JP2010534763A - 複合材料で製作された挿入物を含む機械部品 - Google Patents

Abstract

本発明は、セラミック繊維が中に延在する金属母材を含む複合材料で製作された少なくとも１つの挿入物（３）を備える機械部品（１０）の製作方法において、複合材料の挿入物（３）が、金属外装で被覆されたセラミック繊維をそれぞれが備える複数の被覆糸（３２）から得られる方法であって、被覆糸（３２）の束または結合繊維を回転部品（２）のまわりに巻き付けるステップによって少なくとも１つの挿入物（３）を製造することを備える方法に関する。本発明によると、巻き付けの少なくとも一部は直線方向で実施される。本発明はまた、このようにして得られた機械部品（１０）にも関し、本発明の製造方法を実施するように適合された巻付装置（２０）にも関する。

Description

本発明は、金属母材内のセラミック繊維からなるタイプの複合材で製作された挿入物を備える機械構成要素と、この機械構成要素を製造する方法と、製造方法を実施するように設計された巻付装置とに関する。本発明は、張力および／または圧縮力を主に一方向に伝達することを目的とする任意の種類の機械構成要素に適用される。

特に航空工学の分野では、最小限の質量および外形寸法になるよう機械構成要素の強度を最適化する傾向が絶えず存在する。したがって、特定の機械構成要素は金属母材複合材で製作された挿入物を有する場合があり、そのような構成要素は一部片からなる可能性がある。このような複合材には、例えば炭化ケイ素ＳｉＣセラミック繊維などの繊維が中に延在した、例えばチタンＴｉ合金などで製作された金属合金母材がある。このような繊維は、チタンよりもはるかに大きな張力および圧縮強度を有する。したがって、荷重に対して反応するのは主に繊維であり、金属合金母材は構成要素の残りの部分と結合するバインダとして働くとともに、相互に接触してはならない繊維を保護および絶縁する。さらに、セラミック繊維は耐腐食性であるが、それらは金属で強化されることが必須である。

以上に述べた複合材は、航空工学の分野では、ディスク、シャフト、作動シリンダの本体、ケーシング、支柱の製造に使用することで知られ、あるいは羽根などの一体型構成要素用の補強材として知られている。

これらの構成要素を製造する１つの技法が、本発明の技術的背景を表した仏国特許第２８８６２９０号明細書に述べられている。この明細書では、製造の基本ステップの１つは、被覆フィラメントの束またはラップを、円形の円筒状構成要素のまわりでその回転軸に対して垂直方向に巻き付けることからなる。このようにして得られた既述の構成要素は円形タイプであり、主にシャフト、作動シリンダの本体、ケーシング、またはディスクなどの円形構成要素を製造するのに適している。

一部の機械構成要素は、円形の構成要素によって呈示される特性とは異なる特性を必要とする。このことは、基本的に細長形状であり、引張荷重および／または圧縮荷重を一方向に伝達することが目的である棒状体の場合に特に当てはまる。

本発明の特定の主題は、引張り荷重および／または圧縮荷重を両端間で一方向に伝達する能力がある、金属母材内のセラミック繊維からなるタイプの複合材で製作された少なくとも１つの挿入物を備える機械構成要素を製造する方法である。

この目的のために、本発明は、母材のセラミック繊維が中に延在する金属母材複合材で製作された少なくとも１つの挿入物を備える機械構成要素を製造する方法であって、複合材の挿入物は、金属外装で被覆されたセラミック繊維をそれぞれが備える複数の被覆フィラメントから得られ、該方法が円筒状構成要素のまわりに被覆フィラメントの結合ラップまたは結合束を巻き付けるステップによって少なくとも１つの挿入物を製造することを含む方法に関する。本発明によると、巻き付けの少なくとも一部は直線方向に行われる。

このようにして得られた機械構成要素、例えば棒状体は、有利には引張り荷重および／または圧縮荷重を一方向に伝達することが可能である。

本発明はまた、本発明による製造方法を実施するように特別に設計された巻付装置にも関する。

添付の図面を参照して以下の詳しい説明を読めば、本発明のさらなる利点および特徴が明らかになる。

従来技術による機械構成要素の一実施例の斜視図である。 本発明による巻付装置の一実施例の斜視図である。 本発明の製造方法によって得られる挿入物の一実施例の斜視図である。 挿入物と、挿入物を収容するための容器と、容器および挿入物を封入するための金属蓋との一実施例を示す図である。 本発明の製造方法によって得られる機械構成要素の一実施例の斜視図である。 本発明の製造方法の代替形態を示す図である。 本発明の製造方法の代替形態によって得られる機械構成要素の他の実施例の断面図である。 本発明の製造方法の代替形態によって得られる機械構成要素の実施例の斜視図である。

仏国特許第２８８６２９０号明細書に述べられたような、複合材で製作された挿入物を備える機械構成要素を製造する技法は、本発明との関連で使用されることが可能である。したがって、この明細書の教示は本出願に組み込まれるものと考えられるべきである。これらには例えば、非限定的に述べるが、被覆フィラメントの構造、その製造、被覆フィラメントの結合ラップの製造、この結合ラップの、それが巻き付けられる金属支持体上へのまたは下の層のラップ上への固定、フィラメントのレーザ溶接または両電極間の接触によるフィラメントの溶接、熱間静水圧圧縮および機械加工などがある。

図１は、全体に細長形、即ち長く伸びた形状である棒状体１などの機械構成要素の一実施例を表している。棒状体は両端部１３と１４を有する。棒状体１の目的は、平行軸Ｚ１とＺ２のまわりでその端部に関節連結された２つの構成要素の間で、移動および／または引張り力Ｔおよび／または圧縮力Ｃを伝達することである。棒状体１は、その端部１３と１４のそれぞれに円筒状凹部１１または１２を有する。それらの軸は平行な軸Ｚ１とＺ２に対応している。このタイプの棒状体１は、例えば降着装置の設計、またはスラストロッドを備えるターボ機械の設計で使用されてもよい。

図２は、本発明による巻付装置２０の一実施例を表している。この実施例で、巻付装置２０は、棒状体などの機械構成要素用の挿入物３を作り出すのに特によく適している。この巻付装置２０は、マンドレルとして働く、中空で細長形状である円筒状構成要素２と、細長形状であり実質的に同一の２つの端板２１と２２とを備える。円筒状構成要素２は回転する幾何学的形状、即ち通常湾曲された閉鎖構造を表す幾何学的形状を有する。端板２１と２２の外形寸法は、円筒状構成要素２の外形寸法よりも大きい。これは、端板２１と２２それぞれの周囲２７は円筒状構成要素２の周囲を超えて延在することを意味している。円筒状構成要素２は端板２１と２２との間に挟まれている。巻付装置２０が巻付軸Ｚのまわりで回転されると、フィラメント３２が円筒状構成要素２上に巻き付けられてゆく。端板２１と２２は被覆フィラメント３２を軸方向で保持し、それらを巻き付けてゆく。

巻付装置２０は、巻付システムを形成するアセンブリに属している。巻付システムは、巻付装置２０を回転する手段と被覆フィラメント３２の結合ラップまたは結合束を供給する手段とをさらに備える。

円筒状構成要素２は２つの直線巻付部分２４を備える。これらの直線巻付部分２４は巻付軸Ｚに対して垂直方向に向けられている。したがって、円筒状構成要素２のまわりへのフィラメント３２の巻き付けの少なくとも一部は直線方向に行われる。被覆フィラメント３２の巻き付けは巻付軸Ｚに対して垂直方向に実施される。言い換えれば、被覆フィラメント３２は巻付軸Ｚに対して実質的に垂直方向に向けられている。

図２で表わされた実施例では、これらの直線巻付部分２４は平行であり、２つの円形部分２５の間に合わせ込まれている。円筒状構成要素２の外形寸法、特に軸方向Ｚのその厚みと、直線巻付部分２４の長さと、円形部２５の曲率半径とを所望の挿入物３の外形寸法に応じて変化させることが可能である。円形部２５も様々な半径を有してもよい。したがって直線巻付部分２４は非平行であってもよい。

直線巻付部分２４を備える円筒状構成要素２のまわりに巻き付けを行うことは、平行で単一方向の多数の被覆フィラメント３２からなる少なくとも１つの直線母線を有した挿入物３を、短時間のうちに作り出すことを可能にする。

挿入物３は、巻き付けが行われた後は、端板２１と２２を互いに引き離すことによって巻付装置２０から取り外されることが可能である。このようにして形成された挿入物３の形状は、フィラメント３２がその配向を失わないように設定されなければならない。これを達成するために用いられることが可能な様々な技法がある。

挿入物３の形状を維持する最初の技法は、巻き付けの始めに、挿入物３の内部を固定する第１金属箔を巻き付けるステップを提供し、巻き付けの終わりに、挿入物３の外側部分を固定する第２金属箔２８を巻き付けるステップを提供することである。この実施例では、第１金属箔は円筒状構成要素２を構成する。したがって、被覆フィラメント３２は、図３で表わされたように金属箔２と２８との間に存在する。

さらに、図２で示されたように、端板２１と２２はそれぞれの周囲２７上にスロット２３を有する。端板２１の各スロット２３は、端板２２のスロット２３に直面するように位置決めされて、このようにして一対のスロット２３を形成している。スロット２３の外形寸法が端板２１と２２の内側に向かって、深さｄにわたって延在することによって金属バンド３１の装着が容易になる。スロット２３の深さｄは、円筒状構成要素２の中空内部２９にアクセスすることが可能なものでなければならない。円筒状構成要素２は巻付装置２０のハブのまわりに位置決めされ、図２では見えず、スロットと歯を交互に備えており、ハブのスロットは端板２１と２２のスロット２３と一致している。深さｄは円筒状構成要素２の巻付表面を超えて延在する。

スロット２３の各対は、金属バンド３１の取り付けができるようにするためのものである。金属バンド３１は、図４と関連して述べられる容器４の材料ならびに円筒状構成要素２の材料と同一の金属材料で製作されている。金属バンド３１は接点溶着プロセスによって挿入物３のまわりに固定される。金属バンド３１は、巻き付けがなされた挿入物３に沿って一定間隔で位置決めされる。

挿入物３に巻き付けがなされ、金属バンド３１が装着された後は、挿入物３は、端板２１と２２を互いに引き離すことによって巻付装置２０から取り外されることが可能である。このようにして得られた挿入物３の実施例が図３に表わされている。これは、２つの円形部分３５の間に合わせ込まれた２つの直線かつ平行な部分３４を備える細長形状の円筒状構成要素からなる。

金属バンド３１の使用を伴わない、挿入物３の形状を保つ第２の技法は、例えばＬ字形状またはＵ字形状の断面の、少なくとも１つの放射状リムを備える細長形のマンドレルを形成した円筒状構成要素２を提供することである。これにフィラメント３２が巻き付けられる。被覆フィラメント３２の結合ラップが使用されると、両電極の間で接点溶接を行い、中周波電流を通す方法を用いて、被覆フィラメント３２の結合ラップが巻き付けられる円筒状構成要素２と、その下の層のラップに被覆フィラメント３２を固定することが可能である。このようにして、フィラメント３２は溶接が進むにつれて一緒に溶接される。これは、挿入物３は、巻付装置２０から取り外されるとき、円筒状構成要素２と一体のものとして構成要素を形成していることを意味している。

次いで挿入物３は、図４で表わされたように容器４内に挿入される。この目的のために、容器４は、挿入物３を相補する形状の、挿入物３が中に収容される溝４１を備える。容器４は、好ましくはチタンＴｉで製作された金属合金母材の予備成形物を形成する。容器４に電子溶接によって蓋５が取り付けられ、真空排気され、熱間静水圧圧縮プロセスを用いて圧縮される。

次いで全体が機械加工されて、完成された機械構成要素１０、即ち図５に表わされた棒状体１０が得られる。図１の棒状体１と同一形状の棒状体１０は、回転する幾何学的形状を有した複合材の挿入物３をさらに備える。挿入物３のフィラメント３２の一部は直線方向に向けられている。この直線方向はＺ１とＺ２に対して垂直方向である。この棒状体１０は有利には、一方向性の張力および／または圧縮力を伝達することが可能である。挿入物３の直線部分３４は、全てが同一の直線方向に向けられたフィラメントを備える。

本発明は、張力および／または圧縮力を主に一方向に伝達する機能を有する任意のタイプの機械構成要素に適用され、したがって、一適用例にすぎない棒状体だけに限定されるものではない。

本発明の代替形態によると、機械構成要素は、より複雑な形状であってもよく、回転する幾何学的形状、即ち、通常湾曲された閉鎖構造を表した幾何学的形状をそれぞれが有することが可能な複数の挿入物３を備えてもよい。図６で表わされた実施例では、挿入物３を収容するための溝４１を２つの反対向きの面４２のそれぞれの側に備える容器４を使用することによって、製造方法が修正されている。熱間静水圧圧縮および機械加工の後に得られる機械構成要素１１０は図７で表わされているものであり、したがって挿入物３を備える。挿入物３は、機械構成要素１１０の中央面Ｐ１のそれぞれの側に位置決めされている。挿入物３は、互いに対して非ゼロの角度αをなす平面Ｐ２およびＰ３に位置決めされる。図８は、このようにして得られた機械構成要素１１０の斜視図である。この機械構成要素１１０も同様に、その重量を軽減するための凹所１５を有してもよい。

このような機械構成要素１０または１１０は、航空工学の用途、例えば降着装置に、または航空機用のターボ機械に完璧に適合している。

Claims (21)

1. 母材のセラミック繊維が中に延在する金属母材複合材で製作された少なくとも１つの挿入物（３）を備える機械構成要素（１０、１１０）を製造する方法であって、複合材の挿入物（３）が、金属外装で被覆されたセラミック繊維をそれぞれが備える複数の被覆フィラメント（３２）から得られ、該方法が被覆フィラメント（３２）の結合ラップまたは結合束を円筒状構成要素（２）のまわりに巻き付けるステップによって少なくとも１つの挿入物（３）を製造することを含み、巻き付けの少なくとも一部が直線方向に行われる、方法。
2. 円筒状構成要素（２）が少なくとも１つの直線巻付部分（２４）を備える、請求項１に記載の機械構成要素（１０、１１０）を製造する方法。
3. 円筒状構成要素（２）が２つの直線巻付部分（２４）を有する、請求項１または２に記載の機械構成要素（１０、１１０）を製造する方法。
4. ２つの直線部分（２４）が２つの円形部分（２５）の間に合わせ込まれている、請求項３に記載の機械構成要素（１０、１１０）を製造する方法。
5. ２つの円形部分（２５）が異なる半径を有する、請求項４に記載の機械構成要素（１０、１１０）を製造する方法。
6. 直線部分（２４）が平行である、請求項３または４に記載の機械構成要素（１０、１１０）を製造する方法。
7. 少なくとも１つの挿入物（３）が、熱間静水圧圧縮を受けるように容器（４）の中に挿入される、請求項１から６のいずれか一項に記載の機械構成要素（１０、１１０）を製造する方法。
8. ２つの挿入物（３）が、熱間静水圧圧縮を受けるように容器（４）の２つの反対向きの面（４２）のそれぞれの側に１つずつ挿入される、請求項７に記載の機械構成要素（１０、１１０）を製造する方法。
9. 挿入物（３）が非ゼロの角度（α）を形成する平面（Ｐ２、Ｐ３）内に位置決めされる、請求項８に記載の機械構成要素（１１０）を製造する方法。
10. 母材のセラミック繊維が中に延在する金属母材複合材で製作された少なくとも１つの挿入物（３）を備える機械構成要素（１０、１１０）であって、複合材の挿入物（３）が、金属外装で被覆されたセラミック繊維をそれぞれが備える複数の被覆フィラメント（３２）から得られ、回転する幾何学的形状を有し、少なくとも１つの直線方向に一部が向けられたフィラメント（３２）を備える、機械構成要素（１０、１１０）。
11. 機械構成要素（１０）の中央面（Ｐ１）のそれぞれの側に位置決めされた少なくとも２つの挿入物（３）を備える、請求項１０に記載の機械構成要素（１１０）。
12. ２つの挿入物（３）が、互いに対して角度（α）をなす平面（Ｐ２、Ｐ３）に位置決めされている、請求項１１に記載の機械構成要素（１１０）。
13. 棒状体を構成する、請求項１０から１２のいずれか一項に記載の機械構成要素（１０、１１０）。
14. 少なくとも１つの、請求項１０から１３のいずれか一項に記載の機械構成要素（１０、１１０）を備える降着装置。
15. 少なくとも１つの、請求項１０から１３のいずれか一項に記載の機械構成要素（１０、１１０）を備えるターボ機械。
16. 請求項１０から１３のいずれか一項に記載の機械構成要素、請求項１４に記載の降着装置、または請求項１５に記載のターボ機械を備える航空機。
17. 構成要素フィラメント（３２）が巻き付けられることが可能である、軸（Ｚ）のまわりで円筒状構成要素（２）を備える巻付装置（２０）であって、円筒状構成要素（２）が、巻付軸（Ｚ）に対して垂直方向の少なくとも１つの直線巻付部分（２４）を備える、巻付装置（２０）。
18. 円筒状構成要素（２）が２つの円形部分（２５）の間に位置決めされた２つの直線巻付部分（２４）を備える、請求項１７に記載の巻付装置（２０）。
19. ２つの細長形の端板（２１、２２）を備え、２つの端板（２１、２２）の間に細長形の円筒状構成要素（２）が挟まれている、請求項１７または１８に記載の巻付装置（２０）。
20. 各端板（２１、２２）がその周囲（２７）にスロット（２３）を有する、請求項１９に記載の巻付装置（２０）。
21. 円筒状構成要素（２）が中空内部（２９）を備え、スロット（２３）の深さが円筒状構成要素（２）の中空内部（２９）へのアクセスをもたらす、請求項１７から２０のいずれか一項に記載の巻付装置（２０）。

Images