JPH11300535A - 平衡電磁ピ―ニング - Google Patents

平衡電磁ピ―ニング

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JPH11300535A
JPH11300535A JP10350845A JP35084598A JPH11300535A JP H11300535 A JPH11300535 A JP H11300535A JP 10350845 A JP10350845 A JP 10350845A JP 35084598 A JP35084598 A JP 35084598A JP H11300535 A JPH11300535 A JP H11300535A
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disk
peening
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Abstract

(57)【要約】 (修正有) 【課題】精密加工されている加工品をピーニングする場
合、そのピーニングを適切な公差内で実施して、部品を
使用不能にするような加工品の望ましくないゆがみをも
たらすことなく、適切な圧縮層を形成することが必要で
ある。 【解決手段】電磁ピーニング装置は、加工品の第1表面
12aと合致するように構成した第1フェース14aを
有する第1電磁コイル14と、加工品の第2表面12b
と合致するように構成した第2フェースを有する第2電
磁コイル16とを含む。キャリッジにより、第114お
よび第2コイル16を加工品と、第1フェースと第1表
面および第2フェースと第2表面にて、当接関係に位置
させる。電源はコイルに電力を供給して電磁力を発生さ
せ、これにより加工品をその第1および第2表面で塑性
変形させ、加工品に圧縮層を生成する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の背景】本発明は、一般に金属冷間加工に関し、
特に残留圧縮層を形成するための表面ピーニングに関す
る。たとえば、ガスタービンエンジン・ロータディスク
やロータブレードのような、作動中に大きな応力を受け
る部品では、製造時に部品の表面を処理して、部品中に
残留圧縮応力を生じさせるのが普通である。作動時に部
品が回転するとき、部品表面の残留圧縮応力により引張
表面応力がその分減少する。圧縮層はまた、表面および
表面下混在物によるクラックの成長を抑制する。したが
って、高サイクル疲労(HCF=high cycle fatigue)
寿命が大幅に向上する。
【0002】さらに、ロータディスクのようなタービン
部品は、通常、鍛造物からミル単位で測定される小さな
製造公差内に機械加工される。機械加工プロセスは部品
の表面に残留引張応力を与えるが、このような残留引張
応力は、表面を処理して部品中に圧縮層を形成すること
により緩和もしくは相殺することができる。表面処理
は、通常のショットピーニングにより行うのが普通であ
る。ショットピーニングでは、金属またはガラスショッ
トを適当な強さと重なりカバレージで部品表面に衝突さ
せて、部品表面を塑性変形させ、部品中に残留圧縮層を
生成する。部品に付与される圧縮応力の量は、衝撃ショ
ットの強さまたは運動量およびその反復速度または表面
カバレージによって決まる。
【0003】最近のデータでは、高強度または広いカバ
レージへのショットピーニングは、部品寿命を低下させ
る表面損傷をもたらすおそれがあることが、実証されて
いる。そのような寿命低下は、表面材料の過度なあるい
は過酷な冷間加工に基因すると考えられる。この問題の
解決策として、ピーニングプロセスの強度およびカバレ
ージを減少させる方法があるが、これは部品寿命の減少
につながるおそれがある。他の解決策として、通常のス
チールショットの代わりに特別に調整した大径のカット
ワイヤショットを用いる方法があるが、これは余分な加
工時間を必要とするため製造コストが増加する。
【0004】従来のショットピーニングでは、金属また
はガラスショットを表面材料に連続的に衝突させること
が必ず必要であるため、部品の機械的強度を劣化させず
に、圧縮層の有効作用を最大にするには、ピーニングプ
ロセスの多数の変数を正確に制御し、これにより得られ
る圧縮層を制御することが必須である。ピーニングを含
む種々の目的で金属部品を変形させるための種々の電磁
装置も従来から知られている。しかし、精密加工された
ガスタービンエンジン部品に有効なピーニングを行っ
て、電磁力から生成した適切な圧縮層を設ける電磁装置
は現在まで知られていない。そして、電磁力の使用は、
部品を使用不能にする程の製造公差を超えるような部品
の望ましくないゆがみを避けるため、注意深く制御しな
ければならない。表面処理は、ガスタービンエンジン部
品を製造する最終工程の1つであるので、それまでに投
入された比較的高い製造コストを考慮すると、表面処理
での部品損傷は慎重に回避すべきである。
【0005】したがって、望ましくないゆがみを生じる
ことなく、部品に圧縮表面層を正確に設けるための改良
電磁ピーニング装置の提供が望まれている。
【0006】
【発明の概要】この発明の電磁ピーニング装置は、加工
品の第1表面と合致するように構成した第1フェースを
有する第1電磁コイルと、加工品の第2表面と合致する
ように構成した第2フェースを有する第2電磁コイルと
を含む。キャリッジにより、第1および第2コイルを加
工品と、第1フェースと第1表面および第2フェースと
第2表面にて、当接関係に位置させる。電源はコイルに
電力を供給して電磁力を発生させ、これにより加工品を
その第1および第2表面で塑性変形させ、加工品に圧縮
層を生成する。
【0007】
【好適な実施の態様の記述】本発明を、その目的および
効果とともに、その好適で具体的な実施態様について、
添付の図面と関連した以下の詳細な説明により、詳しく
説明する。図1に、たとえばガスタービンエンジン・ロ
ータディスクの形態の精密機械加工した部品、すなわち
加工品12を電磁ピーニングする装置10を線図的に示
す。ディスク12は最初に、鍛造金属を数ミルの適当な
小さな製造公差内で望ましい形状に機械加工するなど、
任意の通常の方法で作製する。上述したように、作動中
の有効寿命を改善するために、ディスク12に圧縮表面
層を付与することが望ましい。従来、圧縮表面層の付与
は、スチールまたはガラスショットピーニングを用い、
表面材料の過度の冷間加工およびその劣化を避けるた
め、ピーニングショットの強さおよびカバレージを制御
する態様をとることにより達成している。
【0008】本発明によれば、電磁力を用いてディスク
12に圧縮表面層を形成することができ、この電磁力を
正確に制御して、極めて速いマイクロ秒単位のプロセス
で圧縮層の形成を正確に制御することができる。具体的
には、図1に例示したピーニング装置10は、(第1表
面12aを規定する)ディスク12の対応する側面また
は表面と合致する、すなわちマッチングするように形成
された(第1フェース14aを規定する)側面または表
面を有する第1電磁コイル14を含む。同様に、第2電
磁コイル16は、(第2表面12bを規定する)ディス
ク12の対応する反対側の側面と合致する、すなわちマ
ッチングするように形成された(第2フェース16aを
規定する)側面または表面を有する。
【0009】本発明によれば、コイル14、16はそれ
ぞれ、例示したディスク12のような加工品の互いに対
向する側の側面の必要な表面輪郭に適合する適切な形状
であれば、どんな形状にしてもよい。図1に示すよう
に、例示のディスク12は、半径方向内側ハブ12c、
半径方向外側リム12dおよび両者間に延在する軸方向
肉薄ウェブ12eを一体一工作部品として含む。ディス
ク12の軸線方向対向側面は、ハブ12cの中心穴から
リム12dの外縁まで半径方向に延在し、第1および第
2表面12a、12bを規定する。本発明ではこれらの
表面に電磁ピーニングにより圧縮表面層を付与すること
が望まれている。ディスク12の側面12a、12b
は、典型的には軸線方向厚さがハブからリムまで変化す
る通常の輪郭のものでよい。したがって、対応する第1
および第2コイル14、16はそれぞれ、ディスクのピ
ーニングのために、ディスクの第1および第2表面12
a、12bと輪郭が鏡面関係で合致するように構成され
ている。
【0010】コイル14、16は、ディスク12の両側
に、電磁ピーニングを行うのに好都合などのような態様
で取り付けてもよい。図1に例示した具体的な実施例に
おいて、コイル14、16をディスク12と、第1フェ
ース14aとディスク表面12aおよび第2フェース1
6aとディスク表面12bにて当接関係に位置させる手
段が、キャリッジ18の形態で設けられている。たとえ
ば、キャリッジ18は、突出するスピンドル18bを有
する固定フレームまたはベース18aを含み、このスピ
ンドル18bで第1コイル14およびディスク12(そ
の穴を介して)両方を支持する。スピンドル18bは適
当な電気絶縁材料で形成すればよい。
【0011】キャリッジ18はまた、第2コイル16が
取り付けられた適当なトラック18cを含み、これによ
り第2コイル16を第1コイル14と相対する位置に移
動し、ディスク12を両コイル間に同時締付けアセンブ
リとして挟みこむ。したがって、キャリッジ18は、第
1および第2コイルをディスク12の互いに対向する側
に位置させ、ディスク12を両コイル間に捕捉し、ピー
ニング処理時のディスクの移動を防止する。
【0012】ピーニング装置10はまた、第1および第
2コイル14、16に電力を供給するための手段として
電源20を含み、これによりコイルに電磁力を発生させ
て、ディスク12をその第1および第2表面12a、1
2bで塑性変形し、ディスク内に残留圧縮層を形成す
る。この残留圧縮層は、従来のショットピーニングと同
様、ディスク12中へわずかな部分のみ延在するのが好
ましく、数ミル以内でよい。
【0013】電源20は、1つ以上のキャパシタ20b
を充電するための1つ以上のバッテリ20aのようなD
C電圧源を含む、適当な形態とすることができる。キャ
パシタを十分なエネルギーレベルに充電するために、第
1スイッチ20cをバッテリおよびキャパシタと適当な
回路に接続する。キャパシタ20bは、コイルとキャパ
シタの間に電気回路を形成する1対の電気リード20
d、20eで第1および第2コイル14、16と反対極
性に接続するのが好ましい。コイルに電力を供給して電
磁ピーニング処理を行いたいときに、キャパシタを放電
させるために、第2スイッチ20fを上記回路に作動接
続する。
【0014】各コイル14、16は、それ専用の電源で
別個に独立に電力を供給してもよいが、図1に例示した
好適な実施態様においては、電源20を第1および第2
コイル両方に作動接続して、電磁力をほぼ同時に発生さ
せる。したがって、コイル14、16は、ディスク12
の両側に同時に電磁力を働かせるため、反対極性に構成
されている。これは、ピーニング処理時に、ディスク1
2が動いたりゆがんだりする望ましくない可能性を低減
する。
【0015】1回のピーニング操作でのディスク12の
被ピーニング表面積を最大にするのが望ましいので、第
1および第2コイル14、16をそれぞれディスク12
の第1および第2表面12a、12bと相補形状とし、
ディスクに2つの圧縮表面層を同時に形成するのが好ま
しい。したがって、第1および第2コイル14、16
は、対応するディスク表面12a、12bの実質的な鏡
像であるフェース14a、16aを設け、そして図2に
明示したような同様のディスク形状とする。
【0016】第1および第2コイルはほぼ同一の形状で
あるのが好ましく、それぞれ単一の電気導体22をほぼ
同一平面内スパイラル状に巻回した構成で、その複数個
の部分が横方向(または半径方向)に隣接して集合的に
第1または第2フェース14a、16aを画定する。導
体22は、たとえば銅から形成すればよく、得られたス
パイラル中の隣接するか重なる部分間での短絡を防ぐた
め、適当な電気絶縁物で個別に被覆するのがよい。
【0017】各導体22の反対端はそれぞれ、導体に電
流を通すため、電源リード20d、20eに接続され
る。2つのコイル14、16は、同一の巻きとし、電気
リード20d、20eと反対極性で接続することができ
る。あるいは、各コイルに発生した電磁力が軸線方向に
てそれぞれディスク表面12a、12b内へ互いに逆方
向に向かうように、2つのコイル14、16を逆巻きと
し、同一極性でリード20d、20eと接続してもよ
い。
【0018】さらに、電源20はコイル14、16と組
み合わせて、コイル14、16の両方から(ピーニング
処理時にコイル間のディスク12を圧縮する)実質的に
等しくかつ逆向きの電磁力を発生させるように、構成さ
れている。ピーニング処理中適切な位置にロックされた
キャリッジベース18aおよびトラック18cによっ
て、反力を支えるのが適当である。
【0019】図3は、ピーニング処理時のディスク12
および当接するコイル14、16の半径方向外側部分の
拡大断面図である。発生した電磁力は第1コイル14に
ついてはF1で、第2コイル16についてはF2で示さ
れ、図示の都合上単一の矢印しか示していないが、電磁
力はコイルフェース14a、16a全体にわたって発生
する。
【0020】具体的な加工品はディスク12の形態であ
るので、第1および第2コイルの導体22を半径方向に
スパイラルに巻いて、それぞれディスク表面12a、1
2bと相補形状をなす実質的に同一平面内のディスクコ
イルを形成するのが好ましい。また、各コイル14、1
6には、電気絶縁性フェースシート24を第1および第
2フェース14a、16aそれぞれの上に適切に取り付
けるか接着するのが好ましく、これらのフェースシート
は第1および第2フェース14a、16aの輪郭と調和
するとともに、ディスクの第1および第2表面12a、
12bの輪郭と調和する。
【0021】フェースシート24は、ピーニング処理時
にフェースシート24がディスク12の両側に当接する
とき、電気導体22とディスク表面12a、12b間に
所定の間隔Aを維持するため同一の厚さAとするのが好
ましい。フェースシート24は、ディスク中にその両側
から加えられる電磁力を最大にするため所定の間隔を維
持し、また長期使用後に所望に応じて取りかえることの
できる摩耗表面を与える。フェースシート24はまた、
ピーニング処理時に磁束が通過する導電性ディスク12
の上に電気絶縁を維持する。各コイル14、16にはま
た、電気絶縁材料から形成した適当なバックシートまた
は裏当て24bを設けて、個々のコイルを支持する剛性
バックサポートを形成するのがよい。
【0022】操作時には、ディスク12をキャリッジ1
8に取り付け、第1および第2コイル14、16の間に
挟み、第1および第2コイル14、16をディスク12
と当接させ、トラック18cを所定位置にロックする。
図3に示すように、コイル14、16を電源20により
適切に付勢し、ディスク第1表面12aに第1電磁力F
1を発生させるとともに、第1電磁力と実質的に同時に
ディスク12の反対側の第2表面12bに第2電磁力F
2を発生させて、ディスク12をその第1および第2表
面12a、bで塑性変形し、ディスクに局部的な塑性変
形した圧縮層26を形成する。コイル14、16に流れ
た電気エネルギーは、コイル14、16と共に電磁回路
を完成するディスク12内に誘導された発生電磁界によ
り力学的エネルギーに変換される。
【0023】コイルフェースがディスク12の両側面の
輪郭に調和しているので、圧縮層26は、1回の操作
で、ハブ12cの穴からリム12dの外周まで、ディス
ク12の両側全面にわたって同時に形成される。電磁力
は好ましくは、ディスク12の両側で同時に、実質的に
等しい大きさにかつ反対向きに発生させるので、正味の
力はディスク上で均衡し、ディスク12の移動は差し引
きゼロとなり、そしてその結果ディスク12がゆがむ可
能性も回避される。
【0024】電磁界は、たとえば約10〜100マイク
ロ秒の範囲の比較的短い持続時間の電磁パルスとして発
生するのが好ましい。特定の用途に必要とされる磁気圧
力量は加工品材料自身の強度の関数である。磁気圧力の
大きさは、磁界強度の2乗に比例し、一方磁界強度は、
キャパシタ20bを充電した電圧と、コイルおよび加工
品間の有効なギャップ容積とに依存する。
【0025】電磁ピーニング中、パルスの大きさおよび
持続時間の両方を電源20の適当なコントローラで精密
に制御でき、これにより優れた繰り返し性と精密加工部
品での精密な公差の維持を実現する。ディスク12のよ
うな加工品は最初から精密加工されているので、そのピ
ーニングを適切な公差内で実施して、部品を使用不能に
するような加工品の望ましくないゆがみをもたらすこと
なく、適切な圧縮層26を形成することが必要である。
【0026】ピーニングは従来のショットピーニングで
起こるような機械的衝撃の代わりに電磁力によって起こ
るため、高強度ピーニング力での表面層の損傷は無く、
また部品ゆがみの原因となる表面材料の方向性成長も無
い。ピーニング装置は、破砕工学的観点から加工品のピ
ーニング効率をさらに改善するため、従来のピーニング
よりいちじるしく大きい残留圧縮応力をより深い距離ま
でディスク表面に付与するように操作することができ
る。マイクロ秒単位のピーニングプロセスは、従来のシ
ョットピーニングプロセスと比べて大幅な時間短縮を実
現し、これにより製造コストが減少する。
【0027】図3に示す導体22にはかなり大きな電流
が流れ、それに伴って発熱があるので、個々の導体22
は中心チャンネル22aを有する適当な管形状とするの
がよく、このチャンネル22に図1の線図的に示した冷
却材供給源28から水などの適切な冷却材を流す。個々
の導体22の断面は、円形から、図3の具体的な実施態
様で例示したようなほぼ長方形までどのような形状でも
よい。冷却材供給源28は、第1および第2コイル1
4、16の別々の導体22に冷却材を流すためこれら導
体22と流通関係に配置された、適当な冷却材貯蔵容
器、ポンプおよび配管を含む。また、コイル14、16
から一旦抽出された冷却材から熱を除去するために、適
当な熱交換器を設ける。
【0028】上述したように、コイル14、16は、図
1〜3に例示したディスク12のような個々の加工品の
特定輪郭に合致するように適切に構成することができ
る。図4および図5に示す別の実施態様では、加工品は
ガスタービンエンジン・ロータブレード30の形態をと
っている。ブレード30のエアーホイル30aには、ブ
レードの設計用途に応じて、空気または燃焼ガスが流れ
る。ブレード30は一体のダブテイル30bを含み、こ
れはロータディスクのリムに形成した対応するダブテイ
ル溝にブレード30を装着するのに適当な形状となって
いる。エアーホイル30aの前縁30cおよび後縁30
dは、ブレードの根元30eから先端30fまで半径方
向、すなわち翼幅方向に延在する。そして、エアーホイ
ル30aは、ほぼ凸面の吸引側30gとほぼ凹面の加圧
側30hとを有する。
【0029】本実施例のピーニング装置では、14Bお
よび16Bで示されるコイルは、図5に示したように、
エアーホイル30aに、その前縁30cをはさんで両側
面30g、30hから当接するように構成されている。
図4に破線で示した導体22は、2つの隣接するコイル
半部において、エアーホイル30aの前縁30cあるい
は後縁30dの部分に沿って翼幅方向に蛇行するのが好
ましい。
【0030】本実施例の第1および第2コイル14B、
16Bは、図3に示した第1および第2コイル14、1
6と同様の構成で、電気導体22、フェースシート24
および裏当て24bも同様である。作動時には、コイル
半部14B、16Bそれぞれが発生する電磁力により、
エアーホイル前縁30cに残留圧縮層26がそれぞれ形
成される。エアーホイル前縁が比較的薄いため、エアー
ホイルの両側の圧縮層26は前縁30cの内側で合一
し、前縁の周りに連続した圧縮層を形成する。
【0031】ピーニング装置10のコイルは、対応対ご
とに、ロータディスク12またはロータブレード30の
ような特定の加工品の両側面と合致するように、適切に
構成されている。コイルは、ほぼ等しい反対向きの磁力
を、好ましくは同時に発生するように構成するのが好ま
しく、こうして、加工品の両側に圧縮層26を同時に形
成し、加工品にかかる正味の力がほぼゼロとなるように
して、ピーニング処理中の加工品のずれやゆがみを防止
する。コイルの合算した力は極めて大きくすることがで
き、コイルはこれらの力をつり合わせるような形状と
し、すでに適切な小さな公差に加工されている出発加工
品の望ましくないゆがみを防止する。ピーニング処理は
最終製造プロセスの一つであり、この段階での加工品へ
の損傷を防止するのが肝要である。
【0032】以上、本発明の好適で、具体的な実施例と
考えられるものを説明したが、本発明の他の変更例も上
記教示内容から当業者には明らかである。したがって、
このような変更例もすべて本発明の要旨の範囲内に包含
されるものと考えるべきである。本特許により保護を受
けたい発明は、特許請求の範囲に明瞭に記載した通りで
ある。
【図面の簡単な説明】
【図1】ガスタービンエンジン・ロータディスクをピー
ニング処理するように構成された、この発明の1実施例
による電磁ピーニング装置の概略線図である。
【図2】図1の2−2線方向に見たロータディスクおよ
びピーニング装置の一部の立面図である。
【図3】図1の鎖線円3内に示したディスクおよび装置
の隣接する第1および第2電磁コイルの半径方向外側部
分の縦断面図である。
【図4】ガスタービンエンジン・ロータブレードの前縁
をピーニング処理するように構成された、第1および第
2コイルを有するこの発明の第2の実施例による電磁ピ
ーニング装置の概略線図である。
【図5】ピーニング処理を行うために第1および第2コ
イルが当接した、図4に示したブレードエアーホイルの
前縁の半径方向断面図である。

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 機械加工部品の第1表面と合致するよう
    に構成された第1フェースを有する第1電磁コイルと、 前記部品の第2表面と合致するように構成された第2フ
    ェースを有する第2電磁コイルと、 前記第1および第2コイルを前記部品と、前記第1フェ
    ースと第1表面および第2フェースと第2表面にて、当
    接状態に配置するためのキャリッジと、 前記第1および第2コイルに電力を供給して、コイルに
    電磁力を発生させ、前記部品をその第1および第2表面
    で塑性変形させ、こうして部品中に圧縮層を生成させる
    ための電源とを備える、機械加工部品に圧縮層を電磁ピ
    ーニングする装置。
  2. 【請求項2】 前記キャリッジが、前記部品の互いに対
    向する側に前記第1および第2コイルを配置して、両コ
    イル間に前記部品を捕捉するように構成された、請求項
    1に記載の装置。
  3. 【請求項3】 前記電源が、電磁力をほぼ同時に発生さ
    せるように、前記第1および第2コイル両方と作動連結
    された、請求項2に記載の装置。
  4. 【請求項4】 前記第1および第2コイルがそれぞれ前
    記部品の第1および第2表面と相補関係にあり、 前記電源が、前記第1および第2コイル両方から実質的
    に同等かつ逆向きの電磁力を生成するように構成され
    た、請求項3に記載の装置。
  5. 【請求項5】 前記第1および第2コイルそれぞれが、
    電気導体を、複数個の部分が横方向に隣接して集合的に
    前記第1または第2フェースを画定するように巻回した
    構成である、請求項4に記載の装置。
  6. 【請求項6】 前記第1および第2コイルそれぞれがさ
    らに、前記第1および第2フェースの上に設けた電気絶
    縁性フェースシートを有し、このフェースシートが前記
    部品の第1および第2表面に当接して同表面から所定の
    間隔を維持する、請求項5に記載の装置。
  7. 【請求項7】 前記部品が、半径方向内側ハブ、半径方
    向外側リム、両者間に延在する薄肉ウェブ、および前記
    ハブからリムまで半径方向に延在する軸線方向に対向す
    る側面を有するガスタービンエンジン・ロータディスク
    であり、前記側面が前記第1および第2表面を画定し、 前記第1および第2コイルの導体が螺旋状に巻回され
    て、前記ロータディスクの第1および第2表面と相補形
    状をなすディスクコイルを形成する、請求項6に記載の
    装置。
  8. 【請求項8】 前記部品が、根部と先端の間に翼幅方向
    に延在する前縁および後縁を有するエアーホイルを有す
    るガスタービンエンジン・ロータブレードであり、 前記第1および第2コイルの導体が、2つの隣接するコ
    イル半部にて前記エアーホイルの前記前縁または後縁の
    部分に沿って翼幅方向に蛇行するように構成された、請
    求項6に記載の装置。
  9. 【請求項9】 機械加工部品の片側表面上に第1電磁力
    を発生する工程と、 第1電磁力とほぼ同時に、前記部品の反対側の表面上に
    第2電磁力を発生して、前記部品をその第1および第2
    表面で塑性変形させ、こうして部品中に圧縮層を生成す
    る工程とを含む機械加工部品に圧縮層を電磁ピーニング
    する方法。
  10. 【請求項10】 前記部品に前記第1および第2電磁力
    を、部品に加わる正味の力がほぼつり合うように加え
    る、請求項9に記載の方法。
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