JP5940167B2

JP5940167B2 - リブの加工方法

Info

Publication number: JP5940167B2
Application number: JP2014544126A
Authority: JP
Inventors: 上野　裕司; 裕司上野; 了一宮本
Original assignee: Makino Milling Machine Co Ltd
Current assignee: Makino Milling Machine Co Ltd
Priority date: 2012-10-31
Filing date: 2012-10-31
Publication date: 2016-06-29
Anticipated expiration: 2032-10-31
Also published as: CA2889088A1; CN104768686B; CN104768686A; EP2915616B1; EP2915616A1; JPWO2014068710A1; EP2915616A4; US20150298225A1; CA2889088C; US9776257B2; WO2014068710A1

Description

本発明は、Ｔ形カッタ及びＴ形カッタを用いて折返し部を有するリブを切削加工するリブの加工方法、及び折返し部のあるリブを有した航空機部品に関する。

例えば、所謂Ｔスロットと称される溝を形成するために、従来からＴスロットカッタと称されるＴ形カッタが用いられている。こうしたＴ形カッタは、また、ワーク側面にアンダーカットを形成するためにも用いられる。こうしたワーク側面にアンダーカットを形成する方法は、例えば、航空機の翼のスキンパネルのリブにリターンフランジを形成する場合にも適用される。

Ｔ形カッタは、シャンクと、該シャンクの先端に結合されたヘッドとを有しており、通常、ヘッドには、超硬合金製のチップがネジ止め或いはロー付けされる。多結晶ダイヤモンド（ＰＣＤ）製のチップをヘッドにロー付けしたＴ形カッタもある。

例えば、特許文献１には、刃部側から刃部とは反対側へ軸心に対して回転方向とは逆方向へ傾斜するように延びる溝部をシャンクの外周面に設け、切り屑の排出性を改善したＴスロットカッタが記載されている。このＴスロットカッタは、刃部に超硬合金製のスロアウエーチップがネジ止めされている。

特許文献２には、先端部側チップと基端部側チップとを工具の回転方向に交互に配置してカッティングヘッドにネジ止めしたＴスロットカッタが記載されている。

特開２００９−１８３５４号公報特許第４８３０５９７号公報

特許文献１、２に記載されているように超硬合金製のチップをネジ止めしたＴ形カッタでは、遠心力や各チップの回転半径のバラツキのために、主軸の回転速度が約１０００回転／分、送り速度が数百mm/min程度に制限されるため、単位時間あたりにワークから除去される材料の量（ＭＲＲ(cm³/min)）で示される加工効率が低くなる。また、図１３に示すような湾曲面に沿って加工する場合や、図１４に示すような傾斜面をチップをロー付けしたＴ形カッタで加工する場合に、工具の軸方向に切削力が作用するためチップがＴ形カッタのヘッドから脱落し易くなる問題があり、それを防止するために、工具の回転速度や送り速度を更に低減しなければならない。こうした、湾曲面や傾斜面の加工は、例えば、航空機の翼のスキンパネルやリーディングエッジ等の製造工程に必要となる。

一方、多結晶ダイヤモンド（ＰＣＤ）製のチップをヘッドにロー付けしたＴ形カッタは、超硬合金製のチップをネジ止め或いはロー付けしたＴ形カッタと比較して、工具の回転速度を高めて加工効率を高くすることができる。然しながら、図１３に示すような湾曲面に沿って加工する場合や、工具の軸方向に切削力が作用する図１４に示すような傾斜面を加工する場合には、超硬合金製のチップの場合と同様に、ヘッドからチップが脱落し易くなる問題があり、やはり工具の回転速度や送り速度を高くすることができない。

従って、本発明は、こうした従来技術の問題を解決することを技術課題としており、高速回転、高速送りで折返し部を有するリブの加工、特に三次元アンダーカット形状を加工可能なＴ形カッタ、リブの加工方法及び航空機部品を提供することを目的としている。

また、本発明によれば、折返し部を有するリブをアルミニウム合金製のワークに切削加工するリブの加工方法において、シャンクと、前記シャンクの一端に設けられ、前記シャンクとは反対側である先端側に切刃を有した複数の底刃部であって該底刃部の底面、側面及び両者間のコーナーＲがすくい面と交差する稜線によって形成される切刃を有した複数の底刃部と、前記シャンク側に接近する基端側に切刃を有した複数の上刃部であって該上刃部の上面、側面及び両者間のコーナーＲがすくい面と交差する稜線によって形成される切刃を有した複数の上刃部とを、前記シャンクの軸線周りの周方向に交互に配置したヘッドとを具備するＴ形カッタであって、前記シャンクと前記ヘッドとでなるＴ形カッタの最終形状に近い側面視が概ねＴ形を呈する形状に超硬合金の粉末を成形、焼結した超硬合金製の工具素材を製作し、前記工具素材を研削加工によって前記シャンク、前記ヘッド、前記底刃部の切刃及び前記上刃部の切刃を超硬合金でなる１つの母材で形成した一体構造のＴ形カッタを製造し、前記ワークを３つの直線送り軸と、２つの回転送り軸とを有する５軸制御の工作機械のテーブルに固定し、前記工作機械の主軸にエンドミルを装着して、前記ワークのリブ部を前記折返し部の幅寸法以上の厚みを残して加工し、前記製造したＴ形カッタを前記工作機械の主軸に装着して回転させ、前記Ｔ形カッタの軸線と垂直な平面に対して傾いた曲面でなる三次元アンダーカット形状の折り返し部に沿って、前記工作機械の５軸の制御で前記ワークと前記Ｔ形カッタとを相対移動させて、単位時間あたりにワークから除去される材料の量である材料除去率（ＭＲＲ）を１００cm ³ /minから１０００cm ³ /minとして、前記折返し部が残るように前記リブの側面を切削加工するリブの加工方法が提供される。

本発明によれば、Ｔ形カッタは、刃部を含むヘッド及びシャンクがロー付け等の結合手段を介することなく一体的に形成されたソリッドタイプの切削工具となっているため、超硬合金製のチップをネジ止め或いはロー付けした従来のＴ形カッタや、ＰＣＤチップをヘッドにロー付けした従来技術によるＴ形カッタと比較して、二次元的な加工をする場合のみならず、湾曲面に沿って加工する場合や、傾斜面を加工する三次元アンダーカット形状の場合であっても、チップが脱落することなく、回転速度及び送り速度を非常に高速にすることができ、加工効率を非常に高めることができる。

特に、折返し部のあるリブを有した航空機部品、例えば、翼のスキンパネル、リーディングエッジ、ウイングリブ等の翼部材の加工に本Ｔ形カッタ及びリブの加工方法を適用することによって、高いＭＲＲを得ることができる。アルミニウム合金の大きなブロック材の殆どを切り屑にして折返し部を有するリブ加工を行う航空機部品の製造に威力を発揮する。

本発明の好ましい実施の形態によるＴ形カッタの斜視図である。図１のＴ形カッタの軸方向半断面図である。図２の矢視線III-IIIに沿うＴ形カッタのヘッドの断面図である。図２の矢視線IV-IVに沿うＴ形カッタのヘッドの端面図である。図１のＴ形カッタのヘッドを示す部分拡大側面図である。図５とは異なる回転位置で示す図５と同様の部分拡大側面図である。本発明によるＴ形カッタの製造方法を示す略図である。従来技術によるＴ形カッタの製造方法を示す略図である。本発明のＴ形カッタによって加工される航空機の翼のスキンパネルの一部を示す斜視図である。本発明のＴ形カッタによって加工される航空機の翼のスキンパネルの一部を示す拡大断面図である。航空機の翼のスキンパネルの裏面を示す斜視図である。本発明のＴ形カッタを用いて三次元リターンフランジを形成するための工作機械の一例として示す横形５軸マシニングセンタの側面図である。従来技術によるＴ形カッタによって湾曲面を切削加工する場合の問題点を示す略図である。従来技術によるＴ形カッタによって傾斜面を切削加工する場合の問題点を示す略図である。

以下、添付図面を参照して、本発明の好ましい実施の形態を説明する。
先ず、図１〜図６を参照して、本発明のＴ形カッタの好ましい実施の形態を説明する。
Ｔ形カッタ１０は、主軸１１６の先端部に装着されるシャンク１２、該シャンク１２の先端に形成されるヘッド１４とを具備しており、ヘッド１４には複数の、本実施の形態では６つの刃部が形成されている。該刃部は、Ｔ形カッタ１０の先端側つまりシャンク１２とは反対側に切刃１６ａを有した３つの底刃部１６と、Ｔ形カッタ１０の基端側つまりシャンク１２側に切刃１８ａを有した３つの上刃部１８とから成る。Ｔ形カッタ１０は、上記刃部１６、１８を含むヘッド１４及びシャンク１２がロー付け等の結合手段を介することなく超硬合金の１つの母材で一体的に形成されており、いわゆるソリッドタイプの切削工具となっている。

底刃部１６の切刃１６ａは、底刃部１６の底面、側面及び両者間のコーナーＲがすくい面１６ｂと交差する稜線Ｐ_A−Ｐ_B（図５参照）によって形成される。同様に、上刃部１８の切刃１８ａは、上刃部１８の上面、側面及び両者間のコーナーＲがすくい面１８ｂと交差する稜線Ｐ_C−Ｐ_D（図６参照）によって形成される。コーナーＲの大きさはワークに加工されるフィレットＲの大きさに合わせて決められる。また、底刃部１６と、上刃部１８とはヘッド１４の周方向に交互に等間隔に配置されている。また、特に図５、６を参照すると、底刃部１６のすくい面１６ｂは上方に、つまりシャンク１２を臨むように傾斜しており、上刃部１８のすくい面１８ｂは、底刃部１６のすくい面１６ｂとは反対にＴ形カッタ１０の先端方向を臨むように傾斜している。

更に、Ｔ形カッタ１０には加工領域にクーラントを供給するためのクーラント通路が形成されており、該クーラント通路は、中心軸線Ｏに沿ってシャンク１２を貫通する軸方向通路１２ａと、該軸方向通路１２ａから半径方向にヘッド１４を貫通して底刃部１６及び上刃部１８のすくい面１６ｂ、１８ｂの方向に延設され、切刃１６ａ、１８ａへ向けてクーラントを噴出させるように開口する半径方向通路１４ａとから成る。主軸１１６の内部に設けられたクーラント供給管（図示せず）に連通したクーラント通路によって、クーラントが切刃１６ａ、１８ａに向けて供給され、発熱が低減し、また工具寿命と切りくずの排出が良好になる。

次に、図７、８を参照すると、従来、こうしたソリッドタイプのＴ形カッタを製造する際には、図８に示すように、超硬合金の粉体を円筒形状に成形、焼結して超硬合金製の円筒部材を作成し、該円筒部材から研削加工によって、Ｔ形カッタを創成している。これに対して、本願発明では、図７に示すように、Ｔ形カッタ１０の最終形状に近い側面視において概ねＴ形を呈する形状に超硬合金の粉体を成形、焼結して、そこから研削加工によって、T形カッタ１０のシャンク１２及びヘッド１４を創成するようにできる。これによって、図７、８において、ハッチングで示す研削加工によって除去される材料が著しく低減され、Ｔ形カッタ１０の材料費、製造時間及び製造コストが低減される。更に、研削加工に用いる研削砥石の寿命も著しく長くなる。クーラント通路１２ａ、１４ａは、放電加工等の周知の細穴加工方法によって形成することができる。

次いで、図９〜図１２を参照して、三次元アンダーカット形状として、航空機の翼のスキンパネルのリブ加工を一例として、Ｔ形カッタ１０を用いた折返し部を有するリブ、すなわちリターンフランジ部の切削加工方法を説明する。

図１１に一例として示す航空機の翼のスキンパネル５０は、アウタースキン５２と、該アウタースキン５２の内面に沿って長手方向に延びる一対の長手リブ５４、５６と、該長手リブ５４、５６の間に延設された複数の横断リブ５８とを備えている。横断リブ５８において、アウタースキン５２とは反対側の縁部に沿ってリターンフランジ（折返し部）６０が延在している。アウタースキン５２、長手リブ５４、５６、横断リブ５８及びリターンフランジ６０は、１つのアルミニウム合金製のブロックから削り出される。また、航空機の翼の一部をなすスキンパネル５０のアウタースキン５２は、二次元的な平面ではなく、翼表面の形状に沿って翼形の一部を形成するように三次元的に延在している。こうしたアウタースキン５２の三次元的な形状に適合するように、長手リブ５４、５６、横断リブ５８及びリターンフランジ６０もまた三次元的に湾曲している。

次に、図１２を参照すると、Ｔ形カッタ１０を用いて図１１に示す航空機の翼のスキンパネル５０のような、三次元リターンフランジを有したリブを加工する工作機械１００が示されている。工作機械１００は、横形マシニングセンタとして構成されており、工場の床面に固定される基台となるベッド１０２、該ベッド１０２の後方部分の上面にＺ軸送り機構を介して前後方向（Ｚ軸方向、図７では左右方向）に移動可能に取り付けられたコラム１０４、該コラム１０４の前面にＹ軸送り機構（図示せず）を介して上下方向（Ｙ軸方向）に移動可能に取り付けられた主軸台１０６、ベッド１０２の前方部分の上面にＸ軸送り機構を介して左右方向（Ｘ軸方向、図７では紙面に垂直な方向）に移動可能に取り付けられたテーブル１０８を具備する。テーブル１０８には、ワークＷを固定したパレットＰが取り付けられる。また、テーブル１０８上の加工済ワークＷを固定したパレットＰは、不図示のパレット交換装置によって、未加工ワークを固定したパレットＰと交換される。本実施の形態ではワークＷは、例えば、航空機の翼のスキンパネル５０とすることができる。尚、ＮＣ工作機械として立形マシニングセンタを採用することもできる。

主軸台１０６には、旋回台１１０がＺ軸回りのＣ軸方向に回転可能に支持されている。旋回台１１０は該旋回台１１０の回転軸線を挟んで両側部にブラケット部１１２を有している。ブラケット部１１２には、主軸頭１１４がＸ軸に平行な回転軸１１２ａによってＡ軸方向に回転可能に取り付けられている。主軸頭１１４には、主軸１１６が長手方向の回転軸線Ｏsを中心に回転可能に支持されており、該主軸１１６の先端部にＴ形カッタ１０が取り付けられている。

なお、Ｘ軸送り機構は、ベッド１０２の上面において左右方向に水平に延設された一対のＸ軸ガイドレール１０２ａ、該Ｘ軸ガイドレール１０２ａ沿いに摺動可能にテーブル１０８の下面に取り付けられたガイドブロック（図示せず）、ベッド１０２内においてＸ軸方向に延設されたＸ軸ボールねじ（図示せず）、テーブル１０８の下端部分に取り付けられ前記Ｘ軸ボールねじに係合するナット（図示せず）、および、前記Ｘ軸ボールねじの一端に連結され該Ｘ軸ボールねじを回転駆動するサーボモータ（図示せず）を具備することができる。

同様に、Ｙ軸送り機構は、コラム１０４内に鉛直に延設された一対のＹ軸ガイドレール（図示せず）、該Ｙ軸ガイドレール沿いに摺動可能に主軸台１０６に取り付けられたガイドブロック（図示せず）、コラム１０４内においてＹ軸方向に延設されたＹ軸ボールねじ（図示せず）、主軸台１０６内に取り付けられ前記Ｙ軸ボールねじに係合するナット（図示せず）、および、前記Ｙ軸ボールねじの一端に連結され該Ｙ軸ボールねじを回転駆動するサーボモータ（図示せず）を具備することができる。

同様に、Ｚ軸送り機構は、ベッド１０２の上面において前後方向に水平かつＺ軸ガイドレール１０２ｂ沿いに摺動可能にコラム１０４の下面に取り付けられたガイドブロック（図示せず）、ベッド１０２内においてＺ軸方向に延設されたＺ軸ボールねじ（図示せず）、コラム１０４の下面に取り付けられ前記Ｚ軸ボールねじに係合するナット（図示せず）、および、前記Ｚ軸ボールねじの一端に連結され該Ｚ軸ボールねじを回転駆動するサーボモータ（図示せず）を具備することができる。
こうして、工作機械１００は、Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸の３つの直線送り軸と、Ａ軸及びＣ軸の２つの回転送り軸を有した５軸のＮＣ工作機械を構成している。

Ｔ形カッタ１０を用いて、航空機の翼のスキンパネルにリターンフランジを形成するために、先ず、スキンパネル５０よりも大きな寸法を有したアルミニウム合金製のブロックをワークＷとして、パレットＰに固定した状態でテーブル１０８に取り付ける。次いで、例えば、エンドミル（図示せず）のような回転切削工具を工作機械１００の主軸１１６に装着し、工作機械１００の５軸の送り制御によって、該ワークＷを加工し、アウタースキン５２、長手リブ５４、５６及びリターンフランジ６０を備えていない横断リブ５８（リブ部）を有したスキンパネルが形成される。このとき、横断リブ（リブ部）５８は、リターンフランジ６０を形成可能な、リターンフランジ６０の幅寸法以上の厚みを有している。

次いで、例えば、工作機械１００の自動工具交換装置（図示せず）を用いて、従前のエンドミルがＴ形カッタ１０に交換される。次いで、工作機械１００のＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸の３つの直線送り軸と、Ａ軸及びＣ軸の２つの回転送り軸の５軸の送り制御によって、図９、１０に示すように、横断リブ５８の側面に対して所定の切り込み深さを与えつつ、Ｔ形カッタ１０をアウタースキン５２の内面及び横断リブ５８の側面に沿って相対移動させる。これによって、横断リブ５８の側面に三次元アンダーカット形状が切削加工され、横断リブ５８においてアウタースキン５２とは反対側の縁部（図９、１０では上縁部）に沿って、リターンフランジ６０が形成される。リターンフランジ６０は、横断リブ５８の一方の側にのみ突出していても、或いは、横断リブ５８の両側に突出していてもよい。

本実施の形態によれば、Ｔ形カッタ１０は、切刃１６ａ、１８ａを含むヘッド１４及びシャンク１２がロー付け等の結合手段を介することなく一体的に形成されたソリッドタイプの超硬合金製の切削工具となっているため、超硬合金製のチップをネジ止め或いはロー付けした従来のＴ形カッタと比較して、二次元的な加工をする場合のみならず、Ｔ形カッタ１０の軸線Ｏに垂直な平面に対して傾いた図１３に示すような湾曲面に沿って加工する場合や、図１４に示すような傾斜面を加工する場合であっても、回転速度や送り速度を非常に高速にすることができ、加工効率を非常に高めることができる。

ここで加工結果の一例を示す。アルミニウム合金のワークにφ４５の外径のＴ形カッタを用いて三次元アンダーカット形状の加工を行った。Ｔ形カッタとして、超硬合金のロー付け刃を有した従来のカッタと、超硬合金のソリッドでなる本発明のカッタの二種類を用意した。底刃部から上刃部までの刃の高さは両カッタ共に１６ｍｍである。従来のカッタは、回転速度１０００ｒｐｍ、送り速度２６３mm/min、半径方向切込み量１１ｍｍで、やや振動が発生し、加工能力の限界に近づいた。このときのＭＲＲは４６cm³/minである。これに対して、本発明のカッタは、回転速度３３０００ｒｐｍ、送り速度１１０００mm/min、半径方向切込み量４ｍｍでやや振動が発生し、加工能力の限界に近づいた。このときのＭＲＲは７０４cm³/minである。本発明のカッタは従来のカッタと比較して、１５．３倍能率が高かった。従って、本発明のＴ形カッタはＭＲＲが１００cm³/minから１０００cm³/minの間の加工条件で用いると顕著な効果を奏する。

１０Ｔ形カッタ
１２シャンク
１２ａ軸方向通路（クーラント通路）
１４ヘッド
１４ａ半径方向通路（クーラント通路）
１６底刃部
１８上刃部
５０スキンパネル
６０リターンフランジ
１００工作機械
１０２ベッド
１０４コラム
１０８テーブル
１１４主軸頭
１１６主軸

Claims

折返し部を有するリブをアルミニウム合金製のワークに切削加工するリブの加工方法において、
シャンクと、前記シャンクの一端に設けられ、前記シャンクとは反対側である先端側に切刃を有した複数の底刃部であって該底刃部の底面、側面及び両者間のコーナーＲがすくい面と交差する稜線によって形成される切刃を有した複数の底刃部と、前記シャンク側に接近する基端側に切刃を有した複数の上刃部であって該上刃部の上面、側面及び両者間のコーナーＲがすくい面と交差する稜線によって形成される切刃を有した複数の上刃部とを、前記シャンクの軸線周りの周方向に交互に配置したヘッドとを具備するＴ形カッタであって、前記シャンクと前記ヘッドとでなるＴ形カッタの最終形状に近い側面視が概ねＴ形を呈する形状に超硬合金の粉末を成形、焼結した超硬合金製の工具素材を製作し、前記工具素材を研削加工によって前記シャンク、前記ヘッド、前記底刃部の切刃及び前記上刃部の切刃を超硬合金でなる１つの母材で形成した一体構造のＴ形カッタを製造し、
前記ワークを３つの直線送り軸と、２つの回転送り軸とを有する５軸制御の工作機械のテーブルに固定し、前記工作機械の主軸にエンドミルを装着して、前記ワークのリブ部を前記折返し部の幅寸法以上の厚みを残して加工し、
前記製造したＴ形カッタを前記工作機械の主軸に装着して回転させ、
前記Ｔ形カッタの軸線と垂直な平面に対して傾いた曲面でなる三次元アンダーカット形状の折り返し部に沿って、前記工作機械の５軸の制御で前記ワークと前記Ｔ形カッタとを相対移動させて、単位時間あたりにワークから除去される材料の量である材料除去率（ＭＲＲ）を１００cm ³ /minから１０００cm ³ /minとして、前記折返し部が残るように前記リブの側面を切削加工することを特徴としたリブの加工方法。