JP2008528318A - 硬質材料からなる工作物を加工する工具および方法 - Google Patents
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Abstract
本発明は、幾何学的に規定された切れ刃を備える、硬質材料からなる工作物(WE)を加工する工具(WZ)ならびに方法に関する。このような種類の硬質で脆い材料を加工するときに、加工される工作物(WE)の改善された表面品質を実現するために、本発明によると、10°よりも小さい切削角(φ)をもつ工具(WZ)が意図される。これに対応する加工方法では、1300回転/minを上回る回転速度が適用される。さらに本発明は、このような種類の工具(WZ)で使用するため、およびこのような種類の方法で採用するための機械も対象としている。
Description
本発明は、請求項1もしくは10の前文に記載された種類の幾何学的に規定された切れ刃を備える、硬質材料からなる工作物を加工する工具および方法に関する。さらに本発明は、請求項13もしくは14の前文に記載されている、このような種類の工作物を加工する機械に関する。
硬質材料とは、本明細書では、たとえば花崗岩、大理石、アスファルト、壁構造物、セラミック、複合セラミック、またはセラミックガラスなどの素材を意味している。一般に硬質材料とは、本明細書においては、磨耗(すなわち工具の磨減)を著しい程度に促進する素材を意味している。したがって、このような素材は磨耗特性を有しているために、多くの場合、幾何学的に規定されない切れ刃を用いる方法によって(たとえば研削によって)加工される。
ドイツ特許第10024129C1号明細書、ならびに欧州特許出願公開第0922551A2号明細書からは、幾何学的に規定された切れ刃による材料剥離がフライス削り工程の形態で行われる、岩石を加工する方法がすでに公知であることを読み取ることができる。この公知の方法では、一体化された振り子もしくは揺動チューブによって半径方向の打撃周期が誘起される打撃機構がそのつど用いられる。しかし、このような方法は、加工された面の粗い表面を甘受することができる場合にしか適用することができない。
しかしながら、特にセラミック、複合セラミック、セラミックガラスなどを加工する場合には、表面品質に関して著しく高い要求が課せられ、このような要求は、従来、たとえば研削のように幾何学的に規定されない切れ刃を用いる公知の方法によってしか実現することができない。この種の加工方法は、多くの場合、冷却剤および/または潤滑剤を用いて実施される。その場合の欠点は、このような種類の作業補助剤の残滓が、しばしば表面付近で硬質材料の内部に残ってしまうという状況にある。しかしながら、たとえば医療分野や歯科分野では、このことは患者のアレルギー反応につながる可能性がある。
したがって本発明の課題は、硬質材料からなる工作物で改善された表面品質を実現することができる、冒頭に述べた種類の工具および方法を提供することにある。さらに、このような種類の工具で使用するための、およびこのような方法を実施するための機械が提供されるのが望ましい。
この課題は、本発明によると、請求項1〜10の構成要件を備える工具および方法によって解決される。さらに本発明による解決法は、請求項13および14の構成要件を備える機械によってもたらされる。瑣末な事項ではない好都合な本発明の発展例を含む有利な実施形態は、その他の請求項に記載されている。
本発明による工具では、切れ刃の切削角は10°よりも小さく構成され、特に4°から6°の間の角度範囲を有している。このとき、切削角は工具の切込み幅によって規定され、切込み点(すなわち切れ刃が工作物に入るところ)から、切れ刃が工作物から出る点にまで及ぶ。このように低い切削角は、非常に小さい切削力と、2μmの加工精度および≦0.2μmの表面粗さをもつ表面とを実現するために、理想的であることが示されている。小さい切削角によって生じる比較的弱い切削力は、工具のきわめて長い耐用寿命を促進する。切れ刃は、非常に低い切削角によって、加工時に金属と違って切屑を出さずにむしろ連続する材料破断を引き起すノミに類似した作用を及ぼす。
本発明による工具ジオメトリーは、従来式の加工に比べて係数5から10だけ高い切削速度と送りが適用される、いわゆるHSCフライス削り(High Speed Cutting高速切削)において格別に有利であることが示されている。本明細書では、HSCフライス削りという用語は、従来式のフライス削りとの移行領域にあたる若干低めの回転数についても用いている。この加工方法は、原則として、スピンドル回転数もしくは工具の回転数によってのみ規定されるのではなく、たとえば切屑断面積や送りといった他の寸法や方法パラメータによっても規定されるからである。換言すると、硬質で脆い材料との関連では、1分間に約1300回転以上ですでにHSCフライス削りという用語が用いられる。このようにして、非常に高い切削速度と非常に高い回転数で、1mmよりも小さい工具直径を用いたときでもきわめて繊細な構造を得ることが可能となり、それにより、表面および工作物の造型に関する自由度と柔軟性が明らかに向上し、製造時間も相応に短縮することができる。特にセラミックとの関連では、材料を焼成された状態でも加工することができ、燃焼時の収縮プロセスを考慮に入れなくてもよいという別の利点も得られる。切れ刃の温度は、切削速度もしくは送り速度が高くなるにもかかわらず、わずかにしか上昇しない。送り速度が工作物の熱伝達速度を上回り、そのために、工具のほうが硬質材料内部の熱伝搬よりも先に進んでいくからである。比較的弱い切削力は、さらに、常に等しく保たれる小さい工具偏向をもたらす。スピンドル軸受、案内軌道、および加工機械のその他の装置も、それに応じて故障しにくくなる。
約20°のねじれ角を備える工具が使用される通常の加工方法とは異なり、本発明による工具を用いた新たな加工方法では、35°よりも大きい、特に40°から41°の間である、大幅に大きいねじれ角を採用するのが格別に好ましいことが判明している。このように大きいねじれ角は、非常に低い切削角との関連で、いっそう弱い切削力と、格別に平滑な工作物表面と、工具のいっそう長い耐用寿命とを可能にする。
少なくとも切れ刃の領域における、たとえば工具のダイヤモンドコーティングのような結晶性のコーティングがさらに好ましいことが判明し、その場合、15μmから30μmの層厚が格別に耐久性が高いことが示されている。ダイヤモンドコーティングの約20nmから約100nmという極端に小さい粒度は、工作物の格別に少ない表面粗さにつながる。
請求項4に記載されている式により、粒度および工具の幾何学データ、たとえば切削角、ねじれ角、ダイヤモンドコーティングの層厚、直径、歯数などを、固有の切削力成分を用いて格別に正確に求めることができる。硬質で脆い材料の場合、切屑の剥離ではなく、むしろ材料破断が行われるからである。連続的に切屑が形成される場合には、方向に依存しない線形の切削力が前提となるのに対して、硬質で脆い材料の場合には、特にデカルト座標系で表される方向依存的な成分に切削力を分割することが必要である。しかしながら、これ以外の座標系を選択することも同様に考えられる。
格別に平滑な表面は工具の短い切込み幅によって実現することができ、本発明による装置では切込み幅は0.01mmから0.2mmの範囲内にあり、特に0.02mmが有利である。これに加えて、優れた表面品質は、0.5mmから4mmの範囲内にあり、特に2mmである工具の切削深さによって実現することができる。50から150m/minの範囲内の切削速度は、切削加工される基本材料の熱伝達速度を上回り、工具が工作物内部の熱伝搬よりも先に進むことを保証する。
すでに請求項4との関連で説明したように、請求項10に記載の方法のパラメータ(たとえば切削深さ、切削速度、送り量、工具の回転速度など)は、切削力の固有の成分に依存して算定できるという格別な利点がある。このとき、本発明による方法は、たとえばデカルト座標系を用いて区分することができる、固有の座標に切削力を分割することを可能にする。しかしこの場合にも、上記以外の座標系を利用することが可能である。
この新たな方法の1つの特別な利点は、工具を乾式で(すなわち冷却剤および/または潤滑剤を使用することなく)作動させることができることにある。特に医療テクノロジーや歯科テクノロジーでは、このことは格段の進歩である。なぜなら、加工された表面の領域で、患者のアレルギー反応につながる可能性がある冷却剤および/または潤滑剤の残滓が沈積することがなくなるからである。
これに加えて、固有の切削力成分に依存した本発明のプロセスモデリングによって、たとえば回転速度などの加工機械の固有量、あるいはスピンドルや案内部の設計、ならびに対応する加工プロセスのシミュレーションを、いっそう厳密に算出することが可能である。
上記以外の本発明の利点、構成要件、および詳細は、工具およびこれに対応する加工方法についての、図面およびグラフを参照した以下の説明から明らかである。
図1には、逆方向へ角速度ωで作動する、工作物WEに作用する外周削りフライスの形態の工具WZが、模式的な斜視図で示されている。作業平面AEを基準とすると、切削力もしくは切断力Fは、能動力Faと受動力Fpに分解される。すなわち作業平面AEの能動力Faは、切屑形成についての性能を決定づける。それに対して、作業平面AEに対して垂直な受動力Fpは、切削加工にあたっては関与しない。
切削角φは、工具WZの切込み幅aeによって規定され、切込み点(すなわち工具WZの切れ刃が工作物WEに入るところ)から、切れ刃が工作物WEから出ていく点にまで達する。
性能を決定づける切削力Fcの計算方法として、従来、キーンツレ(Kienzle)の切削力法則が広く知られている。このとき固有の切削力kcは、切削加工断面積Aに対する切削力Fcの比率である。切削加工において生じるこのような切削加工断面積Aは、切削加工幅bと切削加工厚さhとに依存して求められる。
固有の切削力kcは、切削加工断面積Aの1mm2に対して作用する、切削力Fcの部分である。ただしkcは一定ではなく、種々の要因によって影響を受ける。固有の切削力kcは素材依存的な切削加工値であり、切削加工幅bにはほとんど依存せず、切削加工厚さhもしくはtと送り量fとにほぼ全面的に依存する。切屑除去量が多くなると、必要な固有の切削力kcは小さくなる。フライス削りの場合、切削加工厚さhもしくはtは変化していく。その場合、切削力Fcを求めるためには、平均の切削加工厚さhmが前提となる。このとき、切込み深さが大きくなると、剥離される幅は狭くなる。したがって固有の切削力kcの値は減少する。キーンツレは、まず第1にこのような関係を指数法則として表現した:
固有の切削力kc1.1は、1mmの切削加工幅bと1mmの切削加工厚さhを基準とする切削力kcを表している。このような依存性は、一般に、二重対数尺度においては直線として表現される。指数Zcは、この座標系における直線kc=f(h)の傾きを表している。
式中、指数1−Zcは固有の切削力kc1.1の増加値を表している。ただし、従来適用されているこのようなキーンツレの切削力モデルは、硬質で脆い材料の加工については限定的にしか適用することができず、このことは、特に切削加工時の一様でない材料破断と関係がある。したがって、このような公知の取組みを次のように拡張した:
マルテロッティ(Martelotti)によれば、1つの歯もしくは1つの切れ刃の目下の微分切削力dFcuttingについては次式が成り立つ:
この式には、(固有の)切削加工厚さtと、切削深さもしくは切削加工幅bの微分dbとが含まれている。
このとき切削力dFは2つの切削力の和であり、すなわち、材料を削り取る切削力dFcuttingと、切れ刃における変形力dFedgeとの和である。ここで、工具WZのねじれ角λ(図3)がゼロであると仮定する。
この式には、切れ刃における固有の力Kedgeと、固有の切削力Kcuttingとが含まれている。
図2は、工作物WEに入り込んでいる工具WZ、もしくはその際に発生する切削加工時のモーメントを、それぞれ模式的な断面図で示している。左側には、工作物WEに入り込み始めたときの工具WZが示され、工具WZの切込み幅aは歯stごとの送りSに応じて変化していき、そのようにして平均の切削力は時間とともに増えていく。右側では切込み幅aは一定であり、切削力は周期的である。切れ刃の各点についての(固有の)切削加工厚さtは、この点の角度位置φと、歯stごとの送り量との関数として算出することができる。
この式には、切れ刃点が工作物WEと接触するときの切れ刃点の位置を規定する目下の切込み角φが含まれている。歯stごとの送り量は次のようにして得られる。
この式には速度v、角速度ω、およびフライスの歯数Nfが含まれている。
切削深さの微分dbは、工作物WEに入り込んでいる工具WZを模式的な平面図もしくは側面図で見ることができる図3に示すように、次のように求めることができる。
この式にはフライス直径d、ねじれ角λ、および切込み角φが含まれている。それに応じて、切れ刃上の点は切れ刃の対応する最終点の後方で、ねじれ角λの分だけ遅延する。したがって、この遅延角δは次式により得られる。
この式には、切削深さもしくは切削加工幅bと、フライス直径dとが含まれている。
エンドミルとして構成された工具WZが模式的な側面図で示されている図4を概観してみると、遅延角δを明らかに見ることができる。このとき遅延角δは、切れ刃ジオメトリーをタイプ1またはタイプ2として分類するために利用される。
この式には、食付き角φ1および離脱角φ2が含まれている(図3)。そしてタイプ1は、切れ刃全体が一定時間のあいだ工作物WEと接触する場合に適用される。タイプ2は、切れ刃全体が工作物WEと一瞬のあいだだけ接触する場合、または切れ刃の何らかの部分が工作物WEとまったく接触しない場合に適用される。(数6b)に基づく切削力Fとして、次式が得られる。
この式では、1つの時点におけるすべての切削力Fiが算出される。各々の切り口について、切削力Fcのすべての微分部分が算出されるからである。切削力ベクトル(F(t))の変化は、時間の関数の乗算として書き表される。
固有の切削力Kedge(t)およびKcutting(t)が、スカラー関数もしくは切れ刃と工作物WEとの接触長さh(t)、および切削加工断面積A(t)と乗算される。時間変数は、外周削りフライス上の固定点Pの切込み角θによって、および、工具WEの角速度ωによって置き換えることができる。
以下において、関数h(t)およびA(t)を別々に計算する。
図5は、切込み角θが推移していくときの第1の切れ刃の接触長さh1を、デカルト座標系で示している。接触長さh1(θ)については次式が得られる。
この式にはフライス直径d、ねじれ角λ、切込み角θ、および切込み角θの関数としてのL1およびL2が含まれている。これら2つの値L1およびL2は、下記の表1から見てとれるように、切込み角θの各々のフライス削り段階について算出される。各々の切れ刃は、下記の表1に示すように、食付き角φ1から離脱角φ2に至るまでに次の3つの段階を通過する。段階Aでは、工具WZが工作物WEに切込みし、1回の回転dφごとに切れ刃と工作物WEとの接触長さhが広がっていく。段階Bでは、切れ刃と工作物WEとの接触長さhは一定である。段階Cでは、接触長さhが減少していく。
それにより任意の切れ刃については、(数16)に基づき、次のような接触長さhnが得られる。
この式にはフライス直径d、ねじれ角λ、切込み角θ、それぞれの切れ刃の間の角度ξ、切れ刃の番号n、ならびに、切込み角θの関数だけでなく切れ刃の番号nの関数としてのL1およびL2が含まれている。このとき、それぞれの切れ刃の間の角度ξは次のとおりである。
この式にはフライスの歯数Nfが含まれている。接触長さ全体については次式が得られる。
この式には切込み角θ、切れ刃の番号n、およびn番目の切れ刃と工作物WEとの接触長さhnが含まれている。4つの歯をもつフライスの各々の切れ刃の接触長さh(θ)が、図6に図示されている。
図7には、工作物WEへの切込み角θのときの、第1の切れ刃の切屑断面積Anが模式的な斜視図で示されている。このとき、食付き角φ1と離脱角φ2は30°もしくはπ/2である。切屑断面積A1については次式が得られる。
この式には歯ごとの送り量st、フライス直径d、ねじれ角λ、切込み角θ、ならびに切込み角θの関数としてのL1およびL2が含まれている。これら2つの値L1およびL2は、切込み角θの各々のフライス段階について算出されなくてはならない。
切れ刃nおよびタイプ1の切れ刃ジオメトリーについての切屑断面積A1が、図8では、上の表に基づく3つの段階A、BおよびCについて示されている。切屑断面積Anは、それぞれ任意の切れ刃nについて、次の式に基づいて算定することができる。
この式には歯ごとの送り量st、フライス直径d、ねじれ角λ、切込み角θ、それぞれの切れ刃の間の角度ξ、切れ刃の番号n、ならびにθおよびnの関数としてのL1およびL2が含まれている。最終切屑断面積としては次式が得られる。
この式にはフライスの歯数Nf、切込み角θ、切れ刃の番号n、およびn番目の切れ刃における切屑断面積Anが含まれている。
これに応じて図9では、4つの切れ刃を備えるフライス(切れ刃の間の角度ξ=90°)について、切屑断面積A(θ)が示されている。得られたデータを実験データと比較するためには、x方向、y方向、z方向を基準として、切削力をFx、FyおよびFzに分解しなくてはならない。
この式には切屑断面積A、切れ刃と工作物WEとの接触長さh、切込み角θ、固有の切削力Kcx、KcyおよびKczの各成分、および切れ刃における固有の切削力Kex、KeyおよびKezの各成分が含まれている。
旋削される切屑断面積ARについては、すべての切れ刃について次式が成り立つ:
この式には、n番目の切れ刃の回転マトリクスRn、n番目の切れ刃における切屑断面積An、切込み角θ、フライスの歯数Nf、および切れ刃の番号nが含まれている。
計算をいっそう簡単にするために、S1(θ)、S2(θ)、S3(θ)、およびS4(θ)を次のように定義する。
これらの式には、n番目の切れ刃における切屑断面積An、n番目の切れ刃の接触長さhn、切込み角θ、フライスの歯数Nf、切れ刃の番号n、およびそれぞれの切れ刃の間の角度ξが含まれている。
(数32)の計算にあたっては、3つのパラメータおよび6つの未知の変数が存在しているという問題が生じる。この問題を解決するために、連続する2つの点は、等しい固有の切削力を有しているものと仮定する。このようにして、各々のインターバルについて固有の切削力を計算する。
平均の固有切削力を求めた後、これを援用して準経験的な切削力Fx、FyおよびFzを算出し、場合により実験データと比較することができる。
この式には、平均の固有切削力としてのK(θ)で示される各値が含まれている。
上に掲げたプロセスモデリングを利用して、図10には、4つの切れ刃をもつフライスヘッドの固有の切削力成分の推移が、回転の経過とともに示されている。それによると、上述した機械的モデルに基づき、接線方向の切削力Ft(φ)、半径方向の切削力Fr(φ)、および軸方向の切削力Fa(φ)は、変化する切削加工断面積ah(φ)および切削深さaの関数として規定される。
この式には、接線方向、半径方向、軸方向のせん断プロセスもしくは切断プロセスによる力係数もしくは固有の切削力Ktc、Krc、Kac、および、切れ刃の側面での材料剥離を表す固有の切削力Kte、KreおよびKaeが含まれている。
上に説明したようなプロセスモデリングに基づき、切れ刃が10°よりも小さい切削角φ、特に4°から6°の間の切削角を有し、それに応じて硬質材料に対してノミの作用を及ぼし、それによって非常によくコントロールされた材料破断を生成することができる工具WZが得られた。この工具WZは、少なくとも切れ刃の領域に結晶性のダイヤモンドコーティングを含んでおり、特に、層厚が23μmプラス3μm、粒度が20nmから100nmのいわゆるナノクリスタルのマルチレイヤまたはダブルレイヤを含んでいる。その層厚は15nmから30nmの間で変動する。フライスとして構成された工具WZは、35°よりも大きいねじれ角δを有しているのが好ましく、特に40°から41°のねじれ角を有している。セラミックを加工するために、工具WZは、0.01mmから0.2mmの切込み幅ae、特に0.02mmの切込み幅aeを備えるフライスとして作動する。これに加えて工具WZは、0.5mmから4mmの切削深さap、特に2mmの切削深さを実現することができるように設計されている。さらに工具WZは、50から150m/minの切削速度で作動できるように設計されている。エンドミルまたはラジアスエンドミルとして構成された工具WZの直径を、広い幅にわたって変化させることができるのは明らかである。しかしながら、セラミックの加工時には約6mmの直径dが格別に好適であることも、同様に判明している。ラジアスエンドミルとして構成された工具WZでは、0.2mmから0.6mmのコーナー半径が設けられる。
加工方法および加工機械に関しては、パラメータとして、すでに上に説明した切削速度Vのほか、0.06mmのオーダーの歯ごとの送り量stと、2650回転/minから7800回転/minの間の回転速度とが格別に好適であることが判明している。
Claims (14)
- 切削角(φ)を有する幾何学的に規定された切れ刃を備える、硬質材料からなる工作物(WE)を加工する工具において、切れ刃の前記切削角(φ)は10°よりも小さく構成されていることを特徴とする工具。
- 35°よりも大きいねじれ角(λ)を有していることを特徴とする請求項1に記載の工具。
- 20nmから100nmの粒度と15nmから30nmの層厚さとを有する、少なくとも切れ刃の領域に設けられた結晶性のダイヤモンドコーティングを有していることを特徴とする請求項1または2に記載の工具。
- フェースミル,エンドミル,ホローミルもしくはラジアスエンドミルとして構成されていることを特徴とする請求項1から4のいずれか一項に記載の工具。
- 0.01mmから0.2mmの範囲内にある切込み幅(ae)を有していることを特徴とする請求項1から5のいずれか一項に記載の工具。
- 0.5mmから4mmの範囲内にある切削深さ(ap)を有していることを特徴とする請求項1から6のいずれか一項に記載の工具。
- 前記工具(WZ)が硬質材料に対して移動する50から150m/minの切削速度を有していることを特徴とする請求項1から7のいずれか一項に記載の工具。
- 1300回転/minを上回る回転速度を有し、前記工具は特に2650から7800回転/minの範囲内で回転することを特徴とする請求項1から8のいずれか一項に記載の工具。
- 乾式の加工方法として実施されることを特徴とする請求項10に記載の方法。
- 請求項1から9のいずれか一項に記載の工具(WZ)が使用されることを特徴とする請求項10または11に記載の方法。
- 幾何学的に規定された切れ刃を備える、硬質材料からなる工作物(WE)を加工する機械において、請求項1から9のいずれか一項に記載の工具(WZ)が使用されることを特徴とする機械。
- 幾何学的に規定された切れ刃を備える、硬質材料からなる工作物(WE)を加工する機械において、請求項10から12のいずれか一項に記載の方法が適用されることを特徴とする機械。
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