WO2016039018A1 - 中空回転シャフト仕上げ方法及び中空回転シャフト - Google Patents

中空回転シャフト仕上げ方法及び中空回転シャフト Download PDF

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落合　宏行
渡辺　豊
正伸 夏明
幸三 長谷川
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    • B23Q17/20—Arrangements for observing, indicating or measuring on machine tools for indicating or measuring workpiece characteristics, e.g. contour, dimension, hardness

Definitions

  • the present invention relates to a hollow rotating shaft finishing method and the like for finishing an outer peripheral portion of a hollow rotating shaft having a predetermined inner diameter to a predetermined outer diameter along an axial direction (axial direction of the hollow rotating shaft).
  • a virtual reference axis for processing the outer peripheral portion of the hollow rotating shaft is set. Subsequently, using the cutting tool, with the hollow rotating shaft rotated around the virtual reference axis, the cutting tool is cut, and the cutting tool is moved in the axial direction relative to the hollow rotating shaft. Thus, cutting is performed along the axial direction with respect to the outer peripheral portion of the hollow rotating shaft. Then, an unbalance amount at both ends in the axial direction of the hollow rotating shaft is measured with a dynamic balance measuring device at a rotational speed smaller than the actual rotational speed, and based on the measurement result, both ends of the shaft of the hollow rotating shaft are measured. The balance of the hollow rotating shaft is adjusted by cutting the balance land.
  • the balance of the hollow rotary shaft is adjusted by scraping the balance lands on both ends of the shaft of the hollow rotary shaft, and the unbalance tends to remain in the central portion in the axial direction of the hollow rotary shaft. is there.
  • the hollow rotating shaft is used in a rotating machine such as a gas turbine, there is a concern that the axial runout in the axial direction of the hollow rotating shaft increases as the number of rotations of the hollow rotating shaft increases. Further improvement of the reliability of the hollow rotating shaft at the time is desired.
  • an object of the present invention is to provide a hollow rotating shaft finishing method or the like having a novel configuration that can solve the above-described problems.
  • a first feature of the present invention is a hollow rotating shaft finishing method (finishing of a hollow rotating shaft) for finishing an outer peripheral portion (outer peripheral surface) of a hollow rotating shaft having a predetermined inner diameter to a predetermined outer diameter along the axial direction.
  • the cutting tool is decentered with respect to the quasi-axial center by the same amount as the direction of the eccentric vector (eccentric direction) of the inner peripheral portion and the magnitude of the eccentric vector (eccentric amount) of the inner peripheral portion.
  • the position of the cutting tool is moved relative to the hollow rotating shaft in the axial direction while adjusting the position in a direction perpendicular to the virtual reference axis, so that the outer peripheral portion of the hollow rotating shaft is moved. And a cutting step of cutting along the axial direction.
  • the amount corresponding to the magnitude of the eccentric vector of the inner circumferential portion is the magnitude of the eccentric vector of the inner circumferential portion ⁇ (predetermined inner diameter 2 / predetermined outer diameter 2 ), and the inner circumference In some cases, it is the same size as the magnitude of the eccentric vector of the part.
  • the “axial direction” refers to the axial direction of the hollow rotary shaft.
  • the “predetermined inner diameter” refers to a preset inner diameter, and the value (predetermined inner diameter value) may not be constant along the axial direction.
  • the “predetermined outer diameter” refers to a preset outer diameter, and the value (predetermined outer diameter value) may not be constant along the axial direction.
  • the term “measuring” includes not only direct measurement but also calculation based on correlated measurement results, and “cutting tool” means a cutting tool, a cutting grindstone (grinding grindstone) ) Etc.
  • the center position of the outer peripheral portion of the hollow rotary shaft is set with respect to the virtual reference axis. Since the position of the cutting tool is adjusted in the direction perpendicular to the virtual reference axis so that it is decentered by the same direction as the direction of the eccentric vector and by the magnitude of the eccentric vector, the hollow rotation Shaft imbalance can be zero or close to zero along the axial direction. In other words, not only the unbalance of both ends of the hollow rotating shaft in the axial direction but also the unbalance of the central portion of the hollow rotating shaft in the axial direction can be made zero or close to zero.
  • the unbalance of the both ends in the axial direction of the hollow rotary shaft and the central portion can be zero or close to zero, when the hollow rotary shaft is used in a rotating machine, Even if the number of rotations of the hollow rotating shaft increases, the swing of the hollow rotating shaft can be sufficiently suppressed, and the reliability of the hollow rotating shaft at the time of high rotation can be further improved.
  • FIG. 1 (a) is a figure explaining the setting step in the hollow rotating shaft finishing method which concerns on embodiment of this invention, Comprising: The schematic diagram seen from the front side of the measuring device of the deflection
  • FIG. 2 is a diagram for explaining setting steps in the hollow rotating shaft finishing method according to the embodiment of the present invention, and is a schematic view seen from the upper side of the machining center or lathe.
  • FIG. 1 (a) is a figure explaining the setting step in the hollow rotating shaft finishing method which concerns on embodiment of this invention, Comprising: The schematic diagram seen from the front side of the measuring device of the deflection
  • FIG. 3 is a view for explaining intermediate cutting steps in the hollow rotating shaft finishing method according to the embodiment of the present invention, and is a schematic view seen from the upper side of the machining center or lathe.
  • FIG. 4 is a view for explaining intermediate cutting steps in the hollow rotating shaft finishing method according to the embodiment of the present invention, and is a schematic view seen from the upper side of the machining center or lathe.
  • FIG. 5 is a view for explaining measurement steps in the hollow rotating shaft finishing method according to the embodiment of the present invention, and is a schematic view seen from the upper side of a machining center or a lathe for balance adjustment.
  • FIG. 4 is a view for explaining intermediate cutting steps in the hollow rotating shaft finishing method according to the embodiment of the present invention, and is a schematic view seen from the upper side of the machining center or lathe for balance adjustment.
  • FIG. 5 is a view for explaining measurement steps in the hollow rotating shaft finishing method according to the embodiment of the present invention, and is a schematic view seen from the upper side of a machining center or
  • FIG. 6A is a view showing an arbitrary cross section between the one end side and the other end side in the axial direction of the hollow rotating shaft after the end of the intermediate cutting step
  • FIG. 6B is a view in FIG. It is an enlarged view of arrow view part VIB
  • FIG. 7 is a diagram for explaining cutting steps in the hollow rotating shaft finishing method according to the embodiment of the present invention, and is a schematic view seen from the upper side of a machining center or a lathe for balance adjustment.
  • FIG. 8A shows that the magnitude of the eccentric vector at the center position of the outer peripheral portion of the hollow rotating shaft with respect to the virtual reference axis is the size of the eccentric vector at the center position of the inner peripheral portion of the hollow rotating shaft ⁇ (Ri 2 / Ro 2 ), FIG.
  • FIG. 8 (b) is an enlarged view of the inner portion of the hollow rotary shaft per unit length in an arbitrary cross section between the one end side and the other end side in the axial direction of the hollow rotary shaft. It is a figure explaining the unbalance per unit length of the unbalance and the outer part of a hollow rotating shaft.
  • FIG. 9A the magnitude of the eccentric vector at the center position of the outer peripheral part of the hollow rotary shaft with respect to the virtual reference axis is the same as the magnitude of the eccentric vector at the central position of the inner peripheral part of the hollow rotary shaft.
  • 9B is an enlarged view showing the case, and in an arbitrary cross section between one end side and the other end side in the axial direction of the hollow rotating shaft, unbalance per unit length of the inner portion of the hollow rotating shaft and hollow rotation It is a figure explaining the imbalance per unit length of the outer side part of a shaft.
  • the hollow rotating shaft finishing method (hollow rotating shaft finishing method) according to the embodiment of the present invention includes an outer peripheral portion (outer peripheral surface) of the hollow rotating shaft 10 having a predetermined inner diameter Ri. This is a method for finishing 10o to a predetermined outer diameter Ro along the axial direction (the axial direction of the hollow rotary shaft 10).
  • the hollow rotating shaft finishing method according to the embodiment of the present invention includes (i) a setting step, (ii) an intermediate cutting step, (iii) a measuring step, and (iv) a cutting step. Yes.
  • the hollow rotary shaft 10 to be finished by the hollow rotary shaft finishing method according to the embodiment of the present invention is schematically illustrated, but for example, Japanese Patent Laid-Open No. 2000-320615 (Patent Document 2 described above) This is a low-pressure turbine shaft used in an aeronautical gas turbine. And the concrete content of each step in the hollow rotating shaft finishing method is as follows.
  • the hollow rotating shaft 10 is attached to a pair of shaft support mechanisms 12 and 14 of an inner diameter deflection measuring device (only a part is shown). Set in a horizontal position.
  • the shake measuring device 16 such as an indicator
  • the inner peripheral portion of the hollow rotating shaft 10 is rotated by the shake measuring device 16 while rotating the hollow rotating shaft 10 around its axis (axial center of the hollow rotating shaft 10) 10c.
  • a shake with respect to a reference position (a position indicated by a one-dot chain line) on both ends and a center in the axial direction on 10i is measured.
  • the outer peripheral portion 10o of the hollow rotating shaft 10 is processed based on the measurement result from the shake measuring device 16.
  • a virtual reference axis VS (see FIG. 2) is temporarily set.
  • the support state by a pair of shaft support mechanisms 12 and 14 is cancelled
  • the virtual reference axis VS of the hollow rotary shaft 10 is set to the axis of the spindle 18 of the machining center or lathe (only a part is shown).
  • one end portion in the axial direction of the outer peripheral portion 10 o of the hollow rotary shaft 10 is gripped by the chuck 20 of the main shaft 18.
  • the other end side in the axial direction of the outer peripheral portion 10o of the hollow rotary shaft 10 is rotatably supported by a machining center or a lathe steadying mechanism 22 of the lathe.
  • the hollow rotating shaft 10 can be set at a predetermined position of the machining center or lathe.
  • a cutting tool 24 is used to cut the cutting tool 24 in a state where the hollow rotary shaft 10 is rotated integrally with the main shaft 18 around a virtual reference axis VS. Then, cutting is performed on both end sides in the axial direction of the outer peripheral portion 10 o of the hollow rotary shaft 10.
  • the reference surfaces 10af and 10bf for specifying the virtual reference axis VS are respectively formed on both ends in the axial direction of the outer peripheral portion 10o of the hollow rotary shaft 10, and the virtual reference axis VS is finally formed.
  • the gripping state of the main shaft 18 by the chuck 20 and the support state by the steadying mechanism 22 are released, and one end in the axial direction of the outer peripheral portion 10 o of the hollow rotary shaft 10 is released by the chuck 20 of the main shaft 18.
  • the other end side of the hollow rotary shaft 10 is rotatably supported by the steadying mechanism 22.
  • the cutting bit 24 is cut, and the cutting bit 24 is moved in the axial direction, thereby the hollow rotary shaft.
  • the cutting which performs a cutting process with respect to the axial one end part of the outer peripheral part 10o is performed.
  • inner diameter finishing is performed on one axial end portion of the inner peripheral portion 10 i of the hollow rotary shaft 10 to form an inner diameter end portion 10 as. Further, the gripping state of the main shaft 18 by the chuck 20 and the supporting state by the steadying mechanism 22 are released, and the hollow rotary shaft 10 is removed from the machining center or lathe.
  • the virtual reference axis VS of the hollow rotary shaft 10 is the axis of the spindle 26 of the machining center or lathe (only part of which is shown) for balance adjustment.
  • One end of the outer peripheral portion 10o of the hollow rotary shaft 10 in the axial direction is held by the chuck 28 of the main shaft 26 in a state of being aligned with the center.
  • the other end side in the axial direction of the outer peripheral portion 10 o of the hollow rotary shaft 10 is rotatably supported by a balance adjusting machining center or a lathe steadying mechanism 30.
  • the hollow rotating shaft 10 can be set at a predetermined position of a machining center or a lathe for balance adjustment.
  • an ultrasonic contact 32 that can move in a direction orthogonal to the virtual reference axis VS is used, and the ultrasonic contact 32 is moved to the hollow rotating shaft. 10
  • the hollow rotary shaft 10 integrally with the main shaft 26 around the virtual reference axis VS in a state where the outer peripheral portion 10 o is in contact with the outer peripheral portion 10 o via an ultrasonic contact medium such as water.
  • the variation of the thickness of the hollow rotary shaft 10 in the circumferential direction is measured by the child 32.
  • a position measuring device 34 such as a laser displacement meter provided in the ultrasonic contact 32 is used, and the position measuring device 34 uses the position measuring device 34 to surround the position of the ultrasonic contact 32 in the direction orthogonal to the virtual reference axis VS. Measure the direction change. Further, measurement by the ultrasonic contact 32 and the position measuring device 34 is performed continuously or intermittently along the axial direction. Then, based on the measurement results from the ultrasonic contact 32 and the position measuring device 34, the inner peripheral portion 10i of the hollow rotary shaft 10 with respect to the virtual reference axis VS by a balance adjusting machining center or a lathe controller (not shown).
  • An eccentric vector ⁇ Di (the direction and magnitude of the eccentric vector ⁇ Di) of the center position CPi is calculated (calculated) along the axial direction.
  • the eccentric vector ⁇ Di of the center position CPi of the inner peripheral portion 10i of the hollow rotary shaft 10 with respect to the virtual reference axis VS is measured along the axial direction. (See FIGS. 6A and 6B).
  • FIG. 6A a virtual circle VC centered on the virtual reference axis VS is shown.
  • the deflection measuring device 16 such as an indicator is used to decenter the center position of the inner peripheral portion 10i of the hollow rotary shaft 10 with respect to the virtual reference axis VS.
  • the vector ⁇ Di may be measured along the axial direction.
  • the center position (actual machining center) CPo of the outer peripheral portion 10o of the hollow rotary shaft 10 is the same direction as the direction (eccentric direction) of the eccentric vector ⁇ Di with respect to the virtual reference axis VS and the magnitude of the eccentric vector ⁇ Di.
  • the position of the cutting tool 36 for finishing is adjusted in the direction perpendicular to the virtual reference axis VS by driving the servo motor so that it is decentered by an amount corresponding to the length (the amount of eccentricity)
  • of the eccentric vector ⁇ Di in other words, the magnitude of the eccentric vector ⁇ Do of the center position CPo of the outer peripheral portion 10o of the hollow rotary shaft 10 with respect to the virtual reference axis VS
  • the outer peripheral portion 10o of the hollow rotary shaft 10 can be finished to a predetermined outer diameter Ro along the axial direction while removing or reducing the unbalance of the hollow rotary shaft 10.
  • the center position CPo in the outer peripheral portion 10o of the hollow rotary shaft 10 is a virtual reference axis.
  • the direction in which the cutting tool 36 for finishing is orthogonal to the virtual reference axis VS so as to be eccentric with respect to the center VS by the same direction as the direction of the eccentric vector ⁇ Di and according to the magnitude
  • the direction of the unbalance Ai per unit length of the inner portion from the circle VC to the inner peripheral portion 10i is opposite to the direction of the eccentric vector ⁇ Di, and the magnitude of the unbalance Ai is
  • the direction of the unbalance Ao per unit length of the outer portion from the virtual circle VC to the outer peripheral portion 10o in the hollow rotary shaft 10 is the same direction as the direction of the eccentric vector ⁇ Do, and the magnitude of the unbalance Ao is
  • the hollow rotary shaft 10 can be used as an aircraft gas turbine.
  • the hollow rotary shaft 10 can be used as an aircraft gas turbine.
  • ⁇ Di Eccentric vector of the center position at the inner periphery of the hollow rotating shaft
  • ⁇ Do Eccentric vector of the center position at the outer peripheral portion of the hollow rotating shaft
  • Ai Unbalance per unit length of the inner part of the hollow rotating shaft
  • Ao Unbalance per unit length of the outer part of the hollow rotating shaft
  • CPi center position in the inner periphery of the hollow rotating shaft
  • CPo center position in the outer periphery of the hollow rotating shaft
  • VC virtual circle
  • VS virtual Reference axis
  • 10 hollow rotating shaft
  • 10af reference plane
  • 10bf reference plane
  • 10i inner periphery
  • 10o outer periphery
  • 12 shaft support mechanism
  • 14 shaft support mechanism
  • 16 runout measuring instrument
  • 18 Main shaft
  • 20 Chuck
  • 22 Stabilizing mechanism
  • 24 Cutting tool
  • 26 Main shaft
  • 28 Chuck
  • 30 Stabilizing mechanism
  • 3 2 Ultrasonic contact
  • 34 Position measuring device
  • 36 Cutting tool

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Abstract

　仕上げ用の切削バイト（３６）を用いて、中空回転シャフト（１０）の外周部（１０ｏ）に対して軸方向に沿って切削加工を行う際に、中空回転シャフト（１０）の外周部（１０ｏ）の中心位置（ＣＰｏ）が仮想の基準軸心（ＶＳ）に対して偏心ベクトルΔＤｉの方向と同じ方向かつ偏心ベクトルΔＤｉの大きさ｜ΔＤｉ｜に応じた分だけ偏心するように、仕上げ用の切削バイト（３６）を仮想の基準軸心（ＶＳ）に直交する方向へ位置調節し、軸の中央部でもアンバランスをゼロに近づけて，中空回転シャフト（１０）の回転数が増大しても、中空回転シャフト（１０）の振れを十分に抑えて、高回転時における中空回転シャフト（１０）の信頼性の更なる向上を図る。

Description

中空回転シャフト仕上げ方法及び中空回転シャフト
　本発明は、所定の内径を有した中空回転シャフトの外周部を軸方向（中空回転シャフトの軸方向）に沿って所定の外径に仕上げるための中空回転シャフト仕上げ方法等に関する。
　一般に、ガスタービンに用いられるタービン軸等の中空回転シャフトの外周部を軸方向に沿って所定の外径に仕上げる場合には、次のように行う。
　即ち、まず、中空回転シャフトの外周部を加工するための仮想の基準軸心を設定する。続いて、切削工具を用い、中空回転シャフトを仮想の基準軸心周りに回転させた状態で、切削工具に切り込みを与え、切削工具を軸方向へ中空回転シャフトに対して相対的に移動させることにより、中空回転シャフトの外周部に対して軸方向に沿って切削加工を行う。そして、動バランス測定器によって，実回転数より小さい回転数で，中空回転シャフトの軸方向の両端側のアンバランス量を測定し、その測定結果に基づいて、中空回転シャフトの軸の両端側のバランスランドを削ることにより、中空回転シャフトのバランス調整を行う。
　なお、本発明に関連する先行技術として特許文献１から特許文献３に示すものがある。
特開２０１１－７３５２５号公報 特開２０００－３２０６１５号公報 特開平７－１６７７３１号公報
　ところで、前述のように、中空回転シャフトの軸の両端側のバランスランドを削ることによって中空回転シャフトのバランス調整を行っており、中空回転シャフトの軸方向の中央部にアンバランスが残存する傾向にある。そのため、中空回転シャフトをガスタービン等の回転機械に用いた場合に、中空回転シャフトの回転数の増大に伴い、中空回転シャフトの軸方向の中央部の振れが大きくなることが懸念され、高回転時における中空回転シャフトの信頼性の更なる向上が望まれている。
　そこで、本発明は、前述の問題を解決することができる、新規な構成の中空回転シャフト仕上げ方法等を提供することを目的とする。
　本発明の第１の特徴は、所定の内径を有した中空回転シャフトの外周部（外周面）を軸方向に沿って所定の外径に仕上げるための中空回転シャフト仕上げ方法（中空回転シャフトの仕上げ方法）において、前記中空回転シャフトの外周部を加工するための仮想の基準軸心を設定する設定ステップと、前記設定ステップの終了後に、前記仮想の基準軸心に対する前記中空回転シャフトの内周部（内周面）の中心位置の偏心ベクトル（偏心ベクトルの方向と大きさ）を前記軸方向に沿って測定する測定ステップと、前記測定ステップの終了後に、切削工具を用い、前記中空回転シャフトを前記仮想の基準軸心周りに回転させた状態で、前記切削工具に切り込みを与え、前記中空回転シャフトの外周部の中心位置（実際の加工中心）が前記仮想の基準軸心に対して前記内周部の偏心ベクトルの方向（偏心方向）と同じ方向かつ前記内周部の偏心ベクトルの大きさ（偏心量）に応じた分だけ偏心するように、前記切削工具を前記仮想の基準軸心に直交する方向へ位置調節しながら、前記切削工具を前記軸方向へ前記中空回転シャフトに対して相対的に移動させることにより、前記中空回転シャフトの外周部に対して前記軸方向に沿って切削加工を行う切削加工ステップと、を具備したことを要旨とする。
　ここで、前記内周部の偏心ベクトルの大きさに応じた分は、前記内周部の偏心ベクトルの大きさ×（所定の内径2／所定の外径2）である場合と、前記内周部の偏心ベクトルの大きさと同じ大きさである場合がある。
　なお、本願の明細書及び特許請求の範囲の記載において、「軸方向」とは、中空回転シャフトの軸方向のことをいう。また、「所定の内径」とは、予め設定した内径のことをいい、その値（所定の内径の値）が軸方向に沿って一定でなくても構わない。「所定の外径」とは、予め設定した外径のことをいい、その値（所定の外径の値）が軸方向に沿って一定でなくても構わない。また、「測定する」とは、直接的に測定する他に、相関する測定結果に基づいて演算等することも含む意であって、「切削工具」とは、切削バイト、切削砥石（研削砥石）等を含む意である。
　本発明の特徴によると、前記中空回転シャフトの外周部に対して前記軸方向に沿って切削加工を行う際に、前記中空回転シャフトの外周部の中心位置が前記仮想の基準軸心に対して前記偏心ベクトルの方向と同じ方向かつ前記偏心ベクトルの大きさに応じた分だけ偏心するように、前記切削工具を前記仮想の基準軸心に直交する方向へ位置調節しているため、前記中空回転シャフトのアンバランスを前記軸方向に沿ってゼロにするか又はゼロに近づけることができる。換言すれば、前記中空回転シャフトの前記軸方向の両端側のアンバランスだけでなく、前記中空回転シャフトの前記軸方向の中央部のアンバランスをゼロにするか又はゼロに近づけることができる。
　本発明によれば、前記中空回転シャフトの前記軸方向の両端側及び中央部のアンバランスをゼロにするか又はゼロに近づけることができるため、前記中空回転シャフトを回転機械に用いた場合に、前記中空回転シャフトの回転数が増大しても、前記中空回転シャフトの振れを十分に抑えて、高回転時における前記中空回転シャフトの信頼性の更なる向上を図ることができる。
図１（ａ）は、本発明の実施形態に係る中空回転シャフト仕上げ方法における設定ステップを説明する図であって、内周部の振れの測定装置の正面側から見た模式図、図１（ｂ）は、図１（ａ）におけるIB-IB線に沿った図、図１（ｃ）は、図１（ａ）におけるIC-IC線に沿った図、図１（ｄ）は、図１（ａ）におけるID-ID線に沿った図である。 図２は、本発明の実施形態に係る中空回転シャフト仕上げ方法における設定ステップを説明する図であって、マシニングセンタあるいは旋盤の上側から見た模式図である。 図３は、本発明の実施形態に係る中空回転シャフト仕上げ方法における中間切削加工ステップを説明する図であって、マシニングセンタあるいは旋盤の上側から見た模式図である。 図４は、本発明の実施形態に係る中空回転シャフト仕上げ方法における中間切削加工ステップを説明する図であって、マシニングセンタあるいは旋盤の上側から見た模式図である。 図５は、本発明の実施形態に係る中空回転シャフト仕上げ方法における測定ステップを説明する図であって、バランス調整用のマシニングセンタあるいは旋盤の上側から見た模式図である。 図６（ａ）は、中間切削加工ステップの終了後における中空回転シャフトの軸方向の一端側と他端側の中間の任意断面を示す図、図６（ｂ）は、図６（ａ）における矢視部VIBの拡大図である。 図７は、本発明の実施形態に係る中空回転シャフト仕上げ方法における切削加工ステップを説明する図であって、バランス調整用のマシニングセンタあるいは旋盤の上側から見た模式図である。 図８（ａ）は、仮想の基準軸心に対する中空回転シャフトの外周部の中心位置の偏心ベクトルの大きさが中空回転シャフトの内周部における中心位置の偏心ベクトルの大きさ×（Ｒｉ2／Ｒｏ2）である場合を示す拡大図、図８（ｂ）は、中空回転シャフトの軸方向の一端側と他端側の中間の任意断面において、中空回転シャフトの内側部分の単位長さ当たりのアンバランスと中空回転シャフトの外側部分の単位長さ当たりのアンバランスを説明する図である。 図９（ａ）は、仮想の基準軸心に対する中空回転シャフトの外周部の中心位置の偏心ベクトルの大きさが中空回転シャフトの内周部の中心位置の偏心ベクトルの大きさと同じ大きさである場合を示す拡大図、図９（ｂ）は、中空回転シャフトの軸方向の一端側と他端側の中間の任意断面において、中空回転シャフトの内側部分の単位長さ当たりのアンバランスと中空回転シャフトの外側部分の単位長さ当たりのアンバランスを説明する図である。
　以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
　図１及び図７等に示すように、本発明の実施形態に係る中空回転シャフト仕上げ方法（中空回転シャフトの仕上げ方法）は、所定の内径Ｒｉを有した中空回転シャフト１０の外周部（外周面）１０ｏを軸方向（中空回転シャフト１０の軸方向）に沿って所定の外径Ｒｏに仕上げるための方法である。また、本発明の実施形態に係る中空回転シャフト仕上げ方法は、(i)設定ステップと、(ii)中間切削加工ステップと、(iii)測定ステップと、(iv)切削加工ステップとを具備している。ここで、本発明の実施形態に係る中空回転シャフト仕上げ方法の仕上げ対象である中空回転シャフト１０は、模式的に図示されているが、例えば特開２０００－３２０６１５号公報（前述の特許文献２）に示すような航空用ガスタービンに用いられる低圧タービン軸である。そして、中空回転シャフト仕上げ方法における各ステップの具体的な内容は、以下のようになる。
　(i)測定ステップ
　図１（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）に示すように、中空回転シャフト１０を内径の振れ測定装置（一部のみ図示）の一対のシャフト支持機構１２，１４に水平な状態でセットする。次に、インジケータ等の振れ測定器１６を用い、中空回転シャフト１０をその軸心（中空回転シャフト１０の軸心）１０ｃ周りに回転させながら、振れ測定器１６によって中空回転シャフト１０の内周部（内周面）１０ｉにおける軸方向の両端部側及び中央部側の基準の位置（一点鎖線で示す位置）に対する振れを測定する。そして、中空回転シャフト１０の内周部１０ｉにおける軸方向の中央部側の振れを重視しつつ、振れ測定器１６からの測定結果に基づいて、中空回転シャフト１０の外周部１０ｏを加工するための仮想の基準軸心ＶＳ（図２参照）を仮設定する。また、一対のシャフト支持機構１２，１４による支持状態を解除して、中空回転シャフト１０を内径の振れ測定装置から取り外す。
　中空回転シャフト１０を内径の振れ測定装置から取り外した後に、図２に示すように、中空回転シャフト１０の仮想の基準軸心ＶＳをマシニングセンタあるいは旋盤（一部のみ図示）の主軸１８の軸心に一致させた状態で、主軸１８のチャック２０によって中空回転シャフト１０の外周部１０ｏの軸方向の一端部を把持する。また、マシニングセンタあるいは旋盤の振れ止め機構２２によって中空回転シャフト１０の外周部１０ｏの軸方向の他端部側を回転可能に支持する。これにより、中空回転シャフト１０をマシニングセンタあるいは旋盤の所定位置にセットすることができる。
　中空回転シャフト１０をマシニングセンタあるいは旋盤にセットした後に、切削バイト２４を用い、中空回転シャフト１０を仮想の基準軸心ＶＳ周りに主軸１８と一体的に回転させた状態で、切削バイト２４に切り込みを与え、中空回転シャフト１０の外周部１０ｏの軸方向の両端側に対して切削加工を行う。これにより、中空回転シャフト１０の外周部１０ｏの軸方向の両端側に仮想の基準軸心ＶＳを特定するための基準面１０ａｆ，１０ｂｆをそれぞれ形成して、仮想の基準軸心ＶＳを最終的に設定する。
　(ii)中間切削加工ステップ
　測定ステップの終了後に、図３に示すように、振れ止め機構２２を軸方向（仮想の基準軸心ＶＳの方向）に位置調節して、振れ止め機構２２によって中空回転シャフト１０の基準面１０ｂｆを回転可能に支持する。そして、中空回転シャフト１０を仮想の基準軸心ＶＳ周りに主軸１８と一体的に回転させた状態で、切削バイト２４に切り込みを与え、切削バイト２４を軸方向へ移動させることにより、中空回転シャフト１０の外周部１０ｏにおける軸方向の一端部を除く部位に対して切削加工を行う仕上げ代を残して中間切削加工を行う。また、内径加工用の切削工具（図示省略）を用い、中空回転シャフト１０の内周部１０ｉの軸方向の他端部に対して内径仕上げ加工を行って、内径端部１０ｂｓを形成する。
　続いて、図４に示すように、主軸１８のチャック２０による把持状態及び振れ止め機構２２による支持状態を解除して、主軸１８のチャック２０によって中空回転シャフト１０の外周部１０ｏの軸方向の一端部を把持すると共に、振れ止め機構２２によって中空回転シャフト１０の他端部側を回転可能に支持する。そして、中空回転シャフト１０を仮想の基準軸心ＶＳ周りに主軸１８と一体的に回転させた状態で、切削バイト２４に切り込みを与え、切削バイト２４を軸方向へ移動させることにより、中空回転シャフト１０の外周部１０ｏの軸方向の一端部に対して切削加工を行う切削加工を行う。また、内径加工用の切削工具を用い、中空回転シャフト１０の内周部１０ｉの軸方向の一端部に対して内径仕上げ加工を行って、内径端部１０ａｓを形成する。更に、主軸１８のチャック２０による把持状態及び振れ止め機構２２による支持状態を解除して、中空回転シャフト１０をマシニングセンタあるいは旋盤から取り外す。
　(iii)測定ステップ
　中間切削加工ステップの終了後に、図５に示すように、中空回転シャフト１０の仮想の基準軸心ＶＳをバランス調整用のマシニングセンタあるいは旋盤（一部のみ図示）の主軸２６の軸心に一致させた状態で、主軸２６のチャック２８によって中空回転シャフト１０の外周部１０ｏの軸方向の一端部を把持する。また、バランス調整用のマシニングセンタあるいは旋盤の振れ止め機構３０によって中空回転シャフト１０の外周部１０ｏの軸方向の他端部側を回転可能に支持する。これにより、中空回転シャフト１０をバランス調整用のマシニングセンタあるいは旋盤の所定位置にセットすることができる。
　中空回転シャフト１０をバランス調整用のマシニングセンタあるいは旋盤にセットした後に、仮想の基準軸心ＶＳに対して直交する方向へ移動可能な超音波接触子３２を用い、超音波接触子３２を中空回転シャフト１０の外周部１０ｏに例えば水等の超音波接触媒質を介して接触させた状態で、中空回転シャフト１０を仮想の基準軸心ＶＳ周りに主軸２６と一体的に回転させることにより、超音波接触子３２によって中空回転シャフト１０の厚みの周方向（中空回転シャフト１０の周方向）の変動を測定する。併せて、超音波接触子３２に設けられた例えばレーザ変位計等の位置測定器３４を用い、位置測定器３４によって仮想の基準軸心ＶＳに直交する方向における超音波接触子３２の位置の周方向の変動を測定する。更に、超音波接触子３２及び位置測定器３４による測定を軸方向に沿って連続的又は間欠的に行う。そして、超音波接触子３２及び位置測定器３４からの測定結果に基づいて、バランス調整用のマシニングセンタあるいは旋盤のコントローラ（図示省略）によって仮想の基準軸心ＶＳに対する中空回転シャフト１０の内周部１０ｉの中心位置ＣＰｉの偏心ベクトルΔＤｉ（偏心ベクトルΔＤｉの方向と大きさ）を軸方向に沿って演算（算出）する。換言すれば、超音波接触子３２及び位置測定器３４を用いて、仮想の基準軸心ＶＳに対する中空回転シャフト１０の内周部１０ｉの中心位置ＣＰｉの偏心ベクトルΔＤｉを軸方向に沿って測定する（図６（ａ）（ｂ）参照）。なお、図６（ａ）中、仮想の基準軸心ＶＳを中心とする仮想の円ＶＣを図示してある。
　ここで、超音波接触子３２及び位置測定器３４を用いる代わりに、インジケータ等の振れ測定器１６を用いて、仮想の基準軸心ＶＳに対する中空回転シャフト１０の内周部１０ｉにおける中心位置の偏心ベクトルΔＤｉを軸方向に沿って測定しても構わない。
  (iv)切削加工ステップ
　測定ステップの終了後に、図７に示すように、サーボモータ（図示省略）の駆動によって仮想の基準軸心ＶＳに対して直交する方向へ移動可能な仕上げ用の切削バイト３６を用い、中空回転シャフト１０を仮想の基準軸心ＶＳ周りに主軸２６と一体的に回転させた状態で、仕上げ用の切削バイト３６に切り込みを与え、仕上げ用の切削バイト３６を軸方向へ移動させることにより、中空回転シャフト１０の外周部１０ｏに対して軸方向に沿って切削加工を行う。この際に、中空回転シャフト１０の外周部１０ｏの中心位置（実際の加工中心）ＣＰｏが仮想の基準軸心ＶＳに対して偏心ベクトルΔＤｉの方向（偏心方向）と同じ方向かつ偏心ベクトルΔＤｉの大きさ（偏心量）｜ΔＤｉ｜に応じた分だけ偏心するように、サーボモータの駆動により仕上げ用の切削バイト３６を仮想の基準軸心ＶＳに直交する方向へ位置調節する（図８（ａ）及び図９（ａ）参照）。ここで、偏心ベクトルΔＤｉの大きさ｜ΔＤｉ｜に応じた分、換言すれば、仮想の基準軸心ＶＳに対する中空回転シャフト１０の外周部１０ｏの中心位置ＣＰｏの偏心ベクトルΔＤｏの大きさ｜ΔＤｏ｜は、偏心ベクトルΔＤｉの大きさ｜ΔＤｉ｜×（Ｒｉ2／Ｒｏ2）である場合（図８（ａ）参照）と、偏心ベクトルΔＤｉの大きさ｜ΔＤｉ｜と同じ大きさである場合（図９（ａ）参照）がある。
　以上により、中空回転シャフト１０のアンバランスを除去または削減を行いながら、中空回転シャフト１０の外周部１０ｏを軸方向に沿って所定の外径Ｒｏに仕上げることができる。
　続いて、本発明の実施形態の作用及び効果について説明する。
　仕上げ用の切削バイト３６を用いて、中空回転シャフト１０の外周部１０ｏに対して軸方向に沿って切削加工を行う際に、中空回転シャフト１０の外周部１０ｏにおける中心位置ＣＰｏが仮想の基準軸心ＶＳに対して偏心ベクトルΔＤｉの方向と同じ方向かつ偏心ベクトルΔＤｉの大きさ｜ΔＤｉ｜に応じた分だけ偏心するように、仕上げ用の切削バイト３６を仮想の基準軸心ＶＳに直交する方向へ位置調節しているため、中空回転シャフト１０のアンバランスを軸方向に沿ってゼロにするか又はゼロに近づけることができる。換言すれば、中空回転シャフト１０の軸方向の両端側のアンバランスだけでなく、中空回転シャフト１０の軸方向の中央部のアンバランスをゼロにするか又はゼロに近づけることができる。
　より具体的に言えば、図８（ｂ）及び図９（ｂ）に示すように、中空回転シャフト１０の軸方向の一端側と他端側の中間の任意断面において、中空回転シャフト１０における仮想の円ＶＣから内周部１０ｉまでの内側部分の単位長さ当たりのアンバランスＡｉの方向は、偏心ベクトルΔＤｉの方向と反対方向で、アンバランスＡｉの大きさは、｜ΔＤｉ｜×πＲｉ2になる。また、中空回転シャフト１０における仮想の円ＶＣから外周部１０ｏまでの外側部分の単位長さ当たりのアンバランスＡｏの方向は、偏心ベクトルΔＤｏの方向と同じ方向で、アンバランスＡｏの大きさは、｜ΔＤｏ｜×πＲｏ2になる。そして、図８（ｂ）に示すように、偏心ベクトルΔＤｏの大きさ｜ΔＤｏ｜が偏心ベクトルΔＤｉの大きさ｜ΔＤｉ｜×（Ｒｉ2／Ｒｏ2）である場合には、アンバランスＡｉとアンバランスＡｏが相殺され、中空回転シャフト１０のアンバランスをゼロにすることができる。図９（ｂ）に示すように、偏心ベクトルΔＤｏ偏心ベクトルΔＤｏの大きさ｜ΔＤｏ｜が偏心ベクトルΔＤｉの大きさ｜ΔＤｉ｜と同じである場合には、アンバランスをゼロすることはできないが、ゼロに近づけることができる。
　従って、本発明の実施形態によれば、中空回転シャフト１０の軸方向の両端側及び中央部のアンバランスをゼロするか又はゼロに近づけることができるため、中空回転シャフト１０を航空用ガスタービンに用いた場合に、中空回転シャフト１０の回転数が増大しても、中空回転シャフト１０の振れを十分に抑えて、高回転時における中空回転シャフト１０の信頼性の更なる向上を図ることができる。
　なお、本発明は、前述の実施形態の説明に限られるものではなく、種々の態様で実施可能である。また、本発明に包含される権利範囲は、中空回転シャフト仕上げ方法によって仕上げられた中空回転シャフト１０にも及ぶものである。
　ΔＤｉ：中空回転シャフトの内周部における中心位置の偏心ベクトル、ΔＤｏ：中空回転シャフトの外周部における中心位置の偏心ベクトル、Ａｉ：中空回転シャフトの内側部分の単位長さ当たりのアンバランス、Ａｏ：中空回転シャフトの外側部分の単位長さ当たりのアンバランス、ＣＰｉ：中空回転シャフトの内周部における中心位置、ＣＰｏ：中空回転シャフトの外周部における中心位置、ＶＣ：仮想の円、ＶＳ：仮想の基準軸心、１０：中空回転シャフト、１０ａｆ：基準面、１０ｂｆ：基準面、１０ｉ：内周部、１０ｏ：外周部、１２：シャフト支持機構、１４：シャフト支持機構、１６：振れ測定器、１８：主軸、２０：チャック、２２：振れ止め機構、２４：切削バイト、２６：主軸、２８：チャック、３０：振れ止め機構、３２：超音波接触子、３４：位置測定器、３６：切削バイト
 

Claims (7)

  1. 　所定の内径を有した中空回転シャフトの外周部を前記中空回転シャフトの軸方向に沿って所定の外径に仕上げるための中空回転シャフト仕上げ方法において、
    　前記中空回転シャフトの外周部を加工するための仮想の基準軸心を設定する設定ステップと、
    　前記設定ステップの終了後に、前記仮想の基準軸心に対する前記中空回転シャフトの内周部の中心位置の偏心ベクトルを前記軸方向に沿って測定する測定ステップと、
    　前記測定ステップの終了後に、切削工具を用い、前記中空回転シャフトを前記仮想の基準軸心周りに回転させた状態で、前記切削工具に切り込みを与え、前記中空回転シャフトの外周部の中心位置が前記仮想の基準軸心に対して前記内周部の中心位置の偏心ベクトルの方向と同じ方向かつ前記内周部の中心位置の偏心ベクトルの大きさに応じた分だけ偏心するように、前記切削工具を前記仮想の基準軸心に直交する方向へ位置調節しながら、前記切削工具を前記軸方向へ前記中空回転シャフトに対して相対的に移動させることにより、前記中空回転シャフトの外周部に対して前記軸方向に沿って切削加工を行う切削加工ステップと、を具備したことを特徴とする中空回転シャフト仕上げ方法。
  2. 　前記偏心ベクトルの大きさに応じた分は、前記内周部の中心位置の偏心ベクトルの大きさ×（所定の内径2／所定の外径2）であることを特徴とする請求項１に記載の中空回転シャフト仕上げ方法。
  3. 　前記偏心ベクトルの大きさに応じた分は、前記偏心ベクトルの大きさと同じ大きさであることを特徴とする請求項１に記載の中空回転シャフト仕上げ方法。
  4. 　前記測定ステップは、前記直交する方向へ移動可能な超音波接触子を用い、前記超音波接触子を前記中空回転シャフトの外周部に超音波接触媒質を介して接触させた状態で、前記中空回転シャフトを前記仮想の基準軸心周りに回転させることにより、前記超音波接触子によって前記中空回転シャフトの厚みの周方向の変動を測定し、併せて、位置測定器によって前記直交する方向における前記超音波接触子の位置の周方向の変動を測定し、更に、前記超音波接触子及び前記位置測定器による測定を前記軸方向に沿って行い、前記超音波接触子及び前記位置測定器からの測定結果に基づいて、前記仮想の基準軸心に対する前記中空回転シャフトの内周部の中心位置の偏心ベクトルを前記軸方向に沿って演算することを特徴とする請求項１から請求項３のうちのいずれか１項に記載の中空回転シャフト仕上げ方法。
  5. 　前記設定ステップの終了後でかつ前記切削加工ステップの開始前に、前記中空回転シャフトを前記仮想の基準軸心周りに回転させた状態で、前記切削工具に切り込みを与え、前記切削工具を前記軸方向へ前記中空回転シャフトに対して相対的に移動させることにより、前記中空回転シャフトの外周部に対して前記軸方向に沿って仕上げ代を残して中間切削加工を行う中間切削加工ステップを具備したことを特徴とする請求項１から請求項４のうちのいずれか１項に記載の中空回転シャフト仕上げ方法。
  6. 　前記中空回転シャフトは、ガスタービンに用いられるタービン軸であることを特徴とする請求項１から請求項５のうちのいずれか１項に記載の中空回転シャフト仕上げ方法。
  7. 　請求項１から請求項６のうちのいずれか１項に記載の中空回転シャフト仕上げ方法によって仕上げられたことを特徴とする中空回転シャフト。
     
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