JP6022686B2 - フライス切削と後続のブラッシングとによって原材料を加工する方法 - Google Patents

Description

本発明は、フライス切削と後続のブラッシングとによって原材料を加工する方法に関する。

本発明の背景で説明されるべきは、蒸気タービンでは、タービンシャフトと動翼との接合部は、最も負荷の大きいコンポーネントに数えられるということである。それゆえ重要なのは、表面近くの固有応力状態を、加工後にできる限り危険のない領域で保持することである。加工の際に、大きすぎる引張固有応力が表面近くの領域で発生すると、この引張固有応力が、駆動応力と重なり合って、亀裂を生むことになりかねない。加工によって、できれば引張固有応力を受けないために、あるいは引張固有応力をわずかしか受けないために、たとえば切断速度と送り速度と切削厚などのような、しっかりと定義された加工パラメータもしくはフライスパラメータが予め設定される。この設定値は大抵、切断速度と送り速度とを減速させ、ひいてはしばしば明らかに加工時間を延ばすことになる。

本願発明の課題は、引張固有応力と結び付いた問題を甘受する必要なしに、より手間のかからない原材料加工を可能にする方法を提供することである。さらに、そのような方法を実行できる装置が提供され得る。

この課題の解決法は、特に独立請求項において明らかになる。従属請求項は、有利な様態を教示する。以下の記述において、さらなる詳細が挙げられている。

本発明に従えば、原材料特に鋼を加工する方法が用意され得ることが認識された。その際速い切削速度でフライス切削されるので、設定値を超えかねない引張固有応力が発生しかねないが、後続のブラッシングによって、設定値を超える引張固有応力が、設定値より低くなる。まず説明されるべきは、切削速度が速い場合でも、常に引張固有応力が望ましくないやり方で発生するとは限らないということである。それでも、切削速度が速い場合に、望ましくない引張固有応力が頻繁に発生するので、これを甘受することはできない。この引張固有応力を設定値より低くするために、本発明に従って意図されるのは、フライス切削の後に原材料をブラッシングすることである。切削速度がより速いフライス切削によって、フライス切削時の手間を大きく削減できるので、後続のブラッシングによる付加的な手間を補う以上のことをするという認識が、このために必要である。その限りにおいて、これは驚くべきことである。なぜなら、不必要な手間を避けるために、一般的に原材料の加工時には、できる限り道具を交換しないからである。

本方法の一実施形態において意図されているのは、溝たとえばクリスマスツリー型溝を、タービンシャフトあるいはホイールディスクにフライス切削することである。冒頭で説明されたように、タービンシャフトは、特に、タービンシャフトと当該タービンシャフトに取り付けられた翼との接合部で強い負荷のかかる部材である。このために、溝が、多くの場合にはクリスマスツリー型の溝が備わっている。クリスマスツリー型溝とは、深くなるにつれて幅が小さくなる、原材料内の凹部である。しかしこれは、均等に行われない。むしろクリスマスツリー型溝の外側は、波形である。それによって、クリスマスツリーに似たプロファイルが生じる。狭窄部に拡張部が隣接する。その後、前の狭窄部よりも幅狭の狭窄部が再び続く。再び隣接する拡張部も、前の拡張部よりも幅が狭いが、すぐ前にあった狭窄部よりも幅広である。対応する形状の部材が、そのようなクリスマスツリー型溝にはめ込まれ得、その中で非常に堅固に固定され得る。クリスマスツリー型溝をまさにフライス切削する際に、望ましくない引張固有応力が発生しかねない。クリスマスツリー型溝の強度にとって非常に重要なのは、様々な領域において、引張固有応力の様々な値を超えないということである。

ホイールディスクも大きい負荷のかかる部品なので、ここでも本発明に係る方法が特別な重要性を持つ。

本方法の一実施形態において達成されるのは、ブラッシングが、引張固有応力を圧縮固有応力に変換することである。引張固有応力は、亀裂形成とそれから結果的に起こるさらなる破損を促進するが、一方で圧縮固有応力は強度にとって好都合ですらある。圧縮固有応力は、亀裂の発生を防ぐ。この場合重要なのは、とりわけ表面近くの領域における引張固有応力が、設定値を超えないことで充分であるということである。

本方法の一実施形態において意図されているのは、ブラッシングは、ブラシの回転運動および／あるいは並進運動によって行われることである。原材料の上でブラシを回転させること、つまり回転運動を実施することは、別の使用のためにたとえば表面の洗浄のために、充分に知れ渡っている。しかし実験は、望ましくない引張固有応力の低下は、並進運動によっても良好に達成され得るという結果をもたらした。これはとりわけ、ブラシはいわばオシレーション運動することによって、行われる。本方法を選択する際にまた重要となるのは、いずれにせよ道具が、別の理由からどの運動に利用可能かということである。たとえば、絶え間ない方向転換を伴う円滑な並進運動に適した加工ロボットがあるならば、それにブラシを固定してよく、その結果並進運動でブラッシングができる。

本方法の一実施形態において、複数のブラシがあるブラシ装置が使用されるので、ブラシ装置によって、同時に複数個所でブラッシングできる。それによって、ブラッシングの加工時間の明白な削減を達成できる。

上述の実施形態の一様態において、クリスマスツリー型溝内の複数の領域を同時にブラッシングできるように、ブラシがブラシ装置に設けられている。上で説明されたように、クリスマスツリー型溝は様々な幅の様々な領域を有する。様々なブラシを有するブラシ装置を用いれば、１つの作業工程でクリスマスツリー型溝の複数の領域を加工できる。たとえば、複数のブラシが取り付けられているスピンドルが備わっていてよい。スピンドルの回転によって、そこに取り付けられたすべてのブラシが回転する。１つのスピンドルに、クリスマスツリー型溝に合わせられている複数のブラシが取り付けられていれば、クリスマスツリー型溝をブラッシングするために、スピンドルをクリスマスツリー型溝の中に入れれば充分である。スピンドルの回転によって、ブラッシングすべきすべての領域がブラッシングされる。この場合説明されるべきは、クリスマスツリー型溝のすべての領域をブラッシングする必要がないということである。もちろん、回転運動と並進運動との組み合わせも考えられ得る。それで、１つのスピンドルが、同時に回転と往復運動とをしてよいであろう。並進運動でのブラッシングによるクリスマスツリー型溝の加工も、同時に複数のブラシで可能である。それで、１つの保持部材に複数のブラシが固定されていてよい。保持部材は、クリスマスツリー型溝に挿入される。クリスマスツリー型溝の中で、保持部材は、１つの側から別の側へと円滑に往復運動する。

本方法のさらなる一実施形態において、ブラシとそこに固定された毛とは、引張固有応力の望ましい低下とブラシ装置の望ましい耐久期間について最適化されており、最適化の際に考慮されているのは、引張固有応力の低下は、毛の材料と、毛の送り込みと、毛の剛性と、ブラッシング開始時に存在する引張固有応力とに依存するということである。まず表わされるべきは、多数の毛がブラシに固定されているように、それぞれのブラシが構成されていることである。ブラシと毛を設計し選択する際に、２つのことを考慮すべきである。まずもちろん保証されるべきは、引張固有応力の望ましい低下が達成されることである。この箇所で言及されるべきは、この引張固有応力の低下が確実に起こることが実際に重要であることである。つまり引張固有応力の低下が、ブラッシングにもかかわらず起こらなければ、損傷が生じる重大な危険がある。これは、大きな物的損害あるいは人的損害にすら繋がりかねないので、ここではしばしば、大きな安全性が要求される。ブラシと毛を選択し最適化する際のさらなる観点は、ブラシ装置の耐久期間である。問題となるのは、ブラシの交換が必要となるまでに、どのくらいの間装置を駆動できるかということである。これは、引張固有応力の確実な低下という前述の要求の目的と対立することになるかもしれない。多くの場合には、引張固有応力を確実に低下させれば毛を早く破損することになるので、耐久期間が減る。個々の場合には、ある程度の実験が必要である。重要なのは、引張固有応力の低下はとりわけ、毛の材料と、毛の送り込みと、毛の剛性と、ブラッシング開始時に存在する引張固有応力とに依存するという認識である。しかしながら、単純な比例あるいはその他の具体的な数学的関連性は、広範囲の実験にもかかわらず確認され得なかった。誤解を防ぐために説明されるのは、毛の送り込みとは、加工すべき原材料にブラシを押し付ける際に、どれだけ毛が曲がるかということと理解されるということである。これは最良には、一例に基づいて理解できる。送り込みが約２ｍｍであれば、ブラシは、ブラッシングすべき原材料にいわば力を入れずに毛が当接する状態から、さらに２ｍｍ原材料に近づいて圧迫されるということである。それによって毛はもちろん、短くはならない。しかし、ある程度の曲げが起こる。これは、毛の剛性に依存して、加工すべき原材料に毛のある程度の押圧力をもたらす。その限りにおいて、送り込みは毛の剛性とともに、引張固有応力の低下に影響を及ぼすことが理解できる。

本方法のさらなる一実施形態において意図されているのは、以下の材料の１つから成るあるいはそれを含有する毛を有するブラシが使用されることである。すなわち、特殊鋼、鋼、たとえば真鍮あるいは銅が含まれる非鉄金属、プラスチック、研磨材が入れられたプラスチック、天然毛である。特殊鋼はたとえば、材料番号１．４３０１の特殊鋼（Ｘ５ＣｒＮｉ１８−１０）であってよい。プラスチックは、ポリエステル、ポリアミド、ポリエチレンなどであってよい。もちろん、多数の別のプラスチックも考えられ得る。上で説明されたように、最適な材料を見つけ出すために、個々の場合においてある程度の実験が必要である。この箇所で言及されるべきは、毛の仕上がりは、波形あるいは直線状あるいは編み込み状であってよく、ブラッシングの結果に影響を及ぼすということである。

毛の直径が約０．１５ｍｍから約０．３５ｍｍであり、かつ引張強度が約１５００Ｎ／ｍｍ^２から約２４００Ｎ／ｍｍ^２の、特殊鋼ワイヤから成る毛を有するブラシを使用すれば、都合がよいことが分かった。たとえば、約１８００Ｎ／ｍｍ^２から約２１００Ｎ／ｍｍ^２の引張強度が問題となる。上述の値は、低合金の焼き入れ鋼において、望ましいやり方で引張固有応力を低下させるために合理的であると立証された。毛の直径に対する毛の長さの合理的な比率の広い範囲がある。それで、約３０から約５００の値が証明された。

一般的にさらに説明されるべきは、ブラッシングの結果にとって、すでに言及された影響の大きさのほかに、毛の結束の仕方も重要となることである。この場合顧慮すべきは、毛がいわゆるコアワイヤから出ているということである。この場合、コアワイヤ断面、たとえば円形あるいは正方形のコアワイヤ断面が、影響し得る。一般的にさらに説明されるべきは、一般にブラッシングの効果つまり引張固有応力の低下は、毛の剛性を上げることと、送り込みを増やすことと、植毛密度つまり面積当たりの毛の数を増やすことと、ブラッシング速度を上げることとによって、時間間隔ごとに高めることができるということである。それでも指摘されるべきは、不適切なブラッシングパラメータが、ある領域において再び引張固有応力をもたらすか、あるいは表面の損傷をもたらしかねないということである。毛の剛性を上げるためには、毛の長さが短く毛の直径が大きいことが合理的である。毛の剛性は、毛を編み込み状に実施することによっても促進される。しかしその際顧慮すべきは、毛の剛性が高ければ、コアワイヤでの毛の結束に負荷をかけ、それによってブラシの耐久期間が減るということである。しかも、送り込みが増え、それに伴って毛に強い負荷をかけて湾曲させれば、耐久期間が減る。耐久期間は、植毛密度が低いことによっても減る。毛の材料の耐湾曲性の低さによって引き起こされ得る毛の破壊も、ブラシの耐久期間を減少させる。たとえば毛の弾力性が低いことによる毛の可塑的な変形も、毛の結束の悪さと同様に、ブラシの耐久期間の減少をもたらす。すでに言及したように、実験によって最適化を促進すべきである。

本方法の一実施形態において意図されているのは、フライス切削は、高速度鋼切削材あるいは超硬合金切削材によって行われるということである。そのような切削材によって、速い切削速度を達成できる。その際引き起こされる引張固有応力は、上述されたように、ブラッシングによって再び取り除くことができる。

本方法の一実施形態において、３８ｍｍ／ｍｉｎまで、たとえば約１３ｍｍ／ｍｉｎまでのフライス送りで作業するのが可能である。このような高いフライス送りは、上述の高速度鋼切削材あるいは超硬合金切削材によって行われ得る。３８ｍｍ／ｍｉｎまでのフライス送りには、とりわけ超硬合金切削材が適している。約１３ｍｍ／ｍｉｎで充分であれば、高速度鋼切削材がよい選択である。

上述の方法を実行するために形成されているブラシ装置も必要とされる。

一様態において、このブラシ装置は、輪郭がフライス切削されるべき溝に合わせられているブラシを備える。そうして、たとえばブラシが、ブラッシングすべきクリスマスツリー型溝に、上で描写されたように、合わせられている。

本発明のさらなる細部は、概略図に基づいてより詳細に記述される。図に示されるのは以下である。

ブラッシング前後の固有応力の経過の領域である。 クリスマスツリー型溝の溝プロファイルと付随する引張固有応力要求である。 個別のブラシの断面図である。 クリスマスツリー型溝をブラッシングするための、異なる大きさの複数のブラシである。 共通のスピンドルに付いている様々な大きさの３つのブラシである。

図１において、ブラッシング前後の固有応力の経過の領域が示されている。右に向かって、深さがマイクロメートルで表示されている。上に向かっては、固有応力がＭＰａで表示されている。真ん中の水平線は、固有応力０を示している。つまりそこには、引張固有応力も圧縮固有応力も存在しない。この線の上の領域には、引張固有応力が存在する。この線の下の領域には、圧縮固有応力が存在する。

右上がり斜線の領域つまり２本の破線の間の領域は、速い切削速度でフライス切削された原材料の固有応力が、ブラッシング前にどの領域にあるかを示している。その際認識され得るのは、多くの場合、望ましくない引張固有応力が存在するということである。もちろん、圧縮固有応力がある場合もある。左上がり斜線の領域つまり２本の実線の間の領域は、ブラッシング後の固有応力値を示している。常に圧縮固有応力が存在するということが認識され得る。そのような圧縮固有応力は望ましい。なぜならそれによって、亀裂の発生が特別良好に防止されるからである。

図２は、クリスマスツリー型溝１を示している。認識され得るのは、第１狭窄領域２である。この第１狭窄領域２は、当該領域内に円形に突入している溝輪郭３に囲まれている。溝輪郭３は、対応するフライス切削によってもたらされる。狭窄領域２から上部拡張領域４への移行部で溝輪郭３を見てみると、支持側面として形成された第１漸拡領域５が原材料において認識され得る。第１漸拡領域５に、第１外側半径領域６が隣接する。第１狭窄領域２よりも幅狭の第２狭窄領域７への移行部で、外側半径領域６に第１漸狭領域８が隣接する。溝輪郭３をさらに追えば、クリスマスツリー型溝１では、第２拡張領域９で再び拡張部がもたらされる。原材料において、さらなる支持側面である第２漸拡領域１０が認識され得る。

第２漸拡領域１０に外側半径領域１１が続き、当該外側半径領域１１に第２漸狭領域１２が続く。つまり、クリスマスツリー型溝が正確にどのように見えるか明らかである。外側半径領域では、フライス加工の後、できるだけ低い引張固有応力が存在しているべきである。かかる負荷がより低い内側縁辺部領域では、このような要求はない。

図３は、個別のブラシ１４の断面図を示している。認識され得るのは、２つのコアワイヤ１６、１７を有するコア１５である。そこから毛１８が出ている。毛１８は、セグメント１９で切り離されている。

図４は、クリスマスツリー型溝１におけるブラシの配置を示している。その際、第１拡張領域４内のブラシ１４と、第２拡張領域９のためのより小さいブラシ２０と、下部拡張領域１３のためのさらに小さいブラシ２１とが表わされている。一目瞭然にするために、クリスマスツリー型溝１のいくつかの参照番号がここでは省略されており、その点では、図１が指摘される。表わされているのは、溝輪郭３を越えて突出する毛１８である。これはもちろん、毛１８が実際に原材料に突入するというようなこととは理解され得ない。これはむしろ、毛１８がその長さゆえに、本来ならば溝輪郭３を越えて突出するであろうということを分かりやすくしたものである。毛１８は、ブラッシングすべき原材料によって突出するのを妨げられるので、さらに上で述べられた毛１８の送り込みが行われる。

図５は、ブラシ装置２２のイラストを示している。認識され得るのは、スピンドル２３である。このスピンドル２３に、３つのブラシ、すなわち大きめのブラシ１４と、中くらいの大きさのブラシ２０と、小さめのブラシ２１とが取り付けられている。スピンドル２３の回転で、ブラシ１４、２０、２１が回転する。それによって、回転ブラッシングが行われる。

模範的には、クリスマスツリー型溝１は、２６ＮｉＣｒＭｏＶ１４５から成る、面削りされた円形の材料に形成されている。ブラシは、模範的に直径が０．３５ｍｍで引張強度が１．８ｋＮ／ｍｍから２．１ｋＮ／ｍｍの特殊鋼ワイヤから成る毛１８から構成されている。ブラシは編み込みされており、毛の長さは３０ｍｍである。ブラッシングの際に、模範的には、１５０回のダブルストロークと１ｍ／ｓの平均ブラッシング速度とで、２ｍｍから３．５ｍｍの送り込みが選択される。

プロセスを監視するために、回転ブラッシングのためにトルクセンサと、並進ブラッシングのために力センサが備わっている。ブラシの摩耗が増加するにつれ、伝達されるトルクもしくは力は減少する。ブラシの摩耗が早すぎれば、ブラシ交換を準備できる。誤ったブラシが使用されれば、あるいはブラシが使用されなければ、この種の監視は同様に反応する。

本発明は、好ましい実施例によって、細部においてより詳細に図解されかつ記述されたが、本発明は開示された例によって限定されるものではなく、別のヴァリエーションが、本発明の保護範囲から離れることなく、当業者によって本発明から導き出されてよい。

１ クリスマスツリー型溝
２ 第１狭窄領域
３ 溝輪郭
４ 第１拡張領域
５ 第１漸拡領域
６ 第１外側半径領域
７ 第２狭窄領域
８ 第１漸狭領域
９ 第２拡張領域
１０ 第２漸拡領域
１１ 第２外側半径領域
１２ 第２漸狭領域
１３ 下部拡張領域
１４ ブラシ
１５ コア
１６ コアワイヤ
１７ コアワイヤ
１８ 毛
１９ セグメント
２０ ブラシ
２１ ブラシ
２２ ブラシ装置
２３ スピンドル

Claims (17)

1. 鋼である原材料を加工する方法であって、
   当該方法では、設定値を超える表面近くの引張固有応力を発生する速い切削速度でフライス切削が実施され、後続のブラッシングによって、前記設定値を超える引張固有応力が、前記設定値より低くなるように低減されることを特徴とする方法。
2. 溝が、タービンシャフトあるいはホイールディスクにフライス切削されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記溝がクリスマスツリー型溝（１）であることを特徴とする請求項２に記載の方法。
4. ブラッシングが、引張固有応力を圧縮固有応力に変換することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の方法。
5. ブラッシングは、並進運動および回転運動の少なくとも１つによって達成されることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の方法。
6. 複数のブラシ（１４、２０、２１）が設けられたブラシ装置（２２）が使用され、該ブラシ装置（２２）によって、同時に複数個所（５、６、８、１０、１１、１２）でブラッシングできることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の方法。
7. クリスマスツリー型溝である溝が、タービンシャフトあるいはホイールディスクにフライス切削され、
   前記クリスマスツリー型溝の複数の領域（５、６、８、１０、１１、１２）を同時にブラッシングできるように、前記ブラシ（１４、２０、２１）が前記ブラシ装置（２２）に設けられていることを特徴とする請求項６に記載の方法。
8. 複数のブラシ（１４、２０、２１）が設けられたブラシ装置（２２）が使用され、
   前記ブラシ（１４、２０、２１）と前記ブラシ（１４、２０、２１）に固定された毛（１８）とは、引張固有応力の所望の低下と前記ブラシ装置（２２）の所望の耐久期間について最適化されており、前記最適化は、引張固有応力の低下が、前記毛（１８）の材料と、該毛（１８）の送り込みと、毛の剛性と、毛の速度と、植毛密度と、ブラッシング開始時に存在する引張固有応力とに依存するということに基づいて決定されることを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の方法。
9. 複数のブラシ（１４、２０、２１）が設けられたブラシ装置（２２）が使用され、
   以下の材料、すなわち、特殊鋼、鋼、非鉄金属、プラスチック、研磨材が入れられたプラスチック、天然毛の１つから成るあるいは前記材料のうちの１つを含有する毛（１８）を有するブラシ（１４、２０、２１）が使用されることを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載の方法。
10. 前記非鉄金属は、真鍮あるいは銅を含むことを特徴とする請求項９に記載の方法。
11. 毛の直径が０．１５ｍｍから０．３５ｍｍであり、かつ引張強度が１５００Ｎ／ｍｍ^２から２４００Ｎ／ｍｍ^２の、特殊鋼ワイヤから成る毛（１８）を有するブラシ（１４、２０、２１）が使用されることを特徴とする請求項１から１０のいずれか１項に記載の方法。
12. 毛の直径が０．１５ｍｍから０．３５ｍｍであり、かつ引張強度が１８００Ｎ／ｍｍ^２から２１００Ｎ／ｍｍ^２の、特殊鋼ワイヤから成る毛（１８）を有するブラシ（１４、２０、２１）が使用されることを特徴とする請求項１から１０のいずれか１項に記載の方法。
13. 毛（１８）が固定される複数のブラシ（１４、２０、２１）が設けられたブラシ装置（２２）が使用され、
    前記毛（１８）は、毛の直径に対する毛の長さの比率が３０から５００であることを特徴とする請求項１から１２のいずれか１項に記載の方法。
14. フライス切削は、高速度鋼切削材あるいは超硬合金切削材によって行われることを特徴とする請求項１から１３のいずれか１項に記載の方法。
15. フライス切削は、３８ｍｍ／ｍｉｎまでのフライス送りで行われることを特徴とする請求項１から１４のいずれか１項に記載の方法。
16. フライス切削は、１３ｍｍ／ｍｉｎまでのフライス送りで行われることを特徴とする請求項１から１４のいずれか１項に記載の方法。
17. 請求項１から１６のいずれか１項に記載の方法を実行するために形成されているブラシ装置（２２）であって、
    前記ブラシ装置（２２）は、輪郭がフライス切削されるべき溝（１）に合わせられているブラシ（１４、２０、２１）を備えており、
    前記溝（１）は、タービンシャフトあるいはホイールディスクに形成されており、かつクリスマスツリー型溝（１）であることを特徴とするブラシ装置（２２）。

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