(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2024-07-03
(45)【発行日】2024-07-11
(54)【発明の名称】ディスク素材の製造方法
(51)【国際特許分類】
B21K 1/28 20060101AFI20240704BHJP
B21J 5/00 20060101ALI20240704BHJP
B21J 5/08 20060101ALI20240704BHJP
【ＦＩ】
B21K1/28
B21J5/00 K
B21J5/08 Z
【請求項の数】
6
(21)【出願番号】P 2020203963
(22)【出願日】2020-12-09
(65)【公開番号】P2022091249
(43)【公開日】2022-06-21
【審査請求日】2023-10-16
(73)【特許権者】
【識別番号】000003713
【氏名又は名称】大同特殊鋼株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110001184
【氏名又は名称】弁理士法人むつきパートナーズ
(72)【発明者】
【氏名】大竹 拓至
(72)【発明者】
【氏名】森 加奈恵
【審査官】永井 友子
(56)【参考文献】
【文献】特開２０１４－１５１３４０（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００７－３０１６０４（ＪＰ，Ａ）
【文献】青木 保雄、大園 成夫，３点法真円度測定法の一展開，精密機械，日本，1966年，３２巻３８３号，２７－３２，https://doi.org/10.2493/jjspe1933.32.831
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｂ２１Ｋ １／２８
Ｂ２１Ｊ ５／００
Ｂ２１Ｊ ５／０８
Ｇ０１Ｂ １１／０８
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
回転する下金敷の上でディスク素材の輪郭を計測しながら上金敷を押し当てて熱間自由鍛造しディスク形状に成形加工していくディスク素材の製造方法であって、前記下金敷の回転軸の周囲について基準動径線及びこれから一定の回転角度毎の動径線に対応する前記ディスク素材の前記輪郭の位置近傍での形状から計測径を算出して前記ディスク形状の円形状を判定する判定工程を含み、前記回転角度が３６０／ｎ度（ｎは３以上の整数）であることを特徴とするディスク素材の製造方法。
【請求項2】
前記計測径は前記輪郭に沿って一定の円周角で３点を設定し算出されることを特徴とする請求項１記載のディスク素材の製造方法。
【請求項3】
前記基準動径線を一定の回転角度だけ移動させて前記判定工程を繰り返すことを特徴とする請求項１又は２に記載のディスク素材の製造方法。
【請求項4】
前記計測径の相互比から前記ディスク形状を判定することを特徴とする請求項１乃至３のうちの１つに記載のディスク素材の製造方法。
【請求項5】
前記相互比の平均値が所定範囲内にあるかどうかで前記ディスク形状を判定することを特徴とする請求項４記載のディスク素材の製造方法。
【請求項6】
前記輪郭は、前記下金敷の側部近傍に設けたレーザ形状計測装置により計測することを特徴とする請求項１乃至５のうちの１つに記載のディスク素材の製造方法。【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、合金塊を熱間自由鍛造して成形加工するディスク素材の製造方法に関し、特に、回転する下金敷の上でディスク素材の輪郭を計測しながら上金敷を押し当てて熱間自由鍛造しディスク形状に成形加工していくディスク素材の製造方法に関する。
【背景技術】
【0002】
発電所のガスタービンのタービンディスクや航空機エンジンのコンプレッサディスクなどにおいて、高速回転する略円板形状の金属ディスク製品を機械加工等するためのディスク形状のディスク素材は、所定の合金組成を有する合金塊を熱間自由鍛造してディスク形状に成形加工されて提供され得る。
【0003】
例えば、特許文献１では、Ｎｉを主成分とするＮｉ基耐熱合金からなる合金塊を２つの平面金敷の下側の金敷の上に載置し回転させながら上側の金敷を繰り返し押し当て圧縮し歪みを与えてディスク形状に成形加工する逐次熱間自由鍛造によるディスク素材の製造方法を開示している。自由鍛造では、型彫りをした金型の中に合金塊を閉じ込めてディスク形状に成形加工する型鍛造と比べて、歪みが均一に付与されやすく、特に、結晶粒の大きさの揃ったディスク素材を得られるとしている。
【0004】
上記したような２つの平面金敷の間でディスク素材を成形加工する熱間自由鍛造では、ディスク素材の外周側面が拘束されていないため、ディスク形状を真円に近づけるには、輪郭を計測しながら鍛造を行うことが必要となる。かかる計測は熱間鍛造に影響を与えないように非接触で行い得ることが好ましい。
【0005】
例えば、特許文献２では、上記したようなディスク素材の自由鍛造ではないが、円筒形ワークを一定角度毎に回転させながら赤外線を用いた２つの撮像装置（カメラ）でステレオ撮像し、熱間鍛造しながら該ワークの外形寸法及び内径寸法を非接触で計測する方法を開示している。ここでは、水平に回転軸を配置させた円筒形ワークを該回転軸の延長方向から円筒断面を撮像するように撮像装置を配置して撮像し、幾何学的に外形寸法及び内径寸法を得るとしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0006】
【文献】特開２０１４－２１０２８０号公報
【文献】特開２００５－３２６１７８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
上記したような２つの平面金敷の間でディスク素材を成形加工する熱間自由鍛造では、撮像装置の光路に上側の金敷が干渉してしまい、ディスク素材の全体を一度に撮像してその輪郭の全体を測定できない。特に、大型のディスク素材では全体の一度の撮像はより困難となる。そこで、ディスク素材を下側の金敷で回転させながら一定の回転角度（円周角）毎に分割して撮像が行われるが、該金敷の回転軸とディスク素材の中心とは必ずしも一致しておらず、ディスク素材の中心は鍛造と共に移動もするため、分割撮像データから、該ディスク素材が一定の較差範囲内の円形状となっているかどうかを判定することは容易ではない。
【0008】
本発明は、以上のような状況に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、回転する下金敷の上で輪郭を計測しながら上金敷を押し当てて熱間自由鍛造しディスク形状に成形加工していくディスク素材の製造方法において、一定の較差範囲内の円形状となっているかどうかを判定する工程を含むディスク素材の製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0009】
本発明による製造方法は、回転する下金敷の上でディスク素材の輪郭を計測しながら上金敷を押し当てて熱間自由鍛造しディスク形状に成形加工していくディスク素材の製造方法であって、前記下金敷の回転軸の周囲について基準動径線及びこれから一定の回転角度毎の動径線に対応する前記ディスク素材の前記輪郭の位置近傍での形状から計測径を算出して前記ディスク形状の円形状を判定する判定工程を含み、前記回転角度が３６０／ｎ度（ｎは３以上の整数）であることを特徴とする。
【0010】
かかる特徴によれば、下金敷の回転軸とディスク素材の外周位置から幾何学的に決定される中心位置とが一致しなくとも、ディスク形状が所定の円形状であるかを正確に判定できるのである。
【0011】
上記した発明において、前記計測径は前記輪郭に沿って一定の円周角で３点を設定し算出されることを特徴としてもよい。かかる特徴によれば、計測径を簡便に算出できて、ディスク形状が所定の円形状であるかを正確に判定できるのである。
【0012】
上記した発明において、前記基準動径線を一定の回転角度だけ移動させて前記判定工程を繰り返すことを特徴としてもよい。かかる特徴によれば、下金敷の回転軸とディスク素材の外周位置から幾何学的に決定される中心位置とが一致しなくとも、ディスク形状が所定の円形状であるかをより正確に判定できるのである。
【0013】
上記した発明において、前記計測径の相互比から前記ディスク形状を判定することを特徴としてもよい。更に、前記相互比の平均値が所定範囲内にあるかどうかで前記ディスク形状を判定することを特徴としてもよい。かかる特徴によれば、ディスク形状が所定の円形状であるかを正確且つ簡便に判定できるのである。
【0014】
上記した発明において、前記輪郭は、前記下金敷の側部近傍に設けたレーザ形状計測装置により計測することを特徴としてもよい。かかる特徴によれば、ディスク形状が所定の円形状であるかを正確且つ簡便に判定できるのである。
【図面の簡単な説明】
【0015】
【発明を実施するための形態】
【0016】
【0017】
ディスク素材は合金塊を熱間自由鍛造して得られる。熱間自由鍛造においては下金敷及び上金敷の２つの平面金敷が用いられる。ディスク素材となる合金塊は下金敷に載置されて、下金敷の中心軸周りで回転されながら上金敷を押し当てて鍛造される。このとき、ディスク素材の輪郭を計測しながらかかる輪郭を真円に近づけるように鍛造を進めてゆく。特に、仕上り寸法を直径６００～２０００ｍｍ程度とされる大型のディスク素材においては、冷却を避けるようにディスク素材を機内に留め、上金敷の下側に配置させたまま下金敷の側部近傍に設けたレーザ計測装置などによってその輪郭を一部ずつ計測する。そのため、輪郭の一部の計測と回転とを繰り返すことになり、ディスク素材が一定の較差範囲内の円形状となっているかどうかを判定することは容易ではない。
【0018】
ここでは、主としてこの輪郭の計測とディスク素材の円形状の判定について説明する。なお、この円形状の判定は、上記したように下金型に載置された状態で行うので、鍛造作業中か鍛造作業後かに関わらず実施することができる。
【0019】
まず、ディスク素材２の輪郭の形状から計測径を算出する方法について説明する。
【0020】
図１に示すように、本実施例においては、下金敷１の上において、その回転軸Ａの周囲に基準となる動径線Ｒ１（基準動径線）を定め、動径線Ｒ１から一定の回転角度α毎にｎ個の動径線Ｒ２、Ｒ３…Ｒｎを定める。つまり、回転角度αは３６０／ｎ度であり、ｎ個の動径線を定める。そして、各動径線Ｒ１～Ｒｎに対応するディスク素材２の輪郭の位置近傍での形状から計測径を算出する。つまり、上面視で各動径線とディスク素材２の輪郭との交点ａ１～ａｎをそれぞれ定め、交点ａ１～ａｎのそれぞれの近傍の形状からディスク素材２の計測径を算出する。なお、ｎは３以上の整数とする。
【0021】
ここでは、ｎ＝３とし、動径線Ｒ１～Ｒ３のそれぞれとディスク素材２の輪郭との交点ａ１～ａ３を求め、さらそれぞれの両側に回転軸Ａ周りの一定の円周角で経線を定めて、輪郭との交点ａ１ａ及びａ１ｂを定める。例えば、この円周角は５度とし得る。そして、交点ａ１、ａ１ａ、ａ１ｂの３点すべてを通過する円である「三点通過円」を定める。つまり、交点ａ１の近傍である領域Ｆa１におけるディスク素材２の輪郭の形状から三点通過円Ｃ１を定める。動径線Ｒ２及びＲ３についても、同様に、輪郭との交点を求め、それぞれに対応する領域Ｆａ２、Ｆａ３におけるディスク素材２の輪郭の形状から三点通過円Ｃ２、Ｃ３を定める。さらに、三点通過円Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３のそれぞれの直径を計測径Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３として算出する。
【0022】
このように、下金敷１の回転軸Ａとディスク素材２の外周位置から幾何学的に決定される中心位置とが一致しなくとも、ディスク素材２の計測径を定めることができる。
【0023】
次に、計測径Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３を用いてディスク素材２の円形状を判定する。
【0024】
まず、計測径Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３の各々の組み合わせの比である三点通過円の計測径の相互比Ｄ１／Ｄ２、Ｄ２／Ｄ３、Ｄ３／Ｄ１を得る。例えば、この相互比の平均値でディスク素材２の円形状を判定してもよい。
【0025】
さらに、理想直径比との差を求める。全ての三点通過円が同じ直径となっている場合に理想直径比を得られるので、理想直径比は１である。つまり、理想直径比との差ΔＤは以下の通りとなる。
ΔＤ１＝１－Ｄ１／Ｄ２
ΔＤ２＝１－Ｄ２／Ｄ３
ΔＤ３＝１－Ｄ３／Ｄ１
ΔＤ１＝１－Ｄ１／Ｄ２
ΔＤ２＝１－Ｄ２／Ｄ３
ΔＤ３＝１－Ｄ３／Ｄ１
【0026】
そして理想直径比との差ΔＤの大小によってディスク素材２の円形状を判定することができる。ｎを３以上とすることで、少なくとも３つの三点通過円を定めており、それぞれ隣り合う基準動径線同士で理想直径比との差を得ることができる。上記したように回転軸Ａとディスク素材２との中心位置とが一致しなくともディスク素材２の計測径を定めることができ、ディスク素材２が所定の円形状であるかを正確に判定できる。
【0027】
ここで、図２に示すように、上記した基準動径線Ｒ１から一定の回転角度だけ移動させて、新たな基準動径線Ｒ１’を定めて、上記と同様に理想直径比との差を求め、これを判定に用いることもできる。例えば、上記と同様に基準動径線Ｒ１’に基づき、動径線Ｒ２’、Ｒ３’を定めるとともに領域Ｆａ１’、Ｆａ２’、Ｆａ３’を定める。そして、同様に領域Ｆａ１’、Ｆａ２’、Ｆａ３’の輪郭の形状からそれぞれ三点通過円を求めて理想直径比との差を求めるのである。このように、基準動径線Ｒ１、Ｒ１’、…を、例えば、最初の基準動径線Ｒ１の隣の動径線Ｒ２までの間において順に定め、同様の判定工程を繰り返してもよい。これによれば、判定する部位を増やすことでより正確に判定し得る。
【0028】
また、これから得られる理想直径比との差ΔＤについて総合的に判定してもよい。ここでは、ΔＤ１の最大値：ＭＡＸ（ΔＤ１）及び最小値ＭＩＮ（ΔＤ１）、ΔＤ２の最大値：ＭＡＸ（ΔＤ２）及び最小値ＭＩＮ（ΔＤ２）、ΔＤ３の最大値：ＭＡＸ（ΔＤ３）及び最小値ＭＩＮ（ΔＤ３）を求める。すると、各部位の振れ幅α１～α３は以下の通りとなる。
α１＝ＭＡＸ（ΔＤ１）－ＭＩＮ（ΔＤ１）
α２＝ＭＡＸ（ΔＤ２）－ＭＩＮ（ΔＤ２）
α３＝ＭＡＸ（ΔＤ３）－ＭＩＮ（ΔＤ３）
α１＝ＭＡＸ（ΔＤ１）－ＭＩＮ（ΔＤ１）
α２＝ＭＡＸ（ΔＤ２）－ＭＩＮ（ΔＤ２）
α３＝ＭＡＸ（ΔＤ３）－ＭＩＮ（ΔＤ３）
【0029】
この振れ幅α１、α２及びα３の平均値を求め、目標寸法から定められる許容限界振れ幅αとの比較でディスク素材２の円形状について合否を判定してもよい。例えば、直径の許容寸法公差を±２０ｍｍとする場合、許容限界振れ幅αは、ディスク素材の仕上り目標寸法の直径をＤとして、２１９．８７８×Ｄ－１．００９２７と表すことができる。この許容限界振れ幅αは以下のようにして得た。まず、長径Ｄ＋２０ｍｍ、短径Ｄ－２０ｍｍの理想楕円を想定し、この理想楕円について上記したα１、α２、α３を求めてその平均値をαａｖｅとする。そして、Ｄを変化させてグラフ上にαａｖｅをプロットして、Ｄを変数とする累乗近似をする。なお、理想楕円を用いるのでαａｖｅ＝α１＝α２＝α３となる。
【0030】
このように、下金敷１の上で回転軸Ａの周りに回転するディスク素材２の円形状について判定をすることができる。そして、判定した結果に基づき、必要に応じて、ディスク素材２の形状を修正するよう鍛造を進めて行くことができる。
【0031】
以上、本発明の代表的な実施例及びこれに基づく改変例を説明したが、本発明は必ずしもこれらに限定されるものではなく、当業者であれば、本発明の主旨又は添付した特許請求の範囲を逸脱することなく、種々の代替実施例及び改変例を見出すことができるであろう。
【符号の説明】
【0032】
１ 下金敷
２ ディスク素材
Ａ 回転軸
Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３ 三点通過円
Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３ 計測径
Ｒ１ 基準動径線
Ｒ２、Ｒ３ 動径線
Ｆａ１、Ｆａ２、Ｆａ３ 領域
２ ディスク素材
Ａ 回転軸
Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３ 三点通過円
Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３ 計測径
Ｒ１ 基準動径線
Ｒ２、Ｒ３ 動径線
Ｆａ１、Ｆａ２、Ｆａ３ 領域
【図1】
【図2】