JP5268351B2 - 初期バニシング加工パラメータを決定する方法 - Google Patents

Description

本発明は,総括的には耐疲労性及び耐損傷性構成部品を形成する方法に関し、より具体的には、バニシング加工処理のためのプロセスパラメータを設定する方法に関する。

ガスタービンエンジンファン及び圧縮機ブレードのような様々な金属、セラミック及び複合材構成部品は、疲労及び損傷による（例えば、異物衝突による）割れ発生を受けやすい。この損傷は、部品の寿命を短縮させ、修理又は交換を必要とする。バニシング加工の主目的は、耐疲労性及び耐食性のような材料の利点を得るように表面上に残留応力を与え、また割れ形成及び伝播を防ぐことである。航空宇宙産業では、これら利点のうちで、疲労寿命耐応力性を高めることに最も関心がある。その中に残留圧縮応力を生じさせることによって、構成部品を割れ伝播から保護することは知られている。これらの応力を与える方法には、ショットピーニング、レーザショックピーニング（ＬＳＰ）、ピンチピーニング及び低塑性バニシング加工（ＬＰＢ）が含まれる。これらの方法は一般的に、割れ伝播から保護しようとする領域上に残留圧縮応力の「パッチ」を適用することによって行われる。

典型的なバニシング加工装置は、円筒形又は球形のような回転バニシング要素を含み、この回転バニシング要素を機械的又は静水圧手段によって選択バニシング加工圧力でワークピースに対して押付け、かつ一連のストローク又はセグメントで部品表面にわたって移動させる。残留応力の大きさは、多数のパラメータの関数であり、その中で最も影響が大きいものは、バニシング加工圧力とバニシング加工ストロークのオーバラップ度とである。疲労テストの高い費用により、広範なバニシング加工圧力及びオーバラップ度の場合には、これらパラメータの初期選択は、高価なものとなる可能性がある。

従来技術では、初期圧力及びオーバラップ選択は、任意に又は試行錯誤のいずれかで行われている。試行錯誤法は、費用だけでなく時間もかかる。

さらに、特定用途のために引出したパラメータを使用することは、別の用途では同じ結果を得ることができない。例えば、同じ条件下にあるが異なる断面厚さを有する同一材料の２つの薄いプレートをバニシング加工すると、臨界厚さまでは異なるオーバラップ度を生じる結果となり、従って疲労テストで異なる挙動を示すことになる。臨界厚さとは、他の全てのパラメータを一定に保った場合に、その値において又はその値以上でオーバラップ度が一定に維持されることになる所定の材料の厚さである。

とりわけ従来技術における上述の欠点は、本発明によって解決され、本発明は、１つの実施形態によると、バニシング加工作業のためのパラメータを決定する方法を提供し、本方法は、回転バニシング要素を使用して材料サンプルの選択表面上に共通幅を有しかつ事前選択したオーバラップ値だけ互いにオーバラップした少なくとも２つのセグメントをバニシング加工する段階と、表面の得られた硬度を測定する段階と、測定した硬度に基づいて、ワークピース上への後続バニシング加工作業のための加工オーバラップ値を選択する段階とを含む。

本発明は、添付図面の図と関連して行った以下の説明を参照することによって最もよく理解することができる。

様々な図を通して同じ参照符号が同様の要素を表す図面を参照すると、図１は、処理対象のワークピース「ＷＰ」のサンプル１３の表面１２上にオーバーレイした一般化バニシング加工パターン１０を示している。この方法で処理するワークピースＷＰの非限定な実施例には、圧縮機ブレード及びステータベーン、ファンブレード、タービンブレード、シャフト及びロータ、固定フレーム、アクチュエータハードウェアなどが含まれる。そのようなワークピースＷＰは、金属合金、セラミック又は複合材料（例えば、炭素繊維複合材など）で作ることができる。このバニシング加工パターン１０は一般的に、回転バニシング要素１１を含む公知のタイプのバニシング加工装置を使用して施工され、バニシング要素１１は、多軸数値又はコンピュータ制御マニピュレータによって表面１２に対して静水圧で又は機械的に荷重を加える。

図示するように、バニシング加工パターン１０は、セグメント中心線を定める経路「Ｐ」に沿いかつ側面セグメント１６によって連結された一連のＳ字回転として配列した複数のセグメント１４を含む。セグメント１４は、中心線経路「Ｐ」の隣接する脚部間の距離であるフィード距離「Ｆ」（また、「ステップオーバ距離」又は「オフセット」とも呼ばれる）によって分離される。特定の用途に適するように、様々な経路を使用することができる。設定、プログラム及び測定の便宜上、最も一般的には経路Ｐは、線形セグメント又はストロークの幾つかの組合せを含む。

セグメント１４の幅「Ｗ」（また、「フットプリント」とも呼ばれる）は、ワークピースＷＰの材料及び厚さと同時に付加バニシング加工圧力並びに使用するバニシング要素１１の寸法及び特性の関数でもある。フィード距離ＦとフットプリントＷとの間の関係は、セグメント１４間のオーバラップ度を決定する。具体的に、オーバラップ値「ＯＶ」は、ＯＶ＝［（Ｗ−Ｆ）／Ｗ］×１００によってパーセントで数学的に表すことができる。

フットプリントＷに等しいフィードＦを使用してセグメント１４が並列にバニシング加工された場合、セグメントは互いにオーバラップしないことになる（図２Ａ）。これは、０％オーバラップ値ＯＶであると考えられ、図２Ａに示している。フィードＦが０％オーバラップ値ＯＶよりも大きい場合には、隣接するフットプリントＷ間には間隙が存在することになる。これは、負のオーバラップ値ＯＶと考えられ、図２Ｂに示している。最後に、フィードＦがフットプリントＷに等しい場合には、セグメント１４は、本質的に互いに重なってバニシング加工され、これらは、１００％オーバラップ値ＯＶであると考えられる。それは、図２Ｃに示している。

バニシング加工プロセスのための初期パラメータは以下のようにする。最初に、公知の材料組成及び厚さを有する材料サンプル１３を選択する。ワークピースＷＰのサンプル１３上にテストセグメント１４をバニシング加工し、それらのセグメント１４の幅の測定を行い、選択したバニシング加工圧力におけるバニシング加工フットプリントＷを求める。このフットプリント値は、上述のような０％オーバラップ値ＯＶを決定する。

次に、様々な決定オーバラップ値を使用して、ワークピースＷＰのサンプル１３上の表面１２の選択領域内に０％〜１００％オーバラップ値ＯＶ間の異なるオーバラップで、バニシング加工によりパッチを形成し、そのパッチの硬度を測定する。次にその硬度測定値を分析して、所望のオーバラップ値ＯＶを決定する。使用する様々な決定オーバラップ値ＯＶは、例えばオーバラップの均等増分値を使用することによって、或いは実験計画法（ＤＯＥ）又は他の統計方法を使用することによって、任意に決定することができる。一般的に、より高い硬度値は、より大きい耐疲労性（疲労耐性）に対応しており、望ましい。硬度測定値が得られると、次に所望の硬度値（例えば、最高硬度）に対応するオーバラップ値ＯＶを加工オーバラップ値ＯＶとして使用して、後続ワークピースＷＰを加工処理する。

上記のパラメータ設定プロセスをＴｉ６−４合金の平坦プレートに対して適用して、ガスタービンエンジン圧縮機ブレードの疲労テストのための初期プロセスパラメータを見出した。チタンサンプル１３の場合に約０．４１７８ｍｍ（１６．４５ミル）のフットプリントＷで以下の一般的結果が観察された。すなわち、約９０％〜１００％オーバラップ値ＯＶ（高オーバラップ範囲）における硬度結果は一般的に、低いオーバラップ設定におけるよりも低かった。高オーバラップ設定はまた、サンプル１３上に大きな変形を生成する。このことは、高オーバラップ設定においてはサンプル１３が微視的規模で塑性変形する可能性があることを示唆している。一方、約５０％オーバラップ値ＯＶ又はそれ以下（低オーバラップ範囲）における硬度結果は一般的に、オーバラップ設定値が減少するにつれて低下する。バニシング加工フットプリントＷ及び硬度結果を分析することによって、圧縮機ブレードの後続バニシング加工のために初期圧力及び増分フィードＦを選択した。バニシング加工ブレードのテストは、ブレードの耐疲労応力性がテスト条件においてその初期値の約２００％ほど改善されたことを示した。

この上記の方法は、迅速かつ低価格である。高価な最終加工品の代わりに低価格の材料サンプルの使用が可能である。また、低価格かつ迅速なテスト（長さ測定及び硬度測定）を使用して、あらゆる疲労テストを実施する前にパラメータ選択を絞り込む。

以上、バニシング加工プロセスのためのパラメータを設定する方法を説明している。本発明の特定の実施形態を説明してきたが、本発明の技術思想及び技術的範囲から逸脱することなく本発明に対して様々な変更を加えることができることは当業者には明らかであろう。従って、本発明の好ましい実施形態及び本発明を実施するための最良の形態の上記の説明は、例示の目的のためのみに示すものであって限定の目的のために示すものではなく、本発明は、特許請求の範囲によって定まる。

バニシング加工プロセスの適用パターンの概略平面図。 ゼロオーバラップ状態を示すバニシング加工経路の概略平面図。 負のオーバラップ状態を示すバニシング加工経路の概略平面図。 完全オーバラップ状態を示すバニシング加工経路の概略平面図。

符号の説明

１０ バニシング加工パターン
１２ 表面
１４ セグメント
１６ 側方セグメント
Ｆ フィード距離
Ｐ 経路
Ｗ 幅

Claims (7)

1. バニシング加工作業のためのパラメータを決定する方法であって、
   （ａ）回転バニシング要素（１１）を使用して材料サンプル（１３）の表面（１２）の選択領域上に共通幅（Ｗ）を有しかつ事前選択したオーバラップ値（ＯＶ）だけ互いにオーバラップした少なくとも２つのセグメント（１４）をバニシング加工する段階と、
   （ｂ）前記材料サンプル（１３）の前記表面（１２）の前記選択領域の得られた硬度を測定する段階と、
   （ｃ）前記測定して得られた硬度に基づいて、ワークピース（ＷＰ）上への後続バニシング加工作業のための加工オーバラップ値（ＯＶ）を選択する段階と、
   を含む方法。
2. 前記共通幅（Ｗ）が、
   （ａ）前記表面（１２）の前記選択領域上にテストセグメント（１４）をバニシング加工する段階と、
   （ｂ）前記セグメント（１４）の得られた幅（Ｗ）を測定する段階と、によって決定される、
   請求項１記載の方法。
3. ある範囲のオーバラップ値（ＯＶ）を使用して前記段階（ａ）及び（ｂ）を反復して、複数の硬度測定値を生成する段階をさらに含む、請求項１又は２記載の方法。
4. 前記オーバラップ値（ＯＶ）の範囲が、５０％〜９０％である、請求項３記載の方法。
5. 前記複数の硬度測定値の最高値に対応する加工オーバラップ値（ＯＶ）を選択する段階をさらに含む、請求項３又は４記載の方法。
6. 前記測定した硬度の各々を、前記材料サンプル（１３）の測定疲労耐性と相関させる段階をさらに含む、請求項３乃至５のいずれか１項記載の方法。
7. 前記選択した加工オーバラップ値（ＯＶ）を使用してワークピース（ＷＰ）上にバニシング加工作業を実施する段階をさらに含む、請求項１乃至６のいずれか１項記載の方法。

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