JP2005040863A - 精密鍛造部品を製造する方法 - Google Patents

Abstract

【課題】仕上げのコストを軽減し、異なるスタンピングダイで鍛造されても厳密に同一の部品を得ることのできる、精密鍛造部品を製造する方法を提供する。
【解決手段】第一の鍛造工具装置２０、３０の製造および改良と、所定の余剰厚を有する部品の、工具装置による鍛造と、部品の仕上げ処理とを含む。この方法は、第一の工具装置の表面のデジタルモデルの実現と、部品の鍛造と、所定数の部品の鍛造後における、工具装置の修復、またはデジタルモデルからの新しい工具装置の製造とを更に含むことを特徴とする。特に、部品は、鍛造の後で直接、機械研磨を含む仕上げ処理を受ける。上記処理は。この方法は、ターボ機械のためのブレードの鍛造に適用される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、金属部品の精密鍛造、特に、ターボ機械用の大寸法ブレードのように複雑で微妙な形状を持つ部品の精密鍛造の分野に関する。

金属部品の製造において、これらが使用中にかなりの負荷を吸収しなければならない場合、鍛造技術が好ましくは実施される。これは、内部負荷が、特に振動および遠心力によって発生する、圧縮機ブレードまたはターボジェットエンジン送風機のような場合である。

鍛造は、衝撃を与えるか、または圧力をかけることにより、金属の塊を塑性変形することから成る。プロセスは、一般的にいくつかのステップから構成され、徐々に完成部品に近づいていく順次のブランクを形成する。必要な場合、部品の鍛造は、より正確な形状へ導く較正段階により完成される。

例えばチタンから形成される圧縮機ブレードにおいては、操作モードが、バーからの、すえ込み（アップセット）、押出しおよびスタンピングの各ステップを含む。

すえ込み段階の前に、メタルバーはうわぐすり塗布（エナメル塗布）作業を経ることにより準備される。これは、工具装置への物質の流れを容易にすることを目的とした、ガラス系コーティングである。これはまた、炉からプレスへの移動中に温度を維持しながら、および、部品が工具装置に接触する場合のいかなる熱衝撃も防ぎながら、断熱としても働く。その機能はまた、部品を酸化から保護することにもある。好ましい実施形態によるとコーティングは、炉に入れる前に部品に静電気式にスプレーされる。

並行して、両方のシェルまたはすえ込み工具の内面は、潤滑剤が施される。すえ込み段階は、良好な延性を確保する温度まで上昇されたバーの端部を、両方のシェルにより形成されるキャビティの内部へ向ってポンチにより押すことから成る。部品の形状が要求すれば、すえ込みは、適切な工具によるいくつかの順次のステップにおいて実施される。例えば、このプロセスは、圧縮機ブレードの脚部のみならず、必要であればフィンを形成するのにも適切かもしれない。

すえ込みステップそれぞれの間において、発生したスケールのみならず、ひずんだエナメルコーティングは、新しいエナメルのコーティングを形成する前に適切な浴を使用して除去されなければならない。

送風機ブレードではなく、例えば圧縮機ブレード用の部品のタイプにより、すえ込みの前に押出しステップが行われる。このようなステップは、実行されるべき部品にその形状が対応するダイを介して金属片を延伸することから成る。

いったん部品がこのように荒押しされると、スタンピングダイにより所与の形状に鍛造される。

この機械的鍛造作業は、衝撃を与えるかまたは圧力を加えることにより、得ようとする部品の形状に対応するスタンピングダイに彫られた型形状（プリント）を埋めるように、そのブランクを押し込み、部品を精巧に作り上げることから成る。その降伏応力が温度に大きく依存するチタンの場合、鍛造は、その機械的特性を変更する材料の構造的進化により課せられる或る限度まで、高温条件下で実施される。

圧縮機ブレードまたは送風機ブレードのため、既知の成形作業は次の二つのスタンピング作業を含む。

脚および必要であればフィンを前もって形成し、バーを丸い形状から平らな形状にすることによりブレードを圧潰し始める、既定スタンピング。

物質の変位により鍛造サイクルを完成し、機械加工の前にその最終幾何学形状に可能な限り近い部品をもたらす、仕上げスタンピング作業。

スタンピング作業は、そのスタンピングダイが予加熱されている、液圧プレスかまたはねじプレスで実行される。このような条件下において、工具装置の温度が部品のそれと異なるので、部品とスタンピングダイとの間の熱伝導による、部品の急激な冷却およびスタンピングダイの過度の加熱を回避するため、鍛造時間は相対的に短い。その上、部品と接触することによりかかる高いレベルの応力の理由により、物質の容易な流れのために部品の冷却プロセスの速度を落とし、鍛造負荷を軽減するために、スタンピングダイの型彫に潤滑剤付与される。

いったん部品が鍛造されると、機械加工され、最終的な寸法に研磨される。このような作業は、鍛造の後に残る余剰厚のため、必要になる。事実、スタンピングダイの型彫は部品の余剰厚を維持するように決定される。鍛造の後、機械加工および研磨により、完成部品に精密な形状および所望の表面状態を与えることが可能になる。

チタンから作られる部品において、特に研磨は重要な作業である。その目的は、鍛造作業の結果として生じ、また進展するクラックを起こしやすい、欠陥を除去することである。

本発明は、先ず第一に、上で述べたスタンピングダイおよびシェルである、工具装置の改良に関するものである。事実、この技術の全体的経済にとって負の貢献をしている、これらの作業を改善する必要性がある。

従来方法によると、連続的な修正作業が強制的であるので、工具装置を実現するために必要とされる時間は、かなり長い。

事実、スタンピングダイの型形状は、得ようとする未加工鍛造部品の形状および寸法を必ずしも厳密に有するわけではない。鍛造サイクル中の工具装置の弾性−塑性変形を補償する「補正条件」だけ、型形状はそれから違っているずれている。このような補正条件を厳密にどのようにして予測するかは分かっておらず、従って、得られる試験片で行われる測定に対して更にスタンピングダイを修正することが必要である。所謂「精密（プレシジョン）」鍛造では、余剰厚は小さく、例えば０．８ｍｍであり、完成部品は、研削ベルトを使用して未加工部品を研磨することにより得られるか、または必要であれば、特に部品がチタンで作られている場合、化学的加工および研削ベルトによる研磨の組み合わせにより得られる。これは、ブレードの翼形部品のような場合である。

部品の鍛造試験と組み合わせられて多数の修正操作を必要とするので、精密鍛造スタンピングダイを改良することは、結果として、時間が長くコストのかかるプロセスである。

プレス上の工具装置の加熱ステップおよび組立てステップのたびの鍛造試験、僅かな部品の実現、これらの部品の較正および管理（コントロール）を必要とするので、修正を迅速に実施することができない。その上、試験部品は通常使用に適さず、ほとんどの場合これらは無駄である。試験および修正作業の間、プレス、スタンピングダイ運搬ベルト、制御装置、のような手段は、製造に利用できないことを留意されたい。

更に、この従来方法によると、二つの同じ工具装置の部品を得ることは、スタンピングダイまたはシェルの何れにせよ、実際的に不可能であることも留意されたい。

工具装置の規定におけるこの精度不足は、上記工具装置によって製造された製品における均一性の欠如として現れる。

いったんスタンピングが調整されると、換言すれば、得られた未加工鍛造試験部品が要求された形状および寸法を有していれば、このようなスタンピングダイは一連の部品を製造するために利用することができる。スタンピングダイは作業において徐々に劣化し、例えば場合により１０００から５，０００個の部品の後、スタンピングダイを修復するか、または別のダイを使用することが必要になる。

劣化したスタンピングダイの修復は、第一の方法によると、物質が引きはがされた領域を再充填し、新しい型形状を機械加工および研磨することから成る。第二の方法によると、窒化層を除去し数ミリメートルの物質の厚さを取り除いた後、機械加工することにより、型形状が完全に復元される。この技術は、再洗浄と呼ばれる。スタンピングダイの修復または新しいスタンピングダイの製造は、初期のスタンピングダイと同じ調整を必要とする。これらもまた結果として長い時間とコストがかかる。

五または六軸型機械装置の研削ベルト研磨による仕上げは、ブレード翼のような複雑形状の部品によく適している。例えばフライス削りによる機械加工作業と異なり、研削ベルト仕上げは予め確定された物質の厚さを通過するたびに取り除き、この厚さは、研削ベルトの速度とベルトにより部品上に及ぼされる圧力と共に増加し、部品に関するベルトの前方への速度と共に減少する。研削ベルトの通過の後の部品の形状および寸法は、従って、上記通過の前の部品の形状および寸法に直接依存する。

このことは、スタンピングダイから製造される第一の部品が全て同一なので、それらに対し、何の問題も引き起こさない。しかしながら、鍛造が続けられるとスタンピングダイの劣化が認められる（摩損、塑性変形等）。

定期的な検査目的のために部品はサンプリングされる。部品の寸法が、規定された劣化閾値に達すると、工具装置は修復されるか、または新しい工具装置が製作される。新しいスタンピングダイまたは修復されたスタンピングダイにより得られる部品は、第一のスタンピングダイにより得られた部品と厳密に同一であるように、測定により分離されたいくつかの仕上げ通過を必要としてよい。結果としての類似性は、ターボジェットエンジンのロータ段におけるブレード組の場合、特に重要である。

解決されるべき問題は、仕上げコストを軽減し、異なるスタンピングダイで鍛造されても厳密に同一の部品を得ることである。これはまた、精密鍛造の場合にプロセスの確認のための重要な判定基準である仕様に合わないという理由で、部品を無駄にすることを回避することから成る。

本発明によるとこの課題は、
第一の鍛造工具装置の製造および改良と、
所定の余剰厚を有する部品の、前記工具装置による鍛造と、
部品の仕上げ処理とを含む、精密鍛造部品を製造する方法により解決される。

この方法は、次のステップ、すなわち、
第一の工具装置の表面のデジタルモデルの実現と、
部品の鍛造と、
所定数の部品の鍛造後における、工具装置の修復、またはデジタルモデルからの新しい工具装置の製造とを更に含むことを特徴とする。

有利には、部品は、鍛造の後、直接、仕上げ処理を受け、該処理が機械的研磨を含む。

特に部品がチタンで作られる場合、仕上げ処理が機械研磨および化学的加工の組み合わせを含む。

化学的加工は、チタン合金の化学的分解から成る。物質の除去は部品を浸す時間により調節される。

本発明による方法は、次の点において優れている。

ａ）第一のスタンピングダイは、特に、単一の通過での機械研磨および／または化学的加工作業により、または少なくとも著しい手動修正作業に頼ることなく、取り除かれやすい余剰厚を未加工鍛造部品が有するように、調整される。

ｂ）第一のスタンピングダイが調整される場合、型形状の表面上の所定数のポイント位置が、デジタル式に取得され、該表面のモデルがデジタル化される。

ｃ）新しく交換されたスタンピングダイが、その型形状のデジタルモデルが第一のスタンピングダイの型形状のデジタルモデルと同一であるように、仕上げ機械加工作業を含んでいる場合の製造。

好ましくは、研磨は、研削ベルトのおかげでオートメーション化される。有利には、研削ベルトを駆動する接触ホイールシステムを示す機械が使用される。このタイプの機械は、加工されるべき部品に関するホイールの相対変位速度と同様、部品上の接触ホイールにより及ぼされる負荷や、接触ホイール上のベルトの走行速度のような、単純な機械的パラメータに基づき、要求された除去値および表面状態の制御を可能にするのが有利である。

この方法は、取り除かれる余剰厚を克服し、鍛造後のかなりの数の連続仕上げステップを軽減することができる。このような修正作業を全く使用しないのはもちろんのこと、最小限の手動修正作業だけで、部品の仕上げ表面状態及び幾何学形状が確保される。

別の特徴および利点は、図面を参照した本発明方法の以下の説明の中で表される。

図１および図２に示されるように、本発明の鍛造方法に関係する工具装置は、それがブレード鍛造スタンピングダイ２０かまたはすえ込みシェル３０を含むかどうかに関わらず、
大きく湾曲した、反ってねじられた領域、
ほとんど湾曲していない領域、
例えば底部における幅２０ｍｍで深さ１００ｍｍの、深くて狭い領域、
表面部分間の、平面、円筒、円錐、およびアールから構成される領域、および
工具装置の両側間の高さにおけるかなりの変化、によって形づけられた複合体である。

スタンピングダイは、特に型形状の磨耗および塑性変形により、徐々に劣化する。劣化の程度が予め確定された閾値に達し、工具装置を新しくする必要があるとみなされる場合、前記装置は修復されるか、または以前調整された工具装置に保存された情報に基づいて、新しい工具装置が製造される。従って、方法の継続性が確保される。

第一の工具装置が最終の寸法に調整された後、このような工具装置のデジタルモデルが実現される。工具表面のこのデジタルモデルの実施手段は、それ自体既知であり、市場にて入手可能である。

産業においてもっとも頻繁に使用される品目は、三次元測定機（ＭＭＴ）で見つけることができる接触センサである。それらの端部の球形状のため、このようなセンサは、半径修正計算を受けるべき結果を提供する。

無接触センサのうち、最新のものは、一つもしくは複数のレーザー源を有する光学技術かまたはレーザー無しの光学技術に基づくものである。両方とも、三角法、より詳細には三角測量に基づいた測定原理を使用する。

レーザー源を使った技術の場合、コヒーレント光源、一般的にはレーザー光線により部品が照射され、一つまたは複数のＣＣＤ（電荷結合素子）タイプのカメラが、普通は放射角度とは異なる角度からの状態を観察する。カメラの較正段階の後、対象物のポイント座標は、カメラのＣＣＤ配列上におけるその映像のポイント座標から推論される。

レーザー無しの技術の場合、原理は、部品上への規則格子の投影、縞網（フリンジネットワーク）、続いて三角測量による対象物の表面ポイントの計算に基づく。

いったんセンサが選択されると、次のことから成る３Ｄデジタル化計画、すなわち
アクセスされる部品の全ての表面のデジタルモデルの実現を可能にする、一つまたは複数のセンサの一つまたは複数の位置を見出すこと、
その結果から、急速なプロトタイピング、表面の復元または視覚化のような、実施されるべき仕事に応じたポイントの群（雲）の密度を選ぶ、ことから成る３Ｄデジタル化計画を定義しなければならない。

全ての鍛造工具装置において、例えば、約０．０２ｍｍの精密度の取得が必要とされる。

必要な場合、表面の或る部分の幾何学的形状の複雑さに従って、表面の幾何学形状が復元段階の後に続く。このような作業は同業者に既知のデータプロセッシング手段により実行されて良い。

第一に、デジタル化により得られるポイントの群が収集される。ポイントの群の品質により、フィルターをそこに適用することが必要であり、その目的は、異常ポイントや測定の誤りなどを除去しながら、多数の小さな局所的変動を減ずることである。

加工されたこの群に基づいて、復元が実施される。すなわち、
基準領域（平面、円筒、球）において、形状が自動的に復元される。

それに失敗すると、その境界により輪郭が描かれるポイントの選択を「せいぜい」カバーする表面が復元される。後者は既に復元された要素の境界でよく、理論上の要素であるポイントの群上に描かれて湾曲している。各方形の復元完了後、ソフトウェアは復元された表面についての分析を可能にする（最大偏倚、二つの隣接した方形の境界間の最大距離など）。この分析はオペレータが復元パラメータ（数学的定義パラメータ、表面張力、境界湾曲・・・）を修正するのを可能にする。

デジタルモデルが実施される場合、製造計画を生み出すためにＣＡＭ環境へ移入されるようにＣＡＤファイルフォーマットで保存され、次いで工作機械、例えばＵＨＳ高速タイプの工作機械にデジタルプログラムされる。

このプログラムは、新しい工具装置、スタンピングダイの製造のために使用され、それらは、完全な最初の工具装置と厳密に同一である。

「再洗浄された」または新しい工具装置の場合、完全な工具装置のＣＡＤモデルと、製造された工具装置のデジタル化から導かれるポイントの群との間の比較により、検証が行われる。

六軸タイプの研磨機による摩滅（アブレージョン）鍛造の後の仕上げ方法が以下に説明される。

部品の幾何学形状は、多次元タイプの技術により制御され、厚さおよび幾何学的形状は、粘着テープを使用するウィークポイントマスキングと化学的加工との組み合わせにより、ブレード全体にわたって再度つり合いがとられる。

次いで、物質の余剰厚が取り除かれ、定義された平面上に要求されるブレードの最終表面状態が、六軸研磨機のオートメーション化された研磨により得られる。六軸タイプの流通機械を示す図３による方法を下に説明する。

機械は、部品支持部２を有するフレーム１と、例えば機械的または液圧式フランジ装置によりその主軸に沿って水平に保持される圧縮機ブレードとを含む。第一のモータ４はその主軸の周りの部品の回転位置（回転軸Ｕ）を確保する。第二のモータ６は並進運動軸（ｘ）に沿って部品の支持部の移動を確保する。第三のモータ８は、接触ホイール１０に取り付けられ、ローラのシステムにより張り渡された研削ベルトを駆動する。

ホイール１０の回転軸は更に、第一の軸ｘに直交する両軸（ｙおよびｚ）に並行移動に関して位置決めされ、それらに関連する両回転軸ＶおよびＷに沿って回転に関して位置決めされる。

ホイールの接触表面は、部品の表面に対して接線位置に絶えず維持される。

実施形態によると、外径１２０ｍｍで幅２５ｍｍのホイールが使用される。表面には、そのショア硬さが６５である十分に硬いコーティングに溝が備えられる。

研磨作業は、軸ｘに沿って部品を移動してこの部品をその軸の周りに回転することから成る。ホイールは、部品の表面に接線接触して常に保持される。ホイールは、シリンダにより及ぼされる圧力によって決定される圧力、並びに、ホイールに対する部品の送込みを考慮して制御された量の物質を取り除くために決定されるベルト速度を受ける。

いったん部品が研磨機から出ると、幾何学的形状要件および表面状態要件を満たすブレードに脚、必要であればフィンを機械加工する準備ができる。

スタンピングダイを表す図である。 すえ込みシェルを表す図である。 ベルト研磨機を表す図である。

符号の説明

１ フレーム
２ 部品支持部
４ 第一のモータ
６ 第二のモータ
８ 第三のモータ
１０ 接触ホイール
２０ ブレード鍛造スタンピングダイ
３０ すえ込みシェル
Ｕ、Ｖ、Ｗ 回転軸
ｘ 並進運動軸
ｙ、ｚ 軸

Claims (10)

1. 第一の鍛造工具装置（２０、３０）の製造および改良と、
   所定の余剰厚を有する部品の、前記工具装置による鍛造と、
   部品の仕上げ処理と
   を含む、精密鍛造部品を製造する方法であって、
   該方法がまた、
   第一の工具装置（２０、３０）の表面のデジタルモデルの実現と、
   部品の鍛造と、
   所定数の部品の鍛造後における、工具装置の修復、またはデジタルモデルからの新しい工具装置（２０、３０）の製造と
   を含むことを特徴とする、精密鍛造部品を製造する方法。
2. 部品は、鍛造の後、直接、仕上げ処理を受け、該処理が機械的研磨を含む、請求項１に記載の方法。
3. 仕上げ処理が化学的加工を含む、請求項１に記載の方法。
4. 鍛造部品は、新しい工具装置（２０、３０）がいつ修復または製造されるべきかを決定するように管理されている、請求項１に記載の方法。
5. 製造された工具装置（２０、３０）の調整が、
   ａ．製造された工具装置の表面における所定数のポイント位置のデジタル取得と、
   ｂ．ポイント位置とデジタルモデルとの比較と、
   ｃ．工具装置の表面の可能な修正と
   を含む、請求項１から４のいずれか一項に記載の方法。
6. 表面のポイントが、無接触光学測定により取得される、請求項５に記載の方法。
7. ポイントが、機械的手段を使用してデジタル式に取得される、請求項５に記載の方法。
8. 摩削による部品の前記余剰厚の除去が、続いて行われる、請求項１から７のいずれか一項に記載の方法。
9. 余剰厚の表面に対して押圧されるホイールに取り付けられたベルトを使用して、摩削が実施される、請求項１から８のいずれか一項に記載の方法。
10. 除去される物質の量が、機械のパラメータ、すなわち、表面に対するホイールの圧力、ベルトの前方への速度、およびホイールの移動速度、を選択することによって決定される、請求項１から９のいずれか一項に記載の方法。

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