JP2005526617A - 加工物の成形方法 - Google Patents

Abstract

加工物（１８）を成形する方法は、加工物を型（２０）の付近に保持することと、レーザ（３０）を使用して、超塑性をもたらすのに充分な温度まで加工物の少なくとも一部を加熱することと、加工物が型の形状を取るように加工物に流体圧力を印加することとを含む。これは、処理室の全体を超塑性温度まで加熱することを必要とせずに、材料の超塑性を利用して加工物を必要な形状に正確に成形できるという長所を持つ。レーザを使用して加工物を超塑性温度まで加熱する前に、加工物の全体をほぼ均一な温度まで加熱して加工物を焼きなましするのに、レーザを使用できる。同様に、レーザを使用して加工物を超塑性成形した後に、加工物全体をほぼ均一な温度まで加熱して残留応力を除去するのに、レーザが使用される。これは、単一の処理装置において単一の工程で成形全体を実行できるという長所を持つ。

Description

本発明は、加工物を成形する方法、詳しくは、適当な材料を超塑性成形する方法に関する。

ある種の合金が特定の上昇温度で超塑性になることが知られている。このような温度では、超塑性により合金を所望する形状に成形することができ、有益である。

加工物を成形する方法の一つは、合金材料の薄板をダイまたは型に載置し、次に合金が超塑性となる温度まで加工物を加熱してから、例えば、加工物とダイとの間の領域を低圧に維持した状態で加工物の上面に高圧流体圧力を印加することにより、加工物に圧力を印加することにある。こうして加工物は、ダイの内面の形状を取る。

しかしこれには、システムが高い熱量を持つという欠点が見られる。すなわち、超塑性となる温度まで加工物を加熱しなければならないだけでなく、一般的には処理室全体を同じ温度まで加熱しなければならない。これは明らかに、要求される加工物を成形するのに多量のエネルギー入力を必要とする。

米国特許第５，５９２，８４２号には、型の要件を回避しようとする方法が開示されている。特にこの資料では、レーザビームを使用して加工物の一部を局所的に加熱してから、従来方法のように流体圧力を印加することが提案されている。

しかしこの方法は、最終製品の形状を正確に制御できないという短所を持つ。

さらに、開示された方法では、行われなければ次の成形が充分ではなくなるという加工物の焼きなましを行うための措置と、成形後に加工物を加熱することにより、成形工程で発生する可能性のある残留応力を除去するための措置が取られていない。

本発明の第一の特徴によれば、加工物を型の付近に保持することと、レーザを使用して超塑性をもたらすのに充分な温度まで加工物の少なくとも一部を加熱することと、加工物が型の形状を取るように、加工物に流体圧力を印加することとを含む、加工物成形方法が提供される。

この方法は、処理室全体を超塑性温度まで加熱することを必要とせずに、要求される形状に加工物を正確に成形するのに、材料の超塑性という性質を利用できるという長所を持つ。

望ましくは、レーザを使用して加工物を超塑性温度まで加熱する前に、加工物がクランプされ、加工物の全体をほぼ均一な温度まで加熱して加工物を焼きなましするのに、レーザが使用される。

また望ましくは、レーザを使用して加工物を超塑性成形した後、加工物の全体をほぼ均一な温度まで加熱して残留応力を除去するのにも、レーザが使用される。

この方法は、成形全体が単一の処理装置において単一の工程で実行できるという長所を持つ。

本発明の第二の特徴によれば、レーザ光源を備えるとともに、加工物を型の付近に保持するための手段を備える成形装置が提供される。

本発明をより良く理解するためと、本発明が実施される方法を示すため、以下、添付図面を例として参照する。

図１は、本発明の一実施例による成形装置の概略断面図である。装置は、観察口１２を有する圧力容器１０を含む。容器１０は、加工物１８を所定位置に保持するために、矢印Ａ−Ａ，Ｂ−Ｂが示すようにクランプ力を印加できるクランプ装置１４，１６を含む。

加工物１８は、必要とされる超塑性を備える合金の薄板である。当該技術の熟練者には周知であるように、超塑性合金は例えばチタンを母材とする合金でよい。

加工物１８は、最初は平らであることが望ましい。図１は、部分的に変形された加工物を示している。

装置は、セラミック材料製の絶縁リング２２の中に設けられた型２０を含む。型２０の上面２４は、成形後の所望する部品形状に一致しており、型２０はさらに抽気通路２６，２８を含む。

型２０は、金属材料からでもセラミック材料からでも製作される。

装置はまた、レーザビーム３２の焦点と方向とを制御するための手段を含むレーザ光源３０を含む。

また圧力容器１０は、ガスの入口３４とさらに出口３６とを含む。

図２は、図１に示された装置を使用した、本発明の好適な一実施例による成形工程を示すフローチャートである。

最初に、超塑性材料のほぼ平らな薄板の形状であることが望ましい加工物は、工程の段階５０でクランプ装置１４，１６においてクランプされる。次に段階５２において、例えば出口２６，２８，３４，３６を介して、真空ポンプにより容器が真空になる。次に段階５４で、アルゴンなどの不活性ガスが低圧で容器に補充される。この不活性環境により、大気で汚染されることなく部品を加熱することが可能である。

次に段階５６では、完全に焼きなましされて応力のない充分に高い温度まで加工物１８の全体を加熱するのに、レーザ光源３０が使用される。図３に見られるように、加工物１８の全体がほぼ均一に加熱される。これは、レーザ光源３０を適当に制御することで達成される。例えば、加工物のすべての部分に達するようにレーザ光線の焦点をぼかすことができ、あるいは、焦点の合った光線で表面の全領域を走査することもできる。

焼きなましの後、段階５８において、超塑性温度以下に、または可能であれば粒成長温度以下に加工物が冷却される。

次に工程の段階６０では、加工物１８をその超塑性成形（ＳＰＦ）温度まで、例えば９３５℃に加熱するのに、レーザ光源３０が使用される。この場合、図４に見られるように、加工物１８の様々な領域が、レーザ光源３０から量の異なるエネルギーを供給されてもよい。ゆえに図４では、例示のみを目的として帯８０，８２，８４が示され、これらは異なるエネルギーレベルを受け取る。このようにして供給されるエネルギーの量を制御すると、加工物の或る部分に、他の部分よりも望ましい超塑性がもたらされる。

次に工程段階６２では、容器が加圧される。すなわち、加工物１８の上面に対する圧力を増大させるため、アルゴンなどの不活性ガスがガス入口３４から導入される。同時に、ガス出口導管２６，２８を介して加工物１８の下側からガスが放出される。この好適な実施例では、容器１０の内部の加工物１８の上側に対するガス圧は、約３０または４０気圧（３ＭＰａまたは４ＭＰａ）まで増大する。

この圧力が、高温の加工物を型２０へ押圧することにより、型の内面２４と同じ輪郭を持つ部品を成形する。

いったん部品が成形されると、成形された部品を再加熱するのにレーザ源３０が使用される（図２の段階６４）。図５に見られるように、例えばこの時には加工物が非平面形状であるために、レーザ源からの熱エネルギーの分布形状を、例えば帯９２と９４の間で変化させる必要がある。このように部品を加熱すると、スプリングバックを生じずに精度と再現性の優れた部品を生産するため、成形工程の結果としてもたらされた部品内の残留応力が除去される。次に部品は冷却され（図２の段階６６）、図２に示された最終工程の段階６８では、容器が減圧される。

図６は、本発明の別の実施例による代替成形装置を示す。図６の成形装置は、２枚の原料薄板から成る部品の成形に使用するのに適している。

図６の装置は、図１に示されたものと概ね似ており、対応する部品は同じ符号で表されているのでさらには説明しない。

図６の装置の場合には、装置の反対側端部にある第２のレーザ光源（図示せず）を含む。圧力容器は、二つの半型１００，１０２を保持するためと、エッジが一緒に溶着される２枚の加工物薄板１０４，１０６をクランプするための手段を含み、２枚の加工物薄板１０４，１０６の間に高圧ガスを導入するための入口１０８を備える。

この場合、半型１００，１０２を加熱し、これにより加工物薄板１０４，１０６の温度をそのＳＰＦ温度まで上昇させるのに、レーザ光源を使用できる。あるいは、レーザ光線に対して透明である材料から半型１００，１０２を製作し、これによりレーザ光源に半型を貫通させ、加工物薄板を直接に加熱することができ、好都合である。この目的に適した型材料は、例えば、セラミックの粒径をレーザの波長よりも確実に小さくするようにすれば、非晶質か結晶性のいずれのセラミックでもよい。

半型１００，１０２は、反復使用のために設計されるか、使い捨てライナの形で作られる。

図６に示された装置の成形工程は、図２を参照して説明されたものと概ね似ているが、この場合、２枚の加工物薄板１０４，１０６をそれぞれの半型１００，１０２に押圧するため、これら薄板の間に高圧ガスが導入される。その場合、必要とされる高圧は、加工物の中に包含され、図１に示された状況よりも体積がかなり少ない。

図７は、本発明のさらに別の実施例の成形装置の概略図である。図７の装置は、図１のものと概ね似ており、同じ符号が２枚の図に使用された時には、対応する特徴を現し、これらの特徴についてさらには説明しない。

図７の装置では、サーボ装置１２４の制御下で個別に移動可能な多数の柱１２２を含むアレイから型１２０が形成される。図７では数本の柱１２２のみが図示されているが、実際の装置は、これらの柱を数百本または数千本含む。

各柱は、セラミック材料で製作されるか、この材料で被覆された先端１２６を有する。

サーボ装置１２４は、柱１２２の各々の高さを制御でき、また、柱の横位置を少量まで制御できることが望ましい。このようにして、柱１２２のアレイを使用して、所望するいかなる形状の型も形成することができる。使用後、柱の位置を調節して、所望する別の形状の型を形成できる。こうして、多様な部品を、対応する数の多様な型を必要とせずに形成することができる。

成形工程は、加工物が型にクランプされてから、ＳＰＦ温度まで加熱され、次に加工物が型の形状を取るように圧力が印加されるという点で、前述したものと同じである。

このタイプの型を、図６に示されたように２枚の薄板で製作される部品を成形するための装置にも使用できることは、明らかである。

さらに、このタイプの型は、加工物のレーザ加熱や超塑性を伴うものだけでなく、多様な成形工程に使用できることにも注意すべきである。

ゆえに、本発明の一実施例によれば、個別調節可能な複数の柱と、柱の末端が一緒になって型表面を形成するように柱の高さを制御するための手段とを含む、調整可能な型が提供される。

図８は、この場合には２枚の薄板から製作される部品を成形するための装置における、このタイプの型の別の変形を示す。図８の型は、図７のものと概ね似ており、２枚の図で使用された同じ符号は対応する特徴を表し、これらの特徴についてはさらに説明しない。

この装置は、図７の型１２０と概ね似ている二つの型１４０，１４１と、さらに２枚の加工物薄板１４２，１４４をクランプするための機構と、その間に高圧流体を導入するための入口１４６とを含む。

図８の装置では、レーザ源（図示せず）からの放射をそれぞれの加工物の隣接範囲へ照射することのできるそれぞれの光学ファイバ１５０を、第１群の柱１４８の各々が収容する。さらに、それぞれの加工物の隣接範囲へ冷却ガス流を噴射できるそれぞれの導管１５４を、第２群の柱１５２がそれぞれ収容する。第１および第２群の柱１４８，１５２は、それぞれの型表面にわたって概ね交互に位置する。

こうして図８の装置は、加工物の表面温度を正確に制御でき、必要であれば表面の一部のみに超塑性をもたらすことができる。

当該技術では周知のように、２枚の加工物薄板を使用する超塑性成形は、内側で拡散接合されたウェブ状の支持構造を持つ部品の成形に使用できる。

図９〜１１は、本発明によるこのような工程を示す。図９に示されたように、２枚の加工物薄板１６４，１６６の外面１６０，１６２をそれぞれ予熱するのに、レーザ光源が使用される。レーザ光源が制御可能なビームを形成できる場合には、例えば図９の経路１６８に見られるように、表面１６０，１６２を走査するのにレーザ光源を使用できる。これにより表面１６０，１６２に存在する酸化物を除去し、蒸発した酸化物を圧力容器から排出できる。

周知のように、２枚の加工物薄板１６４，１６６は、ライン１７０に沿って一緒に拡散接合される。次に２枚の加工物薄板１６４，１６６がそのＳＰＦ温度まで加熱され、その間に入口１７２を介して高圧流体が導入されると、図１０に見られるように２枚の加工物薄板が離間する。

最終的には図１１に見られるように、外面１６０，１６２の領域が接触し、表面前処理によって高品質の二次拡散接合部１７４が形成される。

前処理にレーザを使用することは、同じ成形装置を使用して成形工程の一部としてこれを実施できることを意味する。

そのため、超塑性成形の効率的使用を可能にする製造方法が開示される。

本発明の一実施例による成形装置の概略断面図である。 本発明の一実施例による工程を示すフローチャートである。 本発明による典型的な加工物に印加される熱のパターンを示す。 本発明による典型的な加工物に印加される熱のパターンを示す。 本発明による典型的な加工物に印加される熱のパターンを示す。 本発明による代替装置の概略断面図である。 本発明による別の代替装置の概略断面図である。 本発明による別の代替装置の概略図である。 本発明の一実施例の一工程段階における加工物を示す。 本発明の一実施例の一工程段階における加工物を示す。 本発明の一実施例の一工程段階における加工物を示す。

符号の説明

１０ 圧力容器
１２ 観察口
１４，１６ クランプ装置
１８ 加工物
２０ 型
２２ 絶縁リング
２４ 上面
２６，２８ 抽気通路
３０ レーザ光源
３２ レーザビーム
３４ 入口
３６ 出口
１００，１０２ 半型
１０４，１０６ 加工物薄板
１０８ 入口
１２０ 型
１２２ 柱
１２４ サーボ装置
１２６ 先端
１４０，１４１ 型
１４２，１４４ 薄板
１４６ 入口
１４８，１５２ 柱
１５０ 光学ファイバ
１５４ 導管
１６０，１６２ 外面
１６４，１６６ 薄板
１６８ 経路
１７０ ライン
１７２ 入口
１７４ 接合部

Claims (18)

1. 加工物を型の付近に保持することと、レーザを使用して加工物に超塑性をもたらすのに充分な温度まで該加工物の少なくとも一部を加熱することと、加工物が型の形状を取るように、該加工物に流体圧力を印加することとを含む、加工物の成形方法。
2. 加工物を保持する工程段階が、加工物を型の付近にクランプすることと、レーザを使用して加工物の全体をほぼ均一な温度まで加熱して該加工物を焼きなましすることと、加工物の温度を超塑性温度以下に低下させることとを含む、請求項１記載の方法。
3. 加工物の成形後、さらに、レーザを使用して加工物の全体をほぼ均一な温度まで加熱して中の残留応力を除去することを含む、請求項１または２記載の方法。
4. 型が第１および第２の半型を含むとともに、加工物が第１および第２の薄板を含み、加工物の第１および第２の薄板をそれぞれ、型の第１および第２の半型の付近に保持することと、レーザを使用して加工物の第１および第２の薄板の少なくとも一部を加熱することと、加工物の第１および第２の薄板が型の第１および第２の半型のそれぞれの形状を取るように、該第１および第２の薄板に流体圧力を印加することとを含む、請求項１ないし３のいずれか１つに記載の方法。
5. 流体圧力を印加する工程段階が、加工物の第１および第２の薄板の間に増大する流体圧力を印加することを含む、請求項４記載の方法。
6. 型の第１および第２の半型の少なくとも一方がレーザに対して透明であり、レーザを使用して加工物の第１および第２の薄板の少なくとも一部を加熱する工程段階が、前記透明な半型を通して加工物の第１および第２の薄板の少なくとも一方を加熱することを含む、請求項４または５記載の方法。
7. 型が、柱の末端が型表面を形成するように個別に移動可能である複数の柱を含む、請求項１ないし６のいずれか１つに記載の方法。
8. 複数の柱のうち少なくとも数本が、該柱の付近に保持された加工物にレーザビームを照射するための手段を含む、請求項７記載の方法。
9. 複数の柱のうち少なくとも数本が、該柱の付近に保持された加工物に冷却剤を噴射するための手段を含む、請求項７または８記載の方法。
10. 型を保持するための手段と、型の付近に加工物をクランプするための手段と、クランプ手段に保持された加工物の少なくとも一部を加熱するのに適したレーザ光源と、加工物が型の形状を取るように該加工物に流体圧力を印加するための手段と含む、成形装置。
11. 加工物に流体圧力を印加するための手段が、該加工物の型から離れた側に流体を導入するための手段を含む、請求項１０記載の成形装置。
12. 加工物に流体圧力を印加するための手段が、該加工物と型との間の範囲を真空にするための手段を含む、請求項１０記載の成形装置。
13. 型を保持するための手段が、第１および第２の半型を保持するための手段を含み、加工物をクランプするための手段が、該第１および第２の半型の付近にそれぞれ第１および第２の加工物薄板をクランプするための手段を含む、請求項１０記載の成形装置。
14. 流体圧力を印加するための手段が、第１および第２の加工物薄板の間に増大する流体圧力を印加するための手段を含む、請求項１３記載の成形装置。
15. 型の第１および第２の半型の少なくとも一方がレーザに対して透明である型を含む、請求項１３または１４記載の成形装置。
16. 柱の末端が型表面を形成するように個別に移動可能である複数の柱を前記型が含む、請求項１０記載の成形装置。
17. 複数の柱のうち少なくとも数本が、該柱の付近に保持された加工物にレーザビームを照射するための手段を含む、請求項１６記載の成形装置。
18. 複数の柱のうち少なくとも数本が、該柱の付近に保持された加工物に冷却剤を噴射するための手段を含む、請求項１６または１７記載の成形装置。
    
    

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