JP2008142886A - Ｃｎｃ工作機械上の電気侵食機械加工用適応スピンドルアセンブリ - Google Patents

Abstract

【課題】電気侵食機械加工用ＣＮＣフライス盤を適応させる装置及び方法を提供すること。
【解決手段】アダプタシャフト８０の遠位端に管状電極を備える。工具ホルダ８４は、カッタスピンドル２４のチャック内に取付け可能である。アダプタシャフト８０は、回転可能に取り付けられ、ブラケット９９によって支持されている。ブラケット９９は、フライス盤に取り付けられているが、工具電極２１から絶縁する。軸受９８は、アダプタシャフト８０をＣＮＣスピンドル２４と位置合わせして支持する。電源装置は、間隙７４内の電気侵食のために電極及びワーク２８を付勢する。電解質は、回転工具電極２１を通して循環される。ＣＮＣコンピュータは、電気侵食加工のためにフライス盤、電源装置、及び電解質流を作動するように構成されている。
【選択図】図２

Description

本発明は概して、電気侵食フライス加工（ＥＥＭ）に関し、より具体的にはＥＥＭ用コンピュータ数値制御（ＣＮＣ）フライス加工機械などのＣＮＣ工作機械を変える適応スピンドルに関する。

電気腐食機械加工は、ワーク上の材料を取り除くために電極とワークの間の間隙を電流を通過させることによって行なわれる。ワークからの材料の電力除去に対する直流（ＤＣ）を使用する。電解質は、ワーク材料の電気侵食を容易にし、間隙領域を冷却及び洗い流すように、工具電極とワークの間で循環される。この過程により、ワークに対する低い熱損傷での高速の材料除去が可能になる。回転工具電極を使用した電気侵食機械加工の進歩した形は、関連する米国特許出願第１０８４２３４４号に記載されている。

ＥＥＭは、タービン羽根車及びブレード付ディスク粗面加工及び機械加工などの、様々な応用例で機械的切断又は他の放電機械加工（ＥＤＭ）方法より迅速な機械加工及びより高い効率を提供する。しかし、本発明の前には、ＥＥＭ操作用に従来のＣＮＣフライス盤を変換する実用的な方法がなかった。従って、今までのＥＥＭ機械は専門的なシステムであった。
米国特許出願公開第２００５０２４７５６９号明細書 米国特許出願第１０８４２３４４号明細書 米国特許出願公開第２００５０２１８０８９号明細書 米国特許第６９６８２９０号明細書 米国特許第６８９７４００号明細書 米国特許第６８５８１２５号明細書 米国特許第６８４６２２７号明細書 米国特許第６８３５２２９号明細書 米国特許第６６４２４７０号明細書 米国特許第６６２７０５４号明細書 米国特許第６４１６２８３号明細書 米国特許第６２６４８２２号明細書 米国特許第５９００１３４号明細書

本発明の一態様は、ソフトウェア制御において複雑な構成部品幾何形状を機械加工するように、カッタ及びワークの移動を駆動及び制御するＣＮＣフライス盤などの従来の多軸ＣＮＣ工作機械用のアダプタスピンドルアセンブリにある。

本アダプタは、ＥＥＭによる操作のためにかかるフライス盤を変換する。

本発明の別の態様は、工具電極から間隙にわたって配置されたワークを機械加工するように構成された工具電極を含むかかるＥＥＭアダプタスピンドルアセンブリにある。機械加工は、間隙にわたる電位によって動力が与えられた電気侵食によって達成され、間隙内で循環される液体を洗い流す電解質によって容易にされる。電源装置は、工具電極及びワークを付勢するように構成されている。

本発明のこれら及び他の特性、態様、及び利点は、図面全体を通して同様の符号が同様の部品を示す、添付の図面を参照して以下の詳細な説明を読んだ場合により良く分かるだろう。

図１は、回転工具電極２１を備えたＥＥＭ適応スピンドルアセンブリ２０を設置することによって、電気侵食機械加工用に変更したＣＮＣフライス盤２３を略図的に示している。ＣＮＣフライス盤２３は、当技術分野で公知の通り、機械的フライス加工工具を通常は保持するスピンドル２４を有する。ワークキャリヤ２７は、サーボを介してワークキャリヤを回転及び平行移動させることによって、フライス加工工具に対してワーク２８を保持及び移動させる。コンピュータ３６は、ＣＮＣ機械を操作するサーボ及び電子部品に制御信号３８を送るように記憶したプログラムを実行する。信号及び制御回路４０は動作状態をコンピュータ３６に通信し、また過熱、低流動性などの場合に、自動システム停止などのコンピュータからの関連制御信号を通信することもできる。

ＣＮＣフライス盤２３をＥＥＭ使用に適応させるために、適応ＥＥＭスピンドルアセンブリ２０は、以下に説明するようにＣＮＣ工具スピンドル２４上に取り付けられている。更に、ＥＥＭ数値制御プログラムはＣＮＣコンピュータ３６内にインストールされ、直流電源４４は工具電極２１とワーク２８の間の間隙内の電気侵食のためにＥＥＭ工具電極２１を付勢するように設けられている。カスタムプラグイン回路基板４２は、電源装置４４とＣＮＣコンピュータの間の信号リンク４６用インターフェイスとしてＣＮＣコンピュータ３６内に設置することができる。第１の電位は、電源装置４４からＥＥＭ工具電極まで通電され４８、第２の電位はワーク２８まで通電され５０、間隙を含む電気回路４８、５０を形成する。

これは、ワーク２８と工具電極２１の間の間隙７４内の放電を発生させる。ＣＮＣコンピュータ３６は、ＣＮＣ工作機械の技術分野で公知の通り、工具電極２１とワーク２８の間の相対移動を行なうように、ＣＮＣフライス盤２３内のサーボを制御し、それによって間隙７４を制御する。ＣＮＣコンピュータ３６は、ＥＥＭ適応スピンドルアセンブリ２０、関連する電源装置４４、及び電解質ポンプ６０のＥＥＭ過程を監視及び制御する。

電源装置４４内の電圧測定回路は、電力回路４８、５０を介して間隙にわたって電圧を感知し、このデータをＣＮＣコンピュータ３６内のカスタム回路基板４２まで信号リンク４６を介して通信させて、間隙７４の放電状況及び状態に関する情報を提供する。ＥＥＭ制御プログラムは、このフィードバックに基づく最適操作のために機械加工送り速度及び直流電力プロファイルを制御する。電源装置内の回路はこれに限らないが、特にマイクロプロセッサ又は別の計算装置、電圧測定装置、タイミング装置、パルス発生装置、電圧比較装置、及びデータ記憶装置を含むことができる。かかる装置は全て当技術分野ではよく知られており、かかる適切な装置のいずれかを本発明の範囲から逸脱することなく使用することができる。

ＣＮＣ機械工具はしばしば、カッタ及びワーク２８上に液体を噴霧して、これらを冷却し、エッチング加工した粒子を洗い流すように設けられている。シールド３０は、濾過システムを介した再利用のために、収集タンク又はタブ３２内に液体を集めることができる。ＥＥＭは、これらの冷却及びフラッシング機能を果たし、また電気侵食を可能にする液体電解質循環システムを使用する。ＥＥＭ電解質システムは、シールド３０及び収集タンク３２などの、ＣＮＣフライス盤２３のいくつかの既存の液体循環構成部品を使用することができる。他のＥＥＭ専門の構成部品は、必要に応じて適応させる、又は加えることができる。例えば、別個の電解質ポンプ及び濾過ユニット６０を、既存の収集タンク３２からの液体戻りライン６２による連結のために設けることができる。内部フラッシング流体供給ライン６４は、以下に説明するように、内部フラッシングのために、ポンプ６０からの電解質の第１の流れを提供することができる。外部フラッシング流体供給ライン６６は、以下に説明するように、外部フラッシングのために電解質の第２の流れを提供することができる。濾過は、例えば、本願出願人に譲渡された米国特許出願公開第２００５０２１８０８９号に記載の通り行なうことができる。電解質ポンプ６０は、コンピュータへのデータ通信のために、またコンピュータからの制御通信のために、制御コンピュータ３６に電子接続４０することもできる。これにより、過熱又は低流動性状態に対する、流量制御及び機械加工停止が可能になる。

図２は、ワーク２８から間隙７４にわたって位置決めされた工具電極２１を含むＥＥＭスピンドルアダプタアセンブリ２０を示している。電源装置４４は、間隙７４内に放電を発生させ、ワーク２８を機械加工する。放電は粒子をワーク２８から離し、それによってワークを機械加工する。

工具電極２１は、コレット８２により、回転可能アダプタシャフト８０の遠位端８１に取り外し可能に取り付けることができる。工具ホルダ８４はアダプタシャフト８０の近接端に固定され、ＣＮＣスピンドル２４上で工具チャック２５と噛み合う。アダプタシャフト８０は、アダプタシャフト８０と工具ホルダ８４の間の絶縁体８６によってＣＮＣスピンドル２４から電気絶縁されている。電源装置４４は、工具電極に通電するリード４８とワークに通電するリード５０の電圧差ΔＶのパルスを加えることによって、工具電極２１を付勢することができる。この電力は、電気ブラシ接触子８９のサブアセンブリ８８などの固定／回転導電装置により、リード４８と回転アダプタシャフト８０の間で通電される。別の方法では、回転変圧器（図示せず）を使用することもできる。回転変圧器は、固定導体からの物理的接触なく、回転導体内に電流を誘導する。

液体電解質の第１及び第２の流れ７２、７３はそれぞれ、内部及び外部フラッシングのために提供することができる。図２に示すように、液体電解質の第１の流れ７２は、アダプタシャフト８０内の軸方向に配向された導管９２を介して工具電極２１内の軸方向に配向された導管９０に供給される。電解質７２は、アダプタシャフト８０の一部の周りで密封された流体入力マニホールド９４により、アダプタシャフト８０内の導体９２に入ることができる。この流体入力マニホールド９４は、シャフト８０内の略径方向に配向された経路９５を介して、シャフト８０内の導管９２まで流体７２を通過させる。電解質７２は従って、シャフト８０が回転している間に導管９２内に流入することができ、工具電極導管９０内に流入することができる。工具電極２１の遠位端２２内に開口９１から出て、ここで間隙７４を通して循環し、電気侵食、フラッシング、エッチング加工された粒子を効率的に取り除くこと、及び冷却が可能になる。

図３は、電解質の第１の流れ７２を工具電極に供給する第２の実施形態を示している。いくつかのＣＮＣフライス盤は、スピンドル２４内の流体経路２６を介した「スピンドル通過」フラッシングを行なう。この経路２６は、図示するように、工具ホルダ１８４を通してアダプタシャフト１８０内に導管１９２を延ばすことによって利用することができる。この場合、図２と同様の流体入力マニホールド９４は必要ない。

流体電解質の第２の流れ７３は外部フラッシングのために設けることができ、ここで液体７３は工具電極の外側から工具電極２１の遠位端２２に向かって噴霧される。図２及び３は、アダプタシャフト８０、１８０の遠位端８１の周りに取り付けられ、ブラシサブアセンブリ８８に取り付けられた噴霧マニホールド９６により外部フラッシングを行なう方法を示している。噴霧マニホールド９６は、工具電極のそばで液体７３を噴霧するために、工具電極２１の周りに流体出口９７を有する。別の方法では又は加えて、適応スピンドルアセンブリ２０に取り付けられていない、図示しない他の外部ノズルを使用することもできる。

アダプタシャフト８０は、低摩擦軸受９８に取り付けられている。軸受９８及びブラシサブアセンブリ８８は、ＣＮＣフライス盤２３に取り付けられたブラケット９９によって支持されている。軸受９８は、ＣＮＣスピンドル２４と位置合わせしてアダプタシャフトを支持する。アダプタアセンブリ２０は、ＣＮＣフライス盤２３から電気絶縁されている。ブラケット９９は、図２及び３に示すように電気絶縁材料でできていてもよく、又は図４に示すように絶縁部９９ｉを有することもできる。ブラケット９９は、図１〜３に示すように、ＣＮＣフライス盤２３の固定部に取り付けることができる。この場合、工具電極２１に対するワーク２８のＣＮＣ移動は、ＣＮＣフライス盤の技術分野で公知の通り、ワークキャリヤ２７によって行なわれる。別の方法では、ブラケット９９は図４に示すように、可動スピンドルキャリヤ２９に取り付けることができる。この場合、工具電極２１に対するワーク２８のＣＮＣ移動は、スピンドルキャリヤ２９及び／又はワークキャリヤ２７によって行なうことができる。可動スピンドルキャリヤ２９は、図示するようにピストンであってもよく、又はＣＮＣフライス盤の技術分野で公知の通り、多数の直角方向又は軌跡上に取り付けられたスピンドル駆動機構であってもよい。

本発明の態様によるＥＥＭシステムは、約３１Ｖから７０Ｖまでの開放電圧、及び約１００Ａから３０００Ａまでの平均電流範囲を有し、ワーク２８に接続された正の電位及び工具電極２１に接続された負の電位を有するパルス又は連続直流電力と、約１００ｐｓｉから１０００ｐｓｉまでの圧力範囲を有する内部／外部水系フラッシング電解質７２、７３と、グラファイト又は真鍮などの導電壁材料を有する回転管電極２１と、約５００ｒｐｍから１００００ｒｐｍの回転速度範囲を使用することができる。これらの詳細は例としてのみ提供され、本発明を限定するものではない。

本ＥＥＭ用適応スピンドルにより、従来のＣＮＣフライス盤２３が電気侵食放電フライス加工又は従来のフライス加工のいずれかを使用することが可能になる。ＥＥＭの例示的な利点としては以下のものを挙げることができる。１）高い材料除去速度。２００００立方ｍｍ／分を超える材料除去速度が、３２ｍｍ口径の管電極を使用して示されている。２）低い切断力。４）低い工具費用。ＥＥＭ電極は、高い強度、高い硬度、及び複雑なカッタ形状を必要とする従来のフライス加工工具と比較して低い費用の材料の単純な管であってもよいからである。５）低い工具保守性。というのは、ＥＥＭ工具電極は鋭くないが、簡単に交換されるからである。

操作中、ＥＥＭは、タービン羽根車及びブレード付ディスク粗面化工及び機械加工などの、様々な応用例で機械的切断又は他の放電機械加工（ＥＤＭ）方法より迅速な機械加工及びより高い効率を提供する。ＥＥＭアセンブリでは、電位が電極と機械加工されるワークの間の間隙にわたって発生されて、間隙内の放電につながる。機械加工電極が間隙だけ離れたワーク表面に近づくと、放電が電圧により間隙を通して起こる。機械加工区間を構成する間隙は、液体電解質で充填されている。ＥＥＭシステムは電解質の流れを提供し、これにより腐食した粒子が間隙から取り除かれ、放電に適切な媒体が提供される。

Ｉｎｃｏｎｅｌ ７１８金属合金などの金属合金でできている翼形部は、上記の過程を使用して製造することができることを検査が示している。これらの検査は、例えば４軸数値制御及びパルス直流電源装置を使用した検査状態における、機械加工速度の実質的な増加、及び機械加工に関する工具費用の実質的な減少を示している。

Ｉｎｃｏｎｅｌ ７１８は、比較的高い強度、高温、及び耐侵食性ニッケルクロム超合金の一例である。最大１３００Ｆの空気中で使用するのが適切である。簡単に作動され、時効硬化させることができる。この合金は重量％で概略以下の元素を含むことができる。
アルミニウム ０．２〜０．８
ホウ酸 最大０．００６
炭素 最大０．０８
クロム １７〜２１
コバルト 最大１
銅 最大０．３
鉄 残り
マンガン 最大０．３５
モリブデン ２．８〜３．３
ニッケル ５０〜５５
ニオブ ４．７５〜５．５
リン 最大０．０１５
珪素 最大０．３５
硫黄 最大０．０１５
チタン ０．６５〜１．１５。

本発明の特定の特性のみを本明細書で例示し説明したが、当業者は多くの変形及び変更を思い付くだろう。従って、頭記の特許請求の範囲は本発明の真の精神内に含まれるような、かかる変形形態及び変更形態全てを含むことを意図していることを理解されたい。

従来のＣＮＣフライス盤で使用することができるような、本発明の一実施形態によるＥＥＭ適応スピンドルの略図である。 本発明の第１の実施形態によるＥＥＭ適応スピンドルアセンブリを示す図である。 本発明の第２の実施形態によるＥＥＭ適応スピンドルアセンブリを示す図である。 ＣＮＣフライス盤の可動スピンドルキャリヤ上に取り付けられたＥＥＭ適応スピンドルアセンブリを示す図である。

符号の説明

２０ 適応スピンドルアセンブリ
２１ 回転工具電極
２２ 遠位端
２３ フライス盤
２４ スピンドル
２５ 工具チャック
２６ 流体経路
２７ ワークキャリヤ
２８ ワーク
２９ 可動スピンドルキャリヤ
３０ シールド
３２ 収集タンク又はタブ
３６ ＣＮＣコンピュータ
４０ 信号及び制御回路
４２ カスタムプラグイン回路基板
４４ 直流電源装置
４６ 信号リンク
４８ 第１の電位を通電
５０ 第２の電位を通電
６０ 電解質ポンプ
６２ 流体戻りライン
６４ 内部フラッシング流体供給ライン
６６ 外部フラッシング流体供給ライン
７２、７３ 第１及び第２の流れ
７４ 間隙
８０ 回転可能アダプタシャフト
８１ 遠位端
８２ コレット
８４ 工具ホルダ
８６ 絶縁体
８８ ブラシサブアセンブリ
８９ 電気ブラシ接触子
９０ 軸方向に配向された導管
９１ 開口
９２ 軸方向に配向された導管
９４ 流体入力マニホールド
９５ 径方向に配向された流路
９６ マニホールド
９７ 流体出口
９８ 低摩擦軸受
９９ ブラケット
９９ｉ 絶縁部
１８０ アダプタシャフト
１８４ 工具ホルダ
１９２ 導管

Claims (10)

1. コンピュータ数値制御（ＣＮＣ）工作機械（３６）によるワーク（２８）の電気侵食機械加工用適応スピンドルアセンブリ（２０）であって、当該適応スピンドルアセンブリ（２０）が、
   近接端及び遠位端を有する回転可能アダプタシャフト（８０）と、
   近接端及び遠位端（２２）を有する工具電極（２１）であって、工具電極（２１）の近接端はアダプタシャフト（８０）の遠位端に取り付けられた工具電極（２１）と、
   アダプタシャフト（８０）から電気絶縁された、ＣＮＣ工作機械のスピンドル（２４）上の工具チャック（２５）内に挿入させるための、アダプタシャフト（８０）の近接端上の工具ホルダ（８４）と、
   ＣＮＣ工作機械に取り付けられ、適応スピンドルアセンブリ（２０）を支持するブラケット（９９）と、
   ブラケット（９９）によって支持され、アダプタシャフト（８０）をスピンドル（２４）と位置合わせして支持する低摩擦軸受（９８）と、
   ブラケット（９９）によって支持され、工具電極（２１）を電気付勢するためブラケット（９９）から電気絶縁された固定／回転電気導電装置と、
   流体電解質をポンプ（６０）から工具電極（２１）の遠位端（２２）まで案内する流体経路（２６）と
   を備えており、工具電極（２１）が、電気侵食による回転及び機械加工のために、適応スピンドルアセンブリ（２０）を介してＣＮＣ工作機械のスピンドル（２４）に取り付けることができる適応スピンドルアセンブリ（２０）。
2. 回転可能アダプタシャフト（８０）及び固定／回転電気導電装置を介して工具電極（２１）に第１の電位を供給し、ワーク（２８）に第２の電位を供給する電源装置（４４）を更に備えている、請求項１記載の適応スピンドルアセンブリ（２０）。
3. 流体経路（２６）が、工具電極（２１）内の軸方向に配向された流体導管（９０）と、
   工具電極（２１）内の軸方向に配向された流体導管（９０）と流体連通する、アダプタシャフト（８０）内の軸方向に配向された流体導管（９２）とを備えている、請求項１記載の適応スピンドルアセンブリ（２０）。
4. 回転可能アダプタシャフト（８０）の一部の周りで密封された流体入力マニホールド（９４）を更に備える適応スピンドルサブアセンブリであって、回転可能アダプタシャフト（８０）が、流体入力マニホールド（９４）と回転可能アダプタシャフト（８０）内の軸方向に配向された流体導管（９２）の間で連通する流体経路を備え、流体は回転可能アダプタシャフト（８０）内の軸方向に配向された流体導管（９２）内に流体入力マニホールド（９４）から流れることができる、請求項３記載の適応スピンドルアセンブリ。
5. 回転可能アダプタシャフト（８０）内の軸方向に配向された流体導管（９２）は、ＣＮＣ工作機械のスピンドル内のスピンドル通過フラッシング導管と流体連通するように、工具ホルダ（８４）を通して延在している、請求項３記載の適応スピンドルアセンブリ。
6. 流体経路（２６）が、工具電極（２１）の遠位端（２２）に向かって外側に流体電解質を噴霧する外部フラッシング手段を備えている、請求項１記載の適応スピンドルアセンブリ。
7. 外部フラッシング手段が回転可能アダプタシャフト（８０）の遠位端の周りに流体噴霧マニホールド（９６）を備えており、流体噴霧マニホールドは流体電解質を工具電極（２１）に沿って案内するために、工具電極（２１）の周りに流体出口（９７）を備えている、請求項６記載の適応スピンドルアセンブリ。
8. 流体経路（２６）に流体電解質を供給する流体電解質ポンプ（６０）及び濾過システムを更に備えた、請求項１記載の適応スピンドルアセンブリ。
9. 回転可能アダプタシャフト（８０）及び固定／回転電気導電装置を介して工具電極（２１）に第１の電位を供給し、ワーク（２８）に第２の電位を供給する電源装置（４４）を更に備えた適応スピンドルアセンブリであって、流体電解質ポンプ（６０）及び濾過システム及び電源装置（４４）は、制御コンピュータ（３６）へのデータ通信のため、及び制御コンピュータからの制御通信のためにＣＮＣ工作機械上で制御コンピュータに電子接続されている、請求項８記載の適応スピンドルアセンブリ。
10. ＣＮＣ工作機械上でワーク（２８）を電気侵食機械加工するための適応スピンドルアセンブリであって、
    近接端及び遠位端を有する回転可能アダプタシャフト（８０）と、
    近接端及び遠位端（２２）を有する工具電極（２１）であって、工具電極（２１）の近接端はアダプタシャフト（８０）の遠位端に取り付けられた工具電極（２１）と、
    回転可能アダプタシャフト（８０）から電気絶縁された、ＣＮＣ工作機械のスピンドル（２４）上の工具チャック（２５）内に挿入させるための、回転可能アダプタシャフト（８０）の近接端上の工具ホルダ（８４）と、
    ＣＮＣ工作機械に取り付けられたブラケット（９９）上に取り付けられた、回転可能アダプタシャフト（８０）の周りの低摩擦軸受（９８）と、
    ブラケット（９９）に取り付けられ、回転可能アダプタシャフト（８０）を電気付勢するためブラケット（９９）から電気絶縁された電気ブラシ接触子アセンブリと、
    工具電極（２１）の遠位端（２２）で開口している、電極（２１）内の軸方向に配向された流体経路（９０）と、
    工具電極（２１）内の軸方向に配向された流体経路と流体連通した回転可能アダプタシャフト（８０）内の軸方向に配向された流体経路（９２）と、
    流体電解質を工具電極（２１）に沿って流体電解質を案内するために工具電極（２１）の周りに流体出口（９７）を備えた、回転可能アダプタシャフト（８０）の遠位端の周りの流体噴霧マニホールド（９６）と、
    回転可能アダプタシャフト（８０）内の軸方向に配向された流体経路を介して工具電極（２１）内の軸方向に配向された流体経路に流体電解質を供給し、流体電解質の一部を流体噴霧マニホールド（９６）に供給する流体電解質ポンプ（６０）及び濾過システムと、
    回転可能アダプタシャフト（８０）及び電気ブラシ接触子アセンブリを介して工具電極（２１）に第１の電位を供給し、ワーク（２８）に第２の電位を供給する電源装置（４４）とを備える適応スピンドルアセンブリ。

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