JP2011518275A - 翼端部からある距離の所に仮のブレード支持リングを備えた、一体形ブレード付きディスクを製造する改良された方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、隣接して連続するブレードプリフォーム間に橋渡し手段（１１２）を形成する材料を維持しながら、研磨ウォータジェットを使用して、ディスク（４）から放射状に延在しているブレードプリフォーム（１０２）を残すように材料ブロック（１００）を切削するステップであり、前記橋渡し手段が、ディスクから径方向に離れておりかつ翼端部から径方向内側のある距離の所にブレードプリフォームを相互に連結するリングを基本的に形成するように実施される、切削するステップと、次に、橋渡し手段（１１２）を除去するステップとを含む、一体形ブレード付きディスクを製造する方法に関する。

Description

本発明は、全般的に、好ましくは航空機タービンエンジンのための一体成形（single-piece）ブリスクの製造に関する。

ブリスクとも呼ばれる、一体成形ブレード付きディスクは、第１のステップにおいて研磨ウォータジェットを使用して材料ブロックを切削し、その後に１つまたは複数のフライス加工ステップが続いて、作製することができる。

フライス加工の前に研磨ウォータジェットを使用する切削ステップを用いることは、フライス加工だけに基づく方法と比較して、製造時間および製造コストを著しく減少させる。これは、特に、そのような製造方法が、ブリスクを作製するために最初のブロックにおいて材料の約７５％の除去を必要とすることによる。研磨ジェットを用いた切削によりこの材料の大部分を除去することにより、製造時間を短縮し、またフライス盤の磨耗を制限することができる。

それでもなお、この工程は、十分に最適であるとは考えられない。この工程の間、ブレードの変形および振動が存在することが欠点であり、これは特に、長いブレードにとって深刻である。製造されるブリスクの品質へのこれらの変形および振動の影響を制限するために低進行速度が必要であり、したがって生産が減速する。振動およびより長い製造時間もまた、機器の磨耗を増大させ、これが製造コストに悪影響を及ぼす。

したがって、本発明の目的は、先行技術による実施形態の前述の欠点を、少なくとも部分的に改善することである。

このことを達成するために、本発明の目的は、以下の
−隣接して連続する（directly consecutive）ブレードプリフォーム間に連結手段を形成する材料を維持しながら、ディスクから放射状に外側に延在するブレードプリフォームを作るように、研磨ウォータジェットを使用して材料ブロックを切削するステップであり、前記連結手段が、前記ディスクから径方向に間隔を置いた所にリングをおおよそ形成し、先端からある径方向内側の距離の所で前記ブレードプリフォームを連結するように実施される、切削するステップと、
−前記連結手段を除去するステップと
を含む、一体成形ブリスクを製造する方法である。

したがって、本発明は、研磨ウォータジェットを使用する切削ステップ中に、ブレードプリフォーム間に支持リングを作り出す点で優れている。このことにより、ブレードが最初のブロックの材料により機械的に互いに固定されたままなので、ブレードが製造されている間に、それらの変形および振動を強力に制限することができるか、または無くすこともできる。

この特有の特徴は、種々の機器を高進行速度で使用することができ、したがって、仕上げ済みのブリスクの品質を脅かすことなく製造時間を短縮することができることを意味する。さらに、製造時間の短縮および製造中のブレードの振動の低減により、機器の磨耗が遅れ、このことにより製造コストが有利に制限される。

したがって、研磨ジェット切削ステップは、前記連結手段が、好ましくはディスクの軸線に中心がありかつブレードプリフォームの翼端部からある距離の所にあるリングをおおよそ形成するように実施される。このリングは、好ましくは３６０°を巡って延在しており、該リングが連結するブレードプリフォームによってのみ遮断されている。しかし、前述の通り、このリングは必ずしも完全に閉じていない。換言すれば、該リングは、全ての隣接して連続するプリフォームを連結している訳ではない可能性がある。

しかし、研磨ウォータジェットを使用する切削ステップは、前記リングが全てのブレードプリフォームを互いに連結し、次に、各プリフォームがブリスクの１つのブレードを形成するように行われることが好ましい。リングは、次いで、翼端部からある径方向内側の距離の所で前記ブレードプリフォームを連結する。例えばこの場合、リングは、プリフォームを約半分の長さの所で互いに連結することができると考えられる。

前述の内側支持リングと共に外周支持リングを設けることができ、内側支持リングは、外周リングから径方向内側にあることに留意されたい。

連結手段を形成する材料は、研磨ウォータジェット切削ステップの終わりまで維持されることが好ましい。連結手段は、次いで、ブリスク製造方法の後のステップ中に除去されるだけである。

この点において、研磨ウォータジェット切削ステップの後に、ブレードプリフォームにフライス加工を施すステップが続き、該フライス加工ステップは、翼形ブレードブランクを得るように実施されることが好ましく、このステップの後に、最終的な外形になったブレードを得るために、ブレードブランクに仕上げを施すフライス加工ステップが続くことが好ましいことに留意されたい。

本発明の第１の好適な実施形態によれば、前記連結手段を除去する前記ステップは、ブレードプリフォームにフライス加工を施す前記ステップの前に、したがって、好ましくはこの後者のステップと研磨ウォータジェット切削ステップとの間に、実施される。

本発明の第２の好適な実施形態によれば、前記連結手段を除去する前記ステップは、ブレードプリフォームにフライス加工を施す前記ステップと前記仕上げステップとの間に実施される。

より一般的には、前記連結手段を除去するステップは、ブレードプリフォームにフライス加工を施す前記ステップの後に実施することができ、前記連結手段を除去するステップの後に、別個のフライス加工仕上げステップが続くことができ、または前記連結手段を除去するステップがそのような仕上げステップを含むことができる。

この点において、本発明の第３の好適な実施形態によれば、前記連結手段を除去する前記ステップは、前記仕上げステップの後に実施される。

明らかに、以下の
−研磨ウォータジェットを使用する切削ステップの前に、材料ブロックを施削するステップ、
−仕上げを施すステップの後の、ブレードを研磨しかつ／またはそれにショットブラストを施すステップ、
−ブレードを一定の長さに（to length）切断するステップ、および
−ブリスクの平衡を保つステップ
などの他の従来のステップを本発明による方法において使用することができる。

好ましくは、前記一体成形ブリスクの直径が、８００ｍｍより大きいかまたはそれに等しい。この点において、ブレードの変形および振動が低減されるかまたはなくなることもあるので、製造中にブレードを一緒に保持する連結手段の存在により、長いブレードを備えたより大きい直径のブリスクを製造することが可能になることに留意されたい。好ましくは、ブレードの最小長は、１５０ｍｍである。

好ましくは、前記一体成形ブリスクの厚さが、１００ｍｍより大きいかまたはそれに等しい。それにも関わらず、該厚さは、研磨ウォータジェット切削技術によって達成されうる潜在的に高い性能により、１６０ｍｍ程度であるかまたはそれより大きい可能性がある。この厚さは、前縁と後縁との間の、各ブレードにより覆われた、ブリスクの軸線に沿った距離に略等しい。

好ましくは、一体成形ブリスクのブレードは捻じれており、捻じれ角度は、最大４５°またはそれよりさらに大きい角度まで変動する。

好ましくは、使用される前記材料ブロックは、チタンまたはチタン合金製である。

好ましくは、前記一体成形ブリスクは、航空機タービンエンジン用の一体成形ブリスクである。

さらに好ましくは、前記一体成形ブリスクは、航空機タービンエンジンのタービンロータまたは圧縮機ロータ用の一体成形ブリスクである。

本発明の他の利点および特徴は、以下の詳細かつ非限定的な記載を読んだ後に、明らかになるであろう。

本記載は、添付図面を参照して作成されている。

本発明による製造方法を実施することにより得ることができるタービンエンジン用の一体成形ブリスクの斜視部分図である。 好適な実施形態の１つによりブリスクが作製される場合、その製造方法のあるステップにおける一体成形ブリスクを示す図である。 好適な実施形態の１つによりブリスクが作製される場合、その製造方法のあるステップにおける一体成形ブリスクを示す図である。 好適な実施形態の１つによりブリスクが作製される場合、その製造方法のあるステップにおける一体成形ブリスクを示す図である。 好適な実施形態の１つによりブリスクが作製される場合、その製造方法のあるステップにおける一体成形ブリスクを示す図である。 好適な実施形態の１つによりブリスクが作製される場合、その製造方法のあるステップにおける一体成形ブリスクを示す図である。

最初に図１を参照すると、図は、本発明による製造方法を用いることにより得られる一体成形ブリスク（single-piece blisk）１を示している。該一体成形ブリスクは、航空機タービンエンジン用の圧縮機ロータまたはタービンロータの一部を形成することを目的としていることが好ましい。

本発明による製造方法を用いて得られる、本明細書において以後ブリスクと呼ばれる一体成形ブリスクは大きく、換言すれば、その直径は８００ｍｍより大きいかまたはそれに等しく、そのブレード２の長さは少なくとも１５０ｍｍであり、そのディスク４の厚さ＜＜ｅ＞＞は１３０ｍｍより大きいかまたはそれに等しい。さらに、その中心軸線５を有するディスク４により支持されているブレードは、最大４５°またはそれよりさらに大きい捻じり角度で強く捻じられている。参考として、従来の実践によれば、この角度は、翼根部６と特定のブレード２の翼端部８との間の架空の角度に等しい。

ブリスク１を製造する方法の好適な実施形態が、ここで図２ａから２ｅを参照して記載される。

最初に、＜＜一体成形ブランク＞＞とも呼ばれるチタン合金製の材料ブロックにおいて、第１の施削ステップが実施され、このブロックを例えばその最終寸法の１ｍｍの範囲内まで機械加工するために、予備機械加工されることが好ましい。

次のステップは、ブレードプリフォームを形成するために、研磨ウォータジェットを使用して固体ブロックを切削することで構成されている。

これは、非常に高い圧力（例えば３０００バール）と非常に高精度のウォータジェット切削機（例えば６軸の機械）とを使用して実施される。その非常に高い水圧は、材料に対するその切削効果を最適化する研磨剤を運ぶ。そのウォータジェットは、ダイヤモンドまたはサファイアのノズルを使用して、既知の方法で作り出される。また、砂などの研磨剤を加えるのに使用される混合室がある。集束銃が水と砂とを均質化し、切削されるゾーン上に砂を合わせる。

この研磨ジェット切削技術は、大きな材料除去率と良好な再現性を可能にする。したがって、該技術は、その軸線５に沿って材料ブロックの全厚＜＜ｅ＞＞を貫通するブレード間の間隙を作り出すために、材料の除去に完全に適している。

このことは、研磨ウォータジェット切削ステップ完了後の材料ブロック１００の最上部を示す図２ａに示されている。したがって、このブロックは、ディスク４から径方向に沿って、換言すれば中心軸線５に対して直角のブレードプリフォーム１０２を含む。一般に、外周に沿って隣接して連続するブレードプリフォーム１０２間のブレード間の間隙（inter-blade spaces）１１０を形成するために、切取りは、ブロック１００の厚さの範囲内で行われる。

切取りはまた、プリフォーム１０２間にリング形状の連結手段１１２を形成するために行われ、このリング形状の連結手段１１２は、軸線５に中心がある。このリング形状の連結手段は、翼根部４からプリフォームの全長の約２分の１と６分の５の間の距離の所で、全てのブレードプリフォーム１０２を互いに連結することが好ましい。したがって、リング形状の連結手段１１２は、ブレードプリフォームの翼端部１０８から径方向内側に配置されており、その結果として、該リング形状の連結手段が本方法の次のステップ中に除去される前に、ブレード間の間隙１１０内に材料の残余部分を作り出す。

この研磨ウォータジェット切削ステップは、第１の切削作業工程を行って、各々がディスクから径方向に沿って捻じれているかまたは螺旋形状を有する２つの第１の材料片を除去することにより実施することができ、これら２つの第１の断片は、リングにより径方向に沿って互いに分離され、次に、第１の作業工程の後に、やはり径方向に沿って捻じれているかまたは螺旋形状を有する第２の断片を除去する第２の切削作業工程が続く。

より正確には、図２ｂに含まれる図の右部分は、第１の切削作業工程がその軸線５に沿って材料ブロック１００の厚さ全体の端から端まで延在している第１の材料片１１４ａを切り取ることを示す。これは、翼根部４から始まり、リング１１２の論理的位置の所まで径方向に沿って続き、次いで、このリングを周方向に辿った後、径方向内側方向に変わって再び翼根部４に達し、次にこの翼根部を辿ってその最初の点に戻る、図２ａの下部に示されている閉じた線１１８ａに沿って集束銃１１６の軸を移動させることにより実施される。

前述の線１１８ａに沿った経路の間に、集束銃１１６の軸は、好ましくは固定されたままである軸線５に対する適切な付加的な移動により移動し、この付加的な移動は、本質的に銃の軸が径方向を中心に枢動し、かつ径方向に沿って概して捻じれた形状を有する第１の断片１１４ａを形成することからなる。さらに一般的には、軸線５に対して銃１１６が辿る経路は、２つの同時回転により得られるいわゆる５軸経路であることに留意されたい。第１の断片１１４ａは、図２ｂの中央部分に示されている通り、操作者により手作業で除去されることが好ましい。

径方向に垂直な典型的な部分を示すこの図上に見られる通り、断片１１４は、ブロックの厚さに沿った２つの対向側面が、この工程が完了すると得られる２つの隣接して連続するブレード２に非常に近接して通過する四辺形の形態である。

次に、図２ｂの右部分および図２ａの底部を再度参照すると、軸線５に沿って材料ブロック１００の全厚の端から端まで延在しており、かつ第１の材料片１１４ａの外側径方向延長部分に沿って全体的に配置されている別の第１の材料片１１４ｂであり、これら２つの断片に対向して配置されているリング１１２の部分により第１の材料片１１４ａから分離されている別の第１の材料片１１４ｂを切り取るために、第１の切削作業工程が継続されている。これは、ブロック１００の径方向端部から始まり、リング１１２の論理的位置の所まで径方向内側に続き、次いで、このリングを周方向に辿った後、径方向外側方向に変わって再びブロック１００の別の径方向端部に達する、全体的にＵ字形の線１１８ｂに沿って集束銃１１６の軸を変位させることにより実施される。

前述の線１１８ｂに沿ったその経路の間、集束銃１１６の軸は、好ましくは固定されたままである軸線５に対する適切な付加的な動きにより移動し、この付加的な動きは、本質的に銃の軸が径方向を中心に枢動し、かつ径方向に沿って概して捻じれた形状を有する別の第１の断片１１４ｂを形成することからなる。また、この別の第１の断片１１４ｂは、図２ｂの中央部分に図示されている通り、操作者により手作業で除去されることが好ましい。径方向に垂直な典型的な部分を示すこの図上に見られる通り、別の第１の断片１１４ｂはまた、ブロックの厚さに沿った２つの対向側面が、この工程が完了すると得られる２つの隣接して連続するブレード２に非常に近接して通過する四辺形の形態である。

前段に続いて、第１の断片１１４ａ、１１４ｂの各除去により、２つの隣接して連続するブレードプリフォーム１０２の表面が形成される。第１のステップでは、全ての第１の断片１１４ａ、１１４ｂを切り取ることが好ましく、その数は、ブリスクに設けられるブレード数次第であり、これらの断片は、次いで、第２の切削作業工程を開始する前に、手作業で除去される。

この第２の作業工程は、ブレード部分は湾曲しているが研磨ウォータジェットが略直線でブロックを貫通するので、一度の切削で近づくのが難しい最終的なブレードの反転した曲面を有する捻じれた形状に、得られるブレードプリフォームの形状が可能な限り近くなるように実施される。

第２の切削作業工程が、ブロック１００の厚さの一部のみの上に、換言すれば、第１の断片１１４ａ、１１４ｂの除去により形成される放射状の要素１２２の厚さの一部のみの上に延在している第２の材料片１２０を切り取ることを、図２ｂに含まれる図の右部分が示す。断片１２０はまた、その関連の要素１２２の放射状の部分上にのみ延在している。すなわち、該断片は、プリフォームの翼端部１０８に達することなく、すなわち例えば図２ａに見られる通りリング１１２の所までのみ、翼根部から延在している。

これは、放射状の線１２４に沿って集束銃１１６を移動させることにより実施され、該放射状の線の一部分が、図２ａに示されている。該放射状の線は、翼根部４から始まり、したがって、第１の断片１１４ａ、１１４ｂの除去により形成されたリング１１２に到達するまで、略放射状に延在している。例えば、研磨ウォータジェットが通過する線１２４は、放射状の要素１２２の約半分の厚さの所に位置している。

前述の線１２４に沿ったその経路の間に、集束銃１１６の軸は、好ましくは固定されたままである軸線５に対する適切な付加的な移動により駆動され、この付加的な移動は、基本的に、径方向を中心にした銃の軸の枢動を含み、径方向に沿った全般的に捻じれた形状をも有する第２の断片１２０を形成する。再度、さらに一般的には、集束銃１１６が辿る、軸線５に対する経路は、２つの同時回転により得られるいわゆる５軸経路であることに留意されたい。この第２の断片１２０は、やはり研磨ウォータジェットによってひとたび翼根部４から完全に分離されたならば、図２ｂの右部分に図示されている通り、操作者の補助なくひとりでに分離することが好ましい。

この点において、集束銃１１６が、略放射状の線１２４ばかりでなく、線１２４の径方向内側端部から翼根部４に沿って延びる線の円形部分（図示せず）にも沿って移動して、第２の断片１２０を翼根部から完全に分離することに留意されたい。

径方向に垂直な任意の部分を示す図２ｂに見られる通り、第２の断片１２０は、作業工程が完了すると関連の放射状の要素１２２から得られるブレード２に、側面の１つが可能な限り近接して通過する三角形の形態である。

第２の断片１２０全てが除去されると、ブロックの残りは、各プリフォーム１０２により遮断されている環状リングの形態のリング１１２により連結されているブレードプリフォーム１０２だけである。したがって、研磨ウォータジェット切削ステップは完了する。

本方法は、次にブレードプリフォーム１０２を連結しているリング１１２が除去されるステップを推進する。このステップは、ワイヤ切削またはフライス加工などの、当業者が適切と考える任意の方法で実施される。この点において、図２ｃは、このリング１１２とプリフォームの各々との間の連結部の切削部による、ブロック１００の残部からのリング１１２の分離を概略的に示している。これら略径方向の切削部全てが得られると、リングは、部分ごとに、材料ブロック１００から容易に引き抜かれうる。

次のステップは、翼形ブレードブランク２０２を得るために、ブレードプリフォーム１０２にフライス加工を施すことである。換言すれば、例えば５軸フライス盤を使用して実施されるこのステップの目的は、ブレードプリフォーム１０２上に残存している材料を除去して、例えば０．６ｍｍの範囲内で最終的な寸法に近づくことである。

この場合において、ブレードプリフォーム１０２は１つずつ機械加工され、図２ｄに示されているように、各々が翼形ブレードブランク２０２を形成することが好ましい。

次いで、別のフライス加工ステップが実施され、これは、ブレード２にフライス加工を施して翼形ブレードブランク２０２からそれらの最終的な外形を達成する仕上げステップと呼ばれる。使用される工具類は、より精密な機械加工を可能にして、最終的な寸法を得、したがって、図２ｅの右部分に示されているブレード２を得る。

本方法のこの段階において、材料の残存体積は、研磨ウォータジェット切削ステップの開始直前すなわち前述の施削ステップ直後の、このブロックの体積の２５％未満である。

また、本方法の後に、例えば手仕上げ（ｍａｎｕａｌ ｆｉｔｔｉｎｇ）または摩擦仕上げにより研磨するステップ、ショットブラストを施すステップ、ブレードを一定の長さに（ｔｏ ｌｅｎｇｔｈ）切断するステップ、および／またはブリスクの平衡を保つステップを含む１つまたはいくつかの従来のステップが続いてよい。

交互に、ブレードプリフォームフライス加工ステップ後に、またはフライス加工仕上げ後に、リングを除去することができる。

明らかに、当業者なら、単に非限定的な例として上述した本発明に対する種々の変形形態を作成することができると考えられる。

１ 一体成形ブリスク
２ ブレード
４ ディスク、翼根部
５ 中心軸線
１００ 材料ブロック
１０２ ブレードプリフォーム
１０８ 翼端部
１１０ ブレード間の間隙
１１２ （支持）リング、連結手段、橋渡し手段
１１４ａ、１１４ｂ 第１の材料片
１１６ 集束銃
１１８ａ 閉じた線
１１８ｂ 線
１２０ 第２の材料片
１２２ 放射状の要素
２０２ 翼形ブレードブランク

Claims (14)

1. 一体成形ブリスク（１）を製造する方法であって、
   隣接して連続するブレードプリフォーム間に連結手段（１１２）を形成する材料を維持しながら、ディスク（４）から放射状に外側に延在する前記ブレードプリフォーム（１０２）を作るように、研磨ウォータジェットを使用して、材料ブロック（１００）を切削するステップであり、前記連結手段が、前記ディスクから径方向に間隔を置いた所にリングをおおよそ形成し、先端からある径方向内側の距離の所で前記ブレードプリフォームを連結するように実施される、切削するステップと、
   前記連結手段（１１２）を除去するステップと
   を含むことを特徴とする、方法。
2. 前記研磨ウォータジェットを使用する前記切削するステップは、前記リング（１１２）が全てのブレードプリフォーム（１０２）を互いに連結するように実施されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 前記研磨ウォータジェットを使用する前記ステップの後に、前記ブレードプリフォームにフライス加工を施すステップが続くことを特徴とする、請求項１または２のいずれか一項に記載の方法。
4. 前記ブレードプリフォーム（１０２）にフライス加工を施す前記ステップは、翼形ブレードブランク（２０２）を得るように実施され、好ましくは、このステップの後に、最終的な外形になったブレード（２）を得るために、前記ブレードブランク（２０２）に仕上げを施すフライス加工ステップが続くことを特徴とする、請求項３に記載の方法。
5. 前記連結手段（１１２）を除去する前記ステップは、前記ブレードプリフォーム（１０２）にフライス加工を施す前記ステップの前に実施されることを特徴とする、請求項３または請求項４に記載の方法。
6. 前記連結手段（１１２）を除去する前記ステップは、前記ブレードプリフォーム（１０２）にフライス加工を施す前記ステップと前記仕上げを施すステップとの間に実施されることを特徴とする、請求項４に記載の方法。
7. 前記連結手段（１１２）を除去する前記ステップは、前記ブレードプリフォーム（１０２）にフライス加工を施す前記ステップの後に実施されることを特徴とする、請求項３または請求項４に記載の方法。
8. 前記連結手段（１１２）を除去する前記ステップは、前記仕上げを施すステップの後に実施されることを特徴とする、請求項４に記載の方法。
9. 前記一体成形ブリスクの直径が、８００ｍｍより大きいかまたはそれに等しいことを特徴とする、請求項１から８のいずれか一項に記載の方法。
10. 前記一体成形ブリスク（１）の厚さ（ｅ）が、１００ｍｍより大きいかまたはそれに等しいことを特徴とする、請求項１から９のいずれか一項に記載の方法。
11. 前記一体成形ブリスクの前記ブレード（２）が捻じれていることを特徴とする、請求項１から１０のいずれか一項に記載の方法。
12. 使用される前記材料ブロック（１００）は、チタンまたはチタン合金製であることを特徴とする、請求項１から１１のいずれか一項に記載の方法。
13. 前記一体成形ブリスクは、航空機タービンエンジン用の一体成形ブリスクであることを特徴とする、請求項１から１２のいずれか一項に記載の方法。
14. 前記一体成形ブリスクは、航空機タービンエンジンのタービンロータまたは圧縮機ロータ用の一体成形ブリスクであることを特徴とする、請求項１から１３のいずれか一項に記載の方法。

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