JP6386050B2 - 金属ブレード補強材の高温成形のための方法 - Google Patents

Description

本発明の技術分野は、タービンエンジン分野であり、特に複合材料でできた、金属構造補強材を含む前縁を有するタービンエンジンファンブレードの分野であり、したがって、本発明は、より詳細には、例えば複合材料でできたタービンエンジンブレードの前縁用金属構造補強材など、金属部品を高温成形する方法に関する。

それでも、本発明は、複雑な幾何形状の任意の部品の作製、並びに任意のタイプの陸上または航空タービンエンジン用、および特にヘリコプターのターボシャフトエンジン用、またはターボジェット航空機用ブレードの前縁または後縁を補強するための金属補強材の作製に等しく適用可能である。

出願人の名で出願された文献、欧州特許第１９０８９１９号明細書に記載されるように、ブレードの最大限の高さの上方に、その前縁を越えて延在する金属構造補強材を含む複合材料からできているタービンエンジンファンブレードを提供することが公知である。そのような補強材は、例えば鳥、霰、または実際の砂粒など、異物がファンに衝突する場合に複合材ブレードを保護することができる。

特に、金属構造補強材は、層間剥離の任意の危険性、繊維破断の任意の危険性、または繊維と母材との間の結合力の損失による実際の損傷を回避することによって、複合材ブレードの前縁を保護する。公知の方法では、あるいは、補強材は完全にチタニウムの塊をミル加工することによって作製されるが、それには高い製造コストを意味する、多くの再加工作業および複雑な工具が必要であり、それとも、出願人の名で出願された仏国特許発明第２９６１８６６号明細書の中に特に記載されるように、鍛造ステップの連続によって簡単な金属バーから得られるプリフォームから作製される。

それでも、補強材のアンダーカットの存在を考えると、最後の鍛造ステップは特に実施するには困難である。そういうわけで、出願人は、仏国特許発明第２９６５４９６号明細書の中に記載される高温成形用「多重効果」工具を発展させてきており、それによって、高温、すなわち８５０℃を超える（チタニウムから補強材を作製するためには約９４０℃）状態下で、費用のかからない単一効果プレス（すなわち、１つだけの作業軸線上での操作）によって三次元に（すなわち、同時に異なる方向に）変形を実施することができる。

その方法は、速度および容易さの観点から概ね満足のいくものであるが、しかしそれでも、工具を閉鎖するために関係する必要がある移動方法の結果として、やはり若干の欠点が存在する。その結果として、作製されるべき部品が、工具内で不適当に配置される可能性があり、型から外す間、凹所から部品を取り外すことがやはり容易ではなく、それによって部品が変形されることにつながる可能性がある。

欧州特許第１９０８９１９号明細書 仏国特許発明第２９６１８６６号明細書 仏国特許発明第２９６５４９６号明細書

したがって、本発明の主な目的は、ノーズから延在する２つの側部フィンを含む予め成形された金属部品を成形し、成形工具を使用する成形方法であって、予め成形された金属部品を前記工具の第１の底部金型の中に設置するステップと、前記予め成形された金属部品を第１の可動中央インサートによって、第１の所定の位置に保持するステップと、第１の可動頂部金型を第１の軸線に沿って移動させることによって、前記予め成形された金属部品の前記側部フィンの一方を前記ノーズと一直線になる最終的な形状に形成するステップと、そのように最終的な形状に成形される前記側部フィンの１つを含む前記予め成形された金属部品をひっくり返すステップと、前記予め成形された金属部品を前記工具の第２の底部金型の中に設置するステップと、第２の可動中央インサートによって、前記予め成形された金属部品を第２の所定の位置に保持するステップと、第２の可動頂部金型を第２の軸線に沿って移動させることによって、前記予め成形された金属部品の前記側部フィンの他方の１つを前記ノーズと一直線になる最終的な形状に成形するステップとを含む方法を提案することによってそのような欠点を軽減することである。

したがって、２つの側部フィンを最終的な形状に成形する前に、所定の位置に部品をブロックすることによって、従来技術の工具に観察される移動を回避する。

好適には、第１の所定の位置に保持する前記ステップが、第１の可動中央インサートを第１の軸線に沿って移動することによって実施される。

有利なことに、第２の所定の位置に保持する前記ステップが、第２の可動中央インサートを第２の軸線に沿って移動することによって実施される。前記第２の可動中央インサートが移動される前記軸線が、前記側部フィンの間の中央平面に概ね相当する。

好適には、前記予め成形された金属部品を前記成形工具から取り出す場合、引抜きを容易にするために、前記第２の可動中央インサートが、窒化ホウ素の保護層の中に被覆される。

本発明は、上記に特定される成形方法によって得られる予め成形された金属部品の高温成形に適する成形工具をさらに提供する。

本発明の他の特徴および利点が、限定しない特徴を含む一実施形態を示す、添付の図面を参照して成される以下の説明から明らかになる。

複合材料でできているファンブレードの前縁の断面図であり、金属構造補強材を示す図である。 本発明の成形方法を実施する前に、図１の金属構造補強材を作製するために使用される予め成形された金属部品の斜視図である。 本発明の成形方法を実施するために使用される成形工具の相当する配置を示す図である。 本発明の成形方法を実施するために使用される成形工具の相当する配置を示す図である。 本発明の成形方法を実施するために使用される成形工具の相当する配置を示す図である。 本発明の成形方法を実施するために使用される成形工具の相当する配置を示す図である。

図１は、本発明の成形方法によって得られる、前縁のための金属構造補強材を含む複合材ブレードの部分図である。

実施例として、図示されるブレード１０は、ブレード根元からブレード先端まで前縁と後縁との間に延在し、織物複合材料を被覆（充填、接着）することによって通常は得られる、タービンエンジン（図示せず）のファンブレードである。実施例として、使用される複合材料は、織物炭素繊維および母材樹脂のアセンブリによって構成されることができ、そのアセンブリは、樹脂トランスファ成形（ＲＴＭ）タイプの従来の樹脂真空射出方法を使用して成形することによって形成される。

圧迫側面１２および吸込み側面１４が、ブレード１０の前縁１６および後縁（図示せず）に相互連結するブレード１０の側部面を形成する。公知の様式で、ブレード１０は、好適にはチタニウム系（衝撃によるエネルギーを吸収する能力に優れているので）の金属構造補強材１８を含み、その補強材は、補強材が密接して嵌合する前縁１６に接着され、強化前縁２０を形成するように延在する。金属構造補強材は、例えば、シアノアクリル（ｃｙａｎｏ−ａｃｒｙｌｉｃ）接着剤または実際のエポキシ接着剤など、当業者に公知の接着剤を使用することによってブレード１０上に接着される。

便利な様式では、金属構造補強材１８は、前縁２０を形成する基部２２を提供する略Ｖ字形部分を有する単体であり、ブレード１０の圧迫側１２および吸込み側１４の上方にそれぞれ密接して嵌合される２つの側方フランク２４および２６によって延伸される。フランク２４および２６は、ブレードの後縁の方へ向かうテーパ型または薄い輪郭を提供する。基部２２は、ブレード１０の前縁１６の丸みを帯びた形状に密接して嵌合するために適する丸みを帯びた内側輪郭２８を有する。

本発明の成形方法は、図２の斜視図に示される予め成形された金属部品３０から開始して、図１に示される金属構造補強材（補強材は、タービンエンジンファンブレード１０上に取り付けられている最終的な状態で示されている）の準備を終了させることを可能にする。

前述の仏国特許発明第２９６１８６６号明細書の方法の最初のステップから公知のように、予め成形された金属部品３０は、所望のブレードの機能である金属バーの円弧形断面、直径および長さから得られる。バーは、７００℃から９４０℃の範囲（バーがチタニウムでできている場合）にある温度で等温プレスを使用することによって、二重キャンバーを形成するために最初に、２方向に変形される。その後、このようにして曲げられたバーは、約９４０℃の温度で油圧プレスまたはねじプレスによって型押しされて、その後１つのパンチ（または、押し出される材料の量に特に依存して、複数のパンチ）によって、間接押出法によって成形されるが、その鋳型は、金属補強材１８の基部２２の内側輪郭２８の最終的な内側形状に相当するＶ字形、すなわちブレード１０の前縁１６の形状に補完的である丸みを帯びた形状を有する。

本発明の成形方法より前に、これらのステップの終わりに、予め成形された金属部品３０は、間に６０°から９０°の範囲の角度を成し、金属構造補強材１８の基部２２の最終的形状に概ね相当する固体ノーズ３６から延在する、２つの側部フィン３２、３４を含む略Ｖ字形（またはより正確にはＹ字形）の製作中間体である。側部フィンの厚さは、ブレードの圧迫側面および吸込み側面が一致するように、ノーズから離れて行くにつれて先細になる輪郭を提供する。

この部品３０の端部で、最初の金属バーから由来するスタッド３８Ａ、３８Ｂが、その部品の取り扱いを容易にする。

図３から図６は、前述のステップによって得られる予め成形された金属部品３０から金属構造補強材１８を成形する様々なステップを示し、成形は高温で部品を成形する（形成または鍛造する）ために適する成形工具を使用して実施される。この工具の目的は、側部フィン３２および３４を互いに向かって移動させて、側部フィン３２および３４がそれらの間に形成する角度を減少させて、所望の最終的形状を得ることである。密閉筐体（図示せず）の中に、約９２０℃の温度（プラスまたはマイナス２０℃）で、方法は、底部金型４２、５２、可動中央インサート４４、５４および可動頂部金型４６、５６をそれぞれ備える第１のセット４０および第２のセット５０を連続して使用する。

図３に示すように、予め成形された金属部品３０は、最初に底部金型４２の中に設置され、予め成形された金属部品３０はその内側輪郭に密接して嵌合し、次いで可動中央インサート４４が、ノーズ３６の内側部分に接触するまで軸線４８Ａ（図面では水平）に沿って移動され、この第１の位置で予め成形された金属部品３０は、第１の側部フィン３２を可動中央インサートおよび底部金型に対してブロックすることによって定位置に保持される。

図４は、頂部金型４６が軸線４８Ｂ（図面では垂直）に沿って移動され、その結果、第１のセット４０を閉鎖することによって、頂部金型４６は第２の側部フィン３４を可動中央インサート４４に対して成形する、本発明の方法の以下のステップを示す。これを実施するために、可動中央インサートの頂部壁４４Ａおよび可動頂部金型の底部壁４６Ａが、予め成形された金属部品の第２の側部フィン３４を最終的形状に、すなわちノーズ３６と一直線になるように成形するために必要な間隙だけをそれらの間に残すように成形される向かい合う面を提供する。

第１の側部フィン３２を成形するために、第２の側部フィン３４を成形する中間ステップで得られる予め成形された金属部品をひっくり返し、図５に示すように、第２の側部フィン３４がその内側輪郭に一致する成形工具の第２の底部側部５２の中にその金属部品を設置することが必要である。次いで可動中央インサート５４が、ノーズ３６の内側部分に接触するまで、軸線５８Ａ（側部フィンの間の概ね中央平面にあり、したがって図面の中で上方へ傾斜している）に沿って移動され、その結果、この第２の位置で、予め成形された金属部品３０は、その以前に成形された第２の側部フィン３４を可動中央インサートと底部金型５２との間にブロックすることによって、定位置に保持される。この目的のために、向かい合っている可動中央インサートの面５４Ａと底部金型の面５２Ａとは、それらの間に第２の側部フィンを受けるために必要な間隙だけを残すように、当然ながら成形される。

図６は、頂部金型５６が軸線５８Ｂ（図面では垂直）に沿って移動され、その結果、第２のセット５０を閉鎖することによって、頂部金型５６は第１の側部フィン３２を可動中央インサート５４に対して成形するようになる、本発明の方法の最後のステップを示す。これを実施するために、可動中央インサートの頂部壁５４Ｂおよび可動頂部金型の底部壁５６Ａが、予め成形された金属部品の第１の側部フィン３２を最終的形状に、すなわちノーズ３６と一直線になるように成形するために必要な間隙だけをそれらの間に残すように成形される向かい合う面を提供する。工具は、部品が弾性的に後ろに移動する任意の危険性を回避するために、数分間部品に対して閉じた状態に維持される。

これらの成形ステップの最後に、予め成形された金属部品３０は、基部２２から延在し、その間に技術的な詳細によって要求される最終的な角度を提供する２つの側方フランク２４、２６を含む、金属構造補強材１８の最終的なＹ字形を提供する。次いで、残っている成すべきすべてのことは、予め成形された金属部品を第２のセット５０から引き抜くために、各軸線５８Ｂおよび５８Ａに沿って（以前にそれらを移動したのとは反対方向へ）、可動頂部金型および可動中央インサート５４を続けて移動することによって金属構造補強材を取り出す（好適には高温の間に）ことであり、次いで、使用の準備ができた金属構造補強材を得るために、この部品の２つの端部でスタッドを切り取ることである。可動中央インサート５４が複数の部分を備える場合、頂部金型を移動する前に可動中央インサート５４は引き抜かれる。この取り出しは、可動中央インサート上に窒化ホウ素の保護層を付着させることによって、および個別に引き抜くために適するように複数の部分として可動中央インサートを作製することによって、より容易になる。必要な場合、その利用に応じて、この取り出しに続いて、金属構造補強材を磨くステップが実施され得る。

本発明の方法は、チタニウム系金属構造補強材について主に説明されるが、ニッケル系または実際には鋼鉄系材料にも、これら合金に適する温度を使用することによって、当然のことながら等しく応用され得ることに注視するべきである。

本発明は、複合材料でできたタービンエンジンブレード用金属補強材を成形することに関してより詳細に説明されるが、金属でできたタービンエンジンブレード用金属補強材にもやはり適用することが明白であることにもさらに注視するべきである。同様に、本発明は、タービンエンジンブレードの前縁用金属補強材に関連してより詳細に説明されるが、タービンエンジンブレードの後縁用金属補強材を作製することにもやはり適用可能である。

Claims (10)

1. ノーズ（３６）から延在する２つの側部フィン（３２、３４）を含む予め成形された金属部品（３０）を高温成形するために適する成形工具を使用する成形方法であって、
   前記予め成形された金属部品を前記工具の第１の底部金型（４２）の中に設置するステップと、
   前記予め成形された金属部品を第１の可動中央インサート（４４）によって、第１の所定の位置に保持するステップと、
   第１の可動頂部金型（４６）によって、前記予め成形された金属部品の前記側部フィンの一方（３４）を前記ノーズと一直線になる最終的な形状に形成するステップと、
   そのように最終的な形状に成形される前記側部フィンの１つを含む前記予め成形された金属部品をひっくり返すステップと、
   前記予め成形された金属部品を前記工具の第２の底部金型（５２）の中に配置するステップと、
   第２の可動中央インサート（５４）によって、前記予め成形された金属部品を第２の所定の位置に保持するステップと、第２の可動頂部金型（５６）によって、前記予め成形された金属部品の前記側部フィンの他方の１つ（３２）を前記ノーズと一直線になる最終的な形状に成形するステップと、
   を含む方法。
2. 第１の所定の位置に保持する前記ステップが、前記第１の可動中央インサートを第１の軸線（４８Ａ）に沿って移動することによって実施されることを特徴とする、請求項１に記載の成形方法。
3. 前記予め成形された金属部品の前記側部フィンの一方を成形する前記ステップが、前記第１の可動頂部金型を第２の軸線（４８Ｂ）に沿って移動することによって実施されることを特徴とする、請求項１に記載の成形方法。
4. 第２の所定の位置に保持する前記ステップが、前記第２の可動中央インサートを第３の軸線（５８Ａ）に沿って移動することによって実施されることを特徴とする、請求項１に記載の成形方法。
5. 前記第２の可動中央インサートが移動される前記軸線が、前記側部フィンの間の中央平面に概ね相当することを特徴とする、請求項４に記載の成形方法。
6. 前記予め成形された金属部品の前記側部フィンの他方の１つを成形する前記ステップが、前記第２の可動頂部金型を第４の軸線（５８Ｂ）に沿って移動することによって実施されることを特徴とする、請求項１に記載の成形方法。
7. 前記第１の可動頂部金型および前記第２の可動頂部金型がそれぞれ沿って移動される前記第２の軸線および前記第４の軸線が、同一であることを特徴とする、請求項６および３に記載の成形方法。
8. 前記予め成形された金属部品を前記成形工具から取り出す場合、引抜きを容易にするために、前記第２の可動中央インサートが、窒化ホウ素の保護層の中に被覆されることを特徴とする、請求項１から７のいずれか一項に記載の成形方法。
9. 予め成形された金属部品を高温成形するために適する成形工具であって、
   前記予め成形された金属部品を設置する第１の底部金型（４２）と、
   前記予め成形された金属部品を第１の所定の位置に保持するための第１の可動中央インサート（４４）と、
   前記ノーズと一直線になる最終的な形状に前記予め成形された金属部品の前記側部フィンの一方（３４）を形成するための第１の可動頂部金型（４６）と、
   ひっくり返される後、前記予め成形された金属部品が設置される第２の底部金型（５２）と、
   前記予め成形された金属部品を第２の所定の位置に保持するための第２の可動中央インサート（５４）と、
   前記予め成形された金属部品の前記側部フィンの他方の１つ（３２）を前記ノーズと一直線になる最終的な形状に成形するための第２の可動頂部金型（５６）と、
   を含む成形工具。
10. 前記第２の可動中央インサートが、窒化ホウ素の保護層の中に被覆されることを特徴とする、請求項９に記載の成形工具。

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