KR20140108252A - 코팅 작업에서 사용하기 위한 툴링 고정구 조립체 - Google Patents

Abstract

코팅 작업에서 이용하기 위한 모듈형의 로티서리 타입의 툴링 고정구 조립체 및 그러한 툴링 고정구 조립체의 이용 방법이 개시된다. 툴링 고정구 조립체는 아버 또는 샤프트 및 유지 베이스의 중심으로부터 미리 규정된 방사상 배향으로 배치된 복수의 앵커 부재를 갖는 유지 베이스를 포함하고, 상기 앵커 부재는 코팅하고자 하는 복수의 공작물을 유지하도록 특유하게 구성되거나 개조된다. 툴링 고정구 조립체는 마스킹 관계로 복수의 공작물의 부분을 커버하도록 구성된 복수의 중실형 벽 또는 표면을 갖는 일체형 마스킹 캡을 채용하는 특유의 공작물 마스킹 배열을 더 포함한다.

Description

코팅 작업에서 사용하기 위한 툴링 고정구 조립체{TOOLING FIXTURE ASSEMBLY FOR USE IN A COATING OPERATION}

본원 발명은 물리 기상 증착 코팅 작업에서 이용하기 위한 툴링 고정구 조립체에 관한 것이고, 보다 특히 열 배리어 또는 환경(environmental) 배리어 코팅으로 가스 터빈 고압 터빈 블레이드 및 베인(vane)과 같은 복수의 공작물을 동시적으로 코팅하기 위한 툴링 고정구 조립체 및 방법에 관한 것이다.

물리 기상 증착은 전자 비임 증발에 의해서 터빈 에어호일(airfoil) 상에 세라믹 열 배리어 코팅을 도포하기 위해서 광범위하게 이용되고 있다. 균일한 코팅을 다양한 에어호일 크기 및 형상에 도포하기 위해서 코팅 프로세스 및 연관된 고정을 설계하기 위한 광범위한 작업이 이루어지고 있다. 물리 기상 증착은 시선(line of sight) 코팅 프로세스이다. 균일한 커버리지를 달성하기 위해서, 코팅하고자 하는 기판이 증기 내에서 조작될 필요가 있다. 코팅을 필요로 하지 않는 기판의 섹션이 적절하게 마스킹 처리될 필요가 있다.

미국 특허 제 5,997,947 호는 전자적 비임 물리 기상 증착(EBPVD) 코팅 프로세스에서 이용하기 위한 모듈형의 로티서리(rotisserie) 타입의 코팅 고정구를 개시한다. EBPVD 코팅 프로세스에서 이용되는 툴링 고정구는 일반적으로 지지 구조물 및 상기 지지 구조물을 커플링시키고 제 1 축 주위로 구조물이 회전될 수 있게 하는 수단을 포함한다. 툴링 고정구는 코팅하고자 하는 하나 이상의 공작물을 제 위치에서 홀딩(hold)하기 위한 지지 구조물 내의 카셋트 수단을 더 포함한다. 카셋트 수단은, 상기 카셋트 수단이 제 1 축에 실질적으로 평행한 제 2 축 주위로 회전될 수 있게 허용하고 그에 의해서 코팅되는 각각의 공작물이 그 길이방향 축 주위로 회전될 수 있게 허용하는 스핀들에 의해서 지지 구조물에 결합된다. 코팅하고자 하는 에어호일의 표면이 코팅 공급원에 대해서 실질적으로 평행하게 유지되도록, 카셋트 수단이 각각의 공작물을 지지한다. 그러나, 각각의 카셋트 내에 공작물을 로딩하는 것(loading)이 시간 소모적일 수 있다. 또한, 카셋트의 케이지-유사 구조는 복잡한 구성을 수반한다.

미국 특허 제 7,837,843 호는 물리 기상 증착 코팅 작업에서 이용하기 위한 로티서리 타입의 툴링 고정구 조립체를 개시하고 있으며, 상기 툴링 고정구 조립체는 원형 베이스 부재, 상기 원형 베이스 부재에 대향하는 원형 상단부 부재, 및 상기 상단부 부재를 상기 베이스 부재에 결합시키는 복수의 구조 부재를 포함하는 원통형 타입의 지지 구조물을 포함한다. 공작물은 원통-유사 구조물을 형성하는 상기 지지 구조물의 외측 둘레 주위로 엇갈린(staggered) 수직 방향으로 정렬된 복수의 패널 부재 내에 정렬된다. 이러한 툴링 고정구가 코팅하고자 하는 공작물의 처리량(throughput)을 개선하도록 공작물을 배향시키지만, 공작물 마스킹과 관련한 문제 및 문제점에 대한 해결책은 제시하고 있지 않다.

대부분의 종래 기술의 툴링 고정구 모두가 복수의 공작물 또는 에어호일을 최적의 각도로 홀딩하지만, 개선된 공작물의 로딩을 허용하고 그리고 고품질 코팅의 생산을 촉진하고 발전시키는 마스킹 작업을 허용하는 물리 기상 증착 코팅 작업에서 이용하기 위한 코팅 고정구가 당업계에서 지속적으로 요구되고 있다. 그에 따라, 공작물 로딩 및 마스킹 작업을 개선하는 코팅 작업을 위한 개선된 툴링 및 고정구가 요구된다. 또한, 그러한 개선된 코팅 고정구 및 툴링은 재사용이 가능하여야 하고 제조 비용이 비교적 저렴하여야 한다.

본원 발명은 코팅 작업에서 이용하기 위한 모듈형의 로티서리 타입의 툴링 고정구 조립체에 관한 것으로서, 상기 툴링 고정구 조립체는: 샤프트가 통과하여 연장하는 중앙 개구, 및 상기 중앙 개구로부터 미리 규정된 방사상 배향으로 배치되는 복수의 앵커(anchor) 부재를 형성하는 유지(retaining) 베이스로서, 상기 앵커 부재는 코팅하고자 하는 복수의 공작물을 로딩 및 유지하도록 구성되거나 개조되는(adapted), 유지 베이스; 및 마스킹 캡 구조물을 상기 유지 베이스와 정렬 및 결합시키기 위해서 아버(arbor) 또는 샤프트가 선택적으로 통과 안내되는 중앙 개구를 갖는 일체형(unitary) 마스킹 캡 구조물로서, 상기 마스킹 캡 구조물이 마스킹 관계로 상기 복수의 공작물의 부분을 커버하도록 구성된 상단부 부분 및 하단부 부분을 갖는, 마스킹 캡 구조물을 포함한다.

본원 발명은 또한 복수의 공작물을 코팅하기 위한 방법에 관한 것으로서, 상기 방법은: 유지 베이스 상의 중앙 개구로부터 미리 규정된 방사상 배향으로 배치된 앵커 부재 내로 복수의 공작물을 로딩하는 단계로서, 상기 앵커 부재가 코팅하고자 하는 복수의 공작물을 유지하도록 구성되는, 로딩 단계; 상기 유지 베이스를 아버 또는 샤프트 상에 배치하는 단계; 상기 아버 또는 샤프트가 선택적으로 통과 안내되는 중앙 개구를 갖는 일체형 마스킹 캡을, 상기 유지 베이스와 결합 및 정렬되어 배치되도록 배치하는 단계로서, 상기 마스킹 캡은, 상기 복수의 공작물 상에서 노출된 표면들을 남기면서 마스킹된 관계로 상기 복수의 공작물의 부분을 커버하도록 구성된 복수의 중실형(solid) 벽 또는 표면을 갖는, 마스킹 캡을 배치하는 단계; 툴링 고정구 조립체를 형성하기 위해서 상기 유지 베이스 및 상기 일체형 마스킹 캡을 함께 록킹하는 단계; 코팅 장치 내에서 복수의 공작물의 노출된 표면을 코팅하도록 구성된 코팅 장치 내로, 내부에 공작물이 배치된 상기 툴링 고정구 조립체를 장착하는 단계; 및 상기 복수의 공작물의 임의의 노출된 표면 상에 희망하는 코팅이 형성될 때까지 상기 아버 또는 샤프트를 통해서 상기 코팅 장치 내에서 상기 툴링 고정구 조립체를 회전시키는 단계를 포함한다.

본원 발명의 전술한 그리고 다른 양태, 특징, 및 장점이, 이하의 도면과 함께 제시된, 이하의 보다 구체적인 설명으로부터 보다 자명해질 것이다.
도 1은 코팅하고자 하는 복수의 공작물을 보여주는 툴링 고정구 조립체의 실시예의 사시도이다.
도 2는 본원 발명의 툴링 고정구 조립체의 분해도이다.
도 3은 코팅하고자 하는 공작물의 배열을 포함하는 도 2의 툴링 고정구 조립체의 분해도이다.
도 4는 유지 베이스, 유지 베이스에 고정된 공작물 및 상기 유지 베이스의 중앙 개구를 통해서 연장하는 샤프트를 보여주는 툴링 고정구 조립체의 실시예의 사시도이다.
도 5는 샤프트의 상단부를 일체형 마스킹 캡 구조물에 결합시키는 것을 포함하는, 본원 발명에 따른 툴링 고정구 조립체의 사시도이다.
도 6은 샤프트를 따라서 그리고 유지 베이스 상으로 캡을 안내하기 위해서 캡의 중앙 축을 따라서 연장하는 결합 부재를 갖는 일체형 마스킹 캡을 보여주는 툴링 고정구 조립체의 실시예의 사시도이다.
도 7은 본원 발명의 다른 실시예에 따른 툴링 고정구 조립체의 분해도이다.
도 8은 코팅하고자 하는 공작물의 배열을 포함하는, 도 7의 툴링 고정구 조립체의 사시도이다.
도 9는 록킹 배열을 보여주는, 도 7의 툴링 고정구 조립체의 다른 사시도이다.

도 1은 본원 발명의 원리에 따른 툴링 고정구(10)를 도시한다. 상기 툴링 고정구는 유지 베이스(20), 일체형 마스킹 캡 구조물(40) 및 상기 고정구(10)의 중앙 축을 따라서 연장하는 아버 또는 샤프트(50)를 포함한다. 공작물(25)이 유지 베이스(20) 상으로 로딩되어 도시되어 있다. 코팅하고자 하는 공작물(25)은, 가스 터빈 고압 터빈 블레이드 및 베인을 포함하는, 코팅을 필요로 하는 임의 타입의 공작물일 수 있다. 바람직한 실시예에서, 공작물(25)이 에어호일 블레이드이다. "공작물", "파트" 및 "에어호일 블레이드"라는 용어는, 본원 발명의 여러 가지 실시예를 설명하기 위한 목적을 위해서 여기에서 상호 교환가능하게 이용될 것이다.

마스킹 캡 구조물(40)이 유지 베이스(20) 상으로 하강되어 툴링 고정구(10)의 로딩된 구성을 생성한다. 마스킹 캡 구조물(40)은, 코팅이 공작물(25)의 노출된 표면 상으로만 도포되도록 보장하기 위해서, 공작물(25)의 표면을 선택적으로 은폐하도록 디자인된다. 그에 따라, 마스킹 캡 구조물(40)은 코팅하고자 하지 않는 공작물(25)의 모든 부분을 마스킹한다. 이러한 방식에서, 마스킹 캡 구조물(40)은, 희망하는 치수의 공차(tolerance)를 갖는 코팅된 공작물(25)을 생산하기 위한 최소의 교정 분무(overspray)로 공작물(25)의 정밀한 마스킹을 제공할 수 있다.

마스킹 캡(40)은, 복수의 공작물(25) 및 유지 베이스(20) 위에서 슬라이딩하도록 디자인된 일체형 구조물이다. 도 1에 도시된 마스킹 캡 구조물(40)은 상단부 부분(41) 및 하단부 부분(42)을 포함한다. 상단부 부분(41)은, 공작물(25)의 각각의 볼록한 후방 측부(backside)의 곡률과 일치하는 윤곽화된 표면을 갖는 복수의 중실형 벽을 포함한다. 윤곽화된 표면은 공작물(25)의 후방 측부에 대해서 인접하여, 코팅하고자 하지 않는 후방 측부를 코팅 작업 중에 적절하게 마스킹한다. 하단부 부분(42)은, 코팅하고자 하는 공작물(25)의 부분을 노출시키는 상응하는 개구부를 포함하는 하우징 구조물이다. 도 1의 실시예는, 하단부 부분(42)이 공작물(25)의 기저(root) 영역 및 플랫폼을 마스킹하기 위한 크기를 갖는 것을 보여준다.

도 1은, 일체형 마스크 구조물(40)의 상단부 부분(41)의 중실형 벽 또는 표면이, 코팅하고자 하는 에어호일 블레이드(25)의 부분 또는 오목한 표면을 노출시키면서, 예를 들어, 에어호일 블레이드의 볼록한 후방 측부 및 플랫폼의 부분뿐만 아니라 후행(trailing) 엣지를 포함하여, 코팅하고자 하지 않는 에어호일 블레이드(25)의 표면의 대부분의 형상과 일치되고 대체적으로 인접하도록 구성된다는 것을 보여준다.

도 2는 구성요소의 조립 및 공작물(25)의 로딩 이전의 툴링 고정구(10)의 분해도를 도시한다. 유지 베이스(20)는 중앙 개구(23)를 가지고 플랫폼(22)의 평면에 직교하는 중앙 축(24)을 형성하는 플랫폼(22)을 포함한다. 플랫폼(22)이 캡 마스크 구조물(40)과 같은 형상을 갖는 것으로 도시되어 있고, 그에 의해서 구조물(40) 및 플랫폼(22)은, 도 1에 도시된 바와 같이, 조립될 때, 서로 고정적으로 결합된다.

유지 베이스(20)는 또한 플랫폼(22)의 표면으로부터 상승하고 중앙 축(24)으로부터 미리 규정된 방사상 배향으로 배치된 복수의 앵커 부재(26) 또는 척 구조물을 포함한다. 앵커 부재(26) 또는 척 구조물의 각각이 코팅하고자 하는 공작물(25)을 홀딩하도록 구성되거나 개조된다. 도 2는, 앵커 부재(26)의 각각이 한 쌍의 레일-유사 구조물을 포함한다는 것을 보여주고, 상기 레일-유사 구조물 내로 공작물(25)의 도브테일(dovetail) 부분이 슬라이딩식으로 로딩될 수 있다. 구체적으로, 레일-유사 구조물은, 도 3에서 보다 명확하게 확인할 수 있는 바와 같이, 공작물(25)의 도브테일 섹션(28)을 따라서 포함되는 홈과 결합하는 돌출부를 포함한다. 도 3에 도시된 화살표는, 공작물(25)의 도브테일 섹션(28)이 앵커 부재(26)의 레일-유사 구조물 내로 슬라이딩식으로 로딩되기 위한 것임을 나타낸다. 공작물(25)이 앵커 부재(26) 내로 가압되거나 푸싱됨에 따라, 레일-유사 구조물의 쌍이 도브테일 섹션(28)의 각각의 측부(side)와 결합한다. 각각의 앵커 부재(26)의 후방 측부에 위치된 위치결정(positioning) 정지 특징부(76)에 대해서 인접할 때까지, 공작물(25)이 앵커 부재(26) 내에서 계속적으로 슬라이딩식으로 로딩된다. 각각의 앵커 부재(26)의 후방 측부 상에 위치된 위치결정 정지 특징부(76)(도 3)는, 공작물(25)의 도브테일 섹션(28)이 레일-유사 구조물 내에서 얼마나 멀리 슬라이딩식으로 로딩될 수 있는지에 대해서 제한한다. 도 4는 모든 공작물(25)이 그 각각의 앵커 부재(26) 내로 로딩된 것을 보여준다. 앵커 부재(26)는 마스킹 캡 구조물(40)의 하단부 부분(42)의 상응하는 개구부와 정렬된다. 따라서, 마스킹 캡 구조물(40)이 로딩된 유지 베이스(20) 상으로 하강될 때, 도 1에 도시된 바와 같이, 공작물(25)이 코팅 작업을 위해서 요구되는 바에 따라서 배향될 것이다. 특히, 플랫폼(29) 및 도브테일 섹션(28)이 마스킹 캡 구조물(40)의 하단부 부분(42)에 의해서 마스킹될 것이고 그리고 공작물(25)의 볼록한 후방 측부 부분(27)은 마스킹 캡 구조물(40)의 상단부 부분(41)에 의해서 마스킹될 것이다. 이러한 방식에서, 앵커 부재(26) 및 그 앵커 부재의 상응하는 위치결정 정지 특징부(76)가, 로딩된 공작물(25)이 코팅 작업 중에 툴링 고정구(10) 내에 적절하게 로딩되고 배치되도록 보장할 수 있다.

도시된 그리고 바람직한 실시예에서, 앵커 부재(26) 또는 척 구조물이 중앙 축(24) 주위로 방사상 배향으로 배치된다. 에어호일 공작물(25)의 기저 섹션(28)을 수용하도록, 각각의 앵커 부재(26) 또는 척 구조물이 특별하게 구성된다. 결과적으로, 공작물(25)이 또한 중앙 축(24) 주위로 방사상으로 배향된다. 공작물(25)의 방사상 배향은, 공작물(25)의 코팅 커버리지를 최적화하는 구성을 생성한다. 유지 부재(26) 및 고정구(10)의 다른 구성요소의 디자인에 대한 변경이, 5개 보다 더 많거나 적은 공작물(25)이 베이스(20) 상으로 로딩될 수 있게 하고, 그리고 그러한 변경이 본원 발명의 범위 내에 포함된다는 것을 이해하여야 할 것이다.

바람직한 실시예에서, 공작물(25)의 후행 엣지를 캡 구조물(40)의 엣지 또는 둘레에 근접하여 배향시키도록 마스킹 캡 구조물(40)의 오각형 구성이 디자인되었고, 그에 의해서 코팅이 공작물(25)의 노출된 코팅 표면까지 감소된 거리를 이동할 것을 필요로 할 수 있다. 이러한 방식에서, 마스킹 캡 구조물(40)의 표면에 바람직하지 못하게 부착되기 보다 에어호일 공작물(25)의 의도된 노출 표면 상으로 코팅이 증착될 가능성이 상당히 클 수 있을 것이다. 비록 오각형 기하형태가 바람직하지만, 마스킹 캡 구조물(40)에 대한 다른 형상도 채택될 수 있다는 것을 이해하여야 할 것이다.

도 5를 참조하면, 마스킹 캡(40)의 일체형 마스킹 구조물의 상단부에 근접하여, 아버 또는 샤프트(50)가 통과하여 연장하는 중심 정렬 홀 또는 개구(43)가 위치된다. 명료함을 위해서, 앵커 부재(26)와 공작물(25)의 도브테일 섹션(28)의 결합을 보여주도록, 캡(40)의 하단부 부분(42)의 일부를 투명하게 도시하였다. 도 6은, 마스킹 캡(40)이 캡(40)의 중앙 축을 따라서 연장하는 절반-라운드형 특징부(63)를 포함한다는 것을 보여준다. 특징부(63)는 도 4에 도시된 샤프트(50)의 상응하는 절반-라운드형 부분과 결합하도록 구성된다. 이러한 방식에서, 마스킹 캡(40)이 유지 베이스(20)의 플랫폼(22) 상으로 하강될 때, 마스킹 캡(40)이 실질적으로 수직 구성으로 배향되고 유지될 수 있다. 결과적으로, 캡 구조물(40)이 도 4에 도시된 바와 같이 샤프트(50)의 절반-라운드형 부분 상으로 제어된 방식으로 선택적으로 안내될 수 있고(또는 반대로 안내될 수 있고), 그에 따라 캡 구조물이 공작물(25)과 부주의하게 접촉하지 않게 된다. 캡(40) 및 샤프트(50)의 선택적인 안내는, 캡(40)이 유지 베이스(20)와 정렬되어 플랫폼(22) 상으로 하강될 수 있게 한다. 캡 구조물(40)이 유지 베이스(20) 상으로 하강될 때, 캡(40)의 하단부 부분(42)의 개구부가 공작물(25)을 수용하고, 그에 의해서 마스킹 캡(40)을 유지 베이스(20)(도 4) 상에 로딩된 공작물(25)과 정렬시킨다. 마스킹 캡(40)을 샤프트(50)와 선택적으로 결합시켜 캡(40)이 베이스(20) 상에서 정렬될 수 있도록 하기 위해서, 당업계에 공지된 바와 같은 다른 구조물이 채택될 수 있다는 것을 이해하여야 할 것이다.

전술한 바와 같이, 공작물(25)의 정렬을 위한 안내부로서 아버 또는 샤프트(50)를 이용하여, 마스킹 캡(40)이 복수의 로딩된 공작물(25) 및 유지 베이스(20) 위에서 슬라이딩된다. 마스킹 캡(40)이 유지 베이스(20) 상으로 하강됨에 따라, 일체형 마스크 구조물(40)이 유지 베이스(20) 상의 앵커 부재(26) 또는 척 구조물 내에서 공작물(25)과 물리적으로 결합하여 고정적으로 유지하여 툴링 고정구 조립체(10)를 형성한다. 도 5를 참조하면, 코터 핀(cotter pin)(55) 등과 같은 보조적인 보유(retention) 수단을 이용하여, 일체형 마스킹 구조물(40)의 상단부 위의 위치에서 아버 또는 샤프트(50)를 록킹하여 툴링 고정구 조립체(10)를 제 위치에서 록킹하고 그리고, 아버 또는 샤프트(50)가 코팅 프로세스 중에 회전될 때, 전체 툴링 고정구 조립체(10) 및 그 내부의 로딩된 공작물(25)이 단일 유닛 또는 조립체로서 회전하도록 보장한다.

여전히 도 5를 참조하면, 바람직하게, 샤프트(50)의 상단부 또는 원위(distal) 섹션이, 마스킹 캡(40) 위에 배치된 노브-유사 구조물(56)에 의해서 커버된다. 노브-유사 구조물(56)은 코팅 동작 중에 코팅의 축적을 위한 샤프트(50)의 원위 섹션의 노출을 방지한다. 샤프트 및 코터 핀(55)을 따른 코팅 축적을 배제하는 것은, 코팅의 축적으로 인해서 샤프트(50)의 직경이 바람직하지 못하게 증가되는 것의 결과로서 샤프트(50)로부터 마스킹 캡(40)을 제거하는데 있어서의 어려움을 배제한다. 따라서, 노브-유사 구조물(56)은 샤프트(50) 및 코터 핀(55)으로부터의 마스킹 캡(40)의 결합 및 분리를 용이하게 한다.

아버 또는 샤프트(50)가, 원위 섹션, 중간 섹션, 및 근위 또는 하부 섹션을 포함하는 몇 개의 섹션으로 이루어진다. 도 4 및 5는 아버 또는 샤프트(50)의 원위 섹션이 홀(83)을 가진다는 것을 보여주고, 상기 홀(83)을 통해서 코터 핀(55)이 삽입되어 툴링 고정구 조립체(10)의 여러 가지 구성요소를 함께 록킹한다. 도 4 및 6의 실시예와 관련하여 전술한 바와 같이, 원위 섹션(52)에서의 또는 그 근처에서의 샤프트 직경이, 마스킹 캡(40)의 상응하는 절반-라운드형 부분과 동작적으로 결합되도록 선택된 절반-라운드형 부분이 될 수 있다. 도 4는, 샤프트(50)의 중간 섹션이 원위 섹션의 샤프트 직경 보다 더 큰 샤프트 직경을 가지고 그리고 유지 베이스(20)와 동작적으로 결합하도록 크기가 결정되고 그리고 아버 또는 샤프트(50)를 따라서 미리 규정된 위치에서 유지 베이스를 고정한다는 것을 추가적으로 보여준다. 상기 샤프트(50)의 중간 섹션이 중앙 개구(23)를 따라서 유지 베이스(20)에 가용접(tack welding)될 수 있다. 코팅 장치의 회전 장치 내에 장착되고 결합되도록, 샤프트(50)의 하부 섹션의 크기가 결정된다.

도시된 실시예의 작업에서, 5개의 공작물(25) 또는 에어호일이 앵커 부재(26) 또는 척 구조물 내로 로딩된다. 도 2-4와 관련하여 설명한 바와 같이, 공작물(25) 또는 에어호일 각각이, 에어호일의 기저 섹션(28)을 삽입 또는 슬라이딩시키는 것에 의해서, 유지 베이스(20)로부터 상향 배향으로 연장하는 상응하는 형상의 앵커 부재 또는 앵커링 위치 내로 로딩된다. 앵커 부재(26)의 레일-유사 구조물의 쌍이 에어호일(25)의 도브테일 섹션(28)을 따라서 포함되는 상응하는 홈과 결합한다. 위치결정 정지 특징부(76)와 인접할 때까지, 에어호일(25)이 앵커 부재(26) 내로 슬라이딩식으로 로딩된다. 이러한 방식으로 5개의 에어호일(25)의 각각을 로딩한 후에, 아버 또는 샤프트(50)가 유지 베이스(20)의 개구를 통해서 삽입된다.

이어서, 마스킹 캡(40)이 에어호일(25)과 정렬되고 그리고 아버 또는 샤프트(50) 아래로 그리고 상향 연장하는 에어호일(25) 및 유지 베이스(20) 위로 동축적으로 슬라이딩된다. 마스킹 캡(40)이 샤프트(50)와 선택적으로 결합되어, 베이스(20) 상에서의 캡(40)의 제어되고 선택적인 정렬을 가능하게 한다. 그러한 위치에서, 상부 부분 또는 일체형 마스크 구조물(40)이 마스킹하고자 하는 에어호일 또는 공작물(25)의 부분과 결합 또는 커버하고 그리고 코팅하고자 하는 공작물(25) 또는 에어호일의 표면을 노출시킨다. 이어서, 툴링 고정구 조립체(10)를 공작물(25) 주위로 록킹하기 위해서, 코터 핀(55)이 마스킹 캡 구조물(40) 위의 아버 또는 샤프트(50)의 원위 섹션 내의 홀(83)을 통해서 삽입된다.

이어서, 툴링 고정구 조립체(10)가 에어호일의 노출된 표면의 코팅을 위한 준비에서 코팅 재료의 공급원에 근접하여 코팅 장비(예를 들어, EBPVD 장비) 내로 로딩 또는 장착될 준비가 된다. 코팅 프로세스 중에, 툴링 고정구 조립체의 아버 또는 샤프트(50)가 중앙 축 주위로 회전된다. 코팅 장비 내에서의 툴링 고정구 조립체(10)의 회전은, 희망하는 코팅이 코팅 재료의 시선을 따라서 공작물(25) 또는 에어호일의 노출 표면 상에 형성될 때까지, 계속된다.

이러한 여기에서 설명된 툴링 고정구 조립체(10)는 하나의 피스 유지 베이스(20)를 이용하여 복수의 파트 또는 공작물(25)을 단순하고 신속한 방식으로 앵커 부재(26) 내로 로딩하고 그에 의해서 툴링 고정구 내에 복수의 공작물을 로딩 및 고정하는 것과 연관된 노동력 및 노동비를 상당히 감소시킨다. 본 툴링 고정구 조립체(10)의 특별한 장점은, 회전자 블레이드, 고정자 베인, 에어호일 등을 위한 통상적인 툴링 고정구에서 일반적으로 발견되는, 힌지, 걸쇠(clasp), 스프링 등과 같은 이동 파트, 또는 조립 부대용품이 없거나 거의 없다는 것이다.

새로운 고정구 조립체(10)의 추가적인 개선은, 코팅하고자 하는 공작물(25)의 열 질량에 대한 고정구 조립체(10)의 열 질량의 비율의 감소이다. 순수한 결과로서, 가열 시간이 짧아질 수 있고, 이는 생산성 증가로 연결될 수 있다. 전형적으로, 공작물이 코팅에 앞서서 진공 내에서 예열된다. 예열은 예열기 내에서 이루어지고, 그러한 예열기는 코팅하고자 하는 공작물을 약 1900 ℉ 내지 2000 ℉의 온도까지 가열하기 위해서 복사 가열 요소를 이용한다. 공작물을 이러한 높은 온도까지 가열하는데 필요한 시간은 일반적으로, 예열기의 가열 요소에 노출되는 고정구 조립체(10)의 표면적에 의존한다. 그에 따라 더욱, 필요한 가열 시간이 공작물의 열 질량에 상당히 의존할 수 있을 것이다. 결과적으로, 통상적인 고정구-파트 조립체는 필요한 높은 온도를 획득하기 위해서 상당한 예열 시간을 필요로 한다. 예로서, 통상적인 고정구-파트 조립체는 약 2.0의 고정구 대 공작물의 열 질량 비율을 가질 수 있다. 본원 발명은, 열 질량 비율을 1.5 이하의 계수까지 감소시키고, 그에 의해서 완전한 파트-고정구 조립체를 위한 예열 시간을 가속하는 최적화된 고정구 조립체를 위한 특유의 디자인을 제공한다. 이는, 공작물의 예열 시간을 약 10% 내지 15% 만큼 단축할 수 있는 생산성 향상을 초래하는 중요한 디자인 및 프로세스 개선이다.

또한, 본 실시예는, 하나의 피스의 마스킹 캡 구조물(40)의 이용을 통해서 복수의 공작물을 동시적으로 또는 동시에 마스킹하는 것을 허용한다. 다시 말해서, 유리하게, 마스킹 캡 구조물(40), 통상적인 툴링 고정구에서 요구되는 시간의 일부로 복수의 공작물(25)을 마스킹하는 것을 허용한다. 코팅 장비의 크기가 툴링 고정구의 최대 크기를 종종 결정하지만, 설명된 실시예는 툴링 고정구 마다 5개 까지의 에어호일 블레이드를 코팅할 수 있는 능력을 제공하는 반면, 유사한 블레이드를 위한 종래 기술의 툴링 조립체는 툴링 마다 단지 4개의 에어호일 블레이드로 제한되었다. 이러한 증가된 용량은, 어떠한 힌지형 요소, 와이어, 걸쇠 등도 없이 복수의 공작물(25)을 그러한 공작물들(25) 사이의 최적의 공간으로 훌륭하게 고정하는 유지 베이스(20)의 디자인으로부터 직접적으로 기인한 것이다. 또한, 증가된 용량은 설명된 실시예의 맞춤형으로(custom) 디자인된 일체형 마스킹 요소의 결과이고, 이는 설명된 툴링 고정구 조립체(10)를 조립이 용이한 장치가 되게 하고 그리고, 반복적인 스트레스 부상 가능성을 배제하고, 단일 피스 흐름 가능성(single piece flow potential)을 최대화하는 등의 인체 공학적 디자인이 되게 한다.

다른 장점은, 설명된 툴링 고정구 조립체(10)가 일차적인 마스킹 캡(40) 위에서 아버 또는 샤프트(50)를 통해서 삽입되는 단일 코터 핀(55)으로 바람직하게 고정되고 그리고 종래 기술의 툴링 고정구 디자인의 복수의 힌지, 핀, 및 와이어를 배제한다는 것이다. 본원 발명의 툴링 조립체(10)에 이러한 복잡한 또는 이동하는 파트가 없다는 것은, 툴링 고정구 조립체 내에서 공작물(25)을 로딩, 정렬, 고정 및 마스킹하는 것을 도울 뿐만 아니라, 신속한 분해 및 공작물 제거 프로세스를 돕는다. 또한, 특정의 일체형 마스크 구조물과 함께 단순함 및 이동 파트의 부재로 인해서, 종래 기술의 툴링 조립체에 대비하여, 설명된 툴링 조립체(10)의 개별적인 구성요소를 코팅 프로세스 후에 세정 및 스트립(strip)하는 것이 매우 용이해지고, 이는 다시 전체적인 프로세스 단계 및 연관된 노동비를 줄일 수 있을 뿐만 아니라, 전체적인 코팅 프로세스에서의 오염물질 공급원을 제거한다.

또한, 복수의 공작물을 위한 단일 마스크는 코팅 프로세스 중에 조사 및 검사하기가 보다 쉽고, 이는 다시 코팅 프로세스 품질 및 파트 로딩 및 마스킹 오류로 인한 부품 불량처리(rejection)를 개선한다. 마지막으로, 툴링 고정구 조립체의 본 실시예는, 파트 또는 공작물을 확실하게 고정하고 그에 의해서 코팅 작업 중에 코팅 품질을 손상시키거나 코팅 품질에 부정적으로 영향을 미칠 수 있는 파트 이동을 최소화시키는 최소 열 질량을 갖는 강건한(rigid) 디자인을 허용한다.

여기에서 개시된 툴링 고정구 조립체 및 그 구성요소의 실시예는 바람직하게 주조 프로세스로 형성된다. 주조될 수 있는 구성요소이기 때문에, 툴링 고정구 조립체 내에 용접부가 존재하지 않는다. 제조 프로세스에서 용접을 배제하는 것은, 고장 또는 오염물질 포집 가능성을 유도할 수 있는 조립체 내의 균열 및 틈의 수 및 크기를 감소시킨다.

여기에서 개시된 툴링 고정구 조립체의 다른 특징은, 조립체가, 과다 코팅 오류를 감소시키는 높은 정밀도로 파트 또는 공작물을 배치 및 고정하는 비교적 단순하고, 저렴하고, 모듈형인 로티서리 타입의 코팅 고정구라는 것이다. 여기에서 설명된 툴링 고정구 조립체는, 종래 기술의 툴링 고정구 조립체에 대비하여, 코팅 프로세스와 연관된 전체적인 비용을 개선할 뿐만 아니라 공작물 품질 및 코팅 프로세스 수득(yield)을 개선함에 따라, 터빈 엔진 에어호일의 코팅에서 특히 유용성을 가진다.

툴링 고정구 조립체의 다른 실시예가 도 7 내지 9에 도시되어 있다. 도 7 내지 9에 도시된 바와 같이, 툴링 고정구 조립체(700)의 이러한 실시예는 일체형 상부 마스킹 구조물(741), 복수 피스의 하부 마스킹 구조물(742), 유지 베이스(720), 및 아버 또는 샤프트(750)를 포함한다.

앞서서 설명된 실시예와 같이, 유지 베이스(720)는 중앙 개구를 가지고 플랫폼(722)의 평면에 직교하는 중앙 축을 형성하는 플랫폼을 포함한다. 유지 베이스(720)는 또한, 플랫폼(722)의 표면으로부터 상승하고 상기 중앙 축으로부터 미리 규정된 방사상 배향으로 배치되는 복수의 앵커 부재(726)를 포함한다. 각각의 앵커 부재(726)는 코팅하고자 하는 공작물(725)을 홀딩하도록 구성되거나 개조된다. 설명된 실시예에서, 6개의 앵커 부재(726)가 중앙 축 주위에 방사상으로 배치되어 있다. 에어호일 또는 공작물(725)의 특유하게 디자인된 기저 섹션을 수용하도록, 각각의 앵커 부재(726)가 특별하게 구성된다.

복수 피스의 하부 마스킹 구조물(742)은 복수의 상호결합 섹션으로 이루어지고, 각각의 상호결합 섹션은 공작물(725)의 선택된 부분을 마스킹할 뿐만 아니라 하나 이상의 공작물(725)을 고정 배향으로 물리적으로 유지하도록 구성된다. 완전히 조립되었을 때, 복수 피스의 하부 마스킹 구조물(742)은 복수의 공작물(725)의 하부 또는 기저 섹션(728) 주위에 슈라우드(shroud)를 형성한다. 도 9는, 복수 피스의 하부 마스킹 구조물(742)의 복수의 섹션이, 유지 베이스 및 마스킹 조립체(700)의 하부측부와 동작적으로 결합하여 배치된 복수의 록킹 링(760)과 함께 바람직하게 홀딩된다는 것을 보여준다.

도 7 내지 9에 도시된 실시예는 또한 일체형의 상부 마스킹 구조물(741)을 포함한다. 일체형의 상부 마스킹 구조물(741)은 아버(50)에 커플링되고 그리고 유지 베이스(720)에 의해서 달리 지지된다. 일체형의 상부 마스킹 구조물(741)은 복수의 공작물(725)과 결합하도록 디자인되고, 그에 따라 일체형의 상부 마스킹 구조물(741)의 중실형 표면이 공작물(725)의 선택된 지역과 인접하여 코팅하지 않는 공작물(725)의 지역을 마스킹하고 코팅하고자 하는 공작물(725)의 지역을 노출시킨다.

전술한 내용으로부터, 본원 발명이 코팅 작업에서 이용하기 위한 툴링 고정구 조립체를 제공한다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 여기에서 개시된 발명이 특정 실시예 및 그와 연관된 프로세스로 설명되었지만, 청구항에 기재된 발명의 범위를 벗어나지 않고도 또는 발명의 특징 및 장점의 전부를 희생하지 않고도, 당업자에 의해서 발명에 대한 수많은 변경 및 수정이 이루어질 수 있을 것이다.

Claims (20)

1. 코팅 작업에서 이용하기 위한 모듈형의 로티서리(rotisserie) 타입의 툴링 고정구 조립체로서:
   샤프트가 통과하여 연장하는 중앙 개구, 및 상기 중앙 개구로부터 미리 규정된 방사상 배향으로 배치되는 복수의 앵커(anchor) 부재를 형성하는 유지(retaining) 베이스로서, 상기 앵커 부재는 코팅하고자 하는 복수의 공작물을 로딩 및 유지하도록 구성되거나 개조되는(adapted), 유지 베이스; 및
   마스킹 캡 구조물을 상기 유지 베이스와 정렬 및 결합시키기 위해서 아버(arbor) 또는 샤프트가 선택적으로 통과 안내되는 중앙 개구를 갖고, 마스킹 관계로 상기 복수의 공작물의 부분을 커버하도록 구성된 상단부 부분 및 하단부 부분을 갖는, 일체형(unitary) 마스킹 캡 구조물
   을 포함하는, 툴링 고정구 조립체.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 앵커 부재가 위치결정 정지 특징부를 포함하는, 툴링 고정구 조립체.
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 유지 베이스가 중앙 개구를 가지고 플랫폼의 평면에 직교하는 중앙 축을 형성하는 플랫폼을 포함하는, 툴링 고정구 조립체.
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 캡 구조물의 상단부 부분이, 상기 공작물의 각각의 후방측부의 곡률에 일치되는 윤곽화된 표면을 특징으로 하는 복수의 중실형(solid) 표면을 포함하는, 툴링 고정구 조립체.
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 캡 구조물의 하단부 부분이, 코팅하고자 하는 공작물의 부분을 노출시키는 상응하는 개구부를 포함하는 하우징 구조물인, 툴링 고정구 조립체.
6. 제 1 항에 있어서,
   상기 캡 구조물의 하단부 부분이 복수의 에어호일(airfoil) 공작물의 기저(root) 영역 및 플랫폼을 마스킹하도록 구성되는, 툴링 고정구 조립체.
7. 제 1 항에 있어서,
   상기 복수의 앵커 부재의 각각이 돌출부를 포함하는 레일-유사 구조물의 쌍을 포함하고, 상기 돌출부가 에어호일 공작물의 도브테일(dovetail) 섹션을 따라서 포함되는 상응하는 홈과 결합하도록 구성되는, 툴링 고정구 조립체.
8. 제 1 항에 있어서,
   상기 캡 구조물의 하단부 부분이 오각형-형상인, 툴링 고정구 조립체.
9. 제 1 항에 있어서,
   상기 툴링 고정구가 적어도 5개의 에어호일 공작물을 수용하도록 구성되는, 툴링 고정구 조립체.
10. 제 1 항에 있어서,
    상기 샤프트의 상단부 또는 원위 섹션이 상기 마스킹 캡 구조물 위에 배치된 노브-유사 구조물에 의해서 커버되는, 툴링 고정구 조립체.
11. 제 1 항에 있어서,
    상기 툴링 고정구 조립체가 상기 고정구 조립체의 열 질량 대 코팅하고자 하는 공작물의 열 질량의 감소된 비율을 특징으로 하는, 툴링 고정구 조립체.
12. 제 1 항에 있어서,
    상기 샤프트의 원위 섹션이 상기 캡 구조물에 고정되어 상기 툴링 고정구 조립체를 복수의 공작물 주위로 록킹하는, 툴링 고정구 조립체.
13. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 앵커 부재의 각각이, 상기 일체형의 마스킹 캡 구조물의 하단부 부분 내에 포함되는 개구부와 일치하는 위치에서 유지 조립체의 플랫폼 상에 배치되는, 툴링 고정구 조립체.
14. 제 1 항에 있어서,
    상기 툴링 고정구 조립체의 구성요소들 및, 선택적으로, 그 내부에 유지되는 임의의 공작물을 함께 커플링되게 유지하는 록킹 메커니즘을 더 포함하는, 툴링 고정구 조립체.
15. 복수의 공작물을 코팅하기 위한 방법으로서:
    유지 베이스 상의 중앙 개구로부터 미리 규정된 방사상 배향으로 배치된 앵커 부재 내로 복수의 공작물을 로딩하는 단계로서, 상기 앵커 부재가 코팅하고자 하는 복수의 공작물을 유지하도록 구성되는, 로딩 단계;
    상기 유지 베이스를 아버 또는 샤프트 상에 배치하는 단계;
    상기 아버 또는 샤프트가 선택적으로 통과 안내되는 중앙 개구를 갖는 일체형 마스킹 캡을, 상기 유지 베이스와 결합 및 정렬되어 배치되도록 배치하는 단계로서, 상기 마스킹 캡은, 상기 복수의 공작물 상에서 노출된 표면들을 남기면서 마스킹된 관계로 상기 복수의 공작물의 부분을 커버하도록 구성된 복수의 중실형 벽 또는 표면을 갖는, 일체형 마스킹 캡을 배치하는 단계;
    툴링 고정구 조립체를 형성하기 위해서 상기 유지 베이스 및 상기 일체형 마스킹 캡을 함께 록킹하는 단계;
    코팅 장치 내에서 복수의 공작물의 노출된 표면을 코팅하도록 구성된 코팅 장치 내로, 내부에 공작물이 배치된 상기 툴링 고정구 조립체를 장착하는 단계; 및
    상기 복수의 공작물의 임의의 노출된 표면 상에 희망하는 코팅이 형성될 때까지 상기 아버 또는 샤프트를 통해서 상기 코팅 장치 내에서 상기 툴링 고정구 조립체를 회전시키는 단계를 포함하는, 코팅 방법.
16. 제 15 항에 있어서,
    5개의 공작물이 상기 앵커 부재 내로 로딩되는, 코팅 방법.
17. 제 15 항에 있어서,
    상기 일체형 마스킹 캡의 상단부 부분이 상기 공작물의 각각의 후방측부의 곡률과 일치하는 윤곽화된 표면을 특징으로 하는 복수의 중실형 표면을 포함하는, 코팅 방법.
18. 제 15 항에 있어서,
    상기 일체형 마스킹 캡의 하단부 부분이 코팅하고자 하는 공작물의 선택적인 표면을 노출시키는 상응하는 개구부를 포함하는 하우징 구조물을 포함하는, 툴링 고정구 조립체.
19. 제 15 항에 있어서,
    상기 공작물이, 위치결정 정지 특징부에 대해서 인접할 때까지, 상기 앵커 부재 내로 로딩되는, 툴링 고정구 조립체.
20. 제 15 항에 있어서,
    상기 일체형 마스킹 캡 구조물이, 상기 유지 베이스에 부착된 샤프트의 부분에 선택적으로 커플링되는 중앙 개구 내의 결합 부재를 포함하는, 툴링 고정구 조립체.
    

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