JP2005066714A

JP2005066714A - 除去加工用工具

Info

Publication number: JP2005066714A
Application number: JP2003208949A
Authority: JP
Inventors: Hideo Nakajima; 英雄中嶋; Shu Yonetani; 周米谷
Original assignee: Mori Seiki Co Ltd
Current assignee: DMG Mori Co Ltd
Priority date: 2003-08-27
Filing date: 2003-08-27
Publication date: 2005-03-17
Anticipated expiration: 2023-08-27
Also published as: JP4226968B2

Abstract

【課題】軽量であり、振動減衰性や放熱性などに優れた除去加工用工具を提供する。
【解決手段】除去加工用工具は、切刃を備え、被加工物を除去加工するための刃部と、刃部が着脱自在に取り付けられる本体とからなる工具において、この本体は、ガス原子が溶解した溶融状態の金属を所定方向から徐々に冷却，凝固せしめて得られる金属であって、金属の温度低下に伴いガス原子の溶解量が低下してガス原子が析出することにより、多数の空隙Ｋが冷却方向に沿って細長く形成された金属、即ち、いわゆるポーラス金属から構成される。
【選択図】図４

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、被加工物に除去加工を施す際に用いられる工具であって、切刃を備え、被加工物を除去加工するための刃部と、当該刃部が固着される本体とからなる除去加工用工具に関する。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
被加工物（ワーク）に除去加工を施して、これを所定の形状に仕上げる加工方法として、切削加工や研削加工が挙げられ、これら切削加工や研削加工は、適宜保持された状態の工具とワークとの間に相対運動を与えることで、当該工具によりワークを削り取って所定の形状にする。
【０００３】
この工具は、一般的に、実質的にワークを削り取る作用をなす切刃を備えた刃部と、この刃部が固着される本体とから構成される。そして、切削加工用工具には、バイトやフライスのように、超硬金属からなるチップ（刃部）を本体にろう付けした構造のものや、各種材料から形成されたスローアウェイチップ（刃部）をねじ止めなどによって着脱自在に本体に固着した構造のものがあり、研削加工用工具には、軸付砥石やカップ型砥石のように、砥粒を結合剤によって固めた砥石（刃部）を、ろう付けやねじ止めなどによって本体に固着した構造のものがある。
【０００４】
ところで、かかる工具は、ワークの加工精度を左右する重要な要素の一つであり、ビビリ振動などを抑制すべく振動減衰性に優れていること、熱膨張などを抑制すべく放熱性に優れていること、高速回転を可能とするために軽量であることといった特性が要求される。
【０００５】
そこで、従来、例えば、本体を超硬合金などの高いヤング率を有する材料から構成してその剛性を高めたり、本体内部に適宜中空穴を形成してこの中空穴内に振動吸収体を設けることで、振動減衰性を高めるといった試みがなされている。
【０００６】
しかしながら、上記諸条件をバランス良く満足した工具、即ち、振動減衰性や放熱性に優れるとともに、軽量化を図ることができる工具は、未だ開発されていない。
【０００７】
本発明者らは、上記のような、工具が満たすべき特性を高いレベルで総合的に満足させるべく研究を重ねた結果、本発明を成すに至ったものであり、本発明は、軽量でありながら、振動減衰性や放熱性にも優れた除去加工用工具の提供をその目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段及びその効果】
上記目的を達成するための本発明は、切刃を備え、被加工物を除去加工するための刃部と、該刃部が固着される本体とから構成される工具において、
前記本体は、ガス原子が溶解した溶融状態の金属を所定方向から徐々に冷却，凝固せしめて得られる金属であって、該金属の温度低下に伴い前記ガス原子の溶解量が低下して該ガス原子が析出することにより、多数の空隙が前記方向に沿って細長く形成された金属から構成されてなることを特徴とする除去加工用工具に係る。
【０００９】
本発明に係る前記工具本体は、ガス原子が溶解した溶融状態の金属を所定の方向から徐々に冷却，凝固させることで、その凝固過程で前記ガス原子が析出して多数の空隙が前記方向に沿って細長く形成された金属、即ち、いわゆるポーラス金属から構成される。
【００１０】
一般に、溶融金属に溶解するガス原子の量は、当該ガスの圧力によって変動し、ガス原子は、当該ガスの圧力が高ければ多量に溶解する一方、圧力が低ければ少量しか溶解しない。ポーラス金属は、この性質に基づき所定圧力下でガス原子を溶解させた溶融金属の冷却，凝固状態を制御することで、即ち、前記溶融金属を所定の方向から徐々に冷却，凝固させることで、その凝固過程で析出したガス分子により、多数の空隙を前記方向に沿って細長く形成させるようにしたものである。
【００１１】
従来、金属中に不規則に形成された空隙は、強度などを低下させる欠陥であるとみなされていたが、上記のように、各空隙の長手方向が所定の方向に沿うように当該各空隙を規則的に形成させることで、金属の結晶組織が前記方向に沿うように形成され、前記空隙の形成方向に強度があり、且つ、同じ外形寸法の中実体に比べて軽量にすることができるのである。
【００１２】
また、このポーラス金属は、前記空隙により、中実体に比べて内部摩擦が大きいという特長を備えているため、振動を効果的に抑制することができ、更には、前記各空隙を介して当該ポーラス金属が有している熱を効果的に逃がすことができるという特質を備えている。
【００１３】
尚、ポーラス金属には、空隙が一方向に沿って形成されたものと、放射状に形成されたものとの２種類があり、前者は、溶融金属を一方からその反対側に向けて冷却することによって製造することができ、後者は、溶融金属をその周囲から中心部に向けて冷却することによって製造することができる。
【００１４】
斯くして、この発明によれば、工具本体をポーラス金属から構成することで、その軽量化を図ることができるとともに、振動抑制効果によりビビリ振動などを抑制することができ、更に、排熱効果により除去加工時における工具の熱膨張を抑制することができる。そして、このような各作用により、加工精度や工具寿命が低下するのを防止することができるとともに、効率的な加工を実現することができる。
【００１５】
尚、前記金属は、これが鋼からなるとともに、前記ガス原子は、これが少なくとも窒素原子を含んでいることが好ましい。このようにすれば、前記空隙が形成される際に、当該空隙部の金属表層に、鋼を構成するアルミニウム，クロム，チタン，バナジウム，モリブデン原子などと窒素原子が反応して窒化物が生成され、この窒化物によって当該金属表層を硬化することができるという効果が得られる。斯くして、窒化されたポーラス金属は、空隙があるにもかかわらず、当該空隙に平行な方向の強度が同じ外形寸法の中実体と同等の強度を有する。
【００１６】
また、工具には、フライス、エンドミルや軸付砥石のように、本体の軸線回りに回転して除去加工を行うように構成されたものや、旋削バイトなど、非回転に保持された状態で除去加工を行うように構成されたものがあるが、工具の種別に応じて、空隙の長手方向を、本体の長手方向（前記回転中心軸線方向を含む）に形成したり、或いは、前記回転中心軸（本体の長手方向に沿って本体中に設定される軸線を含む）を中心として放射状に形成すると良い。
【００１７】
このようにすれば、除去加工時に工具に作用する抵抗（切削抵抗や研削抵抗）に対する工具本体の剛性を高めることができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の具体的な実施形態について添付図面に基づき説明する。尚、図１（ａ）は、本発明の一実施形態に係る工具の概略構成を示した平面図であり、図１（ｂ）は、その矢視Ａ−Ａ方向の断面図である。また、図２及び図３は、ポーラス金属製造装置の概略構成を示した断面図であり、図４及び図５は、ポーラス金属の内部構造を説明するための説明図である。
【００１９】
図１に示すように、本例の工具１は、フライスと呼ばれるタイプの切削加工用工具であって、切刃を有するチップ（刃部）１１と、このチップ１１がねじ止めによって着脱自在に固着される本体１２とからなり、本体１２の軸線１３中心に回転することによって、ワークを切削する。
【００２０】
そして、この本体１２が、いわゆるポーラス金属、即ち、ガス原子が溶解した溶融状態の金属が所定の方向から徐々に冷却，凝固せしめられることにより得られる金属であって、当該金属の温度低下に伴い前記ガス原子の溶解量が低下して当該ガス原子が析出することにより、多数の空隙が前記冷却方向に沿って細長く形成された金属から構成される。
【００２１】
一般に、溶融金属に溶解するガス原子の量は、当該ガスの圧力によって変動し、ガス原子は、当該ガスの圧力が高ければ多量に溶解する一方、圧力が低ければ少量しか溶解しない。ポーラス金属は、この性質に基づき所定圧力下でガス原子を溶解させた溶融金属の冷却，凝固状態を制御することで、即ち、前記溶融金属を所定の方向から徐々に冷却，凝固させることで、その凝固過程で析出したガス分子により、多数の空隙を前記方向に沿って細長く形成させるようにしたものである。
【００２２】
具体的には、ポーラス金属は、これを、例えば、図２に示すような製造装置２又は図３に示すような製造装置３を用いて製造することができる。同図２及び図３に示すように、これらの製造装置２，３は、閉塞空間をそれぞれ備えた加熱室Ｂ及び凝固室Ｃなどからなり、凝固室Ｃは、加熱室Ｂの下方に配置されて、同等に吸気真空及び給気加圧される。尚、図２及び図３において、同じ構成部分については、同じ符号を付すものとする。
【００２３】
前記加熱室Ｂには、底面中央部に貫通穴２１ａが形成されたるつぼ２１と、るつぼ２１を加熱する加熱装置２２と、上端部が加熱室Ｂの上面から上方に突出する一方、下端部が前記貫通穴２１ａを閉塞する閉塞ロッド２３と、るつぼ２１の上方に設けられたガス吸気管２４及びガス供給管２５とが配設されている。
【００２４】
前記閉塞ロッド２３は、適宜図示しない昇降装置によって上下方向に昇降せしめられるようになっており、その下限位置にあるときにその下端部が前記貫通穴２１ａを閉塞する。また、前記ガス吸気管２４は、図示しない吸気装置に接続され、前記ガス供給管２５は、図示しないガス供給装置に接続されている。
【００２５】
前記凝固室Ｃには、鋳型２６と、鋳型２６を冷却する冷却装置３０の、図２に示すような冷却部３１又は図３に示すような冷却部３５と、鋳型２６の上方に設けられた圧力調整管２７，２８とが配設されている。
【００２６】
前記冷却部３１は、鋳型２６の下部に配設され、内部が中空に形成された冷却部材３２と、冷却部材３２にそれぞれ接続した給水管３３及び排水管３４とを備え、鋳型２６の底面を冷却するように構成される一方、前記冷却部３５は、鋳型２６の周囲に配設され、内部が中空に形成された冷却部材３６と、冷却部材３６にそれぞれ接続した給水管３７及び排水管３８とを備え、鋳型２６の周囲を冷却するように構成される。
【００２７】
そして、前記各冷却部材３２，３６内には、冷却装置３０の冷却水循環装置（図示せず）から冷却水が給水管３３，３７を介してそれぞれ供給され、供給された冷却水は、排水管３４，３８を介して冷却水循環装置（図示せず）にそれぞれ還流される。また、前記圧力調整管２７，２８は、図示しない圧力調整装置にそれぞれ接続されている。
【００２８】
また、前記加熱室Ｂの底面と凝固室Ｃの上面とには、これらにまたがるように導入部材２９が配設されており、この導入部材２９には、上側開口部が前記るつぼ２１の貫通穴２１ａと連通し、下側開口部が前記鋳型２６の上方に開口した導入孔２９ａが形成されている。
【００２９】
このように構成されたポーラス金属製造装置２，３によれば、まず、炭素工具鋼や高速度工具鋼といった固体の鋼がるつぼ２１内に適宜搬入された後、ガス吸気管２４を介して加熱室Ｂ内のガスが吸気装置（図示せず）により吸気されて、当該加熱室Ｂ内が真空状態とされる。また、凝固室Ｃ内の圧力が、圧力調整管２７，２８を介して圧力調整装置（図示せず）により所定の圧力に調整され、冷却水循環装置（図示せず）により各冷却部材３２，３６内に供給，循環される冷却水によって鋳型２６が冷却されている。
【００３０】
ついで、加熱装置２２によりるつぼ２１内の固体の鋼が所定温度に加熱され、これにより、これが溶融して液状となる。そして、加熱室Ｂ内の圧力が所定の圧力となるように、当該加熱室Ｂ内に窒素ガスを含むガスがガス供給装置（図示せず）によりガス供給管２５を介して供給され、供給されたガスが前記液状の鋼に溶解する。
【００３１】
次に、閉塞ロッド２３が昇降装置（図示せず）により上昇せしめられると、るつぼ２１内の鋼が、貫通穴２１ａ及び導入孔２９ａを通って鋳型２６内に流入し、流入した鋼は、冷却装置３０により冷却されて凝固せしめられる。
【００３２】
尚、鋳型２６内に流入した鋼が冷却，凝固される過程は、図２に示した製造装置２の場合と、図３に示した製造装置３の場合とで異なっており、製造装置２の場合、その冷却部３１が、鋳型２６の底面を冷却するように構成されていることから、鋼は、鋳型２６の底面側からその上側にかけて徐々に冷却，凝固され、これにより、過飽和となったガスは、図４に示すように、多数の空隙Ｋを鋳型２６の上下方向に沿って細長く形成するように析出する。尚、図４（ａ）は、当該ポーラス金属を示した、凝固方向に垂直な平面図であり、図４（ｂ）は、その凝固方向に平行な断面図である。
【００３３】
一方、製造装置３の場合、その冷却部３５が、鋳型２６の周囲を冷却するように構成されていることから、鋼は、鋳型２６の周囲から中心に向かって徐々に冷却，凝固され、これにより、過飽和となったガスは、図５に示すように、多数の空隙Ｋを放射状に細長く形成するように析出する。尚、図５（ａ）は、当該ポーラス金属を示した、凝固した放射方向に平行な断面図であり、図５（ｂ）は、その凝固した放射方向に垂直な側面図である。
【００３４】
また、これら図４及び図５に示すように、空隙Ｋは、それぞれ各種の大きさのものが形成されており、これらの中には、相互に連通するように形成されたものもある。
【００３５】
そして、以上のようにして製造したポーラス金属を、適宜加工して所望の形状とし、前記本体１２として用いる。
【００３６】
ところで、従来、素材材料である鋼中に不規則に形成された空隙は、強度などを低下させる欠陥であるとみなされていた。しかしながら、上記のように、各空隙の長手方向が所定の方向に沿うように当該各空隙を規則的に形成させることで、鋼の結晶組織が前記方向に沿うように形成され、前記各空隙の形成方向に強度があり、且つ、同じ外形寸法の中実体に比べて軽量にすることができる。
【００３７】
また、このポーラス金属は、空隙によって、中実体に比べて内部摩擦が大きいという特長を備えているため、振動を効果的に抑制することができ、更には、前記各空隙を介して当該ポーラス金属が有している熱を効果的に逃がすことができるという特質を備えている。
【００３８】
斯くして、本例の工具１によれば、本体１２をポーラス金属から構成することで、その軽量化を図ることができるとともに、振動抑制効果によりビビリ振動などを抑制することができ、更に、排熱効果により除去加工時における工具の熱膨張を抑制することができる。そして、このような各作用により、加工精度や工具寿命が低下するのを防止することができるとともに、効率的な加工を実現することができる。
【００３９】
また、本例では、溶融した鋼に窒素ガスを含むガスを溶解させるようにしているので、前記空隙Ｋが形成される際に、当該空隙Ｋ部の金属表層に、鋼を構成するアルミニウム，クロム，チタン，バナジウム，モリブデン原子などと窒素原子が反応して窒化物が生成され、この窒化物によって当該金属表層を硬化することができるという効果が得られ、前記ポーラス金属は空隙Ｋがあるにもかかわらず、当該空隙Ｋに平行な方向の強度が同じ外形寸法の中実体と同等の強度を有する。
【００４０】
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明の採り得る具体的な態様は、何らこれに限定されるものではない。
【００４１】
上例では、チップ１１を本体１２に着脱可能に固着した構造の工具を例示したが、これに限るものではなく、超硬チップがろう付けによって本体１２に固着された構造の工具にも本発明を適用することができる。
【００４２】
また、工具の種類も、図１に示すようなフライスに限られるものではなく、例えば、図６に示すようなシャンク５１を有する本体５２とチップ１１とから構成されるフライス５０の前記本体５２や、図７に示すような、軸状の本体５６とチップ１１とから構成されるエンドミル５５の前記本体５６の他、図８に示すような、角柱状の本体６１とチップ１１とから構成されるバイト６０の前記本体６１などをポーラス金属から構成しても良い。
【００４３】
更に、図９に示すような研削工具６５の本体６６を、前記ポーラス金属から構成することもできる。この工具６５は、砥石車と呼ばれる研削加工用の工具であって、砥粒を結合剤によって固めた砥石６７を、本体６６に着脱可能に取り付けて構成される。本体６６は、パッキン６８，６９を介して砥石６７を両側から挟持する２つのフランジ７０，７１と、このフランジ７０，７１を固定する固定ボルト７２とからなり、このフランジ７０，７１が前記ポーラス金属から構成される。
【００４４】
また、工具には、前記フライス１，５０、エンドミル５５や砥石車６５のように、所定の軸線１３，５３，５７，７３を中心に回転するものや、前記旋削バイト６０などがあるが、工具の種別に応じて、本体１２，５２，５７，６６，６１に形成された空隙Ｋの長手方向を、それぞれ回転中心軸１３，５３，５７，７３や本体６１の長手方向と平行にしたり、或いは、回転中心軸１３，５３，５７，７３や本体６１の長手方向に沿って本体６１中に設定される軸線を中心として放射状にすると良い。
【００４５】
このようにすれば、加工時に工具に作用する抵抗（切削抵抗や研削抵抗）に対する工具本体１２，５２，５７，６１，６６の剛性を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る工具の概略構成を示した平面図及び断面図である。
【図２】ポーラス金属の製造装置の概略構成を示した断面図である。
【図３】ポーラス金属の製造装置の概略構成を示した断面図である。
【図４】ポーラス金属の内部構造を説明するための説明図である。
【図５】ポーラス金属の内部構造を説明するための説明図である。
【図６】本発明の他の実施形態に係る工具の概略構成を示した平面図及び側面図である。
【図７】本発明の他の実施形態に係る工具の概略構成を示した平面図及び側面図である。
【図８】本発明の他の実施形態に係る工具の概略構成を示した平面図及び側面図である。
【図９】本発明の他の実施形態に係る工具の概略構成を示した平面図及び断面図である。
【符号の説明】
１工具（フライス）
２製造装置
３製造装置
１１チップ
１２フライス本体
２１るつぼ
２２加熱装置
２３閉塞ロッド
２６鋳型
２９導入部材
３０冷却装置
３１，３５冷却部
Ｂ加熱室
Ｃ凝固室
Ｋ空隙

Claims

切刃を備え、被加工物を除去加工するための刃部と、該刃部が固着される本体とから構成される工具において、
前記本体は、ガス原子が溶解した溶融状態の金属を所定方向から徐々に冷却，凝固せしめて得られる金属であって、該金属の温度低下に伴い前記ガス原子の溶解量が低下して該ガス原子が析出することにより、多数の空隙が前記方向に沿って細長く形成された金属から構成されてなることを特徴とする除去加工用工具。
前記金属は鋼からなるとともに、前記ガス原子は少なくとも窒素原子を含み、前記空隙が形成される際に、該空隙部の金属表層に窒化物が生成されてなることを特徴とする請求項１記載の除去加工用工具。
前記空隙は、前記本体の長手方向に沿って形成されてなることを特徴とする請求項１又は２記載の除去加工用工具。
前記空隙は、前記本体中に適宜設定される軸線を中心として放射状に形成されてなることを特徴とする請求項１又は２記載の除去加工用工具。