JP2005001025A

JP2005001025A - 切削加工装置及び加工方法

Info

Publication number: JP2005001025A
Application number: JP2003164624A
Authority: JP
Inventors: Ikuo Tanabe; 郁男田辺
Original assignee: Tsune Seiki Co Ltd
Current assignee: Tsune Seiki Co Ltd
Priority date: 2003-06-10
Filing date: 2003-06-10
Publication date: 2005-01-06

Abstract

【課題】特に難削材の切削加工に好適な切削加工装置と、同装置を使用して寸法精度の高い高品質の加工品を切削加工し得る方法を提供する。
【解決手段】切削加工装置にセットされた被加工物Ｗを溶融温度以下の所定温度まで加熱する赤外線加熱炉７と、当該被加工物Ｗを切削加工するボールエンドミルＴを冷却する気化熱冷却装置１０などの工具冷却手段とを併設し、加熱により軟化した被加工物Ｗを冷却により硬化したボールエンドミルＴで切削加工する切削加工装置と、加工時の形状データに被加工物の加熱による熱変形量を参酌しすることを特徴とする加工方法。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、特に難削材料の切削加工に好適な切削加工装置と、同装置を使用する切削加工方法とに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、工業製品の多品種少量生産・多機能化・高品位化が求められ、又、その製品寿命は極短命化している。そのため工作機械でその工業製品を製作する作業には、極めて硬い難削材料に対して、短時間で極めて複雑な加工を施すことが要求されている。
【０００３】
それに対して、最近の工作機械では、難削材料を高精度で製作するために切り込み量を小さくし、その代わりに主軸回転速度とテーブル送り速度を上げることにより、生産性の低下を抑え、工具負担を軽減する高速加工技術を実現化した。この高速加工技術を開示する特許文献を明らかにすることはできないが、工具に関しては、切り込み量が少ないことから切削抵抗が小さくなり、切削発熱を軽減できるので工具が高温状態になることはなく、硬く剛性のある状態を維持できる特徴がある。しかしその反面、被加工物（難削材料）の方も高温状態になることはなく、硬く剛性のある状態が維持されるので、硬く剛性のある被加工物を硬く剛性のある工具で切削している状態となる。即ち、従来の高速加工技術では、切削抵抗が軽減されて工具寿命が多少改善される程度の効果しか期待することができない。
【０００４】
即ち、金型用の被加工材料として知られているＳＫＤ材のような難削材料を使用して、携帯電話器のボディーのような複雑な自由曲面を持つ製品の加工用金型を製作する場合には、１つの金型の加工途中で工具交換とそのための段取り作業を行うことを免れないのが実状である。そのため、加工途中の工具交換が不要になる程度に工具寿命をもっと長くし、難削材料に対しても極めて複雑な加工を効率よく施すことができるような新技術が要望されている。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記のような背景に鑑みて、難削材料に対しても極めて複雑な加工を効率よく施すことができる切削加工装置を提供することを目的とするものであって、その手段を後述する実施形態の参照符号を付して示すと、切削加工装置にセットされた被加工物Ｗを溶融温度以下の所定温度まで加熱する被加工物加熱手段（例えば赤外線加熱炉７）と、当該被加工物Ｗを切削加工する工具（例えばボールエンドミルＴ）を冷却する工具冷却手段（例えば気化熱冷却装置１０）とを併設し、加熱により軟化した被加工物Ｗを冷却により硬化した工具（例えばボールエンドミルＴ）で切削加工する構成となっている。
【０００６】
上記構成の本発明装置を実施するとき、切削工具としてエンドミルやドリルのような切削工具が使用される場合には、当該工具の冷却のために、回転する工具外周面に切削油や水などの液状冷媒を供給しても、工具回転によって生じる遠心力で液状冷媒が飛散し、それが加熱されている被加工物にかかって当該被加工物の局部的な熱変形の原因になり、加工精度を低下させる恐れが考えられる。
【０００７】
本発明は上記のような問題点が想定される場合の解決手段として、前記工具冷却手段として、工具内部に供給された冷媒により工具を内側から冷却する工具冷却手段を採用することを提案している。この場合、工具内部と工具外の熱交換装置との間で冷媒を循環移動させるように構成することも可能であるが、好ましくは、工具内に密閉空洞部１１を上下方向の工具軸心に沿って設け、当該密閉空洞部１１内の下端側にはエタノールなどの低沸点液状冷媒１２を充填し、この密閉空洞部１１の上端側周囲には、当該密閉空洞部１１内の気化冷媒を水冷する冷却水溜め１３を形成することができる。
【０００８】
上記のように構成される本発明装置では、加熱による熱膨張変形状態の被加工物を切削加工することになるので、加工後の製品（加工物）が常温まで冷却されたときの収縮変形量が加工誤差となって残ることになる。本発明は又、このような問題点を解消して一層精度の高い高品質の加工物を得るのに好適な加工方法も提案している。即ち、その加工方法は、３Ｄ−ＣＡＤデータなどとして作成される加工物の仕上がり形状データと前記被加工物加熱手段による加工時の被加工物の温度とに基づいて、加工時の被加工物の熱変形後における加工形状データ、即ち、ＣＡＥ（有限要素法シミュレーションや境界要素法シミュレーションなど）による熱変形演算によって求められる熱変形後の加工形状データを求め、この加工形状データをＣＡＭに供給してマシニングセンターを制御するＮＣプログラムを作成するなどの方法で、当該加工形状データに基づき、前記工具冷却手段で冷却された工具により加熱被加工物の切削加工を行い、加工後、常温に冷却して仕上がり形状データと一致又は近似の加工物を得ることを特徴とするものである。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下に、マシニングセンターを利用して角型形状の被加工物の上面をボールエンドミルで切削加工する場合を例にとって、本発明の好適実施形態を図１に基づいて説明する。図において、１はマシニングセンターのＸ−Ｙ水平２軸方向に移動可能なテーブルであって、被加工物Ｗを定位置にクランプするバイス２を備えている。３はコラム４を介してテーブル１の上方に支持された主軸ヘッドであり、この主軸ヘッド３から下方に突出する垂直な主軸５に、主軸軸心方向の位置と当該主軸軸心に対し直交する水平方向位置とを拘束する２面拘束ホルダー６を介してボールエンドミルＴが装着されている。
【００１０】
テーブル１上でバイス２によりクランプされる被加工物Ｗの周囲には、被加工物加熱手段としての赤外線加熱炉７が設置され、この赤外線加熱炉７の周囲は耐火断熱材８で囲っている。又、これら赤外線加熱炉７と耐火断熱材８、及びバイス２を含む高温領域とテーブル１との間には、強制冷却用の冷媒通路９ａを内蔵する恒温断熱装置９が介在され、テーブル１側が加熱されて熱変形するのを防止し、被加工物Ｗに対する正確な基準底面を確保できるように構成されている。ボールエンドミルＴに対しては、工具冷却手段として、当該ボールエンドミルＴの空転領域（被加工物Ｗに接触しない領域）に水を噴霧するノズル１０ａを備えた気化熱冷却装置１０が併設されている。この気化熱冷却装置１０としては、オイルミスト装置などを利用することができる。
【００１１】
上記構成のマシニングセンターにおいて、テーブル１上にバイス２を介してセットされた被加工物Ｗを主軸５にセットされたボールエンドミルＴにより切削加工するのに先立って、赤外線加熱炉７による被加工物Ｗの加熱を開始する。被加工物Ｗの温度に対する軟化の程度は多くの金属でほぼ線形関係にあり、常温での金属材料の降伏応力をＢとすれば、溶融温度ではその降伏応力はゼロ、溶融温度の半分の温度ではその降伏応力は０．５Ｂ程度であることから明らかなように、加工される被加工物Ｗに前記赤外線加熱炉７により積極的に予熱を与えて当該被加工物Ｗを高温に加熱すれば、当該被加工物Ｗは軟化して降伏応力が低下し、極めて切断し易くなる。
【００１２】
被加工物Ｗが所定温度まで加熱された時期は、例えば赤外線加熱炉７のスイッチオン時からの設定時間の経過や、被加工物Ｗに対する接触又は非接触の表面温度センサーの検知信号などに基づいて自動的に判別することができる。而して、このように被加工物Ｗが所定温度まで加熱されれば、気化熱冷却装置１０によるボールエンドミルＴの冷却を開始し、当該ボールエンドミルＴによる被加工物Ｗに対する切削加工を実行する。勿論、切削加工中も赤外線加熱炉７による被加工物Ｗに対する加熱は、被加工物Ｗの温度が低下しないように継続的に行われるが、ここで注意すべき点は、切削加工中の被加工物Ｗは、切削加工に伴う塑性エネルギーによる発熱と工具との摩擦熱による昇温を伴うので、これを考慮して、切削加工中の被加工物Ｗの温度が溶融温度を超えないように、加工開始後の赤外線加熱炉７による加熱を制御しなければならない。
【００１３】
一方、気化熱冷却装置１０によりボールエンドミルＴに付着した水の蒸発に伴う気化熱によって、被加工物Ｗ側からの伝導熱及び自ら発生する摩擦熱などに起因する当該ボールエンドミルＴの加工熱は効率よく除去・冷却されるので、当該ボールエンドミルＴは本来の強度と硬さを維持しながら被加工物Ｗに対する切削加工を行うことになる。即ち、上記構成のマシニングセンターによれば、加熱されることにより軟化して切削し易くなっている被加工物Ｗを、冷却によってその強度と硬さが維持されているボールエンドミルＴで切削加工することになる。
【００１４】
次に、工具冷却手段の他の実施形態を図２に基づいて説明する。この実施形態では、切削工具、例えばボールエンドミルＴに密閉空洞部１１が上下方向の工具軸心に沿って設けられ、当該密閉空洞部１１内の下端側にはエタノールなどの低沸点液状冷媒１２が充填され、この密閉空洞部１１の上端側周囲には、当該密閉空洞部１１内の気化冷媒を水冷する冷却水溜め１３が形成されている。具体的には、前記密閉空洞部１１は、ボールエンドミルＴに形成された上端開口の円柱状孔１４と、この円柱状孔１４の上端開口に接続するようにボールエンドミルＴの上端に溶接などで同心状に密閉固着された上端閉塞の円筒体１５とから構成され、前記冷却水溜め１３は、ボールエンドミルＴを把持したホルダー６の内周面と前記円筒体１５との間の環状空間で構成されている。従って前記冷却水溜め１３は、その上端のみが主軸５の中央貫通孔５ａを通じて外界に開放されることになる。
【００１５】
上記の工具冷却手段を備えた本発明加工装置によれば、切削加工時にボールエンドミルＴの加工熱は、密閉空洞部１１内の低沸点液状冷媒１２に吸収され、当該低沸点液状冷媒１２は加熱されて蒸発し、密閉空洞部１１内の上端側に上昇した気化冷媒がその周囲の円筒体１５の周壁を介して冷却水溜め１３内の冷却水により冷却され、当該円筒体１５の周壁内面に結露して液化し、密閉空洞部１１内の下端側に滴下する。一方、気化冷媒から熱を吸収した冷却水は温度上昇して気化蒸発し、その蒸気は主軸５の中央貫通孔５ａを通じて外界に放出されるので、密閉空洞部１１内の冷却水量は蒸発により漸次減少する。従って、当該主軸５の上端に開口する前記中央貫通孔５ａを通じて冷却水を定量点滴手段などで切削加工中も継続的に供給することにより、冷却水溜め１３内の冷却水量をほぼ一定に維持させることができる。
【００１６】
上記の工具冷却手段によれば、ボールエンドミルＴの加工熱は、密閉空洞部１１内の低沸点液状冷媒１２の気化・結露液化・滴下の循環を介して、冷却水溜め１３内の冷却水を気化蒸発させるエネルギーとして消費され、この結果、ボールエンドミルＴは低温に保持される。
【００１７】
尚、図示例では、冷却水溜め１３を、密閉空洞部１１の上半部を構成する円筒体１５とボールエンドミルＴを把持したホルダー６の内周面との間の環状空間で構成したが、前記円筒体１５との間に冷却水溜め１３を形成する外側円筒体をボールエンドミルＴ側に設けて、ホルダー６側に冷却水が接触しないように構成することも可能である。又、主軸５の中央貫通孔５ａの内周面に防錆用コーティングを施すか又は別の円筒体を内嵌するなどして、主軸５が冷却水の影響を受けないように構成することも好ましいことである。
【００１８】
次に、以上のように実施することができる本発明の切削加工装置を使用する具体的な加工方法の一例を図３に基づいて説明する。この加工方法においては、先ず最初に、３Ｄ−ＣＡＤなどにより加工物の仕上がり形状データを作成する（Ｓ１）。次にこの仕上がり形状データと、被加工物加熱手段（上記実施形態では赤外線加熱炉７）により加熱され且つ切削工程時に自らが加工熱で昇温する被加工物Ｗの加工時の実際の温度とに基づいて、被加工物Ｗの加工時の熱変形後における加工形状データをＣＡＥ（有限要素法シミュレーションや境界要素法シミュレーションなど）による熱変形演算によって求め（Ｓ２）、この加工形状データをＣＡＭに供給してマシニングセンターを制御するＮＣプログラムを作成する（Ｓ３）。
【００１９】
而して、ステップ３で作成されたＮＣプログラムで前記マシニングセンターを自動制御し、ステップ２で求められた加工形状データに基づき、被加工物加熱手段（赤外線加熱炉７）により加熱されている被加工物Ｗを前記工具冷却手段で冷却された工具（ボールエンドミルＴ）により切削加工を行う（Ｓ４）ことにより、熱変形後における加工形状データと一致する加工物を製造する。そしてこの加工物を大気中に放置するなどして常温まで冷却する（Ｓ５）ことにより、ステップ１で作成した仕上がり形状データとステップ２で求められた加工形状データとの差分を熱収縮させ、最終的にステップ１で作成した仕上がり形状データと一致又は近似の完成加工物を得ることができる。
【００２０】
【発明の効果】
本発明は以上のように実施し且つ使用することができるものであって、係る本発明の切削加工装置によれば、被加工物の加熱と切削工具の冷却とを同時に行うことによって、被加工物は高温化によって軟化し、工具は冷却によってその強度と硬さが維持される。その結果、同じ加工条件であっても、湿式切断よりも少ない切削力で切断が可能となり、振動・騒音が低下すると共に、その振動低下に伴って加工面の表面粗さも改善される。更に、被加工物加熱手段による被加工物の加熱温度を積極的・計画的に上げることによって、振動・騒音を大きく改善することができる。又、切削工具は軟化した被加工物を切削することになるため、その工具寿命が大きく伸び、更に、振動が小さいためチッピングも起こりにくく工具寿命をさらに伸ばすことができる。従って、本発明の切削加工装置を高速加工機械に搭載すれば、工具寿命を大巾に伸ばすことでき、ＳＫＤ材のような難削材料から成る極めて複雑な形状の金型加工でも、加工途中での工具の交換を行わずに、或いは交換を要する場合でもその交換回数を大巾に低減させて効率よく加工することができる。
【００２１】
尚、切削工具としてエンドミルやドリルのような切削工具が使用される場合には、回転する工具外周面に切削油や水などの液状冷媒を噴霧する工具冷却手段を採用したのでは、工具回転によって生じる遠心力で液状冷媒が飛散して加熱中の被加工物にかかり、せっかく加熱により軟化している被加工物が局部的に冷却されて高剛性化し、加工精度を低下させる恐れが考えられるが、このような場合に請求項２に記載の構成を採用することにより、被加工物に対する工具冷却用冷媒の付着による悪影響を回避しながら、工具を内部から確実に冷却して初期の目的を達成することができる。
【００２２】
更に、上記の請求項２に記載の構成を採用するに際し、請求項３に記載の構成によれば、消費冷媒として安価で入手容易な水を利用しながらエタノールなどの低沸点液状冷媒を活用して効率よく工具を内部から冷却することができる。
【００２３】
以上のように本発明の切削加工装置は、加熱手段で加熱している被加工物を切削加工するものであるから、加工後に加工物が常温まで冷却される際の熱収縮変形量が加工誤差となって加工物に残ることになるが、この現象が実用上問題視されるような場合に請求項４に記載の本発明の加工方法を採用することにより、加熱手段で加熱している被加工物を切削加工するものでありながら、最終的には、最初に作成される仕上がり形状データと一致又は近似の加工物を得ることができ、本発明加工装置の有用性を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の加工装置の一実施形態を説明する一部縦断側面図である。
【図２】工具冷却手段の好適な一実施形態を説明する要部の縦断側面図である。
【図３】本発明加工方法の手順を説明するフローチャートである。
【符号の説明】
１被加工物支持テーブル
２バイス
５主軸
６２面拘束ホルダー
７赤外線加熱炉（被加工物加熱手段）
８耐火断熱材
９恒温断熱装置
１０気化熱冷却装置（工具冷却手段）
１１密閉空洞部
１２エタノールなどの低沸点液状冷媒
１３冷却水溜め
１４円柱状孔
１５上端閉塞の円筒体
Ｔボールエンドミル
Ｗ被加工物

Claims

切削加工装置にセットされた被加工物を溶融温度以下の所定温度まで加熱する被加工物加熱手段と、当該被加工物を切削加工する工具を冷却する工具冷却手段とを併設し、加熱により軟化した被加工物を冷却により硬化した工具で切削加工するようにした、切削加工装置。
前記工具冷却手段は、工具内部に供給された冷媒により工具を内側から冷却する、請求項１に記載の切削加工装置。
工具内には密閉空洞部が上下方向の工具軸心に沿って設けられ、当該密閉空洞部内の下端側には低沸点液状冷媒が充填され、この密閉空洞部の上端側周囲には、当該密閉空洞部内の気化冷媒を水冷する冷却水溜めが形成されている、請求項２に記載の切削加工装置。
請求項１〜３の何れかに記載の切削加工装置を使用する加工方法であって、加工物の仕上がり形状データと前記被加工物加熱手段による加工時の被加工物の温度とに基づいて、加工時の被加工物の熱変形後における加工形状データを求め、この加工形状データに基づいて、前記工具冷却手段で冷却された工具により加熱被加工物の切削加工を行い、加工後、常温に冷却して仕上がり形状データと一致又は近似の加工物を得る、加工方法。