JP3618964B2 - タービンエンジンの中空羽根を製造する方法及び該方法の実施に使用する多重作用プレス炉 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、タービンエンジンの中空羽根を製造する方法において使用される多重作用プレス炉に関する。
【０００２】
【従来の技術】
タービンエンジンのために翼弦長の大きな羽根を使用することから生じる利点は、ターボファンエンジンのブロワ回転羽根の場合に特に明らかである。これらの羽根は、厳しい使用条件に対応しなければならず、特に防振性と異物の衝撃に対する抵抗性に関連する十分な機械的特性を持たなければならない。その上、羽根の先端で速度を十分にするという目標は質量減少の探求に導いた。この目的は特に中空羽根の使用によって達成される。
【０００３】
ＥＰ−Ａ−０７００７３８は、タービンエンジンの中空羽根、特に翼弦長の大きなブロワ回転羽根の製造方法を記載している。この場合、それはコンピュータ支援設計製造システム（ＣＦＡＯ）で、製造すべき羽根の幾何学的特徴に基づいてデジタルシミュレーションを実施する第１ステップ（ａ）によって知られ、このシミュレーションは、図１に示すように、中央繊維状組織の両側の羽根の構成部分、繊維状組織の長さと部品１９の軸２０に対する繊維状組織の位置との関係に関する計算からなり、各部品は平面にされる。同様にこの段階で、最終結果と比較するために、ねじれによって部品の成形作業のデジタルシミュレーションを行う。ＥＰ−Ａ−０７００７３８から知られる製造方法は、下記のステップにしたがった一般的作業の流れを想定している。
【０００４】
（ｂ）型鋳造による羽根を構成する一次部品をプレスで鍛造する、
（ｃ）一次部品を機械加工する、
（ｄ）所定のパターンに従って拡散障壁（ｂａｒｒｉｅｒｅｓ ｄｅ ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ）を堆積させる、
（ｅ）一次部品を組み立てると共に均衡圧力下で拡散接合（ｓｏｕｄａｇｅ−ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ）を行う、
（ｆ）加圧ガスの作用下で膨脹させて超塑性成形加工を行う、
（ｇ）最終的機械加工を行う。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的の一つは、上記作業の流れの間に、中央繊維状組織に沿った座屈型の起伏を誘発する危険性のない、ねじれによる部品成形の追加作業を実施可能にすることである。これらの起伏は、最初の平面部品とねじれた部品との間の長さの差にもとづき側面繊維状組織の延長の際の圧縮応力によって生ずる。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明による多重作用プレス炉（ｐｒｅｓｓｅ−ｆｏｕｒ ａ ｍｕｌｔｉｐｌｅ ｅｆｆｅｃｔ）を使用する部品成形の、本発明による作業を含むタービンエンジンの中空羽根（ａｕｂｅ ｃｒｅｕｓｅ）の製造方法によって、周知の従来の方法における不都合を防止し、低コストで製造条件を容易にしながら反復的品質を保証して、作業条件において改善および最適化された形状的および機械的特性を有する羽根を得ることができる。
【０００７】
本発明によるタービンエンジンの中空羽根の製造工程は、エレメントの繊維状組織の延伸（ｍｉｓｅ ａ ｌｏｎｇｕｅｕｒ ｄｅｓ ｆｉｂｒｅｓ）ができるように、すなわちエレメントの様々な繊維状組織を中央繊維状組織の両側でこれらの繊維状組織を制御配分によって伸長させるように、制御された変形速度を保証して、ＴＡ６Ｖ型チタン合金製のエレメントを、少なくとも二つのポンチ（ｐｏｉｎｃｏｎｓ）と、成形加工ダイス（ｅｍｐｒｅｉｎｔｅ ｄｅ ｆｏｒｍａｇｅ）の上に置かれたエレメントに行使される一つのしわ押え（ｓｅｒｒｅ−ｆｌａｎｃ）との作用の下で、エレメントを７００℃〜９４０℃の温度でプレス下で等温成形することによって羽根を製造することを目的とする、エレメントの熱間成形工程を含む。
【０００８】
加熱手段に付属する加熱囲い（ｅｎｃｅｉｎｔｅ ｄｅ ｃｈａｕｆｆａｇｅ）、複数のジャッキを有する動力アセンブリに付属するプレスベース構造物、および一つの成形工具を含む特定の手段を、熱間成形工程を実施するために使用することは周知である。
【０００９】
しかしこれらの周知の手段は、本発明によるタービンエンジンの中空羽根の製造方法によって必要とされる熱間成形工程を実施するためには、十分に適合しないことは明らかである。この工程にしたがったタービンエンジンの中空羽根製造用のエレメント熱間成形するための多重作用プレス炉は、プレストレス抗張材を合体する円柱によって連結された下部金属板及び上部金属板で構成されるプレスベース構造物が前記加熱囲いを包囲しており、成形工具は、切欠きによってそれぞれ各端部で限定された成形ダイスを取り入れた下部底板と、変形中に部品を保持する上部しわ押えと、少なくとも二つの上部ポンチとから構成され、しわ押えとポンチは前記のジャッキを用いて取外しできることを特徴とする。本発明のその他の特徴と利点は、添付の図面を参照して本発明の一実施態様について行う下記の説明を読むことによって、さらに良く理解されよう。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明によってなされる好ましい適用例において、製造の中間状態にあるタービンエンジンのブロワ中空羽根を製造することを目的とする図２において９で示すようなエレメントを、羽根の下面または上面を構成するための鋳造された鋳肌の主外皮、または羽根の下面外皮と上面外皮を連結する補助縦通材を形成するための中央薄板、または羽根の上面外皮と少なくとも一つの中央薄板を含む溶接アセンブリ、または羽根の上面外皮と少なくとも一つの中央薄板を含む溶接されない前に組み立てられたアセンブリ、または下面外皮と上面外皮とを含む溶接アセンブリと呼ぶことにする。下記の説明では、採りあげられる非限定的な実施例は、タービンエンジン用の翼弦長の大きなブロワ中空羽根の製造ステップにおける溶接アセンブリ９に関し、この例は本発明の経済的に有利な適用条件に対応するものである。
【００１１】
デジタルシミュレーションの事前作業はそれ自体周知であり、また特に前述の欧州特許ＥＰ−Ａ−０７００７３８から周知のコンピュータ支援設計製造システム（ＣＦＡＯ）によって実施される。このシミュレーションは、図１に示すように、中央繊維状組織の両側で部品１９の軸２０に対する繊維状組織の位置に応じた繊維状組織の長さを保持することを目的とする。繊維状組織の延長が対象となる制御は、前記の繊維状組織の延長率の配分に応じた溶接アセンブリの薄肉化を評価できるようにする。したがって、情報科学的処理による計算によって、製造工程のすべての段階の後に望みの最終厚みを得るために、主外皮の厚みの変化を補償することができる。
【００１２】
こうして事前に決定されたエレメントに基づいて、タービンエンジンの中空羽根、記載の例では長翼弦ブロワ中空羽根９の製造方法は、本発明によれば、アセンブリの各エレメントの繊維状組織の長さ設定ができるように、すなわち各エレメントの様々な繊維状組織を中央繊維状組織の両側でこれらの繊維状組織を制御配分によって延長するように、制御された変形速度を保証して、ＴＡ６Ｖ型チタン合金製の溶接アセンブリを、少なくとも二つのポンチと、成形加工ダイスの上に置かれた溶接アセンブリにかかる一つのしわ押えとの作用の下で、溶接アセンブリを７００℃〜９４０℃の温度で等温成形することによって、羽根を製造することを目的とする、溶接アセンブリ９を熱間成形する注目すべき工程を含む。
【００１３】
好ましくは、使用されるチタン合金の超塑性条件の中に溶接アセンブリを保って作業を行う。こうして、ＴＡ６Ｖ型チタン合金について実施された試験は８８０℃〜９４０℃の間で行われ、対応する変形速度は、この超塑性条件を守って溶接アセンブリ９のエレメントに対するいかなる断面収縮の痕跡も防ぐことが可能なように選択された。
【００１４】
特定の適用に従って得るべき羽根形状の最終結果に応じて、熱間成形による前記の繊維状組織の延伸作業の前に、羽根の脚部と羽根下部領域に加えられる反らせ作業を先行させることができる。
【００１５】
その他の場合には、使用される手段または得るべき結果もしくはその両方に応じて、独特な熱間成形作業は、羽根の脚部と羽根下部領域の反らせと繊維状組織の延伸を同時に得ることを可能にする。
【００１６】
特定の適用例と得るべき羽根形状の最終結果との同じ判定基準に従って、等温成形による溶接アセンブリの繊維状組織の延伸作業の次に、羽根の探求された輪郭を確保するガス圧下での膨脹と超塑性成形の作業を続けることができる。
【００１７】
変形例として、繊維状組織の延伸作業の後に、ねじれと較正による形状設定を必要とすることもある。この場合には有利には、このねじれ作業を、繊維状組織の延伸作業の補助作業の後に、溶接アセンブリ９の中間冷却をすることなく連続して実施することができる。
【００１８】
図３と図４に示す熱間成形の多重作用プレス炉は、先に述べた本発明による製造工程におけるタービンエンジンの中空羽根エレメント９の繊維状組織の延伸作業を実施するために使用される。
【００１９】
このプレス炉は、二つの個別の部分、すなわち加熱囲い４７、繊維状組織の延伸工具２１、およびプレスベース構造物である下部と、成形のタイプに応じて必要な数のジャッキ６０からなる動力アセンブリの上部とによって構成される。この動力アセンブリは、図４に概略図示するようなアーチ状構造の組立品６１によって底部で連結することができる。
【００２０】
プレスの底部構造は、各々が一つのプレストレス抗張材５１を取り入れた４本の円柱５０によって連結された、受ける応力に応じて寸法決定された２枚の金属板４８、４９から構成される。この構造物の内部では炉４７が、繊維状組織の延伸工具２１および成形すべき部品、特にタービンエンジンの中空羽根の溶接アセンブリ９の７００℃〜９４０℃の温度での加熱を可能にする。
【００２１】
繊維状組織の延伸工具は、三つの個別の部分、すなわち繊維状組織の延伸ダイスを合体する底板２１、羽根の脚部と近接部分の反らせを可能にするしわ押え４５、および繊維状組織延長中の溶接アセンブリ９の支持物から構成される。この延長は少なくとも二つのポンチ４６、図に示す例では三つのポンチによってなされる。
【００２２】
図９に示す成形工具の中では、耐熱性合金またはセラミック材料でできた底板２１が、ＣＦＡＯで実施される繊維状組織の延伸ダイスを合体している。このダイスは、羽根の脚部６２と先端部６３の中実部分、図１のエレメントの望みの延長に対応する一つまたは複数の波形２３−２４−２５−２６、および図２の溶接アセンブリ９の回転支軸４０−４１を含む。さらに底板は、側部材４５を確実に位置決めするためのガイド円柱７２と、成形の前に底板の上に溶接アセンブリを完全に位置決めするための円柱７１を含む。
【００２３】
図７に示すしわ押え４５は、ポンチと同じだけのくぼみ７３から構成される単一鋳型による鋳物で形成されている。これはまた、ガイド円柱７２を受け入れて底板２１に対するしわ押えとポンチとの相対位置を確実に決めるための二つの中ぐり７４を含む。さらに二つの側方くぼみによって形成される中央仕切壁７５は、図４に示すように、成形サイクル中に中央繊維状組織に沿って溶接アセンブリ９を確実に保持する。またしわ押え４５は、羽根の一部分から延びた脚部の曲線または曲線ダイス６２と、羽根の先端部におけるダイス６３も含む。ダイス６２は、長さ設定サイクル中に溶接アセンブリ９を固定する前に羽根の脚部と隣接部分の反りを可能にする。
【００２４】
底板２１は、炉４７の台板の上に固定されているか、または単に置かれている。しわ押え４５と可動ポンチ４６は、図５と図６に詳細に示すようにＴ字形の連結部５５、５９を備えた伝達棒５４によって上部動力部に連結されており、これらの伝達棒５４は、側部材４５と可動ポンチ４６との膨脹の差に耐え、次にジャッキ６０の突出部に連結することができる。これらのＴ字形の連結は、ジャッキの突出部と伝達棒との間の熱障壁も確保する。さらに、しわ押え４５と伝達棒５４との連結は、加熱囲いすなわち炉４７の中に図８の繊維状組織の延伸工具を装入できるようにするために、９０°の回転によって伝達棒５４を確実に解放される。
【００２５】
Ｔ字形連結部を簡単にする目的で膨脹を一方向にするために、炉４７と繊維状組織の延伸工具２１を、図３、４に示しまた図８に詳細に示すように、心合せ駒５６によってプレスの下部分に対して的確に位置決めする。
【００２６】
これらの駒５６は、ポンチ４６の配置に従って、プレスの長手軸に沿って一般的な方法で、次に図８に概略的に示すようにポンチの個数に応じて位置決めする。伝達棒５４のアセンブリの誘導は、プレスの下部分の上部金属板４８の中にはめ込んだセラミック合成材でできた環５８によって確実に行われる。これらの環５８の範囲は、炉の上部円天上を通過して伝達棒５４のアセンブリを完全に誘導するように十分に長い。耐火性材料の金属管を備えた繊維状組織合成材でプレフォームされたスリーブ５７は、一時的な使用の場合に伝達棒５４を確実に冷却する。
【００２７】
長時間の使用の場合には、伝達棒５４は冷却用流体を循環させることができる管路を備える。
【００２８】
プレスの調整システムは、確実に緩やかな速度で変形を行って、タービンエンジンの中空羽根を実現するために使用されるＴＡ６Ｖ型のチタン合金などの材料を塑性領域内に残存するために、ポンチ４６の速度を確実に微調節する。課される変形速度は、５０ｍｍ／秒〜０．０５ｍｍ／秒の速度範囲を可能にする必要性に適合する油圧アセンブリ７０を用いて得られる。
【００２９】
ここで、本発明に基づいて、タービンエンジンの中空羽根溶接アセンブリ９の繊維状組織の延伸による成形作業の展開を説明する。加熱囲い４７は、ＴＡ６Ｖ合金に適用するために８８０℃以上の温度に保持され、しわ押え４５とポンチ４６は高い位置にあって、二つの挟み具８０を備えた図１１に概略的に示す装入装置７９によって、溶接アセンブリを底板２１に誘導できるようにするための空間を確保し、前記挟み具は、長さ方向の引張り応力を溶接アセンブリに加えて、溶接アセンブリ９を回転支軸４０、４１によって保持する。
【００３０】
溶接アセンブリは、台座の円柱７１によって垂直にガイドされる回転支軸４０−４１を介して底板２１の上に位置決めされる。この状態で溶接アセンブリ９は、これが成形温度に達するまで底板２１の上に静止する。この温度に達するとすぐに成形工程が始動し、しわ押え４５とポンチ４６が同時に所定の位置まで急速に降下し、ポンチ４６は停止する。しわ押え４５は、一つまたは複数のポンチ４６が同時または個別に降下することによって行われる繊維状組織の延伸を許す行程終端まで、超塑性成形速度で降下を続ける。ポンチ４６のアセンブリが行程終端に達すると、すぐにしわ押えとポンチは高い位置に再び上昇する。成形された溶接アセンブリの取出しは、溶接アセンブリ９がその重さによって座屈することを所定の引張り応力によって防ぐ前記装置７９を使用して行われる。
【００３１】
繊維状組織の延伸作業の後にねじれと較正による成形作業が必要である場合には、ＴＡ６Ｖ型のチタン合金でできた溶接アセンブリへの適用では、溶接アセンブリ９を７００℃〜９４０℃の範囲にある等温の適切な二つの成形工具の間に置くことができる。図１０に示す工具の実施例は、底板６５と、各端部で溝６７、６８によって限定された成形ダイス６６とを含む。溶接アセンブリ９は、回転支軸４０、４１を介して工具の中に置かれ、これらの回転支軸４０、４１は、図２と図１０に示すように円柱６９の間に含まれる垂直面の中に回転支軸４０、４１によって標示される中央繊維状組織を、変形の間ずっと保持するように、円柱６９によって垂直にガイドされる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による方法によって得られる組み立てた中空羽根の構成部品に対して実施すべき繊維状組織の延伸作業のデジタルシミュレーション結果を概略的に示す図である。
【図２】ねじれを行った後の中空羽根の溶接アセンブリを示す斜視図である。
【図３】タービンエンジンの中空羽根の製造工程において使用される本発明による多重作用プレス炉アセンブリの概略断面図である。
【図４】図３に示す多重作用プレス炉アセンブリの概略横断面図である。
【図５】図３及び図４に示すプレス炉アセンブリの動力アセンブリと伝達棒との間の連結部の詳細図である。
【図６】図３及び図４に示すプレス炉アセンブリの伝達棒としわ押えまたはポンチとの間の連結部の図５に示すものと類似の詳細図である。
【図７】図３及び図４に示すプレス炉アセンブリのしわ押えの概略斜視図である。
【図８】プレス炉アセンブリに対する工具の心合せ駒の設置を示す概略図である。
【図９】図３及び図４に示すプレス炉アセンブリの内部に配置された成形工具の概略斜視図である。
【図１０】繊維状組織の延伸後のねじれ作業のために使用される成形工具の概略斜視図である。
【図１１】図３及び図４に示すプレス炉アセンブリへ出入りを可能にする装入取出し装置の一例の概略図である。
【符号の説明】
９ 中空羽根エレメント
２１ 繊維状組織の延伸工具
４５ しわ押え
４６ 可動ポンチ
４７ 加熱囲い
４８ 上部金属板
４９ 下部金属板
５０ 円柱
５１ 抗張材
６０ ジャッキ
６２ 羽根の脚部
６３ 羽根の先端部

Claims (13)

1. タービンエンジンの中空羽根、特に翼弦長の大きなブロワ回転羽根（９）を製造する方法であって、
   （ａ）製造すべき羽根の特徴に基づき、コンピュータ支援設計製造手段（ＣＦＡＯ）を使用して検討し、羽根を構成する部分の平面度についてデジタルシミュレーションを行う段階と、
   （ｂ）型鋳造により一次部品をプレスで鍛造する段階と、
   （ｃ）一次部品を機械加工する段階と、
   （ｄ）所定のパターンに従って拡散障壁を堆積する段階と、
   （ｅ）一次部品を組み立てると共に均衡圧力下で拡散接合を行う段階と、
   （ｆ）加圧ガスの作用下で膨脹させて超塑性成形加工を行う段階と、
   （ｇ）最終機械加工を行う段階とを含んでおり、
   エレメントにおける繊維状組織の延伸を得る、すなわちエレメントの様々な繊維状組織を中央繊維状組織の両側で制御された分配によって伸長させるように、変形速度を調整しつつ、少なくとも二つのポンチ（４６）と成形加工ダイス（２１）上に置かれたエレメント（９）を固定するしわ押え（４５）とを作用させながら、プレス内でエレメント（９）を等温成形することによって、羽根製造用のＴＡ６Ｖ型チタン合金製のエレメント（９）を熱間成形する作業を含んでおり、
   前記熱間成形作業が、多重作用プレス炉で行われ、
   前記熱間成形作業は、断面収縮の危険性を避けるために８８０℃から９４０℃の温度とチタン合金の超塑性領域に対応すべく選択された変形速度とで行われる、
   中空羽根を製造する方法。
2. 前記熱間成形による繊維状組織の延伸作業が、鍛造される各一次部品に対して行われる請求項１に記載の中空羽根を製造する方法。
3. 前記熱間成形による繊維状組織の延伸作業が、羽根の内部を形成するための金属板に対して行われる請求項１に記載の中空羽根を製造する方法。
4. 前記熱間成形による繊維状組織の延伸作業が、非溶接羽根の構成部品を形成する平面アセンブリに対して行われる請求項１に記載の中空羽根を製造する方法。
5. 前記熱間成形による繊維状組織の延伸作業が、拡散接合前で一次部品を組み立てた後に得られる平面アセンブリに対して行われる請求項１に記載の中空羽根を製造する方法。
6. 前記熱間成形による繊維状組織の延伸作業に先立って、羽根の脚部の連結領域と羽根下部領域の反らせ作業が行われる請求項１から５のいずれか一項に記載の中空羽根を製造する方法。
7. 前記熱間成形作業が、羽根の脚部及び羽根下部領域の反らせと、同じ作業中における繊維状組織の延伸とを行うようにする請求項１から５のいずれか一項に記載の中空羽根を製造する方法。
8. 前記熱間成形による繊維状組織の延伸作業に次いで、中間冷却なしに連続してねじれによる成形作業を実施する請求項１から７のいずれか一項に記載の中空羽根を製造する方法。
9. 羽根のエレメントを前記プレス炉に装入しまたはプレス炉から取り出すときに、エレメントがその両端間で確実に引張り保持される請求項１から８のいずれか一項に記載の中空羽根を製造する方法。
10. 請求項１から９に記載の方法に従ってタービンエンジンの中空羽根製造用のエレメント（９）を熱間成形するための多重作用プレス炉であって、加熱手段に連結された加熱囲い（４７）と複数のジャッキを有する動力アセンブリ（６０）に連結されたプレスベース構造（４８、４９）と成形工具（２１）とを含んでおり、プレストレス抗張材（５１）を組み込んだ円柱（５０）によって連結された下部金属板（４９）及び上部金属板（４８）から構成されるプレスベース構造が前記加熱囲い（４７）を包囲しており、成形工具は、切欠き（６２、６３）によってそれぞれ各端部で限定された成形ダイスを組み込んだ下部底板（２１）と、前記ジャッキ（６０）によって移動可能な、変形中に部品を保持する上部しわ押え（４５）、及び少なくとも二つの上部ポンチ（４６）とによって構成されていることを特徴とする多重作用プレス炉。
11. 前記しわ押え及びポンチが、各端部においてＴ字形の連結材で結合された伝達棒によって動力アセンブリに連結されている請求項１０に記載のタービンエンジンの中空羽根製造用のエレメントを熱間成形するための多重作用プレス炉。
12. 前記の下部底板（２１）が、各端部において羽根エレメント（９）の両端に配置された回転支軸（４０、４１）を垂直方向にガイドする円柱（７１）と、しわ押え（４５）のガイド用円柱（７２）とを含んでいる請求項１０または１１に記載のタービンエンジンの中空羽根製造用のエレメント（９）を熱間成形するための多重作用プレス炉。
13. しわ押え（４５）は、ポンチ（４６）の確実な通過とガイドを行うくぼみ（７３）を含み、羽根エレメントの長手方向の保持はくぼみの仕切り壁（７５）によって確実になり、成形のときに中央繊維状組織（２０）を確実に固定する羽根エレメントの全長にわたる中央部分の保持がしわ押え（４５）によって得られる請求項１０から１２のいずれか一項に記載のタービンエンジンの中空羽根製造用のエレメント（９）を熱間成形するための多重作用プレス炉。

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