JP4267199B2 - 薄型部品の寸法の大きな環状表面に対する超音波式ショットピーニング方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、エンクロージャ内部で微小球であるマイクロボールの霧を利用する「超音波式」と呼ばれるショットピーニング方法、とりわけ、薄型部品すなわち薄肉部品の寸法の大きな環状の表面に対するショットピーニング方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
マイクロボールを噴射することによって、金属部品の表面にショットピーニングを施す方法が知られている。十分な運動エネルギーとともに、部品の表面への垂線に対する小さな入射角度でその表面に衝撃を加えることによって、マイクロボールは、薄い部品の表面を恒常的に圧縮させることができる。こうした圧縮は、部品の表面における亀裂の発生及びその進行を妨げることができ、その結果、疲労耐性を改良することが可能になる。マイクロボールは、通常はころ軸受けの球である。それらは通常、０．２ｍｍから４ｍｍの直径をもち、セラミックまたはスチール製である。ショットピーニングは、圧縮ガスとマイクロボールが同時に供給されるノズルを用いて閉鎖されたボックスの内部で行なわれ、圧縮ガスがマイクロボールを押出す役割を果たす。
【０００３】
航空機製造技術においては、寸法の大きな薄型部品が製造されるが、それら部品に対するショットピーニングには、いくつかの問題点がある。
【０００４】
・大きな部品は大きなボックスを必要とする。
【０００５】
・ショットピーニングは、薄型部品を変形させないようにするため、多くの場合軽く行なわれる。というのも、薄型部品は、激しいショットピーニングの結果生じる圧縮応力によって引き起こされる応力を、変形することなく回復することができず、こうした圧縮は、ショットピーニングを施された表面の下の深い部分にまで行き渡るからである。
【０００６】
・部品にショットピーニングを施す場合には、その部品に最良の耐性を与える最適値で行なわれなければならない。しかしながら、このようなショットピーニングの実施は難しい。なぜなら、ショットピーニングのノズルは調整が難しく安定していないからである。このようにして、不十分なショットピーニングによっては期待された耐性を得ることができないが、それでも補足的なショットピーニングを行うことによって最適値に到達することもまた可能である。反対に、過剰なショットピーニングは、部品の耐性を低下させるとともに、表面の再生不能な劣化を引き起こしてしまう。
【０００７】
特許ＦＲ．２６８９４３１によって、エンクロージャの内部でマイクロボールの「霧」を維持することからなるいわゆる「超音波式」ショットピーニング方法が知られているが、こうした維持は、およそ２０ＫＨｚの振動数で作動する振動機を用いて行なわれ、エンクロージャは開口され、部品はエンクロージャの開口部に対して押し付けられ、ショットピーニングは、その部品上にマイクロボールを衝突させることによって行なわれ、エンクロージャと部品は、エンクロージャをショットピーニングされる部品の表面全体に通すための相対的運動によって動かされる。この特許はまた、シャフトのような円形部品に対するショットピーニング方法を示している。
【０００８】
「霧」という用語は、微小な水滴によって形成される霧から類推して使用される。実際に、超音波式ショットピーニング方法においては、マイクロボールは、大きさにおいても方向においてもランダムな速度で動かされ、それによって、マイクロボールの霧と接触する部品の表面及びエンクロージャの壁に対して、マイクロボール間の跳ね返りが起きる。
【０００９】
この特許は、変形することなく、ショットピーニングの結果生じる応力を回復することができる重量のある部品の例を示している。しかしながら、その方法では、薄型の円形部品にショットピーニングを施すことができない。なぜなら、そうした部品は、ショットピーニング中にすでにすぐに変形し始めるからである。表面に均等にショットピーニングが施されたとしても、そうした変形は、ショットピーニング終了時点では部分的にしか解消されない。なぜなら、材料の非線形の可塑的変形によって応力が加えられるからである。さらに、この方法は、均等なショットピーニングを得ようとする場合には、部品が１回転した時点で正確にショットピーニングを停止することを要求する。というのも、ショットピーニングの停止が遅れると、オーバーラップゾーンにおいてショットピーニングが局所的に過剰になってしまい、一方、停止が速すぎると、局所的にショットピーニングが足りなくなり、すぐ隣りのショットピーニングを過剰にすることなく、そのゾーンのショットピーニングだけを補足するのは難しいからである。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
解決すべき第１の課題は、ショットピーニングのエンクロージャより大きな寸法をもつ薄型の円形部品を変形させることなく、その部品にショットピーニングを施すことにある。
【００１１】
解決すべき第２の課題は、ショットピーニングされる表面全体に均等なショットピーニングを行うことにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明は、薄型部品の寸法の大きな環状表面に対する超音波式ショットピーニング方法を提案するが、前記方法は、ショットピーニングされる表面をショットピーニングのエンクロージャの開口部の前に通すことからなり、前記エンクロージャは、エンクロージャ内部で振動機によって維持されたマイクロボールの「霧」を閉じ込め、前記マイクロボールは、開口部の前に置かれたショットピーニングされる表面の部分に衝突し、前記衝突がショットピーニングを引き起こし、前記エンクロージャ及び前記部品は、ショットピーニング中にエンクロージャの開口部の前にショットピーニングされる表面全体を通すために、相対的回転運動によって動かされる。
【００１３】
このような方法は、ショットピーニングされる表面が、ショットピーニング中に、エンクロージャの開口部の前で、少なくともＮ＝５回転するという点に特徴がある。
【００１４】
いいかれば、ショットピーニングは、エンクロージャの開口部の前をＮ回通過し、ショットピーニングされる表面の各点は、エンクロージャの開口部の前をＮ回通り、通過するごとに、ショットピーニング全体のほぼＮ分の１に当たる部分が実施されることになる。
【００１５】
このような方法は結果的に、同一のショットピーニングを実施している間、ショットピーニングされる表面全体におけるショットピーニングの均等性を改良することができる。この均等性は、ショットピーニング中に部品の変形、さらにショットピーニングが完了した時の部品の残留変形を小さくさせる。こうした結果は、ショットピーニング中に部品に加えられた応力が、ショットピーニングされた表面全体にほぼ均等になることから説明できるであろう。このようにして、第１の課題が解決される。
【００１６】
さらに、部品がショットピーニングのエンクロージャの前をＮ回通過した時に、ショットピーニングを正確に停止させることも必要なくなる。なぜなら、停止の不正確さによって生じるショットピーニングの過剰や不足は、ショットピーニング全体のＮ分の１以下になり、そのことから、第２の課題が解決される。
【００１７】
発明者は、Ｎ＝５回転以上であれば、得られる結果が許容可能となるとみなしている。こうした結果は、当然のことながら、より多くの回転数、たとえば２０または１００回によって、さらに優れたものとなるであろう。非常に薄い部品をショットピーニングするためには、大きな数Ｎが必要となる。
【００１８】
この方法の利点は、ショットピーニングが行なわれている間ずっと、部品に加えられる応力が均等なままとなることから、薄い部品を変形させることなく、最適値まで押し進められる大規模なショットピーニングを可能にすることにある。
【００１９】
本発明の特許請求の対象となる方法は、先に挙げた特許に記載されている方法と混同されてはならず、その特許によって提案されている方法とは異なると思われる。この特許は、ショットピーニングがただ一回の通過だけに行なわれるということを明白には記載てはいないが、暗示している。また実際にそうである。
【００２０】
この特許の７ページ２０行目に、Ｖｉ＝Ａｉ／Ｔｏという式が示されているが、ここでＶｉは部品上のエンクロージャの移動速度であり、Ａｉは図１に示されているエンクロージャの幅とほぼ同一視することができる振動表面の幅であり、Ｔｏは表面にショットピーニングをさらす時間であり、この時間は７ページ７行目の式によって与えられる。ショットピーニングがＮ回行なわれる場合には、ショットピーニングされる表面の各部分が、Ｔｏ時間さらされるように、Ｖｉ＝Ｎ×Ａｉ／Ｔｏと記さなければならないはずである。したがって、Ｎ＝１がこの特許を解釈する上での唯一の条件となる。
【００２１】
さらに、特に７ページ２４から３４行目には、より大きな速度によっては不十分なショットピーニングが行なわれ、一方、より小さな速度では「過剰な冷間加工」が行なわれると記されている。速度パラメータＶｉはここでは重要である。なぜなら、表面の各部分がショットピーニングにさらされるの時間Ｔｏを遵守するためには、ただ一回で、または非常に少ない回数で、部品の周囲全体を正確にショットピーニングしなければならないからである。本発明では反対に、この速度パラメータは、当然のことながら部品に衝突する微超粉の速度と比較して小さいままである限り、さほど重要ではない。
【００２２】
航空機用ターボエンジンの駆動用テーパのフランジの支承表面のショットピーニングを表す、添付の単一図の詳細な実施形態を参照することによって、本発明がよりよく理解され、その利点がより明らかになるだろう。
【００２３】
【発明の実施の形態】
単一図を参照してみよう。部品１は、航空機用ターボエンジン上の駆動用テーパである。部品１は、薄壁で構成され、幾何学軸２の周囲を回転する円形を有する。部品１は、円錐台形の胴体３を備え、その最も大きな直径をもつ先端は、フランジ４によって半径方向に延長され、前記フランジ４はそれ自体が、ショットピーニングされる支承表面５を有し、前記支承表面５は環状で、平らかつ半径方向である。
【００２４】
エンクロージャ１０が使用されるが、このエンクロージャの内部で、マイクロボールの霧１１が維持され、前記エンクロージャは、壁面１２によって側方向に画定され、前記エンクロージャは、その縁が参照符号１４である開口部１３を備える。さらに、通常はクォーツ型の発振器２２によってその一端が共鳴するソノトロード２１で構成される振動機２０が使用され、ソノトロード２１の他端は、ほぼ平らな振動表面２３を有し、前記振動表面２３は、エンクロージャ１０の底部に置かれ、開口部１３の正面に位置する。発振器２２は、ソノトロード２１を縦方向に共鳴させる。このようにして励起された振動表面２３は、マイクロボールにエネルギーを伝達し、それによって、マイクロボールは開口部１３の正面に位置するショットピーニングされる表面５と、エンクロージャの壁面１２に跳ね返り、こうして前記マイクロボールは徐々にエネルギーを失い、前記マイクロボールはまた、マイクロボールに新しいエネルギーを与える振動表面２３上に到達する。このようにして、マイクロボールは、その大きさも方向もランダムな速度で、エンクロージャの内部で動き回り、その結果、それらマイクロボールがエンクロージャ１０の内部で実際にマイクロボールの「霧」を形成する。
【００２５】
表面５にショットピーニングを施すためには、
・エンクロージャ内のマイクロボールの量を定める。
【００２６】
・開口部１３の縁１４に対する隙間Ｅで、ショットピーニングされる表面５を開口部１３の前に持ってくることができるように、部品１を位置決めする。前記隙間Ｅはマイクロボールの直径より小さくなる。
【００２７】
・部品１を、その幾何学軸２に沿って回転させる。
【００２８】
・あらかじめ設定したＴ時間、発振器２３を作動させる。前記回転速度は、単にＴ時間中、部品が少なくともＮ＝５回転するために、計算される。
【００２９】
・時間Ｔが経過した後に発振器２３を停止させ、部品１を取り出す。
【００３０】
本方法の利点は、ショットピーニングが、部品１とエンクロージャ１０とを接触させずに行なわれることにあり、その結果、部品の表面のいかなる劣化も防ぐことができる。
【００３１】
それでもなお、マイクロボールはエンクロージャ１０の内部で維持される。なぜなら隙間Ｅは前記マイクロボールの直径より小さいからである。
【００３２】
こうした措置はまた、エンクロージャ１０上で摩耗すべり座を使用しなくてすむという利点を有する。
【００３３】
部品がショットピーニングにされされる時間Ｔは、以下の式で表わされる。
【００３４】
Ｔ＝Ｔｏ×Π×Ｄ／Ｌ
この式において、Ｔｏはショットピーニングされる表面５の各エレメントにショットピーニングをさらす時間であり、Ｄは前記表面５の平均直径であり、Ｌは、開口部１３の前への前記表面５の移動に対して接線方向に、すなわち単一図の平面に垂直に測定されるエンクロージャ１０の幅である。
【００３５】
ショットピーニングされる表面５が平らでない場合には、隙間Ｅを保つために、エンクロージャ１０の縁１４に、前記表面に対する補足的な形状が与えられる。
【図面の簡単な説明】
【図１】航空機用ターボエンジンの駆動用テーパのフランジの支承表面のショットピーニングを表す図である。
【符号の説明】
１ 部品
５ 表面
１０ エンクロージャ
１１ マイクロボールの霧
１３ 開口部
１４ 縁
２０ 振動機

Claims (1)

1. 薄肉部品の寸法が大きな環状の表面に対する超音波式ショットピーニング方法であって、該超音波式ショットピーニング方法は、ショットピーニングされる表面（５）を、超音波式ショットピーニングのエンクロージャ（１０）の開口部（１３）の前に通過させることからなり、前記エンクロージャ（１０）は、エンクロージャ（１０）の内部で振動機（２０）によって維持された微小球の「霧」（１１）を閉じ込め、前記微小球は、開口部（１３）の前に置かれたショットピーニングされる表面（５）の部分に衝突し、前記衝突がショットピーニングを引き起こし、前記エンクロージャ（１０）及び前記部品（１）は、ショットピーニング中に開口部（１３）の前にショットピーニングされる表面全体を通過させるために、相対的な回転運動によって動かされるものであり、
   開口部（１３）が縁（１４）を備え、ショットピーニングされる表面（５）が、隙間Ｅで開口部（１３）の前に位置決めされ、前記隙間Ｅは、使用される微小球の直径より小さいこと、及び
   ショットピーニングされる表面（５）が、ショットピーニング中に、開口部（１３）の前で、少なくともＮ＝５回転し、該表面（５）の各部分は、開口部（１３）の前を通過するごとに、実施されるべきショットピーニング全体のＮ分の１に等しい割合のショットピーニングを受けることを特徴とする、超音波式ショットピーニング方法。

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