JP6606512B2 - シャフト機械加工防振デバイス - Google Patents

Description

本技術分野は、機械加工デバイスに関し、より詳細には、タービンシャフトのリーマ仕上げ、フライス削り、ボーリング、およびざぐりのために使用される機械加工デバイスに関する。本技術分野は、シャフトのリーマ仕上げ、フライス削り、ボーリング、またはざぐりを含む機械加工操作の際に印加される振動を制限するデバイスに関する。

現在、シャフトのリーマ仕上げ、ボーリング、およびざぐりを可能にする様々な技術が存在する。そのような操作は、長いシャフトに行われる場合は、精通するのはかなり複雑であり、見えない状態で、すなわち、行われる操作を視認しない状態で行わなければならない。

具体的には、機械加工を可能にするツールは、デルタが一定であることを保証するため、すなわち、シャフトの内径の公差が考慮されることを保証するために、操作の真直度を確実にしなければならず、力学的操作基準を考慮するために、うねりがあってならない。さらに、このツールは、機械加工された外径が制限された公差内にあることを確実にしなければならない。さらに、ツールは、機械加工後に得られる表面状態のバランスおよび規則性を保証しなければならない。

通常、航空機用のタービンエンジンシャフトについて、大きさの程度は、機械加工長さが２３００ｍｍであり、デルタが０．０１ｍｍ、真直度の公差は０．０２ｍｍである。

現在、この校正操作は、端部に校正ヘッドを備えたバーによってボーリングマシンに行われている。

留意される問題の１つが、機械加工されるシャフトの直径が小さくなるほど、機械加工時の振動が増大することである。このタイプの機械加工によって生じる振動現象は、機械加工される部分と切削ツールとの間の相対移動に対応し、このことは、被加工表面におけるいくぶん顕著なうねりになる。

ツールのベアリングバーの直径が小さいほど、振動の振幅はより増大するものと思われる。

深ざぐりの場合、直径と長さの関係を考慮すると、振動現象を解決することは困難である。

様々な解決策が存在し、この解決策には、たとえば以下のものが含まれる。

回転ボーリングの際にシャフトを外部から保持するための受け溝を使用して部品を補強すること。

最適な切削角度、鋼種、またはカバーを有する切削ツールの選択。

回転速度、切削エッジの数、回転毎のツールの進度、ならびに、切削用流体クーラントの流量および圧力の調整などの、切削パラメータの最適化。

しかし、これら解決策は、完全には満足のいくものではなく、この理由は、これら解決策は、振動の発生を全体的に抑制するものではないためである。さらに、これら解決策は、実施するには複雑かつ困難である場合がある。

本発明は、上述の不利な点を解決する。

本発明の一実施形態は、中空シャフトの校正および機械加工のための防振デバイスであって、少なくとも部分的にシャフト内にあり、シャフトに対して固定位置にあることが意図され、シャフト内を軸方向に移動するガイドバーの案内を可能にする第１の要素を備えていることを特徴とする、防振デバイスに関し、第１の要素は、
シャフトの内側表面に関連して第１の要素の外周に配置され、シャフトの内側表面と接触する、少なくとも１つの第１の機械式減衰手段と、
ガイドバーの外側表面に関連して第１の要素の周の内部に位置、ガイドバーの外側表面と接触する、少なくとも１つの第２の機械式減衰手段と、を備えている。

有利には、さらに、第１の要素が、第１の要素を通して流れる潤滑流体の本体を介する液体減衰手段を備えている。

有利には、第１の要素は、肩部により、シャフトに関連する軸方向の固定位置に保持された第１のカラーであり、前記防振デバイスは、
少なくとも１つの第１の外側溝および、第１の前記外側溝と協同するように適合され、第１の減衰手段を形成する少なくとも１つの第１の外側シールと、
少なくとも１つの第１の内周溝および、第１の前記内側溝と協同するように適合され、第２の減衰手段を形成する少なくとも１つの第１の内側シールと、
第１のダクトから到り、第２のダクトを介して出る流体を循環させるように適切に形成された内周キャビティであって、第１および第２のダクトが防振デバイスの径方向の厚さを横断し、内周キャビティが、流体が第１の要素を通って流れる場合に液体手段を形成する、内周キャビティと、を備えている。

有利には、第１および第２の内周溝はそれぞれ、第１のカラーの各端部の近くに位置している。

有利には、内周キャビティは、
第１の内周溝に近い第１の端部と、
第２の内周溝に近い第２の端部との間を長手方向に延びる。

有利には、第１のダクトは、防振デバイスの外部からの流体が内周キャビティに向かって流れて通過することを可能にする第１の曲折開口であって、長手方向開口と、第１のカラーの外側表面の長さと、前記キャビティの第１の端部に近接する内周キャビティに繋がる径方向延長部分と、を備えている第１の曲折開口を備えている。

有利には、第２のダクトは、内周キャビティからの流体が防振デバイスの外部に向かって流れて通過することを可能にする第２の曲折開口であって、前記キャビティの第２の端部に近接する径方向開口と、前記防振デバイスの外部に繋がるように、肩部を横断する長手方向延長部分と、を備えている第２の曲折開口を備えている。

有利には、防振デバイスは、少なくとも部分的に機械加工ヘッドの頭部に対し、この機械加工ヘッドの頭部に対する固定位置に維持されることが意図されている第２の要素を備え、第２の要素は、第２の要素の外周上に、シャフトの内側表面と関連し、シャフトの内側表面に接触する少なくとも１つの第３の機械式減衰手段を備えている。

有利には、第２の要素は、外側溝および、前記第２の外側溝と協同するように適合され、第３の機械式減衰手段を形成する第２の外側シールを備えている。

有利には、第１および／または第２の要素の本体は、ポリアミドで形成されている。

本発明の別の目的は、シャフトのボーリングが意図され、シューの集合を備えた機械加工ヘッドに関し、前記機械加工ヘッドは、アタッチメントによって機械加工ヘッドに固定されたガイドバーによってガイドされ、前記機械加工ヘッド上にしっかりと取り付けられた移動カラーによって特徴付けられ、前記移動カラーは、外側溝と、前記第２の外側溝と協同して、シャフトの内側表面との少なくとも１つの接触部を形成し、機械加工の際に生じる振動の一部が吸収されることを可能にするように適合された外側シールと、を備えている。

有利には、アタッチメント手段は、係止カラーを介する。

有利には、移動カラーは、前記機械加工ヘッドの端部のエッジと、係止リングとの間の前記機械加工ヘッドの周囲において長手方向に固定されて保持されている。

本発明の別の目的は、
本発明の機械加工ヘッドであって、穴が開けられるシャフトの一部内への潤滑流体の流入を可能にするオリフィスを備えた機械加工ヘッドと、
シャフトの機械加工の際のガイドバーの通過に適合された本発明の防振デバイスと、を備えた防振機械加工システムに関する。

本発明の他の特性および有利な点は、以下の詳細な説明を読み、添付図面を参照することで明らかになる。

図１は、流体が内部を循環するキャビティを備えた本発明の係止カラーを示す図である。 図２は、機械加工ヘッドに取り付けられることが意図された本発明の可動カラーを示す図である。 図３は、穴が開けられるシャフト内へ挿入された防振機械加工システムを示す図である。

図１は、穴が開けられる中空シャフト３０に固定されることが意図され、長手軸３０Ａに沿って置かれている、係止カラー１０を形成する第１の要素を備えた本発明の防振デバイスを示している。シャフト３０は図３に示されている。

係止カラー１０は、長手軸１０Ｂに沿って位置し、前記軸に沿って位置し、本体１０Ａを貫通する中心開口１０Ｃを有する本体１０Ａを有する。本体１０Ａは、その一方の端部において、肩部１７によって延長されている。肩部１７により、係止カラー１０と、穴が開けられるシャフト３０の一方の端部との間のスラスト面の規定が可能になる。係止カラー１０の肩部１７は、したがって、係止カラー１０をシャフト３０に対して長手方向に維持することを可能にする。

係止カラー１０の本体１０Ａは、１つの第１の外側溝１２と、第１の外側溝１２と協同して、係止カラー１０がシャフト３０上に取り付けられている場合にシャフト３０と内側表面と周囲で接触部を形成するように適合された少なくとも１つの外側シール１２１と、を備えている。

係止カラー１０は同様に、第１の内周溝１１と、協同して、図３に示す機械加工ヘッド５０などの切削ツールのガイドバー４０の外側表面と周囲で接触部を形成するように適合された、少なくとも１つの第１の内側シール１１０と、を備えている。この第１の溝１１は、好ましくは肩部１７とは反対側の、係止カラー１０の一方のエッジ、すなわち、係止カラー１０の一方の端部の近位に位置している。

係止カラー１０は、第２の内周溝１１’と、協同して、機械加工ヘッド５０などの切削ツールのガイドバー４０の外側表面と周囲で接触部を形成するように適合された、少なくとも１つの第１の内側シール１１０’と、を備えている。この第２の溝１１’は、係止カラー１０の他方のエッジ、すなわち、第１の周溝１１が見られるのとは反対側の端部の近位、好ましくは肩部１７の端部に位置している。

このシール１１０および１１０’により、ガイドシャフト４０との接触部の形成が可能になり、カラー１０内を循環する流体の漏洩または通過を制限することが可能になる。

係止カラー１０の開口１０Ｃはさらに、第１のダクト１４、１６を介して到り、第２のダクト１３、１５を介して出る流体１２２の循環が可能である内周キャビティ１８を備えている。

カラー１０に機械加工されるこのキャビティ１８は、周状バスを形成している。この理由から、バスの長さにわたるカラーの厚さは、バスの端部における厚さよりも小である。したがって、一定量の流体が所与の幅にわたって係止カラー１０内を循環することが可能である。

カラーを通過する流体は、係止カラー１０の主開口１０Ｃを通る流体１２２の流れを止める内側シール１１０、１１０’、シャフト３０と係止カラー１０との間の係止カラー１０の外周上の流体の流れを止める外側シール１２１、の存在に起因して、キャビティ１８を通って流れることのみが可能である。

好ましくは、内側シールおよび外側シールは、水、油、および潤滑剤に耐性のある適切な材料で形成されている。

流体１２２は、有利には、機械加工の際に、とりわけ、潤滑剤の注入を可能にする開口を備え得る切削ツールによって導入することができる潤滑流体である。

係止カラー１０により、係止カラー１０のキャビティ１８内の潤滑剤１２２の流れを、機械加工操作によって生じる振動の減衰器として使用しつつ、潤滑剤１２２のシャフト３０の外部への回帰ルーティングが可能になる。

潤滑剤１２２をキャビティ１８の内部に向けるために、係止カラーは、シャフト３０の内部に位置するこの係止カラーの端部に開口１６、１４を備えている。開口１６、１４は、曲折形状のダクトまたは穴１６、１４を形成している。

図１は、曲折形状の溝１６、１４の断面を示している。この図では、第１の長手方向の溝が、一方では、係止カラー１０の端部に向かって繋がっており、他方では、キャビティ１８内に繋がる径方向溝１４に向かって繋がっている。

したがって、穴が開けられるシャフト内に、切削ツール５０の開口（図示せず）を介して予め注入された潤滑剤は、少なくとも第１のダクト１４、１６によって出され得、係止カラー１０の中空キャビティ１８上に与えられ、周状キャビティ１８を形成する。

係止カラー１０は、曲折形状の開口を形成する複数の流入口１６および流出口１４を備え得る。図１は、たとえば、断面平面における２つの径方向開口と２つの径方向開口とを示している。次いで、この例では、６つの径方向溝が存在し、シャフトの内部に繋がる同数の長手溝を有して延びている。

開口１６、１４の配置は、係止カラー１０の周囲にわたって一様に広がっている。

したがって、複数の開口１４、１６は、キャビティ内を循環する流体の流量に関連して寸法が決められ得、したがって、振動を低減する一定程度の減衰が得られる。

一実施形態では、係止カラー１０は、係止カラー１０の他方の端部、すなわち、シャフトの外側に、第１の開口１６、１４に関して対称に配置された第２の出口開口１３、１５を備えている。第２の開口１３、１５の形状は、開口１４、１６とほぼ同様、すなわち、曲折形状を有していてもよい。係止カラー１０の周囲に配置された穴を形成する径方向開口１３は、シャフト３０の外側から係止カラー１０の外部に繋がる長手方向の開口１５によって延びている。別の実施形態では、長手方向の開口１５は、係止カラー１０の肩部１７を横切る穴を形成している。

流体１２２は、図１の破線によって示される経路に沿って流れる。シャフト３０の内部に存在する流体１２２は、シール１１０の側から係止カラー１０に入り、曲折ダクト１６、１４に沿って流れ、次いで、周囲のキャビティ１８全体にわたって広がり、次いで、曲折ダクト１３、１５を介して排出される。

周囲のキャビティ１８は、潤滑剤などの流体２２が通過する際に、振動減衰器の機能を提供する。周状キャビティ１８を通過する流体により、エネルギの吸収によってさらなる流体の減衰係数を提供する流体の粘度に関する流体圧力を生じることが可能になる。

図２は、図３に示す機械加工ヘッド５０などの移動切削ツールに取り付けられることが意図された可動カラー２０を形成する第２の要素を示している。可動カラー２０は、軸２０Ｂ周りの環状本体２０Ａを有し、その外周には、シール２２を受領するように適合された周状溝２３がある。シール２２は、シャフト３０を機械加工する間に生じる振動の一部を減衰するように、可動カラー２０と、穴が開けられるか機械加工されるシャフト３０の内側表面との間の接触エリアを形成することが意図されている。可動カラー２０は、機械加工ヘッド５０の後方部分、すなわち、シャフト３０との連結部にもっとも近いヘッド５０の部分に配置されている。可動カラー２０の後方部分は、機械加工ヘッド５０が見えずにシャフト３０内に挿入された際に、シャフト３０からもっとも遠い部分である。

可動カラー２０は、機械加工ヘッド５０に固定される。この目的のために、可動カラー２０は係止リング６０によって定位置に保持され得る。

本実施形態によれば、可動カラー２０は、機械加工ヘッド５０の環状面あるいは傾斜面に載っている円錐状往還面を備えるように、円筒環状プロファイルまたは面取されたプロファイルなどの様々なプロファイルを有し得る。

可動カラー２０の下側周面２４は、機械加工ヘッド５０の上側周面上に位置する。

図３は、ガイドバー４０を用いて、穴が開けられる中空シャフト３０内でスリーブが付けられたガイドシュー５１を備えた機械加工ヘッド５０のアセンブリを示している。

ガイドバーは４０であり係止リング６０により、機械加工ヘッド５０にしっかりと取り付けられている。係止リング６０は、機械加工ヘッド５０をガイドバー４０にしっかりと取り付ける、可動カラー２０を機械加工ヘッド５０にしっかりと取り付ける、２つの機能を有し得る。

有利には、ガイドバー４０および機械加工ヘッド５０は、潤滑剤などの流体１２２を機械加工されるシャフト３０内に導入する手段を備えている。この潤滑剤は、上述したように係止カラー１０を介して取り除かれ得る。注入される潤滑剤の流量は、周状溝内を循環する所望の流量に応じて、または、生じる振動の周波数応答を変化させるために、調整され得る。

係止カラー１０は、ガイドバー４０上に取り付けられ、ガイドバー４０に繋がっている切削ツール５０と同時にシャフト３０内に導入される。

係止カラー１０および可動カラー２０は、ポリアミドから形成され得る。さらに、これら２つによって形成された集合体は、長いシャフトの機械加工によって生じる振動を低減するような方法で、シャフトの機械加工の前に配置され得る。カラーおよびリングの配置は、内径がガイドバー４０の通路に適切であり、外径がシャフト３０の内径と協同するのに適切である係止カラーを選択することによってシンプルに行われ得る。

同様に、可動カラー２０は、所与の機械加工ヘッド５０と協同するように選択することができる。可動カラー２０は、特に所与の機械加工ヘッド５０用に設計され得る。別の実施形態では、可動カラー２０は、機械加工ヘッド５０と可動カラー２０との間の厚みを追加することを可能にする校正カラーに関連し得る。これにより、可動カラー２０の適切な機能による互換性を維持しつつ、より多数の機械加工ヘッドに適合させるために、たとえば、可動カラー２０の直径をより大きくすることが可能になる。

本発明の防振デバイス、特に、係止カラー１０の利点の１つは、シャフト３０におけるガイドバー４０のためのガイド機能をも有することである。このガイド機能により、穴が開けられるシャフト３０に対するガイドバー４０、ひいては、機械加工ヘッド５０の直線性をより正確にすることが可能になる。

本発明によって得られる振動の低減は、一方ではシール１１０、１１０’、１２１、および２２によって生じる減衰効果と、他方では係止カラー１０のキャビティ内を循環する流体によって生じる減衰効果との組合せである。これら機械による減衰効果と液体による減衰効果との２つの組合せにより、機械による保持と粘性係数との両方によって生じる振動の周波数応答のよりよい制御が可能になる。

さらに、２つの減衰効果により、
一方では、ガイドバー４０と係止カラー１０との間で生じ、
他方では、係止カラー１０と穴が開けられるシャフト３０との間、および、可動カラー２０と穴が開けられるシャフト３０との間で生じる振動に適合することになる周波数応答が可能になる。

シャフト３０のリーマ仕上げ、フライス削り、およびボーリングの際の振動の低減により、前記操作の後によりよい表面状態を得ることと、長いシャフト３０の長さにおけるよりよい表面状態を得ることが可能になる。特に、本発明は、穴が開けられるシャフトの長さ全体にわたって適合可能である。表面状態における結果および向上は、長いシャフト、特に１８００ｍｍより長く、２３００ｍｍから２５００ｍｍの長さにもなるシャフトにおいて顕著である。本発明は、リーマ仕上げ、フライス削り、およびボーリングのための直径、特に３０ｍｍから６０ｍｍの間の直径全体に適用可能である。

Claims (12)

1. 中空シャフト（３０）の機械加工のための防振デバイス（１０）であって、少なくとも部分的に、シャフト（３０）に関してシャフト（３０）内の固定位置に維持されることが意図され、シャフト（３０）内を軸方向に移動するガイドバー（４０）の案内を可能にする第１の要素（１０）を備えていることを特徴とし、第１の要素は、
   シャフト（３０）の内側表面に関連し、シャフト（３０）の内周と接触する、第１の要素（３０）の外周に位置する少なくとも１つの第１の機械式振動減衰手段（１２１）と、
   ガイドバー（４０）の外側表面に関連し、ガイドバー（４０）の外側表面と接触する、第１の要素（１０）の周の内部に配置された少なくとも１つの第２の機械式振動減衰手段（１１０、１１０’）と、を備えている、中空シャフト（３０）の機械加工のための防振デバイス（１０）。
2. 第１の要素（３０）がさらに、第１の要素（１０）を通って流れる潤滑流体（１２２）を介する液体減衰手段（１８）を備えていることを特徴とする、請求項１に記載のシャフト（３０）の機械加工のための防振デバイス（１０）。
3. 第１の要素が、肩部（１７）により、シャフト（３０）に対する軸方向の固定位置に保持された第１のカラーであり、前記防振デバイスが、
   少なくとも１つの第１の外側溝（１２）および、前記第１の外側溝（１２）と協同するように適合され、第１の減衰手段（１２１）を形成する少なくとも１つの第１の外側シール（１２１）と、
   少なくとも第１の内周溝（１１）および、前記第１の内側溝（１１）と協同するように適合され、第２の減衰手段（１１０、１１０’）を形成する少なくとも１つの第１の内側シール（１１０）と、
   第１のダクト（１４、１６）を介して到り、第２のダクト（１３、１５）を介して出る流体（１２２）を循環させることが可能な内周キャビティ（１８）であって、第１のダクト（１４、１６）および第２のダクト（１３、１５）が防振デバイス（１０）の径方向の厚さを貫通し、内周キャビティ（１８）が、圧縮潤滑流体が第１の要素を通って流れる場合に液体手段（１８）を形成する、内周キャビティ（１８）と、を備えていることを特徴とする、請求項２に記載の中空シャフト（３０）の機械加工のための防振デバイス（１０）。
4. 第１および第２の内周溝は各々が、第１のカラー（１０）の端部近くに位置していることを特徴とする、請求項３に記載のシャフト（３０）の機械加工のための防振デバイス（１０）。
5. 内周キャビティ（１８）が、
   第１の内周溝（１１）に近接する第１の端部（１８０）と、
   第２の内周溝（１１’）に近接する第２の端部（１８０’）との間を長手方向に延びることを特徴とする、請求項３と請求項４のいずれか、または両方に記載のシャフト（３０）の機械加工のための防振デバイス（１０）。
6. 第１のダクト（１４、１６）が、
   防振デバイス（１０）の外部からの流体（１２２）が内周キャビティ（１８）に向かって流れて通過することを可能にする第１の曲折開口（１４、１６）であって、長手方向開口（１６）と、第１のカラー（１０）の外側表面の長さと、前記キャビティ（１８）の第１の端部に近接する内周キャビティ（１８）に繋がる径方向延長部分（１４）と、を備えている第１の曲折開口（１４、１６）を備えていることを特徴とする、請求項３から５のいずれか一項に記載のシャフト（３０）の機械加工のための防振デバイス（１０）。
7. 第２のダクト（１３、１５）が、
   内周キャビティ（１８）からの流体（１２２）が防振デバイス（１０）の外部に向かって流れて通過することを可能にする第２の曲折開口（１３、１５）であって、前記キャビティ（１８）の第２の端部の近位の径方向開口（１３）と、前記防振デバイス（１０）の外部に繋がるように、肩部（１７）を貫通する長手方向延長部分（１５）と、を備えている第２の曲折開口（１３、１５）を備えていることを特徴とする、請求項３から６のいずれか一項に記載のシャフト（３０）の機械加工のための防振デバイス（１０）。
8. 防振デバイスが、少なくとも部分的に機械加工ヘッド（５０）の外部に対し、この機械加工ヘッド（５０）の外部に関して固定位置に維持されることが意図される第２の要素（２０）を備え、第２の要素は、
   第２の要素（２０）の外周上に、シャフトの内側表面と関連して、シャフトの内側表面に接触して配置された少なくとも第３の機械式減衰手段（２２）を備えていることを特徴とする、請求項１から７のいずれか一項に記載のシャフト（３０）の機械加工のための防振デバイス（１０）。
9. 第２の要素（２０）が、外側溝（２３）と、前記第２の外側溝（２３）と協同するように適合され、第３の機械式減衰手段を形成する第２の外側シール（２２）と、を備えていることを特徴とする、請求項８に記載のシャフト（３０）の機械加工のための防振デバイス（１０）。
10. 第１の要素（１０）および／または第２の要素（２０）の本体（１０Ｃ、２０Ａ）がポリアミドで形成されていることを特徴とする、請求項１から９のいずれか一項に記載のシャフト（３０）の機械加工のための防振デバイス（１０）。
11. シャフト（３０）のボーリングが意図され、シュー（５１）の集合を備えた機械加工ヘッド（５０）であって、前記機械加工ヘッド（５０）は、係止リング（６０）によって機械加工ヘッド（５０）に固定されたガイドバー（４０）によって案内され、可動カラー（２０）が前記機械加工ヘッド（５０）に一体に取り付けられ、前記可動カラー（２０）は、第２の外側溝（２３）と、前記第２の外側溝（２３）と協同して、シャフト（３０）の内側表面との少なくとも１つの接触部を形成するように適合され、シャフトの機械加工の際に生じる機械振動の一部が吸収されることを可能にする外側シール（２２）と、を備え、
    可動カラー（５０）が、前記機械加工ヘッド（５０）の端部のエッジと、係止リング（６０）との間の前記機械加工ヘッド（５０）の周囲において長手方向に固定されて保持されていることを特徴とする、機械加工ヘッド（５０）。
12. 穴が開けられるシャフトの一部内への潤滑流体の導入を可能にする流入口を備えた請求項１１に記載の機械加工ヘッド（５０）と、
    シャフト（３０）の機械加工の間の、ガイドバー（４０）の通過に適合した請求項１から１０のいずれか一項に記載の防振デバイス（１０）と、を備えていることを特徴とする防振機械加工システム。

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