JP2013082066A - 限られたスペースにおいて加工する装置及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】限られたスペースの中で使用するための電気化学放電加工技法又は放電加工技法。
【解決手段】工作物を加工するための加工装置は、放電加工ヘッドアセンブリ３０と、ヘッドアセンブリを支持するスライドアセンブリ２８と、スライドアセンブリを、工作物の１つの領域を加工するため、前記工作物上の面に支持するように構成された電磁石２６と、前記放電加工ヘッドアセンブリに対して３つの調整軸を提供するように構成された３つの手動操作スライダ３４，３８と、放電加工ヘッドアセンブリに対して２つの調整軸を提供するように構成された傾斜旋回万力４２とを有する。
【選択図】図２

Description

開示される装置は、限られたスペースの中で使用するための加工装置及び方法に関する。特に、開示される装置は、電気化学放電加工技法又は放電加工技法のいずれかを使用する加工装置に関する。

電解加工（ＥＣＭ）及び放電加工（ＥＤＭ）は、金属加工の分野で使用されている２つの技法である。ＥＤＭでは、ドリル電極にＤＣ電圧が印加され、工作物はドリル電極と工作物との間の間隙における火花形成により浸食される。通常、電極と工作物との間の間隙に誘電流体が強制的に送り込まれる。

ＥＣＭにおいては、ドリル電極は工作物に近接して配置され、ドリル電極と工作物に電位が与えられる。電極と工作物との間の間隙に電解液が強制的に送り込まれ、電気化学作用により工作物材料が除去される。

市販のＥＤＭボール盤は、ＥＤＭ加工機械とは異なり、動作流体として水を使用できる。場合によっては、非導電性消イオン水を使用できるが、水道水を使用しても良い場合もあり、その導電率は水道水のミネラル含有量によって決まる。ＥＤＭ穴あけ工程はＥＤＭ加工工程と厳密に同じではない。ＥＤＭ加工工程が非導電性誘電体を使用するのに対し、ＥＤＭ穴あけにおいては、半導性流体を使用できる。ＥＤＭ加工は、導電率の高い電解液を使用するＥＣＭ（電解加工）と幾分類似している。金属除去工程の一部は火花浸食であり、一部は電気化学的である。従って、市販のＥＤＭボール盤は電気化学放電加工（ＥＣＤＭ）と呼ぶことができる中間の工程を使用する。

通常、ＥＣＤＭとＥＤＭの双方に共通して、ドリル電極は中空であり、加工用液体（用途に応じて誘電流体又は電解液のいずれか）は電極に沿って内部を流れ、電極の作業面にある穴、溝穴又は他の何らかの同様の開口部を通って流出する。ＥＣＤＭでは、電離の結果発生する気泡が電極と材料との間に非導電性領域を形成し、その後、この非導電性領域に印加される高い電圧によって放電を発生させる。

残念ながら、現在入手可能であるＥＣＤＭ工具及びＥＤＭ工具は大型でかさばり、限られたスペースでの使用が不可能である。現在入手可能であるＥＣＤＭ工具及びＥＤＭ工具は、ボール盤でドリルが下方へ移動されるのと全く同じように、ＥＤＭドリル電極又はＥＣＤＭドリル電極が工作物に向かって下降されるように、ボール盤に設置されなければならない工作物の上で使用されるように構成されている。更に、現時点ではＥＣＤＭ及びＥＤＭは、ピン及びねじなどのいくつかの金属製品に効率良く穴あけするために直径の大きなドリル穴が必要であると思われる場合でも、直径約６ｍｍの穴しかあけられない。

先に述べた通り、現在入手可能であるＥＤＭ工具及びＥＣＤＭ工具は限られたスペースで使用するのが不可能であるか、又は非常に困難である。限られたスペースの一例は、ターボ機械のロータに装着されたロータブレードの周囲のスペースである。ターボ機械は蒸気タービン、圧縮機及びガスタービンを含むが、それらに限定されない。多くの場合、ターボ機械のロータからロータブレードを取り外す必要がある。そのようなブレードの取り外しは、例えば、予定に組み込まれた保守の間又はターボ機械の所要の運転停止の後にブレードの検査、改装又は洗浄を行うために必要になるであろう。蒸気タービン又はガスタービンなどのターボ機械のロータは、通常、その周囲に沿って配列された数列のブレードを有する。各列のブレードはロータの周囲に沿って等間隔で配置された１列の周囲ブレードから構成されている。通常、各ブレードはそのブレードをロータに保持するための根元部分を有する。ファーツリー形、ダブテール形などの様々なブレード根元形状が利用されている。組み立て時に、ブレードの根元部分はロータの周囲に形成された対応する形状の溝の中に軸方向に差し込まれる。ブレード根元部分が溝からすべり出るのを防止するために、通常、ピンなどの係止装置が使用される。ターボ機械の動作中、ピンはそれぞれ対応する穴に把持される。それらのピンが把持されてしまうと、ハンマリング又は機械的穴あけのような周知の手段を使用することによりピンを除去することは非常に困難であり、時間もかかる。それらのピン及びタブを除去することが困難であるのは、１つには、ターボ機械のロータのハブの間の空間が非常に限られており、従って、ピン及びタブを穴あけによって取り出すことが不可能とはいえないまでも、非常に厄介であるためである。更に、ブレードはターボ機械のケーシングの内部に沿って３６０°延出しているため、全てのピンを穴あけによって除去するためにかさばる工具を位置決めすることは困難になる。

実願昭61-18048号（実開昭62-130823号）のマイクロフィルム

開示される加工装置の一実施例は、放電加工ヘッドアセンブリと、ヘッドアセンブリを１つの領域を加工するための位置に支持するように構成された電磁石とに関する。

開示される加工装置の別の実施例は、放電加工ヘッドアセンブリと、放電加工ヘッドアセンブリに結合されたヘッドアセンブリアダプタプレートとに関する。

更に、開示される加工装置の一実施例は、放電加工ヘッドアセンブリと、放電加工ヘッドアセンブリに結合されたスライドアセンブリと、スライドアセンブリに結合されたスライドアセンブリアダプタプレートとに関する。

また、開示されるドリル電極を案内する装置の一実施例は、ブシュと、ブシュの中に配置された絶縁環と、ブシュに結合されたブシュホルダとに関する。

開示される方法の一実施例は、加工工具を面に装着することと、ドリル電極を工作物に対して位置決めすることと、加工工具によって工作物に穴あけすることとに関する。

次に、実施例を示す図面を参照するが、図面中、同じ要素は同じ図中符号を付されている。

開示される装置及び蒸気タービンロータの一部を示す図。 開示される装置の斜視図。 開示される装置のヘッドアセンブリの斜視図。 ガイドブシュを示す図。

図１から図４を参照して、限定的な意味を持たない例示として、開示される装置及び方法のいくつかの実施例の詳細な説明を提示する。

放電加工
図１は、持ち運び可能な小型のＥＣＤＭ装置又はＥＤＭ装置を使用できると考えられる限られたスペースの限定的ではない一例を示す。ターボ機械のロータ１０の一部の側面図が示されている。この例では、ロータ１０はＬ−１段ハブ１４と、Ｌ−０段ハブ１８とを有する蒸気タービンロータである。図１はロータの２つのハブの間の場所を示しているが、これはこのような装置を限られたスペースで使用できる数多くの例のうちの１つであるにすぎない。Ｌ−１段ハブ１４には開示される装置２２が装着されている。開示される装置２２は電磁石２６を介してハブ１４に装着されている。工作物に対して垂直方向下向きに穴をあけるために方向を定められた市販のＥＣＤＭ工具及びＥＤＭ工具とは異なり、装置２２は電磁石２６により工作物に関して多様な向きをとるように位置決めされることが可能である。開示される装置２２は、垂直方向下向き、垂直方向上向き、水平方向又はその間の任意の角度に加工を実行できるように、電磁石を使用して位置決めされる。図１は、Ｌ−１段ハブ１４に配置されたロータブレードピン（図示せず）をドリル加工により除去するために、２つのハブ１４、１８の間の限られたスペースで従来にない放電加工装置２２をどのように位置決めできるかを示す。

図２は、５つの調整軸によって限られたスペースで動作するように迅速且つ正確に位置決めされることが可能である開示される装置２２の斜視図を示す。５つの調整軸とは、装置を３つの直線軸と２つの回転軸に関して調整できることを意味している。装置２２の最上部にはヘッドアセンブリ３０が示されており、ヘッドアセンブリに関しては図３を参照して更に詳細に説明する。電磁石２６はスライダアセンブリアダプタプレート３１を介してスライダアセンブリ２８に結合されている。第１の手動操作スライダ３４はスライダアセンブリアダプタプレート３１に結合されている。開示される装置２２が電磁石２６を介してハブ１４などの面に装着された後、操作担当者は第１の手動操作スライダ３４によりヘッドアセンブリ３０を位置決めすることができる。第２の手動操作スライダ３８は第１の手動操作スライダ３４に動作可能に結合されており、ヘッドアセンブリ３０を第１の手動操作スライダ３４に関して垂直に並進運動させるように構成されていれば良い。第２のスライダ３８は小型傾斜旋回万力４２に動作可能に結合されている。スライダアセンブリ２８は第１の手動操作スライダ３４、第２の手動操作スライダ３８及び小型傾斜旋回万力４２から構成されている。小型傾斜旋回万力４２はヘッドアセンブリ３０を湾曲矢印４６により示される２つの方向に回転させる。小型傾斜旋回万力４２はヘッドアセンブリ３０を湾曲矢印４６の方向に回転させる。また、小型傾斜旋回万力４２はヘッドアセンブリ３０をある角度だけ傾斜させるが、この傾斜は矢印５０により示されている。この実施例では手動操作スライダ及び小型傾斜旋回万力について論じているが、ドリル加工されるべき面又は領域に対してヘッドアセンブリ３０を位置決めできるどのような機構でも、開示される装置の様々な実施例において使用可能な等価の構成であろうということを理解すべきである。

図３は、ヘッドアセンブリ３０の一実施例の接近斜視図である。この明細書において、「放電加工」という用語はヘッドアセンブリ３０に関して使用される場合にはＥＤＭとＥＣＤＭの双方を指すものとする。ヘッドアセンブリアダプタプレート５４はヘッドアセンブリを図２に示される小型傾斜旋回万力４２に結合するために使用される。ヘッドアセンブリアダプタプレート５４には、サーボ制御ドリルスライダ５８が固定結合されている。サーボ制御ドリルスライダ５８には、ロックインドリル方向を有する手動操作位置決めスライダ６２が固定結合されている。手動操作位置決めスライダ６２、第１の手動操作スライダ３４、第２の手動操作スライダ３８及び小型傾斜旋回万力４２が開示される装置の５つの調整軸を形成する。手動操作位置決めスライダ６２には、スピンドル支持ブロック及びマニホルド６６が固定結合されている。スピンドル支持ブロック及びマニホルド６６にはドリルスピンドル６８が回転自在に結合されている。ドリルスピンドル６８は市販のストレートシャンクコレットチャックから適応されても良い。ドリルスピンドル６８にはドリル電極７０が固定結合されている。現在入手可能であるＥＤＭ工具及びＥＣＤＭ工具は、ピン及びねじなどの様々な金属製品をドリル加工により取り除くには十分に大きいとはいえない約６ｍｍの穴をあける。開示される装置の一実施例では、ドリル電極７０は約１２ｍｍの穴をあけるような大きさに形成されている。ＥＣＤＭの一実施例においては、スピンドル支持ブロック及びマニホルド６６には電解液（この場合には一般の水道水を使用できる）が入っており、マニホルドはドリルスピンドル６８と流体連通している。ドリルスピンドル６８は、中空であるドリル電極７０と流体連通している。マニホルド６６はＥＣＤＭ工程に必要な電解液をドリル電極に供給する。別の実施例では、ヘッドアセンブリはＥＤＭ工程に合わせて構成されていても良く、その場合のマニホルドは誘電体を含み、誘電体は中空ドリル電極７０に供給されると考えられる。ドリルスピンドル６８には電気ブラシホルダ７４が結合されている。ブラシホルダ７４はドリルスピンドル６８及びドリル電極７０に電圧を供給する。装置２２が動作中であるとき、電源（図示せず）がブラシホルダ７４と通信している。ドリル電極７０が約１２ｍｍの穴をあけるような大きさに形成されている場合、ブラシホルダ７４の使用により、更に多くの量の電流を電極に到達させることができる。スピンドル支持ブロック及び電解液マニホルド６６にはスピンドルモータ７８が装着されている。スピンドルモータ７８は、伝動手段８２を介してドリルスピンドル６８及び装着されているドリル電極７０を回転させるための動力を伝達する。伝動手段８２はプーリ及びベルトシステム、歯車システム又は直接結合であっても良いが、それらに限定されない。ヘッドアセンブリアダプタプレート５４には、伝動手段９０を介してサーボ制御ドリルスライダ５８に並進運動を伝達するサーボモータ８６が固定結合されている。伝動手段９０はプーリ及びベルトシステム、歯車システム又は直接結合であっても良いが、それらに限定されない。サーボモータ８６はドリル電極７０に供給される電流に比例する信号を受信する。その電流信号に基づいて、サーボモータはサーボ制御ドリルスライダ５８を動かす。電流信号によりドリル電極７０と工作物との間の短絡状態が示された場合、サーボ制御ドリルスライダ５８はドリル電極７０を工作物から後退させる。この後退によって、ドリル電極７０が工作物に溶接される事態は回避される。

図３に関して説明したヘッドアセンブリ３０は、ターボ機械の２つのハブ１４、１８の間などの狭く、限られたスペースで使用することを可能にするために最小限の大きさとなるように構成されていた。一実施例では、図３に示すヘッドアセンブリの長さは９．６インチ、幅は６．５インチ、高さは５．５インチである。従って、開示される装置２２のこの実施例は、わずか１０インチしか離れていない、図１に示すターボ機械の２つのハブの間の限られたスペースで使用されることが可能である。これはステータブレードピンをドリル加工により取り除くのに特に有用である。しかし、開示される装置２２は、特に狭く限られたスペースでＥＣＤＭ又はＥＤＭが有用であると考えられるどのような場所でも使用できるであろう。このヘッドアセンブリ３０は非破壊評価手順並びにノッチクロスキー除去のために現場で穴をあける場合にも使用できるであろう。別の実施例においては、ヘッドアセンブリは、先に説明した実施例の約半分の大きさになるように、より小型の部品を使用して構成されていても良い。

図４は、開示される装置の一実施例の別の面を示す。工作物、この場合にはハブ１４にブシュホルダ９８を介して装着されたガイドブシュ９４が示されている。一実施例では、ブシュホルダはいくつかの市販の磁性ベースのうちのいずれかであれば良い。ガイドブシュ９４はドリル電極７０を工作物上の指定領域、この例ではハブ１４の１つの領域へ案内する。ガイドブシュ９４は、ドリル電極７０から短絡電流を受けることなくドリル電極７０と接触できる絶縁環１０２を有する。ドリル電極７０がドリル電極の端部のぐらつきによって、加工が不正確になるような長さである場合に、ガイドブシュは必要になるであろう。

開示される装置２２は、垂直方向、水平方向及びその間の複数の角度を含めて、多数の多用な向きでＥＣＤＭ又はＥＤＭを実行するように多軸ロボットアームに結合するように構成されても良い。従来にない放電加工装置２２はスライダアセンブリアダプタプレート３１又はヘッドアセンブリアダプタプレート５４を介してそのようなロボットアームに結合されれば良い。

開示される装置の一実施例では、サーボモータ８６はPanasonicサーボモータ、型式番号ＭＳＭＡ０４２Ａ１Ａであっても良い。サーボ制御ドリルスライダ５８はDeltron Slides型式番号ＬＳ２‐４であっても良い。スピンドルモータ７８はMicro-Drivesモータ、型式番号ＭＤ２２３０であっても良い。ロックインドリル方向を有する手動操作位置決めスライダ６２はVelmex Unislide型式番号ＺＡ２５０６Ａ‐Ｓ２＿ＢＫ‐ＴＳＬであっても良い。開示される装置に供給される電力は約１２０ｋＶＡの最大入力電力までであり、最大動作電流は約１２０Ａ、出力電圧は約８０〜２５０Ｖである。流体送り出しシステムの最大圧力は約５ＭＰａ（７２５ｐｓｉ）である。出力電力はパルス型であっても良い。

開示される装置は、限られたスペースにおけるＥＤＭ装置又はＥＣＤＭ装置の動作を可能にするという利点を有する。更に、開示される装置は持ち運び可能である。すなわち、装置を工作物の場所まで移動させることができる。開示される装置は、ドリル電極の軸を正確に工作物と整列させることができるように、５つの調整軸を有していても良い。整列の誤りは工作物の損傷を引き起こすことがある。例えば、工作物が非常に高価な機械部品である蒸気タービンロータである場合が考えられる。開示される装置の機械的穴あけ力はごくわずかであるか、全くない。機械的ドリルで発生されるような相対的に大きな穴あけ力は、工作物材料が一様でないこと又はドリルの幾何学的形状が不均一であることによってドリルを直線経路から逸脱させ、その結果、工作物に対する損傷を引き起こすであろう。ＥＤＭ工程及びＥＣＤＭ工程は工作物の硬度とは無関係であり、従って、穴あけ速度は予測可能である。また、開示される装置は電磁石を介して面に装着される。開示される装置は電磁石を介して面に装着可能であるため、工作物の面はどのような角度にあっても良い。加えて、開示される装置は直径約１２ｍｍまでの穴をあけることができる。

ドリル電極（７０）を案内する装置は、ブシュ（９４）と、前記ブシュ（９４）の内部に配置された絶縁環と、前記ブシュ（９４）に結合されたブシュ（９４）ホルダとを具備する。前記ブシュ（９４）ホルダは磁性ベースでとすることができる。

開示される方法及び装置の実施例をいくつかの実施例を参照しながら説明したが、開示される方法及び装置の実施例の範囲から逸脱することなく様々な変更を実施できること及び実施例の要素を等価の要素と置き換えられることは当業者により理解されるであろう。更に、開示される方法及び装置の本質的な範囲から逸脱することなく、ある特定の状況又は材料を開示される方法及び装置の実施例の教示に適応させるために数多くの変形を実施できるであろう。従って、開示される方法及び装置の実施例は開示される方法及び装置の実施例を実施するための最良の態様であると考えられるとして開示された特定の実施例に限定されるべきではなく、開示される方法及び装置の実施例は添付の特許請求の範囲の範囲内に含まれる全ての実施例を含むことが意図されている。

１０…ロータ、１４、１８…ハブ、２２…開示される装置、２６…電磁石、３０…ヘッドアセンブリ、３１…スライダアセンブリアダプタプレート、３４…第１の手動操作スライダ、３８…第２の手動操作スライダ、４２…小型傾斜旋回万力、５４…ヘッドアセンブリアダプタプレート、５８…サーボ制御ドリルスライダ、６２…手動操作位置決めスライダ、６６…スピンドル支持ブロック及びマニホルド、６８…ドリルスピンドル、７０…ドリル電極、７４…ブラシホルダ、７８…スピンドルモータ、８６…サーボモータ、９４…ガイドブシュ、９８…ブシュホルダ、１０２…絶縁環

Claims (5)

1. 工作物を加工するための加工装置であって、
   放電加工ヘッドアセンブリ（３０）と、
   前記ヘッドアセンブリ（３０）を支持するスライドアセンブリ（２８）と、
   前記スライドアセンブリ（２８）を、前記工作物の１つの領域を加工するため、前記工作物上の面に支持するように構成された電磁石（２６）と、
   前記放電加工ヘッドアセンブリ（３０）に対して３つの調整軸を提供するように構成された３つの手動操作スライダ（３４、３８、６２）と、
   前記放電加工ヘッドアセンブリ（３０）に対して２つの調整軸を提供するように構成された傾斜旋回万力（４２）と
   を具備することを特徴とする、加工装置。
2. 前記ヘッドアセンブリ（３０）は約６．５インチ×約９．６インチ×約５．５インチを超えない寸法を有する請求項１記載の装置。
3. 前記ヘッドアセンブリ（３０）は約３．３インチ×約４．８インチ×約２．８インチを超えない寸法を有する請求項１記載の装置。
4. 前記放電加工ヘッドアセンブリ（３０）は直径約１２ｍｍまでの穴をあけるように構成されている請求項１記載の装置。
5. 請求項１乃至４のいずれか１項に記載の加工工具を該電磁石（２６）により工作物の面に装着することと、
   ドリル電極（７０）をスライドアセンブリ（２８）によって前記工作物に対して位置決めすることと、
   前記加工工具によって前記工作物に穴あけすることと
   を含むことを特徴とする、加工方法。