JPH0373376B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、金属加工に係り、更に詳細には複雑
な断面形状の金属製の円錐体を製造する方法に係
る。

リング形の金属構造体が使用される多くの物品
が存在する。完成したリングが比較的厚さの薄い
ものである場合には、予備的な成形体が非効率的
な形状に形成されると、機械加工中にかなりの材
料が廃棄されることになる。かかる理由から、加
工開始材料がビレツト又は板の一部であることが
好ましいことは希である。一般に加工開始材料は
鍛造又は鍛練された材料、鋳造品、又は溶接品で
ある。

比較的脆弱なリング形成形体を製造する場合の
問題はガスタービンエンジンの製造に於て特に明
瞭である。この種の機械に於ては、それらに使用
される金属が所要の高強度特性を有しているので
加工が困難である。更に航空機の用途に於ては、
リングは重量を低減すべく非常に薄いことが多
い。このことは比較的厳しい公差の鍛造品や鋳造
品を使用することにより機械加工に伴なつてかな
りの材料が廃棄されることを意味する。

従つて、リング状の予備成形体を製造するため
にリング圧延法が使用されることが多い。最も一
般的には、リング圧延法は比較的加工度の低い第
１のリング形の成形体を形成し、次いでその形成
体を適当な機械にて圧延してその直径及び断面積
を必要とされる値に近い値に変化させることを含
んでいる。第一のリング形の成形体を形成するた
めの開始材料は一般的には鍛造品又は孔を開けら
れた板の如き他の形態の鍛練された材料である。
またバー材の一部を使用し、それを第一の直径の
リングに圧延し、その棒材の両端をそれらが対向
する部分にて突合せ溶接することもよく行われ
る。第二のより大きい直径にリング圧延する場合
には、溶接部はもとの材料と共に必然的に且好ま
しく加工される。

リング圧延のための機械は一般に技術文献に記
載されている。米国特許第3999416号は特にガス
タービンエンジンに有用な所定形状のリングを形
成することに関するものである。この米国特許に
開示された方法は複数個の所定形状のダイス型間
にて連続的に冷間圧延することを含んでいる。

円錐体を製造することは直線的な円筒体を製造
することよりも困難である。例えば平坦な金属板
を切頭円錐形に加工する最も一般的な方法は、平
坦な金属板より所定形状の金属板を切出し、それ
を３ロール圧延機又は４ロール圧延機を用いてリ
ングに成形することである。この点に関し、アメ
リカ合衆国オハイオ州、メタルズパーク所在の
American Society for Metalsより出版された
Metals Handbookの第８編、第４巻の第222頁、
及び米国特許第4195509号、同第3623349号、同第
3279229号を参照されたい。

平坦な金属の圧延は、過去30年しか十分には解
析されていないので科学というよりはむしろ工学
であると言われている。リング圧延は平坦な材料
よりも幾分かより複雑なジオメトリーに関するも
のであり、従つて円筒のリングを成形する塑性メ
カニズムの多くの局面は現在のところ解つていな
い。この点に関し1979年版のInternational
Metal ReviewsのNo.４の137〜148頁にW.
Johnson等により著わされた「Rolling of
Rings」を参照されたい。かくして円錐形のリン
グを圧延により製造する「科学」が存在しないの
で、できるだけ材料の廃棄を低減しできるだけ経
済性を向上させるという点に関する限り、技術的
な改良が科学的な解析よりも遥かに必要とされて
いる。

本発明の一つの目的は、物品の断面が比較的正
確な寸法に形成された切頭円錐形の金属板製の円
錐体を製造する効率的な方法を提供することであ
る。本発明の他の一つの目的は、ガスタービンの
燃焼器のライナの製造に適した形状にニツケル超
合金を成形するための方法を提供することであ
る。

一般に、本発明は、断面の一方の部分の厚さが
他方の部分の厚さよりも大きく低減されるよう加
工片を長手方向に圧延することを含んでいる。こ
のことにより湾曲した台形が形成され、該台形は
３ロール圧延機にてリングに成形されると円錐形
となる。

本発明の方法の好ましい実施例によれば、それ
ぞれ特定の形状に予め形成された外形を有する二
つの直線的な材料片が長手方向の溶接によつて接
合される。例えばＴ字形の断面形状を有する棒状
の材料が平坦な板状の材料片に接合される。次い
でかくして溶接された加工片が一方の部分を他方
の部分よりも大きく厚さを低減するコンターロー
ルにそれを通すことによつて長手方向に圧延され
る。例えば第一の部分の厚さは10％低減され、第
二の部分の厚さは30％低減される。コンター圧延
により圧延された溶接された加工片の断面形状は
圧延されたリングに於て必要とされる外形に実質
的に等しい。コンター圧延工程中には溶接部はそ
の特性を改善することを補助すべく断面が低減さ
れることが好ましい。圧下量が異なるので、コン
ター圧延により加工された加工片は一方の長手方
向側縁に於ける長さが他方の長手方向側縁に於け
る長さよりも長くなる。次いで加工片はそれを通
常の３ロール圧延機に通すなどの方法によつて円
形に形成される。繰返し行われるパスに於てロー
ル間の間隙が徐々に低減されることにより加工片
がリングに成形され、その両端が実質的に当接す
るようになる。かくして円形に加工された加工片
の形状は実質的に切頭円錐形となる。かかる円錐
形の両端は互にオーバーラツプし、それらが注意
深くトリミングされ且溶接されることが好まし
い。次いでかくして溶接された円錐体は、必要と
される精度に応じて最終の所望の寸法に再度の圧
延又は他の方法により寸法仕上げされる。

加工片の長手方向に互に隣接する部分に於ける
断面積の相対的低減量をそれがコンター圧延され
た後であつて円形に成形される前に変化させるこ
とにより、任意の形状の円錐体を製造することが
できる。対応する側縁の長さの差は圧下量の相違
にほぼ対応している。またこれに対応して円錐角
が決定される。

本発明の方法に於ては、他の方法に於て生じる
ことのあるスカツフイングに曝されることのない
比較的単純な外形のロールしか必要とされない。
更に本発明の方法によれば、開始材料として低廉
な圧延材を使用することができ、また良好な周縁
方向の溶接特性を得ることができる。

以下に添付の図を参照しつつ、本発明を実施例
について詳細に説明する。

これより本発明を、本願出願人と同一の譲受人
に譲渡された米国特許第4380906号に記載されて
いる如きガスタービンエンジン用の燃焼器ライナ
の円錐体を製造することに関し本発明を説明する
が、本発明は他の用途の金属板製の円錐体を製造
することにも有用なものである。

燃焼器のライナは高温用の超合金にて形成され
ている。後に説明する実施例は合金Hastelloy
Ｘ（22wt％Cr、18.5wt％Fe、1.5wt％Co、0.10wt
％Ｃ、9wt％Mo、0.6wt％Ｗ、残部Ni）にて形成
されたライナセグメントの製造に関するものであ
る。本発明は圧延によつて成形可能であり且それ
自身に溶接可能な任意の材料（或る種の非金属材
料を含む）にも有用なものである。

燃焼器のライナは、一般に、互に係合する一連
の切頭円錐形のセグメントよりなる環状の構造体
である。この点に関し例えば米国特許第4077205
号及び同第3978662号を参照されたい。一つの典
型的な燃焼器のライナセグメント４０の形状が第
１図に示されている。円錐角は種々のものであつ
てよく、本明細書に於て円錐角とは円錐の頂角の
半分であり、第２図に示されている如くライナセ
グメント４０の断面と中心軸線４２との間の角度
Ｐである。一般に燃焼器のライナセグメントの円
錐角は35゜までである。今日までの研究開発の結
果によれば、本発明は少なくとも54゜までの円錐
角を有する円錐体の製造に有用なものである。

以下の例は第１図及び第２図に示されたものと
同様の断面形状を有する円錐体を製造する場合に
於ける本発明の好ましい実施例である。製造の各
工程が第３図に示されている。一般に、通常の形
状にて圧延が開始され、２種類の材料が先ず第一
の組の正確な寸法にコンター圧延され、次いで互
に溶接され、再度コンター圧延され、次いで切頭
円錐形を含む円形に成形される。第３図に示され
た工程A1〜A3に於て、工程A1に於ける直径16mm
の丸棒が工程A2及びA3に於て特定の断面形状を
有する加工片１０にコンター圧延される。この場
合コンター圧延は通常の高速二段圧延機に複数回
通すことにより行われ、圧延を容易に実施しまた
材料中に加工による割れが発生することを回避す
べく、各コンター圧延工程の間に1150℃にて１時
間に亙る焼なましが行われる。加工片１０が工程
A3に於て工程A1に於ける条件に比較されると、
その断面積は実質的に低減されており、勿論加工
片の長さはこれに対応して実質的に増大されてい
る。周知の如く、かかる結果が得られるのがコン
ター圧延の特徴である。第３図に於て、工程A3
に於ける加工片の横方向の寸法は工程A1に於け
る材料の幅に対し約20％増大されている。

同様に、工程B1に示されて平坦な帯材が工程
B2に示されている如くフランジを有する溝形の
加工片１１にコンター圧延される。次いで加工片
１１が工程B3に於て軸線方向にこの切断等によ
つて分割され、これにより二つの独立した加工片
１２及び１４が形成される。加工片１２はそれ以
降の工程に於て使用され、加工片１４は他の組立
体を製造するために使用される。

工程C1に於ては、加工片１２が長手方向の溶
接部１６に沿つて加工片１０に突合せ溶接され、
これにより溶接された加工片１８が形成される。
以上の各工程に於て重要なことは、加工片１２の
厚さT1が加工片１０の厚さT2よりも大きいこと
であり、この場合の厚さは溶接部の近傍に於て測
定された値である。溶接を良好に実施するために
必要である如く、溶接部の厚さを実質的にT1に
すべく、溶接に際し溶加材が溶接部に供給され
る。

次いで工程C2に於て加工片１８は以下に説明
する好ましい又は随意の工程に於て幾分が修正さ
れる点を除き最終物品に於て必要とされる断面形
状に非常に近い断面形状に成形し得る形状に形成
されたコンターロールに通される。このコンター
圧延工程C2に於ては、部分１２の厚さT1が好ま
しくはT2よりも僅かに小さい新たな厚さT3に低
減される。換言すれば、部分１０の断面積が比較
的少量だけ低減され又は全く低減されず、部分１
２の断面積が実質的に低減される。このことによ
り加工片１８が第４図に示されている如く、部分
１２の側に於ける長さL1が部分１０の側に於け
る長さL2よりも長い湾曲した台形になる。部分
１２の断面積が大きく低減される限り、工程C2
に於て部分１０の断面積を実質的に低減すること
が可能である。

本願発明者等は、厚さT3が厚さT1の約75％で
ある場合には、工程C1に示された形状より工程
C2に示された形状に加工片を成形するに必要な
コンター圧延のパス回数は１回であることを見出
した。圧下量及び材料特性に応じて複数回の圧延
工程及び焼なましが採用されてよい。本発明のこ
の点に関する一例として、厚さT2は1.4mmであ
り、厚さT1は1.65〜1.78mmである。工程C2が完
了した後には、厚さT3は約1.27mmである。長さ
が約3.04ｍであり幅が約3.7cmである加工片に於
ては、長さL1は長さL2よりも約12％大きくなつ
た。かくして得られる円錐角は名目上は加工片の
長さ及び幅の変化を反映する。二つの部分１０及
び１２の側縁の長さの変化の比率はそれらの断面
積の低減比率よりも幾分か小さい。このことは断
面が一様でない加工片を加工する際の金属の流れ
の複雑な動力学の関数である。特定の加工片につ
いて十分な実験を行うことにより、工程C2の前
後に於ける加工片の寸法関係を求めることができ
る。

次の工程C3に於ては、加工片１８が３ロール
圧延機又は４ロール圧延機に通される。これらの
圧延機は第５図に示されている如く通常のリング
成形装置である。ロール２０は加工片２６が装置
に連続的に適される間固定ロール２２及び２４に
近付く方向へ徐々に移動される。加工片の両端が
幾分か互にオーバーラツプするまで３ロール成形
が継続される。次いで加工片が３ロール圧延機よ
り取り外され、その両端が所望の周縁方向長さと
なるようトリミングされ、次いでライナセグメン
ト４０を形成すべく第１図に示されている如く軸
線方向の接合部２８に沿つて突合せ溶接される。
長さL1は長さL2よりも既に長くなつているので、
上述の如く突合せ溶接することにより形成された
円形の加工片は切頭円錐形になる。

部分１０の長さの小さいほうの側縁は平均直径
D10を有するライナセグメント４０の一部とな
り、この場合平均直径D10は部分１２の長さの大
きいほうの側縁により形成される部分の平均直径
D12よりも小さい。従つて円錐角は加工片１８の
長手方向に互に突合せ溶接された二つの部分１０
及び１２の相対的圧下量により決定される。上述
のテーパとは逆のテーパを有する円錐体が必要な
場合には、加工片１０の断面積は加工片１２の断
面積よりも大きく低減される。

燃焼器ライナの場合の如く、良好な寸法精度が
必要とされる用途については、工程C5に示され
ている如く、上述の一連の工程により形成された
円錐体が、膨張可能なアンドレル又は分解可能な
外ダイス型を有する機械を用いて溶接後に伸張又
は収縮されてよい。かかる機械がアメリカ合衆国
ケンタツキー州、ルイスヴイル所在のCemco
Inc.によりModel H180−200として製造され販
売されている。直径を0.5〜５％増大させるため
には一般にストレツチフオーミングが採用され
る。加工片の長手方向の両端が軸線方向の溶接部
に於て互に接合された後に円錐形の寸法を更に変
化させるべく、従来より公知の他の成形法が使用
されてよい。

金属板の加工に従事する当業者には、平坦な金
属材料より台形の加工片を切出し、該加工片を通
常の３ロール圧延機に通すことによつては、本発
明の方法により得られる円錐形と同様の円錐形を
得ることができないことが理解されよう。上述の
方法に於ては、湾曲された台形の両端を互に当接
させることにより円錐体を形成することができる
が、かくして形成された円錐体の両端は互に平行
な平面内には存在しない。

ガスタービンエンジン用の燃焼器ライナを製造
する場合には、第１図、第３図、第４図に示され
た長手方向及び周縁方向の溶接部１６及び２８に
沿つて良好な性質が得られることが重要である。
従つて溶接部の厚さは加工片の低減された厚さ、
即ち第３図の部分１２の厚さT1と一致するよう
にされることが好ましい。このことにより溶接部
も適正に加工されることが確保される。工程C3
の後に於て加工片が第１図に示された構造体を形
成すべく軸線方向の溶接が行われた後には、その
円錐体は溶接部を再結晶化させ且所望の疲労特性
を得るべく熱処理される。1982年11月10日付にて
出願され本願出願人と同一の譲受人に譲渡された
米国特許出願第440674号に詳細に開示されている
如く、溶接部の加工及び熱処理には臨界性が存在
する。即ち溶接部の断面積は少なくとも20％低減
され、溶接部は1150〜1175℃にて１時間に亙り熱
処理されることが好ましい。

勿論本発明の方法の実施に際し二つの加工片が
長手方向に溶接されることは必ずしも必要ではな
い。例えば第６図に示されている如く、工程D1
に示された平坦な棒材の加工片が工程D2に示さ
れた第一の形状にコンター圧延によつて成形され
てよい。工程D2に於ける加工片は第一の部分３
０とこれに連続する第二の部分３２とを有してい
る。次の工程D3に於て第一の部分３０の断面積
が低減され、第二の部分３２の断面積はそれ程低
減されない。このことにより前述の実施例に於け
るテーパとは逆のテーパを有する円錐体が形成さ
れる。

図示の如き複雑な断面形状を有する円錐体を製
造する場合には、第６図に示された方法は以下の
二つの理由から一般には好ましくない。第一に、
工程D2に示された形状の加工片を形成するため
には、材料の金属が過剰に塑性によつて移動しな
ければならない。第二に、工程D2に示された形
状に成形するための第一の組のコンターロール及
び工程D3に示された形状に成形するための第二
の組のコンターロールの２組のコーターロールが
必要とされる。これに対し第３図に示された方法
を採用すれば、工程C2の加工に於て使用される
コンターロールを工程Ａ及びＢに示された独立の
工程に使用することができる。第３図に示された
好ましい実施例に於ては、必要とされる最大圧延
力及び圧延機の大きさを第６図に示された実施例
に於て必要とされる圧延力及び大きさよりも低減
することができる。

以上に於ては本発明を特定の実施例について詳
細に説明したが、本発明はかかる実施例に限定さ
れるものではなく、本発明の範囲内にて種々の実
施例が可能であることは当業者にとつて明らかで
あろう。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明により形成された切頭円錐形を
有する燃焼器のライナセグメントを示す斜視図で
ある。第２図は第１図に示されたライナセグメン
トの断面を示す拡大断面図である。第３図は本発
明の一つの実施例を示す工程図である。第４図は
第３図に示された実施例の工程C3に於て形成さ
れた加工片を示す斜視図である。第５図は第４図
に示された加工片を円形に成形する３ロール成形
を示す解図である。第６図は溶接が行われない本
発明の方法の他の一つの実施例を示す工程図であ
る。 １０，１２，１４……加工片（部分）、１６…
…溶接部、１８……溶接された加工片、２０……
ロール、２２，２４……固定ロール、２６……加
工片、２８……軸線方向の接合部、３０……第一
の部分、３２……第二の部分、４０……ライナセ
グメント、４２……中心軸線。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 金属板より円錐体を製造する方法にして、 第一の長さ、第一の断面積、及び第一の厚さを
   有する材料の第一の加工片を用意する過程と、 前記第一の加工片を第二の長さ、第二の断面
   積、及び前記第一の加工片の厚さよりも大きい第
   二の厚さを有する材料の第二の加工片に突合せ溶
   接し、これにより突合せ溶接された二つの加工片
   の長さに沿つて延在する溶接部を有する溶接され
   た加工片を形成する過程と、 前記溶接された加工片を圧延して第一の加工片
   部分の断面積の低減量よりも大きく第二の加工片
   部分の断面積を低減し、これにより前記溶接部の
   近傍に於ける前記溶接された加工片の厚さを一様
   にし、これにより前記第二の加工片部分の長さを
   前記第一の加工片部分の長さよりも大きくして前
   記溶接された加工片を湾曲させる過程と、 前記湾曲された溶接された加工片の長手方向の
   両端が互に接近し、これにより前記第二の加工片
   部分が前記第一の加工片部分よりなる部分の平均
   直径に比して平均直径の大きい円錐体の一部を形
   成するよう、前記湾曲された溶接された加工片を
   圧延して円形に成形する過程と、 を含む方法。