JP2000158219A

JP2000158219A - 穴加工装置

Info

Publication number: JP2000158219A
Application number: JP10334271A
Authority: JP
Inventors: Satoru Matsunaga; 悟松永; Keiji Toyomi; 恵治豊海
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1998-11-25
Filing date: 1998-11-25
Publication date: 2000-06-13

Abstract

(57)【要約】【課題】加工硬化層が発生した場合においても、穴加工
が可能であり、自動で加工を続けることが可能な穴加工
装置を提供する。【解決手段】切削ドリル駆動手段６ａと、切削状態の異
常を検出する切削異常検出手段と９、切削異常の原因を
判断する切削異常判断手段と、切削異常の原因を表示す
る表示手段１１とを備えている穴加工装置において、前
記切削異常判断手段に加工硬化層の有無を検出判断する
硬化層検出手段１０を設けるとともに、前記装置に、加
工硬化層検出時に前記切削ドリルの送り量を強制的に増
加させ、加工硬化層を通り越してさらに奥層の部分を加
工する切削ドリル駆動制御手段１２を設けるようにし
た。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えばタービンロ
ータのディスク部のフォークに設けられるピン穴などを
穿設する穴加工装置の改良に係わり、特に穴の穿設が自
動的に行なわれるように形成されている穴加工装置に関
するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来一般に採用されている穴加工装置に
も多くの種類があるが、最近においては、数多くの穴を
定められた位置に切削ドリルにより穿つ場合、所定の形
状をした治具を用い、自動的に行うようにしているのが
普通である。例えば、図１（ａ）および図２に示されて
いるように、タービンロータ１の動翼２を固定する部分
の形状は、くし歯の形状をしており、加工機械を入れづ
らい狭隘部である。

【０００３】このくし歯部には、動翼２を固定あるいは
抜け止めのために、抜け止めピンが打ち込まれるが、こ
のピンを挿入するための穴がタービンロータ１の軸方向
に複数設けられる。このピン穴は、くし歯の各歯に該当
する部分に連ねた形で設けられるため、各歯ごとの穴の
深さはそれほど深くはないが、くし歯全体を考えた場合
には実質的に深穴となる。

【０００４】つまり、深穴加工に対応するために必然的
にドリルの長さも長くなるため、一般の穴あけ機のみの
加工では、回転中のドリルに振れが生じ加工中にドリル
の先端が曲がってしまい、ドリルを破損させてしまうと
ともに、正確な位置に穴をあけることができない。特
に、タービンロータ１のように、鍛造品で溶接補修がで
きない素材では、穴あけ位置のズレは絶対に避けなけれ
ならない。このため、このような穴あけ加工の際には、
被加工物の穴あけ位置に対応するところに、予め穴があ
けられている治具を用いて行われる。

【０００５】この治具を用いる場合、例えば図１および
図３に示すようなセグメント状の治具８をタービンロー
タ１の動翼固定部３に取付け、特殊な穴あけ装置でピン
穴を形成するようにしている。この穴加工装置は、深穴
用切削ドリルと、切削ドリル駆動装置と、切削ドリルを
Ｘ方向、Ｙ方向、Ｚ方向に移動させる移動機構とを備え
ており、ドリルを治具穴に導いた後、ドリルを治具穴に
沿って移動させ穴加工，すなわち穴あけを行う。

【０００６】さらに、この穴加工装置は、ドリルの位置
合わせを行った後、自動的に穴あけ加工が行なわれるよ
うに、前記被加工物に穴をあけている際の前記工具の位
置を検出する位置検出手段と、切削異常の際の状況を記
憶しておく切削異常記憶手段と、前記工具（切削ドリ
ル）にかかる荷重が前記予め定められている荷重を超え
た際の荷重および工具の位置と、前記切削異常記憶手段
に記憶されている過去の切削異常の際の状況とを比較し
て、切削異常の原因を判断する切削異常判断手段と、判
断された切削異常の原因を表示する表示手段と、判断さ
れた切削異常の原因に応じて、前記工具の移動位置を前
記移動手段に指示する指示手段とを備えている。

【０００７】もう少し具体的に説明すると、通常の切削
では、切削中に切粉がつまったり、あるいはドリル５が
破損することが充分考えられるため、この場合の処理方
法を考慮し、装置のサドル６内に、切削中のドリル５に
かかるスラスト力を検出するスラスト力検知センサが設
置されている。

【０００８】また、制御する装置（ＮＣ装置）のメモリ
内には、切削異常を判断するための基準となる２種のス
ラスト力（レベル１＜レベル２）が予め設定されてお
り、この値と検知されたスラスト力とをＣＰＵが比較し
て切削状態を判断している。切削状態の判断では、基本
的には、工具破損、切粉づまり、工具摩耗の３形態を判
断する。

【０００９】次に、この処理に関して、図４に示された
フローチャートにしたがい順次説明する。切削中に、レ
ベル１を超えるスラスト力が検知された場合には、直ち
に割込みがかけられ（ステップ１）、ブザーからアラー
ムが発せられる（ステップ２）。この際、検出されたス
ラスト力がレベル２未満のものか、レベル２以上のもの
かの判断も行ない、レベル２未満であればステップ３に
進み、レベル２以上であれば直ちに”工具破損”をＣＲ
Ｔに表示させる（ステップ１０）。

【００１０】工具破損と他の切削異常状態とは、その際
のスラスト力が異なるので、検知したスラスト力に基づ
き、工具破損か否かが判断される。レベル２未満である
と判断されてステップ３に進むと、現在のドリル５のＸ
方向およびＹ方向の座標値を位置検出器から読み込み、
前回アラームが発せられた際のドリル５のＸ方向および
Ｙ方向の座標値と、読み込んだ座標値とを比較し、相互
間距離Ｃを算出する（ステップ４）。

【００１１】ステップ５では、この相互間距離Ｃと予め
定められた距離εと大小関係を判断する。相互間距離Ｃ
が予め定めた距離εより大きい場合には、単なる切粉づ
まりと判断して、ステップ６に進み、”切粉づまり”を
ＣＲＴに表示させる。また、相互間距離Ｃが予め定めた
距離ε以下である場合には、工具摩耗であると判断し
て、ステップ１１に進み、”工具摩耗”をＣＲＴに表示
させる。

【００１２】一般的に、工具摩耗の際も、切粉づまりが
発生して、単なる切粉づまりの際とほぼ同じスラスト力
が発生するが、工具摩耗の際には、切粉を排除して隣の
ピン穴の切削を開始すると、再び切粉づまりが発生する
可能性が非常に高い。すなわち、切粉づまりが度々起こ
るようであれば、その切粉づまりは、工具摩耗によるも
のであると判断できる。

【００１３】そこで、前回アラームが発せられた際のド
リルの位置から、現在のドリルの位置まで距離が近く、
切粉づまりの頻度が多くなれば、工具摩耗と判断するよ
うにしている。“工具摩耗”表示（ステップ１１）およ
び“工具破損”表示（ステップ１０）した後は、ドリル
を交換するため、ドリルをスタート位置に戻した後（ス
テップ１２）、主軸の回転を停止する（ステップ１
３）。装置は待機状態となり（ステップ１４）、この間
にドリルの交換を行う。

【００１４】一方、“切粉づまり”表示した後は（ステ
ップ６）、ドリルをスタート位置に戻してストップす
る。この間に切粉の排出を行う（ステップ８）。その
後、ドリルをアラーム発生位置に戻し、そこから再び加
工をスタートさせる（ステップ９）。以上のように、切
削異常に対して自動的に対応させることで、作業の効率
化を実現している。

【００１５】なお、この種の穴加工装置に関連するもの
としては、例えば特開平５−９６４１０号公報あるいは
特開昭６０−８５８０８号公報などが挙げられる。

【００１６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うに形成されている穴加工装置であると、被加工物の材
質の硬さに変化がない場合には特に問題になることはな
いのであるが、穴あけ加工の際、加工による熱の影響に
より被加工物の表面が加工硬化をおこし加工硬化層を形
成する場合がある。特に、耐熱合金、ステンレス鋼、高
マンガン鋼、窒化鋼、耐熱鋼等の材料はこの加工硬化層
が形成され易い。

【００１７】加工硬化層が発生した場合の自動加工によ
る加工ステップを見てみると、まず加工硬化層は他の部
分に比べ硬化していることから、加工するためには大き
なスラスト力が必要となる。そのため、スラスト力検知
センサが予め設定されているスラスト力よりも大きな値
を検知し、切削状態が切削異常として判断され、直ちに
切削を中断し工具を戻す動作を行うことになる。

【００１８】その後、再度加工をスタートさせるわけで
あるが、しかしながら再度加工をスタートさせても、加
工硬化層は除去されていないため、前述同様スラスト力
は設定値よりも大きな値が検知され、再度切削異常とし
て加工が中断される。よって一度加工硬化層が形成され
ると、この動作を繰り返すことになり、これ以上加工が
進まなくなってしまうのである。

【００１９】本発明はこれに鑑みなされたもので、その
目的とするところは、加工硬化層が発生した場合におい
ても、穴加工が可能であり、自動で加工を続けることが
可能なこの種の穴加工装置を提供することにある。

【００２０】

【課題を解決するための手段】すなわち本発明は、切削
ドリル駆動手段と、切削状態の異常を検出する切削異常
検出手段と、切削異常の原因を判断する切削異常判断手
段と、切削異常の原因を表示する表示手段とを備えてい
る穴加工装置において、前記切削異常判断手段に加工硬
化層の有無を検出判断する硬化層検出手段を設けるとと
もに、前記装置に、加工硬化層検出時に前記切削ドリル
の送り量を強制的に増加させ、加工硬化層を通り越して
さらに奥層の部分を加工する切削ドリル駆動制御手段を
設けるようになし所期の目的を達成するようにしたもの
である。

【００２１】また、この場合、前記硬化層検出手段の加
工硬化層検出が、前記切削ドリルの回転トルク値および
切削ドリルのスラストカ値と予め定められた判別条件と
を比較することにより行われるようにしたものである。
また、前記切削異常判断手段を、前記加工硬化層の有無
の検出判断以外に、切粉づまり、切削ドリルの破損、切
削ドリルの摩耗の形態をも判断するようにしたものであ
る。

【００２２】すなわちこのように形成された穴加工装置
であると、切削異常判断手段に加工硬化層の有無を検出
判断する硬化層検出手段が設けられ、かつ穴加工装置
に、加工硬化層検出時に前記切削ドリルの送り量を強制
的に増加させ、加工硬化層を通り越してさらに奥層の部
分を加工する切削ドリル駆動制御手段が設けられている
ことから、加工硬化層が形成された場合においても、異
常内容が自動的に判別され、かつ切削ドリル駆動制御手
段により切削ドリルの送り量が強制的に増加され、加工
硬化層の削除処理が行なわれることにより、今まで不可
能であった穴あけ加工の自動化を行うことができ、作業
の効率化を実現することができるのである。

【００２３】

【発明の実施の形態】以下図示した実施例に基づいて本
発明を詳細に説明する。図１にはその穴加工装置の穴加
工状態（タービンロータのフォークピン穴の加工状
態）、および穴加工のフローチャートが示されている。
１が加工されるタービンロータであり、５が切削ドリ
ル、６がサドル、３が動翼固定部で、３ａ，３ｂ…がそ
の各歯、７がピン穴、８が治具である。

【００２４】まず、被加工物となるタービンロータ１に
ついて説明する。タービンロータ１の動翼固定部３の形
状は、前述同様その先端部がくし歯形状をなしている。
このくし歯状先端部に、動翼（図示なし）を固定するた
めに、タービンロータ１の軸方向に平行なピン穴７が、
動翼固定部３を形成するくし歯の各歯３ａ，３ｂ，…３
ｅに設けられる。このピン穴７が、本実施例において加
工する穴である。なお、穴あけ加工を実施する際に用い
られる治具は、従来のものと同様である。すなわち、治
具８は、くし歯形状の動翼固定部３の形状に対応するよ
うにくし歯状に形成され、また、その正面形状は、図３
に示されているように扇形のセグメント状をなしてい
る。扇形の治具８の要目の部分近傍には、治具８をター
ビンロータ１に取付けるためのホルダ９，１０が設けら
れている。

【００２５】また、治具８のタービンロータ１のピン穴
７に対応する位置には、治具穴１１が穿設されている。
この治具穴１１には、治具穴１１に内接し、かつピン穴
７の径と同じ内径のブッシュガイド１２が装着されてい
る。

【００２６】次に本発明となる切削中に異常が発生した
場合の異常内容判別と異常状態の処理について説明す
る。切削中に考えられる切削異常としては、切粉づま
り、切削熱による被加工物における加工硬化層の発生、
ドリル切刃の摩耗および破損の工具寿命が考えられる。

【００２７】これらの切削状態を判断するために、切削
異常検出手段，すなわちドリルにかかるトルクおよびス
ラスト力を検出する手段によりそれぞれその値を検出よ
うにする。そのため穴あけ装置には切削中のドリルにか
かるスラスト力を検出するスラスト力検知センサ以外に
切削中のドリルにかかるトルクを検出するトルク検知セ
ンサが設置される。

【００２８】また、切削加工を制御しているＮＣ装置の
メモリ内には、切削異常を判断するための基準となる２
種のスラスト力（レベル１＜レベル２）およびトルク
（レベル３）が予め設定されており、これらと検知され
たスラスト力ＴおよびトルクＭとをＣＰＵが比較して切
削状態が判断される。

【００２９】ここでは、予め定められた２種類のスラス
ト力およびトルクとしては、一例として、一般的に使用
されるドリルのスラスト力Ｔ’およびトルクＭ’を求め
る計算式（１）および（２）から算出される値をもとに
して定める。レベル１＝２Ｔ’、レベル２＝４Ｔ’、レ
ベル３＝Ｍ’とする。

【００３０】

【数１】Ｔ’＝５７０Ｋｄｆ０．８５（Ｎ） …（１）Ｍ’＝ＫＤ２（０．６３０＋１６．８４ｆ）（Ｎ・ｃｍ） …（２）（Ｋ：材料係数、Ｄ：ドリル直径（ｍｍ）、ｆ：送り量
（ｍｍ／ｒｅｖ））切削状態の判断では、基本的には、工具の破損、工具の
摩耗、切粉づまり、加工硬化層発生の４形態を判断す
る。この処理に関して、図１および図５〜図９に示すフ
ローチャートにしたがって順次説明する。

【００３１】図１において切削中に、レベル１を超える
スラスト力Ｔが検知された場合には、直ちに割込みがか
けられ（ステップ２６）、ブザーからアラームが発せら
れる（ステップ２７）。この際、検出されたスラスト力
Ｔがレベル２未満のものか、レベル２以上のものかの判
断も行ない、レベル２未満であればステップ２９に進
み、レベル２以上であれば、ステップ４０へ進む。

【００３２】レベル２未満であると判断されてステップ
２９に進むと、現在のドリルのＸ方向およびＹ方向の座
標値を位置検出器から読み込み、前回アラームが発せら
れた際のドリルのＸ方向およびＹ方向の座標値と、読み
込んだ座標値とを比較し、相互間距離Ｃを算出する（ス
テップ３０）。

【００３３】ステップ３１では、この相互間距離Ｃと予
め定められた距離εと大小関係を判断する。相互間距離
Ｃが予め定めた距離εより大きい場合には、単なる切粉
づまりと判断して、ステップ３２に進み、”切粉づま
り”をＣＲＴ９６に表示させる。また、相互間距離Ｃが
予め定めた距離ε以下である場合には、工具摩耗である
と判断して、ステップ３６に進み、”工具摩耗”をＣＲ
Ｔ９６に表示させる。

【００３４】一般的に、工具摩耗の際も、切粉づまりが
発生して、単なる切粉づまりの際とほぼ同じスラスト力
が発生する（図６および図７参照）が、工具摩耗の際に
は、切粉を排除して隣のピン穴の切削を開始すると、再
び切粉づまりが発生する可能性が非常に高い。すなわ
ち、切粉づまりが度々起こるようであれば、その切粉づ
まりは、工具摩耗によるものであると判断できる。そこ
で、前回アラームが発せられた際のドリルの位置から、
現在のドリルの位置まで距離が近く、切粉づまりの頻度
が多くなれば、工具摩耗と判断するようにしている。

【００３５】“工具摩耗”表示（ステップ３６）および
“工具破損”表示（ステップ４１）した後は、ドリルを
交換するため、ドリルをスタート位置に戻した後（ステ
ップ３７）、主軸の回転を停止する（ステップ３８）。
装置は待機状態となり（ステップ３９）、この間にドリ
ルの交換を行う。一方、“切粉づまり”表示した後は
（ステップ３２）、ドリルをスタート位置に戻してスト
ップする。この間に切粉の排出を行う（ステップ３
４）。

【００３６】その後、ドリルをアラーム発生位置に戻
し、そこから再び加工をスタートさせる（ステップ３
５）。工具破損の場合の切削異常状態は、切粉づまりや
工具摩耗の場合に比べ、その際のスラスト力がかなり大
きなものとなるので（図８参照）、検知したスラスト力
Ｔに基づき切粉づまりおよび工具摩耗と区別して判別す
ることができる。

【００３７】また加工硬化層発生の場合切削異常状態
は、加工硬化層によりドリルの先端が食い込まず、これ
以上ドリルを押し込むことができない状態に陥るので、
スラスト力Ｔは工具破損の場合と同様、かなり大きな値
が検知される（図９参照）。したがって、予め設定され
た２種のスラスト力と検知したスラスト力Ｔを比較する
ことにより、発生した切削異常状態を切粉づまりと工具
摩耗、工具破損と加工硬化層の発生に大別することがで
きる。

【００３８】また、レベル２以上であると判断されてス
テップ４０に進むと、今度は切削異常状態が工具破損に
よるものか加工硬化層の発生によるものか区別するた
め、検出されたトルクＭをトルクの基準値レベル３と比
較する。検出されたトルクＭがレベル３より大きければ
ステップ４１に進み直ちに“工具破損”をＣＲＴに表示
させる。逆にトルクＭが小さければ、ステップ４２に進
み直ちに“加工硬化層発生”をＣＲＴに表示させる。

【００３９】工具破損の場合は、異常がない場合に比
べ、工具の切れ味がかなり悪くなることから、切削抵抗
を大きく受けることになり、トルクが大きくなる（図８
参照）。それに対して加工硬化層が発生した場合は、ド
リルの先端が食い込まなくなることからドリルの回転方
向には抵抗を受けなくなり、異常がない場合に比べトル
クが小さくなる（図９参照）。

【００４０】したがって、検知したトルクＭに基づい
て、発生した切削異常状態を工具破損と加工硬化層の発
生とに分別することができる。加工硬化層発生と判断さ
れてステップ４３に進むと、加工硬化層を除去するため
ドリルの送り量を増加させる。これは加工硬化層の厚さ
が数百μｍと薄いため、ドリルの送り量を強制的に増加
させ、加工硬化層を切削するのではなく、加工硬化層を
通り越してさらに下層の通常状態の部分を加工するよう
にして、加工硬化層を切除することを目的として実施す
る。

【００４１】増加後の送り量は、予め加工硬化層の深さ
測定を行い、その深さを超える値に設定する。一例とし
て、加工硬化層の深さがｄｍｍ以内と測定された場合
は、切削時の送り量をｄｍｍ／ｒｅｖ以上に増加させ、
加工硬化層を超えた領域で切削するようにする。

【００４２】加工硬化層が除去できたかの判断は、ステ
ップ２８に示すように、送り量増加後のドリルのスラス
ト力Ｔを検知し、異常切削状態を示すレベル１より小さ
くなったかどうかで判断する。検知したスラスト力Ｔが
レベル１より小さくなった場合は、加工硬化層を除去し
たと判断され送り量を元に戻す（ステップ４５）。

【００４３】以上説明してきたようにこのように形成さ
れた穴加工装置であると、加工硬化層を形成するような
被加工物の穴あけ加工について、切削異常が発生した場
合においても、異常内容を自動的に判別し、処理を行う
ことにより、今まで不可能であった穴あけ加工の自動化
を行うことができ、作業の効率化を実現することができ
るのである。

【００４４】

【発明の効果】以上説明してきたように本発明によれ
ば、加工硬化層が発生した場合においても、穴加工が可
能であり、自動で加工を続けることが可能なこの種の穴
加工装置を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の穴加工装置の一実施例を示す縦断側面
図および穴加工フローチャートである。

【図２】本発明穴加工装置により加工されるタービンロ
ータを示す側面図である。

【図３】本発明穴加工装置により加工されるタービンロ
ータを示す正面図である。

【図４】従来の穴加工装置における切削異常があった場
合のフローチャートである。

【図５】本発明に係る一実施例の穴あけ装置における切
削異常があった場合のスラスト力およびトルクの変化を
表す説明図である。

【図６】本発明に係る一実施例の穴あけ装置における切
削異常があった場合のスラスト力およびトルクの変化を
表す説明図である。

【図７】本発明に係る一実施例の穴あけ装置における切
削異常があった場合のスラスト力およびトルクの変化を
表す説明図である。

【図８】本発明に係る一実施例の穴あけ装置における切
削異常があった場合のスラスト力およびトルクの変化を
表す説明図である。

【図９】本発明に係る一実施例の穴あけ装置における切
削異常があった場合のスラスト力およびトルクの変化を
表す説明図である。

【符号の説明】

１…タービンロータ、３…動翼固定部、５…ドリル、６
…サドル、６ａ…切削ドリル駆動手段、７…ピン穴、８
…治具、１１…表示手段、１０…硬化層検出手段、１２
…切削ドリル駆動制御手段。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】切削ドリル駆動手段と、切削状態の異常
を検出する切削異常検出手段と、切削異常の原因を判断
する切削異常判断手段と、切削異常の原因を表示する表
示手段とを備えている穴加工装置において、前記切削異常判断手段に加工硬化層の有無を検出判断す
る硬化層検出手段を設けるとともに、前記装置に、加工
硬化層検出時に前記切削ドリルの送り量を強制的に増加
させ、加工硬化層を通り越してさらに奥層の部分を加工
する切削ドリル駆動制御手段を設けたことを特徴とする
穴加工装置。
【請求項２】前記硬化層検出手段の加工硬化層検出
が、前記切削ドリルの回転トルク値および切削ドリルの
スラストカ値と予め定められた判別条件とを比較するこ
とにより行われるものである請求項１記載の穴加工装
置。
【請求項３】前記切削異常判断手段は、前記加工硬化
層の有無の検出判断以外に、切粉づまり、切削ドリルの
破損、切削ドリルの摩耗の形態を判断するものである請
求項１または２記載の穴加工装置。