DE112021000710T5

DE112021000710T5 - Werkstückbearbeitungsverfahren

Info

Publication number: DE112021000710T5
Application number: DE112021000710.6T
Authority: DE
Inventors: Daisuke UENISHI; Tomohiro Oyamada
Original assignee: Fanuc Corp
Current assignee: Fanuc Corp
Priority date: 2020-01-23
Filing date: 2021-01-18
Publication date: 2022-11-17
Also published as: JPWO2021149638A1; CN114929418A; WO2021149638A1; JP7481370B2; US20230044441A1

Abstract

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Qualität der bearbeiteten Oberfläche einer gekrümmten Oberfläche eines Werkstücks zu verbessern, ohne die Bearbeitungsgeschwindigkeit zu verringern, wenn die gekrümmte Oberfläche einer spanabhebenden Bearbeitung unterzogen wird. Es ist ein Werkstückbearbeitungsverfahren vorgesehen, bei dem ein Drehtisch, auf dem ein Werkstück positioniert ist, und ein Werkzeug an zwei Linearbewegungsachsen entlang orthogonal zueinander relativ bewegt werden, wobei das Werkstück von dem Drehtisch um jede von einer ersten Schwenkachse und einer zweiten Schwenkachse orthogonal zueinander bewegt wird, und zumindest eine gekrümmte Oberfläche einer vorspringenden gekrümmten Oberfläche und einer ausgesparten gekrümmten Oberfläche einer spanabhebenden Bearbeitung unterzogen wird. Das Verfahren beinhaltet: Anordnen der ersten Schwenkachse, so dass sie zu einer ersten Linearbewegungsachse der zwei Linearbewegungsachsen parallel ist, wobei die Motorlast während der linearen Bewegung in der ersten Linearbewegungsachse relativ klein ist; Anordnen der zweiten Schwenkachse in einer Ebene, die zu der ersten Linearbewegungsachse senkrecht ist; und Unterziehen der gekrümmten Oberfläche einer spanabhebenden Bearbeitung entlang der Krümmungsrichtung, während das Werkstück an der ersten Linearbewegungsachse entlang bewegt wird und das Werkstück um die zweite Schwenkachse gedreht wird.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Das vorliegende Verfahren betrifft ein Werkstückbearbeitungsverfahren.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Bei der Bearbeitung eines Schaufelteils, wie etwa einer für ein Strahltriebwerk eingesetzten Turbinenschaufel, wird eine Zerspanungsmaschine mit einer Drehachse, wie etwa ein Fünf-Achsen-Bearbeitungszentrum, verwendet. In der Regel hat das Schaufelteil die Form einer dünnen Platte und hat als Schaufelfläche zumindest eine aus einer konvexen Oberfläche und einer konkaven Oberfläche ausgewählte gekrümmte Oberfläche.
Bei der Bearbeitung des Schaufelteils durch die Zerspanungsmaschine werden hauptsächlich Grobzerspanung mit einem Fräser, Vorschlichten mit einem Radiusfräser und Schlichten mit einem Kugelfräser eingesetzt. Für die dünne Form niedriger Steifigkeit des Schaufelteils wird hocheffiziente spanabhebende Bearbeitung zum Fräsen des Schaufelteils aus einem Werkstück (einem Grundmaterial) in einem Arbeitsgang, z. B. mit einem konischen Kugelfräser oder einem Kugelfräser, eingesetzt. Spanabhebende Bearbeitung wird so durchgeführt, dass eine Werkzeugachse auf einen Außenumfang einer bearbeiteten Form in einem zu einer Längsachsenrichtung des Schaufelteils senkrechten Schnitt eingestellt wird und das Bearbeiten durchgeführt wird, während ein Werkzeug sich relativ um die Längsachsenrichtung des Schaufelteils bewegt. In der Regel wird ein Bearbeitungsprogramm für eine derartige spanabhebende Bearbeitung gezielt für einen Festkörper des Schaufelteils anhand einer Oberfläche des Festkörpers erstellt.
In der Regel werden in einer Werkzeugmaschine ein Werkzeug und ein Werkstück so bereitgestellt, dass sie sich entlang zweier Linearbewegungsachsen, die eine X-Achsen- und eine Y-Achsenrichtung sind, die zueinander senkrecht sind, relativ zueinander linear bewegen. Zum Beispiel sind im Fall einer in den 6 und 7 gezeigten Werkzeugmaschine 10 ein X-Achsen-Tisch 102, der sich linear in der X-Achsenrichtung bewegt, und ein Y-Achsen-Tisch 103, der sich linear in der Y-Achsenrichtung, die zu der X-Achsenrichtung senkrecht ist, bewegt, auf einem Sockel 101 bereitgestellt. Auf dem X-Achsen-Tisch 102 ist ein Drehtisch 104, der eine Drehachse 105 aufweist, die ein festgehaltenes Werkstück W um eine C-Achse dreht, bereitgestellt. Der Drehtisch 104 dreht die das Werkstück W festhaltende Drehachse 105 um eine A-Achse, wodurch die Drehachse 105 selbst geneigt wird. Die A-Achse ist parallel zur Y-Achsenrichtung eingestellt. Des Weiteren steht auf einer Oberseite des Sockels 101 eine Säule 106. Eine Hauptachseneinheit 107, die sich in einer Z-Achsenrichtung auf- und abbewegen kann, ist an einem oberen Endteil der Säule 106 bereitgestellt. An einem unteren Endteil der Hauptachseneinheit 107 ist ein Werkzeug T angebracht. Als eine solche Werkzeugmaschine ist zum Beispiel eine wie in Patentdokument 1 beschriebene bekannt.
Patentdokument 1: Japanische nicht geprüfte Patentanmeldung, Veröffentlichung Nr. 2016-36869
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
Von der Erfindung zu lösende Aufgaben
Beim Bearbeiten des Schaufelteils durch die Zerspanungsmaschine werden im Fall der Bearbeitung der gekrümmten Oberfläche durch spanabhebende Bearbeitung entlang der Krümmungsrichtung der gekrümmten Oberfläche das Werkzeug T und das Werkstück W relativ zueinander in der Krümmungsrichtung der gekrümmten Oberfläche an einer der zwei Linearbewegungsachsen, d. h. der X- und der Y-Achsen-Richtung, die zueinander senkrecht sind, entlang linear bewegt, während das Werkstück W von der Drehachse 105 um eine Längsachse (C-Achse) des Schaufelteils gedreht wird. Die Krümmungsrichtung der gekrümmten Oberfläche zeigt eine Richtung entlang einer Richtung an, in der die gekrümmte Oberfläche gekrümmt ist. In der Regel ist die Krümmungsrichtung der gekrümmten Oberfläche im Fall des Schaufelteils eine Breitenrichtung der Schaufelfläche.
Beim Herausarbeiten der gekrümmten Oberfläche aus dem Werkstück W durch spanabhebende Bearbeitung, wie oben beschrieben, beeinflussen aber in einigen Fällen z. B. Schwingungen aufgrund von Beschleunigung und Entschleunigung bei der linearen Bewegung des Werkstücks W die Qualität der bearbeiteten gekrümmten Oberfläche. Das heißt, beim Herausarbeiten der gekrümmten Oberfläche aus dem Werkstück W durch spanabhebende Bearbeitung an der Krümmungsrichtung der gekrümmten Oberfläche entlang, wie in 7 gezeigt, muss das Werkstück W relativ zu dem Werkzeug T in der Y-Achsenrichtung linear bewegt werden, während es von der Drehachse 105 um die C-Achse bewegt wird. In diesem Fall bewegt der Y-Achsen-Tisch 103 alle, den X-Achsen-Tisch 102, den Drehtisch 104 und die Drehachse 105. Aus diesem Grund ist das Trägheitsmoment (Trägheit) des Y-Achsen-Tisches 103 groß und die Belastung des Y-Achsen-Motors (nicht gezeigt), der den Y-Achsen-Tisch antreibt, ist groß. Infolgedessen werden bei der Bearbeitung des Werkstücks W aufgrund von Beschleunigung und Entschleunigung bei der linearen Bewegung des Y-Achsen-Tischs 103 leicht Schwingungen verursacht. Aus diesem Grund muss beim Herausarbeiten der gekrümmten Oberfläche aus dem Werkstück durch spanabhebende Bearbeitung die Bearbeitungsgeschwindigkeit verringert werden, um die Beeinflussung der Qualität der bearbeiteten gekrümmten Oberfläche durch Schwingungen zu vermeiden.
Daher besteht ein Bedarf an einer Verbesserung der Qualität der bearbeiteten gekrümmten Oberfläche, ohne dass die Bearbeitungsgeschwindigkeit verringert werden muss, wenn die gekrümmte Oberfläche durch spanabhebende Bearbeitung aus dem Werkstück herausgearbeitet wird.
Mittel zum Lösen der Aufgaben
Ein Werkstückbearbeitungsverfahren gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung ist ein Werkstückbearbeitungsverfahren zum Herausarbeiten zumindest einer aus einer konvexen Oberfläche und einer konkaven Oberfläche ausgewählten gekrümmten Oberfläche aus einem Werkstück durch spanabhebende Bearbeitung, indem ein Drehtisch, auf dem das Werkstück montiert ist, und ein Werkzeug relativ zueinander an zwei Linearbewegungsachsen entlang, die zueinander senkrecht sind, bewegt werden und das Werkstück von dem Drehtisch um jede einer ersten und zweiten Schwenkachse, die senkrecht zueinander sind, gedreht wird, wobei das Verfahren Anordnen der ersten Schwenkachse parallel zu einer ersten Linearbewegungsachse, die bei linearer Bewegung unter den zwei Linearbewegungsachsen eine relativ geringere Motorlast aufweist, und Anordnen der zweiten Schwenkachse in einer Ebene, die zu der ersten Linearbewegungsachse senkrecht ist, und Bearbeiten der gekrümmten Oberfläche an der Krümmungsrichtung der gekrümmten Oberfläche entlang durch spanabhebende Bearbeitung, während das Werkstück an der ersten Linearbewegungsachse entlang bewegt wird und das Werkstück um die zweite Schwenkachse gedreht wird, beinhaltet.
Wirkungen der Erfindung
Gemäß einem Aspekt kann die Qualität der bearbeiteten gekrümmten Oberfläche verbessert werden, ohne dass die Bearbeitungsgeschwindigkeit verringert werden muss, wenn die gekrümmte Oberfläche durch spanabhebende Bearbeitung aus dem Werkstück gearbeitet wird.
Figurenliste

1 ist eine perspektivische Ansicht, die ein durch spanabhebende Bearbeitung aus einem Werkstück gearbeitetes Schaufelteil zeigt;
2 ist eine Schnittansicht, die eine Beziehung zwischen einer Schaufelfläche und einem Spitzenende eines Werkzeugs zeigt, wenn das Schaufelteil durch spanabhebende Bearbeitung aus dem Werkstück gearbeitet wird;
3 ist eine perspektivische Ansicht, die die Beziehung zwischen der Schaufelfläche und dem Spitzenende des Werkzeugs zeigt, wenn das Schaufelteil durch spanabhebende Bearbeitung aus dem Werkstück gearbeitet wird;
4 ist eine perspektivische Ansicht, die eine Ausführungsform einer für ein Werkstückbearbeitungsverfahren verwendeten Werkzeugmaschine gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung zeigt;
5 ist eine perspektivische Ansicht, die einen Zustand, in dem die Schaufelfläche des Schaufelteils durch spanabhebende Bearbeitung mit der in 4 gezeigten Werkzeugmaschine bearbeitet wird, aus der Nähe zeigt;
6 ist eine perspektivische Ansicht, die ein Beispiel für eine Werkzeugmaschine zeigt, die für ein typisches Werkstückbearbeitungsverfahren verwendet wird; und
7 ist eine perspektivische Ansicht, die einen Zustand, in dem eine Schaufelfläche eines Schaufelteils durch spanabhebende Bearbeitung mit der in 6 gezeigten Werkzeugmaschine bearbeitet wird, aus der Nähe zeigt.

BEVORZUGTE AUSFÜHRUNGSART DER ERFINDUNG
Im Folgenden wird ein Aspekt der vorliegenden Offenbarung mit Bezug auf die Zeichnungen ausführlich beschrieben. 1 ist eine perspektivische Ansicht, die ein durch spanabhebende Bearbeitung aus einem Werkstück gearbeitetes Schaufelteil zeigt. Das Schaufelteil 1 wird so hergestellt, dass ein überflüssiger Teil mit einem Werkzeug (in 1 nicht gezeigt) einer Werkzeugmaschine von dem rechteckigen quaderförmigen Werkstück W abgetragen wird. Das Schaufelteil 1 weist an seiner vorderen und/oder hinteren Oberfläche eine Schaufelfläche 11 aus, die als eine gekrümmte Oberfläche ausgebildet ist. Bei dem in 1 gezeigten Schaufelteil 1 ist eine Schaufelfläche 11 der vorderen und hinteren Oberfläche eine konvexe Oberfläche 11a und die andere Schaufelfläche 11 ist eine konkave Oberfläche 11b. Ein derartiges Schaufelteil 1 ist zum Beispiel eine Turbinenschaufel oder eine Verdichterschaufel.
Die 2 und 3 zeigen eine Positionsbeziehung zwischen der Schaufelfläche 11 und einem Spitzenende des Werkzeugs T, wenn das Schaufelteil 1 durch spanabhebende Bearbeitung aus dem Werkstück W gearbeitet wird. Wie in 2 gezeigt, ist das Werkzeug T der Werkzeugmaschine auf einem äußeren Umfang einer Bearbeitungsform in einem Schnitt senkrecht zur Richtung (einer zur Papierebene von 2 senkrechten Richtung) einer Längsachse 12 des Schaufelteils 1 angeordnet.
Bei der Bearbeitung der Schaufelfläche 11 durch spanabhebende Bearbeitung mit dem Werkzeug T wird das Werkstück W um die Längsachse 12 gedreht, während es in einer Richtung (einer D1-Richtung) entlang linear bewegt wird, so dass in 3 gezeigte Bearbeitungsbahnen 13 entlang der Richtung (einer Außenumfangsrichtung der im Schnitt von 2 gezeigten bearbeiteten Form) der Krümmung der Schaufelfläche 11 verlaufen. Des Weiteren wird das Werkstück W linear in der Richtung (einer D2-Richtung) der Längsachse 12 um eine vorbestimmte Wegstrecke bewegt, so dass das Werkzeug T sequenziell von einer Bearbeitungsbahn 13 zu einer anderen bewegt wird. Auf diese Weise wird das Schaufelteil 1 durch spanabhebende Bearbeitung aus dem Werkstück W herausgearbeitet. In einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung wird eine Linearbewegungsachse beim linearen Bewegen des Werkstücks W entlang der Richtung (der D1-Richtung) der Krümmung der Schaufelfläche 11, wie oben beschrieben, auf eine Achse (im Folgenden als eine erste Linearbewegungsachse bezeichnet) mit einer relativ kleineren Motorlast unter zwei Linearbewegungsachsen eingestellt, die eine X-Achsenrichtung und eine Y-Achsenrichtung sind, die zueinander senkrecht sind.
Als Nächstes wird ferner ein spezifisches Werkstückbearbeitungsverfahren zum Herausarbeiten des Schaufelteils 1 aus dem Werkstück W durch spanabhebende Bearbeitung mithilfe der in den 4 und 5 gezeigten Werkzeugmaschine 2 als Zerspanungsmaschine beschrieben. 4 ist eine perspektivische Ansicht, die eine Ausführungsform der für das Werkstückbearbeitungsverfahren gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung verwendeten Werkzeugmaschine zeigt. 5 ist eine perspektivische Ansicht, die einen Zustand, in dem die Schaufelfläche des Schaufelteils durch spanabhebende Bearbeitung mit der in 4 gezeigten Werkzeugmaschine bearbeitet wird, aus der Nähe zeigt.
Die Werkzeugmaschine 2 beinhaltet auf einem auf einen Boden gestellten Sockel 21 einen X-Achsen-Tisch 22, der sich linear in der X-Achsenrichtung bewegt, und einen Y-Achsen-Tisch 23, der sich linear in der Y-Achsenrichtung, die zur X-Achsenrichtung senkrecht ist, bewegt. Der X-Achsen-Tisch 22 ist so bereitgestellt, dass er sich, von einem X-Achsen-Motor 22a angetrieben, linear in der X-Achsenrichtung bewegt. Der Y-Achsen-Tisch 23 ist so bereitgestellt, dass er sich, von einem Y-Achsen-Motor 23a angetrieben, linear in der Y-Achsenrichtung bewegt.
Ein Drehtisch 24 ist an einer Oberseite des X-Achsen-Tisches 22 montiert. Der Drehtisch 24 trägt eine Drehachse 25 drehbar. Die Drehachse 25 ist ein das Werkstück W festhaltendes Element und dreht das festgehaltene Werkstück W um eine C-Achse (eine zweite Schwenkachse). Das Werkstück W ist so an der Drehachse 25 angebracht, dass die Richtung (die D2-Richtung) der Längsachse 12 des bearbeiteten Schaufelteils 1 parallel zur Richtung der C-Achse ist.
Der Drehtisch 24 dreht (neigt) die Drehachse 25 selbst, von einem A-Achsen-Motor 24a angetrieben, um eine A-Achse (eine erste Schwenkachse). Die A-Achse des Drehtischs 24 ist parallel zur X-Achsen-Richtung angeordnet. Die C-Achse der Drehachse 25 ist in einer zu der X-Achsenrichtung senkrechten Ebene angeordnet. Daher dient die A-Achse des Drehtischs 24 als eine Neigungsachse, um die die C-Achse der Drehachse 25 entlang der zur A-Achse senkrechten Ebene geneigt wird.
Auf einer Oberseite des Sockels 21 steht eine Säule 26. An einem oberen Endteil der Säule 26 ist eine Hauptachseneinheit 27 bereitgestellt, die sich, von einem Z-Achsen-Motor 27a angetrieben, an einer Z-Achsenrichtung entlang senkrecht zur X-Achsenrichtung und zur Y-Achsenrichtung auf- und abbewegen kann. Das Werkzeug T ist an einem unteren Endteil der Hauptachseneinheit 27 angebracht.
In der Werkzeugmaschine 2 ist die Richtung der A-Achse parallel zur X-Achsenrichtung der X-Achsen- und der Y-Achsenrichtung, die zueinander senkrecht sind, angeordnet. Die A-Achse ist die erste Schwenkachse. Der X-Achsen-Tisch 22 braucht bei linearer Bewegung in der X-Achsenrichtung nur den Drehtisch 24 und die Drehachse 25 zu bewegen und weist daher ein relativ kleineres Trägheitsmoment (Trägheit) als das des Y-Achsen-Tischs 23 auf. Daher ist eine Belastung des X-Achsen-Motors 22a, der den X-Achsen-Tisch 22 antreibt, kleiner als eine Belastung des Y-Achsen-Motors 23a, der den Y-Achsen-Tisch 23 antreibt. Folglich dient in der Werkzeugmaschine 2 die X-Achse der X- und Y-Achse, die zueinander senkrecht sind, als die erste Linearbewegungsachse mit einer relativ kleineren Motorlast.
Beim Herausarbeiten der Schaufelfläche 11 des Schaufelteils 1 aus dem Werkstück W durch spanabhebende Bearbeitung werden das Werkzeug T und das Werkstück W in der Werkzeugmaschine 2 relativ zueinander in der Richtung (der D1-Richtung) der Krümmung der Schaufelfläche 11 linear bewegt, während das Werkstück W sich um die C-Achse dreht, wie in den 2 und 3 gezeigt. Die C-Achse ist die zweite Schwenkachse. Die Achse der relativen linearen Bewegung des Werkzeugs T und des Werkstücks W an diesem Punkt ist auf die X-Achse eingestellt. Die X-Achse ist die Linearbewegungsachse des X-Achsen-Tischs 22 mit einem relativ kleineren Trägheitsmoment (Trägheit) als dem des Y-Achsen-Tischs 23. Daher sind die durch Beschleunigung und Entschleunigung erzeugten Schwingungen, wenn das Werkzeug T und das Werkstück W in der Richtung (D1-Richtung) der Krümmung der Schaufelfläche 11 durch den X-Achsen-Tisch 22 relativ zueinander linear bewegt werden, geringer als bei der linearen Bewegung des Y-Achsen-Tisches 23. Infolgedessen wird die Beeinflussung der Qualität der bearbeiteten gekrümmten Oberfläche durch Schwingungen bei linearer Bewegung verringert. Gemäß diesem Werkstückbearbeitungsverfahren kann also die Qualität der bearbeiteten gekrümmten Oberfläche des Schaufelteils 1 verbessert werden, ohne dass die Bearbeitungsgeschwindigkeit verringert werden muss.
In der oben beschriebenen Ausführungsform ist der X-Achsen-Tisch 22 der Werkzeugmaschine 2 auf dem Y-Achsen-Tisch 23 montiert, die für das Werkstückbearbeitungsverfahren der vorliegenden Offenbarung verwendete Werkzeugmaschine ist aber nicht auf eine derartige Konfiguration beschränkt. Für die X-Achse und die Y-Achse, an denen entlang das Werkstück W in den Richtungen, die in der Werkzeugmaschine zueinander senkrecht sind, linear bewegt wird, können verschiedene Konfigurationen eingesetzt werden. Zum Beispiel kann der X-Achsen-Tisch 22 auf dem Sockel 21 montiert sein und die Säule 26 kann in der Y-Achsenrichtung auf dem Sockel 21 linear bewegbar sein. In diesem Fall hat der X-Achsen-Tisch 22, der sich in der X-Achsen-Richtung linear bewegt, auch ein kleineres Trägheitsmoment (Trägheit) als das der Säule 26, die sich in der Y-Achsenrichtung linear bewegt, und weist daher eine geringere Motorlast auf.
Bezugszeichenliste

1: Schaufelteil
11: Schaufelfläche
11a: Konvexe Oberfläche
11b: Konkave Oberfläche
24: Drehtisch
25: Drehachse
A: Erste Schwenkachse
C: Zweite Schwenkachse
T: Werkzeug
W: Werkstück
X: Linearbewegungsachse (erste Linearbewegungsachse)
Y: Linearbewegungsachse

Claims

Werkstückbearbeitungsverfahren zum Bearbeiten zumindest einer aus einer konvexen Oberfläche und einer konkaven Oberfläche ausgewählten gekrümmten Oberfläche aus einem Werkstück durch spanabhebende Bearbeitung, indem ein Drehtisch, auf dem das Werkstück montiert ist, und ein Werkzeug relativ zueinander entlang von zwei Linearbewegungsachsen, die zueinander senkrecht sind, bewegt werden und das Werkstück von dem Drehtisch um jede einer ersten und zweiten Schwenkachse, die senkrecht zueinander sind, gedreht wird, umfassend: Anordnen der ersten Schwenkachse parallel zu einer ersten Linearbewegungsachse, die bei linearer Bewegung unter den zwei Linearbewegungsachsen eine relativ geringere Motorlast aufweist, und Anordnen der zweiten Schwenkachse in einer Ebene, die zu der ersten Linearbewegungsachse senkrecht ist; und Bearbeiten der gekrümmten Oberfläche entlang einer Krümmungsrichtung der gekrümmten Oberfläche durch spanabhebende Bearbeitung, während das Werkstück an der ersten Linearbewegungsachse entlang bewegt wird und das Werkstück um die zweite Schwenkachse gedreht wird.
Werkstückbearbeitungsverfahren nach Anspruch 1, wobei die erste Schwenkachse eine Neigungsachse ist, um die die zweite Schwenkachse entlang einer zu der ersten Schwenkachse senkrechten Ebene geneigt wird, und die zweite Schwenkachse eine Drehachse ist, um die das Werkstück gedreht wird.
Werkstückbearbeitungsverfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die gekrümmte Oberfläche eine Schaufelfläche eines Schaufelteils ist.