JP5437559B2 - タービンエンジン構成部品を機械加工する方法 - Google Patents

Description

本発明は、総括的には機械加工法に関し、より具体的には、例えばタービンエンジン構成部品を製作する方法に関する。

少なくとも一部の公知のガスタービンエンジンは、それから半径方向外向きに延びる複数のロータブレードすなわち翼形部を有するロータディスクを備えたファン組立体、圧縮機及び／又はタービンを含む。例えば、少なくとも一部の公知のロータブレードは、その支持周辺部内に形成された対応するダブテールスロット内に受けられたダブテールによってロータディスクに結合される。高性能を可能にするために、少なくとも一部のエンジン製造者は、各ロータ組立体内のブレード数を増加させようと試みてきた。しかしながら、ブレード数を増加させるにつれて、ディスク周辺部は、容認可能な応力限界値内で増加したブレード数を支持するのに十分な材料を有することができなくなる。従って、少なくとも一部の公知のファン、圧縮機及び／又はタービンは、ロータブレードが単一部品組立体としてロータディスクと一体形に形成されたロータ「ブリスク」の形態で製作される。単体構造組立体は、ロータディスクに生じる遠心応力を低下させることができる。

しかしながら、ロータブリスクの製造は、個々のロータブレード及び別体のロータディスクの製造よりも一層複雑になる可能性がある。さらに、ブリスクのロータディスク及びロータブレードは、一体形に形成されるので、製造上の欠陥は、個々のロータブレード及び別体のロータディスクと関連した製造上の欠陥よりも一層重大なものになる可能性がある。例えば、ブリスク内の１つ又はそれ以上のロータブレードが、容認可能な製造公差外である場合には、ブリスク全体が、欠陥がありかつ使用できないものとみなされることになる。従って、ブリスクの製造では、個々のロータブレード及び／又は別体のロータディスクの製造よりも一層の製造公差への努力及び／又は整合が必要になる。従って、そのような高い整合及び／又は努力により、他のエンジン組立体と比較してエンジンを製造することに関連した時間及び費用が増大することになる。

ブリスクを製造する少なくとも１つの公知の方法は、回転ミル及び段階的フライス加工プロセスを使用してブランクからブリスクを機械加工する段階を含む。例えば、回転ミルの底部を使用することによって、ブランクを横切って１つ又はそれ以上のグルーブを荒切削して２つの対向する側壁を部分的に形成し、この２つの対向する側壁が各々、最終的にはブリスクの隣接する仕上げロータブレードの側面を形成することになる。側壁の部分は次に、回転ミルの側部を使用して仕上げ切削される。次に、各グルーブの荒削り及び側壁の仕上げ切削は、ブランク内をより深く機械加工するように交互に繰り返されて、ブリスク内にポケットが形成される。ポケット深さを増分ずつ荒切削しかつ次に側壁を交互に仕上げ加工することによって、段階的フライス加工プロセスにより、隣接するロータブレードの１つの凸面形側面と他の隣接するロータブレードの凹面形側面とを有しかつその両側面が容認可能な公差内に仕上げられたポケットが形成される。次に、ブランクは角度割出しされ、段階的フライス加工プロセスを繰り返してブランクの周辺部に沿って次のポケット及び仕上げ側面が形成れる。

ミルの過剰な摩耗を防止するのを可能にするために、異なるがほぼ同様に構成した回転ミルをブリスクの異なるポケットを形成するために使用して、各ミルの過剰な摩耗を回避するようにすることもある。しかしながら、鍛造ストック材料を仕上げロータブレードの部分、例えば前縁及び／又は後縁部分から除去する必要がある場合があり、これは、ブリスクを製作する上でのサイクル時間、困難さ及び／又は費用を増大させるおそれがある。例えば、鍛造ストック材料を除去することは、仕上げロータブレードを製作するために、より多くの段階、作業者が余分な段階を実行すること、ツール、及び／又は作業者の訓練を必要とすることになる。さらに、各ロータブレードの対向する側面は、異なるミルを使用して機械加工されるので、対向する側面間で製造上のばらつきが発生する可能性がある。さらに、同一のブレードの両側面は、異なる時間に機械加工されることになるので、温度条件の変化により、両側面間で製造上のばらつきが生じる可能性がある。このような製造上のばらつき、例えばブレード厚さにおけるばらつきは、ブレードの性能及び／又はブリスクの動的バランスに悪影響を及ぼすおそれがある。

ブランクを機械加工する方法を提供する。本方法は、ブランク内に第１のポケットを機械加工して第１の側壁を形成する段階と、ブランク内に第２のポケットを機械加工する段階と、第１及び第２のポケット間にグルーブを機械加工して、第１の側壁と対向する第２の側壁の一部分を露出させる段階と、第１及び第２の側壁を機械加工する段階と、グルーブ並びに第１及び第２の側壁を機械加工してブランク内にグルーブをより深く段階的フライス加工しかつ第２の側壁の延長部によって少なくとも部分的に形成された第３のポケットを形成する段階を交互に繰り返す段階とを含む。

本明細書で使用する場合、「機械加工する段階」、「機械加工する」及び「機械加工した」という用語は、物体を成形するのに使用するあらゆる加工法を含むことができる。例えば、物体を成形するのに使用する加工法には、それに限定されないが、旋盤加工、平削り加工、フライス加工、研削加工、仕上げ加工、研磨加工及び／又は切削加工を含むことができる。さらに、また例えば、成形加工法には、それに限定されないが、機械、加工ツール及び／又は人によって行われる方法を含むことができる。上記の実例は、単なる例示として示したものであり、従って、「機械加工する段階」、「機械加工する」及び「機械加工した」という用語の定義及び／又は意味に決して限定を与えることを意図するものではない。

図１は、例示的なガスタービンエンジンロータブリスク１０を製作する方法の例示的な実施形態の概略図である。中実環状ディスクの例示的な形態をしたワークピースすなわちブランク１２は、それからシャフト１６が延びる環状中央ハブ１４を有する。この例示的な実施形態では、ブランク１２は、それからロータブリスク１０を機械加工するように構成された寸法及び形状を有しかつ材料で形成される。ブリスク１０は、ハブ１４から半径方向外向きに延びた複数の円周方向に間隔を置いて配置されたロータブレード１８を含み、ハブは、その上にブレード１８を一体形に支持する。

各ブレード１８は、ほぼ凹面形の正圧側面２０とほぼ凸面形の負圧側面２２とを備えた例示的な公知の構成を有する。各側面２０及び２２は、各ブレード１８の根元２４から先端２６まで延びる。各側面２０及び２２はまた、各ブレード１８の前縁２８と後縁３０との間で延びる。この例示的な実施形態では、各ブレード１８は、一般的にそれを通してブレード根元２４からブレード先端２６まで延びる半径方向軸線の周りで捻れておりかつブレード根元とブレード先端との間でテーパが変化しまた／又は翼弦長が変化した状態になった好適な翼形部構成を有する。この例示的な実施形態では、各ブレード１８のキャンバもまた一般的に、ブレード根元２４からブレード先端２６まで変化しており、その結果得られた翼形部は、空気力学的効率を最大にするために該翼形部の側面２０及び２２にわたって好適に平滑な表面仕上げを必要とすることになる３−Ｄ輪郭を有する。

ブランク１２は、例えばそれに限定されないが回転加工ツール３４を有する多軸フライス盤のような公知の機械３２を使用して機械加工される。あらゆる好適な加工ツールを使用することができるが、幾つかの実施形態では、ツール３４はボールエンドミルである。この例示的な実施形態では、ブランク１２は、該ブランク１２の３−Ｄ機械加工経路に沿うように複数の移動角度又は軸線を有する状態で機械３２及び加工ツール３４に対して結合される。一般的に、ブランク１２は、該ブランクの周辺部３６から半径方向内向きにハブ１４に向かって下方に機械加工されて、半径方向内側プラットフォーム４０を有するポケット（図１では参照符号を付していない）が各ブレード１８間に形成される。機械３２、加工ツール３４及びブランク１２の一般的な作動、構成、配置及び／又は構造は、当技術分野では公知であり、従って本明細書ではより詳細には説明しないことにする。

図２は、ブランク１２（図１に示した）を機械加工してロータブリスク１０（図１に示した）を製作する例示的な実施形態を示すフローチャートである。図３は、ブランク１２の一部分の斜視図である。方法５０は、ブランク１２内に複数のポケット５４及び５６を荒公差、例えばそれに限定されないが数ミルに機械加工する段階５２を含む。ポケット５４及び５６は、あらゆる好適なプロセスを使用して形成することができる。例えば、また他のプロセスを使用することができるが、図４は、ポケット５４又は５６を機械加工するための例示的なプロセスを示す一部分のブランク１２の斜視図である。この例示的な実施形態では、ポケット５４及び５６は、例えば加工ツール３４を使用して、ブランク１２を横方向に横切って細長いグルーブ５８を機械加工して側壁６０を部分的に露出させることによって機械加工される。グルーブ５８は、アーチ形底面６２を有する。ブランク１２は次に、図４に示すように、ブランク１２を横方向に横切ってかつ先に機械加工したグルーブ５８に沿って１つ又はそれ以上の交互するパスで機械加工して底面カスプ６４において互いに隣接する複数のグルーブ５８を機械加工しかつ別の側壁６６を露出させることによって機械加工される。そのような機械加工を繰り返すことによって、グルーブ５８が、ブランク１２内に半径方向により深く機械加工されて、それに沿って側壁６０及び６６が延びるポケット５４又は５６が形成される。幾つかの実施形態では、グルーブ５８並びに側壁６０及び６６は、同一の加工ツール３４を使用して機械加工される。例えば、幾つかの実施形態では、グルーブ５８は、加工ツール３４の底部８２で機械加工され、また側壁６０及び６６は、加工ツール３４の側部８４で機械加工される。

図５は、ポケット５４及び５６間でブリスク１２上に位置した材料内に機械加工したポケット６８を示す一部分のブランク１２の斜視図である。方法５０は、ポケット６８に沿って延びかつ互いに向き合っている一対の側壁７２及び７４を備えたポケット６８を機械加工する段階７０を含む。方法５０はまた、ポケット６８の側壁７２及び７４と、ポケット５４の側壁６０と、ポケット６８の側壁７４の反対側になるポケット５６の側壁７８とを機械加工して２つの隣接するロータブレード１８（図１に示した）の正圧及び負圧側面２０及び２２を形成する段階７６を含む。ブランク１２は次に、角度割出しされ、かつブランクの周辺部３６の他の部分に対して方法５０が繰り返されて、ロータブリスク１０を製作することができる。

この例示的な実施形態では、ポケット６８を機械加工する段階７０並びに側壁７２、７４、６０及び７８を機械加工する段階は、ブランク周辺部３６を軸方向に横切って１つ又はそれ以上の隣接するグルーブ５８を機械加工してポケット６８の形成を開始する段階８０を含む。この例示的な実施形態では、加工ツール３４は、ブランク周辺部３６を横方向に横切って３つの例示的なパスで送込まれて、順次に中央グルーブ、左側グルーブ及び右側グルーブを形成する。加工ツール３４は次に、ブランクを横断して横方向マルチパス及び半径方向マルチステップ又はレベルで繰り返し送込まれる。この例示的な実施形態では、複数の半径方向レベルは各々、加工ツール３４の切削深さの約１／５の半径方向深さを有し、このことは、側壁７２及び７４の半径方向最外側部分を最初に形成するのに十分なものといえる。グルーブ５８は、荒公差、例えばそれに限定されないが数ミルに機械加工される。

複数のレベルを機械加工した後に、加工ツール３４は、側壁７２又は７４のいずれかに隣接したグルーブ５８のそれぞれの１つから半径方向外向きにバックステップさせた後に、それらの側壁を機械加工する。従って、加工ツール３４の底部８２と下側にある先に機械加工したグルーブ５８との間にギャップが形成される。次に、加工ツール３４は、ポケット６８の側壁７２及びポケット５４の側壁６０の周辺部８４に沿って送込まれて、ブレード１８の好適な仕上げ面が得られるような仕上げ公差に側壁７２及び６０を機械加工する８４。幾つかの実施形態では、仕上げ公差は、図５に示すように、グルーブ５８の荒公差よりも小さい。例えば、仕上げ公差は、それに限定されないが約１２．７〜２５．４μｍ（約０_・５〜１ミル）とすることができる。この例示的な実施形態では、側壁６０及び７２並びにグルーブ５８を機械加工するのに、同一の加工ツール３４が使用される。例えば、幾つかの実施形態では、グルーブ５８は、加工ツールの底部８２を用いて機械加工され、また側壁６０及び７２は、加工ツールの側部８３を用いて機械加工される。側壁６０及び７２の機械加工が完了すると、ポケット６８の側壁７４及びポケット５６の側壁７８が、側壁７２及び６０と同じ方法で機械加工される８６。

次に、グルーブ５８並びに側壁７２、７４、６０及び７８を機械加工するように加工ツール３４を交互に使用して、下向きに段階的フライス加工を継続する。従って、ポケット６８は、複数のレベルの各々に対応する小さな深さ増分でかつブリスクハブ１４におけるポケット６８の最終深さに到達するのに必要な多くの付加的なレベルで段階的フライス加工することができる。そのような部分的深さのフライス加工により、一般的にボールエンドミルの全ての使用可能な切削面に沿った材料除去を最大にするようにミルをその全半径切削深さに向かって半径方向に押し込む場合に、従来型のフライス加工において可能であったものよりも大きくすることができる加工ツール３４の極めて高い回転速度とそれに対応した大きい送込み量が可能になる。

本発明によると、各新規なレベルの材料が除去されると、少量の過剰な側面材料が、各側壁７２、７４、６０及び７８上に残され、より具体的には各ブレード１８の側面２０及び２２が製作される。ポケット６８の底面と側壁７２、７４、６０及び７８とを交互に荒加工しかつ仕上げ加工しながらポケット６８を下向きに段階的に切込むこのプロセスにより、製作中のブレードは、側壁７２、７４、６０及び７８への仕上げ機械加工を行なっている領域の直ぐ下方の中実材料によって常に支持されるので、一層正確な翼形部が形成される。この段階的切込みプロセスは、ポケット深さを増分ずつ荒機械加工しかつ次に側壁７２、７４、６０及び７８を交互に仕上げ機械加工することによって、ハブ１６に対して全ポケット６８を仕上げるまで進められる。得られたポケット６８は、１つのブレード１８の凸面形負圧側面２２と隣接するブレード１８の凹面形正圧側面２０とを有することになり、その両側面は仕上げ公差となっている。図６は、ブランクハブ１２から半径方向外向きに延びた片持ち梁の形態になった２つの隣接する仕上げブレード１８を示すブランク１２の一部分の斜視図である。次に、ブランク１２は、次の一連のポケットに対して角度割出しされ８８かつ方法５０が繰り返されてロータブリスク１０を製作することができる。

ブレード１８の根元２４とハブ１６との間に比較的小さな滑らかに連続する半径を有することが望ましいことになるので、後続の機械加工作業は、より小さい直径のボールエンドミルを使用してブレード根元２４をハブ１６内に滑らかに連続させるように行うことができる。

側壁７２、７４、６０及び７８の仕上げ機械加工は、それに対応する下側にあるグルーブ５８を荒フライス加工した後に交互に行われるので、側壁は、支持なしで立っている従来型の方法に見られるような円周方向可撓性がたとえあったとしても殆どない状態でしっかりと剛体支持される。その結果、仕上げブレード１８は、より小さい製造公差及びより正確な公称寸法並びにより大きなブレード間精度を好適に有する状態で製作することができる。このことにより、従来型の方法において見られた、機械加工したブリスクの容認不能なアンバランスを引き起こすおそれがあったブレード間の製造上のばらつきの問題が有効に排除される。さらに、各ブレード１８の両側面は同時に極めて精密に機械加工されるので、本明細書で説明及び／又は図示した方法は、異なる温度条件によって引き起こされる製造上のばらつきを低減するのを可能にすることができる。

その結果、段階的フライス加工した仕上げブリスクは、従来型の一箇所集中フライス加工したブリスクと比較して高い精度及び仕上げを有する状態でハブ１２から半径方向外向きに延びた複数のブレード１８を含む。個々のブレード１８の３−Ｄ輪郭は、ブレード間でより精度のあるものにすることができ、また機械加工パス数を大きく減少させた状態で明確に差異がありかつ著しくより滑らかな表面輪郭を達成することができる。

本明細書で説明及び／又は図示した方法は、ガスタービンエンジン、より具体的にはガスタービンエンジンブリスクを製作することに関して説明及び／又は図示しているが、本明細書で説明及び／又は図示した方法の実施は、ガスタービンエンジンブリスクを製作することにもまたガスタービンエンジン全体にも限定されるものではない。むしろ、本明細書で説明及び／又は図示した方法は、あらゆる材料ブランクを機械加工することに適用可能である。

本明細書では、方法の例示的な実施形態を詳細に説明及び／又は図示している。本方法は、本明細書に記載した特定の実施形態に限定されるものではなく、むしろ、各方法の段階は、本明細書に記載した他の段階から独立してかつ別個に利用することができる。各方法の段階はまた、他の方法の段階と組合せて使用することもできる。

本明細書で説明及び／又は図示した方法の要素／構成部品／などを紹介する場合に、数詞のない表現は、要素／構成部品／などの１つ又はそれ以上が存在することを意味することを意図している。「含む」、「備える」及び「有する」という用語は、記載した要素／構成部品／など以外の１つ又は複数の付加的な要素／構成部品／などが存在してもよいことを包含しかつ意味することを意図している。

本発明を様々な特定の実施形態に関して説明てきたが、本発明が特許請求の範囲の技術思想及び技術的範囲内の変更で実施することができることは、当業者には明らかであろう。

例示的なガスタービンエンジンロータブリスクを製作する方法の例示的な実施形態の概略図。 図１に示したブランクを機械加工して図１に示したガスタービンエンジンロータブリスクを製作する方法の例示的な実施形態を示すフローチャート。 図２に示した方法の一部分を示す、図１に示したブランクの一部分の斜視図。 その中に例示的なポケットを機械加工するための例示的なプロセスを示す、図１に示したブランクの周辺部の一部分の斜視図。 図２に示した方法の一部分を示す、図１に示したブランクの一部分の斜視図。 図２に示した方法の一部分を示す、図１に示したブランクの一部分の斜視図。

符号の説明

１０ タービンエンジンロータブリスク
１２ ブランク
１４ ブリスクハブ
１６ ハブ
１８ ブレード
２０ 正圧側面
２２ 負圧側面
２４ ブレード根元
２６ ブレード先端
２８ 前縁
３０ 後縁
３２ 機械
３４ 加工ツール
３６ ブランク周辺部
４０ 内側プラットフォーム
５０ 方法
５２ 機械加工する段階
５４ ポケット
５６ ポケット
５８ グルーブ
６０ 側壁
６２ 底面
６４ 底面カスプ
６６ 側壁
６６ ポケット
７０ 機械加工する段階
７２ 側壁
７４ 側壁
７６ 機械加工する段階
７８ 側壁
８０ 機械加工する段階
８２ 底部
８３ ツール側部
８４ 機械加工する段階
８６ 機械加工する段階
８８ 角度割出しする段階

Claims (6)

1. ブランク（１２）を機械加工してタービンエンジン構成部品（１０）を製作する方法（５０）であって、
   （ａ）前記ブランク内に第１のポケット（５４）を荒公差に機械加工して、第１の側壁（６０）を形成する段階（５２）と、
   （ｂ）前記ブランク内に第２のポケット（５６）を荒公差に機械加工して、第２の側壁（７８）を形成する段階（５２）と、
   （ｃ）前記第１のポケット（５４）と第２のポケット（５６）の間にグルーブ（５８）を荒公差に機械加工して、前記第１の側壁（６０）と対向する第３の側壁（７２）の一部分と、前記第２の側壁（７８）と対向する第４の側壁（７４）の一部分とを露出させる段階（７０）と、
   （ｄ）前記荒公差よりも小さい仕上げ公差に前記第１及び第３の側壁（６０、７２）並びに前記第２及び第４の側壁（７４、７８）を機械加工する段階（７６）と、
   （ｅ）前記（ｃ）のグルーブ（５８）の荒公差での機械加工と、前記（ｄ）の仕上げ公差での前記第１及び第３の側壁（６０、７２）並びに前記第２及び第４の側壁（７４、７８）の機械加工とを交互に繰り返すことによって前記ブランク内に前記グルーブ（５８）をより深く段階的フライス加工しかつ前記第３の側壁（７２）及び第４の側壁（７４）によって少なくとも部分的に形成された第３のポケット（６８）を形成する段階（８０〜８６）と
   を含む方法。
2. 前記第１の側壁（６０）と第３の側壁（７２）が第１のブレードを形成し、前記第２の側壁（７８）と第４の側壁（７４）が、前記第１のブレードに隣接した第２のブレードを形成する、請求項１記載の方法。
3. 前記第１のブレードと第２のブレードとを形成した後、前記ブランク（１２）を次の角度割出しする、請求項１又は請求項２記載の方法。
4. 前記グルーブ（５８）の機械加工と、前記前記第１及び第３の側壁（６０、７２）並びに前記第２及び第４の側壁（７４、７８）の機械加工を交互に繰り返す段階（８０〜８６）が、前記グルーブ（５８）の機械加工（８０）と、前記第１及び第３の側壁（６０、７２）の機械加工（８４）と、前記第２及び第４の側壁（７４、７８）の機械加工（８６）とを交互に繰り返すことを含む、請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載の方法。
5. 前記第１及び第２の側壁（６０、６６）を機械加工する段階（７６）が、同一の加工ツール（３４）を使用して前記第１〜第４の側壁（６０、７２、７４、７８）を機械加工する段階を含む、請求項１乃至請求項４のいずれか１項記載の方法（５０）。
6. 前記グルーブ（５８）を機械加工する段階（７０）が、複数の隣接するグルーブを機械加工する段階を含む、請求項１乃至請求項５のいずれか１項記載の方法（５０）。
   
   

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