JP2010269398A

JP2010269398A - 切削加工装置および方法

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Publication number: JP2010269398A
Application number: JP2009122845A
Authority: JP
Inventors: Koichi Akazawa; 浩一赤澤
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2009-05-21
Filing date: 2009-05-21
Publication date: 2010-12-02
Anticipated expiration: 2029-05-21
Also published as: JP5363193B2

Abstract

【課題】切削条件に制約を与えることなく、また切削負荷を低減させることなく、しかも低コストでびびりマークの発生を抑制する。
【解決手段】軸状被切削材１の端面（被切削対象面）２に対し相対移動して端面２を切削する平バイト（第１の切削工具）３と、端面２に対し相対移動して端面２を、平バイト３により削られた切削部２ａの少なくとも一部と重なるように切削する平バイト（第２の切削工具）４とを備え、平バイト３と平バイト４は、平バイト３の切れ刃３ｂと端面２との相対移動方向Ｃ１に対する切れ刃３ｂの傾き角度θ１と、平バイト４の切れ刃４ｂと端面２との相対移動方向Ｃ２に対する切れ刃４ｂの傾き角度θ２とが、互いに５゜以上の角度差Δθを有するように配置されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、例えば被切削材と切削工具とを相対的に移動させて被切削材の被切削面を切削する切削加工装置および方法に関する。

軸状被切削材の端面などを高精度、低面粗度に仕上げる加工として、一般的に平バイトやヘールバイトなどの切削工具を用いた切削が行われる。

ところで、上述したような切削工具として剛性が高くないものを用いた場合には、切削条件により切削負荷が増大して切削工具にびびり振動が発生し、これに伴って切削面に表面うねりが生じて、所謂びびりマークを発生させることがある。例えば、図４（ａ）および（ｂ）（（ａ）は正面図、（ｂ）は右側面図）に示すように反時計回りに回転する軸状被切削材１００の端面１０１を、端面１０１に向けて白抜矢符方向に送られる平バイト１０２により切削する場合、図５に実線にて示すように端面１０１に軸状被切削材１００の回転中心Ｏを中心として放射状にびびりマーク１０３を発生させることがある。

このびびりマーク１０３は凹凸状の表面となることで形成され、このようなびびりマークが発生した場合は、仕上げ面性状を劣化させるだけでなく、切削工具が破損するなどの状況を招く虞がある。

したがって、びびりマークの発生を防ぐためには、切削工具にびびり振動が発生しないように切削負荷を低減させることが有効であるが、切削負荷の低減は一般的に切り込み量の低下を伴うため加工効率の低減に繋がる。このため、上述のような切削加工において、加工効率を低減させることなくびびり振動を抑制する加工方法の開発が期待されている。

そこで、従来においては、びびり振動を検知して、そのびびり振動を打ち消すような別の振動を加振装置により切削工具に付与する方式（例えば特許文献１参照）などが提案されている。

特開２００５−３０５６２３号公報

ところで、上述した提案方式は、びびり振動を検知することと、その振動を打ち消す別の振動を発生させることを要するため、装置が複雑になり実用的ではなく、コスト的に高くなるという難点があった。

なお、びびり振動自体の抑制に関し、従来から研究が進められていて、その１つにびびり振動の発生し難い加工回転数を算出し、その算出値に基づいた回転数で加工を行う手法が提案されているものの、この方法では切削条件に制約を与えるという不都合があった。

本発明は、このような従来技術の課題を解決するためになされたものであり、切削条件に制約を与えることなく、また切削負荷を低減させることなく、しかも低コストでびびりマークの発生を抑制することができる切削加工装置および方法を提供することを目的とする。

本発明の請求項１に係る切削加工装置は、被切削材の被切削対象面に対し相対移動して前記被切削対象面を切削する第１の切削工具と、前記被切削対象面に対し相対移動して、前記第１の切削工具により削られた切削箇所の少なくとも一部と重なるように前記被切削対象面を切削する第２の切削工具とを備え、前記第１の切削工具の切れ刃と被切削対象面との相対移動方向に対する前記第１の切削工具における切れ刃の傾き角度と、前記第２の切削工具の切れ刃と被切削対象面との相対移動方向に対する前記第２の切削工具における切れ刃の傾き角度とが、互いに５゜以上の角度差を有するように、両切削工具が配置されていることを特徴とする。

本発明の請求項２に係る切削加工装置は、請求項１に記載の切削加工装置において、前記被切削材が軸心回りに回転駆動される軸状の被切削材であるとともに前記被切削対象面が前記被切削材の端面であり、前記第１の切削工具の切れ刃と前記第２の切削工具の切れ刃は、前記各切れ刃による切削箇所同士が互いに角度差を５゜以上とするように平行に配置されていることを特徴とする。

本発明の請求項３に係る切削加工装置は、請求項１に記載の切削加工装置において、前記被切削材が軸心回りに回転駆動される軸状の被切削材であるとともに前記被切削対象面が前記被切削材の周面であり、前記第１の切削工具と前記第２の切削工具は、互いに切れ刃の角度差を５゜以上として配置されていることを特徴とする。

本発明の請求項４に係る切削加工方法は、被切削材の被切削対象面に対し相対移動して前記被切削対象面を切削する第１の切削工具と、前記被切削対象面に対し相対移動して前記被切削対象面を、前記第１の切削工具により削られた切削箇所の少なくとも一部と重なるように切削する第２の切削工具とを用い、前記第１の切削工具の切れ刃と被切削対象面との相対移動方向に対する前記第１の切削工具における切れ刃の傾き角度と、前記第２の切削工具の切れ刃と被切削対象面との相対移動方向に対する前記第２の切削工具における切れ刃の傾き角度とが、互いに５゜以上の角度差を有するように両切削工具を配置し、前記被切削対象面を切削することを特徴とする。

請求項１に係る切削加工装置および請求項４に係る切削加工方法による場合には、第１の切削工具による被切削対象面上の切削箇所の少なくとも一部（つまり第２の切削工具によっても切削される予定部分）が、第２の切削工具の切れ刃に到達した状態で、両切れ刃による切削箇所同士に５゜以上の角度差が発生する。よって、第１の切削工具により形成されたびびりマークと、第２の切削工具により形成されたびびりマークとが、同位相で重なることがない。つまり、両方のびびりマークの凹条同士または凸条同士が同一線分上で重なる（同位相となる）ことがない。これにより、びびりマークの凹凸状態が緩和されてびびりマークの発生が抑制される。したがって、本発明にあっては、第１の切削工具と第２の切削工具の向きまたは配置位置を調整するだけでよいので、切削条件に制約を与えたり切削負荷を低減させたりする必要がなく、また切削工具を複数用いるだけで済むので大掛かりな装置を必要とせず、低コスト化が図れる。

特に、請求項２の発明による場合には、第１、第２の切削工具の切れ刃を平行に設置しても、軸心回りに回転する軸状被切削材の端面が被切削対象面であるので、一方の切れ刃で形成された切削箇所がもう一方の切れ刃に到達したとき、両切れ刃による切削箇所どうしは、互いに５゜以上の角度差を有する。

本発明の一実施形態に係る切削加工装置を示す図で、（ａ）は回転する軸状被切削材をその外方から見た正面図、（ｂ）は（ａ）の右側面図である。図１に示す２つの切削工具の配置状態を説明するための図（右側面図）である。図１の切削加工装置により切削加工を行う場合のびびりマークの発生状態を示す図である。従来例における切削工具の配置構造を示す図で、（ａ）は回転する軸状被切削材をその外方から見た正面図、（ｂ）は（ａ）の右側面図である。従来例において発生したびびりマークを示す図である。

以下に、本発明の実施形態を具体的に説明する。

図１は本発明の一実施形態に係る切削加工装置を示す図で、（ａ）は回転する軸状被切削材をその外方から見た正面図、（ｂ）は（ａ）の右側面図である。また、図２は２つの切削工具（バイト）の配置状態を説明するための図（右側面図）である。

この図示例の切削加工装置は、回転する断面円形の軸状被切削材１における軸方向の端面２を被切削対象面とし、２つの平バイト３、４を用いて前記端面２に環状溝を形成する場合を例に挙げている。なお、被切削材１は、図１に示す例では反時計回りに回転している。

上側（上流側）の平バイト３は先行するもので、下側（下流側）の平バイト４は後行のものである。平バイト３と平バイト４は、サイズや剛性等が同じものを用いており、各軸心３ａ、４ａが軸状被切削材１の軸心Ｏから同じ距離となるように、切削加工装置に備わったチャック１０に取付けられている。このチャック１０は、白抜矢符方向に平バイト３、４を送る。平バイト３、４の各切れ刃３ｂ、４ｂは、共にほぼ直線状に形成されていて、下側の平バイト４の切れ刃４ｂは軸状被切削材１の半径方向に沿って位置し、上側の平バイト３の切れ刃３ｂは前記切れ刃４ｂと平行に配している。これら各切れ刃３ｂ、４ｂは、端面２のほぼ同一の環状領域Ａ（２つの破線にて挟まれた領域）を切削し、その領域Ａで前記環状溝を形成するようになっている。また、先行の平バイト３と後行の平バイト４は、平バイト３の切れ刃３ｂと端面２との相対移動方向Ｃ１に対する切れ刃３ｂの傾き角度θ１と、平バイト４の切れ刃４ｂと端面２との相対移動方向Ｃ２に対する切れ刃４ｂの傾き角度θ２とが、互いに５゜以上の角度差Δθを有するように配置されている。換言すると、先行の平バイト３の切れ刃３ｂにより端面２上に形成された切削部２ａ（図２に破線にて示す）が、後行の平バイト４の切れ刃４ｂに到達したとき、切れ刃４ｂまたはその切れ刃４ｂにより端面２上に形成された切削部２ｂ（図２に二点鎖線にて示す）と前記切削部２ａ（破線にて示す）とのなす相対的な角度差Δθが５゜以上となるように配置されている。なお、上記相対移動方向Ｃ１、Ｃ２は、被切削材１が軸心Ｏ回りに回転しているので、いずれも切れ刃３ｂ、４ｂの接線方向であり、切れ刃３ｂ、４ｂの中心位置におけるものとしている。

次に、上述したように切削部２ｂと切削部２ａとのなす相対的な角度差Δθを５゜以上にする理由につき説明する。

表１は、上下バイト３、４の配設位置を変化させることにより、切削部２ｂと切削部２ａとのなす相対的な角度差Δθを変化させ、びびり振動の抑制に対して有効な角度差Δθを調査した結果につき纏めた表である。なお、表中の○はびびりマークは有るものの凹凸状態が緩和されて表面性状が良化したものを表し、△は前記凹凸状態が変わらず表面性状に大きな変化がないものを、×は前記凹凸状態が顕著になって表面性状が悪化したものを表す。また、軸状被切削材１として、直径３００ｍｍのＳ４５Ｃ材を用いて、高速度工具鋼製の平バイト３、４により端面２の加工を行った。切削速度は１００ｍ／ｍｉｎ、送り速度は０．０２ｍｍ／刃、切削幅は２０ｍｍとし、水溶性切削油（ユシロ化学社製ＥＣ５０）を５％に希釈して用いた。

この表１から理解されるように、角度差Δθが０゜〜２゜の場合は表面性状が悪くなり、角度差Δθが３゜、４゜の場合は表面性状に大きな変化がないが、角度差Δθが５゜以上になると、表面性状が良好になる。なお、上記以外の切削条件でも確認したが、同様に角度差Δθが５゜以上で表面性状が良好であった。

以上のような結果に基づき、本発明においては、角度差Δθが５゜以上になるように２つの平バイト３、４を配置するものと規定している。

ところで、角度差Δθが５゜以上で表面性状が良好になる理由としては、以下のように考えられる。

即ち、平バイト３により形成された切削箇所が平バイト４の切れ刃４ｂに到達した状態で、両切れ刃３ｂ、４ｂによる切削箇所同士に５゜以上の角度差Δθが発生する。よって、図３に示すように平バイト３により形成されたびびりマーク５と、平バイト４により形成されたびびりマーク６とが、相対的に角度差Δθでずれ、同位相で重なることがない。つまり、両方のびびりマーク５、６の凹条同士または凸条同士がスポット的に重なっても、同時に両方のびびりマーク５、６の凹条同士または凸条同士の全体が同一線分上で重なる（同位相となる）ことがない。これにより、びびりマークの凹凸状態が緩和され、つまりびびりマークが次の回転時の切削加工に影響を及ぼすこと（例えば、切削量を所定値よりも増減させること）で励起される振動現象である自励びびり振動が励起され難くなるからである。

したがって、本実施形態の切削加工装置にあっては、前述した角度差Δθが５゜以上になるように２つの平バイト３、４を配置した配置構造を採る。そして、この切削加工装置による切削加工方法による場合には、切削箇所の表面性状を良好にすることが可能になる。よって、本実施形態では、加工方向の上流側と下流側の各バイト３、４の傾きを調整するだけでよいので、切削条件に制約を与えたり切削負荷を低減させたりする必要がなく、またバイトを２個同時に用いるだけで済むので大掛かりな装置を必要とせず、低コスト化が図れる。更には、切削箇所の表面性状が良好になることで、バイト３、４に発生するびびり振動の大きさが小さくなる。これにより従来技術である図４に示したように１本のバイト１０２で切削する場合に発生する虞がある工具破損を防止し易くなる。

なお、上述した実施形態では平バイト３、４が共に同一の環状領域Ａを通るように平バイト３、４を配置した構成としているが、本発明はこれに限らない。例えば、平バイト３により切削された箇所の一部が、平バイト４の切れ刃４ｂに到達するように構成した場合であってもよい。つまり、平バイト３と平バイト４の両方により切削される環状領域が存在すれば、その環状領域において本発明の効果を得ることができるからである。

また、上述した実施形態では、軸状被切削材１の端面２に環状溝を形成する場合につき説明しているが、本発明はこれに限らない。例えば、軸状被切削材１の周面を凹凸の小さい低面粗度に仕上げる加工や周面に周面を一周する溝を形成する場合においても同様に適用することができる。この場合においても前同様に、周面上において軸状被切削材１の回転方向上流側に配したバイトによる切削部が、回転方向下流側に配したバイトの切削位置に到達したときにおいて、回転方向下流側のバイトによる切削部と到達した切削部とのなす相対的な角度差Δθを５゜以上にするように、両バイトの配置を定める。つまり、この場合は、上述した実施形態とは異なり、両バイトの切れ刃３ｂ、４ｂは互いに平行ではない。但し、軸状被切削材１の周面を加工する場合には、軸状被切削材１の軸心と平行に切れ刃を配置するバイトは、その切れ刃は直線状でよいが、軸状被切削材１の軸心に対して斜めに傾斜させるバイトは、その切れ刃は両端が外側に突出し中央部が窪んだ湾曲状のものを用いる必要がある。なお、２つのバイトの両方を軸状被切削材１の軸心に対して斜めに傾斜させる場合には、各々のバイトは切れ刃が前記湾曲状であるものを用いる必要がある。

更に、本発明は、平坦面に溝加工を行う場合や、平坦面を低面粗度に仕上げる加工などにも適用することができる。

更にまた、上述した実施形態ではバイト側を固定し、被切削材側を移動（回転等を含む）させる構成としているが、本発明はこれとは逆に、バイト側を移動（回転等を含む）させ、被切削材側を固定する構成としても適用可能である。なお、バイト側を移動させる際は、２つまたは３つ以上のバイトを取付けたチャックを移動させることが好ましい。その理由は、チャックに取付けられたバイト同士の位置関係を一定状態に保持し易いからである。但し、チャックを移動させるとき、バイトの位置関係や角度関係を調整する構成としてもよい。この構成による場合は、例えば図１に示すようにチャック１０をバイト３、４で端面２の水平面Ｂ上における左方端を切削する位置から軸心Ｏを切削する位置までスライドさせることで、端面２の全域に対し低面粗度に仕上げることが可能となる。

また、上述した実施形態にあっては、回転方向に沿って２つのバイトを配置する場合を例に挙げているが、本発明はこれに限らず、回転方向に沿って３以上のバイトを配置する場合にも同様に適用することができる。要は、回転方向において相前後する２つのバイト間において、相対的な角度差Δθを５゜以上にすればよい。この場合、全てのバイトを対象とする必要はなく、少なくとも２つのバイトに適用するようにしてもよい。

更に、上述した実施形態にあっては、切削工具として平バイトを用いた例につき説明しているが、本発明はこれに限らず、ヘールバイトなどの他の切削工具を用いる場合にも同様に適用できる。要は、溝加工や低面粗度に仕上げる加工などを行う切削工具の全般にわたり適用することができる。

１被切削材
２端面（被切削対象面）
２ａ切削部
２ｂ切削部
３、４平バイト
３ｂ、４ｂ切れ刃
５、６びびりマーク
Δθ ２つの切削部のなす相対的な角度差

Claims

被切削材の被切削対象面に対し相対移動して前記被切削対象面を切削する第１の切削工具と、
前記被切削対象面に対し相対移動して、前記第１の切削工具により削られた切削箇所の少なくとも一部と重なるように前記被切削対象面を切削する第２の切削工具とを備え、
前記第１の切削工具の切れ刃と被切削対象面との相対移動方向に対する前記第１の切削工具における切れ刃の傾き角度と、前記第２の切削工具の切れ刃と被切削対象面との相対移動方向に対する前記第２の切削工具における切れ刃の傾き角度とが、互いに５゜以上の角度差を有するように、両切削工具が配置されていることを特徴とする切削加工装置。
請求項１に記載の切削加工装置において、前記被切削材が軸心回りに回転駆動される軸状の被切削材であるとともに前記被切削対象面が前記被切削材の端面であり、前記第１の切削工具の切れ刃と前記第２の切削工具の切れ刃は、前記各切れ刃による切削箇所同士が互いに角度差を５゜以上とするように平行に配置されていることを特徴とする切削加工装置。
請求項１に記載の切削加工装置において、前記被切削材が軸心回りに回転駆動される軸状の被切削材であるとともに前記被切削対象面が前記被切削材の周面であり、前記第１の切削工具と前記第２の切削工具は、互いに切れ刃の角度差を５゜以上として配置されていることを特徴とする切削加工装置。
被切削材の被切削対象面に対し相対移動して前記被切削対象面を切削する第１の切削工具と、
前記被切削対象面に対し相対移動して前記被切削対象面を、前記第１の切削工具により削られた切削箇所の少なくとも一部と重なるように切削する第２の切削工具とを用い、
前記第１の切削工具の切れ刃と被切削対象面との相対移動方向に対する前記第１の切削工具における切れ刃の傾き角度と、前記第２の切削工具の切れ刃と被切削対象面との相対移動方向に対する前記第２の切削工具における切れ刃の傾き角度とが、互いに５゜以上の角度差を有するように両切削工具を配置し、前記被切削対象面を切削することを特徴とする切削加工方法。