JP4354091B2 - タービンロータ翼溝切削工具及びタービンロータ翼溝切削方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、タービンロータ翼溝切削工具及びタービンロータ翼溝切削方法に関し、特に、軸直角側面視の形状が鳩尾形状である翼溝を寄り少ない工程数（ステップ数）で切削加工して形成することができるタービンロータ翼溝切削工具及びタービンロータ翼溝切削方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ガスタービン・ロータは、その外周に放射方向に延びる複数の翼が取り付けられる。遠心力に対抗するために、翼の根付け部分がタービンロータ本体のディスクの外周域に軸方向に形成される溝に軸方向に挿入されて装着され、翼の軸直角側面視の形状が鳩尾形状である場合には、その根付け部分の中心側部分が周方向に膨らんでいる。
【０００３】
翼が嵌まり込むそのような翼溝は、図８に示されるように、ディスク１０１に軸方向に形成される翼溝１０２の周方向視の内側面１０３に翼の周方向視の外側面が、適正に指定される精度で合致して形成されることが重要である。そのような溝を切削加工により形成するための切削加工用工具は、エンドミルの出力回転軸に取り付けられてディスクの軸方向に送られる。その切削加工用工具は、先端側（下端側）が太く形成され心振れが抑制されなければならないが、切削抵抗が対称に発生せず、最近の高性能タービンの製作に要求される精度を保持することができる心振れの抑制には限界がきている。
【０００４】
そのような要求を満たすために、従来の翼溝加工は３工程（行程）で実行されていた。図８（ａ）に示されるように、切削刃の刃先線が工具回転軸心線に平行であり切削面が円筒面になる第１切削工具１０４が用いられて円筒内周面１０５が形成される。次に同図（ｂ）に示されるように、最外径連続刃先線の軌跡の断面形状が鳩尾形状になる第２切削工具１０６が用いられ、適正に規定される精度で同図（ｃ）に示される最終面形状１０７に漸近する既述の内側面１０３が形成される。最終工程で、同図（ｃ）に示される仕上げ面１０７が形成される。図に例示されるように、溝形状は、第２工程でその円筒面直径は４９．６８０ｍｍφであり、第３工程でその円筒面直径は５０．２８０ｍｍφである。
【０００５】
仕上げ面形成の前段階である同図（ｂ）に示される内側面１０３の形成の精度が既述の通り重要であり、従来は、その精度を確保するために同図（ａ），（ｂ）の２工程がかけられていた。このような２工程加工と同じ精度又はそれ以上の精度が１工程で達成され、工具の種類数・取替回数が減少して加工プログラムが簡素化され、更に、加工時間が短縮されることが求められる。更には、同じ工程数であってもより高精度に翼溝を加工することができることが望まれる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、工程数の削減が可能であるタービンロータ翼溝切削工具及びタービンロータ翼溝切削方法を提供することにある。
本発明の他の課題は、切削抵抗がより少なくてより高精度に翼溝を加工することができるタービンロータ翼溝切削工具及びタービンロータ翼溝切削方法を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
その課題を解決するための手段が、下記のように表現される。その表現中に現れる技術的事項には、括弧（）つきで、番号、記号等が添記されている。その番号、記号等は、本発明の実施の複数・形態又は複数の実施例のうちの少なくとも１つの実施の形態又は複数の実施例を構成する技術的事項、特に、その実施の形態又は実施例に対応する図面に表現されている技術的事項に付せられている参照番号、参照記号等に一致している。このような参照番号、参照記号は、請求項記載の技術的事項と実施の形態又は実施例の技術的事項との対応・橋渡しを明確にしている。このような対応・橋渡しは、請求項記載の技術的事項が実施の形態又は実施例の技術的事項に限定されて解釈されることを意味しない。
【０００８】
本発明によるタービンロータ翼溝切削工具は、本体軸（１）と、本体軸（１）に形成される第１刃列（９）と、本体軸（１）に形成され本体軸（１）の軸方向先端側に形成される第２刃列（１１）とを含み、第１刃列（９）は第２刃列（１１）よりも軸方向逆先端側に配置され、第１刃列（９）の最大径は第２刃列（１１）の最大径よりも小さく、第２刃列（１１）は単位刃列（１４）を備え、単位刃列（１４）は、先行要素刃（１５）と、先行要素刃（１５）に回転方向に後行する後行要素刃（１６）とを含む。単位刃列（１４）の先行要素刃（１５）と後行要素刃（１６）は、最大径部分を切削する時の切削抵抗を分担するので、１工程で最大径部分を高精度に切削することができる。
【０００９】
後行要素刃（１６）と先行要素刃（１５）とは、軸方向に異なる位置に配置されていることが好ましい。後行要素刃（１６）と先行要素刃（１５）は、担当する切削領域が軸方向に異なっているので、切削抵抗の分担率がより適正になり、切削性能がより向上する。第２刃列（１１）は３組が配置され、３組のそれぞれは回転方向に１２０度の位相差で配置され、３組のそれぞれは、１つの先行要素刃（１５）と１つの後行要素刃（１６）とをそれぞれに含む。先行要素刃（１５）の先行要素刃前面（１７）は、ねじれ角（θ）とすくい角（β）を有している。後行要素刃（１６）の後行要素刃前面（２２）は、他のねじれ角（θ’）と他のすくい角（β’）を有している。
【００１０】
先行要素刃（１５）は、先端側概半分領域（１５Ａ）と、先端側概半分領域（１５Ａ）よりも根元側に形成される根元側概半分領域（１５Ｂ）とを備え、根元側概半分領域（１５Ｂ）の切削抵抗は、先端側概半分領域（１５Ａ）の切削抵抗よりも小さい。
【００１１】
先端側概半分領域（１５Ａ）と根元側概半分領域（１５Ｂ）との間には、軸直角方向に向く落差部分が与えられている。この落差部分により切粉の幅が狭くなって、切削性能が向上する。後行要素刃（１６）は、他の先端側概半分領域（１６Ａ）と、他の先端側概半分領域（１６Ａ）よりも根元側に形成される他の根元側概半分領域（１６Ｂ）とを備え、他の根元側概半分領域（１６Ｂ）の切削抵抗は、他の先端側概半分領域（１６Ａ）の切削抵抗よりも小さい。
【００１２】
他の先端側概半分領域（１６Ａ）は、先端側概半分領域（１５Ａ）に対して回転方向に後行する位置に配置され、他の根元側概半分領域（１６Ｂ）は、他の根元側概半分領域（１６Ａ）に対して回転方向に後行する位置に配置されている。他の先端側概半分領域（１６Ａ）の切削抵抗は、先端側概半分領域（１５Ａ）の切削抵抗よりも小さく、他の根元側概半分領域（１６Ｂ）の切削抵抗は、根元側概半分領域（１５Ａ）の切削抵抗よりも小さい。
【００１３】
本発明によるタービンロータ翼溝切削方法は、軸方向に先端側である第１領域を切削すること、第２領域よりも軸方向に根元側であり、回転方向には第１領域と概ね同じ位置にある第２領域を切削すること、軸方向に先端側であり、回転方向には前記第１領域よりも後行する位置にある第３領域を切削すること、軸方向に根元側であり、回転方向には前記第２領域よりも後行する位置にある第４領域を切削すること、第１領域の切削と、第２領域の切削と、第３領域の切削と、第４領域の切削とを同時的に単体の切削工具で実行すること、第２領域の切削抵抗を第１領域の切削抵抗よりも小さくすること、第３領域の切削抵抗を第４領域の切削抵抗よりも小さくすることとを含む。更に、同時的にその切削を実行した同時的切削の後に、同時的切削により形成された溝面の仕上げ加工を実行することを含む。
【００１４】
仕上げ加工により仕上げられた溝の最大内径が５２ｍｍφより大きい場合に、精度を劣化させることなく、同時的切削により形成される溝の深度を１ｍｍより大きくすることができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
図に一致対応して、本発明によるタービンロータ翼溝切削工具の実施の形態は、本体軸とともに複数の刃列要素が設けられている。そのタービンロータ翼溝切削工具１０の本体軸１は、図１に示されるように、エンドミル（図示されず）の出力回転軸（図示されず）に取り付けられるチャックで挟まれて位置決めされる輪状溝２を外周面側に有し、その外周面は精度ΔΔΔのテーパ面３に形成されている。
【００１６】
刃列形成部分４は、本体軸１に嵌込軸５を介して嵌め込まれて本体軸に同体化され、又は、本体軸１と一体に同体化される。刃列形成部分４には、２通りの刃列が形成されている。その刃列形成部分４は、工具先端面７とそれから距離Ｄだけ工具回転軸心線Ｌの方向に離れた離隔面８との間の領域に形成されている。刃列形成部分４は、工具先端面７からより遠い領域に配置される第１刃列９と、工具先端面７からより近い領域に配置される第２刃列１１とから構成されている。
【００１７】
第１刃列９は、円周方向に等角度間隔（＝１２０度間隔）で並ぶ３つの第１刃列要素１２を備えている。３つの第１刃列要素１２の第１刃列要素刃先線１３は、許容される精度範囲で概ね同一の１円筒面に含まれ、且つ、工具回転軸心線Ｌに平行である。
【００１８】
第２刃列１１は、図２に示されるように、３組の単位刃列１４を備えている。３組の単位刃列１４は、周方向に互いに１２０度の位相差をそれぞれに有している。それぞれの単位刃列１４は、先行要素刃１５と後行要素刃１６とをそれぞれに備えている。各単位刃列で、先行要素刃１５は後行要素刃１６に対して回転方向Ａに先行している。先行要素刃１５と後行要素刃１６との間には、周方向（回転方向）に位相差（例示：約６０度）が与えられている。
【００１９】
先行要素刃１５の前面（回転方向に先行する側の面であり、以下、先行要素刃前面１７といわれる）は、図３に示されるように、適正な第１ねじれ角θと適正な第１すくい角βを有している。先行要素刃１５の先行要素刃前面１７は、回転方向Ａに先行する先行刃先線１８を有している。先行刃先線１８の逆先端点１９は、第１刃列要素刃先線１３に連続して接続することができる。
【００２０】
先行要素刃１５は、図４に示されるように、第１先端側概半分領域１５Ａと第１根元側概半分領域１５Ｂとから形成されている。第１先端側概半分領域１５Ａの逆先端側端部の刃先線（先行刃先線１８の一部分）の逆先端側点と第１根元側概半分領域１５Ｂの先端側端部の刃先線（先行刃先線１８の一部分）の先端側点とが位置する局所的領域には、工具回転軸心線Ｌの方向に不連続的に形成される落差部分２１が軸直角方向に落差を持つように形成されている。第１先端側概半分領域１５Ａの切削能力は後行する後行要素刃１６の切削能力よりも大きく、第１根元側概半分領域１５Ｂの切削能力は後行する後行要素刃１６の切削能力よりも小さく、特に、第１根元側概半分領域１５Ｂが受ける切削抵抗が第１先端側概半分領域１５Ａが受ける切削抵抗よりも比較的に小さく設計されている。
【００２１】
先行要素刃１５に後行する後行要素刃１６の後行要素刃前面２２は、図３に示されるように、適正な第２ねじれ角θ’と適正な第２すくい角β’を有している。後行要素刃１６の後行要素刃前面２２は、回転方向Ａに先行刃先線１８に対して後行する先行刃先線２３を有している。後行要素刃１６は、図１に示されるように、第２先端側概半分領域１６Ａと第２根元側概半分領域１６Ｂとから形成されている。第２先端側概半分領域１６Ａの切削能力は先行する先行要素刃１５の切削能力よりも小さく、第２根元側概半分領域１６Ｂの切削能力は先行する先行要素刃１５の切削能力よりも小さく、特に、第２根元側概半分領域１６Ｂが受ける切削抵抗が第２先端側概半分領域１６Ａが受ける切削抵抗よりも比較的に小さく設計されている。
【００２２】
図５は、翼溝の切削加工方法を示している。既述の実施の形態のタービンロータ翼溝切削工具は、エンドミルに取り付けられて、工具回転軸心線Ｌを含む鉛直面内で水平方向に（タービンディスクの軸方向に）走査的に送られる。図７に示されるタービンロータ翼溝切削工具１０は、翼溝面を切削して形成している最中にある。翼溝の最大径位置を含む図７の断面上では、先行要素刃１５の先行刃先線１８の最大径点Ｐが半円筒溝面に当たっている。最大径点Ｐが描く軌跡である半円を含む領域は、主として、先行要素刃１５の第１先端側概半分領域１５Ａにより切削される。第１根元側概半分領域１５Ｂの切削抵抗は小さい。第１根元側概半分領域１５Ｂにより切削されない領域又は第１根元側概半分領域１５Ｂが切削せずに残した切削残存領域は、主として、第２根元側概半分領域１６Ｂにより切削される。第２先端側概半分領域１６Ａが受ける切削抵抗は、小さいか又は零である。全切削抵抗の大部分は、第１先端側概半分領域１５Ａと第１根元側概半分領域１５Ｂとに分散される。３つの先行要素刃１５と３つの後行要素刃１６は、全抵抗の概ね２分の１の抵抗を分担して受け持つ。
【００２３】
タービンロータ翼溝切削工具１０は、図５に示されるように、１工程又は１往復行程で、仕上げ面３１に漸近する溝面３２を形成する。図６は、他の異なる工具で図６に示される仕上げ面３１に仕上げ加工する第２工程を示し、更に１．０００ｍｍの厚み分が切削される。仕上げ面３１の最大直径Ｒ’は、５０．２８０ｍｍであるが、第１工程で形成される溝面の最大直径Ｒは、４９．２８０ｍｍφである。この場合、Δ１＝Ｒ’−Ｒ＝１．０００ｍｍである。従来の３工程加工では、第２工程で形成される最大直径Ｒ”は、４９．６８０ｍｍであり、第３工程で仕上げられる仕上げ面の最大直径Ｒ’は、５０．２８０ｍｍである。従来の場合、Δ２＝Ｒ”−Ｒ’＝０．６００ｍｍである。従って、Δ２＜Δ１。精度は、従来方法と本発明方法とで、概ね等しい。本発明は、追加工程を必要とせず２工程で従来方法と同一精度を達成することができるが、更に高い精度が要請される場合には、工程を増加することができ、２工程に限られることはない。
【００２４】
各切削刃要素には、ニックが設けられ、切削抵抗の減少と切り粉の発生状態をより適正化され得る。切削領域を先行する先行要素刃１５に対応する先行する切削領域と後行する後行要素刃１６に対応する切削領域に分離・分割することにより、１つの独立した刃が受ける抵抗をより減少し、切り粉の幅を狭くすることにより切削精度を高くすることができる。
【００２５】
従来の２工程分が１つの切削工具で実行され、切削工具の種類数が削減され、工具のコストが削減される。その削減された分だけ、より高性能の工具を可能にする高価な材料を使用することができる。そのような高価な工具材料として、ハイスが例示される。
【００２６】
【発明の効果】
本発明によるタービンロータ翼溝切削工具及びタービンロータ翼溝切削方法は、工程数の削減化又は高精度化を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明によるタービンロータ翼溝切削工具の実施の形態を示す正面断面図である。
【図２】図２は、図１の側面図である。
【図３】図３は、刃先線を示す平面図である。
【図４】図４は、刃と翼溝の位置関係を示す断面図である。
【図５】図５は、本発明によるタービンロータ翼溝切削方法を示す断面図である。
【図６】図６は、図５の次のステップを示す断面図である。
【図７】図７は、工具と翼溝の他の位置関係を示す平面断面図である。
【図８】図８（ａ），（ｂ），（ｃ）は、公知工具と翼溝の位置関係をステップ毎にそれぞれに示す平面断面図である。
【符号の説明】
１…本体軸
９…第１刃列
１１…第２刃列
１４…単位刃列
１５…先行要素刃
１６…後行要素刃
１７…先行要素刃前面
１５Ａ…先端側概半分領域
１５Ｂ…根元側概半分領域
１６Ａ…他の先端側概半分領域
１６Ｂ…他の根元側概半分領域
２２…後行要素刃前面
θ，θ’…ねじれ角
β，β’…すくい角

Claims (8)

1. 本体軸と、
   前記本体軸に形成される第１刃列と、
   前記本体軸に形成され前記本体軸の軸方向先端側に形成される第２刃列とを含み、
   前記第１刃列は前記第２刃列よりも軸方向逆先端側に配置され、
   前記第１刃列の最大径は前記第２刃列の最大径よりも小さく、
   前記第２刃列は単位刃列を備え、
   前記単位刃列は、先行要素刃と、前記先行要素刃に回転方向に後行する後行要素刃とを含み、
   前記先行要素刃は、
   先端側概半分領域と、
   前記先端側概半分領域よりも根元側に形成される根元側概半分領域とを備え、
   前記先端側概半分領域と前記根元側概半分領域との間には、軸直角方向に向く落差部分が与えられているタービンロータ翼溝切削工具。
2. 請求項１において、
   前記後行要素刃と前記先行要素刃とは、軸方向に異なる位置に配置されているタービンロータ翼溝切削工具。
3. 請求項１において、
   前記第２刃列は３組が配置され、
   前記３組のそれぞれは回転方向に１２０度の位相差で配置され、
   前記３組のそれぞれは、１つの先行要素刃と１つの後行要素刃とをそれぞれに含むタービンロータ翼溝切削工具。
4. 請求項１において、
   前記先行要素刃の先行要素刃前面は、ねじれ角とすくい角を有しているタービンロータ翼溝切削工具。
5. 請求項４において、
   前記後行要素刃の後行要素刃前面は、他のねじれ角と他のすくい角を有しているタービンロータ翼溝切削工具。
6. 請求項１において、
   前記後行要素刃は、
   他の先端側概半分領域と、
   前記他の先端側概半分領域よりも根元側に形成される他の根元側概半分領域とを備えるタービンロータ翼溝切削工具。
7. 請求項６において、
   前記他の先端側概半分領域は、前記先端側概半分領域に対して回転方向に後行する位置に配置され、
   前記他の根元側概半分領域は、前記根元側概半分領域に対して回転方向に後行する位置に配置されているタービンロータ翼溝切削工具。
8. 請求項１において、
   前記本体軸の軸直角方向から見た本タービンロータ翼溝切削工具の輪郭は鳩尾形状部分を含むタービンロータ翼溝切削工具。

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