JP2005154830A - 粉末焼結部品の表面仕上げ方法 - Google Patents

Abstract

【課題】切削加工を行った部分の表面粗さを向上させる。
【解決手段】金属粉末材料の層の所定箇所に光ビームを照射することで該当個所の粉末を焼結させて焼結層を形成し、この焼結層の上に粉末材料の新たな層を被覆して所定箇所に光ビームを照射することで該当個所の粉末を焼結させて下層の焼結層と一体になった新たな焼結層を形成することを繰り返すとともに、いずれかの焼結層の形成後にそれまでに作成した焼結層の積層物の外面の切削加工を行う。この時、１回の切削加工工程で切削加工対象位置を変えた少なくとも２度の切削加工を積層物に対して行うとともに、１回の切削加工工程中の複数回の切削加工のうち、最初の切削加工よりも後の切削加工の切削対象位置を積層物表面から見て深い位置にずらす。切削工具の撓みなどが原因で１度目の切削加工で除去できなかった部分も２度目以降の切削加工で除去することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、粉末焼結部品の表面仕上げ方法、殊に光造形による粉末焼結部品の表面仕上げ方法に関するものである。

光造形法として知られている粉末焼結部品の製造方法がある。特許第２６２０３５３号（特許文献１）などに示された該製造方法は、金属粉末材料の層の所定箇所に光ビームを照射することで該当個所の粉末を焼結させて焼結層を形成し、この焼結層の上に粉末材料の新たな層を被覆して所定箇所に光ビームを照射することで該当個所の粉末を焼結させて下層の焼結層と一体になった新たな焼結層を形成することを繰り返すことで、複数の焼結層が積層一体化された粉末焼結部品を作成するものであり、得ようとする部品の設計データ（ＣＡＤデータ）であるモデルを所望の層厚みにスライスして生成する各層の断面形状データをもとに光ビームを照射することから、いわゆる任意形状の粉末焼結部品を容易に得ることができるとともに、切削加工などによる製造方法に比して、迅速に所望の形状の造形物を得ることができる。

ところで、光ビームを照射して焼結硬化させた部分の周囲には伝達された熱が原因となって不要な粉末が付着するものであり、該付着粉末は密度の低い表面層を粉末焼結部品に形成してしまう。この密度の低い表面層を除去して滑らかな表面を得るために、本出願人は特開２００２−１１５００４号公報（特許文献２）において、焼結層の形成後にそれまでに作成した粉末焼結部品の表面部及びまたは不要部分の除去を行う工程を複数回の焼結層の作成工程中に挿入することを提案した。

つまり、図９及び図１０に示すように、焼結層をｍ層積層する毎に、周囲にできた余剰硬化部Ａをエンドミルのような切削工具Ｃで切削するのである。なお、余剰硬化部Ａは垂れが生じることで、ｍ層の焼結層からなるブロックＢの厚みの２倍近い厚みとなることがあることから、切削加工は余剰硬化部Ａを全て切削することができる範囲Ｄを対象とする。このような切削加工を焼結層の積層過程における途中で行うのは、切削加工用の工具の長さによる制約を受けることなく表面仕上げを行うためである。

しかし上記切削加工を行っても実際には外面の表面粗さを大きく向上させることはできなかった。これは切削除去しなくてはならない余剰硬化部Ａが切削工具Ｃ（通常、径が２，３ｍｍ程度のものを使用する）に比して大きいために、切削抵抗が大きく、図１１に示すように、切削工具が撓んでしまって切削できずに残ってしまう部分Ｚが生じるからである。
特許第２６２０３５３号公報 特開２００２−１１５００４号公報

本発明は上記の従来の問題点に鑑みて発明したものであって、切削加工を行った部分の表面粗さを向上させることができる粉末焼結部品の表面仕上げ方法を提供することを課題とするものである。

上記課題を解決するために本発明に係る粉末焼結部品の表面仕上げ方法は、金属粉末材料の層の所定箇所に光ビームを照射することで該当個所の粉末を焼結させて焼結層を形成し、この焼結層の上に粉末材料の新たな層を被覆して所定箇所に光ビームを照射することで該当個所の粉末を焼結させて下層の焼結層と一体になった新たな焼結層を形成することを繰り返すとともに、いずれかの焼結層の形成後にそれまでに作成した焼結層の積層物の外面を切削加工する切削加工工程を挿入するにあたり、１回の切削加工工程において、切削加工対象位置を変えた少なくとも２度の切削加工を積層物に対して行うとともに、１回の切削加工工程中の複数回の切削加工のうち、最初の切削加工よりも後の切削加工の切削対象位置を積層物表面から見て深い位置にずらすことに特徴を有している。

切削工具の撓みなどが原因で１度目の切削加工で除去できなかった部分も２度目以降の切削加工で除去することができて、良好な表面粗さのものとすることができるものであり、特に最初の切削加工よりも後の切削加工の切削対象位置を積層物表面から見て深い位置にずらすことから、最初の切削加工の時に切削工具の先端で押されて撓んだ余剰硬化部の除去を確実に行うことができる。

この時、切削加工工程の挿入で区切られる積層ブロックの最上層のブロックを、１回の切削加工工程中の複数回の切削加工のうちの最初の切削加工の加工対象とし、最上層のブロックの一つ下のブロックを複数回の切削加工のうちの後の切削加工の加工対象とすると、つまりはあるブロックに対する複数回の切削加工を、異なる切削加工工程で行うと、効率良く表面仕上げを行うことができる。

そして、切削対象位置を深くした時の切削加工の切削速度を、切削対象位置が浅いときの切削加工の切削速度よりも遅くしておくと、切削対象位置を深くしたために切削範囲が広くなった時の切削抵抗の増加に対抗することができる。

上記の最初の切削加工を所要の仕上げ代を残して行い、上記の後の切削加工を仕上げ代ゼロで行うほか、上記の最初の切削加工を仕上げ代ゼロで行い、上記の後の切削加工をゼロカット加工で行うようにしてもよい。

本発明は、焼結層の形成後にそれまでに作成した焼結層の積層物の外面の切削加工を行うにあたり、１回の切削加工工程で少なくとも２度の切削加工を積層物に対して行うために、切削工具の撓みなどが原因で１度目の切削加工で除去できなかった部分も２度目以降の切削加工で除去することができて、良好な表面粗さのものを得ることができる。

以下、本発明を添付図面に示す実施形態に基いて説明すると、図２及び図３は光造形法による粉末焼結部品の製造装置の一例を示すもので、昇降テーブル２７を備えた粉末タンク２６に収めた金属粉末材料をスキージング用ブレード２１によって造形タンク２５側に供給するとともに表面をならすことで、造形用のステージ上、つまり造形タンク２５で外周が囲まれた空間内を上下に昇降する昇降テーブル２０上に、所定厚みの粉末層１０を形成する粉末層形成手段２と、レーザー発振器３０から出力されたレーザーをガルバノミラー３１等のスキャン光学系を介して上記粉末層１０に照射することで粉末を焼結して焼結層１１を形成する焼結層形成手段３とを備えるとともに、上記粉末層形成手段２のベース部にＸＹ駆動機構４０を介してミーリングヘッド４１を設けた切削除去手段４を備えている。

このものにおける粉末焼結部品の製造は、昇降テーブル２０上面の造形用ベース２２表面に粉末材料を供給してブレード２１でならすことで第１層目の粉末層１０を形成し、この粉末層１０の硬化させたい箇所に光ビーム（レーザー）Ｌを照射して粉末を焼結させてベース２２と一体化した焼結層１１を形成する。

この後、昇降テーブル２０を少し下げて再度粉末材料を供給してブレード２１でならすことで第２層目の粉末層１０を形成し、この粉末層１０の硬化させたい箇所に光ビーム（レーザー）Ｌを照射して粉末を焼結させて下層の焼結層１１と一体化した焼結層１１を形成するものであり、昇降テーブル２０を下降させて新たな粉末層１０を形成し、光ビームを照射して所要箇所を焼結層１１とすることをを繰り返すことで、目的とする粉末焼結部品を製造する。

光ビームの照射経路は、得ようとする粉末焼結部品の三次元ＣＡＤモデルのデータから予め作成しておく。すなわち、三次元ＣＡＤモデルから生成したＳＴＬデータを等ピッチ（たとえば０．０５ｍｍ）でスライスした各断面の輪郭形状データを用いる。この時、粉末焼結部品の少なくとも最表面が高密度（気孔率５％以下）となるように焼結させることができるように光ビームの照射を行うのが好ましい。

そして、上記粉末層１０を形成しては光ビームを照射して焼結層１１を形成するということを繰り返していくのであるが、焼結層１１の積層厚みがたとえば切削除去手段４におけるミーリングヘッド４１の切削工具長などから求めた所要の値になれば（ｍ層の積層が終われば）、いったん切削除去手段４を作動させてそれまでに造形した粉末焼結部品の表面部（側面を含む）を切削する。

切削除去手段４による切削加工により、前述のように粉末焼結部品の余剰硬化部Ａを除去するものであり、この時の切削除去手段４による切削加工経路は、光ビームの照射経路と同様に予め三次元ＣＡＤデータから作成する。そして上記切削除去手段４による切削除去を行った後は、再度粉末層１０の形成並びに焼結層１１の形成を繰り返す。

上記切削工程は焼結が完了するまでに何度も実行されるわけであるが、ここでは１回の切削工程で切削加工対象位置を変えて２度以上の切削加工を行うものとしている。つまり、図１(a)に示すように、ｍ層の焼結層からなるＮ段目のブロックＢの焼結が終わって切削工具（ボールエンドミル）Ｃによる切削を行う時、最初は仕上げ代ｘを残した状態で切削を行う。切り込み深さはＮ段目のブロックＢの下面＋切削工具半径ｒ程度が適当であり、いったん切り込んだならば、粉末焼結部品の外面に沿わせて切削工具Ｃを移動させることで粉末焼結部品のＮ段目のブロックＢの全周切削を行う。なお、ここでいう全周とは、粉末焼結部品がその上面に穴を有するものである場合、この穴の内周を含む。

上記切削が終了すれば、図１(b)に示すように、Ｎ−１段目のブロックＢに対する仕上げ代をゼロとした状態での切削を行う。このために切り込み深さは、たとえば切削工具４の先端が工具半径ｒだけＮ−１段目の下面よりも下方に達する位置までとし、いったん切り込んだならば、粉末焼結部品の外面に沿わせて切削工具Ｃを移動させることで粉末焼結部品のＮ−１段目のブロックの全周の切削を行う。この時、上記のＮ段目のブロックＢの切削加工に際して切削工具Ｃによって押されることで下方に屈曲してしまった余剰硬化部Ａも切削除去する。

また、この切削加工に際しての切り込み時、Ｎ段目のブロックＢとＮ−１段目のブロックＢとを切削工具４の側面部分で切削することになるために、切削工具４にかかる負荷が大きくなることから、この２度目の切削加工は上記１度目の切削加工よりも加工速度を落として切削工具Ｃに係る負荷を減らすことが好ましい。

そして、粉末焼結部品のＮ−１段目のブロックＢに対する仕上げ切削が完了すれば、Ｎ段目のブロックＢの上にＮ＋１段目のブロックＢの焼結による形成を行い、次いで図１(c)(d)に示すように、Ｎ＋１段目のブロックＢの側面の切削加工と、切削加工対象位置を深い位置にずらしたＮ段目のブロックＢの仕上げ切削加工とを順次行う切削加工工程に移る。あるブロックに対する複数回の切削加工を、異なる切削加工工程に振り分けて行うわけであり、この場合、切削工具Ｃによって押されることで下方に屈曲してしまった余剰硬化部Ａの切削除去を効率良く行うことができる。

いずれにしても、１回の切削工程で切削対象位置をずらした少なくとも２度の切削加工を行うとともに、あるブロックＢに関しては、最初の切削加工と、次のブロックＢを積層してからの仕上げ切削加工との２度の切削加工がなされるようにしているものであり、始めの切削加工で所要の仕上げ代を残しておくことで、最終の仕上げの切削加工の際には切削工具Ｃは一定条件での切削を行うことができ、仕上げ面の精度を高くすることができる。また、Ｎ段目のブロックＢは次のＮ＋１段目のブロックＢに対する切削加工時にも切削されるために、表面粗さが向上する。

図４に示すように、切削工具Ｃとして、その根元径φ０が首下径φ１及び刃径φよりも十分に大きいものやシャンクテーパ角αが大きいものを用いて、前記負荷に対抗できる強度のものにしておくことで、より確実に仕上げ面の精度を高くすることができる。

切削工具Ｃにかかる負荷を更に小さくするという点では、切り込み深さを小さく、たとえば０．０２〜０．１ｍｍ程度とし、仕上げ代ｘを残した１度目の切削加工を粉末焼結部品の外面に沿わせて切削工具Ｃを移動させることで粉末焼結部品の全周の切削を行うことを、図５に示すように、切り込み深さを深くする度に行い、仕上げ代をゼロとした２度目の切削加工も、切り込み深さを漸次深くした複数回の切削で行うようにしてもよい。

また、上記の例では、始めの切削加工を仕上げ代ｘを残した状態で行っているが、図６に示すように、仕上げ代をゼロとした状態で始めの切削加工を行い、その後、仕上げ代ゼロの所謂ゼロカット仕上げでの２度目の切削加工を切り込み深さを深くした状態で行うようにしてもよい。始めの切削加工の際に図に示すように切削工具Ｃが撓んだりして余剰硬化部Ａに削り残しｚが生じても、切り込み深さを深くした２度目の切削加工で削り残しｘ部分を切削工具Ｃの側面で除去することができる。

なお、始めの切削加工の切り込み深さはあまり大きくする必要はないが、図７(a)に示すように、少なくとも最上層のＮ段目のブロックＢは切削工具Ｃの側面の刃Ｃａで切削できる位置以上で且つ余剰硬化部Ａの垂れ下がった部分の下端に切削工具Ｃの先端が達する位置とするのが好ましい。

そしてある切削加工工程での２度目（３度目であってもよいのはもちろんである）の切削加工の切り込み深さは、その下層側のブロックＢの側面を主たる切削対象として、上の層のブロックＢの余剰硬化部Ａの垂れ下がり部分や、その切削加工の際に切削工具Ｃの先端球状部Ｃｂで押されて下方に撓んだ部分を切削工具Ｃの側面の刃Ｃａで切削除去することができるように、始めの切削加工の時よりも切り込み深さを大きくする。なお、図１では切り込み深さをブロックＢの１段分に相当する深さだけ大きくした例を示したが、上述のように、余剰硬化部Ａの垂れ下がりが上記１段分より小さい場合は、切り込み深さを下方にずらす量を上記１段分より小さくしてもよい。逆に切り込み深さを下方にずらす量をブロックＢの１段分より大きくしてもよい。

このほか、１回の切削加工工程中の複数度の切削加工における始めの切削加工の加工対象位置と２度目の切削加工の加工対象位置とが高さ方向において離れていてもよい。例えば始めの切削加工は最上層のＮ段目を対象とし、２度目の切削加工はＮ段目のブロックＢよりも下層に位置するＮ−１段目のブロックＢの下半分とさらに下層に位置するＮ−２段目のブロックＢの上半分とを対象とするようにしてもよい。ブロックＢのつなぎ目部分に切削加工工具Ｃの芯ブレ等が原因で段差が発生してしまう虞をなくすことができる。

ところで、切り込み深さを下方にずらすということは切り込み深さが大きくなるということであり、２度目の切削加工でＮ−１段目のブロックを切削対象とする時、実際にはＮ段目のブロックＢとＮ−１段目のブロックＢとが切削対象となってしまう場合があり、この場合、切削負荷が大きくなる。この点に関しては、図８に示すように、切削工具Ｃとして、側面の刃Ｃａの刃長ＭがＮ段目のブロックＢの厚みとＮ−１段目のブロックＢの厚みとの和よりも短かくなるように、首下径φ１の部分が長いものを用いて、２度目の切削加工時にＮ段目のブロックＢの上部が切削対象から外れるようにするとよい。始めの切削加工を仕上げ代ゼロで行っていない時、Ｎ段目のブロックＢの余剰硬化部Ａに削られずに残ってしまう部分が生じるが、この部分は次のＮ＋１段目のブロックＢの余剰硬化部Ａに対する切削工程で削られることになる。

本発明の実施の形態の一例を示すもので、(a)は１度目の切削加工時の断面図、(b)は２度目の切削加工時の断面図、(c)は次のブロックに対する１度目の切削加工時の断面図、(d)は２度目の切削加工時の断面図である。 同上の光造形装置の概略斜視図である。 同上の光造形装置の概略断面図である。 切削工具の他例の側面図である。 他例を示す断面図である。 別の例を示すもので、(a)は１度目の切削加工時の断面図、(b)は２度目の切削加工時の断面図である。 更に別の例を示すもので、(a)は１度目の切削加工時の断面図、(b)は２度目の切削加工時の断面図である。 別の例を示す断面図である。 余剰硬化部を示す断面図である。 余剰硬化部の切削時の問題点を示す断面図である。

符号の説明

Ａ 余剰硬化部
Ｂ ブロック
Ｃ 切削工具

Claims (5)

1. 金属粉末材料の層の所定箇所に光ビームを照射することで該当個所の粉末を焼結させて焼結層を形成し、この焼結層の上に粉末材料の新たな層を被覆して所定箇所に光ビームを照射することで該当個所の粉末を焼結させて下層の焼結層と一体になった新たな焼結層を形成することを繰り返すとともに、いずれかの焼結層の形成後にそれまでに作成した焼結層の積層物の外面を切削加工する切削加工工程を挿入するにあたり、１回の切削加工工程において、切削加工対象位置を変えた少なくとも２度の切削加工を積層物に対して行うとともに、１回の切削加工工程中の複数回の切削加工のうち、最初の切削加工よりも後の切削加工の切削対象位置を積層物表面から見て深い位置にずらすことを特徴とする粉末焼結部品の表面仕上げ方法。
2. 切削加工工程の挿入で区切られる積層ブロックの最上層のブロックを、１回の切削加工工程中の複数回の切削加工のうちの最初の切削加工の加工対象とし、最上層のブロックの一つ下のブロックを複数回の切削加工のうちの後の切削加工の加工対象とすることを特徴とする請求項１記載の粉末焼結部品の表面仕上げ方法。
3. 切削対象位置を深くした時の切削加工の切削速度を、切削対象位置が浅いときの切削加工の切削速度よりも遅くしていることを特徴とする請求項１または２記載の粉末焼結部品の表面仕上げ方法。
4. 上記の最初の切削加工を所要の仕上げ代を残して行い、上記の後の切削加工を仕上げ代ゼロで行うことを特徴とする請求項１または２または３記載の粉末焼結部品の表面仕上げ方法。
5. 上記の最初の切削加工を仕上げ代ゼロで行い、上記の後の切削加工をゼロカット加工で行うことを特徴とする請求項１または２または３記載の粉末焼結部品の表面仕上げ方法。

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