JP2009006463A - 倣い加工装置 - Google Patents

Abstract

【課題】リング状被加工物の弧状内周面の切削加工を、被加工物の位置決め固定の精度に依らず精度良く実施でき、かつ切削量を管理でき、１回の切削作業で済むようにする。
【解決手段】被加工物３を加工位置に固定する平面状の固定面１ａを有する固定盤１と、切削具１０及び倣い具２２が装着され該切削具及び倣い具を被加工物３の周方向ｆ、ｇに沿った曲線移動を可能にするとともに、該切削具及び倣い具を被加工物３の周方向ｆ、ｇと交差する径方向ｊに位置調整可能に支持するアーム６と、該切削具及び倣い具を被加工物の周方向と交差する径方向にバネ力を付与することによって該倣い具を被加工物外周面に押し付けるバネ力付勢手段とを備え、被加工物の外周面３ｂを倣い面とし、倣い具２２を該外周面に押し付けながらアーム６を被加工物３の周方向ｆ、ｇに移動させることにより被加工物３の内周面４ａを切削加工するように構成した。
【選択図】図１

Description

本発明は、リング状被加工物、例えば、タービンロータ軸と車室間をシールするラビリンスリングのラビリンスシール等を簡単な装置構成で精度良く切削加工することを可能にする倣い加工装置に関する。

従来、蒸気タービンやガスタービンのロータ軸の車室貫通部に、シールのために、内周面にラビリンスシールを有するラビリンスリングが装着されている。図７は、特許文献１（特開平１０−８９９３号公報）に開示されたガスタービンのロータ軸端の構成を示す。図７において、ガスタービンのロータ軸０１の端部を取り囲む車室０２の端面にシールケース０５が固定されていて、この端部にロータ軸０１の端面に臨んで伸差センサ０６が設けられている。

この伸差センサ０６は電気的にサーボモータ０７に連絡し、伸差センサ０６が感知した伸差の量に対応してサーボモータ０７によりシールリテーナ０８を軸方向に動かす。シールリテーナ０８は、ラビリンスシールを有するラビリンスリング０３を保持しており、伸差の量に拘らずラビリンスシールの接触長さを保ち、好適なシールを行なう。なお、シールケース０５の内部には図示しないタービン動翼を冷却するための蒸気を導入する空間０９が設けられ、蒸気は空間０９からロータ軸０１内の空間０１０を通ってタービン動翼に導かれる。

図８の（ａ）はラビリンスリング０３が装着されたシール部分の拡大断面図であり、（ｂ）は更にその一部拡大断面図である。図８において、ロータ軸０１が車室０２の壁部を貫通する部分には、ラビリンスシール０４を有する環状のラビリンスリング０３が装着されている。ラビリンスシール０４は、シール対象となる２面間に、微小な食違い隙間（ラビリンス）をもうけて流体をシールする非接触シールの一種で、流体の圧力水頭は、この微小な隙間のある食違い部での摩擦損失、絞り効果などにより減圧され、シールされる。食違い隙間を設けるため、ロータ軸０１には凸部０１ａ及び凹部０１ｂが設けられている。

ラビリンスシール０４のフィン０４ａは円盤状の突起が交互に高さを違えて複数条設けられている。フィン０４ａの先端とロータ軸０１との隙間ｔは１ｍｍ以下の微小隙間となっている。なお、凹部０１ｂの幅ｌに対し、ロータ軸０１は高温下で５〜６ｍｍの軸方向の熱伸び差を発生するので、フィン０４ａの先端が凹部０１ｂの側壁に接触するおそれがある。この場合、ロータ軸０１に凹凸を設けないで、ストレート構造とする場合もある。

各ラビリンスシール０４のフィン０４ａとロータ軸０１との隙間ｔが計画値から外れている場合には、フィン０４ａの先端部又はラビリンスリング０３の顎部を削って計画値に修正する必要がある。しかし、切削面が弧状をなす曲面であり、かつ狭隘部であるので、グラインダや治具等を用いて手作業で削って隙間ｔを調整しているが、作業者の感覚で作業を行なうため、削り足りない場合や削りすぎる場合があり、隙間確認や調整作業を何回も繰り返すことがある。なお、ラビリンスリング０３は、通常６分割又は８分割されており、分割された状態で個々に切削加工の作業を行なっている。

特許文献２（特開平６−１０６４５８号公報）には、切削面が曲面である場合の倣い加工装置が開示されている。この倣い加工装置では、ＮＣ制御の送り機構上に倣い装置を載置することにより、高精度の倣い加工を可能にしている。

特開平１０−８９９３号公報 特開平６−１０６４５８号公報

特許文献２に開示されているように、切削面が曲面である場合の倣い加工を高精度に行なうためには、ＮＣ制御の送り機構を含む複雑かつ精密な加工装置を必要とする。さらに、ラビリンスシールのフィンのような狭隘部の切削加工を行なうためには、特殊な構造の切削具を必要とするとともに、切削具の位置決めを正確に行なう必要がある。

また、ラビリンスリングのようにリング状の被加工物を切削加工する場合の従来の切削加工は、被加工物を加工位置に固定する場合に、そのセンタリング精度に依存しており、センタリングの精度により切削精度が異なるという問題があった。

本発明は、かかる従来技術の課題に鑑み、ラビリンスリングのようにリング状の被加工物の切削加工を、被加工物のセンタリングの精度に依存することなく、簡易な装置構成で精度良く実施できるようにし、かつ切削量を正確に管理でき、そのため、１回の切削加工で済むようにすることを目的とする。

前記目的を達成するため、本発明の倣い加工装置は、
リング状の被加工物の弧状内周面を切削面とする倣い加工装置において、
被加工物を加工位置に固定する平面状の固定面を有する固定盤と、
切削具及び倣い具が装着され該切削具及び倣い具を被加工物の周方向に沿った曲線移動を可能にするとともに、該切削具及び倣い具を被加工物の周方向と交差する径方向に位置調整可能に支持するアームと、
該切削具及び倣い具を被加工物の周方向と交差する径方向にバネ力を付与することによって該倣い具を被加工物外周面に押し付けるバネ力付勢手段と、を備え、
被加工物の外周面を倣い面とし、該倣い具を該外周面に押し付けながら該アームを被加工物の周方向に移動させることにより、被加工物の内周面を切削加工するように構成したものである。

かかる構成としたことにより、被加工物外周面の形状に左右されることなく、倣い具を常に該外周面に押し当てることができる。この場合、被加工物の固定盤上への正確な位置決めを必要としない。このように、本発明装置では、ＮＣ制御の送り機構等複雑な機構を必要とすることなく、簡易な装置構成により、高い加工精度を得ることができる。

本発明装置において、被加工物の外周面に当接する倣い具の接触子を被加工物の内周側に向けて進退可能に構成するとよい。これによって、切削具による被加工物の切り込み量を設定可能にすることができる。このように構成すれば、被加工物の加工面の切り込み量を精度良く設定することができ、１回の切り込み量で所望の切り込み量が得られるようになる。

また、本発明装置において、アームを固定盤上に立設された回転軸に回転可能に軸支させることにより、該アームに装着されたカッタ及び倣い部が被加工物の周方向に沿う部分円弧運動を行なうように構成するとよい。
かかる構成により、被加工物が例えばラビリンスリングのように部分円弧状の被加工物である場合に、ラビリンスリングの周方向に沿ってカッタ及び倣い部を正確に円弧運動させることができる。

また、本発明装置において、倣い具の接触子を被加工物の外周面に当接させた状態で切削具の切削刃を切削加工前の基準位置に位置出しさせる位置出し手段を備えるようにするとよい。これによって、切削刃を切削加工前の基準位置に位置出しすることができるので、切削加工時の正確な切削量を設定することが容易になる。

また、被加工物が内周面にラビリンスシールを備えた回転体、例えば、タービンロータ軸等に使用するラビリンスリングである場合に、該ラビリンスシールの切削加工を行なうのに好適である。即ち、該ラビリンスリング又は該ラビリンスリングを分割した被加工物の外周面及び内周面は円弧状の形状をしているので、該外周面に倣い具を当接しながら切削具及び倣い具を円弧状のラビリンスリングに沿って移動させるのが容易である。そして、切削具と倣い具間の間隔を調整することにより、ラビリンスシールのフィンの切り込み量を正確に設定することができる。

本発明装置によれば、被加工物を加工位置に固定する平面状の固定面を有する固定盤と、切削具及び倣い具が装着され該切削具及び倣い具を被加工物の周方向に沿った曲線移動を可能にするとともに、該切削具及び倣い具を被加工物の周方向と交差する径方向に位置調整可能に支持するアームと、該切削具及び倣い具を被加工物の周方向と交差する径方向にバネ力を付与することによって該倣い具を被加工物外周面に押し付けるバネ力付勢手段と、を備え、被加工物の外周面を倣い面とし、倣い具を該外周面に押し付けながら該アームを被加工物の周方向に移動させることにより、被加工物の内周面を切削加工するように構成したので、簡易な装置構成で、リング状の被加工物の弧状内周面を精度良く切削加工することができる。

しかも、被加工物を固定盤上に固定する際の位置決めの精度に依存することなく、倣い具を常に被加工物の倣い面に押し当てた状態に保持できるので、切削精度を向上させることができ、切削量を正確に管理できるため、１回の切削加工で切削作業を完了することができる。

以下、本発明を図に示した実施形態を用いて詳細に説明する。但し、この実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは特に特定的な記載がない限り、この発明をそれのみに限定する趣旨ではない。

本発明の一実施形態を図１〜図６に基づいて説明する。図１は本実施形態の倣い加工装置全体を示す斜視図、図２は本実施形態の切削具及び倣い具を示す拡大図である。図１及び図２において、水平方向に設けられた固定盤１の一辺近傍に回転柱２が上下方向に立設されている。回転柱２は図示しない駆動手段により長手軸を中心に回転可能に構成されている。固定盤１の水平な固定面１ａは、回転柱２を中心として放射状に複数条の凹溝１ｂが穿設されている。凹溝１ｂには被加工物３の両端を固定盤１上の加工位置に固定するための固定治具５ａと、被加工物３を半径方向両側から挟んで固定する固定治具５ｂとが挿入され、その状態で固定治具５ａ及び５ｂを凹溝１ｂに固定することにより、被加工物３が固定盤１上に固定される。

本実施形態における被加工物３は、蒸気タービンのロータ軸の車室貫通部に装着されるラビリンスリングを６分割又は８分割したものである。ラビリンスリング３には、図示しない車室側対向面に設けた溝に嵌合されるＬ形嵌合部３ａが外周面３ｂに周方向に突設され、内周側にはラビリンスシール４が形成されている。ラビリンスシール４は複数条のフィン４ａが周方向に突設されている。

回転柱２には長手軸方向に長孔２ａが穿設され、内部が中空になっている。回転柱２の内部には上下方向に図示しないネジ棒が配置されている。アーム６は回転柱２から水平方向に延設され、アーム６の一端は長孔２ａから回転柱２の内部に挿入され、前記ネジ棒に螺合している。回転柱２の頂部に設けられたハンドル７の軸７ａは該ネジ棒に連結され、ハンドル７を回すことによって、ネジ棒が回転し、ネジ棒に螺合したアーム６を水平方向の姿勢を保持したまま上下させることができるようになっている。また、アーム６は回転柱２が回転することによって、水平方向に回転する。

図２に示すように、アーム６の先端にはカッタ取付部６ａが設けられ、カッタ取付部６ａの下面にはエアカッタ１０が取り付けられているとともに、カッタ取付部６ａの上面にはエアカッタ１０に圧縮空気を供給するホース８が取り付けられている。カッタ取付部６ａはアーム６に対してアーム６の長手軸方向（被加工物３の径方向、矢印ｊ方向）の位置調整が可能に取り付けられている。

エアカッタ１０は、スピンドル１２を回転可能に支持する軸受部１１と、スピンドル１２の先端に取り付けられたチップ取付部１３とからなる。エアカッタ１０には、ホース８から供給される圧縮空気で回転駆動される図示しないエアモータが設けられ、該エアモータの回転によってスピンドル１２が高速回転する。

図３及び図４において、スピンドル１２の下端に装着されるチップ取付部１３は、四方に放射状に等角度でチップ取付台１３ａが突設され、チップ取付台１３ａに切削用チップ１４がボルト１５によって着脱可能に固定されている。切削用チップ１４は四角形をなし、いずれの切削辺１４ａでも切削可能になっている。そのため、ひとつの切削辺が摩耗したら、切削辺の位置を取替え、別の切削辺１４ａで切削することができる。

図２において、カッタ取付部６ａの外側には、位置調整部材２０が設けられ、位置調整部材２０にはネジ孔２０ａが穿設され、ネジ孔２０ａに位置調整ネジ２１が螺合している。位置調整ネジ２１の取っ手２１ａを回すことによってカッタ取付部６ａと位置調整部材２０との間隔を微調整可能に構成されている。

また、位置調整部材２０の下部にはマイクロメータ２２が取り付けられ、目盛りの付いた回転環２２ａを矢印ｄ方向に回すことにより、接触棒２２ｂを１／１００ｍｍ単位で矢印ｅ方向に進退させるように構成されている。そして図１に示すように、カッタ取付部６ａの上面には支柱２３が立設され、コイルバネ２４の一端がターンバックル２５を介して支柱２３に接続され、コイルバネ２４の他端が回転柱２に接続されている。これによって、カッタ取付部６ａに対してコイルバネ２４のバネ力ｉが回転柱２の方向に付勢される。そのため、マイクロメータ２２の接触棒２２ｂの先端面がラビリンスリング３の外周面（倣い面）３ｂにコイルバネ２４の弾性力によって常に押し当てられる。

図２に示すように、ターンバックル２５と支柱２３とは、ターンバックル２５に設けられたネジ孔と螺合したネジ２５ａを介して接続されているとともに、ターンバックル２５とコイルバネ２４とも同様な構成でネジ２５ａを介して接続されている。そのため、ターンバックル２５を回すことにより、ターンバックル２５とネジ２５ａとの相対位置が変わり、これによって、マイクロメータ２２の接触棒２２ｂに付与されるコイルバネ２４のバネ力を変えることができるようになっている。

かかる本実施形態において、ラビリンスリング３のラビリンスシール４のフィン４ａを切削加工する場合の作業手順を以下主として図５及び図６に基づいて説明する。まず、ラビリンスリング３を水平な固定盤１の固定面１ａに固定治具５によって固定する。ラビリンスリング３はリング状のものを６分割又は８分割したものである。この場合、アーム６の先端に取り付けられたカッタ取付部６ａの移動軌跡、即ち円弧運動をなす移動軌跡に大体合うようにラビリンスリング３を位置決めすればよく、カッタ取付部６ａに装着されたエアカッタ１０の移動軌跡に精密に合わせる必要はない。

次に、図５に示すように、カッタ取付部６ａはアーム６に対してアーム６の長手軸方向（被加工物３の径方向、矢印ｊ方向）の位置調整が可能に取り付けられているので、コイルバネ２４の弾性力によって、マイクロメータ２２の接触棒２２ｂの先端面をラビリンスリング３の外周面（倣い面）３ｂに押し当てることができる。そして、ターンバックル２５を回してターンバックル２５と螺合したネジ２５ａとの位置関係を調整することにより、接触棒２２ｂに付与されるコイルバネ２４の弾性力を調整する。次に、位置調整ネジ２１を回して、切削用チップ１４とラビリンスシール４のフィン４ａの先端とを接触させた状態とする図２中の切削前の基準位置ａにセットする。

次に、アーム６を水平方向に回転させて（図５及び図６のｆ又はｇ方向）、エアカッタ１０及びマイクロメータ２２を一旦ラビリンスリング３の固定位置の外側に移動させる。その位置でマイクロメータ２２の接触棒２２ｂを切削量分だけ前進させる。これによって、切削用チップ１４が図２中のｂの位置に前進し、正確な切削量ｃ（ａ−ｂ）が設定される。なお、コイルバネ２４によって接触棒２２ｂに付与されるバネ力は図５中の矢印ｉの方向に作用している。

次に、ホース８から圧縮空気を供給してエアカッタ１０を作動させ、矢印ｈ方向に回転させるとともに、アーム６をラビリンスリング３の周方向（ｆ又はｇ方向）に回転させて、マイクロメータ２２の接触棒２２ｂを倣い面３ｂに当てた状態でフィン４ａを切削加工する。

本実施形態によれば、まず、被加工物であるラビリンスリング３を固定盤１上に固定する場合に、正確な位置決め作業が不要となる。即ち、コイルバネ２４のバネ力ｉがカッタ取付部６ａに対して回転柱２側に働いているので、マイクロメータ２２の接触棒２２ｂの先端面が常にラビリンスリング３の倣い面３ｂに押し当っている。そのため、ラビリンスリング３の固定位置を正確に位置決めしなくても正確な倣い加工が可能になる。

また、位置調整ネジ２１により切削対象となるラビリンスシール４のフィン４ａの先端位置にエアカッタ１０の切削用チップ１４を合わせてそれを基準位置とし、その後、マイクロメータ２２の接触棒２２ｂを前進させて切削量ｃ（ａ−ｂ）を設定するため、１度の切削動作で所望の切削量だけ切削できる。しかも、マイクロメータ２２は１／１００ｍｍ単位で接触棒２２ｂを進退できるので、正確に切削量を設定でき、そのため、精度良い切削加工を行なうことができる。

また、エアカッタ１０は、水平方向に放射状に突出されたチップ取付台１３ａを有するチップ取付部１３を備え、チップ取付台１３ａにそれぞれ切削用チップ１４が装着された構造であるので、狭隘部に複数条に配設されたフィン４ａの切削加工が可能となる。
このように、本実施形態のエアカッタ１０を用いることにより、狭隘部の切削加工が可能になる。従来のように、グラインダや砥石を用いた場合、このような狭隘部の切削加工は困難である。しかも、切削用チップ１４は市販品を使用できるので、安価であり、また、四辺のうちのひとつの切削辺１４ａが摩耗したら、別な切削辺１４ａを切り替え使用可能である。

さらに、本実施形態では、エアカッタ１０の駆動源として圧縮空気を用いているため、工場等で容易に使用でき、電動モータを用いる場合のようにサイクル数の違いでカッタの性能が左右されない。また、一旦かじりが起きて停止しても再起動が可能であるという利点がある。

本発明によれば、リング状被加工物の内周面という狭隘部の切削加工を簡易な構造の倣い加工装置を用いて、精度良く１回の切削作業で完了することができる。

本発明の一実施形態の全体構成を示す斜視図である。 前記実施形態のカッタ取付部を示す正面図である。 前記実施形態のチップ取付部の平面図である。 前記実施形態のチップ取付部の正面図である。 図２中のＡ−Ａ断面図である。 図２中のＢ−Ｂ断面図である。 従来のガスタービンのロータ軸端を示す縦断面図である。 （ａ）は従来のタービンロータ軸のラビリンスシール部を示す断面図であり、（ｂ）はその拡大図である。

符号の説明

１ 固定盤
２ 回転柱（回転軸）
３ ラビリンスリング（被加工物）
３ｂ 外周面（倣い面）
４ ラビリンスシール
４ａ フィン（切削面）
６ アーム
１０ エアカッタ
２１ 位置調整ネジ（位置出し手段）
２２ マイクロメータ（倣い具）
２２ｂ 接触棒（接触子）
２４ コイルバネ（バネ力付勢手段）
ａ 切削前基準位置
ｂ 切削位置
ｃ 切り込み量
ｆ、ｇ 被加工物の周方向
ｉ バネ力
ｊ 被加工物３の径方向

Claims (5)

1. リング状の被加工物の弧状内周面を切削面とする倣い加工装置において、
   被加工物を加工位置に固定する平面状の固定面を有する固定盤と、
   切削具及び倣い具が装着され該切削具及び倣い具を被加工物の周方向に沿った曲線移動を可能にするとともに、該切削具及び倣い具を被加工物の周方向と交差する径方向に位置調整可能に支持するアームと、
   該切削具及び倣い具を被加工物の周方向と交差する径方向にバネ力を付与することによって該倣い具を被加工物外周面に押し付けるバネ力付勢手段と、を備え、
   被加工物の外周面を倣い面とし、該倣い具を該外周面に押し付けながら該アームを被加工物の周方向に移動させることにより、被加工物の内周面を切削加工するように構成したことを特徴とする倣い加工装置。
2. 被加工物の外周面に当接する前記倣い具の接触子を被加工物の内周側に向けて進退可能に構成することによって、前記切削具による被加工物の切り込み量を設定可能にしたことを特徴とする請求項１に記載の倣い加工装置。
3. 前記アームを前記固定盤上に立設された回転軸に回転可能に軸支させることにより、該アームに装着された前記切削具及び倣い具が被加工物の周方向に沿う部分円弧運動を行なうように構成したことを特徴とする請求項１又は２に記載の倣い加工装置。
4. 前記倣い具の接触子を被加工物の外周面に当接させた状態で前記切削具の切削刃を切削加工前の基準位置に位置出しさせる位置出し手段を備えたことを特徴とする請求項１に記載の倣い加工装置。
5. 被加工物が内周面にラビリンスシールを備えた回転体に使用するラビリンスリングであることを特徴とする請求項１に記載の倣い加工装置。

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