JP2021094690A - 薄肉部材を製造する方法 - Google Patents

Abstract

【課題】改善された加工効率でもって薄肉部品を製造する方法を提供する。【解決手段】工作機械により湾曲した表面を有する薄肉部材、特にタービンブレード１０を製造する方法であって、荒削りプロセスと、中仕上げ削りプロセスとを有している方法に関する。荒削りプロセスおよび中仕上げ削りプロセスのうちの少なくとも１つが、側面フライス加工により実施される。【選択図】図１

Description

本発明は、薄肉部材、特にタービンブレードを製造する方法に関する。さらに、本発明は、薄肉部材を製造するための工作機械に関する。

発明の背景
薄肉でかつ湾曲した表面を有する部材または構成要素の製造・加工プロセスは、困難である。なぜならば、達成すべき複雑な形状に加えて、多数の用途のために、加工部材は高い品質要求を満たさなければならないからである。したがって、複雑な形状を達成するためには、多軸の工作機械が必要となる。薄肉のワークは、低い剛性を有しているので、機械加工中に、加工プロセスに関連した静的変位およびワークの振動のような付加的な問題が生じてしまう。ワークの振動は、加工されたワークの低い表面品質をもたらし、それどころか工具の寿命を減じてしまう。さらに、ワークに作用する力は、静的変位を阻止するために制限されている。このことは、プロセス効率を減じる。

薄肉のワークの製造に関するこれらの問題を考慮すると、加工セットアップは、加工された部材の表面品質を保証し、かつ高い加工効率を達成するために重要である。この目的を達成するために、送り速度および主軸回転速度のような加工パラメータの最適化が必要不可欠である。通常、加工パラメータは、安定的な加工プロセスを達成することができるように選択されている。しかし、特に加工時間に関してプロセス効率が低下してしまう。

１つのタイプの薄肉部材は、翼、プラットフォーム、シャンクおよびダブテールを含むガスタービンエンジンロータブレードである。さらに、フィレットは、プラトフォームとシャンクとを接続する。フィレットは、概して凹形状を有している。別のタイプの薄肉部材は、宇宙空間用途のためのタービンおよびインペラブレードである。この用途のためには、高い安全性および品質が、最大限に重要である。

今日、このような薄肉部材は、スパイラルポイントフライス加工（spiral-point milling）またはストリップフライス加工（strip milling）により加工される。ポイントフライス加工は、材料がカッタ（切れ刃）の端部により除去されるフライス加工プロセスとして定義されている。ストリップフライス加工は、ポイントフライス加工よりも少ない加工時間を消費する。なぜならば、フライス加工深さがポイントフライス加工よりも深いからである。しかしストリップフライス加工は、時間を消費することにおいてなお不利である。

側面フライス加工（Flank milling）は、エンドミル工具によって長い軸方向の切込み深さを達成することができるフライス加工プロセスである。このプロセスは、特に高い切削速度および比較的小さな半径方向で切込み深さの観点において極めて重要である。米国特許出願公開第２００９０３０４４７３号明細書は、ガスタービンエンジンのためのブリスクをフライス加工するための方法を開示している。この方法は、ディスク中間製品の外周部において一体的に設けられた複数の三次元ブリスクブレードを荒削りフライス加工により予備成形し、ブレードの圧力側および負圧側を仕上げ削りフライス加工することを含んでいる。仕上げ削りフライス加工は、側面フライス加工によって行われる。

米国特許出願公開第２０１７／００１６３３２号明細書は、側面フライス加工可能な構成要素を設計および製造する方法を開示している。この方法は、側面フライス加工が可能ではなくなる構成要素の形状オプションが選択された場合に、ユーザに通知が行われる可能性を提供する。さらに、この方法の使用により、ユーザは、側面フライス加工可能ではなくなる形状オプションの選択を阻止される。

しかし、今日では、単独のブレードプラットフォームをフライス加工するための一般的な手順は、未だに高いカーバイド燃焼（carbide burn）と長い加工時間の欠点を有するスパイラルポイントフライス加工またはストリップフライス加工である。

発明の概要
本発明の目的は、改善された加工効率でもって薄肉部品を製造する方法を提供することにある。特に、本発明の目的は、生産性を損なうことなしに、工具摩耗が低減された、タービンブレードを製造する方法を提供することにある。

本発明によれば、これらの目的は、独立請求項に記載の特徴によって達成される。さらに、別の有利な実施形態は、従属請求項および本明細書から明らかである。

本発明において、湾曲した表面を有する薄肉部品、特にタービンブレードを製造する方法は、荒削りプロセスと中仕上げ削りプロセスとを有している。荒削りプロセスおよび中仕上げ削りプロセスのうちの少なくとも一方が、側面フライス加工によって実施される。これは、工具寿命および製造された部材の品質のような制約に反することなしに、材料除去率を向上させるという利点を有している。

側面フライス加工（Flank milling）は、特に航空機の構造部材、タービン、ブレード、ならびに幾つかの別の機械部材を製造するための重要なフライス加工の種類の１つである。側面フライス加工は、切削工具の側面で切削し、これにより１回のパスで大量の材料を除去することができる。たとえば、罫線加工により、すなわち切削工具の側面を罫線（ruling）に合わせて、ワークを１回のパスで加工することによって、タービンブレードを迅速に得ることができる。ポイントフライス加工が使用される場合、複数のパスが必要となり、その結果、より長い加工時間が要求される。したがって、側面フライス加工は、製造時間を減じ、表面品質を向上させ、コストを削減することができる。

荒削り（roughing）とは、大量の材料が除去され、表面品質は不良となるプロセスである。中仕上げ削りとは、高い表面品質を達成するために少量の材料が除去されるプロセスである。薄肉部品、たとえばタービンブレードをフライス加工で製造しなければならない場合、タービンブレードのプラットフォームやフィレットＲ部のようなブレードの構成部材を得るためにワークを荒削りすることは、最も重要な作業の１つである。加工時間を短縮し、これによりブレード毎の製造コストを減じるためには、材料除去率は高くなければならない。公知の方法では、このステップは、スパイラルポイントフライス加工によって実行されるが、スパイラルポイントフライス加工は、高いカーバイド燃焼と長い加工時間とを引き起こす。側面フライス加工を採用することで、カーバイド燃焼を大幅に減じ、同時に加工時間を短縮することができる。さらに、側面フライス加工において使用される切削工具は、概してポイントフライス加工用の切削工具よりも高価である。なぜならば、全長に沿った切削刃が必要であり、剛性のためにソリッドカーバイド工具（超硬工具：solid carbide tooling）が使用されるからである。したがって、カーバイド燃焼を低減することは、工具寿命を延ばすことができ、これによって製造コストを減じることができる。

好適な実施形態では、側面フライス加工のために使用される切削工具は、まず、切削工具の特性データを得るために特性を明らかにされ、得られた特性データに基づいて、運転モードが選択される。

有利には、選択された運転モードは、タービンブレードが低い主軸回転速度と高い切込み深さで加工されるプロセスダンピングモードである。

代替的には、選択された運転モードは、主軸回転速度がプロセスダンピングモードよりも高く、切込み深さがプロセスダンピングモードよりも小さい安定モードである。

好適な実施形態では、切削工具の特性データに基づいて、タービンブレードの少なくとも１つの部材のフル溝フライス加工を可能にするために運転モードが選択される。フル溝（full slot）フライス加工とは、ワークがその深さ全体で切削されることを意味し、これは高い加工効率をもたらす。

加工中の切削工具のびびりによって生じる動的なたわみは、複雑な薄肉部品の加工結果に著しい影響を与えてしまう。したがって、安定モードにおけるびびりのない状態でのフライス加工プロセスが強く望まれている。しかし、プロセスダンピングモードは、フル溝フライス加工を可能にする。主軸回転速度が低いプロセスダンピングモードでさえ、高い材料除去率により、総加工時間をなお減じることができる。さらに、工具の摩耗も減じられる。フル溝フライス加工がこのプロセスダンピングモードにおいて行われない場合、切削工具が破損してしまう。フル溝フライス加工では全工具長さが使用されるので、切削力は工具先端部のみが使用されるポイントフライス加工よりもはるかに高くなる。その結果、切削工具または部材のたわみが生じる。

加工プロセスの結果を予測し、これによりその最適化を可能にするために、工作機械の構造特性、より具体的には加工プロセスにおいて使用される工具の先端部において結果として生じる挙動を正確に知る必要がある。たとえば、フライス加工プロセスにおいて、加工条件の下での工作機械の構造特性と切削プロセスとの間の相互作用を予測することは、いわゆる安定限界線図（stability lobes diagram）を特定することを可能にする。安定限界線図は、工具、すなわち主軸（spindle）の回転速度と切込み深さとに関する再生現象により導き出された切削工具とワークとの間の自励びびり振動を条件とするプロセスの安定限界を表す。

特性データを特定するためには、計装化衝撃ハンマを用いた加振試験（tap testing）が一般的に用いられている。計装化衝撃ハンマは、試験構造物、たとえば工具を叩くことによって、この試験構造物内に励振力パルスを導入し、力センサを用いることにより、発生した力を測定することを可能にする装置である。工具に導入された衝撃力に対する応答を測定することにより、工具の周波数応答関数（frequency response function）が特定される。工具とワークとの動的コンプライアンスを得るために、ワーク側でも周波数応答関数を測定し、工具側で得られた周波数応答関数と組み合わせる必要がある。

加振試験では、主軸回転速度、切込み深さ、安定状態、びびり周波数のうちの１つ以上を含む特性データを特定することができる。用途に応じて、加工パラメータを特定するために、異なる特性データを導出しなければならない。たとえば、主軸回転速度と切込み深さとは、柔軟な薄肉部材の動的なたわみを阻止するために必要不可欠なパラメータである一方、送り速度は、ワークの静的な変形にとって重要である。

加振試験後に生成された安定限界線図に基づいて、プロセスダンピングモードにおいてフライス加工の実施がなされるようにするために、適切な機械パラメータを選択することができる。安定運転モードでは、許容可能な最大切込み深さがたとえば５ｍｍであるのに対して、プロセスダンピングモードでは最大切込み深さは３００ｍｍに達し得る。

１つのバリエーションでは、フライス加工プロセスをさらに最適化するために、本方法は、タービンブレードを加工するために使用される加工パラメータを特定する目的で、切削工具の特性データおよび／またはワークの特性データをシミュレーションツールに入力することをさらに含む。

１つの好適な実施形態では、本方法は、圧力側および負圧側を有するタービンブレードを製造するために使用される。圧力側および負圧側は２段階で加工され、これらの側の少なくとも一方は、プロセスダンピングモードにおいてフル溝フライス加工によって加工される。ただし、プラットフォームおよびタービンブレードのフィレットＲ部の荒削りおよび中仕上げ削りは、１回の運転で行うことができる。

ブレードの製造中に、側面フライス加工とスパイラルポイントフライス加工との組み合わせを使用することができる。

本発明では、湾曲した表面を有する薄肉部材、特に翼とプラットフォームとを含むタービンブレードを製造するために工作機械が使用される。工作機械は、本方法に基づいて、荒削りプロセスおよび仕上げ削りプロセスを有するフライス加工を実施するように構成されている。工作機械は、プロセスダンピングモードにおいてフル溝フライス加工によって、タービンブレードのプラットフォームおよびフィレットＲ部の荒削りと中仕上げ削りとを実施するように構成されている。品質要求に応じて、フル溝フライス加工による直接仕上げ削りも可能である。

工作機械にはコントローラが配置されていて、機械を制御するように構成されている。特性データに基づいて得られた加工パラメータは、高能率なフライス加工プロセスを実現するために、コントローラに供給される。

本開示の利点および特徴を得ることができる方法を説明するために、以下では、上記で簡単に説明した原理のより具体的な説明を、添付の図面に示されている特定の実施形態を参照して説明する。これらの図面は、単に本開示の例示的な実施形態を図示しており、したがって、本開示の範囲を限定するものではない。本開示の原理は、添付の図面を使用することにより、付加的な特定および詳細をもって記載され、かつ説明される。

単独のタービンブレードを簡略化して示す概略図である。 本発明に係るフライス加工法を示す図である。 加振試験の結果を示す図である。 加振試験の結果を示す図である。 ５軸の側面フライス加工を示す図である。 単独のブレードをフライス加工する実施形態を示す図である。

例示的な実施形態
図１は、本発明に係る方法によって製造することができる、翼１、プラットフォーム２、およびブレード根元３を含む加工された単独のタービンブレード１０の概略図である。しかしながら、本発明に係る方法は、タービンブレードを加工することに限定されるものではなく、タービンブレードのこの特定の形状に限定されるものでもない。たとえば、追加的にシュラウドを有するタービンブレードも、この方法により機械加工することができる。

図２は、本発明に係る方法に含まれる主なステップを示している：切削工具の特性を明らかにするステップ２１、運転モードを選択するステップ２２、加工パラメータを決定するステップ２３、かつワークを加工するステップ２４。工作機械によるワークのフライス加工の前に、フライス加工のために使用される少なくとも１つの切削工具の特性は、たとえば、安定限界線図（stability lobe）を得るために、振動に関する臨界周波数範囲を特定するための加振試験（tap test）によって明らかにされる。

図３に安定限界線図において示された、２つの切削工具Ｔ１，Ｔ２に対して実施された加振試験の結果を示す。得られた結果から、不安定領域、安定領域、プロセスダンピング領域の３つの運転領域が導き出された。不安定領域では、自励振動が強く発生するので、加工のためにはこの領域を避けることが望ましい。安定領域は、加工を安定した状態で実施することができ、高い主軸回転速度を選択することができるので、通常は望ましい加工領域である。たとえば、４０００回転／分の主軸回転速度は、２ｍｍの切込み深さのフライス加工のために使用することができる。プロセスダンピング領域では、使用可能な主軸回転速度は低いが、大きな切込み深さを使用することができる。図４に示されているように、工具Ｔ１については４２０ｒｐｍの主軸回転速度、工具Ｔ２については２１０ｒｐｍの主軸回転速度においてそれぞれプロセスダンピングが発生する。使用可能な切込み深さは３００ｍｍ以上である。この運転モードを選択することにより、フル溝フライス加工（full-slot milling）が可能となり、これは加工時間を減じる。

特定された主軸回転速度は、さらにシミュレーションツールに供給され、これにより、たとえば切削力と、結果として生じるワークのたわみとの関係を予測することができる。この形式により、フライス加工プロセスのセットアップのために使用される加工パラメータを適切に選択することができる。この実施形態では、運転がプロセスダンピング領域内で実施されない場合、フル溝側面フライス加工を使用することができない。なぜならば、工具が、このような高い回転速度では破損してしまうからである。相対的に低い回転速度が選択されていたとしても、材料の除去率が飛躍的に向上するので、部材を加工するために必要である総加工時間が減じられ、これにより生産性が向上する。許容可能なたわみを引き起こす最大の接線方向の切削力を、ワークを加工するために加えることができる場合、製造される単独のブレードの品質を低下させることなしに、加工時間を削減することができる。

図５は、プロセスダンピングモードを使用したプラットフォームのフル溝フライス加工を示す図である。図６は、安定運転モードが選択されている場合を示している。プラットフォームは、たとえば２ｍｍの勾配を有するスパイラルフライス加工パスでフライス加工されなければならない。

１ 翼
２ プラットフォーム
３ ブレード根元
１０ タービンブレード
２１ 切削工具の特徴付け
２２ 運転モードの選択
２３ 加工パラメータの決定
２４ ワークの加工

Claims (12)

1. 工作機械により湾曲した表面を有する薄肉部材、特にタービンブレードを製造する方法であって、荒削りプロセスと、中仕上げ削りプロセスとを有していて、前記荒削りプロセスおよび前記中仕上げ削りプロセスのうちの少なくとも１つが、側面フライス加工により実施される、湾曲した表面を有する薄肉部材を製造する方法。
2. 前記側面フライス加工のために使用される切削工具の特性が、まず、該切削工具の特性データを得るために明らかにされ、得られた前記特性データに基づいて１つの運転モードを選択する、請求項１記載の方法。
3. 選択された前記運転モードは、前記タービンブレードが低い主軸回転速度および高い切込み深さで加工されるプロセスダンピングモードである、請求項２記載の方法。
4. 選択された前記運転モードは、前記主軸回転速度が前記プロセスダンピングモードよりも高く、前記切込み深さが前記プロセスダンピングモードよりも小さい安定モードである、請求項２記載の方法。
5. 前記切削工具の前記特性データに基づいて、前記タービンブレードの少なくとも１つの部材のフル溝フライス加工を可能にするために、前記運転モードを選択する、請求項２記載の方法。
6. 前記工具の特性を明らかにすることは、加振試験により実施する、請求項２から５までのいずれか１項記載の方法。
7. 前記特性データが、主軸回転速度、切込み深さ、安定状態、びびり周波数のうちの１つ以上を含んでいる、請求項２から６までのいずれか１項記載の方法。
8. ワークの特性データを得ることをさらに含む、請求項１から７までのいずれか１項記載の方法。
9. 前記タービンブレードを加工するために使用される加工パラメータを特定するために、前記切削工具の前記特性データおよび／または前記ワークの前記特性データをシミュレーションツールに入力することをさらに含む、請求項２から６までのいずれか１項記載の方法。
10. 前記タービンブレードが、プラットフォームを有していて、前記プロセスダンピングモードを、前記プラットフォームの荒削りを実施するために選択する、請求項３から９までのいずれか１項記載の方法。
11. 湾曲した表面を有する薄肉部材、特に翼およびプラットフォームを含むタービンブレードの製造のための工作機械であって、前記製造が、該工作機械内で使用される工具による荒削りプロセスおよび中仕上げ削りプロセスを有する、工作機械において、
    請求項１から１０までのいずれか１項記載の方法が使用されることを特徴とする、工作機械。
12. 前記工作機械を制御するために構成されたコントローラを有していて、請求項９に従って特定された加工パラメータが、前記コントローラに供給される、請求項１１記載の工作機械。

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