JP2005313321A - 物品を形成する方法および鍛造部品 - Google Patents

Abstract

【課題】 単一の鍛造物を要する部品の鍛造方法を提供する。
【解決手段】 ブレードを形成する方法は、負圧側（２１）と、正圧側（２３）と、負圧側と正圧側との間の、犠牲となる材料部分よりも大きい分割用材料部分（２５）と、を有する部品（１０）を鍛造するステップと、分割用材料部分（２５）を通して部品を分割して負圧側内面および正圧側内面（３３）を形成するステップと、負圧側内面と正圧側内面（３３）とを接合してブレードを形成するステップと、を含む。
【選択図】 図１

Description

本発明は単一の鍛造物を要する、ガスタービンエンジンの中空ファンブレードなどの部品を鍛造する方法に関する。

現在、ガスタービンエンジン用として、通常はチタン製の中空ファンブレードを製造することが行われている。このようなファンブレードは中空であることが好ましい。ファンブレードを中空に作ることによってファンブレードの重量を実質的に低減することができ、その結果著しい効率向上が得られる。通常は中空のファンブレードの各半部が別々に鍛造される。一方の半部は正圧側に、他方の半部は負圧側に対応する。各々の半部は鍛造後に実質的な機械加工を受けてエアフォイルの外形、エアフォイルのルートブロック、孔などの基準特徴部、中空の空洞部、および拡散接合面が作り出される。前述のようにこの作業は正圧側と負圧側の両方について、各々の過大寸法のパンケーキ鍛造物に対して行われる。次いで負圧側と正圧側が一体に拡散接合されて単一の中空ファンブレードができ上がる。

タービンブレードの形成に拡散接合を用いることは良く知られている。その一例は特許文献１に見られる。この開示は参考文献として詳細な説明の形で本願に援用される。特許文献１は単一片から二つのブレード半部を切り出し、切断されていない面を互いに向き合わせて拡散接合する特定の事例を開示している。
米国特許第５７１１０６８号明細書

このような工程はエアフォイルの外形およびルートブロックを形成するために長い機械加工時間を要する。加えて、相当量のチタンスクラップが発生する。したがって、より少ない機械加工で済み、かつチタンスクラップの量が低減されるような、中空ファンブレード、特にチタン製ファンブレードの鍛造方法が求められている。

したがって、本発明の目的は単一の鍛造物を要する部品鍛造方法を提供することである。

本発明によればブレードを形成する方法は、負圧側と、正圧側と、負圧側と正圧側との間の犠牲となる材料部分よりも大きい分割用材料部分とを有する部品を鍛造するステップと、分割用材料部分を通して部品を分割して負圧側内面および正圧側内面を形成するステップと、負圧側内面と正圧側内面とを接合してブレードを形成するステップと、を含む。

さらに本発明によれば、鍛造部品は、負圧側と、正圧側と、負圧側と正圧側との間の分割用材料部分とを有し、分割部分の幅は分離損失幅より大きいかまたは等しい。

さらに本発明によれば、部品を形成する方法は、金型を提供するステップと、金型中で負圧側と、正圧側と、負圧側と正圧側との間の分割用材料部分とを有する部品を鍛造するステップとを有し、分割部分の幅は分離損失幅より大きいかまたは等しい。

したがって本発明の教示によって、鍛造後の機械加工の所要量が最小限度であり、したがって発生するチタンスクラップの量が著しく低減されるような、中空ファンブレード、特にチタン製ファンブレードなどの鍛造部品の鍛造方法が提供される。これは分割用材料部分によって分けられた正圧側と負圧側とを含む単一部品を鍛造することによって達成される。分割用材料部分は負圧側と正圧側を切断作業によって分離させるのに必要な量よりもわずかに大きい。切断および分離の後、負圧側および正圧側を特に中空の空洞部を与えるために機械加工し、次いで拡散接合工程によって互いに接合することによって中空部品を製造することができる。

図１を参照すれば、部品１０の構造が図示されている。好ましくはファンブレードを作り出すのに用いられる部品１０は、分割用材料部分２５によって分けられた負圧側２１と正圧側２３とを含む。

鍛造工程は、負圧側２１および正圧側２３の外面形状が、鍛造後の機械加工を殆どあるいは全く要せずに完成された外面を与えるように実施される。通常は、鍛造後の加工で除去される材料の量は平均して０．０３０インチ〜０．１２５インチの範囲である。特にルートブロック２９および拡散接合面特徴部２７は、部品１０をハブに接合可能にするための機械加工に適した、実質的に完成された形状に鍛造される。鍛造を実施する温度および圧力は完成部品に所望される機械的性質によって変わり、当該技術で公知である。具体的には鍛造の温度および圧力は、所望の引っ張り強度および圧縮強度と併せて十分な低サイクルおよび高サイクルの疲労耐性を発揮する完成部品ができるように選択される。

ルートブロック２９は拡散接合後の機械加工による損失を前提とする量の製造材料で形成される。具体的には、ルートブロック２９は完成された形状に鍛造されるのではなく、機械加工されることを前提としている。好ましい実施例においては、ルートブロック２９は部品１０がハブまたは他の受け入れ用部品に把持され、摩擦溶接されることを可能にするような構造になっている。部品１０がハブに摩擦溶接された後、ブロック２９の残りの部分は機械加工で落とされ、負圧側２１と正圧側２３の両面で形成される範囲にわたって滑らかに延びる不要なものが取り除かれたエアフォイルが残る。

前述のように、正圧側２３と負圧側２１との間には分割用材料部分２５がある。図示されるように、分割用材料部分２５は幅ｗを有する。幅ｗは、正圧側２３を負圧側２１から分離する方法によって選択される。好ましくは図２に図示されるように、分割用材料部分２５に沿ってバンドソー３１で切断することによって、正圧側２３が負圧側２１から分離される。別の方法としてはウォータージェットの利用、またはワイヤ放電加工の使用を含むが、これに限定されない。上述の各々の切断法において、切断の結果として切断方向においてほぼ均一な幅の材料が失われる。その結果、分割用材料部分２５の幅ｗは用いられる切断技術の分離損失幅に等しいか、または好ましくはより大きくする必要がある。ここに用いられる「分離損失幅」という用語は、選択された切断方法を用いるときに犠牲となる材料の幅を意味する。好ましい実施例においては、分割用材料部分の幅ｗは分離損失幅より約１０〜２０％広い。

好ましい実施例においては、分割用材料部分２５は実質的に平面状の範囲をなす。このような場合は、実質的に平面状の切断を実現するために、上に挙げた分割用材料部分２５の切断方法をいずれも用いることができる。図４を参照すれば、分割用材料部分２５が平面状の範囲をなしていない本発明の部品１０が図示されている。分割部分２５は負圧側２１および正圧側２３のねじれた外形に実質的に沿っている。このような場合は、分割用材料部分２５の切断が進むにつれて方向が変わるようにワイヤ放電加工をプログラムすることによって、分割部分２５を効果的に除去することが可能である。

好ましくは部品１０はチタンで製造される。しかしながら部品１０は、所望の引っ張り強度および圧縮強度と併せて十分な低サイクルおよび高サイクルの疲労耐性を有する任意の金属材料で形成することができる。このような金属としてチタンベース合金、可鍛合金、アルミニウム、および鋼が挙げられるが、これらに限定されない。

引き続き図１を参照すれば、鍛造後および上述の切断方法を用いる切断後の両方の負圧側２１および正圧側２３が図示されている。切断および分離されたならば、負圧側２１および正圧側２３はいずれも内面３３を有する。次いで内面３３は機械加工されて、図３に図示されるように少なくとも一つの空洞部３１を有するようになる。好ましくは負圧側２１の内面３３に形成された各々の空洞部は、対向する正圧側２３の内面３３に機械加工された関連し相互に一致する空洞部を有する。相互に一致する空洞部とは、負圧側２１と正圧側２３とが整列され、拡散接合工程によって接合されたときに、負圧側２１の内面に位置する空洞部３１が正圧側２３の内面３３に形成された空洞部３１と整列し、かくして接合された部品１０の内部に一つの連続した空洞部が形成されることを意味する。このようにして形成された空洞部は接合後の部品１０の強度および変形耐性に寄与する。

相互に一致する空洞部３１について説明したが、本発明はこれに限定されない。むしろ本発明は冷却用マイクロ回路などの、負圧側２１および正圧側２３の内面に形成される任意かつ全ての空洞部を包含する。

引き続き図３を参照すれば、鍛造および分離の後に少なくとも二つの整列用孔５１が、ドリル加工またはその他の機械加工によって、負圧側２１および正圧側２３を貫通して設けられている。整列用孔５１は負圧側２１および正圧側２３の内面３３を拡散接合のために正確に整列するのに用いられる。したがって整列用孔が正確に所望の位置に穿孔されることが重要である。

したがって、負圧側２１および正圧側２３のいずれにおいても、これらを少なくとも６個のトラップ６１からなる、負圧側２１または正圧側２３のどちらかに用いられるように構成された６点トラップ６５中に置くことが一般に行われる。各々のトラップ６１は、六つの動作自由度（三方向の移動、三方向の回転）のうちの一つについて部品の動きを制限する。部品１０は負圧側２１および正圧側２３のいずれにおいても、その外面がほぼ仕上げられた状態（すなわち「ニア・ネット」）になるように鍛造されているので、負圧側および正圧側２１、２３の方向および位置が正確に制御されるようにそれぞれ対応する６点トラップ６５中に配置することができる。次いでドリル機構６３を、負圧側および正圧側２１、２３が正確に穿孔されるように位置させることができる。前述のように、これらの孔は、後に負圧側２１と正圧側２３とを互いに拡散接合するためにこれらを整列させるのに用いられる。

本発明によって前述の目的、手段、および利点を完全に充足するような、単一の鍛造物を要する中空ブレード鍛造方法が提供されたことは明らかである。本発明をその特定の実施例について説明したが、これまでの説明を読んだ当業者にはその他の別の方法、改良および変形が明らかとなろう。したがって、本発明には請求範囲の広い範囲内のこれらの別の方法、改良および変形が含まれる。

本発明の鍛造後の部品の分離の前および後の説明図である。 本発明の部品および切断装置の説明図である。 本発明の部品の内面に加工された空洞部を示す説明図である。 本発明の部品の非平面状の分割部分を示す説明図である。 本発明の６点トラップを示す説明図である。 本発明の金型を示す説明図である。

符号の説明

１０…部品
２１…負圧側
２３…正圧側
２５…分割用材料部分
２７…拡散接合面特徴部
２９…ルートブロック
３３…内面

Claims (23)

1. 物品を形成する方法であって、
   負圧側と、正圧側と、該負圧側と該正圧側との間の犠牲となる材料部分よりも大きい分割用材料部分と、を有する部品を鍛造するステップと、
   前記分割用材料部分を通して前記部品を分割して負圧側内面および正圧側内面を形成するステップと、
   前記負圧側内面と前記正圧側内面とを接合して前記物品を形成するステップと、を含むことを特徴とする、
   物品を形成する方法。
2. 前記負圧側内面および前記正圧側内面の少なくとも一方を機械加工して少なくとも一つの空洞部を形成するステップをさらに含むことを特徴とする、請求項１記載の物品を形成する方法。
3. 前記部品の鍛造は、ルートブロックと少なくとも一つの拡散接合面特徴部とを有する部品を鍛造することを含むことを特徴とする、請求項１記載の物品を形成する方法。
4. 前記部品の鍛造は、前記分割用材料部分が分離損失幅よりも１０〜２０％大きい幅を有するように部品を鍛造することを含むことを特徴とする、請求項１記載の物品を形成する方法。
5. 前記部品の分割は、バンドソー、ウォータージェット、およびワイヤ放電加工からなる群から選択される切断装置を用いることを含むことを特徴とする、請求項１記載の物品を形成する方法。
6. 前記部品の分割は、前記部品を実質的に平面状の範囲に沿って分割することを含むことを特徴とする、請求項１記載の物品を形成する方法。
7. 前記部品の分割は、前記部品を実質的に非平面状の範囲に沿って分割することを含むことを特徴とする、請求項１記載の物品を形成する方法。
8. 前記負圧側内面および前記正圧側内面のうち少なくとも一方を機械加工することは、前記負圧側内面および前記正圧側内面に少なくとも一つの相互に一致する空洞部を機械加工することを含むことを特徴とする、請求項２記載の物品を形成する方法。
9. 前記負圧側内面と前記正圧側内面とを接合して前記物品を形成することは、拡散接合を用いることを含むことを特徴とする、請求項１記載の物品を形成する方法。
10. 前記部品の鍛造は、チタン、チタンベース合金、可鍛合金、アルミニウム、および鋼からなる群から選択される材料から前記部品を鍛造することを含むことを特徴とする、請求項１記載の物品を形成する方法。
11. 前記部品の鍛造は、前記負圧側および前記正圧側を完成品の外面に近似するように鍛造することを含むことを特徴とする、請求項１記載の物品を形成する方法。
12. 前記負圧側および前記正圧側の各々に少なくとも二つの整列用孔を穿孔するステップと、
    前記整列用孔を用いて前記負圧側と前記正圧側とを整列させるステップと、
    前記負圧側を前記正圧側に拡散接合するステップと、
    をさらに有することを特徴とする、請求項１記載の物品を形成する方法。
13. 前記穿孔は、前記負圧側を第一の６点トラップ中に配置し、前記正圧側を第二の６点トラップ中に配置することを含むことを特徴とする、請求項１２記載の物品を形成する方法。
14. 負圧側と、
    正圧側と、
    該負圧側と該正圧側との間の分割用材料部分とを有し、前記分割部分が分離損失幅より大きいかまたは等しい幅を有することを特徴とする、鍛造部品。
15. 前記分離損失幅が切断手段によって犠牲となる材料の幅に等しいことを特徴とする、請求項１４記載の鍛造部品。
16. 前記鍛造部品は主にチタンから形成されていることを特徴とする、請求項１４記載の鍛造部品。
17. 前記分割用材料部分の幅は、前記分離損失幅より約１０〜２０％大きいことを特徴とする、請求項１４記載の鍛造部品。
18. 前記正圧側および前記負圧側は完成品の外面に近似するように鍛造されていることを特徴とする、請求項１４記載の鍛造部品。
19. ルートブロックおよび少なくとも一つの拡散接合面特徴部をさらに有することを特徴とする、請求項１４記載の鍛造部品。
20. 前記負圧側は、ファンブレードの負圧側であることを特徴とする、請求項１４記載の鍛造部品。
21. 前記正圧側は、ファンブレードの正圧側であることを特徴とする、請求項１４記載の鍛造部品。
22. 部品を形成する方法であって、
    金型を提供するステップと、
    前記金型中で負圧側と、正圧側と、負圧側と正圧側との間の分割用材料部分とを有する部品を鍛造するステップとを有し、前記分割部分が分離損失幅より大きいかまたは等しい幅を有することを特徴とする、部品を形成する方法。
23. ニア・ネット形状を有するエアフォイル部分と、
    後続の製造ステップで除去される犠牲材料を有するルート部分とを有することを特徴とする、ブレードを製造するための鍛造物。

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