JP4412754B2 - 構造物の一体成形方法 - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超塑性及び拡散接合の特性を持つ金属を用いた、例えば航空機の胴体隔壁構造等の構造物の一体成形方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
例えば、航空機の胴体構造は、複数列設されたフレーム構造、すなわち胴体隔壁構造の上に縦通材を並べて配置し、これに外板を張設した、いわゆるセミモノコックス構造が一般に使用されている。
【0003】
この航空機の胴体には、電気系統、油圧系統、燃料系統、操縦系統等の各系統が機体前後方向に沿って通過及び配置されており、配管、配線及び各種の機器が取り付けられている。
【0004】
この中で特に胴体隔壁構造は、これらの艤装部品の取付部として用いられることが多く、複雑な形状であると共に、主翼からの反力を受け止めるため充分な強度が要求される。
【0005】
この胴体隔壁構造は、一般にビルトアップ法或いは機械一体成形法によって製造される。
【0006】
ビルトアップ法による製造は、例えば図23に斜視図を示すように、構成部品、例えば、コード101は素材となる押出型材を熱間成形すると共に機械加工により、またウェブ102はシート材、スティフナ103は押出型材、フィッティング104は鍛造材からなる素材を各々機械加工することによって予め加工成形され、加工成形された構成部品をリベットやボルト等のファスナによって互いに結合することによって胴体隔壁構造100が製造される。
【0007】
しかし、この製造方法によると、押出型材、鍛造材等の素材を用いることから素材製作に多くのコストを要し、各素材の機械加工に伴う加工コスト及び特にコード101にあっては熱間成形による成形コストが必要であり、更に構成部品の結合に1つの胴体隔壁構造当たり例えば、2〜300本程度のファスナを必要とし、その結合作業に多くの工数を要することから製造コストの増大を招くものである。
【0008】
また、各素材の機械加工には、機械加工のための必要最低板厚が要求されると共に、加工コスト等の兼ね合いから切削加工量、換言すると研削量の削減が要求され、多量のファスナを要することと相俟って胴体隔壁構造の重量増加、ひいては航空機の重量増加の要因となる。
【0009】
一方、機械一体成型法は、例えば図24(a)に斜視図を示すように鍛造材或いは鋳造材によって一体成形された素材110を機械加工によって上記コード101、ウェブ102、スティフナ103、フィッティング104等の各部を機械加工によって削り出して図24(b)に斜視図を示すような胴体隔壁構造100を得る加工法であり、近年の航空機における大荷重部の加工によく見られる加工法である。
【0010】
しかし、素材として一般材が使用できず、予め胴体隔壁構造100に則した概略形状に形成された鍛造材或いは鋳造材からなる素材110を用いることから、材料自体の開発から実施しなければならず素材コストが高くなると共に、素材110の全面に亘り機械加工を実施し、その機械加工量が膨大な量になり、形状が複雑であることと相俟って、その加工に非常に長時間を要することから機械加工のコストが高くなり、製造コストの増大を招くものである。
【0011】
また、ビルトアップ法と同様に素材の機械加工には、機械加工のための必要最低板厚を確保しなければならず、一方加工コスト等の兼ね合いから加工量の削減が要求され、胴体隔壁構造100の重量増加の要因となる。
【0012】
これらの対策として、チタンやチタン合金の多く、或いはニッケル合金には、超塑特性を有し、超塑性金属は、超塑性成形及び拡散接合手段により非常に複雑な形状であっても成形できることに着目し、超塑性成形と拡散接合技術を用いて一体に成形する成型方法が提案されている。
【0013】
この成形方法は、例えば3枚以上の超塑性金属のシートを用意し、中間に位置するコアシートの一面の接合不要区域及び他面の接合不要区域に接合防止剤を塗布し、このコアシートの両面にフェースシートを重ね合わせ、この重合したシートを成形治具の内部にセットし、成形治具のキャビティとなる内部空間内を不活性ガスで置換しながら各シートの境界内を真空引きした後、全体を加熱すると共に、成形治具の内部空間に所定圧で不活性ガスを導入し、各シートの接合区域を拡散接合させて内部空間に導入した不活性ガスを排出する。
【0014】
しかる後シートの境界内に所定圧の不活性ガスを導入することで超塑性成形を行うものである。
【0015】
このように、接合不要区域に接合防止剤を塗布した複数の超塑性金属のシートを積層し、かつ成形治具内での不活性ガスの導入によって超塑性成形と拡散接合技術を用いて成型品を一体に成形する成型方法の先行技術としては、例えば特開昭51−111465号公報が知られている。
【0016】
【発明が解決しようとする課題】
上記超塑性成形と拡散接合技術を用いる一体成形方法によると、超塑性金属のシートを複数積層し、拡散接合と超塑性成形によって成型品を得ることから、素材としてシート状の一般材の使用が可能になり、機械加工が省略或いは極め少ない機械加工で可能になることから素材コストおよび加工コストの大幅な削減が得られて製造コストの低減が可能になる。
【0017】
また、機械加工のための必要最低板厚を確保する必要がなくなり、重量の軽減ひいては航空機の重量軽減がもたらされる。
【0018】
しかし、この成形方法は一体成形を目的とするものであって、外部荷重に基づく成形品に作用する応力に対して効率よく対処する方策は考慮されているものではない。
【0019】
従って、かかる点に鑑みなされた本発明の目的は、外部荷重に起因する応力に対して効率的に対処し得る超塑性及び拡散接合の特性を持つ金属を用いた構造物の一体成形方法を提供することにある。
【0022】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成する請求項1に記載による構造物の一体成形方法の発明は、少なくとも一対のフェースシート及び該フェースシートの間に介装されたコアシートを含む3枚以上の超塑性成形及び拡散接合可能な金属シートの接合不要区域に接合防止材を塗布して重ね合わせ、該重ね合わされた金属シートからなる積層体を成形治具内にセットし、接合区域に対応する金属シートの部分を互いに拡散接合すると共に、各シート間の境界内の接合不要区域に不活性ガスを導入して該接合不要区域に対応する金属シートを超塑性成形する構造物の一体成形方法において、上記フェースシートとコアシートとの接合区域が最大主応力方向及び最小主応力に沿って互いに交差する網目状に形成されたことを特徴とする。
【0023】
請求項の発明によると、素材としてシート状の一般材の使用が可能になり、機械加工が省略或いは極め少ない機械加工で可能になることから素材コスト及び加工コストの大幅な削減が得られて製造コストの低減が可能になると共に、フェースシートとコアシートとの接合区域を最大主応力方向及び最小主応力に沿って互いに交差する網目状に形成することから、最大主応力方向及び最小主応力方向に沿って接合区域が形成されて外部荷重に起因する応力に対してフェースシートの変形が確実に抑制されてより高剛性をもって効率的に受け止めることが可能になる。
【0024】
請求項に記載の発明は、請求項1の構造物の一体成形方法において、大なる応力発生領域における接合不要区域に対する接合区域の割合が、小なる応力発生領域における接合不要区域に対する接合区域の割合に対して大なることを特徴とする。
【0025】
請求項に記載の発明は、請求項1または2の構造物の一体成形方法において、接合不要区域に対する接合区域の割合が、大なる応力発生領域から小なる応力発生領域に移行するに従って順次減少することを特徴とする。
【0026】
請求項及び請求項の発明によると、応力の発生領域に応じて接合不要区域に対する接合区域の割合を変えることにより、その発生領域に相応した接合区域と接合不要区域が形成され、応力発生状態に応じて応力を効率的に受け止めることが可能になる。
【0027】
請求項に記載の発明は、請求項1〜3のいずれか1項に構造物の一体成形方法において、一対のフェースシート間が、上記最大主応力に沿う一対の接合区域と最小主応力に沿う一対の接合区域によって略4辺形で一方のフェースシートと拡散接合され、頂点が他のフェースシートに拡散接合されたコアシートによって複数の略4角錐形状に区画形成されたことを特徴とする。
【0028】
この請求項の発明によると、一対のフェースシート間が、コアシートによって複数の略4角錐形状に区画形成されると共に、両フェースシートがコアシートによって互いに結合されることから、より高剛性の構造物が得られる。
【0029】
請求項に記載の発明は、請求項1〜3のいずれか1項の構造物の一体成形方法において、2枚のコアシートを有し、上記一対のフェースシート間が、上記最大主応力に沿う一対の接合区域と最小主応力に沿う一対の接合区域によって略4辺形で一方のフェースシートと拡散接合されると共に、頂点が他のフェースシートに拡散接合された一方のコアシートによって複数の略4角錐形状に区画形成され、上記最大主応力に沿う一対の接合区域と最小主応力に沿う一対の接合区域によって略4辺形で他方のフェースシートと拡散接合され、頂点が一方のフェースシートに拡散接合された他方のコアシートによって複数の略4角錐形状に区画形成されたことを特徴とする。
【0030】
この請求項の発明によると、一対のフェースシート間が、一方のコアシートによって複数の略4角錐形状に区画形成され、更に他方のコアシートによって複数の略4角錐形状に区画形成されると共に、両フェースシートが両コアシートによって互いに結合されることから、より高剛性の構造物が得られる。
【0031】
【発明の実施の形態】
第1実施の形態
以下、構造物が航空機の胴体隔壁構造である場合を例に、本発明の第1実施の形態を説明する。
【0032】
航空機の胴体構造は、例えば図21に要部破断斜視図を示すように複数の胴体隔壁構造aを列設し、列設された胴体隔壁構造aの上に縦通材bを並べ、これに外板cが張設されて構成される。
【0033】
胴体隔壁構造aの中でも主翼dの間に設けられ、主翼dからの反力を受け止めるため最も高強度が要求される翼胴結合隔壁を例に、本発明による構造物の一体成形方法を説明する。
【0034】
図1は翼胴結合隔壁構造1の斜視図であって、翼胴結合隔壁構造1は、その中央部に装備品類取付部2が形成され、装備品類取付部2を介して一対のエンジンダクト取付孔3が開口すると共に、両端に胴体と翼とを結合するための翼胴結合金具19が設けられている。
【0035】
更に翼胴結合隔壁構造1の上部は中央部が緩やかに湾曲すると共に、中央下部には胴体の下部に装備品等を格納するための凹部4が形成されている。
【0036】
図2は、FEM(有限要素法)による翼胴結合隔壁1の解析結果であって、この解析結果によると最大主応力は、例えば図2に示す線の長さによって主応力の大きさを、また線の方向によって主応力の方向を示すような結果が得られる。
【0037】
図3は、同様にFEM(有限要素法)による最小主応力の解析結果であって、線の長さによって主応力の大きさを、また線の方向によって主応力の方向を示すような結果が得られる。
【0038】
図4は、図2及び図3に基づいて得られた主応力の方向及び大きさにより翼胴結合隔壁構造1のコアの方向を検討した結果である。コア方向は主応力の方向と一致し、コアピッチは、主応力の大きな部位は狭くすることにより、高剛性となる。主応力の流れは、荷重入力点である一方の翼胴結合金具19から反力点である他方の翼胴結合金具19の間を滑らかな曲線にて伝わっていくことから、コア方向もこの曲線に沿う様に配置することにより、より高剛性に形成される。
【0039】
次に、超塑性成形と拡散接合技術を用いる翼胴結合隔壁構造1の一体成形方法について図5乃至図19及び図20の製造工程図によって説明する。
【0040】
先ず、4枚の超塑性金属シート、例えばTi−6Al−4Vからなるチタン合金シート素材等を用意し、部品成形工程S1においてチタン合金シート素材から機械加工等によって図5(a)、(b)、(c)、(d)に各々示すようなアッパーフェースシート11、アッパーコアシート12、ロアコアシート13、ロアフェースシート14を得る。
【0041】
ここではアッパーフェースシート11、アッパーコアシート12、ロアコアシート13、ロアフェースシート14は、予め上記製造すべき翼胴結合隔壁構造1より大きく略相似形状に形成され、各シートの下部には上記翼胴結合隔壁構造1の凹部4に対応して凹部11a、12a、13a、14aが形成されている。なお、これら各シートは単に長方形のシート材であってもよい。
【0042】
また、これら各シート11、12、13、14を重ね合わせた際、その中間に位置するアッパーコアシート12には、後述する各々アッパーコアシート12の上面12Aの接合不要区域Bと下面12Bの接合不要区域Dが平面視重複する部分にガス孔12gが、またロアコアシート13にも同様にロアコアシート13の上面13Aの接合不要区域Dと下面13Bの接合不要区域Fが平面視重複する部分にガス孔13gが各々穿設されている。
【0043】
次の接合防止剤塗布工程S2において積層される上記アッパーフェースシート11とアッパーコアシート12の間、アッパーコアシート12とロアコアシート13の間、ロアコアシート13とロアフェースシート14の間の接合すべき各接合区域を除いた各接合不要区域にイットリア等の接合防止剤を塗布する。
【0044】
上記各シート間の接合区域及び接合防止剤を塗布する接合不要区域について図6乃至図9に示す接合防止剤塗布パターン説明図によって説明する。
【0045】
図6はアッパーフェースシート11、アッパーコアシート12、ロアコアシート13、ロアフェースシート14の各シートを積層し、その各シート間の境界内における接合すべき各接合区域のパターン要部を透視的に説明する接合防止剤塗布パターン説明図であって、実線aがアッパーフェースシート11とアッパーコアシート12の間、一点鎖線bがアッパーコアシート12とロアコアシート13の間、同様に破線cがロアコアシート13とロアフェースシート14の間における各々の接合区域と接合不要区域との境界を示している。
【0046】
そして、アッパーフェースシート11とアッパーコアシート12の間においては、図7にハッチングで示す接合区域Aと白抜きで表される接合不要区域Bとに区画され、接合区域Aは上記図2及び図3に示す最大主応力方向に沿って延設される第1接合区域A1及び最小主応力方向に沿って延設される第2接合区域A2が互いに交差する網目状に形成される。
【0047】
更に、図4に示されるように翼結合金具19が取り付けられる翼胴結合隔壁構造1の両端近傍及びエンジンダクト取付孔3の上方縁に沿う部分等の比較的大なる応力が発生する部分に対応して第1接合区域A1と第2接合区域A2によって形成される接合区域Aの分布密度が比較的大に、また比較的応力発生の少ない両エンジンダクト取付孔3の間においては接合区域Aの分布密度が比較的小になるように、応力分布に状態に相応して接合区域A及び接合不要区域Bの分布割合が設定される。換言すると接合不要区域Bに対する接合区域Aの割合が、大なる応力発生領域から小なる応力発生領域に移行するに従って順次減少するようになされている。
【0048】
ロアコアシート13とロアフェースシート14の間においても同様に、図8にハッチングで示す接合区域Cと白抜きで表される接合不要区域Dとに区画され、接合区域Cは上記図2及び図3に示す最大主応力方向に沿って延設される第1接合区域C1及び最小主応力方向に沿って延設される第2接合区域C2が互いに交差する網目状に形成されると共に、翼胴結合隔壁構造1の応力分布に対応して接合区域C及び接合不要区域Dの分布割合が設定される。
【0049】
更に平面視状態において、アッパーフェースシート11とアッパーコアシート12の間における接合区域Aの第1接合区域A1と第2接合区域A2との交差部Aaに対して接合区域Cの第1接合区域C1と第2接合区域C2との交差部Caが平面視重複しないように互いに偏倚するよう設定されている。
【0050】
アッパーコアシート12とロアコアシ−ト13の間においては、図9にハッチングで示す接合区域Eと白抜きで示される接合不要区域Fとに区画され、接合区域Eは、平面視状態において上記接合区域Aの第1接合区域A1と第2接合区域A2及び上記接合部Cの第1接合区域C1と第2接合区域C2と交差すると共に、互いに交差する第1接合区域E1と第2接合区域E2によって網目状に形成され、その交差部Eaが上記交差部Aa及びCaと重複するように構成されている。
【0051】
そして、アッパーコアシート12の上面12Aに上記接合不要区域Bに対応して接合防止剤を塗布し、ロアフェースシート14の上面14Aに上記接合不要区域Dに対応して接続防止剤を塗布し、更にロアコアシート13の上面13Aに上記接合不要区域Fに対応して接合防止剤を塗布する。
【0052】
更に、図10に各シート11、12、13、14を積層した平面図を示すように、破線1aで示す製造すべき翼胴結合隔壁構造1の外端に相当するシートの部分と斜線で示すシートの外周縁部との間や、エンジンダクト取付孔3に相当する部分に接合防止剤を塗布する。換言すると斜線で示すシートの外周縁部及び翼胴結合金具19に相応する部分には接合防止剤は塗布されない。
【0053】
しかる後、積層工程S3においてロアフェースシート14上に、順次ロアコアシート13、アッパーコアシート12、アッパーフェースシート11を重ね合わせて積層体15を形成する。
【0054】
次に、図11(a)に示すように積層体セット工程S4で第1成形治具31及び第2成形治具32からなる成形治具30に積層体15をセットし、成形治具30及び成形治具30にセットされた積層体15の全体を加熱炉(図示せず)内に搬入する。
【0055】
続く成形工程S5によって、第1成形治具31と第2成形治具32の各内部空間31a、32aを不活性ガスで置換しながら、互いに積層されたアッパーフェースシート11とアッパーコアシート12、アッパーコアシート12とロアコアシ−ト13、ロアコアシート13とロアフェースシート14の境界内を真空引きした後、加熱炉により積層体15及び成形治具30の全体を加熱する。
【0056】
所定温度、例えば900〜920℃に昇温後に成形治具30の内部空間31a及び32a内に不活性ガス(例えばアルゴンガス、ヘリウムガス等)を所定圧、例えば20〜30気圧で導入して、接合防止剤が介在することなく直接圧接されるアッパーフェースシート11とアッパーコアシート12、アッパーコアシート12とロアコアシ−ト13、ロアコアシート13とロアフェースシート14の各接合区域A、C、Eを互いに拡散接合させ、しかる後、内部空間31a及び32a内に導入された不活性ガスを排出すると共に真空引きする。
【0057】
次に、アッパーフェースシート11とアッパーコアシート12、アッパーコアシート12とロアコアシ−ト13、ロアコアシート13とロアフェースシート14の各境界に形成され、接合防止剤によって上記拡散接合が防止された接合不要区域B、D、Fの少なくとも一部に加圧された不活性ガスを導入してアッパーフェースシート11、アッパーコアシート12、ロアコアシート13、ロアフェースシート14を超塑性成形する。
【0058】
この不活性ガス導入による各シート11、12、13、14の超塑性成形について、成形後における翼胴結合隔壁構造1の要部破断斜視図を示す図12、図12の一部破断要部平面図を示す図13、図12の矢視G方向からの側面図である図14、図12の矢視H方向からの側面図を示す図15をも参照して説明する。
【0059】
アッパーコアシート12に穿設されたガス孔12gによってアッパーフェースシート11とアッーパコアシート12の境界内に形成される接合不要区域Bとアッパーコアシート12とロアコアシ−ト13の境界内に形成される接合不要区域Fが互いに連通し、この接合不要区域Fがロアコアシート13とロアフェースシート14の境界内に形成される接合不要区域Dにロアコアシート13に穿設されたガス孔13gによって連続されることから、導入された不活性ガスは各接合不要区域B、D、Fに順次導かれ、不活性ガスの導入に伴って各接合不要区域B、D、Fに対応する部分のアッパーフェースシート11、アッパーコアシート12、ロアコアシ−ト13、ロアフェースシート14が超塑性変形する。
【0060】
この各シート11、12、13、14の超塑性変形によって接合不要区域Bに対応してアッパーフェースシート11とアッパーコアシート12によって複数の第1拡張室16、接合不要区域Dに対応してロアコアシート13とロアフェースシート14によって複数の第3拡張室18を形成する。
【0061】
そして図11(b)に示すようにアッパーフェースシート11が第1成形治具31の成形面31bに押接し、ロアフェースシート14が第2成形治具32の成形面32bに押接されるまで不活性ガスが供給され、外周形状が第1成形治具31の成形面31b及び第2成形治具32の成形面32bに倣った形状の成形体となる。
【0062】
しかる後、成形体は成形治具30から取り出され、図11(c)に示すトリム工程S6において切削加工等によって外観形状が整えられて翼胴結合隔壁構造本体20が形成される。なお図11(c)において、符号20aはエンジンダクト取付孔3の外周に沿って形成されるエンジンダクト取付用フランジであり、20bは翼胴結合隔壁構造本体20の外周に沿って形成される外板取付用フランジである。
【0063】
このように成形された翼胴結合隔壁構造本体20に装備品等を取り付けて図1に斜視図を示すような翼胴結合隔壁構造1となる。
【0064】
このように成形された翼胴結合隔壁構造1は、上記図12乃至図15から明らかなように、アッパーフェースシート11とアッパーコアシート12が翼胴結合隔壁構造1に作用する最大主応力の方向に沿って形成される接合区域Aの第1接合区域A1によって拡散接合されると共に、最小主応力の方向に沿って形成される第2接合区域A2によって拡散接合され、更に応力分布状態に相応して接合区域A及び接合不要区域Bの分布割合が設定されことと相俟って翼胴結合隔壁構造1に発生する応力を効率的に受け止められる。
【0065】
同様にロアフェースシート14とロアコアシート13においても、翼胴結合隔壁構造1に作用する最大主応力の方向に沿って形成される接合区域Cの第1接合区域C1によって拡散接合されると共に、最小主応力の方向に沿って形成される第2接合区域C2によって拡散接合され、かつ応力分布状態に相応して接合区域C及び接合不要区域Dの分布割合が設定されることから翼胴結合隔壁構造1に発生する応力を効率的に受け止められる。
【0066】
更にこれらアッパーフェースシート11とアッパーコアシート12の接合部及びロアフェースシート14とロアコアシート13の接合部の両接合部が翼胴結合隔壁構造1内を多数の略角錐形状に区画するアッパーコアシート12及びロアコアシート13によって一体に結合することによって更に翼胴結合隔壁1の剛性強度が確保される。
【0067】
また、チタン合金からなるアッパーフェースシート11、アッパーコアシート12、ロアコアシート13、ロアフェースシート14の各シートを積層し、拡散接合と超塑性成形によって翼胴結合隔壁構造1を得ることから、素材としてシート状の一般材の使用が可能になり、かつ機械加工が極めて少なくなることなら素材コストおよび加工コストの大幅な削減が得られて製造コストの低減が可能になる。
【0068】
また、機械加工のための必要最低板厚を確保する必要がなくなり、重量の軽減ひいては航空機の重量軽減がもたらされる。
【0069】
なお、装備品類取付部2は、図16に図1のI−I線断面を示すように翼胴結合隔壁構造本体20に開口する開口部21にチタン合金等からなる装備品類取付用の補強材22を架設し、この補強22に装備品類25を取り付けるよう構成されている。
【0070】
この補強材22の取付は、積層体セット工程S4において積層体15と共に成形治具30内の所定位置にセットし、成形工程S5においてアッパーフェースシート11、アッパーコアシート12、ロアコアシート13、ロアフェースシート14等の各シートを拡散接合する際に、ロアフェースシート14に補強材22を拡散接合することによって取り付けることによって、別工程での補強材22を取り付ける作業が省略され作業の効率化が得られる。
【0071】
また、装備品類取付部2は、図17に図1のI−I線断面を示すように翼胴結合隔壁構造本体20に開口する開口部21の周縁を挟持するように環状の補強枠22aと開口部21に掛け渡される補強材22bを対向配置し、補強材22bに装備品類25を取り付けるように構成することも可能である。
【0072】
この補強枠22a及び22bの取付は、積層体セット工程S4において積層体15と共に成形治具30内の所定位置に積層体15を挟持するように対向せしめてセットし、成形工程S5で各シート11、12、13、14を拡散接合する際に、アッパーフェースシート11及びロアフェースシート14に補強枠22a及び22bを拡散接合することによって取り付けられる。
【0073】
翼胴結合隔壁構造体20にチタン合金等の管材を配管するには、積層工程S3において各シート11、12、13、14を重ね合わせて積層体15を得る際、アッパーフェースシート11とアッパーコアシート12との間の所定位置に配置し、成形工程S5における各シート11、12、13、14間の拡散接合と同時にアッパーフェースシート11及びアッパーコアシート12に拡散結合され、上記超塑性成形によって図18に要部断面を示すように翼胴結合隔壁構造体20内に管材24が配管され、別工程での配管作業が省略される。また、同様に管材24は、ロアコアシート13とロアフェースシート14との間に配置することも可能である。
【0074】
更に、積層体セット工程S4において、積層体15のアッパーフェースシート11上の所定位置に管材24をセットし、成形工程S5で各シート11、12、13、14を拡散接合する際に、アッパーフェースシート11に拡散接合することによって図19に要部断面を示すように管材24の一部が埋設するように配管することも可能である。
【0075】
第2実施の形態
以下本発明による第2実施の形態を図22によって説明する。なお説明の便宜上図22において上記第1実施の形態と対応する部分に同一符号を付することで、該部分の詳細な説明を省略する。
【0076】
本実施の形態は、翼結合金具をシート材によって成形するのでなく、予め機械加工によって製作しておき、端部に金具を一体に取り付ける翼胴結合隔壁構造体20に関し、図22はその成形工程の概要を説明する説明図である。
【0077】
先ず、図22(a)に概要を示すように4枚の超塑性金属シート、例えばチタン合金シート素材等から機械加工等によって得られた所定形状のアッパーフェースシート11、アッパーコアシート12、ロアコアシート13、ロアフェースシート14及び鍛造材等の素材から機械加工によって得られた所定形状の一対の翼結合金具となる金具26、27を用意する。
【0078】
金具26は、例えば図22(a)に斜視図を示すように平坦面26bとこの平坦面26bに連続形成される傾斜面26cを有する接合面26aを具備する接合部26Aと、接合部26Aに一体結合される取付フランジ部26Bを具備する断面略T字形に形成され、金具27も同様に平坦面27bとこの平坦面27bに連続形成される傾斜面27cを有する接合面27aを具備する接合部27Aと、接合部27Aに一体結合される取付フランジ部27Bを具備する断面略T字形に形成されている。
【0079】
一方、成形治具30は、図22(c)に示すように第1成形治具31と第2成形治具32を有し、第1成形治具31及び第2成形治具32は、各々翼胴結合隔壁構造本体20の外形形状に対応した内部空間31a、32aを有し、かつ内部空間31aの端部には上記金具26の接合面26aが内部空間31aの成形面31bに連続する状態で接合部26A及び取付フランジ部26Bが嵌合する金具嵌挿部31cが凹設されている一方、内部空間32bの端部にも上記金具27の接合面27aが内部空間32aの成形面32bに連続する状態で接合部27A及び取付フランジ部27Bが嵌合する金具嵌挿部32cが凹設されている。
【0080】
次の接合防止剤塗布工程において第1実施形態と同様に応力分布状態に相応した接合防止剤塗布パターンに従ってアッパーフェースシート11とアッパーコアシート12の間、アッパーコアシート12とロアコアシート13の間、ロアコアシート13とロアフェースシート14の間に防止剤を塗布し、積層工程において各シート11、12、13、14を重ね合わせて積層体15を形成する。
【0081】
そして、次の図22(b)及び(c)に示す積層体セット工程S4で第1成形治具31の金具嵌挿部31cに金具26の接合部26A及び取付フランジ部26Bを嵌装し、第2成形治具32の金具嵌挿部32cに金具27の接合部27A及び取付フランジ部27Bを嵌装し、両金具26、27の平坦面26bと27bによって積層体15を挟んだ状態で成形治具30に積層体15をセットする。
【0082】
続く成形工程S5によって、第1実施の形態同様に、第1成形治具31と第2成形治具32の各内部空間31a、32a内を不活性ガスで置換しながら互いに積層されたアッパーフェースシート11とアッパーコアシート12、アッパーコアシート12とロアコアシ−ト13、ロアコアシート13とロアフェースシート14の境界内を真空引きした後、加熱炉により積層体15及び成形治具30の全体を加熱する。
【0083】
そして所定温度に加熱した後に成形治具30の内部空間31a及び32a内に不活性ガスを所定圧で導入して、アッパーフェースシート11とアッパーコアシート12、アッパーコアシート12とロアコアシ−ト13、ロアコアシート13とロアフェースシート14の接合防止剤が塗布されていない各接合区域A、C、Eおよび、金具26の平坦面26bとアッパーフェースシート11、金具27の平坦面27bとロアフェースシート14とを互いに図22(d)に示すように拡散接合させ、しかる後、内部空間31a及び32a内に導入された不活性ガスを排出すると共に真空引きする。
【0084】
次に、アッパーフェースシート11とアッパーコアシート12、アッパーコアシート12とロアコアシ−ト13、ロアコアシート13とロアフェースシート14の各境界に形成され、接合防止剤によって上記拡散接合が防止された接合不要区域B、D、Fに加圧された不活性ガスを導入してアッパーフェースシート11、アッパーコアシート12、ロアコアシート13、ロアフェースシート14を超塑性成形する。
【0085】
この各シート11、12、13、14の超塑性変形によって第1実施の形態同様に接合不要区域B、D、Fに対応して複数の拡張室を形成すると共にアッパーフェースシート11が第1成形治具31の成形面31bおよび金具26の傾斜面26cに押接し、かつロアフェースシート14が第2成形治具32の成形面32b及び金具27の傾斜面27cに押接するまで不活性ガスが供給され、アッパーフェースシート11と金具26の傾斜面26c及びロアフェースシート14と金具27の傾斜面27cとが各々拡散結合されると共に、外周形状が第1成形治具31の成形面31b及び第2成形治具32の成形面32bに倣った図22(e)に示すような形状の成形体となる。
【0086】
しかる後、成形体は成形治具30から取り出され、トリム工程S6において切削加工等によって外観形状が整えられる。
【0087】
このように成形された翼胴結合隔壁構造は、上記第1実施に形態の効果に加え、端部が拡散接合された金具によって補剛されて剛性が向上すると共に、別工程での金具26、27を取り付ける作業が省略され作業に効率化が得られる。
【0088】
上記第1実施の形態及び第2実施の形態においては翼胴結合隔壁構造について説明したが、他の胴体隔壁構造は勿論、応力が発生する他の超塑性金属による一体構造体に本発明を適用することも可能であり、また要求剛性に応じてアッパーコアシート或いはロアコアシートのいずれか一方を省略することも可能であるし、接合区域と接合不要区域の分布割合を変える代わりに、アッパーフェースシートまたはロアコアシートの当該部の板厚を変更したり、アッパーフェースシートとアッパーコアシートの間或いはロアフェースシートとロアコアシーとの間に補強用のシート材を介装してもよい。
【0089】
更に接合区域の接合面にインサート材、例えばCu−Niメッキを施した拡散接合、即ち液相拡散接合においても同様の方法で実施することが可能であり、本発明は、上記実施形態に限定されることなく本発明に要旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
【0090】
【発明の効果】
以上説明した、構造物の一体成形方法によると、素材としてシート状の一般材の使用が可能になり、機械加工が省略或いは極め少ない機械加工で可能になることから素材コスト及び加工コストの大幅な削減が得られて製造コストの低減が可能になると共に、フェースシートとコアシートとの接合区域を最大主応力方向及び最小主応力方向に沿って形成することから、該部荷重に起因する応力に対してフェースシートの変形が抑制されて高剛性をもって効率的に受け止めることが可能になり、高品質の胴体隔壁構造が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図1】第1実施の形態を説明する翼胴結合隔壁構造の斜視図である。
【図2】翼胴結合隔壁構造の有限要素法による解析結果を説明する説明図であり、線の長さによって最大主応力の大きさを、線の方向によって最大主応力の方向を示すものである。
【図3】同じく、翼胴結合隔壁構造の有限要素法による解析結果を説明する説明図であり、線の長さによって最小主応力の大きさを、線の方向によって最小主応力の方向を示すものである。
【図4】図2及び図3より得られた主応力の方向及び主応力の大きさより翼胴結合隔壁構造のフェースシートとコアシートとの接合区域を説明する図である。
【図5】各シートを説明する斜視図であり、(a)、(b)、(c)、(d)は各々アッパーフェースシート、アッパーコアシート、ロアコアシート、ロアフェースシートの斜視図である。
【図6】各シート間における接合防止剤塗布パターンの説明図である。
【図7】アッパーフェースシートとアッパーコアシートの間における接合防止剤塗布パターンの説明図である。
【図8】ロアコアシートとロアフェースシートの間における接合防止剤塗布パターンの説明図である。
【図9】アッパーコアシートとロアコアシ−トの間における接合防止剤塗布パターンの説明図である。
【図10】積層体を説明する平面図である。
【図11】製造工程を示す説明図であり、(a)、(b)、(c)は各々積層体セット工程、成形工程、トリム工程の説明図である
【図12】翼胴結合隔壁構造の要部破断斜視図である。
【図13】図12の一部破断要部平面図である。
【図14】図12の矢視G方向からの側面図である。
【図15】図12の矢視H方向からの側面図である。
【図16】装備品取付部を説明する図1のI−I線断面図である。
【図17】他の装備品取付部を説明する図1のI−I線断面図である。
【図18】配管構造を説明する翼胴結合隔壁構造体の要部断面図である。
【図19】他の配管構造を説明する翼胴結合隔壁構造体の要部断面図である。
【図20】翼胴結合隔壁構造の製造工程図である。
【図21】航空機の胴体構造の概要を説明する航空機の要部破断斜視図である。
【図22】第2実施の形態の説明図であり、(a)はアッパーフェースシート、アッパーコアシート、ロアコアシート、ロアフェースシート及び金具概要説明図、(b)及び(c)は積層体セット工程の説明図、(d)は成形工程の説明図、(e)は成形完了後の説明図である。
【図23】従来の航空機の胴体隔壁構造及びビルトアップ法による製造方法を説明する胴体隔壁構造の斜視図である。
【図24】胴体隔壁構造の機械一体成型法による製造方法の説明図であり、(a)は素材の斜視図であり、(b)は機械加工された胴体隔壁構造の斜視図である。
【符号の説明】
1 翼胴結合隔壁構造
2 装備品類取付部
3 エンジンダクト取付孔
11 アッパーフェースシート
12 アッパーコアシート
13 ロアコアシート
14 ロアフェースシート
15 積層体
16 第1拡張室
17 第2拡張室
20 翼胴結合隔壁構造本体
26 金具
27 金具
30 成形治具
31 第1成形治具
31a 内部空間
31b 成形面
32 第2成形治具
30 成形治具
32a 内部空間
32b 成形面
A 接合区域
A1 第1接合区域
A2 第2接合区域
B 接合不要区域
C 接合区域
C1 第1接合区域
C2 第2接合区域
D 接合不要区域
E 接合区域
E1 第1接合区域
E2 第2接合区域
F 接合不要区域

Claims (5)

  1. 少なくとも一対のフェースシート及び該フェースシートの間に介装されたコアシートを含む3枚以上の超塑性成形及び拡散接合可能な金属シートの接合不要区域に接合防止材を塗布して重ね合わせ、該重ね合わされた金属シートからなる積層体を成形治具内にセットし、接合区域に対応する金属シートの部分を互いに拡散接合すると共に、各シート間の境界内の接合不要区域に不活性ガスを導入して該接合不要区域に対応する金属シートを超塑性成形する構造物の一体成形方法において、
    上記フェースシートとコアシートとの接合区域が最大主応力方向及び最小主応力に沿って互いに交差する網目状に形成されたことを特徴とする構造物の一体成形方法。
  2. 大なる応力発生領域における接合不要区域に対する接合区域の割合が、小なる応力発生領域における接合不要区域に対する接合区域の割合に対して大なることを特徴とする請求項に記載の構造物の一体成形方法。
  3. 接合不要区域に対する接合区域の割合が、大なる応力発生領域から小なる応力発生領域に移行するに従って順次減少することを特徴とする請求項1または2に記載の構造物の一体成形方法。
  4. 一対のフェースシート間が、上記最大主応力に沿う一対の接合区域と最小主応力に沿う一対の接合区域によって略4辺形で一方のフェースシートと拡散接合され、頂点が他のフェースシートに拡散接合されたコアシートによって複数の略4角錐形状に区画形成されたことを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の構造物の一体成形方法。
  5. 2枚のコアシートを有し、上記一対のフェースシート間が、上記最大主応力に沿う一対の接合区域と最小主応力に沿う一対の接合区域によって略4辺形で一方のフェースシートと拡散接合されると共に、頂点が他のフェースシートに拡散接合された一方のコアシートによって複数の略4角錐形状に区画形成され、上記最大主応力に沿う一対の接合区域と最小主応力に沿う一対の接合区域によって略4辺形で他方のフェースシートと拡散接合され、頂点が一方のフェースシートに拡散接合された他方のコアシートによって複数の略4角錐形状に区画形成されたことを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の構造物の一体成形方法。
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