KR0174275B1 - 에어포일의 가공 방법 - Google Patents

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윌리엄 리슨즈니더 조오지
조셉 알버츠키 알프레드
샘 웰즈 러셀
에릭 피터슨 카알
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스티븐 이. 리바이스
유나이티드 테크놀로지스 코포레이션
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Abstract

내용 없음.

Description

에어포일의 기계가공 방법
제1도는 본 발명의 방법에 따라 기계가공될 미완성 상태의 후단에 지부를 갖는 콤프레서 에어포일에 대한 사시도.
제2도는 제1도의 2-2 선을 따라 취한 단면도로서, 가상선은 공칭 공학 설계 치수에 대한 에어포일 단면을 나타낸다.
제3도는 본 발명의 방법을 실시하는데 사용되는 기계가공장치에 대한 개략적 설명도로서, 내부에 고정된 피가공 부품과 동작 위치에 있는 프로브가 도시되어 있다.
제4도는 제3도의 4-4 선을 따라 바라본 도면으로서, 일정한 요소들을 명료하게 나타내기 위해 그 앞에 있는 다른 요소들이 도시되지 않거나 절단되었다.
제5도는 제3도의 부분 확대도.
제6도는 제4도의 6-6 선을 따라 취한 단면도.
제7도는 제6도와 동일한 위치에서 본 단면도로서, 본 발명에 따라서 프로브는 절삭기로 대체되고 상기 장치는 에어포일의 단면에 대한 적절한 절삭 위치로 재배향되어 있다.
제8도는 제6도의 8-8 선에 따라 취한 단면도로서, 에어포일의 표면에 접촉하려는 프로브를 나타내며, 가상선으로 도시된 것은 프로브대신에 작동위치에 있는 절삭기로서, 동일한 에어포일의 단면이 본 발명에 따라서 절삭기에 대해 적절히 재배향되어 있다.
제9도는 본 발명의 기계가공 시스템의 각종 부분들 사이의 상호 관계를 나타내는 블록 다이아그램.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
10 : 콤프레서 에어포일 12 : 전단 에지부
14 : 후단 에지부 20, 22 : 탭
24 : 스태킹 라인 100 : 기계가공 시스템
115 : 피가공물 고정 장치 116 : 게이지 블록
124 : 스핀들 132 : 로케이팅 부재
136, 138 : 측면 로케이터 144 : 유압작동식 플런저
152 : 프로브 155 : 절삭 공구
본 발명은 에어포일(airfoil)의 기계가공 방법에 관한 것이다.
제조공정을 최대한 자동화하므로써 가스터빈 엔진용 에어포일의 제조비용을 절감하는 것이 요구된다. 에어포일의 전단 및/또는 후단 에지부의 형상(즉, 에어포일 스태킹(stacking)라인에 수직한 단면에서 에지부의 곡률 반경 또는 기타 형상)이 상기 에어포일의 효율상 중요하다면, 이러한 에지부는 정확히 형성될 필요가 있다. 주지된 바와같이, 에어포일은 다양한 형상으로 설계된다. 예를들면, 그들의 후단 및 전단 에지부가 공칭상으로 직선이라고 할 수 있을 정도로 거의 평평한 것도 있다. 또한, 스태킹 라인에 대해 어느 정도의 비틀림을 갖는 에어포일도 있는데, 후단 및/또는 전단 에지부는 상기 비틀림 정도에 따라 작거나 큰 곡률 반경을 갖는 나선형 경로를 갖는다. 에어 포일은 그 길이를 따라 두께 또는 곡률 반경이 변하는 에지부를 갖도록 설계될 수도 있다.
에어포일의 본체가 적어도 부분적으로 형성 즉 기계가공된 후, 별도의 작업으로 에어포일 에지부를 최종 형성할 것으로 종종 요구된다. 예를들면, 때때로 중공형 에어포일(hollow airfoils)이 본딩 압력 및 지지용 리브 구조의 양측에 있는 흡입측 금속 외판에 의해 형성된다. 이러한 본딩은 전자빔 용접, 저항 용접, 확산 본딩등에 의해 행해질 수 있다. 에어포일 형상은, 본딩 작업과 동시에 또는 그 후의 예컨대 주조(coining)에 의해 형성될 수 있다. 한 제조 기술에 있어서, 용접 물질의 비드를 미완성된 에지부의 길이 전체에 가하여 그 반쪽들을 서로 결합시키며, 상기 용접 물질을 부분적으로 기계가공하여 소정형상의 최종 에지부를 형성한다.
미완성된 에어포일 에지부가 공칭 공학 설계에 따라 정확시 위치및 배향되고 또한 치수가 정해진다면, 에어포일 에지부는 현재의 수치제어 기계가공법에 의해 쉽게 기계가공될 수 있다. 그러나, 에지부의 위치, 배향, 두께 또는 다른 특징이 부품간에 현저히 변한다면(비록 허용 공차내에 있다 하더라도), 종래의 수치 제어 기계가공법에 의해 에지부를 다듬질하는 것은 불가능 하였다. 사실상, 이러한 에지부는 때때로 손으로 다듬질 되어야만 했으며, 이러한 작업은 비용이 매우 비싸며 일관되게 신뢰성있는 결과를 부여하지 못한다. 따라서, 에어포일의 에지부와 이와 유사한 특성을 갖는 다른 부품의 형상을 자동으로, 비교적 저렴하게 또한 정확하게 다듬질 가공할 수 방법이 요구된다.
발로우(Barlow)등에게 허여된 미합중국 특허 제 4,382,215 호에는, 기계가공 프로그램의 지시에 의해 작동되어 피가공물을 예정된 정밀한 치수로 자동 기계가공하는 프로그래머블 컴퓨터 수치 제어 장치(programmable computer numerical control machine)가 개시되어 있다. 두개의 프로브(probes)가 피가공물 홀더와 공구 홀더의 상대 위치를 결정하는데 사용되며, 한 프로브는 다른 프로브의 위치를 측정하고 공구 절삭 에지부의 위치를 측정하는데 사용된다. 이러한 기계가공 프로그램은, 피가공물의 기계가공에 요구되는 만들고자 하는 부품의 예정된 완성 치수를 포함한다. 상기 공정은 완성 치수에 도달하기 위해 최소한 두 번의 절삭을 필요로 한다. 최초 절삭 후, 프로브중 하나가 절삭면과 접촉하여 기입력된 소정 치수와 비교하고, 편차를 계산한 후, 커터의 운동이 정확한 양으로 조절되도록 하므로써, 그 뒤의 절삭에 의해 최종 치수가 얻어진다. 이러한 방법은, 부품이 고정되어 있을 때, 기계가공될 형상이 부품마다 상이한 위치에 있는 경우, 즉 부품마다 상이하게 배향된 경우, 다수개의 동일 부품을 순차적으로 기계가공하는 데 사용할 수 없다.
피가공물의 가늘고 긴 에지부는, 본 발명에 따라 수치제어식 기계가공 시스템을 이용하여 기계가공되는데, 상기 본 발명의 기계가공 방법은 기계가공될 에지부의 길이를 따라 피가공물을 표면을 프로빙(probing)하는 단계와, 에지부 치수 및/또는 절삭 공구 및 피공작물 고정 수단에 대한 그 실제 위치 및 예정된 위치에서의 배향을 결정하여 그것을 나타내는 데이타를 생성 및 저장하는 단계와, 상기 데이터 및 저장된 예정된 부품 설계 데이타에 억세스(access)하며 상기 절삭 공구가 상기 피가공물의 에지부를 따라가도록 하는 기계가공 프로그램의 지시에 따라 상기 피가공물의 에지부를 기계가공하고, 상기 절삭 공구가 상기 에지부에 대해 상대운동함에 따라 상기 에지부를 예정된 치수로 절삭하며, 상기 공구가 상기 에지부를 따라 이동할 때에 상기 피가공물과 상기 절삭 공구가 서로 재배향되어, 상기 에지부의 길이에 걸쳐서 상기 피가공물에 대한 적절한 각도 및 위치 관계로 상기 공구를 유지하는 단계를 포함한다.
본 발명의 방법은 특히 공칭상으로 동일한 많은 부품의 가공에 적합한데, 여기서 종래의 제조 단계로부터의 허용 공차는 부품간의 깍여져나갈 부분의 (부품상의 기준 위치에 대한) 위치 및 배향의 현저한 편차를 초래한다. 이러한 부품들이 자동 기계가공 시스탬내의 고정 장치에 위치되는 경우, 피가공부는 고정 장치에 부품을 위치시키는데 이용되는 고정 기준 포인트에 대해 부품마다 상이하게 위치 및 배향된다.
따라서, 에어포일은 그 전단 에지부가 에어포일의 스태킹 라인에 대해 정확히 기계가공되며 위치될 것이다. 그러나, 전단 에지부 및 스태킹 라인이 자동 기계가공 시스템의 고정 장치내에 정확히 위치되는 경우, 아직 기계가공되지 않는 후단 에지부는 제조 공차에 기인하여 각 부품마다 상이한 위치, 배향 또는 형태를 가질 것이다.
본 발명은 대량 생산되는 특정 부품용으로 작성된 단일의 기계가공 프로그램을 이용한다 예컨대 에어포일을 사용하는 경우, 각 에어포일 피가공물은 기계가공 장치내에 고정되고, 미완성 상태의 후단과 같은 피절삭부의 형태가 프로빙되어, 데이터가 생성되는데, 상기 데이터는 상기 형태의 위치 및 절삭 공구 홀더와 고정 장치에 대한 배향을 정확히 결정하기 위해 기계가공 프로그램을 억세스할 수 있는 메모리에 저장된다. 또한 절삭하고자 하는 (예컨대 공학 도면의) 공칭 공학 치수가 메모리에 입력되거나 기계가공 프로그램의 일부로 된다. 기계가공 프로그램은 그 뒤 부품 및 절삭 공구가 서로에 대해 상대운동하도록 기계가공 장치를 제어하여 정확한 절삭이 이루어진다.
특히, 서로에 대해 제어 가능하게 상대운동하는 피가공물 고정 장치와 절삭 공구 스핀들을 갖는 다축 폐쇄 루프(multi-axis closed loop) 수치 제어식 기계가공 시스템에 있어서, 고정 장치내에 배치된 에어포일 피가공물의 전단 또는 후단 에지부를 기계가공하는 방법은, 상기 절삭 공구 스핀들내에 프로브를 위치시키고 상기 고정 장치상의 기준 표면을 프로빙하여, 상기 스핀들, 상기 고정장치 및 상기 프로브의 상대적 위치를 나타내는 기계가공 오프셋 데이터(machine offset data)를 결정하는 단계와; 상기 오프셋 데이타를 저장하는 단계와; 그 다음에 기계 가공될 에지부의 길이를 따라 상기 에지부에 인접하게 상기 에어포일 피가공물의 표면상의 포인트들을 프로빙하여, 상기 에지부의 실제 위치 및 특성을 나타내는 에어포일 데이타를 생성하는 단계와; 이러한 에어포일 데이타를 저장하는 단계와; 상기 스핀들로부터 상기 프로브를 제거한 후 상기 절삭 공구로 대체하는 단계와; 상기 저장 데이타에 억세스하여 상기 절삭 공구가 실제 에어포일 피가공물의 에지부를 따라 이동하도록 하는 기계가공 프로그램의 지시에 따라 에어포일 피가공물의 에지부의 길이를 기계가공하고, 상기 공구가 상기 에지부에 대해 이동함에 따라 상기 에지부를 절삭하며, 상기 절삭 공구가 상기 에지부를 따라 이동할 때에 상기 에어포일 및 상기 절삭 공구가 서로에 대해 연속적으로 재배향되도록 하여 상기 절삭 공구 스핀들축과 상기 절삭공구를 피가공물에 대해 적절한 각도 및 위치 관계로 유지하는 단계를 포함한다. 이러한 기술에 의하면, 기계가공에 앞서서 에어포일 피가공물의 에지부의 실제 위치 및 배향의 부품간의 편차가 조절되어, 에지부는 자동적으로 또한 효과적으로 기계가공된다.
따라서, 공학 설계에 대해 공칭상으로 동일한 다수 부품의 형상을 기계가공하는 데 단일 기계가공 프로그램이 이용되지만, 상기 피가공 형상의 위치 및 배향이 공학 설계 허용공차내에서 부품간에 현저히 변할 수 있다. 상기 기계가공 프로그램은 선택된 공칭 부품 치수를 포함한다. 프로빙의 결과로서, 상기 기계가공 프로그램이 억세스 할 수 있는 특정 부품 데이타(즉, 실제의 하드웨어 데이타)가 생성된다. 공칭 및 특정 데이터는 기계가공 프로그램에서 사용되어, 특정 부픔을 기계가공하는 동안 절삭 공구의 올바른 위치 및 배향을 계산한다. 각각의 새로운 부품을 처리할 때 부품의 특정 데이터만이 변경된다.
이제 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 일 실시예에 대해 상세히 설명한다.
제1도는 제조공정의 중간 단계에 있는 콤프레서 에어포일(10)을 도시한다. 에어포일(10)은 완성된 전단 에지부(12), 미완성된 후단 에지부(14), 압력면(16) 및 흡입면(18)을 포함한다. 탭들(20, 22)이 각각 에어포일의 각 단부에 일체화되어 있다. 탭은 제조를 돕는 것이며 최종 에어포일의 각 단부에 일체화되어 있다. 탭은 제조를 돕는 것이며 최종 에어포일의 일부분은 아니다. 탭은 이후의 제조단계에서 제거된다. 이러한 에어포일에서, 후단 에지부는 공칭상으로 일정한 두께를 갖는다.
제2도에서, 실선은 에어포일의 스태킹 라인(24)에 수직한 평면으로 에어포일(10)을 절단한 대표적 단면을 나타낸다. 스태킹 라인과 절단 평면과의 교차점(24′)은 에어포일 단면의 스태킹 포인트로 지칭된다. 대표적 에어포일 단면의 스태킹 포인트는 에어포일의 단면이 그 주위에 위치하고 있는 포인트이다. 스태킹 라인은 모든 에어포일 단면의 모든 스태킹 포인트를 포함한다. 본 실시예에 있어서, 스태킹 라인(24)은 직선이지만, 상기 라인은 곡선일 수도 있다. 제2도에 도시된 에어포일 단면에 있어서, 스태킹 포인트는 에어포일의 단면의 경계내에 존재하지만, 에어포일의 길이를 따른 모든 단면에 대해서 반드시 그런 것은 아니다.
에어포일(10)의 후단 에지부(14)는 본 발명의 방법에 의해 기계가공된다. 제2도에 있어서, 평면 E 와 F는 스태킹 라인(24)을 따라 교차하며, 다른 에어포일의 단면에 대한 각 에어포일의 단면의 공칭적 크기, 형태 및 위치를 한정하기 위해 공학 설계 도면에 이용되는 좌표계를 나타낸다. 제2도의 점선은 에어포일의 공칭 공학 설계 도면 치수에 따라 도시된 에어포일 단면의 외곽선을 나타낸다. 본 실시예의 에어포일은 전단 에지부의 중심포인트(26')가 모든 에어포일 단면에서 스태킹 라인(24)에 평행한 공통 평면내에 존재하도록 설계된다. 그러나, 전단 에지부의 중심포인트(26')는 상기 평면에서 직선을 형성하지 않는다. K′은 각 단면에서 상기 포인트(26')와 스태킹 라인(24)사이의 거리이다. 전단 에지부(12)의 기계가공시, 거리 K는 각 단면에 대해 공학 설계마다 적절한 공칭값 K'의 허용 공차에 가깝게 유지되었다.
제2도에 도시된 바와같이, 다듬질되지 않은 후단 에지부(14)는, 전단 에지부(12)와 같이, 공학 설계 공칭 위치에 대해 정확히 위치되지 않는다. 특히, 실제 부분적으로 제조되는 에어포일(10)의 후단 에지부(14)와 공칭 설계 위치 사이의 상대적 위치는 단면마다 임의적으로 변할 수 있으며, 단면마다 공칭 위치에 대해 서로 다른 쪽에 놓일 수도 있다. 이러한 특정 에어포일의 성능에 중요하다고 여겨지는 것은, 각 에어포일 단면에서의 스태킹 포인트(24)와 후단 에지부의 중심포인트(28)사이의 설계 공칭 거리 D′(이 거리 D′는 단면마다 변화될 수 있음)가 허용 공차에 가깝게 유지되며; 각 에어포일 단면의 후단 에지부에서의 평균 코드라인(chordline)에 대한 접선은 후단에지부 반경의 반경방향 선과 거의 일치하는 것이다. 이러한 요구는 이하에 추가로 기술하는 본 발명의 방법에 의해 보다 명백해진다.
이제, 프로그래머블 수치 제어식 기계가공 시스템(100)이 도시된 제3도 및 제4도에 대해 설명한다. 본 실시예에서 사용되는 기계가공 시스템은 일본국 도오쿄 소재의 니이가따 엔지니어링 가부시끼 가이샤(Niigata Engineering Company, LTD.)에 의해 제조된 모델 HN63B의 수치 제어식 기계가공 시스템이다. 도면에서, 기계가공 시스템(100)은 본 발명의 방법과 관련된 동작을 설명하기에는 충분히 상세하게 도시되었지만, 전체적으로 간략화한 형태로 도시 및 기재되어 있다. 본 발명의 방법에서는 특정 형태 또는 모델의 수치 제어 기계가공 시스템을 사용할 필요가 없다는 것은 명백하다. 본원에 기재된 것은 5 축 시스템이나, 3 및 4 축 시스템도 기계가공될 부품의 필요에 따라 적절히 사용될 수 있다.
제3도를 참조하면, 기계가공 시스템(100)은 고정 베드(102), 고정 지지베드(106), 기계가공물 고정장치(108) 및 절삭 공구 지지 컬럼(120)을 포함한다. 고정 베드(102)는 채널(104)을 갖는다. 고정 베드(106)는 채널(104)내에 배치되어, 도면의 지면에 수직한 축(이후, X축이라 함)을 따라서 채널(104)내에서 미끄럼운동한다. 피가공물 고정장치(108)는 활주가능한 고정 베드(106)에 장치되어 도면의 지면에 평행한 수직 Y 축을 중심으로 고정 베드(106)에 대해 회전가능하다. 고정장치(108)는 베이스(110), 지지프레임(112), 회전판(114), 피가공물 고정 장치(115), 및 게이지 블록(116)을 포함한다. 지지 프레임(112)은 베이스(110)에 고정되어 있다. 원형 회전판(114)은 프레임(112)상에 회전가능하게 장착되어 있으며, Y 축과 그 표면(118)에 수직한 C 축을 중심으로 회전한다.
공구 지지 컬럼(120)은 고정 베드(102)의 채널(121)내에서 X 축 및 Y 축에 수직인 Z 축 방향으로 미끄럼운동한다. 수직으로 연장하는 스핀들 트랙(122)이 컬럼(120)내에 있다. 스핀들(124)이 Y 방향으로의 운동을 위해 스핀들 트랙(122)내에 배치되어 있다. 스핀들 축(125)은 Z 축에 평행하다.
프로브(152)가 상기 스핀들(124)내에 배치되어 있다. 프로브 축은 스핀들 축(125)과 대체로 일치한다. 프로브는, 제6도에 도시된 바와 같이, 스핀들 축(125)에 다라 구형 팁(156)까지 연장하는 스틸러스(stylus;154)를 포함한다. 본 실시예에서, 상기 프로브는 일리노이스 샤움버그 소재의 레니샤우 인코오포레이티드(Renishaw, Inc.)에서제조된 광 전이 시스템(optical transition system)을 구비한 레이샤우 모델 MP7의 터치 트리거 브로브(touch trigger probe)이다.
이제, 제3, 4도 및 5도를 참조하면, 피가공물 고정 장치(115)는 회전판(114)의 표면(118)에 고정되며, 상기 표면(118)으로부터 소정의 거리에 정확히 위치되어 있는 한쌍의 이격된 나이프 에지(128, 130)를 포함한다. 상기 표면(118)은 Y 축으로 부터 알려진 거리만큼 정밀하게 떨어져 있다. 로케이팅 부재(locating member;132)는 C 축으로부터 일정 거리만큼 떨어져 있는 로케이팅 표면(134)을 포함한다. 측면 로케이터(136, 138)가 또한 회전판(114)에 고착되어 있는데, 상기 측면 로케이터는, 나이프 에지(128, 130)와 관련하여, 그 스태킹 라인(24)이 Y 축으로부터 일정 거리만큼 평행하게 이격되도록 에어포일을 위치시킨다. 상기 로케이터(138)는 제6도에 상세히 도시되어 있다
에어포일(10)은, 나이프 에지(128, 130)에 대해 전단 에지부(12)를 가압하여 로케이팅 표면(134)상에 단부 탭(22)의 외측 에지부(140)를 위치시키므로써 피가공물 고정 장치내에 위치된다. 로케이팅 표면(134)은 에어포일을 Y 방향으로 위치시킨다. 하부의 유압 작동식(hydraulically actuated) 로커아암(142)이 측면 로케이터(138)의 로케이팅 피트(146)에 대해 에어포일의 흡기면의 하부를 가압한다. 이와 유사한 방식으로, 유압 작동식 플런저(144)가 상부의 측면 로케이터(136)의 로케이팅 피티에 대해 에어포일의 흡기면의 상부를 가압한다.
에어포일이 상술된 로케이팅 수단에 의해 적절한 위치에 고정된 후, 다른 4 세트의 유압 작동시 플런저(148)가 에어포일의 중앙부의 양 측 위치로 이동되어 피가공물에 대한 추가적 지지체를 제공한다. 유압 라인은 모든 도면에서 참조부호 150 으로 표시되어 있다.
제9도를 참조하면, 기계가공 시스템(100)은 상술된 기계가공 하드웨어 뿐만아니라 기계가공 하드웨어의 동작을 제어하는 전자 하드웨어를 포함하는 것으로 개략적으로 도시되어 있다. 박스(200)는 기계가공 하드웨어를 나타내며, 공작기계라고 지칭된다. 공작 기계 제어기(202)는 각종 신호(203)를 공작 기계(200)로 전달하여 하드웨어를 특정 방식으로 이동 및 회전시킨다. 이러한 시스템(100)은 또한 컴퓨터(204), 저장수단(206) 및 프로브(152)를 포함한다. 설명을 위하여, 컴퓨터 및 저장 수단은 공작 기계 제어기로부터 분리되어 있는 것으로 도시되었지만, 이들은 제어기의 일부로서 고려될 수도 있다.
저장 수단(206)은 단지 컴퓨터(204)에 의해 억세스가능한 메모리이다. 본 발명의 방법에 있어서, 컴퓨터 프로그램(이하, 기계가공 프로그램이라 칭함)이 저장 수단(206)에 입력된다. 기계가공 프로그램은 가공될 부품에 대한 소정의 예정된 공칭 공학 설계 치수를 포함한다. 또한, 공작 기계의 영점 또는 원점 위치에 관련된 데이타도 저장 수단내에 있다. 게다가, 프로브(152)가 피가공물(예컨대, 에어포일(10))상의 한점 또는 게이지 블록(116)상의 한 점에 접촉할 때마다, 그 순간의 공작 기계의 위치를 나타내는 데이타가 저장 수단에 저장된다.
작동중에, 컴퓨터는 저장수단내의 기계가공 프로그램 및 선택된 데이타에 억세스하고, 저장된 데이터에 대한 계산을 수행하며, 새로이 계산된 데이타를 저장 수단에 보내어 나중에 사용하거나 또는 공작기계 제어기(202)에 지시를 보내어 공작 기계(200)는 그 지시에 따라 동작된다.
에어포일을 실제로 기계가공하기에 앞서, 기계가공 프로그램은 프로브가 표면(a, b, c 및 d)과 같은 각종 표면위에 게이지 블록(116)을 접촉시키도록 공작기계(200)에 지시하여 고정 장치와 프로브를 이동시킨다.(제3도는 게이지 블록에 접촉하려고 하는 프로브(152)를 가상선으로 도시하고 있다).
이러한 프로브 접촉의 결과로서 저장 수단(206)에 입력된 데이타는 컴퓨터에 의해 억세스되고 이용되어, 프로브의 길이, 스타일러스 팁(156)의 크기, 및 원점 위치로 부터 공작 기계 부품들의 위치 및 배향에 대한 편차를 계산한다. 이러한 편차 즉 기계가공 오프셋(machine offsets)은 에어포일의 측정 및 분석의 후속단계에서 사용되기 위해 저장 수단(206)에 저장된다.
본 실시예에서, 에어포일(10)은 에어포일의 길이의 특정 위치에서 스태킹 라인(24)에 수직하게 에어포일을 절단한 단면인 일련의 에어포일 단면으로 공학 설계 도면상에 한정된다. 제2도의 가상선은 이러한 한 단면을 나타낸다. 후단의 중심포인트(28')와 스태킹 라인(24)사이의 거리는 에어포일을 한정하는데 이용된 각각의 단면에 대한 소정의 공칭 지수D'이다. 이들 에어포일 단면에 대한 치수 D'는 저장 수단(206)(제9도)내에 입력되며, 상술된 공칭 공학 설계 치수이다.
기계가공 오프셋을 결정한 후에, 아직 기계가공되지 않은 후단 에지부에 인접한 에어포일의 표면이 에어포일을 한정하는 공학 설계 도면의 단면에 대응하는 위치에서 (기계가공 프로그램의 지시에 따라)프로빙된다. 제4도에서, 이들 각 단면은 설명을 위해 도면상에 첨가된 수평 이격된 한쌍의 십자표시(160)로서 도시되어 있다. 각 쌍의 포인트(160)는 스태킹 라인(24)에 수직한 평면상에 놓인다. 본 실시예의 에어포일에 대해서는 이러한 포인트쌍(160)이 17 개이며, 이것은 완성된 에어포일의 공학 설계를 한정하는데 이용된 17 개의 에어포일 단면을 나타낸다. 본 실시예의, 길이가 약 43.18센티미터(17 인치)이고 폭이 약 12.7센티미터(5 인치)인 특정 에어포일에 대하여, 아직 기계가공하지 않은 후단 에지부에 가장 근접한 포인트(160)는 상기 후단 에지부로부터 안쪽으로 약 0.254센티미터(0.1 인치)의 거리에 있으며 각 포인트쌍들(160)은 약 0.254센티미터(0.1 인치) 떨어져 있다. 도면을 명료하게 나타내기 위해서 도면에서는 이 거리가 다소 과대하게 나타나 있다. 프로브는 미가공 상태의 후단 에지부에 가장 근접한 각 포인트(160) 위로(즉 Y 방향으로) 약 0.254센티미터(0.1 인치) 이격되어 위치된 포인트(162)에 접촉되도록 프로그램되어 있다(제8도 참조). (포인트(162)는 다른 포인트(160)아래에 동일하게 놓일 수 있으며, 프로그래머가 상기 프로브를 접촉시키기를 원하는 부품의 위치에 따라 기계가공 프로그램이 작성된다.) 따라서, 각 에어포일 단면에 대하여, 세개의 포인트가 프로빙된다(한 포인트는 실제로 상기 단면의 평면위에 있다). 프로브가 각 포인트에 접촉함에 따라, 적절한 공작기계 오프셋이 가해지며 포인트의 위치는 저장수단(206)에 저장된다.
본 발명의 방법에 따르면, 후단 에지부의 길이를 따라서 모든 포인트(160, 162)에 (소정의 효율적 순서로) 접촉되도록 프로브가 프로그램되며, 그에 따라 모든 포인트의 위치에 대한 데이터가 저장수단(206)내에 저장된다. 기계가공 프로그램이 계산을 할 때 정확한 포인트 정보를 억세스하도록 작성되어야 하는 것을 제외하고는, 포인트의 접촉순서는 중요하지 않다.
본 실시예에서, 에어포일은 프로빙하는 동안 회전하지 않는다. 고정장치는 오직 X 방향으로만 이동하여 프로브가 각 단면에서 각 쌍의 포인트(160)에 접촉하도록 한다. 프로브 자체는 단면에서 단면 그리고 각각의 위치에서 160 과 162 사이를 이동할 때에 오직 Y 축에 평행하게 이동한다. 에어포일 후단 에지부의 곡률의 크기가 크지 않기 때문에 에어포일(10)이 회전할 필요는 없다.
에어포일중에는 스태킹 라인에 대한 비틀림 양이 매우 커서 후단 에지부가 많이 휘어진 것도 있다. 이러한 에어포일에 대해서는, 후단 에지부에 가까운 에어포일 표면이 항상 스핀들 축(125)에 거의 수직이 되도록, 프로빙되는 각각의 새로운 에어포일 단면에서의 스태킹 라인을 중심으로 에어포일이 회전될 필요가 있다. 어떤 경우에는, 각 단면에서의 미가공 에지부의 위치를 결정하는데 프로브를 사용하는 것이 필요하거나 또는 요구된다. 이것은 길이 방향을 따라서 폭(즉, 코드길이)이 크게 변하는 에어포일에 대해서 특히 중요하다. 일단 미가공 상태의 에지부가 위치되면, 프로브는 상기 에지부로 부터 내측으로 소정 거리만큼 에어포일에 대해 상대 운동하므로, 각 단면에서의 에어포일 폭이 변함에도 불구하고 에어포일의 길이를 따라 모든 단면에서의 미절삭 에지부로부터 내측으로 동일한 거리만큼 이격되어 있는 에어포일의 표면을 프로빙한다.
본 실시예로 돌아가서, 에어포일이 프로빙된 후에, 프로브(152)가 (로봇아암 이나 손 등에 의해) 스핀들(124)로 부터 제거되어 스핀들 축(125)을 중심으로 회전하는 절삭 공구 또는 절삭기로 대체된다. 제7도는 스핀들(124)내에 위치되어 도시된 단면에서 피가공물을 절삭하고 있는 온형 절삭기(full-form cutter)(154)를 도시한다. 절삭니(cutter teeth)는 상기 스핀들 측에 수직한 평면(156)에 의해 양분되는 원형호를 형성한다. 본 실시예에서, 에어포일(10)의 압력 및 흡기 표면은 후단 에지부에 접근함에 따라 평행하게 된다. 절삭기(155)가 반경을 후단 에지부의 길이를 따라 각 포인트에서의 후단 에지부로 적절히 절삭하도록 하기 위해서, 그 순간 절삭기의 축(125)이 절삭되는 단면의 면내의 후단 에지부에 인접한 에어포일의 표면에 수직이 되어야만 한다. 따라서, 인출선(158)이 스핀들 또는 절삭기 축을 포함하는 에어포일 단면의 면내에 있는 후단 에지부에 인접한 에어포일 압력 표면에 접하는 경우, 본 실시예의 적절한 에어포일 기계가공은 언제나 각(A)이 90°(또는 90°에 매우 근접한 각)가 될 것을 요구한다. 이와 마찬가지로, 후단 에지부의 표면을 양분하는 라인은 스핀들 축에 수직이고 상기 축과 교차하며 상기 평면(156)내에도 놓인다. 보다 일반적인 의미로는, 후단 에지부에서의 에어포일 단면의 평균 코드라인(163)에 대한 접선이 스핀들 축(125)에 수직이며 상기 평면(156)내에 놓여야만 된다.
만곡된 후단 에지부를 갖는 에어포일(10)에 관하여 상술된 내용을 실시하기 위해서는, 에어포일이 절삭기와 후단 에지부 사이에 적절한 각도 배향을 유지하도록 절삭기(154)가 Y 방향으로 이동함에 따라 에어포일을 절삭기에 대해 연속적으로 재배향할 필요가 있다. 이와 동시에, 각 에어포일 단면에서의 거리 D가 공칭 공학 치수 D′(제2도)로 유지되도록 에어포일은 X 방향으로 이동되어야만 한다. 프로브에 의해 저장 수단(206)에 제공된 각 포인트쌍(160)의 위치에 관한 정보는 스핀들 축에 수직인 에어포일 표면상의 포인트(160)들을 연결하는 라인을 배향하기 위하여 에어포일이 Y 축을 중심으로 얼마만큼 회전시켜야 하는지를 계산하는데 사용될 수 있다.
제8도의 가상선은 스핀들 축(125)의 에지부(14)(제6도)에 인접한 포인트(160)에 정렬되어 있을 때의 동작중인 절삭기(155)를 도시한다. 기계가공 프로그램은 프로빙된 포인트(160, 162)에 관한 데이터에 억세스하여, 에어포일의 표면상에 있는 포인트들(160, 162)을 연결하는 라인이 스핀들 축에 수직이 되도록 에어포일이 C 축을 중심으로 적절한 양만큼 (도시된 프로빙위치로부터) 회전되게 한다. 기계가공 프로그램은 또한 스핀들의 위치를 Y 방향으로 조절하여 C 축을 중심으로 하여 에어포일의 회전 결과로 인해 발생된 포인트(160)의 Y 좌표로의 변화를 보상한다.
제7도 및 8도에 있어서는, 절삭중에, 포인트(160, 162)가 스핀들 축에 수직인 기준면으로부터 일정 거리 G만큼 이격되어 있다. 본 실시예에서의 후단 에지부의 공칭 두께는 에어포일의 길이를 따라 일정하다. 상기 공칭 두께의 치수는 저장 수단(206)에 미리 입력된 값이다. 절삭할 때, 컴퓨터는, 절삭기의 양분면(156)이 치수 G에 후단 에지부 공칭 두께의 1/2을 더한 값과 같은 기준면(164)으로부터 일정거리 이격되도록 절삭기를 연속적으로 위치시킨다.
컴퓨터 프로그램은 또한, 공작 기계 제어기(202)가 스핀들 축과 스태킹 포인트(24) 사이에 적절한 거리를 설정하여 그 결과 치수 D가 그 단면에서 D′과 같아지도록, 그 순간 절삭되고 있는 특정 단면에 대한 치수 D′를 억세스한다. 기계가공 프로그램은 포인트쌍(160)을 연결하는 라인을 스핀들 축과 수직이 되도록 배향하는 데 요구되었던 Y 축을 중심으로한 회전의 결과로 발생된 포인트(160)의 Z 및 X 방향 운동을 자동적으로 보상한다.
상술된 바와같이, 완성된 에어포일의 공칭 공학 치수는, 제4도에 도시된 포인트쌍(160)의 위치에 대응하는 17 개의 에어포일 단면에 대해서만 저장 수단(206)에 입력, 저장된다. 그리고 절삭공구(155)는 저장된 기계가공 오프셋, 설계 치수 및 이들 단면에 대한 프로브 산출 데이타를 이용하는 컴퓨터(204)에 의해 행해진 연산을 기초로 하여 이들 단면들에서 정확히 위치된다. 절삭공구는 에어포일의 후단 에지부를 따라서 Y 방향으로 등속도 움직이도록 프로그램된다. 따라서, 한 에어포일 단면에서 다음 단면까지 절삭공구가 이동하는데 걸리는 시간을 알 수 있다. 절삭 공구가 다음 단면에 도달하였을 때, 상기 공구와 에어포일은 그 단면에서의 절삭을 위해 정확히 위치된다. 이러한 기계가공 프로그램은, 절삭공구와 에어포일이 적절하게 위치된 다음 단면에 동시에 도달하도록, 에어포일 및 절삭공구의 X, Y 및 Z 방향으로의 선형 운동과, 필요시에는, C 축 및 Y 축을 중심으로한 에어포일의 회전이 인접한 에어포일들 사이에서 적절한 등속도로 행해지도록 한다. 이러한 기술에 의해서 후단 에지부의 절삭은 한 단면에서 다음 단면으로 원활하게 전이된다.
본 실시예에서, 절삭기(154)는 온형 절삭기(full-form cutter)이다. 특정 부품의 기계가공에 있어서, 절반형 절삭기(half-form cutter)를 사용하는 것이 바람직하거나 필요한 경우도 있으나, 이것은 두개의 절삭기 각각이 에어포일의 후단 에지부의 길이를 따라 이동하여, 각 절삭기가 후단 에지부 형상을 반쪽을 형성한다. 절반형 절삭기는, 예컨대 후단 에지부가 많이 휘어져 있는 경우나, 또는 후단 에지부의 두께가 무시할 수 없는 큰 제조공차에 기인하거나 또는 설계에 의해 변할 수 있는 경우 특히 유용하다. 에지부의 두께가 변하는 경우, 에어포일의 압력 및 흡기 표면상의 포인트들을 프로빙하는 것이 요구된다. 기계가공 프로그램은 그 정보를 이용하여 각 단면에서 양 표면으로부터 등거리에 있는 포인트를 계산하도록 설계 되어, 기계가공 제어기가 후단 에지부를 따라 이동할 때에 기계가공기계 제어기가 절삭공구를 정확히 위치시키도록 (예컨대, 제7도의 포인트(28')에 대응하는) 후단 에지부의 중심 포인트를 결정한다.
본 실시예에서는 5 축 기계가공 시스템이 개시되어 있지만, 몇몇 부품들은 3 축 또는 4 축 기계가공 시스템만을 사용하여 기계가공될 수도 있다. 예를들면, 상기한 실시예의 에어포일(10)의 미기계가공 후단 에지부가 어떤 허용공차내에서 스태킹 라인에 평행한 직선이라면, 제8도에 도시된 바와같이 C 축에 대한 각도 조절을 행할 필요가 없다. 따라서, C 축에 대응하는 축을 중심으로 회전시키는 기능이 없는 기계가공 시스템을 사용할 수도 있다. 이와 마찬가지로, 어떤 에어포일의 설계에 대해서는, 절삭 작동중에 그 스태킹 라인을 중심으로 에어포일을 회전시킬 필요도 없을 것이다.
본 실시예는 에어포일의 후단 에지부를 기계가공하는 것에 관하여 설명되었지만, 에어포일의 전단 에지부, 로터 블레이드 플랫포옴(rotor blade flatform)의 에지부 또는 콤프레서 또는 터빈 로터 블레이드의 팁과 같은 에어포일의 최외측 팁을 기계가공할 때도 동일하게 적용될 수 있다. 실제로, 본 발명의 방법은 기계가공되기 위해 고정될 때 그 위치와 배향이 정확히 예측될 수 없는 가늘고 긴 형태의 부품에 적용가능하며 유용하다. 이러한 부품이 다량으로 제조되어야 한다면, 본 발명의 제조 방법은 부품의 편차를 조절하여 특정 부품의 전 제조 실행에 대해 하나의 컴퓨터 프로그램을 사용하는 자동 기계가공을 행할 수 있게 한다. 또한, 게이지 블록을 프로빙하므로써 공작기계 오프셋을 결정하는 단계가, 각각의 새로운 피스(piece)를 절삭하는 단계 앞에서 행해질 필요가 없다. 오직 오프셋의 리세팅만이 이따금씩 요구된다.
본 발명이 상술된 실시예에 대해 설명되었지만, 본 발명의 사상과 범위로부터 벗어남없이 다양한 변경이 행해질 수 있다는 것은 당업자들에게는 명백할 것이다.

Claims (2)

  1. 수치제어식 기계가공 시스템을 이용하여 피가공물의 가늘고 긴 에지부를 기계가공하는 방법에 있어서, (a) 상기 시스템의 고정 수단에 상기 피가공물을 위치시키는 단계와; (b) 상기 시스템의 일부이며 상기 고정수단에 대해 이동 가능한 홀더내에 프로브를 위치시키는 단계와; (c) 기계가공 프로그램의 지시에 따라, 상기 홀더와 상기 고정 수단을 서로 상대운동시켜서, 상기 프로브를 상기 피가공물 에지부의 길이를 따라 상기 에지부에 인접하게 상기 피가공물상의 다수의 포인트에 접촉시키고, 이러한 접촉에 의해 상기 고정 수단에 대한 상기 접촉 포인트들의 위치를 나타내는 데이타를 생성하는 단계와; (d) 상기 접촉 포인트 위치 데이터를 상기 시스템의 메모리내에 저장하는 단계와; (e) 상기 피가공물의 가공하고자 하는 치수를 나타내는 예정된 데이타를 상기 시스템의 메모리내에 저장하는 단계와; (f) 상기 홀더로부터 상기 프로브를 제거한 후 상기 홀더 내에 절삭 공구를 위치시키는 단계와; (g) 상기 저장된 데이터에 억세스하며 상기 절삭 공구가 상기 피가공물의 가늘고 긴 에지부를 따라가도록 하는 기계가공 프로그램의 지시에 따라 상기 피가공물의 에지부를 기계가공하고, 상기 절삭 공구가 상기 에지부에 대해 상대운동함에 따라 상기 에지부를 예정된 치수로 절삭하며, 상기 공구가 상기 에지부를 따라 이동할 때에 상기 고정수단과 상기 홀더가 서로에 대해 재배향되어, 상기 에지부의 상기 길이에 걸쳐서 상기 피가공물에 대해 적절한 각도로 적절하게 위치되게 상기 공구를 유지하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 기계가공 방법.
  2. (a) 작업대와, 에어포일 피가공물을 지지하며 상기 작업대에 고정되는 고정 수단과, 절삭공구와 프로브를 교대로 지지하며 스핀들 축을 갖고 상기 고정 수단에 대해 상대운동가능한 스핀들 수단을 구비하는 기계가공 장치와; (b) 상기 고정수단과 상기 스핀들 수단 사이의 상대운동을 제어하며, 데이타 저장 수단과 컴퓨터 수단을 구비하는 프로그래머블 기계 제어 수단을 포함하는 수치제어식 기계가공 시스템을 이용하여, 에어포일 스태킹 라인을 갖는 에어포일 피가공물의 전단 및 후단 에지부를 기계가공하는 방법에 있어서, (1) 상기 고정 수단에 대한 상기 피가공물의 상기 스태킹 라인의 위치 및 배향이 소정의 허용공차내에 있고, 상기 스태킹 라인에 있지 않는 상기 피가공물상의 적어도 한 포인트의 상기 고정수단에 대한 위치가 소정의 허용공차내에 있도록 상기 고정수단내에 에어포일 피가공물을 고정시키는 단계와; (2) 가공하고자 하는 피가공물의 공학 설계치수를 상기 데이타 저장수단내에 입력시키는 단계와; (3) 상기 스핀들 수단에 상기 프로브를 위치시키고, 상기 피가공물 에지부에 인접하게 상기 피가공물의 길이를 따라서 이격된 각각의 소정 수의 위치에서 또는 그 근방에서 상기 에어포일 피가공물의 표면에 있는 하나 이상의 소정의 포인트를 상기 프로브로 프로빙하여, 프로빙된 각 포인트의 상기 고정수단에 대한 실제 위치를 나타내는 데이터를 상기 데이타 저장 수단내에 저장하는 단계와; (4) 상기 스핀들 수단으로부터 상기 프로브를 제거한 후, 상기 스핀들 축을 중심으로 회전하는 상기 절삭공구로 대체하는 단계와; (5) 상기 저장 수단내의 데이터의 억세스하며 상기 데이터를 이용하여 상기 기계 제어 수단에 지시를 하고 그 뒤 상기 절삭 공구가 상기 에어포일 피가공물의 에지부를 따라 상기 프로빙된 위치의 초기 위치에 오며 상기 에지를 정확히 따라가도록 하는, 컴퓨터 프로그램의 지시에 따라 상기 기계 제어 수단에 의해 상기 에어포일 피가공물의 에지부를 기계가공하고, 상기 절삭 공구가 상기 에지부에 대해 상대운동함에 따라 상기 에지부를 예정된 치수로 절삭하며, 상기 공구가 상기 에지부를 따라 이동할 때에 상기 고정수단과 상기 홀더가 서로에 대해 재배향되어, 상기 스핀들 축을 상기 에지부의 길이에 걸쳐서 상기 피가공물에 대해 적절한 각도및 위치 관계로 유지하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 기계가공 방법.
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