JP2004042235A

JP2004042235A - 環状工作物製造装置及び環状工作物製造方法

Info

Publication number: JP2004042235A
Application number: JP2002206185A
Authority: JP
Inventors: Toru Ishiwaka; 石若　徹
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2002-07-15
Filing date: 2002-07-15
Publication date: 2004-02-12

Abstract

【課題】環状の工作物の内周面を加工するコストを低減すること。
【解決手段】第１軸心線３を中心に回転可能に環状の工作物４を支持するターニングテーブル２と、第１軸心線３に異なる第２軸心線６を中心に回転して、工作物４の内周面を研削する砥石１とを具えている。工作物４は、ニッケル基超合金から形成されている。ニッケル基超合金は、コバルト基合金より切削性が悪い難削材である。このような研削は、切削するより速く低コストで難削材の環状の工作物４の内周面を成形することができる。このような研削は、さらに、工作物４の残留応力が切削するより小さくすることができる。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、環状工作物製造装置及び環状工作物製造方法に関し、特に、ガスタービンを構成する分割環に例示される環状工作物の内周面を加工する環状工作物製造装置及び環状工作物製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
熱エネルギーを機械的仕事に変換するガスタービンが広く使用されている。ガスタービンは、気体を圧縮する圧縮器、その気体を加熱して連続的に膨張させる燃焼器、および、膨張した気体の流れを機械的回転動力に変換するタービンを備えている。
【０００３】
図５は、公知のタービンを示している。そのタービン１００は、ケーシング１０１、タービン静翼１０２−１〜１０２−４、タービン動翼１０３−１〜１０３−４、および図示されていない複数の軸を備えている。ケーシング１０１は、燃焼器からタービン１００に供給される気体１０５の流路１０６を形成している。その複数の軸は、それぞれ１つの軸心線を中心に回転可能に支持されている。タービン動翼１０３−１〜１０３−４は、複数段から形成され、それぞれその複数の軸に同体に接合され、気体１０５の運動を軸の回転運動に変換する。タービン静翼１０２−１〜１０２−４は、ケーシング１０１に支持され、気体１０５が流れる方向を変更して、タービン動翼１０３が気体１０５の運動を軸の回転運動に変換する性能を向上させる。ケーシング１０１のガスの流路１０６に露出される面のうち、タービン動翼１０３−１の翼端に近い領域には、分割環１１１が設けられている。
【０００４】
図６は、分割環１１１を詳細に示している。分割環１１１は、円筒形を形成し、複数の部分１１２−１〜１１２−ｎ（ｎ＝２，３，４，…）から形成されている。１つの部分１１２−ｉ（ｉ＝１，２，３，…，ｎ）は、隣り合う部分１１２−（ｉ＋１）と接合されて、全部で円筒形を形成している。このような分割環１１１の内周面は、部分１１２−１〜１１２−ｎが組み立てられた分割環１１１を竪旋盤により切削加工して形成される。分割環１１１は、一般的にコバルト基合金であるＸ−４５から形成されている。
【０００５】
タービン１００は、寿命延長が望まれ、タービン１００を構成する部品のうちの高温に暴露される高温部品は、耐熱性合金が用いられることが望まれている。その高温部品としては、タービン静翼１０２−１、タービン動翼１０３−１、分割環１１１が例示される。このような高温部品は、耐熱性合金により形成されることが望まれている。耐熱性合金としては、ニッケル基超合金（例示：ＭＧＡ２４００）が例示される。
【０００６】
ニッケル基超合金は、コバルト基合金より切削性が悪い難削材である。このため、ニッケル基超合金製の分割環は、低速回転仕様の竪旋盤により２コラムで切削加工されている。このような切削加工は、加工時間も長く、竪旋盤の工具（バイト）の摩耗が速く、切削工数がコバルト基合金製の分割環に比較して３倍に増加する。分割環の製造コストを低減することが望まれている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、難削材から形成される環状の工作物を製造するコストを低減する環状工作物製造装置及び環状工作物製造方法を提供することにある。
本発明の他の課題は、難削材から形成される環状の工作物を製造する工数を低減する環状工作物製造装置及び環状工作物製造方法を提供することにある。
本発明のさらに他の課題は、耐熱性難削材から形成されるガスタービンの分割環を製造することを容易にする環状工作物製造装置及び環状工作物製造方法を提供することにある。
本発明のさらに他の課題は、残留応力が小さい環状工作物を製造する環状工作物製造装置及び環状工作物製造方法を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
以下に、［発明の実施の形態］で使用される番号・符号を括弧付きで用いて、課題を解決するための手段を説明する。これらの番号・符号は、［特許請求の範囲］の記載と［発明の実施の形態］の記載との対応を明らかにするために付加されたものであり、［特許請求の範囲］に記載されている発明の技術的範囲の解釈に用いてはならない。
【０００９】
本発明による環状工作物製造装置（１０）は、第１軸心線（３）を中心に回転可能に環状の工作物（４）を支持するターニングテーブル（２）と、第１軸心線（３）に異なる第２軸心線（６）を中心に回転して、工作物（４）の内周面を研削する砥石（１）とを具えている。工作物（４）は、ニッケル基超合金から形成されている。
【００１０】
ニッケル基超合金は、コバルト基合金より切削性が悪い難削材である。その内周面は、第１軸心線（３）を軸としている。このような研削は、切削するより速く低コストで難削材の環状の工作物（４）の内周面を成形することができる。このような研削は、さらに、工作物（４）の残留応力が切削するより小さくすることができる。
【００１１】
砥石（１）は、第２軸心線（６）を中心に回転し、且つ、Ｚ軸方向（７）に平行移動して、第１軸心線（３）を中心に回転している工作物（４）の内周面を研削し、Ｚ軸方向（７）は、第１軸心線（３）の方向の成分を有している。すなわち、環状工作物製造装置（１０）は、砥石（１）が第２軸心線（６）を中心に回転しながらＺ軸方向（７）に平行移動し、内周面を螺旋状に移動して研削する、いわゆる、レシプロ研削をする。
【００１２】
内周面のうちの研削する前の被削面（３２）と研削した後の研削仕上げ面（３３）との間の距離である切り込み量（３４）は、砥石（１）が内周面をＺ軸方向（７）に平行移動する送り速度が所定の値より大きくなる程度に小さい。送り速度は、切り込み量（３４）を小さくすることにより、大きくすることができる。本発明による環状工作物製造装置（１０）は、切り込み量（３４）を適当に決めることにより、送り速度を大きくして、工作物（４）の内周面を切削するより速く成形することができる。
【００１３】
本発明による環状工作物製造装置（１０）は、ガスタービンの分割環を製造するときに適用されて特に有用である。
【００１４】
本発明による環状工作物製造方法は、第１軸心線（３）を中心に回転可能に環状の工作物（４）を回転させるステップと、第１軸心線（３）と異なる第２軸心線（６）を中心に砥石（１）を回転させて工作物（４）の内周面を研削するステップとを具備している。工作物（４）は、ニッケル基超合金から形成されている。
【００１５】
ニッケル基超合金は、コバルト基合金より切削性が悪い難削材である。その内周面は、第１軸心線（３）を軸としている。このような研削は、切削するより速く低コストで難削材の環状の工作物（４）の内周面を成形することができる。このような研削は、さらに、工作物（４）の残留応力が切削するより小さくすることができる。
【００１６】
砥石（１）は、第２軸心線（６）を中心に回転し、且つ、Ｚ軸方向（７）に平行移動して、第１軸心線（３）を中心に回転している工作物（４）の内周面を研削し、Ｚ軸方向（７）は、第１軸心線（３）の方向の成分を有している。すなわち、環状工作物製造装置（１０）は、砥石（１）が第２軸心線（６）を中心に回転しながらＺ軸方向（７）に平行移動し、内周面を螺旋状に移動して研削する、いわゆる、レシプロ研削をする。
【００１７】
内周面のうちの研削する前の被削面（３２）と研削した後の研削仕上げ面（３３）との間の距離である切り込み量は、砥石（１）が内周面をＺ軸方向（７）に平行移動する送り速度が所定の値より大きくなる程度に小さい。送り速度は、切り込み量（３４）を小さくすることにより、大きくすることができる。本発明による環状工作物製造方法は、切り込み量（３４）を適当に決めることにより、送り速度を大きくして、工作物（４）の内周面を切削するより速く成形することができる。
【００１８】
本発明による環状工作物製造方法は、ガスタービンの分割環を製造するときに適用されて特に有用である。
【００１９】
本発明による分割環製造装置（１０）は、第１軸心線（３）を中心に環状の工作物（４）を回転させるターニングテーブル（２）と、第１軸心線（３）に平行である第２軸心線（６）を中心に回転する砥石（１）とを具備している。砥石（１）は、工作物（４）の内周面を研削する。工作物（４）は、ガスタービンの分割環である。このような研削は、切削するより速く低コストで難削材から形成される分割環の内周面を成形することができる。このような研削は、さらに、難削材から形成される分割環の残留応力が切削するより小さくすることができる。
【００２０】
本発明による分割環製造方法は、第１軸心線（３）を中心に環状の工作物（４）を回転させるステップと、第１軸心線（３）に平行である第２軸心線（６）を中心に回転する砥石（１）を用いて、工作物（４）の内周面を研削するステップとを具備している。工作物（４）は、ガスタービンの分割環である。このような研削は、切削するより速く低コストで難削材から形成される分割環の内周面を成形することができる。このような研削は、さらに、難削材から形成される分割環の残留応力が切削するより小さくすることができる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
図面を参照して、本発明による環状工作物製造装置が適用された分割環製造装置の実施の形態を説明する。その分割環製造装置１０は、図１に示されているように、回転砥石１がターニングテーブル２とともに設けられている。ターニングテーブル２は、工作物４を支持し、軸３を中心に回転させる。工作物４は、環状（円筒形）を形成している。その円筒形の内周面の中心は、軸３に一致している。工作物４は、ガスタービンに適用される分割環であり、耐熱性の合金であるニッケル基超合金（例示：ＭＧＡ２４００）により、形成されている。
【００２２】
分割環製造装置１０は、主軸５をさらに備えている。主軸５は、回転砥石１を支持し、軸６を中心に回転させながらＺ軸方向７に平行移動させることができる。軸６は、軸３に平行であり、Ｚ軸方向７は、軸３に平行である。回転砥石１は、概ね円柱を形成し、その円柱の軸は、軸６と一致している。すなわち、分割環製造装置１０は、いわゆる、ＮＣターニングセンタである。
【００２３】
図２は、工作物４と回転砥石１とを詳細に示している。ターニングテーブル２は、定盤１１、爪１２およびヤトイ１３を備えている。定盤１１は、ターニングテーブル２の上に固着されて、上部に基準平面を形成している。その基準平面は、ターニングテーブル２が軸３を中心に回転するときに、常に同一平面上に配置される。ヤトイ１３は、定盤１１の基準平面に面接触して設置されている。爪１２は、ヤトイ１３が基準平面を摺動して移動しないように、定盤１１に対してヤトイ１３を固定している。
【００２４】
工作物４は、複数の工具によりヤトイ１３に同体に接合されている。その複数の工具は、ジグ１４、２つの押さえ金１６、２つの柱１７、ボルト１８、２つのナット１９から形成されている。ジグ１４は、ヤトイ１３に溶接されている。ボルト１８は、ヤトイ１３に設けれられているねじ穴にねじ込まれて、ヤトイ１３に固着されている。押さえ金１６は、柱１７とボルト１８とを介してヤトイ１３に支持されている。ナット１９は、ボルト１８と組み合わされて、工作物４をジグ１４と押さえ金１６とに挟んで締め付け、工作物４をヤトイ１３に固定している。
【００２５】
回転砥石１は、概ね円柱を形成し、側面２１と底面２２とを有している。回転砥石１の軸は、軸６に一致している。回転砥石１は、側面２１の全部に砥粒層２３が塗布され、底面２２の外周に近い領域に砥粒層２４が塗布されている。
【００２６】
砥粒層２３、２４は、砥粒と接合剤との混合物である。その砥粒としては、ダイヤモンド砥石、ＷＡ砥石、ＣＢＮ砥石が例示される。その結合剤は、その砥粒を適当な基材に固定した砥粒層２３、２４を形成し、側面２１または底面２２にその砥粒を接着させている。その結合剤としては、樹脂が例示される。なお、砥粒層２３、２４は、側面２１と底面２２とに砥粒が電着されることにより形成されることもできる。
【００２７】
本発明による環状工作物製造方法が適用された分割環製造方法の実施の形態は、分割環製造装置１０により実行される。分割環製造装置１０は、図３に示されているように、軸３を中心に工作物４を一定の回転速度２７で回転させ、軸６を中心に回転砥石１を一定の回転速度２８で回転させる。このとき、回転砥石１は、砥粒層２３が工作物４の内周面と摺動して、その内周面の一部を研削する。回転速度２７、２８は、分割環製造装置１０により任意に設定することができる。
【００２８】
分割環製造装置１０は、さらに、回転砥石１を回転させながらＺ軸方向に一定の送り速度で移動させて、工作物４の内周面を研削する。すなわち、分割環製造装置１０は、研削される領域を内周面の中で螺旋状に移動させる、いわゆる、レシプロ研削をする。工作物４の内周面は、このような研削を１回だけまたは複数回繰り返して成形される。
【００２９】
図４は、回転砥石１と工作物４とを詳細に示している。工作物４は、回転砥石１に対して研削方向３１に移動している。工作物４の内周面は、被削面３２、研削仕上げ面３３、研削面３５および正面研削面３６から形成されている。研削面３５は、工作物４の内周面のうち回転砥石１の砥粒層２３と摺動している領域である。正面研削面３６は、工作物４の内周面のうち軸６に概ね垂直である領域であり、回転砥石１の砥粒層２４と摺動している、または、砥粒層２４により研削された後の領域である。被削面３２は、内周面のうちの研削される前の領域であり、研削面３５より研削方向３１の反対方向の側に位置している。研削仕上げ面３３は、内周面のうちの研削された後の領域であり、研削面３５より研削方向３１の側に位置している。
【００３０】
回転砥石１がＺ軸方向７に移動する送り速度は、分割環製造装置１０により任意に設定することができる。さらに、被削面３２と研削仕上げ面３３との距離である切り込み量３４は、分割環製造装置１０により任意に設定することができる。
【００３１】
工作物４が回転砥石１に対して研削方向３１に移動する相対速度は、回転速度２７、２８が一定のときに、切り込み量３４が小さいほど大きくすることができる。さらに、送り速度は、回転速度２７、２８が一定のときに、切り込み量３４が小さいほど、大きくすることができる。このため、内周面の研削にかかる工数は、切り込み量３４を小さくする設定することにより、所定の工数を越えないようにすることができる。
【００３２】
本発明による分割環製造方法によれば、切削性が悪い難削材から形成される環状の工作物の内周面をより速く成形することができる。その結果、環状の工作物の製造コストを低減することができる。難削材は、切削されると大きな歪みが生じて、大きな残留応力を発生させる。その大きな残留応力は、切削された工作物に割れを生じさせることがある。本発明による分割環製造方法は、切削性が悪い難削材から形成される環状の工作物の残留応力を小さくすることができる。
【００３３】
本発明による分割環製造方法によれば、難削材である耐熱性合金から形成されるガスタービンの分割環をより速く成形することができ、製造コストを低減することができる。このため、本発明による分割環製造方法は、寿命がより長いガスタービンを安価で提供することができる。
【００３４】
【発明の効果】
本発明による環状工作物製造装置及び環状工作物製造方法は、ガスタービンの分割環に例示される環状の工作物の内周面を加工するコストを低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明による分割環製造装置の実施の形態を示す断面図である。
【図２】図２は、工作物と砥石とを示す断面図である。
【図３】図３は、工作物と砥石とを示す断面図である。
【図４】図４は、工作物と砥石とを示す断面図である。
【図５】図５は、公知のタービンの実施の形態を示す断面図である。
【図６】図６は、公知の分割環の実施の形態を示す斜視図である。
【符号の説明】
１　：回転砥石
２　：ターニングテーブル
３　：軸
４　：工作物
５　：主軸
６　：軸
７　：Ｚ軸方向
１０：分割環製造装置
１１：定盤
１２：爪
１３：ヤトイ
１４：ジグ
１６：押さえ金
１７：柱
１８：ボルト
１９：ナット
２１：側面
２２：底面
２３：砥粒層
２４：砥粒層
２７：回転速度
２８：回転速度
３１：研削方向
３２：被削面
３３：研削仕上げ面
３４：切り込み量
３５：研削面
３６：正面研削面

Claims

第１軸心線を中心に回転可能に環状の工作物を支持するターニングテーブルと、
前記第１軸心線に異なる第２軸心線を中心に回転して、前記工作物の内周面を研削する砥石とを具備し、
前記工作物は、ニッケル基超合金から形成されている
環状工作物製造装置。
請求項１において、
前記砥石は、前記第２軸心線を中心に回転し、且つ、Ｚ軸方向に平行移動して、前記第１軸心線を中心に回転している前記工作物の内周面を研削し、
前記Ｚ軸方向は、前記第１軸心線の方向の成分を有する
ことを特徴とする環状工作物製造装置。
請求項２において、
前記内周面のうちの研削する前の被削面と研削した後の研削仕上げ面との間の距離である切り込み量は、前記砥石が前記内周面を前記Ｚ軸方向に平行移動する送り速度が所定の値より大きくなる程度に小さい
ことを特徴とする環状工作物製造装置。
請求項１〜請求項３のいずれかにおいて、
前記工作物は、ガスタービンに適用される分割環である
ことを特徴とする環状工作物製造装置。
第１軸心線を中心に回転可能に環状の工作物を回転させるステップと、
前記第１軸心線と異なる第２軸心線を中心に砥石を回転させて前記工作物の内周面を研削するステップとを具備し、
前記工作物は、ニッケル基超合金から形成されている
環状工作物製造方法。
請求項５において、
前記砥石は、前記第２軸心線を中心に回転し、且つ、Ｚ軸方向に平行移動して、前記第１軸心線を中心に回転している前記工作物の内周面を研削し、
前記Ｚ軸方向は、前記第１軸心線の方向の成分を有する
ことを特徴とする環状工作物製造方法。
請求項６において、
前記内周面のうちの研削する前の被削面と研削した後の研削仕上げ面との間の距離である切り込み量は、前記砥石が前記内周面を前記Ｚ軸方向に平行移動する送り速度が所定の値より大きくなる程度に小さい
ことを特徴とする環状工作物製造方法。
請求項５〜請求項７のいずれかにおいて、
前記工作物は、ガスタービンに適用される分割環である
ことを特徴とする環状工作物製造方法。
第１軸心線を中心に環状の工作物を回転させるターニングテーブルと、
前記第１軸心線に平行である第２軸心線を中心に回転する砥石とを具備し、
前記砥石は、前記工作物の内周面を研削し、
前記工作物は、ガスタービンに適用される分割環である
分割環製造装置。
第１軸心線を中心に環状の工作物を回転させるステップと、
前記第１軸心線に平行である第２軸心線を中心に回転する砥石を用いて、前記工作物の内周面を研削するステップとを具備し、
前記工作物は、ガスタービンに適用される分割環である
分割環製造方法。