(57)【要約】機械加工中に構造物に誘発される応力に抵抗するために薄肉な構造物を、可溶性マトリクス（２５）を使って支持することを含む薄肉な構造物（１０）を製造する方法を提供する。
2008539087.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
薄肉な構造物を機械加工する方法であって、
（ａ）薄肉な構造物の機械加工が施される第二の面に対向する第一の面に対して、離間して対向するように堰止め部材を配置するステップであって、前記堰止め部材と前記薄肉な構造物の前記第一の面とが、機械加工が施される面積のほぼ全体に亘って延在するギャップを画定する、堰止め部材配置ステップと、
（ｂ）前記ギャップを実質的に可溶性材料で充填するステップであって、充填後に、前記可溶性材料が、機械加工される前記第二の面の裏当てとなる、可溶性材料充填ステップと、
（ｃ）前記薄肉な構造物の前記第二の面に第一の機械加工を施すステップと、
（ｄ）前記薄肉な構造物を前記可溶性材料から分離するステップと、
を含む薄肉な構造物を機械加工する方法。
【請求項２】
前記薄肉な構造物に、異なる複数の機械加工を施すステップを含む請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記異なる複数の機械加工が、旋削加工およびドリル加工を含む請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記薄肉な構造物及び前記裏当てを一体物として第一の固定具から除去し、該一体物を第二の固定具に設置し、前記薄肉な構造物に第二の機械加工を施すステップを更に含む請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記第一の機械加工が前記薄肉な構造物に旋削加工を施すことを含み、
前記第二の機械加工が前記薄肉な構造物にドリル加工を施すことを含む請求項３に記載の方法。
【請求項６】
ステップ（ａ）の前に、前記薄肉な構造物の第一の面に予備的な機械加工を施すステップを更に含み、前記薄肉な構造物が第一の固定具に固定されている間に前記予備的な機械加工および前記第一の機械加工がともに施される請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記予備的な機械加工が、内径（ＩＤ）輪郭および外径（ＯＤ）輪郭の一方を旋盤加工するステップを含み、
前記ステップ（ｃ）が、前記内径輪郭および前記外径輪郭のもう一方を旋削加工するステップを含む請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記薄肉な構造物を前記裏当てで支持しつつ、前記薄肉な構造物の厚さ方向に貫通する孔を開けるステップを含む請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記ギャップを前記可溶性材料で充填する前に、前記薄肉な構造物および固定具のいずれか一方に前記堰止め部材を除去可能に取付けるステップを更に含む請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
薄肉な円筒形の加工物を製造する方法であって、
内側円筒壁面と外側円筒壁面との間に画定される厚さを有し円周方向に延在する壁を備える実質的に円筒形のブランクを供給するステップと、
前記内側円筒壁面および前記外側円筒壁面のいずれか一方を可溶性マトリクス裏当て材で裏打ちすることにより前記円周方向に延在する壁の厚さを暫定的に増加させるステップであって、該可溶性マトリクス裏当て材は、配設後、前記円周方向に延在する壁に対して連続的な円筒形の支持体となる、増加ステップと、
前記可溶性マトリクス裏当て材で裏打ちされた面に対向する前記内側円筒壁面および前記外側円筒壁面のいずれか一方に第一の機械加工を施すステップと、
前記ブランクを前記可溶性マトリクス裏当て材から分離するステップと、
を含む薄肉な円筒形の加工物を製造する方法。
【請求項１１】
環状ギャップを形成するために、前記内側円筒壁面および前記外側円筒壁面のいずれか一方に離間して対向するように堰止め部材を配置し、前記環状ギャップに前記可溶性マトリクス裏当て材を注入するステップを更に含む請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記機械加工ステップが、旋削加工を含むことを特徴とする請求項１０に記載の方法。
【請求項１３】
前記第一の機械加工が、第一の固定具の上で施され、
前記薄肉な円筒形の加工物を製造する方法が、
前記円筒形のブランクおよび前記裏当てを一体物として前記第一の固定具から除去するステップと、
前記一体物を第二の固定具に取付けるステップと、
前記円筒形のブランクに第二の機械加工を施すステップと、
を更に含む請求項１０に記載の方法。
【請求項１４】
前記第一の機械加工が、前記円筒形のブランクに旋削加工を施すことを含み、
前記第二の機械加工が、前記円筒形のブランクの前記円周方向に延在する壁を貫通する孔を開けることを含む請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記内側円筒壁面を前記可溶性マトリクス裏当て材を使って裏打ちする前に、第一の機械加工と同じ設定で、前記内側円筒壁面に予備的な機械加工を施すステップを更に含む請求項１０に記載の方法。
【請求項１６】
前記予備的な機械加工が、内径輪郭を旋削するステップを含み、
前記第一の機械加工が、外径輪郭を旋削するステップを含む請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記円筒形のブランクが前記裏当てで支持されている状態で、前記円周方向に延在する壁の厚さ方向に貫通する孔を開けるステップを含む請求項１０に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概して、薄肉な構造物に関し、詳しくは、薄肉な構造物を機械加工する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
機械加工及び／或いは設計上の制約により、タービン支持バッフルなどの薄肉な構造物は、一般的に、シート成形金属で組み立てられ、他の補強構造物へと溶接されることが多い。このプロセスは、時間と労力を要するとともに、コストが高くなる。加えて、溶接は、合金特性に直接的に影響を与える高温材料を含んでいる。結果として、溶接後に、合金の金属特性を回復するために熱処理を行うことが一般的となっている。溶接される薄肉な構造物は、不整合を補うために厚くしなければならないことがあるため、重量が増加してしまい、エンジン性能が損なわれる可能性がある。本来、溶接は増加応力の源となる。不必要な溶接を省くことにより部品寿命を延ばすことができる。
従って、溶接作業を含まない新しい薄肉材加工の方法を提供することが望まれている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
本発明の目的は、改良された薄肉な構造物を機械加工する方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明の一態様では、（ａ）薄肉な構造物の機械加工を施す第二の面に対向する第一の面に対して、離間して対向するように堰止め部材を配置するステップであって、堰止め部材と薄肉な構造物の第一の面とが、機械加工が施されるほぼ全ての面積に亘って延在するギャップを画定する、堰止め部材配置ステップと、（ｂ）ギャップを実質的に可溶性材料で充填するステップであって、充填後に、可溶性材料が、機械加工される第二の面の裏当てとなる、可溶性材料充填ステップと、（ｃ）薄肉な構造物の第二の面に第一の機械加工を施すステップと、（ｄ）薄肉な構造物を可溶性材料から分離するステップと、を含む薄肉な構造物を機械加工する方法を提供する。
【０００５】
本発明の他の態様では，内側円筒壁面と外側円筒壁面との間に画定される厚さを有し円周方向に延在する壁を有する実質的に円筒形のブランクを供給するステップと、内側円筒壁面および外側円筒壁面の一方を可溶性マトリクス裏当て材で裏打ちすることにより円周方向に延在する壁の厚さを暫定的に増加させるステップであって、可溶性マトリクス裏当て材が、設けられた後に、円周方向に延在する壁に対して連続的な円筒形の支持体となる、増加ステップと、可溶性マトリクス裏当て材で裏打ちされた面とは反対面である内側円筒壁面または外側円筒壁面の一方に第一の機械加工操作を行うステップと、ブランクを可溶性マトリクス裏当て材から分離するステップと、を含む薄肉な円筒形の加工物を製造する方法を提供する。
【０００６】
本発明のこれらの態様および他の態様の詳細は、下記の詳細な説明及び添付の図面により明らかとなる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
ガスタービンエンジンに使用されるタービン支持バッフルは、一般に、インコネルのシート状金属片（厚さ０．０３０〜０．０４０インチ）から形成され溶接された円筒の両端に、２つのインコネルの鍛造リングが溶接された仕様の薄肉な円筒形の形状の部品である。このリング及びシート状金属は、通常、各工程で応力除去を施しながら、組立、溶接、機械加工を行い最終形状に仕上げられる。空冷孔は最終工程で機械加工される。シート金属が薄肉であるため、通常は、レーザ或いはＥＭＤ（エンドミルドリル）法で加工される。
【０００８】
上述した従来のタービン支持バッフルに対し、図１は、一体構造のタービン支持バッフル１０を示す。バッフル１０は、内側面１４及び外側面１６を有し、かつ円周方向に延在する薄壁１２を有する。内側面１４は、内径（ＩＤ）輪郭を有し、同様に外側面１６は、外径（ＯＤ）輪郭を有する。空気孔１８は、厚さ方向に延在し、薄壁１２を貫通している。
【０００９】
図２に示すように、バッフル１２は、粗く寸法決めされた単一の鍛造ブランク２０から機械加工取り代（ｍａｃｈｉｎｉｎｇ  ｓｔｏｃｋ  ａｌｌｏｗａｎｃｅ）で機械加工して最終部品に形成される。ブランク２０は、立て旋盤固定具２２に、例えば、底面のフランジ２４を介して固定され、バッフル１０の内径（ＩＤ）輪郭の全体が旋削加工される。ブランク２０の円筒壁の初期の厚さは、ＩＤ輪郭を機械加工する時に、ブランク２０に誘発される応力に耐えるのに十分であることを理解されたい。しかし、ＩＤ輪郭を機械加工した後、外径（ＯＤ）輪郭の旋削に進む前に、ブランク２０の壁を補強することが必要である。
【００１０】
この補強は、ブランク２０で囲まれたキャビティ全体を可溶性マトリクス２５（図４参照）で充填することによりなされる。しかし、堰止め部材（ｄａｍ  ｍｅｍｂｅｒ）２６は、内側面１４と離間してブランク２０の内側に設置されていることが望ましい。図３ａに示すように、堰止め部材２６は、連続的なリングの形で配設され得る。堰止め部材２６の外径（ＯＤ）はブランク２０の内径（ＩＤ）よりも小さく、同心状に設置することにより、堰止め部材２６とブランク２０との間に連続的な環状のギャップ２８が形成される。堰止め部材２６とブランク２０との距離は、ブランク２０の外周を機械加工する際に誘発される応力を支えるのに十分な量の可溶性マトリクスを注入できるように選択される。加工される面が全面に亘って適度な裏打ちを確保できるように、堰止め部材２６はブランク２０と少なくとも同じ軸方向の長さを有することが望ましい。堰止め部材２６はブランク２０自体に固定してもよいし、溝３０に嵌め合わせてもよいし、または、図３ａに例示するように固定具２２にショルダ加工（ｓｈｏｕｌｄｅｒ  ｍａｃｈｉｎｅｄ）を施してもよい。
【００１１】
図３ｂに示すように、堰止め部材２６’は、底部の環状フランジ２６ｂ及び選択的な高温シリコンＯリング２６ｃを備え、頭頂部が開放された帽子状の形状を有し得る。フランジ２６ｂは、堰止め部材２６’の円筒形の部分の底端部に溶接される。この構成は、堰止め部材を固定具２２にシールするのではなく、部品自体に直接的にシールするために用いることができる。これは、固定具の形状により堰止め部材を固定具にシールすることができない場所、および溶出操作のために部品を固定具から分離する必要がある場合に有用である。また、固定具／加工装置からはみ出させる必要がある場合に有利である。冷却時間及び溶解時間がサイクルタイムに含まれないことが一つの利点である。
【００１２】
Ｏリング２６ｃは、より強力な「水密シール」をもたらすとともに、凹凸を有する表面にシールを施すことができる。チャック２７は加工物を固定具２２に固定するのに使用される。
【００１３】
堰止め部材２６にはいくつかの利点がある。大きい部品に対して可溶性マトリクス２５の使用量が減り、無駄を排除し、かつマトリクス２５は部品を固定するためにより早く冷却され、分解のためにより早く溶解される。また、旋削プロセスで重要な重量バランスのとれたアセンブリを確保することもできる。
【００１４】
堰止め部材２６が取付けられた後、ギャップ２８は、溶融したマトリクス２５で満たされ、図４に示されるようにセットされ、冷却される。このプロセスにおいて、可能であれば、可溶性マトリクスのタンク（図示せず）を旋盤の付近に配置して、装置の設定を外すことなく固定具２２へ直接的に可溶性材料を充填させることができる。可溶性マトリクス２５は、セラロウ（Ｃｅｒｒａｌｏｗ）、ＭＣ１４８、錫―ビスマス合金などの融点の低い合金の形態で供給することが望ましい。合金は、壁構造を機械加工する際に正圧の裏当てとなるように、冷却時に、全く又はほとんど膨張しない特性を有するように選択されることが望ましい。
【００１５】
可溶性マトリクスが均等に分布するように注入して冷却することは、むらのない成果を得るために望ましい。このため、注入時に、部品／リングを回転台の上で回転させるとよい。部品／堰止め部材及び固定具を回転台に設置して、注入口が環状ギャップ２８の内側になるようにアセンブリを適切に中心位置に置き、坩堝の注入口の真下で上下させることができる。マトリクスの充填は、外周を均等に充填する速度でアセンブリを回転させつつ行うことができる。あるいは、加熱されたホースを有する溶解装置を使用して遠隔注入することもできる。この場合には、立て旋盤の回転台を利用し、立て旋盤上で直接的にアセンブリに注入することにより、同様の機能性を実現することができる。
【００１６】
凝固した状態で、可溶性マトリクス２５は、ブランク２０の外側表面全体に対して連続的な環状の裏当てを提供する。可溶性マトリクス２５は、その後の機械加工を補助する固体構造を提供し、また、機械加工に対して有益な緩衝効果を生み出す利点を付与する。図５に示されるように、マトリクス２５が加工圧に対抗する支持をしつつ、ＯＤ輪郭が最終寸法に加工される。ＯＤ輪郭は旋削または他の手段によって機械加工され、寸法を仕上げられる。可溶性マトリクスを裏当てすることにより、０．０１０インチの薄さまでの加工が可能である。固定具２２を適切に設計することにより、ブランク２０の固定に用いられている余分な鍛造部から、ブランク２０を分離することができる。輪郭を形成されたブランク２０は、可溶性マトリクスによって所定の位置に固定されたまま、標準的な分離工具（図示せず）を使って分離され得る。
【００１７】
ＯＤ輪郭が機械加工された後、ブランクおよび可溶性マトリクスで裏打ちされたアセンブリは、一体品としてフライス盤固定具２２’（図６）へ移し、ブランク２０の壁を貫通する空気孔１８を機械加工することができる。あるいはミル旋削ワークセンタ（ｍｉｌｌ−ｔｕｒｎ  ｗｏｒｋ−ｃｅｎｔｅｒｓ）で加工される場合に、同じ固定具を使って同じ操作で穿孔することができる。本発明の実施例によれば、この加工は、ブランク２０の周囲に多数の冷却空気孔１８を微細穿孔することを含む。ブランク２０は全面積にわたって裏打ち補強されているため、穿孔プロセスの際に、フライスで誘発される荷重によるブランク２０に局所的な変形が生じることはない。可溶性マトリクス裏打ち材と、これの緩衝効果とにより与えられる安定性が、穿孔プロセスの際に、ブランク壁が破断することの防止を助ける。
【００１８】
図６に示されるように、可溶性マトリクス材２５を溶かして除くだけで、完成品すなわちタービン支持バッフル１０を取り外すことができる。これには、いくつかの方法あり、（１）高温の油浴或いは水浴に浸漬すること、（２）可溶性マトリクス自体の浴に浸漬すること、（３）溶解炉、放射加熱器、または蒸気を利用すること、がある。
【００１９】
本発明をタービン支持バッフルの加工プロセスに照らして説明したが、本方法は、タービン支持ケースなど種々のガスタービンエンジンの薄肉な加工物を含む広範な製品の製造に利用可能であることを理解されたい。プロセス或いは設計により最小の肉厚が制限される鋳造部品や鍛造部品などに対する重量低減方法として使用することも可能である。
【００２０】
従来の溶接製造法を利用して生産するためには、２つ以上の構成部品が必要とされるのに対し、上述した製造プロセスでは、一体構造としての設計が可能となるため有利である。従来必要とされていた溶接及び熱処理操作を排除することができる。このため、製造時間及びコストの削減が実現する。これにより、一体型の薄肉部品を、従来では不可能であった薄さ及び精度に製造することが可能となり、加えて、強度が高く、耐破断性を有し、かつ軽量であるという利点がもたらされる。
【００２１】
上記の説明は例示的なものであり、当業者であれば、開示した発明の範囲を逸脱することなく、説明した実施例に変更がなされることを理解されるであろう。例えば、ＯＤ輪郭を先ず加工して、その後のＩＤ輪郭の加工を補助するために、全体に裏当てを行ってもよい。この場合、堰止め部材２６は、ブランク２０の周りに配置される。本発明の開示を参照することにより、当業者であれば、本発明の範囲に属する他の修正がなされ得ることを理解されるであろう。それらの修正も添付の特許請求の範囲に含まれる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の好適な実施例による一体構造のタービン支持バッフルの斜視図。
【図２】図１に示すタービン支持バッフルの加工プロセスを説明する断面図。
【図３Ａ】図１に示すタービン支持バッフルの加工プロセスを説明する断面図。
【図３Ｂ】図１に示すタービン支持バッフルの加工プロセスを説明する断面図。
【図４】図１に示すタービン支持バッフルの加工プロセスを説明する断面図。
【図５】図１に示すタービン支持バッフルの加工プロセスを説明する断面図。
【図６】図１に示すタービン支持バッフルの加工プロセスを説明する断面図。
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【国際調査報告】
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