熱間成形チタン

毎年生産されるチタンの約 3 分の 2 が航空機のエンジンとフレームに使用されています。 写真提供：エアバス

ベックウッドは、航空宇宙用チタ​​ン構造部品の大手サプライヤー向けに、この 400 トン油圧式熱間成形プレスを製造しました。 この印刷機には、最高 1,800 F までの温度に達することができる 48 x 96 インチのプラテンが備えられています。写真提供: Beckwood Corp.

自動断熱ドア システムは、成形チャンバー内の熱を封じ込めながら、部品の搬入出へのアクセスを可能にします。 オペレーターは、耐熱手袋、腕カバー、アイシールドなどの個人用保護具を必要とします。 写真提供：ベックウッド社

この熱間成形プレスには、ガンが開けられた通路に設置されたマルチゾーン電気カートリッジ ヒーターが装備されています。 これにより、温度が ±10 F 以内に制御されます。写真提供: Beckwood Corp.

熱間成形で発生する高熱により、金型の反りが発生することがよくあります。 この影響に対抗するために、Beckwood はアクティブ レベリング コントロール (ALC) テクノロジーを開発しました。 ALC は閉ループ監視システムを使用して、ベッドとラムの平行度を ±0.004 インチに維持します。 写真提供：ベックウッド社

これらのチタン航空宇宙部品の作成には熱間成形が使用されました。 写真提供：MSM Aerospace Fabricators

チタンは、あらゆる金属の中で最も高い強度対重量比を持っています。 一部の鋼と同等の強度を持ちますが、45% 軽量です。 チタンは、耐食性、耐疲労性、耐亀裂性、およびクリープ現象を起こさずに中程度の高温に耐える能力でも高く評価されています。

その結果、チタンは構造部品、リブ、防火壁、着陸装置などのさまざまな航空宇宙部品の製造に使用されています。 ジェット エンジンでは、チタンはローター、コンプレッサー ブレード、油圧部品、ナセルに使用されます。 実際、毎年生産されるチタンの約 3 分の 2 は航空機のエンジンとフレームに使用されています。 ボーイング 777 には約 59 トンのチタンが含まれており、エアバス A340 には 32 トンのチタンが含まれています。

チタンは航空宇宙部品に最適な特性を持っているため、成形が困難でもあります。 標準的な冷間成形技術を使用して、多くのチタン合金を成形できます。 ただし、スプリングバックが問題になる可能性があり、曲げ半径での亀裂がよく発生します。

プロセスに熱を加えると、これらの問題が解決されます。 熱間成形は、チタンやその他の高強度合金を極端な温度まで加熱するプロセスであり、これにより、柔らかく展性のある状態でプレスで成形することができます。 熱間成形プロセスでは、加熱されたプラテンを使用して、プレス サイクル中に冷たい、またはわずかに温められたブランクを加熱します。 プレス内部に熱を導入することで、割れ、スプリングバック、残留応力を心配することなく、低トン数で複雑な形状を成形する能力が向上します。 材料の展性が高まるため、熱間成形プレスは通常、同じ機能を実行する冷間成形プレスよりもトン数がはるかに低くなります。

サイクル時間は 10 ～ 30 分の範囲です。 部品は冷たくなると熱くなり、最初と同様の微細構造で終わります。

自動断熱ドア システムは、成形チャンバー内の熱を封じ込めながら、部品の搬入出へのアクセスを可能にします。 オペレーターは、耐熱手袋、腕カバー、アイシールドなどの個人用保護具を必要とします。 写真提供：ベックウッド社

完成したパーツは柔らかくありません。 通常、エンジニアは、プレス機からパーツを取り外すときに、パーツにマテリアル ハンドリング機能がインプリントされることを心配する必要はありません。 機械と工場の床の間の温度変化は非常に大きいため、ドアが開くとほぼ即座に部品は非軟化状態まで冷却されます。

同様のプロセスに超塑性成形 (SPF) があります。 熱間成形では、工具とブランクは 900 ～ 1,600 F に加熱されます。SPF では、アルゴン ガスと併用して最高 2,000 F の高温を使用して金属を成形します。 サイクル中、加熱された材料はダイとプレートの間にクランプされます。 次に、アルゴン ガスが成形チャンバーに注入され、ブランクが金型に押し込まれます。 サイクル時間は 20 ～ 40 分以上の範囲です。

得られた部品は表面仕上げが細かく、ネットシェイプに近いため、二次仕上げの必要がありません。 熱間成形用のツールは従来の 2 ピース ツールとあまり変わりませんが、金属に力を加えるためにガスが使用されるため、SPF ツールは嵌合されていません。

セントルイスに本拠を置く Beckwood Corp. は、1976 年以来、油圧プレス、電気プレス、成形機を製造してきました。同社は、アルミニウム、チタン、その他の高強度合金を成形するための専用の熱間成形および SPF プレスのラインを開発しました。 プレスのサイズ、トン数、サイクルパラメータ、熱仕様、プラテンの材質、および制御はすべて、特定の用途のニーズを満たすようにカスタマイズできます。

機械には、ガンが開けられた通路に設置されたマルチゾーン電気カートリッジ ヒーターが装備されています。 埋め込み熱電対は温度フィードバックを提供し、雰囲気温度を測定します。また、熱電対レセプタクルを使用して工具温度を測定および記録できます。 これにより、温度が ±10 F 以内に制御され、エンジニアはプラテンの長さと幅にわたる温度オフセットをプログラムできるようになります。

これらのプロセスに固有の極端な温度に対処するには、特別なコンポーネントと材料が必要です。 プラテンは、用途の要件に応じて、セラミック、ステンレス鋼、またはその他の特殊な金属合金から製造されます。

プラテン ボックスはセラミック断熱材を備えており、水冷プラテンと閉ループ チラーで構成されるサーマル ブレークによってプレス フレームから隔離されています。 これにより、早期の亀裂が発生しにくくなり、長期的な信頼性が得られます。

熱制御はシステム効率と運用コストに影響を与えるため、熱間成形では重要です。 輻射熱は熱シールドによって管理されます。 空調ユニットは電気パネルを冷却し、熱電対は重要な領域の動作状態を監視します。 ヒーターの寿命は、個別の電流モニターまたはグループごとに監視できます。

熱間成形には、力、温度、ラム速度、滞留時間の 4 つの主なプロセス変数があります。

自動断熱ドア システムは、成形チャンバー内の熱を封じ込めながら、部品や工具の積み下ろしへのアクセスを可能にします。 安全機能には、ライト カーテン、周囲保護、ロックアウト コントロール、ベッド シャトル、難燃性油圧オイルが含まれます。 オペレーターは、耐熱手袋、腕カバー、アイシールドなどの個人用保護具が必要です。

熱間成形や SPF によって発生する高熱により、金型の反りが発生することがよくあります。 この影響を打ち消し、各印刷機の構造を保護するために、ベックウッドはアクティブ レベリング コントロール (ALC) 技術を開発しました。 ALC は、閉ループ監視システムを使用して、偏心荷重やダイの反りにもかかわらず、サイクル全体を通じてベッドとラムの平行度を ±0.004 インチに維持します。

印刷機の詳細については、https://beckwoodpress.com をご覧ください。