JP6984418B2 - ブリスクの製作方法及び装置 - Google Patents

Description

本発明は、ファンディスクに線形摩擦接合によってブレードを接合してブリスクを製作する方法及び装置に関する。

下記特許文献１は、ファンディスクに線形摩擦接合（ＬＦＷ：Linear Friction Welding）によってブレードを接合してブリスクを製作する方法を開示している。接合時には、ファンディスクはブレードに押圧され、その状態でブレードが押圧方向に直角な方向に振動される。この際に接合面に生じる摩擦熱によって、ディスクとブレードとが溶接される。

なお、ファンディスクのブレードの接合位置には、ブレード断面形状を有する凸部であるディスクスタブ（ｄｉｓｋ ｓｔｕｂ）が予め形成されている。また、ブレードには、線形摩擦接合時に把持されるほぼ直方体状のカラー（ｃｏｌｌａｒ）が予め一体形成されており、このカラーは最終的には機械加工によって（接合部のバリと共に）切削されて除去される。さらに、カラーのファンディスク側には、上述したディスクスタブに対応する、ブレード断面形状を有する凸部であるブレードスタブ（ｂｌａｄｅ ｓｔｕｂ）が予め形成されている。ＬＦＷではディスクスタブの端面とブレードスタブの端面とが摩擦接合される。

特開２０１２−３５３２５号公報

上記特許文献１にも開示されているように、線形摩擦接合時にはファンディスクをブレードに押圧させた状態でブレードを振動させるので、その際のフォージ（ｆｏｒｇｅ）荷重によってブレード、特に、荷重が作用するカラーやブレードスタブにたわみが生じる。このため、上記特許文献１に記載の技術では、線形摩擦接合時のブレードの変形量を予測し、予測された変形を見込んで接合を行う。しかし、ブレードの材質や形状によって変形量が異なるため、ブレードの仕様毎に変形量を予測する必要があると共に、当該予測に基づいて接合（加工）条件を決定する必要もあり、ブリスクの製作に多くの工数が必要であった。

本発明の目的は、製作工数を削減しつつ、線形摩擦接合によるブレードの変形を抑制することのできるブリスクの製作方法及び装置を提供することにある。なお、ここにいう「製作」には、製造だけでなく補修も含まれる。

本発明のブリスクの製作方法は、ブリスクのブレードを往復動させつつ、当該ブレードにブリスクのディスクを押圧させることで、前記ブレードと前記ディスクとを線形摩擦接合するブリスクの製作方法であって、前記ブレードに予め一体的に形成されたブロック状の被保持部の長さ方向の一端を保持する第１治具、及び、前記被保持部の長さ方向の他端を保持する第２治具によりクランプして前記ブレードを往復動させ、前記第１治具が、前記被保持部の前記一端の一端面と接触する第１基部と、前記ブレードの一面側で前記被保持部に沿って延設され、かつ、前記ブレードの本体部が延出されている前記被保持部の当接面と当接する第１延出部とを備えており、前記第２治具が、前記被保持部の前記他端の他端面と接触する第２基部と、前記ブレードの他面側で前記被保持部に沿って延設され、かつ、前記被保持部の前記当接面と当接する第２延出部とを備えており、前記被保持部と前記第１延出部との最も前記第２治具寄りの当接位置と、前記被保持部と前記第２延出部との最も前記第１治具寄りの当接位置との間の、前記長さ方向の間隔を治具開放幅とし、前記ブレードの接合面の翼形状に沿った長さを接合部長さとした場合に、（治具開放率）＝（治具開放幅）／（接合部長さ）が２０％以下とされている、ことを特徴としている。

本発明のブリスクの製作装置は、ブリスクのブレードを往復動させつつ、当該ブレードにブリスクのディスクを押圧させることで、前記ブレードと前記ディスクとを線形摩擦接合するブリスクの製作装置であって、前記ブレードに予め一体的に形成されたブロック状の被保持部の長さ方向の一端を保持する第１治具、及び、前記被保持部の長さ方向の他端を保持する第２治具を有し、前記第１治具及び前記第２治具によって保持された前記ブレードを往復動させる加振装置と、前記ディスクを保持し、保持した前記ディスクを前記加振装置に保持された前記ブレードの接合面に押圧する押圧装置と、を備えており、前記第１治具が、前記被保持部の前記一端の一端面と接触する第１基部と、前記ブレードの一面側で前記被保持部に沿って延設され、かつ、前記ブレードの本体部が延出されている前記被保持部の当接面と当接する第１延出部とを備えており、前記第２治具が、前記被保持部の前記他端の他端面と接触する第２基部と、前記ブレードの他面側で前記被保持部に沿って延設され、かつ、前記被保持部の前記当接面と当接する第２延出部とを備えており、前記被保持部と前記第１延出部との最も前記第２治具寄りの当接位置と、前記被保持部と前記第２延出部との最も前記第１治具寄りの当接位置との間の、前記長さ方向の間隔を治具開放幅とし、前記ブレードの接合面の翼形状に沿った長さを接合部長さとした場合に、（治具開放率）＝（治具開放幅）／（接合部長さ）が２０％以下とされている、ことを特徴としている。

本発明によれば、線形摩擦接合によるブレードの変形を抑制して、高精度なブリスクを製作することができる。

実施形態に係る製作装置の全体構成図である。 上記製作装置で線形摩擦接合されるブレードとファンディスクとを示す概略斜視図である。 接合時のブレードの変形を強調して示す側面図である。 保持治具に保持されたブレードの背面図である。 保持治具に保持されたブレードの側面図である。 保持治具に保持されたブレードの正面図である。 接合後のブレードの変形を示す背面図。

図１は、本実施形態のブリスクの製作方法を行う製作装置（線形摩擦接合装置）１を示している。製作装置１は、ブレード１０を保持しつつ往復動（振動）させる加振装置２と、加振装置２に保持されたブレード１０にファンディスク２０を押圧する押圧装置３とを備えている。加振装置２及び押圧装置３は基台４上に設けられている。

加振装置２は、ブレード１０を保持する第１治具１１及び第２治具１２とからなる一対の保持治具１３と、この一対の保持治具１３（に保持されたブレード１０）を往復動（振動）させる加振機構１４とを備えている。保持治具１３の振動方向は図１中のＹ方向（垂直方向）である。押圧装置３は、ファンディスク２０を保持するスライド台１５と、スライド台１５を加振装置２へと押す押圧機構１６とを備えている。押圧機構１６がスライド台１５を加振装置２へと押すと、スライド台１５に保持されたファンディスク２０が加振装置２の保持治具１３に保持されたブレード１０に押し付けられる。スライド台１５のスライド（押圧）方向は、図１中のＸ方向（水平方向）である。Ｘ方向とＹ方向とは互いに直角である。

押圧装置３は、ロータリアクチュエータ１７も備えている。ロータリアクチュエータ１７は、保持されたファンディスク２０を回転させて、ブレード１０を接合する位置（後述するディスクスタブ）を加振装置２の真正面に位置させる。製作装置１は、加振機構１４、押圧機構１６及びロータリアクチュエータ１７を制御する制御部１８を備えている。制御部１８によって、加振機構１４の振動数や、押圧機構１６の押圧力が制御される。

次に、上述した製作装置１を用いて接合されるブレード１０とファンディスク２０とについて、図２を参照しつつ説明する。

ファンディスク２０の外周面上には、完成時のブレードの基端となるディスクスタブ２０ａが予め形成されている。ファンディスク２０は、ブリスクの材料となる金属（例えばチタン）を切削加工することで製作され、切削加工時にディスクスタブ２０ａも形成される。

一方、ブレード１０は、基本的には、完成時のブレードからディスクスタブ２０ａを除いた形状を備えているが、接合時に把持されるための直方体状（ブロック状）のカラー（被保持部）１０ａが予め一体的に形成されている。従って、カラー１０ａの一面からは、ブレード１０の本体部１０ｂが延出され、当該一面の反対面からはブレード１０の基端となるブレードスタブ１０ｃが突出されている。このブレードスタブ１０ｃの端面が、上述したディスクスタブ２０ａの端面と線形摩擦接合される。ブレード１０も、ブリスクの材料となる金属（例えばチタン）を切削加工することで製作され、切削加工時にカラー１０ａも形成される。カラー１０ａは、最終的には切削加工により除去され、完成時のブリスクには残されない。

カラー１０ａは、線形摩擦接合にブレード１０をしっかりと保持するために形成される。カラー１０ａが設けられないと、完成時のブレードの表面に保持治具の跡が残ってしまう。また、カラー１０ａが設けられないと、ブレード１０をしっかりと保持して振動させることができない。さらに、カラー１０ａが設けられないと、押圧されるファンディスク２０の押圧荷重（フォージ荷重）をしっかりと受け止めることができない。カラー１０ａの大きさは、線形摩擦接合時の振動方向に作用する荷重や上述したフォージ荷重を考慮して決定される。

線形摩擦接合時のブレード１０の保持態様にもよるが、概して、線形摩擦接合時のブレード１０は、フォージ荷重Ｆによって図３に示されるように変形する。なお、図３では変形が強調されて示されている。線形摩擦接合時このような変形が生じると、線形摩擦接合後のブレード１０（特に、本体部１０ｂ）に倒れるような変形が残る（図７参照）。本実施形態では、このような変形を抑止するように、加振装置２の保持治具１３（一対の第１治具１１及び第２治具１２）が形成されている。言い換えれば、このような変形を抑止するように、保持治具１３を用いて接合を行う（ブリスクを製作する）。

図４〜図６に、保持治具１３によって保持されたブレード１０を示す。本実施形態の保持治具１３は、ブレード１０の保持強度、及び、ブレード１０の保持治具１３への取り付け作業性を考慮して、第１治具１１及び第２治具１２によって構成されている。第１治具１１及び第２治具１２は、接合するブレード１０の形状に応じて、交換可能である。ただし、通常、ブリスクのブレードはすべて同じ形状を有しているため、ある特定のブリスクを製作する際には、第１治具１１及び第２治具１２は交換する必要はない。

第１治具１１は、ブレード１０の振動方向（図４〜図６の上下方向）に沿って、カラー１０ａの一端（図中上端）、即ち、カラー１０ａの長さ方向の一端を保持する。これに対して、第２治具１２は、ブレード１０の振動方向に沿って、カラー１０ａの他端（図中下端）、即ち、カラー１０ａの長さ方向の他端を保持する。第１治具１１は、カラー１０ａの一端面１０ａｕ（図中上面）を押さえる第１基部１１ａと、第１基部１１ａから第２治具１２に向けて（図中下方に向けて）延設された第１延出部１１ｂとを備えている。第１延出部１１ｂは、カラー１０ａの本体部１０ｂが延出されている面（以下、背面１０ａｂと言う）を押さえる。

第２治具１２も、カラー１０ａの他端面１０ａｌ（図中下面）を押さえる第２基部１２ａと、第２基部１２ａから第１治具１１に向けて（図中上方に向けて）延設された第２延出部１２ｂとを備えている。第２延出部１２ｂも、カラー１０ａの背面１０ａｂを押さえる。なお、第１延出部１１ｂは、ブレード１０（本体部１０ｂ）の一面側で延出し、第２延出部１２ｂは、ブレード１０（本体部１０ｂ）の他面側で延出する。即ち、ブレード１０の背面１０ａｂは、第１延出部１１ｂ及び第２延出部１２ｂと当接する当接面である。

ブレード１０の振動時には、一端面１０ａｕは第１基部１１ａにより押さえられ、他端面１０ａｌは第２基部１２ａによって押さえられる。従って、ブレード１０は、カラー１０ａを介して、保持治具１３によって振動方向に沿ってしっかりと保持される。一方、ブレード１０は、上述したようにフォージ荷重を受けるが、当該フォージ荷重は、第１延出部１１ｂ及び第２延出部１２ｂによって受け止められる。このため、接合時のブレード１０（特に、カラー１０ａ）の変形が抑えられ、接合後の倒れ変形が抑止される。

特に、本実施形態では、後述する「治具開放率」が２０％以下とされている。「治具開放率」は、「治具開放幅Ｄ」と「接合部長さＬ」とによって定義され、（治具開放率）＝
（治具開放幅Ｄ）／（接合部長さＬ）で求められる。

図４に示されるように、第１治具１１によるブレード１０の最も第２治具１２寄りの保持位置Ａ（即ち、カラー１０ａと第１延出部１１ｂとの最も第２治具１２寄りの当接位置Ａ）と、第２治具１２によるブレード１０の最も第１治具１１寄りの保持位置Ｂ（即ち、（カラー１０ａと第２延出部１２ｂとの最も第１治具１１寄りの当接位置Ｂ）との間の振動方向に沿った幅が、治具開放幅Ｄである。一方、図６に示されるように、ブレード１０の接合面、即ち、ブレードスタブ１０ｃの端面の翼形状に沿った長さが接合部長さＬである。なお、カラー１０ａのブレードスタブ１０ｃが延出されている面は、正面１０ａｆと言うこととする。正面１０ａｆが、押圧装置３に保持されたファンディスク２０に向けられる。

このように、接合部長さＬに対して治具開放幅Ｄが２０％以下となるように、保持治具１３（第１治具１１及び第２治具１２）を構成する（用いる）ことで、接合時のブレード１０（特に、カラー１０ａ）の変形を効果的に抑え、接合後の倒れ変形を効果的に抑止できる。その結果、高精度なブリスクを製作することができる。なお、治具開放率が２０％を超えると、フォージ荷重による接合時のブレード１０（特に、カラー１０ａ）の変形を十分に抑えることができなくなり、接合後の倒れ変形が大きくなってしまう。

なお、ブレード１０の形状によっては、第１延出部１１ｂ及び第２延出部１２ｂをオーバーラップさせることができる可能性もある。この場合、図４における保持位置Ａが保持位置Ｂよりも下方に位置することとなる。このような場合は、治具開放幅Ｄはマイナスの値をとるものとする。

さらに、本実施形態の保持治具１３（第１治具１１及び第２治具１２）は、ブレード１０の一面側で延出する第１延出部１１ｂと、ブレード１０の他面側で延出する第２延出部１２ｂとを備えて構成されている。従って、保持治具１３にブレード１０を挿入して保持させる作業を行いやすい。保持治具１３にブレード１０を保持させるには、第１治具１１及び第２治具１２の間隔をカラー１０ａの長さよりも若干広くしておき、第１治具１１及び第２治具１２の間に本体部１０ｂを挿入する。カラー１０ａを第１延出部１１ｂ及び第２延出部１２ｂに接触させた状態で、第１治具１１及び第２治具１２の間隔を狭めて、第１治具１１及び第２治具１２によってカラー１０ａをクランプする。

ここで、（図２では簡略化して示されているが、）ブレード１０はねじれた形状を有していることが多く、本体部１０ｂを第１治具１１及び第２治具１２の間に直線的に挿入することができないことが多い。また、ブレード１０のねじれも、ブレード１０の長さ方向に沿って一定でないことが多く、ブレード１０をねじりながら挿入することも容易ではない場合がある。

第１治具１１では、ブレード１０に対して第１延出部１１ｂの反対側は側方に開放されており、同様に、ブレード１０に対して第２延出部１２ｂの反対側も側方に開放されている。従って、保持治具１３にねじれ形状のブレード１０を挿入させやすく、ブレード１０の加振装置２への取り付けが容易になる。ファンディスク２０には多数のブレード１０を接合するので、ブレード１０の加振装置２への取り付けが容易であることで非常に効率よくブリスクを製作することができる。

また、上述したように、本実施形態では、第１治具１１によってカラー１０ａの長さ方向の一端（第１基部１１ａによって一端面１０ａｕ）を保持し、第２治具１２によってカラー１０ａの長さ方向の他端（第２基部１２ａによって他端面１０ａｌ）を保持する。そして、ブレード１０を、カラー１０ａの長さ方向に振動（往復動）させる。従って、カラー（被保持部）１０ａは振動方向に沿って、保持治具１３（第１治具１１及び第２治具１２）によってしっかりとクランプされるため、接合時に確実に保持されつつ振動され得る。

単一仕様のブレード１０を用いて（即ち、接合部長さＬが一定）、治具開放率を変えて（即ち、治具開放幅Ｄを変えて）図７に示される倒れ変形を測定した。測定は、ブレード先端縁の両端の図中Ｚ方向への偏移量α及びβ（ｍｍ）を測定した。なお、Ｚ方向は、上述したＸ方向及びＹ方向の双方に直角な方向である。また、ブレード１０自体の各部寸法は開示しないが、相対的な評価を行えるものと判断した。なお、図７中、点線で示されるのが接合前の形状であり、実線で示されるのが接合後の形状であり、カラー１０ａを基準にして、偏移量α及びβを測定した。また、偏移量α及びβに関しては、図７中の矢印の方向がプラスであるとした。

比較例としての治具開放率が３４％のブレードに関しては、偏移量α＝＋０．５１であり、β＝＋０．９６であった。α及びβの平均を「平均倒れ量」とすると、平均倒れ量は＋０．７３５であった。実施例１としての治具開放率が２０％のブレードに関しては、偏移量α＝＋０．２０であり、β＝＋０．６０であり、平均倒れ量は＋０．４００であった。実施例２としての治具開放率が１６％のブレードに関しては、偏移量α＝＋０．１２であり、β＝＋０．５１であり、平均倒れ量は＋０．３１５であった。治具開放率が小さいほど倒れ変形を抑止できると考えられるが、治具開放率が２０％以下であれば許容し得る倒れ量の基準値を満足でき、倒れ変形を効果的に抑止できる。

また、上述したように、治具開放率が０％未満、即ち、第１治具１１及び第２治具１２がオーバーラップして治具開放幅Ｄがマイナスの値をとり、治具開放率がマイナスとなると、保持治具１３にブレード１０を傾けて挿入させ難くなる。治具開放幅Ｄがマイナスの値となると、第１延出部１１ｂが第２延出部１２ｂの反対側の領域にまで延在し、第２延出部１２ｂが第１延出部１１ｂの反対側の領域にまで延在することになる。従って、第１延出部１１ｂや第２延出部１２ｂの反対側の開放部分が狭くなり、ブレード１０を傾けたときに、ブレード１０と第１延出部１１ｂや第２延出部１２ｂの先端とが接触し易くなり、保持治具１３にブレード１０を傾けて挿入させ難くなる。このため、治具開放率は０％以上である方が好ましい。

なお、図５には、カラー１０ａの内部に完成後のブレードの形状を示す点線も示されている。ファンディスク２０への接合後にカラー１０ａが切削されて除去されると、完成後のブレードは、この点線で示される形状となる。

また、上記実施形態では、カラー１０ａは直方体状に形成された。直方体状に形成すれば、振動方向の荷重やフォージ荷重を受けるのに都合がよい。しかし、カラー１０ａの形状は、ブロック状であればよく、直方体状に限定されず、ブレード１０の湾曲に合わせて湾曲する形状に形成されても構わない。

なお、本発明の製作方法及び装置は、ブリスクの新規製造だけでなく、ブリスクの補修にも用いることができる。ブリスクのいくつかのブレードが破損した（変形や亀裂など）場合、ディスクスタブ２０ａを残して当該ブレードを除去する。ディスクスタブ２０ａの部分は、ブレードの基端であり、かつ、ファンディスク２０との接合部であり、破損しにくく再利用できることも多い。残されたディスクスタブ２０ａに、カラー１０ａを有する新品のブレード１０を接合することで、ブリスクを補修できる。

１ 製作装置（線形摩擦接合装置）
２ 加振装置
３ 押圧装置
１０ ブレード
１０ａ カラー（被保持部）
１０ｂ 本体部
１１ 第１治具
１１ａ 第１基部
１１ｂ 第１延出部
１２ 第２治具
１２ａ 第２基部
１２ｂ 第２延出部
１４ 加振機構
１６ 押圧機構
Ｄ 治具開放幅
Ｌ 接合部長さ
Ａ （被保持部と第１延出部との最も第２治具寄りの）当接位置
Ｂ （被保持部と第２延出部との最も第１治具寄りの）当接位置

Claims (6)

1. ブリスクのブレードを往復動させつつ、当該ブレードにブリスクのディスクを押圧させることで、前記ブレードと前記ディスクとを線形摩擦接合するブリスクの製作方法であって、
   前記ブレードに予め一体的に形成されたブロック状の被保持部の長さ方向の一端を保持する第１治具、及び、前記被保持部の長さ方向の他端を保持する第２治具によりクランプして前記ブレードを往復動させ、
   前記第１治具が、前記被保持部の前記一端の一端面と接触する第１基部と、前記ブレードの一面側で前記被保持部に沿って延設され、かつ、前記ブレードの本体部が延出されている前記被保持部の当接面と当接する第１延出部とを備えており、
   前記第２治具が、前記被保持部の前記他端の他端面と接触する第２基部と、前記ブレードの他面側で前記被保持部に沿って延設され、かつ、前記被保持部の前記当接面と当接する第２延出部とを備えており、
   前記被保持部と前記第１延出部との最も前記第２治具寄りの当接位置と、前記被保持部と前記第２延出部との最も前記第１治具寄りの当接位置との間の、前記長さ方向の間隔を治具開放幅とし、前記ブレードの接合面の翼形状に沿った長さを接合部長さとした場合に、（治具開放率）＝（治具開放幅）／（接合部長さ）が２０％以下とされている、ことを特徴とするブリスクの製作方法。
2. 前記被保持部の前記長さ方向に前記ブレードを往復動させる、ことを特徴とする請求項１に記載のブリスクの製作方法。
3. 前記第１治具の前記ブレードの前記他面側が開放されており、かつ、前記第２治具の前記ブレードの前記一面側が開放されている、ことを特徴とする請求項１又は２に記載のブリスクの製作方法。
4. ブリスクのブレードを往復動させつつ、当該ブレードにブリスクのディスクを押圧させることで、前記ブレードと前記ディスクとを線形摩擦接合するブリスクの製作装置であって、
   前記ブレードに予め一体的に形成されたブロック状の被保持部の長さ方向の一端を保持する第１治具、及び、前記被保持部の長さ方向の他端を保持する第２治具を有し、前記第１治具及び前記第２治具によって保持された前記ブレードを往復動させる加振装置と、
   前記ディスクを保持し、保持した前記ディスクを前記加振装置に保持された前記ブレードの接合面に押圧する押圧装置と、を備えており、
   前記第１治具が、前記被保持部の前記一端の一端面と接触する第１基部と、前記ブレードの一面側で前記被保持部に沿って延設され、かつ、前記ブレードの本体部が延出されている前記被保持部の当接面と当接する第１延出部とを備えており、
   前記第２治具が、前記被保持部の前記他端の他端面と接触する第２基部と、前記ブレードの他面側で前記被保持部に沿って延設され、かつ、前記被保持部の前記当接面と当接する第２延出部とを備えており、
   前記被保持部と前記第１延出部との最も前記第２治具寄りの当接位置と、前記被保持部と前記第２延出部との最も前記第１治具寄りの当接位置との間の、前記長さ方向の間隔を治具開放幅とし、前記ブレードの接合面の翼形状に沿った長さを接合部長さとした場合に、（治具開放率）＝（治具開放幅）／（接合部長さ）が２０％以下とされている、ことを特徴とするブリスクの製作装置。
5. 前記加振装置が、前記被保持部の前記長さ方向に前記ブレードを往復動させる、ことを特徴とする請求項４に記載のブリスクの製作装置。
6. 前記第１治具の前記ブレードの前記他面側が開放されており、かつ、前記第２治具の前記ブレードの前記一面側が開放されている、ことを特徴とする請求項４又は５に記載のブリスクの製作装置。

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