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【発明の名称】 CNC工作機械上の電気侵食機械加工用適応スピンドルアセンブリ
【発明者】 【氏名】レンウェイ・ユアン

【氏名】イミン・ザァン

【氏名】ウゴ・カンテリ

【氏名】ユァンフェン・リュオ

【氏名】ガース・エム・ネルソン

【要約】 【課題】電気侵食機械加工用CNCフライス盤を適応させる装置及び方法を提供すること。

【解決手段】アダプタシャフト80の遠位端に管状電極を備える。工具ホルダ84は、カッタスピンドル24のチャック内に取付け可能である。アダプタシャフト80は、回転可能に取り付けられ、ブラケット99によって支持されている。ブラケット99は、フライス盤に取り付けられているが、工具電極21から絶縁する。軸受98は、アダプタシャフト80をCNCスピンドル24と位置合わせして支持する。電源装置は、間隙74内の電気侵食のために電極及びワーク28を付勢する。電解質は、回転工具電極21を通して循環される。CNCコンピュータは、電気侵食加工のためにフライス盤、電源装置、及び電解質流を作動するように構成されている。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
コンピュータ数値制御(CNC)工作機械(36)によるワーク(28)の電気侵食機械加工用適応スピンドルアセンブリ(20)であって、当該適応スピンドルアセンブリ(20)が、
近接端及び遠位端を有する回転可能アダプタシャフト(80)と、
近接端及び遠位端(22)を有する工具電極(21)であって、工具電極(21)の近接端はアダプタシャフト(80)の遠位端に取り付けられた工具電極(21)と、
アダプタシャフト(80)から電気絶縁された、CNC工作機械のスピンドル(24)上の工具チャック(25)内に挿入させるための、アダプタシャフト(80)の近接端上の工具ホルダ(84)と、
CNC工作機械に取り付けられ、適応スピンドルアセンブリ(20)を支持するブラケット(99)と、
ブラケット(99)によって支持され、アダプタシャフト(80)をスピンドル(24)と位置合わせして支持する低摩擦軸受(98)と、
ブラケット(99)によって支持され、工具電極(21)を電気付勢するためブラケット(99)から電気絶縁された固定/回転電気導電装置と、
流体電解質をポンプ(60)から工具電極(21)の遠位端(22)まで案内する流体経路(26)と
を備えており、工具電極(21)が、電気侵食による回転及び機械加工のために、適応スピンドルアセンブリ(20)を介してCNC工作機械のスピンドル(24)に取り付けることができる適応スピンドルアセンブリ(20)。
【請求項2】
回転可能アダプタシャフト(80)及び固定/回転電気導電装置を介して工具電極(21)に第1の電位を供給し、ワーク(28)に第2の電位を供給する電源装置(44)を更に備えている、請求項1記載の適応スピンドルアセンブリ(20)。
【請求項3】
流体経路(26)が、工具電極(21)内の軸方向に配向された流体導管(90)と、
工具電極(21)内の軸方向に配向された流体導管(90)と流体連通する、アダプタシャフト(80)内の軸方向に配向された流体導管(92)とを備えている、請求項1記載の適応スピンドルアセンブリ(20)。
【請求項4】
回転可能アダプタシャフト(80)の一部の周りで密封された流体入力マニホールド(94)を更に備える適応スピンドルサブアセンブリであって、回転可能アダプタシャフト(80)が、流体入力マニホールド(94)と回転可能アダプタシャフト(80)内の軸方向に配向された流体導管(92)の間で連通する流体経路を備え、流体は回転可能アダプタシャフト(80)内の軸方向に配向された流体導管(92)内に流体入力マニホールド(94)から流れることができる、請求項3記載の適応スピンドルアセンブリ。
【請求項5】
回転可能アダプタシャフト(80)内の軸方向に配向された流体導管(92)は、CNC工作機械のスピンドル内のスピンドル通過フラッシング導管と流体連通するように、工具ホルダ(84)を通して延在している、請求項3記載の適応スピンドルアセンブリ。
【請求項6】
流体経路(26)が、工具電極(21)の遠位端(22)に向かって外側に流体電解質を噴霧する外部フラッシング手段を備えている、請求項1記載の適応スピンドルアセンブリ。
【請求項7】
外部フラッシング手段が回転可能アダプタシャフト(80)の遠位端の周りに流体噴霧マニホールド(96)を備えており、流体噴霧マニホールドは流体電解質を工具電極(21)に沿って案内するために、工具電極(21)の周りに流体出口(97)を備えている、請求項6記載の適応スピンドルアセンブリ。
【請求項8】
流体経路(26)に流体電解質を供給する流体電解質ポンプ(60)及び濾過システムを更に備えた、請求項1記載の適応スピンドルアセンブリ。
【請求項9】
回転可能アダプタシャフト(80)及び固定/回転電気導電装置を介して工具電極(21)に第1の電位を供給し、ワーク(28)に第2の電位を供給する電源装置(44)を更に備えた適応スピンドルアセンブリであって、流体電解質ポンプ(60)及び濾過システム及び電源装置(44)は、制御コンピュータ(36)へのデータ通信のため、及び制御コンピュータからの制御通信のためにCNC工作機械上で制御コンピュータに電子接続されている、請求項8記載の適応スピンドルアセンブリ。
【請求項10】
CNC工作機械上でワーク(28)を電気侵食機械加工するための適応スピンドルアセンブリであって、
近接端及び遠位端を有する回転可能アダプタシャフト(80)と、
近接端及び遠位端(22)を有する工具電極(21)であって、工具電極(21)の近接端はアダプタシャフト(80)の遠位端に取り付けられた工具電極(21)と、
回転可能アダプタシャフト(80)から電気絶縁された、CNC工作機械のスピンドル(24)上の工具チャック(25)内に挿入させるための、回転可能アダプタシャフト(80)の近接端上の工具ホルダ(84)と、
CNC工作機械に取り付けられたブラケット(99)上に取り付けられた、回転可能アダプタシャフト(80)の周りの低摩擦軸受(98)と、
ブラケット(99)に取り付けられ、回転可能アダプタシャフト(80)を電気付勢するためブラケット(99)から電気絶縁された電気ブラシ接触子アセンブリと、
工具電極(21)の遠位端(22)で開口している、電極(21)内の軸方向に配向された流体経路(90)と、
工具電極(21)内の軸方向に配向された流体経路と流体連通した回転可能アダプタシャフト(80)内の軸方向に配向された流体経路(92)と、
流体電解質を工具電極(21)に沿って流体電解質を案内するために工具電極(21)の周りに流体出口(97)を備えた、回転可能アダプタシャフト(80)の遠位端の周りの流体噴霧マニホールド(96)と、
回転可能アダプタシャフト(80)内の軸方向に配向された流体経路を介して工具電極(21)内の軸方向に配向された流体経路に流体電解質を供給し、流体電解質の一部を流体噴霧マニホールド(96)に供給する流体電解質ポンプ(60)及び濾過システムと、
回転可能アダプタシャフト(80)及び電気ブラシ接触子アセンブリを介して工具電極(21)に第1の電位を供給し、ワーク(28)に第2の電位を供給する電源装置(44)とを備える適応スピンドルアセンブリ。
【発明の詳細な説明】【技術分野】
【0001】
本発明は概して、電気侵食フライス加工(EEM)に関し、より具体的にはEEM用コンピュータ数値制御(CNC)フライス加工機械などのCNC工作機械を変える適応スピンドルに関する。
【背景技術】
【0002】
電気腐食機械加工は、ワーク上の材料を取り除くために電極とワークの間の間隙を電流を通過させることによって行なわれる。ワークからの材料の電力除去に対する直流(DC)を使用する。電解質は、ワーク材料の電気侵食を容易にし、間隙領域を冷却及び洗い流すように、工具電極とワークの間で循環される。この過程により、ワークに対する低い熱損傷での高速の材料除去が可能になる。回転工具電極を使用した電気侵食機械加工の進歩した形は、関連する米国特許出願第10842344号に記載されている。
【0003】
EEMは、タービン羽根車及びブレード付ディスク粗面加工及び機械加工などの、様々な応用例で機械的切断又は他の放電機械加工(EDM)方法より迅速な機械加工及びより高い効率を提供する。しかし、本発明の前には、EEM操作用に従来のCNCフライス盤を変換する実用的な方法がなかった。従って、今までのEEM機械は専門的なシステムであった。
【特許文献1】米国特許出願公開第20050247569号明細書
【特許文献2】米国特許出願第10842344号明細書
【特許文献3】米国特許出願公開第20050218089号明細書
【特許文献4】米国特許第6968290号明細書
【特許文献5】米国特許第6897400号明細書
【特許文献6】米国特許第6858125号明細書
【特許文献7】米国特許第6846227号明細書
【特許文献8】米国特許第6835229号明細書
【特許文献9】米国特許第6642470号明細書
【特許文献10】米国特許第6627054号明細書
【特許文献11】米国特許第6416283号明細書
【特許文献12】米国特許第6264822号明細書
【特許文献13】米国特許第5900134号明細書
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【0004】
本発明の一態様は、ソフトウェア制御において複雑な構成部品幾何形状を機械加工するように、カッタ及びワークの移動を駆動及び制御するCNCフライス盤などの従来の多軸CNC工作機械用のアダプタスピンドルアセンブリにある。
【0005】
本アダプタは、EEMによる操作のためにかかるフライス盤を変換する。
【0006】
本発明の別の態様は、工具電極から間隙にわたって配置されたワークを機械加工するように構成された工具電極を含むかかるEEMアダプタスピンドルアセンブリにある。機械加工は、間隙にわたる電位によって動力が与えられた電気侵食によって達成され、間隙内で循環される液体を洗い流す電解質によって容易にされる。電源装置は、工具電極及びワークを付勢するように構成されている。
【発明を実施するための最良の形態】
【0007】
本発明のこれら及び他の特性、態様、及び利点は、図面全体を通して同様の符号が同様の部品を示す、添付の図面を参照して以下の詳細な説明を読んだ場合により良く分かるだろう。
【0008】
図1は、回転工具電極21を備えたEEM適応スピンドルアセンブリ20を設置することによって、電気侵食機械加工用に変更したCNCフライス盤23を略図的に示している。CNCフライス盤23は、当技術分野で公知の通り、機械的フライス加工工具を通常は保持するスピンドル24を有する。ワークキャリヤ27は、サーボを介してワークキャリヤを回転及び平行移動させることによって、フライス加工工具に対してワーク28を保持及び移動させる。コンピュータ36は、CNC機械を操作するサーボ及び電子部品に制御信号38を送るように記憶したプログラムを実行する。信号及び制御回路40は動作状態をコンピュータ36に通信し、また過熱、低流動性などの場合に、自動システム停止などのコンピュータからの関連制御信号を通信することもできる。
【0009】
CNCフライス盤23をEEM使用に適応させるために、適応EEMスピンドルアセンブリ20は、以下に説明するようにCNC工具スピンドル24上に取り付けられている。更に、EEM数値制御プログラムはCNCコンピュータ36内にインストールされ、直流電源44は工具電極21とワーク28の間の間隙内の電気侵食のためにEEM工具電極21を付勢するように設けられている。カスタムプラグイン回路基板42は、電源装置44とCNCコンピュータの間の信号リンク46用インターフェイスとしてCNCコンピュータ36内に設置することができる。第1の電位は、電源装置44からEEM工具電極まで通電され48、第2の電位はワーク28まで通電され50、間隙を含む電気回路48、50を形成する。
【0010】
これは、ワーク28と工具電極21の間の間隙74内の放電を発生させる。CNCコンピュータ36は、CNC工作機械の技術分野で公知の通り、工具電極21とワーク28の間の相対移動を行なうように、CNCフライス盤23内のサーボを制御し、それによって間隙74を制御する。CNCコンピュータ36は、EEM適応スピンドルアセンブリ20、関連する電源装置44、及び電解質ポンプ60のEEM過程を監視及び制御する。
【0011】
電源装置44内の電圧測定回路は、電力回路48、50を介して間隙にわたって電圧を感知し、このデータをCNCコンピュータ36内のカスタム回路基板42まで信号リンク46を介して通信させて、間隙74の放電状況及び状態に関する情報を提供する。EEM制御プログラムは、このフィードバックに基づく最適操作のために機械加工送り速度及び直流電力プロファイルを制御する。電源装置内の回路はこれに限らないが、特にマイクロプロセッサ又は別の計算装置、電圧測定装置、タイミング装置、パルス発生装置、電圧比較装置、及びデータ記憶装置を含むことができる。かかる装置は全て当技術分野ではよく知られており、かかる適切な装置のいずれかを本発明の範囲から逸脱することなく使用することができる。
【0012】
CNC機械工具はしばしば、カッタ及びワーク28上に液体を噴霧して、これらを冷却し、エッチング加工した粒子を洗い流すように設けられている。シールド30は、濾過システムを介した再利用のために、収集タンク又はタブ32内に液体を集めることができる。EEMは、これらの冷却及びフラッシング機能を果たし、また電気侵食を可能にする液体電解質循環システムを使用する。EEM電解質システムは、シールド30及び収集タンク32などの、CNCフライス盤23のいくつかの既存の液体循環構成部品を使用することができる。他のEEM専門の構成部品は、必要に応じて適応させる、又は加えることができる。例えば、別個の電解質ポンプ及び濾過ユニット60を、既存の収集タンク32からの液体戻りライン62による連結のために設けることができる。内部フラッシング流体供給ライン64は、以下に説明するように、内部フラッシングのために、ポンプ60からの電解質の第1の流れを提供することができる。外部フラッシング流体供給ライン66は、以下に説明するように、外部フラッシングのために電解質の第2の流れを提供することができる。濾過は、例えば、本願出願人に譲渡された米国特許出願公開第20050218089号に記載の通り行なうことができる。電解質ポンプ60は、コンピュータへのデータ通信のために、またコンピュータからの制御通信のために、制御コンピュータ36に電子接続40することもできる。これにより、過熱又は低流動性状態に対する、流量制御及び機械加工停止が可能になる。
【0013】
図2は、ワーク28から間隙74にわたって位置決めされた工具電極21を含むEEMスピンドルアダプタアセンブリ20を示している。電源装置44は、間隙74内に放電を発生させ、ワーク28を機械加工する。放電は粒子をワーク28から離し、それによってワークを機械加工する。
【0014】
工具電極21は、コレット82により、回転可能アダプタシャフト80の遠位端81に取り外し可能に取り付けることができる。工具ホルダ84はアダプタシャフト80の近接端に固定され、CNCスピンドル24上で工具チャック25と噛み合う。アダプタシャフト80は、アダプタシャフト80と工具ホルダ84の間の絶縁体86によってCNCスピンドル24から電気絶縁されている。電源装置44は、工具電極に通電するリード48とワークに通電するリード50の電圧差ΔVのパルスを加えることによって、工具電極21を付勢することができる。この電力は、電気ブラシ接触子89のサブアセンブリ88などの固定/回転導電装置により、リード48と回転アダプタシャフト80の間で通電される。別の方法では、回転変圧器(図示せず)を使用することもできる。回転変圧器は、固定導体からの物理的接触なく、回転導体内に電流を誘導する。
【0015】
液体電解質の第1及び第2の流れ72、73はそれぞれ、内部及び外部フラッシングのために提供することができる。図2に示すように、液体電解質の第1の流れ72は、アダプタシャフト80内の軸方向に配向された導管92を介して工具電極21内の軸方向に配向された導管90に供給される。電解質72は、アダプタシャフト80の一部の周りで密封された流体入力マニホールド94により、アダプタシャフト80内の導体92に入ることができる。この流体入力マニホールド94は、シャフト80内の略径方向に配向された経路95を介して、シャフト80内の導管92まで流体72を通過させる。電解質72は従って、シャフト80が回転している間に導管92内に流入することができ、工具電極導管90内に流入することができる。工具電極21の遠位端22内に開口91から出て、ここで間隙74を通して循環し、電気侵食、フラッシング、エッチング加工された粒子を効率的に取り除くこと、及び冷却が可能になる。
【0016】
図3は、電解質の第1の流れ72を工具電極に供給する第2の実施形態を示している。いくつかのCNCフライス盤は、スピンドル24内の流体経路26を介した「スピンドル通過」フラッシングを行なう。この経路26は、図示するように、工具ホルダ184を通してアダプタシャフト180内に導管192を延ばすことによって利用することができる。この場合、図2と同様の流体入力マニホールド94は必要ない。
【0017】
流体電解質の第2の流れ73は外部フラッシングのために設けることができ、ここで液体73は工具電極の外側から工具電極21の遠位端22に向かって噴霧される。図2及び3は、アダプタシャフト80、180の遠位端81の周りに取り付けられ、ブラシサブアセンブリ88に取り付けられた噴霧マニホールド96により外部フラッシングを行なう方法を示している。噴霧マニホールド96は、工具電極のそばで液体73を噴霧するために、工具電極21の周りに流体出口97を有する。別の方法では又は加えて、適応スピンドルアセンブリ20に取り付けられていない、図示しない他の外部ノズルを使用することもできる。
【0018】
アダプタシャフト80は、低摩擦軸受98に取り付けられている。軸受98及びブラシサブアセンブリ88は、CNCフライス盤23に取り付けられたブラケット99によって支持されている。軸受98は、CNCスピンドル24と位置合わせしてアダプタシャフトを支持する。アダプタアセンブリ20は、CNCフライス盤23から電気絶縁されている。ブラケット99は、図2及び3に示すように電気絶縁材料でできていてもよく、又は図4に示すように絶縁部99iを有することもできる。ブラケット99は、図1〜3に示すように、CNCフライス盤23の固定部に取り付けることができる。この場合、工具電極21に対するワーク28のCNC移動は、CNCフライス盤の技術分野で公知の通り、ワークキャリヤ27によって行なわれる。別の方法では、ブラケット99は図4に示すように、可動スピンドルキャリヤ29に取り付けることができる。この場合、工具電極21に対するワーク28のCNC移動は、スピンドルキャリヤ29及び/又はワークキャリヤ27によって行なうことができる。可動スピンドルキャリヤ29は、図示するようにピストンであってもよく、又はCNCフライス盤の技術分野で公知の通り、多数の直角方向又は軌跡上に取り付けられたスピンドル駆動機構であってもよい。
【0019】
本発明の態様によるEEMシステムは、約31Vから70Vまでの開放電圧、及び約100Aから3000Aまでの平均電流範囲を有し、ワーク28に接続された正の電位及び工具電極21に接続された負の電位を有するパルス又は連続直流電力と、約100psiから1000psiまでの圧力範囲を有する内部/外部水系フラッシング電解質72、73と、グラファイト又は真鍮などの導電壁材料を有する回転管電極21と、約500rpmから10000rpmの回転速度範囲を使用することができる。これらの詳細は例としてのみ提供され、本発明を限定するものではない。
【0020】
本EEM用適応スピンドルにより、従来のCNCフライス盤23が電気侵食放電フライス加工又は従来のフライス加工のいずれかを使用することが可能になる。EEMの例示的な利点としては以下のものを挙げることができる。1)高い材料除去速度。20000立方mm/分を超える材料除去速度が、32mm口径の管電極を使用して示されている。2)低い切断力。4)低い工具費用。EEM電極は、高い強度、高い硬度、及び複雑なカッタ形状を必要とする従来のフライス加工工具と比較して低い費用の材料の単純な管であってもよいからである。5)低い工具保守性。というのは、EEM工具電極は鋭くないが、簡単に交換されるからである。
【0021】
操作中、EEMは、タービン羽根車及びブレード付ディスク粗面化工及び機械加工などの、様々な応用例で機械的切断又は他の放電機械加工(EDM)方法より迅速な機械加工及びより高い効率を提供する。EEMアセンブリでは、電位が電極と機械加工されるワークの間の間隙にわたって発生されて、間隙内の放電につながる。機械加工電極が間隙だけ離れたワーク表面に近づくと、放電が電圧により間隙を通して起こる。機械加工区間を構成する間隙は、液体電解質で充填されている。EEMシステムは電解質の流れを提供し、これにより腐食した粒子が間隙から取り除かれ、放電に適切な媒体が提供される。
【0022】
Inconel 718金属合金などの金属合金でできている翼形部は、上記の過程を使用して製造することができることを検査が示している。これらの検査は、例えば4軸数値制御及びパルス直流電源装置を使用した検査状態における、機械加工速度の実質的な増加、及び機械加工に関する工具費用の実質的な減少を示している。
【0023】
Inconel 718は、比較的高い強度、高温、及び耐侵食性ニッケルクロム超合金の一例である。最大1300Fの空気中で使用するのが適切である。簡単に作動され、時効硬化させることができる。この合金は重量%で概略以下の元素を含むことができる。
アルミニウム 0.2〜0.8
ホウ酸 最大0.006
炭素 最大0.08
クロム 17〜21
コバルト 最大1
銅 最大0.3
鉄 残り
マンガン 最大0.35
モリブデン 2.8〜3.3
ニッケル 50〜55
ニオブ 4.75〜5.5
リン 最大0.015
珪素 最大0.35
硫黄 最大0.015
チタン 0.65〜1.15。
【0024】
本発明の特定の特性のみを本明細書で例示し説明したが、当業者は多くの変形及び変更を思い付くだろう。従って、頭記の特許請求の範囲は本発明の真の精神内に含まれるような、かかる変形形態及び変更形態全てを含むことを意図していることを理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【0025】
【図1】従来のCNCフライス盤で使用することができるような、本発明の一実施形態によるEEM適応スピンドルの略図である。
【図2】本発明の第1の実施形態によるEEM適応スピンドルアセンブリを示す図である。
【図3】本発明の第2の実施形態によるEEM適応スピンドルアセンブリを示す図である。
【図4】CNCフライス盤の可動スピンドルキャリヤ上に取り付けられたEEM適応スピンドルアセンブリを示す図である。
【符号の説明】
【0026】
20 適応スピンドルアセンブリ
21 回転工具電極
22 遠位端
23 フライス盤
24 スピンドル
25 工具チャック
26 流体経路
27 ワークキャリヤ
28 ワーク
29 可動スピンドルキャリヤ
30 シールド
32 収集タンク又はタブ
36 CNCコンピュータ
40 信号及び制御回路
42 カスタムプラグイン回路基板
44 直流電源装置
46 信号リンク
48 第1の電位を通電
50 第2の電位を通電
60 電解質ポンプ
62 流体戻りライン
64 内部フラッシング流体供給ライン
66 外部フラッシング流体供給ライン
72、73 第1及び第2の流れ
74 間隙
80 回転可能アダプタシャフト
81 遠位端
82 コレット
84 工具ホルダ
86 絶縁体
88 ブラシサブアセンブリ
89 電気ブラシ接触子
90 軸方向に配向された導管
91 開口
92 軸方向に配向された導管
94 流体入力マニホールド
95 径方向に配向された流路
96 マニホールド
97 流体出口
98 低摩擦軸受
99 ブラケット
99i 絶縁部
180 アダプタシャフト
184 工具ホルダ
192 導管
【出願人】 【識別番号】390041542
【氏名又は名称】ゼネラル・エレクトリック・カンパニイ
【氏名又は名称原語表記】GENERAL ELECTRIC COMPANY
【出願日】 平成19年12月7日(2007.12.7)
【代理人】 【識別番号】100093908
【弁理士】
【氏名又は名称】松本 研一

【識別番号】100105588
【弁理士】
【氏名又は名称】小倉 博

【識別番号】100129779
【弁理士】
【氏名又は名称】黒川 俊久

【識別番号】100137545
【弁理士】
【氏名又は名称】荒川 聡志


【公開番号】 特開2008−142886(P2008−142886A)
【公開日】 平成20年6月26日(2008.6.26)
【出願番号】 特願2007−316618(P2007−316618)