KR102165650B1 - 터빈 로터 디스크 또는 터보머신 압축기 디스크와 같은 부품을 위한 슬롯을 브로치 가공하기 위한 브로치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 터빈 로터 디스크(4) 또는 터보머신 압축기 디스크와 같은 부품에 적어도 하나의 슬롯(3)을 브로치 가공하는 방법에 관한 것으로, 슬롯(3)은 브로치 가공 각도(α)로 경사지는 브로치(1)로 기계가공된다. 브로치(1)는 브로치 가공되는 길이(L)의 약수인 치부간 피치(P)를 갖는다.

Description

터빈 로터 디스크 또는 터보머신 압축기 디스크와 같은 부품을 위한 슬롯을 브로치 가공하기 위한 브로치 및 방법{BROACH AND METHOD FOR BROACHING SLOTS FOR PARTS SUCH AS TURBINE ROTOR DISKS OR TURBOMACHINE COMPRESSOR DISKS}

본 발명은 터빈 로터 디스크 또는 터보머신 압축기 디스크와 같은 부품을 위한 슬롯을 브로치 가공하는 것에 관한 것이다.

본 발명은 특히 로터 디스크 또는 터보엔진 압축기 또는 항공기 터보프롭을 위한 "전나무 단면" 또는 "전구(bulb)"형의 슬롯을 브로치 가공하는데 적용된다.

전통적으로, 터보엔진 또는 항공기 터보프롭은 압축기부 또는 회전 터빈을 포함한다. 그리고 이 터빈은 둘레 부착부("전나무 단면" 또는 "전구" 형태의 슬롯)를 갖는 로터 디스크를 포함하며, 상기 둘레 부착부들은 로터 디스크의 원주에 걸쳐 분산되어 있고 상기 터빈의 블레이드의 발부를 잡아 유지하게 된다. 어떤 압축기 디스크도 그러한 부착부를 포함한다.

이들 부착부는 일반적으로 브로치 가공된다.

이러한 이유로, 도 1a 에 도시되어 있는 바와 같이, 일 세트의 브로치(1)를 사용하여, 기계가공되는 슬롯(3)에서 여러 번의 패스가 이루어지게 된다.

터보머신 터빈 또는 압축기 디스크의 로터 디스크(4)의 둘레에서 "전나무 단면" 또는 "전구" 형태로 되어 있는 슬롯(3)의 경우, 브로치 가공은 종종 특정의 경사(도 1a 에서 브로치 가공 각도(α))에서 행해진다. 이 때문에, 기계가공을 위해 슬롯(3) 안으로 전진되는 주어진 브로치(1)에 대해, 이 브로치(1)의 치부(2)(주어진 피치(P)로 이격되어 있음)는, 치부가 이 슬롯(3)에 들어가고 나감으로 인해 교번력을 형성 중인 슬롯(3)의 벽에 가하게 된다.

도 1b 에 도시되어 있는 바와 같이, 이들 교번력(도 1a 에서 화살표(F1, F2, F3))으로 인해, 브로치(1)에 가해지는 힘(결과적인 화살표(F))의 방향이 변하게 된다. 이 결과, 브로치 가공되는 슬롯이 변형된다.

이러한 문제는 크기가 작은 부품의 경우에 특히 악화된다.

본 발명의 일 목적은 이러한 문제를 해결하는 것이다.

브로치 가공 공구를 최적화하는 많은 일반적인 다기준 방법이 이미 제안되어 있다.

일반적으로, 브로치 제조업자는 브로치 가공되는 두께의 약수 피치를 사용하는 것은 금지되어 있다. 브로치 가공되는 부품들이 적층되는 가장 최근의 경우에, 브로치 가공되는 두께의 약수 피치를 사용하면 그 부품이 실질적으로 변형되기 쉽다. 일반적으로, 이러한 규칙은 단일 부품이 브로치 가공되는 경우에도 적용된다.

Ozturk, O. & Budak의 논문 "Modeling of broaching process for improved tool design"(Proceedings IEMCE'03, Washington, D.C, Nov.16-21 2003, p.1 - 11)에는, 부품의 두께의 약수 피치를 갖는 브로치 가공 공구를 사용하는 것이 이미 제안되어 있다.

이 논문에서 저자는, 이러한 방안으로도 부품의 입구와 출구 사이에서 힘의 변동을 제로로 하는 것은 매우 어렵다고 말하고 있다.

또한, 이 논문은 경사 브로치 가공의 문제에 대해서는 주목하고 있지 않다.

본 발명의 목적은 특히 절삭력의 변동을 줄이고 또한 슬롯의 변형을 줄이는 것이다.

상기 목적을 위해, 터빈 로터 디스크 또는 터보머신 압축기 디스크와 같은 부품에 적어도 하나의 슬롯을 브로치 가공하는 방법이 제안되는데, 상기 슬롯은 상기 부품에 대한 브로치 가공 각도를 갖는 경사 브로치로 기계가공된다. 상기 브로치는 브로치 가공되는 길이의 약수인 치부간 피치를 갖는다.

그래서, 브로치 가공의 경사로 인한, 브로치 가공되는 부품의 두께와 브로치 가공되는 길이 사이의 차가 주어질 때, 브로치의 치부간 피치는 슬롯의 변형이 최소화되도록 최적화된다.

상기 방법을 실행하기 위한 브로치도 제안된다.

본 발명의 다른 특징 및 이점은, 순전히 예시적이고 비한정적이며 첨부 도면과 관련하여 고려되어야 하는 이하의 설명으로부터 명확히 알 수 있을 것이다.

도 1a 및 1b 는 종래 기술에 따른, 슬롯에 대한 브로치 가공 및 브로치 가공 공구가 하강하는 중에 생기는 절삭력의 변동을 개략적으로 도시한다.
도 2 는 로터 디스크, 및 이 디스크의 둘레에 있는 "전나무 단면"형의 슬롯을 기계가공하는 브로치를 측면도로 도시한다.
도 3 은 도 2 의 상세도이다.
도 4 는 로터 디스크에서 기계가공되는 슬롯 안에 있는 도 2 및 3 의 브로치의 일 치부를 도시하는 상세도이다.
도 5a 및 5b 는 본 발명의 일 가능한 실시 형태에 따른 슬롯 브로치 가공 및 브로치 가공 공구의 하강 중의 절삭력의 변동을 도시하는 것으로, 도 5a 는 도 4 의 A - A 선을 따라 취한, 도 1 과 유사한 도이다.

도 2 내지 4 는 다수의 슬롯(3)을 포함하는 로터 디스크(4) 및 이 슬롯(3)을 기계가공하는데 사용되는 브로치(1)를 도시한다. 이 경우 슬롯(3)은 "전나무 단면"의 형태로 되어 있는데, 물론 부착 슬롯의 다른 형태(예컨대, "전구" 형태)도 가능하다.

브로치(1)는 다수의 치부(2)를 포함한다. 연속하는 두 치부는 코어(5)에 의해 쌍으로 분리되어 있고, 코어와 치부의 정점 사이의 빈 공간은 칩 챔버를 형성한다.

브로치가 수행하는 기계 가공은 경사져 있는데(브로치 가공 각도(α)), 그래서 로터 디스크(4)에 있어서 브로치 가공되는 부분의 두께(Ep)는 브로치 가공되는 길이(L)와 다르게 된다.

도 5a 에 도시되어 있는 바와 같이, 제안된 브로치는 브로치 가공되는 길이(L)의 약수인 브로치 피치(P)를 사용한다.

이렇게 해서, 기계가공되는 부품(디스크(4))의 둘레에서 형성되고 있는 슬롯(3)에서 다른 치부(2)가 나갈 때 치부(2)가 그 슬롯에 들어가게 된다.

기계가공되는 슬롯(3)의 벽과 접촉하는 절삭 치부(2)의 힘(도 5a 에서 화살표(F1 ∼ F4))은 슬롯(3)의 양측에서 평형을 이루게 된다. 그러므로, 절삭력(합력(F))의 변동이 제한되고 그 절삭력의 교번 성분은 없어진다.

이러한 원리는 절삭력의 차를 변위의 함수로 나타내는 도 5b 에 도시되어 있다.

이렇게 기계가공되는 부품에 대한 허용 공차가 주어질 때, 상기 피치의 값은 유리하게는 다음과 같이 선택된다:

여기서,

- Ep^max 및 Ep^min 은 주어진 공차에서 디스크 부품의 최대 및 최소 두께이고,

- α^max 및α^min 은 주어진 공차에서 최대 및 최소 브로치 가공 각도이며,

- n 은 절삭에 관여하는 치부의 바람직한 수로 양의 정수이다.

두께 Ep 는 브로치(1)의 주어진 패스에 대해 결정되는 것임을 유의해야 한다.

상기 두께는, 기계가공되는 슬롯(3)의 입구측 브로치 가공 에지와 출구측 브로치 가공 에지 사이에서 테두리에서 테두리로 계산된다.

상기 두께는 브로치(1)의 패스가 대응하는 슬롯의 깊이에 따라 변하기 쉬우며, 로터 디스크는 특히 그의 둘레 레벨에서 가변적인 두께를 가질 수 있다.

브로치 가공 각도(α) 역시 각 패스에 대해 결정된다. 이 각도는 브로치 가공되는 영역의 레벨에서 브로치(1)의 하강 축선(A)과 부품(4)의 두께 사이의 각도에 대응한다.

방금 설명한 브로치 가공은 작은 크기의 터빈 로터 디스크, 특히 블레이드간 간격이 작은 디스크의 경우에 특히 흥미롭다.

예컨대, 이 브로치 가공은 20 mm 미만의 두께, 10 ∼ 15 mmm 정도의 최대 슬롯 깊이(도 4 에서 Pmax) 및 2 ∼ 3 mm의 최소 슬롯 폭(도 4 에서 c) 을 갖는 터빈 디스크 또는 압축기의 경우에 유리하게 사용될 수 있다.

치부의 수(n)는 바람직하게는 2개 이지만, 3개 또는 4개일 수도 있다.

Claims (9)

1. 터빈 또는 터보머신에 사용되기 위한 디스크에 적어도 하나의 슬롯을 브로치 가공하는 방법으로서, 상기 슬롯은 브로치의 길이방향 축과 디스크의 표면에 수직인 주축 사이의 브로치 가공 각도를 갖는 경사 브로치로 기계가공되며, 상기 브로치는, 브로치 가공되는 길이(L)의 약수(submultiple)로서 결정되는 치부간 피치(P)를 가지는, 슬롯을 브로치 가공하는 방법.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 치부간 피치(P)는 아래의 식과 같으며,
   

   

   
   여기서,
   - Ep^max 및 Ep^min 은 상기 디스크에 대한 허용 공차를 고려할 때 상기 디스크의 최대 및 최소 두께이고,
   - α^max 및 α^min 은 상기 공차를 고려할 때 최대 및 최소 브로치 가공 각도이며,
   - n 은 양의 정수인, 슬롯을 브로치 가공하는 방법.
3. 제 2 항에 있어서,
   상기 n 은 1 내지 4 인, 슬롯을 브로치 가공하는 방법.
4. 제 3 항에 있어서,
   상기 n 은 2 인, 슬롯을 브로치 가공하는 방법.
5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 슬롯은 상기 디스크의 둘레에서 기계가공되는 "전나무 단면(fir tree section)" 또는 "전구(bulb)"의 형태로 되어 있는 슬롯인, 슬롯을 브로치 가공하는 방법.
6. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 따른 방법을 실행하기 위한 브로치로서, 특정 피치로 쌍으로 분리되어 상기 브로치의 길이에 걸쳐 분산되어 있는 다수의 치부를 포함하며, 상기 브로치의 피치는 브로치 가공되는 길이의 약수로서 결정되는 브로치.
7. 제 5 항에 있어서,
   상기 브로치의 피치는 아래의 식과 같으며,
   

   

   
   여기서,
   - Ep^max 및 Ep^min 은 상기 디스크에 대한 허용 공차를 고려할 때 상기 디스크의 최대 및 최소 두께이고,
   - α^max 및 α^min 은 상기 공차를 고려할 때 최대 및 최소 브로치 가공 각도이며,
   - n 은 절삭에 관여하는 치부의 개수(양의 정수)인, 브로치
8. 제 7 항에 있어서,
   상기 n 은 1 내지 4 인 브로치.
9. 제 7 항에 있어서,
   상기 n 은 2 인 브로치.

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