JP2012091305A - 旋削加工装置及び旋削加工方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】
本発明は連続して流出する切りくずを、切りくずの発生直後に強制的に断続切削することによって、旋削時に生じる工具刃先の温度の上昇を抑制して工具寿命の延長を図る。
【解決手段】
先端に第1の切れ刃を有する第1の切削加工工を用いて回転する被加工物を切削加工する旋削加工装置であって、第1の切れ刃によって切削され、排出される切りくずを、その排出直後に回転する第2の切れ刃を有する第2回転切削工具を用いて断続的に切断する。
【選択図】 図5
本発明は連続して流出する切りくずを、切りくずの発生直後に強制的に断続切削することによって、旋削時に生じる工具刃先の温度の上昇を抑制して工具寿命の延長を図る。
【解決手段】
先端に第1の切れ刃を有する第1の切削加工工を用いて回転する被加工物を切削加工する旋削加工装置であって、第1の切れ刃によって切削され、排出される切りくずを、その排出直後に回転する第2の切れ刃を有する第2回転切削工具を用いて断続的に切断する。
【選択図】 図5
Description
本発明は、切削工具を用いて回転する素材(被加工物)を加工するための旋削加工装置及びその加工方法に関する。
回転する素材(被加工物)の表面に切削工具を押し当てて切削加工を行う場合、切削加工の過程で発生する切りくずが切削工具に衝突し、その工具の動きを阻害したり、また、切りくず自身が発生させる振動等により高精度の切削加工が困難になることがある。
斯かる切削加工時の隘路事項を解決し、高精度の切削加工を実現する手段として、特許文献1には切りくずを所望の方向に誘導することにより被加工物と切削工具との切削抵抗やそこで発生する発熱等を抑制可能な工作機械が開示されている。また、特許文献2では、切削工具にからみついた切りくずを切断する手段を設けた切削装置が開示されている。
しかしながら、上記した特許文献1において、切りくずを所望の方向に引張る手段を備えることによって切りくず自身が不用意な方向に動いたり、切削工具と絡まることを防止することを目的とするものであって、被加工物と切削工具との切削抵抗やそこで発生する発熱等を直接的に軽減させるものではない。また、特許文献2においても切削工具とは別に設けられ、移動可能な切削カッターが備えられ、切削工具に絡みついた切りくずを切断することを目的としている。
即ち、切削工具を用いて回転する被加工物の表面を加工する場合、切削工具と被加工物との接触と同時に連続的に発生する切りくずがその切りくずの長さとともに工具先端に与える切削抵抗、それによって発生する発熱などの影響を極力軽減させ、常に同一の切削条件を保持しなければならないという要求がなされているにも拘らず、上記した何れの特許文献もその要求を満たすことが困難である。
本発明は上記した従来技術の問題点を解決し、連続して発生する切りくずを切りくずの発生直後、もしくは発生した切りくずの長さが極めて短い間に切断することによって、旋削時に生じる工具刃先にかかる切削抵抗の変動を抑制し、更には切削工具と被加工物とが接触している領域の温度上昇を抑制し、その結果として高精度の加工、工具自身の切削寿命向上を図ることを目的とする。
尚、切りくずが極めて短い間とは上記した本発明の目的が達成可能な切りくずの長さであることを意味し、被加工物の材質や加工条件に依存することは言うまでもありません。
上記した本発明の目的を達成させるために、先端に第1の切れ刃を有する第1切削工具を用いて被加工物を旋削加工する旋削加工機であって、被加工物表面の旋削中に切削工具の第1の切れ刃より排出される切りくずを、その排出直後に切断可能な位置に第2の切れ刃を備えた第2回転切削工具を配置した。
ここで、切りくずの排出直後に切断可能な位置とは、第1切削工具の上部位置であって、被加工物の表面から排出された切りくずに対して第1切削工具と第2回転切削工具とを同一方向もしくは互いに相対する方向、即ち、切りくずを挟んで対面する方向に配置した。
また、第1切削工具は第1の切れ刃と被加工物との距離を調整可能な第1の切れ刃移動機構を備えており、第2回転切削工具は第2の切れ刃と切りくずとの距離を3次元的に調整可能な第2の切れ刃移動機構を備えている。
そして、第1の切れ刃移動機構と第2の切れ刃移動機構とは互いに連動して被加工物の回転軸方向に移動可能な連動機構を備え、その連動機構を含めた第1及び第2切れ刃の移動機構を制御するための制御部を備えている。
切りくずを切断するために切りくずに対して第2切れ刃を配置する位置は、切りくずの発生位置(即ち被加工物と第1の切れ刃が接触している位置)から排出される切りくずの長さで約0.5〜3mmの位置である。
本発明によれば、切りくずの排出直後に切りくずが切断されるため、第1の切れ刃にかかる切削力はほぼ同じ状態が維持されることになる。これにより安定した高精度の切削加工が行われるばかりでなく、旋削時に生じる第1の切れ刃を有する第1切削工具の刃先温度の上昇を抑制し、その結果として工具寿命の向上が可能である。
以下、図面を用いて実施の形態を詳細に説明する。
図1は第1切削加工工具を用いて被加工物を切削加工する直前の状態を説明するための概観図である。同図において、被加工物206は図に示した回転方向300のように右回転している。そして、この被加工物206の外周表面に対して先端に第1の切れ刃101を有する第1切削加工工具102を押し当てて被加工物206の表面を切削加工する。図示していないが、第1切削加工工具102は被加工物206の直径方向301及び回転軸方向302に移動可能な移動機構に装着されており、被加工物206の切削状況に連動して移動するように制御されている。
図1は第1切削加工工具を用いて被加工物を切削加工する直前の状態を説明するための概観図である。同図において、被加工物206は図に示した回転方向300のように右回転している。そして、この被加工物206の外周表面に対して先端に第1の切れ刃101を有する第1切削加工工具102を押し当てて被加工物206の表面を切削加工する。図示していないが、第1切削加工工具102は被加工物206の直径方向301及び回転軸方向302に移動可能な移動機構に装着されており、被加工物206の切削状況に連動して移動するように制御されている。
図2は切削加工時の初期段階を表わし、被加工物から排出される切りくずの状態を説明するための概観図である。被加工物206の外周表面に第1切削加工工具102を押し当てることにより、被加工物206の一部が切削され、切りくず108として外部に排出される。同図において、切りくず108が排出され始めた直後の状態をイメージ的に示しているが、その詳細は後に説明する。
図3は第1切削加工工具を被加工物の回転軸方向に移動させて被加工物の切削加工がある程度進み、被加工物から連続的に排出された切りくずの状態を表わしている。この図から明らかのように切りくず108は切削加工が進むにつれて切りくず108自身に変形が生じ、螺旋状に排出される。
更に被加工物206の切削加工が継続された場合、切りくず108は非常に長くなって切削加工装置内に滞留するようになり、切削加工において様々な障害を齎すようになる。例えば、切りくず108が第1切削加工工具102に絡みつき、その動きを阻害したり、第1切削加工工具102の切削抵抗が増大して切削加工精度に悪影響を及ぼしたり、更には、被加工物206と第1切削加工工具102との接触領域での温度が上昇し、切削加工能率の低下や切削加工工具の寿命低下を引き起こす要因となる。従って、切削加工工具の寿命を伸ばし、かつ被加工物を高精度に、効率よく加工するためには切削の過程で発生した切りくずを適切に排除することが極めて重要である。
ここで、切りくず108が排出される様子を更に詳細に説明する。
図4は図3で示した切りくず108が排出される状況を詳細に説明するための概略図である。図2に示した切削加工開始直後とほぼ同じ状況を第1切削加工工具102の第1の切れ刃101の真上から観察したときの概観を示すものである。同図(a)は第1切削加工工具102の第1の切れ刃101が被加工物206の外周表面に食い込み、切りくず108が排出された直後の状態であり、同図(b)はある程度切削加工が進んで切りくず108の排出が更に進行し、第1の刃先101に形成されているすくい面上に持ち上がりつつ、切りくず108は被加工物206の回転軸方向にねじれるように成長する。同図(c)は同図(b)に示した切りくず108が更に成長し、第1の切れ刃101のすくい面上で切りくず108が次第に螺旋状に成長していく。
図4は図3で示した切りくず108が排出される状況を詳細に説明するための概略図である。図2に示した切削加工開始直後とほぼ同じ状況を第1切削加工工具102の第1の切れ刃101の真上から観察したときの概観を示すものである。同図(a)は第1切削加工工具102の第1の切れ刃101が被加工物206の外周表面に食い込み、切りくず108が排出された直後の状態であり、同図(b)はある程度切削加工が進んで切りくず108の排出が更に進行し、第1の刃先101に形成されているすくい面上に持ち上がりつつ、切りくず108は被加工物206の回転軸方向にねじれるように成長する。同図(c)は同図(b)に示した切りくず108が更に成長し、第1の切れ刃101のすくい面上で切りくず108が次第に螺旋状に成長していく。
ところで、切りくず108の排出方向は第1の切れ刃101の被加工物206の直径方向の切込み量及びその回転軸方向への移動速度(言い換えれば第1切削加工工具102の送り速度に応じた加工条件)と、第1の切れ刃101と被加工物206とが接触するときの第1の切れ刃101の刃先形状、更には被加工物206の材質によって決まる。概略的には図4に示したように、被加工物206に切り込んだとき、第1の切れ刃101が被加工物206と交わる2点を結ぶ直線207に対してほぼ垂直な方向に排出される。
また、切りくず108の排出速度は被加工物206を回転方向300へ回転させたときの第1の切れ刃101との相対速度とほぼ同じか、それよりも遅くなる傾向にある。そして、切りくず108が第1の切れ刃101上で螺旋形状になるまでの切りくず108の長さ(ほぼ直線形状)は、第1の切れ刃101の先端位置(概略的には先に示した直線207の位置)から概ね0.5〜3mmである。
さて、切削の過程で発生した切りくず108を適切に排除することが極めて重要であるが、この切りくず108を除去する方法について以下に説明する。
図5は排出された切りくず108を切断するための第2回転切削工具の配置を説明するための概略図である。同図において、第2回転切削工具100は回転機構部105の回転駆動軸104の先端に取り付けられた第2の切れ刃103と回転機構部105を収納するための回転機構保持部106とで構成され、この第2回転切削工具100は第1切削加工工具102と連結されている。特に、第1の切れ刃101と第2の切れ刃103と被加工物206とが互いに干渉しないような位置に配置されていることは言うまでもない。
図5は排出された切りくず108を切断するための第2回転切削工具の配置を説明するための概略図である。同図において、第2回転切削工具100は回転機構部105の回転駆動軸104の先端に取り付けられた第2の切れ刃103と回転機構部105を収納するための回転機構保持部106とで構成され、この第2回転切削工具100は第1切削加工工具102と連結されている。特に、第1の切れ刃101と第2の切れ刃103と被加工物206とが互いに干渉しないような位置に配置されていることは言うまでもない。
第2の切れ刃103は連続して排出される切りくず108を切断するためものであり、回転機構部105の回転を駆動伝達軸104を用いて第2の切れ刃103に伝達し、その回転力により連続して排出される切りくず108を断続的に切断する。また、この回転機構部105は空気配管107を介して供給される空気を用いて高速回転を可能にしている。
図6は第2回転切削工具100を用いて切りくず108を切断する様子を詳細に示した説明図であって、同図(a)は切りくず108の切断直前の状態を、同図(b)は切りくず108の切断直後の状態を表わしている。同図(a)及び(b)において、第2回転切削工具100は便宜上、回転する第2の切れ刃103の一部分のみ示してあり、その第2の切れ刃103の先端部分が動く回転軌跡を破線208で示した。
図6に示した切りくず108は螺旋状に変形する前の状態であって、この段階で切断し、除去することが望ましい。従って、上記した破線208の位置は排出される切りくず108のほぼ直線的な領域、即ち、第1の切れ刃101が被加工物206と交わる2点を結ぶ直線207の位置から切りくず108の排出方向に向かって0.5〜3mm程度の範囲内であることが望ましい。
切断された切りくず108の一部は切削加工装置内に蓄積され、適宜外部へ排除される、もしくは図示しないが、専用の切りくず回収機構部を用いて外部に排除される。
図7は切りくず108が除去される別の様態を説明する図である。この例は、前述の場合と比較して大きな切込み量で切削加工を実施した場合であって、排出される切りくず108の厚さが
大きい場合である。具体的には切りくず108の厚さが0.5〜0.8mm程度を想定する。
このような場合の切断箇所は回転する第2の切れ刃103と切りくず108との接触する部分(破線208)ではなく、むしろ第1の切れ刃101が被加工物206と交わる2点を結ぶ直線209の位置(図4の破線208の位置)になることが多い。
大きい場合である。具体的には切りくず108の厚さが0.5〜0.8mm程度を想定する。
このような場合の切断箇所は回転する第2の切れ刃103と切りくず108との接触する部分(破線208)ではなく、むしろ第1の切れ刃101が被加工物206と交わる2点を結ぶ直線209の位置(図4の破線208の位置)になることが多い。
この理由は次のように考えられている。即ち、被加工物206に第1の切れ刃101を押し当てて切削加工を行うとき、第1の切れ刃101の切削力が被加工物206に作用して実際の切削が行われる領域210(図7におけるハッチング部分)の温度が著しく上昇し、そこでの強度が低下するため、切断が起き易くなる。
図8は切削加工の過程で、第1の切れ刃101に生じる温度上昇を有限要素法によって解析した結果である。横軸に第1の切れ刃101の切削距離、縦軸に第1の切れ刃101の先端部分での温度を示す。この図から明らかのように、第1の切れ刃101の先端部分に生じる温度は切削開始とともに、すなわち切削時間経過とともに上昇するが、切削距離が3mm以上で数100℃という極めて高温度に達し、それ以上の切削距離において温度はほぼ飽和する。
第1の切れ刃101の摩耗はこの先端部分に生じる温度上昇の大きさと第1の切れ刃101の先端部分に加わる力によって発生し、これによって切削工具の寿命もほぼ決まってしまう。従って、第2の切れ刃103を用いて切りくず108を切断するためには、図8に示したように第1の切れ刃の先端部分の温度が高温度に達する前であって、更には可能な限り低い温度の環境下で切りくず108の切断を行うことが重要である。そして、その結果として切削工具の寿命を延ばすことも可能である。
図8の結果から、第1の切れ刃101の先端部分の温度が高温度に達するまでの切削距離は概ね0.5〜3mmと推定される。そこで、第1の切れ刃101の切削速度が100m/minとすれば、切削距離0.5mmは切削時間に換算すると5×10-6分に相当する。従って、この時間ごとに切りくず108を第2の切れ刃103を用いて切断すれば良いことになる。尚、切断箇所は切削開始直後が望ましいことになるが、そのような領域での切断においては第1の切れ刃101と第2の切れ刃103が互いに干渉する可能性が高まるため、切断箇所の下限値は0.5mm(第1の切れ刃101と被加工物206とのふたつの交点を結ぶ線から切りくず108が排出する方向の距離)とした。
図5に示した第2の切れ刃103の例ではその刃数は4枚なので、4×5×10-6分で第2の切れ刃103を1回転させれば良い。第2の切れ刃103は回転機構部105からの駆動力によって回転するが、そのときの回転数は5万回転/分であり、図5に示した空気配管107から供給される空気によって十分な回転数を得ることが出来る。尚、第2の切れ刃103の刃数が4枚以外の場合であっても同様な効果が得られる。例えば刃数が8枚であれば、第2の切れ刃103の回転数は2.5万回転/分となる。
また、第1の切れ刃101の切削距離を1mmとし、第2の切れ刃103の刃数を8枚としたとき、第2の切れ刃103の回転数を1.25万回転/分まで下げることができる。
図5において、第1の切れ刃101と第2の切れ刃103との相対的な位置関係は次のように定義される。即ち、被加工物206の表面を切削加工するとき、第1の切削工具の第1の切れ刃より排出される切りくず108を、その排出直後に切断可能な位置に第2の切れ刃103を備えた第2回転切削工具100を配置することが重要である。
ここで、切りくず108の排出直後に切断可能な位置とは、第1切削工具102の上部位置であって、被加工物206の外周表面から排出された切りくず108に対して第1切削工具102と第2回転切削工具100とを互いに干渉することなく同一方向もしくは互いに相対する方向、即ち、切りくずを挟んで対面する方向に配置すればよい。そして、ふたつの切れ刃の間隔は、切削加工の過程において第1の切れ刃101の先端部分の温度が高温に上昇する範囲内であることが望ましく、前述のように、0.5〜3mm程度の範囲内であることが望ましい。
尚、第2の切れ刃103の回転駆動源として空気を使用した場合を説明したが、電気力を使用した電気モータであっても何ら問題ない。
次に、第1の切れ刃101と第2の切れ刃103との位置関係を調整する方法を説明する。
図9は第2回転切削工具100の位置調整を説明するための概観図である。第2の切れ刃103及びそれを回転させるための回転機構部105保持するための回転機構保持部106、この回転機構保持台401を第1切削加工具102に固定するための連結板403、これらの位置を調節するための位置調整ねじ402及び404を備えている。連結板403は回転機構保持部106と空間的に固定されている。
図9は第2回転切削工具100の位置調整を説明するための概観図である。第2の切れ刃103及びそれを回転させるための回転機構部105保持するための回転機構保持部106、この回転機構保持台401を第1切削加工具102に固定するための連結板403、これらの位置を調節するための位置調整ねじ402及び404を備えている。連結板403は回転機構保持部106と空間的に固定されている。
回転機構保持部106に備えられた位置調整ねじ402のそれぞれを調整することによって第2の切れ刃の回転面を被加工物206の回転軸を含む面内で自由に変えることが出来、また、連結板403に取り付けられた位置調整ねじ404を適宜調整することによって第2の切れ刃103の位置を被加工物206の直径方向で自由に調整することが出来る。即ち、図9に示したように、第2回転切削工具100は第2の切れ刃103と切りくず108との相対的な距離を3次元的に調整可能な第2の切れ刃移動機構を備えていることになる。
図9には図示していないが、第1切削加工工具102を被加工物206の直径方向及び回転軸方向に移動可能な第1の切れ刃移動機構を備えているが、第1の切れ刃移動機構と第2の切れ刃移動機構とは互いに連動して動くようにしても良い。そして、その連動機構を含めた第1及び第2切れ刃の移動機構を制御するための制御部を備えている(図示せず)。尚、この場合には図9に示した位置調整ねじ402及び404は上記した制御部でコントロールされる機構部を有することは言うまでもない。
ところで、切りくず108と第2の切れ刃103とが常に最適な位置関係で接触するとは限らない。図10は切りくず108と第2の切れ刃103との位置関係を制御するための切りくず切断位置制御部を説明するための概観図である。同図において、第1切削加工工具102及び第2回転切削工具100については図5または図9で説明した通りである。そして、切りくず108と第2の切れ刃103との位置関係を制御するために追加された点は下記の機構である。
第2回転切削工具100を構成する回転機構保持台106は連結板502、調節ねじ503及びねじ調整機構部504を介して切削加工工具保持ステージ202に連結されている。そして、切りくず108と第2の切れ刃103とを同一視野内に捕らえることの可能な位置にCCDカメラを備えた切断位置検出部505が固定板506を介して切削加工工具保持ステージ202に固定されている。
切断位置検出部505で捕らえられた画像は制御部(図示していない)で解析される。そして、切りくず108と第2の切れ刃103との位置関係が適切でない場合には、両者が適切な位置関係になるまで制御部(図示していない)を介してねじ調整機構部504をXYZ方向に駆動させる。尚、この例ではねじ調整機構部504を用いて切りくず108と第2の切れ刃103との位置関係を最適化するが、図9に示した位置調節ねじ402及び回転保持機構部106を用いて調整しても構わない。
切りくず108の排出方向は切削加工条件によっても変化するが、切削加工を連続して行うと第1の切れ刃101が被加工物206と接触する部分が摩耗し、第1の切れ刃101の形状自体が変化し、そして被加工物206の材質によっては第1の切れ刃101に溶着物が堆積するために変化することが考えられる。
上記した構成により、切削加工の過程で変化する切りくず108の排出方向やこれに伴う第2の切れ刃103との位置関係を常に最適化し、切りくず108の切断を行うことが出来るので、被加工物206を切削加工する際の第1の切れ刃101の温度上昇が抑制されて、刃先摩耗を低減できるという効果を奏する。
図11は被加工物切削用の第1切削加工工具と切りくず切断用の第2回転切削工具とを備えた旋削加工装置の全体構成図である。同図において、旋削加工装置200は旋削主軸機構201、第1の切れ刃101及び第2の切れ刃103を備えた切削機構具保持ステージ202、回転軸に直交する半径方向移動機構203、回転軸方向移動機構204、制御装置205を備えている。また、同図において、206は回転させてその外周表面の切削を行うための被加工物である。
旋削主軸機構201は被加工物206を固定して回転させる機構であり、その先端には被加工物を保持するためのチャック機構を備えている。旋削主軸機構201の回転数、切削機構具保持ステージ202の移動量、半径方向移動機構203及び回転軸方向移動機構204の移動量や移動速度、第1の切れ刃101と第2の切れ刃103との位置関係等は制御装置205のプログラム指令により制御される。
100:第2回転切削工具、101:第1の切れ刃、102:第1の切削加工工具、103:第2の切れ刃、104:駆動伝達軸、105:回転機構部、106:回転機構保持部、107: 空気配管、108:切りくず、200:旋削加工装置、201:旋削主軸機構部、202:切削工具保持ステージ、203:半径方向移動機構、204:回転軸方向移動機構、205:制御装置、206:被加工物、207、208:切断箇所、209:破談箇所、210:温度上昇部、300:被加工物の回転方向、301:被加工物の直径方向、302:被加工物の回転軸方向、402,404:位置調整ねじ、403:連結板、502:連結板、503:調整ねじ、504:ねじ調整機構部、505:切断位置検出部、506:固定板
Claims (8)
- 先端に第1の切れ刃を有する第1切削加工工具を用いて被加工物を旋削加工する旋削加工装置であって、前記被加工物の外周表面の旋削加工中に前記第1切削加工工具の第1の切れ刃により排出される切りくずを、その排出直後に切断可能な位置に第2の切れ刃を備えた第2回転切削工具を配置したことを特徴とする旋削加工装置。
- 前記切断可能な位置は、前記第1切削加工工具の上部であって、前記被加工物から排出された前記切りくずに対して前記第1切削加工工具と前記第2回転切削工具とを同一方向もしくは互いに相対する方向に配置したことを特徴とする請求項1に記載の旋削加工装置。
- 前記第1切削加工工具は前記第1の切れ刃と前記被加工物との距離を調整可能な第1の切れ刃移動機構を備えており、前記第2回転切削工具は前記第2の切れ刃と前記切りくずとの距離を3次元的に調整可能な第2の切れ刃移動機構を備えていることを特徴とする請求項1に記載の旋削加工装置。
- 前記第1切削加工工具は前記被加工物の回転軸方向に移動可能な移動機構を更に備えていることを特徴とする請求項3に記載の旋削加工装置。
- 前記第1の切れ刃と前記被加工物との交点を結ぶ位置から前記切りくずの排出方向に向かって0.5〜3mmの範囲内に前記第2の切れ刃が配置されることを特徴とする請求項1に記載の旋削加工装置。
- 前記第2の切れ刃の刃数が少なくとも4枚以上であることを特徴とする請求項1に記載の旋削加工装置。
- 回転する被加工物の外表面に第1の切れ刃を押し当てて切削加工を行う旋削加工方法であって、前記被加工物から排出される切りくずを、その排出直後に回転する第2の切れ刃を用いて切断することを特徴とする被加工物の旋削加工方法。
- 前記切りくずは、前記第1の切れ刃と前記被加工物との交点を結ぶ位置から前記切りくずの排出方向に向かって0.5〜3mmの範囲内で切断することを特徴とする請求項7に記載の被加工物の旋削加工方法。
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JP2010242963A JP2012091305A (ja) | 2010-10-29 | 2010-10-29 | 旋削加工装置及び旋削加工方法 |
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