JP4705423B2 - 複雑な部品の鍛造におけるフラッシュランドの幾何形状を生成する方法 - Google Patents

Description

本発明は、鍛造金型のインプレッション、およびより詳細には複雑な部品の鍛造、この場合はターボ機械のベーンを鍛造するためのインプレッションの周辺部に配置される、フラッシュランド（バリ道）およびそれらのガッタ（バリ溝）の幾何形状の生成に関する。

フラッシュランドは、部品を鍛造する際の、材料のインプレッションへの充填を確実に行う手段である。適切なフラッシュランドを生成することにより、フラッシュランドを越えてはみ出す前に、保持した材料を、最初にインプレッションの空洞に強制的に充填することを保証する。フラッシュランドにより、インプレッションからの出口における材料の余剰分の除去が可能になる。

材料の正確な流れ以外に、フラッシュランドの形状の最適化により、得られる部品の優れた再現性および鍛造力の低減が実現し、型打ち機の耐用年数の向上につながる。

この最適化は、詳細には、鍛造工程の前の部品および用具の温度、相互の摩擦係数、および部品のブランクの形状に応じている。

フラッシュランドの幾何形状を決定するために、詳細には、鍛造部品の形状の仕様を用いる。ターボ機械のベーンなどの複雑な部品は、厚み方向におけるブレードの横断面の特性、およびフラッシュランドの特性を規定し、かつ上記の物理的特性からブレードの横断面を拡張することにより、それらを結合する必要がある。

ターボ機械のベーンの鍛造機器の設計には、多数の計算が要求され（金型の構造に関して数千の点を決定する）、結果として、この方法はコスト高となる。さらに、入力の誤差の危険性が高く、フラッシュランドを画定する面において寄生起伏が発生する可能性がある。

本出願人は、この方法を改良することを目的とした。

この目的のために、本発明は、特定のパラメータに従って、ターボ機械のベーンの鍛造金型に設けられるフラッシュランドの幾何形状を生成する方法に関する。ベーンは、ブレードを有し、ブレードは、所定の平面における平面断面により画定され、またフラッシュランドおよびそのフラッシュガッタが、ブレードおよびフラッシュランドの平面断面を得るために前記平面に従って規定される必要がある。この方法は、以下の特徴を有する。
・ ブレードの基部、中間部、先端部に対応する基準平面におけるブレードの少なくとも３つの基準断面を選択する。
・ 前記基準平面において、フラッシュランドの長さおよび３つの基準断面の収縮距離を決定する。
・ 前記所定の平面において、補間法により、前記基準断面からフラッシュランドおよびフラッシュガッタの中間断面を生成する。

好ましくは、フラッシュランドおよびそのガッタの中間断面を計算する前に、基準断面における前記パラメータを変更することによって、フラッシュランドのパラメータの様々な決定を実行する。

好ましくはさらに、ターボ機械のベーンは、前縁および後縁を有するため、前縁および後に対応するフラッシュランドおよびガッタの断面は、同時に決定される。

したがって、フラッシュランドおよびそのガッタの中間断面は、大部分については自動計算され、結果として、大幅な時間の節約になる。

有利には、フラッシュランドおよびそのガッタの中間断面の決定は、多項式補間を用いる。

好ましくはさらに、補間に続いて、先ずフラッシュガッタの修正を行い、アンダーカットされたまたはほほ垂直である、金型をより脆くする可能性がある面の生成を避け、次にベーンの先端の高さの不一致を減らす。

本発明は、添付面を参照するフラッシュランドを決定する方法の以下の説明により、さらによく理解されるであろう。

図１を参照すると、ターボ機械のベーンブレード１０は、一方では前縁ＢＡと後縁ＢＦとの間にあり、もう一方ではブレードの先端部９およびブレードの基部８との間にある、２つの面、すなわち下側面および上側面を有する。ブレードの下側面および上側面の間で、ベーンは、所定の出力を有し、また後で戻される２つの金型で構成されるプレス機器に作用する鍛造機（図示せず）により鍛造される材料１で構成される。

ブレードまたはエアフォイル断面１０は、所定の平面Ｐｉ内にある平面断面Ｓｉにより、下側ブレード面２”’および上側ブレード面２’とこれら平面の交点において、幾何形状的に画定される。

これらの断面は、部品またはベーンを鍛造する位置にあるとき、および鍛造処理の間は、金型の断面でもある。本明細書の以降では、両者を相互に区別しないものとする。

最初の段階では、３つの断面Ｓａ、Ｓｂ、Ｓｃを備える、基準平面Ｐａ、Ｐｂ、Ｐｃの少なくとも３つの平面８、１０、９を選択する必要がある。３つの基準断面を用いて、フラッシュランドの構成パラメータを決定する。これは図２で実行されており、３つの基準断面は、ブレードの基部、中間部、先端部に対応する断面Ｓ２、Ｓ６、Ｓ１１である。

検証段階といわれる第２の段階では、前縁ＢＡおよび後縁ＢＦにおいて、断面Ｓａ、ＳｂおよびＳｃに対してのみ、フラッシュランド５およびそれらに対応するガッタ６を幾何形状的に構成する。

構成は、図３に示される幾何形状要素に基づいている。図３では、下側ブレード面２”および上側ブレード面２’と、Ｐａ、ＰｂおよびＰｃセットにおいて取られる基準平面Ｐｊとの交点、ならびに前縁ＢＡおよび後縁ＢＦのＰｊ上のトレースが示されている。

ここでは下記の追加要素が使用されている。
・ 上側ブレード面（４’における）および下側ブレード面（４”における）に、同時に接する円４の全ての中心点の骨格曲線３。
・ 部品のＣＡＤ（コンピュータ支援設計）の規定から得られ、完成部品に対して制御または測定点として使用される、１つの測定点１１。

これらの要素は、ベーンまたは金型の幾何形状規定の一部を形成し、ＣＡＤ形式においてコンピュータ媒体で利用できる。

さらに、Ｐｊ平面において、測定点１１における骨格曲線３の接線１２、およびこの接線上で、以下の幾何形状要素が規定される。
・ 測定点１１からの収縮距離ｄにおいて、測定点１１と、場合に応じて前縁ＢＡまたは後縁ＢＦとの間に位置する収縮点１３。
・ 収縮点１３からの距離ｌにおいて、および測定点に対する収縮点の延長内において、フラッシュランドの理論上の長さである長さ部分ｌの範囲を限定するガッタ点１４。
・ αは、フラッシュガッタの展開角である。Ｒ＝ｈ／２は、フラッシュガッタと接する円の半径であり、フラッシュガッタの長さと金型間のガッタの高さを限定する。一般に角度αの値は、６０°である。

フラッシュランドは、２つの寸法、すなわち長さλおよび厚さεにより限定され、これらはλ／εにより関連付けられている。これらは、部品の形状および使用される機械の種類に関連する複雑な基準に基づいて決定されている。例えば、ねじプレスで１０５０℃で鍛造される鋼鉄製の部品については、フラッシュランドの実際の長さは、以下のとおりでなければならない。
λ＝（部品の最大幅）^１／２
９４０℃の温度で鍛造されるチタン製の部品の場合、λの大きさは半分である。

これらの要素の全てを用いて、平面Ｐｉによりフラッシュランドおよび対応するフラッシュガッタの断面の理論的な特性点（最適点と呼ばれる）を限定する。
・ 曲線２’（上側）および２”（下側）のそれぞれと、骨格曲線に対して垂直でありかつ点１３を通過する直線ｄｒとの交点であり、ブレードの前縁または後縁の測定点１１から一定の距離（収縮距離と呼ばれる）だけ移動している、理論点１３’および１３”。
・ それぞれ１３’および１３”を通過する、接線１２に対する平行線Ｔ’（上側）およびＴ”（下側）。
・ ガッタ点１４から引かれた接線１２との垂線線Ｎ１と、それぞれ平行線Ｔ’およびＴ”との交点である、理論点１４’および１４”。
・ 半径ｈ／２の円に接する平行半直線２１’および２１”と半直線２０’および２０”とのそれぞれの交点である、理論点１６’および１６”。

点１３’−１４’で規定される部分１５’、点１４’−１６’および一方は半直線２１’により規定される２０’、ならびに、点１３”−１４”により規定される部分１５”、点１４”−１６”および他方は半直線２１”により定義される２０”は、平面Ｐｊ内のフラッシュランド５および対応するフラッシュガッタ６の断面（理論最適断面と呼ばれる）を決定する。

プレス機器の金型メーカーで実際に使用されるフラッシュランドおよびガッタの最適断面の幾何形状特性点を得るために、すなわち上側ブレード側の文字Ａ’、Ｂ’、Ｃ’、ＯＦ、Ｅ’、Ｆ’、および下側ブレード側の文字Ａ”、Ｂ”、Ｃ”、ＯＦ’、Ｅ”、Ｆ”により特定される点を得るため、図３に示されるとおり、３つのそれぞれの接続半径Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、および上記の幾何形状点の座標を導入する。Ｒ１は、一方では測定点に接触しないように大きすぎず、他方ではフラッシュランドとブレードとの間が鋭角にならないように十分に大きい必要がある。言い換えれば、図３のＡ’およびＡ”は、垂線Ｎに対して垂直である。最終的に、長さλに等しい有効なフラッシュランドの長さＢ’Ｃ’またはＢ”Ｃ’を得る。

各基準平面Ｐａ、Ｐｂ、Ｐｃに対してこの方法を続行し、全体の平面断面を得る。全体の平面断面と呼ばれる理由は、部品の断面、ならびにこれらの基準平面におけるフラッシュランドおよびガッタの断面を合わせ、したがって、基準断面Ｓａ、Ｓｂ、Ｓｃならびにフラッシュランドおよびそのガッタの最適な断面の集合であるためである。

選択段階として知られている第３の段階では、パラメータｌおよびｄを決定し、その後、断面Ｐａ、Ｐｂ、Ｐｃ内の接続Ｒ１およびＲ２を決定する。これらの可変パラメータを用いて、部品に最適なフラッシュランドの長さλを得る。

パラメータが特定されると、全ての平面Ｐｉにおけるフラッシュランドおよびそのガッタの最適な断面を得るために、補間段階に移る。

自動補間は、線形、２次、３次、または一般に多項式補間でもよく、全ての平面Ｐｉに対して図２の最適な断面５および６を得る。これらの最適な断面はまた、平面Ｐｉの部分１５’、１５”、２０’、２０”の細部により図４に示されている。

前縁および後縁に対応するフラッシュランドの断面は、同時に計算できるが、フラッシュランドの理論長さｌ、および収縮距離などの様々なパラメータを用いて、その厚さε、高さｈ、角度α等を規定する。

しかしながら、図５を参照すると、例えば、ベーンの基部に近接する一定の極値ｉに対して、自動補間の結果は許容できるものではなく、鍛造機械の打撃方向Ｆｏに対してずれて向けられた、Ｃ１３のような部分を生じる場合がある。図の例において、金型は、材料をガッタ角度内に押し込むことができない。

修正段階と呼ばれる第４の段階では、部分Ｃ”１２、Ｃ”１１およびＣ”１０に対応する、誤った方向に向けられた部分Ｃ１１、Ｃ１２、Ｃ１３を修正する。

フラッシュガッタを生成するには、ベーンの基部および先端部における基準断面ＢＡおよびＢＦを選択する必要がある。４つの基準断面、すなわち前縁ＢＡで２つ（基部でｓ３およびブレード先端部でｓ９）、および後縁ＢＦで２つ（基部でｓ４およびブレード先端部でｓ８）を選択して、フラッシュガッタの方向を修正することにより、生成方法によって完全に滑らかな表面を得ることができる。

基準断面の部分Ｃ１０およびＣ２０は、ベーンの基部または先端部の方向に配置されるかどうかによって、Ｃ’１０により表される前断面または後断面に反映される。図５で繰り返される図３の点１８’および１８”によって、それぞれＣ’１０およびＣ’２０に対する平行線を描き、その後、先ず、Ｃ１１と、Ｃ’１０に平行で点１８”を通過するＣ”１０との間で二等分線を生成し、次に、同様にＣ２１と、点１８”を通過するＣ”２０との間で二等分線を生成する。新しいフラッシュガッタであり、したがって基準部分であるこれらの部分は、前断面または後断面などに反映される。

この目的のため設計されるプログラムを使用して、いくつかの試験を実施し、最良の結果を得る基準断面を選択することができる。したがって、フラッシュガッタの修正は、単一操作で実施できる。

フラッシュガッタの方向の修正後、理論的フラッシュランドおよび関連するガッタを規義する表面の生成に進み、それらを使用して、図６および図７に示されるようなプレス機器を生成する。

図６において、ターボ機械のベーンを鍛造する金型の２つの接触表面が、向かい合わせに示されており、金型１１０および１２０の表面を見ることができる。
・ ブレードに対しては１０１’
・ 半径Ｒ１の接続に対しては１０２’
・ 有効なフラッシュランドに対しては１０３’
・ 半径Ｒ２の接続に対しては１０４’
・ フラッシュガッタに対しては１０５’
・ 半径Ｒ３の接続に対しては１０６’
・ 半直線２１’に対応する機器のガッタに対しては１０７’。

金型１２０は、ここではＸ”として示されているＸ’に対応する表面を有する、同一の対応する要素により表わされている。

図７は、図６ですでに示されている要素により金型１２０を表している。

ターボ機械のベーンの全ての平面断面Ｐｉ、およびこれらの平面断面から選択された基準断面、および修正前に生成されたフラッシュランドの断面の斜視図である。 ターボ機械のベーンの全ての平面断面Ｐｉ、およびこれらの平面断面から選択された基準断面、および修正前に生成されたフラッシュランドの断面の斜視図である。 ターボ機械のベーンの前縁および後縁断面の規定、および前記縁に対するフラッシュランドおよびそのガッタの接続の規定における特性点を示す図であり、これらの特徴点は、本発明による処理において使用される。 部品、フラッシュランド、ならびに対応する未修正および必要な場合は修正されたターボ機械のフラッシュガッタの全ての断面の斜視図である。 ターボ機械のベーンの鍛造用のプレス機器の図を表しており、フラッシュランドおよび対応するフラッシュガッタの平面断面の、未修正および修正された打撃軸、打撃平面、およびフラッシュガッタの角度を示している。 向かい合わせのターボ機械のベーンの鍛造用のプレス金型の表面、フラッシュランド、およびフラッシュガッタの斜視図であり、本発明の処理の適用後の補間結果を示している。 ターボ機械のベーンの鍛造用の金型の最終的表面の斜視図を表している。

符号の説明

２’ 上側ブレード面
２” 下側ブレード面
３ 骨格曲線
４ 円
５ フラッシュランド
６ フラッシュガッタ
８ 基部
９ 先端部
１０ ターボ機械のベーンブレード
１１ 測定点
１２ 接線
１３ 収縮点
１４ ガッタ点
１３’、１３”、１４’、１４”、１６’、１６” 理論点
１５’、１５” 部分
１８’、１８” 点
２０’、２０” 半直線
２１’、２１” 平行半直線
１１０、１２０ 金型

Claims (5)

1. 決められたパラメータ（ｌ、ｄ、ε、α、ｈ）に従って、ターボ機械のベーンの鍛造金型（１１０、１２０）に設けられるフラッシュランド（５）の幾何形状を生成する方法であって、ベーンは、ブレード（１０）を含み、ブレードは、所定の平面（Ｐｉ）にしたがった平面断面（Ｓｉ）により画定され、フラッシュランド（５）および該フラッシュランドに対応するフラッシュガッタ（６）が、ブレードおよびフラッシュランドの平面断面を得るために前記所定の平面にしたがって規定される必要があり、前記方法が、
   ブレードの基部、中間部、先端部に対応する少なくとも３つの基準平面（Ｐａ、Ｐｂ、Ｐｃ）を選択することを含み、前記基準平面は、前記基準平面に対応する基準断面（Ｓａ、Ｓｂ、Ｓｃ）を備え、前記方法がさらに、
   前記決められたパラメータから、前縁（ＢＡ）および後縁（ＢＦ）で前記基準断面（Ｓａ、Ｓｂ、Ｓｃ）に関するフラッシュランドおよび該フラッシュランドの対応するガッタを生成することを含み、
   フラッシュランドの長さは、収縮点（１３）およびガッタ点（１４）を決定して、収縮点（１３）とガッタ点（１４）との間の距離から範囲が定められ、
   フラッシュガッタの長さおよび金型間のフラッシュガッタの高さは、フラッシュガッタの開き角およびフラッシュガッタに接する円の半径の決定から規定され、前記方法がさらに、
   前記所定の平面において、補間法により、前記基準断面からフラッシュランドおよびフラッシュランドの対応するフラッシュガッタの中間断面を生成することを含むことを特徴とする、方法。
2. フラッシュランドおよび該フラッシュランドのガッタの中間断面を計算する前に、基準断面における前記パラメータを変更することにより、フラッシュランドのパラメータの様々な決定を実行する、請求項１に記載の方法。
3. 前縁（ＢＡ）および後縁（ＢＦ）におけるフラッシュランドおよび対応するフラッシュガッタの断面が、同時に計算される、請求項１または２に記載の方法。
4. フラッシュランドおよびフラッシュガッタの中間断面を決定するために、多項式補間方法を用いる、請求項１から３のいずれか一項に記載の方法。
5. 補間後に、フラッシュガッタ（２０’、２０”）の断面の向きを修正して、ほぼ垂直なアンダーカットまたは壁を除去する、請求項１から４のいずれか一項に記載の方法。

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