CN104736284A - 电火花加工方法 - Google Patents

Abstract

为了解决难以将锥形部分加工成在锥形部分的内壁面上形成例如曲率半径比管电极的电极直径小的圆角部等各种形状的这样的问题，在本发明中，在利用具有圆筒形状的管电极(10)的电火花加工机(100)来在工件(20)上加工贯通孔(22)的电火花加工方法中，包含：将管电极(22)配置成管电极(10)的轴线(L0)朝向贯通孔(22)的深度方向，并使管电极(22)相对于工件(20)相对移动来形成倾斜部(24)的工序；形成与倾斜部(24)相连的直线部(23)的工序；将管电极(10)配置成轴线(L0)相对于倾斜部(24)的内壁面(243)垂直，并使管电极(22)相对于工件(20)相对移动来加工内壁面(243)的工序。

Description

电火花加工方法

技术领域

本发明涉及利用电火花加工机在涡轮叶片等上进行孔加工的电火花加工方法。

背景技术

以往，公知利用电火花加工机来进行扩散器形状的孔加工的电火花加工方法(例如参照专利文献1)。在该专利文献1记载的加工方法中，用电极夹来保持管状的管电极，使管电极相对于工件在XY平面内相对移动并慢慢地沿板厚方向(Z方向)行进，来在工件上加工具有扩散器形状的锥形(倾斜)部分和与锥形部分相连的直线部分的贯通孔。管电极采用具有与直线部分的最小宽度同等程度的电极直径的管电极。

在使用上述专利文献1记载的加工方法来加工截面是矩形形状的贯通孔的情况下，锥形部分的内壁面的角部(拐角部)成为曲率半径与管电极的电极直径相对应的圆弧形状，锥形部分的形状被电极直径限制。因此，难以将锥形部分加工成在锥形部分的内壁面上形成例如曲率半径比管电极的电极直径小的圆角部等各种形状。

现有技术文献

专利文献

专利文献1:日本特开2006－346752号公报

本发明是利用具有圆柱或圆筒形状的电极的电火花加工机来在工件上加工具有倾斜部的孔的电火花加工方法，其特征在于，包含内壁面加工工序，其将电极配置成电极的轴线相对于倾斜部的内壁面垂直，并使电极相对于工件相对移动来对倾斜部的内壁面进行电火花加工。

另外，本发明是利用具有圆柱或圆筒形状的电极的电火花加工机来在工件上加工具有直线部和与直线部相连的倾斜部的贯通孔的电火花加工方法，其特征在于，包含如下加工工序：倾斜部加工工序，将电极配置成电极的轴线朝向贯通孔的深度方向，并使电极相对于工件相对移动来通过电火花加工形成倾斜部；直线部加工工序，将电极配置成轴线朝向贯通孔的深度方向，并使电极相对于工件相对移动来通过电火花加工形成直线部；内壁面加工工序，将电极配置成轴线相对于通过倾斜部加工工序而形成的倾斜部的内壁面垂直，并使电极相对于工件相对移动来对倾斜部的内壁面进行电火花加工。

附图说明

图1是概略地表示使用本发明的电火花加工机的主要部分结构的主视图。

图2是使用本发明的工件的一个例子即涡轮叶片的立体图。

图3是图2的III-III线剖视图。

图4是表示冷却孔的截面形状的图3的主要部分放大图。

图5是图4的V方向的向视图。

图6是表示本发明的实施方式的电火花加工方法中所包含的倾斜部加工工序中的管电极的移动路径的图。

图7是说明本发明的实施方式的电火花加工方法中所包含的内壁面加工工序中的动作的图。

图8是图7的VIII方向的向视图。

图9是表示本发明的实施方式的电火花加工方法中所包含的直线部加工工序中的管电极的移动路径的图。

图10是表示图5的变形例的图。

图11是用本发明的电火花加工方法在工件上形成的贯通孔的其它的变形例，图11(a)是贯通孔的俯视图，图11(b)是贯通孔的剖视图。

图12是用本发明的电火花加工方法在工件上形成的贯通孔的其它的变形例，图12(a)是贯通孔的俯视图，图12(b)是贯通孔的剖视图。

具体实施方式

以下，参照图1～图12来说明本发明的电火花加工方法的一个实施方式。图1是概略地表示使用本发明的实施方式的电火花加工方法的电火花加工机100的主要部分结构的主视图。此外，为了方便，以下分别将如图所示的正交三个轴向(X轴方向、Y轴方向、Z轴方向)定义为左右方向、前后方向、上下方向，并按照该定义来说明各部分的结构。

在图1中，在作为基底的底座1的后部直立设置有立柱2。在立柱2的上表面以能够沿X轴方向(左右方向)移动的方式支承有X滑块3。在X滑块3的上表面以能够沿Y轴方向(前后方向)移动的方式支承有滑座4。在滑座4的前表面以能够沿Z轴方向(上下方向)移动的方式支承有主轴头5。在主轴头5的底面突出有旋转主轴6的前端部，在旋转主轴6的下部安装有电极夹7。在电极夹7的铅垂方向的下方，配置有电极引导件8，电极引导件8被支承于把持臂9的下端部。把持臂9以能够沿上下方向移动的方式被支承于设在滑座4的右侧面的托架4a上。

在电极夹7和电极引导件8之间，沿着通过电极夹7和电极引导件8的中心的上下方向的轴线L0延伸有电极10。电极10是圆筒形状的管电极，其上端部被电极夹7支承。管电极10的下端部沿上下方向贯穿电极引导件8。管电极10的外周面被电极引导件8支承，能够在前后左右方向的位置被约束的状态下，在电极引导件8内沿上下方向滑动。在管电极10的内部供给有例如水等加工液，加工液从管电极10的前端部(下端部)被喷射。此外，也可以将油用作加工液。管电极10的底面平坦地形成。

在底座1的上表面，在比立柱2靠前方的位置配置有工作台11。在工作台11的上表面搭载有倾斜旋转工作台装置12。倾斜旋转工作台装置12具有：从工作台11的上表面向上方突出设置的前后一对的支承部件13；在前后的支承部件13之间，以沿Y轴方向延伸的回转轴Lb为中心沿B轴方向可回转地被支承的倾斜部件14；在倾斜部件14的左端面，以垂直于回转轴Lb的旋转轴La为中心沿A轴方向可旋转地被支承的旋转工作台15。在旋转工作台15上设有卡盘16，工件20被支承于卡盘16。在工作台11的周围，以包围整个工作台11和倾斜旋转工作台装置12的方式可升降地设有加工槽17。此外，图的1点划线是加工槽17上升了的加工状态。

虽省略了图示，但图1的电火花加工机100分别具有：使X滑块3沿左右方向移动的X轴用驱动部；使滑座4沿前后方向移动的Y轴用驱动部；使主轴头5沿上下方向移动的Z轴用驱动部；使旋转主轴6以轴线L0为中心旋转的主轴驱动部；使把持臂9沿上下方向移动的臂驱动部；经由回转轴Lb来使回转部件14倾斜的B轴用驱动部；经由旋转轴La来使旋转工作台15旋转的A轴用驱动部。X轴用驱动部、Y轴用驱动部、Z轴用驱动部和臂驱动部例如由滚珠丝杠和旋转驱动滚珠丝杠的伺服电机构成，主轴驱动部例如由主轴电机构成，B轴用驱动部和A轴用驱动部例如由DD(直驱电机)伺服电机构成。这些伺服电机、主轴电机和DD伺服电机的驱动按照预先设定的加工程序进行，由未图示的数控设备控制。

通过以上的结构，电极夹7和电极引导件8能够相对于工件20沿X轴方向、Y轴方向和Z轴方向相对移动，且能够沿B轴方向和A轴方向相对移动。因此，能够将工件20加工成所希望的三维形状。另外，能够利用由臂驱动部驱动的把持臂9的升降来调整电极夹7和电极引导件8之间的间隔，不管由管电极10的消耗而产生的管电极10的长度变化如何，在加工过程中，能够始终用电极夹7和电极引导件8来支承管电极10的上下端部。

工件20是例如用于燃气轮机或喷气式发动机等的涡轮叶片或叶轮。由于涡轮叶片暴露在1000℃～1500℃左右的高温气体中，因此将耐热性高的镍合金作为构成材料来使用。为了将涡轮叶片的表面冷却，在该涡轮叶片的表面加工有供冷却空气流动的冷却孔。由于镍合金是难切削的材料，因此难以用钻头等来贯穿设置冷却孔。因此，在本实施方式中，用电火花加工机100来在涡轮叶片上加工冷却孔。

图2是工件20(涡轮叶片)的立体图，图3是图2的III-III线剖视图。在涡轮叶片20的一个端部，设有例如圣诞树形状的支承部20a，支承部20a安装在可旋转的转子的周面上。此外，在下述中有时将涡轮叶片20的高度方向(图2的箭头A)称为径向。

如图2、3所示，涡轮叶片20例如用脱蜡铸造法来形成，在翼部21的内侧形成有中空部30。翼部21具有面向中空部30的内表面21a和暴露在高温气体中的外表面21b。在翼部21上，在翼部21的周向多个位置处沿着翼部21的高度方向A形成有许多贯通翼部21的冷却孔22。冷却空气从转子侧被供给至中空部30，且冷却空气从各冷却孔22流出。由此，薄膜状的冷却空气沿着外表面21b流动，来冷却翼部21。

图4是表示冷却孔22的截面形状的图3的主要部分放大图。图5是从外表面21b侧沿中心轴线L1观察冷却孔22的图4的V方向的向视图。如图4所示，冷却孔22具有：沿着冷却孔22的中心轴线L1笔直地延伸的截面积恒定的直线部23和与直线部23相连且向着外表面21b去而截面积慢慢扩大的扩散器形状的倾斜部24。如图5所示，直线部23具有四个内壁面231～234、各内壁面231～234相交的四个角部235～238，截面大致呈矩形形状。倾斜部24也同样地具有四个内壁面241～244、各内壁面241～244相交的四个角部245～248，截面大致呈矩形形状。

更具体地说，直线部23的内壁面231和与之相连的倾斜部24的内壁面241位于同一平面上，而与这些内壁面231、241相对的内壁面233和内壁面243不在同一平面上，内壁面243相对于中心轴线L1以规定角度θ向外侧倾斜，即向远离中心轴线L1的方向倾斜。由此，通过了直线部23的冷却空气沿着内壁面243扩散，能够使从冷却孔22流出的冷却空气沿着涡轮叶片20的表面向所希望的方向即图4的箭头B所示的内壁面243所倾斜的方向流动，能够有效地冷却涡轮叶片20的表面。

直线部23的其它的内壁面232、234和与之相连的倾斜部24的内壁面242、244互相处于同一面上。此外，也可以将内壁面242、244设成相对于内壁面232、234向外侧倾斜。在图4中，如果列举冷却孔22的尺寸的一个例子，则翼部21的厚度T1是1mm～3mm，倾斜部24的深度D1是0.5mm，内壁面243的倾斜角度θ是10°，直线部的宽度W1是0.3mm～0.5mm，外表面21b的倾斜部24的宽度W2是0.8mm。作为管电极10，使用具有如下电极直径的管电极，即：所述电极直径与冷却孔22的最小宽度相比仅小出微小间隙。

在用电火花加工机100加工这样的冷却孔22的情况下，考虑用以下的方法。即，首先，以管电极10的轴线L0与冷却孔22的中心轴线L1平行的方式将管电极10与工件20的外表面21b相对地配置。以该状态，使管电极10相对于工件20沿XY方向相对移动且也沿Z方向相对移动，来依次加工倾斜部24和直线部23。用该方法，倾斜部24的角部245～248和直线部23的角部235～238成为具有与管电极10的半径相当的曲率半径的圆弧形状(圆角形状)。

但是，在涡轮叶片20上，通过将倾斜部24设置于冷却孔22，从而限制冷却空气的流出方向。即，通过使冷却空气沿着倾斜部24的内壁面243流动，从而得到沿着涡轮叶片20的外表面21b的所希望的空气的流动(箭头B方向的流动)。因此，如果内壁面243的两侧的角部246、247的曲率半径变大，则内壁面243的面积减少，箭头B方向的流动被阻碍。因此，优选地，内壁面243的两侧角部246、247的曲率半径尤其是外表面21b的附近的曲率半径小。

关于这一点，为了使角部246、247的曲率半径小，考虑使用电极直径小的管电极10。但是，在该情况下冷却孔22的加工时间变长，而不适合需要进行许多冷却孔22的加工的涡轮叶片20的加工。因此，在本实施方式中，为了无论管电极10的电极直径的大小如何都使内壁面243的两侧的角部246、247的曲率半径小，采用以下的电火花加工方法。

本实施方式的电火花加工方法是在翼部21上加工冷却孔22的方法，尤其是包含形成倾斜部24的倾斜部加工工序、形成直线部23的直线部加工工序、加工倾斜部24的内壁面243的内壁面加工工序。以下，按照加工顺序说明各个工序。

(1)倾斜部加工工序

首先，用倾斜旋转工作台装置12的卡盘16来保持工件20的支承部20a(图2)。然后，驱动倾斜旋转工作台装置12来调整工件20的姿势，以使被加工的冷却孔22的中心轴线L1朝向上下方向，即成为与管电极10的轴线L0平行。接着，使管电极10的前端部接近工件20的外表面21b上的加工开始位置。然后，通过旋转主轴6的旋转来使管电极10以规定的转速(例如1000r.p.m.)旋转，并从未图示的加工用电源向管电极10施加脉冲电压，在管电极10和工件20之间发生放电，来进行电火花加工。

图6是表示倾斜部加工工序中的管电极20的移动路径的图。此外，在图6中，与图1对应地表示前后方向、左右方向和上下方向。以下，为了使说明容易理解，如图6所示，假定在使工件20的中心轴线L0朝向上下方向(Z轴方向)的状态下，倾斜部24的内壁面243是向右方倾斜。

在加工倾斜部24时，例如与冷却孔22的内壁面241～244的位置相对应地使管电极10的前端部相对于工件20沿前后左右方向(图6的箭头方向)相对移动，来利用管电极10的周面和底面将翼部21以层状加工。在使管电极10的前端部慢慢地下降的同时反复进行该层状的加工，形成规定深度D1的倾斜部24。此时，与内壁面241～244一起形成有具有与管电极10的电极直径相应的曲率半径的圆弧状的角部245～248(图5)。此外，在电火花加工时，向管电极10的内部供给加工液，从管电极10的底面10a喷射高压的加工液，来吹走加工屑。

(2)内壁面加工工序

接下来，如图7所示，改变工件20的姿势，以使管电极10的底面与倾斜部34的内壁面343相对。即，使倾斜旋转工作台装置12的回转部件14从图6的状态以回转轴Lb为中心倾斜规定角度β(＝90°－α)倾斜，来使工件20倾斜成倾斜部24的内壁面243相对于轴线L0垂直。

图8是图7的VIII方向的向视图，即从外表面21b侧沿中心轴线L1观察倾斜部24的图。在内壁面加工工序中，以使管电极10的底面10a与内壁面243相对的状态，使管电极10相对于工件20相对移动，来加工内壁面243的两侧的角部246、247(图8的斜线部分)。例如，如图8的箭头A所示，使管电极10的底面10a沿着内壁面242、244而向角部246、247接近移动，也就是使管电极10下降，并用管电极10的底面10a来对角部246、247进行电火花加工。或者，如图8的箭头B所示，以管电极10的底面10a接近内壁面243的状态，使管电极10的周面10b向角部246，247接近移动，也就是使管电极10沿前后方向移动，用管电极10的周面10b对角部246、247进行电火花加工。

在使管电极10从冷却孔22的入口向深度方向(图7的左方)相对移动的同时反复进行该工序，例如在遍及角部246、247的全部区域或从冷却孔22的入口开始遍及规定长度地反复进行该工序。由此，至少能够使倾斜部24的外壁面21b侧的圆弧状的角部246、247的曲率半径小(例如曲率半径为0)，能够使更多的冷却空气沿着内壁面243向所希望的方向流出。此外，在使管电极10向左方移动时，为了防止通过管电极10而将开口边缘部21c误加工的情况，在图7所示的从管电极10的周面10b开始到内壁面241与外表面21b交叉的开口边缘部21c为止的距离D成为规定值以内的情况下，使管电极10向左方的移动停止。

(3)直线部加工工序

接下来，使回转部件14倾斜，如图5所示，与在倾斜部加工工序中同样地，改变工件20的姿势，以使冷却孔22的中心轴L1朝向上下方向。在该情况下，使回转部件14向相反方向倾斜在内壁面加工工序中所倾斜的幅度(90度)，来使回转部件14的位置回到倾斜部加工工序的状态即可。在该姿势下，如图9所示，与冷却孔22的内壁面231～234的位置相对应地使管电极10的前端部相对于工件20沿前后左右方向(图5的箭头方向)相对移动，用管电极10的周面和底面来将翼部21以层状加工。在使管电极10的前端部慢慢地下降的同时反复进行该层状的加工，直到管电极10贯通翼部21。由此，形成具有内壁面231～234和角部235～238的直线部23。

通过以上的电火花加工方法，在工件20的翼部21上加工冷却孔22。该电火花加工方法在多个冷却孔22的加工位置被反复使用。上述倾斜部加工工序、内壁面加工工序和直线部加工工序是由未图示的数控设备按照预先设定的加工程序控制伺服电机等来自动地进行的。

根据本实施方式，能够达到以下的作用效果。

(1)将管电极10配置成其轴线L0与冷却孔22的中心轴线L1平行，并使管电极10相对于工件20相对移动来形成倾斜部24(倾斜部加工工序；图6)；将管电极10配置成轴线L0相对于倾斜部24的倾斜的内壁面243垂直，并使管电极10相对于工件20相对移动来加工倾斜部24的内壁面243的两侧的角部246、247(内壁面加工工序；图7、图8)；将管电极10配置成轴线L0与中心轴线L1平行，并使管电极10相对于工件20相对移动来形成直线部23(直线部加工工序；图9)。由此，能够使内壁面243的两侧的角部246、247具有比管电极10的电极直径小的曲率半径，能够有效地使冷却空气从冷却孔22流出，能够提高翼部21的冷却效率。

(2)在进行了倾斜部加工工序之后，进行内壁面加工工序，接着进行直线部加工工序。由此，能够用直线部加工工序除去在倾斜部加工工序或内壁面加工工序中产生的直线部23与倾斜部24之间的边界处的毛边。

(3)在电火花加工时，由于使管电极10旋转，因此管电极10的底面10a均匀地消耗，能够均匀地形成工件20的加工面。尤其是，在本实施方式中，在内壁面加工工序中，由于使管电极10的底面10a与内壁面243相对地对角部246、247进行电火花加工，因此能够通过使管电极10旋转来将角部246、247均匀地加工。

此外，在上述实施方式中，在倾斜部加工工序和直线部加工工序中，使管电极10相对于工件20沿X方向和Y方向相对移动来将冷却孔22以层状加工，并使冷却孔22的深度慢慢地加深，但这些工序中的加工方法不限于上述内容。例如也可以预先沿着中心轴线L1在翼部21上开出底孔后加工倾斜部24和直线部23。在上述实施方式中，使用了圆筒形状的管电极10，但也可以替代之而使用圆柱形状的电极。

将管电极10相对于工件10配置成了冷却孔22的中心轴线L1与管电极10的轴线L0平行，但只要是将管电极10配置成朝向冷却孔22的深度方向，也可以使中心轴线L1与轴线L0不平行。在内壁面加工工序中，将管电极10配置成了轴线L0相对于倾斜部24的内壁面243垂直，但该情况下的垂直并不是严格意义上的垂直，也包含实质上垂直的情况，即大致垂直的情况。

在上述实施方式中，使冷却孔22的直线部23和倾斜部24的截面形状成为矩形形状，并对相对于直线部23倾斜的内壁面243(倾斜内壁面)的两侧的圆弧形状的角部246、247进行电火花加工来除去角部246、247的一部分(圆弧部)，来使角部246、247成为直角或者大致直角形状，但截面形状也可以是矩形形状以外的形状(例如圆形形状、椭圆形形状、三角形形状等)。图10是表示图5的变形例的图，直线部23和倾斜部24形成为圆形形状。使用与直线部23的截面的形状大致相同外径的管电极10，在直线部23的加工中将管电极10只沿着Z轴方向运送。倾斜部24的加工与图6同样地，用管电极10的周面和底面来将翼部21以层状加工。在该情况下，相对于直线部23倾斜的倾斜部24的内壁面(倾斜内壁面24a)的两侧的圆弧部24b、24c(斜线部)也被管电极10除去，形成直角或者大致直角形状的角部。

在上述实施方式中，在进行了倾斜部加工工序之后，进行内壁面加工工序，然后进行直线部加工工序，但各加工工序的顺序不限于此。例如，也可以在进行了倾斜部加工工序之后，进行直线部加工工序，然后，进行内壁面加工工序。本发明的电火花加工方法也能够通过上述电火花加工机100(图1)以外的设备来实现，电火花加工机的形态不限于上述形态。

在上述实施方式中，将本发明的电火花加工方法应用在了涡轮叶片20的冷却孔22的加工中，但本发明的电火花加工方法也能够同样地适用于加工具有扩散开口部即扩散器形状的其它的贯通孔的情况。因此，本发明的电火花加工方法不仅能够适用于加工内壁面243的角部246、247的情况，也能够适用于在倾斜部24的内壁面243上实施各种加工的情况。即，只要能够实现本发明的特征、功能，则本发明不限定于实施方式的电火花加工方法。

图11和图12是贯通孔的其它的变形例。各图的(a)是俯视图，(b)是剖视图。图11和图12的变形例都没有直线部，仅由倾斜部24在工件20上形成贯通孔。图11的贯通孔的倾斜部24的四个内壁面形成为漏斗状。在该四个内壁面上，将圆柱或圆筒形状的电极以其轴线与四个各内壁面垂直的方式使电极和工件20倾斜并相对移动来进行电火花加工，因此各内壁面的交线部分24d被加工成大致无圆角的直角。图12的贯通孔的倾斜部24仅由一个内壁面形成。以圆柱或圆筒形状的电极的轴线与该内壁面垂直的方式使电极和工件20倾斜，并相对移动来进行电火花加工，因此垂直内壁面的边角部分24e同样地被加工成大致无圆角的直角。

根据本发明，将管电极配置成管电极的轴线相对于冷却孔的倾斜部的内壁面垂直，并使管电极相对于工件相对移动来对倾斜部的内壁面进行电火花加工，因此在倾斜部的内壁面上，能够容易地形成曲率半径比管电极的电极直径小的圆角部等。

附图标记的说明

10  管电极，20  工件(涡轮叶片)，22  冷却孔，23  直线部，24  倾斜部，243  内壁面，L0  轴线，L1  中心轴线。

Claims (5)

1.一种电火花加工方法，所述电火花加工方法利用具有圆柱或圆筒形状的电极的电火花加工机来在工件上加工具有倾斜部的孔，其特征在于，

包含内壁面加工工序，其将所述电极配置成所述电极的轴线相对于所述倾斜部的内壁面垂直，并使所述电极相对于所述工件相对移动来对所述倾斜部的内壁面进行电火花加工。

2.一种电火花加工方法，所述电火花加工方法利用具有圆柱或圆筒形状的电极的电火花加工机来在工件上加工具有直线部和与该直线部相连的倾斜部的贯通孔，其特征在于，包含如下加工工序：

倾斜部加工工序，将所述电极配置成所述电极的轴线朝向所述贯通孔的深度方向，并使所述电极相对于所述工件相对移动来通过电火花加工形成所述倾斜部；

直线部加工工序，将所述电极配置成所述轴线朝向所述贯通孔的深度方向，并使所述电极相对于所述工件相对移动来通过电火花加工形成所述直线部；

内壁面加工工序，将所述电极配置成所述轴线相对于通过所述倾斜部加工工序而形成的所述倾斜部的内壁面垂直，并使所述电极相对于所述工件相对移动来对所述倾斜部的内壁面进行电火花加工。

3.根据权利要求2所述的电火花加工方法，其特征在于，

在所述内壁面加工工序中，使所述电极绕所述轴线旋转并通过所述电极的底面或周面来对通过所述倾斜部加工工序形成的所述内壁面的圆弧部进行电火花加工，所述内壁面的圆弧部与所述电极的电极直径相对应。

4.根据权利要求2或3所述的电火花加工方法，其特征在于，

在所述直线部加工工序中，使所述电极相对于所述工件沿所述电极的轴线方向相对移动来将截面电火花加工成圆形形状。

5.根据权利要求2～4中任一项所述的电火花加工方法，其特征在于，

在进行了所述倾斜部加工工序后，进行所述内壁面加工工序，然后进行所述直线部加工工序。