JP5288689B2 - バニシ仕上げのプロセス制御のための方法及び装置 - Google Patents

Description

本発明は、総括的には航空機エンジンのような複合機械で使用する構成部品の製造に関し、より具体的には製造におけるバニシ仕上げ作業のプロセス制御に関する。

タービンエンジン技術分野ではよく知られかつ広く説明されているように、この種の複合機械におけるブレード及びベーンのような構成部品は、高い機械的及び熱的サイクル負荷状態で作動する。さらに、これらの構成部品は、作動時に高サイクル振動応力を受けることが多い。低サイクル及び高サイクル疲労負荷状態又は異物損傷（ＦＯＤ）により発生した割れは、過度の引張り応力負荷状態が存在すると伝播する可能性がある。構成部品の疲労寿命を改善する１つの方法は、構成部品内部の選択位置に圧縮応力状態を生じさせることである。

公知の方法は、製造時に構成部品内部に残留圧縮応力を生じさせることが知られている。製造時にショットピーニングを使用することは、当技術分野ではよく知られている。ショットピーニングでは、媒体流を構成部品の表面に高速で導き、それによって構成部品内に塑性変形及び残留圧縮応力を生じさせる。レーザショックピーニング（ＬＳＰ）は、構成部品内に残留圧縮応力を生じさせるために成功裏に使用されてきたもう一つの方法である。レーザショックピーニングは一般的に、レーザからの多数の放射パルスを使用して構成部品の表面上に衝撃波を生成し、この衝撃波により、残留圧縮応力を生じさせる。構成部品内部に残留圧縮応力を生じさせる別の方法は、例えば本発明の出願人と同一出願人によるＢａｉｌｅｙ他に付与された米国特許第５，７７１，７２９号に記載されているような機械式インデンタを用いた精密ディープピーニングによるものである。

ディープローラバニシ仕上げ（ＤＲＢ）及び低塑性バニシ仕上げ（ＬＰＢ）のようなバニシ仕上げ方法は、製造において構成部品内に残留圧縮応力を生じさせることを含む様々な目的のために使用されてきた。このようなプロセスでは、ローラ又はボールのようなバニシ仕上げ要素を構成部品の表面に対して押付けかつ構成部品上の選択経路に沿って移動させる。バニシ仕上げ時に使用する押付力は、その押付力によりバニシ仕上げ領域近傍の構成部品内部に塑性歪み及び残留圧縮応力を生じさせるほどのものである。バニシ仕上げツールは一般的に、構成部品の表面上にバニシ仕上げ要素を押付けるための加圧流体を使用した油圧作動式のものである。機械押付け式ツールも使用される。

概念的には簡単であるが、バニシ仕上げプロセスは、高ボリュームの製造環境においてその結果を制御する方法を必要とする。バニシ仕上げにより得られる残留応力に影響を与える可能性がある例えば流体圧力、ボリュームフロー、ばね荷重、表面状態、潤滑効率、バニシ仕上げ要素の摩耗などのような幾つかのパラメータが存在する。現在、バニシ仕上げプロセス制御は、主として、全てのパラメータ及び工具設定を固定すること及びバニシ仕上げプロセスの最終結果が適切に制御されていると推定することに依存している。圧力、速度などのような機械制御パラメータの幾つかは、製造時にモニタすることができるが、これら機械制御パラメータは一般的に、他の原因によるプロセス制御変動を確かめるのには適切でない。幾何学的測定及び視覚評価では、バニシ仕上げ構成部品の限られた評価が得られるだけである。バニシ仕上げ構成部品の内部領域に付与された有用な残留応力は、非破壊的には容易に測定することができない。
米国特許第５，７７１，７２９号公報

従って、加工処理した構成部品の頻繁な、高価な又は破壊式の評価の必要性なしで、製造中に構成部品に施工した全プロセスをシミュレートするバニシ仕上げプロセス制御を可能にする装置及び方法に対する必要性が存在する。

上述の必要性は本発明によって満たされ、本発明は、１つの態様によると、バニシ仕上げプロセスのプロセス制御に使用することができるバニシ仕上げプロセス制御用の試験片（クーポン）を使用する装置及び方法を提供し、これについて説明する。これらの装置及び方法は、製造環境において部品に施工されるような全バニシ仕上げプロセスをシミュレートし、また同様に構成部品の最終結果に影響を与える可能性があるプロセス変動に対して敏感である。

本発明の別の態様によると、バニシ仕上げプロセスのプロセス制御のための装置は、本体と、２つの端部と、少なくとも１つのプロセス制御クーポンと、プロセス制御クーポンを本体に取付けるための手段とを含む。プロセス制御クーポンの少なくとも１つの端縁部が、バニシ仕上げ時にその全長に沿って締付けられる。プロセス制御クーポンは、ばね鋼のような購入可能でありかつ低コストの材料で製作れる。これらクーポンはまた、構成部品と同一のチタンのような材料で製作することができる。

本発明のさらに別の態様によると、別の実施形態において本装置は、バニシ仕上げ時にクーポンに横方向の支持を与えるクーポン支持体を有する。２つのプロセス制御クーポンは、装置内に取付けて同時にバニシ仕上げすることができる。

本発明のさらに別の実施形態によると、構成部品のバニシ仕上げのためのプロセス制御の新規な方法は、少なくとも１つのプロセス制御クーポンを選択する段階と、プロセス制御クーポンを保持するための装置を選択する段階と、プロセス制御クーポンを装置に取付ける段階と、プロセス制御クーポンの表面上に、バニシ仕上げするための領域を選択する段階とを含む。バニシ仕上げプロセスを使用して次ぎにパッチが、選択領域上でバニシ仕上げされる。バニシ仕上げの後に、プロセス制御クーポンの選択位置における少なくとも１つの物理的パラメータが測定される。これらの物理的パラメータには、クーポン内にバニシ仕上げ作業により生じた撓み、冷間加工、残留応力、塑性歪み、Ｘ線回析結果などを含むことができる。構成部品へのバニシ仕上げ結果との間の前もって確定した相関関係に基づいて、プロセス制御クーポンに対する測定により、製造におけるプロセス制御を行う。

本発明は、添付図面の図と関連してなし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。

様々な図全体を通して同一の参照符号が同一の要素を示す図面を参照すると、図１は、ローラバニシ仕上げプロセス又はディープローラバニシ仕上げプロセスのようなバニシ仕上げプロセスのプロセス制御のための装置の実施例を示す。本装置は、第２の端部１６から間隔をおいた第１の端部１４を有する全体的に「Ｃ字」形状の本体１２を含む。バニシ仕上げプロセス制御クーポン１００は、第１の端部１４と第２の端部１６との間に取付けられる。プロセス制御クーポン１００として、従来型のアルメン（Ａｌｍｅｎ）帯鋼を使用することができる。

図１に示す実施形態では、１つのプロセス制御クーポン１００が、２つの締付けプレート１３及び１８と、２つのファスナ１７及び１９とを使用して取付けられる。締付けプレート１３及び１８が所定の位置に固定保持される限り、ファスナ１７及び１９の代わりにＣ−クランプのような他の固定装置を使用することができる。プロセス制御クーポン１００は、締付けプレート１３及び１８を使用して、該プロセス制御クーポン１００がその上部端縁部１０１及び下部端縁部１０２全体に沿って全体的に固定される（図３参照）ように取付けられる。そのような取付けにより、バニシ仕上げ作業時に上部端縁部１０１又は下部端縁部１０２が撓むのが防止される。プロセス制御クーポン１００の次ぎにバッキングプレート１０９を配置して、信頼性がない試験結果を生じる可能性がある過度の曲がりを防止する。例えば、バッキングプレート１０９は、その厚さを約７．６２ｍｍ（０．３インチ）〜約１０．２ｍｍ（０．４インチ）とすることができる。

図２及び図３は、バニシ仕上げプロセス制御クーポン１００のバニシ仕上げ表面１２１と接触するローラバニシ仕上げツール２０１を概略的に示す。バニシ仕上げ作業では、例えば球形ローラバニシ仕上げツールのような多くの形状のバニシ仕上げツール２０１を使用することができる。バニシ仕上げプロセス制御クーポン１００の表面１２１上の領域３０１は、以下でさらに詳細に述べるように、バニシ仕上げ作業を行ってバニシ仕上げパッチ３０３を形成することになる場所に選択される。

図４に概略的に示す本発明の別の実施形態では、２つのバニシ仕上げプロセス制御クーポン１００は、該クーポンの外側面１２２が互いに隣接するように装置１０の内部に取付けられる。２つのバニシ仕上げプロセス制御クーポンは、図１の例示的な実施形態で示したような締付け具１３及び１８並びにファスナ１７及び１９を使用して端縁部１０１又は１０２に沿って締付けることによるような好適な手段によって端縁部１０１、１０２、１０３及び１０４の幾つかにおいて装置に取付けられる。締付けプレート１３及び１８が所定の位置に固定保持される限り、ファスナ１７及び１９の代わりにＣ−クランプのような他の固定装置を使用することができる。バニシ仕上げ表面１２１上のバニシ仕上げパッチ寸法及び位置が、２つのバニシ仕上げプロセス制御クーポンに対して選択される。ローラバニシ仕上げには、３５ｍｍ（１．４インチ）の長さ及び１７ｍｍ（０．７インチ）の幅の典型的なバニシ仕上げパッチ寸法が適当である。バニシ仕上げは、図３に概略的に示すようにクーポン１００の各々のバニシ仕上げ表面１２１に対して垂直に対向する方向からバニシ仕上げ力Ｆを加えることによって、２つのバニシ仕上げプロセス制御クーポン１００上で同時に行われる。ばね鋼製のアルメン帯鋼寸法Ａのクーポンの場合には、約２５ｋｇ（５５ｌｂ）の典型的なバニシ仕上げ力が使用される。アルメン帯鋼寸法「Ｎ」又は「Ｃ」のような他のクーポンを使用する場合には、バニシ仕上げ力は異なるものとすることができる。それぞれより小さい又はより大きい力を加えて、バニシ仕上げによって低い又は高い圧縮深度を生じさせることが、「Ｎ」又は「Ｃ」帯鋼を使用する理由といえる。図３に示す端縁部１０３及び１０４にほぼ平行なバニシ仕上げの長さ方向Ｌは、単に例示的なものにすぎない。例えば端縁部１０３及び１０４に対してほぼ垂直な方向のような他の方向も選択することができる。

図６に示す本発明の別の実施形態では、バニシ仕上げプロセス制御装置は、バニシ仕上げ作業時にバニシ仕上げプロセス制御クーポン１００に横方向の支持を与えるクーポン支持体１５を含む。クーポン１００は、端縁部１０１、１０２、１０３及び１０４の幾つかを締付けるために上述した図示の締付けプレート１３及び１８並びにファスナ１７及び１９のような好適な締付け手段によって装置１０に取付けられる。図６に示す例示的な実施形態では、クーポン支持体１５は、装置１０の第１の端部１４と第２の端部１６との間で延びる。クーポン支持体１５は、該支持体１５がバニシ仕上げ表面１２１と反対側の全表面１２２に沿ってバニシ仕上げプロセス制御クーポン１００に剛性の横方向の支持を与えるように、例えば約４ｍｍ（０．１６インチ）のような十分な厚さを有する。この実施形態の利点は、装置のより高い剛性のためにバニシ仕上げ時においてクーポン１００上に望ましくない撓みを引き起こさずにより高いバニシ仕上げ力Ｆを加えることができることである。図４に示す実施形態のもう一つの利点は、支持体１５に対する装置１０内でのクーポン１００の正確な配置により、セットアップ時間がより短くなることである。図４は、クーポンが２つの端縁部１０１及び１０２に沿って締付けられるような場合を示す。本発明の技術的範囲内で別の締付け構成もまた考えられる。例えば、バニシ仕上げに先だって、３つの端縁部（１０１、１０２、１０３）を締付けることができる。或いは、バニシ仕上げに先だって、バニシ仕上げプロセス制御クーポンの全ての端縁部（１０１、１０２、１０３、１０４）を締付けることができる。バニシ仕上げパッチ寸法及び位置の選択並びにバニシ仕上げ方向の選択は、上述のものと同様である。

上述した装置は、バニシ仕上げプロセスのプロセス制御のために使用される。上記のように、バニシ仕上げ作業の結果に影響を与える可能性がある幾つかの変数がある。これらの変数によるプロセス変動は、数百の構成部品に対してバニシ仕上げを行うような製造用途をモニタすることを困難にするか又は不可能にする可能性がある。本明細書で述べたプロセス制御の方法により、製造環境におけるバニシ仕上げプロセスをモニタする、費用効果がありかつ簡単な方法が可能になる。

本方法は、少なくとも１つのプロセス制御クーポン１００を選択する段階と、プロセス制御クーポン１００を保持するための装置１０を選択する段階と、クーポン１００を装置１０に取付ける段階と、プロセス制御クーポン１００の表面上にバニシ仕上げするための領域を選択する段階と、選択領域上のパッチをバニシ仕上げする段階と、プロセス制御クーポン１００の少なくとも１つの物理的パラメータを測定する段階とを含む。これらの段階は、以下にさらに詳しく述べる。

プロセス制御クーポン１００は、製造において構成部品のバニシ仕上げに使用するのと同一のバニシ仕上げツール及びプロセスを使用してバニシ仕上げするために選択される。このクーポン１００は一般的に、約１．３ｍｍ（０．０５０インチ）のほぼ一定の厚さで、約７．６２ｃｍ（３インチ）の長さ及び約１．９ｃｍ（０．７５インチ）の幅の矩形形状を有する。他の好適な形状及び寸法もまた使用することができる。例えば、ＳＡＥ標準Ｊ４４２に記載されたショットピーニング強度を測定するのに使用するもののような標準アルメン帯鋼を使用することができる。必要に応じて、クーポン１００の材料は、航空機エンジンに使用するチタンブレードのようなバニシ仕上げする構成部品の材料と同一になるように選択することができる。次に、図１及び図４の例示的な実施形態に示すようなプロセス制御装置１０が、プロセス制御クーポン１００を保持するために選択される。

次に、プロセス制御クーポンは、選択したプロセス制御装置上に取付けられる。上述のように、装置１０の内部で、複数のクーポン１００を使用することができる。例えば、図６は、クーポン支持体１５の２つの側面に隣接して取付けられた２つのプロセス制御クーポン１００を示す。プロセス制御クーポン１００は、該クーポン１００の端縁部１０１、１０２、１０３、１０４のうちの選択した端縁部がその全長に沿って締付けられてバニシ仕上げ時に端縁部の撓みを排除するように取付けられる。

プロセス制御クーポン１００上の領域が、バニシ仕上げするために選択される。図２に示す例示的な実施形態では、プロセス制御クーポンの１つの外則面１２１上の矩形領域３０１が、バニシ仕上げするために選択される。この実施例では、反対側の面１２２は、バニシ仕上げするために選択されない。パッチの矩形形状は好ましいものであるが、外側面１２１、１２２のいずれかの上にバニシ仕上げするための他の形状の領域を選択することが可能である。この選択領域は、プロセス制御クーポンの外側面１２１全体を含むことができるが、バニシ仕上げプロセスのプロセス制御を行うためには必ずしも常にそのようにする必要はない。通常は、全外側面よりも小さいバニシ仕上げ領域が、適当である。

次に、バニシ仕上げ作業は、ローラバニシ仕上げ、ディープローラバニシ仕上げ（ＤＲＢ）又は低塑性バニシ仕上げ（ＬＰＢ）のような当技術分野では公知のバニシ仕上げ法を使用して選択領域に対して行われる。このようなプロセスでは、ローラ２０１のようなバニシ仕上げツールが、プロセス制御クーポン１００の表面１２１に対して押付けられて、選択した方向の選択経路を移動しながらバニシ仕上げ力「Ｆ」を発生する。このようなバニシ仕上げ作業により、クーポン１００内に塑性変形が生じ、プロセス制御クーポンの表面上にバニシ仕上げパッチ３０３が形成される。バニシ仕上げ作業により、バニシ仕上げパッチ近傍のプロセス制御クーポン内に残留応力が形成される。選択したバニシ仕上げパッチ３０３は、締付けプレート１３及び１８の外側にあるバニシ仕上げプロセス制御クーポン１００の全表面１２１を覆うようにするか又は図２に示すように表面１２１の一部のみを覆うようにすることができる。

バニシ仕上げ作業は、選択領域３０１上の選択経路に沿って行われる。図２は、プロセス制御クーポン１００の長さ方向端縁部１０３、１０４にほぼ平行に行ったバニシ仕上げ作業によって形成された長さ方向「Ｌ」の例示的なバニシ仕上げ経路を示す。長さ方向端縁部１０３、１０４に対してほぼ垂直な幅方向Ｗのような他の方向（図２には図示せず）にバニシ仕上げ作業を行うことも可能である。図２には示していないが、バニシ仕上げの経路にはあらゆる他の方向の組合せも可能であり、それらも本発明の技術的範囲内にある。そのようなバニシ仕上げプロセスがバニシ仕上げプロセス制御クーポン１００の内部に残留応力分布を生じさせることができることは当技術分野では公知である。

バニシ仕上げ作業が終了した後に、選択した端縁部１０１、１０２、１０３、１０４に沿った締付けが解除され、プロセス制御クーポン１００が装置１０から取り出される。次に、バニシ仕上げ作業によって影響を受けた選択物理的パラメータのバニシ仕上げ後の測定が、プロセス制御クーポンに対して行われる。このようなパラメータの実施例には、撓み、冷間加工、Ｘ線回析、表面微細構造などが含まれる。

バニシ仕上げプロセス制御に使用することができる１つの例示的な物理的パラメータは、プロセス制御クーポンの撓みである。先に指摘したように、バニシ仕上げ作業は、プロセス制御クーポン１００の内部に残留応力を形成する。端縁部１０１、１０２、１０３及び１０４に沿った締付けが解除されると、プロセス制御クーポン１００の一定の撓みが可能になる。これらの撓みは、例えばバニシ仕上げパッチ３０３の中央部又はバニシ仕上げ時に締付けられなかった端縁部の中間部におけるような選択ポイントにおいて測定することができる。使用したバニシ仕上げパッチ３０３の寸法、形状及び位置に応じて、他の好適なポイントを測定のために選択することができる。

バニシ仕上げプロセス制御に関しては、測定した物理的パラメータがパラメータの一定の確定限界値の範囲内にあることを判定することだけが必要である。これらのパラメータの絶対値を確定する必要はない。使用する特定の物理的パラメータ（例えば、撓みのような）が予め確定した限界値の範囲内にあるかどうかを判定するための事前較正したゲージを使用することが可能である。バニシ仕上げプロセス制御クーポン１００の物理的パラメータのこれらの限界値は、構成部品の測定バニシ仕上げ結果と関連づける公知の技術的方法に基づいて確定される。プロセス制御（又はその不足）の判定は、プロセス制御クーポンの選択した物理的パラメータの即時測定（製造環境における）と、バニシ仕上げ構成部品の結果との予め確定した相関関係とに基づいて行われる。

以上は、バニシ仕上げのプロセス制御のための方法及びそれに関連した装置について説明してきた。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内から逸脱することなく本発明に対する様々な改良を行う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、限定の目的ではなくて例示だけの目的のために示したものであって、本発明は、特許請求の範囲によって定まる。

その中にプロセス制御クーポンを取付けたバニシ仕上げプロセス制御装置の実施例を示す図。 その上にバニシ仕上げパッチを有するバニシ仕上げプロセス制御クーポンの概略正面図。 図２のバニシ仕上げプロセス制御クーポンの側面図。 同時にバニシ仕上げされる２つのバニシ仕上げプロセス制御クーポンの概略側面図。 バニシ仕上げプロセス制御装置の別の実施形態内に取付けられた２つのバニシ仕上げプロセス制御クーポンの概略正面図。 図５に示すバニシ仕上げプロセス制御クーポンの側面図。 図６に示すバニシ仕上げプロセス制御クーポンの端面図。

符号の説明

１０ 装置
１２ 「Ｃ字」形状の本体
１３ 締付けプレート
１４ 第１の端部
１５ クーポン支持体
１６ 第２の端部
１７ ファスナ
１８ 締付けプレート
１９ ファスナ
１００ プロセス制御クーポン
１０１ 上部端縁部
１０２ 下部端縁部
１０３ 端縁部
１０４ 端縁部
１０９ バッキングプレート
１２１ 外側面／バニシ仕上げ表面
１２２ 外側面／表面
２０１ ローラバニシ仕上げツール
３０１ 領域
３０３ バニシ仕上げパッチ

Claims (2)

1. バニシ仕上げプロセスのプロセス制御のための装置（１０）であって、
   細長いプロセス制御用試験片支持体により連結された第１の端部（１４）及び第２の端部（１６）を有する本体と、
   前記第１の端部から前記第２の端部へ向かう縦方向に延びる端縁部及び横方向に延びる端縁部によって境界付けられた表面を有する２つのプロセス制御用試験片（１００）と、
   前記プロセス制御用試験片（１００）を前記第１の端部（１４）及び第２の端部（１６）の少なくとも１つに取付けるための手段と、
   を含み、
   前記２つプロセス制御用試験片は前記プロセス制御用試験片支持体の両面に締め付けられ、前記プロセス制御用試験片支持体がバニシ仕上げ時に前記２つのプロセス制御用試験片に横方向の支持を与え、
   前記プロセス制御用試験片（１００）のそれぞれの端縁部（１０１、１０２、１０３、１０４）の少なくとも１つが、バニシ仕上げ時にその全長に沿って拘束される、
   装置（１０）。
2. 前記プロセス制御用試験片（１００）を取付けるための手段が、該プロセス制御用試験片（１００）と係合するための少なくとも１つの締付けプレート（１３、１８）と、前記締付けプレート（１３、１８）を固定するための少なくとも１つの固定装置とを含む、請求項１記載の装置。

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