JP2006247796A - 高分子材料の加工法及び加工機 - Google Patents

Abstract

【課題】高分子材料からなる被加工物（ワーク）に対して、精密な切削や研磨などが可能な加工法を提供する。
【解決手段】 高分子材料からなるワークＷを工具Ｔによって機械加工する高分子材料の加工法であって、１０℃〜−４０℃の温度の流体をかけながら加工することを特徴とする。加工時にワークから発生する熱を効果的に除去するため、ワークが熱で半溶融して糸を引いたり、加工傷が残ったりするということがない。また、ワークにかける流体の温度が−４０℃以上であるので、高分子材料が脆化する危険性が少ない。
【選択図】 図３

Description

本発明は、高分子材料の加工法及び加工機に関する。

従来、高分子材料からなる被加工物を機械加工する方法として、切削や研磨などが知られている。高分子材料は、金属にくらべて柔らかく、また、熱に弱いため、水や空気を吹き付けて冷却しながら加工することも多い。
しかし、高分子材料は、金属に比べて柔らかく、また、熱伝導性が悪いため、水や空気を吹き付けても冷却が必ずしも十分とは言えず、切削した後がひげ状（繊維状）の屑として残ったり、研磨面に研磨傷が残ることも少なくなかった。
これに対して、−５０℃以下の凍結剤を高分子材料に拭きつけながら、炭酸ガスレーザで切削する方法が知られている（例えば、特許文献１）。この方法によれば、高分子材料を極低温の状態として剛性を持たせるため、金属に対する切削のように切断面を滑らかにできるという利点がある。

特開２００１−１７０８９１号公報

しかしながら、この特許文献１の方法では、炭酸ガスレーザを用いるため、mmオーダー以下の局所を精密に研削あるいは研磨することが困難である。また、−５０℃以下の凍結剤を用いるために、高分子材料が脆化してしまい、加工時に割れてしまうおそれもある。

そこで、本発明の目的は、高分子材料に対して、精密な切削や研磨などが可能な機械的加工法及び加工機を提供することにある。

本発明は、高分子材料からなる被加工物を工具によって機械加工する高分子材料の加工法であって、前記被加工物に１０℃〜−４０℃の温度の流体をかけながら加工することを特徴とする。
本発明に用いられる高分子材料としては、特に限定されないが、熱可塑性樹脂のように温度によって機械加工適性が大きく変化する樹脂に好適である。

本発明によれば、１０℃以下の温度の流体を高分子材料からなる被加工物にかけながら加工するので、その加工適性（例えば剛性や硬度）が温度で大きく変化するような材料であっても、機械加工を円滑に行うことができる。すなわち、低温の流体をかけて、高分子材料の剛性を高めるとともに、加工時に高分子材料から発生する熱を効果的に除去するため、高分子材料が熱で半溶融して糸を引いたり、加工傷が残ったりするということがない。また、高分子材料にかける流体の温度が−４０℃以上であるので、高分子材料が脆化する危険性が少ない。
本発明の加工法としては、切削や研磨があり、いずれも高分子材料の加工法として好適に用いられる。

本発明では、前記流体が液体、気体及びミストのいずれかであることが好ましい。
本発明によれば、高分子材料からなる被加工物にかける流体が液体である場合は、熱伝導性が高いため、除熱効果が大きい。従って、加工時の発熱が大きくとも、十分な除熱が可能となり、高分子材料の局所的変形をより防止しやすくなる。
また、高分子材料を冷却するための流体が気体である場合は、被加工物の材質・形状・性状等に応じて冷却条件（風量、温度等）を容易に大きく変化させることができる。この場合、被加工物を汚すことがなく、加工後に被加工物をただちに次の工程に移すこともできる。気体としては、窒素ガスや炭酸ガスなどが好適である。特に、炭酸ガスの場合は、ドライアイスを用いると、低温の気体が容易に得られる点でより好適である。
そして、高分子材料からなる被加工物を冷却するための流体がミストである場合は、液体による熱伝導効果（除熱効果）と、気体による条件変更の容易さという双方の長所を享受することができる。

本発明では、前記流体が水性液体であることが好ましい。
ここで、水性液体とは、水、水溶液、エマルジョンのように水を主成分として含んだ液体である。
本発明によれば、高分子材料からなる被加工物にかける液体が水性液体であるため、熱伝導性が非常に大きい。それ故、除熱効果により優れる。特に、入手のしやすさ、扱いやすさから純水（水道水等）が好適である。

本発明の加工機は、高分子材料からなる被加工物を載置するテーブルと、前記被加工物を機械加工する工具と、前記テーブルと前記工具とを相対移動させる相対移動手段とを備えた加工機において、前記被加工物に対して１０℃〜−４０℃の温度の流体をかけながら被加工物を冷却する冷却手段が設けられていることを特徴とする。
本発明によれば、高分子材料に対して上述のように冷却しながら切削や研磨などを行う加工機であるため、加工適性（例えば剛性や硬度）が温度で大きく変化するような材料であっても、機械加工を円滑に行うことができる。

本発明の加工機は、前記テーブル内またはテーブル上に設けられ、１０℃〜−４０℃の温度の流体を循環させる冷却流体循環手段を備えていることが好ましい。
本発明によれば、高分子材料を冷却する手段として、１０℃〜−４０℃の温度の流体をかけるだけでなく、高分子材料からなる被加工物が載置されたテーブルにも１０℃〜−４０℃の温度の流体を循環させる冷却流体循環手段が備えられているため、高分子材料の冷却をより確実に行うことができる。

本発明では、前記工具は、非接触型軸受によって回転可能に支持された主軸に取り付けられていることが好ましい。
接触型主軸を有する加工機の場合、冷却用の流体（クーラント）の温度が通常よりも低いと（１０℃〜−４０℃）、軸受け部分と工具先端との温度差が大きくなり、それにより軸受けの予圧が変動する。つまり、主軸の回転数や主軸にかかる負荷が変動すると、例えば、主軸の回転数が増大し、転がり軸受けから発生する熱が増大して主軸が膨張し、逆に主軸の回転数が低下して転がり軸受けから発生する熱が低下すると、クーラントの液温の影響を大きく受けて主軸が収縮しやすい。そのため、主軸の精度や性能にまで影響を及ぼすことがある。場合によっては、振れ精度の低下や主軸の剛性の低下を招き、さらには主軸の破損まで起こすおそれもある。
本発明によれば、工具は、非接触型軸受によって回転可能に支持された主軸に取り付けられているので、例えば、空気軸受の場合、主軸と軸受け部は１０〜３０μｍの間隙を有しており、このような問題を避けることができる。

以下、本発明の一実施形態を詳細に説明する。
〔高分子材料〕
本発明で用いられる高分子材料としては特に制限はなく、熱硬化性樹脂や熱可塑性樹脂が好適に用いられる。
熱硬化性樹脂としては、例えば、ウレタン樹脂、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、メラミン樹脂、ウレア樹脂等が挙げられる。
熱可塑性樹脂としては、例えば、塩化ビニル樹脂、オレフィン系樹脂、スチレン系樹脂、ウレタン系樹脂、アクリル系樹脂、ポリオキシメチレン樹脂（ＰＯＭ）、等が挙げられる。

塩化ビニル樹脂としては、特に制限はなく、硬質タイプ、軟質タイプのいずれも用いることができる。
オレフィン系樹脂としては、ポリエチレン、ポリプロピレン、エチレン−酢酸ビニル共重合体、熱可塑性ポリオレフィン系エラストマー（ＴＰＯともいわれる）等が挙げられる。
また、ポリエチレンとしては、高圧法で製造される低密度ポリエチレン（ＬＤＰＥ）やチーグラーナッタ触媒を用いて製造される高密度ポリエチレン（ＨＤＰＥ）やチーグラーナッタ触媒またはメタロセン触媒を用いエチレンとα−オレフィンを共重合して製造される直鎖状低密度ポリエチレン（ＬＬＤＰＥ）等が挙げられる。ポリプロピレンとしては、アイソタクチック度が９５％以上の高立体規則性ポリプロピレンや、例えば、一段目でアイソタクチックポリプロピレン、二段目でプロピレンとエチレンの共重合を行い得られるブロックタイプのポリプロピレン等が挙げられる。

スチレン系樹脂としては、ポリスチレン、ＨＩＰＳ，ＡＢＳ，熱可塑性ポリスチレン系エラストマー（ＴＰＳともいわれる）等が挙げられる。ポリスチレンとしては、非晶質のアモルファスポリスチレンや結晶性を示すシンジオタクチックポリスチレンが挙げられる。
ウレタン系樹脂としては、特に制限はなく、溶剤系及び水系ウレタン樹脂、またはゴム的性質を有する熱可塑性ウレタン系エラストマー（ＴＰＵともいわれる）等を用いることができる。
アクリル系樹脂としては、特に制限はないが、ＰＭＭＡ樹脂が好適に用いられる。

上述の高分子材料には、種々の添加剤や無機・有機の充填剤が添加されていてもよい。
具体的な添加剤としては、酸化防止剤、中和剤、スリップ剤、アンチブロッキング剤、帯電防止剤、紫外線吸収剤等が挙げられる。添加量は０．０５〜５質量％であることが好ましい。

無機充填剤の具体例としては、例えば、炭酸カルシウム、炭酸マグネシウム、ドロマイト等の炭酸塩、硫酸カルシウム、硫酸マグネシウム、硫酸バリウム等の硫酸塩、タルク、クレー、モンモリロナイト、ワラストナイト、軽石粉、マイカ、ホワイトカーボン、アスベスト、ガラス繊維、ガラス粉末、酸化チタン、酸化亜鉛、酸化鉄、酸化マグネシウム、水酸化アルミニウム、水酸化マグネシウム、ケイ酸カルシウム、鉄粉、亜鉛粉、アルミニウム粉、等がある。

これらの充填剤の中で、酸化チタン、炭酸カルシウム、マイカ、クレー、タルクの使用が高分子材料への剛性付与および製造コストの点で好ましい。剛性が増すと、切削加工における温度依存性が少なくなり、局所的変形を防止しやすくなるからである。なお、これらの無機充填剤の粒径は、0.01〜50μｍが好ましく、より好ましくは0.1〜10μｍである。

有機充填剤の具体例としては、例えば、木粉がある。この有機充填剤の粒径は、60〜325メッシュが好ましく、より好ましくは80〜200メッシュである。
これらの無機、有機充填剤のうちの１種を単独で、又は２種以上を組み合わせて使用することができる。添加量は５〜６０質量％であることが好ましい。

これらの添加剤や充填剤の高分子材料への混合手段は任意である。熱可塑性樹脂であれば、例えば、リボンブレンダ、タンブルミキサ、ヘンシェルミキサ等の混合機、オーブンロール、バンバリミキサ、単軸スクリュー押出機、二軸スクリュー押出機、単軸往復動スクリュー混練機、等を使用できる。なお、添加剤や充填剤のマスターバッチを用意しておいて、このマスターバッチを熱可塑性樹脂で希釈しながら所定濃度となるように添加剤や充填剤を熱可塑性樹脂に混合するようにしてもよい。

〔冷却用流体〕
本発明で用いられる冷却用流体としては、液体、気体、ミストいずれも使用可能であるが、冷却効率の観点からは、液体が好ましい。また、冷却温度が０℃以上であれば、入手のしやすさや後処理の観点からは水を冷却して使用することが好ましい。水の冷却は、市販のチラーを用いることができる。

冷却用流体の温度は１０℃以下、−４０℃以上である。１０℃を超えると、加工時に高分子材料が熱で変形しやすくなり、−４０℃より下がると、高分子材料が脆化して割れやすくなる。
また、除熱効果の観点より、高分子材料にかける流体の温度は、好ましくは５℃以下であり、より好ましくは３℃以下であり、さらに好ましくは１℃以下である。また、脆化防止の観点から、高分子材料にかける流体の温度は、好ましくは、−３０℃以上であり、より好ましくは−２０℃以上、さらに好ましくは−１０℃以上である。

〔加工機の概要〕
図１は本発明の加工法を適用する加工機を示す斜視図である。同図に示すように、本実施形態に係る加工機は、ＮＣ装置により制御される工作機械であって、ベース１と、このベース１上に設置された機械本体１１と、この機械本体１１の駆動を制御する制御手段としてのＮＣ装置４１とを備える。

前記機械本体１１は、前記ベース１の上面にレベラなどを介して据え付けられたベッド１２と、このベッド１２の上面に前後方向（Ｙ軸方向）へ移動可能に設けられたテーブル１３と、前記ベッド１２の両側に立設された一対のコラム１４，１５と、この両コラム１４，１５の上部間に掛け渡されたクロスレール１６と、このクロスレール１６に沿って左右方向（Ｘ軸方向）へ移動可能に設けられたスライダ１７と、このスライダ１７に上下方向（Ｚ軸方向）へ昇降可能に設けられたスピンドルヘッド１８と、前記コラム１４，１５間の前面部を覆うように設けられ内部が透視可能でかつ上端を支点として上下方向へ開閉可能なスプラッシュガード１９とから構成されている。
テーブル１３の上面には、被加工物（ワーク）Ｗが固定される。

前記ベッド１２には、前記テーブル１３を案内するガイド（図示省略）とともに、テーブル１３をＹ軸方向へ移動させるＹ軸駆動機構２１が設けられている。Ｙ軸駆動機構２１としては、モータと、そのモータによって回転する送りねじ軸とからなる送りねじ機構が用いられている。
前記各コラム１４，１５は、側面形状が、上部に対して下部が広くなった略三角形状に形成されている。これにより、下部が安定した構造であるから、スピンドルヘッド１８が高速回転するものであっても、振動の発生を低減できる。

前記クロスレール１６には、前記スライダ１７を移動可能に案内する２本のガイドレール２３が設けられているとともに、スライダ１７をＸ軸方向へ移動させるＸ軸駆動機構２４が設けられている。
前記スライダ１７には、前記スピンドルヘッド１８をＺ軸方向へ案内するガイド（図示省略）とともに、スピンドルヘッド１８をＺ軸方向へ昇降させるＺ軸駆動機構２５が設けられている。これらの駆動機構２４，２５についても、前記Ｙ軸駆動機構２１と同様に、モータと、そのモータによって回転する送りねじ軸とからなる送りねじ機構が用いられている。

前記スピンドルヘッド１８は、図２に示すように、空気軸受スピンドルヘッドによって構成されている。つまり、前記クロスレール１６に昇降自在に設けられ前記Ｚ軸駆動機構２５によって昇降されるハウジング３１と、このハウジング３１に空気軸受３２，３３，３４を介して回転可能かつＺ軸方向と平行に支承され途中にフランジ３５Ａを有する主軸３５と、この主軸３５を回転駆動させるモータ３６とを備えた空気軸受スピンドルヘッドによって構成されている。これにより、主軸３５は、３０，０００〜６０，０００ｒｐｍで高速回転できるようになっている。

前記各空気軸受３２，３３，３４の内周面には、主軸３５に向かって軸直交方向から空気を吹き出す吹出口３７が複数形成されている。これらの各吹出口３７から噴出される空気によって主軸３５をラジアル方向に支持するラジアル軸受が形成されている。また、前記空気軸受３３，３４の互いに対向する軸方向端面には、主軸３５のフランジ３５Ａに向かって空気を噴出する吹出口３８が複数形成されている。これらの各吹出口３８から噴出される空気によって主軸３５をスラスト方向に支持するスラスト軸受が形成されている。なお、図２において、３９は各吹出口３７，３８に高圧空気を供給する給気通路、４０は排気通路、Ｔはエンドミルなどの回転工具である。
ここで、被加工物を載置するテーブル１３と、回転工具Ｔとは、上述の相対移動手段（ベッド１２、コラム１４，１５、クロスレール１６、スピンドルヘッド１８ 等）により相対的に移動可能となっている。

ここで、図３に示すように、テーブル１３に置かれたワークＷに冷却水をかけることができるようにノズルＮが回転工具Ｔの近傍に位置している。このノズルＮから所定の温度の冷却水がワークＷの切削部位に向かって放出される。この冷却水の温度は、図示しないチラーにより制御される。
なお、冷却に水を使用する場合には、チラーによる冷却水の温度は０℃以上であるが、適当な冷媒（潤滑油等）を用いることにより、０℃以下に設定することもでき、例えば−４０℃の冷媒をノズルＮから放出することもできる。

前記ＮＣ装置４１は、図４に示すように、演算制御部４２を備える。演算制御部４２には、入力部４３、この入力部４３を通じて入力されたプログラムなどを記憶するプログラム記憶部４４、及び、冷却水の温度を制御するチラー制御部４５のほかに、前記各駆動機構２４，２１，２５およびスピンドルヘッド１８が接続されている。ここで、演算制御部４２は、予めプログラム記憶部４４に設定、記憶されたプログラムに従って、ワークに凹部などを加工する際、回転工具ＴとワークＷとを相対移動させる手段を含んで構成されている。

このような、本発明の実施形態によれば、１０℃〜−４０℃の温度の流体をかけながら高分子材料を切削あるいは研磨することができるため、高分子材料が熱で局所的に変形することなく、切削面、研磨面を滑らかに保つことができる。

なお、本発明は前記の実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良は、本発明に含まれるものである。その他、本発明を実施する際の具体的な構造および形状等は、本発明の目的を達成できる範囲内で他の構造等としてもよい。

例えば、前記した実施形態では、ワークＷは、単にテーブル１３の上に載置されているだけであったが、テーブル１３内またはテーブル１３上に設けられ、１０℃〜−４０℃の温度の流体を循環させる冷却流体循環手段を備えていてもよい。すなわち図５に示すように、テーブル１３の上に冷却流体循環手段としての冷却台１３１を置き、その上にワークＷを載置しても良い。この冷却台１３１は、ホース１３２によりチラー１３３に接続されており、所定温度の流体が循環して流れるように構成されている。冷却台１３１の内部は図示しないが蛇管になっていて冷却台表面からの除熱を効果的に行うことができる。
この冷却台１３１を用いることにより、ワークＷを下部から冷却して、ノズルＮからの冷却流体（冷却水等）による冷却効果を補助することができる。

以下、前述した加工機による実際の切削について説明する。
・使用機械：東芝機械株式会社製 高速立形加工機 Ｆ−ＭＡＣＨ４４２
・加工形状：加工深さ ０．０２５ｍｍ、溝巾 ０．１５ｍｍ
・使用工具：単結晶ダイヤ９０° 半月バイト／先端部φ０．１５フラット
・ワークの材質：ＰＯＭ（ポリオキシメチレン）
・ワークの形状：プレート（５ｍｍ×５０ｍｍ×５０ｍｍ）
・加工条件：
主軸回転数：６０，０００rpm
送り速度 ：２０ｍｍ／min
・冷却水温度：
実施例：０．１℃
比較例：２３．８℃

・実験結果：
実施例の結果を図６、図７に示す。また、比較例の結果を図８、図９に示す。これらの図６〜図９は、ＰＯＭ製プレートからなるワークを切削後に加工溝を上から見た拡大写真である。具体的には、図６及び図８は加工溝の上部の両側壁に焦点をあてて撮影した写真であり、図７及び図９は、加工溝の底面に焦点をあてて撮影した写真である。
ワークにかける冷却水温度が０．１℃のときは、加工溝の両側壁及び底面は滑らかであった（実施例：図６、図７）。一方、冷却水温度が２３．８℃になると加工溝の両側壁には、ＰＯＭが半溶融して多数のひげ状となったものと思われる切削跡が見られるとともに（比較例：図７）、加工溝の底面には、工具による円形状の切削跡が顕著に見られた（比較例：図９）。
従って、実施例では、比較例に比して冷却水の温度効果により高分子材料を切削する際の局所的変形を確実に低減できると認められ、本発明に係る優位性が確認できた。

本発明の高分子材料の加工法は、熱により変形しやすい高分子材料の精密な切削等に好適に使用することができる。

本実施形態に係る加工機を示す斜視図。 前記実施形態におけるスピンドルヘッドの断面図。 前記実施形態におけるワーク近傍の斜視図。 前記実施形態におけるＮＣ装置および駆動系を示すブロック図。 前記実施形態の変形例における概念的な側面図。 本発明の実施例において、ワークの加工溝を上から見た図（両側壁）。 本発明の実施例において、ワークの加工溝を上から見た図（底面）。 本発明の比較例において、ワークの加工溝を上から見た図（両側壁）。 本発明の比較例において、ワークの加工溝を上から見た図（底面）。

符号の説明

１１…機械本体
１３…テーブル
１８…スピンドルヘッド
４１…ＮＣ装置
１３１…冷却台
Ｗ…ワーク
Ｔ…回転工具
Ｎ…ノズル

Claims (6)

1. 高分子材料からなる被加工物を工具によって機械加工する高分子材料の加工法であって、
   前記被加工物に１０℃〜−４０℃の温度の流体をかけながら加工することを特徴とする高分子材料の加工法。
2. 請求項１に記載の高分子材料の加工法において、
   前記流体が液体、気体及びミストのいずれかであることを特徴とする高分子材料の加工法。
3. 請求項２に記載の高分子材料の加工法において、
   前記流体が水性液体であることを特徴とする高分子材料の加工法。
4. 高分子材料からなる被加工物を載置するテーブルと、前記被加工物を機械加工する工具と、前記テーブルと前記工具とを相対移動させる相対移動手段とを備えた加工機において、
   前記被加工物に対して１０℃〜−４０℃の温度の流体をかけながら被加工物を冷却する冷却手段が設けられていることを特徴とする加工機。
5. 請求項４に記載の加工機において、
   前記テーブル内またはテーブル上に設けられ、１０℃〜−４０℃の温度の流体を循環させる冷却流体循環手段を備えていることを特徴とする加工機。
6. 請求項４または請求項５に記載の加工機において、
   前記工具は、非接触型軸受によって回転可能に支持された主軸に取り付けられていることを特徴とする加工機。

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