JP7045792B2 - ターボ機械の表面処理 - Google Patents

Description

本開示は、一般に、ターボ機械部品の処理に関し、より詳細には、表面機械加工ツール、軸方向に隣接する部品と接触する際に摩擦が増大し、および／または圧縮応力がより大きくなる部品（例えば、ターボ機械部品）の処理の方法に関する。

修理、改善、改装などの部品の配備後処理（本明細書では「処理」と総称する）は、新しい完全な組立体または／およびそれらの個々の部品の製造を必要とせずに、より大きいターボ機械組立体の寿命および品質を改善させ得る。ターボ機械のいくつかの部品、例えば内部にブレードを受けるように適合された回転可能なホイールは、製造および／または動作中に直接機械的接触を介して他の部品と係合することができる。部品間の摩擦接触は、２つ以上の部品、例えば、ターボ機械組立体の、軸方向に隣接したロータに取り付けられたホイール間の所望の機械的関係を維持する助けとなり得る。

従来の、部品の処理工程では、ターボ機械保守者（ｓｅｒｖｉｃｅｒ）は、対応するロータからターボ機械のホイールを取り外して、ホイールの１つまたは複数の接触面に湿式グリットブラストを適用することができる。湿式グリットブラストなどの工程は、それらの機械的特性のいくつかを変更することに加えて、これらの接触面を清掃することができる。しかしながら、湿式グリットブラストは、一般に、専用組立体、例えばブラストブース内にターボ機械ホイールを設置することを必要とし、それにより、処理に使用される工程および設備の総数が増加する。加えて、従来、処理された表面は、湿式グリットブラストにより、より大きい表面粗さと、例えばブラスト工程中に表面から材料を除去することによって生じる比表面積の少なくとも部分的な減少とを呈す。

米国特許出願公開第２０１５／００４７１６２号明細書

本開示の第１の態様は、表面処理ツールを提供し、表面処理ツールは、部品を受けるように構成された旋盤チャックを有する旋盤組立体であって、旋盤チャックが第１の回転軸周りで部品を回転させ、部品が第１の回転軸に対し軸方向に配向された露出された軸方向対象面を有する、旋盤組立体と、ツールアームを介して旋盤組立体に結合された研磨機であって、第１の回転軸に実質的に非平行である第２の軸に沿って延在する研磨面を含み、その結果、研磨面が部品の対象面に選択的に接触する、研磨機と、研磨機に結合され、研磨機を第２の軸周りで回転させ研磨機を部品に押し付けて、部品と研磨面との間で接触している間、より大きい比表面積および低減された表面粗さを有する研磨された対象面を生じさせる、駆動システムと、を備える。

本開示の第２の態様は、部品を処理するための方法を提供し、方法は、部品の対象面を第１の回転軸周りで回転させるステップと、研磨機の研磨面を第１の回転軸と実質的に非平行である第２の軸周りで回転させるステップと、対象面の回転中および研磨面の回転中に、より大きい比表面積および低減された表面粗さを有する研磨された対象面を生じさせるように研磨機の研磨面を部品の対象面に接触させるステップであって、研磨された対象面と隣接する部品との間の摩擦係数が対象面と隣接する部品との間の初期摩擦係数よりも大きい、ステップと、を含む。

本開示の第３の態様は、部品を提供し、部品は、内部にターボ機械シャフトおよび旋盤チャックのうちの１つを受けるための開口を有する本体であって、本体が旋盤チャックに結合されたことに応答して、開口が本体の回転軸に対して実質的に軸方向に旋盤チャックで配向される、本体と、本体に結合され、本体の回転軸に対して軸方向に延在する面を含み、面が窪みを含み、面の表面粗さは部品の残りの部分の表面粗さよりも大きい、フランジと、を備える。

本開示の第４の態様は、表面処理ツールを提供し、表面処理ツールは、部品を受けるように構成された旋盤チャックを有する旋盤組立体であって、旋盤チャックが部品を第１の回転軸周りで回転させ、部品が第１の回転軸に対して軸方向に配向された露出された軸方向対象面を含む、旋盤組立体と、旋盤組立体に結合され、艶出し面を含む艶出しローラであって、艶出し面が第１の回転軸と実質的に非平行である第２の回転軸の周りで回転するように構成され、その結果、艶出し面が部品の対象面に選択的に接触して部品に圧縮応力を付与する、艶出しローラと、研磨機に結合され、研磨機を第２の回転軸周りで回転させ研磨機を部品に押し付けて、部品と研磨面との間で接触している間、より大きい比表面積および低減された表面粗さを有する研磨された対象面を生じさせる、駆動システムと、を備える。

本開示の第５の態様は、ターボ機械を処理するための方法を提供し、方法は、部品の対象面を第１の回転軸周りで回転させるステップと、艶出しローラの艶出し面を第２の回転軸周りで回転させるステップであって、第２の回転軸が第１の回転軸と実質的に非平行である、ステップと、対象面の回転中および艶出し面の回転中に、艶出しローラの艶出し面を部品の対象面に接触させるスッテプであって、より大きい比表面積および低減された表面粗さを有する研磨された対象面を生じさせ、部品に残留圧縮応力を付与し、研磨された対象面と隣接する部品との間の摩擦係数が対象面と隣接する部品との間の初期摩擦係数よりも大きい、ステップと、を含む。

開示の第６の態様は、部品を提供し、部品は、ターボ機械シャフトおよび旋盤チャックのうちの１つを受けるための開口を内部に有する回転可能な本体であって、開口が、回転可能な本体の回転軸に対して実質的に軸方向に配向される、回転可能な本体と、本体に結合され、本体の回転軸に対して軸方向に延在する表面を含むフランジであって、フランジの面が窪みを含み、フランジの面の表面粗さおよび圧縮応力がそれぞれ部品の残りの部分の表面粗さおよび圧縮応力よりも大きい、フランジと、を備える。

開示されたシステムのこれらおよび他の特徴は、様々な実施形態を描く添付の図面と併せて、システムの様々な態様の以下の詳細な説明からより容易に理解されるであろう。

従来のターボ機械システムの斜視図である。 本開示の実施形態による表面処理ツールおよび部品の斜視図である。 本開示の実施形態による表面処理ツールおよび対象面の拡大部分断面図である。 本開示の実施形態による部品に接触する表面処理ツールの部分断面図である。 本開示の実施形態による部品の斜視図である。

図面は必ずしも原寸に比例していないことに留意されたい。図面は、本開示の典型的な態様のみを示すことが意図され、従って、その範囲を限定するものとみなされるべきではない。図面において、図面間で同様の番号は同様の要素を表す。

以下の説明では、一部を形成する添付の図面を参照し、本教示を実施することができる特定の例示的な実施形態を例示として示す。これらの実施形態は、当業者が本教示を実施することができるように十分に詳細に記載されており、本教示の範囲から逸脱することなく他の実施形態を使用してもよく、変更がなされてもよいことを理解されたい。従って、以下の説明は単なる例示である。

本開示の実施形態は、本明細書で論じられる様々な技術的特性を有する、ターボ機械のための表面処理ツール、部品を処理するための方法、および／または部品を提供し得る。本開示による表面処理ツールは、対応する旋盤チャックを備えた旋盤組立体として具体化することができる。旋盤チャックは、部品、例えば、ロータに結合されるように適合されたターボ機械のホイールを受けることができる。旋盤チャックは、部品を第１の回転軸周りで回転させることができ、部品は、旋盤チャック上に配置されるとき露出された対象面を含み得る。一実施形態では、旋盤組立体は、従来の湿式表面処理ツールとは対照的な１つのタイプとして、研磨機器（本明細書では「研磨機」と呼ぶ）も含むことができる。研磨機は、旋盤チャックの回転軸とは異なる（即ち、非平行である）第２の回転軸の周りで回転可能な研磨面を含むことができる。別の実施形態では、旋盤組立体は、異なるタイプの乾式表面処理を提供するための艶出しローラを含むことができる。従って、艶出しローラは、艶出し面を含み、旋盤チャックの回転軸と異なる第２の配向軸を中心に回転することができる。本開示の実施形態における研磨機および／または艶出しローラは、部品の研磨された対象面、例えば、１つまたは複数の金属、金属合金などを作り出すことができる１つまたは複数の構造で構成され得る。研磨された対象面は、研磨または艶出し加工の直接的な結果としての表面粗さの減少および／または比表面積の増加を呈することができる。動作中、研磨機および／または艶出しローラでの機械加工による部品間の表面仕上げおよび金属凝集は、対象面の摩擦を増加させおよび／または部品に残留圧縮応力を付与することができる。本明細書で使用される「残留応力」とは、応力を生じさせる機械的力が除去された後に材料に残っている応力を指す。従って、「残留圧縮応力」とは、材料が圧縮変形（即ち、内側に押される）して艶出し後にその表面に圧縮タイプの応力を材料が呈し続ける、材料の塑性変形を指す。

図１は、共通の圧縮機／タービンシャフト１０６を介してタービン部分１０４に動作可能に連結された圧縮機部分１０２を含む、従来のターボ機械１００を示す。本明細書で使用する場合、用語「軸方向の」および／または「軸方向に」は、ターボ機械の回転軸（特に、ロータ部分）に実質的に平行である軸線Ａ_Rに沿った物体の相対的な位置／方向を指す。さらに、用語「円周方向の」および／または「円周方向に」は、特定の軸を取り囲むが、任意の位置でその軸と交差しない円周に沿った物体の相対的な位置／方向を指す。

圧縮機部分１０２は、燃焼機組立体１０８を介してタービン部分１０４に流体的に接続され得る。燃焼機組立体１０８は、１つまたは複数の燃焼機１１０を含む。燃焼機１１０は、限定はしないが、カニュラ型アレイで配置されることを含む構成の広範囲のターボ機械１００に取り付けられてもよい。圧縮機部分１０２は複数の圧縮機ロータホイール１１２を含む。ロータホイール１１２は、各々が関連するエーロフォイル部分１１８を有する複数の第１段圧縮機ロータブレード１１６を有する第１段圧縮機ロータホイール１１４を含む。同様に、タービン部分１０４は、複数の第１段タービンロータブレード１２４を有する第１段タービンホイール１２２、を含む複数のタービンロータホイール１２０を含む。例示的な実施形態によれば、１つまたは複数のロータホイール１１２、１１４、１２０、１２２は、可搬式フライス加工デバイスおよび／またはフライス加工技術を施すことで機械加工され得る。しかしながら、ターボ機械１００の他の部品および／または他のターボ機械システム内の同様の部品もまた、本明細書で論じられる１つまたは複数の可搬式フライス加工ツールで機械加工することができ、または別の方法で本明細書に記載の工程の実施形態の対象とすることができることを理解されたい。

図２を参照すると、本開示の実施形態による表面処理ツール２００が示される。表面処理ツール２００は、旋盤組立体２０２を含み得る。旋盤組立体２０２は、今度は、本明細書で論じられる１つまたは複数の部品およびサブ部品を動作するための、旋盤チャック２０４、ツールアーム２０６、および機械駆動力を伝達しおよび／または生成する組立体駆動システム２０８を含み得る。「ツールポスト」としても知られかつ参照され得る旋盤チャック２０４は、部品を受けるように構成された単純なまたは複合の３次元形状を有する回転可能なプラットフォームとして提供され得る。例示的な実施形態では、旋盤チャック２０４は、実質的に円筒形であり、ターボ機械ロータの直径と実質的に等しい直径を有することができる。旋盤チャック２０４は、第１の回転軸Ａ₁を中心に、実質的に第１の回転経路Ｒ₁に沿って回転するように適合され得る。ツールアーム２０６は、本明細書の他の箇所で論じられるように、１つまたは複数の機械加工要素を有して、旋盤チャック２０４に結合された部品に他の表面処理を提供するように配置され得る。

組立体駆動システム２０８は、例えばツールアーム２０６の構造内に収容されたモータシステムに結合することができるか或いはそれを含むことができる。組立体駆動システム２０８のモータシステムは、様々なタイプの動力（例えば、燃料、電気等）を機械エネルギーに変換して、本明細書で論じるように、旋盤組立体２０２の部品を作動させる。例えば、モータシステムは、旋盤チャック２０４を回転させて、その上の部品の処理を可能にし、および／またはツールアーム２０６に結合された１つまたは複数のツールを駆動することができる。旋盤組立体２０２の構造は、何れかの現在知られるまたは将来に開発されるモータシステム（例えば、電動機システム）の部品を収容するのに適した大きさにすることができる。一実施形態では、駆動機構２０８は、旋盤チャック２０４に直接的または間接的に機械的に結合され、第１の回転軸Ａ₁の周りでの旋盤チャック２０４の回転を可能にすることができる。

旋盤組立体２０２の旋盤チャック２０４は、部品２１０を受けることができる。ターボ機械部品２１０は、ガスタービン、蒸気タービン、水タービンなどのターボ機械のロータ周りで回転するように適合された回転機器の１つまたは複数の部分の形態で提供され得る。例示的な実施形態では、部品２１０は、例えば半径方向に延在するタービンロータブレード１２４（図１）などの複数のブレード要素を保持するように適合されたタービンホイール１２２（図１）の形態を取り得る。この範囲では、部品２１０は、また、第１の回転軸Ａ₁に対して半径方向の表面に複数の半径方向ダブテールおよび／またはダブテールスロット（図示せず）を含むことができる。ターボ機械部品２１０は、また、ターボ機械の他の部品に係合するおよび／または受けるように構成された軸方向面２１２を含むことができる。ターボ機械部品２１０は、例えば、軸方向面２１２上に配置されたフランジ２１４を含むか、または別の形でそれに結合され得る。従って、フランジ２１４は、ターボ機械１００などのターボ機械の動作中に軸方向に隣接する部品に接触する、およびまたは別の形で係合するための露出された軸方向対象面２１６を含み得る。フランジ２１４および／または軸方向対象面２１６を含む部品２１０の全体または一部は、超合金材料を含む鋼および／または合金（例えば、鋼基合金および／またはニッケル基合金）から構成され得、いくつかの実施形態では、クロム（Ｃｒ）、モリブデン（Ｍｏ）、ニッケル（Ｎｉ）またはバナジウム（Ｖ）の１つまたは複数を含んでもよい。従って、部品２１０の多くの材料組成が考えられることが理解される。フランジ２１４は、図２に例示されて、ターボ機械２１０の残りの部分に直接軸方向に結合されるが、処理される部品２１０のタイプに基づいて１つまたは複数の介在構造が存在してもよいことが理解される。

開口２１８は、フランジ２１４を含む部品２１０を通って軸方向に延在することができる。開口２１８は、その中のターボ機械のロータ、例えばロータ１０６（図１）を受けるおよび／または摺動可能に係合するように適合され得る。旋盤チャック２０４は、開口２１８と実質的に同じ断面積を有する旋盤チャック２０４からの、例えば軸方向突起の形態の回転可能な継手２１９を有することによって、部品２１０を受けることができる。回転可能な継手２１９は、図２に示すように、旋盤チャック２０４でおよび／または上で部品２１０の回転移動が可能となる形状とされ得る。回転可能な継手２１９は、回転可能な継手２１９に対して固定位置に部品２１０を保持する連結機構（例えば、機械的に作動されたロックおよび／または非作動のロック）を任意選択で含むことができ、旋盤チャック２０４によって部品２１０の回転が可能になる。回転可能な継手２１９は、開口２１８内に機械的に係合しおよび／または位置付けられるように構成された１つまたは複数の他の部品として実施され得ることが理解される。旋盤チャック２０４は、１つまたは複数の他の現在知られているかまたは将来に開発されるタイプの回転可能な継手によって、部品２１０を受け、かつそれと回転可能に係合することができることが理解される。

部品２１０のフランジ２１４は、ターボ機械システムの一部としての動作中、軸方向に隣接する部品、例えば、隣接するホイールの別のフランジと接触してこれに係合することができる。作業者は、ロータ１１４（図１）に取り付けられた各部品が使用中に一貫した相対周方向位置を維持し、処理工程がこの物理的関係を維持することを望む場合がある。いくつかの場合、およびいくつかの条件では、軸方向対象面２１６などの相手面は、他の部品との長期接触およびその後の機械的摩耗から、低減された摩擦係数（即ち、材料の表面上の摩擦力の強さを表す係数）を呈することがあり、ある部品が他の部品に対して回転スリップする可能性があるなどの悪影響をもたらす。旋盤組立体２０２の修復器具は、軸方向対象面２１６に接触して、例えば、軸方向対象面２１６の比表面積を増加させながら軸方向対象面２１６の表面粗さを低減させることによって、軸方向対象面２１６の摩擦係数を増加させることができる。本明細書で使用する場合、用語「比表面積」は、一般に、顕微鏡レベルでの材料の露出された表面積を表す。材料の比表面積の変化は、通常の観察者には認識されない可能性があるが、一方の材料と他方の材料との間の係合関係に実質的な変化を引き起こす場合がある。本開示による用途では、より滑らかな（即ち、より低い）表面粗さは、ある材料と他の材料との間の摩擦係数の増加（例えば、増加した表面積の接触を提供することによって）と関連し得、軸方向対象面２１６の比表面積およびそれに対応する摩擦係数を増加させる。例示的な実施形態では、研磨機２２０は、ツールアーム２０６を介して旋盤組立体２０２に結合され、その上に研磨面２２２を含むことができる。研磨面２２２は、研磨面２２２が実質的に矢印Ｒ₂で示される方向に沿って回転できるように、第２の回転軸Ａ₂を中心に回転することができる。第２の回転軸Ａ₂は、例えば、第１の回転軸Ａ₁に対して約５°から１７５°の間、または約１８５°から約３５５°の間の値を有する、例えば角度差θ₁を有することによって、第１の回転軸Ａ₁と実質的に非平行であり得る。いくつかの実施形態では、θ₁は約９０°の値を有し、それによって第２の回転軸Ａ₂を第１の回転軸Ａ₁に対して実質的に垂直に延在させ得ることが理解される。研磨面２２２の回転移動を可能にするために、研磨機２２０は、研磨面２２２が円周上に設けられた、例えばドラム研磨機の形態で提供され得る。角度配向の文脈において、用語「実質的な」または「実質的に」は、基準軸間の既述の関係に加えて、定義された角度関係（例えば、平行、垂直など）の誤差の想定のマージン内（例えば、１％、５％、１０％など）の任意のおよび全ての角度関係を含むことができる。

図３を参照すると、部品２１０（図２）の表面処理を示すために、研磨面２２２と軸方向対象面２１６の拡大断面図が示される。表面処理ツール２００（図２）の動作中、研磨面２２２は、例えば接触領域Ｃ_A内の部品２１０（図２）上のフランジ２１４（図２）の軸方向対象面２１６に選択的に接触し得る。軸方向対象面２１６の表面粗さを低減するために、研磨面２２２は、第２の回転軸Ａ₂を中心に回転しながら、軸方向対象面２１６に接触することができる。ターボ機械部品２１０およびフランジ２１４は、第１の回転軸Ａ₁を中心に回転することができる。軸方向対象面２１６が回転して回転研磨面２２２と接触すると、軸方向対象面２１６の少なくとも一部は、研磨面２２２によって生成された軸方向対象面２１６の窪みから処理され得る。他の実施形態では、研磨面２２２は、軸方向対象面２１６に接触している間、静止しているか、または径方向に振動する場合がある。このように、軸方向対象面２１６が第１の回転軸Ａ₁周りで回転するときに、研磨面２２２と軸方向対象面２１６との間の多くの形態の相対運動が考えられる。さらに、研磨面２２２と軸方向対象面２１６との間の接触は、軸方向対象面２１６の比表面積を増加させることができ、それによって、部品２１０と軸方向対象面２１６に隣接して位置する任意の部品との間の接触の総量が増加する。

研磨面２２２の材料組成は、軸方向対象面２１６を研磨する、例えば表面粗さを低減させ比表面積を増加させた対応する表面仕上げを有する１つまたは複数の材料から構成され得る。例えば、ターボ機械２１０（図２）および／またはフランジ２１４が、例えば鋼および／または超合金材料（例えば、超合金材料）などの金属物質で構成されている場合、研磨面２２２は金属物質でも構成され得る。一実施形態では、フランジ２１４の軸方向対象面２１６は、本明細書で説明されるように、Ｍｏ、Ｃｒおよび／またはＶの全部または一部から構成され得る。これにより、軸方向対象面２１６と隣接する部品との間の金属凝集は、各部品の材料組成の類似性によって引き起こされ、ある物質の同様の原子が他の物質の原子に電気的に引き寄せられ得る。金属凝集の発生により、部品２１０の軸方向の相手面２１６とターボ機械組立体の隣接するロータ取り付け要素との間に引力が生じる。軸方向の相手面２１６と研磨面２２２との間の押圧力は、図３の例において、ベクトルＦ_cおよびＦ_c’で表される。その結果、軸方向の相手面２１６の研磨された表面は、隣接する部品と接触して配置されると、低減された表面粗さおよび増加した比表面積の両方のために増大した摩擦係数を呈する。とりわけ、これらの影響は、ターボ機械１００（図１）の動作中に部品２１０と隣接する部品との間のトルク伝達を増加させ得る。

処理された表面の平滑性および表面積を低減させるために、例えば研磨材料または粗い表面プロファイルを有する材料（例えば、軸方向対象面２１６に対して）を使用することに依存してもよい従来の処理技術とは対照的に、研磨面２２２は、軸方向対象面２１６の表面プロファイルに対してより大きい面積を有する平滑な表面を有することができる。即ち、軸方向対象面２１６と類似の粗い表面プロファイルを有する材料との間の実質的なピーク間または谷間の接触を想定するのではなく、研磨面２２２は、軸方向対象面２１６の粗さを意図的に低減させることによって軸方向対象面２１６を部分的に処理し、それによってその全比表面積を増加させることができる。例示的な実施形態では、研磨面２２２は、軸方向対象面２１６の初期表面粗さよりも低い表面粗さを有することができる。２つの研磨された実質的に平坦な表面間のこの接触は、動作中の軸方向対象面２１６と他の部品の隣接する軸方向表面との間の摩擦係数を増加させ得る。

図２に戻ると、旋盤組立体２０２のツールアーム２０６は追加の部品を備えてタービン部品２１０の表面処理をさらに提供することができる。具体的には、ツールアーム２０６は、タービン部品２１０を旋盤チャック２０４から除去することなく、複数の工程でタービン部品２１０および／またはフランジ２１４を処理するように構成することができる。例えばツールアーム２０６は、部品２１０に対して研磨機２２０および／または旋盤組立体２０２に結合された他のツールの位置を調整するためのアクチュエータ２２４を内部に備えることができる。アクチュエータ２２４は、構造部品の一部として含まれるときに可変長寸法を提供するために現在知られているまたは将来に開発されるデバイスを提供することができる。例えば、アクチュエータ２２４は、例えば、リニアアクチュエータ、圧電アクチュエータ、空気圧アクチュエータ、サーボアクチュエータ、ナノアクチュエータ、油圧アクチュエータ、モータ駆動アクチュエータ、および／または調整可能な長さを提供するための任意の他の現在知られているまたは将来に開発される機構のうちの１つまたは複数として具体化され得る。

研磨機２２０の位置および／またはツールアーム２０６の長さを変更することにより、部品２１０と研磨機２２０などのツールアーム２０６の機械加工要素との間の離間距離が調整され得る。例えばアクチュエータ２２４でツールアーム２０６を調節して、研磨機２２０は、部品２１０に接触するかまたは離れ得る。また、研磨機２２０は、処理中、部品２１０に対して研磨面２２２を押圧するための内部駆動システム２２５を内部に含むことができる。代替の実施形態では、内部駆動システム２２５がツールアーム２０６内に設けられて、例えば機械的結合、電気的結合、空気圧結合、油圧結合などを介して研磨機２２０に動作可能に接続され得る。内部駆動システム２２５の機能は、例えばアセンブリ駆動システム２０８によって提供され得ることを理解されたい。いずれにせよ、内部駆動システム２２５は、例えば、空気圧駆動システム、電気機械モータ、油圧駆動システムなどのうちの１つまたは複数として具体化することができる。

旋盤組立体２０２は、また、例えばツールアーム２０６に結合されたトリミングツール２２６を含むことができる。トリミングツール２２６は、研磨機２２０と構造的に独立していることができ、トリミングツール２２６は、研磨機２２０と一緒におよび／または別々に用いられる。トリミングツール２２６は、旋盤組立体２０２、例えばタービン部品２１０の加工片の部分を取り除くために、例えば、鋸カッタ、スクリューカッタ、ウォーターカッタ、および／または任意の他の現在知られているまたは将来に開発されるタイプのカッティングビットの形態で設けられたトリミング要素２２８を含むことができる。使用される実施形態とは無関係に、トリミング要素２２８は、第１および／または第２の回転軸Ａ₁、Ａ₂とは異なる第３の回転軸Ａ₃（紙面に延在する）を中心に回転するように構成することもできる。例えば、トリミング要素２２８の第３の回転軸Ａ₃は、例えば、図２の斜視図において紙面の内外に延在することによって、第１および第２の回転軸Ａ₁、Ａ₂に対して実質的に垂直であり得る。それにより、トリミングツール２２６は、フランジ２１４の軸方向対象面２１６のような研磨機２２０で処理された部品を処理することなく、例えば、部品２１０から多量の材料を取り除くことによって、部品２１０の予備機械加工を行うことができる。

研磨機２２０、トリミングツール２２６、および／または他の処理ツールを部品２１０と接触させるために、ツールアーム２０６はトラック２３０を含むことができる。より具体的には、研磨機２２０、トリミングツール２２６、および／または他のツールのベアリング２３２は、トラック２３０に機械的に結合されて、研磨機２２０、トリミングツール２２６、および／または他のツールは、ツールアーム２０６に亘って選択的に動いて、例えば部品２１０に向かうか離れる。トラック２３０と各ベアリング２３２との間の結合は、例えば回転ベアリング、摺動および嵌合係合、磁気的または磁気的／機械的係合などで提供され得る。手動で動作中に、使用者は、研磨機２２０、トリミングツール２２６、および／またはトラック２３０に結合された他のツールを、手動でまたはツールアーム２０６内および／またはそれの外に備える他のツールの補助で動かすことができる。例えば、ツールアーム２０６は、中に作動システム（例えば、電力、作動油などによって作動される）を含んで、トラック２３０に亘って研磨機２２０、トリミングツール２２６などを動かす。トラック２３０が省略された実施形態において、研磨機２２０および／またはトリミングツール２２６などのツールアーム２０６の部品は、ツールアーム２０６上の固定された位置に設けられ、その結果、アクチュエータ２２４は、研磨機２２０および／またはトリミングツール２２６を部品２１０の方に近づけるかまたは遠ざけて移動させることができる。また、トラック２３０による機械的係合およびアクチュエータ２２４からの移動は、所望の場合および／または適用可能な場合に、併用され得ることも理解される。さらに他の実施形態では、研磨機２２０の内部駆動システム２２５および／または他の駆動システムは、またツールアーム２０６に結合されたツールをトラック２３０に亘って移動させることができる。使用される実施形態にかかわらず、トラック２３０は、研磨機２２０、トリミングツール２２６および／またはトラック２３０に結合されたツールアーム２０６の他の部品が、部品２１０と接触して移動する、および／または接触しないで移動することを可能にし得る。

図４を参照すると、表面処理ツール２００の実施形態は、軸方向対象面２１６を処理するための他の器具を含み得る。例えば、ツールアーム２０６は、その上に艶出し面３２２を有する艶出しローラ３２０を含むことができる。艶出しローラ３２０は、艶出しローラ３２０をツールアーム２０６のトラック２３０に結合するためのベアリング２３２を任意に含み得る。艶出し面３２２は、艶出しローラ３２０の残りの部分に回転可能に取り付けられ得、その結果、艶出し面３２２が第１の回転軸Ａ₁に対して非平行方向に配向された第２の回転軸Ａ₂’を中心に線Ｒ₂に沿って回転することができる。回転軸Ａ₁、Ａ₂’の間の角度方向の差は、例えば約５°と１７５°の間、または約１８５°と約３５５°の間の値を有する角度差θ₂によって表すことができる。艶出し面３２２は、艶出しされる材料に残留圧縮応力を付与するために摺動接触によって表面を変形させることができる１つまたは複数の純金属および／または金属合金から構成され得る。例として、艶出し面３２２は、例えば、鋼および／または超合金材料で構成され得る。動作中、艶出しローラ３２０の内部駆動システム３２５および／または艶出しローラ３２０のツールアーム２０６に対する移動によって、艶出し面３２２がフランジ２１４の軸方向相手面２１６に接触して、その結果、回転艶出し面３２２が軸方向相手面２１６に対して回転する。内部駆動システム３２５は、内部駆動システム２２５（図２）に関して本明細書の他で論じられた１つまたは複数の例示的システムとして実施することができ、或いは、艶出しローラ３２０に動作可能に結合された組立体駆動システム２０８として実施することができる。

艶出し面３２２の軸方向相手面２１６に対する回転によって、中に窪み３３０が生成され、それによって軸方向相手面２１６の残留圧縮応力が増加し得る。作動中、内部駆動システム３２５によって、艶出し面３２２が部品２１０に対して機械的に押圧されて、部品２１０と任意の軸方向の隣接する部品との間の金属凝集が増加し得る。従って、旋盤組立体２０２の一部としての艶出しローラ３２０を使用すれば、軸方向相手面２１６に残留圧縮応力が付与される。ツールアーム２０６と研磨ツール２２０との間に設けられた様々な結合、整列および係合機構等は、また、艶出しローラ３２０に適合されおよび／または使用され得ることがさらに理解される。

図２および図４を併せて参照すると、本開示の実施形態は、また、例えば旋盤組立体２０２を研磨ツール２２０および／または艶出しローラ３２０と共に使用する部品２１０を処理するための方法を提供する。部品２１０を処理するための方法には、例えば、旋盤チャック２０４を同じ軸周りで回転させることによって、第１の回転軸Ａ₁周りで軸方向対象面２１６を回転させることが含まれる。本明細書の他の箇所で論じるように、軸方向対象面２１６は、ターボ機械１００（図１）などのターボ機械システムの他の部品と接触および／または回転するように構成されたフランジ２１４の相手面とすることができる。本開示による方法では、研磨ツール２２０および／または艶出しローラ３２０は、また第２の回転軸Ａ₂、Ａ₂’周りでそれぞれ回転することができ、その結果、研磨ツール２２０および／または艶出しローラ３２０は、第１の回転軸Ａ₁と実質的に非平行である軸周りで回転する。軸方向対象面２１６が研磨ツール２２０で処理されるところで、研磨面２２２は、第１の回転軸Ａ₁に対して実質的に垂直な第２の回転軸Ａ₂を中心にして回転するように配向され得る。軸方向対象面２１６が艶出し面３２２を用いて処理される実施形態では、第２の回転軸Ａ₂’は、また第１の回転軸Ａ₁に対して実質的に垂直であり得るか、または例えば図４に示されるような特定の角度差θを有するように配向され得る。部品２１０を処理するために、回転研磨および／または艶出し面２２２、３２２は、回転軸方向対象面２１６と接触することができる。各表面と各表面の材料組成物との間の接触により、研磨ツール２２２および／または艶出しローラ３２０の適用によって、本明細書で論じるように、軸方向対象面２１６上に研磨され艶出しされた面が形成され得る。接触前の軸方向対象面２１６の初期表面粗さは、本明細書で論じるように、研磨された軸方向対象面２１６の表面粗さより大きくすることができる。例えば３０秒間、１０分間、２時間などの所定時間、回転面間の接触の後、例えば研磨および／または艶出し面２２２、３２２の使用により形成された低減された粗さのある、より大きい比表面積を有する結果として、例えば軸方向対象面２１６の摩擦係数が増加し得る。部品２１０の軸方向対象面２１６が艶出し面３２２と接触するところで、軸方向対象面２１６に残留圧縮応力が付与され得る。摩擦および残留圧縮応力（適用可能な場合）での増加は、少なくとも部分的に、軸方向対象面２１０と艶出し面３２２との間の誘導ヘルツ接触から発生する。ヘルツ接触は一般に、２つの丸い表面間の応力誘起形態の機械的接触を指し、２つの丸い表面はそれらを一緒に押圧する機械的負荷の結果として変形を受ける。この程度まで、艶出しローラ３２２と軸方向対象面２１６との間が接触することで、各部品間のヘルツの接触の摩擦および／または変形の影響が増加し得る。

研磨ツール２２０および／または艶出しローラ３２０を用いた部品２１０の処理に加えて、本開示の実施形態は、部品２１０の表面処理のための追加のステップを含むことができる。例えば、本開示による方法は、さらなる方法ステップにおいて、軸方向対象面２１６を研磨および／または艶出しする前に、トリミングツール２２６で部品２１０の一部を除去することを含むことができる。トリミングツール２２６で実施される例示的なトリミング工程は、本明細書の他で論じられる。研磨機２２０および／または艶出しローラ３２０の前にトリミングツール２２６を使用することにより、単一の旋盤組立体２０２が、別個の機械加工組立体を使用することなく、部品２１０に多数の処理工程を実施することができる。研磨ツール２２０を用いて軸方向対象面２１６の摩擦係数を増加させおよび／または艶出しローラ３２０との摩擦および圧縮応力の両方を増加させた後、本開示による方法には、ターボ機械組立体（例えば、ターボ機械１００（図１））において、部品２１０を配置することも含まれてもよい。具体的には、部品２１０は、旋盤チャック２０４から取り外すことができ、次いで、本明細書記載の研磨および／または艶出しの後に軸方向対象面２１６にさらなる修正、例えば追加の処理を実行することなく、ターボ機械１００（図１）内に実装され得る。他の利点の中で、本開示による方法によって、部品２１０の湿式グリットブラストなどの他の技術の形態でのさらなる処理を必要とせずに、ツールアーム２０６を用いて旋盤組立体２０２を使用して部品２１０およびその一部を完全に処理する能力が提供される。

図５を参照すると、本開示の実施形態は、本明細書で提供される本開示による表面処理ツール２００および／または方法の使用に起因する物理的特性を有する部品２１０を含み得る。ターボ機械部品２１０は、例えば、ロータホイールまたはターボ機械１００（図１）などのターボ機械組立体の他の軸方向に取り付けられた部分の形態の本体４００を含むことができる。本体４００は、本体４００に結合された別個の部品であり得るか、または本体４００と一体の部品２１０の一部を表すことができるフランジ２１４に軸方向に結合され得る。また、本体４００の幾何学的プロファイルは、図５に示す実施形態よりもさらに複雑であり得ることが理解される。いずれにしても、開口２１８は、任意選択的に部品２１０の中心線軸、即ち第１の回転軸Ａ₁に沿って、フランジ２１４および本体４００を介して軸方向に延在することができる。フランジ２１４は、本体４００に対して軸方向対象面２１６を軸方向に隣接して配置され、軸方向対象面２１６を含むことができ、その結果、軸方向対象面２１６は、動作中に、軸方向対象面２１６に軸方向に隣接しておよび／または整列されて配置されたターボ機械システムの他の部品に軸方向に接触、係合し得る。軸方向対象面２１６の表面粗さは、本明細書の他で論じられた工程によって処理された後に低減され、さらに、軸方向対象面２１６は、処理前の比表面積よりも大きい軸方向比表面積を増加され得る。さらに、軸方向対象面２１６は、例えば、表面処理ツール２００の実施形態からおよび／または本開示による方法中に形成された１つまたは複数の窪み３３０を含むことができる。それにより、各窪み３３０は、影響を受けた領域の艶出しパターンの形態で形成することができる。窪み３３０は、フランジ２１４の軸方向対象面２１６全体に亘って実質的に均一に分布し得るが、本体４００の他の軸方向表面および／または部品２１０の残りの部分を含む他の表面には存在しない。本明細書の他で論じるように、軸方向対象面２１６は鋼、鋼合金、および／または他の金属物質で構成することができて、その結果、フランジ２１４は、ターボ機械１００（図１）などのターボ機械システムにおけるロータ１１４（図１）に軸方向に結合されたタービンホイールのサブ部品として用いられるように動作可能である。

窪み３３０の存在することで、軸方向対象面２１６の摩擦係数および／または残留圧縮応力の増加に加えて、部品２１０は、表面処理ツール２００の実施形態および／または本開示による方法で以前に処理されたことが示され得る。さらに、本開示の実施形態による部品２１０は、他の技術的および商業的利点も提供することができる。例えば、ターボ機械１００（図１）の一部として含まれる場合、部品２１０は、同じロータ１１４に取り付けられた軸方向に隣接する部品と同じ回転速度で回転することができる。適用可能である場合、軸方向対象面２１６の残留圧縮応力が存在すると、また部品２１０がターボ機械システムの他の部品と嵌合係合する能力が高まり得る。部品２１０の付与された残留圧縮応力により、また磨耗、機械的衝撃、および／または他の事象または物理的要因に対する部品２１０の抵抗も改善し得る。より一般的には、本開示の実施形態は、部品２１０の表面処理のための方法を提供し、例えば、ツールアーム２０６の実施形態およびそのサブ部品を有する単一の旋盤組立体２０２を用いて、実行時間を短縮すること、および複数の処理工程を実施する能力を提供し得る。

本明細書で使用される用語は、特定の実施形態のみを説明するためのものであり、本開示を限定するものではない。本明細書で使用されるように、単数形「ａ」、「ａｎ」、および「ｔｈｅ」は、別段文脈によって明白に示さない限り、複数形も含むことが意図される。本明細書で使用されるとき、用語「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ）」および／または「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」は、記載された特徴、整数、ステップ、動作、要素、および／または部品の存在を特定するが、１つまたは複数の他の特徴、整数、ステップ、動作、要素、部品、および／またはそれらのグループの存在または追加を排除しないことがさらに理解されよう。

この記述された説明は、例を用いて最良の形態を含む本発明を開示し、任意のデバイスまたはシステムを作成および使用し組み込まれた方法を実行することを含めて、当業者が本発明を実施することを可能にする。本発明の特許可能な範囲は、特許請求の範囲によって規定され、当業者が思いつく他の例を含むことができる。特許請求の範囲の文字通りの言葉と異ならない構造的要素を有する場合、またはそれらが特許請求の範囲の文字通りの言葉との実質的に異ならない差異を有する均等な構造的要素を含む場合、そのような他の例は、特許請求の範囲の範囲内にあるものとする。

１００ ターボ機械
１０２ 圧縮機部分
１０４ タービン部分
１０６ ロータ
１０８ 燃焼機組立体
１１０ 燃焼機
１１２ 圧縮機ロータホイール
１１４ 第１段圧縮機ロータホイール
１１６ 第１段圧縮機ロータブレード
１１８ エーロフォイル部分
１２０ タービンロータホイール
１２２ ロータホイール
１２４ タービンロータブレード
２００ 表面処理ツール
２０２ 旋盤組立体
２０４ 旋盤チャック
２０６ ツールアーム
２０８ 駆動機構
２１０ 部品
２１２ 軸方向面
２１４ フランジ
２１６ 軸方向対象面
２１８ 開口
２１９ 回転可能な継手
２２０ 研磨ツール
２２２ 研磨面
２２４ アクチュエータ
２２５、３２５ 内部駆動システム
２２６ トリミングツール
２２８ 要素
２３０ トラック
２３２ ベアリング
３２０ 艶出しローラ
３２２ 艶出し面
３３０ 窪み
４００ 本体

Claims (14)

1. 部品（２１０）を受けるように構成されたチャック（２０４）を有するチャック組立体であって、前記チャック（２０４）が第１の回転軸（Ａ１）周りで前記部品（２１０）を回転させ、前記部品（２１０）が前記第１の回転軸（Ａ１）に対し軸方向に配向された露出された軸方向対象面（２１６）を有する、前記チャック組立体（２０２）と、
   前記部品（２１０）の外周に近接して配置されるように前記チャック組立体（２０２）に機械的に結合され、前記第１の回転軸（Ａ１）にと実質的に平行に延在する軸方向に調整可能なツールアーム（２０６）と、
   前記ツールアーム（２０６）に調整可能に接続され、前記ツールアーム（２０６）から前記第１の回転軸（Ａ１）に向かって半径方向内側に延在する研磨機（２２０）であって、前記第１の回転軸（Ａ１）に実質的に垂直である第２の軸（Ａ２）に沿って延在する研磨面（２２２）を含み、その結果、前記第１の回転軸（Ａ１）を中心とした前記部品（２１０）の回転中に前記研磨面（２２２）が前記部品（２１０）の前記軸方向対象面（２１６）と接触する、研磨機（２２０）と、
   前記研磨機（２２０）に結合され、前記研磨機（２２０）を前記第２の軸（Ａ２）周りで回転させ、前記研磨機（２２０）を前記部品（２１０）の前記軸方向対象面（２１６）に押し付けて、前記部品（２１０）の前記軸方向対象面（２１６）を圧縮変形させ、前記部品（２１０）と前記研磨面（２２２）との間でヘルツ接触している間、より大きい比表面積および低減された表面粗さを有する押圧された軸方向対象面（２１６）を生じさせる、駆動システム（２０８）と、
   を備える表面処理ツール（２００）。
2. 部品（２１０）を受けるように構成されたチャック（２０４）を有するチャック組立体であって、前記チャック（２０４）が第１の回転軸（Ａ１）周りで前記部品（２１０）を回転させ、前記部品（２１０）が前記第１の回転軸（Ａ１）に対し軸方向に配向された露出された軸方向対象面（２１６）を有する、前記チャック組立体（２０２）と、
   ツールアーム（２０６）を介して前記チャック組立体（２０２）に結合された研磨機（２２０）であって、前記第１の回転軸（Ａ１）に実質的に非平行である第２の軸（Ａ２）に沿って延在する研磨面（２２２）を含み、その結果、前記研磨面（２２２）が前記部品（２１０）の前記軸方向対象面（２１６）に選択的に接触する、研磨機（２２０）と、
   前記研磨機（２２０）に結合され、前記研磨機（２２０）を前記第２の軸（Ａ２）周りで回転させ、前記研磨機（２２０）を前記部品（２１０）に押し付けて、前記部品（２１０）の前記軸方向対象面（２１６）を圧縮変形させ、前記部品（２１０）と前記研磨面（２２２）との間でヘルツ接触している間、より大きい比表面積および低減された表面粗さを有する押圧された軸方向対象面（２１６）を生じさせる、駆動システム（２０８）と、
   を備える表面処理ツール（２００）。
3. 前記部品（２１０）がホイールフランジ（２１４）を含み、前記軸方向対象面（２１６）が前記ホイールフランジ（２１４）に配置される、請求項１または２に記載の表面処理ツール（２００）。
4. 前記部品（２１０）と前記研磨面（２２２）との間でヘルツ接触している間、前記研磨機（２２０）は、前記部品（２１０）の前記軸方向対象面（２１６）の上で一方向に空回りせず、相対的に静止するか、または径方向に振動し、
   前記押圧された軸方向対象面（２１６）は増加した摩擦係数を示す、請求項１乃至３のいずれかに記載の表面処理ツール（２００）。
5. 前記研磨機（２２０）が、前記第２の軸（Ａ２）周りで円周方向に配置されたドラム研磨機（３２０）を含み、
   前記ドラム研磨機（３２０）が、前記研磨面（２２２）と異なる角度に配置され、前記研磨面（２２２）と共に回転し、前記軸方向対象面（２１６）に接触する艶出し面（３２２）を含む、請求項１乃至４のいずれかに記載の表面処理ツール（２００）。
6. 前記チャック組立体（２０２）に結合され、前記部品（２１０）の一部分を取り除くトリミングツール（２２６）をさらに備え、前記トリミングツール（２２６）が前記研磨機（２２０）から独立しており、
   前記トリミングツール（２２６）は、前記第２の軸（Ａ２）および第３の回転軸（Ａ３）の一方周りで円周方向に配置されたトリミング要素（２２８）を含み、前記第３の回転軸（Ａ３）は少なくとも前記第２の軸（Ａ２）と異なっている、請求項１乃至５のいずれかに記載の表面処理ツール（２００）。
7. 前記チャック組立体（２０２）の前記ツールアーム（２０６）は、前記研磨機（２２０）を前記部品（２１０）の前記軸方向対象面（２１６）に接触する位置と接触しない位置との間で移動させるためのトラック（２３０）をさらに含む、請求項１乃至６のいずれかに記載の表面処理ツール（２００）。
8. 部品（２１０）を処理するための方法であって、
   チャック（２０４）が部品（２１０）の対象面を第１の回転軸（Ａ１）周りで回転させるステップと、
   ツールアーム（２０６）により支持される研磨機（２２０）の研磨面（２２２）を前記第１の回転軸（Ａ１）と実質的に非平行である第２の軸（Ａ２）周りで回転させるステップと、
   前記対象面（２１６）の回転中および前記研磨面（２２２）の回転中に、前記部品（２１０）の前記対象面（２１６）を圧縮変形させ、より大きい比表面積および低減された表面粗さを有する押圧された対象面（２１６）を生じさせるように前記研磨機（２２０）の前記研磨面（２２２）を前記部品（２１０）の前記対象面（２１６）にヘルツ接触させるステップであって、前記押圧された対象面と隣接する部品（２１０）との間の摩擦係数が、前記対象面と前記隣接する部品（２１０）との間の初期摩擦係数よりも大きい、ステップとを含む
   方法。
9. 前記部品（２１０）がホイールフランジ（２１４）を含み、前記対象面（２１６）が前記ホイールフランジ（２１４）に配置される、請求項８に記載の方法。
10. 前記第１の回転軸（Ａ１）は、前記ホイールフランジ（２１４）の回転軸と実質的に平行であり、前記第２の軸は（Ａ２）前記第１の回転軸（Ａ１）に実質的に垂直である、請求項９記載の方法。
11. 前記接触させるステップに続いて、前記対象面（２１６）をさらに変更することなく、ターボ機械（１００）組立体内に前記部品（２１０）を配置するステップと、
    前記部品（２１０）の前記ホイールフランジ（２１４）を、前記ターボ機械（１００）組立体内で前記部品（２１０）に対して軸方向に隣接する前記隣接する部品（２１０）の別のフランジと接触させるステップと、
    前記ターボ機械（１００）組立体の運転中に、前記部品（２１０）と前記隣接する部品（２１０）とが同じ回転速度で回転するように、前記部品（２１０）と前記隣接する部品（２１０）との間でトルク伝達を行うステップと、
    を含み、
    前記対象面（２１６）と前記隣接する部品（２１０）との間の金属凝集が、前記部品（２１０）と前記隣接する部品との材料組成の類似性によって引き起こされる、請求項９または１０に記載の方法。
12. 前記部品（２１０）を受けるように構成されたチャック（２０４）を有するチャック組立体に前記部品（２１０）を配置するステップを含み、
    前記部品（２１０）の前記対象面を前記第１の回転軸（Ａ１）周りで回転させる前記ステップは、前記チャック（２０４）が前記第１の回転軸（Ａ１）周りで前記部品（２１０）を回転させるステップを含む、請求項８乃至１１のいずれかに記載の方法。
13. 前記部品（２１０）と前記研磨面（２２２）との間でヘルツ接触している間、前記研磨機（２２０）は、前記部品（２１０）の前記軸方向対象面（２１６）の上で一方向に空回りせず、相対的に静止するか、または径方向に振動し、
    前記研磨面（２２２）の比表面積が前記対象面（２１６）の初期比表面積よりも大きい、請求項８乃至１２のいずれかに記載の方法。
14. 前記対象面（２１６）を前記回転させるステップ中に、かつ前記対象面（２１６）を前記研磨機（２２０）に前記接触させるステップの前に、前記部品（２１０）を、前記部品（２１０）の一部分を取り除くトリミングツール（２２６）と接触させるステップをさらに含む、請求項８乃至１３のいずれかに記載の方法。

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