整合旋翼的制造方法及其叶片的切削加工程序和整合旋翼与流程

1.本发明涉及转盘与叶片一体化的整合旋翼的制造方法、整合旋翼的叶片的切削加工程序以及整合旋翼。


背景技术：

2.在航空器用燃气涡轮发动机的风扇和压缩机转子等中，提出了采用转盘与叶片一体化的整合旋翼(ibr：integrally bladed rotor)，俗称叶盘(blisk：bladed in disk)。利用所述整合旋翼，可实现该发动机重量的大幅下降及燃料效率的提高。按照所述制造方法，除了利用如摩擦焊接这样的接合方法使其他工序制造的叶片与盘体一体化的方法以外，从盘体胚料切削加工出叶片的外形的方法已被公众所知。
3.例如，专利文献1公开了在具有复杂三维形状的整合旋翼的叶片加工中，采用具有半球形切削头的刀具的点接触铣削加工的方法。呈以半径方向轴为中心扭曲的板状且从叶片基部朝向叶片顶端呈锥状的复杂形状的叶片在粗铣加工后，利用铣削加工对凹状的正压侧、凸状的负压侧以及环状部进行精削。在此，两侧面以利用刀具的切削边缘使等宽的切削条与叶片之间的气流流动方向一致的方式进行铣削加工，从而得到空气动力损失较低的叶片。
4.另一方面，如果想要利用铣削加工来加工复杂的三维形状的叶片，则容易产生颤动(振动)和变形，在高速加工时产生更严重的问题。因此，作为其他的方法，考虑采用车削头的切削加工。关于所述切削加工的曲面加工，被称为“轨道钻孔”的加工控制方法已被公众所知，该“轨道钻孔”在以使车削刀具朝向圆弧半径方向的方式控制刀具主轴的旋转的同时，使车削刀具进行圆弧插补运动。
5.例如，专利文献2记载了利用由轨道钻孔进行的控制轴的速度钳制处理，可以在抑制切削负荷变化的同时赋予高速动作的方法。通常，如果半径方向的移动速度受到限制，则即使能继续旋转动作，轴移动也需要耗费时间，从而导致车削刀具的进刀和退避动作时间延长。此外，在旋转速度较快的情况下，即使限制半径方向速度，在各轴也会超过容许速度，不能取得各轴的同步，不能继续加工。因此，对应于移动模式来改变以不超过控制轴的容许进给速度的方式对控制轴进行控制的速度钳制处理。
6.专利文献1：日本特开2009-262320号公报
7.专利文献2：日本再表2018/003089号公报
8.近年来，由于对航空器用燃气涡轮发动机等的燃油效率要求的提高等，提出了更高程度设计的整合旋翼，并且整合旋翼的加工精度更为严格，特别是要求高精度地加工薄壁叶片。


技术实现要素：

9.本发明是鉴于以上状况而完成的，其目的在于提供一种利用切削加工而高精度地加工叶片的整合旋翼的制造方法、整合旋翼的叶片的切削加工程序和整合旋翼。
10.本发明提供整合旋翼的制造方法，使主面分别具有正压面和负压面的三维板状的叶片与转盘一体化，整合旋翼的制造方法的特征在于，将叶片的前缘和后缘的棱线分别按预定数量分割来设定虚拟格点，设定经由正压面和负压面环绕从转盘侧同一编号的前缘和后缘各自的虚拟格点的封闭曲线，制作以使封闭曲线螺旋状连续来移动车削刀具的刀尖的方式插补的加工指令，按照加工指令，使与刀尖的位置对应的切削点以环绕叶片的周围的方式移动来进行切削加工。
11.按照所述发明，在以使封闭曲线螺旋状连续的方式插补的路径上能够连续以恒定的压力使车削刀具的刀尖移动，所以能够高精度地加工断面具有封闭曲线且空气动力特性优异的叶片。
12.此外，本发明提供整合旋翼的叶片的切削加工程序，整合旋翼构成为使主面分别具有正压面和负压面的三维板状的叶片与转盘一体化，整合旋翼的叶片的切削加工程序的特征在于，包括：将叶片的前缘和后缘的棱线分别按预定数量分割来设定虚拟格点，设定经由正压面和负压面环绕从转盘侧同一编号的前缘和后缘各自的虚拟格点的封闭曲线的步骤；制作以使封闭曲线螺旋状连续来移动车削刀具的刀尖的方式插补的加工指令的加工指令数据制作步骤；以及按照加工指令，使与刀尖的位置对应的切削点以环绕叶片的周围的方式移动来执行切削加工的步骤。
13.按照所述发明，在以使封闭曲线螺旋状连续的方式插补的路径上使切削点移动，与此相配合，能够使车削刀具的刀尖连续地以恒定的压力移动，能够高精度地加工断面具有封闭曲线且空气动力特性优异的叶片。
14.而且，本发明提供整合旋翼，使主面分别具有正压面和负压面的三维板状的叶片与转盘一体化，整合旋翼的特征在于，将叶片的前缘和后缘的沿着径向的棱线分别按预定数量分割来设定虚拟格点，整合旋翼被施加使叶片位于封闭曲线的内部的切削，封闭曲线经由正压面和负压面环绕从转盘侧同一编号的前缘和后缘各自的虚拟格点。
15.按照所述发明，断面具有封闭曲线且空气动力特性优异。
附图说明
16.图1是利用本发明的制造方法的一个实施例得到的整合旋翼的立体图。
17.图2是切削加工前的整合旋翼的叶片部分的立体图。
18.图3是切削加工中的叶片部分的立体图。
19.图4是图3的主要部分的放大图。
20.图5是表示设定于叶片的封闭曲线的立体(透视)图。
21.图6是表示本实施例所使用的机床的一例的立体图。
22.图7a是现有的叶片的精加工所使用的立铣刀的主视图。
23.图7b是立铣刀的切削阻力随时间的变化的坐标图。
24.图7c是表示立铣刀的旋转加工后的叶片表面附近的截面图。
25.图8是表示整合旋翼的叶片的切削加工程序的一个实施例的使用方法的流程图。
26.图9是表示叶片的三维模型的一例的立体(透视)图。
具体实施方式
27.以下，使用图1至图7具体说明本发明的整合旋翼的制造方法。
28.如图1所示，整合旋翼10是将作为圆环状的板体的转盘1与在转盘1的外周排列设置的多个叶片2一体化而成的旋翼。叶片2是在主面分别具有正压面21和负压面22的三维板状体。
29.如图2所示，整合旋翼10的叶片2分别被预先粗加工而具有叶片形状。其中，在叶片2的精加工中，一般通过立铣刀等旋转刀具进行加工，但是本实施例中使车削刀具的刀尖沿着叶片的表面移动的同时进行切削加工。即，如图2的箭头所示，以从叶片2的前缘23上的点依次经由负压面22、后缘24、正压面21(或从前缘23上的点依次经由正压面21、后缘24、负压面22)返回前缘23上的方式，使车削刀具30的刀尖32环绕进行切削。具体而言，虚拟地制作如此环绕叶片2的封闭曲线c(参照图5)，以沿着基于所述封闭曲线c决定的路径r的方式，使车削刀具30相对于叶片2相对移动的同时进行切削加工。
30.如图3所示，在从叶片2的顶端侧朝向基部侧进给的同时进行所述切削加工。即，从顶端侧朝向基部侧预先排列多个虚拟设定的封闭曲线c(参照图5)，按照封闭曲线c的数量重复以沿着各封闭曲线c的方式环绕叶片2的切削的同时实施进给。即，从封闭曲线c上的开始点以沿着封闭曲线c的方式环绕，并且以在一周的环绕完毕的时点向相邻的封闭曲线上的开始点上移动的方式进给。如此，以每一周向相邻的封闭曲线上移动的方式螺旋状环绕。将所述螺旋状环绕的曲线设为路径r。即，路径r是以使封闭曲线c螺旋状连续的方式插补的曲线。由此，可以对叶片2的正压面21、负压面22、前缘23和后缘24的整面进行切削。
31.而且一并参照图4，以沿着所述封闭曲线c的方式环绕的同时进给并切削时，刀头31的顶端的切削点在切削加工前的面25和切削加工后的面26之间的台阶27与切削加工后的面26之间的角部形成的曲线上移动。即，所述曲线为路径r。此时，特别优选的是，安装在车削刀具30的顶端的刀头31的刀尖32的延伸方向与叶片2的切削点的面法线平行。即，如果使切削点始终在决定了面法线的预定的平滑曲面上移动，则能够抑制颤动的发生，所以是优选的。在这种情况下，路径r是在其上移动的切削点处始终决定了切线的平滑连续的曲线且可微分。路径r是在沿着封闭曲线c环绕叶片2的轨道上赋予进给的路径，通过将封闭曲线c作为可微分的曲线进行插补而可微分。此时，前缘23和后缘24由与正压面21和负压面22连续的连续曲面形成。此外，如上所述，路径r应沿着切削加工后的表面，严格地说，通过对加工后的理想形状(模型)上制作的封闭曲线c进行插补而决定。另外，也可以使刀尖32的延伸方向相对于切削点的面法线倾斜而设置导程角。
32.如图5所示，封闭曲线c形成为经过在前缘23和后缘24各自的棱线上设定的虚拟的格点p。格点p在前缘23侧的棱线和后缘24侧的棱线上彼此数量相同，配置成将各自的棱线按预定数量分割。而且，以分别经由从转盘1侧同一编号的格点彼此的方式，设定封闭曲线c。而且，上述的路径r例如能够以经由所述格点p中的一方的棱线上的格点p的方式插补曲线c而决定。首先，得到从最初的格点至下一格点的向量。此外，在封闭曲线c上的各点处，求出从格点至该点为止的封闭曲线c上的长度相对于封闭曲线c的长度的比率。而且，在各点处加上所述向量乘以在各点得到的比率所得的向量，而得到新的点，通过插补所述新的点可以得到路径r。另外，格点p例如也可以从将各自的棱线等间隔分割的分割点选择。通过从等间隔的分割点选择格点p，从而可以减少格点p的设定的繁琐工作。此外，如果等间隔设定
格点p，则每一周的切削量恒定，使切削加工整体稳定，有助于高精度的加工。此外，优选的是，以沿着整合旋翼10组装于涡轮进行动作时产生的叶片2上的气流(参照箭头w)的方式设定所述封闭曲线c。另外，附图中仅表示了一个箭头w，但是在叶片2上的各部分处对应于不同的各气流来设定封闭曲线c。能使切削痕沿着气流的方向，空气动力特性优异。
33.参照图6，作为进行整合旋翼10的这种切削加工的机床，例如可以使用以下的机床。即，所述机床包括：工作台40，将整合旋翼10以转盘1的中心轴a2朝向铅直方向的方式固定；以及刀具保持装置35，保持车削刀具30并可围绕旋转轴a1旋转。刀具保持装置35通过保持车削刀具30，从而使车削刀具30的刀尖32的朝向可围绕旋转轴a1旋转。刀具保持装置35的旋转轴a1例如水平地设定，并朝向转盘1的内部。在此，工作台40和刀具保持装置35可以在与旋转轴a1垂直的面内的水平的x轴方向和铅直的y轴方向、以及平行于旋转轴a1的z轴方向的直线3轴的方向上分别相对移动。此外，工作台40可围绕中心轴a2旋转。即，可以利用直线3轴 旋转2轴进行上述的切削加工。
34.在上述的切削加工中，优选固定在车削刀具30的顶端的刀头31的刀尖32的延伸方向与叶片2的切削点的面法线平行。刀尖32的朝向与旋转轴a1大致垂直(参照图3)，例如想要使刀尖32的朝向在xy平面内倾斜时，只要使刀具保持装置35围绕旋转轴a1旋转即可。此外，想要使刀尖32的朝向在xz平面内倾斜时，只要组合x轴方向的直线移动和围绕转盘1的中心轴a2的旋转即可。通过组合上述的xy平面内的倾斜和xz平面内的倾斜，从而可以使刀尖32的朝向与切削点的面法线平行。通过在此基础上组合上述的直线3轴的移动，从而可以在沿着封闭曲线c环绕叶片2的同时，按照路径r进行切削加工。即，可以得到以叶片2位于封闭曲线c的内部的方式切削而成的整合旋翼10。
35.特别如果是整合旋翼，则有时叶片2的形状形成为不必使刀尖32的朝向在xz平面内倾斜。在这种情况下，不需要工作台40围绕中心轴a2的旋转，可以利用直线3轴 旋转1轴(刀具保持装置35围绕旋转轴a1的旋转)就能进行上述的切削加工。
36.另一方面，也可以采用相对于上述的直线3轴 旋转2轴进一步追加旋转1轴的直线3轴 旋转3轴的机床。例如，使工作台40能围绕与x轴平行的中心轴进行旋转。由此，可以提高切削加工的自由度。
37.可是，如图7a所示，以往整合旋翼的叶片部分的精加工采用了立铣刀100这样的旋转刀具。如果使用这种旋转刀具，则如图7b所示，由于刀尖与被切削物的接触为断续性，所以切削阻力也断续性变化。因此，加工中容易发生颤动。此外，如图7c中断面形状所示，由于是断续性接触，所以也会因切削痕而导致切削面呈波纹状。
38.对此，按照本实施例，通过对环绕叶片2的封闭曲线c以螺旋状连续的方式插补而得到路径r，利用切削点在所述路径r上移动的切削，能够得到恒定的切削负荷，可以抑制颤动的发生，并且可以得到平滑的切削面，所以能够高精度地加工叶片2。此外，即使如上述的那样存在切削痕，如果使切削痕沿着气流的方向，则空气动力特性也优异。
39.接下来，参照图8说明这种整合旋翼10的叶片2的切削加工程序。
40.参照图8，首先获得制造的整合旋翼10的叶片2的三维模型(s1)。所述三维模型沿着三维坐标系切分网格，各网格与叶片2的表面的交点由坐标表示(参照图9)。将三维模型输入预定的pc等计算机。也可以直接输入所使用的机床。
41.而后，在所述三维模型上设定环绕叶片2的封闭曲线c(s2)。具体而言，首先设定在
前缘23侧的棱线和后缘24侧的棱线上彼此相同数量的格点p。所述格点p的数量和位置等由作业者输入。而后，以经由在双方的棱线上从转盘1侧同一编号的格点p、以及正压面21和负压面22的方式，针对各自的格点设定封闭曲线c(参照图5)。
42.接着，定义刀具尺寸(s3)。刀具尺寸是车削刀具30中的刀尖32的朝向及其顶端的位置，以及将车削刀具30保持于刀具保持装置35时刀尖32相对于刀具保持35及其旋转轴a1的朝向和位置等。刀具尺寸由作业者输入。
43.接着，定义刀具路径(s4)。在此，决定在沿着上述的封闭曲线c环绕叶片2的同时，从叶片2的顶端侧朝向基部侧进给的路径r，即以使封闭曲线c螺旋状连续的方式插补的路径r，将路径r设为刀具路径。此外，针对路径r上的各切削点分别算出并决定上述的三维模型上的面法线。
44.接着，定义刀具的轴向(s5)。在此，作业者决定如上所述的直线3轴 旋转1轴、直线3轴 旋转2轴、直线3轴 旋转3轴中的任意一方，并输入其结果。例如，在不需要围绕转盘1的中心轴a2的旋转的情况下，将机床的移动轴决定为直线3轴 旋转1轴，并由作业者输入。
45.接着，针对上述的刀具路径(路径r)上的各切削点，定义车削刀具30的刀尖32的朝向(s6)。即，以使刀尖32的朝向与在s4中决定的面法线平行的方式，决定保持车削刀具30的刀具保持装置35围绕旋转轴a1的旋转角度等。也可以如上述的那样带有导程角。
46.在此基础上，沿着刀具路径制作加工指令数据(s7)。即，针对各切削点，制作表示刀尖32的位置和车削刀具的方向(例如刀尖32的朝向)的刀具向量、以及面法线的向量的组合，并据此决定车削刀具30的移动方向。
47.接着，向机床输入刀具信息和切削位置(s8)。在此，在将作为加工对象的粗加工完毕的整合旋翼10固定的基础上，将车削刀具30保持于机床，作业者向机床输入初始位置。此外，将上述的计算机中制作的加工指令数据也输入机床。
48.接着，使机床根据加工指令数据执行切削加工。即，利用沿着上述的路径r的切削加工，进行叶片2的精加工。
49.接着，进行加工后的叶片2的尺寸检查，在机床上确认是否成为加工结束尺寸(s10)。即，检查相对于上述的三维模型的尺寸是否为预定的误差范围内的尺寸，并作为切削信息保持。
50.在此，在未成为加工结束尺寸的情况下(s10：否)，根据加工结束尺寸及到此为止的加工余量(必要的加工量)，对刀具信息进行修正，作业者再次输入刀具信息(s8)，在此基础上进一步执行同样的切削加工(s9)。即，基于与上述的切削信息对应修正后的刀具信息，还变更加工指令数据。在成为加工结束尺寸的情况下(s10：是)，结束精加工。
51.这样，沿着以使上述的封闭曲线c螺旋状连续的方式插补的路径r使机床进行切削加工，由此可以高精度地加工空气动力特性优异的叶片2。
52.以上记载了本发明的代表性实施例及其变形例，但是本发明不限于此，本领域技术人员可以适当变更。即，本领域技术人员可以在不脱离权利要求的范围内，找到各种替代实施例和改变例。
53.附图标记说明
54.1 转盘
55.2 叶片
56.10 整合旋翼
57.21 正压面
58.22 负压面
59.23 前缘
60.24 后缘
61.25 切削加工前的面
62.26 切削加工后的面
63.27 台阶
64.30 车削刀具
65.31 刀头
66.32 刀尖
67.a1 轴
68.a2 中心轴
69.c 封闭曲线
70.r 路径。