JP2016068154A - リング圧延機及びリング圧延方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 リング圧延中のリング圧延素材の温度低下を抑制することが可能なリング圧延機及びリング圧延方法を提供する。【解決手段】 少なくとも、主ロールとマンドレルロールとからなる一対の圧延ロールと、一対のアキシャルロールとを備え、リング状の圧延素材を熱間圧延するためのリング圧延機において、前記主ロールは、少なくとも、外周面に圧延面を有するリング状の成形部と、該成形部の内周側に配置され、回転駆動力を受ける軸部とを有し、前記圧延面と前記軸部との間に、熱間圧延中の圧延素材の温度低下を抑制する前記成形部よりも熱伝導率が低い温度低下抑制部分を有することを特徴とするリング圧延機。【選択図】 図４

Description

本発明は、リング圧延機及びリング圧延方法に関するものである。

環状のタービンディスク等に用いられる部品は、例えば、Ｎｉ基超耐熱合金製の素材をリング圧延機（リングローリングミル、リングミルとも称される）でニアネットシェイプの形状に熱間加工がなされている。
これらのリング圧延機を用いた環状製品の製造方法として、主ロールやマンドレルロールの形状を加工して、ニアネットシェイプのリング圧延材を得る種々の提案がなされている。例えば、特開２０１３−１６９５６３号公報（特許文献１）には、リングローリング加工した製品における内部空隙（ボイド）の発生を抑制することができるリングローリング加工方法の発明が提案されている。また、例えば、特開２０１１−２５５４１０号公報（特許文献２）には、合金素体を鍛造して円板状の鍛造体を作製する鍛造工程と、前記鍛造体に貫通孔を形成してなる環状中間体をリング圧延して環状成形体を作製するリング圧延工程とを備える環状成形体の製造方法がある。この特許文献２では、リング圧延工程では、環状中間体の表面近傍に塑性ひずみを０．０３以上付与する圧延を少なくとも１５回以上行って前記環状成形体とするとともに、表面近傍の内側に位置する製品領域の結晶粒度をＡＳＴＭ結晶粒度番号で８以上とするものである。

ところで、Ｎｉ基超耐熱合金やＴｉ合金等の難加工性材料をリング圧延機で所定の形状にリング圧延を行う場合、主ロールやマンドレルロールに接触するリング圧延素材は温度が徐々に低下する。このリング圧延素材の温度低下を抑制するため、例えば、実開昭５５−６６０２９０号公報（特許文献３）では、リング圧延素材を火炎（バーナ）により加熱する発明がある。また、特開昭６４−２２４３１号公報（特許文献４）では加熱装置を用いてリング圧延素材を加熱する発明がある。

特開２０１３−１６９５６３号公報 特開２０１１−２５５４１０号公報 実開昭５５−０６６０２９号公報 特開昭６４−０２２４３１号公報

前述した特許文献３や特許文献４は、リング圧延素材を加熱するものであるが、極めて厳しい工程管理が求められる、例えば、航空機や発電用の部品では、加熱装置だけでリング圧延素材を加熱しても、主ロールやマンドレルロールに接触する場所から徐々に温度低下が生じることになる。特に、最近では、航空機や発電用の部品の大型化が要求されており、リング圧延中のリング圧延素材の温度低下を抑制する別な方法が求められる。
ところで、前述のように、リング圧延中のリング圧延素材の温度低下抑制については、リング圧延素材自体を加熱する方法は提案されているものの、温度低下の要因となる圧延ロールには、何等、温度低下を抑制する提案は見られない。特に体積の大きな主ロールに接触する側のリング圧延素材の温度低下抑制の新たな提案が求められている。
本発明の目的は、リング圧延中のリング圧延素材の温度低下を抑制することが可能なリング圧延機及びリング圧延方法を提供することである。

本発明者は、前述した課題に鑑みてなされたものである。
すなわち本発明は、少なくとも主ロールとマンドレルロールとからなる一対の圧延ロールと、少なくとも一対のアキシャルロールとを備え、リング状の圧延素材を熱間圧延するためのリング圧延機において、
前記主ロールは、少なくとも、外周面に圧延面を有するリング状の成形部と、該成形部の内周側に配置され、回転駆動力を受ける軸部とを有し、前記圧延面と前記軸部との間に、熱間圧延中の圧延素材の温度低下を抑制する前記成形部よりも熱伝導率が低い温度低下抑制部分を有するリング圧延機である。
好ましくは、前記温度低下抑制部分は熱伝導率が７．５Ｗ／ｍＫ以下の金属材料でなり、前記金属材料がリング状である。
更に好ましくは、前記金属材料がＮｉ基超耐熱合金である。
または、前記温度低下抑制部分は、熱伝導率が０．２４Ｗ／ｍＫ以下の無機材料でなり、前記無機材料が棒状としても良い。

また、本発明は、少なくとも主ロールとマンドレルロールとからなる一対の圧延ロールと、少なくとも一対のアキシャルロールとを有するリング圧延機を用いて、リング状の圧延素材の径を広げつつ、前記圧延素材の高さを押圧加工して、リング状の圧延素材を熱間圧延するリング圧延方法において、
前記主ロールは、少なくとも、圧延面を有する成形部と、軸部とを有し、前記圧延面と前記軸部との間に、熱間圧延中の圧延素材の温度低下を抑制する温度低下抑制部分を有するリング圧延方法である。
好ましくは、前記温度低下抑制部は熱伝導率が７．５Ｗ／ｍＫ以下の金属材料でなり、前記金属材料がリング状である。
更に好ましくは、前記金属材料がＮｉ基超耐熱合金である。
また、本発明では、前記温度低下抑制部分に、熱伝導率が０．２４Ｗ／ｍＫ以下の棒状の無機材料を用いても良い。
更に好ましくは、リング圧延中の圧延素材を火炎により加熱するリング圧延方法である。
火炎を噴射する加熱装置と、リング圧延中の圧延素材との間に遮蔽板を設けて前記火炎を部分的に遮断しながら前記圧延素材の所定の部分を加熱するリング圧延方法である。

本発明によれば、リング圧延中のリング圧延素材の温度低下を抑制することが可能である。

リング圧延を説明するための斜視図である。 本発明の駆動ロールの一例を示す模式図である。 本発明の駆動ロールの一例を示す断面模式図である。 本発明の駆動ロールの一例を示す模式図である。

先ず、本発明で規定する主ロールについて図を用いて説明する。尚、主ロールは、回転し、その回転する力を圧延素材に伝え、圧延素材を回転させる駆動力を伝達するものであり、以下、駆動ロールとも言う。図２は駆動ロール１の断面模式図である。図２に示す駆動ロールは図１に示す主ロール２１に適用されるものである。主ロールはマンドレルロールやアキシャルロールと比較してその体積が大きく、リング圧延機を用いたリング圧延中の圧延素材の温度を低下させる大きな要因となるものである。
本発明で規定する主ロールの構造は、少なくとも、圧延面２を有する成形部３と、成形部３とは別部材の軸部４とを有する。なお、図２に示すように、各型毎の重量低減のためのスリーブの機能を有し、軸部４と成形部３の間にリング状の入れ子部５を具備しても差し支えない。そして、前記成形部３の軸部４側に熱間圧延中の圧延素材の温度低下抑制部分６を具備する。
温度低下抑制部分６は、熱伝導率が低い領域である。そのため、少なくとも、圧延面２を構成する成形部の金属材料よりも熱伝導率が低い部分である。つまり、主ロール１の圧延面２の軸部側内部に熱伝導率が低い部分を形成して、リング圧延中の圧延素材が有する熱を主ロール１で抜熱するのを抑制する、断熱層として機能させるものである。
そのため、温度低下抑制部分６は、リング圧延中の圧延素材と主ロールとが接触する時間の長い場所、例えば、圧延面の中央部付近の内部に温度低下抑制部分６を形成することで断熱効果を向上させることができる。

具体的な温度低下抑制部分６としては、例えば、温度低下抑制部分６を中空として空気層を形成し、リング圧延中の圧延素材の抜熱を抑制する方法がある。空気層を温度低下抑制部分６とする場合は、例えば、成形部３と軸部４（または入れ子部が有る場合は入れ子部５）との間に加工溝を機械加工で形成するのが簡便な方法である。
加工溝の形成は、例えば、図３（ａ）に断面模式図で示すように、成形部３または軸部４（または入れ子部が有る場合は入れ子部５）の一方側に溝加工を行う方法、図３（ｂ）で示すように、成形部３および軸部４（または入れ子部が有る場合は入れ子部５）の両方側に溝加工を行う方法、図３（ｃ）で示すように、成形部３および軸部４（または入れ子部が有る場合は入れ子部５）の両方側に複数の溝加工を行う方法、図３（ｄ）で示すように、成形部３および軸部４（または入れ子部が有る場合は入れ子部５）の両方側に複数の溝加工を千鳥状に形成する方法、図３（ｅ）で示すように、成形部３または軸部４（または入れ子部が有る場合は入れ子部５）の一方側に複数の溝加工を行う方法等が挙げられる。勿論、これらの方法を組合わせても差し支えない。
また、図３（ａ）〜（ｅ）では、断面が矩形の形状の溝としているが、例えば、断面が半円形状やＶ字の溝であっても良い。また、主ロールは回転しているため、形成する加工溝は成形部３または軸部４（または入れ子部が有る場合は入れ子部５）の外周面を一周するように形成することで高い断熱効果を発揮することができる。

前述した温度低下抑制部分６については、より好ましくは熱伝導率が７．５Ｗ／ｍＫ以下の金属材料とすると良い。前述の空気層を形成した場合、主ロールの強度が低下する場合がある。一方で、金属材料で温度低下抑制部分を形成すると、主ロール内部を中実とすることができるため、主ロールの強度低下のおそれがない。
また、主ロール１の圧延面２を有する成形部３の材質はＪＩＳ−ＳＫＤ６１が一般的であり、その熱伝導率はおおよそ３０Ｗ／ｍＫである。そのため、熱伝導率が７．５Ｗ／ｍＫ以下の金属材料を温度低下抑制部分６として用いるのが好ましい。これは、熱伝導率が７．５Ｗ／ｍＫ以下の金属材料であれば、十分に断熱層として機能できるからである。
また、金属材料を用いると、主ロールが中実となっているため、温度低下抑制部分６の形成位置を圧延面近傍まで近づけることも可能となる。上述したように、主ロールは体積が大きいためにリング圧延機を用いたリング圧延中の圧延素材がの温度を低下させるものである。そのため、断熱効果を有する温度低下抑制部分６を圧延面近傍にまで近づけると、リング圧延中の圧延素材からの抜熱が主ロール全体に及ぶことなく、圧延面近傍で抜熱を抑制することができる。

前述した熱伝導率が７．５Ｗ／ｍＫ以下の金属材料による断熱効果をより確実にするには、熱伝導率が７．５Ｗ／ｍＫ以下の金属材料の形状をリング状として、成形部３または軸部４（または入れ子部が有る場合は入れ子部５）の外周面を一周するように形成することで高い断熱効果を発揮することができる。
また、熱伝導率が７．５Ｗ／ｍＫ以下の、リング状の金属材料の断面形状としては、前述の空気層と同様で差し支えない。勿論、図２で示す入れ子部５を熱伝導率が７．５Ｗ／ｍＫ以下の金属材料としても良く、本発明で言う「リング状」とは、環状のものを言い、断面形状や大きさには拘らないものとする。
なお、熱伝導率が７．５Ｗ／ｍＫ以下の金属材料としては、チタン合金等があるが、中でも例えば、７１８合金等のＮｉ基超耐熱合金が良い。Ｎｉ基超耐熱合金は比較的入手が容易であり、強度も高く好適である。

また、本発明では、上記の構造の他、図４に示すような構造としても良い。図４に示す構造においても、少なくとも、圧延面２を有する成形部３と、軸部４とを有する。なお、入れ子部５を具備しても差し支えない。そして、前記成形部３の軸部４側に熱間圧延中の圧延素材の温度低下抑制部分６を具備する。この図４に示す構造では、回転軸に垂直な方向から見た断面図に示すように、成形部３の入れ子部材側の内周面側に凹凸を設けて、スプライン状とし、入れ子部５と成形部３とで回転軸に平行な方向にのびる温度低下抑制部分６が設けられている。勿論、入れ子部５側に凹凸部を設けても良いし、入れ子部と成形部の両方に凹凸部を設けて温度低下抑制部分６としても良い。好ましくは、図４に示す構造であり、成形部３側に凹凸部を設ける構造である。この構造によると、圧延面２に近い位置に温度低下抑制部分６を形成することができるため、リング圧延中の圧延素材が有する熱を主ロール１で抜熱するのを抑制する、断熱層としての効果を向上させることができる。
また、本発明では、図４の構造であっても、前述と同様に温度低下抑制部分６に前述と同様の金属材料や無機材料を具備させても良い。なお、図４の構造の場合は、スプライン状に温度低下抑制部分６が設けられているため、図２で示す構造よりも強度が高く、例えば、より断熱効果の高い、ガラス質、鉱物質、粘土質、炭素質の無機材料を使用することができる。無機材料を用いた場合、その形状は、図４で示すスプライン状に温度低下抑制部分６に挿入可能なように棒状とするのが好ましく、熱伝導率が０．２４Ｗ／ｍＫ以下のものであれば、より確実に温度低下抑制効果を発揮できる。

次に、本発明のリング圧延方法について説明する。
上述した主ロール１を具備するリング圧延機を用いてリング圧延が行われる。その際使用するリング圧延機としては、例えば、図１に示すように、少なくとも主ロール２１とマンドレルロール２２とからなる一対の圧延ロールと、少なくとも一対のアキシャルロール２３とを有する構成のものを用いることができる。なお、リング圧延機には、ガイドロール（抱きロール）、定寸ロールが設けられていても良い。
図１に示すリング圧延機においては、所定の回転速度で回転可能な主ロール２１と軸周りに従動回転できるマンドレルロール２２とが、リング圧延素材１１の径方向外周面と内周面とに対向配置され、また、このリング圧延機は、リング圧延用素材１１の高さ方向の上面および下面に対向配置された２つのアキシャルロール２３を備えている。圧延中のリング圧延素材１１の芯ずれを低減するために、主ロール２１の両脇に従動回転できるガイドロールを配置し、且つリング圧延用素材１１の外周部を支持しながら圧延すると、より安定した圧延が可能となる。

主ロール２１は図１に示すように中央部から上端及び下端方向に向けて直径が漸増する形状に形成されている。このような主ロール２１は、圧延中、リング圧延素材１１の外周面に接触させた状態で駆動することによって、リング圧延素材１１を回転させるものとなっている。マンドレルロール２２には同様に中央部から上端及び下端方向に向けて直径が漸増する形状に形成されている。さらに、マンドレルロール２２は、軸周りに自由に回転できる構造であり、且つ主ロール２１の回転軸と略平行に配置されている。
圧延は、マンドレルロール２２の外周面をリング圧延素材１１の内周面に接触させた状態で行われる。リング圧延中に、主ロール２１とマンドレルロール２２との間におけるロール間距離を徐々に狭めることによって、リング圧延素材１１の径方向内周面および外周面間の部分が肉厚方向に圧下される。これにより、リング圧延素材１１の径を広げることができる。
上下アキシャルロール２３は、２０〜４５°の頂角を有する円錐形状または円錐台形状に形成されており、さらに、上下アキシャルロール２３は、リング圧延素材１１を高さ方向に押圧加工して高さ方向の寸法を調整するため、それぞれリング圧延素材１１の略中心に先端を向けるように配置されている。なお、圧延中において、上下アキシャルロール２３は、リング圧延素材１１の回転数に合わせて駆動回転するものになっているが、従動回転するものになっていてもよい。

圧延手順としては、所定の温度に加熱したリング圧延素材１１の内径穴にマンドレルロール２２を通しておき、主ロール２１とマンドレルロール２２との間隔が徐々に狭まるように、マンドレルロール２２を径方向外方に徐々に移動させて、両者の距離がリング圧延用素材１１の初期状態の肉厚と一致した状態になると、主ロール２１の表面とリング圧延用素材１１の外周面との摩擦によってリング圧延用素材１１に回転が付与されることとなる。このとき、マンドレルロール２２は、リング圧延用素材１１の回転に追従するように従動回転する。
その後、マンドレルロール２２を径方向外方（外周側）に徐々に移動させることによって、主ロール２１とマンドレルロール２２との間隔が徐々に狭まって、リング圧延素材１１が肉厚方向に圧下され、リング圧延素材１１の周方向に沿って連続的に塑性変形が与えられることになる。

このリング圧延中において、本発明の主ロールを用いると、体積が大きな主ロールでありながら、温度低下抑制部分によってリング圧延素材１１が有する熱の抜熱を防ぐことができるため、リング圧延用素材１１の温度低下を効果的に抑制することが可能となる。
なお、リング圧延中のリング圧延素材が徐々に温度低下を生じた場合は、加熱装置２４を用いてリング圧延素材を加熱しても良い。その場合、リング圧延中のリング圧延素材は稀に形状が不安定になることから、加熱装置としては、リング圧延素材と加熱装置との間に有る程度の距離が保てて、確実にリング圧延素材を加熱することができる火炎による加熱装置２４とするのが良い。
また、リング圧延中のリング圧延素材に火炎による加熱を行う場合は、例えば、主ロールの圧延面に接触する全面を加熱する必要はない。これは、温度低下が生じる場所が主ロールの圧延面に接触するリング圧延素材の厚さ（高さ）方向の中央部付近である場合が多く、図１に示すように、温度低下を生じやすい部分に限定した加熱を行うことが好ましい。そのため、火炎を噴射する加熱装置２４と、リング圧延中の圧延素材１１との間に遮蔽板２５を設けて所定の部分を加熱することで、温度低下を防止すると良い。
以上説明する本発明の圧延ロールを用いることにより、リング圧延時にリング圧延素材の温度低下をより確実に抑制することが可能となる。

１ 主ロール（駆動ロール）
２ 圧延面
３ 成形部
４ 軸部
５ 入れ子部
６ 温度低下抑制部分
１１ リング圧延素材
２１ 主ロール
２２ マンドレルロール
２３ アキシャルロール
２４ 加熱装置
２５ 遮蔽板

Claims (10)

1. 少なくとも、主ロールとマンドレルロールとからなる一対の圧延ロールと、一対のアキシャルロールとを備え、リング状の圧延素材を熱間圧延するためのリング圧延機において、
   前記主ロールは、少なくとも、外周面に圧延面を有するリング状の成形部と、該成形部の内周側に配置され、回転駆動力を受ける軸部とを有し、前記圧延面と前記軸部との間に、熱間圧延中の圧延素材の温度低下を抑制する前記成形部よりも熱伝導率が低い温度低下抑制部分を有することを特徴とするリング圧延機。
2. 前記温度低下抑制部分は、熱伝導率が７．５Ｗ／ｍＫ以下の金属材料でなり、前記金属材料がリング状であることを特徴とする請求項１に記載のリング圧延機。
3. 前記金属材料がＮｉ基超耐熱合金であることを特徴とする請求項２に記載のリング圧延機。
4. 前記温度低下抑制部分は、熱伝導率が０．２４Ｗ／ｍＫ以下の無機材料でなり、前記無機材料が棒状であることを特徴とする請求項１に記載のリング圧延機。
5. 少なくとも主ロールとマンドレルロールとからなる一対の圧延ロールと、少なくとも一対のアキシャルロールとを有するリング圧延機を用いて、リング状の圧延素材の径を広げつつ、前記圧延素材の高さを押圧加工して、リング状の圧延素材を熱間圧延するリング圧延方法において、
   前記主ロールは、少なくとも、圧延面を有する成形部と、軸部とを有し、前記圧延面と前記軸部との間に、熱間圧延中の圧延素材の温度低下を抑制する温度低下抑制部分を有することを特徴とするリング圧延方法。
6. 前記温度低下抑制部分は熱伝導率が７．５Ｗ／ｍＫ以下の金属材料でなり、前記金属材料がリング形状であることを特徴とする請求項５に記載のリング圧延方法。
7. 前記金属材料がＮｉ基超耐熱合金であることを特徴とする請求項６に記載のリング圧延方法。
8. 前記温度低下抑制部分は、熱伝導率が０．２４Ｗ／ｍＫ以下の無機材料でなり、前記無機材料が棒状であることを特徴とする請求項５に記載のリング圧延方法。
9. リング圧延中の圧延素材を火炎により加熱することを特徴とする請求項５乃至８の何れかに記載のリング圧延方法。
10. 火炎を噴射する加熱装置と、リング圧延中の圧延素材との間に遮蔽板を設けて前記火炎を部分的に遮断しながら前記圧延素材の所定の部分を加熱することを特徴とする請求項９に記載のリング圧延方法。