JP4975979B2 - インベストメント鋳造品内でのコア生成特徴形状部の位置を決定するための方法及び装置 - Google Patents

Description

本発明は、インベストメント鋳造品内でのコア生成特徴形状部の位置を決定するための方法及び装置に関する。

現在、多くのガスタービンエンジンの製造業者は、翼形部の冷却効率を向上させるための複雑な空冷通路を含む鋳造金属タービンノズル又は翼形部（例えば、ガスタービンエンジンブレード又はベーン用の）を製造するために、最新の精密鋳造（インベストメント鋳造）法を用いている。内部冷却通路は、溶融金属をコアの周りで鋳型内に鋳込むセラミックシェル鋳型内に配置した１つ又はそれ以上の複雑な翼形形状セラミックコア（中子）を用いて、鋳造翼形部内に形成される。セラミックコアは、内部空洞及びリブのような翼形部の内部構造特徴形状部を製造する役割を持つ。

典型的なセラミックコアは、コア金型又は鋳型内において高温で射出形成又はトランスファー形成される可塑性セラミック化合物を用いて作られる。コアは次に、焼成又はベーキングによって硬化される。完成した焼成コアは次に、パターン金型空洞内に配置され、空洞内でコアの周りに消失パターン材料（例えばワックス又はプラスチック）を導入されて、周知のロストワックス精密鋳造法で使用するコア／パターン組立物を形成する。次に、コア／パターン組立物は、セラミックスラリーに浸漬し、余分なスラリーを取除き、粗いセラミック・スタッコ又は砂粒で被覆し、そして乾燥させるのを繰り返されて、全体として組立体の周りにシェル鋳型を形成する多重セラミック層が積層される。パターンは次に、選択的に除去されて、その中にセラミックコアが配置されたシェル鋳型が残り、その鋳型内に溶融金属が注入される。溶融金属が固まった後に、鋳型及びコアを除去すると、元はコアがあったところに１つ又はそれ以上の内部通路を有する鋳造翼形部が残る。

ガスタービンノズル及び翼形部のような中空金属機械部品の製造において、上述のインベストメント鋳造法は、多くの場合、浮動式コア設計に基づいて実施される。少なくとも他の理由の中でも次の理由において、すなわち内部幾何学形状設計では、その複雑さが増しかつ全体的三次元翼形部又はノズル形状のより多くが組込まれるので、鋳造品は、部品の主基準体系に対して内部幾何学形状を最適に適合させることが可能になるように「バランスさせる」ことができなければならず、従って、設計においてコアは「浮動」要素であることが必要になる。しかしながら、浮動式コア設計の使用は、部品のその後の製造機械加工時に問題を引き起こす。具体的には、浮動式コア設計の使用は、部品の固定外部基準構造の周りでの鋳造内部特徴形状部のある程度の位置変動を生じる。このような変動は、これらのコア生成内部特徴形状部に対して正確な測定又は精密機械加工作業を実施しようとする時に、非常に望ましくないものとなる。

通常、主基準体系を含む固定外部基準に対して壁の厚さ及び外部配置セクションを使用して、特定の鋳造翼形部／ノズル部品の内部幾何学形状の位置をおおよそ求めることが可能なだけである。このため、実施できなくはないとしても、コア生成内部特徴形状部の自動機械加工は、不正確であることが多い。このことの少なくともその一部は、従来型の自動機械加工法が機械加工／測定作業時に部品を定位しかつ／又は保持するための部品の固定外部基準体系／構造に依存しており、またこの固定「主」基準体系が、浮動式コアの使用によって引き起こされる特徴形状部の位置変動のためにコア生成鋳造品内部特徴形状部に対して不正確であるという事実による。（ほとんどの自動測定及び機械加工装置を制御するのに使用される従来型の購入可能なパッケージ・ソフトウェアアプリケーションは一般的に、この固定外部基準体系を使用して、特定の部品における全ての基準に対する最良適合測定値を計算している。）
今日の複雑な翼形部設計においては、ガスタービン翼形部形状は、特定の所望のタービンスロート面積を達成しかつ最適化するように翼形部の外部特徴形状部の「最良適合」を可能にしなければならない。翼形部の内部特徴形状部は、鋳造工程時にコアを使用することによって生成される。コアは、鋳造工程時に、翼形部外部幾何学形状に対して、浮動、ねじれ、移動などする可能性がある。このコアの運動により、コア生成内部特徴形状部は外部翼形部形状に対する未確認位置に配置されることになる。これらのコア生成内部特徴形状部の多くは、溶接又はろう付けによる他の構成部品の仮付け及び／又は取付けを可能にするように精密機械加工することを必要とする。精密な嵌合又は取付け構成部品のろう付け及び／又は溶接が成功するのを可能にすることになる適合を維持するために、非常に厳密な機械加工公差が要求される。鋳造工程時に外部特徴形状部に対して移動を生じたコア生成内部特徴形状部が該外部特徴形状部への固定状態に基づいて機械加工された場合、機械加工公差を超えることになる。従って、得られた鋳造品のコア生成内部特徴形状部を翼形部外部特徴形状部ではなくコア位置に対して機械加工することができるような、コア生成幾何学形状の位置を決定するための方法及び／又は装置に対する必要性が存在する。
特開２００２−３６１３７０号

前述の問題を適切に解決するために、独立した基準構造／体系がコアに付加される。この付加的（二次）基準構造は、三次元座標測定機（ＣＭＭ）のような通常の最新式測定装置によるアクセス及び検査に適するよう配置される。公知の従来型の鋳造／製造法は一般的に、コア生成内部特徴形状部の測定及び機械加工時にタービン翼形部又はノズル部品を定位しかつ／又は保持するために、単一の固定外部ベース主基準構造のみを使用する。コア設計は浮動式なので、内部構造特徴形状部は、最終的には鋳造品及び鋳造工程のプロフィール限界値内で運動／移動する。それ故に、コアと一体形の二次の一組の基準を用いて、コア生成内部鋳造品特徴形状部に固有の基準系を構成する。このコアベース基準系は、コア幾何学形状の正しい配向及び位置合わせを保証するための手段を提供し、特定の翼形部又はノズル設計の部品とすることができる複雑な内部構造特徴形状部に対する正確な測定及び精密機械加工を可能にする。

本発明の１つの態様は、外部インベストメントシェル及び／又は他のロウ生成特徴形状部を除いたコア生成幾何学形状（例えば、中空インベストメント鋳造物品の内部構造特徴形状部）の位置を特定する、コアと一体形の二次基準体系の確立である。独立したコアベース基準系の使用により、外部鋳造シェルとコアとの間の位置変動の修正又は補正が可能となる。コアベース基準系の使用はまた、特定の所望のスロート面積を達成しながら翼形部外部形状に対するコアの「最良適合」を得るために、コア幾何学形状の配置位置を移動させるような設計変更を可能にする。別の態様は、従来型の測定装置によって容易にアクセスできかつ機械加工によって容易に除去されるコア生成基準パッドの、中空インベストメント鋳造タービン部品の内部部分への配置を提供する。さらに別の態様は、コア生成特徴形状部の位置変動による機械加工／測定誤差の発生の可能性を排除又は少なくとも最小にし、かつ鋳造時に起こる可能性がある又は設計変更／修正の結果として実行することが必要になる可能性があるあらゆるコアの移動に対してコア生成特徴形状部に精密機械加工を実施することを可能にする、中空インベストメント鋳造物品（例えば、タービン翼形部、ブレード又はノズル）の製造のための配置を提供する。

本発明におけるこれらの及び他の特徴及び利点は、その中では全体を通して同一の参照符号が同じ要素を示す図と関連させて、現在好ましくかつ例示的な実施形態の以下の詳細な説明を読むことにより、一層良く理解されるであろう。

以下の記載において、特定の細部は、コアがそれを除去したときに鋳造物品内に冷却通路を形成するガスタービンエンジン部品を鋳造するに使用する浮動式セラミックコアに関して、説明の目的のために記載したものであって、限定するためのものではない。本発明は、本明細書に説明した特定の実施例に限定されるものではなく、様々な金属及び合金で他の用途のための様々な鋳造品を作るためのインベストメント鋳造コアに対して実施することができる。本明細書において以下に説明する非限定的な実施例が、これらの特定の細部構造から離れた他の実施形態において実施可能であることは、当業者には明らかであろう。

図１に示すのは、その後の測定又は機械加工作業のためにコア生成内部幾何学形状の位置を確定するためのコアベース位置基準系を有する、タービン翼形部のような中空金属物品をインベストメント鋳造するための実施例としての工程流れ図である。最初に、中空タービン翼形部の所望の内部構造特徴形状部を製造することになるセラミックコア要素が設計される。ブロック１０１に示すように、特定の基準領域（例えば、ポジティブ（突出）又はネガティブ（陥凹）変位を有する小さな人工物／構造）が、鋳造品のコア生成内部構造特徴形状部と一体形になった基準パッドを生成するようにコア設計に組込まれる。コア基準パッドは、その後の機械加工段階で除去されることになる鋳造品のコアの張出し又はバリ部分に組込まれるのが好ましい。次に、ブロック１０２に示すように、一体形の基準パッド領域を有するコア要素は、翼形部パターン鋳型内に取付けられ、消失パターン材料（例えば、プラスチック又はワックス）がコアの周りでパターン鋳型内に射出される。次に、処理手順ブロック１０３〜１０７に示すように、従来型のロストワックスインベストメント鋳造工程を実施して中空金属物品を製造する。シェル及びコアを除去した（ブロック１０６及び１０７）後に、ブロック１０８に示すように、除去したコア要素によって製造された（コア生成）構造特徴形状部の内部幾何学形状及び位置を定位するための正確な基準系として役立つコアベース基準パッドの配列が鋳造金属部品に残る。

図２及び図３は、ガスタービン翼形部部品の例示的なインベストメント鋳造品のそれぞれの側面及び断面図を表す。図２には、翼形部本体鋳造品２００が、翼形部部品の空洞及び内部構造特徴形状部を生成する役割を持つコア要素２０１と共に図示されている。翼形部本体２００の外部隆起部分２０３は、主基準系２０３を構成するために用いられる。コアベース（二次）基準系を形成するために使用することができる、コア要素２０１の例示的な領域２０２も示されている。この区域は、容易にアクセスでき、かつここに位置するコア生成張出し部分又はバリ部分は、その後の機械加工により容易に除去される。この実施例では、コアセクション２０２によって製造されたコア生成張出し部分（又はバリ）は、２つ又はそれ以上の基準パッドのコアベース基準構造を含むのが好ましい。図３は、図２の線ａ’−ａ’における断面図を示し、この断面図は、タービン翼形部部品の内部空気冷却通路を形成することができるリブ３０１及び中空空洞部分３０２のような実施例としてのコア生成構造特徴形状部を示す。

次に、図４を参照すると、実施例としての翼形部鋳造品４００の斜視図を示しており、この斜視図は、例えばパッド４０１及び４０２を含む外部固定主基準構造と基準パッド４０４、４０５及び４０６を含む二次コア生成基準構造との両方を示す。この実施例では、コア生成基準パッド４０４、４０５及び４０６は、翼形部鋳造品４００のコア生成張出し部分４０３と一体形でありかつその内部に位置する。図４に示す特定の内部特徴形状部及び基準パッドを製造する役割を持つコア要素の細部構造はこの図には明確に示され又は図示されていないが、得られた鋳造品内に特定の特徴形状部を生成することになるようなコア要素を製造する工程は一般的に当技術分野では知られており、また適当なセラミックコア要素は周知の方法及び材料を使って容易に製作することができることは、当業者には明らかであろう。本実施例では、このようなコアは、必然的に図４に示す翼形部内部構造及び基準パッドの逆型又は陰性型である部分を含むように製作されることになる。

図５には、図４の実施例としてのコアベース基準系をより詳細に示す。本実施例では、翼形部５００のコアベース基準構造を形成する複数の基準パッド５０１、５０２及び５０３が、翼形部空洞内の内部構造特徴形状部５０４に結合されかつそれから延びるコア生成張出し部分又はバリ部分５０５の内部に位置しかつそれと一体形になっている。この図において説明した非限定的かつ実施例としての構成では、基準パッドはポジティブ型領域として示しているが、基準パッドは空間的制約、合金の種類及び最適鋳造品特性のような要因に応じて、コアのポジティブ型（突出）又ネガティブ型（陥凹）領域のいずれかを用いて製造することができることは、当業者には明らかであろう。

現在最も実用的でかつ好ましい実施形態であると考えられるものに関して本発明を説明してきたが、本発明は開示した実施形態に限定されるものではなく、また特許請求の範囲に記載した参照符号は本発明の技術的範囲を狭めるのではなく、本発明を容易に理解するためのものであることを理解されたい。

コア生成内部構造特徴形状部の位置を確定するためのコアベース位置基準系を有する中空インベストメント鋳造金属物品を製造するための実施例としての工程流れ図を示す概略図。 中空翼形部タービン部品の実施例としてのインベストメント鋳造品の側面図。 図２の線ａ’−ａ’に沿って取った、タービン翼形部鋳造品の断面上面図。 実施例としての主基準構造及び実施例としてのコアベース基準パッドを示すタービン翼形部鋳造品の斜視図。 実施例としての一組のコア生成基準パッドを有する実施例としてのタービン翼形部の鋳造内部構造を示す、図４のタービン翼形部の拡大破断上面図。

符号の説明

２００、４００ 翼形部鋳造品
２０１ コア要素
２０２ 張出し部分又はバリ部分
２０３ 外部隆起部分
３０１ リブ
３０２ 空洞
４０１、４０２ 外部固定基準パッド
４０３、５０５ 張出し部分
４０４、４０５、４０６、５０１、５０２、５０３ コア生成基準パッド
５０４ 内部構造特徴形状部

Claims (6)

1. 少なくとも１つの内部空洞を有するタービン翼形部部品（４００）のインベストメント鋳造に使用するための浮動式コア（２０１）であって、当該浮動式コア（２０１）が、
   鋳造された翼形部部品（４００）の内部空洞の外側に張り出した張出し領域（４０３）を生成する少なくとも１つの部分を含んでいるとともに、
   鋳造された翼形部部品（４００）の前記張出し領域に、独立した基準構造を形成するため、複数の基準パッド（４０４、４０５、４０６）を生成する部分を当該コアの一部分に一体に有しており、
   前記複数の基準パッド（４０４、４０５、４０６）が、その後の測定又は機械加工作業のため鋳造された翼形部部品（４００）のコア生成内部構造特徴形状部を定位するための位置基準系を与える、
   浮動式コア（２０１）。
2. 鋳造物品の精密機械加工を可能にする位置基準系として有用な複数の基準パッド（４０４、４０５、４０６）を有する中空鋳造物品（２００、５００）を、浮動式コアを用いたインベストメント鋳造法を用いて製造する方法であって、
   前記鋳造物品（２００、５００）上に基準パッド（５０１、５０２、５０３）を製造するための複数の一体形のポジティブ又はネガティブ基準領域を有する浮動式コア構造体（２０１）であって、前記複数の基準領域が、その後の機械加工により前記鋳造物品から除去することができるコア生成張出し領域又はバリ領域（２０２、２０５）を生成するコア構造体の部分と一体に形成されている浮動式コア構造体（２０１）を形成する段階と、
   前記コア構造体の周りに前記物品の消失材料パターンを注型する段階と、
   前記消失材料パターン及びコア構造体のインベストメント鋳造品を製造する段階と、
   前記鋳造物品から前記コア構造体を除去する段階と、
   前記鋳造物品のコア生成内部特徴形状部に対して、前記コア生成内部特徴形状部（５０４）を正確に定位するための位置基準系として前記基準パッド（５０１、５０２、５０３）を用いて、機械加工作業を実施する段階と
   を含む方法。
3. 前記基準パッド（５０１、５０２、５０３）を含む前記コア生成張出し領域又はバリ領域（５０５）を除去する段階をさらに含む、請求項２記載の方法。
4. 前記コアがセラミックである、請求項２記載の方法。
5. 浮動式コアを用いたインベストメント鋳造法で製造された中空鋳造物品（４００）でのコア生成内部構造特徴形状部の位置を確定する方法であって、
   前記中空鋳造物のコア生成張出し領域又はバリ領域（４０３）に複数の基準パッド（４０４、４０５、４０６）を生成する部分を一体に有する独立したコアベース基準構造を有する浮動式コア（２０１）を形成する段階と、
   前記浮動式コアを用いたインベストメント鋳造法で製造された中空鋳造物品（４００）の前記コア生成張出し領域又はバリ領域に生成された前記複数の基準パッド（４０４、４０５、４０６）を、前記コア生成内部特徴形状部の位置を確定するための位置基準系として用いる段階と
   を含む方法。
6. 前記複数のパッド（４０４、４０５、４０６）が、その後の機械加工作業時に除去される前記鋳造物品のコア生成張出し領域又はバリ領域（４０３）に形成される、請求項５記載の方法。
   

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