JP2009536881A - 細長い金属棒を熱成形するための方法および装置 - Google Patents

Abstract

熱延伸巻付け成形装置は、熱的および／または電気的に絶縁性の材料で形成された作業面を有するダイと、メタルフォームを延伸させて当該メタルフォームを当該作業面の周囲に巻付けるための、間隔をあけて配置された掴み具の組とを含む。好ましい絶縁性材料は、織られたセラミック繊維の可撓性ブランケットである。延伸および巻付けの前に、熱源を用いて当該メタルフォームを加熱する。好ましくは、メタルフォームを抵抗加熱して、当該メタルフォームの全体にわたり均一な温度を維持する。ダイは一般に、主として金属で形成されているため、絶縁性材料は、ダイの金属から当該メタルフォームを熱的に絶縁し、絶縁性材料がなければ双方の間に生じるであろうホットスポットの発生を防止する。また、絶縁性材料は、ダイの金属から当該メタルフォームを電気的に絶縁し、それらの間の分流を防止する。

Description

発明の背景
１．技術分野
この発明は、金属部品、最も特定的には細長い金属棒の熱延伸巻付け成形（hot stretch-wrap forming）に関する。より特定的に、この発明は、延伸巻付け成形が一般に難しいチタン、チタン合金、および類似の金属の熱延伸巻付け成形に関する。特に、この発明は、熱的および電気的に絶縁された作業面を有するダイを用いた、メタルフォームの熱延伸巻付け成形に関する。

２．背景情報
この発明は、高温で成形される細長い金属部品、特に、押出、鍛造、圧延、機械加工、またはこれらの処理の組合せによって製造される、チタン合金製の部品の熱延伸巻付け成形に関する。チタン合金は、その優れた機械的特性および腐食特性に加え、相対的に軽量であることにより、航空宇宙材料として広く用いられている。しかしながら、チタン合金の成形が一般に難しく、このような部品を正確に成形するために、チタン合金をかなりの温度まで加熱しなければならないことが周知である。チタン合金は、航空機の、輪郭成形された（contoured）構造部材に使用するのに極めて望ましいものであるが、輪郭成形されたこのような部材を成形する、経済的に実行可能で好適な方法が存在しないために、このような構造部材の成形は、非常に限定されている。高性能飛行機の翼弦等の、軽量かつ高強度の構造上の構成要素が所望されるのに伴い、このような部品の需要が一層高まっている。

細長いチタン部品を成形するのに現時点で利用可能な１つの処理が、「バンプ成形」として公知である。この処理は、予め定められた温度まで炉内で細長い部品を加熱し、その時点で、当該部品を炉から取出して成形プレスの成形ブロック上に配置することを含む。このプレスは、当該部品の局部的変形を生じる曲げ力を加える。部品の温度が成形中に急激に下がることから、成形に対する抵抗性が著しく増大する。したがって、バンプ成形は、この成形処理を完了させるために加熱サイクルの繰返しを必要とし、これにより、時間および費用がかかる。加えて、バンプ成形から生じる曲げモーメントにより、中立軸の上方にある部品の一部に引張り応力と、中立軸の下方に圧縮応力とが生じ、これにより、部品には、ひびおよび皺がそれぞれ生じる。部品内に大きな応力勾配が存在すると、成形部品の形状寸法の制御が難しくなる。加えて、部品の複雑な応力状態によって生じる局部的な変形は、部品内部において大きな残留応力の発生を助長し、高価な設備を用いた、オフラインでの応力緩和処理を必要とする。また、バンプ成形は、試行錯誤法に頼らずに必要な輪郭を得るためのガイド工具を有さないという欠点を有する。たとえば、フランジ間等の角度に沿った断面の構造上の整合性を維持することも難しい。成形部品の寸法上の整合性を高めるために、事後熱サイジングが提案されている。最後に、バンプ成形は、コンピュータシミュレーションに適さない。

熱延伸巻付け成形の一般的な概念は以前から公知であったが、先行技術の公知の方法は、成形が難しいチタン合金または他の材料からなる部品を経済的に成形するのには適さない。マロニー（Maloney）に付与された米国特許第２，９５２，７６７号は、細長い棒を延伸巻付け成形するための装置を開示しており、この細長い棒は、抵抗加熱により加熱され、ダイアセンブリ内で従来の加熱素子により加熱された金型の周りに巻付けられる。この構成の主な問題とは、加熱されたダイと金属部品とが互いに接触するのに伴って当該加熱されたダイと当該金属部品との間に生じる電気分流作用である。このことは、部品の局
部過熱および括れを招く。

モリス（Morris）他に付与された米国特許第４，０１１，４２９号は、上記の分流作用について述べており、ダイと細長い金属部品とを電気的に並列に接続してそれらを同じ電圧で加熱することにより、当該ダイと当該金属部品との両方を抵抗によって加熱してこの問題を克服しようとする。残念ながら、この構成は実用的ではない。なぜなら、ダイおよび部品の並行加熱によって法外な費用がかかり、かつ、複雑なダイの構成が必要となるためである。加えて、この方法は、その成形温度よりも実質的に低い温度まで部品を予熱することを必要とするが、その一方で、ダイが成形温度まで加熱されるため、当該部品の接触部分のみが、ダイに接触すると成形温度まで昇温されることとなり、その結果、棒の接触部分と非接触部分との間に不均一な降伏強度を生じてしまう。変形過程が均一ではないため、成形部品の構造上の整合性を維持すること、および、残留応力の発生を最小にすることが極めて難しい。

この発明は、以降の説明から明らかになるであろうこれらの問題および他の問題に対処する。

発明の簡単な概要
この発明は、装置を提供し、当該装置は、熱的に絶縁性の材料および電気的に絶縁性の材料の少なくとも１つで形成された作業面を有するダイを備え、当該作業面は、メタルフォームの熱延伸巻付け成形中に当該メタルフォームをその周囲に巻付けるように適合され、当該装置はさらに、間隔をあけて配置され、当該メタルフォームを把持するように適合された第１および第２の掴み具の組とを備え、当該掴み具は、互いから離れる方向に可動であり、それにより当該掴み具は、当該メタルフォームに延伸力を加えるように適合され、当該組および当該ダイの少なくとも一方は、巻付け前の構成と巻付け後の構成との間で当該組および当該ダイの他方に対して可動であり、それにより、当該組と当該ダイとの間の相対運動が、当該ダイの当該作業面の周囲に、当該メタルフォームを巻付けるように適合される。

この発明はさらに、メタルフォームを加熱するステップと、当該加熱されたメタルフォームに延伸力を加えるステップと、熱的に絶縁性の材料および電気的に絶縁性の材料の少なくとも１つで形成された作業面の周囲に当該加熱されたメタルフォームを巻付けるステップとを含む方法を提供する。

図面全体にわたり、同じ番号は同じ部品を指す。

発明の詳細な説明
この発明の熱延伸巻付け成形装置は、図１の１０において包括的に示される。装置１０は、ダイ１２と、間隔をあけて配置された１対の掴み具１４とを含み、当該掴み具１４は、そのそれぞれの端部に隣接する細長い金属棒１６として示されるメタルフォームが加熱されてダイ１２の周囲に巻付けられるときに当該金属棒１６を延伸させるため、当該メタルフォームを締付けるように構成される。装置１０は、チタン合金からなる棒の熱延伸巻付け成形に特に有用である。掴み具１４は、図示されていないが当該技術では周知の揺動アームにそれぞれ取付けられる。掴み具１４の各々は、導体またはワイヤ２０を介して電源に通じており、金属棒１６を抵抗加熱するための電気回路を形成する。装置１０の例示的な実施例は、ワイヤ２２を介して電源１８に電気的に通じて電気回路を形成するダイ１２を示しており、それによりダイ１２は、所望であれば抵抗加熱され得る。加えて、任意
に、複数の加熱素子２４を、ダイ１２を加熱するために当該ダイ１２に挿入することができる。ダイ１２は、Ｔ字型のダイ空隙２８（図２）を規定するダイ面または空隙境界表面２６を有する本体を含む。表面２６および空隙２８は、ダイ１２の第１の端部３０からダイ１２の第２の端部３２まで延在するアーチ型の構成を有する。

絶縁の第１または内側の層３４と第２のまたは外側の層３６とは、熱延伸巻付け処理中にダイ面２６と金属棒１６との間に位置付け可能なダイ面カバーとして働く。層３４および３６は、第１の層３４がダイ１２の第１の端部３０から第２の端部３２まで実質的に連続した態様でダイ１２の表面２６に当接した状態で、空隙２８内に配設されることが示される。第２の層３６も同様に、第１の端部３０から第２の端部３２まで実質的に連続した態様で、第１の層３４に当接する。層３４および３６は、表面２６に合致し、したがって、ほぼＴ字型の構成を有する。第２の層３６は、巻付け処理中に金属棒１６に当接する作業面３８を規定する。図２に示すように、金属棒１６はＴ字型の断面を有し、この断面は、Ｔ字型の空隙２８および作業面３８との噛み合い構成を有する。作業面３８は、棒１６が延伸巻付け処理中に配設されるＴ字型の作業空間４０を規定する。

より特定的に、第１の層３４および第２の層３６の各々は、最も好ましくは、熱的および電気的に絶縁性の材料で形成される。代替的に、層３４および３６の一方が熱的に絶縁性の材料で形成され、他方が電気的に絶縁された材料で形成されることも、所望であれば可能である。ダイ１２と棒１６との間に熱的絶縁および電気的絶縁を設けることが好ましいが、状況に応じて、熱的絶縁の層のみまたは電気的絶縁の層のみを使用し得ることも企図される。

図５を参照して、各掴み具１４の構成を説明する。掴み具１４は、間隔をあけて配置された第１のアーム４２および第２のアーム４４と、それぞれアーム４２および４４に接続されてそれらの間に配設される第１の絶縁部材４６および第２の絶縁部材４８と、当該絶縁部材４６および４８にそれぞれ接続されてそれらの間に配設される第１の把持部材５０および第２の把持部材５２とを含む。したがって、第１の絶縁部材４６は、第１のアーム４２と第１の把持部材５０との間の電気伝達を防止し、第２の絶縁部材４８も同様に、第２のアーム４４と第２の把持部材５２との間の電気伝達を防止する。第１の把持部材５０は、金属棒１６を締付ける際にワイヤ２０および当該棒１６と電気的に通じ、それにより、第１の把持部材５０は、先に論じた、金属棒１６の抵抗加熱を行なうための電気回路の一部をなす。図５に示す電気系統は、例示のためのものであり、ワイヤ２０が第２の把持部材５２に接続されること、または把持部材５０および５２の両方に接続されることを除外しない。

例示的な実施例において、層３４および３６は、可撓性かつ耐熱性の材料で形成される。これにより、層３４および３６は、ダイ空隙の形状に容易に合致する。加えて、このような可撓性の層を使用することにより、巻付け処理前の層の位置付けの際に融通性が得られる。たとえば、ダイの空隙内に金属棒を挿入する前に、（図示するように）ダイの空隙内に層を配設して、金属棒の一部またはすべての周囲に巻付けてよく、または、空隙と金属棒との間に単に浮かせておき、それにより、金属棒を空隙内に挿入することにより、絶縁材料を所望の形状に押圧することができる。層３４および３６は、一般に耐熱性のセラミックブランケットである。１つのこのような適切なセラミックブランケットが、カオウール（Kaowool）の名称で販売されている。このようなセラミックブランケットは一般に、先に述べた熱的絶縁特性および電気的絶縁特性の両方を提供し、セラミックの織り地または繊維で形成される。また、このような可撓性ブランケットは、この目的のために有用ではなくなる程度まで劣化したときに、ダイの空隙または金属棒から容易に取外される。

このようなセラミックブランケットは望ましい絶縁性材料の一形態であるが、この発明
に必要とされ、かつ、巻付け処理中に使用される熱および圧力に耐え得る熱的および／または電気的絶縁特性を提供する、他の適切な材料を使用することができる。

装置１０の動作を、図１−図４を参照して説明する。図１を参照すると、電源１８を作動させて金属棒１６に電流を流し、金属棒１６を所望の予め定められた温度まで抵抗加熱する。この温度に一旦到達すると、掴み具１４は、矢印Ａに示す延伸力、すなわち、長手方向の引張り力または歪みを加える。一方、ダイ１２は、特定の状況に応じて加熱しても加熱しなくてもよい。ダイ１２が加熱され得る場合、電源１８を作動させて、ワイヤ２２および加熱素子２４を介してダイ１２を抵抗加熱することができ、および／または、加熱素子２４を加熱してダイ１２を加熱することができる。ダイ１２を加熱するか否かにかかわらず、次に、掴み具１４をダイ１２の方に移動させて、棒１６を、図３および図４の矢印Ｂに示す作業空間４０内に移動させる。代替的に、またはそれと組合せて、ダイ１２と掴み具１４との間の相対運動を容易にするために、ダイ１２を移動させてよい。次に、掴み具１４を図４の矢印Ｃに示すように移動させて、層３６の作業面３８に棒１６を押付けてダイ１２の周囲に棒１６を巻付け、図４に示す成形部品のアーチ型の構成を生じる。金属棒１６をダイ１２の周囲に巻付ける間、この棒に対して長手方向の延伸力を継続して加える。このようにして、掴み具１４は、図１に示す装置１０の巻付け前の構成から、図４に示す巻付け後の構成に移行する。

層３４および／または３６の電気的絶縁特性により、この発明の背景の章で論じた、棒１６とダイ１２との間の電気分流が防止される。加えて、層３４および／または３６の熱的絶縁特性により、この特性がなければダイ１２の加熱時、特に、ダイ１２が均一に加熱されないときに、当該ダイ１２により生じることが考えられる、棒１６内のホットスポットの形成が最小限に抑えられるか、または解消される。また、この熱的絶縁特性は、公知の先行技術の構成に比べて実質的に低いレベルでダイ１２を加熱するか、またはダイ１２を加熱しないか、のいずれかでのダイ１２の使用を可能にする。

したがって、装置１０は、巻付け動作中に分流の問題またはホットスポットを生じることなく、金属棒１６を抵抗加熱するための構成を提供する。金属棒１６の抵抗加熱が当該金属棒の全体にわたる均一な加熱を提供するということにより、このことは極めて有益である。好ましくは、金属棒１６は、特定の温度範囲まで加熱され、相対的に低い歪み速度で延伸され、当該処理の全体にわたり、かつ、当該巻付け処理後の保持期間にわたり、当該温度範囲に保持されて、スプリングバックが実質的になく、かつ、成形部品内に所望しない引張り応力または圧縮応力を実質的に生じることなく、当該金属棒が最終形態に成形されることを可能にする。所望であれば、保持期間中に長手方向の延伸を継続することができる。棒１６の均一な温度は、好ましくは、ダイ１２が別個に加熱されない場合、または、棒１６の成形温度よりも実質的に低い温度まで加熱される場合でも、延伸処理および巻付け処理の全体にわたり、かつ、保持期間中において、維持される。絶縁層３４および／または３６は、棒１６からの熱損失の対応する低減および先に論じたホットスポットの防止により、この均一な温度を維持し得ることを極めて容易にする。この発明のいくつかの好ましい局面のための装置および方法は、本明細書と同時に出願され、本明細書において引用により援用される、「細長い金属棒のクリープ成形およびその応力緩和のための方法および装置（Method And Apparatus For Creep Forming Of And Relieving Stress In An Elongated Metal Bar）」と題された同時係属特許出願において、より詳細に記載されている。

図６は、絶縁の層３４のみが使用され、したがって層３６が除去された代替的実施例を示す。先に論じたように、一般には熱的絶縁特性および電気的絶縁特性の両方が所望されるものの、層３４は、特定の状況に応じて、熱的絶縁特性および／または電気的絶縁特性を有してよい。

図７は、ほぼＵ字型の金属棒５６とともに使用するためのＵ字型の空隙を規定する代替的なダイ５４を示す。第１の層５８および第２の層６０は、層３４および３６に類似した態様で使用され、ダイ５４の空隙のＵ字型の構成に合致する。したがって、図７は、この処理が、多種多様な断面形状を有する金属棒とともに使用可能であることを表す。他の形状は、外向きの凹部、たとえば、棒５６を基準として反転させたＵ字型の構成を有し得る。これらの凹部に、細長い可撓性の構造を詰め込み、たとえば熱延伸成形中に適切な構成を維持し、反転させたＵ字型の棒の脚部が互いに向かって変形することを防止することができる。

上記の説明では、簡潔さ、明瞭性、および理解のために、或る特定の用語を使用した。先行技術の要件を超えて、そこから不必要な限定が暗示されるべきではない。なぜなら、このような用語が説明の目的で使用されており、広く解釈されることを意図しているためである。

さらに、この発明の説明および例示は一例であり、この発明は、図示または記載した詳細そのものに限定されない。

この発明の熱延伸巻付け成形装置の概略平面図であり、ダイの空隙内の熱的および電気的に絶縁性の材料と、当該ダイの周囲に巻付ける前の金属棒とを示す図である。 図１の線２−２における断面図であり、ダイの空隙内の絶縁性材料の２つの層を示す図である。 図２に類似した断面図であり、絶縁性材料が金属ダイと金属棒とを分離した状態で、ダイの空隙内に金属棒が挿入されることを示す図である。 図１に類似した図であり、図１の初期位置から図４の完成位置まで掴み具が移動して、細長い棒をダイの作業面の周囲に巻付けることを示す図である。 この発明の掴み具の一方の概略側面図である。 図３に類似した図であり、二重の絶縁層の代わりに単一の絶縁層を示す図である。 図６に類似した図であり、異なる構成を有するメタルフォームおよびダイ空隙を示す図である。

Claims (20)

1. 装置であって、
   熱的に絶縁性の材料および電気的に絶縁性の材料の少なくとも１つで形成された作業面を有するダイを備え、前記作業面は、メタルフォームの熱延伸巻付け成形中に前記メタルフォームをその周囲に巻付けるように適合され、前記装置はさらに、
   間隔をあけて配置され、前記メタルフォームを把持するように適合された第１および第２の掴み具の組とを備え、
   前記掴み具は、互いから離れる方向に可動であり、それにより前記掴み具は、前記メタルフォームに延伸力を加えるように適合され、
   前記組および前記ダイの少なくとも一方は、巻付け前の構成と巻付け後の構成との間で前記組および前記ダイの他方に対して可動であり、それにより、前記組と前記ダイとの間の相対運動が、前記ダイの前記作業面の周囲に前記メタルフォームを巻付けるように適合される、装置。
2. 前記作業面は、熱的および電気的に絶縁性の材料で形成される、請求項１に記載の装置。
3. 前記絶縁性の材料は、セラミック材料を含む、請求項１に記載の装置。
4. 前記絶縁性の材料は、繊維性および耐熱性の材料の可撓性ブランケットを含む、請求項１に記載の装置。
5. 前記ダイは、ダイ面を有する本体と、前記作業面を含むカバーとを含み、前記カバーは、前記ダイ面に隣接して位置付け可能であり、それにより、前記カバーは、前記ダイ面と前記メタルフォームとの間に位置付けられるように適合される、請求項１に記載の装置。
6. 前記ダイは、金属外側表面と、前記金属外側表面に当接または隣接して位置付け可能な熱的に絶縁性の材料の第１の層とを有し、それにより、前記第１の層は、前記メタルフォームの前記熱延伸巻付け成形中に、前記ダイの前記金属外側表面と前記メタルフォームとの間の熱の伝達を減らすように適合される、請求項１に記載の装置。
7. 前記第１の層を形成する材料は、電気的に絶縁性であり、それにより前記第１の層は、前記メタルフォームの前記熱延伸巻付け成形中に、前記ダイの前記金属外側表面と前記メタルフォームとの間の電気伝達を防止するように適合される、請求項６に記載の装置。
8. 前記ダイは、電気的に絶縁性の材料の第２の層を含み、前記第２の層は、前記金属外側表面と前記第１の層との間の第１の位置と、前記第１の層が前記金属外側表面と前記第２の層との間に配設される第２の位置との１つにおいて位置付け可能であり、それにより前記第２の層は、前記メタルフォームの熱延伸巻付け成形中に、前記ダイの前記金属外側表面と前記メタルフォームとの間の電気伝達を防止するように適合される、請求項６に記載の装置。
9. 前記メタルフォームを成形温度まで加熱するように適合される熱源をさらに含む、請求項１に記載の装置。
10. 前記熱源は、電源と、前記電源に電気的に通じる電気導体の対とを含み、前記電気導体は、前記メタルフォームを抵抗加熱するために前記メタルフォームと電気的に通じるように適合される、請求項９に記載の装置。
11. メタルフォームを加熱するステップと、
    前記加熱されたメタルフォームに延伸力を加えるステップと、
    熱的に絶縁性の材料および電気的に絶縁性の材料の少なくとも１つで形成された作業面の周囲に、前記加熱されたメタルフォームを巻付けるステップとを含む、方法。
12. 巻付ける前記ステップは、層が前記加熱されたメタルフォームから金属ダイの表面を分離する状態で、前記金属ダイの前記表面の周囲に前記加熱されたメタルフォームを巻付けるステップを含み、前記層は、熱的に絶縁性の材料および電気的に絶縁性の材料の少なくとも１つで形成される、請求項１１に記載の方法。
13. 巻付ける前記ステップは、電気的に絶縁性の材料の層が、前記加熱されたメタルフォームから金属ダイの外側表面を分離して前記メタルフォームと前記金属ダイとの間の電気伝達を防止する状態で、前記金属ダイの前記外側表面の周囲に前記加熱されたメタルフォームを巻付けるステップを含む、請求項１１に記載の方法。
14. 巻付ける前記ステップは、熱的かつ電気的に絶縁性の材料で形成された作業面の周囲に前記加熱されたメタルフォームを巻付けるステップを含む、請求項１１に記載の方法。
15. 巻付ける前記ステップは、セラミック材料で少なくとも部分的に形成された作業面の周囲に前記加熱されたメタルフォームを巻付けるステップを含む、請求項１１に記載の方法。
16. 巻付ける前記ステップは、繊維性および耐熱性の材料のブランケットで少なくとも部分的に形成された作業面の周囲に前記加熱されたメタルフォームを巻付けるステップを含む、請求項１１に記載の方法。
17. 加熱する前記ステップは、前記メタルフォームに電流を流して前記メタルフォームを抵抗加熱するステップを含む、請求項１１に記載の方法。
18. 前記メタルフォームとダイの本体のダイ面との間に前記作業面を含むカバーを位置付けるステップをさらに含み、巻付ける前記ステップは、前記ダイ面および前記カバーの周囲に前記加熱されたメタルフォームを巻付けるステップを含む、請求項１１に記載の方法。
19. ダイ空隙内に前記メタルフォームを挿入して、前記ダイ空隙の境界を定める空隙境界表面に対して可撓性の層を押圧し、前記可撓性の層を、前記空隙境界表面および前記メタルフォームの噛み合い外側表面に合致させるステップをさらに含み、前記可撓性の層は、熱的に絶縁性の材料および電気的に絶縁性の材料の少なくとも１つで形成される、請求項１１に記載の方法。
20. 加熱する前記ステップは、前記メタルフォームの全体にわたり実質的に均一な温度まで前記メタルフォームを加熱するステップを含み、さらに、巻付ける前記ステップの全体にわたり、前記実質的に均一な温度を維持するステップを含む、請求項１１に記載の方法。

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