JP2004507367A - 超塑性成形型および型インサート - Google Patents

Abstract

型（１０）は焼成ガラス状シリカで作製された、成形される成型物品（１２）と接触される少なくとも一部（２０）を含む。本発明方法によれば、該成形物品（１２）は超塑性変形を受けうる材料，たとえばチタンもしくは合金、アルミニウムもしくはアルミニウム合金、または超塑性を示す材料、から作製された、プレート（１８）の型（１０）内で超塑性成形により成形される。好適には，バリアは、たとえば、型（１０）内にプレート（１８）を置く前に、型（１０）と成形される成形物品（１２）との接触表面の少なくとも一部を、窒化ホウ素で被覆することにより、および／または型（１０）と成形される成形物品（１２）との接触表面の間に不活性ガス、特にヘリウムもしくはアルゴンを注入することにより、型（１０）と成形される成形物品（１２）との接触表面の少なくとも一部の間に形成される。

Description

【０００１】
本発明は超塑性成形（ｓｕｐｅｒｐｌａｓｔｉｃ ｆｏｒｍｉｎｇ）により成形物品（ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ）を成形（ｓｈａｐｉｎｇ）するための型（ｍｏｕｌｄ）、インサート（ｉｎｓｅｒｔ）、装置（ｄｅｖｉｃｅ）および方法、ならびにこの方法により得られる成形物品に関する。
【０００２】
ある温度および機械的応力の条件下で、チタン、チタン合金、アルミニウムもしくはあるアルミニウム合金、鋼等のようなある材料は超塑性（ｓｕｐｅｒｐｌａｓｔｉｃｉｔｙ）、すなわち破壊しないで多量の変形を受ける能力、を示す。この性質は、頭字語（ａｃｒｏｎｙｍ）ＳＰＦ（超塑性成形）（ＳｕｐｅｒＰｌａｓｔｉｃ Ｆｏｒｍｉｎｇ ）により一般的に呼ばれる超塑性成形（ｓｕｐｅｒｐｌａｓｔｉｃ ｍｏｕｌｄｉｎｇ）法により複雑な成形物品を製造することを可能にする。
【０００３】
金型は、超塑性成形による成形物品成形のために最近の技術としてすでに知られている。このような金型は、特殊な合金で作製され、そして複雑な機械加工作業を必要とするので、比較的高価である。さらに金型は熱塑性成形に適切な温度に加熱するために大量のエネルギーを消費し、そして不均一な温度分布ならびに金型の変形をもたらしうる温度変動に鋭敏である。
【０００４】
これらの難点をできるかぎり改善するために、超塑性成形によりチタンもしくはチタン合金製の成形物品を成形することについて、最近の技術として、特に米国特許４，９８４，３４８；５，６６１，９９２もしくは５，２１４，９４９号で提案されている。型は成形キャビティが形成される下型（ｂａｓｅ）ならびにその間にチタンもしくはチタン合金プレートが置かれるように設計される上型（ｃｏｖｅｒ）からなるのが通常である。従来の方法により、型は加熱され、プレートは下型および上型の間に締め付けられ、ついで不活性ガスが上型および下型の間に加圧下に注入される。ガス圧の作用下に、プレートは超塑性変形を受け、型キャビティの形状を帯びる。
【０００５】
米国特許第４，９８４，３４８；５，６６１，９９２および５，２１４，９４９号は少なくとも部分的にセラミックで作製された型を記述する。この材料は、もっと具体的には、粒状ガラス状シリカにもとづくフィラーおよびアルミン酸塩もしくはケイ酸塩にもとづくバインダーから一般的になる耐火コンクリートである。
【０００６】
耐火コンクリートにおいて、バインダーはマトリックスを形成し、その中で粒状フィラーが保持される。しかし、ある条件下では、粒状フィラーの粒子はマトリックスから分離されうる。特に耐火コンクリート型内に超塑性状態で保持されるチタンもしくはチタン合金のような材料は成形される材料と接触して型表面の微小キャビティに入る。成型物品を脱型する際に、これは型表面で材料を分離させ、および／または成型物品の表面に欠陥を生じさせる。加えて、型は早期摩耗（ｐｒｅｍａｔｕｒｅ ｗｅａｒ）を受ける。これらの難点は受け入れられない数多くの成型物品を生じさせる。
【０００７】
さらに、超塑性成形の条件下で、型が作製されている耐火コンクリートのバインダーを形成する材料、たとえばアルミン酸塩もしくはケイ酸塩は、数μｍに達しうる深さまで成形物品中に移行する傾向がある。このような成形物品の表面汚染は、ある用途、特に航空機産業への使用が意図されるチタンもしくはチタン合金を用いた成形物品の場合には、受け入れられない。
【０００８】
本発明の目的は非常に満足しうる表面仕上げを示す成形物品を製造することのできる，耐摩耗および耐熱衝撃性の超塑性成形により、成形物品を成形するための型を提案することである。
【０００９】
そのために、本発明の目的は、超塑性成形により成形物品（１２）、特にチタンもしくはチタン合金、アルミニウムもしくはアルミニウム合金、または超塑性を示す材料から作製される成形物品、を成形するための型（１０）であり、成形される成形物品（１２）と接触するように設計され、焼成ガラス状シリカから作製された少なくとも一部を含むことを特徴とする。
【００１０】
この型の他の特徴によれば：
焼成されたガラス状シリカからなる型の一部が型インサートを構成する；
型は、型と成形される成形物品との接触表面の少なくとも一部の間にバリアを形成するように設計された手段を含む；
バリアを形成するように設計された手段は、成形される成形物品と接触する型の表面の少なくとも一部を被覆する窒化ホウ素被覆を含む；
バリアを形成するように設計された手段は成形される成形物品と接触する型の表面で、不活性ガス、特にヘリウムもしくはアルゴン、を注入する手段を含む。
【００１１】
さらに、本発明の目的は、超塑性成形により成形物品、特にチタンもしくはチタン合金、アルミニウムもしくはアルミニウム合金、または超塑性を示す材料から作製される成形物品、を成形するための型用のインサートであり、インサートは成形される成形物品と接触するように設計された成型表面の輪郭を描く種類であって、そして焼成されたガラス状シリカで作製されていることを特徴とする。
【００１２】
さらに、本発明の目的は、２つのプラテンを備えたプレスを含む種類の成形装置であり、それらのプラテンの間に超塑性成形により成形物品、特にチタンもしくはチタン合金、アルミニウムもしくはアルミニウム合金、または超塑性を示す材料から作製される成形物品、の成形のための型がはさまれて置かれており、そして型は上述の型であることを特徴とする。
【００１３】
この装置のもう一つの特徴によれば、加熱ブロック（好ましくはセラミックで作製される）が各プレスプラテンと型の間にはさまれて置かれている。
【００１４】
さらに、本発明の目的は、成形物品を成形する方法であり、その成形物品は超塑性変形を受けることのできる材料、特にチタンもしくはチタン合金、アルミニウムもしくはアルミニウム合金、または超塑性を示す材料により作製されているプレートの型内で超塑性成形により成形される種類の成形物品であり、そしてプレートは上述の型内に置かれることを特徴とする。
【００１５】
この方法の他の特徴によれば：
バリアは型と成形される成形物品との接触表面の少なくとも一部の間に形成され；
バリアは、プレートが型内に置かれる前に、型および成形物品の接触表面の少なくとも一部を窒化ホウ素で被覆することにより成形され；
バリアは、型と成形される成形物品との接触表面の間に不活性ガス、特にヘリウムもしくはアルゴン、を注入することにより形成される。
【００１６】
さらに、本発明の目的は、成形物品、特にチタンもしくはチタン合金、アルミニウムもしくはアルミニウム合金、または超塑性を示す材料から作製される成形物品であり、上述の方法により得られることを特徴とする。
【００１７】
本発明は例として示され、かつ図面を参照してなされる次の説明を読むことによりさらに良く理解される。そして、図１は本発明による型の断面図であり、図２は本発明による方法で得られる成形物品の概略図であり、そして図３〜５は本発明による成形装置の概略図である。
【００１８】
図１は参照符号１０により示される、本発明による型を示す。この型は超塑性成形により図２に示されるような構成物品１２を成形するように設計されている。成形物品１２は、チタンもしくはチタン合金、たとえばＴＡ６Ｖから作製される。成形物品は超塑性変形に耐えることのできる他の材料、たとえばアルミニウムで製造されうる。
【００１９】
図１の例に示される型１０は下地１４および上型１６を含み、その間で超塑性変形を受けることのできる材料のプレート１８が間にはさまれるように意図される。下型１４は成形される成形物品と接触するように設計された成形表面の輪郭を描くインサート２０と適合する。変形として、成形表面は下型１４に直接に結合される。
【００２０】
本発明によれば、型１０は焼成ガラス状シリカから作製された、成形された成形部品と接触するように設計された少なくとも一部を含む。焼成ガラス状シリカの型の部分は、下型１４、インサート２０および／または上型１６を含む。
【００２１】
焼成ガラス状シリカは、これまで本発明の分野での使用は特に型の加熱に不適合であるという断熱性の理由から当業者に軽んじられてきたが、本発明において数多くの利点を示すことが見出され、特にその中で次のとおりである。
【００２２】
焼成ガラス状シリカは不均一な温度分布に実際上、鋭敏さを示さない。このために、従来の金型（ｍｅｔａｌ ｍｏｕｌｄ）の場合に要求される型形状を計算する必要がない。
【００２３】
さらに、焼成ガラス状シリカは焼成プロセスの間に部分溶融により一緒に結合されるシリカ粒子からなる。この焼成構造におけるシリカ粒子は耐火コンクリート（セラミック）構造におけるシリカ粒と異なって、非常に分離しにくい。
【００２４】
加えて、いかなるバインダーも含まない焼成シリカの構造は、バインダーが成形物品に混入しやすい耐火コンクリートの場合に観察される状況と異なり、型内で超塑性成形により成形される成形物品を汚染する危険を提起しない、純度の高いガラス状シリカ相から構成される。
【００２５】
最後に、焼成ガラス状シリカから作製される型もしくは型の一部を、超塑性成形に要求される温度まで持っていくのに必要なエネルギー量は従来の金型の場合に要求されるエネルギーに比べて比較的小さい。いったん型もしくは型の一部が要求される温度に達すると、焼成ガラス状シリカは熱的慣性を示し、それは連続的な成形サイクルの間、型の温度変動を有利に制限することを可能にする。
【００２６】
図１に示される型１０は図３〜５に示されるような成形装置２２内に置かれるように設計される。これらの図において、インサート２０は示されていない。
【００２７】
成形装置２２は２つのプラテン、下部２６および上部２８を備えるプレス２４を含み、その間に型１０が置かれる。下部加熱ブロック３０は下部プレスプラテン２６と型の下型１４の間に置かれる。上部加熱ブロック３２は上部プレスプラテン２８と型の上型１６の間に置かれる。従来の種類のこれらの加熱ブロック３０、３２は好ましくはセラミックで作製される。
【００２８】
図３〜５に示される例において、成形装置２２は上型１６とプレート１８の間に圧力下でヘリウムもしくはアルゴンのような不活性ガスを注入する従来の手段３４を含む。この圧力下でのガスは、下型１４の成形表面を加圧するためにプレート１８を変形するように設計されている。
【００２９】
プレート１８を超塑性成形に適した条件にするために、型１０は熱ブロック３０、３２から下型１４および上型１６への熱移動により加熱される。
【００３０】
プレート１８を成形するために、後者は図４に示されるように下型１４および上型１６の間で開いた型１０内に置かれる。ついで型１０は図に示されるように閉じられ、下型１４および上型１６の間にプレート１８を締め付ける。このようにプレート１８を下型１４および上型１６の間でシールを形成する。加熱された型１０からの熱はプレートに移され、超塑性成形に適した温度にプレートを昇温させる。所望の温度条件が達成されると、不活性ガスが圧力下に型内に注入され、図５に示されるようにプレート１８を変形させる。
【００３１】
成形後に、成形物品は従来の脱型方法によって型１０から除去される。
【００３２】
成形物品の表面に望ましくない酸化物、特にチタン酸化物、の生成、そしてこれらの酸化物への型への拡散を避けるために、バリアが型の接触表面の少なくとも一部および成型される成形物品の間に形成されるのが好ましい。
【００３３】
このようなバリアは、プレート１８が型内に置かれる前に、たとえば型および成形される成形物品の接触表面の少なくとも１部を窒化ホウ素で被覆することにより形成される。適切な場合には窒化ホウ素被覆はプレートのみ、または型のみに付着される。この窒化ホウ素被覆はたとえばスプレーによりプレートに形成される。
【００３４】
さらにバリアは型および成形される成形物品の間に不活性ガス、特にヘリウムもしくはアルゴンを注入することにより形成されうる。このために成形装置２２は下型１４およびプレート１８の間にこの不活性ガスを注入するための手段３６（図５において矢印で図示される）、を含み、すなわち向かい合うプレート表面と接触しており、その上にプレート１８を変形させるように意図されたガス圧力が付加される。
【００３５】
ガス注入手段３６は、たとえば焼成ガラス状シリカ型の少なくとも一部によりガスを拡散する手段を含み、それによりこの材料の多孔性を有利に利用し、または型の孔により成形された成形物品と接触するように意図された型表面にガスを運ぶ。
【００３６】
下型１４およびプレート１８の間に注入されるガス圧力は下型の成形表面に対してプレートの変形を妨害しないように調節される。上型１６およびプレート１８の間に注入されたガスはプレート１８を変形するのに必要なエネルギーを供給し、そしてさらに下型１４およびプレート１８の間に注入されたガスと同様にバリアを形成する。
【００３７】
もちろん、窒化ホウ素被覆およびガスバリアは組合せて使用されうる。
【００３８】
本発明の利点の中で、耐摩耗（シリカ粒子と分離しない）および耐熱衝撃性であるガラス状シリカから少なくとも部分的に作製された型による超塑性成形によって成形物品を成形させうることが注目される。このように本発明による型は十分に満足すべき表面仕上げを示す成形物品を得ることを可能にする。
【図面の簡単な説明】
【図１】
本発明による型の断面図。
【図２】
本発明により得られる成形物品の概略図。
【図３】
本発明による成形装置の概略図。
【図４】
本発明による成形装置の概略図。
【図５】
本発明による成形装置の概略図。

Claims (13)

1. 超塑性成形により成形物品（１２）を成形するための型（１０）であり、成形される成形物品（１２）と接触するように設計され、焼成ガラス状シリカから作製された少なくとも一部を含むことを特徴とする型。
2. 焼成されたガラス状シリカからなる型（１０）の一部が型（１０）のインサート（２０）を構成することを特徴とする請求項１記載の型（１０）。
3. 型（１０）と成形される成形物品（１２）との接触表面の少なくとも一部の間にバリアを形成するように設計された手段を含むことを特徴とする請求項１もしくは２記載の型（１０）。
4. バリアを形成するように設計された手段が、成形される成形物品（１２）と接触する型（１０）の表面の少なくとも一部を被覆する窒化ホウ素被覆を含むことを特徴とする請求項３記載の型（１０）。
5. バリアを形成するように設計された手段が、成形される成形物品（１２）と接触する型（１０）の一部の表面で不活性ガス、特にヘリウムもしくはアルゴン、を注入する手段（３６）を含むことを特徴とする請求項３もしくは４記載の型（１０）。
6. 超塑性成形により成形物品（１２）を成形するための型（１０）用のインサート（２０）であり、インサート（２０）は成形される成形物品（１２）と接触するように設計された成型表面の輪郭を描く種類であって、そして焼成されたガラス状シリカで作製されていることを特徴とするインサート（２０）。
7. ２つのプラテン（２６，２８）を備えたプレスを含む種類の成形装置であり、それらのプラテンの間に超塑性成形により成形物品（１２）の成形のための型（１０）がはさまれて置かれており、そして型（１０）は請求項１〜５のいずれか記載の型であることを特徴とする成形装置。
8. 加熱ブロック（３０、３２）（好ましくはセラミックで作製される）が各プレスプラテン（２６、２８）と型（１０）の間にはさまれて置かれていることを特徴とする請求項７記載の装置。
9. 成形物品（１２）を成形する方法であり、その成形物品（１２）は超塑性変形を受けることのできる材料により作製されているプレート（１８）の型（１０）内で超塑性成形により成形される種類の成形物品であり、そしてプレート（１８）は請求項１〜５のいずれか記載の型（１０）内に置かれることを特徴とする方法。
10. バリアが型（１０）と成形される成形物品（１２）との接触表面の少なくとも一部の間に形成されることを特徴とする請求項９記載の方法。
11. バリアは、プレート（１８）が型（１０）内に置かれる前に、型（１０）および成形物品（１２）の接触表面の少なくとも一部を窒化ホウ素で被覆することにより形成されることを特徴とする請求項１０記載の方法。
12. バリアは、型（１０）と成形される成形物品（１２）との接触表面の間に不活性ガス（特にヘリウムもしくはアルゴン）を注入することにより形成されることを特徴とする請求項９もしくは１０記載の方法。
13. 請求項９〜１２のいずれか記載の方法により得られることを特徴とする、特にチタンもしくはチタン合金、アルミニウムもしくはアルミニウム合金、または超塑性を示す材料から作製される成形物品（１２）。