JP7481370B2

JP7481370B2 - ワーク加工方法

Info

Publication number: JP7481370B2
Application number: JP2021572720A
Authority: JP
Inventors: 大輔上西; 知弘小山田
Original assignee: Fanuc Corp
Current assignee: Fanuc Corp
Priority date: 2020-01-23
Filing date: 2021-01-18
Publication date: 2024-05-10
Anticipated expiration: 2041-01-18
Also published as: CN114929418A; WO2021149638A1; JPWO2021149638A1; DE112021000710T5; US20230044441A1

Description

本発明は、ワーク加工方法に関する。

ジェットエンジン等に採用されているタービンブレード等の翼部品の加工においては、回転軸を有する５軸マシニングセンタ等の切削加工機が用いられている。一般に翼部品は薄板状であり、翼面は凸曲面と凹曲面とのうちの少なくとも一方の曲面を有している。

切削加工機による翼部品の加工においては、主にフライスによる荒加工、ラジアスエンドミルによる中仕上げ、ボールエンドミルによる仕上げ加工が採用される。翼部品の厚みが薄く低剛性な形状においては、テーパボールエンドミル、ボールエンドミル等を用いて、ワーク（母材）から一気に削り出す高能率な除去加工が採用される。除去加工は、翼部品の長手軸方向に対して垂直な断面における加工形状に対して外周上に工具軸を設定し、工具を翼部品の長手軸方向周りに相対的に移動させながら加工を行う。一般に、このような除去加工における加工プログラムは、翼部品のソリッドボディを加工対象にして、ソリッドボディの表面サーフェースを用いて作成される。

一般に、工作機械において、工具とワークとは、互いに直交するＸＹ方向の２つの直線移動軸に沿って相対的に直線移動可能に設けられる。例えば、図６及び図７に示す工作機械１００の場合は、基台１０１上に、Ｘ軸方向に直線移動するＸ軸テーブル１０２と、Ｘ軸方向と直交するＹ軸方向に直線移動するＹ軸テーブル１０３とが設けられている。Ｘ軸テーブル１０２の上には、保持したワークＷをＣ軸の周りに回転させる回転軸１０５を有する回転テーブル１０４が設けられている。回転テーブル１０４は、ワークＷを保持する回転軸１０５をＡ軸の周りに回転させることによって、回転軸１０５自体を傾斜させる。Ａ軸は、Ｙ軸方向に対して平行に設定されている。さらに、基台１０１の上面にはコラム１０６が立設されている。コラム１０６の上端部には、Ｚ軸方向に昇降移動可能な主軸ユニット１０７が設けられている。主軸ユニット１０７の下端部には工具Ｔが取り付けられている。このような工作機械としては、例えば特許文献１に記載のものが知られている。

特開２０１６－３６８６９号公報

切削加工機による翼部品の加工において、曲面を、曲率を有する方向に沿って除去加工する場合には、ワークＷを回転軸１０５によって翼部品の長手軸（Ｃ軸）の周りに回転させながら、工具ＴとワークＷとを、互いに直交するＸＹ方向の２つの直線移動軸のうちの一方の直線移動軸に沿って、曲率を有する方向に相対的に直線移動させる。曲率を有する方向とは、曲面において湾曲している方向に沿う方向のことである。一般に、翼部品の場合では、曲率を有する方向は翼面の幅方向である。

しかし、ワークＷに対して上記のような除去加工によって曲面を加工する場合は、ワークＷを直線移動させる際の加減速時の振動等が曲面の加工面品位に影響を与える場合がある。すなわち、図７に示すように、ワークＷに対して曲率を有する方向に沿って曲面を除去加工する場合には、ワークＷを回転軸１０５によってＣ軸の周りに回転させながら、工具Ｔに対して相対的にＹ方向に直線移動させる必要がある。このとき、Ｙ軸テーブル１０３は、Ｘ軸テーブル１０２、回転テーブル１０４及び回転軸１０５の全てを移動させる。そのため、Ｙ軸テーブル１０３の慣性モーメント（イナーシャ）は大きく、Ｙ軸テーブル１０３を駆動するＹ軸モータ（図示せず）の負荷は大きい。その結果、ワークＷの加工動作において、Ｙ軸テーブル１０３を直線移動させたときの加減速によって振動が発生し易い。したがって、ワークに対して曲面を除去加工する際には、振動が曲面の加工面品位に影響を与えないようするために、加工速度を落とすことが必要となる場合がある。

よって、ワークに対して曲面を除去加工する際に、加工速度を落とすことなく、曲面の加工面品位を向上させることが望まれる。

本開示の一態様に係るワーク加工方法は、ワークを搭載した回転テーブルと工具とを互いに直交する２つの直線移動軸に沿って相対的に移動させるとともに、前記ワークを前記回転テーブルによって互いに直交する第１旋回軸及び第２旋回軸の周りにそれぞれ回転させることによって、前記ワークに対して凸曲面と凹曲面とのうちの少なくとも一方の曲面を除去加工するワーク加工方法であって、前記２つの直線移動軸のうちの、直線移動時のモータ負荷が相対的に小さい第１直線移動軸に対して、前記第１旋回軸を平行に配置するとともに、前記第１直線移動軸に対して垂直な平面上に前記第２旋回軸を配置し、前記ワークを、前記第１直線移動軸に沿って移動させるとともに前記第２旋回軸の周りに回転させながら、前記曲面を、曲率を有する方向に沿って除去加工する。

一態様によれば、ワークに対して曲面を除去加工する際に、加工速度を落とすことなく、曲面の加工面品位を向上させることができる。

ワークから除去加工された翼部品を示す斜視図である。ワークから翼部品を除去加工する際の翼面と工具の先端との関係を示す断面図である。ワークから翼部品を除去加工する際の翼面と工具の先端との関係を示す斜視図である。本開示の一態様に係るワーク加工方法に使用される工作機械の一実施形態を示す斜視図である。図４に示す工作機械によって翼部品の翼面を除去加工する様子を拡大して示す斜視図である。従来のワーク加工方法に使用される工作機械の一例を示す斜視図である。図６に示す工作機械によって翼部品の翼面を除去加工する様子を拡大して示す斜視図である。

以下、本開示の一態様について図面を参照して詳細に説明する。図１は、ワークから除去加工された翼部品を示す斜視図である。翼部品１は、工作機械の工具（図１において図示せず）によって、直方体形状のワークＷから不要部分を除去加工することによって形成される。翼部品１は、その表面及び裏面のうちの少なくとも一方の面に、曲面からなる翼面１１を有する。図１に示す翼部品１において、表面及び裏面のうちの一方の翼面１１は凸曲面１１ａであり、他方の翼面１１は凹曲面１１ｂである。このような翼部品１は、例えば、タービンブレード、コンプレッサの翼等である。

図２及び図３は、ワークＷから翼部品１を除去加工する際の翼面１１と工具Ｔの先端との位置関係を示している。図２に示すように、工作機械の工具Ｔは、翼部品１の長手軸１２の方向（図２の紙面に対する垂直方向）に垂直な断面で示される加工形状に対して外周上に位置する。

工具Ｔによって翼面１１を除去加工する場合には、図３に示す加工軌跡１３が翼面１１の曲率を有する方向（図２の断面で示される加工形状における外周方向）に沿うように、ワークＷを一方向（Ｄ１方向）に沿って直線移動させながら、ワークＷを長手軸１２の周りに回転させる。さらに、工具Ｔが隣の加工軌跡１３に順次移動するように、ワークＷを長手軸１２の方向（Ｄ２方向）に所定距離ずつ直線移動させることによって、ワークＷに対して翼部品１が除去加工される。本開示の一態様においては、このように翼面１１の曲率を有する方向（Ｄ１方向）に沿ってワークＷを直線移動させる際の直線移動軸は、互いに直交するＸ軸方向とＹ軸方向の２つの直線移動軸のうちのモータ負荷が相対的に小さい軸（以下、第１直線移動軸という。）に設定される。

次に、図４及び図５に示す切削加工機としての工作機械２を用いて、ワークＷに対して翼部品１を除去加工する具体的なワーク加工方法についてさらに説明する。図４は、本開示の一態様に係るワーク加工方法に使用される工作機械の一実施形態を示す斜視図である。図５は、図４に示す工作機械によって翼部品の翼面を除去加工する様子を拡大して示す斜視図である。

工作機械２は、床面に設置される基台２１上に、Ｘ軸方向に直線移動するＸ軸テーブル２２と、Ｘ軸方向と直交するＹ軸方向に直線移動するＹ軸テーブル２３とを備えている。Ｘ軸テーブル２２は、Ｘ軸モータ２２ａの駆動によって、Ｘ軸方向に直線移動可能に設けられる。Ｙ軸テーブル２３は、Ｙ軸モータ２３ａの駆動によって、Ｙ軸方向に直線移動可能に設けられる。

Ｘ軸テーブル２２の上面には、回転テーブル２４が載置されている。回転テーブル２４は、回転軸２５を回転可能に支持している。回転軸２５は、ワークＷを保持するとともに、保持したワークＷをＣ軸（第２旋回軸）の周りに回転させる。ワークＷは、加工される翼部品１の長手軸１２の方向（Ｄ２方向）がＣ軸の方向に対して平行になるように回転軸２５に取り付けられる。

回転テーブル２４は、Ａ軸モータ２４ａの駆動によって、回転軸２５自体をＡ軸（第１旋回軸）の周りに回転（傾斜）させる。回転テーブル２４のＡ軸は、Ｘ軸方向に平行に配置されている。回転軸２５のＣ軸は、Ｘ軸方向に対して垂直な平面上に配置されている。したがって、回転テーブル２４のＡ軸は、回転軸２５のＣ軸をＡ軸に垂直な平面に沿って傾斜させる傾斜軸を構成する。

基台２１の上面にはコラム２６が立設されている。コラム２６の上端部には、Ｚ軸モータ２７ａの駆動によって、Ｘ軸方向及びＹ軸方向と直交するＺ軸方向に沿って昇降移動可能な主軸ユニット２７が設けられている。主軸ユニット２７の下端部には工具Ｔが取り付けられている。

この工作機械２において、第１旋回軸であるＡ軸の方向は、互いに直交するＸ軸方向とＹ軸方向とのうちのＸ軸方向に平行に配置されている。Ｘ軸テーブル２２は、Ｘ軸方向の直線移動時に回転テーブル２４と回転軸２５とを移動させるだけで済むため、Ｙ軸テーブル２３に比べて慣性モーメント（イナーシャ）が相対的に小さい。そのため、Ｙ軸テーブル２３を駆動するＹ軸モータ２３ａの負荷に比べて、Ｘ軸テーブル２２を駆動するＸ軸モータ２２ａの負荷の方が小さい。したがって、この工作機械２において、互いに直交するＸ軸とＹ軸とのうちのＸ軸が、モータ負荷が相対的に小さい第１直線移動軸を構成する。

工作機械２において、ワークＷに対して翼部品１の翼面１１を除去加工する場合は、図２及び図３に示すように、ワークＷを第２旋回軸であるＣ軸の周りに回転させながら、工具ＴとワークＷとを曲率を有する方向（Ｄ１方向）に相対的に直線移動させる。このときの工具ＴとワークＷとの相対的な直線移動軸はＸ軸に設定される。Ｘ軸は、Ｙ軸テーブル２３よりも相対的に慣性モーメント（イナーシャ）が小さいＸ軸テーブル２２の直線移動軸である。そのため、Ｘ軸テーブル２２によって工具ＴとワークＷとを曲率を有する方向（Ｄ１方向）に相対的に直線移動させたときの加減速によって発生する振動は、Ｙ軸テーブル２３を直線移動させた場合に比べて小さい。その結果、直線移動時の振動が曲面の加工面品位に対する影響は低減される。したがって、このワーク加工方法によれば、加工速度を落とすことなく、翼部品１の曲面の加工面品位を向上させることができる。

以上の実施形態において、工作機械２のＸ軸テーブル２２は、Ｙ軸テーブル２３上に載置されているが、本開示のワーク加工方法に使用される工作機械は、このような構成に制限されず、工作機械においてワークＷを互いに直交する方向に直線移動させるＸ軸及びＹ軸は様々な構成を採用することができる。例えば、Ｘ軸テーブル２２は、基台２１上に載置され、コラム２６が基台２１上においてＹ軸方向に直線移動可能に構成されてもよい。この場合においても、Ｘ軸方向に直線移動するＸ軸テーブル２２の方が、Ｙ軸方向に直線移動するコラム２６に比べて慣性モーメント（イナーシャ）が小さく、モータ負荷は小さい。

１翼部品
１１翼面
１１ａ凸曲面
１１ｂ凹曲面
２４回転テーブル
２５回転軸
Ａ第１旋回軸
Ｃ第２旋回軸
Ｔ工具
Ｗワーク
Ｘ直線移動軸（第１直線移動軸）
Ｙ直線移動軸

Claims

ワークを搭載した回転テーブルと、工具とを互いに直交する２つの直線移動軸に沿って相対的に移動させるとともに、前記ワークを前記回転テーブルによって互いに直交する第１旋回軸及び第２旋回軸の周りにそれぞれ回転させることによって、前記ワークに対して凸曲面と凹曲面とのうちの少なくとも一方の曲面を除去加工するワーク加工方法であって、
前記２つの直線移動軸は、前記回転テーブルを移動させる第１直線移動軸と、前記回転テーブルを前記第１直線移動軸に直交する方向に沿って前記第１直線移動軸と共に移動させる第２直線移動軸と、を有し、
前記第１直線移動軸及び前記第２直線移動軸のうちの、直線移動時のモータ負荷が相対的に小さい前記第１直線移動軸に対して、前記第１旋回軸を平行に配置するとともに、前記第１直線移動軸に対して垂直な平面上に前記第２旋回軸を配置し、
前記ワークに加工する前記曲面の曲率を有する方向が前記第１直線軸に沿って配置されるように、前記ワークを前記回転テーブルに搭載し、
前記ワークを、前記第１直線移動軸に沿って移動させるとともに前記第２旋回軸の周りに回転させながら、前記曲面を、曲率を有する方向に沿って除去加工する、ワーク加工方法。
前記第１旋回軸は、前記第２旋回軸を前記第１旋回軸に垂直な平面に沿って傾斜させる傾斜軸であり、
前記第２旋回軸は、前記ワークを回転させる回転軸である、請求項１に記載のワーク加工方法。
前記曲面は、翼部品の翼面である、請求項１又は２に記載のワーク加工方法。