JP7582367B2

JP7582367B2 - 熱間鍛造用金型

Info

Publication number: JP7582367B2
Application number: JP2023038448A
Authority: JP
Inventors: 佳祐青山
Original assignee: Proterial Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Filing date: 2023-03-13
Publication date: 2024-11-13
Anticipated expiration: 2043-03-13

Description

本発明は、熱間鍛造用金型に関するものである。

近年、中・大型航空機用の熱間型打鍛造製品の需要が大きく伸びている。これらの鍛造製品のうち、例えば、航空ジェットエンジンのタービンディスクやコーンシャフトは、ニッケル合金やチタン合金製であり、同心円状で直径１メートルを超える大きさがある。これらの大型鍛造品を製造するには、熱間型打鍛造中の変形荷重は１５０ＭＮを超える非常に大きな加圧力を必要とする。

このような大型鍛造品として、上記の航空ジェットエンジン用の他にも、発電用ガスタービンディスク等もある。そして、このような大型鍛造品を、変形抵抗が大きい鍛造素材から作製するときに、鍛造素材を成形するための上型および下型の押圧面が、該鍛造素材の押圧方向に対峙した熱間鍛造用金型が用いられる。そして、この熱間鍛造用金型として、例えば、その押圧面の中心に円柱状の金型片が組付けられた分割金型がある（特許文献１）。そして、この円柱状の金型片が、熱間鍛造中は押圧面の一部として機能する一方で、熱間鍛造終了後には鍛造品を金型から取り除くノックアウトピンとして機能するものがある（特許文献２）。

国際公開第２０１３／１４７１５４号パンフレット特開２０１５－９１５９７号公報

ところで、上記のような熱間鍛造用金型を下型に用いた場合、その下型の押圧面の一部を構成する金型片にノックアウトピンの機能も付与できるところ、この金型片にも大きな荷重が掛かることとなる。そして、特に、数万トン規模の熱間鍛造であると、この金型片と下型とが接触する部分で、下型に大きな割れが生じる場合があった。これは、熱間鍛造中の金型片と下型とが接触する部分で、大きな応力が生じていることが原因と考えられる。
本発明の目的は、下型にノックアウトピンを有する熱間鍛造用金型において、大型の鍛造素材や、変形抵抗が大きい鍛造素材を押圧成形する場合でも、下型に発生する割れを抑制できる、熱間鍛造用金型を提供することである。

すなわち、本発明は、鍛造素材を成形するための上型および下型の押圧面が、該鍛造素材の押圧方向に対峙した熱間鍛造用金型において、
上記の下型は、ノックアウト面がこの押圧面の一部を構成して、かつ、軸部がこの下型の内部に挿入されて押圧方向に可動するノックアウトピンを有し、
上記のノックアウトピンは、この軸部の形状が押圧方向と対峙した段差面を有して、かつ、段差面と上記の下型の内面とが接しており、
この段差面と接している上記の下型の内面の部分が、この内面からの延長面を含んで、上記の下型から分割された金型片で構成されている、熱間鍛造用金型である。

本発明によれば、下型にノックアウトピンを有する熱間鍛造用金型において、大型の鍛造素材や、変形抵抗が大きい鍛造素材を押圧成形する場合でも、下型に発生する割れを抑制することができる。

熱間鍛造用金型の一例を示す断面模式図である。従来の熱間鍛造用金型について、その下型の一例を示す断面模式図である。図２の下型の断面模式図について、その熱間鍛造中の応力の分布状況の一例を示す図である。本発明の熱間鍛造用金型について、その下型の一例を示す断面模式図である。図４の下型の断面模式図について、その熱間鍛造中の応力の分布状況の一例を示す図である。

以下、本発明を、その構成要件ごとに、図面を用いて説明する。ただし、本発明は、以下に説明する形態によって限定されるものではない。
（１）本発明は、「鍛造素材を成形するための上型および下型の押圧面が、該鍛造素材の押圧方向に対峙した」熱間鍛造用金型である。
このことについては、背景技術で説明した通りである。このような熱間鍛造用金型の一例として、その断面模式図を図１に示す。図１の熱間鍛造用金型０は、ディスク状の鍛造品を得るためのものである。そして、その上型１および下型２の押圧面３は、起伏を有した同心円の集合形状でなる。
なお、本発明で言う「熱間鍛造」とは、熱間や恒温でのプレス鍛造及びホットダイ鍛造も含むものである。

（２）本発明は、上記（１）の熱間鍛造用金型の下型が、ノックアウトの機構を有している。そして、そのノックアウトの機構について、その「ノックアウト面が下型の押圧面の一部を構成して、かつ、軸部が下型の内部に挿入されて押圧方向に可動するノックアウトピンを有した」ものである。
通常、ノックアウトピンとは、鍛造素材の成形中（熱間鍛造中）は下型の内部に待機して、成形後（熱間鍛造後）には上型に向かって押圧方向に移動することでノックアウトを押して、熱間鍛造後の鍛造品を下型から離型させる金型部品のことである。本発明の場合、便宜上、このノックアウトピンを、ノックアウトを含んで「ノックアウトピン」と呼ぶ。そして、このノックアウトピンの先端をノックアウト面と呼び、このノックアウト面が下型の押圧面の一部を構成している。
このような下型の一例として、その断面模式図を図２に示す。図２の下型２では、その押圧面３の中心に円柱状の金型片が組み込まれている。そして、この円柱状の金型片が、熱間鍛造終了後には、上記のノックアウトピン４として上下に移動する一方で（図２の右図）、熱間鍛造中には、そのノックアウト面５が、押圧面（意匠面）３の一部として機能する。こうすることで、押圧面中のノックアウトが存在する位置においても、所望する鍛造品の形状を得ることができる。

（３）本発明は、上記（２）の熱間鍛造用金型において、その「ノックアウトピンの軸部の形状が押圧方向と対峙した段差面を有して、かつ、この段差面と下型の内面とが接している」ものである。
ノックアウト面が下型の押圧面の一部を構成していることで、熱間鍛造中にはノックアウトピンも成形面として機能して、下型の成形面と共に、鍛造素材を成形する。そうすると、熱間鍛造中のノックアウトピンには、鍛造品を介して、その押圧方向（つまり、熱間鍛造後にノックアウトピンが移動する軸方向）に大きな荷重が掛かることとなる。そうすると、ノックアウトピンが、その所定の位置から軸方向にずれ下がってしまうことが懸念される。
そこで、ノックアウトピンの軸部に、言わば、その断面の輪郭が略“下に凸（とつ）”となるような、押圧方向と対峙した段差面を設けることとする。そして、熱間鍛造中にノックアウトピンが下型の内部で待機しているときには、上記の段差面を、下型の内面（ステージ面と呼ぶ）に接して保持させておくことで、このステージ面がノックアウトピンを支えて、熱間鍛造時の荷重を下型で受けることができる。

このような下型の一例として、その断面模式図を図２に示す。図２の下型２では、そのノックアウトピン４の軸部６の輪郭に、押圧方向と対峙した段差面７が設けられている。そして、この段差面７を、下型２の内面（ステージ面８と呼ぶ）が接して支えておくことで、熱間鍛造時の荷重を下型２で受けることができる。こうすることで、熱間鍛造中のノックアウトピンを、所定の高さの位置にとどめておくことができる。そして、熱間鍛造後には、ノックアウトピンを上型に向かって押圧方向に移動させて、正しく機能させることができる。

（４）本発明は、上記（３）の熱間鍛造用金型において、その「段差面と接している下型の内面の部分が、この内面からの延長面を含んで、下型から分割された金型片で構成されている」ものである。
図２の構成の場合、ノックアウトピン４が鍛造品から受ける力と、下型２が鍛造品から受ける力とによって、ノックアウトピン４や下型２の角部や隅部には応力が集中的に生じやすい。そして、下型２のステージ面８が受ける荷重の面圧が高いと、例えば、ステージ面８の隅部９で応力が集中的に生じて、下型２が割れることが懸念される。このときの、図２の断面模式図における応力の分布状況の一例を、図３に示す。

そこで、本発明では、図２の構成に加えて、さらに、下型２のステージ面８の部分を、このステージ面８からの延長面を含んで、下型２から分割された金型片１０で構成する、複合金型の構造とした。このような下型２の一例として、その断面模式図を図４に示す。この場合、金型片１０は、例えば、ノックアウトピン４の軸部６の下方を囲んだリング形状とすることができる。この複合金型の構造としたことで、本来、下型２が担っていた上記のステージ面８の役割を、この金型片１０の“新たな”ステージ面８’が担うこととなるので、ステージ面の鍛造品からの荷重を受けている面積は、金型片１０の“延長された”上面の広さだけ大きくなる。よって、ステージ面のノックアウトピン４の段差面７と接している面積は変わらないものの、ステージ面が受ける荷重の面圧は下がって、本来、下型２に生じ得た応力集中部の応力を分散できて、上記の隅部９に生じていた応力も低減することができる。このときの、図４の断面模式図における応力の分布状況の一例を、図５に示す。

なお、このとき、金型片１０の“延長された”上面の広さは、下型２の断面模式図における新たなステージ面８’の長さで評価して、もとのステージ面８の長さの１．５倍以上とするのが好ましい。より好ましくは１，７倍以上、さらに好ましくは２．０倍以上である。この倍率の上限については、特段の取決めは必要なく、下型の大きさや鍛造時の強度等に応じて決定することができる。そして、例えば、４．０倍以下や、３．０倍以下にすることができる。

本発明の熱間鍛造用金型は、これを構成する部品の一部または全部を、上記のノックアウトピンや金型片も含めて、熱間金型用鋼やＮｉ基超耐熱合金で作製とすることができる。そして、このとき、より安価な熱間金型用鋼を用いることが、経済的である。
上記の熱間金型用鋼は、例えば、ＪＩＳ－Ｇ４４０４で規定されるものがある。その典型的な成分範囲を示すと、質量％で、Ｃ：０．２５～０．５％、Ｎ：０を超えて０．０３％以下、Ｓｉ：０を超えて１．２％以下、Ｍｎ：０を超えて０．９％以下、Ａｌ：０～０．５％、Ｐ：０～０．０３％、Ｓ：０～０．０１％、Ｖ：０～２．１％、Ｃｒ：０．８～５．５％、Ｎｉ：０～４．３％、Ｃｕ：０～０．３％、Ｍｏ：０～３．０％、Ｗ：０～９．５％、Ｃｏ：０～４．５％を含み、残部はＦｅ及び不純物でなる合金である。

本発明の熱間鍛造用金型は、その下型における上記の内面の部分を金型片で構成するとき、その金型片を焼嵌めによって下型に組み合わせることが好ましい。焼嵌めによって、金型片が有する上記の延長面の機能を維持して、金型片と下型とを強固に一体化できる。

本発明の熱間鍛造用金型の構造とすることで、後述する実施例で示すように、下型の隅部周辺に生じる応力を低減させることができて、下型の割れを抑制するのに効果的である。そして、このことによって、本発明の熱間鍛造用金型では、ニッケル合金の中でも、ニッケル基超耐熱合金を鍛造素材とすることができる。例えば、Ｕｄｉｍｅｔ５２０相当合金（ＵｄｉｍｅｔはＳｐｅｃｉａｌＭｅｔａｌｓ社の登録商標）、Ｕｄｉｍｅｔ７２０相当合金、Ｗａｓｐａｌｏｙ相当合金（ＷａｓｐａｌｏｙはＵｎｉｔｅｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ社の登録商標）、Ａｌｌｏｙ７１８相当合金等、Ａｌ、Ｔｉ、Ｎｂ等の金属間化合物を析出強化可能な合金とすることができる。そして、大型の航空ジェットエンジンディスク、コーンシャフト、発電用ガスタービンディスク等の鍛造品を製造することができる。

本発明の熱間鍛造用金型では、上記した下型の構造を、上型にも適用することができる。または、上記した下型の構造を、上型の構造に替えた熱間鍛造用金型とすることもできる。

上型１および下型２の押圧面３が図１の断面形状を有する熱間鍛造用金型０を準備した。そして、この熱間鍛造用金型０の下型２が以下の構造を有する、熱間鍛造用金型Ａ（従来例）および熱間鍛造用金型Ｂ（本発明例）を準備した。

＜熱間鍛造用金型Ａ＞
下型２にノックアウトピン４が組み込まれており、そのノックアウト面５は押圧面３の中心に位置して、かつ、軸部の輪郭が押圧方向と対峙した段差面７を有している（つまり、断面の輪郭が略“下に凸（とつ）”である）。そして、この段差面７が、下型２の内面（ステージ面８）と接して支えられている。この断面模式図を図２に示す。

＜熱間鍛造用金型Ｂ＞
熱間鍛造用金型Ａに対して、このステージ面８の部分を、これの延長面を含むような金型片１０に替えて、この金型片１０を焼嵌めによって下型２に組み合わせた。この断面模式図を図４に示す。金型片１０の上面（ステージ面８’）の広さは約３６０００ｍｍ^２であり、これを断面模式図におけるの長さで評価すると、図２のステージ面８（約２４０００ｍｍ^２）の長さの約２倍である。

そして、熱間鍛造用金型Ａ、Ｂを用いて、Ｗａｓｐａｌｏｙ相当合金製ビレット（直径３５０ｍｍ×長さ８６０ｍｍ）の鍛造素材を、５万トンプレス機によって、その長さ方向に押圧する熱間鍛造したときの、下型２に生じる応力を、シミュレーションによって解析した。シミュレーションには、市販の有限要素法によるソフトを用いた。

図３は、熱間鍛造用金型Ａの下型について、その熱間鍛造中の図２の断面に生じ得る応力の分布状況である。熱間鍛造時の荷重が約４１０ＭＮであり、ステージ面での荷重が約５０ＭＮであった。そして、応力集中部であるステージ面の隅部に生じる応力は、最大値で２４００ＭＰａを超える結果となった。
これに対して、図５は、熱間鍛造用金型Ｂの下型について、その熱間鍛造中の図４の断面に生じ得る応力の分布状況である。熱間鍛造時の荷重が約４１０ＭＮであり、ステージ面での荷重が約５０ＭＮであった。そして、熱間鍛造用金型Ａの下型では応力が集中した隅部を、熱間鍛造用金型Ｂの下型ではこれをなくすことで、同位置における応力が低下して、下型の割れリスクが大きく低減される結果となった。

０熱間鍛造用金型
１上型
２下型
３押圧面
４ノックアウトピン
５ノックアウト面
６ノックアウトピンの軸部
７段差面
８、８’ ステージ面
９隅部
１０金型片

Claims

鍛造素材を成形するための上型および下型の押圧面が、該鍛造素材の押圧方向に対峙した熱間鍛造用金型において、
前記下型は、ノックアウト面が該下型の押圧面の一部を構成して、かつ、軸部が該下型の内部に挿入されて該押圧方向に可動するノックアウトピンを有し、
前記ノックアウトピンは、前記軸部の形状が前記押圧方向と対峙した段差面を有して、かつ、該段差面と前記下型の内面とが接しており、
前記段差面と接している前記下型の内面の部分が、該内面からの延長面を含んで、前記下型から分割された金型片で構成されていて、前記金型片を焼嵌めによって前記下型に組み合わせることを特徴とする、熱間鍛造用金型。