高い

この航空宇宙部品は、新しい HPWF プロセスを使用して、520 °F (270 ℃)、20,000 PSI (1,400 bar) で Ti6Al4V から形成されました。

市場データは、新型航空機におけるチタンの使用量が大幅に増加していることを示しています。 量は 5 年間で 3 倍に増加すると予想されています (世界的な航空宇宙産業の成長がチタン拡大の軌道を推進する補足記事を参照)。

航空宇宙グレードのチタンを形成する、より速く、より効果的な新しい方法が必要です。

航空機製造におけるチタンの使用量が増加しているのには十分な理由があります。 チタン合金は軽量で、優れた耐食性を備え、極端な温度にも耐えることができます。 しかし、原材料のコストと現在の成形方法の高さにより、チタン合金の商業利用は、航空機、宇宙船、タービン、医療機器、その他の応力の高い部品といった狭い特殊用途に限られています。

チタン グレード 1 ～ 4 は商用純チタンとも呼ばれ、室温で成形可能です。 ただし、グレード 5、チタン/6 パーセント アルミニウム/4 パーセント バナジウム (Ti6Al4V) は、現在航空機の設計でより一般的に好まれているグレードです。 現在、Ti6Al4V には、1,300 ～ 1,650 度 F (700 ～ 900 ℃) の温度で行われるフライス加工や熱間成形プロセスなどの製造方法が必要です。

これらの方法のそれぞれに固有の欠点は、コストが高いことです。 フライス加工における高いスクラップ率 (50 ～ 70 パーセント) と、チタン自体の価格の高さが相まって、チタンの普及は大幅に制限されています。 同様に、熱間成形プロセスには時間がかかり、高価な工具が必要になる場合があります。 そのため、航空宇宙産業におけるチタンの採用は当初の予想よりも遅れており、メーカーはチタンの利点を十分に実感することができていません。

新しく導入された技術である高圧温間成形 (HPWF) は、熱間成形、ホットスタンピング、超塑性成形よりも低い温度で航空宇宙グレードのシートチタンを成形するために開発されました。

高圧流体セルプレス技術は、数十年にわたり世界中で航空宇宙部品の製造に商業的に使用されてきました。 圧力能力の進歩と最新の工具設計の組み合わせにより、機体業界はこの冷間成形プロセスを使用することで需要の高まりに対応できるようになりました。 圧力の増加により、部品を最終形状に成形できるようになり、手作業による修正への依存と中間熱処理の必要性がなくなりました。

継続的な改善に伴い、高圧流体電池プロセスは、高温での高圧プロセスを適用することによりさらに進歩しました。 この高圧と熱の組み合わせにより、成形速度が向上し、コストが削減され、Ti6Al4V の成形精度が向上します。

この新しいアプローチでは、プレスに入る直前にブランクと工具セットを約 520 °F (270 °C) に温める誘導加熱システムが導入されています。 必要な HPWF 温度は、熱間成形に必要な温度よりも著しく低いです。 20,000 ポンド/平方インチ (PSI) または 140 メガパスカル (MPa) の圧力で動作する流体セル プレスには、HPWF プロセスに重要なパラメーターを満たす測定、制御、およびトレーサビリティ機能が装備されています。

HPWF プロセスで製造された部品のサードパーティ分析により、成形パラメータが必要な許容範囲内にあることが示されています。

図1 Ti6Al4V で形成された部品 (t = 2.0 mm) のスプリングバック解析では、HPWF による減少が示されました。 画像提供：Advanced Forming Research Centre（スコットランド、グラスゴー）

スコットランドのグラスゴーにあるストラスクライド大学の先端成形研究センター (AFRC) が 2017 年末から 2018 年初めに完了した研究では、HPWF を行った部品の成形後のスプリングバック偏差が 0.5 ミリメートル未満であることが確認されました (図 1 を参照)。 プロセスの柔軟性により、金型設計でのスプリングバック制御が可能になるため、材料のスプリングバックの補償をプロセスに組み込むことができることに注意してください。 これにより、直接の結果として最終形状のパーツが作成されます。 スプリングバックの一貫した程度は、部品の形状、材料の厚さ、および従うプロセスパラメータに関係します。 使用される圧力レベルは重大な影響を与えるようです。

HPWF プロセスにより、コスト削減のメリットが得られる可能性があります。

比較的低い温度が要求されるため、HPWF プロセスでは保護ガスが除去される場合があります。 チタン合金が 800 度 F (425 ℃) を超える温度にさらされると、合金は一般に酸化し、アルファ ケースと呼ばれる、酸素が豊富な硬くて脆い層を形成します。 硬くて脆いアルファケースの生成を防ぐために、熱間成形および超塑性成形の製造では、酸素や窒素の取り込みを防ぐために無酸素のプロセス雰囲気が必要です。 HPWF はアルファ ケースの温度制限以下で動作するため、プロセスには保護ガスが必要ありません。

HPWF後の部品洗浄時間も短縮できます。 比較的低いプロセス温度ではチタンブランクにクラッディングがないため、工具や金型のメンテナンスの必要性も減ります。

最後に、従来の熱間成形法と比較して、エネルギー消費が大幅に削減されます。

現在の熱間成形の処理時間は通常、時間単位で測定されます。 熱間成形を完了するには長時間が必要となるため、製造能力が大幅に制限されます。 対照的に、HPWF プロセスでは、数分で部品を製造できます。

さらに、柔軟なゴムダイヤフラムを備えた流体セルプレス技術により、同じ成形操作で複数の部品を製造できるため、部品ごとの成形ステップが数秒に短縮されます。 これらの効率により、HPWF システムには 2 交代操業で年間 140,000 個もの部品を生産できる理論上の能力が与えられます。

HPWF は、二重に湾曲した比較的浅い部品の製造に効果的であることがわかっており、多くの典型的な機体やジェット エンジンのコンポーネントに適しています (図 2 を参照)。

メーカーが HPWF の仕組みを理解する前に、高圧流体セル プレス技術がどのように機能するかを知ることが重要です。

複雑な板金部品は、底型と同様に、単一の形状定義ツール半体上に形成されます (図 3 を参照)。 柔軟なゴム製ダイヤフラムが上型半分の代わりになります。 ダイヤフラムには上方から高い油圧がかかります。

図2 HPWF プロセスは、伸縮フランジと収縮フランジの両方を備えた C 型フレームなどの浅い形状を形成するのに適しています。 両方のフランジが湾曲した角度。 小さな湾曲したシングルベンド角度。 ねじれた部分や不規則な部分。 フランジ、円形、または不規則な形状のパネル。

柔軟なゴム製ダイヤフラムは、アンダーカットを含む複雑な形状の部品を、すべての材料で異なるシート厚で傷のない状態で形成します。 高圧および超高圧の均一な成形圧力により、プレスから直接、精密な公差を備えた高品質の部品が保証されます。 工具コストが低く、リードタイムが短いため、この技術はさまざまな用途の板金部品の少量生産に最適です。

加熱と組み合わせると、このプロセスは Ti6Al4V でも実行可能になります。

流体セルプレス技術により、複数の部品を同じ成形操作で成形できます。 ゴム製ダイヤフラムは、油圧流体の圧力がかかる柔軟な上型として機能します。

HPWF プロセスは段階的に実行され、スプリングバックを抑えるために金属温度が上昇したときに成形が実行されるという点でホット スタンプと類似しています (図 4 を参照)。

参考文献

Matthew J. Donachie Jr.、熱処理プロセス、2001 年 6 月/7 月。

Matthew J. Donachie Jr. 編、「熱処理」、第 8 章、チタン: テクニカル ガイド、第 2 版、ASM インターナショナル、2000 年。

R. Gaddam 他、2013 IOP Conference Series: Materials Science and Engineering、48 012002。

Olivier Jarrault、Alcoa Inc.、米国金属市場、チタンに関する特別セクション、2015 年 10 月。

Sture Olsson は、Quintus Technologies の事業開発、金属成形の責任者です ([email protected]、46-705-327-241、www.quintustechnologies.com)。

大手航空機メーカーは、今後 20 年以内に 30,000 機以上の新しい旅客機と貨物機の需要が発生すると予測しています。 この予測は、着実に増加する交通量だけでなく、環境への影響を軽減するために既存の車両をより燃料効率の高いモデルに置き換える必要性によっても推進されています。

新しい納期と燃費性能の低減目標を達成するには、より効率的なエンジンの製造と空気力学の改善が必要です。 軽量化はこの進歩を成功させるための重要な要素であり、以前に使用されていたものよりも軽量な材料と新しいデザインの探求を引き起こします。 その結果、機体の設計と構造における従来のアルミニウムの選択に挑戦する新しい複合材料が登場しています。 複合材料への移行は、軽量、優れた強度、耐食性を備えたチタンの役割に大きな影響を与え、アルミニウム合金の魅力的な代替品となるでしょう。

航空宇宙分野でチタンへの関心が高まっていることは、明確に文書化されています。 2015 年、業界は世界のチタン消費量の 45 ～ 60 パーセントを占めました。 過去の率と比較すると、2009年に就役したボーイング787型機は、27年前に就役したボーイング767型機の5.3倍のチタンを使用している。 今年就航するエアバス350型機は、1992年に初飛行したA330型機の4.5倍のエネルギーを使用する。

この違いは、古い航空機の約 15 トンのチタンから、新しい航空機設計の 100 トンのチタンへの増加を表しています。