JP5680636B2 - 適応研磨により鍛造部品を製造するための方法 - Google Patents

Description

本発明は、鍛造技術、とりわけ精密鍛造技術を用いたターボ機械のブレードなどの構成要素の製造の分野に関する。本発明は、より詳細には、ターボジェットエンジンのファンブレードなどのチタン合金の大型ファンブレードの製造および半仕上げの鍛造構成要素を適応研磨作業を用いることによって形状的に適合させるこれらのブレードの仕上げに関する。

ターボジェットエンジンのファンブレードは、一般に精密鍛造を用いて生産される。精密鍛造は、仕上がり構成要素のものに類似する形状および寸法的特性を有する半仕上げ構成要素が得られるまで、適切なダイス型内に保持された粗形状に連続的な衝撃を加えることを含む。鍛造された半仕上げファンブレードの場合、エーロフォイルは、形状的特性に関して、最終仕様の受け入れられる公差域内に適合していない。こうした特性は、たとえば、旋回（ｓｔａｃｋｉｎｇ）軸に沿ったエーロフォイルのセクションの回転であるねじり、旋回軸および基準点に対するエーロフォイルの曲がりである座屈、ならびにリップルおよび形状の欠陥を含む。

したがってエーロフォイルは、適合させる必要がある。全体として、これは、エーロフォイルの、理論プロファイルより大きい厚さの点から材料を除去することによって吸引面側および圧力面側のプロファイルを補正することを含む。精密鍛造の文脈では、補正は、１０分の数ミリメートルまで、一般的には０．４ｍｍから０．６ｍｍの間の過剰な厚みを除去することを含む。

理論プロファイルに対応するいくつかの点が、決定され、これらの点は、エーロフォイルの軸に沿って、前縁と後縁との間に網状に分散されている。半仕上げブレードの形状的特性は、３次元センサ手段を用いてこれらの点で測定される。本出願人名義の欧州特許第１５９６１５６号明細書は、そのような手段について記載している。理論プロファイルと実際のプロファイルとの間の相違は、こうして決定される。

従来技術によれば、次のステップは、厚さ分類作業であり、すなわち、分析を行い、次いで構成要素の最も薄いゾーンを、コーティングを施すことによって保護することを含む。この作業は、主に手で実施される。次いで過剰材料が、これらの保護されたゾーン間から化学的機械加工を用いて除去され、この化学的機械加工は、構成要素を設定された長さの時間の間、金属を浸食することができる酸浴中に保つことを含む。外観の欠陥を示す公差ゾーン外れおよび化学的機械加工の痕跡が、次いで、局所的および反復的な研磨によって手動で再加工される。この作業は、一次外観研磨作業として知られているものである。必要であれば手により、構成要素は、その形状が規定された公差域内に入るまで微調整される。

最後に、最終外観研磨作業として知られている自動化された研磨作業により、空気が正しく流れるのに必要な空気力学的プロファイルおよび表面仕上げの連続性が確実にされる。自動化された研磨作業は、一般に、研磨ベルトを用いて実施される。たとえば、研磨材料が炭化ケイ素であるベルトが使用される。ベルトは、構成要素の表面に対して接線方向に回転されるホイール上に装着される。表面に対するホイールの移動は、研磨される対象の表面の形状を考慮に入れたプログラムによって制御される。研磨ベルトが表面にわたって進行する速度、ホイールが構成要素に対して進行する速度、ならびに表面にかけられた圧力および研磨材料の粒度などのパラメータが、材料の必要とされる厚さを除去し、所望の表面仕上げを達成するように決定される。研磨ベルト式研磨機の説明は、米国特許第５１９３３１４号明細書に見出され得る。

欧州特許第１５９６１５６号明細書 米国特許第５１９３３１４号明細書 欧州特許第１５２５９４９号明細書

特にターボジェットエンジンのファンブレードなどの重量のある構成要素が加工される必要があるときの手動作業は、作業者にとってやりにくいものであり、潜在的に筋骨的な問題を生じさせる可能性がある。さらに、これらの作業は、確認される必要がある。手動作業を、作業者を自由にし、かついくつかの作業を１つにグループ化することを可能にする作業に置き換えたいという要望が存在する。出願人は、工業品質のダイアモンドまたは窒化ホウ素製の超砥粒から構成された研磨ベルトを用いたチタン合金の自動化された研磨のための方法をすでに開発している。この方法は、欧州特許第１５２５９４９号明細書に記載されている。

本出願人は、１回の同じステップで、好ましくは自動的に、形状的適合を達成し、エーロフォイルの最終研磨を実施するという目的を定めた。

この目的は、半仕上げ構成要素を精密鍛造によって生産し、構成要素を研磨ベルトを用いて研磨することを含む、構成要素を鍛造によって製造する方法にして、得られる構成要素の公称のまたは適合させるべき形状的特性が、理論モデルにおいて決定される、方法であって：
鍛造作業後に半仕上げ構成要素の形状的特性を測定し、理論モデルと比較するステップと、
構成要素の表面上で、非適合であるゾーンを決定するステップと、
各々の非適合ゾーンにおいて、これを公称の形状的特性に適合させるために除去されるべき材料の量を決定するステップと、
研磨ベルトを用い、各々の非適合ゾーン内で材料の前記量を除去するように前記ベルトを制御して、構成要素を研磨するステップとを含むことを特徴とする、方法を用いて達成される。

機械は数値的に制御されるため、研磨される対象の構成要素用の特有のプログラムが、作り出される。

適合を達成するための従来の技術では、自動化された研磨機は、所望の表面仕上げに適合された研磨ベルトを用いて最終外観研磨に使用される。従来技術では、先の作業で手によって適合させたプロファイルを破壊することのないように均一の厚さの材料が除去され、適合を達成する手動ステップは、ここで解消され、最終研磨作業に組み込まれる。

本発明によって説明されるやり方、したがって自動的にされ得るやり方で適合を達成する利点は、分類、処理される必要のないゾーンのマスキング、および構成要素の再加工という手動作業が解消されることである。

構成要素の製造サイクルにおける時間もまた短縮される。

手動の再加工に関連付けられた形状的拡がりにおける低減もまた、認められる。

最終的には、繰り返し変形損傷のリスクもまた解消される。

別の特徴によれば、複数の測定点が、構成要素の表面において事前に規定され、半仕上げ構成要素の形状的特性が、前記測定点の少なくとも一部において測定され、前記研磨ベルトによる材料の除去が、前記測定点において、半仕上げ構成要素の形状的特性と公称の形状的特性との間の不一致に基づいて制御される。

別の特徴によれば、材料の除去マップが、半仕上げ構成要素の形状的特性の測定から規定され、前記マップは、研磨ベルトを制御するための制御パラメータのマップに変換される。好ましくは、研磨ベルトの制御パラメータが、測定点の各々に対して事前に較正される。較正作業は、構成要素の所与のタイプに対して１回だけ実施される。

方法の好ましい実施形態によれば、ベルトは、研磨ベルトに対する構成要素の相対的な送り速度を変化させることによって制御され、このとき他の研磨ベルト制御パラメータは、一定に保たれている。他のパラメータは、研磨ベルトの回転速度および処理される対象の表面に対するホイールの接触圧力である。

方法のこの特徴により、構成要素の表面を研磨すると同時にこれを形状的に適合させるという難しさを克服することが有利なやり方で可能である。

較正段階において、法則またはルックアップテーブルなどの関係が、制御されたパラメータと除去された材料の量との間で確立される。たとえば、各々の点における、少なくとも２つの異なる送り速度に関連付けられた、除去された材料の量の測定に基づいて実施される較正を使用することが可能である。

あらゆる点で均一である研磨を確実にするために、均一研磨に対応する材料の最小限の量が、各々の測定点において除去される。

本明細書の上記で記載されたように、方法は、特にターボ機械のブレード、より具体的にはターボジェットエンジンのファンブレードに適用される。

添付の図を参照して与えられた非限定的な実施形態の、以下の詳細な説明的記載の過程において、本発明はより良好に理解され、本発明の他の目的、詳細、特徴および利点は、より明確に明らかになるであろう。

プロファイルとして見たターボ機械ブレードを概略的に示す図である。 研磨ベルト式研磨機を示す図である。

本発明の方法の主題を形成する半仕上げ構成要素は、たとえば図１に示されたようにターボジェットエンジンのファンブレードである。チタン合金製のそのような構成要素１０は、ルート部１１と、プラットフォーム１２と、エンジンを上流側から下流側に通過するガスによって通り抜けられる空気力学的形状のエーロフォイル１３とを備える。中間補助翼１４は、ブレード毎の支持体を形成する。そのようなブレードは、圧縮機ロータ上に装着されたとき、このエンジンの可動部分の回転の軸に対して径方向の全体的方向でエンジン内に延びる。エーロフォイルは、その両方が合流する、前縁ＢＡと後縁ＢＦとの間に及ぶ、圧力面側部および吸引面側部を備える。

エーロフォイルの輪郭は、プラットフォームと先端部との間を、基準系に対する旋回軸として知られている軸に沿って延びる複数のセクションまたは横断面によって画定される。基準系は、ブレードのルート部の要素または平面によってそれ自体規定される。したがって、ブレードは、セクションの各々上の所定の点に関連付けられたパラメータを認識することによって全体的に形状的に特徴付けられる。この点の組は、ブレートの公称の形状的特性を構成しており、理論モデルを形成している。公称の形状的特性は、寸法、形状、空間内の１つまたは複数の座標もしくは向き、またはいくつかのこれらの組み合わせに関連して規定され得る。

示された例では、プラットフォームと圧力面の補助翼との間に位置するエーロフォイルの部分が、７つのセクションＳ１からＳ７によって規定される。セクションの各々において、ＢＡとＢＦとの間のエーロフォイルの表面上の点が、特定されている。たとえば、Ｓ４で参照されるセクションは、後縁ＢＦと前縁ＢＡとの間にＳ４１からＳ４９で特定された点を含む。

従来技術の方法と同様に、開始点は、３次元の測定ロボットを使用して鍛造されたままの半仕上げ構成要素の形状的特性を測定することである。

出願人は、特許文献の欧州特許第１５９６１５６号明細書において、ブレードの表面にわたって分散された複数の点の形状的特性を同時に測定するための方法および機器の例を説明している。基準の所定フレームに対する機械的構成要素の表面上の所定の点の組の座標を３次元で測定することは：
較正用の構成要素と考えられる第１の機械的構成要素の表面上の所定の点の座標が、同時に測定される準備段階と、
前記較正用の構成要素の点に対する垂線に沿った線形の変位測定が記される、初期化段階と、
較正用の構成要素上の点に対応する、測定される対象の構成要素の点上の線形の変位測定が記される、測定段階と、
測定される対象の構成要素の点の三次元の座標が、線形測定の、およびこれらの点における理論公称値の方向余弦の、前記較正用の構成要素の点の３次元座標に基づいて算出される算出段階とを含む。

所定のセクション上の測定点の各々において実施されるこの算出を用いて、非適合領域、すなわち対象とする点において過剰な厚さを有する領域を指摘することが可能である。非適合ゾーンの各々に対して、これらを適合させるために除去される必要がある材料の量の値が得られる。

従来技術では、次いで、以下の連続作業が：
手動による分類、
化学的機械加工、
外観の欠陥および化学的機械加工の痕跡を解消するための手動の外観研磨、および
所望の表面仕上げに適合され、かつ手によって適合させたプロファイルを破壊せずに必要とされる粗さを達成するために均一な厚さの材料が除去される手段である、細粒の研磨ベルトを用いた自動化された研磨機における最終外観研磨、を実施することになる。

本発明の方法は、除去される必要がある厚さを決定することと、材料の除去マップを作製することと、手動で適合性を達成するステップを通さずに、確立されたマップに対応する点の各々において材料を直接除去により、機械、好ましくは自動化された機械において研磨することとを含む。実際には、ブレードの表面は、研磨されると同時に形状的に適合される。

本発明に適し得る研磨機の１つの例が、図２を参照して本明細書の以下で説明される。

図２に示された機械１は、ＩＢＳによって市販され供給されている。ベッド１００は、縦長の構成要素がその間に水平に保持される２つの顎部１０１および１０２を備える。取付体と共に構成要素全体は、この方向Ｘに移動することができ、または適切な電子モータＭｘおよびＭｕによって、この軸の周りで方向Ｕにそれ自体回転され得る。ベッドの上方には、ヘッド１１０が、垂直柱１２０上に装着され、その軸Ｚに沿って移動することができる。ヘッド１１０はまた、この軸Ｚの周りでＷに回転することもできる。適切なモータ手段ＭｚおよびＭｗが、ヘッドを２方向に駆動させるために設けられる。最終的には、ヘッド１１０は、方向Ｘに対して垂直である方向Ｙに水平に移動することができ、この軸の周りで方向Ｖに枢動することができる。モータ手段ＭｙおよびＭｖは、これらの移動をもたらす。ヘッド１１０は、移動接触ホイール１１１を支持しており、移動接触ホイール１１１は、それ自体に対して固定された軸の周りで移動することができる。ヘッド１１０上に装着されたモータは、ホイールの周囲に装着された研磨ベルトによってホイール１１１を駆動する。制御手段のこの集合体は、プログラミング手段を備えた制御ユニットおよび特に研磨される対象の構成要素の形状的特性データを組み込む記憶装置を含む制御ハウジングに連結される。

構成要素を研磨するために、ベルトは、決定された圧力をかけて、局所的にかつ構成要素の表面に対して接線方向に押し付けられる。ベルトは、移動させられ、ホイール１１１と共に回転する。

除去された材料の量および表面仕上げは、いくつかのパラメータによって決まる：
研磨ベルトの粒度、
ホイールのその軸周りの回転の結果としてベルトが進行する速度、
ホイールによってかけられたときの構成要素の表面に対するベルトの圧力、
ベッドの相対的な送り速度である構成要素に沿ったベルトの相対的な送り速度、すなわちＸ軸の方向の工具に対する構成要素の相対的な送り速度。

本発明の別の特徴によれば、ブレードの表面を研磨すると同時に形状的適合を達成するという難しさが、好ましくは一定の圧力を保ち、ベルト回転速度を一定に保って、研磨するベルトに対する構成要素の相対的な送り速度を制御することによって解決される。

機械は、除去されるべき材料のマップに基づいて制御される。マップは、機械の利益のために、研磨するベルトに対する構成要素の相対的な送り速度のマップに変換される。このマップは、送り速度と除去された材料の量との間の予め確立された関係に基づいて考案される。そのような関係は、構成要素上の各々の点において習得することによって確立される。

習得段階は、構成要素の所与のタイプに対して１回だけ実施される。本発明の方法の１つの特定の実施形態によれば、これは、構成要素上の各々の点において、複数の均一の異なる送り速度に関連付けられた、除去された材料の量を測定することを含む。これは、補間法によって除去された量をもたらし、１つの特定の例は、２つの異なる送り速度に対する除去を決定することを含む。

要約すると、その公称の形状的特性が知られている構成要素の適合を達成するにあたってのさまざまなステップは、その形状的特性を測定し、どのゾーンが非適合であるかを特定することを含む。これらの測定に基づいて、これらのゾーンに対応する点に対する除去されるべき材料のマップが、確立される。これらのデータは、研磨機１の制御ボックスに入力される。加工処理される対象の構成要素が、機械の顎部の間に置かれ、機械が作動させられる。研磨ベルトは、ホイールによって回転駆動され、構成要素に対する所定位置に送られる。本発明の１つの特徴によれば、ホイールの回転速度は、研磨作業中一定に保たれ、構成要素に対するホイールの圧力もまた同様にされる。構成要素に沿ったベルトの送り速度は、上記のデータが入力された制御ボックスによって制御される。したがって、送り速度は、除去されるべき材料の量によって変化する。方法は、こうして、すべて単一のパスで構成要素が適合され、最終研磨を経ることを可能にする。好ましくは、均一の最終研磨を達成するために、材料の最小限の除去が、表面全体に対して計画される。

Claims (8)

1. 半仕上げ構成要素を精密鍛造によって生産し、構成要素を研磨ベルトを用いて研磨することを含む、構成要素を鍛造によって製造する方法にして、得られる構成要素の適合させるべき形状的特性が、理論モデルにおいて決定される、方法であって、
   鍛造作業後に半仕上げ構成要素の形状的特性を測定し、理論モデルと比較するステップと、
   構成要素の表面上で、非適合であるゾーンを決定するステップと、
   各々の非適合ゾーンにおいて、これを適合させるために除去されるべき材料の量を決定するステップと、
   研磨ベルトを用い、各々の非適合ゾーン内で前記量の材料を除去するように前記ベルトを制御して、構成要素を研磨するステップと
   を含み、
   研磨ベルトが、支持体上に装着され、前記構成要素および支持体が、互いに対して相対的に移動することができる状態であり、さらに、研磨ベルトが、当該研磨ベルトに対する構成要素の相対的な送り速度を、研磨ベルトの制御に関して予め定められたパラメータのうち送り速度以外の制御パラメータを一定に保ちつつ変化させることによって制御されることを特徴とする、方法。
2. 複数の測定点が、構成要素の表面において規定され、半仕上げ構成要素の形状的特性が、前記測定点において測定され、前記研磨ベルトによる材料の除去が、前記測定点において、半仕上げ構成要素の形状的特性と理論モデルの形状的特性との間の不一致に基づいて制御される、請求項１に記載の方法。
3. 材料の除去マップが、半仕上げ構成要素の形状的特性の測定から規定され、前記マップが、研磨ベルトを制御するための送り速度のマップに変換される、請求項２に記載の方法。
4. 研磨ベルトの制御パラメータが、測定点の各々に対して研磨の実施前に較正される、請求項３に記載の方法。
5. 送り速度と除去された材料の量との間に関係が確立される、請求項４に記載の方法。
6. 較正が、各々の点について、少なくとも２つの異なる送り速度に関して除去された材料の量の測定に基づいて実施される、請求項５に記載の方法。
7. 構成要素の表面全体について、均一な所望の表面仕上げを達成するための材料の最小限の除去が実施される、請求項１に記載の方法。
8. 構成要素が、ターボ機械のブレードである、請求項１から７のいずれか一項に記載の方法。

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