(57)【要約】【課題】中仕上げから仕上げ加工を行なう小径サイズの翼根溝加工用刃先交換式回転切削工具において、工具本体の剛性を向上し、切削抵抗の低抵抗化をはかり、耐折損性を改善した翼根溝加工用刃先交換式回転切削工具を提供する。【解決手段】刃先交換式回転切削工具において、切刃稜線は回転切削工具の先端から軸方向後端側に向かって工具径が滑らかに増大する拡径部と拡径部から軸方向後端側に向かって工具径が滑らかに減少する縮径部を有し、拡径部における工具径の最大値をＤ２、縮径部における工具径の最小値をＤ１としたとき、Ｄ１＜Ｄ２の関係であり、インサートの厚さは、回転切削工具の半径方向の外周側から内周側に向かって減少し、拡径部の半径方向すくい角（度）をＲｒとしたとき、Ｒｒ＞０であり、回転切削工具は溝形状インサート座を有することを特徴とする翼根溝加工用刃先交換式回転切削工具である。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
工具先端にＷＣ基超硬合金製のインサートを着脱自在に装着した翼根溝加工用刃先交換式回転切削工具において、該インサートの切刃稜線は、該回転切削工具の先端から軸方向後端側に向かって工具径が滑らかに増大する拡径部と、該拡径部から軸方向後端側に向かって工具径が滑らかに減少する縮径部を有し、該拡径部における工具径の最大値をＤ２、該縮径部における工具径の最小値をＤ１、としたとき、該Ｄ１値と該Ｄ２値とはＤ１＜Ｄ２の関係であり、該インサートの厚さは、該回転切削工具の半径方向の外周側から内周側に向かって減少し、該拡径部の半径方向すくい角（度）をＲｒとしたとき、Ｒｒ＞０であり、該回転切削工具は溝形状インサート座を有することを特徴とする翼根溝加工用刃先交換式回転切削工具。
【請求項２】
請求項１に記載の翼根溝加工用刃先交換式回転切削工具において、タービンブレード翼根溝加工に用いることを特徴とする翼根溝加工用刃先交換式回転切削工具。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、例えばタービンブレード翼等の翼根溝加工用の刃先交換式切削工具に関する。特に、最小径が１０ｍｍ以下となる場合に使用することができる小径サイズの翼根溝加工用刃先交換式切削工具に関する。
【背景技術】
【０００２】  タービンブレード翼根溝加工に使用される回転切削工具が、特許文献１から３に開示されている。特許文献１、２に記載のものはクリスマスツリー形状のタービンブレード翼根溝加工に使用される刃先交換式の回転切削工具であり、特許文献１には荒加工用、特許文献２には、複数のインサートで構成された仕上げ加工用の回転工具が提案されている。また、特許文献３には、仕上げ加工方法が提案され、これに使用する回転工具が図１、２に図示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第３７３７２３６号公報
【特許文献２】特開２０００−２５４８１２号公報
【特許文献３】特開２００８−２１３１２７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】  しかしながら、従来においては、特に、中仕上げから仕上げ加工を行なうにあたり、小径サイズの翼根溝加工用刃先交換式切削工具を使用する場合に、切削抵抗が顕著に高くなるために小径部分の耐折損性の欠如が問題となっていた。【０００５】  従って、本発明の目的は、中仕上げから仕上げ加工を行なう翼根溝加工用刃先交換式切削工具（特に小径サイズのもの）において、耐折損性を改善し切削抵抗の低抵抗化をはかり、信頼性の高い翼根溝加工用刃先交換式切削工具を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】  本発明は、工具先端にＷＣ基超硬合金製のインサートを着脱自在に装着した翼根溝加工用刃先交換式回転切削工具において、該インサートの切刃稜線は、該回転切削工具の先端から軸方向後端側に向かって工具径が滑らかに増大する拡径部と、該拡径部から軸方向後端側に向かって工具径が滑らかに減少する縮径部を有し、該拡径部における工具径の最大値をＤ２、該縮径部における工具径の最小値をＤ１、としたとき、該Ｄ１値と該Ｄ２値とは、Ｄ１＜Ｄ２の関係であり、該インサートの厚さは、該回転切削工具の半径方向の外周側から内周側に向かって減少し、該拡径部における半径方向すくい角（度）をＲｒとしたとき、Ｒｒ＞０であり、該回転切削工具は溝形状インサート座を有することを特徴とする翼根溝加工用刃先交換式回転切削工具である。
本発明によれば、耐折損性を改善した翼根溝加工用刃先交換式回転切削工具を提供することが出来る。【０００７】  本発明の翼根溝加工用刃先交換式回転切削工具は、タービンブレード翼根溝加工用として好適である。特に実用性のニーズに応えるために、中仕上げから仕上げ加工を行なう小径サイズのものとして、Ｄ１値の下限値は８ｍｍ程度とするのが好ましく、８≦Ｄ１≦１０とするのがより好ましい。
【発明の効果】
【０００８】  本発明によれば、中仕上げから仕上げ加工までを行なう、特に小径サイズの翼根溝加工用刃先交換式回転切削工具として、顕著に耐折損性を改善した翼根溝加工用刃先交換式回転切削工具を提供することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】  翼根溝加工工程を説明する図である。
【図２】  本発明例１の斜視図を示す。
【図３】  本発明例１の回転工具先端部分の拡大図を示す。
【図４】  図３の右側面図を示す。
【図５】  図４の回転工具本体を示す。
【図６】  本発明例１の縮径部における軸直角断面図の一例を示す。
【図７】  従来例３の縮径部における軸直角断面図を示す。
【図８】  本発明例１の拡径部における軸直角断面図を示す。
【図９】  応力解析による計算結果を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１０】  図１は、本発明の翼根溝加工用刃先交換式回転切削工具を用いて、中仕上げから仕上げ加工までを行なう工程を模式的に説明する図である。
例えば、クリスマスツリー形状のタービンブレード翼根溝における最小径が１０ｍｍ以下となる場合の加工には、図１に示すように、第１の工程及び第２の工程による粗加工、第３の工程及び第４の工程による中仕上げ加工、並びに、第５の工程及び第６の工程による仕上げ加工のように、複数の工程に分割して行なわれる。
【００１１】  第１工程の粗加工は、例えばラフィング切刃を有した粗加工用テーパーエンドミルを使用して行なわれ、溝断面が略Ｖ字形の形状となるように形成される。特に、最終形状であるクリスマスツリー形状の翼根溝における最小径が１０ｍｍ以下の場合、クリスマスツリー形状に近似した粗切削加工用の総形フライス工具を使用することは、工具小径部における工具折損を招くことから、不適当である。第２工程の粗加工では例えばラフィング切刃を有した粗加工用エンドミルを使用し最小径部の溝を形成する。
【００１２】  第３工程の中仕上げ加工では、クリスマスツリー形状をした翼根溝における溝径の大きな部分の加工が行なわれる。第４工程の中仕上げ加工では、クリスマスツリー形状をした翼根溝における溝径の小さな部分の加工が行なわれる。特に、この第３工程の中仕上げ加工では、加工しろが切刃長さにわたって不均一になるため、切刃の負担を軽減するための切削抵抗低減化の対策と、溝径の小さな部分の加工を行なうため工具径の小さい部分における耐折損性の改善が必要である。そこで、本発明の翼根溝加工用刃先交換式回転切削工具を使用することによって、上記第３工程の中仕上げ加工を問題なくクリアすることができるのである。
【００１３】  第５工程の仕上げ加工では、クリスマスツリー形状をした翼根溝における溝径の大きな部分の加工が行なわれる。第６工程の仕上げ加工では、クリスマスツリー形状をした翼根溝における溝径の小さな部分の加工が行なわれる。この仕上げ加工における加工しろは、切刃長さにわたってほぼ均一になるように設定され、切刃の負担が均等になるように設定されている。上記第５工程の仕上げ加工においても本発明の翼根溝加工用刃先交換式回転切削工具を使用することができる。
【００１４】  ここで、第２、３工程の中仕上げ加工、及び、第４、５工程の仕上げ加工を、夫々の溝径によって２工程に分割する理由は、工程を分割することによって溝径の大きな部分と小さな部分とで適切な切削条件を選択して高能率な切削が可能となるからである。
従って、高能率な切削条件を採用することにより、切削時間を短縮することができる。この切削時間の短縮は、工具交換等に要する時間を相殺する以上の効果を有する。
【００１５】  上記で述べたように、本発明の翼根溝加工用刃先交換式回転切削工具を用いて行なわれるクリスマスツリー形状をした溝形状における最も径の小さい箇所の加工では、耐折損性を改善した回転切削工具を用いることが重要である。この理由は、特にタービンローター翼根溝加工等に使用される回転切削工具では、工具径が最小径となる部位で折損し易い傾向があり、工具折損は高額な工作物をスクラップにしかねない重大な事故につながるからである。そこで、翼根溝加工用刃先交換式回転切削工具の高剛性化をはかり、耐折損性を改善する必要がある。
【００１６】  本発明の翼根溝加工用刃先交換式回転切削工具は、縮径部のインサート座を溝形状に形成することと、インサートすくい面を傾斜平面とし工具本体剛性を低下させることなく半径方向すくい角を正の値に設定し切削抵抗低減を可能にする構造を採用したことにより、耐折損性を従来に比べて顕著に改善したものである。以下図面により、本発明の構成を詳しく説明する。
【００１７】  図２から図６と図８は、いずれも、上記インサートを１つ取付けた刃先交換式回転切削工具の本発明例１を示す図である。なお、本発明の回転切削工具として、上記インサートを２つ以上取付けた構成としても良い。ここで図２は本発明例１の斜視図である。図３は本発明例１の工具先端部分の拡大図を示す。図４は図３の右側面図を示す。図５は図４の回転工具本体を示す。図６は本発明例１の縮径部における軸直角断面図を示す。図７は従来例３の縮径部における軸直角断面図を示す。図８は本発明例１の拡径部における軸直角断面図を示す。
図２に示すように、工具本体１にクランプねじ２を介して着脱自在にインサート３が固定され、本発明の切削工具が構成される。インサート３の切刃稜線は、該回転切削工具の先端から軸方向後端側に向かって工具径が滑らかに増大する拡径部と、該拡径部から軸方向後端側に向かって工具径が滑らかに減少する縮径部を有するように形成した。
図３、図４に示すように、インサート３の該拡径部における工具径の最大値をＤ２、該縮径部における工具径の最小値をＤ１、としたとき、該Ｄ１値と該Ｄ２値とは、Ｄ１＜Ｄ２の関係となるように形成した。本発明の工具のＤ１値は１０ｍｍ程度、好ましくは１０ｍｍ以下の小径工具である。図５に示すように、縮径部から工具の回転軸方向工具後端に向かって溝形状インサート座６を有する。
また図６に示すように、縮径部５のインサート厚さＴ（ｍｍ）は、工具半径方向の外周側から内周側に向かって減少するように形成した。図５、６に、溝形状インサート座６の溝長さＬと溝幅Ｗを示した。インサート３を工具本体１に装着したときに、図６に示す縮径部５及び、図８に示す拡径部４のＲｒ値は、Ｒｒ＞０となるように形成した。
【００１８】  本発明例１では縮径部近傍に溝形状インサート座を形成することで縮径部の断面積を増すことにより剛性を確保できるようにした。
その剛性を評価するために、３次元ＣＡＤにより、Ｄ１値を１０ｍｍ、Ｄ２値を１７ｍｍ、Ｄ２値をとる位置での外周刃におけるインサート厚さをＴ１、最内周側のインサート厚さをＴ２としたとき、Ｔ１値を２．５ｍｍ、Ｔ２値を１．５ｍｍとした。溝形状インサート座の溝幅Ｗは、２．７ｍｍ、溝長さＬは、工具回転軸の先端方向に向かって、工具径が最小値のＤ１値をとる位置から工具径がＤ２となるまでの距離とした。これを本発明例１のモデル形状とし作成した。一方、従来例３のモデル形状は基本的に本発明例１に準拠させたが、溝形状インサート座を持たないものとした。これらのモデル形状を用いて有限要素法解析ソフトウェアにて荷重９００Ｎとしてミーゼス相当応力を計算した。その計算結果、本発明例１における縮径部の応力値は４００ＭＰａ、従来例３は５３８ＭＰａとなり本発明例１の方が、約２５％応力値が低減されることが分かった。更に図９に示す計算結果の様に、溝形状インサート座の長さＬ値を１ｍｍずつ工具先端方向に長く形成して応力値を計算したが、応力値が収斂する結果が得られ、溝形状インサート座は縮径部までで十分なことが分かった。工具本体を形成する材料として、引っ張り強度が２ＧＰａ以上の合金材料を使用することが望ましい。
【００１９】  縮径部の応力値を下げる方法として切削抵抗を低減することが考えられる。一般に切削抵抗はＲｒ値を正に大きくすれば低下する。例えば、インサートにブレーカー溝を設けてＲｒ値を大きくすることが一般的に行われているが、翼根溝加工用工具では形状が複雑で高精度が要求されるために、精度を保ちつつ切り刃に沿ってブレーカー溝を形成することは困難である。
そこで本発明例１では、図８に示すように、工具切刃の拡径部におけるインサート厚さＴ１値が、半径方向外周側から内周側に向かって漸次減少し、最内周側でＴ２値となるように形成する。このような工夫をすることによって、本発明によれば、インサート取付部の工具断面厚さ（ｔ値）を厚い状態に維持したまま工具剛性を確保し、Ｒｒ値を正とすることが可能となり切削抵抗を小さくすることができる。従って、縮径部における耐折損性を顕著に改善した翼根溝加工用刃先交換式回転切削工具を提供することができる。
一方、図７に示す様に、従来例３は一定厚みのインサートであるため、工具本体の剛性を確保しようとするとＲｒ値は負の値となり、Ｒｒ値が正の値の工具より切削抵抗は大きくなってしまう。逆に、Ｒｒ値を正の値にしようとするとｔ値を厚く設定することができず工具本体の剛性が低下するため、特に縮径部における折損が生じやすくなる。更に、切れ刃の逃げ角も大きくなり刃先強度が低下してしまう。図７の従来例３の縮径部における最小径部断面図に示すように、インサート座はインサート３の底面輪郭形状に垂直に切削加工により形成される。このような従来例３の工具で翼根溝を加工すると、度々縮径部より折損する。これは切削抵抗による繰り返し荷重が原因の疲労破壊が発生するからである。
【００２０】  以下、本発明を実施例により詳細に説明するが、下記の実施例により本発明が限定されるものではない。
【実施例】
【００２１】  本発明の翼根溝加工用刃先交換式回転切削工具は、工具に取付けられたインサートの厚さを、工具半径方向外周側から内周側に向かって減少させたものである。Ｄ１値は１０ｍｍ、Ｄ２値は１７ｍｍ、及び工具拡径部のインサート厚さＴ１値を２．５ｍｍ、Ｔ２値を１．５ｍｍとした。工具本体は引っ張り強度１．２９ＧＰａの熱間ダイス鋼で作成した。
本発明例１におけるインサートの作成方法は、粉末冶金技術を用いて作成したＪＩＳ、Ｐ３０相当の超硬合金製のインサートを機械加工によって切れ刃稜線を形成するものとした。本発明例１に装填したインサート数は１枚とし、Ｒｒ値は１°、逃げ角を１５°に設定した。
ここでインサートを機械加工によって作成した理由は、中仕上げ加工から仕上げ加工時に要求される加工形状精度を満たすためである。例えば、Ｒｒ値が負の値の状態でインサート上面にブレーカー溝を設けＲｒ値を正にする方法が考えられる。または、インサート製造時でのプレス成形時に金型にてブレーカー溝形状を付与する方法もある。しかし、これらの方法では加工形状精度を満たすことは困難だからである。
また、従来例３、４の工具として、インサート厚さ一定の平板状インサートを取付けた翼根溝加工用刃先交換式回転切削工具を使用した。【００２２】  上記で作成した回転切削工具を縦マシニングセンターに装着し、切削試験を行なった。切削試験に際しては、荒加工後の中仕上げ加工を想定して、事前にラフィングエンドミルを用いて幅９ｍｍ、深さ１２ｍｍの溝加工を施した被削材を準備した。評価は、切削長さを１５ｍに設定したときの、工具折損の有無を評価した。試験途中に工具折損に至った場合は、その時点での切削長を評価値とした。また、切削動力計（ＫＩＳＴＬＥＲ社９２５７Ａ）により切削抵抗の測定を行った。
更に、切削試験中におけるビビリ振動やインサートのチッピングの状況についても観察を行なった。ビビリ振動については、下記の判定基準により判定を行なった。安定した切削音であるが切削面が安定切削状態に比べ粗い切削状態を、ビビリ振動が小、甲高い音を伴う切削状態を中、甲高い音と機械の振動を伴う切削状態を大として評価した。
ここで下記の切削条件は従来用いられているハイス製工具の約２倍の切削加工能率である。使用した工具形状、インサート形状と、実験結果を表１に示す。
（切削条件）
加工方法：事前に溝加工を施した被削材を用いた溝加工、乾式切削
被削材：ＳＣＭ４４０、硬度ＨＢ３１０
主軸回転数：２２５０ｍｉｎ−１
１刃当たりの送り量：０．０１ｍｍ／刃
送り速度：２２ｍｍ／ｍｉｍ
軸方向切込量：１２．４ｍｍ【００２３】
【表１】
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【００２４】  表１より、本発明例１は安定した切削状態を示し、切削長１５ｍでのインサートは正常摩耗であり継続切削可能な状態であった。これは工具の縮径部において、溝形状インサート座を有していたために工具としての剛性が保たれたこと及び、インサート厚さを工具外周側から内周側に向かって漸減させＲｒ値を正の値１°としたために、本発明例１の切削抵抗を従来例３の９００Ｎから５４９Ｎへと３９％低減出来たためである。
これに対し、比較例２の場合、実験結果は切削長１５ｍでインサートに微小チッピングを生じており継続使用は不可能であった。
従来例３は厚さ一定のインサートをＲｒ値が−５°であるが、ビビリ振動が大きく切削長３ｍで折損した。
従来例４は厚さ一定のインサートをＲｒ値が１°で取付けた物である。従来例４では本発明例１のｔ値より３０％小さかった。ビビリ振動は無かったが切削長５ｍで折損した。これは厚さ一定のインサートでＲｒ値を正の値とすることでｔ値が薄くなりすぎてしまったことによるものである。
これらの結果より、工具本体に溝形状インサート座を設け、インサート厚さを工具外周側から内周側に向かって減少させてＲｒ値を正の値にすることについての顕著な効果を確認できた。
【産業上の利用可能性】
【００２５】  本発明の翼根溝加工用刃先交換式回転切削工具は、中仕上げから仕上げ加工を行なう翼根溝加工に好適であり、耐折損性を改善し切削抵抗の低抵抗化をはかり、信頼性の高い翼根溝加工、特にタービン翼根溝加工を実現することができる。
【符号の説明】
【００２６】１：工具本体
２：クランプねじ
３：インサート
４：拡径部
５：縮径部
６：溝形状インサート座
Ｄ１：工具径
Ｄ２：工具径
Ｔ：インサート厚さ
ｔ：インサート取付部の工具断面厚さ
Ｒｒ：半径方向すくい角
Ｗ：溝形状インサート座の溝幅
Ｌ：溝形状インサート座の長さ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2011020250.tif 000008
【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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