JP4986083B2

JP4986083B2 - タービンブレードの加工方法とそのタービンブレードの加工装置

Info

Publication number: JP4986083B2
Application number: JP2009039974A
Authority: JP
Inventors: 伊藤　　幸男; 大樹黒沢; 富美雄田島
Original assignee: 平和産業株式会社; 株式会社タジマ
Priority date: 2009-01-29
Filing date: 2009-01-29
Publication date: 2012-07-25
Anticipated expiration: 2029-01-29
Also published as: JP2010174876A

Description

本発明は、航空機のジェットエンジンや発電機用のタービンに使用されるタービンブレードやターボチャージャーのブレードの加工方法とそのタービンブレードの加工装置に係わり、特に、タービンブレード材の各部位に焼け変質等を起こすことなく高精度に加工するタービンブレードの加工方法と完全自動加工を達成させた新規なタービンブレードの加工装置に関するものである。

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や燃費改善が図れるタービンブレードの性能向上が大きな課題になっている。上記タービンブレードの形状は、ルート部（根部）とブレード部（中間羽根部）とシュラウド部（外套部）とからなる。特に、中間羽根部が３次元形状で、しかも薄肉化が図られている上に、タービンブレードが大型化されている。従って、上記３次元曲面を有するタービンブレード材において、高精度に加工する加工方法を完全自動加工により達成させる新加工技術とその加工装置が必須となっている。

上記タービンブレードの加工方法や加工装置には、４軸、５軸の加工機による加工方法が一般的である。上記タービンブレードの多軸加工機、ワークの加工方法においては、ワークとなるタービンブレードの加工精度は、加工ツールとワーク台にクランプされるワークとの相対位置関係の精度に支配される。このために、加工ツールを保持するチャックやワーク台の他、加工機全体を高剛性化して高精度加工に対応している。しかし、上記加工機では、工具が共振してびびり振動を生じることがあり、ワーク表面の加工精度に悪影響を与えるから、これを防ぐ対策として、加工中の工具及び加工機の振動を測定し、びびり振動が起きている時は運転条件を変更させるものがある。

上記運転条件を変更させる具体的な手段の一つは、複数の作動軸を有する多軸加工機であって、加工すべきワークを保持するワーク保持部と、前記ワーク保持部に保持された前記ワークを加工するための加工ツールを保持する加工ツール保持部と、前記ワーク保持部で保持した前記ワークに生じたびびり振動を検出する振動検出部と、前記振動検出部でびびり振動が検出されたときに、前記加工ツール保持部で保持した前記加工ツールによる前記ワークに対する加工条件を変更するコントローラと、を備えたものである（例えば、特許文献１参照。）。

また、上記タービンブレード材は、特に中間羽根部が薄肉化しているために、この中間羽根部を高精度にクランプする治具が要求される。従来のクランプ治具には、下記のものが知られている。
１、基準ピンとネジ止め式は、図２４（ａ）〜（ｄ）に見るように、（１）、ブレード部を３点のピンで受ける（ａ）。（２）、長さ方向Ｐ１を１点のピンで受ける（ｂ）。（３）、長さ方向Ｐ２を１点のピンで受ける（ｃ）。（４）、６点の基準が出た状態で任意箇所をネジ止めして拘束固定する。拘束力が弱い。
２、鋳込法は、図２４（ａ）（ｂ）に見るように、（１）、上記基準ピンとネジ止め式により６点支持し、ルート部とシュラウド部で基準を出す。（２）、ブレード部を枠に固定し、低溶融金属（鉛錫の合金）で鋳込んで拘束固定する図２５（ａ）〜（ｃ）。この鋳込法のメリットは、タービンブレード材の両端を加工するに際して三次元曲面の薄肉の羽根部に歪み・撓みを生じることなく高精度に拘束固定できる。
３、専用の固定装置の一例には、固定装置と共に使用され、精度の高い形状の部品を形成するための中間物体（タービンブレード材）であって、該中間物体は、先端部と、この先端部から離間された根本領域と、第１の面と、を有しさらに、前記第１の面内に配設された前記先端部の第１のロケータと、前記根本領域から長手方向に延びた長手方向延長領域と、前記中間物体の前記長手方向延長領域に形成された第２のロケータと、を有し、前記第２のロケータは、前記第１の面内に配設されていて、前記中間物体が前記固定装置へと挿入されると、この中間物体を前記高精度形状部品へと機械加工できるように、前記中間物体が前記固定装置の前記各ロケータによってクランプされるものである（例えば、特許文献２参照。）。

更に、タービンブレード材は、特に中間羽根部が薄肉化しているために、この中間羽根部を加工すると、タービンブレードの両端部を外側（外側に配置した機械側）に保持して加工すると中間羽根部が刃物に押されて逃げて振動を発生させるから、刃物寿命が短く、ブレードの面粗度が悪く、加工寸法が揃わない。そこで、中間羽根部の逃げ対策としてタービンブレードの両端部を外側へ引っ張り、中間羽根部の逃げ量を縮小化させている。

特開２００５−７４５６８号公報特開平１１−８２９号公報

上記タービンブレードの多軸加工機、ワークの加工方法は、特に、中間羽根部の加工時におけるびびり振動を回避し、高精度でしかも効率の良い加工を行うことが可能となるメリットがある。しかし、上記タービンブレードのワーク保持部の構成が不明解である。即ち、撓み易い羽根部を保持する保持手段の構成が説明されていないし、ルート部（根部）とシュラウド部（外套部）の保持手段もその詳細が説明されていから、びびり振動を回避する重要な要素となるワーク保持部の問題が解決されていない。

また、従来のクランプ治具における基準ピンとネジ止め式は、ブレードワークの拘束力が弱く、びびり振動を回避することが出来ない。そして、鋳込法は、ブレードワークの拘束力が強く、びびり振動を回避することができる。しかし、鉛は人体に有害であり、鋳込から外したタービンブレード材を酸洗いする必要がある。更に、専用の固定装置では、多数のピンで羽根部を押し圧して位置決め支持するものであり、且つ、三次元曲面形状の羽根表面の形状精度や機械的強度も弱く歪み易いから、一つ一つのブレード部品において、寸法精度が異なるために部品交換毎に、一つ一つの手作業による再調節作業を要するから、ブレード固定に多くの手間と時間を要し、固定制度にもバラツキが見られ高い加工精度や能率の良い加工が出来ないという問題点が残存している。

上記の他、タービンブレードの加工時における最大の問題点は、加工点での加工熱による焼け現象である。タービンブレード材は、加工点の加工熱が６３０℃付近を超えると急速に変質する性質をもっているが、上記各公知技術では、加工点の加工発熱の検出や制御手段が開示されていないし、その焼け現象を防止する課題や対策も全く開示されていない。特に、航空機用のジェットエンジンに使用されるタービンブレードにおいて、加工熱による材料の変質は信頼性を損ねる大きな問題点であり、早急に解決された加工方法とこれによるタービンブレードが求められている。

本発明は、上記タービンブレードを加工する従来の加工方法や加工装置、ワーク保持装置の冶具等における各種問題点に鑑みてなされたものである。その目的は、タービンブレード材の各部位に焼け変質等を起こすことなくタービンブレードの各部位（ルート部・シュラウド部・特に中間羽根部）を高精度に加工する加工方法の確立と、完全自動加工を達成させる新規な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発明の請求項１によるタービンブレードの加工方法は、タービンブレードの中央に位置する羽根部を把持する羽根把持工程と、上記タービンブレードの露出したルート部とシュラウド部とを同時又は前後して加工する両端加工工程と、上記タービンブレードを羽根把持具から外して加工済みのルート部及びシュラウド部を把持する両端把持工程と、上記タービンブレードの中央に位置する羽根部を変質温度以下で加工する羽根加工工程と、からなるタービンブレードの加工方法において、上記ルート部とシュラウド部とを加工する両端加工工程及び羽根部を加工する羽根加工工程は、同時多軸制御のもとに加工し、上記羽根部を加工する羽根加工工程は、同時多軸制御のもとにエンドミル・バフ・研磨からなり、手仕上げの動きをモーションキャプチャーティーチングにより自動加工することを特徴とする。

また、本発明の請求項２によるタービンブレードの加工装置は、タービンブレードの中央に位置する羽根部を把持する羽根把持具と、上記羽根把持具に把持されてルート部とシュラウド部とを同時又は前後して加工する両端加工部と、上記タービンブレードのルート部及びシュラウド部を把持する両端把持具と、上記タービンブレードの中央に位置する羽根部を変質温度以下で加工する羽根加工部と、を具備したタービンブレードの加工装置において、上記両端加工部は、同時多軸制御のもとにエンドミル及び研削加工する主軸ヘッドと、タービンブレード材の加工温度を検出する温度検出部とその温度制御部とを備え、上記主軸ヘッドは、手仕上げの動きをモーションキャプチャーティーチングにより自動加工制御するモーションキャプチャー制御部を備え、上記羽根加工部は、同時多軸制御のもとにエンドミル・バフ・研磨からなる主軸ヘッドと、タービンブレード材の加工温度を検出する温度検出部とその運転制御部とを備えたものであることを特徴とする。

また、本発明の請求項３によるタービンブレードの加工装置は、請求項２記載のタービンブレードの加工装置において、上記羽根把持具は、筒体内に挿入した羽根部を位置決めピンと氷結又は石膏はパラフィン等の凝固材で固着させたものであることを特徴とする。

また、本発明の請求項４によるタービンブレードの加工装置は、請求項２記載のタービンブレードの加工装置において、上記羽根把持具は、筒体内に挿入した羽根部を鋼球・砂・ビーズ等の球状材で加圧固持させたものであることを特徴とする。

また、本発明の請求項５によるタービンブレードの加工装置は、請求項２記載のタービンブレードの加工装置において、上記両端把持具は、筒体内に挿入したルート部及びシュラウド部に各々嵌り合う凹部を設けた一対の蝶番状型枠で固着させ、上記蝶番状型枠にタービンブレードの羽根部を刃物からの押し付け力を受ける反刃物側に受具を設けたものであることを特徴とする。

本発明のタービンブレードの加工方法によると、タービンブレードのルート部やシュラウド部の他、特に、上記羽根部の加工は、同時多軸制御のもとにエンドミル・バフ・研磨により、荒加工・中仕上げ・精密仕上げが材質変化を起こす約６３０℃の変質温度以下で連続して加工され焼け現象が完全に防止できる。その上、加工が効率的に実施できる。更に、上記羽根部の加工は、同時多軸制御のもとにエンドミル・バフ・研磨の各加工が、手仕上げの動きをモーションキャプチャーティーチングによるフィードバックで材質変化を起こすことなく連続して品質の良い自動加工できる。

また、本発明のタービンブレードの加工装置によると、タービンブレードのルート部やシュラウド部の他、特に、上記羽根部の加工は、両端把持具により、同時多軸制御のもとにエンドミル・バフ・研磨により、荒加工・中仕上げ・精密仕上げが材質変化を起こす約６３０℃の変質温度以下で連続して加工され焼け現象を完全に防止させた加工を実施させることができる。その上、加工を効率的に実施できる。更に、上記羽根部の加工は、同時多軸制御のもとにエンドミル・バフ・研磨の各加工が、手仕上げの動きをモーションキャプチャーティーチングによるフィードバックで材質変化を起こすことなく連続して品質の良い自動加工を実施させることができる。

また、本発明のタービンブレードの加工装置によると、タービンブレードのルート部やシュラウド部の他、特に、羽根部は、位置決めピンと氷結又は石膏又はパラフィン等の固化材で確実に固着できる。また、ルート部及びシュラウド部の把持に対しては、筒体内に挿入したルート部及びシュラウド部に各々嵌り合う凹部を設けた一対の蝶番状型枠で固着させ、上記蝶番状型枠にブレードの羽根部を刃物からの押し付け力を受ける反刃物側に受具を設けたものであるから、肉薄で歪み易い羽根部を撓ませることなく、面粗度を悪くすることなく、加工寸法の揃った精密加工ができる。更に、筒体内に挿入した羽根部は、鋼球・砂等の球状材で加圧させることで確実に固持できる。そして、筒体内に挿入した被把持材として砂材を充填するとともに、水等の液体を注入して強固に凝固できる。しかも、何れの加工装置も、被把持材を筒体内から外す操作が簡潔・迅速にできる。

本発明の実施の形態を示し、タービンブレードの加工方法手順を示すブロック線図である。本発明の実施の形態を示し、羽根部の加工工程を示すブロック線図である。本発明の実施の形態を示し、タービンブレードの両端部を連続加工する作業手順図である。本発明の実施の形態を示し、タービンブレードの両端部を持ち替えする作業手順図である。本発明の実施の形態を示し、タービンブレードの両端部を連続加工する作業手順図である。本発明の実施の形態を示し、タービンブレードの両端部を連続加工する作業手順図である。本発明の実施の形態を示し、タービンブレードの羽根部を加工する多軸制御工作機械の正面図である。本発明の実施の形態を示し、両端加工部を加工する多軸制御工作機械の正面図である。本発明の実施の形態を示し、研磨機によるモーションキャプチャーティーチングの正面図である。本発明の実施の形態を示し、羽根部を連続加工する作業手順図である。本発明の実施の形態を示し、タービンブレードを固定する羽根把持具の縦断面図である。本発明の実施の形態を示し、タービンブレードを固定する羽根把持具の横断面図である。本発明の実施の形態を示し、タービンブレードを固定する羽根把持具の縦断面図である。本発明の実施の形態を示し、タービンブレードを固定する羽根把持具の横断面図である。本発明の実施の形態を示し、液体の氷結工程図である。本発明の実施の形態を示し、冷凍ユニットの正面図である。本発明の実施の形態を示し、蝋顆粒・硬化性樹脂顆粒の凝固工程図である。本発明の実施の形態を示し、加温ユニットの正面図である。本発明の実施の形態を示し、タービンブレードを固定する両端把持具の片側の正面図である。本発明の実施の形態を示し、タービンブレードを固定する羽根把持具の縦断面図である。本発明の実施の形態を示し、タービンブレードを固定する羽根把持具の縦断面図である。本発明の実施の形態を示し、タービンブレードを固定する羽根把持具の縦断面図である。本発明の実施の形態を示し、タービンブレードを固定する羽根把持具の縦断面図である。従来のクランプ法を示し、基準ピンとネジ止め式の工程図である。従来のクランプ法を示し、鋳込法の工程図である。

以下、図１乃至図２３を参照して本発明の各実施の形態を順次に説明する。

本発明の第１の実施の形態となるタービンブレードの加工方法は、下記の主たる構成要件からなる。まず、図１に示すように、タービンブレード１の加工方法（１）は、ルート部１Ｂとシュラウド部１Ｃと羽根部１Ａとからなるタービンブレード（以下ブレードとも言う）１において、タービンブレード１の中央に位置する羽根部１Ａを羽根把持具１０で把持する羽根把持工程（Ａ）と、続く露出したルート部１Ｂとシュラウド部１Ｃとを同時又は前後して荒加工・中仕上げ・精密仕上げ加工する両端加工工程（Ｂ）と、上記タービンブレード１を羽根把持具から外して加工済みのルート部１Ｂ及びシュラウド部１Ｃを両端把持具３０，４０で把持する両端把持工程（Ｃ）と、上記タービンブレード１の中央に位置する羽根部１Ａを変質温度以下で加工する羽根加工工程（Ｄ）とからなる。上記両端加工工程（Ｂ）は、図３のシュラウド加工工程（Ｂ１）と、図５のルート加工工程（Ｂ２）とからなる。これらの加工工程は、同時多軸制御された加工ヘッドＫＨ１によりエンドミルＥＭ・砥石研磨ＴＫの順に、荒加工・中仕上げ・精密仕上げが材質変化を起こす約６３０℃の変質温度以下で連続して加工され焼け現象が防止される。上記の同時多軸制御とは、２軸から６軸までの任意な軸数を意味し、任意な軸数制御が適用される。

上記両端加工工程（Ｂ）は、例えば、図３〜図６に示すシュラウド加工工程（Ｂ１）とルート加工工程（Ｂ２）との連続加工手順（俗名：ピラニア加工手順）により行われる。
ＳＴＥ１：図３のシュラウド加工において、タービンブレード１の中央に位置する羽根部１Ａを羽根把持具１０で把持した多数のタービンブレード１が待機ワークとしてプールされており、その一つが押し出されて第１主軸Ｓ１の旋回チャックＣ１に把持される。このタービンブレード１のシュラウド部１Ｃが例えば同時多軸制御された加工ヘッドＫＨ１によりエンドミルＥＭ・砥石研磨ＴＫの順に、荒加工・中仕上げ・精密仕上げが材質変化を起こす約６３０℃の変質温度以下で連続して加工され焼け現象が防止される。加工後は、加工ヘッドＫＨ１が退却した後に、移動式第２主軸Ｓ２の旋回チャックＣ２がタービンブレード１のシュラウド部１Ｃ側に接近する。
ＳＴＥ２：図４の自動持ち替えにおいて、移動式第２主軸Ｓ２の旋回チャックＣ２がブレード１のシュラウド部１Ｃ側に接近し、羽根把持具１０のシュラウド部１Ｃ側を把持するとともに、ルート部１Ｂを把持する第１主軸Ｓ１の旋回チャックＣ１が開放されて自動持ち替えする。
ＳＴＥ３：図５のルート加工において、このタービンブレード１のルート部１Ｂが同時多軸制御された加工ヘッドＫＨ１によりエンドミルＥＭ・砥石研磨ＴＫの順に、荒加工・中仕上げ・精密仕上げが材質変化を起こす約６３０℃の変質温度以下で連続して加工され焼け現象が防止される。加工後は移動式第２主軸Ｓ２の旋回チャックＣ２がシュラウド部１Ｃを開放するとともに、ブレード１が外部へ排出される。
ＳＴＥ４：図６の自動押し出しにより待機ワークの加工において、第１主軸Ｓ１の旋回チャックＣ１の外側にプールされていたその一つが押し出されて第１主軸Ｓ１の旋回チャックＣ１に把持される。このタービンブレード１のシュラウド部１Ｃが同時多軸制御された加工ヘッドＫＨ１によりエンドミルＥＭ・砥石研磨ＴＫの順に、荒加工・中仕上げ・精密仕上げが材質変化を起こす約６３０℃の変質温度以下で連続して加工され焼け現象が防止される。以下、同様にして、新たに把持したタービンブレード１の両端部（ルート部１Ｂ及びシュラウド部１Ｃ）が順次に自動加工される。

上記羽根加工工程（Ｄ）は、図２と図７に示すように、同時多軸制御された加工ヘッドＫＨ２によりエンドミルＥＭ・バフＢＦ・研磨ＢＫの順に、荒加工・中仕上げ・精密仕上げが材質変化を起こす約６３０℃の変質温度以下で連続して加工され焼け現象が防止される。更に、図９に示すように、羽根部１Ａの加工は、同時多軸制御のもとにエンドミルＥＭ・バフＢＦ・研磨ＢＫの各加工が、熟練工の手仕上げの動きをモーションキャプチャーティーチングにより記憶させ、一層忠実なフィードバック運転で材質変化を起こす約６３０℃の変質温度以下において、連続して熟練工の技を織り込んだ自動加工が行われる。上記研磨ＢＫは、ベルト研磨や既存の各種研磨方法が採用される。

続いて、上記第１の実施の形態となるタービンブレードの加工方法を実現させるタービンブレードの加工装置Ｍ０の構成を説明する。その基本構成となる第１実施例は、図３に示すように、第１主軸Ｓ１のチャック（旋回チャック）Ｃ１と第２主軸Ｓ２のチャック（旋回チャック）Ｃ２間で羽根把持具１０を把持し直し、交互にルート部１Ｂとシュラウド部１Ｃとを同時多軸制御する加工ヘッドＫＨ１を備えた多軸制御工作機械に基づくタービンブレードの加工装置ＭＯとしている。

更に、上記タービンブレードの加工装置Ｍ０の構成は、図８に見るように、タービンブレード１の中央に位置する羽根部１Ａを把持する羽根把持具１０と、この羽根把持具１０に把持されて露出したルート部１Ｂとシュラウド部１Ｃとを前後して同時多軸制御された加工ヘッドＫＨ２において、中央に配置した中央旋回チャックＳＣ０との多軸制御によりエンドミルＥＭ・砥石研磨ＴＫ２の順に、荒加工・中仕上げ・精密仕上げ加工する両端加工部２０を備えた多軸制御工作機械ＭＯとしても良い。また、ルート部１Ｂ及びシュラウド部１Ｃを加工する両端加工部２０は、ＣＮＣ制御装置３００の同時多軸制御のもとにエンドミル・砥石研磨する機能と、タービンブレード材１の加工温度をサーモブラフィで温度検出する温度検出部６０とその温度制御部７０とを備えている。

また、図７に見るように、上記タービンブレード１のルート部１Ｂ及びシュラウド部１Ｃを把持する両端把持具３０，４０と、上記両端把持具３０，４０を旋回チャックＣ１と旋回チャックＣ２とで同時把持させ、この状態で上記タービンブレードの中央に位置する羽根部１Ａを同時多軸制御された加工ヘッドＫＨ２によりエンドミルＥＭ・バフＢＦ・ベルト研磨ＢＫの各加工を変質温度以下で加工する羽根加工部５０を装備したタービンブレードの加工装置Ｍ０を構成する多軸制御工作機械１００が使用される。上記羽根加工部５０の加工ヘッドＫＨ２は、タービンブレード１の中央に位置する羽根部１Ａを変質温度以下で加工すべく、タービンブレード材１の加工温度をサーモブラフィで温度検出する温度検出部６０とその温度制御部７０とを備えている。更に、上記羽根加工部５０は、ＣＮＣ制御装置３００の同時多軸制御の機能を持つ各他軸制御の加工ヘッドＫＨ２である。

更に、上記多軸制御の加工ヘッドＫＨ１，ＫＨ２は、手仕上げの動きは、熟練工による繊細なワークさばきを、カメラＣＭにより読み取り、この情報がモーションキャプチャー制御部３３０によりモーションキャプチャーティーチングされる。このモーションキャプチャーティーチングのプレイバック運転により熟練工の技で多軸制御の加工ヘッドＫＨ２他の制御軸をコントロールすることで、全自動加工される。尚、上記モーションキャプチャーティーチングは、図８に示すように、多軸制御工作機械ＭＯの上で実施される他、図９に示す多軸制御工作機械１００のように、研磨機ＫＭＯのバフＢＦ等で熟練工Ｍが行う手作業をカメラＣＭにより読み取り、この情報をモーションキャプチャー制御部３３０でモーションキャプチャーティーチングの運転データに処理される。この運転データを多軸制御工作機械１００のＣＮＣ制御装置３００に入力してプレイバック運転を行っても良い。

上記羽根加工部５０において、両端把持具３０，４０によるルート部１Ｂ及びシュラウド部１Ｃの把持作用と羽根部１Ａを加工する加工手順を説明する。即ち、図１０に示すように、ブレ止め機能を備えた両端把持具３０，４０により超大型タービンブレード１´を加工する両端把持具３０，４０の取付方法を説明する。先ず、「材料」は、全長１８８０ｍｍを使用する。次に、「ピラニア治具」となる両端把持具３０，４０は、ルート部１Ｂ及びシュラウド部１Ｃに各々嵌り合う凹部Ｏ１，Ｏ２を各筒体３０ａ，３０ｂ，４０ａ，４０ｂに設け継手Ｊで開閉可能に繋いだ一対の蝶番状型枠の両端把持具３０，４０である。そして、「取付」は、上記両端把持具３０，４０の各筒体３０ａ，３０ｂ，４０ａ，４０ｂをルート部１Ｂ及びシュラウド部１Ｃに包囲してボルト固着される。「加工」は、多軸制御の加工ヘッドＫＨ２でエンドミル・バフ・研磨される。この加工時に、タービンブレードの羽根部１Ａがカッター（エンドミル）ＥＭに押され下に逃げるのを下から支えるべく、次の受け構造を両端把持具３０，４０に設けている。その「受け」は、蝶番状型枠の両端把持具３０，４０の筒体３０ａ，４０ｂにタービンブレードの羽根部１Ａを刃物からの押し付け力を受ける反刃物側に受具３３，４３を設け、上側の受具３３を加工に邪魔しない方向へ跳ねのけ、下側の受具４３を羽根部１Ａの下側面に押し当てて刃物からの押し付け力を受け、加工精度を高めた羽根部１Ａの加工が可能としている。

以下、本発明の実施の形態となるタービンブレードの加工装置Ｍ０，２００において、各実施形態の詳細構成を説明する。先ず、図１１と図１２に示すように、タービンブレード１の中央に位置する羽根部１Ａを把持する羽根把持具１０の第１実施例は、タービンブレード１の羽根部１Ａを包囲して把持すべく、筒体１１の外周壁１１Ａにはタービンブレード１の羽根部１Ａに突き当てる位置決めピンＰ１，Ｐ２，・・・が筒内に突出している。これで筒体内に挿入されたタービンブレード１の羽根部１Ａを位置決めピンＰ１，Ｐ２，・・・で仮止めし、筒体の下側となる片側開口を閉塞した状態で固定した後、この筒体１１の内部空間に液体（水・水道水・純水）Ｗ１を充填し、これを凝固材として氷結させる凝固部（凝固システム）４００を外部に配置している。また、上記液体（水・水道水・純水）Ｗ１に替えて、石膏やパラフィン等の蝋顆粒・硬化性樹脂顆粒Ｗ２を充填して溶融液体ＷＯとし、これを凝固材として固着させる凝固部（凝固システム）５００を外部に配置している。上記凝固部（凝固システム）４００は図１６に示し、上記凝固部（凝固システム）５００は図１８に示す。

また、羽根把持具１０の別の第２実施例は、図１３と図１４に示すように、タービンブレード１の中央に位置する羽根部１Ａを把持する羽根把持具１０は、タービンブレード１の羽根部１Ａを包囲して把持すべく、軸心方向Ｏに二つ割りの筒体１１（筒片１１Ａ、副筒片１１Ｂ）と、この筒体１１（筒片１１Ａ、副筒片１１Ｂ）の左右筒端には、各々突縁ａ，ａ´と凹縁ｂ，ｂ´とを設けタービンブレード１の羽根部１Ａの両端における凹凸の外周面形状に合わせられ、筒部の軸心方向に対して直交方向Ｘに羽根部１Ａの両端外周面の凹凸を受け止める。また、上記筒片１１Ａ、副筒片１１Ｂの外壁には筒内空間に突出させた複数本の位置決めピンＰ１，Ｐ２，・・・が固着されており、上記筒片１１Ａ、副筒片１１Ｂを接合ボルトＶ１，Ｖ２・・・で結合することで、羽根部１Ａの凸面と凹面とを当接支持する。通常は、この状態でブレード１の羽根部１Ａが羽根把持具１０により把持された形態となり、ルート部１Ｂとシュラウド部１Ｃとを前後して同時多軸制御された加工ヘッドＫＨ１により加工される。この実施例では、ブレード１の羽根部を位置決めピンＰ１，Ｐ２，・・・で固定した後、この筒体１１の内部空間に液体（水・水道水・純水）Ｗ１、又は、石膏やパラフィン等の蝋顆粒・硬化性樹脂顆粒Ｗ２を充填して溶融液体ＷＯとし、これを凝固材として固着させる凝固部（凝固システム）４００を外部に配置している。上記凝固部（凝固システム）４００は、液体（水・水道水・純水）Ｗ１を低温で凍結させる冷凍ユニット１１０を主要構成とするものと、図１８に示すように、石膏やパラフィン等の蝋顆粒・硬化性樹脂顆粒Ｗ２を加温ユニット１２０で溶融する凝固部（凝固システム）５００とからなる。

上記冷凍ユニット１１０とこれによる液体（水）の充填・凝固工程は、図１５と図１６に示す。先ず、冷凍ユニット１１０は、冷凍機Ａと冷凍容器Ｂと冷凍温度制御部Ｃと冷凍エレメントＤとからなり、この冷凍容器Ｂ内に入れられた羽根把持具１０内の水Ｗ１を凝固させる機能を持っている。上記冷凍ユニット１１０による液体（水）の充填・凝固工程と加工工程を説明する。先ず、タービンブレード取付工程（１）にて、羽根把持具１０における二つ割り筒体１１でタービンブレード１の中央に位置する羽根部１Ａを把持する。続いて、充填工程（２）で筒体１１内に液体（水）Ｗ１を注入する。上記羽根把持具１０を冷凍ユニット１１０内に入れて液体（水）Ｗ１の凝固（氷結）工程（３）を行う。氷結した羽根把持具１０を冷凍ユニット１１０から取り出し、マシニングセンタ及び研削盤を兼用したＣＮＣ制御装置により運転され、エンドミル・研磨する機能を持つ多軸制御工作機械ＭＯの加工ヘッドＫＨ１により、ルート部１Ｂとシュラウド部１Ｃとを前後して便ブレード両端部の加工工程（４）が行われる。最後に、羽根把持具１０を多軸制御工作機械ＭＯの冶具Ｇからのタービンブレードの取り外し工程（５）により、取り外し、氷結を自然界解凍させるか、強制加熱して急速に解凍して加工を終了させる。

上記羽根把持具１０の凝固部（凝固システム）４００において、タービンブレード１の羽根部１Ａを石膏やパラフィン等の蝋顆粒・硬化性樹脂顆粒Ｗ２を加温ユニット１２０による溶融する凝固部（凝固システム）５００は、図１８に説明する。蝋顆粒・硬化性樹脂顆粒・蝋・パラフィンを加温して溶融させ、常温に降温させて凝固させる加温ユニット１２０は、加熱機Ｅと加熱容器Ｆと加熱温度制御部Ｇと加熱エレメントＨとからなり、この加熱容器Ｆ内に入れられた羽根把持具１０内の蝋・パラフィンを溶解させる機能を持っている。蝋・パラフィンを溶解させられた羽根把持具１０は、大気中に放置することで、温度が低下して凝固体とする凝固部（凝固システム）５００とからなる。

上記加温ユニット１２０による蝋顆粒・硬化性樹脂顆粒・蝋・パラフィンの充填・凝固工程と加工工程を図１７で説明する。先ず、タービンブレード取付工程（１）にて、羽根把持具１０における二つ割り筒体１１でタービンブレード１の中央に位置する羽根部１Ａを把持する。続いて、蝋顆粒・硬化性樹脂顆粒の充填工程（２´）で筒体１１内に素材を注入する。上記羽根把持具１０を加温ユニット１２０内に入れて溶解させる溶融工程（３´）を行う。溶融した羽根把持具１０を加温ユニット１２０から取り出し、液体の凝固工程（４´）を行い、羽根把持具１０に羽根部１Ａを強固に固定する。上記羽根把持具１０をマシニングセンタ及び研削盤を兼用した冶具に取り付けＣＮＣ制御装置により運転され、エンドミル・研磨する機能を持つ多軸制御工作機械ＭＯの加工ヘッドＫＨ１により、ルート部１Ｂとシュラウド部１Ｃとを前後してタービンブレード両端部の加工工程（５´）が行われる。加工後は、多軸制御工作機械ＭＯの冶具から羽根把持具１０を取り外し、再溶融工程（６´）により溶解する。最後に、羽根把持具１０を分解してタービンブレードの取り外し工程（７´）加工を終了させる。

本発明のタービンブレードの加工装置Ｍ０，２００における第３の実施例は、上記両端把持具３０，４０において、先ず、上記図１０に示すように、ブレ止め機能を排除した両端把持具３０，４０を図１９（ａ）（ｂ）に示す。両端把持具３０は、継手Ｊで繋がれた二つ割りの筒体３０ａ，３０ｂ内にルート部１Ｂの表側と裏側の凸形状に係合する凹部Ｏ１と凹部Ｏ２が形成されており、この空間の凹部Ｏ１と凹部Ｏ２にルート部１Ｂの表側と裏側とを嵌め合いボルトＶ１で型枠として固着されている。また、両端持具４０も同様に、図１０に示すように、継手Ｊで繋がれた二つ割りの筒体４０ａ，４０ｂ内にシュラウド部１Ｃの表側と裏側の凸形状に係合する凹部Ｏ１と凹部Ｏ２が形成されており、この空間の凹部Ｏ１と凹部Ｏ２にシュラウド部１Ｃの表側と裏側とを嵌め合いボルトＶ２で型枠として固着される。

上記両端把持具３０，４０により、タービンブレードのルート部１Ｂとシュラウド部１Ｃとを包囲して把持するタービンブレードの加工装置２００を構成している。これにより、両端把持具３０，４０は、図７に示すように、ＣＮＣ制御装置３００の同時多軸制御のもとに加工ヘッドＫＨ２と左右に配置した旋回チャックＳＣ１，ＳＣ２により両持ちに把持され、旋回チャックＳＣ１，ＳＣ２の旋回制御と、同時多軸制御された加工ヘッドＫＨ２とにより、三次元形状の羽根部１ＡがエンドミルＥＭ・バフＢＦ・ベルト研磨ＢＫを交換して加工される。更に、上記加工ヘッドＫＨ２は、タービンブレード１の中央に位置する羽根部１Ａを変質温度以下で加工すべく、タービンブレード材１の加工温度をサーモブラフィで温度検出する温度検出部６０とその温度制御部７０とを備えている。

更に、本発明のタービンブレードの加工装置Ｍ０，２００における第４の実施例は、図２０〜図２２に示すように、上記羽根把持具１０や両端把持具３０，４０において、筒体１３内に挿入し複数本の位置決めピンＰ１，Ｐ２，・・・で固持された羽根部１Ａの空間に鋼球・砂・ビーズ（大・中・小・軟・硬の混合物）等の球状材Ｗ４を充填させ、この球状材Ｗ４に油圧手段ＯＰ等で外圧を加圧させることで起きる球状材Ｗ４間の引き締め作用により、各球状材Ｗ４間が強く結合し合い自由に移動できなくなり加圧固持させられるものである。勿論、図２１に示すように、筒体１３内に挿入する複数本の位置決めピンＰ１，Ｐ２，・・・を省略し、空間に鋼球・砂・ビーズ（大・中・小・軟・硬の混合物）等の球状材Ｗ４のみを充填させ、この球状材Ｗ４に油圧手段ＯＰ等で外圧を加圧させることで起きる球状材Ｗ４間の引き締め作用による実施でも良い。

更に、本発明のタービンブレードの加工装置Ｍ０，２００における第５の実施例は、図２３に示すように、上記羽根把持具１０や両端把持具３０，４０において、位置決めピンを省略し、筒体１３´内の空間に被把持材として砂材（大・中・小・球・角片の混合物）Ｗ５を充填するとともに、水道水等の液体Ｗ１を配管Ｐから筒体内に注入することで、各砂材Ｗ５間が強く結合し合い自由に移動できなくなり強固に凝固させる実施でも良い。

本発明のタービンブレードの加工装置Ｍ０，２００は、上記のように各種の実施例からなり、何れの加工装置Ｍ０，２００を使用することも可能である。タービンブレードの形状や大きさ等に応じた加工装置Ｍ０，２００の最良の組み合わせにより、高精度加工と加工効率が高められる。

本発明の実施形態となるタービンブレードの加工方法によれば、下記の効果が奏せられる。特に、タービンブレードのルート部やシュラウド部の他、特に、上記羽根部の加工は、同時五軸制御のもとにエンドミル・バフ・研磨により、荒加工・中仕上げ・精密仕上げが材質変化を起こす約６３０℃の変質温度以下で連続して加工され焼け現象が完全に防止できる。その上、加工が効率的に実施できる。更に、上記羽根部の加工は、同時五軸制御のもとにエンドミル・バフ・研磨の各加工が、手仕上げの動きをモーションキャプチャーティーチングによるフィードバックで材質変化を起こすことなく連続して品質の良い自動加工できる。

また、実施形態となるタービンブレードの加工装置によれば、下記の効果が奏せられる。特に、タービンブレードのルート部やシュラウド部の他、特に、上記羽根部の加工は、同時多軸制御のもとにエンドミル・バフ・研磨により、荒加工・中仕上げ・精密仕上げが材質変化を起こす約６３０℃の変質温度以下で連続して加工され焼け現象を完全に防止させた加工を実施させることができる。その上、加工を効率的に実施できる。更に、上記羽根部の加工は、同時多軸制御のもとにエンドミル・バフ・研磨の各加工が、手仕上げの動きをモーションキャプチャーティーチングによるフィードバックで材質変化を起こすことなく連続して品質の良い自動加工を実施させることができる。

更に、タービンブレードの加工装置によれば、下記の効果が奏せられる。加工済みのルート部及びシュラウド部に対しては、嵌り合う凹状の型枠で確実に固着できる。また、タービンブレードの羽根部は、位置決めピンと氷結又は石膏又はパラフィン等の固化材で確実に固着できる。そして、筒体内に挿入した羽根部とルート部又はシュラウド部とは、鋼球・砂等の球状材で加圧させることで確実に固持できる。更には、筒体内に挿入した被把持材として砂材を充填するとともに、水等の液体を注入して強固に凝固できる。しかも、何れの加工装置も、被把持材を筒体内から外す操作が簡潔・迅速にできる。

尚、本発明のタービンブレードの加工方法及び加工装置Ｍ０，２００は、上記各実施の形態における構成に限定されず、その発明の要旨内での設計変更が自由にできる。例えば、タービンブレードの加工方法における各加工工程とか把持工程の変更、タービンブレードの加工装置における把持具や加工ヘッドの制御軸数や加工ヘッドの方式の変更、その他の装置における若干の変更、把持具における各方式の使用部材や被把持材・球状材・砂材等の変更も自由にできる。この変更によっても上記タービンブレードの加工方法及び加工装置と同様な作用が得られる。その他の詳細構成の設計変更も可能である。

本発明は、その対象物を航空機のジェットエンジンや発電機用のタービンに使用されるタービンブレードやターボチャージャーのブレード等の実施例で説明したものであるが、様々な製品装置のブレードとしての適用が可能である。

１タービンブレード
１Ａ羽根部
１Ｂルート部
１Ｃシュラウド部
１０羽根把持具
１１筒体
１１Ａ筒片
１１Ｂ副筒片
１３，１３´筒体
２０両端加工部
３０，４０両端把持具
３０ａ，３０ｂ筒体
４０ａ，４０ｂ筒体
５０羽根加工部
６０温度検出部
７０温度制御部
（１）タービンブレード取付工程
（２）充填工程
（３）液体の凝固（氷結）工程
（４）加工工程
（５）タービンブレードの取り外し工程
（２´）蝋顆粒・硬化性樹脂顆粒の充填工程
（３´）溶融工程
（４´）液体の凝固工程
（５´）タービンブブレード両端部の加工工程
（６´）再溶融工程
（７´）タービンブレードの取り外し工程
（Ａ）羽根把持工程
（Ｂ）両端加工工程
（Ｂ１）シュラウド加工工程
（Ｂ２）ルート加工工程
（Ｃ）両端把持工程
（Ｄ）羽根加工工程
Ａ冷凍機
Ｂ冷凍容器
ＢＦバフ
ＢＫベルト研磨
Ｃ冷凍温度制御部
Ｃ１，Ｃ２旋回チャック
ＣＭカメラ
ＥＭエンドミル
Ｅ加熱機
Ｆ加熱容器
Ｇ加熱温度制御部
Ｈ加熱エレメント
Ｊ継手
ＫＨ１加工ヘッド
ＫＨ２加工ヘッド
ＫＭＯ研磨機
Ｍ熟練工
ＭＯタービンブレードの加工装置
Ｏ１凹部
Ｏ２凹部
ＯＰ油圧手段
Ｐ配管
Ｐ１，Ｐ２位置決めピン
ＳＣＯ中央旋回チャック
ＴＫ砥石研磨
Ｖ１，Ｖ２ボルト
Ｗ１液体（水・水道水・純水）
Ｗ２石膏やパラフィン等の蝋顆粒・硬化性樹脂顆粒
Ｗ４球状材
Ｗ５砂材（大・中・小・球・角片の混合物）
ＷＯ溶融液体
１００多軸制御工作機械
１１０冷凍ユニット
１２０加温ユニット
２００タービンブレードの加工装置
３００ＣＮＣ制御装置
３３０モーションキャプチャー制御部
４００凝固部（凝固システム）
５００凝固部（凝固システム）

Claims

タービンブレードの中央に位置する羽根部を把持する羽根把持工程と、上記タービンブレードの露出したルート部とシュラウド部とを同時又は前後して加工する両端加工工程と、上記タービンブレードを羽根把持具から外して加工済みのルート部及びシュラウド部を把持する両端把持工程と、上記タービンブレードの中央に位置する羽根部を変質温度以下で加工する羽根加工工程と、からなるタービンブレードの加工方法において、
上記ルート部とシュラウド部とを加工する両端加工工程及び羽根部を加工する羽根加工工程は、同時多軸制御のもとに加工し、
上記羽根部を加工する羽根加工工程は、同時多軸制御のもとにエンドミル・バフ・研磨からなり、手仕上げの動きをモーションキャプチャーティーチングにより自動加工することを特徴とするタービンブレードの加工方法。
タービンブレードの中央に位置する羽根部を把持する羽根把持具と、上記羽根把持具に把持されてルート部とシュラウド部とを同時又は前後して加工する両端加工部と、上記タービンブレードのルート部及びシュラウド部を把持する両端把持具と、上記タービンブレードの中央に位置する羽根部を変質温度以下で加工する羽根加工部と、を具備したタービンブレードの加工装置において、
上記両端加工部は、同時多軸制御のもとにエンドミル及び研削加工する主軸ヘッドと、タービンブレード材の加工温度を検出する温度検出部とその温度制御部とを備え、
上記主軸ヘッドは、手仕上げの動きをモーションキャプチャーティーチングにより自動加工制御するモーションキャプチャー制御部を備え、
上記羽根加工部は、同時多軸制御のもとにエンドミル・バフ・研磨からなる主軸ヘッドと、タービンブレード材の加工温度を検出する温度検出部とその運転制御部とを備えたものであることを特徴とするタービンブレードの加工装置。
上記羽根把持具は、筒体内に挿入した羽根部を位置決めピンと氷結又は石膏はパラフィン等の凝固材で固着させたものであることを特徴とする請求項２記載のタービンブレードの加工装置。
上記羽根把持具は、筒体内に挿入した羽根部を鋼球・砂・ビーズ等の球状材で加圧固持させたものであることを特徴とする請求項２記載のタービンブレードの加工装置。
上記両端把持具は、筒体内に挿入したルート部及びシュラウド部に各々嵌り合う凹部を設けた一対の蝶番状型枠で固着させ、上記蝶番状型枠にタービンブレードの羽根部を刃物からの押し付け力を受ける反刃物側に受具を設けたものであることを特徴とする請求項２記載のタービンブレードの加工装置。