JP4425592B2 - 深溝のフライス加工方法及びフライス工具 - Google Patents

Description

本発明は、例えば、タービン翼の分岐脚部の製造時に必要な部材に、複数の互いに平行な壁を製造するための深溝のフライス加工方法、及び、そのための対応するフライス工具に関する。

比較的に大きなタービン、例えば、蒸気タービンは、多数の羽根（翼）を保持するロータを有する。この羽根は、ロータシャフトに対応して形成された溝に保持される。タービン脚部の部品形状は、周知の分岐（フォーク状）脚部形状である。この分岐脚部は、実質的に互いに平行な複数の壁を有し、その壁の間に深い溝が形成されている。フィンガー部としても説明されるこの壁と共に、翼脚部は、ロータシャフトの対応する溝に配置される。

従来の翼脚部の製造方法では、まず最初に、第１の加工段階で、フライス工具を用いて溝が荒削りされ、該フライス工具は、互いに回転不能に一列に結合され、共通のシャフト上に配置されたＨＳＳ円板状フライスから形成される。その際、２０ｍ／分の切削速度が達成可能であり、それは、１０ｍｍ／分から１２ｍｍ／分の送り速度に対応する。翼脚部に関して、溝は、５０ｍｍから１２０ｍｍの間の深さを有することが可能であり、溝を形成するために、１０分までの加工時間が発生する。

第２の加工ステップにて、荒削りされた溝は、次いで、さらに、フライス工具を用いて、精密削りされる。このフライス工具は、シャフトに保持された一列の円板状の精密削りフライスを有する。両方のプロセスは、別々のステップで実行され、タービン翼が次々とそのステップを通過する。

加工時間を短縮することが望まれる。

下記の特許文献１から、２段階の方法で、発電機ロータ若しくはタービンロータに深い溝をフライス加工することが知られている。タービンロータは、相対的に深い溝を有し、この溝は、コイルの収容部として機能する。溝は、円板状フライスを用いて、毎回１箇所づつ形成され、該フライスは、その周囲に荒削り刃を、その側面に精密削り刃を保持する。ここで、溝は、２段階で形成されるにもかかわらず、荒削り加工と精密削り加工とは、１つのステップに組み合わせられる。
独国特許第４４３１８４１Ｃ２号公報

溝の長さは、その最大幅で、深さを超える。そのため、フライスの前方及びフライスの後方の溝壁の部分が、フライス加工中の溝壁を安定化させることができる。さらに、各溝壁は、フライス加工ごとに、側面のみを加工される。

本発明の課題は、短縮化された加工時間を有し、部材に複数の互いに平行な壁を形成するための深溝のフライス加工方法を創作することである。特に、この方法は、タービン翼の分岐脚部の製造に適しているであろう。

この課題は、請求項１に従う方法により解決される。

本発明の方法は、共通のシャフトに配置される多数の円板状フライスを用いて、同時に複数の互いに平行で深い溝を形成することに基づき、当該フライスは、荒削りプロセスと精密削りプロセスとを実行する。分岐脚部を製造する際には、溝深さは、３０ｍｍから１２０ｍｍの範囲であり、ここで、脚部は、略４０ｍｍから３５０ｍｍの長さである。溝の間に存在し、フィンガー部としても知られる壁は、８ｍｍから２５ｍｍの溝幅で、２．５ｍｍから１２ｍｍの範囲の厚さを有する。当然、フィンガー部は、かなりの弾力性を有し、この弾力性は、溝側面の精密な加工を困難にする。しかし、本発明に係る加工では、全ての溝壁の荒削り加工プロセス及び精密削り加工プロセスは、円板状フライスの外周で材料全体に亘って直接的に切削することにより行われる。弾性的な壁の曲がり、すなわち、切削前の壁の逃げは、ここでは、懸念する必要はない。円板状フライスが階段状に形成されるときには、荒削り及び精密削り加工プロセスは、常時、溝壁に形成される段差部若しくはショルダ部にて行われ、すなわち、この段差部は常に、その都度、より大きな壁強さに移行する。そのため、溝がまず最初に完全に形成され、次いで、精密削りされる場合には、精密削りプロセスは、安定した壁で実行され得る。精密削りと同時に行われる荒削り加工プロセスにもかかわらず、それにより、切削速度は、略８０ｍ／分まで増加され得る。このことは、１００ｍｍ／分までの送り速度を発生させる。そのため、１つの分岐脚部の加工時間は、公知の方法に対して、実質的に低減可能である。

この方法は、さらに、溝により分離された壁が、溝底部に対して平行な方向で、当該壁の高さと同じ長さ若しくはそれより短く、溝底部に対して直角であるような部材にも使用され得る。このような短い壁は、非常に弾力性があり、そのため、加工が難しい。しかし、予想外なことに、全ての壁を同時に加工することにより、部材の壁の補強が発生することが示され、当該補強は、壁の揺れ若しくは逃げを防止する。そのため、この補強は、良好な精密削り結果が達成されるために有効である。

本発明の方法では、好ましくは、１回の加工動作で、製造されるべき全ての溝が製造される。これにより、上記の利点が特別に達成される。フライス工具の送り方向は、好ましくは、溝底部に対して平行に固定される。それにより、最初から平坦な溝底部が発生する。しかしながら、溝底部への平行動作と共に、溝底部に直角な送り動作を組み合わせることも可能である。

フライス工具と部材との間の相対的な移動は、フライス加工方向にも反対方向にも向けられる得る。脆い壁を破損しないために、フライス加工方向への移動（同期）が望ましい。

タービンロータの分岐脚部の製造時には、互いに離れて示される分岐脚部の外部表面が、円板状フライスを用いた別々の加工プロセスで製造され、当該外部表面は、互いに最も離れたフィンガー部に形成され、フライスは、硬い金属の入子切刃が装備されている。また、この円板状フライスは、荒削り加工も精密削り加工も実行する。２段階のプロセスにおいて分岐脚部の全体の加工が行われ、その第１段階では、分岐脚部の外部表面の既知の加工が行われる。第２段階で、溝の形成と精密削りが行われる。そのため、外部表面の加工は、材料全体で行われ、当該材料から、１回のフライス加工により、引き続くステップで、まず、フィンガー部には、深い溝が形成される。このようにして、僅かな時間しか消費しない方法で、精密な分岐脚部を完成し得る。

本発明の方法は、好ましくは、共通のシャフトに配置された円板状フライスを有するフライス工具に転換される。このフライスは、常時、硬い金属の入子切刃を装備され、同時に、部材と嵌合状態にされるべきである。入子切刃は、荒削り刃の周囲及び精密削り刃の側面に、円板状フライスを固定する。この入子切刃は、横断面で階段状に形成可能であり、その結果、さらなる荒削り加工及び精密削り加工が、常時、各円板状フライスの環状のショルダ部で行われる。この円板半径は、溝深さよりも大きい。好ましくは、円板半径は、また、溝長さよりも大きい。このことは、工具と部材との間の直線的で、製造されるべき溝底部に平行な相対移動時に、その方向にフライスが材料全体に嵌合される掘削方向が、溝底部と非常に小さい鋭角ではない所定の角度を成すという利点を有する。このことは、振動技術的観点から好適であり、良好な加工結果をもたらす。

円板状フライスは、好ましくは、互いに同一に形成され、シャフトに固定して結合される。必要に応じて、他の溝パターンを製造するための円板状フライスは、種々構成可能である。

円板状フライスは、好ましくは、互いに一致する位置に調整されてシャフトに保持される。これにより、各円板状フライスの各入子切刃は、常時、軸方向に、別の円板状フライスの１つの入子切刃に隣接する。当該円板状フライスは、互いの間で脆くて支えのない壁を支持する。

特別な場合には、例えば、揺れを低減するために、隣接する円板状フライスの間で角度をオフセットさせることも実用的であり得る。

分岐脚部の外部表面を加工するため、別のフライス工具が提供され、該フライス工具は、２つの円板状フライスのみを有し、このフライスは、硬い金属の入子切刃を装備される。この円板状フライスには、好ましくは、軸方向の間隔を調整するための位置調整装置が配置される。これにより、分岐脚部の外部表面の位置は、互いに正確に固定され得る。

分岐脚部の外部表面用のフライス工具とその溝用のフライス工具とは、分岐脚部を加工するために機能し得る１組の工具を構成する。対応するフライス盤は、特に１組の工具の各工具に対して、２つの加工ステーションを有する。そのため、分岐脚部の加工は、２つの加工ステーションを有する従来のフライス盤で実行可能である。ＨＳＳ工具を使用して溝を形成するように作用した第１の加工ステーションは、今度は外部表面の加工の機能を果たす。従来精密削り加工を受け持たなければならなかった第２の加工ステーションは、今度は全ての溝の形成及び精密削りの機能を果たす。勿論、実質的には、加工時間の短縮化が達成される。

本発明によれば、短縮化された加工時間を有し、部材に複数の互いに平行な壁を形成するための深溝のフライス加工方法を提供することができる。
さらに、本発明によれば、上記フライス加工方法で好適に使用されるフライス工具を提供することができる。

本発明の実施の形態にかかる深溝のフライス加工方法及びフライス工具について、以下図面を参照して説明する。

図１では、タービン翼１が具体的に示され、該タービン翼は、分岐脚部２を有する。この分岐脚部２は、タービンシャフトにタービン翼を固定するように機能し、該タービンシャフトは、対応する収容溝を有する。分岐脚部２は、略矩形形状の基板部３を有し、その上面からタービンブレード４が延在する。それと対向する側では、基板部３は、複数の、例えば、４つ若しくは６つの壁５を保持する。これらの壁は、互いに平行に一方向に配置され、その結果、外側に位置する壁６，７及びその間に配置された壁８が構成される。壁５は、好ましくは、互いに同一に形成される。壁５は、３０ｍｍから１００ｍｍ若しくは１２０ｍｍまでの高さを有する可能性がある。長さに関しては、実施形態に応じて、壁５は、４０ｍｍから３５０ｍｍである。壁５は、また、フィンガー部としても表される。図２は、６つのフィンガーを有する分岐脚部２を具体的に示す。図２から明らかなように、壁５は、常時、階段状の横断面を有することも可能である。壁５は、溝１１ａ及び１１ｂ相互の間を囲んでいる。溝１１ａ乃至１１ｅは、互いに同一に形成されている。これらの溝は、深さ方向に階段状に形成され得る。そのため、深さが増大すると共に、階段状に間口が狭くなっている。

外側に位置する壁６，７は、精密さを決定する部分である。その外部表面１２，１４は、その互いの距離に関して、正確に形成されなければならない。

図３は、後述する２つのフライス工具の助けを借りた、分岐脚部２の製造を具体的に示す。図３では、図５のフライス工具１５は、使用中であり、溝１１ａ乃至１１ｅを形成するように機能する。外部表面１２，１４を加工するために機能するフライス工具は、図４に具体的に示され、同様に後で説明される。

溝１１ａ乃至１１ｅをフライス加工し、仕上げ加工するために、図３において単独で矢印１７により模式的に示唆される軸受装置（支持部）により、分岐脚部２は、位置を固定して保持される。その後、溝１１を形成するために、回転するフライス工具１５は、矢印１８により示された方向に、分岐脚部２の材料全体に沿って移動する。

図５は、フライス工具を具体的に示す。この工具は、常時、各溝１１ａ乃至１１ｅに対して、１つの円板状フライス２１ａ乃至２１ｅを有し、当該フライスは、互いに同一に形成されている。円板状フライス２１ａ乃至２１ｅは、図５において単独で模式的に示されるシャフト２２に回転不能に保持される。これらのフライスは、平坦側で互いに隣接する。該フライスの厚さは、軸方向で、分岐脚部２の分割部に一致する。さらに、互いに隣接する円板状フライス２１ａ乃至２１ｅの中央部２３は、ディスク部２４，２５，２６を有する。そのため、半径方向に最も外側のディスク部２６は、軸方向で、ディスク部２４よりも小さいディスク部２５よりもさらに小さくなっている。中央部２３の外周部と同様に各ディスク部の外周部では、常時、硬い金属の入子切刃２７，２８ａ，２８ｂ，２９ａ，２９ｂ，３１ａ，３１ｂが配置され、その外周の刃は、荒削り加工の機能を果たし、その軸方向の刃は、精密削り加工の機能を果たす。

図４は、外部表面１２，１４の加工用のフライス工具１６を具体的に示す。このフライス工具は、２つの円板状フライス３２，３３を含み、該フライスは、共通のシャフトに装着される。この円板状フライス３２，３３は、図６から明らかな調整装置３４により、調整可能な軸方向の間隔で保持される。円板状フライス３２，３３は、互いに示される側の対応する段差部に、硬い金属の入子切刃３５，３６，３７，３８を有し、これらの入子切刃は、外部表面１２，１４の輪郭を固定し、決定する。円板状フライス３２，３３は、好ましくは、異なる配列で、互いに配置され、その結果、隣接した切削プレート３５ａ，３５ｂは、回転軸に対して、互いに角度のオフセットを有する。これに対応する配置は、フライス２１ａ乃至２１ｅに対しても有効である。このことは、障害となる揺れの発生を回避する。

調整装置３４は、外ねじを提供する２つのブッシュ４１，４２を有し、該ブッシュに、調整キャップ４３がねじ止めされる。両方のブッシュ４１，４２のねじは、異なるピッチを有し、その結果、調整キャップ４３のブッシュ４１，４２に対する回転により、調整装置３４の軸方向の長さが変更される。

フライス工具１５，１６は、共に１組の工具を構成し、この１組の工具は、分岐脚部２を製造するために、以下のように使用される。

第１の加工動作を実行するために、フライス工具１６は、第１の加工ステーションに、フライス工具１５は、加工スピンドルを有する第２の加工ステーションに結合される。タービン翼１の原料素材は、次いで、まず最初に、第１の加工ステーションに配置される。後に分岐脚部となる部材は、ここでは、まだ、材料全体がブロックとして形成されている。このブロックは、図３において同様に示唆されるように、まず、位置を固定して軸支され、その後、回転するフライス工具１６が、ブレード４の長手方向の延在部に対して横方向に送られる。その際、円板状フライス３２，３３は、外部表面１２，１４を加工し、ここで、硬い金属の入子切刃の周囲の刃縁部が、荒削り加工を実行する。軸方向の刃縁部は、精密削り仕上げを実行する。外部表面１２，１４は、その加工時には、位置を固定して保持される。まだ、溝が形成されていないので、図４では破線でのみ示された溝１１は、まだ、非常に堅いブロック材料である。

その外部表面１２，１４が仕上げ加工された脚部２は、今度は、次の加工ステーションにさら提供される。外部表面１２，１４の特別な補強なしに、今度は、フライス工具１５が送られる。好ましくは、この送りは、再度、翼の長手方向に対して横方向に、すなわち、形成された溝１１ａ乃至１１ｅの溝底部に対して平行に、行われる。その際、溝底部の荒削り加工は、入子切刃２７により行われる。ここで、加工領域に完全に剛体の補強部が提供される。入子切刃２８a，２８bの荒削り加工は、相対的に厚い壁領域で行われる。ここでは、壁の剛性は、なお、非常に高い。入子切刃２９の荒削り加工は、変形する可能性のある既に形成された壁領域で行われる。ここで、全体の切削容積は、溝の全容積に比較して僅かである。さらに、溝壁の補強が、常時対向して配置される壁側に接触する入子切刃にて行われる。例えば、壁８ｄ（図５）は、常時、複数の入子切刃の間に固定される。同様のことが、入子切刃に隣接する円板状フライスに対しても有効である。

硬い金属の入子切刃は、高い切削速度と、それにより高い送り速度とを許容する。荒削りと精密削りとを有する１回の加工プロセスにおいて全ての溝１１ａ乃至１１ｅを形成することは、結果として、短い加工時間につながる。外部表面１２，１４のこれまでの荒削り及び仕上げ加工は、これらの表面の高い精度をもたらし、この高い精度は、溝１１ａ乃至１１ｅを形成する際の後の加工ステップにより、もはや損なわれる可能性はない。

タービン翼１の分岐脚部２を製造するために、第１のステップで、２つの固定して結合された円板状フライス３２，３３を用いて、まず最初に、１回の加工プロセスにてその外部表面１２，１４が荒削りされ、そして精密仕上げされる。この円板状フライスには、硬い金属の入子切刃が提供されている。第２のステップにおいて、分岐脚部２のフィンガー部が製造され、当該ステップでは、１組の固定して結合された円板状フライスを用いて、全ての溝が同時に形成され（荒削りされ）、そして精密仕上げされる。この円板状フライスには、硬い金属の入子切刃が提供されている。

分岐脚部を有するタービン翼の斜視図である。 分岐脚部正面の断面図である。 フライス加工プロセスにおける分岐脚部の製造を示す模式図である。 分岐脚部の外部側面の加工を示す模式図である。 分岐脚部の溝加工を示す模式図である。 円板状フライスの軸方向の距離を調整するための装置の部分断面図である。

符号の説明

１ タービン翼
２ 分岐脚部
３ 基板部
４ ブレード
５ 壁
６ 壁
７ 壁
８ 壁
１１ 溝
１２ 外部表面
１４ 外部表面
１５ フライス工具
１６ フライス工具
２１ 円板状フライス
２２ シャフト
２３ 中央部
２４ ディスク部
２５ ディスク部
２６ ディスク部
２７ 入子切刃
２８ａ 入子切刃
２８ｂ 入子切刃
２９ａ 入子切刃
２９ｂ 入子切刃
３１ａ 入子切刃
３１ｂ 入子切刃
３２ 円板状フライス
３３ 円板状フライス
３４ 調整装置
３５ 入子切刃
３６ 入子切刃
３７ 入子切刃
３８ 入子切刃
４１ ブッシュ
４２ ブッシュ
４３ 調整キャップ

Claims (16)

1. 共通のシャフト（２２）に配置された複数の円板状フライス（２１）を有する工具（１５）を用いて、
   前記円板状フライスにより、荒削り加工プロセスにて溝（１１）を形成すると同時に、精密加工プロセスにて壁（５）の精密削りを行い、
   前記円板状フライスは、常時、複数の硬い金属の入子切刃（２７，２８，２９，３１）を備えると共に、部材（２）と嵌合される、
   ことを特徴とする、前記部材（２）に複数の互いに平行な壁を製造するための、タービン翼の分岐脚部を製造するための深溝のフライス加工方法。
2. 製造されるべき全ての溝（１１）が、１回の加工ステップにて製造される、ことを特徴とする請求項１に記載の深溝のフライス加工方法。
3. 前記工具（１５）は、フライス加工プロセスでは、製造されるべき溝（１１）の溝底部に対して平行な送り方向（１８）に移動される、
   ことを特徴とする請求項１に記載の深溝のフライス加工方法。
4. 工具（１６）は、フライス加工プロセスでは、製造されるべき溝（１１）の溝底部に対して所定の角度の送り方向（１８）に移動される、ことを特徴とする請求項１に記載の深溝のフライス加工方法。
5. 前記工具（１６）は、前記送り方向（１８）と同一方向に回転される、ことを特徴とする請求項４に記載の深溝のフライス加工方法。
6. 前記工具（１６）は、前記送り方向（１８）と反対方向に回転される、ことを特徴とする請求項４に記載の深溝のフライス加工方法。
7. 前記部材は、分岐脚部（２）として構成され、
   互いに離間して示される前記分岐脚部（２）の外部表面（１２，１４）は、別のフライス加工プロセスにて、円板状フライス（３２，３３）を用いて製造され、
   当該円板状フライス（３２，３３）は、硬い金属の入子切刃（３５，３６，３７，３８）を有し、
   前記別のフライス加工プロセスにて、荒削り加工と共に精密削り加工が行われる、
   ことを特徴とする請求項１に記載の深溝のフライス加工方法。
8. 前記溝（１１）の製造と外部表面（１２，１４）との製造とは、２つの互いに連続する加工ステップにて行われる、ことを特徴とする請求項１に記載の深溝のフライス加工方法。
9. 前記外部表面（１２，１４）の製造は、前記溝（１１）の製造より前に行われる、ことを特徴とする請求項８に記載の深溝のフライス加工方法。
10. 常時、複数の硬い金属の入子切刃（２７，２８，２９，３１）を有し共通のシャフト（２２）に配置されると共に、部材（２）と嵌合される複数の円板状フライス（２１）を備え、
    前記複数の硬い金属の入子切刃（２７，２８，２９，３１）は、前記円板状フライス（２１）の周囲に荒削り刃を、その側面に精密削り刃を、それぞれ固定する、
    ことを特徴とする、前記部材（２）に複数の互いに平行な壁を製造するための、タービン翼の分岐脚部を製造するための深溝のフライス加工用工具。
11. 全ての円板状フライスが同一に形成され、前記シャフト（２２）に固定して結合されている、ことを特徴とする請求項１０に記載のフライス工具。
12. 前記円板状フライス（２１）は、角度のオフセットを有して、前記シャフト（２２）に互いに保持されている、ことを特徴とする請求項１０に記載のフライス工具。
13. 周囲に荒削り刃が、側面に精密削り刃が、それぞれ形成されるように、周囲及び側面に、硬い金属の入子切刃（３５ａ、３６ａ、３７ａ、３８ａ）を有する第１の円板状フライス（３２）と、
    周囲に荒削り刃が、側面に精密削り刃が、それぞれ形成されるように、周囲及び前記第１の円板状フライス（３２）に向けられた側面に、硬い金属の入子切刃（３５ｂ、３６ｂ、３７ｂ、３８ｂ）を有する第２の円板状フライス（３３）と、
    前記２つの円板状フライス（３２，３３）が回転不能に、軸方向に固定されて結合されているシャフト（２２）と、
    を備えることを特徴とする、その位置に関して互いに高度な正確性が要求される２つの互いに離間して示される表面（１２，１４）加工用のフライス工具。
14. 前記円板状フライス（３２，３３）には、軸方向の間隔を調整するための調整装置（３４）が配置される、ことを特徴とする請求項１３に記載の表面加工用のフライス工具。
15. 少なくとも前記円板状フライス（３２，３３）のうちの１つが、前記シャフト（２２）に位置調整可能に保持され、
    差動ねじを有するねじキャップ（４３）が前記調整装置（３４）に含まれる、
    ことを特徴とする請求項１３に記載の表面加工用のフライス工具。
16. 請求項１０に記載のフライス工具と請求項１３に記載のフライス工具とを有する、ことを特徴とする１組の工具。

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