JP2006247835A - 超砥粒加工工具およびその使用方法 - Google Patents

Abstract

【課題】より費用対効果が高く、効率的な方法で超合金材料を加工するプロセスが提供される。
【解決手段】超砥粒加工工具１０は、超合金材料を含むかあるいはセラミック材料でさえ含むワークピース１８，４６から材料を効率的にかつ費用対効果高く除去するために、ワークピース１８，４６を研削する研削手段１２およびワークピース１８，４６を回転させる回転手段１４両方を用いる。研削手段１２は、回転ワークピース１８，４６よりかなり大きな速度で回転して、ワークピース１８，４６からの材料の除去を容易にする。ワークピース１８，４６は、その直径または大きさを低減すること、形体をその表面に加工すること、および／または不連続形体をその表面に付与することを行うために、研削して材料を除去できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、超砥粒加工工具およびその使用方法に関する。

半径部において単純なまたは複雑な形状を有する大容量の材料を除去する非常に一般的な方法は、旋削である。アルミニウムおよび鋼などの材料に対する材料除去速度は、従来の旋削を用いて何年もの間、成功裏に短縮されてきた。旋削プロセスは一般に、ワークピースを保持しかつ回転させるのに旋盤または類似の回転マウントを使用し、同時に、静止（ｓｔａｔｉｏｎａｒｙ）工具を回転ワークピースの表面にあてがい材料を除去する。このプロセスは、外側半径部において滑らかでありかつ部品の外面における幾何学的形体によって中断されることのない円柱形状部品ではうまくいく。この方法は、超合金、ニッケル合金、チタン、およびセラミックスなどを含むさまざまな硬度を有する多数の材料に対して有効である。しかしながら、より硬度の高いこれらの材料では、工具摩耗および材料除去速度は、材料の硬度に基づいて制限される。旋削プロセスでは、ニッケルおよびチタン超合金などの高硬度材料を加工すると、比較的速く、すなわち数分以内に工具が摩耗してしまうことがある。その結果、旋削プロセスは、非常に費用がかかり、また工具交換に消費される準備時間により非常に効率が悪いものとなる。

従って、より費用対効果が高く、効率的な方法で超合金材料を加工するプロセスの必要がある。

一実施態様において、マシニングセンタ内にマウントされた超砥粒加工工具は、コンピュータ作動多軸研削装置を備えており、この工具は、超砥粒材料被覆を含む外面を備えかつワークピースを研削する研削手段であって第一の速度で第一の方向に回転する研削手段と、研削手段を冷却する冷却手段と、マウントを備えかつワークピースを回転させる回転手段であって第一の速度より小さな第二の速度で第二の方向に回転する回転手段と、を備える。

別の実施態様において、ワークピースを超砥粒研削する方法は、ワークピースを研削する研削手段と、ワークピースを冷却する冷却手段とを備える超砥粒研削加工工具内にワークピースを配置し、第一の方向にかつ第一の速度でワークピースを回転させ、第二の方向にかつ第一の速度より大きな第二の速度で研削手段を回転させ、研削手段を用いてワークピースを研削し、研削されるワークピースを冷却する、ことを含む。

本発明の一つまたは複数の実施態様の詳細は、添付の図面および以下の説明に述べる。本発明の他の特徴、目的および利点は、説明および図面から、および請求項から明らかとなる。

さまざまな図面中の同様の参照番号および符号は、同様の部材を示す。

本発明は、超砥粒加工工具およびその使用方法に関する。超砥粒加工工具は、超合金材料を含むかあるいはセラミック材料でさえ含むワークピースから材料を効率的にかつ費用対効果高く除去するために、ワークピースを研削する研削手段およびワークピースを回転させる回転手段両方を用いる。一般に、ワークピースは工具内にマウントされ、例えば時計回り方向に回転し、同時に、研削手段は、同じかまたは反対方向に回転し、回転ワークピースと接触する。研削手段は、回転ワークピースよりかなり大きな速度で回転し、それによって、ワークピースからの材料の除去が容易になる。ワークピースは、その直径または大きさを低減すること、形体をその表面に加工すること、および／または不連続形体をその表面に付与することを行うために、研削して材料を除去できる。ワークピースは、略円形、例えば、円形、楕円形、長円形、および同様のものなどを含むとはいえ、ワークピースは、ワークピースの表面上に一つまたは複数の不連続または連続な形体または滑らかな外面を有する他の幾何学的または非幾何学的形状を含むことができる。

図１〜図３をここで概略参照すると、超砥粒加工工具が部分的に示される。超砥粒加工工具は、当業技術内で知られる任意の適切なコンピュータ作動多軸研削またはフライス削り機械を含むマシニングセンタ内にマウントできる。超砥粒加工工具は、予めプログラムされたコンピュータ作動マシニングセンタにより移動されて、ワークピースの所望の形状および／またはワークピースの表面上に所望の形体を提供できる。

図１をここで詳細に参照すると、超砥粒加工工具１０は、ベースと、研削手段１２および回転手段１４を支持するための少なくとも二つの部材とを備える。回転手段１４は、軸４０と、好ましくはワークピース１８がその上に配置されるマウント１６とを含むことができる。回転手段１４は、時計回りまたは反時計回り方向３６に回転できる。研削手段１２も、時計回りまたは反時計回り方向３８に回転でき、回転手段１４の方向３６と同じ方向または反対方向に回転できる。作動中に研削手段１２は、ワークピース表面２２上の位置または点２０に接触できる。冷却手段２４も、研削手段１２およびワークピース１８のすぐ近くに配置できる。冷却手段２４は、限定される訳ではないが、水、油、および同様のものなどを含む冷却流体を、研削手段１２をあてがう前およびあてがい中に供給できる。

研削手段１２は、その表面積の大部分好ましくはその表面積の約７０から７５％に付与された超砥粒被覆すなわちグリット材料２６を有する外面を備える任意の研削工具を含むことができる。好ましくはグリット材料２６は、めっき（ｐｌａｔｅｄ）立方窒化ホウ素、透化（ｖｉｔｒｉｆｉｅｄ）立方窒化ホウ素、ダイヤモンド、人造ダイヤモンド、これらの超砥粒材料の組み合わせ、および同様のものから成る群より選択される超砥粒材料から形成される。研削手段を被覆する超砥粒材料２６は、切削の深さおよび硬い（ｈａｒｄ）表面仕上げに応じて４０／４５から３２５／４００の範囲のグリットサイズを有する。グリット材料２６は、限定される訳ではないが、電気めっき、透化プロセス、上述の方法を含む組み合わせ、および同様のものなどを含む当業技術内で知られる任意の適切な技術を用いて表面領域に付与できる。

一般に研削手段１２は、超砥粒被覆を有する外面を備える任意の研削工具を含むことができる。好ましくは研削手段１２は、図１および図２に示すように、当業者によく知られた砥石車（ｇｒｉｎｄｉｎｇ ｗｈｅｅｌ）、クイル（ｑｕｉｌｌ）、または小型ホイール、および同様のものを含む。研削手段１２は、図１に示すように、ワークピース１８の材料を除去しかつワークピース１８の直径、そして最終的には大きさを低減するために、その周囲に沿うなどして、ワークピース１８の接触点２０においてワークピース１８を研削できる。代替として、研削手段１２は、図２に示すように、形体を付与するために、その長手方向軸線３０がワークピース１８の表面に対して所定の角度となるように、配置することもできる。例えば、研削手段１２の長手方向軸線３０は、接触点２０がワークピース１８の周囲表面にではなくワークピース１８の外面に沿うことができるように、ワークピース１８の軸線３２に対して所定の角度で配置できる。代替として、研削手段は、その外面上に一つまたは複数の不連続形体を有する研削工具を含むことができる。例示の目的のために、研削手段１２は、図３に示すように所定形状（ｃｏｎｔｏｕｒ）の外面４２上に配置された超砥粒被覆を有するホイールとすることができる。グリット材料２６を有するこのような所定形状を有する外面４２は、ワークピース４６内の中断された不連続形体４４を形成すること、ワークピース４６の既存の不連続形体から材料を除去すること、ワークピース４６の表面に不連続形体または他の形体を付与すること、このような適用の組み合わせ、および同様のものなどを行うのに使用できる。このような不連続形体４４は任意の、溝（ｇｒｏｏｖｅ）、チャネル（ｃｈａｎｎｅｌ）および同様のものなどといった形体、および／または、例えば図３に例示するような歯を形成する正方形、長方形、Ｕ字形および同様のものなどといった形状を含むことができる。

作動の際、ワークピースを超砥粒加工する方法は概略、超砥粒加工工具を用意し、ワークピース表面と研磨手段の超砥粒被覆または研削表面との間に少なくとも一つの接触点が存在するようにワークピースの表面に対してこの工具を配置する、各工程を含む。ワークピースは、加工工具によって、第一の速度で第一の方向に、好ましくは約２００から２０，０００表面フィート毎分（ｓｕｒｆａｃｅ ｆｅｅｔ ｐｅｒ ｍｉｎｕｔｅ）（「ｓｆｍ」）の範囲で時計回りまたは反時計回り方向に回転される。研削手段も、加工工具によって、第二の速度で第二の方向に、好ましくは約５００から１２０，０００表面フィート毎分（ｓｆｍ）の範囲でワークピースの方向とは反対方向の方向に回転される。研削手段に対するワークピースを回転させる回転手段の速度の比は、５００ｓｆｍから１０，０００ｓｆｍとすることができる。ここに説明する超砥粒加工工具の使用方法は、ワークピースをそれ自体の動きとは反対の方向により大きな速度で研削することにより、旋削などといった従来の方法より高い効率でかつより短い時間で材料を除去する。ここで考慮されるいずれかの方法および研削工具を適用する際に、材料を除去しながら任意の適切な冷却剤および／または潤滑剤を研削手段およびワークピース表面に付与することができる。

ここに説明する超砥粒加工工具および方法によって、加工されるワークピースに対して損傷が生じるのを回避する、いっそうより大きな速度およびより低い負荷で材料を除去できる。超砥粒加工工具によってまた、熱が非常に速く散逸でき、このことによって、ワークピースの微細構造（ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）内の湾曲した結晶粒（ｂｅｎｔ ｇｒａｉｎ）または白層（ｗｈｉｔｅ ｌａｙｅｒ）の形成を回避するのが助けられ、また、より良好な表面仕上げが得られる。さらに、超砥粒加工工具は、旋削プロセスで使用される工具に対する数分間の時間に比較して可能性のある数百時間という増加した工具寿命を有する。本発明の超砥粒加工工具はまた、材料を除去するのが現在の旋削プロセスより速く、それによって経済的に有利である。ここに説明する超砥粒加工工具および方法のなおさらなる利点は、超合金、ニッケル合金、およびチタン合金へのその適用ばかりでなく、セラミック材料へのその可能性のある適用にあり、その理由は、これらの材料の硬度、および従来の旋削プロセスを用いてこのような超合金を加工するのに必要な費用、時間とに起因する。

本発明を実施するための最良の形態の単なる例示と見なされるとともに部品の形状、大きさ、構成、および作動の詳細の変更が可能であるここに説明しかつ示した例示に本発明が、限定されるものでないことは、理解する必要がある。本発明は、むしろ、請求項によって規定される本発明の趣旨および範囲内にあるそのような全ての変更を含むものである。

本発明による超砥粒加工工具およびワークピースの図である。 本発明による超砥粒加工工具およびワークピースの別の実施態様の図である。 本発明による超砥粒加工工具およびワークピースのさらに別の実施態様の図である。

符号の説明

１０…超砥粒加工工具
１２…研削手段
１４…回転手段
１６…マウント
１８…ワークピース
２０…点
２４…冷却手段
２６…グリット材料

Claims (19)

1. コンピュータ作動多軸研削装置を備えるマシニングセンタ内にマウントされた超砥粒加工工具であって、
   超砥粒材料被覆を含む外面を備えかつワークピースを研削する研削手段であって第一の速度で第一の方向に回転する研削手段と、
   研削手段を冷却する冷却手段と、
   マウントを備えかつワークピースを回転させる回転手段であって第一の速度より小さな第二の速度で第二の方向に回転する回転手段と、
   を備えることを特徴とする超砥粒加工工具。
2. 研削手段は、研削工具を含むことを特徴とする請求項１記載の工具。
3. 研削工具は、所定形状の外形を備えることを特徴とする請求項２記載の工具。
4. 研削工具は、ホイール、クイル、およびこれらの研削工具の少なくとも一つを含む組み合わせから成る群より選択されることを特徴とする請求項１記載の工具。
5. 研削工具は、ワークピースに対して所定の角度で配置されることを特徴とする請求項１記載の工具。
6. 研削されるワークピースは、略円形を含むことを特徴とする請求項１記載の工具。
7. 冷却手段は、冷却流体を供給することができる冷却ノズルであることを特徴とする請求項１記載の工具。
8. 第一の方向は、時計回りまたは反時計回りであり、第二の方向は、第一の方向と同じかまたは反対であることを特徴とする請求項１記載の工具。
9. ワークピースを研削する研削手段と、ワークピースを冷却する冷却手段とを備える超砥粒研削加工工具内にワークピースを配置し、
   第一の方向にかつ第一の速度でワークピースを回転させ、
   第二の方向にかつ第一の速度より大きな第二の速度で研削手段を回転させ、
   研削手段を用いてワークピースを研削し、
   研削されるワークピースを冷却する、
   ことを含むことを特徴とする、ワークピースを超砥粒研削する方法。
10. 前記部品の周囲に近く研削することにより前記部品を形削りすることをさらに含むことを特徴とする請求項９記載の方法。
11. 第一の方向は、時計回りまたは反時計回りであり、第二の方向は、第一の方向と同じかまたは反対であることを特徴とする請求項９記載の方法。
12. 第一の速度は、約２００から２０００表面フィート毎分であることを特徴とする請求項９記載の方法。
13. 第二の速度は、約５００から１２０，０００表面フィート毎分であることを特徴とする請求項９記載の方法。
14. 冷却手段は、冷却流体を供給することができる冷却ノズルであることを特徴とする請求項９記載の方法。
15. ワークピースは、略円形を含むことを特徴とする請求項９記載の方法。
16. 超砥粒加工工具は、超砥粒材料被覆を含む外面を備えかつワークピースを研削する研削手段であって第一の速度で第一の方向に回転する研削手段と、研削手段を冷却する冷却手段と、マウントを備えかつワークピースを回転させる回転手段であって第一の速度より小さな第二の速度で第二の方向に回転する回転手段と、を備えることを特徴とする請求項９記載の方法。
17. 研削手段は、研削されるワークピースの表面上の点において所定の角度で接触する研削工具を含むことを特徴とする請求項１６記載の方法。
18. 研削手段は、研削されるワークピースの表面上の点において周囲で接触する研削工具を含むことを特徴とする請求項１６記載の方法。
19. 研削手段は、研削されるワークピースの表面に形体を付与できる所定の形状を有する外面を含むことを特徴とする請求項１６記載の方法。

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