ガスタービンエンジンの難削材複雑形状部品の加工技術の 高度化の研究

ガスタービンエンジンの難削材複雑形状部品の加工技術の高度化の研究 平成 22 年度戦略的基盤技術高度化支援事業ヒアリング資料受付番号 :21352813008 採択年度 : 平成 21 年度評価区分 : 最終評価 ( 主たる技術 ; 切削加工 ) 事業管理機関 : 財団法人新産業創造研究機構研究実施者 : 株式会社ナサダ株式会社タジマ株式会社ニートレックス国立大学法人東京農工大学

研究開発の背景と目的 航空機ガスタービン及び発電用ガスタービンのタービンブレードは 重要部品であるために従来工法からの変更が難しくコスト低減が進みにくい また形状が 3 次元の複雑形状で難削材が使われており加工方法の変更はネックになっている このタービンブレードを次世代工法 新保持具 新工具 新設備等を研究開発し無人化の連続加工を可能にして コストを 1/2 にする事により 圧倒的競争力を付けて 川下企業ニーズに答える P1 今後のガスタービンの生産量予測 航空機用のジェットエンジンは 2015 年以降に新型航空機の生産が急激に増加することが予想されている 発電用ガスタービンは新興国の電力需要増加により 大型高効率ガスタービン 原子力タービンの需要が大幅に増加することが予想されている このためにタービンブレードの生産量は 20 26 年には 現在の 3 倍に増加すると言われている

研究体制 P2

主な対象部品 P3 ジェトエンジン用タービンブレード 発電用タービンブレード 大型ブレードは 82inch(2,082mm) にスケールアップし難易度が更に向上する

研究開発計画概要 1( 保持技術の開発 ) P5 鋳込み方式 基準ピン方式 タービンブレード保持の従来技術 人体に有害な鉛系の低融合金鋼を使用する クランプ力が弱く精度が出ない 高効率加工に対応できない タービンブレード保持の新技術 円筒パイプに樹脂を充填してブレードを固定する 保持力を向上し且つ歪み無しのクランプ 取付け取外しが容易である

研究開発計画概要 2( 加工技術の開発 ) P6 タービンブレード加工工法の従来技術 両端保持加工 1 加工時間が長い 2 ツールマークが残る 3 ブレードを両端保持するため中央が撓む 4 面粗度が荒い 5 品質の安定が困難 6 工具寿命が短い 樹脂固定による押し出し加工工法 タービンブレード加工工法の新技術 ピラニア治具固定法 新工法は加工部及びチャッキング部すべてを樹脂等で包み込み 樹脂等の固定している媒体ごと切削する タービンブレード両端の根部及びシュラウド部をワンタッチで保持し, 複合加工機の主軸と第二主軸でチャッキングして ブレード加工を自動化する

研究開発計画概要 3( 加工工具の開発 -1) P7 タービンブレード従来工具と従来加工工法 タービンブレード新工具と新加工工法 1 2 3 4 5 6 7 8 9 中心の回転がゼロであり切削していない大容量切削が苦手ツールマークが残り面粗度が悪い切削抵抗が大きくブレードのストレスが高い 工具押さえ空間が狭小のため刃先交換式が困難 Φ 30mm 前後を多用するため高速回転が必要 Φ 30mm 前後を多用するため多刃化が困難切粉ポケットが狭小で詰まりやすく発熱原因セラミック刃先が普及していない 多刃工具切刃を多くして工具とワークの負担を軽くし 高能率加工と特にビビリ防止を実現する 高圧クーラント対応工具 (7MPa) チップ上面を切粉が通過する時間と面積を小さくして摩耗と溶着を防ぎ 劇的な長寿命化を実現する

研究開発計画概要 4( 加工工具の開発 -2) タービンブレード従来工具と従来加工工法 タービンブレード新工具と新加工工法 P8 1 熟練技能に頼った作業 2 機械化が困難 3 個人差が大きい 4 研磨焼けが起きる 5 作業環境が悪い ( 粉塵 騒音 重い ) 6 加工寸法は勘が頼り 7 後継者の確保が難しい 8 ブレードの品質安定の盲点 9 コスト低減が困難 クーラントが砥石の回転により形成される空気層によりワークに届かず 砥石の目詰まり除去 ワークの冷却が十分にできない ウォーターカーテンと切削液内部給油による次世代ブレード研削技術 ( ハイパー研削 ) による翼面磨き加工の自動化を行い さらに研磨焼けの無い重研削加工を実現する

事業化のイメージ P9 受注 共同受注会社 海外向け営業活動受注業務及び生産管理 生産 株式会社ナサダブレードの加工 株式会社 Nitolex ( 砥石の供給 ) 株式会社タジマブレードの加工 技術供与 新規加工会社ブレードの加工 技術供与 外注 新規加工会社ブレードの加工 外注 ユーザ 国内発電用ガスタービンメーカ 国内航空エンジンメーカ 海外発電用ガスタービンメーカ 海外航空エンジンメーカ

研究開発結果 1( 保持具の開発 1) P10 低融合金による鋳込み法 樹脂等のよる固定法 パテ部分固定法 非鉄保持材 基準ピン固定法

研究開発結果 2( 保持具の開発 2) P11 何故? パテ固定法を選定したか? 高温 200 高圧力 30kg/cm2 高粘度 水飴状 インジェクション 2 全面樹脂硬化方式の失敗!! ブレードが樹脂圧と冷却による収縮で安定しない さらに樹脂の使用量が多くコストが掛かる

研究開発結果 3( 保持具の開発 3) P12

荷重 N 荷重 N 荷重 N 荷重 N 研究開発結果 4( 保持具の開発 4) P13 東京農工大でパテ固定法を検証 概略図 タービンブレード固定治具 測定概略図 引っ張り方向 基準面 ペースト状接着樹脂 オートグラフ 離型剤 接着面積が一定となるように図の用に離型剤を塗布する. ペースト状接着樹脂 タービンブレード固定治具 接着樹脂の鉛直方向の固定力の測定方法 三箇所をボルトにより固定し平行を出す 離型剤が塗られていない部分を一定面積とする. 表面粗さ Ra 3.5 m 40 35 30 25 20 15 10 5 0 0 0.25 0.5 0.75 1 1.25 1.5 1.75 2 40 35 30 25 20 15 10 5 0 変位 mm 0 0.25 0.5 0.75 1 1.25 1.5 1.75 2 変位 mm 測定概略図 鉛直方向の引っ張り試験 オートグラフ ペースト状接着樹脂 離型剤を塗布 タービンブレード固定治具 900 800 700 600 500 400 300 200 100 0 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 変位 mm 900 800 700 600 500 400 300 200 100 0 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 変位 mm

研究開発結果 5( 新加工技術の開発 ) P14 樹脂固定による押し出し加工工法 1 ブレード全体を樹脂で固めると 樹脂の使用量が多くコストが掛かる 2 樹脂の硬化時の変形が大きく且つ割れが出来やすい 3 外形精度の確保が難しい 1 円筒固定治具による両端加工工法 2 ピラニア治具による翼面加工工法

研究開発結果 6( 多刃工具開発 1) P15 多刃工具のジェットクーラント対応工具の設計製作及び加工技術の研究 多刃工具の構想図 セラミック多刃工具の設計図面

研究開発結果 7( 多刃工具開発 2) P16 多刃工具は正面フライス加工 プランジ加工 溝加工の 3 種類の加工が可能な設計とし 尚且つ高圧クーラント対応の構造であり 1 個のカッターにおいて色々な加工個所に使用出来る 特に複合加工機においては B 軸を傾斜させた加工に使用できるため B 軸の傾斜角度を変えることにより 使用工具の刃先位置が変えられるために 1 回のセッティングで 3 つの角度 ( 角度 0 度 45 度 90 度 ) で使用可能となり 大幅に切削長を延ばせる可能性がある これにより 3 タイプの加工に使用出来れば大幅な工具費の低減が実現できる

研究開発結果 9( 研削技術の開発 2) P18 研削加工時のスラッジ対策 フィルターレスサイクロン集塵機 ⅰ) 1μ m 粒子まで 99.9% 集塵率で分離 ⅱ) フィルターが不要 ⅲ) 目詰まりによる減衰ゼロ

研究開発結果 10( 研削技術の開発 3) P19 アルミナ系多孔質砥石による研削テスト ( 重研削加工 ) と粒粒度寸法最高使用周速度 SV 80 100*20*25.4 33 m/s CBN 砥石による研削テスト ( 仕上研削加工 ) と粒粒度寸法最高使用周速度 CBN 140 100D*20T*15R*25 45m/s

研究開発結果 10( 研削技術の開発 4) P20 アルミナ系多孔質砥石による研削テスト ( 重研削加工 ) 周速回転数送り 切り込み 加工前 砥石径 加工後 差 主軸付加 1 100 100.700 100.700 0 2~3% 0.1 2 90 100.700 100.698 0.002 2~3% 3 80 100.698 100.698 0 2~3% 0.2 4 70 100.698 100.695 0.003 2~3% 5 60 100.695 100.692 0.003 2~3% 0.3 6 33m/s 6300 50 100.692 100.690 0.002 2~3% 7 40 100.690 100.687 0.003 2~3% 0.4 8 30 100.687 100.687 0 2~3% 9 20 100.687 100.685 0.002 2~3% 0.5 10 10 100.685 100.684 0.001 2~3% - 30 1 100.890 100.805 0.085 3~4% 1 目標 粗度 ( 先側 ) Ra 粗度 ( 根部側 ) Ra 1.92 1.59 2 1.87 1.60 3 2.01 1.61 4 2.29 1.63 5 2.24 1.62 6 Ra 3.0 以下 2.22 1.65 7 2.34 1.65 8 2.30 1.68 9 2.60 1.66 10 2.57 1.64-1.77 1.92 CBN 砥石による研削テスト ( 仕上研削加工 ) 1 周速回転数送り 切り込み 加工前 砥石径 加工後 差 主軸付加 3000 0.05 100.01 100.01 0 5% 2 4000 0.03 100.01 100.01 0 5% 45 8600 3 5000 0.01 100.01 100.01 0 5% 4 2000 0.1 100.01 100 0.01 5~6% 粗度 目標 Ra Ry 1 0.37 2.6 2 Ra 0.36 2.6 1.0 以下 3 0.34 2.7 4 0.29 1.6

研究開発成果の確立及び普及 P21 特許 実用新案 特願 2009-257496 ブレードの樹脂充填保持装置 ブレードの樹脂充填固化加工方法 長尺ブレードの樹脂充填固化加工装置 長尺ブレードの樹脂充填固化加工方法 実願 2010-000874 研削砥石ユニット 実願 2010-002422 多刃カッターによる凹面加工装置 普及の取組み 川下企業でサポイン研究成果報告会の開催 1. 三菱重工業株式会社名古屋誘導推進システム製作所 2. 三菱重工業株式会社高砂製作所 3. 川崎重工業株式会社カ スターヒ ンヒ シ ネスセンター明石工場 4. 川崎重工業株式会社カ スターヒ ンヒ シ ネスセンター西神工場 展示会への出展神戸国際フロンティア産業メッセ関西機械要素展 ( インテック大阪 ) 2009 年 9 月及び2010 年 9 月 2010 年 10 月