JP4280374B2 - 飛行機の外殻部材およびその製造方法 - Google Patents
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Description
【発明が属する技術分野】
本発明は、少なくとも一つの外板と、飛行機の縦方向に延びている複数個の縦材と、飛行機の縦方向に対して交差する方向に延びているリブとを有し、外板が、縦材に接続する接続部位の領域に溶接溶加材を備え、この領域で縦材が外板に溶接されている、飛行機の外殻部材およびその製造方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
最近の航空機産業においては、ほぼ胴体外板・縦材結合部からなっている胴体構造用外殻部材を、主にリベットまたは接着による製造方法で製造することが通例になっている。リブの取付け等の以後の製造工程に対しては、縦材にアングル要素、いわゆるクリップが縦材にリベット固定される。したがって、外板・縦材・リブ結合部としての構造部材を製造するには高い材料コストおよび組み立てコストが必要である。今後の航空機開発のためには、飛行機の軽量化を達成することが大きな意味を持っている。したがって、リベット固定という伝統的な接合方法を改良して、この種の軽量化を実現させるような接合方法を達成することが必要である。
【0003】
ドイツ連邦共和国特許公開第19639667号公報には、大型のアルミニウム構造部材上に異形材をレーザー光線を用いて溶接する方法が説明されている。この種の外板・縦材構造型のアルミニウム構造部材は、飛行機の胴体外殻部の製造に使用することができる。
【0004】
【発明が解決すべき課題】
本発明の課題は、上記従来の技術から出発して、溶接による接合方法で製造できる飛行機の外殻部材およびその製造方法を提供することである。
【0005】
【課題を解決するための手段】
この課題は、外殻部材に関しては請求項1または16に記載の構成により解決される。請求項1または16に記載の外殻部材を製造する方法は請求項11または21に記載されている。
【0006】
本発明の利点は、飛行機胴体の外殻部材が溶接に適するように構成され、製造時間と材料のコストを低減できることである。
本発明の他の有利な構成は従属項に記載されている。
【0007】
【発明の実施の形態】
次に、添付の図6ないし図13を用いて本発明の実施形態を詳細に説明するが、その前に図1ないし図5を用いて本発明の関連技術に関し説明しておく。なお、同一の部材に対しては同一の符号を付した。
【0008】
本発明の関連技術を示す図1には、飛行機の胴体の外殻部材1が図示されている。飛行機の胴体は実質的に複数のセクションから構成されており、これらのセクションは予め組み立てられる複数個の外殻部材から組み立てられる。予め組み立てられる外殻部材1は、本関連技術では、飛行機の縦方向に延びる縦材3を補強用に備えた、予め成形された外板2を有している。飛行機の横方向には、互いに間隔を持ってリブ4と4’が配置されている。リブ4と4’は飛行機の胴体において、主に尾翼装置からの荷重を導入するために用いる。図示した関連技術では、縦材3もリブ接続部4も外板2と溶接されている。このため外板2は溶接溶加材から成るめっき層で片側をめっきされている。外板2は溶接に適した構造材から成っている必要があり、たとえばAL−Mg合金或いはAl−Li合金から成っている。外板の後述する構造に対応させるため、外板は深絞りされる。溶接溶加材を備えた外板の片側(外板内面)は、深絞り台の上に載置される。その後リブの方向に成形が行われ、球面部材である場合には縦材の方向にも成形が行われる。溶接溶加材は、細板状の縦材3の接続領域とリブ接続部4と4’のみ必要である。したがって残余の溶加材は化学的な除去法により除去することができる。このようにして生じた、溶接溶加材から成る土台5(図2を参照)は、外板2上において格子状の構造物5Aを形成する。溶接溶加材のこのような集積個所は、裂け目なしに溶接継ぎ目を申し分なく形成させるために必要である。溶接溶加材としてはたとえばAlSi12が使用される。しかし他の方法で溶接溶加材を、溶接のために設けられる外板の部位に被着させてもよい。たとえば、ワイヤー装置を用いて溶接過程中に溶加材を供給するようにしてもよい。また、集積部としての溶接溶加材とワイヤーとしての溶接溶加材の供給を組み合わせてもよい。
【0009】
外板・縦材・リブ結合部(胴体外殻1)を製造するための以後の作業工程について以下に説明する。
図2は、外板・縦材結合部6の一部分の横断面図である。第1の作業工程で、外板2上に、縦方向に延びるように縦材3を溶接する。縦材3としては、ハンマーヘッド状異形部8を備えた押出し成形半製品を使用する。縦材細板部7は外板2上に垂直に位置している。外板2と縦材3との継ぎ目面9は、溶接溶加材を備えた土台5によって形成されるとともに、縦材細板部7のハンマーヘッド8とは逆の側の端面によって形成される。外板2と縦材細板部7とを溶接するためにCO2レーザーが使用される。ここには図示していない押圧装置(図7には押圧装置27が図示されている)を用いて縦材3を外板2上に固定する。継ぎ目結合部として二重溝継ぎ目または二重HV継ぎ目を溶接するのが有利である。
【0010】
図3にリブ4を詳細に示す。リブ4はリブ異形部10とリブ足部11とを有している。溶接結合部に容易に接近できるように、リブ異形部10とリブ足部11とを分離させることが必要である。リブ異形部10は外側帯状部分10Aと内側帯状部分10Bとを有している。内側帯状部分10BはここではT型異形部分として形成されている。L字状の異形形状も可能である。リブ足部11には、外板2の補強用の縦材3を貫通させるための貫通部として用いる部分12が設けられている。
【0011】
図4には、縦材3との差込結合部としてのリブ足部11が図示されている。リブ足部11は、縦材で補強される胴体外板2とも、また縦材細板部7のハンマーヘッド8とは逆の側とも溶接される。継ぎ目結合部としての溶接継ぎ目13は図4に図示されている。この場合注意すべきことは、リブ足部11の部分12を裁断するために外殻の湾曲性を考慮せねばならない点である。リブ足部11と縦材細板部7との接続面は溶接継ぎ目13により互いに結合され、互いに平行である。しかし部分12をたとえば台形状に構成して、リブ足部11と縦材細板部7の間に接触点が生じないようにしてもよい。このような場合には、リブ足部11は胴体外板2とだけ溶接され、付加的な縦材支持角を設定する。
【0012】
図5には、図1に図示した関連技術の外殻部材1が展開図で図示されている。この展開図を用いて外殻部材1を製造するための組み立て順を説明する。第1工程では、胴体外板2に溶接溶加材からなる格子部5Aを備えさせる。その詳細はすでに図1の説明で説明した。予め成形した胴体外板2上に縦材3を溶接し、その際縦方向に延びる土台5は格子部5Aの溶接溶加材とともにこの継ぎ目結合部の接続面を形成する。胴体外板2と縦材3との溶接結合部を形成させ、よって外板・縦材結合部6を生じさせた後(図2を参照)、すでに図4に関連して詳細に説明したように、リブ足部11を胴体外板2および縦材細板部7と溶接させる。次の工程として、リブ異形部10を、縦材で補強した外板2にすでに装着されているリブ足部11と結合させる。予め別個に製造されるこのリブ異形部11は片側または両側に実施した突合せ溶接結合部によりリブ足部11に配置されているのが有利である。安定性の理由から、リブ方向に貫通している外側帯状部分10Aが配置されている。リブ異形部10は種々の方法で製造することができる。たとえば、延伸させた押出し成形異形材から半製品として製造してもよく、或いは溶接またはリベット固定された部材から差動構造のものを製造してもよい。
【0013】
図6には、飛行機の胴体用の本発明の第1実施形態の外殻部材20が組み立て完成状態で図示されている。この外殻部材20は、縦方向に延びる縦材細板部21を溶接した、予め成形された外板2を有している。縦材細板部21を縦方向において外板2の輪郭に対応させ、外板2の接続面と縦材細板部21の接続面との間の間隔を最小に維持する必要がある。このために何ら以後の処理を必要とすることなく縦材細板部21を輪郭正確に裁断することができる。或いは、縦材細板部を直線状に裁断して、次に縦材方向へ延伸させ、胴体外板2に対応する輪郭を維持させてもよい。縦材細板部21には縦材・リブ格子部22を溶接する。縦材・リブ格子部22は、縦材帯状部分23とリブ帯状部分24,24’から形成されている。リブ要素25と25’は外殻部材20の横方向にリブ帯状部分24に配置されている。外殻部材20を製造するための個々の工程を以下に詳細に説明する。
【0014】
図7には、胴体外板・縦材細板部結合部26が図示されている。胴体外板2上には垂直に縦材細板部21がある。このような結合部26のために、すでに図1および図2において説明したように、溶接溶加材からなる土台5を、胴体外板2の、縦材細板部21への適当な接続部位に設ける。縦材細板部21を案内するために押圧ローラ28とローラ対29を有している押圧装置27を用いて、溶接に必要な、胴体外板2上への縦材細板部21の固定を行う。胴体縦板2と縦材細板部21の溶接は、接合速度が速いCO2レーザーを用いて行う。溶接結合部として、二重溝継ぎ目または二重HV継ぎ目を設けるのが有利である。
【0015】
図8には、ユニットとしての縦材・リブ格子部22が図示されている。縦方向に延びている複数個の縦材帯状部分23と横方向に延びている2つのリブ帯状部分24,24’とは格子部22を形成している。縦材・リブ格子部22用の半製品は、図1で説明した胴体外板2の場合と同様に、溶接溶加材をめっきした板(たとえば薄板)である。板は必要に応じて深絞りされ、この場合板は溶接溶加材でめっきした側を深絞り台の上に載せない。板は外殻部材20の幾何学的形状に対応してリブ方向および縦材方向へ成形される。縦材・リブ格子部22用の板を胴体外板2の輪郭に対応させて、継ぎ目面を縦材細板部21と縦材帯状部23の間で平行に位置させる必要がある。縦材・リブ格子部22は板から切断される。本発明によれば、この縦材・リブ格子部22により、縦材細板部21と縦材帯状部23とは1回の工程で互いに結合させることができ、しかも溶接過程が交差する部材により阻害されることはない。このような結合部を図9に横断面で示す。レーザー溶接機30は縦材帯状部23を貫通させて縦材細板部21内へ押し込むようにして溶接を行う。溶接溶加材31は縦材帯状部23の下面に被着されて溶接部位に提供される。縦材帯状部・縦材細板結合部の溶接継ぎ目32として、I型継ぎ目(詳細部Xを参照)を設けるのが有利である。
【0016】
図10は、胴体外板2とリブ帯状部24とリブ要素25との結合部を横断面で示したものである。リブ要素25は別個の部材として予め製造され、足部33とリブ細板部34とを有している。足部33は溶接溶加材から成る土台5上に垂直に載置されており、二重溝継ぎ目または二重HV継ぎ目35により胴体外板2と結合されている。このような結合のために、溶接溶加材からなる土台5は胴体外板2の、足部33に接続している適当な接続部位に設けられている。さらにリブ要素25はリブ帯状部24と溶接されている。リブ帯状部24の端面とリブ細板部34の端面とのこの結合部はHV溶接継ぎ目36として形成するのが有利である。リブ帯状部24の端面は、この実施形態ではリブ要素25のための係止面または接続面として設けられている。
【0017】
図11には、外殻部材20の第2実施形態が展開図で図示されている。この展開図を用いて、外殻部材20を製造するための組み立て順を説明する。この場合、胴体外板2の準備および胴体外板2と縦材細板部21との結合は第1実施形態の外殻1の製造の場合と同様に行われる。この点に関しては前記の説明を参照されたし。
【0018】
第1工程では、胴体外板2に溶接溶加材から成る格子部5Aを備えさせる。縦材細板部21を、予め成形した胴体外板2に溶接し、その際縦方向に延びる土台5は格子部5Aの溶接溶加材とともにこの継ぎ目結合部の接続面を形成する。胴体外板2と縦材細板部21との間に溶接結合部を形成させ、よって外板・縦材結合部26を生じさせた後(図7を参照)、すでに図9において詳細に説明したように、縦材・リブ格子部22を縦材細板部21上に溶接する。次の工程として、リブ要素25と25’の足部33,33’を所定の部位で、縦材補強された外板2に溶接する。このためには足部33または33’に、縦材細板部21に対して十分なスペースを提供する破断部37と37’が設けられている必要がある。縦材破断部37は台形状に実施されているのが有利である。さらに、リブ細板部34と34’を備えたリブ要素25と25’をリブ帯状部24と24’の対応する端面に溶接する。高い安定性を達成するには、リブ要素25または25’に補強帯状部38または38’を設けることが必要である。予め別個に製造されるリブ要素25は種々の方法で製造することができる。たとえば延伸された押出し成形異形部材またはフライス部材から製造でき、或いは溶接した部材またはリベット固定した部材から差動構造のものを製造してもよい。
【0019】
図12には、第2実施形態の外殻部材40が図示されている。この外殻部材40は第1実施形態の変形実施形態であり、連続的な溶接継ぎ目という利点を備えた縦材・リブ格子部22を利用したものである。したがって縦材帯状部23またはリブ帯状部24,24’ごとに1回の工程で溶接継ぎ目を形成させることができ、製造時間を短縮させる。
【0020】
図12のaに図示した外殻部材40は球面状の湾曲なしに図示されている。しかし、縦材方向および(または)リブ方向に湾曲させてもよい。これは飛行機の胴体のどの部位に外殻部材40を使用するかに依存している。これに関しては図7ないし図9およびその説明を指摘したい。というのは図7ないし図9に図示した特徴は外殻部材40にも該当するからである。外殻部材40の場合、縦材細板部21のほかにリブ細板部41と41’も設けられている。リブ細板部41と41’も、縦材・リブ格子部22をつなぎ合わせる前に胴体外板2に溶接する必要がある。縦材細板部21とリブ細板部41,41’は細板格子部45を形成している。縦材細板部21とリブ細板部41,41’の場合溶接面は縦材・リブ格子部22に対して等しいので、縦材細板帯状部23とリブ帯状部24の溶け込み溶接(Durchschweissen)を同一の溶接装置を用いて行うことができる(図9をも参照)。第1実施形態の外殻部材20と異なるのは、外殻部材40の場合リブ帯状部24の側部に溶接される一体のリブ要素25または25’が設けられていないことである。むしろ、それぞれリブ帯状部24に対称に配置されているリブ帯状部41,41’とリブヘッド42,42’での分断が行われる。図12のbは外殻部材40の一部分の拡大図である。この一部分には縦材細板部21と、リブ細板部41と、縦材帯状部23と、リブ帯状部24が含まれる。リブヘッド42はリブ帯状部24上に対称に配置されている。
【0021】
図13は外殻部材40の一部分の横断面図である。リブ細板部41の方向に見て、溶接溶加台15を備えた胴体外板2とリブ細板部41との間の溶接結合部43は二重溝継ぎ目溶接結合部或いは二重HV継ぎ目である。リブ帯状部41はI型継ぎ目によりリブ細板部24上に溶接されている。リブ帯状部24上に対称に配置されているリブヘッド42は、二重溝継ぎ目或いは二重HV継ぎ目44によりリブ帯状部24上に溶接されている(詳細Zを参照)。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の関連技術に関わる飛行機胴体の外殻部材を示す図である。
【図2】図1の関連技術における胴体外板・縦材結合部の横断面図である。
【図3】外殻部材のリブを示す図である。
【図4】縦材・リブ足部結合部の側面図である。
【図5】図1の関連技術における外殻部材の展開図である。
【図6】本発明による外殻部材の第1実施形態の斜視図である。
【図7】外殻部材の第1実施形態における胴体外板・縦材細板部結合部の横断面図である。
【図8】外殻部材の第1実施形態における縦材・リブ格子部を示す図である。
【図9】外殻部材の第1実施形態における胴体外板・縦材細板部・縦材帯状部結合部の横断面図である。
【図10】外殻部材の第1実施形態における胴体外板・リブ帯状部・リブ足部結合部の横断面図である。
【図11】外殻部材の第1実施形態の展開図である。
【図12】外殻部材の第2実施形態を示す図で、aはその斜視図、bはaのX−Y部分の詳細図である。
【図13】外殻部材の第2実施形態における胴体外板・リブ帯状部・リブ足部結合部の横断面図である。
【符合の説明】
1,20,40 外殻部材
2 外板
3 縦材
4,4’ リブ
5 溶接溶加材
7,7’,21 縦材細板部
10 リブ異形部
11 リブ足部
12 貫通部
13,32 溶接結合部
22 縦材・リブ格子部
23 縦材帯状部
24 リブ帯状部
25,25’ リブ要素
33 足部
34,41 リブ細板部
35,44 二重溝継ぎ目またはDHV継ぎ目
37,37’ 破断部42 リブヘッド
Claims (28)
- 少なくとも一つの外板(2)と、飛行機の縦方向に延びている複数個の縦材(3)と、飛行機の縦方向に対して交差する方向に延びているリブとを有し、外板(2)が、縦材(3)に接続する接続部位の領域に溶接溶加材(5)を備え、この領域で縦材(3)が外板(2)に溶接されている、飛行機の外殻部材において、
外板(2)が、リブに接続する接続部位の領域に溶接溶加材(5)を備え、縦材(3)が縦材細板部(21)として形成され、縦材帯状部(23)とリブ帯状部(24)とを備えた縦材・リブ格子部(22)が設けられ、縦材帯状部(23)が溶接結合部(32)により縦材細板部(21)に装着されており、リブがそれぞれ一体のリブ要素(25,25’)から形成され、リブ要素(25,25’)が、リブ細板部(34)と、破断部(37)を備えた足部(33)とを有し、足部(33)が外板(2)に配置され、リブ細板部(34)がリブ帯状部(24)の端面に配置されていることを特徴とする外殻部材。 - 溶接溶加材が縦材細板部(21)を支持する土台として外板(2)上に配置されていることを特徴とする、請求項1に記載の外殻部材。
- 破断部(37)を貫通する縦材細板部(21)が足部(33)に対し無接触であるように、足部(33)の破断部(37,37’)の形状が選定されていることを特徴とする、請求項1または2に記載の外殻部材。
- 外板(2)がリブ方向および/または縦材方向に球面状に湾曲していることを特徴とする、請求項1から3までのいずれか一つに記載の外殻部材。
- 縦材・リブ格子部(22)が、縦材細板部(21)への接続領域およびリブ細板部(34)への接続領域に溶接溶加材を備えていることを特徴とする、請求項1から4までのいずれか一つに記載の外殻部材。
- 縦材・リブ格子部(22)が、外板(2)の湾曲に対応してリブ方向および/または縦材方向に球面状に湾曲していることを特徴とする、請求項1から5までのいずれか一つに記載の外殻部材。
- 縦材・リブ格子部(22)の縦材細板部(21)と縦材帯状部(23)の間の溶接結合部(32)がI型継ぎ目であることを特徴とする、請求項1から6までのいずれか一つに記載の外殻部材。
- リブ要素(25)の足部(33)が二重溝継ぎ目またはDHV継ぎ目(35)により外殻外板(2)に溶接されていることを特徴とする、請求項1から7までのいずれか一つに記載の外殻部材。
- リブ要素(25)のリブ細板部(34)がHV継ぎ目(36)によりリブ帯状部(24)の端面に溶接されていることを特徴とする、請求項1から8までのいずれか一つに記載の外殻部材。
- リブ要素(25)がリブ細板部(34)に補強帯状部(38)を備えていることを特徴とする、請求項1から9までのいずれか一つに記載の外殻部材。
- 請求項1から10までのいずれか一つに記載の外殻部材を製造する方法において、
−外板(2)の、縦材細板部(21)およびリブ要素(25,25’)の接続部位に溶接溶加材を備えさせること、
−縦材細板部(21)を外板(2)に溶接すること、
−縦材・リブ格子部(22)の縦材帯状部(23)をI型継ぎ目(32)により縦材細板部(21)に溶接すること、
−リブ要素(25)の足部(33)を溶接継ぎ目(35)により、有利には二重溝継ぎ目により外板(2)に継ぎ合わせること、
−リブ要素(25)のリブ細板部(34)を溶接継ぎ目(36)により、有利にはHV継ぎ目によりリブ帯状部(24)の端面に継ぎ合わせること、
を特徴とする方法。 - 溶接溶加材を外板(2)上に被着させ、溶接溶加材を備えた格子部(5A)を除いて溶接溶加材を化学的に除去することを特徴とする、請求項11に記載の方法。
- 溶接溶加材の少なくとも一部を、ワイヤー供給装置を用いてワイヤーとして外板(2)の溶接部位の領域に供給することを特徴とする、請求項11または12に記載の方法。
- 外板(2)を、球面状に湾曲した面を備えさせるためリブ方向および/または縦材方向に深絞りすることを特徴とする、請求項11から13までのいずれか一つに記載の方法。
- 縦材・リブ格子部(22)を、球面状に湾曲した面を備えさせるためリブ方向および/または縦材方向に深絞りすることを特徴とする、請求項11から14までのいずれか一つに記載の方法。
- 少なくとも一つの外板(2)と、飛行機の縦方向に延びている複数個の縦材(3)と、飛行機の縦方向に対して交差する方向に延びているリブとを有し、外板(2)が、縦材に接続する接続部位の領域に溶接溶加材を備え、この領域で縦材が外板(2)に溶接されている、飛行機の外殻部材において、
外板(2)が、リブに接続する接続部位の領域に溶接溶加材を備え、縦材が縦材細板部(21)として形成され、リブがリブ細板部(41)とリブヘッド(42)とを有し、縦材細板部(21)とリブ細板部(41)とが、溶接溶加材を備えた格子部(5A)の領域で外板(2)に溶接されており、縦材帯状部(23)とリブ帯状部(24)とを備えた縦材・リブ格子部(22)が設けられ、縦材帯状部(23)が縦材細板部(21)に、そしてリブ帯状部(24)がリブ細板部(41)に溶接結合部(32)により装着されており、それぞれのリブヘッド(42)が溶接結合部(44)によりそれぞれのリブ帯状部(24)に配置されていることを特徴とする外殻部材。 - 溶接溶加材が縦材細板部(21)を支持する土台として外板(2)上に配置されていることを特徴とする、請求項16に記載の外殻部材。
- 縦材帯状部(23)と縦材細板部(21)の間およびリブ帯状部(24)とリブ細板部(41)の間の溶接結合部(32)がI型継ぎ目であることを特徴とする、請求項16または17に記載の外殻部材。
- リブヘッド(42)がリブ帯状部(24)上に対称に配置されていることを特徴とする、請求項16から18までのいずれか一つに記載の外殻部材。
- リブヘッド(42)が二重溝継ぎ目またはDHV継ぎ目(44)によりリブ帯状部(24)と結合されていることを特徴とする、請求項16から19までのいずれか一つに記載の外殻部材。
- 請求項16から20までのいずれか一つに記載の外殻部材を製造する方法において、
−外板(2)の、縦材細板部(21)およびリブ要素(25,25’)の接続部位に溶接溶加材を備えさせること、
−縦材細板部(21)とリブ細板部(24)とを溶接溶加材の領域において外板(2)に溶接して、縦材細板部(21)とリブ細板部(34)とで細板格子部(45)を形成させること、
−縦材・リブ格子部(22)の縦材帯状部(23)をI型継ぎ目(32)により縦材細板部(21)またはリブ細板部(41)に溶接すること、
−リブヘッド(42)を溶接結合部(44)により、有利には二重溝継ぎ目によりリブ帯状部(24)に溶接すること、
を特徴とする方法。 - 溶接溶加材を外板(2)上に被着させ、溶接溶加材を備えた格子部(5A)を除いて溶接溶加材を化学的に除去することを特徴とする、請求項21に記載の方法。
- 溶接溶加材の少なくとも一部を、ワイヤー供給装置を用いてワイヤーとして外板(2)の溶接部位の領域に供給することを特徴とする、請求項21または22に記載の方法。
- 外板(2)を、球面状に湾曲した面を備えさせるためリブ方向および/または縦材方向に深絞りすることを特徴とする、請求項21から23までのいずれか一つに記載の方法。
- 縦材・リブ格子部(22)を、球面状に湾曲した面を備えさせるためリブ方向および/または縦材方向に深絞りすることを特徴とする、請求項21から24までのいずれか一つに記載の方法。
- 溶接方法としてCO2レーザー溶接を使用することを特徴とする、請求項11から15までのいずれか一つまたは請求項21から25までのいずれか一つに記載の方法。
- 溶接方法として固体レーザー溶接を使用することを特徴とする、請求項11から15までのいずれか一つまたは請求項21から25までのいずれか一つに記載の方法。
- 外板(2)が溶接に適した構造材からなっていることを特徴とする、請求項1から10までのいずれか一つまたは請求項16から20までのいずれか一つに記載の外殻部材。
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