Spherical cutter and method for machining curved slot

本発明は、ディスクと一体化したガスタービンエンジン動翼（ブリスク）又は一体的に動翼を設けたロータ（ＩＢＲ）の加工に関し、特に動翼を切削加工する装置及び方法に関する。

動翼付きディスク（ブリスク）及び動翼付きドラム（ブラム（ＢＬＵＭ））はいずれも、一体的に動翼を設けたロータ（ＩＢＲ）と考えられ、航空機用ガスタービンエンジンのファン、圧縮段に用いられることが益々多くなっている。 ＩＢＲは、複数の一体的動翼を実質的に半径方向外方に延在させたディスク又はハブを有する。 ＩＢＲの製造は、翼形面の形状が複雑なことから、難しい仕事である。

ＩＢＲ翼形部を製造する既存の方法として、フランクミル加工、ポイントミル加工、及び研削砥石の使用が挙げられる。 フランクミル加工では、カッターに１回又は数回通すことで、エンドミル、大抵はテーパボールエンドミルの周縁部が、所望の翼形面形状を創出する。 ポイントミル加工において、研削工具は、所望の翼形面形状が創出されるまで、多数回（通常的に何百回も）の浅いパスを行う。 これらのパスは空気流の方向、即ち半径方向であってよい。 ポイントミル加工に用いる工具は、通常、工具の全径をＩＢＲの翼形部間に嵌入させ得る、十分に小型のテーパエンドミルタイプのカッターである。 切削速度は、工具の直径が小さい分、制限されるので、生産効率が限られる。

ＩＢＲ翼形部の別の製造方法として、カップ状のカッターを連続的にロータに差し込んで、翼形部間に円形スロットを創出する方法が挙げられる。 この方法は、複雑な形状の翼形部の荒加工又は非常に単純な形状の翼形部の完全加工のいずれかに限られる。

したがって、複雑な形状の翼形部の荒加工とブリスク及びＩＢＲ翼形部のより完全な加工を行う、より良好で、迅速、低費用なカッター及び方法が必要である。

球形カッターは、中央キャビティを画定する開放端部と閉鎖端部とを有する球形の本体を含む。 多点切れ刃が、本体の開放端部において円形リム部に沿って設けられる。 球形の本体は、概して半径と原点によって画定される。 球形カッターは更に、自身の閉鎖端部にシャンクを含む。

球形カッターの実施例は更に、切れ刃を含む複数の切削用インサートを含み、これらの切削用インサートは、円形リム部に沿って球形の本体に取外し可能に取り付けられる。 複数の支持歯がリム部に沿って周方向に設けられると共に、軸方向に本体内へと延在する隣接し合う凹部間に配置される。 複数の切削用インサートはそれぞれ、複数の支持歯上に取外し可能に装着及び支持される。

各々の支持歯は、周方向に向く前面と周方向に向く後面とを含み得る。 前面は、１つの切削用インサートを位置決めするように構成され、インサートは、凹部に配置され且つ螺でリム部に取り付けられるクランプ等によって前面に固着される。

インサートは、支持歯と合致する後側端部と、円形切れ刃を有するより幅広の前側切削端部とを有する円錐形であってよい。

多軸コンピュータ数値制御加工機は、自身の回転可能なスピンドルに装着される球形カッターを含み得る。 この加工機は、概して半径と原点とにより画定される球面に沿って切削時に球形カッターを移動させるように操作できるように、プログラム可能である。

円筒状のワークピース又はブランクを加工して、ハブから半径方向外方に延在する周方向に離間した複数の一体的動翼を成形加工する方法は、球形カッターを用いて深い湾曲スロットを加工するステップを含む。 この加工ステップは、半径と原点とにより画定される球面に沿って各々のスロットを加工するステップを含む。

加工ステップは更に、多軸コンピュータ数値制御加工機の回転可能なスピンドルに装着された球形カッターでスロットを加工するステップであって、半径と原点がスピンドルの回転軸に沿って配置されるステップと、加工時にスピンドルを絶えず位置決めすることによって、概して半径と原点により画定される球面に沿って加工時に球形カッターを移動させるステップとを含む。

例証的なガスタービンエンジン動翼を加工する回転式球形機械工具の実施例を示す概略斜視図である。

図１に示す球形機械工具のリム上の切削用セラミックインサートを示す概略斜視図である。

図１に示す回転式球形機械工具と、加工時にこの機械工具が移動する範囲を示す概略斜視図である。

図１に示すブリスクの作製に用いるブランクの切削箇所の加工を開始した回転式球形機械工具を示す概略斜視図である。

図３に示す切削箇所に完全に差し込まれた回転式球形機械工具を示す概略斜視図である。

図４に示す切削箇所から引き抜かれた回転式球形機械工具を示す概略斜視図である。

以下の記述では、添付図面に関連付けて、本発明の上記の態様及びその他の特徴を説明する。

図１に、球形カッター３４と、この球形カッター３４を用いて例証的なガスタービンエンジンロータブリスク１０を加工する方法の一実施例を示す。 一般的にＩＢＲの典型であるブリスク１０は、本明細書では環状中央ハブ１４を有する中実環状ディスクとして示した円筒状のワークピース又はブランク１２から加工される。 ブリスク１０は、動翼１８を一体的に支持するハブ１４から半径方向外方に延在する、周方向に離間した複数の一体的動翼１８を含む。

各動翼１８は、凹状の正圧面側２０と凸状の負圧面側２２を含む。 動翼１８は、各動翼１８の根元２４から先端２６まで半径方向に延在する。 正圧面及び負圧面側２０、２２は、各動翼１８の前縁２８と後縁３０との間で、略軸方向に延在する。 本実施例では、各動翼１８が、大抵は根元２４から先端２６まで延在する半径方向の動翼軸又は取付軸２７の周りに絡みつきながら、この動翼の根元と先端との間でテーパが異なり且つ／又は翼弦長ＣＬが変化する、適切な翼形構造を有する。 本実施例では、各動翼１８の反りも、大抵は根元２４から先端２６まで変化するので、翼形部は三次元の輪郭又は形状を有する。

ブランク１２は、図面では３１で示す、フライス加工に適する種類の多軸ＣＮＣ（コンピュータ数値制御）加工機等であるが、これに限定されない周知の加工機を用いて加工される。 加工機３１は、球形カッター３４が装着されるスピンドル３２を含む。 球形カッター３４は、切削又はフライス加工用に設計された回転機械工具である。 ブランク１２は、ＣＮＣ加工機３１と、スピンドルに装着された球形カッター３４とに対して固定される。 スピンドル３２と球形カッター３４を操作して、スピンドル３２と球形カッター３４とをスピンドル３２の回転軸４８の周りで旋回させながら、ブランク１２を通る三次元加工経路を辿って複数の移動度又は移動軸で移動させることができる。

図１を参照すると、一般的にブランク１２は、自身の周縁部３６からハブ１４に至るまで半径方向内方に加工され、半径方向内側のプラットフォーム４０を有する動翼１８間のスロット３７又はポケットが形成される。 加工機３１及びブランク１２の一般的な動作、構成、配置、及び／又は構造は、当該技術分野において周知なので、本明細書ではこれ以上詳説しない。

球形カッター３４は、中央キャビティ５４を画定する開放端部４４と閉鎖端部４６とを有する球形の本体４２を含む。 球形カッター３４の閉鎖端部４６を多軸フライス加工機３１のスピンドル３２に装着又は取り付け、球形カッター３４を回転軸４８の周りで回転させる。 ここで示す本実施形態の球形カッター３４は、球形カッター３４の閉鎖端部４６において球形カッター３４をスピンドル３２に装着又は取り付けるために用いるシャンク５５を含む。

図２を参照すると、多点切れ刃７１が、本体４２の開放端部４４において円形リム部５８に沿って設けられている。 ここで示す球形カッター３４の多点切れ刃７１は、切削用インサート６０によってもたらされる。 複数の切削用インサート６０（図２に更に詳細に示す）は、球形の本体４２の開口端部４４において、円形リム部５８に沿って本体４２に取外し可能に取り付けられる。 インサート６０は、軸方向に本体４２内へと延在する隣接し合う凹部６４間に配置される、周方向にリム部５８に沿って設けられる複数の支持歯６２上に装着及び支持される。 支持歯６２は、インサート６０をリム部５８に装着及び支持するように構成される。

各支持歯６２は、リム部５８の周りにおいて、周方向に向く前面６５と周方向に向く後面６６とを有する。 前面６５は、１つの切削用インサート６０を位置決めするように構成される。 インサート６０は、凹部６４内に配設される、螺７２でリム部に取り付けられるクランプ７０によって、前面６５に固着される。 本明細書に例示するインサート６０は、支持歯６２と合致する後側端部７４と円形切れ刃７８を有するより幅広の前側切削端部７６とを有した円錐形である。 クランプ７０は、前側切削端部７６に圧着する。 その他の種類及び形状のインサートを用いてもよい。

切れ刃７８は、交換可能なカーバイドインサート型又はカーバイド蝋付けチップ型であってよい。 球形カッター３４の内面８２は、凹形状８４を有し、外面８６は凸形状８８を有する。 そのため、単純なＮＣプログラミング技術で、切削工具（カッター３４）と加工対象の部品（ブランク１２）との間で干渉を生じることなく、深い湾曲スロット３７（図６に示す）を創出できる。 球形カッター３４は、球形の本体４２の開放端部４４に、大直径のリム部５８を有してもよい。 例えば、大直径が４インチ以上であってよい。 球形カッター３４によって、セラミック及びサーメット等の新材料をインサートに用いることができるようになるので、加工時の金属除去速度が大幅に増大する。 本発明によって、工具の取り付けも簡便になる。

図３〜６を参照すると、カッター３４とそのインサート６０で、プランジング加工（アキシャルフィード）用の軸方向ＡＤの切削及びラジアルフィード用の半径方向ＲＤの切削を行うことができる。 球形の本体４２の球形状により、球形カッター３４を軸方向及び半径方向に球面Ｓに沿ってブランク１２内に押し込むことが可能になる。 球面Ｓは、原点Ｏを有する半径Ｒによって画定される。 球形の本体４２も、概して同じ半径Ｒと原点Ｏによって画定される。 スロット３７は各々、単一の半径Ｒと単一の原点Ｏを有する単一の球面Ｓに沿って加工される。 常にスピンドル３２の回転軸４８に沿って半径Ｒと原点Ｏとを維持するように加工機３１を操作及び制御しながら、スピンドル３２を回転軸４８の周りで回転させ、且つブランク１２におけるスロット３７の加工時に球形カッター３４をブランク１２内に押し込む。 スピンドル３２の回転軸４８に沿った球形カッター３４の半径Ｒと原点Ｏの維持は、加工時にスピンドル３２を連続的に位置決めすることによって達成される。

単一の球面Ｓに沿ってスロット３７の各々を加工することにより、図５に示すようにプランジング加工の終了時点で湾曲スロット３７が得られる。 図６は、カッター３４を湾曲スロット３７から引き抜く時に、スピンドルと球形カッター３４とを引き続き旋回させながら球形カッター３４を球面Ｓに沿って移動させることにより引き抜かれる、球形カッター３４の図である。

本明細書では、本発明の好適且つ典型的な実施例と思われる事項を記述したが、本明細書の教示から、本発明のその他の改変形態が当業者には明らかであるから、かかる改変形態は全て、本発明の概念及び範囲に含まれるものとして、添付の特許請求の範囲において保護されることが望ましい。 したがって、米国特許法による保護が望ましい事項は、添付の特許請求の範囲において定義及び明確化された発明である。