JP2019072829A - 中空軸の製造方法及び製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】加工ヘッド及びボーリングバーを位置ずれなく保持することで、高い加工精度で中空軸の穴の内径を加工することのできる中空軸の製造方法の提供。【解決手段】軸方向に貫通する予備穴１０１を有する長尺中空軸１００の内面を予備穴１０１に倣って切削加工する中空軸の製造方法であって、予備穴１０１に、固体状の炭酸エチレン５０を支持体として配置した後、支持体によって、予備穴１０１の壁面を加工するための加工具１０を支持した状態で、加工具１０を軸方向に移動させながら、予備穴１０１の内壁面を切削して、長尺中空軸１００の内面を加工する中空軸の製造方法。【選択図】図２

Description

本発明は、中空軸の製造方法及び製造装置に関する。

ジェットエンジンのタービンとファン（又はコンプレッサ）を連結するために、ロングシャフトと呼ばれる細長い中空軸（例えば全長約３ｍ、主要部の外径１０〜２０ｃｍ）が用いられる。かかるロングシャフトは、軽量化のため薄肉であり、かつタービンと共に高速回転するため高い回転バランス精度が要求される。中空軸の穴の内面の加工精度が悪いと、回転バランス精度を損なう。そのため、中空軸の穴の内面の加工精度向上を図る工夫がなされている（例えば、特許文献１参照。）。

特開平１０−２１３４０４号公報

ロングシャフトの製造では一般に、外面を粗加工したロングシャフトの中心に予備穴を設け、この予備穴内壁を、切削刃等を備えた加工ヘッドによって、加工ヘッドを軸方向に移動させながら、切削加工する方法が採られる。加工ヘッドは、これを軸方向に移動させるためのボーリングバーに連結され、このボーリングバーが、長尺中空軸内での周方向の位置を固定した状態で軸方向に引き抜かれることで、予備穴壁面が軸方向に加工されていく。そのため、ボーリングバーの位置ずれが起こると、加工ヘッドが位置ずれしてしまい、中空軸の内径が一定でなくなり、内径の振れが生じてしまう。

そのため、ロングシャフトの製造では、この加工ヘッド及びボーリングバーを長尺中空軸内で位置ずれなく保持することが要求される。

本発明は、加工ヘッドを位置ずれなく保持することで、高い加工精度で中空軸の穴の内径を加工することのできる中空軸の製造方法を提供することを目的とする。

本発明の中空軸の製造方法は、軸方向に貫通する予備穴を有する長尺中空軸の内面を前記予備穴に倣って切削加工する中空軸の製造方法であって、前記長尺中空軸の予備穴に、固体状の炭酸エチレンを支持体として配置した後、前記支持体によって、前記予備穴の壁面を加工するための加工具を支持した状態で、前記加工具を軸方向に移動させながら、前記予備穴の内壁面を切削して、前記長尺中空軸の内面を加工することを特徴とする。

本発明の中空軸の製造方法において、前記予備穴にコアバーを挿入し、前記コアバーを挿入された前記予備穴の空隙に液状の炭酸エチレンを満たし、その後炭酸エチレンを凝固させ、前記コアバーを除去して前記支持体を配置することが好ましい。

本発明の中空軸の製造方法においては、前記予備穴の加工後に、前記予備穴の内部に残留した炭酸エチレンを液化させて除去することが好ましい。この際、前記炭酸エチレンに水を接触させて、前記炭酸エチレンを液化させることが好ましく、水の温度は３８℃以上であることが好ましい。

また、本発明の中空軸の製造方法においては、炭酸エチレンを液化させて除去するに際して、炭酸エチレンを加熱して液化させることが好ましい。このときの加熱温度は３８℃以上であることが好ましい。

本発明の中空軸の製造装置は、軸方向に貫通する予備穴を有する長尺中空軸の内面を前記予備穴に倣って切削加工する中空軸の製造装置であって、前記予備穴の壁面を切削加工する加工ヘッドと、前記加工ヘッドに連結されたボーリングバーとを有する加工具と、前記加工ヘッドを駆動させて前記予備穴の壁面を切削加工させるヘッド駆動装置と、前記ボーリングバーを軸方向に移動させるバー移動装置と、前記予備穴内に、前記加工具を支持する支持体を構成するための炭酸エチレンを供給するサポート材供給装置と、を備えることを特徴とする。

本発明の中空軸の製造装置は、さらに前記予備穴に水を供給する水供給装置を備えることが好ましく、前記予備穴の温度を３８℃以上又は３８℃未満に調節する温度調節装置を備えることが好ましい。

本発明の中空軸の製造方法によれば、加工ヘッドを位置ずれなく保持することで、高い加工精度で中空軸の穴の内径を加工することができる。

本実施形態の製造方法に用いられる加工具を模式的に表す図である。 本実施形態の中空軸の製造方法を説明するための図である。図２（ａ）は、長尺中空軸を模式的に表す断面図である。図２（ｂ）は、長尺中空軸の予備穴内にコアバーと固体状の炭酸エチレンからなる支持体が配置された状態を表す図である。図２（ｃ）は、予備穴内に支持体が配置された状態を表す図である。図２（ｄ）は、ボーリングバーによって予備穴の内壁を切削加工していく状態を表す図である。 切削加工の工程において長尺中空軸を冷却する態様を概略的に表す図である。

以下、図面を参照して、実施形態を詳細に説明する。
図１に示すように、本実施形態に係る中空軸の製造方法は、軸方向に貫通する予備穴を有する長尺中空軸の内面を前記予備穴に倣って切削加工して中空軸を製造する方法である。

図１は、本実施形態の製造方法に用いられる加工具１０を模式的に表す図である。加工具１０は、加工ヘッド１１と、加工ヘッド１１に連結されたボーリングバー１２とを備えている。

加工ヘッド１１は、予備穴の少なくとも一方から長尺中空軸の軸方向に挿入可能な寸法を有する。加工ヘッド１１には、中空軸を切削加工するための切削器等（図示せず）が設けられている。加工ヘッド１１にはヘッド駆動装置が付設され、ヘッド駆動装置により加工ヘッド１１が駆動される。

ボーリングバー１２には、バー移動装置が付設され、バー移動装置によってボーリングバー１２が加工ヘッド１１とともに軸方向に移動される。例えば、バー移動装置によってボーリングバー１２を軸方向に移動させている状態で、ヘッド駆動装置が加工ヘッド１１を回転運動させることで、加工ヘッド１１に設けられた切削器によって、予備穴の内壁が軸方向に切削加工されていく。

図２は、本実施形態の中空軸の製造方法を説明するための図である。図２（ａ）は、軸方向に貫通する予備穴１０１を有する長尺中空軸１００を模式的に表す断面図である。図２（ｂ）は、長尺中空軸１００の予備穴１０１内にコアバー２０が挿入されるとともに、コアバー２０の挿入された予備穴１０１内に固体状の炭酸エチレンからなる支持体が配置された状態を表す図である。図２（ｃ）は、コアバー２０が除去されて支持体が配置された状態を表す図である。図２（ｄ）は、コアバー２０の除去された内部に挿入されたボーリングバー１２を軸方向に引き抜きながら予備穴１０１の内壁を切削加工していく状態を表す図である。

図２（ｂ）に示すように、本実施形態の中空軸の製造方法においては、まず、軸方向に貫通する予備穴１０１を有する長尺中空軸１００の予備穴１０１内に、コアバー２０が挿入される。コアバー２０の内径はボーリングバー１２と略同径である。

次いで、コアバー２０が挿入された予備穴１０１のコアバー２０との空隙に、サポート材供給装置５１によって液状の炭酸エチレン５０が供給される。炭酸エチレン５０は融点が３８℃程度であるため、サポート材供給装置５１は炭酸エチレン５０を、融点以上に加熱して液状とした状態で予備穴１０１の空隙に供給する。また、このとき、予備穴１０１の空隙に炭酸エチレン５０を満たすため、予備穴１０１内も炭酸エチレン５０の融点以上に加熱されることが好ましい。

予備穴１０１の空隙に炭酸エチレン５０が満たされた後に、予備穴１０１あるいは長尺中空軸１００全体が冷却されて炭酸エチレン５０を凝固させる。このときの温度は炭酸エチレン５０の融点以下であればよく、具体的には３８℃未満である。炭酸エチレン５０を凝固させることで、予備穴１０１内のコアバー２０は、凝固した炭酸エチレン５０によって、位置ずれしないように支持され得る。

次いで、コアバー２０を予備穴１０１から引き抜き（図２（ｃ））、引き抜いた後のコアバー２０が挿入されていた空間に加工ヘッド１１を備えたボーリングバー１２が挿入される。

この状態で、ボーリングバー１２に付設されたバー移動装置３０及び加工ヘッド１１を駆動させるヘッド駆動装置４０を稼動させる。これにより、ボーリングバー１２を軸方向に移動させながら加工ヘッド１１が回転運動されて、加工ヘッド１１に設けられた切削器によって、予備穴１０１の内壁が軸方向に切削加工されていく。あわせて、凝固した炭酸エチレン５０が削り取られていく（図２（ｄ））。

上記切削加工の工程において、切削による熱で、炭酸エチレン５０が溶解する場合には、冷却することが好ましい。たとえば、長尺中空軸１００の外部から、冷水、不凍液などの冷媒を長尺中空軸１００にかけ流して長尺中空軸１００を冷却することができる。また、図３に示すように、長尺中空軸１００を収容可能な太管内７０に収容し、長尺中空軸１００と太管内壁の間に冷水、不凍液等の冷媒を通流させることにより、長尺中空軸１００を冷却することが可能である。このとき、長尺中空軸１００の両端において、太管を樹脂７２等によって内密に封止することができる。なお、図３において矢印は冷媒の流れを示す。太管を用いて冷却する場合、冷却後の冷媒を回収し、チラー７１等で冷却した後再利用できるので、より好ましい。

本発明の中空軸の製造方法は、加工ヘッド１１及びボーリングバー１２を支持するサポート材に、炭酸エチレン５０を用いたことを特徴とする。炭酸エチレンは、下記式（１）で示される化合物で、融点が３８℃と比較的低く、固体状態においても十分な強度を有する。また、水溶性かつ低粘度（４０℃で１．９ｍＰａ・ｓ）であり、水によって極めて簡易に除去される。そのため、中空軸の内面加工後に残留した炭酸エチレンは、水によって容易に除去することができ、細部にわたって精密な除去が可能である。

本発明の製造方法においては、この炭酸エチレンの特徴を使用し、長尺中空軸の内面加工後に残留した炭酸エチレン５０に水を接触させて、炭酸エチレン５０を液化させて除去することができる。炭酸エチレン５０を水と接触させる方法としては、例えば、内面加工後の長尺中空軸の穴に、水を通流させる方法、長尺中空軸を水に浸漬する方法等が使用可能である。炭酸エチレン５０は、低粘度であるため、水によって極めて簡易に除去され、細部にわたって精密な除去が可能である。

炭酸エチレン５０を水と接触させる方法において、水の温度は、３８℃以上であることが好ましい。炭酸エチレン５０は、融点が３８℃と比較的低いため、３８℃以上の水と接触させることで極めて迅速に除去することができる。

また、炭酸エチレン５０は、融点が３８℃であるため、その除去に際しては、長尺中空軸を３８℃以上に加熱してもよい。これにより、長尺中空軸の内面加工後に残留した炭酸エチレン５０を容易に除去することができ、また、液体の炭酸エチレン５０は低粘度であるため、細部にわたって精密な除去が可能である。

以上、本発明の中空軸の製造方法によれば、加工ヘッド及びボーリグバーを支持するサポート材に炭酸エチレンを用いているため、中空軸の内面加工後に残留した炭酸エチレンの除去が極めて容易であり、また、簡易な方法で細部にわたって精密な除去が可能である。

また、炭酸エチレンの溶解温度と炭酸エチレンを凝固させて行う加工の際の加工温度の差が小さいため、温度変化による加工対象物の膨張や収縮による変形量が少ない。例えば、３ｍの鉄製ロングシャフトの製造の場合、炭酸エチレンの代わりに硫黄を用いる従来方法の場合には、鉄の線膨張率を０．１３７５×１０^−４Ｋ^−１として試算すると、ロングシャフト（長尺中空軸）に硫黄を注ぎ込むとき（温度１３５℃）に、ロングシャフトが膨張して５ｍｍ程長くなる。

一方、本発明では、液状の炭酸エチレンをロングシャフトに注ぎ込むときの温度は炭酸エチレンの融点よりやや高い温度(約４０℃)であるので、上記同様に試算すると、ロングシャフトの長さの増加量は、１ｍｍ未満である。ロングシャフトの製造工程における長さの増加量はボーリングバーの位置ずれに比例するので、炭酸エチレンを用いた場合には、従来の硫黄を用いる場合に比べて、位置ずれが、１/５未満に抑えられる。したがって、温度変化に起因する加工ヘッド及びヘッド支持具の位置ずれを小さくすることができる。

また、炭酸エチレンは加工具を支持するのに十分な強度を有するため、加工ヘッドにより長尺中空軸を加工する際に支持体が崩れたり、割れたりすることがない。したがって、凝固させた炭酸エチレンによって、加工ヘッド及ボーリングバーを位置ずれなく固定することで、高い加工精度で中空軸の穴の内径を加工することができる。

１０…加工具、１１…加工ヘッド、１２…ボーリングバー、２０…コアバー、３０…バー移動装置、４０…ヘッド駆動装置、５０…炭酸エチレン、７０…太管、７１…チラー、７２…樹脂、１００…長尺中空軸、１０１…予備穴。

Claims (10)

1. 軸方向に貫通する予備穴を有する長尺中空軸の内面を前記予備穴に倣って切削加工する中空軸の製造方法であって、
   前記長尺中空軸の予備穴に、固体状の炭酸エチレンを支持体として配置した後、
   前記支持体によって、前記予備穴の壁面を加工するための加工具を支持した状態で、前記加工具を軸方向に移動させながら、前記予備穴の内壁面を切削して、前記長尺中空軸の内面を加工することを特徴とする中空軸の製造方法。
2. 前記予備穴にコアバーを挿入し、前記コアバーを挿入された前記予備穴の空隙に炭酸エチレンを満たし、
   その後炭酸エチレンを凝固させ、
   前記コアバーを除去して前記支持体を配置することを特徴とする請求項１に記載の中空軸の製造方法。
3. 前記予備穴の加工後に、前記予備穴の内部に残留した炭酸エチレンを液化させて除去することを特徴とする請求項１又は２に記載の中空軸の製造方法。
4. 前記炭酸エチレンに水を接触させて、前記炭酸エチレンを液化させることを特徴とする請求項３に記載の中空軸の製造方法。
5. 前記水の温度は３８℃以上である請求項４に記載の中空軸の製造方法。
6. 前記炭酸エチレンを加熱して液化させることを特徴とする請求項３に記載の中空軸の製造方法。
7. 前記加熱温度は３８℃以上である請求項６に記載の中空軸の製造方法。
8. 軸方向に貫通する予備穴を有する長尺中空軸の内面を前記予備穴に倣って切削加工する中空軸の製造装置であって、
   前記予備穴の壁面を切削加工する加工ヘッドと、前記加工ヘッドに連結されたボーリングバーとを有する加工具と、
   前記加工ヘッドを駆動させて前記予備穴の壁面を切削加工させるヘッド駆動装置と、
   前記ボーリングバーを軸方向に移動させるバー移動装置と、
   前記予備穴内に、前記加工具を支持する支持体を構成するための炭酸エチレンを供給するサポート材供給装置と、
   を備えることを特徴とする中空軸の製造装置。
9. さらに前記予備穴に水を供給する水供給装置を備える請求項８に記載の中空軸の製造装置。
10. さらに前記予備穴の温度を３８℃以上又は３８℃未満に調節する温度調節装置を備える請求項８に記載の中空軸の製造装置。

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