筑波大学技術報告
26: 78-81 , 2006

Ｃ軸制御による翼型ノズル形状の加工
内田豊春
筑波大学研究基盤総合センター 工作部門
〒305-8577 茨城県つくば市天王台 1-1-1

概要
強力な旋回流を発生させる装置の重要な部分である翼型ノズルの加工を、本学の研究基盤総合センタ
ー工作部門（以下、工作部門とする）が設備する、主軸割り出し機能（C 軸制御）とミーリング機能を有する CNC 旋盤、いわゆるターニングセンターで行った。
翼型形状の加工に際しては、翼断面の形状を再検討し、工具径補正値は 2D-CAD と Excel を利用して適切な値を求めた。この結果、C 軸と Z 軸の 2 軸を同時に制御することで、工作依頼者が要求する形状の翼型ノズルができた報告である。

１．はじめに流体の渦崩壊を利用して微細な気泡を生成することができる。ただし、渦崩壊を生じさせるには非常に強い旋回流を必要とする。
工作部門では、この旋回流を発生させる装置の重要な部分である翼型ノズルを、実験目的に合わせた形状で各種加工している。図１に最近加工した翼型ノズルを示し、形状を簡単に説明する。
翼型ノズルは、半球状をした先端部と６枚の翼(vane)から構成され、図１の上が上流部、下が下流部となる。翼の先端は、流体が抵抗少なく流れるように、R 形状をしている。上流部の翼幅は広く、直線に近い緩やかな曲線をしているが、下流部に行くに従い翼幅も細くなり、曲線も 90°近く曲がった形状をしている。下流先端部ではエッジ状になる。この翼と翼の間で形成される溝がノズル形状となる。
本報告では、初期検討（翼型ノズル形状が加工できるか否かの最初の検討）から実際の加工に至るまでを述べる。
初期検討の説明は、初めて加工した翼型ノズル形状を例に取り、実際の加工は図１の翼型ノズル形状を例に取り説明する。

図１．翼型ノズルの形状

２．初期検討最初の翼型ノズル加工に際しては、図２に示す形状の概略と、各部の寸法等が記入された仕様書、それに依頼者自身がアクリル材から削り出した簡単な形状見本が提示された。
仕様書には、翼型ノズルの半径、全長、vane 数、原点からの距離に対する円周角を算出する式、vane角、vane 幅、溝角、溝幅、溝深さ、vane 形状（縦軸に円周角、横軸に原点からの距離で描いた曲線）が記載されている。この仕様書と形状見本を元に翼型ノズルの形状が、工作部門が設備する OKUMA 製ターニングセンターLB15Ⅱ－MW で加工可能な形状で

図２．翼型ノズルの概略と仕様

表１ LB15 の仕様（抜粋）単位：mm

能 ベッド上の振り530

力 往復台上の振り340

容 ノーズ間距離760

量 最大加工径移 X軸移動量340260

動 Z軸移動量

520量

360°(0.001°)
C軸ダイレクト制御

C軸移動量

あるか、検討を行った。LB15Ⅱ－MW の仕様を表１に示す。（以下、ターニングセンターを LB15 とする）
詳細な検討の結果、翼の曲線形状加工に関しては、加工ワークを取り付ける主軸の回転角度が制御可能なので、問題無く加工できることが分かった。しかし、翼型ノズル全体の加工に関しては、解決しなければならない以下の問題点が明らかになった。

図４のように、翼側面は軸中心に向かっている。
LB15 は、表１の仕様からも分かるように Y 軸を持たず、回転工具であるエンドミル中心と主軸中心が一致し固定されている。このため図４の翼断面形状を加工するには、y 分だけ Y 軸がオフセットできる NC
フライス盤、または Y 軸制御が可能なターニングセンター等の NC 複合加工機を使用しないと加工が非常に困難である。限りなく細いエンドミルを使えば、この形状は加工できるが非現実的である。

2.2 工具径補正の問題
翼型ノズルの概略と仕様で記された形状式から描いた翼形状を図５に示す。

Z0

工具径（エンドミル径）

工具径補正値

2.1 翼断面形状の問題
LB15 の座標系を図３に、図２の概略形状から描き直した翼断面形状と、この形状を加工する場合のエンドミル位置の模式図を図４に示す。主軸回転角中心が C 軸、中心の軸方向が Z 軸となる。（X,Y の各軸は直感的な見やすさと説明のため 90°ずらした）

工具軌跡

C

図５．翼形状と工具補正曲線（工具軌跡）
ハッチング部分が翼形状を表し、上下の２点鎖線は各点の工具径補正値を曲線で表した。また、実際に加工する場合の工具径中心が通る軌跡でもある。
図からもわかるように、翼の曲線形状を正確に加工するには、切削工具を曲線の法線方向に工具半径分ずらした場所へ正確に位置決めしなければならない。これを工具径補正といい、補正された値を工具径補正値という。

３．問題点への対処
3.1 翼断面形状の検討と工夫
図３．LB15の座標系

2 3ﾟ

3mmエンドミル15ﾟ

エンドミルyY軸

新翼断面形状C軸
R 21X軸図４．翼断面形状とエンドミルの位置

図６．検討した翼断面形状

翼断面形状を再検討するため、2D-CAD を使いエ
直径、溝深さ、溝幅、先端半径が違う程度で、基本ンドミルと翼断面の位置関係を見直した。LB15 と同形状は同じである、加工手順も同じであるので、実じくエンドミルを主軸中心上に描き、翼断面図を回 際の加工説明は、図１の翼型ノズル形状で行う。
転させながら描いたところ、図６の翼断面形状が得4.1 形状られた。細かなハッチング部が新翼断面形状。
図のように、正式な形状より根本部分が細くなる。
翼型ノズルの寸法形状は、全体の長さが 69.4mm、得られた形状を、加工依頼者を交え検討した結果、先端部の球面 R24mm、翼の長さ 45.4mm、翼の外径この形状でも問題はないと判断され、Y 軸を持たな80mm、溝深さ 16mm、翼数６枚（60°間隔）である。
い LB15 でも、C 軸と Z 軸の同時 2 軸制御で加工可能
80mm 翼型ノズルの寸法形状を図８に示す。
な形状となった。加工に使用するエンドミル径も、この再検討で適切なものが判断できた。
4.2 材種と切削工具3.2 工具径補正値の計算

翼型ノズルの材種は、切削性が良好なアルミニウム合金(JIS A2017)を採用した。
切削工具は、翼形状の粗加工用としてハイス 5mmラフィングエンドミル、仕上げ用は同じくハイス6mm エンドミルを使用した。5mm と 6mm の使い分けは、仕上げ代として 0.5mm 残すためである。
半球面と外径の切削加工は、粗加工、仕上げ加工
共に、スロアウェイ片刃バイト１本で行った。

工具径d2

C
d1

P2

4.3 ＮＣデータの作成

P1Z0

図７．工具径補正値の計算

前述された工具径補正等に関する事項を踏まえ、
NC データを作成した。
翼形状曲線のデータは、翼長 Z を 1mm 間隔で分割し、各点の座標を直線でつなぐ直線補間とした。
NC データの作成手順を説明する。
(1) Excel で計算された工具径補正値は、CSV ファイル等のテキストファイル形式で保存。
(2) 保存された CSV ファイルをエディタで編集し、NC データを作成する。
(3) 作成した NC データは、LB15 の数値制御装置(OSP5020L)へ転送し加工準備が整う。

R24

工具径補正値は図７に示すとおり、形状式から算出された座標値の３点を取り、線 0-P1 の傾き、線P1-P2 の傾きから、点 P1 に対する法線の傾きが計算できる。この法線から工具半径分 d1 の位置が工具補正値になる。
以上の各点の数値計算は、全て表計算ソフトである Excel で行った。形状式から出てくる数値は円周角なので、計算に際しては角度を円周長さに換算した。 4.4 加工手順
例えば、加工例とした 42mm の翼型ノズルを平面翼型ノズル形状の加工手順を簡単に説明する。に展開すると、42×π=131.947 となる。また、1°は、(1) 加工ワークの直径 85mm 長さ 110mm アルミニ
131.947/360=0.366 となる。
ウム合金丸棒の片側を、LB15 の生爪チャック平面に展開された円周角は、NC データ作成時に再のつかみ径に合わせ、汎用旋盤で切削。
び C 軸の値として角度に換算される。
(2) LB15 に着け換え、仕上げ代 0.3mm を残し外径形状を切削。
４．実際の翼型ノズル形状の加工(3) 5mm ラフィングエンドミルにより、翼形状と溝部を粗加工。
各種製作をしてきた翼型ノズル形状は、翼の全長、(4) 6mm4 枚刃エンドミルで、翼形状と溝部を仕上69.375げ加工。
(5)
外径形状の仕上げ代
0.3mm の仕上げ切削を行
45.3754ﾟ 30' 0"
い、LB15 による加工は終了。
(6) 最後に、生爪チャックつかみ代を汎用旋盤で削り落とし、翼型ノズル形状が完成する。

φ80

φ483.755

図８．80mm 翼型ノズルの寸法形状

５．まとめ
今回のような翼型ノズル形状の加工では、翼型形状を描画するだけで NC データの作成が可能な、
3D-CAD/CAM ソフトの使用が一般的である。しかし、LB15 用の 3D-CAD/CAM ソフトは所有していない。
そこで、今までの加工経験と NC 加工機の各軸の動きを理解していることで、3D-CAD/CAM ソフトを使用せずに、図２のラフスケッチから要求された形状の翼型ノズルを完成させた。

初め、依頼者の希望する翼型ノズルの材種は、ス
テンレス鋼(JIS SUS304)であったが、最初は試作的な意味もあり、切削性の良好なアルミニウム合金(JISA2017)を採用した。
完成した翼型ノズル形状は、実験に使われ良好な結果を得ている。その様子を図９に示す。
翼型ノズル形状を加工するに当たり、加工依頼者と加工者は、事前に綿密かつ詳細な打ち合わせを行った。その結果、当初、加工不可能と思われた翼の断面形状は、形状を若干変更することで現有する加工機械で加工が可能となった。この事は大学の工作部門として非常に重要な意味を持っている。加工依頼者と加工者の連携が重要な、今回のようなゼロからの試作的な仕事は、加工する人間のスキルをかなり向上させる。

謝辞
本報告の作成にあたり、依頼者でもあり、資料を提供していただいたシステム情報工学研究科構造エ
ネルギー工学専攻京藤敏達助教授、研究基盤総合センター工作部門長松内一雄教授、長田秀治講師のご支援をはじめとし、工作部門の皆様の協力に感謝いたします。

渦崩壊部

図９．翼型ノズルによる実験の様子