JP6114718B2 - 軸対称体および軸対称製品の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、フランジ部を有する軸対称体の製造方法、およびこの製造方法により得られた軸対称体からの軸対称製品の製造方法に関する。

フランジ部を有する軸対称体は、例えば、鋳造や、円柱状または肉厚円筒状の原材料からの削り出しによって製造される。しかし、鋳造では、金型の作製に多大な費用を要する。また、削り出しでは、多くの材料が無駄になる。

そこで、母材に対してフランジ部を後から成形することが望まれる。例えば、管状の母材に対してリング状の板材を完全溶け込み溶接によって接合することが考えられる。しかしながら、溶接では母材への入熱量が非常に大きなため、母材中の熱影響部（ＨＡＺ）が大きくなる。

この点、例えば特許文献１に開示されているようなレーザ金属肉盛り（ＬＭＤ：Laser Metal Deposition）を用いれば、母材中の熱影響部を非常に小さくすることができる。なお、特許文献１に開示された技術は、母材がフラットな板状であることおよびレーザ金属肉盛りにより生み出されるビードの２倍以下と比較的に狭い幅の突起を形成することを前提としたものであり、構造部材として使用するような環状のフランジ部を形成することを意図したものではない。ましてや、特許文献１に開示された技術では、比較的に広い幅のフランジ部を形成することはできない。

そこで、本発明は、レーザ金属肉盛りを用いて比較的に広い幅のフランジ部を有する軸対称体を製造する方法、およびその軸対称体から軸対称製品を製造する方法を提供することを目的とする。

前記課題を解決するために、本発明の軸対称体の製造方法は、フランジ部を有する軸対称体を製造する方法であって、レーザ金属肉盛りにより、母材の径方向外側または径方向内側を向く周面上に複数のビードからなる環状の初層であって前記ビードの幅の２倍以上の幅の初層を形成する工程と、レーザ金属肉盛りにより、前記初層上に各々が複数のビードからなる複数の環状の嵩上層を積層する工程と、を含む、ことを特徴とする。

上記の構成によれば、母材中の熱影響部を非常に小さく抑えつつ、比較的に広い幅のフランジ部を有する軸対称体を製造することができる。

前記初層を、前記母材の周方向に延びるビードを前記母材の軸方向に並べることによって形成し、前記複数の嵩上層のそれぞれを、前記母材の周方向に延びるビードを前記母材の軸方向に並べることによって形成してもよい。初層および嵩上層のそれぞれは、レーザ光を放出するノズルを母材の周面に対してジグザグに移動させて、母材の軸方向に延びる短いビードを母材の周方向に並べることによっても形成することができる。しかしながら、この場合には、１つのビードを形成してからその隣に新たなビードが形成されるまでの時間が非常に短いために、母材の蓄熱量が多くなり、母材の歪みが大きくなるおそれがある。また、軸対称体のベースとなる周方向に連続した母材では、母材の蓄熱量が多くなり、母材の歪みは顕著となる。これに対し、前記の構成のように母材の周方向に延びるビードを母材の軸方向に並べれば、１つのビードを形成してからその隣に新たなビードが形成されるまでの時間が非常に長くなる。そのため、母材の蓄熱量が小さくなり、母材の歪みを小さく抑えることができる。

前記初層を、前記母材を冷却しながら形成し、前記複数の嵩上層のそれぞれを、前記母材を冷却しながら形成してもよい。この構成によれば、母材および供給金属（ワイヤまたは金属粉体）の溶融部内での元素の酸化を抑制することができる。特に、母材がチタン合金からなる場合は、溶融部の温度が高いとチタンが酸化して溶融部に空孔（porosity）が発生し易いため、本構成は特に母材がチタン合金からなる場合に有用である。

前記複数の嵩上層のそれぞれを、前記初層の形成と異なる条件で形成してもよい。嵩上層のそれぞれを形成するときの直前形成層（初層または前回形成嵩上層）の状態（例えば、凹凸および温度）は、その上に初層が形成される母材の周面と異なるために、初層と嵩上層のそれぞれとを形成するときの条件を異ならせれば、初層および嵩上層の全てで均一な品質を得ることができる。

例えば、前記母材はチタン合金からなってもよい。

前記レーザ金属肉盛りは、金属粉体を用いたものであってもよい。ＬＭＤでは供給金属としてワイヤを用いることもできるが、本構成のように金属粉体を用いれば、ビードの生成速度やビード形状を制御し易いなどの利点がある。

前記母材は、テーパー状の胴部と前記胴部の大径側の端部から内向きに突出する環状壁を有し、前記胴部の中間位置に前記初層を形成してもよい。この構成によれば、金型を用いた鋳造では製造が困難な形状を実現できる。

また、本発明の軸対称製品の製造方法は、上記の製造方法により得られた軸対称体に機械加工を施して、前記軸対称体から軸対称製品を削り出す、ことを特徴とする。この構成によれば、高精度な軸対称製品を安価に製造することができる。

本発明によれば、レーザ金属肉盛りを用いて比較的に広い幅のフランジ部を有する軸対称体を製造することができる。

特開２００７−３０１９８０号公報

本発明の一実施形態に係る軸対称体の製造方法により得られる軸対称体の断面図である。 軸対称体の製造方法の説明図である。 （ａ）は母材の周方向に延びるビードを並べて初層を形成する際に母材を内側から見た図であり、（ｂ）は初層および嵩上層の断面図である。 初層を形成する際および嵩上層を形成する際のビードの生成順序の変形例を示す初層および嵩上層の断面図である。 （ａ）は母材の軸方向に延びるビードを並べて初層を形成する際に母材を内側から見た図であり、（ｂ）は初層および嵩上層の断面図である。 ＬＭＤ装置のノズルの拡大断面図である。 母材の特定位置での温度の経時的変化を示すグラフである。 軸対称体と軸対称製品の関係を示す断面図である。 母材を冷却する装置としてファンを用いたときの軸対称体の製造方法の説明図である。 母材を冷却する装置としてジャケットを用いたときの軸対称体の製造方法の説明図である。

本発明の一実施形態に係る軸対称体の製造方法は、図１に示すような中心軸１０回りに対称な形状を有する軸対称体１を製造するためのものである。本実施形態では、軸対称体１が、軸方向（図１では下向き）に開口する中空となっている。具体的に、軸対称体１は、天井壁１１と、天井壁１１の周縁部から広がるテーパー状の周壁１２と、周壁１２の中間部分から径方向内向きに突出する２つの第１フランジ部１４（本発明のフランジ部に相当）と、周壁１２の先端から径方向内向きに突出する第２フランジ部１３と、を含む。

ただし、軸対称体１の形状は、図１に示す形状に限られない。例えば、軸対称体１の周壁１２はストレートであってもよい。また、第１フランジ部１４の数は１つであってもよいし、３つ以上であってもよい。さらに、第１フランジ部１４は径方向外向きに突出していてもよい。第１フランジ部１４の突出方向は、必ずしも母材２の径方向と平行である必要はなく、母材２の径方向に対して傾いていてもよい。また、第２フランジ部１３が設けられない代わりに、第１フランジ部１４が周壁１２の先端から径方向内向きまたは径方向外向きに突出していてもよい。さらに、軸対称体１は必ずしも中空である必要はなく、中実であってもよい。

本実施形態の製造方法では、ＬＭＤにより、母材２に対して第１フランジ部１４を後から成形する。本実施形態では、ＬＭＤ用の供給金属として金属粉体が用いられる。ただし、金属粉体の代わりにワイヤが用いられてもよい。具体的には、図２および図６に示すように、母材２をその中心軸２０回りに回転させながら、母材２の内周面２ａ（径方向内側を向く周面）に向けてＬＭＤ装置のノズル４からレーザ光４１を放出するとともに金属粉体４２を噴射する。なお、上述したような径方向外向きに突出する第１フランジ部１４を形成する場合は、母材２の外周面２ｂ（径方向外側を向く周面）に向けてノズル４からレーザ光４１を放出するとともに金属粉体４２を噴射すればよい。

母材２は、軸対称体１から第１フランジ部１４を取り除いた形状を有している。より詳しくは、母材２は、軸対称体１の天井壁１１を規定する円盤壁２３と、軸対称体１の周壁１２を規定するテーパー状の胴部２１と、軸対称体１の第２フランジ部１３を規定する、胴部２１の大径側の端部から内向きに突出する環状壁２２を有する。母材２は、例えば、円盤状の板材をスピニング成形によりテーパー状に成形し、その後にテーパー状の先端部分を径方向内向きに押し込むことによって作製することができる。

母材２を構成する材料は特に限定されるものではないが、例えば、母材２はチタン合金からなる。金属粉体は、母材と同一の組成を有していてもよいし、異なる組成を有していてもよい。例えば、母材２がチタン合金からなる場合は、金属粉体は母材２と異なるチタン合金であってもよいし、チタン合金以外の合金であってもよい。

図３（ａ）および（ｂ）に示すように、本実施形態の製造方法では、まず、ＬＭＤにより、胴部２１の中間位置で母材２の内周面２ａ上に、母材２の周方向に連続する環状の初層３１を形成する。ついで、ＬＭＤにより、初層３１上に、母材２の周方向に連続する複数の環状の嵩上層３２を積層する。

初層３１は、複数のビード３５からなり、ビード３５の幅の２倍以上の幅Ｗ（母材２の軸方向の幅）を有している。本実施形態では、母材２の周方向に延びるビード３５を母材２の軸方向に並べることによって初層３１を形成する。例えば、図３（ａ）および（ｂ）中に記載したパス順で（すなわち、胴部２１の小径側から大径側に向かって）ビード３５を形成してもよい。あるいは、安定した形状を得るために、経験則等に基づいて図４中に記載したような変則的なパス順を決定してもよい。

図３（ａ）および（ｂ）に戻って、各嵩上層３２も、複数のビード３６からなる。本実施形態では、母材２の周方向に延びるビード３６を母材２の軸方向に並べることによって各嵩上層３２を形成する。例えば、図３（ａ）および（ｂ）中に記載したパス順で（すなわち、胴部２１の小径側から大径側に向かって）ビード３６を形成してもよい。あるいは、安定した形状を得るために、経験則等に基づいて図４中に記載したような変則的なパス順を決定してもよい。

ただし、図５（ａ）および（ｂ）に示すように、ノズル４を母材２の内周面２ａに対してジグザグに移動させて、母材２の軸方向に延びるビード３５を母材２の周方向に並べることによって初層３１を形成してもよい。同様に、母材２の軸方向に延びるビード３６を母材２の周方向に並べることによって各嵩上層３２を形成してもよい。

初層３１の形成および各嵩上層３２の形成は、母材２を冷却しながら行うことが望ましい。図７に示すように、母材２の温度を一定範囲Ｒ内に保つためである。母材２を冷却する装置としては、図９に示すようにファン６を用いてもよいし、図１０に示すように母材２に装着されるジャケット７を用いてもよい。

例えば、図９に示すようにファン６を用いた場合、母材２の任意の位置の温度をモニタリングし、その温度が一定範囲Ｒ内に保たれるようにファン６の風量を制御すればよい。あるいは、図１０に示すようにジャケット７を用いた場合、母材２の任意の位置の温度をモニタリングし、その温度が一定範囲Ｒ内に保たれるようにジャケット７内を流れる冷却液の流量を制御すればよい。

初層３１の形成および各嵩上層３２の形成を母材２を冷却しながら行えば、母材２および金属粉体の溶融部内での元素の酸化を抑制することができる。特に、母材２がチタン合金からなる場合は、溶融部の温度が高いとチタンが酸化して溶融部に空孔（porosity）が発生し易いため、母材２の冷却は特に母材２がチタン合金からなる場合に有用である。

また、各嵩上層３２の形成は、初層３１の形成と異なる条件で行うことが望ましい。各嵩上層３２を形成するときの直前形成層（初層３１または前回形成嵩上層３２）の状態（例えば、凹凸および温度）は、その上に初層３１が形成される母材２の内周面２ａと異なるために、初層３１と各嵩上層３２とを形成するときの条件を異ならせれば、初層３１および嵩上層３２の全てで均一な品質を得ることができる。

例えば、初層３１の凹凸が大きい場合は、各嵩上層３２の形成では直前形成層へのエネルギーの入熱を大きくして（例えば、レーザ光の出力を大きくする）、溶け込み量を大きくする。また、例えば、母材２の蓄熱量が大きい場合は、各嵩上層３２の形成では直前形成層へのエネルギーの入熱を小さくして（例えば、レーザ光の出力を小さくする）、溶け込み量を小さくする。

嵩上層３２を積層する際は、成形途中の第１フランジ部１４の形状をカメラなどでモニタリングし、第１フランジ部１４の形状が理想形状からずれた場合にノズル４の位置を修正することが望ましい。

以上説明した本実施形態の製造方法によれば、母材２中の熱影響部を非常に小さく抑えつつ、比較的に広い幅の第１フランジ部１４を有する軸対称体１を製造することができる。

ところで、図５（ａ）および（ｂ）を参照して説明したように、初層３１および各嵩上層３２は、母材２の軸方向に延びる短いビード（３５または３６）を母材２の周方向に並べることによっても形成することができる。しかしながら、この場合には、１つのビードを形成してからその隣に新たなビードが形成されるまでの時間が非常に短いために、母材２の蓄熱量が多くなり、母材２の歪みが大きくなるおそれがある。また、軸対称体１のベースとなる周方向に連続した母材２では、母材２の蓄熱量が多くなり、母材２の歪みは顕著となる。これに対し、本実施形態のように母材２の周方向に延びるビードを母材２の軸方向に並べれば、１つのビードを形成してからその隣に新たなビードが形成されるまでの時間が非常に長くなる。そのため、母材２の蓄熱量が小さくなり、母材２の歪みを小さく抑えることができる。

さらに、本実施形態では、ＬＭＤ用の供給金属として金属粉体が用いられているので、ワイヤを用いた場合に比べて、ビード３５，３６の生成速度やビード形状を制御し易いなどの利点がある。

また、胴部２１および環状壁２２によって軸方向の両側が覆われた径方向後退部を有する母材２を用いれば、金型を用いた鋳造では製造が困難な形状を実現できる。

本実施形態の製造方法により得られた軸対称体１は、そのまま製品として使用してもよい。ただし、図８に示すように、その軸対称体１に機械加工を施して、軸対称体１から軸対称製品５を削り出せば、高精度な軸対称製品５を安価に製造することができる。

本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能である。

本発明は、種々の用途に用いられる軸対称体の製造に広く適用可能である。

１ 軸対称体
１４ 第１フランジ部
２ 母材
２ａ 内周面
２ｂ 外周面
２１ 胴部
２２ 環状壁
３１ 初層
３２ 嵩上層
３５，３６ ビード
４２ 金属粉体
５ 軸対称製品

Claims (8)

1. フランジ部を有する軸対称体を製造する方法であって、
   レーザ金属肉盛りにより、母材の径方向外側または径方向内側を向く周面上に複数のビードからなる環状の初層であって前記ビードの幅の２倍以上の幅の初層を形成する工程と、
   レーザ金属肉盛りにより、前記初層上に各々が複数のビードからなる複数の環状の嵩上層を積層する工程と、
   を含む、軸対称体の製造方法。
2. 前記初層を、前記母材の周方向に延びるビードを前記母材の軸方向に並べることによって形成し、
   前記複数の嵩上層のそれぞれを、前記母材の周方向に延びるビードを前記母材の軸方向に並べることによって形成する、請求項１に記載の軸対称体の製造方法。
3. 前記初層を、前記母材を冷却しながら形成し、
   前記複数の嵩上層のそれぞれを、前記母材を冷却しながら形成する、請求項１または２に記載の軸対称体の製造方法。
4. 前記複数の嵩上層のそれぞれを、前記初層の形成と異なる条件で形成する、請求項１〜３のいずれか一項に記載の軸対称体の製造方法。
5. 前記母材はチタン合金からなる、請求項１〜４のいずれか一項に記載の軸対称体の製造方法。
6. 前記レーザ金属肉盛りは、金属粉体を用いたものである、請求項１〜５のいずれか一項に記載の軸対称体の製造方法。
7. 前記母材は、テーパー状の胴部と前記胴部の大径側の端部から内向きに突出する環状壁を有し、前記胴部の中間位置に前記初層を形成する、請求項１〜６のいずれか一項に記載の軸対称体の製造方法。
8. 請求項１〜７のいずれか一項に記載の製造方法により得られた軸対称体に機械加工を施して、前記軸対称体から軸対称製品を削り出す、軸対称製品の製造方法。

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