技術紹介

インペラなどの複雑形状部品の同時 5 軸加工
佐藤 正二 *Shouji

Satou

産業用遠心圧縮機、送風機、ガスタービン、過給機などで使用されるインペラ（羽根車）などの複雑形状部品は、3 次元的にねじれた複雑な曲面で構成されている。当社では、これら部品の削り出し加工のため、早くから同時 5 軸制御マシニングセンタ（以下、5 軸 MC と記す）を導入し、開発部品の試作加工及び製品の受託加工を行っている。 本稿では、複雑形状部品の特徴、5 軸 MC の軸構成、加工工具の選定、加工する順番、加工前の事前チェック、加工精度など、「インペラなどの複雑形状部品の同時 5 軸加工」の処理概要を紹介するとともに、加工精度面への注意すべき点について述べる。

キーワード：複雑形状部品、自由曲面、同時 5 軸加工、羽根面加工

以下に複雑な形状の部品の例として遠心圧縮機
1．はじめに用インペラの 5 軸加工を紹介する。

一般的な工業製品は、平面、円筒面、球面など

サイズは舶用過給機の直径 1,000 mm を越えるもが多用されており、これらは簡単な関数で表現すのから、オートバイ用過給機の直径数 10 mm 程度ることができ、比較的簡単に加工できる形状と云のものまである。

える。一方、複雑形状部品は、幾何学的に表現でき製作方法は、生産量、形状精度、サイズなどにない複雑にねじれた自由曲面を有した部品である。

よって最適な製作方法が選択されており、比較的当社では、インペラ、インデューサー、ブリス小径で、かつ量産されるものは、精密鋳造されるク及びプロペラなどの回転部品を主体とした 5 軸ことが多く、大径のものは切削加工するものが多加工部品の試作及び受託加工を行っており、今回い。20 数年ほど前までは、羽根形状の金型を製作

は、この複雑形状部品の加工技術を紹介する。

し、プレス成形してからディスクに溶接し、取りこれらの部品は、産業用遠心圧縮機、送風機、付けるタイプのものも多く生産されていた。しかガスタービン、過給機などに利用され、製品の性し、数年前より製品の高性能化のために、羽根を能を左右する重要な部品の一つである。写真 1 〜

薄くして羽根枚数を増やす傾向となり、強度上の4 に複雑形状部品の加工例を示し、図 1 にインペ理由などにより鍛造素材からの羽根削り出し加工

ラの例とその部分呼称を示す。

が多くなってきている。

＊

研究開発事業部

装置開発部課長

―54―

写真1

インペラ

写真2インデューサー

写真3A

ブリスク

写真4プロペラ

リーディングエッジ
羽根（翼）
シュラウド
ハブ
トレーリングエッジ

Ａ−Ａ断面A

図1 遠心圧縮機用インペラの形状と各部の名称

然的に加工パスが多くなり、前者と比べて加工能2．

羽根面の形状率の低下はまぬがれない。図 2 は母線加工と自由インペラなどの羽根面形状は、設計方式により曲面加工の概念を示している。

2 種類に分類され、羽根面が母線（3 次元直線）でインペラ羽根面は、図 3 に示す直交座標系の X、構成されているものと、点郡（3 次元座標点）でY、Z、どちらの方向から投影しても、互いに重な構成されるものがある。加工方法から分類すると、り合うことが多く、同時 3 軸制御の加工ではボー母線で構成されるものは、ボールエンドミルの側ルエンドミルと加工物との干渉が生じるため NC面で羽根面全体を幅広く一度に加工することが可

同時 5 軸制御の加工が必要である。まれには、Z能であり、加工効率が良い特長がある。しかし流方向に投影した場合、X，Y2 次元の羽根となって体性能の面から自由曲面となるケースでは、ボーいるインペラもある。この場合は、NC 同時 3 軸制ルエンドミルの先端部で加工することになり、必御で加工が可能である。

毋線加工点郡加工

図 2 毋線加工と自由曲面加工の概念―

55―

IIC REVIEW/2006/10. No.36

Ｚ

4．NC プログラミング
複雑形状部品は先に述べたように、複雑にねじＹれた自由曲面形状を有した形状であるため、工具軸ベクトル（工具の傾き）を制御可能な 3D −CAM システムを利用しているケースがほとんどＸ

で、当社においては、汎用の 3D − CAM/CAM シ
ステムに加え、翼加工に特化した専用システム利図 3 インペラ座標系

用している。
4.1

A

加工範囲と工具の決定

複雑にねじれたインペラの羽根と羽根の間を能B

率良く高精度に切削加工するには、羽根間の隙間に応じた適切なサイズのエンドミルを選定する必要がある。より剛性の高いエンドミルを選定する
ためには、隣り合う羽根間全域の隙間を求め、隙間に見合った工具と加工範囲を決定し、これに基づいて、次項で述べる加工工程を決定させる。
4.2

加工工程の決定ここで述べる加工工程とは、使用工具ごとの加工開始から加工終了までを一つの単位とした切削加工の手順のことである。インペラを切削加工す
写真 5 同時 5 軸マシニングセンタ

るためには、羽根間の荒加工ならびにハブ面の仕上げ前加工及び仕上げ加工の手順を踏むことが重

3．5 軸マシニングセンタ

要である。
同時 5 軸マシニングセンタ（以下 5 軸 MC）の一加工中に、材料の内部応力の解放などにより発例を写真 5 に示す。JIS の機械座標系では、X，Y，

生する変形の影響を極力抑えるため、羽根 1 枚ず

Z の直交座標系とそれぞれの軸まわりの回転座標つ一気に仕上げるのではなく、全体を均一に少しA，B，C の 6 軸を主要構成軸とし、補助軸に U，ずつ翼間の粗加工を行い、その後、翼先端から翼V，W および P，Q，C 軸を規定している。回転座の付け根方向に徐々に仕上げ加工を行う必要があ

標は、2 つあれば工具軸の傾き角度を自由に変化る。

させることが可能なため、X，Y，Z 軸の直線 3 軸

インペラの切削加工は、荒加工から仕上げ加工に加えて A，B あるいは B，C 軸を使用する 5 軸加まで約 60 〜 100 工程に分けられる。

工機が使用される。

4.3

工具

写真 5 の 5 軸 MC は、X，Y，Z の直線 3 軸とテーインペラの特性上チタン合金などの高強度材料

ブル回転の B 軸、および X 軸まわりにテーブルをが使用され、羽根は長く、羽根間は狭くなる傾向

旋回させる A 軸の 5 軸で構成されている。

がある。さらに旋削された無垢（一体）の材料か―56―

ら切削加工するため、切削除去量は相対的に多くなる。荒加工及び仕上げ前加工を滑らかに加工することが仕上げ加工の精度確保に重要である。従って、可能な限りボール径が大きく、テーパーが強く、さらに工具長が短いものを使用して、有効切れ刃長さ，切れ刃溝深さも必要最小限におさえ、工具剛性の高いエンドミルを使用することが重要である。このため、最適な市販工具を選定できな
図 4 羽根面仕上げ加工パス

い場合は、特別注文による超硬ソリッド材料の専用テーパボールエンドミルが多く用いられている。写真 6 は加工に用いられているエンドミルの例を示している。
4.4加工パスインペラ加工における加工パス（工具の動き）
は、羽根間荒加工、羽根面加工、羽根とハブとのフィレット加工、リーディングエッジ加工及びハブ面加工に分類され、加工時間の約半分を占める羽根間荒加工の効率を向上させることが重要であ
図 5 加工シミュレーションる。図 4 は、羽根面仕上げ加工パスの例を示す。
4.5干渉チェック

インペラ羽根間は狭く、しかも 3 次元にねじれ態で行われている。これを試し削りによらず事前ているため、切削加工は干渉寸前のぎりぎりの状に確認するため、「NC シミュレーション」ソフトを利用している。「工具と加工物」、「工具ホルダと加工物」の干渉チェック、「削りすぎ」、「削り残し」をコンピュータグラフィック上で目視チェックし、加工物の寸法検査などを行う。図 5 は、
羽根面仕上げ加工のシミュレーションの例を示す。
5．切削加工インペラの材料は用途により、アルミニウム合金、チタン合金、オーステナイト系ステンレス鋼などバラエティに富んでいるが、インペラが高性能化するにつれ材料はアルミニウム合金から被削性の悪い材料へ移行する傾向がある。
大径エンドミルの場合、工具の剛性が大きいた

写真 6 加工用エンドミルめ問題はないが、小径エンドミルでは被削性の差―

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は顕著に現れる。荒加工から仕上げ加工のプロセルの変位である。このためには、羽根間荒加工時

スと切削速度、切込み量、送り速度の決定を慎重にいかに、滑らかに切削するかがポイントとなる。にしなければ、NC 切削加工中での工具破損が発7．加工精度の計測生するなどの問題があり、荒加工時仕上げ面に喰い込みが発生する可能性も生じる。写真 7 は、羽インペラなどの羽根面及びハブ面の計測には、根面仕上げ加工の例を示す。

3 次元測定機を利用しており、その進歩により、指定した検査断面上での精密計測と任意断面での6．加工精度計測が可能となっている。写真 8 は、この測定のインペラの加工精度は、加工指令パスの正確さ、例を示している。

機械の位置決め精度、エンドミルとホルダの切削8．おわりに力による変位などによって決まる。これらの内、量的に最も影響し、また、定量的にコントロール

当社における「インペラなどの複雑形状部品のする必要があるのは、切削負荷による、エンドミ同時 5 軸加工」の加工例と取り組んできた課題を紹介した。近年、世の中では工作機械の高速化/高精度化、CAD/CAM/CAE システムの進化が著しく発展している。当社においても、これらハード、ソフト両面を強化すると同時に、加工技術力を強化して市場ニーズを満たすように、更なる高能率/高精度加工を目指して行く。
参考文献（1）石川島播磨技報1990 年 5 月 VOL.30

No3

インペラ CAD/CAM 一貫処理システム： ARISの開発

写真 7 仕上げ加工（2）ツールエンジニア

1996 年 5 月

VOL.37

No.5
同時 5 軸制御マシニングセンタによるインペラの加工（3）あい・えいち・あい2001 年 6 月

テクノネット 複雑形状部品加工技術

研究開発事業部
装置開発部課 長

佐藤 正二
TEL. 045-759-2216
FAX. 045-759-2216

写真 8 インデュサーの 3 次元計測―

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