JP5325417B2 - バニシ仕上げ要素の状態を評価する方法 - Google Patents

Description

本発明は、一般に、疲労及び損傷に対する耐性を有する構成要素を製造する方法に関し、特に、そのような構成要素を製造するために使用される工具を評価する方法に関する。

ガスタービンエンジンのファンブレード及び圧縮機ブレードのような種々の金属製構成要素、セラミック構成要素及び複合構成要素は、疲労及び損傷（例えば、異物の衝突による）に起因する亀裂を発生しやすい。そのような損傷は部品の寿命を短くするため、修理又は交換が必要となる。構成要素の中に残留圧縮応力を誘起することにより、構成要素の亀裂が広がらないように保護することは周知である。応力を加える方法にはショットピーニング、レーザーショックピーニング（ＬＳＰ）、ピンチピーニング及び低可塑性バニシ仕上げ（ＬＰＢ）などがある。それらの方法は、通常、亀裂の広がりから保護される領域に沿って残留圧縮応力の「パッチ」を押当てることにより採用される。

典型的なバニシ仕上げ装置は、機械的圧力又は静流体圧力によりバニシ仕上げ力を装荷される円筒又は球などのローラバニシ仕上げ要素を含む。バニシ仕上げ工程はバニシ仕上げ要素と工作物との物理的接触を必要とする。潤滑が行われるが、通常の使用中にバニシ仕上げ要素の摩耗が起こるので、摩耗を監視していなければならない。バニシ仕上げの品質はバニシ仕上げ要素の状態によって決まる。摩耗した要素は要素と工作物との間に材料の転移を引起こし、表面の仕上がりや残留応力に悪影響が及ぶ場合がある。

従来の技術においては、バニシ仕上げ要素の状態の劣化の制御は、累積バニシ仕上げ時間を調整することに依存していた。摩耗の兆候は、バニシ仕上げ要素及び工作物を目視検査することによって判定される。例えば、バニシ仕上げ工程で使用される冷却材／潤滑剤の品質及び量を調整することにより摩耗を防止する措置も講じられている。しかし、バニシ仕上げ要素の摩耗を一様に効率よく試験する方法は存在しない。

特に従来の技術における上述の欠点は本発明により対処される。一実施形態によれば、本発明は、ローラバニシ仕上げ要素の状態を評価する方法を提供し、方法は、未知の状態を有するバニシ仕上げ要素を面に当接させ、予め選択された試験パターンに従って移動することと；バニシ仕上げ要素を移動する間に、少なくとも１つの次元でバニシ仕上げ要素に作用する力を表す少なくとも１つの試験力プロファイルを記録することと；バニシ仕上げ要素の状態の基準状態からの偏差を判定するために、少なくとも１つの試験力プロファイルを少なくとも１つの基準力プロファイルと比較することとを含む。

本発明は、添付の図面と関連させて以下の説明を参照することにより最もよく理解されるであろう。

図面を参照して説明する。図中、種々の図において同一の図中符号は一貫して同一の要素を示す。図１は、ガスタービンエンジンの圧縮機ブレード１０の一例を示す。この構成要素は、本発明の方法を適用してもよい部品の一例として単に使用される。

図示されるように、圧縮機ブレード１０は、ローラバニシ仕上げ要素１４（本実施形態においては球が示される）を含む周知の種類のバニシ仕上げ工具１２によって処理を受けている。バニシ仕上げ要素１４は、周知の方法でバニシ仕上げ工具を通して汲み上げられる作動流体により静流体力で支持され且つ潤滑される。周知の種類の多軸数値制御マニピュレータ又はコンピュータ制御マニピュレータ（図示せず）を使用して、バニシ仕上げ要素を予め選択されたパターン「Ｐ」に沿ってトラバースすることにより、圧縮機ブレード１０は処理される。

バニシ仕上げ処理の間にバニシ仕上げ要素１４は自然に摩耗し、損傷する場合もある。バニシ仕上げ要素１４の状態を評価するための基礎を提供するために、まず、バニシ仕上げ要素１４が「基準（ベースライン）」状態、すなわち未使用の状態にあるときに制御パラメータを使用してバニシ仕上げ要素１４を試験する。図２は、互いに離間する子午線１６が外面１８に重ね合わされ赤道２０と交差するような座標系の一例を伴う球形のバニシ仕上げ要素１４を示す。

バニシ仕上げ要素１４は、図３に示されるセンサパッド２２を使用して試験される。センサパッド２２は、加えられる圧力及び／又は力を感知し、その圧力又は力と、任意にセンサパッド２２の活動領域における感知された圧力又は力の場所とを表す信号を発生できる。本実施形態においては、センサパッド２２はＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸（ページの中へ向かう方向）を有するデカルト座標フレームを使用する。センサパッド２２は、圧電素子、ロードセルなど（図示せず）の周知の種類のセンサのアレイから構成されてもよい。例えば、センサパッド２２がＺ軸力を記録する間にＸ軸力及びＹ軸力を感知するために、バニシ仕上げ要素１４を移動するために使用される装置（図示せず）と追加の圧力センサ又は力センサを関連付けてもよい。センサパッド２２の出力データは、そのデータを格納し、解析し、操作し、表示し且つ／又は他の方法でデータを操作するように動作可能であるコンピュータ（図示せず）に接続される。

図３は、バニシ仕上げ要素の外面１８の全体に対応するように選択された試験パターン「Ｔ１」を示す。試験パターンＴ１は、一連のＳ字折り返しを成して配列され且つ横方向線分２６により結合された複数の直線状線分２４を含む。線分２４は長さ「Ｌ」を有し、つなぎ距離「Ｓ」により離間される。長さＬはバニシ仕上げ要素１４の周囲と等しくなるように選択され、つなぎ距離Ｓは赤道２０における個々の子午線１６の離間距離と等しい。厳密なつなぎ距離Ｓは空間分解能（すなわち、非常に小さな特徴をマッピングする能力）と試験パターンＴ１を完了するまでに要する時間との兼合いによって決まる。

基準状態にあるバニシ仕上げ要素１４（図４）をセンサパッド２２と接触させながら、バニシ仕上げ要素１４を試験パターンＴ１に従ってトラバースする。センサパッド２２及び他のセンサからの出力は、図５にそれぞれ２８Ａ、２８Ｂ及び２８Ｃとして表されるＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸に対応する一群の力プロファイルとなる。それらのプロファイル２８における縦軸は力又は圧力の大きさを表し、横軸はトラバースが実行された時間及び／又は総距離を表す。この手順は、後続するバニシ仕上げ作業と同一の条件（バニシ仕上げ圧力など）で実行される。バニシ仕上げ要素１４の「基準」状態の選択は、特定の適用用途に適合するように変えられてもよい。例えば、基準状態は通常の生産規格まで仕上げられる試験規格により定義されてもよいし、更に厳密な規格に適合するように定義されてもよい。あるいは、基準状態は、任意のバニシ仕上げ作業に使用される前の個別のバニシ仕上げ要素１４により定義されてもよいし、そのようないくつかのバニシ仕上げ要素の平均測定値により定義されてもよい。

基準状態の力プロファイルが設定されたならば、バニシ仕上げ要素１４の状態を評価するために、例えば、バニシ仕上げ作業を開始するたびに作業に先立って試験するなど、選択された間隔でバニシ仕上げ要素１４を試験できる。これは、基準状態試験と同一のパラメータを使用して、試験パターンＴ１に従ってバニシ仕上げ要素１４をトラバースすることにより実行される。バニシ仕上げ要素１４に何らかの欠陥又は摩耗が存在する場合、得られる試験力プロファイル３０は基準状態力プロファイル２８とは異なる。例えば、図６は、溝又は掻き傷などの欠陥３２を含む使用済みのバニシ仕上げ要素１４’を示す。図７は、バニシ仕上げ要素１４’の試験に対応する１組のＸ軸試験力プロファイル３０Ａ、Ｙ軸試験力プロファイル３０Ｂ及びＺ軸試験力プロファイル３０Ｃを示す。欠陥３２があるため、Ｚ軸試験力プロファイル３０Ｃは図５に示されるＺ軸プロファイル２８Ｃとは異なる。

以上説明したような試験を利用して、使用限界を設定できる。使用限界を超えた場合、物理的観測並びに／あるいはバニシ仕上げ要素及び／又はバニシ仕上げにより得られる工作物の品質の測定と試験力プロファイル３０との相関により、バニシ仕上げ要素は不合格とされるか、再調整されるか又は交換されなければならない。そのような使用限界が判定されたならば、定期試験中に試験力プロファイル３０を参照するだけでバニシ仕上げ要素の合否を決定できる。これは試験力プロファイル３０を手動操作で検査することにより実行されてもよい。あるいは、試験力プロファイル３０を基準力プロファイル２８と比較し、基準状態からの偏差の程度を判定し、その後所定の偏差の程度を超えるバニシ仕上げ要素を不合格とするために、適切なソフトウェアが使用されてもよい。バニシ仕上げ要素のサーフェスマッピング、定量分析などのために同様のソフトウェアが使用されてもよい。

外面が適切に被覆されている限り、バニシ仕上げ要素１４を試験するために種々のパターンを使用できる。例えば、図８は、３次元渦巻き表面パターン３４が外面に重ね合わされたバニシ仕上げ要素１４’’を示す。このようなパターンはサーフェスマッピングソフトウェア又は他の解析方法を使用して開発されてもよく、最小限の移動量でバニシ仕上げ要素の表面領域をカバーできる。図９は、センサパッド２２’の上にレイアウトされた表面パターン３４の２次元発展形態である渦巻試験パターン「Ｔ２」を示す。試験パターンＴ２は極座標系（長さ「Ｒ」及び角度「θ」のベクトルの例を参照）によって定義され、Ｘ軸プロファイル、Ｙ軸プロファイル及びＺ軸プロファイルではなく、Ｒ軸力プロファイル、q軸力プロファイル及びＺ軸力プロファイルを提供する。その他の面においては、基準の設定及び試験は先に説明した実施形態の場合と同一になる。

以上、バニシ仕上げ要素の状態を評価する方法を説明した。本発明の特定の実施形態を説明したが、本発明の趣旨の範囲から逸脱せずに実施形態に対して種々の変形を実施できることは当業者には明らかであろう。従って、本発明の好適な実施形態及び本発明を実施するための最良の態様の上記の説明は単に例示を目的とし、限定することを目的としていない。本発明は特許請求の範囲により定義される。

バニシ仕上げ処理が適用されている従来の圧縮機ブレードを示した斜視図である。 第１の座標系を示した球形バニシ仕上げ要素の側面図である。 図２の座標パターンに対応する試験パターンを示したセンサパッドの平面図である。 基準状態の球形バニシ仕上げ要素を示した側面図である。 図４のバニシ仕上げ要素を表す一群の力プロファイルを示した図である。 損傷状態又は摩耗状態の球形バニシ仕上げ要素を示した側面図である。 図６のバニシ仕上げ要素を表す一群の力プロファイルを示した図である。 第２の座標系を示した球形バニシ仕上げ要素の側面図である。 図８の座標系に対応する試験パターンを示したセンサパッドの平面図である。

符号の説明

１０…圧縮機ブレード、１４…バニシ仕上げ要素、２２…センサパッド、２４、２６…線分、２８…基準状態力プロファイル、３０…試験力プロファイル、３２…欠陥、Ｔ１…試験パターン、Ｔ２…渦巻試験パターン

Claims (9)

1. ローラバニシ仕上げ要素（１４）の状態を評価する方法において、
   （ａ）未知の状態を有するバニシ仕上げ要素（１４）を面に当接させ、予め選択された試験パターンに従って移動することと；
   
   （ｂ）前記バニシ仕上げ要素（１４）を移動する間に、少なくとも３つの独立した次元で前記バニシ仕上げ要素（１４）に作用する力を表す、前記３つの独立した次元の各々に対する試験力プロファイル（３０）を記録することと；
   （ｃ）前記バニシ仕上げ要素（１４）の状態の基準状態からの偏差を判定するために、前記少なくとも３つの独立した次元の各々に対する試験力プロファイル（３０）を少なくとも３つの独立した次元の各々に対する基準力プロファイル（２８）と比較することと
   から成る方法。
2. 前記基準力プロファイル（２８）は、
   （ａ）予め選択された基準状態を有するバニシ仕上げ要素（１４）を面に当接させ、前記予め選択された試験パターンに従って移動し；
   （ｂ）前記バニシ仕上げ要素（１４）を移動する間に、少なくとも３つの独立した次元で前記バニシ仕上げ要素（１４）に作用する力を表す基準力プロファイル（２８）を記録することにより生成される請求項１記載の方法。
3. 前記予め選択された試験パターンは、横方向線分（２６）により結合され且つオフセット距離（Ｓ）により離間された一連の平行な線分（２４）から構成される請求項１記載の方法。
4. 前記バニシ仕上げ要素（１４）は球であり、前記一連の平行な線分（２４）の各々は前記バニシ仕上げ要素（１４）の周囲とほぼ等しい長さ（Ｌ）を有する請求項３記載の方法。
5. 前記バニシ仕上げ要素（１４）は球であり、前記オフセット距離（Ｓ）は前記バニシ仕上げ要素（１４）の周囲の赤道（２０）上の予め選択された割合の長さと等しい請求項３記載の方法。
6. 前記面は、加えられる力又は圧力を測定するように動作可能であるセンサパッド（２２）を具備する請求項１記載の方法。
7. 前記３つの独立した次元の各々に対する力プロファイル（２８、３０）は、３つの互いに垂直である軸の各々に対する力プロファイル（２８、３０）である、請求項１記載の方法。
8. 前記予め選択された試験パターンは開始点から延出する連続した２次元渦巻線から構成される請求項１記載の方法。
9. （ａ）前記少なくとも３つの独立した次元の各々に対する試験力プロファイル（３０）を格納することと；
   （ｂ）前記少なくとも３つの独立した次元の各々に対する基準力プロファイル（２８）を格納することと；
   （ｃ）前記試験力プロファイル（３０）の前記基準力プロファイル（２８）からの偏差の大きさを判定するために、前記試験力プロファイル（３０）と前記基準力プロファイル（２８）とを比較することと；
   （ｄ）前記試験力プロファイル（３０）が所定の偏差の大きさを超えた場合、前記バニシ仕上げ要素（１４）の使用を中止することとを更に含む請求項１記載の方法。
   
   

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