修が容易になるだけでなく、時効処理を行って押圧面の高強度化を図ることも可能となる。図４に示す実施形態では上記部材は断面矩形で示されているが、該断面形状は固着や脱着の方法等に応じて決定すればよい。
【００２０】
上述の、下型１００ａの構成と、上型１００ｂの構成は必ずしも同一である必要はない。例えば、下型１００ａと上型１００ｂの押圧面の形状は必要とされる鍛造材の形状に応じて、互いに異なるものにすることができる。一方、均一に鍛造を行うためには、複数の押圧面の数、位置（配置角度）は下型および上型で同じにすることが好ましい。
【００２１】
以下、本発明に係る金型を用いた回転鍛造方法について説明する。なお、本発明に係る金型は熱間鍛造に限らず、恒温鍛造やホットダイにも適用することができる。
所定の鍛造温度に加熱された円板状の鍛造素材１を下型１００ａ上に載置する。鍛造素材１はタービンディスクなどの最終的な鍛造製品形状を得るための予備成形体である。鍛造素材の材質としては、例えばＮｉ基超耐熱合金、Ｔｉ合金等を用いることができる。図４等に示した円形状の凹部５に対応した凸部を鍛造素材１に設けておけば、前記凹部５を位置合わせ部として利用することができる。なお、前記凹部５は有底孔で構成してもよいし、貫通孔で構成してもよい。一方、下型１００ａに形成する位置合わせ部としては凹部の代わりに凸部を用いることもできる。この場合は鍛造素材１の中心に予め凹部を形成しておけばよい。
次に、上型１００ｂを下降させて鍛造素材１を押圧する。このとき、下型１００ａに設けられた押圧面２と上型１００ｂに設けられた押圧面２によって鍛造素材１に部分的な鍛造を行う。部分的な鍛造を行った後、上型１００ｂを鍛造素材１から離間させ、一回の鍛造が終了する。
【００２２】
一回の鍛造を経た鍛造素材１は、昇降・回転装置によって、下型１００ａから離間し、所定の角度だけ回転させ、下型１００ａへ再度載置する。鍛造素材１を下型１００ａから離間および載置するための昇降機構としては、例えば、鍛造素材１の外周を把持して昇降させる機構、下型１００ａの中心の凹部５または押圧面間の凹部３に設けた突き上げ機構などを用いることができる。鍛造素材１の回転は、例えば鍛造素材１を把持した状態で行えばよい。下型１００ａの中心の凹部５に設けた突き上げ機構に回転機構も持たせて、該回転機構によって鍛造素材１を回転することもできる。なお、昇降・回転装置では、昇降機構と回転機構とを、別々の装置として構成してもよいし、一つの装置として構成してもよい。回転角度は、最初に鍛造した部位と、次に行う鍛造の部位とが重複するような角度であると鍛造素材のかぶり疵を防止することができる。下型１００ａと上型１００ｂとの間で押圧する工程と、鍛造素材１を回転する工程とを繰り返し行うことで、鍛造素材の円周方向に肉流れが生じ、大型の鍛造素材であっても少ない押圧力で効率よく回転鍛造を行うことができる。本発明に係る金型およびそれを用いた鍛造方法は、例えば、ガスタービン用、蒸気タービン用や航空機エンジン用の圧縮機ディスク、タービンディスク等の大型の円盤状部材の製造方法に好適に用いることができる。
【符号の説明】
【００２３】
１：鍛造素材
２：押圧面
３：凹部
４：型合わせ面
５：凹部
６：テーパー部
７：押圧面を有する部分
８：７以外の部分（金型本体）
１００：金型
１００ａ：下型
１００ｂ：上型
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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