JP3864024B2 - クリスマスカッタ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はツリー形溝を切削加工するクリスマスカッタに係り、特に、外周切れ刃の二番取りが３次元加工機などを用いて行われ、逃げ面形状を任意に設定できるクリスマスカッタの改良に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ガスタービンのタービン翼車を回転軸に取り付けるための取付構造として、図６に示すように回転軸１０の外周部に形成された多数のツリー形溝１２にタービン翼車の羽根１４を１枚ずつ嵌合するようにしたものがある。図７は、ツリー形溝１２を拡大して示す断面図で、溝中心Ｓに対して左右対称で且つ逆クリスマスツリーのように溝深さ方向（図の下方向）において溝幅が増減しながら徐々に狭くなっており、溝深さ方向に離間して溝幅が広い３つの幅広部１６、１８、２０を備えているとともに、それ等の幅広部１６、１８、２０の幅寸法は深い位置（溝底側）のもの程小さくなっている。
【０００３】
このようなツリー形溝を切削加工するための工具として、外周切れ刃の刃先径が、ツリー形溝の溝幅の変化に対応して工具先端側へ向かうに従って増減しながら徐々に小径とされているクリスマスカッタが知られている。特開平１１−２４５１１２号公報に記載されているクリスマスカッタはその一例で、外周切れ刃の逃げ面は、刃先から連続して形成されているとともに、軸心まわりに展開した状態において、軸方向における前記刃先径の変化に拘らず径寸法が一定の直線に対して一定の逃げ角α（°）で直線的に径寸法が小さくなるように定められ、軸心と直角な断面において円弧形状を成すようになっている。図８は、このような外周切れ刃２２を軸心まわりに展開した状態を示す断面図で、逃げ面２４は刃先２６と同じ径寸法を表す直線Ｌに対して逃げ角αで直線的に径寸法が小さくなるように、３次元加工機などを用いて形成されている。このような逃げ面形状によれば、刃先径の寸法変化に拘らず逃げ量が一定になるカム落し方式に比較して、大径部分の逃げ角が過小になったり小径部分の逃げ角が過大になったりすることが防止される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このように逃げ角αを一定にしたクリスマスカッタにおいても、使用により刃先付近が摩耗すると、軸心まわりに回転駆動されつつ軸心と直角な方向へ移動させられて溝加工が行われる際に、刃先径が最も小さい最小径部分（図７のツリー形溝１２の場合、幅広部１８と２０との間の小径部を加工する部分）において逃げ面当り（二番当り）が発生し、回転抵抗が増大したり工具が折損したりする問題があった。すなわち、前記図８に示すように工具軸心まわりにおいて刃先２６から所定の角度位置θ（°）における逃げ量δ（θ）は、刃先径（外径）Ｄおよび逃げ角αを用いて次式(3) で表され、逃げ角αが同じであれば刃先径Ｄに比例するため、刃先径Ｄが小さい小径部分では逃げ量δ（θ）が小さく、工具の送りに起因する逃げ面当りは最小径部分から発生するのである。また、クリスマスカッタの場合、軸方向において刃先径Ｄが増減しているため、その最小径部分で応力集中が生じ易く、最小径部分の断面積が最小であることと相まって、逃げ面当りによる回転抵抗で工具が折損する可能性が高いのである。
δ（θ）＝ tanα・π・Ｄ・θ／３６０ ・・・(3)
【０００５】
本発明は以上の事情を背景として為されたもので、その目的とするところは、大径部分の逃げ角が過小になったり小径部分の逃げ角が過大になったりすることを防止しながら最小径部分の逃げ面当りを抑制することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
かかる目的を達成するために、第１発明は、軸心まわりに回転駆動されつつその軸心と直角な方向へ移動させられることにより、溝中心に対して左右対称で且つ逆クリスマスツリーのように溝深さ方向において溝幅が増減しながら徐々に狭くなっているツリー形溝を切削加工するために、外周切れ刃の刃先径が、その溝幅の変化に対応して工具先端側へ向かうに従って増減しながら徐々に小径とされているクリスマスカッタにおいて、(a) 前記外周切れ刃の逃げ面は、刃先から略連続して形成されているとともに、軸心まわりに展開した状態において径寸法が一定の直線に対して所定の逃げ角α（°）で直線的に径寸法が小さくなるように定められ、軸心と直角な断面において円弧形状を成している一方、(b) その逃げ角αは、前記外周切れ刃の刃先径（外径）Ｄ（ｍｍ）の変化範囲の全域において、その刃先径Ｄに対して次式(1) で表される変数ｙを中心として±３°の範囲内に入り、且つその刃先径Ｄが大きくなるに従って小さくなるように設定されていることを特徴とする。
ｙ＝−（Ｄ／１５）＋１２＋（８／１５） ・・・(1)
【０００７】
第２発明は、第１発明のクリスマスカッタにおいて、前記逃げ角αは、刃先付近の摩耗に起因する逃げ面当りが、刃先径Ｄの相違に拘らず前記外周切れ刃の全域で略同時に発生するように、その刃先径Ｄの相違による摩耗量の相違を考慮してその刃先径Ｄをパラメータとして予め定められた関係に従って設定されていることを特徴とする。
【０００８】
第３発明は、第２発明のクリスマスカッタにおいて、前記逃げ角αは、前記刃先径Ｄをパラメータとして予め定められた次式(2) の関係を略満足するように設定されていることを特徴とする。
α＝−（Ｄ／１５）＋１２＋（８／１５） ・・・(2)
【０００９】
【発明の効果】
このようなクリスマスカッタにおいては、外周切れ刃の逃げ角αが、刃先径Ｄが大きくなるに従って小さくなるように設定されているため、最小径部分の逃げ角αが最大になり、刃先付近の摩耗に起因する逃げ面当りや、その逃げ面当りに起因する工具折損が抑制される。また、逃げ角αは、刃先径Ｄの変化範囲の全域において、その刃先径Ｄに対して前記(1) 式で表される変数ｙを中心として±３°の範囲内に入るように定められているため、大径部分の逃げ角が過小になって切削性能（切れ味など）が損なわれたり、小径部分の逃げ角が過大になって刃欠けが生じ易くなったりすることが防止される。
【００１０】
第２発明、第３発明では、刃先付近の摩耗に起因する逃げ面当りが、刃先径Ｄの相違に拘らず前記外周切れ刃の全域で略同時に発生するように、刃先径Ｄの相違による摩耗量の相違を考慮してその刃先径Ｄをパラメータとして予め定められた関係に従って逃げ角αが設定されるため、最小径部分の優先的な逃げ面当りが一層確実に防止されて工具寿命が向上する。
【００１１】
すなわち、刃先付近の摩耗量が同じであれば、従来のカム落し方式のように刃先径Ｄの寸法変化に拘らず逃げ量が同じになるようにすれば良いが、刃先径Ｄが相違すれば１回転当りの切削長さ（πＤ／２）が異なり、それに伴って摩耗量も変化するため、逃げ量が同じになる程小径部分の逃げ角αを小さくする必要はなく、実験やシミュレーションなどにより最適な関係を求めるのである。
【００１２】
なお、(1) 式、(2) 式における刃先径Ｄの係数−（１／１５）は、刃先径Ｄの相違に拘らず外周切れ刃の全域で逃げ面当りが略同時に発生するようにすることに大きく関与する値で、定数１２＋（８／１５）は、外周切れ刃の切削性能（切れ味など）や刃欠けの防止に大きく関与する値である。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明のクリスマスカッタは、外周切れ刃の逃げ面が刃先から略連続して形成されているもので、マージン幅が略零であるが、これはマージンが無しか、或いはマージンを設ける場合でもマージン幅が０．１ｍｍ程度以下であることを意味している。
【００１４】
外周切れ刃は、軸心と平行な直刃であっても良いが、軸心まわり捩じれたねじれ刃とすることも可能である。外周切れ刃の刃先径Ｄの変化範囲は、ツリー形溝の幅寸法に応じて適宜設定されるが、例えば５ｍｍ〜６０ｍｍ程度の範囲内で変化させられる。
【００１５】
逃げ角αは、刃先径Ｄが大きくなるに従って連続的に小さくなるように設定されることが望ましく、第１発明、第２発明においても、例えば刃先径Ｄをパラメータとして予め定められた関係式に従って逃げ角αが直線的に小さくなるように設定される。但し、第１発明、第２発明では、逃げ角αが刃先径Ｄに対して非線形（曲線状）や階段状に変化するデータマップなどを用いて逃げ角αが設定されるようになっていても良い。
【００１６】
以下、本発明の実施例を図面を参照しつつ詳細に説明する。
図１のクリスマスカッタ３０は、前記ツリー形溝１２を切削加工するためのもので、シャンク３２および刃部３４を一体に備えている。図２の(a) は、刃部３４の軸直角断面図で、本実施例では軸心まわりに等角度間隔で３本の切屑排出溝３６が設けられているとともに、その切屑排出溝３６に沿って３枚の外周切れ刃３８、およびその外周切れ刃３８に連続する底刃３９が設けられている。それ等の外周切れ刃３８および底刃３９は、クリスマスカッタ３０がシャンク３２側から見て右まわりに回転駆動されることにより切削加工を行うものであり、切屑排出溝３６は５°程度のねじれ角で右まわりに捩じれている。また、外周切れ刃３８は、ツリー形溝１２の溝側面の凹凸形状に対応して工具先端側へ向かうに従って刃先径が増減しながら徐々に小径とされている。この外周切れ刃３８の刃先径（外径）Ｄは、ツリー形溝１２の幅寸法に応じて適宜設定され、本実施例では１０ｍｍ（幅広部１８と２０との間の最小径寸法）〜４６ｍｍ（幅広部１６の径寸法）程度の範囲内で変化させられている。図１の刃部３４は、外周切れ刃３８の回転軌跡形状を示したもので、図２の(b) は、切屑排出溝３６に沿って切断した縦断面図である。
【００１７】
図３は、外周切れ刃３８を軸心まわりに展開した断面図で、逃げ面４０は、軸心まわりにおいて刃先４２から所定の角度範囲θ₁ （図２参照）の刃先側部分４０ａに所定の逃げが設けられており、それよりもヒール４４側のヒール側部分４０ｂは径寸法が一定（逃げ量が一定）の円筒形状を成している。角度範囲θ₁ は、本実施例では約３０°で、その刃先側部分４０ａは、刃先４２と等しい径寸法を表す直線Ｌに対して所定の逃げ角α（°）で直線的に径寸法が小さくなるように、マージン無しで刃先４２から連続して形成されている。このような刃先側部分４０ａの逃げ面４０は、例えば工具素材を一定の速度で軸心まわりに回転させながら、三次元加工機などで研削砥石を一定の速度で相対的に接近させることによって形成できる。このように軸心まわりに展開した状態で径寸法が直線的に小さくなる刃先側部分４０ａは、図２の(a) に示す軸直角断面では円弧形状になる。また、外周切れ刃３８には、１１°〜１３°程度のすくい角γが設けられている。
【００１８】
上記逃げ角αは、刃先径Ｄが変化している外周切れ刃３８の全域において、刃先径Ｄをパラメータとして予め定められた前記(2) 式に従って設定されており、軸方向において連続的に変化している。図４の実線は、(2) 式を図示したもので、刃先径Ｄが大きくなるに従って逃げ角αは直線的に小さくなる。また、この(2) 式は、刃先４２付近の摩耗に起因する逃げ面当りが、刃先径Ｄの相違に拘らず外周切れ刃３８の全域で略同時に発生するように、刃先径Ｄの相違による摩耗量の相違を考慮して実験やシミュレーション等によって定められたもので、従来のカム落し方式のように刃先径Ｄの寸法変化に拘らず逃げ量が同じになる場合に比較して逃げ角αの変化｜Δα／ΔＤ｜は小さい。このように刃先径Ｄの変化に対応して逃げ角αが変化している刃先側部分４０ａの逃げ面４０は、三次元加工機などを用いて、例えば工具素材の回転速度および研削砥石の接近速度の少なくとも一方を逃げ角αの変化に応じて変化させながら、それ等の工具素材および研削砥石を工具素材の軸方向へ相対移動させて、工具素材の軸方向の各部の逃げ面４０を順次周方向へ研削加工することによって形成される。
【００１９】
このようなクリスマスカッタ３０においては、外周切れ刃３８の逃げ角αが、刃先径Ｄが大きくなるに従って直線的に小さくなるように、その刃先径Ｄをパラメータとして予め定められた関係式(2) に従って設定されているため、最小径部分の逃げ角αが最大になり、刃先４２付近の摩耗に起因する逃げ面当りや、その逃げ面当りに起因する工具折損が抑制される。特に、関係式(2) は、刃先４２付近の摩耗に起因する逃げ面当りが、刃先径Ｄの相違に拘らず外周切れ刃３８の全域で略同時に発生するように、刃先径Ｄの相違による摩耗量の相違を考慮して定められたものであるため、最小径部分の優先的な逃げ面当りが一層確実に防止されて工具寿命が向上する。
【００２０】
また、上記関係式(2) は、従来のカム落し方式のように刃先径Ｄの寸法変化に拘らず逃げ量が同じになる程逃げ角αの変化が大きくないため、大径部分の逃げ角が過小になって切削性能（切れ味など）が損なわれたり、小径部分の逃げ角が過大になって刃欠けが生じ易くなったりすることが防止される。
【００２１】
なお、図４の一点鎖線は、(2) 式の逃げ角αの±３°の範囲であり、この一点鎖線の範囲内において、例えば刃先径Ｄが大きくなるに従って逃げ角αが直線的或いは曲線的（非線形）に小さくなるように予め定められた所定の関係式やデータマップなどに従って逃げ角αが設定されるようにしても良い。また、図５に実線で示すように、(2) 式に沿って階段状に変化するように定められたデータマップ等に従って逃げ角αが設定されるようになっていても良い。
【００２２】
以上、本発明の実施例を図面に基づいて詳細に説明したが、これはあくまでも一実施形態であり、本発明は当業者の知識に基づいて種々の変更，改良を加えた態様で実施することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例であるクリスマスカッタを説明する図である。
【図２】図１のクリスマスカッタの刃部の断面図で、(a) は軸心に対して直角な横断面図、(b) は切屑排出溝に沿って切断した縦断面図である。
【図３】図１のクリスマスカッタの外周切れ刃を軸心まわりに展開した断面図である。
【図４】図１のクリスマスカッタの外周切れ刃の刃先径Ｄと逃げ角αとの関係を説明する図である。
【図５】外周切れ刃の刃先径Ｄと逃げ角αとの関係の別の例を説明する図である。
【図６】タービン翼車の羽根を取り付けるためのツリー形溝を示す図である。
【図７】図６のツリー形溝を拡大して示す断面図である。
【図８】刃先径Ｄの変化に拘らず逃げ角αが一定とされている従来のクリスマスカッタの外周切れ刃を軸心まわりに展開した断面図である。
【符号の説明】
１２：ツリー形溝 ３０：クリスマスカッタ ３８：外周切れ刃 ４０：逃げ面 ４２：刃先 Ｄ：刃先径 α：逃げ角

Claims (3)

1. 軸心まわりに回転駆動されつつ該軸心と直角な方向へ移動させられることにより、溝中心に対して左右対称で且つ逆クリスマスツリーのように溝深さ方向において溝幅が増減しながら徐々に狭くなっているツリー形溝を切削加工するために、外周切れ刃の刃先径が、該溝幅の変化に対応して工具先端側へ向かうに従って増減しながら徐々に小径とされているクリスマスカッタにおいて、
   前記外周切れ刃の逃げ面は、刃先から略連続して形成されているとともに、軸心まわりに展開した状態において径寸法が一定の直線に対して所定の逃げ角α（°）で直線的に径寸法が小さくなるように定められ、軸心と直角な断面において円弧形状を成している一方、
   該逃げ角αは、前記外周切れ刃の刃先径（外径）Ｄ（ｍｍ）の変化範囲の全域において、該刃先径Ｄに対して次式(1) で表される変数ｙを中心として±３°の範囲内に入り、且つ該刃先径Ｄが大きくなるに従って小さくなるように設定されている
   ｙ＝−（Ｄ／１５）＋１２＋（８／１５） ・・・(1)
   ことを特徴とするクリスマスカッタ。
2. 前記逃げ角αは、刃先付近の摩耗に起因する逃げ面当りが、刃先径Ｄの相違に拘らず前記外周切れ刃の全域で略同時に発生するように、該刃先径Ｄの相違による摩耗量の相違を考慮して該刃先径Ｄをパラメータとして予め定められた関係に従って設定されている
   ことを特徴とする請求項１に記載のクリスマスカッタ。
3. 前記逃げ角αは、前記刃先径Ｄをパラメータとして予め定められた次式(2) の関係を略満足するように設定されている
   α＝−（Ｄ／１５）＋１２＋（８／１５） ・・・(2)
   ことを特徴とする請求項２に記載のクリスマスカッタ。

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