JP2015033742A - ローラバニシング加工方法 - Google Patents

Abstract

【課題】各種材質及び大きさの工作物に対して汎用性があり、表面性状に優れ安価なローラバニシング加工方法を提供する。【解決手段】工作物Ｐのローラバニシング加工方法であって、回転する工作物Ｐの加工点を通る接平面内に沿って、工作物Ｐの回転軸Ｏ０と加工ローラ１１の回転軸Ｏ１が交差するように加工ローラ１１の回転軸Ｏ１に傾斜角αをつけることで、工作物Ｐ表面に加工ローラ１１の転動による転動加工と加工ローラ１１の摺動による摺動加工とを複合的に作用させる。【選択図】図１

Description

本発明はローラバニシング加工方法に関する。

バニシング加工は工具を工作物の表面に押し当てて、微小の凹凸を均すように塑性加工する工法をいい、均一な表面品質及び表面に硬化層を形成するのが主な目的である。
その場合に工具としてダイヤモンドチップのような硬質材を用いて工作物の表面を押圧摺動させることで、鏡面仕上げにする摺動加工タイプと、自由回転するローラを工作物の回転軸と平行に押圧転動させることで工作物の表面に垂直方向の圧縮力を加える転動加工タイプとがある。
摺動加工タイプは工作物の表面に過度のせん断力が加わりやすく、表面にむしれ不良が生じやすく、特に軟質材からなる工作物に対しては適用が難しかった。
工具が高価である問題もあった。
また、転動加工タイプはローラが工作物の回転に同期して工作物の表面垂直方向（工作物の回転半径方向）の圧縮力により表面の微小凹凸にひずみを加えるものであり、加えることができるひずみ量に限界があった。

特許文献１には、ワークとの接触弧にならった、つつみ状の外形を有するバニシングローラをワークの回転軸と傾斜させて配置したローラバニシング加工方法を開示する。
しかし、同公報に開示するものはローラの外形がつつみ状になっているために工作物の周面に均一な押圧を加えるにはおのずとローラの傾斜角が一定でなければならず、径の相違する各種工作物に適用できるものではない。

実用新案公告昭５９−４３０８５号公報

本発明は、各種材質及び大きさの工作物に対して汎用性があり、表面性状に優れ安価なローラバニシング加工方法の提供を目的とする。

本発明に係るローラバニシング加工方法は、工作物のローラバニシング加工方法であって、回転する工作物の加工点を通る接平面内に沿って、工作物の回転軸と加工ローラの回転軸が交差するように加工ローラの回転軸に傾斜角をつけることで、工作物表面に加工ローラの転動による転動加工と加工ローラの摺動による摺動加工とを複合的に作用させたことを特徴とする。
従来のローラバニシング加工は一般的に工作物の回転軸と加工ローラの回転軸が平行であったために、表面に与える圧縮方向の押圧力にて表面の微小凹凸を平担にするものであり、加工装置が大型になるが、それでもひずみ量に限界があった。
これに対して本発明は、加工点を通る接平面内に沿って工作物の回転軸と加工ローラの回転軸が交差するように、この加工ローラの回転軸に傾斜角をつけたので工作物と加工ローラの接触部に圧縮力のみならず摺動方向のせん断力が複合的に作用することになる。
ここで、加工ローラの回転軸に傾斜角をつけるとは加工点における接平面に工作物の回転軸と加工ローラの回転軸を投影させると、この２つの回転軸が相対的に交差することをいう。

本発明にあっては、前記加工ローラの外周形は加工点が最大径となるテーパー形状であるのが好ましい。
このように加工ローラをテーパー形状にすると工作物と接圧する部位は、加工ローラの最大径の部分になるので、加工ローラを工作物の軸方向に沿って相対移動させるのが容易になる。
従って、特許文献１に開示するローラがつつみ形状のために工作物と面接触するのに対して本発明は、局部的な加工点接触となり、各種工作物形状に適用出来る。

本発明にあっては、前記加工ローラは工作物の加工点に対して所定の押圧が作用するようにサポートローラに摺動回転支持されているのが好ましい。
加工ローラの外径が大きいと、大きな接触圧を得るには大きな押圧装置が必要になる。
これに対してサポートローラに外径の小さい加工ローラを回転支持させると大きな接触圧を得ることができる。

本発明は相対的に工作物の回転軸に対して加工ローラの回転軸を傾斜させたので工作物との接触部において、転動による半径方向の圧縮力に加えて摺動による周及び軸方向へのせん断力が生じるために小さな押圧力で優れた表面性状が得られる。

加工ローラに傾斜角をつけた状態を示し（ａ）は工作物Ｐを手前にし、後部に加工ローラを透視図として示し（ｂ）は加工ローラの加工点おける側面図を示す。 ローラバニシング用工具を示し（ａ）は工具の全体斜視図、（ｂ）は側面視、（ｃ）は平面視を示す。（ｄ）は加工ローラの単品図を示す。 加工ローラの傾斜角度とローラ回転軸の関係を示す。 加工ローラのスラスト力（押し込み力）と表面粗さの関係を示す。 加工ローラの傾斜角と加工面の表面粗さ（算術平均粗さ）の関係を示す。 加工表面の拡大写真を示す。 工作物の加工表面の３次元形状を示す。 ３次元形状の部分拡大図を示す。 断面組織写真を示す。

本発明に係るローラバニシング加工方法の例を以下図面に基づいて説明するが、加工ローラに傾斜角をつける手段は、本実施例に限定されない。
図１，２にローラバニシング加工用の工具の構造例を示す。
工具はＮＣ旋盤等の刃物台にシャンク部等を用いて固定し、使用することができる。
図２に示すように、工具はスプリング等の付勢手段を内蔵した本体部１０と本体部から突出方向に付勢された押圧部１４を有する。
押圧部１４から直角方向にサポートローラ１２を軸部１２ａにて自由回転自在に軸支させてある。
図１（ｂ）に示すように、サポートローラ１２に摺動回転させるべく、加工ローラ１１をリテーナ１３を介して保持させてある。
サポートローラ１３の軸部１２ａの先端部に設けた（図示省略する）止めねじを緩めると、サポートローラ１２を取り外し、リテーナ１３の内側に配置した加工ローラ１１の交換が可能になっている。
図２（ｃ），（ｄ）に示すように加工ローラ１１は、テーパー状の外形からなる加工部１１ａとリテーナ１３の形状に合せて、図２（ｃ）で左右方向の位置ずれを防止するための小径部１１ｂとその後部径部１１ｃとからなる。
これにより、図１（ｂ），図２に示すようにリテーナ１３の内側から装着部１３ａ〜１３ｃに加工ローラ１１を装着すると、リテーナ１３の円弧部外側から加工ローラ１１が一部突出し、工作物Ｐの回転Ｗ_０に対して転動及び摺動を複合的に発生させつつ、サポートローラ１２に回転支持される。
サポートローラ１２の外形は、加工ローラ１１の外径より大きく、１０〜５０倍程度になっている。
図１（ｂ）に工作物Ｐ，加工ローラ１１及びサポートローラ１２の回転方向の関係をＷ_０〜Ｗ_２として示す。
図１（ａ）に工作物Ｐの回転軸Ｏ_０に対する加工ローラ１１の回転軸Ｏ_１の傾斜角αが調整可能になっている。
加工ローラ１１の回転軸Ｏ_１に傾斜角αをつけたことにより、工作物の回転周速度をＶ_ｐとすると、加工ローラの回転速度Ｖ_ｒ＝Ｖ_ｐｃｏｓα，
Ｙ軸方向の速度Ｖ_ｔ＝Ｖ_ｐｃｏｓ^２α，
Ｚ軸方向（工作物の回転軸方向）の速度Ｖ_ａ＝Ｖ_ｐｃｏｓαｓｉｎαとなる。
よって、工作物と加工ローラ１２はＹ軸方向，Ｚ軸方向に速度差が生じることになる。

今回、評価に用いた工具の加工ローラ１１は、工具鋼を用い加工部Ｌの長さが約１０ｍｍ，最大外径部Ｄ_１＝５ｍｍ，テーパー角１．１５度のものを用いた。
テーパー角は大きいと接触部が点当たりに近くなり、テーパー角が小さいとＺ軸方向の接触長さが長くなる。
従って、テーパー角は工作物の軟質，硬質により調整するのが好ましく、テーパー角は０．５度〜３．０度の範囲が好ましい。

次に評価方法及び結果について説明する。
工作物としては、アルミニウム合金ＪＩＳＡ２０１７，外径８０ｍｍ，長さ３００ｍｍの丸棒を用いた。
ローラバニシング加工面の評価として表面粗さ，表面形状の測定ならびに表面層の断面組織観察を行った。
表面あらさは触針式表面粗さ計（ＳＪ−３０１，株式会社ミツトヨ）により工作物軸方向に測定し、６点測定の平均値とした。
基準長さは０．８ｍｍ，測定長さは４．０ｍｍとした。
３次元表面形状は触針式形状測定機（サーフコム２０００ＤＸ２，株式会社東京精密）を用いた。
断面組織観察は樹脂埋め込みを施した試料に対し、ケラー氏液によるエッチングを行い金属顕微鏡（ＢＸ５１Ｍ，オリンパス株式会社）により観察した。
図１に示した傾斜角αを０，＋１５，＋３０，＋４５，＋６０°を選定し、工作物周速度Ｖ_ｐ＝１００ｍ／ｍｉｎ，スラスト力Ｆ_ｔ＝２４１Ｎの場合、理論的な加工ローラの周速度と、高速度カメラにより測定した周速度ならびに両者の比（測定値／理論値）を図３に傾斜角度α（Inclination angle α）ごとに示す。
なお、図３のグラフの縦軸に表現したmain rollerは加工ローラを意味する。
理論的に摺動作用が生じないα＝０°の場合、実験より求めたＶ_ｒも１００ｍ／ｍｉｎであり、工作物との間で摺動が作用しておらず転動のみによる加工がなされていることがわかる。
一方、αの増加に伴い理論値が減少しているのに対し、実験値も同様に減少しているが、その減少率は理論値よりも大きく、実験値は理論値の６０〜８０％程度であり、特にα＝４５°において理論値の６０％程度の周速度となっている。
加えて、α＝６０°においては、加工ローラの回転が確認できなくなり、理論値とは異なる結果となった。
サポートローラの周速度を測定したところ、加工ローラ周速度Ｖ_ｒと等しい周速度で回転しており、加工ローラとサポートローラ間に摺動は生じていないことを確認した。
これらのことから、Ｖ_ｒの理論値と測定値の差異は加工ローラを傾斜させたことにより、加工ローラ回転軸方向成分の作用力が生じ、これが加工ローラを支持するリテーナとの接触圧を増加させたことで加工ローラに回転抵抗が生じたためと考える。

前加工として工作物Ｐを切削加工し、その表面粗さＲ_ａを揃えた。
＜切削条件＞
切削速度：１００ｍｍ／ｍｉｎ
送り ：０．３ｍｍ／ｒｅｖ
切り込み：０．２５ｍｍ
表面粗さＲ_ａは約３．５μｍとなった。
次に加工ローラの傾斜角α＝０，＋１５，＋３０°に対して、スラスト力Ｆ_ｔ（Ｎ）と表面粗さの関係を調査した。
＜ローラ加工条件＞
工作物周速 ：１００ｍ／ｍｉｎ
送り ：０．５ｍｍ／ｒｅｖ
潤滑 ：オイルミスト
スラスト力Ｆ_ｔ：８８，１６４，２１６，２４１（Ｎ）
その結果を図４のグラフに示す。
加工ローラのスラスト力Ｆ_ｔ（押し込み力）を強くすると表面粗さが小さくなるが、傾斜角αが大きい程その効果が大きく出現した。

図５に加工ローラ傾斜角度とローラバニシング加工面の算術平均粗さＲ_ａの関係を示す。
いずれのαにおいても前加工面の平均Ｒ_ａ＝３．２４μｍより大幅に表面粗さが改善されており、αによらずローラバニシング加工が表面粗さの向上に効果的であることがわかる。
αによる傾向をみると、α＝０〜４５°においてはαの増加に伴いＲ_ａが減少しており、α＝４５°ではＲ_ａ＝０．４μｍ以下にまで達している。
以下、本明細書ではα＝０°の場合を平行ローラ加工（従来の転動加工）と表現し、α＝０°を超える場合を傾斜ローラ加工と表現する。
このことから、本発明に係る傾斜ローラ加工法が表面粗さの改善に有効であるといえる。
これに対し、α＝６０°では、それまでの傾向から一転して表面粗さが悪化している。
α＝６０°では、加工中の加工ローラに回転は認められず、工作物と加工ローラ間は摺動のみで転動が得られていない状態である。
このことから、傾斜ローラ加工では転動と摺動の両作用をバランスよく付与することが有効であると考えられ、本実験ではα＝４５°が最も良好な表面粗さが得られた。

図６に図５で得られたα＝０，４５°における工作物表面の拡大写真を示す。
図中の矢印，一点鎖線は加工ローラの回転方向，軸方向を示す。
図より、α＝０°の場合は前加工もしくは平行ローラ加工による工作物周方向（縦方向）の加工痕が確認できる。
これに対し、α＝４５°においては周方向の加工痕とともに斜め方向の加工痕が確認できる。
これより、傾斜ローラ加工ではローラが転動すると同時に、周方向ならびに軸方向に対する摺動が発現し、これが表面粗さの向上に寄与したといえる。
図７（ａ）〜（ｃ）に前加工面ならびに加工ローラの傾斜角度α＝０，４５°における工作物表面の３次元形状を示す。
図より、いずれのαの場合も前加工面で認められる旋削加工の送りマークを十分に押しならせていることがわかる。
また、（ｂ），（ｃ）を比較すると長周期のうねりは両者ともに確認できるものの、α＝４５°においては、うねり上に存在する短周期の微小な凹凸が低減されていることがわかる。
図８に図７（ｂ），（ｃ）中の点線で囲われた領域の拡大図を示す。
図にみるようにα＝０°には明確な凹凸が確認できるのに対し、α＝４５°では平坦な表面形状を呈していることがわかる。
これらのことより、傾斜ローラ加工では摺動作用により、周期の短い微小凹凸に対する押しならしの効果が顕著であり，これが表面粗さの向上に寄与していると考えられる。

図９（ａ）〜（ｃ）にα＝０，４５°におけるローラバニシング加工面の表面近傍の断面組織写真を、工作物内部の組織写真と併せて示す。
図より加工による影響を受けない工作物内部では一般的なＡ２０１７材の組織形態を呈しており、結晶粒界も認められる。
これに対しα＝０，４５°の表層近傍の組織形態は内部とは異なり、結晶粒界が認められなかった。
これはローラバニシング加工により表層近傍の材料に圧縮力が付与され結晶粒が微細化されたことによる影響と考えられる。
しかしながら、α＝０，４５°の両者間に特に目立った組織形態ならびに変質層厚さの差は認められなかった。
このことからローラを傾斜させたことによる加工変質層への影響は限定的であり、傾斜ローラ加工でも平行ローラ加工と同様の変質層が得られるといえる。
なお、加工面表層以外の観察試料外縁部は図９（ｃ）の内部組織と同様の組織形態であった。
今回の実験では加工ローラの傾斜角α＝４５°の条件が最も表面性状がよかったが、工作物の材質、加工ローラの材質、テーパー角により適宜、最適条件を得ることが可能であり、傾斜角αは５〜９０°好ましくは１０〜４５°がよい。

１０ 本体部
１１ 加工ローラ
１２ サポートローラ
１３ リテーナ
１４ 押圧部

Claims (3)

1. 工作物のローラバニシング加工方法であって、
   回転する工作物の加工点を通る接平面内に沿って、工作物の回転軸と加工ローラの回転軸が交差するように加工ローラの回転軸に傾斜角をつけることで、
   工作物表面に加工ローラの転動による転動加工と加工ローラの摺動による摺動加工とを複合的に作用させたことを特徴とするローラバニシング加工方法。
2. 前記加工ローラの外周形は加工点が最大径となるテーパー形状であることを特徴とする請求項１記載のローラバニシング加工方法。
3. 前記加工ローラは工作物の加工点に対して所定の押圧が作用するようにサポートローラに摺動回転支持されていることを特徴とする請求項１又は２記載のローラバニシング加工方法。