JP5619931B2 - 翼パネルの製造方法、翼パネル、及び航空機 - Google Patents
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Description
ピーン成形法は、翼パネルや翼パネルに一体に設けられた部材の一方の側から金属球を打ち付ける(ショットする)ことで、金属球が衝突した部分の表面が伸ばされ、表面が伸ばされていない他方の側との周長差により、翼パネルを湾曲させる。
しかし、目標とする曲率半径が小さい場合や、対象となる翼パネルの断面形状によっては、ショットの強さを変えるのみでは、形成すべき曲率半径に合わせて翼パネルの成形を行うこと自体が不可能な場合がある。
この場合、翼パネルに予め弾性曲げ(予ひずみ)を与えた状態で翼パネルを保持しておき、そのまま翼パネルをショットすることで強い曲げを得るストレスピーン成形法が知られている。
例えば、事前に、所望の曲率半径の翼パネルを形成するために必要な弾性ひずみの大きさを、実験等により把握していたとしても、製造現場では、実際に与えている弾性ひずみの大きさを計測しながら加工を行うのは難しい。なぜならば、与えた弾性ひずみを直接測定するにはひずみゲージによる方法しかなく、実際の製造工程内で、与えた弾性ひずみをひずみゲージで測定しながら加工を行うのは困難だからである。
しかし、航空機の主翼は、部位によってその曲率半径、曲率半径の変化の度合いが大きく異なる複雑な形状を有している。このため、主翼全体を形成するには膨大な量のテンプレートを用意する必要があり、手間やコスト、テンプレート保管スペース等の面から、テンプレートを用いるのは現実的ではない。また、テンプレートの形状に沿うように翼パネルに弾性ひずみを与えていく作業は作業者のスキルに依存するため、作業者による品質のバラつきにもつながり、量産には適していない。
このように、翼パネル本体の表面を複数のエリアに区分して形成することで、翼パネル本体を効率良く形成することができる。
本発明の製造方法において、エリアの広さは、翼パネル本体の表面の曲率半径が大きいほど広く、翼パネル本体の表面の曲率半径が小さいほど狭くなるよう設定することができる。
図1は、本実施の形態における航空機の主翼10の下面を構成する翼パネル(翼パネル本体)11を示す斜視図である。
この図1に示すように、主翼10は、その下面側が、翼表面を形成する翼パネル11と、主翼10内に設けられたストリンガ(リブ)20とを備えている。
なお、本実施形態において、主翼10は、その下面側が1枚の翼パネル11によって形成されているが、これに限るものではなく、2枚以上の翼パネル11を組み合わせても良い。
なお、ストリンガ20は、翼パネル11とともに、同一の金属母材から削り出し加工により形成される。また、フランジ20bを備えることなく、ウェブ20aの部分のみの場合もある。
必要な湾曲が得られる限り、金属球を打ち付けるストリンガ20の部位は限定されないが、ウェブ20aの側面、フランジ20bの表面に向けて金属球を打ち付けると必要な湾曲が得られる。
図2に示すように、翼パネル11は、ストリンガ20の長手方向(翼長方向)X(以下、これをスパン方向と称することがある)に沿って複数のエリアA1、A2、…に区分して、ピーニング加工が施される。各々のエリアA1、A2、…は、翼幅方向Yに連続する。そして、図3(b)に示すように、エリアA1、A2、…のそれぞれは、同一エリア内でその曲率半径(曲率)が予め定められた一定の値となるようにピーニング加工される。ここで、翼パネル11は基端11bと終端11c(図2)を備えており、基端11bはスパン方向座標が0mm、終端11cはスパン方向座標が4000mmとなる。エリアA1はスパン方向座標が0mmから約400mmの間を占める広さ(W)を有しており、その曲率半径(r)は約2900mm(曲率(1/r):1/2900mm)である。エリアA2,エリアA3は以下の加工仕様例に示す通りである。なお、以下のW(広さ)の括弧中の数値は、スパン方向座標値を示している。また、図3(b)はピーニング加工する際に目標とする曲率を示しているが、実際にエリアA1、A2、…と加工を施していくと、隣接するエリアの境界は図3(b)に示すように急激な段差よりも曲率の変化が小さいなだらかな傾斜面を形成できる。
エリアA1:W=400mm(0〜400),r=2900[mm],1/r=1/2900[1/mm
エリアA2:W=360mm(400〜760),r=3700[mm],1/r=1/3700[1/mm]
エリアA3:W=300mm(760〜1060),r=5600[mm],1/r=1/5600[1/mm]
エリアA1、A2、…は、一定の曲率で区分され形成された形状と実際の設計形状を比較し、その誤差が要求される精度の範囲内で区分数が最小となるように設定することが、作業工数を減らすという観点で好ましい。
第1の加工手順において、複数のストリンガ20−1,20−2,…,20−nを、例えば、この順で1本ずつピーニング加工することができるし、例えば、2本のストリンガ20−1,20−2を同時にピーニング加工することもできる。もちろん、全てのストリンガ20−1,20−2,…,20−nを同時にピーニング加工することもできる。
エリアA1に属する全てのストリンガ20(20−1,20−2,…,20−n)についてピーニング加工を終えたら、エリアA2、エリアA3…の順に、各々のエリアに属する全てのストリンガ20(20−1,20−2,…,20−n)について同様にピーニング加工を施す。
第2の手法は、エリアA1、A2、…ごとに、ピーニング加工が施される点では、第1の手法と同じであるが、隣接するエリアA1とエリアA2を部分的に重複させるところが特徴である。
一例を図3(c)に基づいて説明する。なお、理解を容易にするため、曲率は第1の手法を示す図3(b)と同じ値を用いている。
第2の手法は、始めに、エリアA1についてスパンの広さが400mmで、曲率が約2900mm(曲率半径:1/2900mm)となるようにピーニング加工する。ここまでは、第1の手法と同じである。次のエリアA2のピーニング加工については、以下の加工仕様例に示すように、第1の手法と広さ及び曲率(曲率半径)は同じであるが、エリアA2の始点が既に加工を終えたエリアA1の中にある。つまり、エリアA1とエリアA2は重複している。エリアA2の次に加工を行うエリアA3は、エリアA3の始点がエリアA2の中にあり、エリアA2とエリアA3は重複している。
以上のように第2の手法は、ピーニング加工が先行するエリアと後続のエリアとが部分的に重複させることにより、隣接するエリアの境界部分の曲率の変化を第1の手法よりも小さくすることができる。
なお、第2の手法において、第1の手法に関して説明した第1の加工手順、第2の加工手順を準用することができる。
エリアA1:W=400mm(0〜400),1/r=2900[1/mm], r=1/2900[mm]
エリアA2:W=360mm(350〜760),1/r=3700[1/mm], r=1/3700[mm]
エリアA3:W=300mm(710〜1060), 1/r=5600[1/mm], r=1/5600[mm]
理想的には、エリアA1、A2、…の各々に対応する大きさのテストピースPを対応する数だけ用意する。このテストピースPは、エリアA1、A2、…の各々に対応するとともに、ストリンガ20−1,20−2,…,20−n毎に区分される。つまり、テストピースPは、一つのストリンガ20について、エリア毎に用意される。ただし、これではテストピースPの数が多くなりすぎるので、テストピースPの種類を集約して後述する式(1)で換算することが効果的である。また、例えば、ストリンガ20−1に対するエリアA1とエリアA2の断面が異なるものの、近似する場合にはエリアA1の断面形状を有するテストピースPを用意して式(1)で換算することができる。
例えば、エリアA1を対象とする場合、同じ断面二次モーメントを有する複数枚(ここでは3枚)のテストピースPに対し、互いに異なる複数段階の弾性ひずみを付与しておく(予ひずみ)。そして、これら複数枚のテストピースPのそれぞれに対し、共通する一定のピーニング強度で金属球を衝突させ、各テストピースPを湾曲させ、その曲率半径を計測する。ここでは、図4(c)に示すように、与える予ひずみを、なし(0)、4000,8500の3段階とした。
なお、図4(b)の「断面B」は、実際にピーニング加工する翼パネル11の一部の断面の寸法を示している。また、図4(b)の「e1」は、h2−e2である。
相関データ:予ひずみμε−曲率半径Ra−断面二次モーメントIa−中立軸の長さEa(e2)
実際の翼パネル11を加工するに際しては、翼パネル11を複数のエリアA1、A2、…に区分し、それぞれのエリアにおいて、以下に示すような流れで加工すべきエリアの予ひずみμεを特定し、その後に実際のピーニング加工を行う。予ひずみμεの特定は、ピーニング加工を行う翼パネル11の全てのエリアについて行う。
曲線Aは、テストピースPにおける断面二次モーメントIa、中立軸の長さEaを有したテストピースPにおける予ひずみμε、変形後の曲率半径Raの関係を示すものである。なお、曲線A上の3つのプロットは、図4(c)に基づいている。
曲線Bは、上記式(1)から得られた、断面二次モーメントIb、中立軸の長さEbを有した翼パネル11における予ひずみμε、変形後の曲率半径設計値Rbの関係を示すものである。
ここで、図6に示すように、翼パネル11に予ひずみμεを、中央部に間隔をあけて対称の位置に設けた支持台50、50上に翼パネル11を単純支持し、この翼パネル11を支持台50、50よりもそれぞれ外側の対称の2点に下向きの荷重Fを加えて予ひずみμεを付与するのが好ましい。この予ひずみμεの付与状態において、支持台50と支持台50の間にピーニング加工の対象領域であるエリアが配置されるようにする。翼パネル11は、両方の荷重Fの作用点、及び、支持台50,50による支持点の合計4点支持による曲げ成形を受けているため、支持台50と支持台50の間に配置されるエリアは均一な曲率半径Rzで予ひずみμεが与えられる。
μεstress = E/Rstress
ここで、各エリアA1の広さは、翼パネル11の曲率半径の大きいところで広く設定して、エリアA1、A2…の総数を減らし、曲率半径の小さいところでは狭く設定することで、翼パネル11の形状再現性を高めることができる。
また、翼パネル11の形状等は上記したものに限らない。
これ以外にも、本発明の主旨を逸脱しない限り、上記実施の形態で挙げた構成を取捨選択したり、他の構成に適宜変更することが可能である。
11 翼パネル(翼パネル本体)
11a 内表面
20,20−1,20−2,20−3,20−n ストリンガ
20a ウェブ
20b フランジ
50 支持台
P テストピース
Claims (4)
- 翼の外表面を形成する翼パネル本体と、前記翼パネル本体において、前記翼の内側に面する内表面に一体に形成され、前記翼の翼長方向に連続するストリンガと、を備える翼パネルの製造方法であって、
前記翼パネル本体を区分する複数のエリア毎に、予め定められた予ひずみを付与して前記翼パネル本体を弾性変形させておく工程と、
前記ストリンガに規定のピーニング強度でピーニング加工を行う工程と、を備え、
予め、断面二次モーメントが異なる複数種のテストピースのそれぞれを、複数段階の予ひずみにより弾性変形させた状態で前記規定のピーニング強度でピーニング加工を行って湾曲加工したときの前記テストピースの曲率半径を計測し、計測された前記テストピースの曲率半径と、前記テストピースに付与した予ひずみと、前記テストピースの断面二次モーメントの情報と、を関連付けた相関データを取得しておき、
前記翼パネルを加工するときには、当該翼パネルの翼パネル本体を複数の前記エリアに区分し、
区分された前記エリアのそれぞれの断面二次モーメントに最も近い断面二次モーメントを有した前記テストピースを特定し、前記相関データから、特定された前記テストピースの曲率半径と付与した予ひずみの情報を抽出し、
抽出された前記テストピースの曲率半径と付与した前記予ひずみの情報に基づき、前記翼パネル本体の前記エリアの曲率半径に応じて当該エリアに付与する予ひずみを設定することを特徴とする翼パネルの製造方法。 - 翼の外表面を形成する翼パネル本体と、前記翼パネル本体において、前記翼の内側に面する内表面に一体に形成され、前記翼の翼長方向に連続するストリンガと、を備える翼パネルの製造方法であって、
前記翼パネル本体を区分する複数のエリア毎に、予め定められた予ひずみを付与して前記翼パネル本体を弾性変形させておく工程と、
前記ストリンガに規定のピーニング強度でピーニング加工を行う工程と、を備え、
前記エリアの広さは、前記翼パネル本体の表面の曲率半径が大きいほど広く、前記翼パネル本体の表面の曲率半径が小さいほど狭くなるよう設定され、
予め、断面二次モーメントが異なる複数種のテストピースのそれぞれを、複数段階の予ひずみにより弾性変形させた状態で前記規定のピーニング強度でピーニング加工を行って湾曲加工したときの前記テストピースの曲率半径を計測し、計測された前記テストピースの曲率半径と、前記テストピースに付与した予ひずみと、前記テストピースの断面二次モーメントの情報と、を関連付けた相関データを取得しておき、
前記翼パネルを加工するときには、当該翼パネルの翼パネル本体を複数の前記エリアに区分し、
区分された前記エリアのそれぞれの断面二次モーメントに最も近い断面二次モーメントを有した前記テストピースを特定し、前記相関データから、特定された前記テストピースの曲率半径と付与した予ひずみの情報を抽出し、
抽出された前記テストピースの曲率半径と付与した前記予ひずみの情報に基づき、前記翼パネル本体の前記エリアの曲率半径に応じて当該エリアに付与する予ひずみを設定することを特徴とする翼パネルの製造方法。 - 翼の外表面を形成する翼パネル本体と、前記翼パネル本体において、前記翼の内側に面する内表面に一体に形成され、前記翼の翼長方向に連続するストリンガと、を備える翼パネルの製造方法であって、
前記翼パネル本体を区分する複数のエリア毎に、付与すべきものとして予め特定された予ひずみを付与して前記翼パネル本体を弾性変形させておく工程と、
前記翼パネルの内表面に一体に形成された前記ストリンガに規定のピーニング強度でピーニング加工を行うピーニング加工工程を備え、
前記予ひずみは、
複数種のテストピースを用いて、前記テストピースに付与した予ひずみとピーニング加工後の前記テストピースの曲率半径の関係を示す第1関係を得る工程と、
前記第1関係に基づいて、前記翼パネルの前記各エリア毎に付与する予ひずみと前記各エリアの曲率半径の関係を示す第2関係を得る工程と、
前記翼パネルの前記各エリアに必要とされる曲率半径と前記第2関係とに基づいて、前記各エリアに付与すべき予ひずみを特定する工程と、を経て特定され、
前記ピーニング加工工程は、
特定された前記予ひずみに対応する、前記第1関係を得る工程において前記テストピースに対して行ったのと同じ条件でピーニング加工を行うこと
を特徴とする翼パネルの製造方法。 - 前記ピーニング加工を行う工程後の前記翼の外表面が各前記エリア内において一定の曲率半径となるように、前記各エリアが区分されていること、
を特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の翼パネルの製造方法。
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