(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
誘電加熱を用いる成形装置で用いられ、超塑性成形動作のために使用されるダイであって、
第１の材料から形成される鋳造部分を有するダイ本体と、
ダイ本体に結合される別個のライナとを含み、ライナはダイ空洞と成形面とを規定し、第１の材料と異なる第２の材料から形成されており、第２の材料はダイ本体の鋳造部分より耐久性が高く、ダイの長期使用を可能にするものであり、
前記ライナを形成する第２の材料は、意図した形状にスリップ鋳造されるシリコンニッケル材料である、ダイ。
【請求項２】
ライナは約２．０ｍｍから約３．２ｍｍの厚さを有する、請求項１に記載のダイ。
【請求項３】
第１の材料はフェノールおよびセラミックからなる材料の群から選択される、請求項１に記載のダイ。
【請求項４】
第１の材料は鋳造可能な融解シリカである、請求項３に記載のダイ。
【請求項５】
ダイ本体を別々の面を通って延在する側方横方向の強化ロッドをさらに含む、請求項１に記載のダイ。
【請求項６】
強化ロッドは誘電加熱に影響されにくいか、または導電性の材料から形成され、誘電加熱に影響されにくいような方法で配置される、請求項５に記載のダイ。
【請求項７】
強化ロッドはダイ本体に課される圧縮力を与えるために引張をかけられる、請求項５に記載のダイ。
【請求項８】
ダイ本体内に埋込まれた複数の誘電コイルセグメントをさらに含む、請求項１に記載のダイ。
【請求項９】
コイルセグメントの各々は銅管であり、コイルセグメントは間隔を空けた配置で成形面に隣接するダイ本体に流し込まれ、コイルセグメント同士が電気的に接続されてコイルを形成しコイルに電圧が加えられると、実質的に空間的にワークピース全体に均一の磁場を提供する、請求項１に記載のダイ。
【請求項１０】
第１と第２の材料とは誘電加熱に影響されにくい、請求項８に記載のダイ。
【請求項１１】
ダイ本体を有するダイで用いられ、超塑性成形動作のために使用されるダイライナであって、ダイ本体はワークピースを熱間成形するために構成され、前記ダイライナは、前記ダイ本体とともに用いられるように構成された別個の構成であり、ワークピースを成形するための成形面を規定し、ダイライナがダイ本体とは異なった少なくとも１つの特性を有してダイの耐久性を増すよう構成され、
前記ダイライナを構成する材料は、意図した形状にスリップ鋳造されるシリコンニッケル材料である、ダイライナ。
【請求項１２】
特性は材料強度および耐化学薬品性からなる特性の群から選択される、請求項１１に記載のダイライナ。
【請求項１３】
ダイライナは約２．０ｍｍから約３．２ｍｍの厚さを有する、請求項１１に記載のダイライナ。
【請求項１４】
ダイライナは誘電加熱に影響されにくい、請求項１１に記載のダイライナ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の分野】
この発明は一般的にセラミック成形ダイに関し、より特定的には、ダイの一体性を保護し、それによりダイの耐用年数を延長する耐久ダイライナを有するセラミック成形ダイに関する。
【０００２】
【発明の背景】
広く用いられるようになった繊維強化樹脂（すなわち、有機マトリックス）複合材料は、重量に対する高い強度または剛性に対する高い重量比率および望ましい疲労特性を有するので、重量、強度または疲労臨界応用で、それらは益々普及しつつある。
【０００３】
硬化されていないマトリックス材料に埋込まれた、連続した、織られた、または細断された繊維を含むプレプレッグは、望ましい形状に切断され、それから積み重ねられて複合部品の望ましい構成にされる。プレプレッグは完成部品の望ましい形状に合せた成形面を有するツールまたはダイの上に直接設置され（積載され）るか、またはプレプレッグは平坦なシートに積載され、このシートでツールまたはダイの上を覆わって、ツールの輪郭を形成することができる。積載された後、プレプレッグはオートクレーブ（すなわち、加圧型のオーブン）の中で従来の真空バッグ処理で凝縮される（すなわち、硬化される）。圧力は、マトリックス材料が流れて一般的に重合により空洞を除去し硬化するため凝縮／硬化温度でプレプレッグの各々の層を一緒に加圧する。
【０００４】
オートクレーブの作製では、複合材料は袋詰めされ、オートクレーブに設置され、複合材料と工具との全熱質量は、凝縮または硬化温度まで上げられかつ部品が形成され硬化されるまでその温度に保持されなければならない。成形複合部品と工具とは次に冷却され、オートクレーブから取外され、そして袋から出されなければならない。最後に、複合部品は工具から取外されなければならない。必要な凝縮圧力を供給するには、オートクレーブ内に特別の圧力箱を作るか、オートクレーブ全体を加圧する必要があり、こうして特に低生産稼働のため作製時間と費用とを増加させる。その上に複合材料が積載されているオートクレーブ工具は、典型的には、適切な寸法許容差を確保し、複合材料を成形し硬化するのに用いられる高温と凝縮力とに耐える金属または強化複合材料から成形される。したがってオートクレーブ工具は、一般的に重く大熱質量を有する。工具の全熱質量は硬化の間複合材料と一緒に加熱され、完成した複合部品を取外す前に冷却されねばならない。工具の熱質量を加熱および冷却するのに必要な時間が、１つの複合部品を作製するのに必要な全体の時間にかなり付け加えられる。
【０００５】
部品の内側および外側の型線の両方で密な許容差を必要とする複合部品では、適合したオートクレーブ工具を用いなければならない。適合した工具が用いられると、オートクレーブ凝縮圧力を用いて、適合した工具に一緒に力を加え、複合部品を凝縮し、適切な部品寸法が達成される。適合した工具は開放面工具より高価であり、よい結果を得るために注意深く設計されねばならないので、部品作製費用が増す。
【０００６】
オートクレーブで複合部品を作製することに対する別の選択肢は、ホットプレスを使うことである。この方法では、プレプレッグは積載され、（必要であれば）袋詰めされ、完成した部品の内側および外側の型線を規定する成形面を含む適合した金属工具の間に設置される。工具および複合材料はプレス内に設置され次に加熱される。プレスは工具を一緒にまとめ、複合材料を凝縮し最終形状に成形する。ホットプレスでの複合部品の作製も、プレスを動作し、工具を維持するのに必要な多額の資本支出と多量のエネルギとのため、高価である。
【０００７】
一般的に、ホットプレスの動作では、密な許容差を得るために、質量の大きい適合した工具が低熱膨張率を有する高価な金属合金から形成される。工具は複合材料の凝縮温度にまで加熱するために膨大なエネルギおよび時間を必要とする実質的なヒートシンクである。凝縮後、工具は成形された複合部品を取外すことのできる安全な温度にまで冷却されねばならず、このため作製時間が付け加わる。
【０００８】
明細書中に示されこれにより引用により援用されている「誘電加熱作業セルのためのセラミックダイ」と題される米国特許第５，６８３，６０８号は、鋳造されたセラミックまたはフェノール本体内にある、間隔を空けて配列された誘電コイルのセグメントを組入れた誘電加熱作業セルで用いられる、セラミックダイを開示する。典型的にはフェノールからなる周辺圧縮枠はダイ本体を囲み、ダイ本体に流し込まれる側面および横面強化ロッドによりダイ本体に圧縮負荷を与える。適合したダイは閉じて誘電コイルの中心にあるワークピースに熱を伝える。
【０００９】
明細書中に示されこれにより引用により援用されている「有機マトリックス複合体または金属の誘電処理で熱均一性を得るための方法」と題される米国特許第５，７２８，３０９号と「有機マトリックス複合体または金属の誘電処理で熱均一性を得るためのレトルト」と題される米国特許第５，６４５，７４４号とはともに、セラミックダイを備えた金属または複合ワークピースシートを成形するための方法を開示する。各々の方法では、少なくとも１つのサセプタシートがワークピースシートに対して当接される。サセプタシートはワークピースが加熱されるべき温度とほぼ等しいキュリー温度を有する。サセプタシートの透磁率はキュリー温度で均一になり、これによりワークピースの温度がそのレベルで維持されるので、温度の均一性が得られる。
【００１０】
これらの進歩により処理時間が減じられ、完成品の品質を改善するのに大いに役立っている一方で、いくつかの問題点が残る。１つの問題点は、比較的長期間（すなわち、約２５０個以上）の製造稼働でのダイの耐久性に関係する。ダイの成形面は使用により劣化する傾向があり、典型的には、繰返し応力に応じて亀裂が生じ、および／または、上昇した温度でのサセプタとの、またはサセプタが利用されない場合、複合プレプレッグまたはレイアップでの樹脂と化学薬品との化学不和合性の結果、故障する。したがって、比較的大きな製造稼働は、典型的に複数組のダイを必要とし、これによりさらにこれらの部品の費用が増加する。
【００１１】
【発明の概要】
１つの好ましい形では、この発明はダイ本体を有するダイで用いられるダイライナを備え、ダイ本体はワークピースを成形するために構成される。ダイライナはダイ本体と関連して用いられるために構成される、別個の構造である。ダイライナはワークピースを成形するための成形面を規定し、ダイライナがダイの耐久性を増すように、ダイ本体の対応する特性とは異なった少なくとも１つの特性を有するよう構成される。
【００１２】
別の好ましい形では、この発明は成形装置で用いられるダイを提供する。ダイはダイ本体と別個のライナとを含む。ダイ本体は第１の材料から形成される鋳造部分を有する。ライナはダイ本体の鋳造部分に結合され、ダイ空洞と成形面とを規定する。ライナは第１の材料とは異なった第２の材料から形成される。第２の材料はダイ本体の鋳造部分より比較的耐久性が高く、ダイの長期使用を可能にする。
【００１３】
この発明の適用できるさらなる領域は、これ以降規定される詳細な説明から明らかとなるであろう。この発明の好ましい実施例を示す一方で、この詳細な説明と具体的な例とが説明だけを目的とするもので、この発明の範囲を限定することを意図していないものと理解されるべきである。
【００１４】
この発明のさらなる利点と特徴とは、添付の図面と関連して読まれると次の説明と前掲のクレームとから明らかとなるであろう。
【００１５】
【好ましい実施例の詳細な説明】
図１に関して、成形装置８はこの発明の教示に従って組立てられるダイセット１０を含むことが例示されている。提供されている特定の例では、成形装置８は誘電加熱成形装置であることが例示されているが、当業者はこの発明の原則が他の高温および低温成形ダイにも同様に適用されることを理解するであろう。ダイセット１０は、各々上部ストロングバック２４および下部ストロングバック２６内に取付けられるよう示される１対の噛み合う工具またはダイ２０および２２を含む。ストロングバック２４および２６はねじを切られた４つの柱状の支持体またはジャッキねじ２８の上に各々ねじを切られている。ジャッキねじ２８をベローズまたは他の起動機構を使って回し、上部および下部ストロングバック２４および２６を相対的に移動することができる。
【００１６】
ストロングバック２４および２６の各々は、その関連のダイ２０および２２のための硬い平坦な裏当て面を提供し、ダイ２０および２２を繰返される凝縮および成形動作中の曲げおよび亀裂から防ぐ。好ましくは、ストロングバック２４および２６は、工具箱の中の成形面の１平方フィート当り＋／−０．００３インチの表面許容差にダイを保持することが可能である。このような許容差は適切な部品許容差が確実に達成されるのを支援する。ストロングバック２４および２６は、成形中に存在する負荷を処理することができる銅、アルミニウムまたは他の材料から形成され得る。しかしながら、以下に説明される誘電コイルによって作り出される磁場への如何なる歪も避けるために、アルミニウムまたはいくつかの鋼合金のような非磁気の材料が好ましい。いくつかの状況では、ダイ２０および２２はストロングバックがなくても十分に強いことがあり得る。
【００１７】
さらに図２から４に関して、ダイ２０および２２の各々は、ボルトまたはクランプのような好適な締付け装置により、その関連したストロングバック２４および２６に装着され得る。この好ましい実施例では、ダイ２０および２２はクランプ棒４２を用いることによって、ストロングバック２４および２６の関連する一方の定位置に保持された支持板４０の上に取付けられる。クランプ棒４２は支持板４０の周縁の周りに延在し、留め具によりこれら各々のストロングバック２４および２６にボルトで締められている（図示せず）。
【００１８】
ダイ２０および２２の各々は、複数の格納壁５０、複数の強化ロッド５２、ダイ本体５４およびダイライナ５６を含むことが例示されている。例示されている特定の実施例では、格納壁５０は誘電加熱に影響されにくく、熱膨張率が低く、熱衝撃耐性が良好で、比較的圧縮強度が高い、フェノールのような材料からできている。格納壁５０の各々は、それに対して横方向に延在する他の格納壁５０の２つと当接する。
【００１９】
グラスファイバから形成される強化ロッド５２は、格子状に格納壁５０を通って経方向および緯方向の両方に延在する。強化ロッド５２は、好ましくは導電性でないので誘電加熱に影響されにくい。代わりに、強化ロッド５２は導電性材料からも形成され得るが、好ましくは誘電加熱に影響されないよう配列される。引張ナット５８が最初に使用されて、ダイ本体５４の成形前および間に格納壁５０に僅かにクランプ力を加えて互いに相対的な関係を維持する。
【００２０】
ダイ本体５４の各々は、好ましくは熱膨張率が低く、熱衝撃耐性が良好で、比較的圧縮強度が高い、複合体またはセラミック材料のような誘電加熱に影響されにくい第１の材料からできている。１つの好ましい材料は、鋳造可能な融解シリカセラミックである。ダイ本体を構築可能な１つの方法が、その開示がこの明細書中に示されこれにより引用により援用されている「強化セラミック構造」と題される共通に譲渡された米国特許第６，２３５，３８１号に説明されている。
【００２１】
ダイライナ５６は誘電加熱に影響されにくいだけでなく、第１の材料よりも比較的耐久性の高い第２の材料から形成される。これに関して、第２の材料は材料の強度（たとえば引張強度、せん断強度、圧縮強度、または疲労強度）または耐化学薬品性のような少なくとも１つの特性を有し、この特性は第１の材料の対応する特性とは異なり、ダイライナ５６の耐久性を比較的高くする。
【００２２】
第２の材料は、好ましくは意図した形状にスリップ鋳造されるＳｉＮｉ、またはたとえば高分子ゾル・ゲル（オルガノシランまたは結晶化ガラスゾル）および炭化ケイ素マトリックスを作り出す炭化ケイ素（たとえば、ニカロン）の長繊維あるいは短繊維から形成され得るセラミックマトリックス複合体、またはアルミノ−シリケートマトリックスを作り出す酸化アルミニウム（たとえば、ネクステル３１２または４４０）である。典型的には、ダイライナ５６は約２．０ｍｍ（０．８インチ）から約３．２ｍｍ（０．１３インチ）の厚さであるが、適切な状況では他の厚さのダイライナも使用され得る。ダイライナ５６は、必要に応じて硬化され（乾燥され）焼結され、その関連するダイ本体５４に固定して結合され、その関連するダイ２０および２２の成形面６０を作動的に形成する。好ましくは、ダイ２０および２２の各々のダイ本体５４は、ダイライナ５６上に流し込まれる（すなわち、バルクセラミックがダイライナ５６の非部品面上に流し込まれる）。
【００２３】
複数の誘電コイル７０がダイ２０および２２の長さを通って、縦に延在する。好ましい実施例では、４つの別個の誘電コイル７０が用いられているが、しかしながら、誘電コイルの他の数も使用され得る。誘電コイル７０の各々は、複数の直線管セクション７２および複数の可撓性コイルコネクタ７４から形成される。直線管セクション７２の各々は、それが配置されているダイ２０および２２の長さに沿って延在する。直線管セクション７２は好ましくは約１．６ｍｍ（０．６３インチ）の壁厚で直径約２５．４ｍｍ（１．００インチ）の軽く延ばされた銅管から形成され、好ましくは成形面６０から約１９．０ｍｍ（０．７５インチ）離れたところにあるようにダイ本体５４内に設置される。可撓性コイルコネクタ７４の各々は、ダイ２０の直線管セクション７２の１つをダイ２２の直線管セクション７２の１つに結合する。誘電コイル７０は、外部電源またはコイルドライバ７６に接続され、さらに誘電コイル７０の端にあるコネクタ７８により、冷媒源に接続される。
【００２４】
ダイ本体５４の強度を高めるために、ダイ本体５４が形成された後、強化ロッド５２には張力がかけられる。強化ロッド５２は張力をかけられた後、ダイ本体５４に圧縮負荷をかける。ダイ本体の鋳造セラミックは典型的に圧縮強度が高いが、引張強度は低いので、プレストレスコンクリートのための技術に類似したこの技術は、ダイ２０および２２の許容差を維持するために、またダイセット１０の使用中の亀裂または他の損傷を防ぐためにダイの組立てに利用される。
【００２５】
ダイ２０および２２が互いに向かって閉じられると、これらの成形面６０は協働してダイ空洞８２を規定する。提供された例では、ダイセット１０は超塑性成形動作のために使用され、その中で１対のチタンワークピース９０ａおよび９０ｂは、ダイ２０および２２により同時に成形され、図５および６に示されているように一緒にろう付けされることとなる。動作の際には、一片のろう付け材料９２がワークピース９０ａおよび９０ｂの間に置かれ、ワークピース９０ａおよび９０ｂはダイ２０および２２の間に装填される。ジャッキねじ２８（図１）が用いられて、ダイ２０および２２をワークピース９０ａおよび９０ｂに対して当接させ、十分な大きさのクランプ力をかけて超塑性成形動作を促進する。不活性雰囲気が好ましくはダイ空洞８２に導入され、ワークピース９０ａおよび９０ｂを酸化から守る。
【００２６】
コイルドライバ７６および冷媒源が起動され、誘電コイル７０に時間変動する電場および冷媒の両方を与える。コイルドライバ７６によって作り出された電場に応じて、誘電コイル７０は、電磁束を生成し、これが超塑性成形前にワークピース９０ａおよび９０ｂを望ましい温度に加熱するために使用される。提供された例では、温度制御は誘電コイル７０に供給される入力電力を制御することによって達成されるので、望ましい温度は数分から数時間までの予め定められた時間に比較的一定のレベルで維持され、その間にワークピース９０ａおよび９０ｂの処理が完了する。
【００２７】
誘電コイル７０を通って流れる冷媒は過剰な熱を除去し、これにより、これらがそれから形成されているところの銅がワークピース９０ａおよび９０ｂの加熱中に溶けないことを確実にする。ワークピース９０ａおよび９０ｂが十分に加熱されたとき、十分な圧力をかけられたアルゴン等のガスが、ダイ２０の成形面６０とワークピース９０ａとの間にある空間または区画９４、ダイ２２の成形面６０とワークピース９０ｂとの間にある区画９６、およびワークピース９０ａと９０ｂとの間にある区画９８にある、ダイ空洞８２に導入される。区画９４、９６および９８の各々の圧力は、それによりワークピース９０ａおよび９０ｂを変形する割合を制御できるよう調整される。当業者は区画９４および９６がその代わりに排気され得る（すなわち、真空下にされる）ことを理解するであろう。ワークピース９０ａおよび９０ｂが高温であるため、これらは比較的延性であり、ガスの圧力下でより容易に変形するので、ダイ２０および２２の各々１つずつの成形面６０に一致するよう押込まれる。さらに、ろう付け材料９２はこの高温で溶け、ワークピース９０ａおよび９０ｂの周辺の周りに強固な結合を作り出し、ワークピース９０ａおよび９０ｂを互いに固定して結合する。ワークピース９０ａおよび９０ｂが成形され互いに結合されるとき、時間変動する電場は誘電コイル７０から除去される。所望であれば、誘電コイル７０への冷媒の流れは、ダイセット１０ならびにワークピース９０ａおよび９０ｂを冷却できるよう維持され得る。
【００２８】
当業者に明らかである筈だが、ダイ２０および２２の各々の成形面６０は、ワークピース９０ａおよび９０ｂの縮みと、耐久ダイライナ５６が形成される材料に固有の処理縮みとを考慮に入れて形成される。当業者は、ダイライナ５６が強く頑丈な層を提供し、これによりワークピース９０ａおよび９０ｂを処理中に生じる直接接触と、ダイセット１０の運搬、設定および貯蔵中に被り得る他の偶発的な損傷とからダイ本体５４のセラミック材料を保護することを理解するであろう。
【００２９】
ダイセット１０はこれまで、ワークピースの外側の金型の線を形成する成形面６０を有する耐久ダイライナ５６を含むものと説明されてきたが、当業者はこの発明がそのより幅広い局面では、いくらか異なって組立てられ得ることを認めるだろう。たとえば、ダイは図７に例示されるように１対のサセプタシート１００と一緒に用いられるよう構成されるダイライナ５６′と一緒に形成され得る。サセプタシート１００はワークピース９０ａ′および９０ｂ′の各々と、その関連するダイ２０′と２２′との間にそれぞれ配置されるので、ダイライナ５６′の成形面６０′はサセプタシート１００が存在することに対処できるよう、先の実施例に対して拡大される。上述の米国特許第５，６４５，７４４号および第５，７２８，３０９号に開示されているように、サセプタシート１００はおおよそ予め定められた温度での温度制御を容易にするため、これらのキュリー温度に基づき選択される。これに関して、誘電コイル７０により生成される電磁束はセラミックを通ってサセプタシート１００の中に伝わる。というのも、これらは磁性であり、電磁束を密に収納するからである。サセプタシート１００はキュリー温度に達するまで電磁束に応じて加熱される。というのも、時間変動する磁場が材料の深さ全体にあまり集中電流を誘電しないであろうから、サセプタシート１００は非磁性となり、誘電加熱にさらに影響されにくくなるからである。したがって、キュリー温度を越えた誘電加熱は、サセプタシート１００の非磁性位相が非効率的に加熱されるので、キュリー温度での持続的な動作に必要とされる以上の大幅な入力電流の増加を必要とする。したがって、そのキュリー温度に基づきサセプタを思慮深く選択することにより、サセプタ全体で均一である最高温度制御が保証され得る。
【００３０】
この発明が好ましい実施例に関して明細書中に説明され、図面に例示されている一方で、クレームに規定されるこの発明の範囲から逸脱することなくさまざまな変更が可能であり、均等物がこの発明の要素として代用され得ることが当業者によって理解されるであろう。さらに、この発明の本質的な範囲から逸脱することなく、この発明の教示に特定の状況または材料を適合させるために多くの修正が行なわれ得る。したがって、この発明は、発明実施のために現在考慮されている最良の形態として図面に例示され明細書中に説明されている特定の実施例に限定されず、この発明は、以上の説明および前掲のクレームに含まれる如何なる実施例も含むであろうことを意図している。
【図面の簡単な説明】
【図１】  この発明の教示に従って組立てられるセラミックダイセットを有する有機マトリックス複合パネルを凝縮し形成するための装置の斜視図である。
【図２】  図１の装置の断面略図である。
【図３】  可撓性コイルコネクタの断面図である。
【図４】  図１の装置の一部分の一部破断図である。
【図５】  図２と同様であるが、ダイセットに装填され未成形状態の１対のワークピースを例示する図である。
【図６】  図５と同様であるが、成形状態のワークピースを例示する図である。
【図７】  この発明の第２の実施例の教示に従って組立てられるダイセットの一部断面図である。
【符号の説明】
８  成形装置、５４  ダイ本体、８２  ダイ空洞、６０  成形面、２０  ダイ、２２  ダイ、２０′  ダイ、２２′  ダイ、５６  ダイライナ、９０ａ  ワークピース、９０ｂ  ワークピース、９０ａ′  ワークピース、９０ｂ′  ワークピース。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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