JP2005319577A - 分散形アーク電食 - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明は、分散形アーク電食加工装置及び方法を提供する。
【解決手段】 電食装置（１０）は、多軸機械（１４）のツールヘッド（１６）内に支持された管状電極（１２）を含む。機械（１４）は、付加的な移動軸を有するスピンドル（１８）上に支持された加工物（２０）に対して複数の移動軸に沿って電極（１２）を高速回転させるように構成される。電源（２２）は、陰極としての電極と陽極としての加工物（２０）とに電力を供給する。電解液（３０）は、作動の間に管状電極（１２）を通して循環される。また、制御装置（３２）は、電極（１２）と加工物（２０）との間に多重電気アーク（４０）を分散させるように機械（１４）及び電源（２２）を作動させて、高速回転する電極をその送り経路に沿って移動させながら、加工物を電食するように構成される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、総括的には製造プロセスに関し、より具体的には機械加工に関する。

精密機械加工は通常、多軸数値制御（ＮＣ）フライス機械を用いて行われる。切削ツールは、一般的に３つの直交する移動軸及びそれと対応する１つ又はそれ以上の付加的な回転軸を有するツールヘッドから吊下される。機械加工されるべき加工物又は部分は、該加工物又は部分に付加的な平行又は回転移動軸を与えることができるベッドに固定取付けされる。

作動の間に、ＮＣ機械は、加工物から材料を正確に除去してその所望の最終寸法を達成するようにツールの機械加工又は切削経路を制御するためのソフトウェアでプログラムされる。典型的なフライス機械は、連続するパスで加工物から材料を除去して最終的に所望の機械加工した形状に近づけるための制御された送り経路を有する回転切削ツールを含む。

加工物の意図する正確な機械加工が得られることを保証するためには、ＮＣ機械をプログラムしかつ作動させる上で、大きな注意を払わなければならない。機械加工の間に加工物に対して損傷を与えると、加工物を廃棄しなければならなくなる可能性があり、それに対応した時間及び費用の損失を伴うことになる。

特に複雑かつ高価な精密部品は、ガスタービンエンジン内に見出される典型的なブレード付きディスクすなわちブリスクである。ガスタービンエンジンは一般的に、各々が支持ディスクの周囲に取付けられた多段の圧縮機ロータブレードを含む。圧縮機ブレードを個々に製造し、それらを適当なダブテールを用いて支持ディスクの周辺部に取付けることは、一般的である。

それに代えて、全ての圧縮機ブレード列は、ディスク加工物の周辺部にスロットを機械加工して機械加工の後に残る一体形の翼形部の列を形成することによって、ディスクと一体形に製造することもできる。

最初のブリスクブランクは、中実の周辺部を有しており、この周辺部内にスロットを機械加工して、単体構造の又は一部品の構成部品として支持ディスクから半径方向外向きに延びる最終の圧縮機翼形部を形成するようにする。ブリスク材料は一般的に、強度を高めた超合金であり、それに対応して高価である。

ブリスク翼形部は、当初は、周辺部を貫通するスロットを切削して翼形部を形成するための回転フライスツールを備えた従来型のＮＣ機械を用いてブランクから製造されていた。得られた翼形部は、実質的に滑らかでかつ精密に構成された表面を必要とするため、一般的に最初に形成したブリスク上に追加の機械加工処理が行われている。

例えば、電解加工（ＥＣＭ）は、翼形部の所望の最終輪郭を得るように陰極電極を特別に構成した従来型のプロセスである。電流が、電極と加工物との間のギャップ内の液体電解液を通って流れて、翼形部上に残っている少量の材料を正確に除去して実質的に滑らかな表面を備えたその所望の最終形状を得るようにする。

ＥＣＭプロセスは、電極がその対向する正圧及び負圧側面から個々の粗形翼形部に近づくとき、電極が複雑な三次元（３Ｄ）の動きを行うような別の形態の多軸ＮＣ機械で行われる。

ＥＣＭプロセスは、翼形部に望ましくない損傷を与えずに超合金材料を高速で除去して翼形部に必要な実質的に最終の滑らかな仕上がりにするのに特に有利である。ブリスク加工物はその中に翼形部を形成する直前に多段階の製造及び機械加工を必要とするので、加工物には大きな時間及び費用が投入される。また、ブリスク周辺部の周りの多数の翼形部の各々は機械加工されるので、付加的な時間及び費用が投入されて、それによりブリスクのコストがさらに上昇する。

様々な製造段階の間におけるブリスク翼形部のいずれか１つ又は支持ロータディスク自体に対する許容できない損傷は、ブリスク全体を高性能ガスタービンエンジン内での意図する使用には使用不能にし、結果としてそれを廃棄することになり時間及び費用の損失を伴う。

ブリスクの製作に一般的に必要な大きな製造時間に鑑みて、製造の間にブリスクに望ましくない損傷を与える機会を増加させずに機械加工時間及び費用を低減するような製造方法の改善が、絶え間なく開発され続けている。

例えば、ＥＣＭプロセスは、最初に従来型のフライス機械よりも実質的に少ない時間及び費用でブリスク内に粗形翼形部を形成するように特別に構成することができる。本出願人に譲渡された米国特許第６５６２２２７号は、この目的のために特別に構成したプランジ式電気加工の１つの形態を開示している。

さらに、放電加工（ＥＤＭ）は、例えばガスタービンエンジン構成部品内の材料を機械加工するためのさらに別のプロセスである。ＥＤＭ機械加工では、電極と加工物との間に誘電性液体が循環され、材料を電気的に浸食するために電極と加工物との間のギャップ内に放電を発生させる。ＥＤＭプロセスは一般的に、タービンロータブレード及びノズルベーンの表面を貫通して多数の小さいフィルム冷却孔を穿孔するのに用いられる。

本出願人に譲渡された米国特許第６１２７６４２号は、穿孔プロセスの間に電極の望ましくない撓みを減らすために下部及び中間ガイドで支持した細い電極を有するＥＤＭ機械の１つの実施例である。

ＥＣＭ及びＥＤＭプロセスは両方とも、直流（ＤＣ）電圧の下での電流を用いて加工物から材料を電力で除去する。ＥＣＭでは、電極と加工物との間に導電性液体すなわち電解液を循環させて、加工物材料の電気化学的溶解を可能にすると同時に電極と加工物との間のギャップ領域を冷却しかつ洗い流す。ＥＤＭでは、陰極と加工物との間に非導電性液体又は誘電体を循環させて、陰極と加工物との間のギャップ内での放電を可能にして加工物材料を除去するようにする。

ＥＣＭ及びＥＤＭの両方において、その対応する電極は一般的に、多軸ＮＣ機械に取付けて、ブレード及びベーンの翼形部のような複雑な三次元加工物を機械加工するために電極に必要とされる正確な３Ｄ送り経路を得るようにする。ＮＣ機械は、デジタルプログラマブルコンピュータを含み、かつ送り経路並びに別々のＥＣＭ及びＥＤＭプロセスを含む該ＮＣ機械の全ての作動を制御する適当なソフトウェアを含む。

具体的には、両方のプロセスでは、ＥＣＭ又はＥＤＭ電極と加工物との間の電気アーク発生は、加工物表面に対する望ましくない熱損傷を防止するために阻止されなければならない。電気アーク発生は、高い電気エネルギーの局所的放出であり、これは、望ましくないことに加工物表面を焼き、その機械及び材料特性に悪影響を及ぼす可能性がある。

上述のように、例示的なタービンブリスクは、過度の温度によって劣化するおそれがある高い強度特性を有する超合金金属で形成される。ＥＣＭ又はＥＤＭプロセスの間の電気アーク発生により、比較的大きい再鋳層又は熱影響域（ＨＡＺ）が機械加工される加工物上に形成され、そのことによって材料特性が望ましくないことに劣化する可能性がある。

従って、ＥＣＭ及びＥＤＭ機械加工プロセスは両方とも、機械加工の間にアーク発生又はアーク発生の前兆を検出しかつ望ましくないアーク発生を防止するか又は排除するように機械加工プロセスを調整するための精巧な電気回路を含む。このように、両方のプロセスにおける再鋳層又は熱影響域を最小にして、最終機械加工した加工物の最大の強度を保証するようにすることができる。

ガスタービンエンジンブリスクの製作における材料を機械加工するための様々なプロセスにもかかわらず、そのための製造プロセスは、依然として大きな時間及び費用を必要とし、それ対応してブリスクのコストを増大させることになる。
米国特許第６５６２２２７号 米国特許第６１２７６４２号

従って、望ましくない加工物への損傷を伴うことなくさらに高い機械加工速度を達成することができる電食加工装置及び方法を提供することが望まれる。

電食装置は、多軸機械のツールヘッド内に支持された管状電極を含む。機械は、付加的な移動軸を有するスピンドル上に支持された加工物に対して複数の移動軸に沿って電極を高速回転させるように構成される。電源は、陰極としての電極と陽極としての加工物とに電力を供給する。電解液は、作動の間に管状電極を通して循環される。また、制御装置は、電極と加工物との間に多重電気アークを分散させるように機械及び電源を作動させて、高速回転する電極をその送り経路に沿って移動させながら、加工物を電食するように構成される。

好ましくかつ例示的な実施形態に従って、添付の図面に関連して行った以下の詳細な説明において、本発明を本発明のさらなる目的及び利点と共により具体的に説明する。

図１に概略的に示すのは、管状切削ツールすなわち電極１２を含む電食機械又は装置１０である。この装置は、多軸数値制御（ＮＣ）機械１４を含み、多軸数値制御（ＮＣ）機械１４は、作動の間に電極を該電極が回転又は高速回転Ｓするように支持しかつ複数の移動軸を有するツールヘッド１６を含む。機械はまた、回転スピンドル１８の例示的な形態の適当な支持テーブルを含み、回転スピンドル１８は、加工物２０を支持し、好ましくは付加的な移動軸を有する。

作動の間に電極１２及び加工物２０を通して電力を伝送するために、従来型の直流（ＤＣ）電源２２の形態の手段が設けられる。電源は、１つの実施形態では、陰極（−）としての電極と陽極（＋）としての加工物とに対応して結合された適当な電気導線２４を含む。別の実施形態では、極性は、陰極の電極及び陽極の加工物として逆にすることもできる。

作動の間に電極１２は高速回転するので、その電気導線は必要に応じて従来型の電気スリップリング又は他の継手を用いて電極に適当に結合することができる。また、加工物用の導線は、必要に応じて該加工物に直接取付けるか又は支持スピンドル１８に取付けることができる。

作動の間に電極１２を通して導電性液体すなわち電解液３０を循環させるために、電解液供給源２６の形態の付加的な手段が設けられる。電解液供給源は、電極に対して清浄かつ低温の電解液を供給すると同時に機械加工区域からデブリを含む電解液を還流させるための様々な導管２８を含む。電解液は、ただの水、又はオイル、或いは必要に応じて弱導電性から強導電性までの他の液体とすることができる。

デジタルプログラマブル電気制御装置３２の形態の手段が、その作動を制御するためにＮＣ機械１４に作動的に結合され、それに加えてさらにその作動を制御のためにＤＣ電源２２に結合されて、電食加工プロセスの間に電極と加工物との間の相対移動を総合調整する。制御装置３２は、任意の従来型の形態を有することができ、かつ装置の全ての作動を制御するための適当なソフトウェアを用いてプログラムすることができる中央処理装置（ＣＰＵ）と全ての付随するメモリ及びデータ処理システムとを含む。モニタ及びキーボードが、電食加工プロセスを制御する際にオペレータによって、また特定の形態の加工物に対して最初に機械を設定するためにプログラマーによって使用されるコントローラとして設けられる。

電食装置は、加工物２０の電食の対応するプロセス又は方法に関連させて図２により詳細に示している。プロセスは、高速回転する管状電極１２を送り経路（Ｐ）に沿って好ましくは固定状態に保持した加工物２０を横切って送る段階を含む。電解液３０は、高速回転する電極を通り、機械加工されている加工物に緊密に隣接する該電極の先端３４を通して流出するように循環される。高速回転する電極１２は、電源２２によって陰極として電力を供給され、一方、加工物は、切削する電極自体の大きさにほぼ対応する加工物を貫通する対応するスロット３６を電食するための陽極として電力を供給される。

図３は、電極１２が加工物内にスロット３６を電食しているときの該電極の先端をさらに拡大した状態で示している。具体的には、制御装置３２は、高速回転する電極１２にＤＣパルストレーン又は波形３８で電力を供給するよう特別に構成されており、このＤＣパルストレーン又は波形は、電極先端３４と加工物２０との間の多重電気アーク４０を空間的に分散して加工物の電食加工を制御された状態にする技術的効果を有する。高速回転する電極１２がプログラムされた送り経路Ｐに沿って加工物を通って移動すると、電力は、電極と、該電極先端と加工物との間に維持された小さなギャップＧ内の電解液とを通して伝送されて加工物から材料を電気的に浸食して対応するスロットを形成するようになる。

上述のように、従来型のＥＤＭ及びＥＣＭプロセスにおける電気アークの生成は、それによる関連する損傷のためにここでは厳密に回避される。ＥＤＭ及びＥＣＭプロセスにおいては、その対応する電気制御装置は、作動の間にアーク発生又はアーク発生の兆候を検出し、それによってアーク発生を防止するか又は終了させるように特別に構成された回路を含む。

これと対照的に、図３に概略的に示す電食プロセスでは、作動の間に電極先端上に選択的に空間的に分散された電気アーク発生を意図的に生じさせて、加工物からの材料の除去速度を実質的に高めるようにする。制御装置３２は、電源２２を制御して高速回転する電極にＤＣパルス電圧波形３８で電力を供給すると同時に、さらに多軸機械１４を制御して加工物を通しての電極移動を調整しかつ一時的に間欠的又は過渡的な多重電気アークを電極と加工物との間に生じさせるように特別に構成される。

図３はまた、制御装置３２が、それを通る交差線を備えたボックスによって表した電極と加工物との間のアーク不発生を防止するのと、同様にそれを通る交差線を備えたボックスによって表した持続性又は定常のアーク発生を防止するのとの２つの両極端の作動の間で構成されることを概略的に示す。

上述のように、アーク不発生作動は、従来型のＥＣＭ及びＥＤＭ電食では望ましくかつ達成される。また、持続性又は連続するアーク発生は、大きな再鋳又はＨＡＺ層と関連する加工物への熱損傷を伴うために、ＥＣＭ及びＥＤＭプロセスでは望ましくない。

しかしながら、多重電気アークを高速回転する電極と加工物との間で空間的に分散すること及び一時的に分散することの両方により、電食の材料除去を実質的に高めることができ、除去速度は、望ましくない再鋳層を最小にしながら従来型のＥＤＭ及び従来型のＥＣＭの両方における除去速度よりも実質的に大きくなる。

図３に概略的に示すように、ＤＣパルス波形３８は、オン及びオフのＤＣ電圧パルスのトレーンを形成して、電極先端を通して電食プロセスに電力を供給する。電力は、電極先端と加工物との間のギャップＧ内での電解液を通して伝送される。電気アークの発生は、パルスごとに無秩序であるが、それにもかかわらず統計的に反復性でありかつ統計的に制御可能である。

従って、電源の制御により、電気アーク発生がない状態での電極と加工物との間の放電と一時的に交互する間欠的多重電気アークを電極と加工物との間に生じるように電極の送り経路移動Ｐを総合調整することができる。このように、多重電気アークに起因する材料除去の増大は、アーク発生をアーク不発生放電と交互することによって、生じる再鋳層とバランスさせることができる。このバランスは、特定の加工物及び特定の機械加工プロセスに対して分析及び一連の試験機械加工の両方を用いて実験的に決定することができる。

図３に示す空間的にかつ一時的に分散された多重アーク電食プロセスの重要な特徴は、基本的に、電極と加工物との間のギャップ内で誘電体の代わりに電解液を使用することと、電解液内で電極を高速回転させることとを含む。このように、高速回転する電極は、導電性であり、単一の放電アークに代えて電極と加工物との間に多重かつ同時の電気アークを分散して、電食切削面積を効果的に増大させる。従って、電食プロセスからの熱は、高速回転する電極先端の全表面積にわたって分散される。従って、電極先端自体の摩耗もまた、その周囲の周りに分散される。

さらに、清浄かつ低温の電解液３０が、管状電極内部を通して流され、電極先端の中心のオリフィスから流出し、機械加工ギャップＧ内に清浄かつ低温の電解液を供給して、多重電気アークの安定性及び分散を促進するようになる。電解液はまた、機械加工プロセスからの浸食デブリを洗い去る。

きわめて注目すべきことに、分散した多重アークの発生のために対応して低いピーク電流密度を有する高速回転する電極の場合に、大きな電流の増加を用いることが可能であり、分散した多重アークが組み合わさって従来型のＥＣＭ及びＥＤＭ機械加工プロセスに比較して材料除去速度を大きく増大させる。

図１に示すツールヘッド１６は、３つの直線及び直交する平行移動軸Ｘ、Ｙ、Ｚと直線軸Ｘの周りに示したような１つ又はそれ以上の回転軸Ａを有する状態で、多軸機械１４内に支持されるのが好ましい。Ｘ軸は、例示的な加工物２０の平面に平行でありかつスピンドル軸に対して垂直である。Ｙ軸は、スピンドル軸に平行でありかつＸ軸と共に水平面内に位置する。また、Ｚ軸は垂直方向である。

ツールヘッド１６は、これらの例示的な移動軸を達成するように任意の従来通りの方法で機械内に取付けることができ、かつ一般的に対応する電気サーボモータによって動力を供給される適当なねじ駆動式キャリッジを用いて作動される。移動軸用の様々なサーボモータは、作動の間にその移動を総合調整して次に電極先端の送り経路を制御する制御装置３２に作動的に結合される。このように、電極先端は、必要に応じて加工物を通る正確な三次元送り経路に追従して加工物内の複雑な三次元輪郭を機械加工する。

これに対して、図１に示すスピンドル１８は、対応するサーボモータによって行われる回転移動軸Ｂを有する状態で多軸機械内に支持される。Ｂ軸のサーボモータもまた、作動の間に必要に応じて例示的な加工物２０を好ましくは周期的に回転割出しするように制御装置３２に作動的に結合される。

例えば、図１に示す例示的な加工物は、環状のブリスクブランクの形態であり、またスピンドル１８は、ブランク２０をその上に同軸に支持するように構成される。スピンドル１８は、シャフトの形態であり、またブリスクブランクは、スピンドルに固定装着された適当な固締具を用いて取付けることができる中心ボアを有し、作動の間にスピンドルと共に回転するようになる。

制御装置３２は、それに対応して、図２により詳細に示すように円弧形送り経路Ｐに沿って高速回転する電極１２を軸方向にブリスクブランク２０の外周部を通して押し進めて、支持スピンドルの中心軸線に対して加工物の周辺部から半径方向外向きに延びる粗形翼形部４２を形成するように構成される。

電食切削は、図２及び図３に示すように、電極１２の先端領域に限定されるので、制御装置３２はさらに、逐次に半径方向により深くなった送り経路で軸方向に加工物２０を通して電極１２を押し進めて、ブランク内に順次に別個の粗形翼形部４２を電食加工するように構成される。従って、スロット３６は、得られた粗形翼形部４２の所望の全体高さに合わせて加工物の外周部から半径方向により深く機械加工され、これにより翼形部の両側に完全なスロットを機械加工した後に翼形部４２が形成される。

このように機械加工した粗形翼形部４２は、その後の機械加工作業を行うのに十分な付加的な材料をその上に含み、該翼形部の粗仕上げ部分及び薄い再鋳層を除去してブリスクの最終翼形部に対する最終寸法及び滑らかな表面仕上げを得るようにする。

図３に示すように、電極１２は加工物２０から材料を電食すると、電極は、それに対応して摩耗し、長さがより短くなる。従って、制御装置３２はさらに、その長さを短縮する電極のこの摩耗を補償するように構成されるのが好ましい。例えば、制御装置は、電極が加工物の周辺部を通してその送り経路パスの各々を完了した時に、電極の機械加工パス当たりの摩耗を計算し、それに対応して電極の半径方向位置を調整するように構成することができる。電極先端と加工物との間の小さなギャップＧは、機械加工プロセスの間にほぼ一定に維持することができるが、制御装置によって動的に変化させて多重アーク浸食プロセスの効力及び安定性を制御する。

図２に示すように、多軸機械１４は、電極１２の長さに関連する１つ又はそれ以上の基準平面４４、４６を含むのが好ましい。従って、その場合には、制御装置３２はさらに、加工物を通る逐次の送り経路の各々の前又は直後、或いは他の間隔で、基準平面に対して電極先端３４を接触させて、電極先端の半径方向位置を較正するように構成することができる。このように、電極先端の位置の正確な示度及び対応する電極の長さを、電極の各パスについて制御装置内に記憶して、機械加工の間の電極の摩耗補償の精度を向上させることができる。先端位置は、それとは別に、レーザ検出によるような他の適当な手段によって検出することができる。

図１に示す電極１２は、細く又は細長く、また対象の加工物に合わせた適当な直径を有する状態で、比較的長くかつ細い。電極には、その長さを短縮させる作動の間における電極の摩耗を補償するのに十分な長さが与えられ、電極は、最初は例えば約５より大きい適当な長さ対直径比を有するようになっている。

従って、図１に示すツールヘッド１６は、電極１２の下方端部を同軸に支持するための下部管状ガイド４８を含み、電極の下方遠位端部先端３４が下部管状ガイドの下方にかつ加工物の直ぐ上方に吊下された状態になる。下部ガイドは、その中で回転運動するように電極の下方端部を支持する。

これに対して、多軸機械１４はさらに、下部ガイドの上方でツールヘッド１６の上部延長部に適当に結合されて細長い電極１２の反対側の上方すなわち近位端部を支持しかつ回転又は高速回転させるようになった回転式コレットすなわちチャック５０を含む。このように、電極の上部分は、高速回転チャックに取付けられ、また電極の下部分は、作動の間にそれを高速回転させることを可能にするように下部ガイドを通して取付けられる。

電極は、該電極の消耗前に電食加工する十分な時間を可能にするような十分な長さであるべきであり、図１に示すツールヘッド１６はさらに、上部チャック５０と下部ガイド４８との長手方向間に配置された中間管状ガイド５２を含むのが好ましい。中間ガイド５２は、電極１２の中間部分を同軸に支持して、作動の間に該電極のぐらつき又は半径方向の撓みを抑制するようにする。このように、電極先端の正確な位置は、機械加工プロセスの間に長い高速回転する電極を真直ぐに保持することによって維持することができる。

図１に示すチャック５０は、選択的にその上で高さ移動Ｃするように共通のツールヘッド１６に取付けられて、電極がその先端３４において摩耗したときに、下部ガイド４８を通して電極１２を下向きに押すか又は割出しするのが好ましい。チャックは、別のサーボモータによって動力を供給される適当なキャリッジに取付けて、電極の近位端部の垂直方向高さを正確に制御して、次に下方電極先端の垂直方向位置を制御するようにすることができる。

従って、作動の間に先端が摩耗したとき、電極は、その長さが短縮されるにつれて連続して下方に割出しすることができる。電極が実用には短すぎる状態になった場合、機械加工プロセスは、一時的に中断して、電極を新品のかつより長い電極と交換して、チャック５０をその移動経路の上端位置に再配置するようにする。

下部ガイド４８は、図２の好ましい実施形態に示しており、それを貫通して延びる電極１２を同軸に支持するための適当なボア内で該下部ガイド内に同軸に取付けられたセラミックブッシュ５４を含む。セラミックブッシュは、高速回転作動の間に回転電極を正確に支持することを保証するために該回転電極に対して耐摩耗性である。

下部ガイドは、本体を含む多数の部品から作ることができ、該本体内にセラミックブッシュ５４を取付け、該本体に対してボルトで締結された取外し可能なリッドによって該本体を覆うことができる。下部本体は、下部ガイドの本体からツールヘッド１６内の対応する開口を通して下向きに延びて該ツールヘッド上に保持されるようになる。

下部ガイドは、電解液による腐食に耐えるためにステンレス鋼で形成することができ、かつ電極の外側に適当な間隔を置いて配置されて該電極との間に小さな半径方向のギャップを形成した中心ボアを有し、電極は、その周りに配置された緊密嵌合したセラミックブッシュ５４によって半径方向に支持された状態になる。

下部ガイドは、作動の間に電極の下方端部を安定的に支持するのを保証するために、約３よりも大きい長さ対直径比を有することができる。中間ガイド５２は同様に、該中間ガイド内に捕捉されて作動の間に電極の中間部分を支持するようになったセラミックブッシュで構成することができる。図１に示すような中間ガイドは、ツールヘッド１６の付加的なアームにより適当に支持され、この付加的なアームは、必要に応じて作動の間における細い電極のあらゆるぐらつきを最小にするように高さを調節可能である。

図２にさらに示すように、下部ガイド４８はまた、該下部ガイドを貫通して横方向に該下部ガイドの中心ボアまで延びかつ電解液供給源２６と流れ連通した状態で結合された半径方向又は傾斜した入口穴５６の列を含むのが好ましい。供給導管２８は、ツールヘッド１６の下部アームに固定結合され、該ツールヘッドによって下部ガイド４８が取付けられて入口穴５６の列の周りに共通の環状マニホルドを形成して、適当な圧力の下で該環状マニホルドに電解液を供給されるようになる。

このように、付加的な電解液が、下部ガイドを通してまた高速回転する電極の先端の周りに流されて、電極先端自体によって機械加工されているスロットの直ぐ上方の電極先端を外部から洗い流すようになる。

図１に示すように、電極１２の近位端部は、電解液供給源２６と流れ連通した導管２８に適当に結合されて、電極を通して電解液を流すようになる。電解液は、作動の間に、電極の内側を通して流されかつ電極先端のボアから外に吐出されて、先端と加工物との間のギャップを局所的に洗い流す。

図１に示す電解液供給源２６は、高速回転する電極の切削領域にかつ該切削領域から電解液を循環させるための様々なパイプ又は導管とそれに対応するポンプとを含む。電解液供給源は、加工物の電食の間に生じる比較的大きいか又は粗い浸食デブリと比較的小さいか又は細かい浸食デブリとを電解液から連続してろ過するための２段フィルタ５８、６０を含むのが好ましい。

電解液供給源はまた、スピンドル１８と該スピンドルに取付けられた加工物とを収容する作業タンク６２を含むのが好ましい。タンクは、電食プロセスの間に加工物２０及び電極先端を沈めるプールとして電解液３０で満たされる寸法にされる。タンクの底部は、電解液から大きいデブリ粒子を除去するために粗フィルタ５８に適当に結合することができる。粗フィルタは、次にさらに小さいデブリ粒子を除去するために微細フィルタと流れ連通した状態で結合される。また、タンク６２の上方部分は、微細フィルタに直接結合して、粗フィルタをバイパスさせることができる。

粗フィルタ５８及び微細フィルタ６０は、粗フィルタ５８内のろ過コンベアベルト及び微細フィルタ用のロールペーパフィルタのような任意の適当な構成を有して、高速回転する電極に戻す前に電解液から浸食デブリを効果的に除去するようにすることができる。さらに、電食プロセスの間に発生する熱を電解液から除去するために、電解液の適当な冷却を行うことができる。

２段フィルタ５８、６０は、電極１２を内部及び外部の両方から洗い流すように該電極と流れ連通した状態で結合されて、作動の間に電極の先端で発生する間欠的多重電気アークの安定性を高めるのが好ましい。内部の洗い流しは、電解液の一部分を電極の中心ボアを通して流しその先端から流出させることによって行われる。また、外部の洗い流しは、上述のように、電解液の別の部分を下部ガイド４８を通して流すことによって行われるが、さらに任意選択的に、作業タンク６２内に収容された電解液の浴内に加工物全体を浸漬することによって行われる。

上に開示した電食装置の大きな特徴には、図３に概略的に示すように、電極に供給される電力の制御で総合調整された、高速回転する電極とその送り経路Ｐとが含まれる。電源２２は、従来型のＥＣＭにおける電圧範囲よりも一般的に高くかつ従来型のＥＤＭにおける電圧範囲よりも通常低い、約２０〜６０ボルトの好ましい範囲内のＤＣ電圧を発生するように構成される。

それに対応して、電源はさらに、約８０〜６００アンペアの例示的な範囲内の比較的高い電流を発生するように構成され、それに対応して１平方インチ当たり１９００〜１２０００アンペア（１平方センチメートル当たり２９５〜１８６０アンペア）の範囲内の高い平均電流密度を有するようになる。

この比較的高い電流及びその平均密度は、それに対応して大きな電食材料除去を促進し、１平方インチ当たり約１０００アンペア（１平方センチメートル当たり１５５アンペア）の比較的低いピーク電流密度の付加的な利点を有するようになる。この低ピーク電流密度は、単一の電気アークと対照的に電極先端の切削区域全体にわたって分散した多重電気アークに起因する。この低ピーク電流密度は、機械加工加工物の表面内での再鋳層の生成を最小にし、かつ加工物に対する許容できない熱影響損傷を防止する。

低いピーク電流密度は、その中で電気アークが発生した場合の従来型のＥＤＭ機械加工における複数オーダの大きさほど大きい高いピーク電流密度に匹敵することができる。ＥＤＭでは、誘電性液体が電極と加工物との間で用いられて、全電流を放散する単一の放電又は電気アークを促進する。この単一の大きい電流のアークは、その前兆において回避するか又は終了させない限り、大きな損傷を引き起こす可能性がある。

図３に示す電源２２は、制御装置３２の制御下にあり、さらに約３００〜１５００マイクロセカンドの範囲内の電圧オンタイムを有するＤＣ電圧パルストレーンを形成するように構成されるのが好ましい。これに対して、ＤＣ電圧パルストレーンはまた、約１１０〜１０００マイクロセカンドの範囲内の電圧オフタイムを有するのが好ましい。

これらのパルスオン及びオフタイムは、電食プロセスの間に制御装置によって調整して、アーク発生がない状態の放電と交互する電極先端からの間欠的多重電気アークの発生を制御することができる。交互するアーク及び放電は、加工物上の再鋳又は熱影響表面層を最小にしながら電食除去速度を最大にすることによってバランスさせることができる。

制御装置３２は、高速回転する電極１２への電力と加工物を横切る電極の移動速度すなわち送り速度を総合調整して、加工物に望ましくない熱損傷又は再鋳層を与えないで、毎分約１５００立方ミリメートルを超える機械加工速度でスロット３６を電食機械加工するように選択的に構成することができる。

例えば、テストは、１２０アンペアの電流を有し、約７．５ミリメートルの直径を有しかつ２２平方ミリメートルの対応する正面電極面積を有する電極の場合に、例示的な超合金Ｉｎｃｏｎｅｌ ７１８ブリスク加工物において毎分１５００立方ミリメートルの実質的に高い材料除去速度を示している。テストはさらに、１３ミリメートルの直径を有しかつ約５２平方ミリメートルの対応する正面電極面積を有する電極の場合に、約２０００立方ミリメートルの除去速度を示している。また、テストはさらに、２０ミリメートルの直径と約８０平方ミリメートルの対応する正面電極面積とを有する電極の場合に、毎分約３０００立方ミリメートルの除去速度示している。

従来型の放電加工及び電解加工と比較して、本明細書に記載した分散形多重アーク電食プロセスによって生じるこれらの材料除去速度は、加工物に対して望ましくない熱影響損傷を生じない状態の安定したプロセスにおいて複数オーダの大きさほど大きい。

それらの間に電解液が存在した状態での高速回転する電極と加工物との間の分散形多重電気アークを導入することにより、従来型のＥＤＭ及びＥＣＭプロセスの材料除去速度を大きく超えた電食プロセスの材料除去速度の大きな増大が可能になる。それらの後者のプロセスは、電極と加工物との間の電気アーク発生を意図的に回避しているが、上に開示した分散形アークプロセスは、高い平均電流密度を有するがそれでもなお低いピーク電流密度を有する多重電気アークを選択的に導入して、材料除去速度を最大にするようにする。

従って、加工物の電食は、加工物に望ましくない損傷を与えずに、これ迄可能であったものよりも高速で行われて、上で開示した例示的なガスタービンエンジンロータブリスクのような複雑かつ高価な加工物の場合に特に重要である加工物の製造に関連する時間と費用の両方を低減するようにすることができる。

本明細書では、本発明の好ましくかつ例示的な実施形態であると考えられるものを説明してきたが、本発明の他の変更が、本明細書の教示から当業者には明らかになるはずであり、また特許請求の範囲に記載した参照符号は、本発明の技術的範囲を狭めるのではなくそれらを容易に理解するためのものである。

その中に支持した加工物を機械加工するための分散形多重アーク電食装置の例示的な実施形態の概略図。 その高速回転する電極によって機械加工されている加工物の一部分を示す、図１の電食装置の概略図。 電食加工プロセスの間の高速回転する電極先端のさらに拡大した図での、電食装置の別の概略図。

符号の説明

１０ 電食装置
１２ 電極
１４ 数値制御（ＮＣ）機械
１６ ツールヘッド
１８ 回転スピンドル
２０ 加工物
２２ 電源
２４ 導線
２６ 電解液供給源
２８ 導管
３０ 電解液
３２ 制御装置
３４ 電極先端
４８ 下部ガイド
５０ 上部チャック
５２ 中間ガイド
５８ 粗フィルタ
６０ 微細フィルタ
６２ 作業タンク

Claims (20)

1. 管状電極（１２）と、
   前記電極を該電極が高速回転するように支持しかつ複数の移動軸を有するツールヘッド（１６）と加工物（２０）を支持しかつ付加的な移動軸を有するスピンドル（１８）とを含む多軸機械（１４）と、
   前記電極（１２）及び加工物（２０）を通して電力を伝送するための導線（２４）を含む電源（２２）と、
   前記電極（１２）を通して電解液（３０）を循環させるための導管（２８）を含む電解液供給源（２６）と、
   前記多軸機械（１４）及び電源（２２）にそれらを制御するように作動的に結合され、かつ前記電極（１２）と加工物（２０）との間に、電気アーク発生がない状態のそれらの間の放電と一時的に交互する間欠的多重電気アーク（４０）を分散するように構成された制御装置（３２）と、
   を含む電食装置（１０）。
2. 前記ツールヘッド（１６）が、３つの直線移動軸及び１つの回転軸を有する状態で前記多軸機械（１４）内に支持され、かつ該ツールヘッドの移動を総合調整する前記制御装置（３２）に作動的に結合されて前記電極（１２）の送り経路を制御し、
   前記スピンドル（１８）が、回転移動軸を有する状態で前記多軸機械（１４）内に支持され、かつ前記加工物（２０）を回転割出しするように前記制御装置（３２）に作動的に結合されている、
   請求項１記載の装置。
3. 前記制御装置（３２）が、逐次により深くなる送り経路で前記加工物（２０）を通して前記電極（１２）を押し進めて該加工物を貫通するスロット（３６）を電気加工するようにさらに構成されている、請求項２記載の装置。
4. 前記制御装置（３２）が、その長さを短縮させる前記電極（１２）の摩耗を補償するようにさらに構成されている、請求項３記載の装置。
5. 前記電極（１２）が細く、
   前記ツールヘッド（１６）が、前記電極（１２）の下方端部を支持するための下部管状ガイド（４８）を含み、前記電極の下方遠位端部先端（３４）が前記下部管状ガイドの下方に吊下しており、
   前記多軸機械（１４）が、前記下部ガイド（４８）の上方で前記ツールヘッド（１６）に結合されて前記電極（１２）の反対側の近位端部を支持しかつ高速回転させるようになった回転式チャック（５０）をさらに含む、
   請求項４記載の装置。
6. 前記ツールヘッド（１６）が、前記チャック（５０）と下部ガイド（４８）との間に配置されて前記電極（１２）の中間部分を支持するようになった中間管状ガイド（５２）をさらに含む、請求項５記載の装置。
7. 前記下部ガイド（４８）が、それを貫通してそのボアまで横方向に延びかつ前記電解液供給源（２６）と流れ連通した状態で結合されてそれを通して電解液を流すようになった入口穴（５６）の列を含む、請求項６記載の装置。
8. 前記電極（１２）の近位端部が、前記電解液供給源（２６）と流れ連通した状態で結合されて、前記電極を通して電解液を流して前記電極先端（３４）から吐出させるようになっている、請求項７記載の装置。
9. 前記加工物が、環状のブリスクブランク（２０）を含み、また前記スピンドル（１８）が、前記ブランクをその上に同軸に支持するように構成され、
   前記制御装置（３２）が、円弧形送り経路に沿って軸方向に前記ブランクの周辺部を通して前記電極（１２）を押し進めて、前記スピンドル（１８）から半径方向外向きに延びる粗形翼形部（４２）を形成するようにさらに構成されている、
   請求項８記載の装置。
10. 加工物（２０）を電食加工する方法であって、
    送り経路に沿って前記加工物（２０）を横切って高速回転する管状電極（１２）を送る段階と、
    前記高速回転する電極を通して電解液（３０）を前記加工物に隣接する該電極の先端（３４）に循環させる段階と、
    前記循環電解液（３０）をろ過して該電解液から電食デブリを除去する段階と、
    前記高速回転する電極（１２）及び加工物にＤＣパルス波形（３８）で電力を供給し、電気アーク発生がない状態の前記電極先端（３４）と加工物との間の放電と一時的に交互する間欠的多重電気アークを該電極先端（３４）と加工物との間に分散するようにして、該加工物を貫通するスロット（３６）を電食加工するようにする段階と、
    を含む方法。
11. 管状電極（１２）と、
    前記電極を該電極が高速回転するように支持しかつ複数の移動軸を有するツールヘッド（１６）と加工物（２０）を支持するテーブル（１８）とを含む多軸機械（１４）と、
    前記電極（１２）及び加工物（２０）を通して電力を伝送するための導線（２４）を含む電源（２２）と、
    前記電極（１２）を通して電解液（３０）を循環させるための導管（２８）を含む電解液供給源（２６）と、
    前記多軸機械（１４）及び電源（２２）にそれらを制御するように作動的に結合され、かつ前記電極と加工物との間に多重電気アーク（４０）を分散して、該電極を高速回転させかつ送り経路に沿って移動させながら該加工物を機械加工するよう構成された制御装置（３２）と、
    を含む電食装置（１０）。
12. 前記制御装置（３２）が、前記電極（１２）に直流（ＤＣ）パルス波形（３８）で電力を供給するように前記電源（２２）を制御し、かつ前記加工物を通しての前記電極の移動を総合調整しかつ前記電極と加工物との間に間欠的多重電気アークを生じるように前記多軸機械を制御するようにさらに構成されている、請求項１１記載の装置。
13. 前記制御装置（３２）が、前記電極（１２）と加工物（２０）との間に、電気アーク発生がない状態のそれらの間の放電と一時的に交互する間欠的多重電気アーク（４０）を生じるようにさらに構成されている、請求項１２記載の装置。
14. 前記ツールヘッド（１６）が、３つの直線移動軸及び１つの回転軸を有する状態で前記多軸機械（１４）内に支持され、かつ該ツールヘッドの移動を総合調整する前記制御装置（３２）に作動的に結合されて前記電極（１２）の送り経路を制御する、請求項１３記載の装置。
15. 前記テーブルが、回転移動軸を有する状態で前記多軸機械（１４）内に支持されかつ前記加工物（２０）を回転割出しするように前記制御装置（３２）に作動的に結合された回転スピンドル（１８）を含む、請求項１４記載の装置。
16. 前記加工物が、環状のブリスクブランク（２０）を含み、また前記スピンドル（１８）が、前記ブランクをその上に同軸に支持するように構成され、
    前記制御装置（３２）が、円弧形送り経路に沿って軸方向に前記ブランクの周辺部を通して前記電極（１２）を押し進めて、前記スピンドル（１８）から半径方向外向きに延びる粗形翼形部（４２）を形成するようにさらに構成されている、
    請求項１５記載の装置。
17. 加工物（２０）を電食加工する方法であって、
    送り経路に沿って前記加工物（２０）を横切って高速回転する管状電極（１２）を送る段階と、
    前記高速回転する電極を通して電解液（３０）を前記加工物に隣接する該電極の先端（３４）に循環させる段階と、
    前記高速回転する電極（１２）及び加工物にＤＣパルス波形（３８）で電力を供給し、前記電極先端（３４）と加工物との間に間欠的多重電気アーク（４０）を分散するようにして、該加工物を電食加工するようにする段階と、
    を含む方法。
18. 前記電極先端（３４）と加工物との間に間欠的多重電気アーク（４０）を生じるように前記高速回転する電極（１２）に電力を供給する段階をさらに含む、請求項１７記載の方法。
19. 前記高速回転する電極（３４）と加工物（２０）との間に前記間欠的多重電気アークと一時的に交互する放電を生じるように該高速回転する電極（１２）に電力を供給する段階をさらに含む、請求項１８記載の方法。
20. 前記加工物（２０）を貫通して毎分約１５００立方ミリメートルよりも大きい割合でスロット（３６）を電食加工するように前記電極（１２）への電力及び該電極の該加工物を横切る送り速度を総合調整する段階をさらに含む、請求項１８記載の方法。

Images