CN114340830A - 刮削加工装置和刮削加工方法 - Google Patents
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Abstract
旋转单元(9)使安装有被切削件(6)的主轴(2a)旋转。进给单元(8)使相对被切削件(6)的旋转轴线倾斜配置的切削刃(4a)在切入于被切削件(6)的状态下，在包含与该旋转轴线正交的切削方向成分的方向上进给，加工被切削件(6)的表面。通过使包含激光光束会聚部位的筒状照射区域扫描于刀片基材的金刚石涂层，来形成切削工具(4)的切削刃(4a)。
Description
相关申请的交叉引用
本申请要求2019年9月13日申请的日本专利申请2019-167321号的优先权，并且该申请的所有内容以引用的方式并入本申请的说明书中。
技术领域
本发明涉及刮削(skiving)加工装置和刮削加工方法。
背景技术
已知被称为硬刮削(hard skiving)的加工方法。在该加工方法中，在使相对于被切削件的旋转轴线倾斜配置的切削刃切入于被切削件的状态下，在包含与该旋转轴线正交的切削方向成分的方向上进给，加工被切削件表面(例如专利文件1)。根据刮削加工，利用倾斜的直线切削刃来进行圆筒面的纵向车削，由此可以减小工具进给方向的几何学上的粗糙度(理论粗糙度)，得到良好的加工面。此外，也使切削工具沿切削方向移动，由此，切削刃的与被切削件表面的接触位置从切削刃一端侧向另一端侧移动。由此，可以使磨损分布于整个切削刃，可以延长工具寿命。
(现有技术文献)
(专利文献)
专利文献1：日本专利第3984052号公报
发明内容
(发明所要解决的问题)
提出将硬刮削加工用于需要高精度圆筒面的淬硬钢制轴(shaft)的精加工中。在该精加工中，作为切削工具，使用适用于淬硬钢的切削加工的CBN(Cubic Boron Nitride/立方氮化硼)工具。然而CBN工具较为昂贵，且切削刃的锐利程度不如单晶金刚石工具，无法获得被称为镜面切削的足够好的精加工面粗糙度。
另一方面，单晶金刚石工具具有可进行镜面切削的锐利的切削刃，但其比CBN工具更为昂贵，且无法增大切削刃的尺寸，因此加工效率低。硬刮削加工的特征之一为可以利用倾斜的直线切削刃来高效率地车削圆筒面，但单晶金刚石无法形成长的切削刃，因此无法发挥硬刮削加工的优点。
鉴于这种情况，本公开的目的在于提供一种用于实现高效率的刮削加工的技术。
(解决问题所采用的措施)
为了解决上述问题，本公开的某一方式的刮削加工装置包括：旋转单元，其使安装有被切削件的主轴旋转；以及进给单元，其在使相对被切削件的旋转轴线倾斜配置的切削刃切入于被切削件的状态下，在包含与该旋转轴线正交的切削方向成分的方向上进给。通过使包含激光的光束会聚部位的筒状照射区域扫描于金刚石涂层，来形成切削工具的切削刃。
本公开的另一个方式为一种刮削加工方法，其在使相对被切削件的旋转轴线倾斜配置的切削刃切入于被切削件的状态下，在包含与该旋转轴线正交的切削方向成分的方向上进给，由此加工被切削件表面，其特征在于，通过使包含激光的光束会聚部位的筒状照射区域扫描于金刚石涂层，来形成切削工具的切削刃。
附图说明
图1为示出实施方式的刮削加工装置的示意性结构的图。
图2为用于说明脉冲激光磨削的图。
图3为示出对涂覆了金刚石涂层的刀片基材进行脉冲激光磨削的工序的图。
图4为示出被切削件的剖面的图。
具体实施方式
图1示出实施方式的刮削加工装置1的示意性结构。图1示出的刮削加工装置1是使切削工具4的切削刃4a切入于圆筒形状、圆锥形状等的被切削件6而进行硬刮削加工的切削装置。图1示出的刮削加工装置1可以用于作为圆筒形状被切削材件6的淬硬钢制轴(shaft)的精加工。
刮削加工装置1在机座5上具备：用于可旋转地支持被切削件6的主轴箱2和尾座3；以及用于支持切削工具4而使其相对被切削件6进行移动的进给单元8。主轴箱2的内部设置有用于使安装有被切削件6的主轴2a旋转的旋转单元9。进给单元8使切削工具4沿X轴、Y轴、Z轴方向移动。在图1中，X轴方向为水平方向且为与被切削件6的旋转轴线正交的切入方向，Y轴方向为垂直方向且为与被切削件6的旋转轴线正交的切削方向，Z轴方向为与被切削件6的旋转轴线平行的方向。
控制部10在控制旋转单元9而使主轴2a旋转的同时，在主轴2a的旋转中控制进给单元8而使切削工具4的切削刃4a切入于被切削件6。旋转单元9和进给单元8构成为分别具有电动机(马达)等驱动部，控制部10分别调整向驱动部的供电而控制旋转单元9和进给单元8各自的动作。在进行刮削加工时，进给单元8在使相对被切削件6的旋转轴线倾斜配置的切削刃4a切入于被切削件6的状态下，使切削刃4a在包含与该旋转轴线正交的切削方向成分的方向上进给。
在刮削加工中使用的切削刃4a为直线切削刃，在被切削件6的切平面(YZ平面)中相对于被切削件6的旋转轴线(Z轴方向)倾斜配置。进给单元8使切削刃4a在切入于被切削件6的状态下，在切平面中沿包含与该旋转轴线正交的切削方向成分(Y轴方向成分)的进给方向进给，由此加工被切削件6的表面。此时，进给单元8在与平行于切削刃4a的直线刀尖的方向相交的方向，即包含与平行于切削刃4a的直线刀尖的方向正交的成分的进给方向进给切削刃4a。进给单元8可以在切削刃4a的进给工序中保持相对于旋转轴线的直线刀尖的角度一定。相对于旋转轴线倾斜配置的切削刃4a沿切削方向进给，由此直线切削刃4a的相对于被切削件6的切点(切削点)移动，被切削件6的被直线切削刃4a切削的部分(点)也沿旋转轴线移动。
通过脉冲激光磨削涂覆了金刚石涂层的刀片基材，来形成实施方式的切削工具4的切削刃4a。
图2为用于说明脉冲激光磨削的图。脉冲激光磨削为这样一种加工方法：将激光20的沿光轴方向延伸且具有能够加工的能量的圆筒状的照射区域重叠于被加工部件21的表面并向与该光轴相交的方向进行扫描而去除圆筒状的照射区域所通过的被加工部件21的表面区域。脉冲激光磨削在被加工部件21的表面成形与光轴方向和扫描方向平行的面。例如日本特开2016-159318号公报公开了实施脉冲激光磨削的激光加工装置。
图3示出对涂覆了金刚石涂层的刀片基材4b进行脉冲激光磨削的工序。激光照射部22构成为：具有产生激光的激光振荡器、调整激光的输出的衰减器、用于调整激光的直径的扩束器(Beam expander)等，其中，经过了这些器件的激光经由光学镜片而输出。例如，激光振荡器可以产生Nd：YAG脉冲激光。
大致矩形的刀片基材4b的一边侧涂覆有金刚石。通过例如等离子体化学气相沉积法(CVD)来在刀片基材4b的整个一个边形成金刚石涂层。通过使激光的包含光束会聚部位的筒状照射区域扫描于该金刚石涂层，来形成长且锐利的切削刃4a。在该工序中，固定激光照射部22，在使包含激光20光束会聚部位的筒状照射区域接触刀片基材4b的金刚石涂层的同时，使刀片基材4b沿一定方向移动，由此在刀片基材4b的一个边形成锐利的直线切削刃4a。
金刚石涂层与单晶金刚石、CBN等相比具有更高的激光的能量吸收率，因此可通过脉冲激光磨削来高效率地形成切削刃。此外，由于缺陷少且硬度高，因此还具有容易以低成本形成锐利的切削刃尖端的优点。实施方式的刮削加工装置1利用的是具有被脉冲激光加工得锐利的金刚石切削刃4a的切削工具4。
图4示出被切削件6的剖面。被切削件6在其表面具有氮原子作为间隙固溶原子而存在的固溶体层6a。被切削件6为铁系材料，虽然在实施方式中为钢材，但也可以是其他种类的金属。实施方式的刮削加工装置1使用对金刚石涂层进行脉冲激光磨削而形成的直线切削刃4a来加工被切削件6的表面的固溶体层6a。
固溶体层6a是通过将氮原子扩散固溶于被切削件6的表面来形成。固溶体层6a可通过例如在含有氮原子的稀薄气体内配置被切削件6并向该稀薄气体照射电子束而进行激发来形成。此外，固溶体层6a的深度被限制在100微米以下。
固溶体层6a优选实质上不含有铁的氮化物。若固溶体层6a含有铁的氮化物，则切削时金刚石的切削刃4a可能会受损。因此，通过以不含有铁的氮化物的方式来形成固溶体层6a，能够在延长切削工具4的寿命的同时，减小切削后的表面粗糙度。
固溶体层6a可通过日本特开2018-135596号公报所公开的原子氮化法来形成。原子氮化法为使用含有氮原子的等离子体来使氮原子从被切削件6的表面渗入并扩散的方法。由原子氮化法形成的固溶体层6a不含有铁的氮化物，因此可称得上是优选的形成方法。
根据实施例的硬刮削加工，可在利用作为廉价的金刚石涂层工具的切削工具4的同时，在被切削件6的表面形成固溶体层6a，由此可以避免由切削刃4a的碳原子渗入被切削件6所造成的工具磨损。由此，可以在整个长的切削距离保持锐利且长的切削刃4a，可以廉价且高效率地实现包括淬硬钢的铁系材料的镜面加工。此外，在图4中示出了在被切削件6的表面通过氮化处理来形成的固溶体层6a，但固溶体层6a也可以通过NiP电镀来使磷原子扩散固溶而形成。
回到图1，刮削加工装置1可以具有激光照射部7。激光照射部7可以具有与用于形成切削刃的激光照射部22(参照图3)相同的结构。刮削加工装置1具有激光照射部7，由此在切削工具4的切削刃4a磨损时，不必取下切削工具4，而是可以通过在刮削加工装置1上进行利用激光照射部7的脉冲激光磨削来再次锐化切削刃4a。
若刮削加工装置1搭载有激光照射部7，则在进行利用激光照射部7的脉冲激光磨削时也可利用在进行硬刮削加工时使切削工具4相对于被切削件6进行移动的进给单元8，由此可以使切削工具4相对于激光20进行移动，可以降低设备的总成本。此外，控制部10可以准确地把握在刮削加工装置1上形成的切削刃4a的位置，因此可以避免因工具切削刃位置的不准确而导致的固溶体层6a的加工余量的增减。固溶体层6a的深度为100微米以下因而无法增大加工余量，因此可以在刮削加工装置1上再次锐化切削刃4a这一点有利于浅的固溶体层6a的镜面切削。此外，相比于暂时取下切削工具4而再次锐化的情况，通过在刮削加工装置1上再次锐化切削刃4a，可以降低由安装误差引起的加工误差。
以上，基于实施方式对本公开进行了说明。本领域技术人员可以理解的是：该实施方式是一个示例，各构件、各处理过程的组合可产生各种各样的变形例，并且这些变形例都属于本公开的范围。
本公开的方式的概要如下所述。本公开的某一方式的刮削加工装置包括：旋转单元，其使安装有被切削件的主轴旋转；以及进给单元，其使相对被切削件的旋转轴线倾斜配置的切削刃在切入于被切削件的状态下，在包含与该旋转轴线正交的切削方向成分的方向上进给。通过使包含激光光束会聚部位的筒状照射区域扫描于金刚石涂层，来形成切削工具的切削刃。
根据该方式，可以利用通过对金刚石涂层进行脉冲激光磨削来形成的切削刃，由此可以实现高效率的刮削加工。
优选在被切削件的表面形成存在间隙固溶原子的固溶体层。通过在被切削件的表面形成固溶体层，可以延长切削刃的寿命。
刮削加工装置可以进一步具有激光照射部，所述激光照射部使激光的筒状照射区域扫描于切削工具的切削刃。刮削加工装置具有激光照射部，由此可以无需从刮削加工装置取下切削工具地进行切削刃的再次锐化。
本公开的另一个方式为一种刮削加工方法，其使相对被切削件的旋转轴线倾斜配置的切削刃在切入于被切削件的状态下，在包含与该旋转轴线正交的切削方向成分的方向上进给，由此加工被切削件表面，其中，通过使包含激光光束会聚部位的筒状照射区域扫描于金刚石涂层，来形成切削工具的切削刃。
根据该方式，则可以利用通过对金刚石涂层进行脉冲激光磨削来形成的切削刃，实现高效率的刮削加工。
(产业上的可利用性)
本公开可以应用于刮削加工。
(附图标记的说明)
1：刮削加工装置；4：切削工具；4a：切削刃；6：被切削件；
6a：固溶体层；7：激光照射部；8：进给单元；9：旋转单元；
10：控制部。
Claims (4)
1.一种刮削加工装置，包括：
旋转单元，其使安装有被切削件的主轴旋转；以及
进给单元，其在使相对被切削件的旋转轴线倾斜配置的切削刃切入于被切削件的状态下，使所述切削刃在包含与所述旋转轴线正交的切削方向成分的方向上进给，
其特征在于，通过使激光的包含光束会聚部位的筒状照射区域扫描于金刚石涂层，来形成切削工具的切削刃。
2.根据权利要求1所述的刮削加工装置，其特征在于，
在被切削件的表面形成存在间隙固溶原子的固溶体层。
3.根据权利要求1或2所述的刮削加工装置，其特征在于，
进一步包括：激光照射部，其使激光的筒状照射区域扫描于切削工具的切削刃。
4.一种刮削加工方法，其在使相对被切削件的旋转轴线倾斜配置的切削刃切入于被切削件的状态下，使所述切削刃在包含与所述旋转轴线正交的切削方向成分的方向上进给，由此加工被切削件表面，
其特征在于，通过使激光的包含光束会聚部位的筒状照射区域扫描于金刚石涂层，来形成切削工具的切削刃。
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| WO2021049257A1 (ja) | 2021-03-18 |
| US20220305563A1 (en) | 2022-09-29 |
| JPWO2021049257A1 (zh) | 2021-03-18 |
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