JP2011092996A - 機械工作用工具及び機械工作方法 - Google Patents

Abstract

【課題】中空タービン部品などの中空金属製物品の鋳造に用いるためのセラミック・コアの製造に関し、より具体的には、セラミック・コアをつくるための機械工作用工具及び機械工作方法を提供する。
【解決手段】ガスタービン翼などの金属製エアホイルの鋳造に使用するセラミック・コアの機械工作工具として、コア形状の空洞Ｃの少なくとも一部を形成するように簡単な形状のバックアップあるいは支承体内に配置され、バックアップ体１０ａ、１０ｂとコア形状の空洞の少なくとも一部を形成するために前記バックアップ体内に配置される１つあるいは複数の易加工性機械工作用ライナー２０で構成されるセラミック・コアをつくることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、中空タービン部品などの中空金属製物品の鋳造に用いるためのセラミック・コアの製造に関し、より具体的には、セラミック・コアをつくるための機械工作用工具及び機械工作方法に関する。

タービン・ガス・エンジンのメーカーのほとんどはエアホイル内部冷却の効率を改善してエンジンの推進力をより大きくし、エアホイルの寿命を満足すべきものとするために、入り組んだエア冷却チャンネルを含む最新の多重壁及び薄壁超合金ガス・タービン・エアホイル（タービン翼など）の評価を行っている。米国特許第５２９５５３０号公報及び米国特許第５５４５００３号公報は、この目的のために入り組んだエア冷却チャンネルを含んだ多重壁及び薄壁タービン翼を開示している。

米国特許第５２９５５３０号公報 米国特許第５５４５００３号公報

ところで、内部冷却通路を有する中空ガス・タービン翼（エアホイル）とシュラウド（側板）の鋳造においては、鋳造エアホイル内に内部冷却通路を形成するために、セラミック製インベストメント・シェル型内部に焼成セラミック・コアが配置される。中空エアホイルのインベストメント鋳造において用いられる上記焼成セラミック・コアは薄い断面の先端領域と後端領域を有している。これらの先端領域と後端領域の間に、上記コアは、複数の内部壁、台座、タービュレータ、リブ、チェンバー、プレナム、および鋳造エアホイルあるいは鋳造シュラウド内に冷却通路を分離したり及び／またはそれらの内部に配置される同様の特徴を形成するために細長いあるいはその他の形状の開口部を含んでいる場合もある。

セラミック・コアは１種以上のセラミック粉末、結合剤、それにオプション可能な添加剤を含む適切な流体セラミック・コア材料の射出成形、トランスファー成形、あるい適切な形状のコア成形金型にへの注入によって望ましいコア構成に成形される。成形されたばかりのコアを金型から取り出した後、１回あるいは複数回（大気温度以上の）昇温度下で焼成して易加工性結合剤を取り除き、通常、ガスタービン・エンジン翼（エアホイル）を鋳造するのに用いられるニッケルあるいはコバルトを主体とする超合金などの金属素材の鋳造で用いるために、そのコアをさらに焼成・強化する。

通常のコア機械工作では硬化特殊鋼の恒久機械工作のための高価な放電機械工作機と、金型を機械工作し、さらに挿入物やリブやそれらの工具を用いて形成されるコアに付与されるべきその他の冷却特性を機械工作するための高度機械工作技術が必要となる。残念ながら、セラミック・コア材料は機械工作工具に対して抵抗性が高く、時間が経つと工具を摩耗させる。そうした工具の摩耗はコアの幾何学的形状とそれらのコアを用いて行われる鋳造性能の望ましくない変化やばらつきをもたらす。

焼成されたセラミック・コアは次によく知られているロスト・ワックス・プロセスで用いられ、このプロセスでは、セラミック・コアはパターン成形型内に配置され、加圧下でパターン材料を型内部のコアと内壁間のスペースに注入して、そのコアの周囲に易加工性パターンを形成する。このパターンは通常コアの後縁の形状と位置的に対応した小断面後縁領域を有する翼状の領域を有している。このパターンはまた１つあるいは複数のプラットホームやシュラウドなどの他の形状特性を有している場合もある。

内部にセラミック・コアを含んだこの易加工性パターンは繰り返し機械工作ステップにかけられて、その上にシェル・モールドが構築される。例えば、このシェル／コア・アセンブリをセラミック・スラリー内に繰り返し浸して、過剰なスラリーを抜き、粗めのセラミック・スタッコあるいはサンドでスタッコ機械工作して、次ぎに空気乾燥して、そのアセンブリ上にシェル・モールドを形成する複数のセラミック層を構築する。得られたパターン／コア・アセンブリを次に蒸気オートクレーブなどのパターン除去操作にかけて、易加工性パターンを選択的に取り除き、内部にセラミック・コアを含んだシェル・モールドを得る。このシェル・モールドを昇温状態で焼成して、金属鋳造に適したシェル・モールド強度を得る。

ニッケルあるいはコバルトを主体とした超合金などの溶融金属素材を予備加熱したシェル・モールドに入れて固化させ、等軸粒子、円柱状粒子、あるいは単結晶翼をつくる。得られた鋳造翼はコアを除いた後に内部冷却通路を形成するためのセラミック・コアを含んでいる。このコアは洗脱あるいはその他の従来の技術を用いて取り除くことが出来、中空の鋳造金属性エアホイルが得られる。

本発明は、バックアップ体とコア形状の空洞の少なくとも一部を形成するために前記バックアップ体内に配置される１つあるいは複数の易加工性機械工作用ライナーで構成されるセラミック・コアをつくることを特徴とする。

本発明は、中空金属製物品の鋳造に用いられるためのセラミック・コアを容易に製造できる。

図１Ａは、本発明の例示的な実施の形態による機械工作工具の断面図で、化粧機械工作用ライナーが用いられている。図１Ｂは、本発明の別の例示的な実施の形態による機械工作工具の断面図で、コア成形面の部分だけを形成するために化粧機械工作用ライナーが用いられており、バックアップ体表面がそのコア成形面の残りの部分を形成している。（実施例） 図２は、さらに別の実施の形態を示す断面図で、いろいろなタイプの易加工性挿入物が化粧機械工作用ライナー間に配置されている。（実施例） 図３は、コアと易加工性ライナー／挿入物の俯瞰図で、バックアップ体から取り出した後、コアが化粧機械工作用ライナー間にある。（実施例） 図４は、易加工性ライナー／挿入物が取り除かれた後のコアの俯瞰図である。（実施例） 図５は、バックアップ体と易加工性ライナー及びライナー間の挿入物の展開図で、挿入物がライナー間に予め装填されている。（実施例）

本発明は、セラミック・コアをつくるための機械工作工具を提供するもので、このコア機械工作ではコア状の空洞の少なくとも一部を形成するように単純な形状のバックアップあるいは支承体内に配置され、さらにコストが高くつく硬化／機械工作された恒続的なスチール製機械工作工具の必要性をなくしてくれる１つ以上の易加工性機械工作用ライナー及びオプション可能な易加工性機械工作用挿入物が用いられる。

本発明の例示的に示す１つの実施の形態においては、各易加工性機械工作用ライナーは上記バックアップ体の隣接する内部支承面のそれと合致する単純な形状を有する外部表面と、機械工作用ライナーがバックアップ体に配置されて、その機械工作用ライナーがコア状の空洞を形成すると望ましいコア表面の特徴を形成できるように構成されている内部表面を有している。オプションとしての易加工性挿入物はセラミック・コア上あるいは内にリブ、穴、通路、その他の特徴を形成するために機械工作用ライナー間に配置することができる。コア形状の空洞は、セラミック・コアの製造において、中空ガス・タービン翼あるいはその他の中空の物品などの中空翼を鋳造で用いるための１つまたは複数のエアホイル上表面を有している場合もある。

セラミック・コアは本発明の１つの実施の形態に基づく方法に基づいて、通常は加圧状態で流体セラミック・コア混合物をバックアップ体内の易加工性機械工作用ライナーによって少なくとも部分的に形成されたコア状の空洞内に導入し、空洞から成形されたセラミック・コアを取り出し、さらに、コアと一緒に、あるいは（コアとは分離して）バックアップ型体から取り出して廃棄することによってつくられる。次のセラミック・コアは新しい（未使用の）機械工作用ライナーとオプション可能な機械工作用挿入物を用いてつくられる。あるいは、易加工性機械工作用ライナーをダックアップ体内に残して、そのライナーが使用可能な状態であれば再使用するようにしてもよい。つまり、易加工性機械工作用ライナー及び挿入物は１つのセラミック・コアをつくるために１つあるいは複数の製造サイクル（例えば、セラミック・スラリー注入サイクル）で用いられ、そして、新しい（未使用の）機械工作用ライナー及びオプション可能な挿入物と交換される。

本発明は、セラミック・コアをつくるための機械工作工具を提供するもので、この機械工作工具ではコア形状の空洞の少なくとも一部を形成するように簡単な形状のバックアップあるいは支承体内に配置され、コストの高い硬化硬化／機械工作された恒続的なスチール製機械工作工具の必要性をなくしてくれる１つ以上の易加工性機械工作用ライナー及びオプション可能な易加工性機械工作用挿入物が用いられる。ガスタービン翼などの金属製エアホイルの鋳造に使用するための、エアホイル状の形状を有するセラミック・コアの作成に関して、以下に本発明を詳細に説明するが、本発明はこの事例に限定されるものではなく、本発明はどのような望ましい形状を有するセラミック・コアの作成にも用いることができる。

図１〜図５を参照して説明すると、本発明の１つの例示的な実施の形態は、コア状の空洞Ｃの少なくとも一部を形成するためのバックアップあるいは支承体としてのバックアップ体１０内に配置された複数の易加工性機械工作用ライナー２０ａ、２０ｂを含む機械工作用工具を提供する。

バックアップ体１０は機械工作用ライナー２０ａ、２０ｂを受け入れるための機械工作用空洞ＴＣを形成するために配置することができる複数の部品（図示されている第１及び第２の部品１０ａ、１０ｂ）を含んでいる。上記バックアップ体１０の複数の部分は通常のコア射出機の射出用金型として組み込み、配置することができる。

図１Ａ、図１Ｂ及び図５で、バックアップ体１０の部分１０ａ、１０ｂは加工にそれ程経費がかからない単純な図形をもたらすようにするための平坦及び湾曲した図形の表面を含んでいる。それらの具体的な単純で平坦な及び湾曲した表面１０を図示してあるが、他の単純な図形の表面１０を用いることもでき、そうした表面には、平坦なもの、あるいは湾曲したもの、あるいはそれらを組み合わせ、さらにはその他の加工しやすい特徴を有する表面などが含まれている。バックアップ体１０は硬化スチールあるいはセラミック・コア（Ｃｏｒｅ）を形成するために、通常は加圧状態で導入される液体セラミック材料の圧力に耐えられるその他の材料でつくることができる。

図１Ａで、すべてのコア表面は機械工作用ライナー２０ａ、２０ｂの内部表面で形成される。しかしながら、コア形状の空洞の単純な表面と従ってコアは永続的な機械工作工具の表面によって、つまり、図１Ｂに示すように、バックアップ部品１０ａ、１０ｂの表面ＢＳなど、永久使用機械工作工具の表面によっても形成されるので、本発明はこの実施の形態に限定されるものではない。また、単純なコア表面のために単一の機械工作用ライナー２０ａあるいは２０ｂを用いることもできる。

コア機械工作用工具には１つあるいは複数の易加工性機械工作用ライナー２０を含んでいる。図では、機械工作用空洞ＴＣ内に配置される第１と第２の易加工性機械工作用ライナー２０ａ、２０ｂを含む状態で示してある。それぞれの第１及び第２の機械工作用ライナーは単純で平坦及び湾曲した図形や、バックアップ体１０の隣接部分の隣接内部支承表面１０の図形と対応したその他の単純な図形と有する外部表面２０と、その機械工作用ライナー２０ａ、２０ｂがコア形状の空洞Ｃを形成するために向き合った状態でバックアップ体１０内に配置されると望ましいコア表面の特徴と合致するように構成された内部表面１０ｃを有している。機械工作用ライナーはバックアップ体の隣接する平坦あるいは湾曲した表面１０と係合するう平坦及び湾曲した外部表面２０を含む状態で示してあるが、バックアップ体１０の隣接部分の面と対応する単純な表面２０を用いることができる。機械工作用ライナー２０ａ、２０ｂはバックアップ体１０の部分１０ａ、１０ｂに嵌め込むように設計することもできるし、それらは、取り外し可能な粘着剤あるいは取り外し可能なファスナーはクランプで保持することもできる。

機械工作用ライナーの内部表面２０Ｃは、それら機械工作用ライナー２０ａ、２０ｂをバックアップ体１０内に配置すると、エアホイル・コア形状の空洞Ｃ（図１Ａ参照）、あるいはエアホイル・コア形状の空洞Ｃの少なくとも一部を形成する（図１Ｂ参照）。上に述べたように、上記コア形状の空洞Ｃ及び従ってコアの単純な表面は、図１Ｂに示すように、バックアップ部分１０ａ、１０ｂの表面ＢＳによって形成することができる。機械工作用ライナーの内部表面２０Ｃは、それら機械工作用ライナー２０ａ、２０ｂをエアホイル・コア形状空洞Ｃの少なくとも一部を形成するようにバックアップ体１０内に向き合う関係かその他の位置関係で配置されると、望ましいコア表面の特徴を呈するように構成されている。

この易加工性機械工作用ライナーは一般的には適切なポリマーを用いて射出成型されるが、ポリアクトン、ポリビニル、及び澱粉質を加工したポリマーなどその他の易加工性ライナー用の素材を用いることもできる。

コア機械工作用工具には１つあるいは複数のオプション可能な易加工性挿入物３０ａ〜３０ｈを含んでおり、これらは機械工作用ライナー２０ａ、２０ｂ間及び／又は機械工作用ライナー２０ａ、２０ｂの内部表面２０ｃ間に配置される（図２及び図５参照）。これらの機械工作用ライナー間に延びる上記挿入物３０ａ〜３０ｈは、穴、通路、及びその他の貫通孔をセラミック・コア内に形成するために用いることができる。機械工作用ライナーの表面２０Ｃ上に配置されたこれらの挿入物３０ａ〜３０ｈを用いて、複雑に入り組んだ最終製品コア内に簡単には形成できないリブ、通路、シュラウド、チェンバー、さらに後支えの特徴などのコア表面特徴（例えば、蟻継ぎ結合部）などを形成することができる。

易加工性挿入物は易加工性サブアセンブリとしても提供することができ、この場合、図２の挿入物３０ａ及び３０ｂで示すような通路及びコア表面を形成するために、種々の挿入物を１つのサブアセンブリとして提供する。これらの易加工性挿入物は図２に示す挿入物３０ｈ、あるいは、図２の挿入物３０ｇで示すようにライナー表面の部分として、ライナー表面２０ｃ上に射出成型することができる。これらの挿入物３０ａ、３０ｂはライナー表面２０ｃ上に個別に射出成型され配置された要素から組み立てることも可能である。これらの易加工性挿入物は、以下に述べるインベストメント最終的に成型処理で用いるためのスペーサー、レイヤー、ファスナーなどの一定の易加工性の特徴を結う売る複合的なコアとつくるだすために、成型されるコアの一部を含んでいてもよいし、あるいはその一部として組み込まれてもよい。

これらの易加工性挿入物は、図２の挿入物３０ｄで示すように、ライナー表面２０ｃに対して垂直であってもよいライナー表面２０ｃに対する接続要素を含んでいてもよい。これらの易加工性挿入物は、図２の挿入物３０ｅで示すような空洞ｃの仕切り面ｐｐに対して垂直であってもよいライナー表面２０ｃに対する接続要素を含んでいてもよい。

セラミック・コアは、本発明の１つの実施の形態によれば、セラミック・スラリーなどの流体セラミック・コア素材を、通常は加圧状態下で、バックアップ体１０内に易加工性機械工作用ライナー２０ａ、２０ｂによって形成されるコア状空洞Ｃ内に導入することによってつくられる。この流体セラミック素材はバックアップ体１０内の通路ＣＯ（図１Ｂ参照）を介して導入される。セラミック・コアが成型されセットされると、バックアップ体１０の部分１０ａ、１０ｂを開けて、成型された生のセラミック・コアを取り出すことで、成型された生（未焼成）コアが取り除かれる。易加工性機械加工用ライナー２０ａ、２０ｂは成型された生コアから、成型された生セラミック・コアと共に、あるいは単独で取り外されて、廃棄される（再使用されない）。オプション性の易加工性挿入物３０ａ〜３０ｈは熱処理で溶融あるいは蒸発させたり、あるいは溶解するための溶剤処理、さらにはそれらの挿入物を成型されたコアから選択的に取り出すその他の方法で取り除かれる。最終的なコア１００は、図４に示す状態で残り、選択的に取り出されたそれぞれの挿入物３０ａ〜３０ｈによってつくられたコアの内部及び外部的特徴を備えている。

次のセラミック・コアは新しい（未使用の）機械工作用ライナー２０ａ、２０ｂとオプション性の新しい機械加工用挿入物３０を用いてつくられる。つまり、上記の易加工性機械工作用ライナー及び挿入物は１回の製造サイクル（つまり、セラミック注入サイクル）でひとつのセラミック・コアをつくるために使うことが可能で、その後、新しい（未使用の）機械工作用ライナー及びオプション性の挿入物と交換される。あるいは、これらの易加工性機械工作用ライナーバックアップ体１０内に残して、その機械工作用ライナーが使用可能な場合は再使用される場合もある。つまり、これらの易加工性機械工作用ライナー及び挿入物は複数の製造サイクル（つまり、複数のセラミック注入サイクル）で複数のセラミック・コアをつくるために使うことが可能あるが、それらの機械工作用ライナーがもはや使用できない場合は新しい（未使用の）機械工作用ライナー及びオプション性の挿入物と交換される。しかしながら、後ろ側を固定したコアをつくる場合は、コアから切り離すために破壊されるので、これらの機械工作用ライナーは１回の製造サイクルでしか使うことはできない。

以下の請求項で述べるような本発明の精神と範囲から逸脱することなく、上に述べた本発明の実施の形態において種々の変更や修正が可能であることは、当業者には自明であろう。

この発明に係る機械工作用工具及び機械工作方法は、各種分野で用いることが可能である。

１０ バックアップ体
１０ａ、１０ｂ バックアップ体の部分
２０ａ、２０ｂ 機械工作用ライナー
２０ｃ 機械工作用ライナーの内部表面
３０ａ〜３０ｈ 挿入物
ＢＳ バックアップ体の部分の表面
Ｃ エアホイル・コア形状空洞
ＣＯ バックアップ体の通路
ＴＣ 機械工作用空洞

Claims (21)

1. バックアップ体とコア形状の空洞の少なくとも一部を形成するために前記バックアップ体内に配置される１つあるいは複数の易加工性機械工作用ライナーで構成されるセラミック・コアをつくることを特徴とする機械工作用工具。
2. 前記バックアップ体は、前記機械工作用ライナーを受け入れるための機械工作用空洞を形成するために配置できる複数の部分を含んでいることを特徴とする請求項１に記載の機械工作用工具。
3. 前記機械工作用空洞内に第１及び第２の易加工性機械工作用ライナーが配置され、この第１及び第２の機械工作用ライナーのそれぞれは、前記バックアップ体の隣接部分の隣接内部支承面及の形に対応した単純な形の外部表面と、前記機械工作用ライナーを前記バックアップ体内に配置した場合に望ましいコア表面形状の少なくとも一部を形成するように構成された内部表面を有していることを特徴とする請求項２に記載の機械工作用工具。
4. 前記第１及び第２の易加工性機械工作用ライナーの内部表面は、前記コア表面の全部を形成することを特徴とする請求項３に記載の機械工作用工具。
5. 前記第１及び第２の易加工性機械工作用ライナーの内部表面は前記コア表面の一部を形成し、前記バックアップ体の表現は残りのコア表面を形成することを特徴とする請求項３に記載の機械工作用工具。
6. 前記バックアップ体は、簡単に加工された内部表面を含んでいることを特徴とする請求項１に記載の機械工作用工具。
7. 前記機械工作用ライナーは、前記バックアップ体のそれぞれの簡単に加工された内部表面と係合する表面を含んでいることを特徴とする請求項６に記載の機械工作用工具。
8. 前記機械工作用ライナーは、ポリマーで出来ていることを特徴とする請求項１に記載の機械工作用工具。
9. 前記機械工作用ライナー間には、１つあるいは複数の易加工性挿入物を含んでいることを特徴とする請求項１に記載の機械工作用工具。
10. 前記機械工作用ライナー上には、１つあるいは複数の易加工性挿入物を含んでいることを特徴とする請求項１に記載の機械工作用工具。
11. 前記機械工作用ライナーは、エアホイル上の空洞を形成することを特徴とする請求項１に記載の機械工作用工具。
12. セラミック・コアを形成するための機械工作方法において、セラミック・コア素材をバックアップ体内部に１つあるいは複数の易加工性機械工作用ライナーによって少なくとも部分的に形成されたコア形状の空洞内に流体セラミック・コア素材を導入するステップと、前記セラミック・コアを前記空洞から取り出すステップと、そして、前記バックアップ体から前記１つあるいは複数の易加工性機械工作用ライナーから取り出すステップで構成されることを特徴とする機械工作方法。
13. 前記各ステップは、新しい未使用の機械工作用ライナーを用いて繰り返され、別のセラミック・コアをつくることを特徴とする請求項１２に記載の機械工作方法。
14. 前記各ステップは、同じ機械工作用ライナーを用いて繰り返され、別のセラミック・コアをつくることを特徴とする請求項１２に記載の機械工作方法。
15. 前記流体セラミック素材は、加圧状態下で前記空洞内に導入されることを特徴とする請求項１２に記載の機械工作方法。
16. 前記機械工作用ライナーを、それら機械工作用ライナーの表面が前記バックアップ体の簡単に加工された表面と合致するように、前記バックアップ体内に配置するステップを含むことを特徴とする請求項１２に記載の機械工作方法。
17. 前記バックアップ体内に内地する前に前記機械工作用ライナーを射出成型するステップを含むことを特徴とする請求項１２に記載の機械工作方法。
18. 使用済みの前記機械工作用ライナーを廃棄するステップを含むことを特徴とする請求項１２に記載の機械工作方法。
19. 前記コア状空洞は、エアホイル形状で形成されることを特徴とする請求項１２に記載の機械工作方法。
20. 前記機械工作用ライナー間に１つあるいは複数の易加工性挿入物を配置するステップを含むことを特徴とする請求項１２に記載の機械工作方法。
21. 前記機械工作用ライナー上に１つあるいは複数の易加工性挿入物を配置するステップを含むことを特徴とする請求項１２に記載の機械工作方法。

Images