JP2008126358A - 切削装置、および切削方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ダイナミックバランス誤差を低減し、被加工物を高精度に切削加工し得る切削装置、および切削方法を提供する。
【解決手段】切削装置は、主軸３２に着脱自在に取り付けられる切削工具２０によって被加工物を切削加工する数値制御加工部３０と、数値制御加工部に設けられ、切削工具の工具刃先を研削するための溝部４４が成形された成形砥石４０と、を有する。溝部は、主軸に砥石成形用工具が着脱自在に取り付けられた数値制御加工部によって成形される。主軸に取り付けた切削工具は、切削加工を行うときの回転速度に合致した回転速度で逆回転しながら、溝部を通過することによって、工具刃先が研削される。そして、切削加工を行うときの動的な振れ誤差が転写された切削工具によって被加工物を切削加工する。
【選択図】図２

Description

本発明は、切削工具によって被加工物を切削加工する切削装置、および切削方法に関する。

切削工具によって被加工物を切削加工する切削装置として、マシニングセンタなどの数値制御工作機械が広く使用されている。切削工具を主軸に取り付けた状態で成形するための研削ユニットを設けた数値制御工作機械も提案されている（特許文献１、２を参照）。
特開平９−２３９６３１号公報 特開２００１−２８７１３９号公報

切削加工を実際に行うときには、切削工具を高速回転することから、切削装置には、静的な振れ誤差のほかに、動的な振れ誤差つまりダイナミックバランス誤差も生じている。

特許文献１、２に記載された数値制御工作機械は、その機上に研削ユニットを設け、切削工具を主軸に取り付けた状態で成形することから、確かに、工具の取り付け誤差や、静的な振れ誤差などは低減することはできる。

しかしながら、ダイナミックバランス誤差を低減できないので、切削加工後の被加工物はダイナミックバランス誤差を含んだ形状となる。ダイナミックバランス誤差は、切削工具の長さ、径などによって大きく異なってくる。たとえ同じ型番の切削工具であっても、個々の切削工具ごとに重心が僅かに異なることから、ダイナミックバランス誤差は異なってくる。

本発明は、上記従来技術に伴う課題を解決するためになされたものであり、ダイナミックバランス誤差を低減し、被加工物を高精度に切削加工し得る切削装置、および切削方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するための請求項１に記載の発明は、主軸に着脱自在に取り付けられる切削工具によって被加工物を切削加工する加工部と、
前記加工部に設けられ、前記切削工具の工具刃先を研削するための溝部が成形された成形砥石と、を有し、
前記溝部は、前記主軸に砥石成形用工具が着脱自在に取り付けられた前記加工部によって成形され、
前記主軸に取り付けた前記切削工具を、切削加工を行うときの回転速度に合致した回転速度で逆回転させながら、前記溝部を通過させることによって、前記切削工具の工具刃先を研削してなる切削装置である。

上記目的を達成するための請求項７に記載の発明は、工作機械の主軸に着脱自在に取り付けられる切削工具によって被加工物を切削加工する切削方法において、
前記主軸に砥石成形用工具が着脱自在に取り付けられた前記工作機械によって、前記切削工具の工具刃先を研削するための溝部を前記工作機械に設けた前記成形砥石に成形し、
前記主軸に取り付けた前記切削工具を、切削加工を行う前に、切削加工を行うときの回転速度に合致した回転速度で逆回転させながら、前記溝部を通過させることによって、前記切削工具の工具刃先を研削し、
切削加工を行うときの動的な振れ誤差が転写された前記切削工具によって前記被加工物を切削加工することを特徴とする切削方法である。

本発明によれば、ダイナミックバランス誤差を低減し、被加工物を高精度に切削加工することが可能となる。

以下、本発明の実施形態を図面を参照しつつ説明する。

図１は、本発明の実施形態に係る切削装置１０を示す斜視図、図２は、切削装置１０の要部を示す斜視図、図３は、砥石成形用工具４５によって成形砥石４０に溝部４４を成形しているときの状態を説明する説明図、図４は、成形砥石４０によって切削工具２０の工具刃先を研削しているときの状態を説明する説明図、図５は、ホーニング砥石５０によって切削工具２０の工具刃先をホーニング加工しているときの状態を説明する説明図である。

図１および図２を参照して、切削装置１０は、概説すれば、主軸３２に着脱自在に取り付けられる切削工具２０によって被加工物Ｗ（図６参照）を切削加工する数値制御加工部３０（加工部に相当する）と、数値制御加工部３０に設けられ切削工具２０の工具刃先を研削するための溝部４４が成形された成形砥石４０と、を有している。成形砥石４０の溝部４４は、主軸３２に砥石成形用工具４５（図３参照）が着脱自在に取り付けられた数値制御加工部３０によって成形されている。主軸３２に取り付けた切削工具２０は、切削加工を行うときの回転速度に合致した回転速度で逆回転させながら、溝部４４を通過させることによって、工具刃先が研削されている。切削装置１０はさらに、数値制御加工部３０に設けられ、切削工具２０の工具刃先をホーニング加工するホーニング砥石５０を有している。以下、詳述する。

前記切削工具２０は、例えば、工具先端および外周面に切れ刃が形成され、表面および輪郭削りに広く使用されているエンドミルである。特に工具先端を球状の切れ刃に形成し、三次元自由曲面においても切削加工のできるボールエンドミルは、金型を加工する場合などにおいて広く使用されている。実施形態では、切削工具２０としてボールエンドミルを使用している。切削工具２０の材質は特に限定されないが、高硬度焼入鋼のような鋼材を高能率に切削加工することができるＣＢＮ（立方晶窒化ホウ素焼結体）工具を例示することができる。

前記数値制御加工部３０は、一般的なマシニングセンタなどの数値制御工作機械から構成されている。数値制御工作機械３０は、周知のように、主軸ヘッド３１と、主軸ヘッド３１に回転自在に保持された主軸３２と、主軸３２にチャックを介して着脱自在に取り付けられる各種工具と、被加工物Ｗを保持するワーク台３３と、ＡＴＣ３４（自動工具交換装置）と、コントローラ３５と、を有している。コントローラ３５は、工作機械における種々の制御、例えば、工具の位置、経路、工具の交換、主軸３２の回転、被加工物Ｗの位置、被加工物Ｗと工具との相対位置などの制御を、数値情報に基づいて行う。主軸３２は、正逆両方向に回転駆動自在となっている。ワーク台３３は、図１に示したＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の各軸に沿って移動される。図２には、主軸３２に切削工具２０を取り付けた状態が示されている。

前記成形砥石４０は、切削工具２０の工具刃先のアール形状を定めるマスター砥石となるものであり、ワーク台３３の上に設けられている。成形砥石４０は、ワーク台３３のうち被加工物Ｗを保持し得る範囲よりも外側の位置に取り付けられている。図３にも示されるように、成形砥石４０は、スチールブロック４１に形成したＵ溝４２に、断面Ｕ字形状をなす砥石片４３を固定して構成されている。砥石片４３には、例えば、ダイヤモンドビドリファイド砥石が使用される。溝部４４は、砥石片４３の内面を砥石成形用工具４５によって削ることによって成形される。砥石成形用工具４５は、数値制御工作機械３０の主軸３２に、ＡＴＣ３４により、ミーリングチャックを介して取り付けられる。砥石成形用工具４５は、砥石片４３を成形可能なボール状の先端を備えている。砥石成形用工具４５には、例えば、電着によりダイヤモンドコーティングされた超硬ボールエンドミルが使用される。砥石成形用工具４５は、切削工具２０の径よりも小さい径を有している。

成形砥石４０の溝部４４は、後に行われる切削工具２０の研削加工および被加工物Ｗの切削加工を行う機械と同一の数値制御工作機械３０を用いて成形される。また、切削工具２０の工具刃先を定められたアール形状に成形するために必要な砥石成形用工具４５の位置、経路などに関する数値制御データ（以下、「ＮＣデータ」と言う）に基づいて成形される。数値制御工作機械３０は工具の取り付け誤差などの固有の機械的誤差を持ち、ＮＣデータはデータ上の誤差を持っている。したがって、成形砥石４０の溝部４４は、数値制御工作機械３０によって加工するときに発生する種々の誤差が転写ないし含まれた形状に成形される。成形砥石４０の成形、切削工具２０の研削、および被加工物Ｗの切削という３つのステージにおける基準が一つとなるので、積み上げられる誤差が少なく、結果的に、被加工物Ｗの切削加工における精度が高められる。

成形砥石４０の溝部４４は、砥石成形用工具４５を一軸方向にのみ動かし、他の２軸を固定して成形することが好ましい。他の２軸方向に動かすことに伴う誤差が溝部４４に転写されないようにし、成形された溝部４４の形状に含まれる誤差を小さくするためである。図示例では、溝部４４がＸ軸方向に沿うように、成形砥石４０が配置されている。

成形砥石４０の成形が終わると、砥石成形用工具４５に換えて、切削工具２０が、主軸３２に取り付けられる。切削工具２０は、工具の外周二番逃研削、必要に応じて三番逃研削などの前処理がすでに終わっているものが使用される。成形砥石４０を用いた切削工具２０の研削は、切削工具２０を、切削加工を行うときの回転速度に合致した回転速度で逆回転させながら、溝部４４を通過させることによって行っている。切削工具２０は、溝部４４を成形したときと同様に、一軸方向の送りによって研削される。

切削工具２０を逆回転させるのは、正転させると、すくい面によって成形砥石４０の溝部４４が削られるためである。切削工具２０を逆回転することにより、刃先の背の部分が研削され、形状が整えられる。

切削工具２０を、切削加工を行うときの回転速度に合致した回転速度で回転させるのは、被加工物Ｗを切削加工するときのダイナミックバランス誤差を低減するためである。切削加工時は切削工具２０が高速回転（例えば、１００００回転／分）するため、静的な振れ誤差に比べると、ダイナミックバランス誤差は大きくなる。このため、切削加工を行うときの回転速度に合致した回転速度で切削工具２０を回転させれば、高速加工時と同じ回転振れが再現され、切削工具２０はダイナミックバランス誤差を転写した形状に研削される。さらに詳しくは、動的な振れにより切削工具２０としてのボールエンドミル２０の外周部分が成形砥石４０の溝部４４に強く押し付けられて研削されるので、ボールエンドミル２０の先端部分が断面半円形状に比べると先細りとなった形状に研削される。ダイナミックバランス誤差が転写されて先細りとなった切削工具２０を用いて実際に切削加工を行うと、切削工具２０が動的に振れても、被加工物Ｗは外周部分の刃によって削られ難く、回転振れのない状態に近似した状態で加工されることになる。したがって、ダイナミックバランス誤差を低減し、被加工物Ｗを高精度に切削加工でき、面粗さを小さくすることができる。

本明細書において「切削加工を行うときの回転速度に合致した回転速度」は、ダイナミックバランス誤差を低減する目的から定められるものであり、ただ一つの回転数に限定されるものではなく、さらに、切削加工を行うときの回転速度とまったく同一の回転速度に限定されるものでもない。使用する数値制御工作機械３０の動的な振れに関する特性、被加工物Ｗに要求される面粗さなどに応じて、ある範囲の回転速度域から、「切削加工を行うときの回転速度に合致した回転速度」を選択することが許容される。一例を挙げれば、切削加工を行うときの回転速度のプラスマイナス２０％の回転速度域から、「切削加工を行うときの回転速度に合致した回転速度」を選択することができる。切削加工を行うときの回転速度が１００００回転／分であるならば、「切削加工を行うときの回転速度に合致した回転速度」は８０００〜１２０００回転／分の回転速度域から選択される。

成形砥石４０による切削工具２０の研削は、少なくとも新品の切削工具２０を使い始めるときに行う必要はあるが、切削工具２０の使い始めにのみ行ったり、加工時間を累積した値に基づいて定期的に繰り返し行ったりすることができる。

前記ホーニング砥石５０は、切削工具２０の工具刃先の角を落とすために用いられ、ワーク台３３の上に、成形砥石４０に隣り合って設けられている。図５にも示されるように、ホーニング砥石５０は、スチールブロック５１に形成したカップ状凹所に、弾性体層５２ａと砥石層５２ｂとが積層されたカップ型砥石５２を固定して構成されている。成形砥石４０による研削が終わった切削工具２０は、カップ型砥石５２に押し当てられ、弾性変形を利用し工具刃先の角が落とされる。ホーニング加工時には、切削工具２０は、切削加工時の回転方向は逆の方向に、逆回転される。

成形砥石４０の成形、切削工具２０の研削、および切削工具２０のホーニング加工は、切削加工と同様に、数値制御プログラムによって自動的に実行される。したがって、切削工具２０の研削、切削工具２０のホーニング加工、および切削加工は、切削工具２０を主軸３２から取り外すことなく実施できる。さらに、ＡＴＣ３４を備えることにより、成形砥石４０の成形開始から切削加工の終了までの自動運転が実現される。

切削装置１０はさらに、図２に示すように、成形砥石４０およびホーニング砥石５０を囲うスライドカバー６０（成形砥石用のカバー部材、ホーニング砥石用のカバー部材に相当する）を有している。スライドカバー６０は、主軸３２の移動に合わせて、Ｘ軸、Ｙ軸に沿ってスライド移動する。スライドカバー６０には、切削工具２０および砥石成形用工具４５を挿通する開口部６１が形成されている。回転する工具がスライドカバー６０に直接接触することを防止するため、開口部６１には、ラジアルベアリング６２が取り付けられている。図２中の符号６３は、スライドカバー６０内に配置され研削油を供給するための研削油マニホールドを示し、符号６４は、スライドカバー６０内の粉塵などを負圧によって吸い出すための吸引口を示している。成形砥石４０の成形、切削工具２０の研削、および切削工具２０のホーニングをスライドカバー６０内にて実施するので、研削油や粉塵が周囲に拡散することはない。また、数値制御工作機械３０の全体を覆うフルカバー化する必要がないので、切削装置１０全体の大型化・複雑化を招かず、作業性も良いものとなる。

なお、切削工具２０および砥石成形用工具４５を挿通する開口部が形成されるとともに成形砥石４０を囲う成形砥石用のカバー部材と、切削工具２０を挿通する開口部が形成されるとともにホーニング砥石５０を囲うホーニング砥石５０用のカバー部材と、を別個独立して設けても良い。また、カバー部材は、スライドしなくても良いし、開口部６１は、円形に限定されず、長孔形状でも良い。

図６は、被加工物Ｗを切削加工しているときの状態を説明する説明図、図７は、切削工具２０の回転と動的な振れ量との関係を示すグラフ、図８は、切削工具２０の動的な振れが面粗さに影響を与える様子を説明する説明図、図９は、切削工具２０の動的な振れによって工具先端のアール形状が変化する状態を説明する説明図、図１０は、切削工具２０の動的な振れによって加工部位に生じる加工誤差を示す概念図である。

図６を参照して、数値制御工作機械３０によって被加工物Ｗを切削加工しているときには、切削工具２０には動的な振れｄが生じる。切削工具２０の位置、経路に関するＮＣデータは、破線によって示される線７１のように、切削工具２０のアール形状の中心を基準にして作成されている。数値制御工作機械３０によって加工するときに、機械的誤差、データ上の誤差、および動的な振れ誤差つまりダイナミックバランス誤差などの各種誤差が発生しない理想的な状態の下では、切削加工後の面は、一点鎖線によって示される線７２のように、切削工具２０の軌跡に沿った面となる。しかしながら、実際の切削加工では誤差を完全にゼロにすることはできないので、切削加工後の面は、実線によって示される線７３のように、各種の誤差を含んだ形状の面となる。

図７を参照して、主軸３２に取り付けられた工具先端の動的な振れ量は、切削工具２０の回転速度（回転／分）が大きくなるのに比例して大きくなり、ある回転速度を超えると急激に大きくなる。切削加工を行うときの回転速度Ｒ０は、動的な振れ量が急激に大きくなる前の、例えば、１００００回転／分である。

図８を参照して、横軸は切削工具としての２枚刃のボールエンドミル２０の回転位置を示し、縦軸は削り残り量や動的な振れ量などの寸法を示している。破線によって示される線７５は、２枚刃のボールエンドミル２０を使用した場合の理論上の削り残り量を示し、一点鎖線によって示される線７６は、切削加工時のボールエンドミル２０先端の動的な振れ量を示している。実線によって示される線７７は、理論上の削り残り量と動的な振れ量とを合成した寸法であり、切削面の状態つまり面粗さを示している。図より明らかなように、ボールエンドミル２０の動的な振れｄが加工面に転写されてしまい、最大面粗さＲｙが大きくなる。

図９を参照して、ボールエンドミル２０に動的な振れｄが生じていないときの、ボールエンドミル２０のボール部分が一点鎖線によって示されている。回転半径切はｒ０である。切削加工時にボールエンドミル２０に動的な振れｄが生じると、ボール部分は、実線で示すように回転半径ｒ１が変化し、ダイナミックバランス誤差を含んだアール形状となる。

ボールエンドミル２０の動的な振れｄによって、ボール部分がダイナミックバランス誤差を含んだアール形状となっても、加工面がボールエンドミル２０の軸線に対して直交する方向に存在する加工部位の場合には、主としてボール部分の先端で切削されることから、加工面の目標とする形状と実際の形状との間の加工誤差は、十分に小さい。しかしながら、図１０に示すように、加工面Ｗａがボールエンドミル２０の軸線に対して傾斜している加工部位の場合には、主としてボールエンドミル２０の周面で切削されることから、加工面Ｗａの目標とする形状７８（一点鎖線）と実際の形状７９（実線）との間の加工誤差αがひじょうに大きく、面粗さが悪化する。

本実施形態の切削装置１０および切削方法によれば、上記のようにして生じるダイナミックバランス誤差を低減し、被加工物Ｗを高精度に切削加工することが可能となる。次に、本実施形態の作用を説明する。

まず、成形砥石４０の成形を行う。つまり、主軸３２に砥石成形用工具４５が着脱自在に取り付けられた数値制御工作機械３０（工作機械に相当する）によって、切削工具２０の工具刃先を研削するための溝部４４を数値制御工作機械３０に設けた成形砥石４０に成形する。

数値制御工作機械３０は固有の機械的誤差を持ち、ＮＣデータはデータ上の誤差を持っているので、成形砥石４０の溝部４４は、数値制御工作機械３０によって加工するときに発生する種々の誤差が転写ないし含まれた形状に成形される。成形砥石４０の成形、切削工具２０の研削、および被加工物Ｗの切削という３つのステージにおける基準が一つとなるので、積み上げられる誤差が少なく、結果的に、被加工物Ｗの切削加工における精度を高めることができる。

次いで、切削工具２０の工具刃先を研削する。つまり、主軸３２に取り付けた切削工具２０を、切削加工を行う前に、切削加工を行うときの回転速度に合致した回転速度で逆回転させながら、溝部４４を通過させることによって、切削工具２０の工具刃先を研削する。切削工具２０を逆回転させることにより、すくい面によって溝部４４が削られことがなく、刃先の背の部分が研削され、形状が整えられる。切削工具２０を、切削加工を行うときの回転速度に合致した回転速度で回転させることにより、高速加工時と同じ回転振れが再現される。溝部４４は切削工具２０のアール形状と同じアール形状に成形されているので、切削工具２０としてのボールエンドミル２０の外周部分が溝部４４に強く押し付けられて研削され、ボールエンドミル２０の先端部分が断面半円形状に比べると先細りとなった形状に研削される。

次いで、成形砥石４０による研削が終わった切削工具２０を、ホーニング砥石５０に押し当て、弾性変形を利用し工具刃先の角を落とす。ホーニング加工時にも、切削工具２０は、逆回転される。

ホーニング加工が終われば、ダイナミックバランス誤差が転写されて先細りとなった切削工具２０によって被加工物Ｗを切削加工する。実使用において切削工具２０が動的に振れても、外周部分の刃によって削られ難くなるので、回転振れのない状態に近似した状態で加工されることになる。したがって、ダイナミックバランス誤差を低減し、被加工物Ｗを高精度に切削加工でき、面粗さを小さくすることができる。特に、加工面Ｗａがボールエンドミル２０の軸線に対して傾斜している加工部位の場合には、主として周面で切削されることから、加工面Ｗａの目標とする形状７８と実際の形状７９との間の加工誤差αがひじょうに大きかったが（図１０参照）、この加工誤差αを小さくして面粗さを改善することが可能となる。

本発明の実施形態に係る切削装置を示す斜視図である。 切削装置の要部を示す斜視図である。 砥石成形用工具によって成形砥石に溝部を成形しているときの状態を説明する説明図である。 成形砥石によって切削工具の工具刃先を研削しているときの状態を説明する説明図である。 ホーニング砥石によって切削工具の工具刃先をホーニング加工しているときの状態を説明する説明図である。 被加工物を切削加工しているときの状態を説明する説明図である。 切削工具の回転と動的な振れ量との関係を示すグラフである。 切削工具の動的な振れが面粗さに影響を与える様子を説明する説明図である。 切削工具の動的な振れによって工具先端のアール形状が変化する状態を説明する説明図である。 切削工具の動的な振れによって加工部位に生じる加工誤差を示す概念図である。

符号の説明

１０ 切削装置、
２０ ボールエンドミル、エンドミル（切削工具）、
３０ 数値制御工作機械（工作機械）、数値制御加工部（加工部）、
３２ 主軸、
３３ ワーク台、
３５ コントローラ、
４０ 成形砥石、
４３ 砥石片、
４４ 溝部、
４５ 砥石成形用工具、
５０ ホーニング砥石、
５２ カップ型砥石、
６０ スライドカバー（成形砥石用のカバー部材、ホーニング砥石用のカバー部材）、
６１ 開口部、
Ｗ 被加工物。

Claims (7)

1. 主軸に着脱自在に取り付けられる切削工具によって被加工物を切削加工する加工部と、
   前記加工部に設けられ、前記切削工具の工具刃先を研削するための溝部が成形された成形砥石と、を有し、
   前記溝部は、前記主軸に砥石成形用工具が着脱自在に取り付けられた前記加工部によって成形され、
   前記主軸に取り付けた前記切削工具を、切削加工を行うときの回転速度に合致した回転速度で逆回転させながら、前記溝部を通過させることによって、前記切削工具の工具刃先を研削してなる切削装置。
2. 前記溝部が、前記砥石成形用工具を一軸方向にのみ動かして成形される請求項１の切削装置。
3. 前記切削工具が、工具先端および外周面に切れ刃が形成されたエンドミルである請求項１の切削装置。
4. 前記切削工具および前記砥石成形用工具を挿通する開口部が形成されるとともに前記成形砥石を囲う成形砥石用のカバー部材をさらに有している請求項１の切削装置。
5. 前記加工部に設けられ、前記切削工具の工具刃先をホーニング加工するホーニング砥石をさらに有している請求項１または請求項４の切削装置。
6. 前記切削工具を挿通する開口部が形成されるとともに前記ホーニング砥石を囲うホーニング砥石用のカバー部材をさらに有している請求項５の切削装置。
7. 工作機械の主軸に着脱自在に取り付けられる切削工具によって被加工物を切削加工する切削方法において、
   前記主軸に砥石成形用工具が着脱自在に取り付けられた前記工作機械によって、前記切削工具の工具刃先を研削するための溝部を前記工作機械に設けた前記成形砥石に成形し、
   前記主軸に取り付けた前記切削工具を、切削加工を行う前に、切削加工を行うときの回転速度に合致した回転速度で逆回転させながら、前記溝部を通過させることによって、前記切削工具の工具刃先を研削し、
   切削加工を行うときの動的な振れ誤差が転写された前記切削工具によって前記被加工物を切削加工することを特徴とする切削方法。

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