JP2013013994A - 湾曲スロットを加工する球形カッター及び方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】翼形部のより完全な加工を行う、良好、迅速、低費用なカッター及び方法の提供。
【解決手段】球形カッター34は、中央キャビティ54を画定する開放及び閉鎖端部44、46を有する球形の本体42と、開放端部44において円形リム部58に沿って設けられる多点切れ刃71とを含み、球形の本体42は、概して半径と原点とによって画定される。切れ刃71を、周方向にリム部58に沿って設けられる支持歯62に取外し可能に取り付けられる切削用インサート60上に設けることができる。多軸コンピュータ数値制御加工機31のスピンドル32に、半径と原点とが回転軸48に沿って配置される状態に装着可能である。半径と原点によって画定される球面に沿ってスロット37の各々を加工することにより、加工機31を用いて円筒状ブランク12を加工して、ハブ14から半径方向外方に延在する周方向に離間した複数の一体的動翼18を成形できる。
【選択図】図1
【解決手段】球形カッター34は、中央キャビティ54を画定する開放及び閉鎖端部44、46を有する球形の本体42と、開放端部44において円形リム部58に沿って設けられる多点切れ刃71とを含み、球形の本体42は、概して半径と原点とによって画定される。切れ刃71を、周方向にリム部58に沿って設けられる支持歯62に取外し可能に取り付けられる切削用インサート60上に設けることができる。多軸コンピュータ数値制御加工機31のスピンドル32に、半径と原点とが回転軸48に沿って配置される状態に装着可能である。半径と原点によって画定される球面に沿ってスロット37の各々を加工することにより、加工機31を用いて円筒状ブランク12を加工して、ハブ14から半径方向外方に延在する周方向に離間した複数の一体的動翼18を成形できる。
【選択図】図1
Description
本発明は、ディスクと一体化したガスタービンエンジン動翼(ブリスク)又は一体的に動翼を設けたロータ(IBR)の加工に関し、特に動翼を切削加工する装置及び方法に関する。
動翼付きディスク(ブリスク)及び動翼付きドラム(ブラム(BLUM))はいずれも、一体的に動翼を設けたロータ(IBR)と考えられ、航空機用ガスタービンエンジンのファン、圧縮段に用いられることが益々多くなっている。IBRは、複数の一体的動翼を実質的に半径方向外方に延在させたディスク又はハブを有する。IBRの製造は、翼形面の形状が複雑なことから、難しい仕事である。
IBR翼形部を製造する既存の方法として、フランクミル加工、ポイントミル加工、及び研削砥石の使用が挙げられる。フランクミル加工では、カッターに1回又は数回通すことで、エンドミル、大抵はテーパボールエンドミルの周縁部が、所望の翼形面形状を創出する。ポイントミル加工において、研削工具は、所望の翼形面形状が創出されるまで、多数回(通常的に何百回も)の浅いパスを行う。これらのパスは空気流の方向、即ち半径方向であってよい。ポイントミル加工に用いる工具は、通常、工具の全径をIBRの翼形部間に嵌入させ得る、十分に小型のテーパエンドミルタイプのカッターである。切削速度は、工具の直径が小さい分、制限されるので、生産効率が限られる。
IBR翼形部の別の製造方法として、カップ状のカッターを連続的にロータに差し込んで、翼形部間に円形スロットを創出する方法が挙げられる。この方法は、複雑な形状の翼形部の荒加工又は非常に単純な形状の翼形部の完全加工のいずれかに限られる。
したがって、複雑な形状の翼形部の荒加工とブリスク及びIBR翼形部のより完全な加工を行う、より良好で、迅速、低費用なカッター及び方法が必要である。
球形カッターは、中央キャビティを画定する開放端部と閉鎖端部とを有する球形の本体を含む。多点切れ刃が、本体の開放端部において円形リム部に沿って設けられる。球形の本体は、概して半径と原点によって画定される。球形カッターは更に、自身の閉鎖端部にシャンクを含む。
球形カッターの実施例は更に、切れ刃を含む複数の切削用インサートを含み、これらの切削用インサートは、円形リム部に沿って球形の本体に取外し可能に取り付けられる。複数の支持歯がリム部に沿って周方向に設けられると共に、軸方向に本体内へと延在する隣接し合う凹部間に配置される。複数の切削用インサートはそれぞれ、複数の支持歯上に取外し可能に装着及び支持される。
各々の支持歯は、周方向に向く前面と周方向に向く後面とを含み得る。前面は、1つの切削用インサートを位置決めするように構成され、インサートは、凹部に配置され且つ螺でリム部に取り付けられるクランプ等によって前面に固着される。
インサートは、支持歯と合致する後側端部と、円形切れ刃を有するより幅広の前側切削端部とを有する円錐形であってよい。
多軸コンピュータ数値制御加工機は、自身の回転可能なスピンドルに装着される球形カッターを含み得る。この加工機は、概して半径と原点とにより画定される球面に沿って切削時に球形カッターを移動させるように操作できるように、プログラム可能である。
円筒状のワークピース又はブランクを加工して、ハブから半径方向外方に延在する周方向に離間した複数の一体的動翼を成形加工する方法は、球形カッターを用いて深い湾曲スロットを加工するステップを含む。この加工ステップは、半径と原点とにより画定される球面に沿って各々のスロットを加工するステップを含む。
加工ステップは更に、多軸コンピュータ数値制御加工機の回転可能なスピンドルに装着された球形カッターでスロットを加工するステップであって、半径と原点がスピンドルの回転軸に沿って配置されるステップと、加工時にスピンドルを絶えず位置決めすることによって、概して半径と原点により画定される球面に沿って加工時に球形カッターを移動させるステップとを含む。
以下の記述では、添付図面に関連付けて、本発明の上記の態様及びその他の特徴を説明する。
図1に、球形カッター34と、この球形カッター34を用いて例証的なガスタービンエンジンロータブリスク10を加工する方法の一実施例を示す。一般的にIBRの典型であるブリスク10は、本明細書では環状中央ハブ14を有する中実環状ディスクとして示した円筒状のワークピース又はブランク12から加工される。ブリスク10は、動翼18を一体的に支持するハブ14から半径方向外方に延在する、周方向に離間した複数の一体的動翼18を含む。
各動翼18は、凹状の正圧面側20と凸状の負圧面側22を含む。動翼18は、各動翼18の根元24から先端26まで半径方向に延在する。正圧面及び負圧面側20、22は、各動翼18の前縁28と後縁30との間で、略軸方向に延在する。本実施例では、各動翼18が、大抵は根元24から先端26まで延在する半径方向の動翼軸又は取付軸27の周りに絡みつきながら、この動翼の根元と先端との間でテーパが異なり且つ/又は翼弦長CLが変化する、適切な翼形構造を有する。本実施例では、各動翼18の反りも、大抵は根元24から先端26まで変化するので、翼形部は三次元の輪郭又は形状を有する。
ブランク12は、図面では31で示す、フライス加工に適する種類の多軸CNC(コンピュータ数値制御)加工機等であるが、これに限定されない周知の加工機を用いて加工される。加工機31は、球形カッター34が装着されるスピンドル32を含む。球形カッター34は、切削又はフライス加工用に設計された回転機械工具である。ブランク12は、CNC加工機31と、スピンドルに装着された球形カッター34とに対して固定される。スピンドル32と球形カッター34を操作して、スピンドル32と球形カッター34とをスピンドル32の回転軸48の周りで旋回させながら、ブランク12を通る三次元加工経路を辿って複数の移動度又は移動軸で移動させることができる。
図1を参照すると、一般的にブランク12は、自身の周縁部36からハブ14に至るまで半径方向内方に加工され、半径方向内側のプラットフォーム40を有する動翼18間のスロット37又はポケットが形成される。加工機31及びブランク12の一般的な動作、構成、配置、及び/又は構造は、当該技術分野において周知なので、本明細書ではこれ以上詳説しない。
球形カッター34は、中央キャビティ54を画定する開放端部44と閉鎖端部46とを有する球形の本体42を含む。球形カッター34の閉鎖端部46を多軸フライス加工機31のスピンドル32に装着又は取り付け、球形カッター34を回転軸48の周りで回転させる。ここで示す本実施形態の球形カッター34は、球形カッター34の閉鎖端部46において球形カッター34をスピンドル32に装着又は取り付けるために用いるシャンク55を含む。
図2を参照すると、多点切れ刃71が、本体42の開放端部44において円形リム部58に沿って設けられている。ここで示す球形カッター34の多点切れ刃71は、切削用インサート60によってもたらされる。複数の切削用インサート60(図2に更に詳細に示す)は、球形の本体42の開口端部44において、円形リム部58に沿って本体42に取外し可能に取り付けられる。インサート60は、軸方向に本体42内へと延在する隣接し合う凹部64間に配置される、周方向にリム部58に沿って設けられる複数の支持歯62上に装着及び支持される。支持歯62は、インサート60をリム部58に装着及び支持するように構成される。
各支持歯62は、リム部58の周りにおいて、周方向に向く前面65と周方向に向く後面66とを有する。前面65は、1つの切削用インサート60を位置決めするように構成される。インサート60は、凹部64内に配設される、螺72でリム部に取り付けられるクランプ70によって、前面65に固着される。本明細書に例示するインサート60は、支持歯62と合致する後側端部74と円形切れ刃78を有するより幅広の前側切削端部76とを有した円錐形である。クランプ70は、前側切削端部76に圧着する。その他の種類及び形状のインサートを用いてもよい。
切れ刃78は、交換可能なカーバイドインサート型又はカーバイド蝋付けチップ型であってよい。球形カッター34の内面82は、凹形状84を有し、外面86は凸形状88を有する。そのため、単純なNCプログラミング技術で、切削工具(カッター34)と加工対象の部品(ブランク12)との間で干渉を生じることなく、深い湾曲スロット37(図6に示す)を創出できる。球形カッター34は、球形の本体42の開放端部44に、大直径のリム部58を有してもよい。例えば、大直径が4インチ以上であってよい。球形カッター34によって、セラミック及びサーメット等の新材料をインサートに用いることができるようになるので、加工時の金属除去速度が大幅に増大する。本発明によって、工具の取り付けも簡便になる。
図3〜6を参照すると、カッター34とそのインサート60で、プランジング加工(アキシャルフィード)用の軸方向ADの切削及びラジアルフィード用の半径方向RDの切削を行うことができる。球形の本体42の球形状により、球形カッター34を軸方向及び半径方向に球面Sに沿ってブランク12内に押し込むことが可能になる。球面Sは、原点Oを有する半径Rによって画定される。球形の本体42も、概して同じ半径Rと原点Oによって画定される。スロット37は各々、単一の半径Rと単一の原点Oを有する単一の球面Sに沿って加工される。常にスピンドル32の回転軸48に沿って半径Rと原点Oとを維持するように加工機31を操作及び制御しながら、スピンドル32を回転軸48の周りで回転させ、且つブランク12におけるスロット37の加工時に球形カッター34をブランク12内に押し込む。スピンドル32の回転軸48に沿った球形カッター34の半径Rと原点Oの維持は、加工時にスピンドル32を連続的に位置決めすることによって達成される。
単一の球面Sに沿ってスロット37の各々を加工することにより、図5に示すようにプランジング加工の終了時点で湾曲スロット37が得られる。図6は、カッター34を湾曲スロット37から引き抜く時に、スピンドルと球形カッター34とを引き続き旋回させながら球形カッター34を球面Sに沿って移動させることにより引き抜かれる、球形カッター34の図である。
本明細書では、本発明の好適且つ典型的な実施例と思われる事項を記述したが、本明細書の教示から、本発明のその他の改変形態が当業者には明らかであるから、かかる改変形態は全て、本発明の概念及び範囲に含まれるものとして、添付の特許請求の範囲において保護されることが望ましい。したがって、米国特許法による保護が望ましい事項は、添付の特許請求の範囲において定義及び明確化された発明である。
Claims (11)
- 中央キャビティ(54)を画定する開放端部(44)と閉鎖端部(46)とを有する球形の本体(42)と、
前記本体(42)の前記開放端部(44)において円形リム部(58)に沿って設けられる多点切れ刃(71)と、を含み、
前記球形の本体(42)が、概して半径(R)と原点(O)とによって画定される、球形カッター(34)。 - 前記切れ刃(71)を含む複数の切削用インサート(60)を更に含み、前記切削用インサート(60)が、前記円形リム部(58)に沿って前記球形の本体(42)に取外し可能に取り付けられる、請求項1に記載の球形カッター(34)。
- 前記リム部(58)に沿って周方向に設けられる複数の支持歯(62)を更に含み、
前記複数の支持歯(62)が、軸方向に前記本体(42)内へと延在する隣接し合う凹部間に配置され、
前記複数の切削用インサート(60)が、それぞれ前記複数の支持歯(62)上で取外し可能に装着及び支持される、請求項2に記載の球形カッター(34)。 - 更に、前記支持歯(62)の各々が、周方向に向く前面(65)と周方向に向く後面(66)とを含み、
前記前面(65)が、1つの前記切削用インサート(60)を位置決めするように構成され、
前記インサート(60)が、前記前面(65)に固着される、請求項3に記載の球形カッター(34)。 - 更に、前記インサート(60)が、前記凹部(64)に配設されるクランプ(70)により前記前面(65)に固着され、前記クランプ(70)が、螺(72)により前記リム部(58)に取り付けられる、請求項4に記載の球形カッター(34)。
- 更に、前記インサート(60)が、前記支持歯(62)に合致する後側端部(74)と、円形の切れ刃(78)を有するより幅広の前側切削端部(76)とを有する円錐形である、請求項5に記載の球形カッター(34)。
- 自身の前記閉鎖端部(46)にシャンク(55)を更に含む、請求項1に記載の球形カッター(34)。
- 多軸コンピュータ数値制御加工機(31)であって、
該加工機(31)の回転可能なスピンドル(32)に装着される球形カッター(34)を含み、
前記球形カッター(34)が、中央キャビティ(54)を画定する開放端部(44)と閉鎖端部(46)とを有する球形の本体(42)を含み、
前記本体(42)の前記開放端部(44)に、円形リム部(58)に沿って設けられる多点切れ刃(71)を含み、
前記球形の本体(42)が、概して前記スピンドル(32)の回転軸(48)に沿って配置される半径(R)と原点(O)とによって画定される、多軸コンピュータ数値制御加工機(31)。 - 更に、概して前記半径(R)と前記原点(O)とによって画定される球面(S)に沿って、切削時に前記球形カッター(34)を移動させるように操作可能にプログラムされる、請求項8に記載の加工機(31)。
- 円筒状のワークピース又はブランク(12)を加工して、ハブ(14)から半径方向外方に延在する周方向に離間した複数の一体的動翼(18)を成形加工する方法であって、
球形カッター(34)を用いて深い湾曲スロット(37)を加工するステップを含み、
前記球形カッター(34)が、中央キャビティ(54)を画定する開放端部(44)と閉鎖端部(46)とを有する球形の本体(42)を含み、
多点切れ刃(71)が、前記本体(42)の前記開放端部(44)において円形リム部(58)に沿って設けられ、
前記球形の本体(42)が、概して半径(R)と原点(O)とによって画定される、方法。 - 前記加工ステップが、
多軸コンピュータ数値制御加工機(31)の回転可能なスピンドル(32)に装着される前記球形カッター(34)を用いて前記スロット(37)の各々を加工するステップを含み、
前記半径(R)及び前記原点(O)が、前記スピンドル(32)の回転軸(48)に沿って配置され、
加工時に前記スピンドル(32)を連続的に位置決めすることにより、概して前記半径(R)と前記原点(O)とによって画定される球面(S)に沿って前記加工時に前記球形カッター(34)を移動させるステップを含む、請求項10に記載の方法。
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