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技術 切削方法及びこの切削方法に使用される切削装置並びに工具

出願人 株式会社滝澤鉄工所
発明者 川上八十山本昇
出願日 2000年2月28日 (19年7ヶ月経過) 出願番号 2000-051227
公開日 2001年9月4日 (18年1ヶ月経過) 公開番号 2001-239409
状態 拒絶査定
技術分野 フライス加工 主軸への把持 穴あけ、中ぐり加工 旋削加工
主要キーワード テーパ度 きさげ ミリングカッター コップ形 加工半径 非円筒形 切除面 粗形状
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2001年9月4日)のものです。
また、この項目は機械的に抽出しているため、正しく解析できていない場合があります

図面 (8)

課題

ワークを高速で回転させなくても、又、工具形状如何にかかわらず、面粗度を向上させることができるようにする。

解決手段

C軸を中心に回転する主軸に取り付けられたワークに、主軸の軸芯と平行なZ軸方向に移動可能なZ軸スライドに取り付けられて主軸の軸芯と直角なX軸方向に移動可能なX軸スライドに固定されたスピンドルユニットスピンドルに取り付けられた工具を作用させてワークを切削する切削方法において、工具の回転によってワークを部分的に切除するとともに、この切除域を工具の回転数をワークの回転数より少なくとも102 以上をもってC軸及びZ軸方向に重複させ、その重複部をワークの全加工域にまで拡大して行くことを特徴とする切削方法。

概要

背景

旋盤による旋削加工は、一般に、主軸にワークを取り付けて回転させ、これを刃物台に固定したバイト(工具)で切削しており、この間、バイトは常にワークに接触している連続切削である。又、ワークを回転させてバイトを固定する旋削加工では、加工表面の断面形状は原則的には円である。但し、工具送りにおいて、工具を主軸の軸芯(Z軸)と平行に動かして円筒形に加工する場合と、Z軸位置に応じて工具をZ軸と直角な方向(X軸)に動かして非円筒形に加工する場合とはある。

これに対して、フライス盤等では、ワークをテーブル等に固定し、これを主軸に取り付けたミリングカッター等の工具を回転させて切削しており、所謂、断続切削の状態をとる。そして、ワークの仕上げ形状に応じてテーブルをX軸、Y軸の二次元方向に動かしたり或いはこれにZ軸方向の動きを加えて加工している。尚、フライス盤等でも、バイトを用いてワークに断面が円形の孔や外形の加工表面を得ることもあるが、この場合は連続切削が採択され、通常は、ワークを固定し、工具を回転させている。

このように、旋削加工、フライス加工いずれであっても、断面が円形の加工表面を得るには、ワークか工具のいずれかを固定しての連続切削によっている。この場合、相手方も回転させると、その回転部分のガタ等によって真円度が低下し、面粗度も粗くなると考えられているからである。

概要

ワークを高速で回転させなくても、又、工具形状如何にかかわらず、面粗度を向上させることができるようにする。

C軸を中心に回転する主軸に取り付けられたワークに、主軸の軸芯と平行なZ軸方向に移動可能なZ軸スライドに取り付けられて主軸の軸芯と直角なX軸方向に移動可能なX軸スライドに固定されたスピンドルユニットスピンドルに取り付けられた工具を作用させてワークを切削する切削方法において、工具の回転によってワークを部分的に切除するとともに、この切除域を工具の回転数をワークの回転数より少なくとも102 以上をもってC軸及びZ軸方向に重複させ、その重複部をワークの全加工域にまで拡大して行くことを特徴とする切削方法。

目的

効果

実績

技術文献被引用数
1件
牽制数
0件

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請求項1

C軸を中心に回転する主軸に取り付けられたワークに、主軸の軸芯と平行なZ軸方向に移動可能なZ軸スライドに取り付けられて主軸の軸芯と直角なX軸方向に移動可能なX軸スライドに固定されたスピンドルユニットスピンドルに取り付けられた工具を作用させてワークを切削する切削方法において、工具の回転によってワークを部分的に切除するとともに、この切除域を工具の回転数をワークの回転数より少なくとも102 以上をもってC軸及びZ軸方向に重複させ、その重複部をワークの全加工域にまで拡大して行くことを特徴とする切削方法。

請求項2

ワークのC軸位置に応じてX軸スライドの位置を変え、ワークを予め決められた非円形に切削する請求項1の切削方法。

請求項3

ワークのZ軸位置に応じてX軸スライドの位置を変え、ワークを予め決められた非円筒形に切削する請求項1又は2の切削方法。

請求項4

ワークがピストンで、工具による切削がそのピン孔であり、ピン孔が楕円状、かつ、鼓状である請求項3の切削方法。

請求項5

C軸を中心に回転する主軸と、主軸の軸芯と平行なZ軸方向に移動可能なZ軸スライドと、Z軸スライドに固定されて主軸の軸芯と直角なX軸方向に移動可能なX軸スライドと、X軸スライドに取り付けられて高速回転するスピンドルを持つスピンドルユニットとを有しており、これら各要素がNC装置によって制御される請求項1〜4いずれかの切削方法に使用される切削装置

請求項6

ワークに作用する工具の刃先形状が、前後肩の部分が半径r、その中心距離が半径rとほぼ同じで、かつ、中央部分が肩の部分より1〜2μm突出する半径Rの凸円形をしているものであり、r/Rが1/10〜1/100に設定されるものである請求項1〜4いずれかの切削方法に使用される工具。

請求項7

工具が、スピンドルユニットに二面拘束されて取り付けられる工具ホルダーインサートされているものである請求項6の工具。

技術分野

e.ワークを低速で回転させても加工時間の遅延をもたらさないから、その位相に応じてX軸を制御して非円形な形状に加工する場合でも、X軸は低速で移動(振動)させればよいことになり、大きな振幅が可能になって非円形度の高いものでも加工できる。

背景技術

0001

本発明は、主軸にワークを取り付け、これを刃物台に取り付けた回転する工具切削する切削方法及びこの切削方法に使用される切削装置並びに工具に関するものである。

0002

旋盤による旋削加工は、一般に、主軸にワークを取り付けて回転させ、これを刃物台に固定したバイト(工具)で切削しており、この間、バイトは常にワークに接触している連続切削である。又、ワークを回転させてバイトを固定する旋削加工では、加工表面の断面形状は原則的には円である。但し、工具送りにおいて、工具を主軸の軸芯(Z軸)と平行に動かして円筒形に加工する場合と、Z軸位置に応じて工具をZ軸と直角な方向(X軸)に動かして非円筒形に加工する場合とはある。

0003

これに対して、フライス盤等では、ワークをテーブル等に固定し、これを主軸に取り付けたミリングカッター等の工具を回転させて切削しており、所謂、断続切削の状態をとる。そして、ワークの仕上げ形状に応じてテーブルをX軸、Y軸の二次元方向に動かしたり或いはこれにZ軸方向の動きを加えて加工している。尚、フライス盤等でも、バイトを用いてワークに断面が円形の孔や外形の加工表面を得ることもあるが、この場合は連続切削が採択され、通常は、ワークを固定し、工具を回転させている。

発明が解決しようとする課題

0004

このように、旋削加工、フライス加工いずれであっても、断面が円形の加工表面を得るには、ワークか工具のいずれかを固定しての連続切削によっている。この場合、相手方も回転させると、その回転部分のガタ等によって真円度が低下し、面粗度も粗くなると考えられているからである。

0005

一方、断面が円形の加工表面を得るための連続切削においても、ワーク又は工具(以下、ワーク)の回転位相に応じて工具又はワーク(以下、工具)のX軸又はY軸(以下、X軸)位置を変えて断面が楕円等の非円形の加工表面を得る方法が行われている。このような加工方法は、従来は、モデル等を用いる倣い旋削によっていたが、最近は、NC工作機械が普及していることから、その入力値に加工形状に応じた各座標値補正することで加工ができるようになっている(例えば、特開平1−271102号、特表平10−509660号)。

0006

しかし、いずれの方法によっても、ワークが一回転する間に工具はX軸方向に一往復(振動)しなければならない。ところが、工具を取り付ける刃物台には相当の慣性があることから、高い周波数での振動は不可能であり、又、あまり大きな振幅もとれない。このため、ワークを高速には回転できず、加工時間の遅延をもたらせていたし、非円形度の大きな形状の加工は無理であった。

課題を解決するための手段

0007

本発明は、このような課題を解決するものであり、従来、考えられていなかったワークと工具を共に回転させて断面が円形若しくは円形に近い非円形の加工表面を得るようにしたものである。この切削方法は、言わば、断続切削による旋削加工であるが、このときの工具をワークの回転数の102 のオーダーで回転させると、工具を回転させることによる精度低下及び面粗度の低下を補って余りあることを見出したものである。

0008

以上の課題の下、本発明は、C軸を中心に回転する主軸に取り付けられたワークに、主軸の軸芯と平行なZ軸方向に移動可能なZ軸スライドに取り付けられて主軸の軸芯と直角なX軸方向に移動可能なX軸スライドに固定されたスピンドルユニットスピンドルに取り付けられた工具を作用させてワークを切削する切削方法において、工具の回転によってワークを部分的に切除するとともに、この切除域を工具の回転数をワークの回転数より少なくとも102 以上をもってC軸及びZ軸方向に重複させ、その重複部をワークの全加工域にまで拡大して行くことを特徴とする切削方法を提供したものである。

0009

即ち、本発明では、工具によるワークの部分的切除がワークと工具の回転及び工具のZ軸方向の送りによってC軸及びZ軸方向に重複し、その重複部を全加工域まで拡大するものであるが、このときの工具の回転数をワークの回転数よりも102 のオーダーで高いものにして切除域の重複率を極めて高いものにすることで、所望の精度と面粗度を得ることができるとともに、工具形状にこだわらないことに成功したものである。勿論、従来の連続切削による旋削加工でも、工具の当たり面は、送りよりも通常は幅広であるから、加工幅は重複して行くが、このような重複率に比べてこの切削方法による重複率は格段に高い。

0010

従って、加工表面は平滑化してその面粗度は却って高くなるし、工具が回転するが故の精度低下も補えることが判明した。加えて、ワークの回転数はそれほど高くする必要はないから、ワークの回転位相に応じて工具を振動させて断面が非円形の加工表面を得るときも、その速度(振動数)は低くて足りるとともに、振幅も大きくでき、非円形度の大きい形状を加工できる。更に、アンバランスな形状をしていて高速では回転させられないワークや剛性が弱くて強くチャッキングできないワークにも対応できる。

0011

尚、以上のような切削方法においても、その態様は、断面が真円形で、全体が円筒形に加工する態様にとどまらず、ワークの回転位相に応じてX軸スライドの位置を変え、ワークを予め決められた非円形に切削する態様、ワークのZ軸位置に応じてX軸スライドの位置を変え、ワークを予め決められた非円筒形に切削する態様があるのは従来と同様である。

0012

又、本発明は、以上の切削方法を具現する装置として、C軸を中心に回転する主軸と、主軸の軸芯と平行なZ軸方向に移動可能なZ軸スライドと、Z軸スライドに固定されて主軸の軸芯と直角なX軸方向に移動可能なX軸スライドと、X軸スライドに取り付けられて高速回転するスピンドルを持つスピンドルユニットとを有しており、これら各要素がNC装置によって制御される切削装置を提供する。ワークを定められた形状に切削するには、主軸やスピンドルの回転制御及びZ軸、X軸スライドの位置制御は、それぞれ相関的に制御されなければならない。本発明では、その制御の方法は問わないが、これをNC装置によって制御すれば、簡単な入力操作によって正確で応答性の高い制御ができる。

0013

更に、本発明は、以上の切削方法において、ワークに作用する工具の刃先形状が、前後肩の部分が半径r、その中心距離が半径rとほぼ同じで、かつ、中央部分が肩の部分より1〜2μm突出する半径Rの凸円形をしているものであり、r/Rが1/10〜1/100に設定されるもの、この場合において、工具が、スピンドルユニットに二面拘束されて取り付けられる工具ホルダーインサートされているものを提供する。

発明を実施するための最良の形態

0014

本発明に係る切除域の重複率が格段に高い切削方法によれば、工具の刃先形状はどのようなものであってもよいが、上記したような刃先形状を採択すれば、特に、その中央部分の大きなアールの凸円形形状が略平坦面を形成することに関連して面粗度向上に一層寄与することが見出された。更に、この工具が、スピンドルユニットに二面拘束されて取り付けられる工具ホルダーにインサートされているものであると、剛性が上がるととともに、刃先位置設定等が容易になる。

0015

以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。図5は本発明を実施するための切削装置の説明図であるが、この切削装置は、少なくとも、主軸1と、主軸1の軸芯と平行なZ軸方向に移動可能なZ軸スライド2と、Z軸スライド2に取り付けられて主軸1の軸芯と直角なX軸方向に移動可能なX軸スライド3と、X軸スライド3に取り付けられるスピンドルユニット4とを有している。

0016

この場合、主軸1は、サーボモータ5で駆動されて回転し(回転軸をC軸とする)、Z軸スライド2及びX軸スライド3とも、それぞれサーボモータ6、7の出力でボールネジ機構等を介して移動させられる。尚、これら主軸1のC軸制御、Z軸スライド2やX軸スライド3のZ軸及びX軸制御、スピンドルユニット4の回転制御等は、予め入力されたデータに基づいて所定の出力をするNC装置で制御すればよい。

0017

主軸1にはチャック8が取り付けられ、このチャック8にはワーク9が固定される。更に、スピンドルユニット4のスピンドル10には工具11が取り付けられるが、この場合におけるスピンドルユニット4は、スピンドル10の回転数N2が約4×104 という高速のものが採択される。これに対して主軸1の回転数N1 は2〜4×102 程度に設定され、その回転数比N=N1 /N2 は1/102以下に設定される。

0018

図3は以上の設定に基づいて工具11でワーク9の内周を切削する場合の説明図であるが、その方法は、工具11を高速で回転させる以外は従来と変わらない。従って、工具11の構造にはこだわらないが、ただ、工具ホルダー12に突出量を調整できてインサートされるものが、加工径を設定できて好ましい。更に、この場合の工具ホルダー12は、テーパ部12aとフランジ部12bとを有するものが好ましく、加えて、このテーパ部12aとフランジ部12bをスピンドル10のテーパ孔前端面に接当させる二面拘束のものが剛性の強化びびり抑制が図られて好ましい。尚、スピンドル10から工具ホルダー12へのトルク伝達は、テーパ度を緩やかなものに設定しておけば、テーパ部12aをテーパ孔に押し込むだけでも、くさび効果が発生して十分なものとなる。

0019

図4はこの工具11の刃先形状を示す説明図であるが、本発明で使用する工具11の刃先形状は、前後肩の部分が半径r、その中心距離pがp≒rで、かつ、中央部分が肩の部分よりΔd=1〜2μmで突出する半径Rの凸円形をしており、r/Rが1/10〜1/100に設定されるものが好ましい。但し、工具11の大きさ(幅や厚み)については、加工するワークの大きさに応じて適宜に定められる。更に、工具11の刃先の材質は、面粗度向上の観点から硬度の高いダイヤモンドがもっとも適するが、超硬やハイス等の使用も可能である。このような刃先形状にすると、その突出面は、ほぼ平坦面を形成することになるが、本発明が、工具11によるワーク9の部分切除を大きな重複率でもって積み重ねて行くものであるから、この略平坦面の突出面がこれに大きく寄与する。

0020

図1は本発明による切削の状態を示す断面図、図2は切削されたワーク9を展開した模式図であるが、工具11と主軸1とを上記した回転数比で回転させてワーク9を工具11で切削すると、ワーク9は工具11の一回転で部分切除されることになり、その切除域Sがワーク9の回転と工具11のZ軸方向の送りによって重複させられ、その回転軌跡面Uの包絡面Vが加工面となって全加工域までに拡大されるのである。即ち、従来の旋削加工が言わば果物皮剥きであるとすると、本発明による切削加工は、きさげ作業の積み重ねとでも言うことができる。尚、送りや切込みといった加工条件は従来の旋削加工の場合と変わらない。

0021

ここで、一例として、加工条件を以下に設定してφ26の孔を切削する場合について説明する。
ワークの回転数N1 :4×102 rpm
工具の回転数N2 :4×104 rpm
回転数比N(N1 /N2 ) :1/102
工具の幅W :3.6mm
切込みT :0.3mm
(切除域SのC軸方向の高さH :約16mm)
送りF :0.3mm
工具の回転半径m :12mm
ワークの加工半径M :13mm

0022

今、工具11が一回転する間に部分的に切除された切除域SがZ軸方向に進む量fは、F/N1 =0.3/4×102 =75×10-3mmであり、従って、工具11の幅Wの間にZ軸方向には3.6/75×10-3=4,800回重複することになる。又、C軸方向に進む量hは、2π×1/N×M=2π×1/100×13≒0.82mmであり、従って、切除域Sの高さH(切込みを0.3mmにすると概略16mm程度になる)の間には16÷0.82≒20回重複することになる。勿論、切除面は、工具11の最先端の部分で形成されて行くことになるが、このように、特に、Z軸方向には格段に高い重複率でもって重複されて行くから、その切除面は平滑化され、面粗度は却って高まるほどである。加えて、このときの工具形状は問わないものにできたのである。この切削方法を発明者等が実践した結果、面粗度は0.8s以下がクリアーでき、研削加工匹敵するほどであった。

0023

ところで、本例のワーク9はピストン9aを示している。ピストン9aは、コップ形をしており、その軸芯と直角方向にピストンロッドを連結するためのピン孔9bが形成され、このピン孔9bは切削加工によって仕上げられる。尚、最近では、ピン孔9bは真円ではなく、楕円に近い非円形に仕上げられ、又、そのピン孔9b方向の形状は円筒形ではなく、中央が径小の鼓形をしている非円筒形に仕上げられるのが通常である。

0024

この場合、ピストン9aは、鍛造又は鋳造によって粗形状成形してあり、そのピン孔9bの中心をC軸と一致させるようにチャック8で把持する。このため、チャック8も芯が出し易い特殊仕様のものを使用すれば便利である。以上のセットが終わったなら、本発明に係る切削方法によって切削を始める。図6はその状態を示す断面図であるが、このように非円形の断面に加工するには、目的とする形状に合わせてC軸の座標値(回転位相)に対応して工具11のX軸位置を制御し、工具11の回転軌跡面Uを積重して非円形の包絡面Vを得ればよいことになる。又、非円筒形の加工形状を得るには、この制御をZ軸方向にも展開すればよいことになる。但し、これらの場合、NC装置に対して膨大な量のデータを入力する必要があるが、このとき、本出願人の特許第2672970号を用いれば、この作業が簡略化できる。

0025

以上、本発明の基本的な実施の形態について説明したが、本発明に係る切削方法は、以上のような非円形、非円筒形の形状に加工するものに限らない。即ち、真円形、円筒形に加工するものであってもよいし、切削する部分も、図7に示すワーク9の外周であってもよいのは勿論である。又、工具も工具ホルダーにインサートされるものに限らず、ホルダー又はシャンクに直付けされたものであってもよい。更に、工具ホルダーは、二面拘束されるものに限らない。

図面の簡単な説明

0026

本発明によれば、次のような効果が期待できる。
a.工具によるワークの部分的切除を格段に高い重複率で重複させて切除面を平滑化するものであるから、工具をワークに常に接触させる連続切削に比べて面粗度が却って向上する。
b.面粗度はワークの回転数や工具の送りにはあまり影響しないから、ワークを低速で回転させても、送りを上げることで加工時間を遅延させない。
c.工具の回転によってワークを切削するものであるから、切削抵抗を低く抑えられる。
d.ワークの回転数が低くても面粗度は低下しないから、アンバランスな形状をしているワーク、歪み等が生ずるおそれがあって強くチャッキングできないワークにも対応できる。

--

0027

図1本発明の切削方法によるワークの断面図である。
図2本発明の切削方法によるワークを展開した模式図である。
図3本発明の切削方法によるワークと工具の関係を示す説明図である。
図4本発明の切削方法に使用する工具の刃先形状を示す説明図である。
図5本発明を実施するための切削装置の説明図である。
図6本発明の切削方法によるワークの断面図である。
図7本発明の切削方法によるワークの断面図である。

0028

1主軸
2 Z軸スライド
3 X軸スライド
4スピンドルユニット
9 ワーク
9aピストン
9b 〃 のピン孔
11工具
12 工具ホルダー

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