JP6288283B2 - 中空回転シャフト仕上げ方法及び中空回転シャフト - Google Patents

中空回転シャフト仕上げ方法及び中空回転シャフト Download PDF

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Description

本発明は、所定の内径を有した中空回転シャフトの外周部を軸方向(中空回転シャフトの軸方向)に沿って所定の外径に仕上げるための中空回転シャフト仕上げ方法等に関する。
一般に、ガスタービンに用いられるタービン軸等の中空回転シャフトの外周部を軸方向に沿って所定の外径に仕上げる場合には、次のように行う。
即ち、まず、中空回転シャフトの外周部を加工するための仮想の基準軸心を設定する。続いて、切削工具を用い、中空回転シャフトを仮想の基準軸心周りに回転させた状態で、切削工具に切り込みを与え、切削工具を軸方向へ中空回転シャフトに対して相対的に移動させることにより、中空回転シャフトの外周部に対して軸方向に沿って切削加工を行う。そして、動バランス測定器によって,実回転数より小さい回転数で,中空回転シャフトの軸方向の両端側のアンバランス量を測定し、その測定結果に基づいて、中空回転シャフトの軸の両端側のバランスランドを削ることにより、中空回転シャフトのバランス調整を行う。
なお、本発明に関連する先行技術として特許文献1から特許文献3に示すものがある。
特開2011−73525号公報 特開2000−320615号公報 特開平7−167731号公報
ところで、前述のように、中空回転シャフトの軸の両端側のバランスランドを削ることによって中空回転シャフトのバランス調整を行っており、中空回転シャフトの軸方向の中央部にアンバランスが残存する傾向にある。そのため、中空回転シャフトをガスタービン等の回転機械に用いた場合に、中空回転シャフトの回転数の増大に伴い、中空回転シャフトの軸方向の中央部の振れが大きくなることが懸念され、高回転時における中空回転シャフトの信頼性の更なる向上が望まれている。
そこで、本発明は、前述の問題を解決することができる、新規な構成の中空回転シャフト仕上げ方法等を提供することを目的とする。
本発明の第1の特徴は、所定の内径を有した中空回転シャフトの外周部(外周面)を軸方向に沿って所定の外径に仕上げるための中空回転シャフト仕上げ方法(中空回転シャフトの仕上げ方法)において、前記中空回転シャフトの外周部を加工するための仮想の基準軸心を設定する設定ステップと、前記設定ステップの終了後に、前記仮想の基準軸心に対する前記中空回転シャフトの内周部(内周面)の中心位置の偏心ベクトル(偏心ベクトルの方向と大きさ)を前記軸方向に沿って測定する測定ステップと、前記測定ステップの終了後に、切削工具を用い、前記中空回転シャフトを前記仮想の基準軸心周りに回転させた状態で、前記切削工具に切り込みを与え、前記中空回転シャフトの外周部の中心位置(実際の加工中心)が前記仮想の基準軸心に対して前記内周部の偏心ベクトルの方向(偏心方向)と同じ方向かつ前記内周部の偏心ベクトルの大きさ(偏心量)に応じた分だけ偏心するように、前記切削工具を前記仮想の基準軸心に直交する方向へ位置調節しながら、前記切削工具を前記軸方向へ前記中空回転シャフトに対して相対的に移動させることにより、前記中空回転シャフトの外周部に対して前記軸方向に沿って切削加工を行う切削加工ステップと、を具備したことを要旨とする。
ここで、前記内周部の偏心ベクトルの大きさに応じた分は、前記内周部の偏心ベクトルの大きさ×(所定の内径2/所定の外径2)である場合と、前記内周部の偏心ベクトルの大きさと同じ大きさである場合がある。
なお、本願の明細書及び特許請求の範囲の記載において、「軸方向」とは、中空回転シャフトの軸方向のことをいう。また、「所定の内径」とは、予め設定した内径のことをいい、その値(所定の内径の値)が軸方向に沿って一定でなくても構わない。「所定の外径」とは、予め設定した外径のことをいい、その値(所定の外径の値)が軸方向に沿って一定でなくても構わない。また、「測定する」とは、直接的に測定する他に、相関する測定結果に基づいて演算等することも含む意であって、「切削工具」とは、切削バイト、切削砥石(研削砥石)等を含む意である。
本発明の特徴によると、前記中空回転シャフトの外周部に対して前記軸方向に沿って切削加工を行う際に、前記中空回転シャフトの外周部の中心位置が前記仮想の基準軸心に対して前記偏心ベクトルの方向と同じ方向かつ前記偏心ベクトルの大きさに応じた分だけ偏心するように、前記切削工具を前記仮想の基準軸心に直交する方向へ位置調節しているため、前記中空回転シャフトのアンバランスを前記軸方向に沿ってゼロにするか又はゼロに近づけることができる。換言すれば、前記中空回転シャフトの前記軸方向の両端側のアンバランスだけでなく、前記中空回転シャフトの前記軸方向の中央部のアンバランスをゼロにするか又はゼロに近づけることができる。
本発明によれば、前記中空回転シャフトの前記軸方向の両端側及び中央部のアンバランスをゼロにするか又はゼロに近づけることができるため、前記中空回転シャフトを回転機械に用いた場合に、前記中空回転シャフトの回転数が増大しても、前記中空回転シャフトの振れを十分に抑えて、高回転時における前記中空回転シャフトの信頼性の更なる向上を図ることができる。
図1(a)は、本発明の実施形態に係る中空回転シャフト仕上げ方法における設定ステップを説明する図であって、内周部の振れの測定装置の正面側から見た模式図、図1(b)は、図1(a)におけるIB-IB線に沿った図、図1(c)は、図1(a)におけるIC-IC線に沿った図、図1(d)は、図1(a)におけるID-ID線に沿った図である。 図2は、本発明の実施形態に係る中空回転シャフト仕上げ方法における設定ステップを説明する図であって、マシニングセンタあるいは旋盤の上側から見た模式図である。 図3は、本発明の実施形態に係る中空回転シャフト仕上げ方法における中間切削加工ステップを説明する図であって、マシニングセンタあるいは旋盤の上側から見た模式図である。 図4は、本発明の実施形態に係る中空回転シャフト仕上げ方法における中間切削加工ステップを説明する図であって、マシニングセンタあるいは旋盤の上側から見た模式図である。 図5は、本発明の実施形態に係る中空回転シャフト仕上げ方法における測定ステップを説明する図であって、バランス調整用のマシニングセンタあるいは旋盤の上側から見た模式図である。 図6(a)は、中間切削加工ステップの終了後における中空回転シャフトの軸方向の一端側と他端側の中間の任意断面を示す図、図6(b)は、図6(a)における矢視部VIBの拡大図である。 図7は、本発明の実施形態に係る中空回転シャフト仕上げ方法における切削加工ステップを説明する図であって、バランス調整用のマシニングセンタあるいは旋盤の上側から見た模式図である。 図8(a)は、仮想の基準軸心に対する中空回転シャフトの外周部の中心位置の偏心ベクトルの大きさが中空回転シャフトの内周部における中心位置の偏心ベクトルの大きさ×(Ri2/Ro2)である場合を示す拡大図、図8(b)は、中空回転シャフトの軸方向の一端側と他端側の中間の任意断面において、中空回転シャフトの内側部分の単位長さ当たりのアンバランスと中空回転シャフトの外側部分の単位長さ当たりのアンバランスを説明する図である。 図9(a)は、仮想の基準軸心に対する中空回転シャフトの外周部の中心位置の偏心ベクトルの大きさが中空回転シャフトの内周部の中心位置の偏心ベクトルの大きさと同じ大きさである場合を示す拡大図、図9(b)は、中空回転シャフトの軸方向の一端側と他端側の中間の任意断面において、中空回転シャフトの内側部分の単位長さ当たりのアンバランスと中空回転シャフトの外側部分の単位長さ当たりのアンバランスを説明する図である。
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
図1及び図7等に示すように、本発明の実施形態に係る中空回転シャフト仕上げ方法(中空回転シャフトの仕上げ方法)は、所定の内径Riを有した中空回転シャフト10の外周部(外周面)10oを軸方向(中空回転シャフト10の軸方向)に沿って所定の外径Roに仕上げるための方法である。また、本発明の実施形態に係る中空回転シャフト仕上げ方法は、(i)設定ステップと、(ii)中間切削加工ステップと、(iii)測定ステップと、(iv)切削加工ステップとを具備している。ここで、本発明の実施形態に係る中空回転シャフト仕上げ方法の仕上げ対象である中空回転シャフト10は、模式的に図示されているが、例えば特開2000−320615号公報(前述の特許文献2)に示すような航空用ガスタービンに用いられる低圧タービン軸である。そして、中空回転シャフト仕上げ方法における各ステップの具体的な内容は、以下のようになる。
(i)測定ステップ
図1(a)(b)(c)(d)に示すように、中空回転シャフト10を内径の振れ測定装置(一部のみ図示)の一対のシャフト支持機構12,14に水平な状態でセットする。次に、インジケータ等の振れ測定器16を用い、中空回転シャフト10をその軸心(中空回転シャフト10の軸心)10c周りに回転させながら、振れ測定器16によって中空回転シャフト10の内周部(内周面)10iにおける軸方向の両端部側及び中央部側の基準の位置(一点鎖線で示す位置)に対する振れを測定する。そして、中空回転シャフト10の内周部10iにおける軸方向の中央部側の振れを重視しつつ、振れ測定器16からの測定結果に基づいて、中空回転シャフト10の外周部10oを加工するための仮想の基準軸心VS(図2参照)を仮設定する。また、一対のシャフト支持機構12,14による支持状態を解除して、中空回転シャフト10を内径の振れ測定装置から取り外す。
中空回転シャフト10を内径の振れ測定装置から取り外した後に、図2に示すように、中空回転シャフト10の仮想の基準軸心VSをマシニングセンタあるいは旋盤(一部のみ図示)の主軸18の軸心に一致させた状態で、主軸18のチャック20によって中空回転シャフト10の外周部10oの軸方向の一端部を把持する。また、マシニングセンタあるいは旋盤の振れ止め機構22によって中空回転シャフト10の外周部10oの軸方向の他端部側を回転可能に支持する。これにより、中空回転シャフト10をマシニングセンタあるいは旋盤の所定位置にセットすることができる。
中空回転シャフト10をマシニングセンタあるいは旋盤にセットした後に、切削バイト24を用い、中空回転シャフト10を仮想の基準軸心VS周りに主軸18と一体的に回転させた状態で、切削バイト24に切り込みを与え、中空回転シャフト10の外周部10oの軸方向の両端側に対して切削加工を行う。これにより、中空回転シャフト10の外周部10oの軸方向の両端側に仮想の基準軸心VSを特定するための基準面10af,10bfをそれぞれ形成して、仮想の基準軸心VSを最終的に設定する。
(ii)中間切削加工ステップ
測定ステップの終了後に、図3に示すように、振れ止め機構22を軸方向(仮想の基準軸心VSの方向)に位置調節して、振れ止め機構22によって中空回転シャフト10の基準面10bfを回転可能に支持する。そして、中空回転シャフト10を仮想の基準軸心VS周りに主軸18と一体的に回転させた状態で、切削バイト24に切り込みを与え、切削バイト24を軸方向へ移動させることにより、中空回転シャフト10の外周部10oにおける軸方向の一端部を除く部位に対して切削加工を行う仕上げ代を残して中間切削加工を行う。また、内径加工用の切削工具(図示省略)を用い、中空回転シャフト10の内周部10iの軸方向の他端部に対して内径仕上げ加工を行って、内径端部10bsを形成する。
続いて、図4に示すように、主軸18のチャック20による把持状態及び振れ止め機構22による支持状態を解除して、主軸18のチャック20によって中空回転シャフト10の外周部10oの軸方向の一端部を把持すると共に、振れ止め機構22によって中空回転シャフト10の他端部側を回転可能に支持する。そして、中空回転シャフト10を仮想の基準軸心VS周りに主軸18と一体的に回転させた状態で、切削バイト24に切り込みを与え、切削バイト24を軸方向へ移動させることにより、中空回転シャフト10の外周部10oの軸方向の一端部に対して切削加工を行う切削加工を行う。また、内径加工用の切削工具を用い、中空回転シャフト10の内周部10iの軸方向の一端部に対して内径仕上げ加工を行って、内径端部10asを形成する。更に、主軸18のチャック20による把持状態及び振れ止め機構22による支持状態を解除して、中空回転シャフト10をマシニングセンタあるいは旋盤から取り外す。
(iii)測定ステップ
中間切削加工ステップの終了後に、図5に示すように、中空回転シャフト10の仮想の基準軸心VSをバランス調整用のマシニングセンタあるいは旋盤(一部のみ図示)の主軸26の軸心に一致させた状態で、主軸26のチャック28によって中空回転シャフト10の外周部10oの軸方向の一端部を把持する。また、バランス調整用のマシニングセンタあるいは旋盤の振れ止め機構30によって中空回転シャフト10の外周部10oの軸方向の他端部側を回転可能に支持する。これにより、中空回転シャフト10をバランス調整用のマシニングセンタあるいは旋盤の所定位置にセットすることができる。
中空回転シャフト10をバランス調整用のマシニングセンタあるいは旋盤にセットした後に、仮想の基準軸心VSに対して直交する方向へ移動可能な超音波接触子32を用い、超音波接触子32を中空回転シャフト10の外周部10oに例えば水等の超音波接触媒質を介して接触させた状態で、中空回転シャフト10を仮想の基準軸心VS周りに主軸26と一体的に回転させることにより、超音波接触子32によって中空回転シャフト10の厚みの周方向(中空回転シャフト10の周方向)の変動を測定する。併せて、超音波接触子32に設けられた例えばレーザ変位計等の位置測定器34を用い、位置測定器34によって仮想の基準軸心VSに直交する方向における超音波接触子32の位置の周方向の変動を測定する。更に、超音波接触子32及び位置測定器34による測定を軸方向に沿って連続的又は間欠的に行う。そして、超音波接触子32及び位置測定器34からの測定結果に基づいて、バランス調整用のマシニングセンタあるいは旋盤のコントローラ(図示省略)によって仮想の基準軸心VSに対する中空回転シャフト10の内周部10iの中心位置CPiの偏心ベクトルΔDi(偏心ベクトルΔDiの方向と大きさ)を軸方向に沿って演算(算出)する。換言すれば、超音波接触子32及び位置測定器34を用いて、仮想の基準軸心VSに対する中空回転シャフト10の内周部10iの中心位置CPiの偏心ベクトルΔDiを軸方向に沿って測定する(図6(a)(b)参照)。なお、図6(a)中、仮想の基準軸心VSを中心とする仮想の円VCを図示してある。
ここで、超音波接触子32及び位置測定器34を用いる代わりに、インジケータ等の振れ測定器16を用いて、仮想の基準軸心VSに対する中空回転シャフト10の内周部10iにおける中心位置の偏心ベクトルΔDiを軸方向に沿って測定しても構わない。
(iv)切削加工ステップ
測定ステップの終了後に、図7に示すように、サーボモータ(図示省略)の駆動によって仮想の基準軸心VSに対して直交する方向へ移動可能な仕上げ用の切削バイト36を用い、中空回転シャフト10を仮想の基準軸心VS周りに主軸26と一体的に回転させた状態で、仕上げ用の切削バイト36に切り込みを与え、仕上げ用の切削バイト36を軸方向へ移動させることにより、中空回転シャフト10の外周部10oに対して軸方向に沿って切削加工を行う。この際に、中空回転シャフト10の外周部10oの中心位置(実際の加工中心)CPoが仮想の基準軸心VSに対して偏心ベクトルΔDiの方向(偏心方向)と同じ方向かつ偏心ベクトルΔDiの大きさ(偏心量)|ΔDi|に応じた分だけ偏心するように、サーボモータの駆動により仕上げ用の切削バイト36を仮想の基準軸心VSに直交する方向へ位置調節する(図8(a)及び図9(a)参照)。ここで、偏心ベクトルΔDiの大きさ|ΔDi|に応じた分、換言すれば、仮想の基準軸心VSに対する中空回転シャフト10の外周部10oの中心位置CPoの偏心ベクトルΔDoの大きさ|ΔDo|は、偏心ベクトルΔDiの大きさ|ΔDi|×(Ri2/Ro2)である場合(図8(a)参照)と、偏心ベクトルΔDiの大きさ|ΔDi|と同じ大きさである場合(図9(a)参照)がある。
以上により、中空回転シャフト10のアンバランスを除去または削減を行いながら、中空回転シャフト10の外周部10oを軸方向に沿って所定の外径Roに仕上げることができる。
続いて、本発明の実施形態の作用及び効果について説明する。
仕上げ用の切削バイト36を用いて、中空回転シャフト10の外周部10oに対して軸方向に沿って切削加工を行う際に、中空回転シャフト10の外周部10oにおける中心位置CPoが仮想の基準軸心VSに対して偏心ベクトルΔDiの方向と同じ方向かつ偏心ベクトルΔDiの大きさ|ΔDi|に応じた分だけ偏心するように、仕上げ用の切削バイト36を仮想の基準軸心VSに直交する方向へ位置調節しているため、中空回転シャフト10のアンバランスを軸方向に沿ってゼロにするか又はゼロに近づけることができる。換言すれば、中空回転シャフト10の軸方向の両端側のアンバランスだけでなく、中空回転シャフト10の軸方向の中央部のアンバランスをゼロにするか又はゼロに近づけることができる。
より具体的に言えば、図8(b)及び図9(b)に示すように、中空回転シャフト10の軸方向の一端側と他端側の中間の任意断面において、中空回転シャフト10における仮想の円VCから内周部10iまでの内側部分の単位長さ当たりのアンバランスAiの方向は、偏心ベクトルΔDiの方向と反対方向で、アンバランスAiの大きさは、|ΔDi|×πRi2になる。また、中空回転シャフト10における仮想の円VCから外周部10oまでの外側部分の単位長さ当たりのアンバランスAoの方向は、偏心ベクトルΔDoの方向と同じ方向で、アンバランスAoの大きさは、|ΔDo|×πRo2になる。そして、図8(b)に示すように、偏心ベクトルΔDoの大きさ|ΔDo|が偏心ベクトルΔDiの大きさ|ΔDi|×(Ri2/Ro2)である場合には、アンバランスAiとアンバランスAoが相殺され、中空回転シャフト10のアンバランスをゼロにすることができる。図9(b)に示すように、偏心ベクトルΔDo偏心ベクトルΔDoの大きさ|ΔDo|が偏心ベクトルΔDiの大きさ|ΔDi|と同じである場合には、アンバランスをゼロすることはできないが、ゼロに近づけることができる。
従って、本発明の実施形態によれば、中空回転シャフト10の軸方向の両端側及び中央部のアンバランスをゼロするか又はゼロに近づけることができるため、中空回転シャフト10を航空用ガスタービンに用いた場合に、中空回転シャフト10の回転数が増大しても、中空回転シャフト10の振れを十分に抑えて、高回転時における中空回転シャフト10の信頼性の更なる向上を図ることができる。
なお、本発明は、前述の実施形態の説明に限られるものではなく、種々の態様で実施可能である。また、本発明に包含される権利範囲は、中空回転シャフト仕上げ方法によって仕上げられた中空回転シャフト10にも及ぶものである。
ΔDi:中空回転シャフトの内周部における中心位置の偏心ベクトル、ΔDo:中空回転シャフトの外周部における中心位置の偏心ベクトル、Ai:中空回転シャフトの内側部分の単位長さ当たりのアンバランス、Ao:中空回転シャフトの外側部分の単位長さ当たりのアンバランス、CPi:中空回転シャフトの内周部における中心位置、CPo:中空回転シャフトの外周部における中心位置、VC:仮想の円、VS:仮想の基準軸心、10:中空回転シャフト、10af:基準面、10bf:基準面、10i:内周部、10o:外周部、12:シャフト支持機構、14:シャフト支持機構、16:振れ測定器、18:主軸、20:チャック、22:振れ止め機構、24:切削バイト、26:主軸、28:チャック、30:振れ止め機構、32:超音波接触子、34:位置測定器、36:切削バイト

Claims (6)

  1. 所定の内径を有した中空回転シャフトの外周部を前記中空回転シャフトの軸方向に沿って所定の外径に仕上げるための中空回転シャフト仕上げ方法において、
    前記中空回転シャフトの外周部を加工するための仮想の基準軸心を設定し、前記仮想の基準軸心は前記中空回転シャフトの軸心を基準として前記中空回転シャフトの内周部の振れの測定結果を考慮して設定される設定ステップと、
    前記設定ステップの終了後に、前記仮想の基準軸心に対する前記中空回転シャフトの内周部における中心位置の偏心ベクトルを前記軸方向に沿って測定する測定ステップと、
    前記測定ステップの終了後に、切削工具を用い、前記中空回転シャフトを前記仮想の基準軸心周りに回転させた状態で、前記切削工具に切り込みを与え、前記中空回転シャフトの外周部における中心位置が前記仮想の基準軸心に対して前記偏心ベクトルの方向と同じ方向かつ前記偏心ベクトルの大きさに応じた分だけ偏心するように、前記切削工具を前記仮想の基準軸心に直交する方向へ位置調節しながら、前記切削工具を前記軸方向へ前記中空回転シャフトに対して相対的に移動させることにより、前記中空回転シャフトの外周部に対して前記軸方向に沿って切削加工を行う切削加工ステップと、を具備したことを特徴とする中空回転シャフト仕上げ方法。
  2. 前記偏心ベクトルの大きさに応じた分は、前記偏心ベクトルの大きさ×(所定の内径2/所定の外径2)であることを特徴とする請求項1に記載の中空回転シャフト仕上げ方法。
  3. 前記偏心ベクトルの大きさに応じた分は、前記偏心ベクトルの大きさと同じ大きさであることを特徴とする請求項1に記載の中空回転シャフト仕上げ方法。
  4. 前記測定ステップは、前記直交する方向へ移動可能な超音波接触子を用い、前記超音波接触子を前記中空回転シャフトの外周部に超音波接触媒質を介して接触させた状態で、前記中空回転シャフトを前記仮想の基準軸心周りに回転させることにより、前記超音波接触子によって前記中空回転シャフトの厚みの周方向の変動を測定し、併せて、位置測定器によって前記直交する方向における前記超音波接触子の位置の周方向の変動を測定し、更に、前記超音波接触子及び前記位置測定器による測定を前記軸方向に沿って行い、前記超音波接触子及び前記位置測定器からの測定結果に基づいて、前記仮想の基準軸心に対する前記中空回転シャフトの内周部における中心位置の偏心ベクトルを前記軸方向に沿って演算することを特徴とする請求項1から請求項3のうちのいずれか1項に記載の中空回転シャフト仕上げ方法。
  5. 前記設定ステップの終了後でかつ前記切削加工ステップの開始前に、前記中空回転シャフトを前記仮想の基準軸心周りに回転させた状態で、前記切削工具に切り込みを与え、前記切削工具を前記軸方向へ前記中空回転シャフトに対して相対的に移動させることにより、前記中空回転シャフトの外周部に対して前記軸方向に沿って仕上げ代を残して中間切削加工を行う中間切削加工ステップを具備したことを特徴とする請求項1から請求項4のうちのいずれか1項に記載の中空回転シャフト仕上げ方法。
  6. 前記中空回転シャフトは、ガスタービンに用いられるタービン軸であることを特徴とする請求項1から請求項5のうちのいずれか1項に記載の中空回転シャフト仕上げ方法。
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