JP4787347B2 - インペラ加工機 - Google Patents

Description

本発明は、傾斜して固定された回転軸を有する４軸構成のインペラ加工機に関する。

近年、ターボ機器などに用いられるインペラは、高効率・高性能化が進み、形状の複雑化・多様化が進み、インペラのブレード（翼）の形状は三次元的にねじれた構造となっている。また、隣接するブレードが覆いかぶさっている。

インペラ（羽根車）において、例えば、図１に図示されるメインブレードとスプリッタブレードを有するインペラ（以下、「第１インペラ」という）１と、図２に図示されるスプリッタブレードが無くメインブレードのみを有するインペラ２（以下、「第２インペラ」という）がある。第１インペラ１や第２インペラ２は、一体削り出し構造として成形される。そして、第１インペラ１のメインブレードやスプリッタブレード、第２インペラ２のメインブレードは、中心軸直角断面のいずれにおいても同一形状をなすように設計され、ハブ面１０に等間隔で各ブレードが配置されている。

第１インペラ１は、スプリッタブレード先端の前進角がα、メインブレードのすくい角がβである形状を有しており、第２インペラ２は、スプリッタブレード先端の前進角がαの形状を有している（図３〜図５参照）。図３は、メインブレード１２のすくい角を説明する図である。すくい角βは、メインブレード１２の腹の延長線１７と基部平面１６のなす角度である。図４は、スプリッタブレード先端の前進角とメインブレードのすくい角を説明する図である。図４（ａ）に示されるように、スプリッタブレード先端の前進角αは、スプリッタブレード１４の先端の延長線１８と基部平面１６とのなす角度である。図４（ｂ）は図３と同様にメインブレード１２のすくい角βを説明する図である。図５は、スプリッタブレード先端の前進角αが、α≦０の場合を説明する図である。

第１インペラ１や第２インペラ２を３軸加工機で加工しようとした場合、１方向からだけでは刃物の刃先が届かないアンダーカットの部分が存在する。このような形状のインペラを加工するには、刃先が届いて加工できる向きになるようにワークを傾けて加工する必要がある。例えば、スプリッタブレード先端を加工する際は、インペラを水平位置から角度α以上持ち上げる必要があり、またメインブレードのすくい面を加工するためには水平位置から角度β以上持ち上げ過ぎないようにワークを傾ける必要がある。このようなインペラを加工するには、従来はＸＹＺ軸の直交３軸に加え、ワークを傾けるための回転軸（例えばＣ軸）及び傾斜軸（例えばＢ軸）を有する５軸加工機を使用している。

５軸加工機は高価であり、これを使用することによって製品価格の上昇をまねき、あるいは、５軸加工機を有しない場合には３次元羽根の加工ができない。そこで、特許文献１に記載されている３軸制御マシニングセンタによる２面加工方法は、３軸制御マシニングセンタを用いて、ワークテーブル装置に取り付けられたワークの側面と正面の２面を加工する方法であって、前記ワークが取り付けられた第２テーブルを割出し回動させて、前記ワークの側面を順次加工する側面加工工程と、前記ワークテーブル装置が固定配置された第１テーブルをほぼ９０°回動させて、前記ワークの正面を加工する正面加工工程とを含んでいる。このため、ワークを、第２テーブルに取り付けたまま、その側面と正面の２面を加工することが可能な加工技術が開示されている。

また、特許文献２には、平面に対して羽根車の主板材料を任意の角度だけ傾けて、その方向を中心として回転割出し可能な治具に載置して工作機テーブル上に固定し、左右、前後、上下方向の３軸の位置を３軸制御装置によって制御して羽根車の主板または側板と羽根とを切削工具により削り出し一体成形する羽根車の加工技術が開示されている。

特開２００３−９４２６４号公報 特開昭６１−１０９６０８号公報

５軸加工機は高価であり設備投資及び加工製品価格が高くなる。また、前記特許文献１に開示される技術は、インデックステーブルを回転および傾斜させるための回転軸を２軸備える３軸制御マシニングセンタによる２面加工装置であり、装置の構成が複雑である。また、特許文献２に開示される技術は、回転割り出しが可能な治具を用いてテーブルを固定することによってＸ、Ｙ、Ｚ方向の３軸の位置を制御することのみにより羽根の加工を行うものであり、４軸制御によりインペラを加工するものではない。
そこで、本発明の目的は、直交３軸と回転１軸を有する工作機械を用いてインペラを加工するインペラ加工機を提供することである。

本願の請求項１に係る発明は、直交３軸とワークを載置したテーブルを回転させる回転１軸と、該ワークを切削する工具と、該直交３軸と該回転１軸を駆動制御する数値制御装置とを備えた加工機を用い、加工するインペラがメインブレードのみを有し、前記メインブレードのすくい角をβとした場合に、前記回転１軸の軸方向を前記直交３軸の水平軸に対し０度より大きくβ以下の任意の角度θに傾斜して固定し、前記数値制御装置によって前記直交３軸と前記回転１軸を制御することにより前記ワークからインペラを加工することを特徴とするインペラ加工方法である。
請求項２に係る発明は、直交３軸とワークを載置したテーブルを回転させる回転１軸と、該ワークを切削する工具と、該直交３軸と該回転１軸を駆動制御する数値制御装置とを備えた加工機を用い、加工するインペラがメインブレードとスプリッタブレードとを有し、前記スプリッタブレード先端の前進角をα、前記メインブレードのすくい角をβとした時に、αがβと同じ方向の角度（α＞０）で、かつ、α≦βである場合に、前記回転１軸の軸方向を前記直交３軸の水平軸に対しα以上β以下の任意の角度θに傾斜して固定し、前記数値制御装置によって前記直交３軸と前記回転１軸を制御することにより前記ワークからインペラを加工することを特徴とするインペラ加工方法である。

請求項３に係る発明は、直交３軸とワークを載置したテーブルを回転させる回転１軸と、該ワークを切削する工具と、該直交３軸と該回転１軸を駆動制御する数値制御装置とを備えた加工機を用い、加工するインペラがメインブレードとスプリッタブレードとを有し、前記スプリッタブレード先端の前進角をα、前記メインブレードのすくい角をβとした時にα＝０あるはβとは反対方向の角度（α＜０）である場合に、前記回転軸１軸の軸方向を前記直交３軸の水平軸に対し０度より大きくβ以下の任意の角度θに傾斜して固定し、前記数値制御装置によって前記直交３軸と前記回転１軸を制御することにより前記ワークからインペラを加工することを特徴とするインペラ加工方法である。

請求項４に係る発明は、 前記数値制御装置は４軸指令のプログラムを用いて前記直交３軸を移動させると同時に、前記回転１軸で前記ワークを回転させて制御することによりインペラを加工することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載のインペラ加工方法である。

本発明により、直交３軸とワークを回転させる回転軸のみを有した４軸加工機によって、インペラを加工することができる。

メインブレードとスプリッタブレードとを有するインペラの例である。 スプリッタブレードが無くメインブレードのみ有するインペラの例である。 メインブレードのすくい角βを説明する図である。 スプリッタブレード先端の前進角αとメインブレードのすくい角βを説明する図である。 スプリッタブレード先端の前進角αが、α≦０の場合を説明する図である。 インペラ加工機の要部外観図である。 回転軸が傾斜して固定された状態と傾斜角θを説明する図である。 ４軸加工機用数値制御装置の概略構成図である。 スプリッタブレードの加工を説明する図である。 メインブレードの加工を説明する図である。

以下、本発明の実施形態を図面と共に説明する。
図６は本発明であるインペラ加工機の実施形態の要部外観図である。この実施形態では、縦型工作機械を用いている。符号３２は縦型工作機械の主軸頭である。この縦型工作機械はＸ軸，Ｙ軸として表される水平２軸とＸ軸，Ｙ軸に垂直なＺ軸の直線３軸の可動軸を有する。載置台３６には傾斜台３４が取り付けられており、回転テーブル２０は傾斜台３４に固定されている。回転テーブル２０には、回転軸中心２８を中心軸として回転する円盤２２を備えている。回転軸中心２８は水平軸であるＸ軸に対して傾斜している。円盤２２にはワーク３を取り付けるアダプタ２６がボルト２４によって取り付けられている。そして、アダプタ２４にはワーク３が取り付けられる。ワーク３は工具３０によって切削され第１，第２インペラ１，２が作成される。工具３０としてはエンドミルカッタを用いることで、インペラのブレードの加工が可能である。なお、縦型工作機械に替えて横型工作機械を用いてインペラ加工機を構成してもよい。

図７は図６で説明した実施形態の側面図であり、回転軸が傾斜して固定された状態と傾斜角θを説明する図である。回転テーブル２０は傾斜台３４に固定されている。回転テーブル２０の円盤２２の回転軸中心２８は、水平軸の１つであるＸ軸に対して傾斜角θだけ傾斜している。アダプタ２６が取り付けられた円盤２２は回転軸中心２８を中心軸として回転する。アダプタ２６の一端部にはワーク３が取り付けられる。

図８は、４軸加工機用数値制御装置の概略構成図である。ＣＰＵ４１は数値制御装置１００を全体的に制御するプロセッサである。ＣＰＵ４１は、メモリ４２のＲＯＭ領域に格納されたシステムプログラムをバス５８を介して読み出し、該システムプログラムに従って数値制御装置全体を制御する。メモリ４２のＲＡＭ領域には一時的な計算データや表示データ及び表示器／ＭＤＩユニット５９を介してオペレータが入力した各種データが格納される。また、メモリ４２のＳＲＡＭなどで構成される不揮発性メモリ領域には、インタフェース４３を介して読み込まれた加工プログラムや表示器／ＭＤＩユニット５９を介して入力された加工プログラム等が記憶される。

インタフェース４３は、数値制御装置１００とアダプタ等の外部機器（図示せず）との接続を可能とするものである。図示しない外部機器からは加工プログラムや各種パラメータ等が読み込まれる。また、数値制御装置１００内で編集した加工プログラムは、外部機器（図示せず）を介して外部記憶手段に記憶させることができる。ＰＭＣ（プログラマブル・マシン・コントローラ）４４は、数値制御装置１００に内蔵されたシーケンスプログラムで工作機械の補助装置にＩ／Ｏユニットを介して信号を出力し制御する。また、工作機械本体に配備された操作盤の各種スイッチ等の信号を受け、必要な信号処理をした後、ＣＰＵ４１に渡す。

表示器／ＭＤＩユニット５９はディスプレイやキーボード等を備えた手動データ入力装置であり、インタフェース４６は表示器／ＭＤＩユニット５９のキーボードからの指令、データを受けてＣＰＵ４１に渡す。インタフェース４７は手動パルス発生器等を備えた操作盤６０に接続されている。

各軸の軸制御回路４８，５０，５２，５４はＣＰＵ４１からの各軸の移動指令量を受けて、各軸の指令をサーボアンプ４９，５１，５３，５５に出力する。サーボアンプ４９，５１，５３，５５はこの指令を受けて、各軸のサーボモータ６１〜６４を駆動する。各軸は位置・速度のフィードバック制御を行う（図８ではこの構成は省略している）。

サーボモータ６１〜６４は、工作機械のＸ，Ｙ，Ｚ，Ｃ軸を駆動するもので、図６に示した４軸加工機械を駆動制御するものである。また、スピンドル制御回路５６は主軸回転指令を受け、スピンドルアンプ５７にスピンドル速度信号を出力する。スピンドルアンプ５７はスピンドル速度信号を受けて、主軸モータ６５を指令された回転速度で回転させる。
４軸加工機用数値制御装置１００は、工具である刃物をＸ、Ｙ、Ｚの３軸移動させると同時に、回転軸でワーク３を回転させ、４軸制御によりインペラの翼面全体を加工する。加工プログラムは、４軸指令のプログラムを用いる。

図９は、スプリッタブレードの加工を説明する図である。回転軸の持ち上げ角度がα以下であるとスプリッタブレード先端にアンダーカットができ加工できない部分が生じるが、回転軸をα以上持ち上げると（α≦θ）スプリッタブレード先端を加工できる。
インペラには図４に示されるように、スプリッタブレード先端の前進角αよりもメインブレードのすくい角βが大きい（α≦β）インペラが存在する。この場合、インペラを水平位置からα≦θ≦βとなる角度θだけ持ち上げて固定しても、スプリッタブレード先端及びメインブレードのすくい面のどちらも加工することができる。

また図３のメインブレードのみを有するインペラや、図５のようにスプリッタブレード先端の前進角αが０またはαがメインブレードのすくい角βとは反対方向の角度（α）のインペラの場合、インペラを水平位置から０＜θ≦βとなる角度θだけ持ち上げて固定しても、スプリッタブレード先端及びメインブレードのすくい面のどちらも加工することができる。

なお、図１０は、メインブレードの加工を説明する図である。回転軸の持ち上げ角度がβ以下（θ≦β）でメインブレードの翼面を加工できるが、βより大きく持ち上げるとアンダーカットとなり加工できない部分が生じる。

１ 第１インペラ
２ 第２インペラ
３ ワーク
１０ ハブ面
１２ メインブレード
１４ スプリッタブレード
１６ 基部平面
１７ 延長線
１８ 延長線
１９ インペラ中心軸
２０ 回転テーブル
２２ 円盤
２４ ボルト
２６ アダプタ
２８ 回転軸中心
３０ 工具
３２ 主軸頭
３４ 傾斜台
３６ 載置台
１００ ４軸加工機用数値制御装置
α 前進角
β すくい角
θ 傾斜角

Claims (4)

1. 直交３軸とワークを載置したテーブルを回転させる回転１軸と、該ワークを切削する工具と、該直交３軸と該回転１軸を駆動制御する数値制御装置とを備えた加工機を用い、
   加工するインペラがメインブレードのみを有し、前記メインブレードのすくい角をβとした場合に、
   前記回転１軸の軸方向を前記直交３軸の水平軸に対し０度より大きくβ以下の任意の角度θに傾斜して固定し、
   前記数値制御装置によって前記直交３軸と前記回転１軸を制御することにより前記ワークからインペラを加工することを特徴とするインペラ加工方法。
2. 直交３軸とワークを載置したテーブルを回転させる回転１軸と、該ワークを切削する工具と、該直交３軸と該回転１軸を駆動制御する数値制御装置とを備えた加工機を用い、
   加工するインペラがメインブレードとスプリッタブレードとを有し、前記スプリッタブレード先端の前進角をα、前記メインブレードのすくい角をβとした時に、αがβと同じ方向の角度（α＞０）で、かつ、α≦βである場合に、
   前記回転１軸の軸方向を前記直交３軸の水平軸に対しα以上β以下の任意の角度θに傾斜して固定し、
   前記数値制御装置によって前記直交３軸と前記回転１軸を制御することにより前記ワークからインペラを加工することを特徴とするインペラ加工方法。
3. 直交３軸とワークを載置したテーブルを回転させる回転１軸と、該ワークを切削する工具と、該直交３軸と該回転１軸を駆動制御する数値制御装置とを備えた加工機を用い、加工するインペラがメインブレードとスプリッタブレードとを有し、前記スプリッタブレード先端の前進角をα、前記メインブレードのすくい角をβとした時にα＝０あるはβとは反対方向の角度（α＜０）である場合に、
   前記回転軸１軸の軸方向を前記直交３軸の水平軸に対し０度より大きくβ以下の任意の角度θに傾斜して固定し、
   前記数値制御装置によって前記直交３軸と前記回転１軸を制御することにより前記ワークからインペラを加工することを特徴とするインペラ加工方法。
4. 前記数値制御装置は４軸指令のプログラムを用いて前記直交３軸を移動させると同時に、前記回転１軸で前記ワークを回転させて制御することによりインペラを加工することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載のインペラ加工方法。