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Gebiet der
Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung
zum Herstellen eines keramischen Matrix-Kompositelements und eines
Kompositmaterials auf Kohlenstoffbasis, das bei der spanabhebenden
Bearbeitung hochgenau mit Zerspanungsbasen (axiale Mitte und Bezugsfläche) versehen
werden kann.
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Beschreibung
des Standes der Technik
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Um
die Leistung eines Raketentriebwerks zu steigern, das NTO/N2H4, NTO/MMH und
dgl. als Treibstoffe verwendet, muss die Hitzewiderstandstemperatur
eines Brenners (Schubkammer) angehoben werden. Zu diesem Zweck ist
bei vielen Raketentriebwerken bislang eine beschichtete Nioblegierung mit
einer Hitzefestigkeit von mehr als 1500°C für das Kammermaterial verwendet
worden. Dieses Material weist jedoch den Nachteil auf, dass es wegen
seiner hohen Dichte schwer ist, seine Festigkeit bei hoher Temperatur
gering ist und eine es kurze Beschichtungslebensdauer hat.
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Andererseits
ist Keramik hoch hitzefest, jedoch leider spröde, und daher ist ein keramisches Matrix-Kompositelement
(nachfolgend mit CMC abgekürzt)
durch Armierung der Keramik mit keramischen Fasern entwickelt worden.
Speziell enthält
ein keramisches Matrix-Kompositelement (CMC) keramische Fasern und
eine keramische Matrix. Außerdem
wird im Allgemeinen das CMC, als Keramikfaser/Keramikmatrix durch
sein Material angegeben (d.h. wenn beide aus SiC bestehen, wird
SiC/SiC angegeben).
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Da
CMC geringes Gewicht und bei hohen Temperatur eine hohe Festigkeit
hat, ist es ein vielversprechendes Material für den Brenner (Schubkammer)
des Raketentriebwerks, weiter für
eine Kraftstoffleitung in einem Hochtemperaturabschnitt, eine Turbinenschaufel
eines Strahltriebwerks, einen Brenner, eine Nachbrennerkomponente
und dgl..
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Das
konventionelle CMC kann jedoch seine Dichtigkeitseigenschaften nicht
halten und ist gegenüber
Temperaturschocks leider wenig widerstandsfähig. Speziell wird beim konventionellen
CMC nach der Herstellung einer vorbestimmten Form aus keramischen
Fasern eine Matrix in einem Spalt zwischen den Fasern in einem sog.
chemischen Dampfinfiltrationsprozess (CVI) aufgebaut. Ein Problem
besteht jedoch darin, dass eine unpraktisch lange Zeit (z.B. ein
Jahr oder mehr) erforderlich ist, um den Spalt zwischen den Fasern
durch die CVI vollständig
zu füllen. Außerdem wird
in einem Hochtemperaturtest oder dgl. des konventionellen CMC, das
wie oben beschrieben gebildet wurde, bei Einwirkung eines starken
Temperaturschocks (z.B. eine Temperaturdifferenz von 900°C oder mehr)
die Festigkeit drastisch vermindert, und das CMC kann kaum wiederverwendet
werden.
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Daher
kann das konventionelle keramische Matrix-Kompositelement (CMC)
im Wesentlichen nicht im Brenner (Schubkammer), im Kraftstoffleitungssystem
oder in einer anderen Komponente verwendet werden, die Dichtigkeitseigenschaften
und Widerstandsfähigkeit
gegen Temperaturschocks verlangen.
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Um
das o.g. Problem zu lösen,
haben der vorliegende und weitere Erfinder eine Patentanmeldung "Kompositelement auf
Keramikgrundlage und sein Herstellungsverfahren" erstellt und eingereicht (japanische
Patentanmeldung Nr. 19416/1999, noch nicht veröffentlicht). Das Kompositelement
auf Keramikgrundlage kann die Dichtigkeitseigenschaften und die
Temperaturschockwiderstandsfähigkeit
stark verbessern und kann für
den praktischen Einsatz in der Schubkammer und dgl. vorgesehen werden.
Bei der Erfindung, wie schematisch in 1 gezeigt,
wird die Oberfläche
eines geformten Textilgewebes im Anschluss an die CVI-Behandlung
zur Bildung eines SiC-Matrixschicht eine PIP-Behandlung ausgeführt, um
einen Spalt der Matrixschicht mit einem organischen Siliziumpolymer
als eine Basis zu infiltrieren und zu kalzinieren.
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Aus
EP 0 399 548 A2 ist
ein Herstellungsverfahren für
faserverstärkte
Gewindeelemente bekannt. Es gibt zwei Wege, auf denen ein mit einem Außengewinde
versehenes Element hergestellt werden kann. Eine Möglichkeit
besteht darin, eine geflochtene Textillage, die ein ein Gewinde
bildendes Element enthält,
auf der Oberfläche
eines zylindrischen Kerns anzuordnen und daran zu befestigen. Der
Kern verbleibt vollständig
innerhalb der Textillage. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, eine
Kombination aus Kern und gewindebildendem Element zu verwenden und
eine geflochtene Gewebeschicht auf der Oberfläche dieser Einheit anzuordnen
und darauf zu befestigen. Die Einheit aus kombiniertem Kern und
gewindebildendem Element verbleibt vollständig innerhalb der Gewebeschicht.
Innengewindeelemente werden durch Verwendung eines einstückigen,
mit einem Außengewinde
versehenen Kerns hergestellt, auf dessen Oberfläche eine armierte Gewebeschicht angeordnet
wird. Der Gewindekern wird dann aus dem mit dem Innengewinde versehenen
Element vollständig
entfernt.
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US 5 288 354 A beschreibt
ein Verfahren zum Anbringen selbstschmierender Fasern an einer Außenfläche eines
Trägers.
Der Träger
kann auf einem länglichen
Körper
zusammengebaut sein oder kann direkt auf der Oberfläche des
länglichen
Körpers
ausgebildet sein. Eine Außenfläche des
Trägers wird
dann in eine gewünschte
Form gebracht. Auf der Außenfläche wird
ein Textilgewebe angebracht. In einem späteren Schritt wird der längliche
Körper
aus dem Innern des Trägers
entfernt, der den Dorn darstellt, auf dem der Textilgewebe angeordnet
ist.
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In
einem in 1 dargestellten
Herstellungsprozess von einem Flechtprozess (1) zu einem CVI-Prozess
(3) wird beispielsweise eine Lehre oder ein Dorn aus Kohlenstoff
oder dgl. dazu verwendet, einen Gewebe 1 in einem Umfang
zu formen, und anschließend
wird die CVI-Behandlung
ausgeführt.
Da in dem Spalt des Gewebes 1 durch die CVI-Behandlung
eine Matrix ausgebildet wird und eine Form gehalten wird, wird in
dieser Stufe der Dorn gelöst,
und anschließend
werden eine PIP-Behandlung (4) und eine spanabhebende Bearbeitung
(5) in konventioneller Art ausgeführt. Außerdem wird beim Flechtvorgang,
wie schematisch in 2 gezeigt,
beispielsweise ein Flechtband verwendet, in dem ein geflochtener
Faden alternierend oder schräg
in einen Mittelfaden eingewebt ist.
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Jedoch
ist ein keramisches Matrix-Kompositelement 2 das der CVI-Behandlung
und PIP-Behandlung nach dem Flechtvorgang (z.B. Flechtweben) unterworfen
wurde, in der Oberfläche
stark konkav/konvex, und es besteht das Problem, dass eine Zerspanungsbasis
nicht eingerichtet werden kann. Speziell da das Konkave/Konvexe
der Oberfläche
eines halbfertigen Produkts (keramisches Matrix-Kompositelement 2)
groß ist,
wie schematisch in 3 gezeigt,
kann ein Zerspanungsbezugspunkt/Bezugsoberfläche nicht genau definiert werden,
und beispielsweise wird durch Bestimmen einer axialen Mitte derart,
dass die Drehabweichung um die Z-Z-Achse von 3 minimiert
wird, und weiter durch Bestimmen beispielsweise einer Minimumdurchmesserposition
in dieser Situation, wird die Position als eine Positionierbasis
einer axialen Richtung vorgegeben. Bei einem solchen Verfahren ist
es daher unmöglich,
die axiale Mitte oder die Bezugsfläche der axialen Richtung hochgenau
zu bestimmen, und als Folge werden ein Fehler einer Schnittstelle
der axialen Richtung, eine Ungleichförmigkeit einer Produktplattendicke
durch Zerspanung bei einseitiger Berührung (Schnitt armierter Faser)
und andere Zerspanungsgenauigkeitsfehler verursacht.
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Um
das Problem zu lösen,
ist es weiterhin vorteilhaft, den Dorn selbst beim Zerspanungsvorgang
anzubringen, jedoch haftet in diesem Falle das Produkt am Dorn durch
die Matrix bei der CVI- oder PIP-Behandlung, und es wird schwierig
oder unmöglich,
das Produkt zu lösen,
und es besteht daher das Problem, dass die Produktbruchrate zunimmt
und die Produktausbeute merklich abfällt.
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ÜBERSICHT ÜBER DIE
ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung ist zur Lösung
des Problems entwickelt worden. Insbesondere ist es eine Aufgabe
der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum
Herstellen eines faserarmierten Kompositelements anzugeben, bei
dem Zerspanungsbasen (axiale Mitte und Bezugsfläche) beim Zerspanen genau angegeben
werden können, ohne
dass die Möglichkeit
eines Anhaltens an einem Dort und eines sich dadurch ergebenden
Bruchs besteht, so dass die Zerspanungsgenauigkeit und die Ausbeute
an Endprodukt in großem
Umfang verbessert werden können.
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Diese
Aufgabe wird durch ein Herstellungsverfahren mit den Merkmalen von
Anspruch 1 und durch eine Herstellungsvorrichtung mit den Merkmalen
von Anspruch 4 gelöst.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform wird
der verbliebene Teil des Dorns, der mit dem Gewebe integral ist,
als eine Bezugsfläche
zur Ausführung
der spanabhebenden Bearbeitung verwendet. Darüber hinaus wird der Gewebe
so geformt, dass er länger
als eine Produktabmessung ist.
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Da
gemäß dem Verfahren
der vorliegenden Erfindung ein Teil des Dorns als integral mit dem
Gewebe verbleibt und der Dorn gelöst wird, kann ein Produkt,
das den verbliebenen Dorn nicht berührt, ausreichend mit der Matrix
infiltriert und in gleicher Weise wie im Stand der Technik gebildet
werden. Da weiterhin ein Teil des Dorns in einem halbfertigen Produkt
nach der Matrixinfiltrationsbehandlung verbleibt (faserarmiertes
Kompositelement), kann durch Verwendung des Teils des Dorns als
die Zerspanungsbasis (axiales Zentrum und Bezugsfläche) bei der
spanabhebenden Bearbeitung eine axiale Richtungsposition und ein
axiales Zentrum, die auf dem Dorn bestimmt sind, konstant gehalten
werden. Durch Einstellung der Bezugsfläche zuvor als eine glatte Oberfläche kann
selbst bei starker Konkavität/Konvexität der Oberfläche des
halbfertigen Produkts die Zerspanungsbasis genau angegeben werden,
und eine Ungleichförmigkeit
einer spanabhebend bearbeiteten Plattendicke kann vermieden werden,
die Gestaltgenauigkeit ist verbessert und eine weitere Verschlechterung
der Festigkeit durch Faserschnitt kann verhindert werden.
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Gemäß der bevorzugten
Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung hat ein Abschnitt des Dorns, der aus der
Produktabmessung des faserarmierten Kompositelements vorsteht, einen
Abschnitt, dessen Durchmesser zu einem Ende zunimmt, und der im
Durchmesser zunehmende Abschnitt kann in einen ringförmigen Abschnitt,
dessen Durchmesser größer als
ein Außendurchmesser
einer Produktentabschnittsabmessung ist, und in einen in einer Einrichtung
verbliebenen Abschnitt unterteilt werden.
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Durch
die Einrichtung verbleibt der ringförmige Abschnitt mit einem Durchmesser,
der größer als der
Außendurchmesser
des Produktdimensionsendabschnitts ist, integral mit dem Gewebe,
und der übrige
Abschnitt kann entfernt werden.
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Darüber hinaus
ist es vorteilhaft, eine Nut oder einen Vorsprung auszubilden, der
mit dem Gewebe auf der Oberfläche
des ringförmigen
Abschnitts so ineinandergreift, dass wenn der Teil des Dorns, der
den Produktabschnitt bildet, entfernt wird, der als mit dem Gewebe
integral verbliebene Dorn sich an dem Gewebe nicht bewegt. Durch
diese Einrichtung wird die Verbindung/Integration des ringförmigen Abschnitts
mit dem faserarmierten Kompositelement verstärkt, und eine Verstellung des
ringförmigen
Abschnitts während
des Entfernens des Dorns kann verhindert werden.
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Andere
Aufgaben und vorteilhafte Merkmale der vorliegenden Erfindung gehen
aus der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die begleitenden
Zeichnungen hervor.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 ist eine schematische
Ansicht eines CMC-Herstellungsverfahrens, bei dem die vorliegende
Erfindung angewendet wird.
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2 ist eine schematische
Ansicht eines Flechtgewebes.
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3 ist eine schematische
Ansicht einer Zerspanungsbasis in einem konventionellen Herstellungsverfahren.
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4 ist eine schematische
Ansicht eines Dorns, der eine Herstellungsvorrichtung der vorliegenden
Erfindung bildet.
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5A und 5B sind schematische Ansichten des Herstellungsverfahrens,
bei dem ein Dorn 10 von 4 verwendet
wird.
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6 ist ein Präzisionsvergleichsdiagramm gemäß einer
Ausführungsform
des Verfahrens der vorliegenden Erfindung.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Eine
bevorzugte Ausführungsform
wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.
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4 ist eine schematische
Ansicht eines Dorns, der eine Herstellungsvorrichtung der vorliegenden
Erfindung bildet. Wie in 1 gezeigt,
wird in einem Verfahren und einer Vorrichtung zum Herstellen eines
faserarmierten Kompositelements der vorliegenden Erfindung nach
dem Ausbilden eines Gewebes 1 auf der Oberfläche eines
Dorns 10 und dem Ausführen
einer CVI-Behandlung
zur Bildung einer SiC-Matrixschicht auf der Oberfläche des
gebildeten Gewebes 1 eine PIP-Behandlung ausgeführt, um
einen Spalt der Matrixschicht mit einem organischen Siliziumpolymer
als ein Basismaterial zu infiltrieren und eine Kalzinierung durchzuführen.
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Im
Herstellungsverfahren und der Herstellungsvorrichtung der vorliegenden
Erfindung, wie in 4 gezeigt,
hat der Dorn 10 eine Teilungsstruktur, gebildet von einer
Kombination von Bezugssegmenten 12a, 12b, die
mit Bezugsflächen 11a, 11b versehen
sind, und aus anderen Formsegmenten 14a, 14b.
Speziell bei diesem Beispiel sind die Formsegmente 14a, 14b an
einem kleinsten Abschnitt 14c eines Produktabschnitts unterteilt
und sind integral von einem Verbindungsstab 16 zusammengehalten,
der durch einen Mittenabschnitt verläuft, und durch Muttern 17,
die auf beide Enden des Stabes geschraubt sind.
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Weiterhin
ist die Stirnfläche 11a einer
axialen Richtung der Bezugssegmente 12a, 12b so
ausgebildet, dass sie vertikal zu einer Axiallinie Z-Z eines Produktes
ist, und bildet eine Bezugsfläche
eines axialen Zentrums bei der spanabhebenden Bearbeitung, wie später beschrieben.
Weiterhin ist die Innenfläche 11b der
Bezugsflächen 12a, 12b eine
zylindrische Fläche,
die mit der Axiallinie Z-Z koaxial ist, und sie bildet eine Bezugsfläche der
axialen Mitte während
der spanabhebenden Bearbeitung.
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Die
Bezugssegmente 12a, 12b sind miteinander derart
verbunden, dass außerhalb
eines zylindrischen Abschnitts, der in den Formsegmenten 14a, 14b ausgebildet
ist, wenig Spalt vorhanden ist.
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Die 5A und 5B sind schematische Ansichten eines
Herstellungsverfahrens, bei dem der Dorn 10 von 4 verwendet wird. In der
Zeichnung zeigt 5A ein
Verfahren zum Ausbilden des Gewebes 1 auf der Oberfläche des
Dorns 10 bis zu einem Verfahren zur Ausführung der
CVI-Behandlung, um weiter die SiC-Matrixschicht auf der Oberfläche des
geformten Gewebes 1 auszubilden. Darüber hinaus zeigt 5B eine nachfolgende Situation,
in der die Bezugssegmente 12a, 12b als integral
mit dem Gewebe 1 verbleiben und die Formsegmente 14a, 14b vor
der PIP-Behandlung entfernt sind. Eine spanabhebende Bearbeitung
kann in jeder Stufe des CVI-, PIP-Prozesses ausgeführt werden.
Außerdem kann
das Entfernen der Formsegmente 14a, 14b nach oder
während
der Ausführung
der CVI-Behandlung durchgeführt
werden.
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Wie
in 5A gezeigt, werden
die Verbindungsabschnitte 2a, 2b mit einem Durchmesser
größer als
dem des Produktabschnitts außerhalb
des Produktabschnitts eines keramischen Matrix-Kompositelements 2 vorbereitet,
die Verbindungsabschnitte können
den Bezugssegmenten 12a, 12b des Dorns 10 verbunden
werden.
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Weiterhin
sind die Bezugssegmente 12a, 12b mit einem Durchgangsloch 13 versehen
(entsprechend der inneren Oberfläche 11b der
Bezugssegmente 12a, 12b in diesem Beispiel), das
kon- zentrisch mit dem Produktabschnitt ist und einen größeren Durchmesser
als der Produktabschnitt hat, und die Formsegmente 14a, 14b zur
Ausbildung des Produktabschnitts können so ausgebildet sein, dass sie
durch dieses Durchgangsloch gelöst
werden.
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Weiterhin
kann, wie in den 4, 5A und 5B gezeigt, die Oberfläche der
Bezugssegmente 12a, 12b mit Nuten 15a, 15b und
einen Vorsprung versehen sein, um die Verbindungsfestigkeit mit
dem Gewebe 1 zu verbessern. Bezüglich der Nuten 15a, 15b ist
in diesem Beispiel nur eine Nut in einer Umfangsrichtung vorgesehen.
Durch Anordnen mehrerer Nuten können
jedoch Fasern (z.B. ein Flechtgarn) des Gewebes 1 in diese
Nut verbunden werden, um die Verbindung/Integration der Bezugssegmente 12a, 12b dieses
Abschnitts mit dem keramischen Matrix-Kompositelement 2 zu verstärken. Außerdem kann
durch vorangehende Beschichtung der Oberfläche der Bezugssegmente 12a, 12b mit
einem Klebstoff (z.B. einer Polymerlösung in der PIP-Behandlung)
auf die Nuten 15a, 15b und den Vorsprung verzichtet
werden.
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Bei
dem Verfahren der vorliegenden Erfindung hat der Dorn 10 mit
dem auf seiner Oberfläche ausgebildeten
Gewebe 1 die unterteilte Struktur, die durch die Kombination
der mit den Bezugsflächen 11a, 11b versehenen
Bezugssegmente 12a, 12b und die anderen Formsegmente 14a, 14b gebildet
ist. Bevor das Gewebe 1 am Dorn 10 durch Matrixfiltration haftet,
verbleiben die Bezugssegmente 12a, 12b als integral
mit dem Gewebe 1, und die Normsegmente werden entfernt.
Der Produktabschnitt, der das Bezugssegment nicht berührt, kann
daher ausreichend der Matrixbehandlung vergleichbar dem Stand der Technik
unterworfen werden.
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Da
die Bezugssegmente 12a, 12b in dem halbfertigen
Produkt (Matrix-Kompositelement 2) während der spanabhebenden Bearbeitung
verbleiben, kann durch Verwendung der Bezugsflä chen 11a, 11b der
Bezugssegmente als Zerspanungsbasen (axiale Mitte und Bezugsfläche) die
axiale Richtungsposition und die axiale Mitte, die auf dem Dorn bestimmt
werden, außerdem
konstant gehalten werden. Durch vorangehende Bestimmung der Bezugsfläche als
eine glatte Oberfläche
selbst bei großer Konkavität/Konvexität der Oberfläche des
halbfertigen Produkts können
daher die Basen für
die spanabhebende Bearbeitung korrekt vorgegeben werden, eine Ungleichförmigkeit
einer Plattendicke nach spanabhebender Bearbeitung kann beseitigt
werden, die Gestaltpräzision
wird verbessert und eine weitere Festigkeitsverschlechterung durch
Verschneiden von Fasern kann verhindert werden.
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6 ist ein Präzisionsvergleichsdiagramm gemäß einer
Ausführungsform
des Verfahrens der vorliegenden Erfindung. In 6 gibt die Abszisse die axiale Richtungsposition
einer hergestellten Schubkammer an, die Ordinate gibt Toleranzen
der Plattendicke und Gestalt an.
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In
dieser Zeichnung sind die Plattendickentoleranz und die Gestalttoleranz
gemäß dem konventionellen
Verfahren im Wesentlichen in einem Bereich von ±0,5mm oder mehr verteilt,
und sie erreichen ein Ziel von ±0,25mm oder weniger nicht.
Andererseits liegen die Plattendickentoleranz und die Gestalttoleranz
gemäß dem Verfahren
der vorliegenden Erfindung im Wesentlich innerhalb des Ziels von ±0,25mm oder
weniger.
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Wie
oben beschrieben, können
bei dem Herstellungsverfahren und der Vorrichtung der vorliegenden
Erfindung die Basen für
die spanabhebende Bearbeitung (axiale Mitte und Bezugsfläche) während der
spanabhebenden Bearbeitung genau angegeben werden, ohne die Möglichkeit
der Anhaftung am Dorn und dem daraus folgenden Bruch, so dass die
Genauigkeit der spanabhebenden Bearbeitung und die Ausbeute am Endprodukt
stark verbessert werden können,
und es ergeben sich weitere verbesserte Wirkungen.
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Außerdem ist
die vorliegende Erfindung nicht auf die vorgenannte Ausführungsform
beschränkt und
kann selbstverständlich
vielfach modifiziert werden, ohne vom Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
Beispielsweise ist in der obigen Beschreibung die Schubkammer oder
ein anderes drehendes Element als Produkt im Detail beschrieben worden,
jedoch ist die vorliegende Erfindung hierauf nicht beschränkt, und
sie kann auch an einer Kraftstoffleitung beliebiger Gestalt, Turbinenschaufel, Brenner,
Nachbrennerkomponente und dgl. angewendet werden.