JP3162183U - 多刃カッターによる凹面加工装置 - Google Patents

Abstract

【課題】多刃カッターによりタービンブレード等の凹面を効率良く高精度に加工するとともに、切削屑の排除効率と刃面の冷却効果を高めた多刃カッターによる凹面加工装置を提供する。【解決手段】タービンブレードＢ等の凹面ａにカッターの回転軸芯方向を前傾姿勢θに配置し、上記多刃カッターＫ１の外周側面に配列した多刃で切削するものであり、上記多刃の各刃面に向けて冷却液Ｅを噴射する噴射口を多刃カッターＫ１の各刃面の近傍に備え、上記噴射口から約７ＭＰａ前後の高圧冷却液Ｅを各刃面に対して斜め方向に噴射する多刃カッターによる凹面加工装置１００とする。【選択図】図１

Description

本考案は、多刃カッターによるタービンブレード等の凹面加工装置に係わり、特に、多刃カッターによるタービンブレード等の凹面を高精度に効率良く加工する加工装置を提供するものである。

近年、例えば、航空機による国際的な物流増大に対応する事と、対地球環境向上を図るための低燃費性の要求が高まり、航空機のジェットエンジンの軽量化と燃費改善が図られている。その具体的方策として、ジェットエンジンの２基化や小型化、更には、タービンブレードの薄肉化、長尺タービンブレード等で対応している。特に、三次元曲面からなるタービンブレードの凹面や凸面の薄肉化や長尺タービンブレードには、高精度な切削と研削技術が必須になっている。従来の切削方法は、図６（ａ）に示すように、ボールエンドミルＥでタービンブレードＢの凹面Ｂ０を長手方向と直角な凹面の半径方向へ首振り運動させながら加工するもの。図６（ｂ）に示すように、ボールエンドミルＥでタービンブレードＢの凹面Ｂ１を長手方向に切削送りして筋堀り加工するものが、一般的に知られている。上記ボールエンドミルによる切削方法では、加工面に波状の凹凸面が現れるとともに，この凹凸面を平坦面に仕上げるのに多くの加工時間を要している。

更に、一層具体的に説明すれば、凹端面加工方法及び装置として、回転軸先端にワークを固定し、棒状の研削砥石をＺ軸、Ｘ軸、Ｂ軸を制御して、ワーク端面を所定の凹面形状に研削加工し、研削砥石を逃げ方向に所定の間隔となるように再度移動させ、遊離砥粒含有磁性流体の研磨液をワーク端面と研削砥石の隙間に供給し遊離砥粒含有磁性流体の研磨液に研削砥石により高速加速力を付与して研削砥石の連れ回りによる研磨加工にあたって、凹端面の対角線方向に磁力を配置し、遊離砥粒含有磁性流体の研磨液を凹端面に補足しながら研磨加工するものがある（例えば、特許文献１参照。）。

また、正面フライスにおいて、軸心まわりに回転する工具本体の先端外周部に、周方向に沿って略等間隔に複数の切刃が配設された正面フライスにおいて、前記工具本体内部には、外部から供給された気体を導入するための第１供給穴が少なくとも１つ形成され、前記第１供給穴は、工具外周側に向けて延びる開口部を有し、且つ、前記開口部において少なくとも任意の１つの切刃よりも工具回転方向前方を指向し、さらに、前記第１供給穴を流通し前記開口部から噴射された気体により、切削しようとする部分に残留する液体が除去されるものがある（例えば、特許文献２参照。）。

上記の正面フライスにおいて、工具回転方向からみたとき、前記第１供給穴の開口部が工具本体の軸心に直交する直線に対して工具先端側に３°〜４５°の範囲の傾斜角度でもって傾斜する方向に形成されていることが好ましく、さらに、前記第１供給穴は、前記切刃と同数且つ前記切刃と対をなすように設けられ、それぞれの第１供給穴の開口部において対応する切刃の工具回転方向前方を指向していることが好ましい。

特開２００５−１０３６６９号公報 特開２００６−２８１３８５号公報

上記ボールエンドミルによる切削方法では、加工面に波状の凹凸面が現れるとともに，この凹凸面を平坦面に仕上げるのに多くの加工時間を要するという問題点がある。更に、薄肉のタービンブレードにおいて、凹面に対して面方向に切削力が作用するから、タービンブレードに撓み歪みを起こさせて加工精度を低下する。更に、ボールエンドミル工具の軸心とは直交する側方向に送り切削されるから、エンドミルの横走り加工となり、この抵抗で後方に押されて戻る繰り返しがビビリの最大原因となり、工具軸に撓み歪みを起こさせて加工精度を低下する。ビビリは製品品質を害し、エンドミル寿命を短く叉折損を招いている。しかして、能率的で高精度な切削加工・研削加工の実施が行い難く、最終的に熟練工によるノウハウを要していた。

また、特開２００５−１０３６６９号公報では、棒状の研削砥石で凹端面を撫ぜながら研削するとともに遊離砥粒含有磁性流体の研磨液を凹端面に補足しながら研磨加工するから、研削カスが研削砥石の表面や凹端面に付着し易く、これが為に、研削仕上げ面に研削キズ等を生じさせる問題点が解決されない。

また、特開２００６−２８１３８５号公報では、工具回転方向からみて、第１供給穴の開口部が工具本体の軸心に直交する直線に対して工具先端側に３°〜４５°の範囲の傾斜角度で傾斜する方向とし、ここから噴射される気体により、切削する部分の凹端面に供給される研磨液を積極的に除去するものであるから、ドライ加工に近い状態となり研磨液による十分な研削効果が得られず、摩耗熱の発生による溶着現象が起き易い状況が免れない。

本考案は、上記ボールエンドミルや凹端面加工方法及び装置における問題点に鑑みてなされたものである。特に、多刃カッターによりタービンブレード等の凹面を効率良く高精度に加工するとともに、切削屑の排除効率と刃面の潤滑効果と冷却効果とを高めた多刃カッターによる凹面加工装置を提供するものである。

上記目的を達成するべく、本考案の請求項１による多刃カッターによる凹面加工装置は、タービンブレード等の凹面にカッターの回転軸芯方向を前傾姿勢に配置し、上記多刃カッターの外周側面に配列した多刃（チップ）で切削する凹面加工装置であって、上記多刃の各刃面に向けて冷却液を噴射する噴射口を多刃カッターの各刃面近傍に備え、上記噴射口から約７ＭＰａ前後の高圧冷却液を各刃面に対して斜め方向に噴射することを特徴とする。

本考案の請求項２による多刃カッターによる凹面加工装置は、請求項１記載の多刃カッターによる凹面加工装置において、上記高圧冷却液は、刃面に対して１０°〜４５°の傾斜角で噴射されることを特徴とする。

また、本考案の請求項３による多刃カッターによる凹面加工装置は、請求項１記載の多刃カッターによる凹面加工装置において、上記多刃カッターは、刃面の外側面を凹面に対して１０°〜４５°の傾斜角で接するとともに、刃先方向に送り切削することを特徴とする。

また、本考案の請求項４による多刃カッターによる凹面加工装置は、請求項１〜３記載の何れか１に記載の多刃カッターによる凹面加工装置において、上記多刃は、セラミックチップとしたことを特徴とする。

本考案の多刃カッターによる凹面加工装置によると、
（１）タービンブレード等の凹面にカッターの回転軸芯方向を１０°〜４５°の範囲内に前傾姿勢に配置し、且つ、カッターの回転軸芯方向に切削送りするから、多刃の側面でワークの凹面を切削してワークの凹面に掛かる切削負荷の軽減と回転軸芯の側方撓みが低減でき、これでワーク歪み・カッターのビビリ振動が低減でき、高能率加工・高精度加工・工具の長寿命化ができる。
（２）約７ＭＰａ前後の高圧冷却液を各刃面に対して１０°〜４５°の斜め方向に噴射するから、刃面（チップ）上面を切粉が通過する時間と面積を小さくでき、これで摩耗熱と切粉の溶着を防ぎ、多刃カッターの劇的な長寿命化が実現できる。更に、多刃カッターの多刃は構造上、クーラント噴出孔と刃先の距離が確保できるため、一層効果的な高圧クーラントによる切粉粉砕と冷却ができる。
（３）多刃カッターの多刃は、エンドミルに比較して、工具交換の為の初期コスト及び維持コストが安価にできる。また、チップの交換する間隔が長くできる為に加工能率が向上し、加工時間の短縮化が期待できる。
（４）セラミックチップを採用すれば、更に、高速切削・高速送りが出来、薄肉のブレードへの切削負荷を低減でき、切削品質の安定化が一層できる。

本考案の第１の実施の形態で、多刃カッターによる凹面加工装置の全体正面図である。 本考案の第１の実施の形態で、多刃カッターの正面図と断面図である。 本考案の第１の実施の形態で、多刃カッターの斜視図と端面図と要部斜視図である。 本考案の第１の実施の形態で、多刃カッターの斜視図と端面図と要部図である。 本考案の第２の実施の形態で、多刃カッターの斜視図と要部斜視図と作用図である。 従来の二つの加工例を示す斜視図である。

以下、図１乃至図５を参照して本考案の各実施の形態を順次に説明する。

本考案の第１の実施の形態となる多刃カッターによる凹面加工装置１００は、図１に示すように、例えば、５軸旋盤横型マシニングセンターＭＣの主軸頭ＳＵに、首振り自在のヘッドＳを備え、このヘッドの回転軸２に装備したものからなる。上記５軸旋盤横型マシニングセンターＭＣは、上部横フレーム（横梁）Ｆに、駆動モータＭ１と変速機Ｇと主軸Ｓを備える主軸頭ＳＵを備えている。上記主軸頭ＳＵは、図示しないが上部横フレーム（横梁）Ｆ上を左右方向（タービンブレードＢの両端部Ｂ１，Ｂ２の方向に一致）に制御モータにより送り制御される。上記凹面加工装置１００は、同時５軸旋盤横型マシニングセンターＭＣにおいて、ベース４０のテーブル４１上の左右位置には、一対の旋回保持具３０，３１を備えている。この旋回保持具３０は、旋回チャックＣＫ１であり、駆動部ＤＫからの回転トルクを得て任意角度に割出旋回されてその回転角度が制御される。これがタービンブレードＢ等の両端部Ｂ１，Ｂ２をチャッキングＣＫ１，ＣＫ２により支持している。旋回保持具３１は、消極的又は積極的に旋回保持具３１の旋回駆動に同期して旋回される。

上記同時５軸旋盤横型マシニングセンターＭＣの主軸頭ユニットＳＵの主軸Ｓには、図２（ａ）に示すように、第１の実施の形態となる多刃カッターＫ１が装着されている。上記多刃カッターＫ１は、この外周側面に多数に配列した多刃（チップ）Ｃで構成されていて、タービンブレードＢ等の凹面ａに対して、カッターの回転軸２の軸芯方向Ｏを傾斜角θ＝０°〜４５°の前傾姿勢に配置している。しかして、上記多刃カッターＫ１は、図３に示すように、刃面Ｃ１の外側面Ｃ２を凹面ａに対して傾斜角θ＝１０°〜４５°で接するとともに、刃先方向に送り切削する。そして、上記多刃カッターＫ１の各刃面Ｃ１に向けて冷却液Ｅを噴射する噴射口ｈを多刃カッターの各刃面近傍２に備え、上記噴射口ｈから約７ＭＰａ前後（６ＭＰａ〜８ＭＰａ）の高圧冷却液Ｅを各刃面Ｃ１に対して傾斜角α＝１０°〜４５°の斜め方向に噴射される。上記多刃カッターＫ１の配置により、図２（ａ）と図２（ｂ）に示すように、タービンブレードＢ等の凹面ａに対して多刃カッターＫ１の外周面の円弧面が全面当たりとした切削となり、高能率な切削を実現している。尚、高圧冷却液Ｅは、使用済みの高圧冷却液Ｅ′を回収する受皿７０と、この浄化器６０と、約７ＭＰａ前後の高圧冷却液Ｅを発生させる高圧冷却液発生器ＨＫと、高圧冷却液Ｅを噴射口ｈに送る配管Ｐ０からなる。

続いて、本考案の第１の実施の形態となる多刃カッターＫ１を、図３で説明する。この多刃カッターＫ１は刃先分割タイプであり、本体１０と、この軸部１１と、本体の先端部に結合する五つの突起部１２を持つ星型円板部１３とからなる。上記五つの突起部１２の回転方向の前側となる各側面座１２Ａに、円盤状の多刃となるチップＣをクランプ片１４とボルト１５により固定されている。上記各側面座１２Ａの近傍における本体１０には、上記各刃面Ｃ１に向けて冷却液Ｅを噴射する噴射口ｈを備えている。これで、噴射口ｈは、多刃カッターの各刃面近傍２に備えた形態となる。しかして、上記噴射口ｈから約７ＭＰａ前後の高圧冷却液Ｅを各刃面Ｃ１に対して傾斜角α＝１０°〜４５°の斜め方向に噴射される。尚、上記約７ＭＰａ前後の高圧冷却液Ｅは、本体１０内を軸心方向に貫通する供給孔Ｈの供給側が軸部１１の尾端に開口しており、ここから供給され、供給孔Ｈの先端側から各噴射口ｈに枝管Ｐにより連絡されて行われる。

第２の実施の形態となる多刃カッターＫ２を、図４で説明する。この多刃カッターＫ２は刃先一体タイプであり、本体２０と、この軸部２１と、本体の先端部に結合する６つの突起部２２を持つ星型円板部２３とからなる。上記６つの突起部２２の回転方向の前側となる各側面座２２Ａに、円盤状の多刃となるチップＣの中心孔２４にボルト２５を通して固定されている。上記各側面座２２Ａの近傍における本体２０には、上記各刃面Ｃ１に向けて冷却液Ｅを噴射する噴射口ｈを備えている。これで、噴射口ｈは、多刃カッターの各刃面近傍４に備えた形態となる。しかして、上記噴射口ｈから約７ＭＰａ前後の高圧冷却液Ｅを各刃面Ｃ１に対して傾斜角α＝１０°〜４５°の斜め方向に噴射される。尚、上記約７ＭＰａ前後の高圧冷却液Ｅは、本体２０内を軸心方向に貫通する供給孔Ｈの供給側が軸部２１の尾端に開口しており、ここから供給され、供給孔Ｈの先端側から各噴射口ｈに連絡されて行われる。その他の構成は、上記第１の実施の形態の多刃カッターによる凹面加工装置と同一に付き、同一符号を附して説明を省略する。

本考案の第１の実施の形態となる多刃カッターＫ１及び第２の実施の形態となる多刃カッターＫ２による凹面加工装置１００は、上記のように構成されており、以下の様に作用する。先ず、図１と図２に示すように、５軸旋盤横型マシニングセンターＭＣの主軸頭ＳＵに備える首振り自在のヘッドＳの回転軸２に多刃カッターＫ１又はＫ２を備える。更に、タービンブレードＢ等の両端部Ｂ１，Ｂ２をチャッキングＣＫ１，ＣＫ２により支持する。そして、タービンブレード等の凹面ａにカッターＫ１又はＫ２の回転軸２の軸芯方向Ｏを１０°〜４５°の範囲内に前傾姿勢に配置し、且つ、カッターの回転軸芯方向に切削送りする。

尚、タービンブレードＢ等の全周面の加工は、図２（ｂ）（ｃ）に示すように、行われる。先ず、図２（ａ）（ｂ）は、タービンブレード等の凹面ａにカッターＫ１又はＫ２の回転軸２の軸芯方向Ｏを１０°〜４５°の範囲内に前傾姿勢に配置し、且つ、カッターの回転軸芯方向に切削送りする。また、図２（ｃ）は、タービンブレード等の凸面ｂ側を加工する状態を示し、カッターＫ１又はＫ２の回転軸２の軸芯方向Ｏを１０°〜４５°の範囲内に前傾姿勢に配置し、且つ、カッターの回転軸芯方向に切削送りする。

これにより、カッターＫ１又はＫ２の多刃Ｃの側面Ｃ２でワークＢの凹面ａを切削してワークの凹面に掛かる切削負荷の軽減と回転軸芯の側方撓みが低減される。これでワーク歪み・カッターＫ１又はＫ２のビビリ振動が低減でき、高能率加工・高精度加工・工具の長寿命化が図れる。更に、図５（ａ）に示すカッターＫ１又はＫ２において、図５（ｂ）に示すように、各刃面Ｃ１に対して１０°〜４５°の斜め方向に配置した噴射口ｈからは、約７ＭＰａの高圧冷却液Ｅが各刃面Ｃ１に対して１０°〜４５°の斜め方向に噴射される。これにより、図５（ｃ）に示すように、刃（チップ）Ｃの上面Ｃ１に停滞する切粉Ｗが高圧冷却液Ｅにより素早く排除される。しかして、刃（チップ）Ｃの上面Ｃ１に停滞する切粉停滞時間と切粉面積が小さくなる。これで、刃（チップ）Ｃの上面Ｃ１の摩耗熱と切粉の溶着を防ぎ、多刃カッターＫ１又はＫ２の劇的な長寿命化が実現される。更に、多刃カッターの多刃Ｃは構造上、クーラント噴出孔と刃先の距離が確保できるため、一層効果的な高圧クーラントである高圧冷却液Ｅによる刃（チップ）Ｃの上面Ｃ１の切粉粉砕と冷却が行われる。

また、多刃カッターＫ１又はＫ２の多刃（チップ）Ｃは、エンドミルに比較して、工具交換の為の初期コスト及び維持コストが安価となる。また、チップの交換する間隔が長くなる為に加工能率が向上し、加工時間の短縮化が期待される。更に、セラミックチップを採用すれば、更に、高速切削・高速送りが出来、薄肉のブレードへの切削負荷が低減されて、切削品質の安定化が一層可能となる。チップの材質については、セラミック材の他に、あらゆるものが適用できることは勿論である。

本考案の第１の実施の形態となる多刃カッターによる凹面加工装置によると、下記の効果を奏する。
（１）タービンブレード等の凹面にカッターの回転軸芯方向を１０°〜４５°の範囲内に前傾姿勢に配置し、且つ、カッターの回転軸芯方向に切削送りするから、多刃の側面でワークの凹面を切削してワークの凹面に掛かる切削負荷の軽減と回転軸芯の側方撓みが低減でき、これでワーク歪み・カッターのビビリ振動が低減でき、高能率加工・高精度加工・工具の長寿命化ができる。
（２）約７ＭＰａ前後の高圧冷却液を各刃面に対して１０°〜４５°の斜め方向に噴射するから、刃面（チップ）上面を切粉が通過する時間と面積を小さくでき、これで摩耗熱と切粉の溶着を防ぎ、多刃カッターの劇的な長寿命化が実現できる。更に、多刃カッターの多刃は構造上、クーラント噴出孔と刃先の距離が確保できるため、一層効果的な高圧クーラントによる切粉粉砕と冷却ができる。
（３）多刃カッターの多刃は、エンドミルに比較して、工具交換の為の初期コスト及び維持コストが安価にできる。また、チップの交換する間隔が長くできる為に加工能率が向上し、加工時間の短縮化が期待できる。
（４）また、セラミックチップを採用すれば、更に、高速切削・高速送りが出来、薄肉のブレードへの切削負荷を低減でき、切削品質の安定化が一層できる。

本考案は、その対象物をタービンブレードの薄板状の被加工物を対象の実施例で説明したものであるが、様々な平面状や三次元曲面となる被加工物を対象としたワークの切削加工と研削加工の適用が可能である。

２ 回転軸
１１ 軸部
１２ 突起部
１２Ａ 側面座
１４ クランプ片
１５ ボルト
２０ 本体
２１ 軸部
２２ 突起部
２２Ａ 側面座
２３ 星型円板部
２４ 中心孔
２５ ボルト
３０，３１ 旋回保持具
１００ 凹面加工装置
ＭＣ ５軸旋盤横型マシニングセンター
ＳＵ 主軸頭
Ｓ ヘッド
Ｋ１，Ｋ２ 多刃カッター
Ｂ タービンブレード
ａ 凹面
ｂ 凸面
Ｃ 多刃（チップ）
Ｃ１ 刃面
Ｃ２ 外側面
Ｏ 軸芯方向
θ＝０°〜４５° 傾斜角
α＝１０°〜４５°傾斜角
Ｅ 高圧冷却液
Ｈ 供給孔
ＨＫ 高圧冷却液発生器
ｈ 噴射口
Ｐ 枝管
Ｐ０ 配管

Claims (4)

1. タービンブレード等の凹面にカッターの回転軸芯方向を前傾姿勢に配置し、上記多刃カッターの外周側面に配列した多刃（チップ）で切削する凹面加工装置であって、上記多刃の各刃面に向けて冷却液を噴射する噴射口を多刃カッターの各刃面近傍に備え、上記噴射口から約７ＭＰａ前後の高圧冷却液を各刃面に対して斜め方向に噴射することを特徴とする多刃カッターによる凹面加工装置。
2. 上記高圧冷却液は、刃面に対して１０°〜４５°の傾斜角で噴射されることを特徴とする請求項１記載の多刃カッターによる凹面加工装置。
3. 上記多刃カッターは、刃面の外側面を凹面に対して１０°〜４５°の傾斜角で接するとともに、刃先方向に送り切削することを特徴とする請求項１または２記載の多刃カッターによる凹面加工装置。
4. 上記多刃は、セラミックチップとしたことを特徴とする請求項１〜３記載の何れか１に記載の多刃カッターによる凹面加工装置。

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