JP7143186B2

JP7143186B2 - 部品製造方法、加工装置及び部品

Info

Publication number: JP7143186B2
Application number: JP2018212149A
Authority: JP
Inventors: 潤江藤; 利幸田中
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2018-11-12
Filing date: 2018-11-12
Publication date: 2022-09-28
Anticipated expiration: 2038-11-12
Also published as: WO2020100536A1; US20210323081A1; JP2020078834A

Description

本発明は、部品製造方法、加工装置及び部品に関するものである。

胴体又は主翼のスキンなどの板状の航空機構造用部品では、軽量化のため部分的に板厚方向に薄肉にした形状が設けられる。板状部材は、強度を確保するため、板状部材の一面側にリブが形成され、リブ以外の領域が薄肉に形成される。面形状部分とリブ形状部分の接続部には、強度向上のため、丸みのないピン角とするのではなく、フィレットを設ける。

特許文献１には、溶接に関する技術分野において、フィレットにより連結される部材とみなすことができる形状について開示されている。

特許第６１６８０７７号公報

従来、フィレット形状部分を形成するためには、ブルノーズエンドミルやボールエンドミルといった切削工具を用いた切削加工によることが一般的である。しかし、これらの切削工具は、機械の繰り返し運転による精度低下、温度変化、振動又はワークの歪みなどの要因によって、切削加工によって所定の形状を得ることができず、形成された部品に誤差が生じる場合がある。

例えば、上述した要因によって、図１０及び図１１に示すように、エンドミル６０が軸方向にずれた位置で切削を行うことによって、エンドミル６０は、ワーク５０に対してフィレット形状部分を面形状部分よりも深く又は浅く切削する。これにより、段差部が生じた形状となる場合がある。図１０に示すように、フィレット形状部分５３が面形状部分５２よりも深く形成された場合、削り込みと呼ばれ、図１１に示すように、フィレット形状部分５３が面形状部分５２よりも浅く形成された場合、削り残しと呼ばれる。

その結果、形成された構造用部品は、疲労強度が低下するおそれがある。そこで、形成された構造部品に対して、段差部の深さ又は高さ、段差部のリブからの位置などに規定値が設けられて、フィレット形状部分が基準の形状に収まっているか否かの検査が行われる。基準の形状から外れている場合は、やすり（サンディング）加工などの追加作業を行って、形状を修正するなどの作業が必要になる。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、切削加工によって形成された形状部分において、段差部が形成されることなく、疲労強度の低下を誘発する形状を生じさせることがない部品製造方法、加工装置及び部品を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の部品製造方法、加工装置及び部品は以下の手段を採用する。
すなわち、本発明に係る部品製造方法は、曲面凸形状に形成された底刃及び隅部に設けられて円弧形状に形成されたラジアス刃を有する複数のエンドミルを備える加工装置を用いて、被加工対象に対して所定の半径を有する円弧形状のフィレット形状部分及び該フィレット形状部分に隣接する面形状部分を形成する部品製造方法であって、一の前記エンドミルの前記底刃によって、前記フィレット形状部分の加工を行いつつ加工目標とする前記円弧形状に対して加工残しがあるように、前記面形状部分のみを形成するステップと、他の前記エンドミルの前記ラジアス刃によって、加工目標とする前記円弧形状とされた前記フィレット形状部分を１回のパスで形成するステップとを備える。

この構成によれば、被加工対象に対して加工目標とする形状は、面形状部分と、面形状部分に隣接するフィレット形状部分を有し、面形状部分を形成するとき、フィレット形状部分に対して加工残しがあるように面形状部分のみを形成し、フィレット形状部分を形成するとき、隅部に設けられて円弧形状に形成されたラジアス刃によってフィレット形状部分を１回のパスで形成する。
これにより、切削加工によって形成されたフィレット形状部分と面形状部分において、段差部が形成されず、フィレット形状部分及び面形状部分を、加工目標と同一又は近い理想的な形状に形成できる。

上記発明において、前記面形状部分のみを形成するとき、前記フィレット形状部分と前記面形状部分の境界部において、加工残しがあるように前記面形状部分のみを形成してもよい。

上記発明において、前記面形状部分のみを形成するときの前記フィレット形状部分と前記面形状部分の境界部における高さ方向の加工残しは、前記フィレット形状部分を形成するときの前記境界部における、他の前記エンドミルの前記ラジアス刃による高さ方向の加工残しよりも大きくなるように設定されてもよい。

上記発明において、１回のパスによって前記フィレット形状部分が形成されるとき、新たに形成された面形状部分が、直前のパスで形成された面形状部分と交わる部分で、高さ方向に突出した稜線部が形成されてもよい。

本発明に係る加工装置は、曲面凸形状に形成された底刃及び隅部に設けられて円弧形状に形成されたラジアス刃を有する複数のエンドミルと、複数の前記エンドミルを駆動する駆動部と、前記駆動部を制御する制御部と、を備え、被加工対象に対して所定の半径を有する円弧形状のフィレット形状部分及び該フィレット形状部分に隣接する面形状部分を形成する加工装置であって、前記制御部は、一の前記エンドミルの前記底刃によって、前記フィレット形状部分の加工を行いつつ加工目標とする前記円弧形状に対して加工残しがあるように、前記面形状部分のみを形成するように前記駆動部を制御する面形成部と、他の前記エンドミルの前記ラジアス刃によって、加工目標とする前記円弧形状とされた前記フィレット形状部分を１回のパスで形成するように前記駆動部を制御するフィレット形成部とを備える。

本発明に係る部品は、面形状部分と、前記面形状部分に隣接し前記面形状部分と曲率の異なるフィレット形状部分とを有する部品であって、前記フィレット形状部分と前記面形状部分の境界部よりも前記面形状部分側において高さ方向に凸状部が形成されており、前記凸状部よりも前記フィレット形状部分側において、前記面形状部分と前記フィレット形状部分は、平面のない滑らかな曲面のみである。

本発明によれば、切削加工によって形成された形状部分において、段差部が形成されることなく、疲労強度の低下を誘発する形状を生じさせることがない。

本発明の一実施形態に係る加工装置を示す構成図である。本発明の一実施形態に係る加工装置によって形成されたワークを示す縦断面図である。本発明の一実施形態に係る加工装置のエンドミルを示す概略図である。本発明の一実施形態に係る加工装置のエンドミルとワークを示す縦断面図である。本発明の一実施形態に係る加工装置によって形成されたワークの境界部付近を示す拡大断面図である。本発明の一実施形態に係る加工装置によって形成されたワークの稜線部付近を示す拡大断面図である。本発明の一実施形態に係る加工装置によって形成されたワークの稜線部付近を示す拡大断面図であり、エンドミルが軸方向にずれた状態をそれぞれ示している。本発明の一実施形態に係る加工装置のエンドミルとワークを示す縦断面図である。本発明の一実施形態に係る加工装置のエンドミルとワークを示す縦断面図である。従来の加工装置のエンドミルとワークを示す縦断面図である。従来の加工装置のエンドミルとワークを示す縦断面図である。

以下に、本発明に係る実施形態について、図面を参照して説明する。
本発明の一実施形態に係る加工装置１は、図１に示すように、例えば、エンドミル２，３と、駆動部４と、制御部５を備える。加工装置１は、エンドミル２，３によって、ワーク５０を切削して、ワーク５０に所定の形状を形成する。本実施形態における所定の形状は、特に、ワーク５０に対して深さ方向に形成された凹状形状である。ワーク５０は、例えばアルミニウム合金、チタン合金などの金属材料である。

図１及び図２に示すように、例えば、ワーク５０は、板状部材であり、ワーク５０の強度を確保するため、一面側において高さ方向（厚さ方向）に突出したリブ５１が形成され、リブ５１に囲まれた領域が薄肉に形成される。この場合、リブ５１の最上面以外の領域が、凹状形状を有する。凹状形状は、凹状部分の底部に形成された面形状部分５２を有する。そして、面形状部分５２とリブ５１の接続部には、強度向上のため、丸みのないピン角とするのではなく、フィレット形状部分５３が設けられる。

面形状部分５２は、曲率のない平面でもよいし、曲率を有する曲面形状でもよい。フィレット形状部分５３は、所定の半径を有する円弧形状である。フィレット形状部分５３のうち一端側は、面形状部分５２と連続的に形成され、フィレット形状部分５３のうち他端側は、リブ５１の側壁面を構成する、又は、リブ５１の側壁面と連続的に形成される。

面形状部分５２とフィレット形状部分５３の境界部５４は、面形状部分５２の曲率（曲率が０（ゼロ）である平面の場合を含む。）と、フィレット形状部分５３の曲率とが変化する部分である。

エンドミル２，３は、軸線周りに回転しながら、送り方向や面内方向に移動することによって、ワーク５０を切削できる。
エンドミル２，３は、図３に示すように、曲面凸形状に形成された底刃２Ａ，３Ａと、隅部に設けられて円弧形状に形成されたラジアス刃２Ｂ，３Ｂを有する。
底刃２Ａ，３Ａは、エンドミル２，３の軸線上部分が最も下方に位置するように突出しており、所定の半径（ラジアス）を有する円弧形状に形成されている。ラジアス刃２Ｂ，３Ｂは、底刃２Ａ，３Ａの外周側隅部に設けられ、所定の半径（ラジアス）を有する円弧形状に形成されている。ラジアス刃２Ｂ，３Ｂの円弧部分の半径は、加工目標とするフィレット形状部分５３の半径と一致又は近いことが望ましい。底刃２Ａ，３Ａの円弧部分の半径は、ラジアス刃２Ｂ，３Ｂの円弧部分の半径よりも大きい。底刃２Ａ，３Ａの円弧部分の半径は、エンドミル２，３の工具径（外径）よりも大きく、いわゆるボールエンドミルの円弧部分の半径よりも大きい。

駆動部４は、複数のモータや、エンドミル２，３を切り換える構成を有する切換部などを備える。主軸モータは、電力を受けて駆動し、エンドミル２を軸線周りに回転させる。移動用モータは、電力を受けて駆動し、エンドミル２を軸線方向（送り方向）又は軸線方向に対して垂直方向（面内方向）に移動させる。切換部は、エンドミル切換制御部８による制御によって、エンドミル２，３を切り換えて、切削加工を行うほうのエンドミル２又はエンドミル３をワーク５０に対してセットする。

制御部５は、例えば、面形成部６と、フィレット形成部７と、エンドミル切換制御部８などを有する。

面形成部６は、底刃２Ａによってワーク５０に対して加工目標とする形状のうち面形状部分５２を形成するように駆動部４を制御する。
また、面形成部６は、図４及び図５に示すように、加工目標とする形状のうちフィレット形状部分５３に対して加工残しがあるように、ワーク５０に対して面形状部分５２のみを形成するように駆動部４を制御する。具体的には、面形成部６は、面形状部分５２を形成するとき、フィレット形状部分５３と面形状部分５２の境界部５４において、加工残しがあるように面形状部分５２のみを形成するように駆動部４を制御する。

フィレット形状部分５３を形成する前の面形状部分５２のみを形成するときのフィレット形状部分５３と面形状部分５２の境界部５４における、底刃２Ａ又はラジアス刃２Ｂによる高さ方向の加工残し量t_surfaceは、フィレット形状部分５３を形成するときのフィレット形状部分５３と面形状部分５２の境界部５４における、ラジアス刃３Ｂによる高さ方向の加工残し量t_filletよりも大きくなるように設定されている。

フィレット形成部７は、ラジアス刃３Ｂによってワーク５０に対してフィレット形状部分５３を１回のパスで形成するように駆動部４を制御する。面形成部６は、１回のパスによってフィレット形状部分５３が形成されるとき、新たに形成された面形状部分５２が、直前のパスで形成された面形状部分５２と交わる部分で、図２及び図６に示すような高さ方向に突出した稜線部５５が形成されるように駆動部４を制御する。

ワーク５０に対して加工目標とする形状は、凹状形状であり、凹状形状は、面形状部分５２と、面形状部分５２に隣接するフィレット形状部分５３を有する。面形成部６によって駆動部４が制御されることにより、面形状部分５２のみを形成するとき、フィレット形状部分５３に対して加工残しがあるように面形状部分５２のみが形成される。

また、フィレット形成部７によって駆動部４が制御されることにより、フィレット形状部分５３を形成するとき、隅部に設けられて円弧形状に形成されたラジアス刃３Ｂによってフィレット形状部分５３が１回のパスで形成される。このとき、底刃３Ａによって面形状部分５２も形成される。したがって、底刃３Ａとラジアス刃３Ｂによって、面形状部分５２とフィレット形状部分５３の境界が、段差部を生じさせることなく、滑らかな曲面で形成される。

ラジアス刃３Ｂの円弧部分の半径が、加工目標とするフィレット形状部分５３の半径と一致しているとき、１回のパスによって、精度の良いフィレット形状部分５３を形成できる。また、１回のパスによってフィレット形状部分５３が形成されるとき、新たに形成された面形状部分５２が、直前のパスで形成された面形状部分５２と交わる部分で、高さ方向に突出した稜線部５５が形成される。

フィレット形状部分５３を１回のパスで形成するとき、エンドミル３の位置に誤差が生じた場合でも、形成されるフィレット形状部分５３の半径は、所定の半径で形成されているため、形成されるフィレット形状部分５３は、基準の形状に収まる。

また、底刃２Ａ，３Ａは、曲率半径を有するが、エンドミル２，３の工具径（外径）よりも大きいため、面形状部分５２に形成される曲面の曲率半径は、ブルノーズエンドミルやボールエンドミルによって形成される曲率半径よりも大きい。そのため、形成される面形状部分５２は、基準の形状に収まる。

さらに、底刃３Ａは、曲率半径が大きいことから、図７に示すように、エンドミル３の位置に誤差が生じた場合、エンドミル３の高さ方向の位置のずれ量に比べて、形成される稜線部５５の水平方向の位置のずれ量は大きいが、形成される稜線部５５の高さ方向の位置ずれ量は小さい。したがって、形成される面形状部分５２についても、基準の形状に収まりやすい。

制御部５は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、及びコンピュータ読み取り可能な記憶媒体等から構成されている。そして、各種機能を実現するための一連の処理は、一例として、プログラムの形式で記憶媒体等に記憶されており、このプログラムをＣＰＵがＲＡＭ等に読み出して、情報の加工・演算処理を実行することにより、各種機能が実現される。なお、プログラムは、ＲＯＭやその他の記憶媒体に予めインストールしておく形態や、コンピュータ読み取り可能な記憶媒体に記憶された状態で提供される形態、有線又は無線による通信手段を介して配信される形態等が適用されてもよい。コンピュータ読み取り可能な記憶媒体とは、磁気ディスク、光磁気ディスク、ＣＤ－ＲＯＭ、ＤＶＤ－ＲＯＭ、半導体メモリ等である。

面形状部分５２を形成するときのフィレット形状部分５３と面形状部分５２の境界部５４の加工残し量をt_surface、フィレット形状部分５３を形成するときのフィレット形状部分５３と面形状部分５２の境界部５４の加工残し量をt_filletとすると、以下の条件（式（１））を満たすように、エンドミル２を選定する。
t_surface＞t_fillet ・・・（１）

ここで、加工残し量ｔは、下記の式（２）で表される。なお、ＬＲは、底刃２Ａ，３Ａの円弧形状部分の半径であり、ＬＤは、エンドミル２において底刃２Ａ，３Ａが占める領域に関する、エンドミル２の軸方向に対して垂直方向の直径である。

なお、エンドミル２の選定において、式（１）を満たさない場合でも、エンドミル２の軸方向又は径方向のオフセットで調整して、フィレット形状部分５３と面形状部分５２の境界部５４の加工残しが発生するようにエンドミル２の位置を調整してもよい。例えば、下記の式（３）の左辺のほうが大きくなるように、エンドミル２の軸方向の位置を調整して面形状部分５２を形成する。
t_surface＋α＞t_fillet ・・・（３）
ここで、αは、エンドミル２の軸方向のずれ量である。

エンドミル２を用いたワーク５０の加工において、底刃２Ａの円弧形状部分の曲率半径が、加工目標とする凹状形状の面形状部分５２の曲率半径と同一又は近似している場合、加工残し量ｔは０（ゼロ）に近い。一方、加工目標とする面形状部分５２の曲率半径が大きく、平面形状に近い場合、加工残しが発生する。本実施形態では、円弧形状部分を有する底刃２Ａによる加工結果において、加工残し量が発生することを利用することによって、面形状部分５２とフィレット形状部分５３において段差部が生じないように加工を行うことができる。

次に、図２を参照して、本実施形態に係る加工装置１の動作について説明する。

ワーク５０に所定の形状を形成するため、ワーク５０と加工装置１を準備する。例えば、ワーク５０を固定治具に設置し、加工装置１が、固定治具に設置されたワーク５０へ移動する。

そして、ワーク５０に対して所定の回転数及び移動速度でエンドミル２，３を駆動させる。本実施形態では、ワーク５０に所定の形状、すなわち、ワーク５０に対して深さ方向に形成された凹状形状を形成する。

まず、図８に示すように、エンドミル２の底刃２Ａを用いて、ワーク５０に対して、凹状部分の底部に相当する面形状部分５２を形成する。このとき、加工目標とする形状のうちフィレット形状部分５３に対して加工残しがあるように、ワーク５０に対してフィレット形状部分５３は形成せず、面形状部分５２のみを形成する。具体的には、フィレット形状部分５３と面形状部分５２の境界部５４において、加工残しがあるように面形状部分５２のみを形成する。

次に、図９に示すように、エンドミル３のラジアス刃３Ｂを用いて、ワーク５０に対して、フィレット形状部分５３を１回のパスのみで形成する。ラジアス刃３Ｂの円弧部分の半径が、加工目標とするフィレット形状部分５３の半径と一致しているとき、１回のパスによって、精度の良いフィレット形状部分５３を形成できる。

なお、フィレット形状部分５３を形成するときのパスで、底刃３Ａによって面形状部分５２が形成されるとき、新たに形成された面形状部分５２が、直前のパスで形成された面形状部分５２と交わる部分で、高さ方向に突出した稜線部５５が形成されるように、面形状部分５２が形成される。したがって、新たに形成された面形状部分５２が、直前のパスで形成された面形状部分５２と交わる部分で、稜線部５５が形成される。これにより、稜線部５５が、フィレット形状部分５３と面形状部分５２の境界部５４よりも面形状部分５２側に形成される。すなわち、形成された部品の凹状形状のうち、面形状部分５２には稜線部５５が形成されている。

フィレット形状部分５３を形成するときのパスで、ラジアス刃３Ｂによってフィレット形状部分５３が形成され、かつ、底刃３Ａによって面形状部分５２が形成されるため、稜線部５５よりもフィレット形状部分５３側において、面形状部分５２と前記フィレット形状部分５３は、平面のない滑らかな曲面のみである。したがって、１回のパスによってフィレット形状部分５３が形成されるとき、底刃３Ａとラジアス刃３Ｂによって、面形状部分５２とフィレット形状部分５３の境界が、段差部を生じさせることなく、滑らかな曲面で形成される。

以上、本実施形態によれば、切削加工によって形成されたフィレット形状部分５３と面形状部分５２において、段差部（削り込み又は削り残し）が形成されない。また、フィレット形状部分５３を形成するときに、エンドミル２の高さ方向の位置ずれが生じた場合でも、稜線部５５の高さ方向の位置ずれは小さい。よって、フィレット形状部分５３及び面形状部分５２を、加工目標と同一又は近い理想的な形状に形成できる。その結果、形成された構造用部品は、疲労強度が低下するおそれがない。さらに、本実施形態によって形成された部品は、基準の形状から外れにくいため、やすり（サンディング）加工などの追加作業を行って、形状を修正するなどの作業が低減されたり、不要になったりする。

１：加工装置
２：エンドミル
２Ａ：底刃
２Ｂ：ラジアス刃
３：エンドミル
３Ａ：底刃
３Ｂ：ラジアス刃
４：駆動部
５：制御部
６：面形成部
７：フィレット形成部
８：エンドミル切換制御部
５０：ワーク
５１：リブ
５２：面形状部分
５３：フィレット形状部分
５４：境界部
５５：稜線部
６０：エンドミル

Claims

曲面凸形状に形成された底刃及び隅部に設けられて円弧形状に形成されたラジアス刃を有する複数のエンドミルを備える加工装置を用いて、被加工対象に対して所定の半径を有する円弧形状のフィレット形状部分及び該フィレット形状部分に隣接する面形状部分を形成する部品製造方法であって、
一の前記エンドミルの前記底刃によって、前記フィレット形状部分の加工を行いつつ加工目標とする前記円弧形状に対して加工残しがあるように、前記面形状部分のみを形成するステップと、
他の前記エンドミルの前記ラジアス刃によって、加工目標とする前記円弧形状とされた前記フィレット形状部分を１回のパスで形成するステップと、
を備える部品製造方法。
前記面形状部分のみを形成するとき、前記フィレット形状部分と前記面形状部分の境界部において、加工残しがあるように前記面形状部分のみを形成する請求項１に記載の部品製造方法。
前記面形状部分のみを形成するときの前記フィレット形状部分と前記面形状部分の境界部における高さ方向の加工残しは、前記フィレット形状部分を形成するときの前記境界部における、他の前記エンドミルの前記ラジアス刃による高さ方向の加工残しよりも大きくなるように設定されている請求項１に記載の部品製造方法。
１回のパスによって前記フィレット形状部分が形成されるとき、新たに形成された面形状部分が、直前のパスで形成された面形状部分と交わる部分で、高さ方向に突出した稜線部が形成される請求項１に記載の部品製造方法。
曲面凸形状に形成された底刃及び隅部に設けられて円弧形状に形成されたラジアス刃を有する複数のエンドミルと、
複数の前記エンドミルを駆動する駆動部と、
前記駆動部を制御する制御部と、
を備え、
被加工対象に対して所定の半径を有する円弧形状のフィレット形状部分及び該フィレット形状部分に隣接する面形状部分を形成する加工装置であって、
前記制御部は、
一の前記エンドミルの前記底刃によって、前記フィレット形状部分の加工を行いつつ加工目標とする前記円弧形状に対して加工残しがあるように、前記面形状部分のみを形成するように前記駆動部を制御する面形成部と、
他の前記エンドミルの前記ラジアス刃によって、加工目標とする前記円弧形状とされた前記フィレット形状部分を１回のパスで形成するように前記駆動部を制御するフィレット形成部と、
を備える加工装置。
面形状部分と、前記面形状部分に隣接し前記面形状部分と曲率の異なるフィレット形状部分とを有する部品であって、
前記フィレット形状部分と前記面形状部分の境界部よりも前記面形状部分側において高さ方向に凸状部が形成されており、
前記凸状部よりも前記フィレット形状部分側において、前記面形状部分と前記フィレット形状部分は、平面のない滑らかな曲面のみである請求項５に記載の加工装置によって加工された部品。