JP2007504959A - ワークピースを精密機械加工するための工具および方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ワークピースを精密機械加工するための工具および方法を提供する。
【解決手段】幾何学的形状が定められた刃縁（１５）を備え、少なくとも予備加工に使われる１つの刃（１３）と、幾何学的形状が定められた刃縁（２３）を備え、仕上げ加工に使われる少なくとも１つの刃（２１）とを有する、ワークピースを精密機械加工するための工具を提案する。この工具の特徴は、予備加工に使われる刃（１３）が、それぞれ予備加工段（３）の一部であり、仕上げ加工に使われる刃（２３）が仕上げ加工段（５）の一部であることと、予備加工段（３）と仕上げ加工段（５）の間に配置された連結面（９）が、予備加工段（３）と仕上げ加工段（５）に接して配置された第１平面（２７）と第２平面（２９）を備え、かつ予備加工段（３）と仕上げ加工段（５）の同軸性を保証する装置（１１）を有することにある。
【選択図】 図１

Description

本発明は、請求項１の上位概念に基づく、ワークピースを精密機械加工するための工具、ならびに請求項４に基づく、ワークピースを精密機械加工するための方法に関する。

上記のような工具および方法は既に知られている。それらの工具は、幾何学的形状が定められた刃縁を有するいわゆる段付き刃を特徴とする。ワークピースを精密に加工するために、工具および／またはワークピースを回転させて、回転軸の方向に軸方向移動を行うと、刃はワークピースの加工面を削りならす。通常はワークピースを挟み込み、工具を回転させて送り運動をさせる。これにより刃は、ワークピースの表面を削りならす。

送りの方向から見て段付き刃の前段は、ワークピースの表面の粗削り加工または予備加工用になっており、また後段は精密削り加工または仕上げ加工用になっている。一方で段付き刃の製造は、手間と金が非常にかかって難しく、またその研ぎ直しも難しい。他方で段付き刃の造りは、予備加工用も仕上げ加工用も実際上同じであり、少なくとも同じ材料からなる。このことは、予備加工と仕上げ加工では課される要求が異なることと、従って各々の刃に課される要求も異なることを考慮すると好ましくない。予備加工用の刃は特に熱に強くなければならず、また仕上げ加工用の刃は、高い縁強度を持っていなければならないからである。

ワークピースの内部孔の製造精度に課される要求は、昨今ますます高まりつつある。特に重要なのは内部孔の寸法精度すなわち直径、真円度、円筒度であり、さらに表面品質も決定的な意味を有する。

大量のワークピースの加工では精度と表面品質を遵守することが重要であるが、それはある種の鋳物や鋼など機械加工の難しい材料についてもあてはまる。精度の向上と耐用期間の延長は、仕上げ加工の削り深さと相関することが分かっており、削り深さが小さいほど、表面品質、寸法精度、および耐用期間は向上する。

これらの要求については、削り深さが１／１００ｍｍのオーダの場合に最高の結果が出る。このようなわずかな値の寸法取りを均等に行うには、予備加工と仕上げ加工の同心性を極めて正確に実現する必要がある。このことは、予備加工領域に非常に手間と費用がかかることを意味する。

上記の段付き刃は、製造に手間と金がかかって難しく、また特に研ぎ直しに問題があることから使用に適していない。

ワークピースを精密に加工する方法については、２つの異なる工具が使われ、そのうちの１つはワークピースの予備加工に、もう１つは仕上げ加工に使われるという方法が知られている。つまりワークピースを加工するには、予備加工後に工具の交換を行って仕上げ加工をする必要がある。また搬送ラインによってワークピースをまず予備加工工具へ、次に仕上げ加工工具へ送り込むという方法も考えられる。この場合、工具の回転軸どうしが完全な同軸とならず、そのため十分な製造精度と最適な表面品質が得られない点に問題がある。

つまりどの観点から見ても、そのような工具および方法では十分な製造精度が保証されず、また工具の耐用期間も不十分なことが分かる。

従って、本発明の課題は、上記の欠点を回避するようなワークピースを精密に加工するための工具および方法を提供することにある。

この課題を解決するために、請求項１に挙げる特徴を有する工具を提案する。この工具は、予備加工に使われる刃と仕上げ加工に使われる刃を有し、それらの刃が連結面を境に互いに分かれていることを特徴とする。刃が分かれているので、それぞれの加工、すなわち予備加工もしくは仕上げ加工に合わせて調整された刃を使うことができ、そのため製造精度の大幅な向上がもたらされる。連結面は、第１平面に予備加工段を、第２平面に仕上げ加工段を有し、また予備加工段を仕上げ加工段に対してできるだけ同軸に調整するための装置を有し、それによって２つの段が非常に精密に結合されるので、１／１００ｍｍのオーダの非常に小さい削り深さが実現され、その結果最適な製造精度と非常に長い耐用期間が実現される。

その他の長所は、下位請求項から得られる。
またこの課題を解決するために、請求項４の特徴を有する方法を提案する。この方法は、予備加工と仕上げ加工が、連結面で切り離される少なくとも２つの刃によって行われ、これらの刃が加工工程中に連続してワークピースの加工面とかみ合うことを特徴とする。つまり、ただ１つの工具によって、ワークピースの同一表面を予備加工過程と仕上げ加工過程に供することが可能である。

特に優先されるのは、仕上げ加工時に１／１００ｍｍのオーダの削りができることを特徴とする実施形態である。この方法は、最適な製造精度すなわち正確な寸法精度と非常に高い表面品質、そして長い工具耐用期間をもたらす。
本発明を図をもとに以下に詳しく説明する。

図１は、ワークピースの精密機械加工に使われ、かつ予備加工段３と仕上げ加工段５を有する工具１の第１実施形態を示す。
工具１は、工作機械と直接またはたとえば円錐形のシャフト７のような仲介物（アダプタまたは同様のもの）を介して適切な方法で結合されるようになっている。シャフト７は、工具収容部と係合し、適切な方法で工具収容部に固定される。

予備加工段３と仕上げ加工段５は、連結面９によって互いに固定結合されており、この連結面は、２つの段の相対位置に影響を与えることのできる装置１１を有する。この装置は、段３と段５をできるだけ同軸にするためのものである。よって連結面９は、工具１の２つの段３および５の中軸が互いに、そして工具１の中軸２５と一致するように、段３と５を互いに結合する役目をはたす。このような精密連結面によって、回転誤差を最大で３μｍとすることが可能になる。

予備加工段３は、幾何学的形状が定められた刃縁１５を備える少なくとも１つ（この例では３つ）の刃１３を有する。刃１３は、この例では接線刃として形成されており、予備加工段３の正面１７にはめ込まれ、そこに適切な方法で固定されている。

これに対し仕上げ加工段５は、幾何学的形状が定められた刃縁２３を備え、かつ仕上げ加工段５の円周面１９に等間隔にはめ込まれた少なくとも１つ（この例では複数）の刃２１を有する。

予備加工段３の刃１３の刃縁１５と、仕上げ加工段５の刃２１の刃縁２３は、工具１の中軸２５を中心とする同心円上にあり、また、予備加工の直径は仕上げ加工の直径より小さい。この直径の差は、図１では分かりやすくするために誇張してある。

連結面９は、予備加工段３の領域で第１平面２７を、仕上げ加工段５の領域で第２平面２９を有する。この例ではリング状に形成されているこの２つの平面は、連結面９を組み立てた状態では密着した状態となる。平面２７および２９が重なる面は、工具１の中軸２５に対して垂直である。この２つの平面の役目というのは、特に予備加工段３の中軸が仕上げ加工段５の中軸に対して角度をなしてずれることがないよう、つまり傾斜することがないよう段３と５を配置することにある。

図１に示した実施形態の場合、連結面９に装置１１が付いており、この装置は一方の段（この例では予備加工段３）に円錐体（主として小さく造られた中実の円錐３１）を持っており、この円錐体は、仕上げ加工段５の正面３３内に納められた円錐形の収容部内に係合するようになっている。

図２は、図１の工具１を斜視図で示したものである。図１の説明を参照してもらえるよう、図１と同じ部材には同じ符号を付している。

この図で、少なくとも１つの刃２１が明確に見分けられる。ここに示した実施形態では８つの刃が、仕上げ加工段５の円周面１９に等間隔で装着されている。ワークピースの表面を加工する場合、仕上げ加工段５は送り方向から見て時計回りに回転し、その結果刃２１の刃縁２５がワークピース表面を削りならす。回転方向から見ると、各刃の前に削り屑空間３５が備えられており、削り取られた屑はここに到達する。

工具１には主として、ワークピースの加工時に刃２１を冷やし、生じた削り屑を運び去る目的で冷却剤／潤滑剤源が接続されている。図２から分かるように、削り屑空間３５には冷却剤／潤滑剤経路３７が通じており、上記の効果が得られるようになっている。

正面３３もしくは第２平面２９にも同じく冷却剤／潤滑剤経路が通じており、それを介して冷却剤／潤滑剤が予備加工段３に導かれる。図２から、冷却剤／潤滑剤経路４３が各刃１３の前に備えられた削り屑空間４１にも通じていることが分かる。これにより予備加工段３の刃１３についても、その冷却と削り屑の運び出しが可能となる。

図２からはさらに、中実の円錐３１を収容するために仕上げ加工段５の正面３３内に作られた円錐形の空隙４５も見分けられる。中実の円錐３１は、空隙４５の内面に一般的な方法で固定される。その際従来式の固定手段を使用することができる。ここで決定的に重要なのは、連結面９によって予備加工段３を仕上げ加工段５に対して正確に位置合わせできることであり、その際平面２７、２９によって２つの段の角度位置が保証され、また装置１１によって２つの段の同軸性が保証されることである。

上記の説明から明らかなように、装置１１は鏡面対称に形成することもできる。つまり図１の工具１において予備加工段３から突き出ている中実の円錐３１を、仕上げ加工段５の方に付けて、予備加工段３の空隙内に係合させることも可能である。

図３は、予備加工段３の少なくとも１つの刃１３および仕上げ加工段５の少なくとも１つの刃２３が配置された円の比較図である。

図３右の円ＫＶ上には、予備加工段３の少なくとも１つの刃１３の刃縁１５が配置されており、円ＫＦ上には、仕上げ加工段５の少なくとも１つの刃２３の刃縁２３が配置されている。工具１においてこの２つの円は、互いに正確な同心円となる。なぜなら連結面９によって、予備加工段３と仕上げ加工段５が極めて精密に相手方と固定されるからである。

同心円ＫＶおよびＫＦの左側に描かれた略図からは、予備加工と仕上げ加工が別々に行われる従来式の工具では、予備加工用工具と仕上げ加工用工具を互いに同心になるよう位置合わせすることが実際上不可能なため、円ＫＦと円ＫＶが同心円にならないことが分かる。よく生ずるのは軸のずれＡであり、この例の場合円ＫＶが円ＫＦに対してＡだけ右にずれている。

図３の２つの略図における円ＫＶと円ＫＦの間隔は、ワークピースの精密加工で削りならされるべき内部孔の領域を示している。実際の精密加工においてこの削り深さは、１／１００ｍｍのオーダの非常に小さい値が求められる。つまり図３の２つの円ＫＶとＫＦの大きさの差は非常に小さい。図３の左の略図のように軸のずれＡが生じると、内円ＫＶが外円ＫＦに接触し、接触した領域は精密加工をしても削りならされなくなる。これにより表面品質は不十分になる。さらに、仕上げ加工の済んだ内部孔の位置も、軸が、予定の位置からＡだけずれてしまう。

図１および２の工具１の場合、予備加工段３と仕上げ加工段５が連結面９によって非常に正確に互いに同心となるよう固定されるので、常に図３の右側の略図のような結果が出る。つまり円ＫＶと円ＫＦは実際上互いに正確に同心となり、そのため精密加工では非常に小さい削り深さを実現することができる。これにより非常に優れた製造精度すなわち寸法精度と表面品質が得られ、また工具の耐用期間も際立って長くなる。

ここで決定的に重要なのは、工具１の場合、２つの段、すなわち刃縁１５を備えた少なくとも１つの刃１３を有する予備加工段３と、刃縁２３を備えた少なくとも１つの刃２１を有する仕上げ加工段５が備えられていることである。予備加工用の刃と仕上げ加工用の刃を別々に調整できれば、各々の加工過程にとって大変有利である。段３と段５を連結面９の領域で切り離すことにより、予備加工用には熱に強い刃を付け、仕上げ加工用には縁強度の高い刃を付けることが難なく可能となる。

予備加工段３には、図１に示すように少なくとも１つの刃１３を備えることができ、この刃は予備加工段３の正面１７に対して接線の方向にはめ込まれている。

仕上げ加工段５は主として鋼体として造られ、その円周面１９に少なくとも１つの刃２１がはんだ付けされる。その際刃は、硬質合金、セルメット、ＰＫＤ、ＰＫＢで造ることができる。

２つの段３および５は、別々の製造方法で製造され別々に研磨されるので、どちらの段の刃も最適なジオメトリに製造することができ、一体式工具や段付き刃の場合のように研磨時に干渉する輪郭に気を配る必要がない。

工具１の場合、予備加工段３および仕上げ加工段５に付けられる刃１３および２１は、極めて精密な連結面９によって、飛行円とも呼ばれる同心円ＫＶおよびＫＦ上にある。よって予備加工では、予備加工段３を用いてワークピースに既にある内部孔を、仕上げ加工の内部孔直径に非常に近い直径に予備加工することが可能である。つまり２つの円ＫＶとＫＦの間隔は極めて小さくなる。これにより仕上げ加工では、１／１００ｍｍのオーダの削り深さを設定することができ、また仕上げ加工の全領域にわたって均一な削り深さを確実に実現することができる。

工具１は、それぞれ少なくとも１つの刃１３もしくは２１を有する２つの段３および５が、ワークピースの同一の領域を加工するという点に特徴がある。つまり予備加工段３によって加工されるワークピースの領域は、その同じ工程中に仕上げ加工段５の刃２１によっても加工される。よって、工具１の２つの加工段３および５は、連結面９によって切り離されるので別々に製造されるが、ワークピースの同じ領域の加工に使用される。

よって予備加工および仕上げ加工を、連結面で切り離される少なくとも２つの刃、すなわち予備加工段３の少なくとも１つの刃１３および仕上げ加工段５の少なくとも１つの刃２１によって行うというワークピースの精密加工法は、上述の工具１によって実現される。２つの段３および５の刃１３および２１は、１つの加工工程中に連続してワークピースの同じ加工面とかみ合う。言い換えれば、ワークピースのある領域は、１つの加工工程中に工具１の２つの段３および５の刃によって加工される。

この方法の特に優先される実施形態では、１／１００ｍｍのオーダの削り深さ、すなわち０．０２ｍｍから０．１ｍｍ（主として０．０４ｍｍから０．０６ｍｍ、特に０．０５ｍｍ）の削り深さが実現される。この極めて小さい削り深さによって、ワークピースの製造精度すなわち寸法精度と表面品質は向上する。それと同時にこの工具には、非常に長い耐用期間が保証される。

工具１の特殊な構造によって、予備加工と仕上げ加工の間に非常に正確な同心性が実現されると共に、僅少値の寸法について非常に均等な寸法取りが実現される。

工具１の上記の説明から以下のことが明らかになる。

予備加工段３と仕上げ加工段５の間に連結面９を配置することが可能である。これによって、両加工段の製造時には各々の加工にとって望ましい前提条件、たとえば予備加工段の少なくとも１つの刃の熱抵抗や、仕上げ加工段の少なくとも１つの刃の縁強度などを考慮することができるという利点が生じる。

さらに２つの段３および５が連結面９によって極めて精密に結合されることにより、仕上げ加工において非常に小さい削り深さが実現される可能性が生じる。そのためには、２つの工具部分すなわち予備加工段３と仕上げ加工段５を、両段の両中軸がなす角度と両段の両中軸の同心性に関して、非常に精密に位置合わせする必要がある。この工具では、２つの段を１μｍ以内の精度で同心となるように位置合わせすることができる。

上述の連結面９は、両加工段３および５を、工具１に高い剛性が生じるように結合することができる。さらには両加工段の分離によって、ワークピースの加工面を侵害したり工具１の耐用期間を縮める恐れのある振動が減らされる。

第１実施形態の工具の側面図である。 請求項１の工具を示す斜視図である。 工具の両段の同軸性を示した略図である。

Claims (5)

1. 幾何学的形状が定められた刃縁（１５）を備え、予備加工に使われる少なくとも１つの刃（１３）と、幾何学的形状が定められた刃縁（２３）を備え、仕上げ加工に使われる少なくとも１つの刃（２１）とを具備し、ワークピースを精密機械加工するための工具において、予備加工に使われる刃（１３）は、予備加工段（３）の一部であり、前記仕上げ加工に使われる刃（２３）は、仕上げ加工段（５）の一部であることと、予備加工段（３）と仕上げ加工段（５）との間に配置された連結面（９）が、予備加工段（３）と仕上げ加工段（５）とにそれぞれ配置された第１平面（２７）と第２平面（２９）とを備えることと、前記予備加工段（３）と仕上げ加工段（５）との同軸性を保証する両段（３、５）の同軸調整用の装置（１１）を有することとを特徴とする、ワークピースを精密機械加工するための工具。
2. 前記装置（１１）は、円錐形の空隙（４５）と、この空隙に係合する円錐形のシャフトとを有することを特徴とする、請求項１に記載の工具。
3. 前記円錐形のシャフトは、中実の円錐（３１）として形成されていることを特徴とする、請求項２に記載の工具。
4. 幾何学的形状が定められた刃縁を備え、予備加工に使われる少なくとも１つの刃と、幾何学的形状が定められた刃縁を備え、仕上げ加工に使われる少なくとも１つの刃とによる、それも特に請求項１から３のいずれか１項に記載の工具による、ワークピースの内部孔を精密機械加工する方法であって、予備加工と仕上げ加工とが、連結面で切り離される少なくとも２つの刃によって行われ、これらの刃が１つの加工工程中に連続してワークピースの加工面とかみ合うことを特徴とする、ワークピースの内部孔を精密機械加工するための方法。
5. 仕上げ加工において１／１００ｍｍのオーダの削り深さが選択されることを特徴とする、請求項４に記載の方法。

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