JP2016120578A - 難削材の加工方法、及び加工システム - Google Patents

Abstract

【課題】難削材を切削加工する際に必要ないわゆる「タブ部」を形成することなく、高精度で効率良い難削材の切削加工方法を提供する。【解決手段】一の難削材Ｗから一又は複数の部品Ｐを形成する加工方法であり、この加工方法は、高圧の流体を噴射するジェットノズルを備えたウォータジェットによって、部品の形状よりもその外形寸法が大きくなるように加工して中間加工品（Ｐ１）を形成する第１の工程を有する。また、この第１の工程を経た中間加工品を前記部品の形状に加工する第２の工程を有する。さらに、第１の工程は、第２の工程の際に中間加工品を保持するためのタブ部をこの中間加工品の外周上に形成することなく、第２の工程において除去される外周上の加工取り代が略均一に分布するように加工する工程である。【選択図】図３

Description

本発明は一の難削材から一又は複数の加工製品を生成する技術に関する。

例えば、航空機部品の材料は一般的に機械的性質向上のための熱処理等を行なった塊状（多くの場合は直方体）の難削材が使用される。難削材とは、例えばチタン合金（Ti-6Al-4V）、あるいは超耐熱合金など素材そのものが削りにくく、機械加工しにくい材料である。
このような難削材をマシニングセンタを使用して切削加工を施し、規定の形状及び寸法を有する部品（製品）に仕上げる。また、加工工場では自動運転などによる機械加工の生産性向上を図るため、粗加工、仕上げ加工など各工程に分けて、これら工程それぞれに適した刃具を用いて切削加工を行う。

例えば、粗加工の工程では、「タブ」と呼ばれるクランプ部（タブ部）を有する中間加工品（ワーク）が難削材から一体的に形成される。ワークは、このタブ部を介して切削加工機のテーブル上に強固に固定される。つまり、タブ部を形成することで、一回のセッティングでの切削可能な部位を増大させるとともに、単位時間当たりの切削量を増加させることができる。また、タブ部を介してワークが固定されるため、規定の形状寸法に仕上げられた部品の各部位（例えば、部品の外表面）にキズ、あるいは歪などが生じないようにすることができる。
このようにして、加工工程全体の作業効率の向上が図られている。そして、タブ部を除き仕上げ加工が完了したワークを再び切削加工機のテーブルにセッティングした後に当該タブ部が切除される。このような工程を経て一の部品が仕上げられる。

しかしながら、難削材を切削加工する際にはその切削量に応じて高い切削熱（加工熱）が被切削面に発生する。そのため、現状の加工方法では、各工程中に発生する多くの加工熱がワークに蓄積されて当該ワークに「歪」が発生し、期待通りの加工結果（規定の寸法形状）が得られない場合がある。また、最終的にはタブ部を切除しなければならず、切除の際にはタブ部の根元に大きな負荷がかかってしまう。そのため、タブ部を切除する際に仕上がり前のワークを損傷してしまうこともある。

例えば、難削材の切削加工方法では、特許文献１に開示された切削加工方法がある。この切削加工方法は、マシニングセンタを用いた加工時において切削加工部の熱の奪熱および切屑の排出を迅速、確実に行うことができる、というものである。

特開平６−１３４６４８号公報

しかしながら、特許文献１に開示された切削加工方法では、加工熱の蓄積を防ぎ加工精度を向上させることは可能とも思えるが、作業効率を向上させる上ではワークを加工テーブル上に強固に固定するためのタブ部の形成が必要になる。また、全体の切削量は変わらないため切削加工に要する時間も大きな変化がない。そのため、加工の効率化の向上を図ることはできない、という課題が残る。

本発明は、難削材を切削加工する際に必要ないわゆる「タブ部」を形成することなく、高精度で効率良い難削材の加工方法を提供することを、主たる課題とする。また、これに適した難削材の加工システムを提供する。

上記課題を解決する本発明の難削材の加工方法は、一の難削材から一又は複数の部品を形成する加工方法であって、高圧の流体を噴射するジェットノズルを備えたウォータジェットによって、前記部品の形状よりもその外形寸法が大きくなるように加工して中間加工品を形成する第１の工程と、前記第１の工程を経た中間加工品を前記部品の形状に加工する第２の工程と、を有し、前記第１の工程は、前記第２の工程の際に前記中間加工品を保持するためのタブ部を当該中間加工品の外周上に形成することなく、当該第２の工程において除去される当該外周上の加工取り代が略均一に分布するように加工する工程であることを特徴とする。

また、本発明の難削材の加工システムは、一の難削材から一又は複数の部品を形成する加工システムであって、前記部品の形状よりもその外形寸法が大きくなるように加工して中間加工品を形成する第１の工程を実施する高圧の流体を噴射するジェットノズルを備えたウォータジェット装置と、前記第１の工程を経た中間加工品を前記部品の形状に加工する第２の工程を実施する切削加工装置と、を有し、前記ウォータジェット装置による第１の工程では、前記第２の工程の際に前記中間加工品を保持するためのタブ部を当該中間加工品の外周上に形成することなく、当該第２の工程において除去される当該外周上の加工取り代が略均一に分布するように加工することを特徴とする。

本発明によれば、難削材を切削加工する際に必要ないわゆる「タブ部」を形成することなく、高精度で効率良く難削材を加工することができる。

（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、従来一般の方法による難削材の切削加工を説明するための図。 難削材から形成する部品の形状の一例を示す図。 本実施形態に係る研削加工システムの構成の一例を説明するための図。 第１の工程で形成された中間加工品を説明するための図。 第２の工程の一例を説明するための図。

ここで、従来一般の方法による難削材の切削加工について説明する。例えば、塊状の難削材を図１（ａ）に示す形状を有する部品（製品）Ｐに仕上げるものとする。この場合、従来一般の切削加工では、下記に示す（イ）から（へ）に示す各工程を経て製品に仕上げられる。なお、図２は、図正面から見て図１（ａ）に示す製品の左側面（左側の平面、図２（ａ））、上面（上側の平面、図２（ｂ））、正面（図２（ｃ））それぞれの面を例示している。

（イ）例えば、チタン、インコネル等の直方体の素材（難削材）を切削機械加工の加工テーブルに固定して、図１（ｂ）に示すタブ部を含む、部品の形状寸法よりもその外形寸法が大きくなるように所定の加工取り代を残した中間加工形状に切り出して中間加工品（以下、ワークと称す）を形成する。なお、図１（ｂ）では、一例として５つのタブ部が形成される場合を示しているが、形成するタブの形状及び個数などは部品形状、あるいは難削材の種別に応じて任意に設定される。
その後、タブ部を介して加工テーブル上にワークを固定し、このタブ部を除く中間加工品の外周部を粗加工する。この時、例えば作業効率を高めるために剛性を備えた３０［ｍｍ］以上の太さを有するエンドミルなどの刃具を使用して粗加工を行う。

（ロ）上側の平面部、孔（穴）を有する平面、両平面を接続する斜面及び大穴（孔部）を粗加工した後、仕上げ用刃具に交換して粗加工を施した各面、平面各部、大穴などの各部位の仕上げ加工を行なう。

（ハ）加工テーブル上のワークを１８０度反転して固定し、下側の平面部、穴（孔部）を有する平面、両平面を接続する斜面を粗加工用刃具にて粗加工する。さらに仕上げ用刃具に交換して粗加工後の平面部位、斜面部位について仕上げ加工を行なう。

（ニ）加工テーブル上のワークを９０度回転して、タブ部を介してワークを固定して側面の各部位について粗加工用刃具にて粗加工を行なう。さらに仕上げ用刃具に交換し、粗加工した部位の仕上げ加工を行なう。

（ホ）加工テーブル上のワークを１８０度反転して、タブ部を介してワークを固定して側面の各部位について粗加工用刃具にて粗加工を行なう。さらに仕上げ用刃具にて粗加工した部位の仕上げ加工を行う。

（へ）ワークを別に設けた台座にセットし、仕上げ加工を行なった平面部を介してワークをクランプしてタブ部を切除する。このようにして部品Ｐの形状にワークが仕上げられる。

このように、従来一般の難削材の切削加工においては、素材からワークを切り出し、切り出されたワークに対して粗加工を効率よく進めるためには、少なくともワークを強固にクランプするためのタブ部が必須になる。そのため、タブ部のサイズ（例えば５［ｍｍ］〜２０［ｍｍ］程度）に応じたサイズの素材を用いる必要があり、材料歩留りが低下してしまう。
また、タブ部自体をクランプしてワークを保持する場合の他、より強固に固定するために、例えば図１（ｃ）に示すタブ部の断面図（図１（ｂ）タブ部のＸ−Ｘ´断面）ように、形成したタブ部にボルト穴をさらに形成して、ボルトを介して加工テーブル上に強固に固定する場合もある。なお、その際には図１（ｃ）に示すように、ボルトの一部（頭部）がワーク表面から突出しないような形状にボルト穴を形成する。このようにして、刃具の移動をスムースにして作業効率の低下を防ぐ。
また、６面それぞれに加工を施す場合、ワークを複数回加工機のテーブルに再セッティングする必要があり、その結果、セットに要する時間の増加し、あるいはセットミスなどが発生して仕上がり精度・生産効率の向上を阻害してしまうことになる。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態例を説明する。

［実施形態例］
図３は、本実施形態に係る難削材の加工システムの構成の一例を説明するための図である。
難削材の加工システムＳは、ウォータジェット装置（ＷＪ）１００、切削加工装置２００（例えば、マシニングセンタ：ＭＣ）を含んで構成される。ウォータジェット装置１００は、第１の加工工程（第１の工程）として、例えばチタン、インコネル等の直方体の素材（難削材）から製品形状よりもその外形寸法が大きくなるように所定の加工取り代を残した中間加工形状に切り出して中間加工品を生成する工程を担う。また、切削加工装置２００は、第２の加工工程（第２の工程）として中間加工品に対する仕上げ加工を施す工程を担う。このように、第１の工程及び第２の工程を含む加工工程を経て難削材から所定の形状寸法を有する部品が形成される。

ウォータジェット装置１００は、高圧の流体を噴射するジェットノズルを備えた装置であり、例えば研磨剤を含んだ水を高い圧力で難削材（素材）の表面に吹き付けて切り出す加工を行う。また、ウォータジェット装置１００には、難削材の種別、中間加工形状などの加工条件に応じて流体を噴射する際の圧力等を制御する制御部（不図示）を有する。このウォータジェット装置１００を用いて第１の工程を実施することにより、加工熱がワークに蓄積することを防ぎつつ、素材から第２の工程で除去される加工取り代を残したワーク（後述する中間加工品Ｐ１）を切り出すことができる。
なお、図３では、一例として塊状の難削材Ｗから２つの部品Ｐを形成する場合を示している。

図４は、ウォータジェット装置１００による第１の工程で形成された中間加工品を説明するための図である。
第１の工程を経た中間加工品Ｐ１は、部品形状（図中点線）と中間加工形状（図中一点鎖線）とに挟まれた加工取り代は、その部品形状の外周上にほぼ均一に分布している。この加工取り代は、第２の工程である仕上げ加工の工程で除去される。
また、図４に示すように、本実施形態に係る第１の工程においては、難削材の従来一般の加工工程において必須であったタブ部が形成されない。これは、ウォータジェット装置１００による第１の工程では加工熱によるワーク歪の発生が抑制される。そのため、ワーク歪の発生を十分に考慮する必要があった従来一般の粗加工で残す必要があった仕上げ加工に除去される加工取り代よりも、中間加工品Ｐ１では残すべき加工取り代の量（幅）Ａを小さくすることができる。つまり、ウォータジェット装置１００を用いた第１の工程では、仕上げ加工に必要な最低限度の加工取り代（削り代）のみ残すことが可能になる。

その結果、切削加工を施す第２の工程においては、中間加工品Ｐ１が有する略均一に分布している最低限度の加工取り代を取り除くために必要な力でワークを保持できればよく、従来一般の加工工程のようにワークを強固に固定して単位時間当たりの切削量を増加させるためのタブ部の形成が不要となる。つまり、従来一般の加工工程と比較して弱い力でワークを保持したとしても、作業効率が低下することはない。また、第２の工程では、ワークの周囲にほぼ均一に分布している加工取り代を除去することになるため、刃具の移動に要する時間が短縮されさらに作業効率を向上させることができる。

また、ウォータジェット装置１００による第１の工程では、切削加工装置２００による第２の工程において除去される中間加工品Ｐ１の外周上の加工取り代Ａよりも、面内に形成する孔部の加工取り代Ｂの幅が相対的に大きくなるようにその実施を制御することもできる。つまり、加工取り代Ａ、Ｂのそれぞれの幅は、加工取り代Ａ＜加工取り代Ｂの関係となるように第１の工程を実施する。

部品Ｐにおける孔部は、その位置が当該部品Ｐの外周からの距離によって規定される場合などがあるため、仕上げ加工（第２の工程）の際に要求される加工精度は、外周の仕上げ加工よりも相対的に高くなる傾向にある。そのため、切削加工装置２００による第２の工程において除去することができる削り代を増やし、加工時において調整可能な範囲を広げて孔部の加工不良の発生を抑制する。

このようにして、部品Ｐに形成する孔部の加工精度を維持しつつ、作業効率の向上を図ることができる。なお、加工取り代Ｂの幅は、部品に形成する孔部のサイズ、形状等に応じて調整することができる。

図５は、切削加工装置２００による第２の工程の一例を説明するための図である。
図５では、切削加工装置２００である縦型マシニングセンタの概要構成を一例として示している。切削加工装置２００は、水平方向に回転可能に構成され、所定の治具（不図示）を介してワークを保持するターンテーブル２０１、ターンテーブル２０１に保持されたワークを切削するエンドミル２０２が配備された回転ヘッド２０３、制御部２０４を含んで構成される。なお、ターンテーブル２０１、エンドミル２０２は図示しない駆動機構から駆動力が伝達されて、それぞれ図示した回転方向で回転するように構成される。なお、エンドミル２０２は、例えばターンテーブル２０１の回転軸と直交する方向に配備される。

また、回転ヘッド２０３は、上昇及び下降、並びに、水平方向に移動可能に構成される。これらの回転開始、及びその停止、並びに、回転ヘッド２０３の移動開始、及びその停止は、予め設定された加工パターンのプログラムに応じて制御部２０４が制御する。また、エンドミル２０２、回転ヘッド２０３はワークを切削する切削手段として機能する。所定の治具、ターンテーブル２０１はワークを保持する保持手段として機能する。

例えば、ターンテーブル２０１に保持された難削材からなるワークを切削する場合、当該ターンテーブル２０１の回転軸中心により近い位置で当該ワークを保持して加工の精度を高めようとすることが一般的である。これは、回転軸中心からの距離が大きくなるにつれて、加工圧力によるワークの「振れ」も大きくなる。加工効率を高め、切削量を増加させようとすると、それに伴い被切削面に対する加工圧力も増加するため、加工圧力によるワークの「振れ」も大きくなり、加工精度が低下してしまう。

しかしながら、切削加工装置２００による第２の工程では、中間加工品Ｐ１が有する最低限度の加工取り代を取り除くだけであり、加工圧力によるワークの「振れ」発生の懸念は大幅に低減する。そのため、例えば側面の加工においては加工精度を維持しつつ、中間加工品Ｐ１をエンドミル２０２の刃先により近い位置でターンテーブル２０１に保持することが可能になる。

また、先述した従来一般の方法による難削材の切削加工では、少なくとも４回のワーク再セッティング（１回目の１８０度回転、９０度回転、２回目の１８０回転、台座にセット）を行う。切削加工装置２００による第２の工程では、初めのワークセッティングで最大５面を加工することが可能であるため、再セッティングの回数が大幅に低減される。以下、具体例を挙げて説明する。

本実施形態に係る加工方法では、下記に示す（イ）から（ハ）に示す各工程を経て製品に仕上げられる。
（イ）ウォータジェット装置１００を用いて中間加工品Ｐ１を切り出す。また、例えば孔部の直径が２０［ｍｍ］を超えるような加工穴についても必要な加工取り代を確保した上で穴加工を施す。このように、仕上げ加工に除去される加工取り代を残して中間加工品Ｐ１を形成する。
（ロ）中間加工品Ｐ１を切削加工装置２００にセットし、例えばワークの下端部を簡易的にクランプして上半部位の仕上げ加工を行う。
（ハ）加工テーブル上のワークを１８０度反転して、切削加工装置２００により残部の仕上げ加工を行う。このようにして、一連の加工が行われる。

このように、本実施形態に係る難削材の加工システムＳでは、難削材を切削加工する際に必要ないわゆる「タブ部」を形成することなく、高い精度で効率良い加工を行うことができる。つまり、先述した従来一般の方法に含まれる、加工工程全体における効率のボトルネックであったタブ部形成の工程を省いた難削材の加工を実現することができる。
また、仕上げ加工後にタブ部の切除を必要としないため、タブ部の切除に伴うワークの損傷発生が抑止され、仕上がり精度・生産効率の向上を図ることができる。

さらに、加工システムＳに係る難削材の加工方法では、加工テーブル上のワーク再セッティングの回数を大幅に低減することができる。そのため、ワークのセットミス発生が抑制されるとともに、再セッティングに要する工数が削減される。具体的には、５０％以上の工数削減が可能になる。

例えば、個々の受注に対し、ワーククランプ用のタブ部を作成しないので、タブ部を加工する工程が省けて全体としての加工時間短縮が可能となる。具体的には段取り時間が大凡２０［％］程省略され、さらに全体の加工時間に占めるタブ部分の加工時間として大凡２０［％］程省略することができる。さらに、現状の加工工程と比べて必要とする素材の大きさを小さくすることができるため、材料歩留りの改善を図ることができる。

上記説明した実施形態は、本発明をより具体的に説明するためのものであり、本発明の範囲が、これらの例に限定されるものではない。

１００・・・ウォータジェット装置、２００・・・切削加工装置、２０１・・・ターンテーブル、２０２・・・エンドミル、２０３・・・回転ヘッド、２０４・・・制御部、Ｐ・・・部品（製品）、Ｐ１・・・中間加工品、Ｓ・・・切削加工システム、Ｗ・・・難削材（素材）。

Claims (5)

1. 一の難削材から一又は複数の部品を形成する加工方法であって、
   高圧の流体を噴射するジェットノズルを備えたウォータジェットによって、前記部品の形状よりもその外形寸法が大きくなるように加工して中間加工品を形成する第１の工程と、
   前記第１の工程を経た中間加工品を前記部品の形状に加工する第２の工程と、を有し、
   前記第１の工程は、前記第２の工程の際に前記中間加工品を保持するためのタブ部を当該中間加工品の外周上に形成することなく、当該第２の工程において除去される当該外周上の加工取り代が略均一に分布するように加工する工程であることを特徴とする、
   難削材の加工方法。
2. 前記第１の工程は、前記部品のいずれかの面に孔を形成する場合、前記第２の工程において除去される前記中間加工品の外周上の加工取り代よりも当該孔の加工取り代の幅が相対的に大きくなるように加工することを特徴とする、
   請求項１に記載の難削材の加工方法。
3. 前記第２の工程は、前記中間加工品を水平に回転可能な保持手段に保持し、当該保持手段の回転軸と直交する方向に配備された切削手段に当該中間加工品の被切削面を当接させて加工する工程であり、
   前記保持手段は、水平方向において、回転軸中心から前記被切削面までの距離よりも当該被切削面から前記切削手段までの距離が短くなる位置で前記中間加工品を保持することを特徴とする、
   請求項１又は２に記載の難削材の加工方法。
4. 前記第２の工程は、エンドミルを用いて切削加工する工程であることを特徴とする、
   請求項１、２又は３に記載の難削材の加工方法。
5. 一の難削材から一又は複数の部品を形成する加工システムであって、
   前記部品の形状よりもその外形寸法が大きくなるように加工して中間加工品を形成する第１の工程を実施する高圧の流体を噴射するジェットノズルを備えたウォータジェット装置と、
   前記第１の工程を経た中間加工品を前記部品の形状に加工する第２の工程を実施する切削加工装置と、を有し、
   前記ウォータジェット装置による第１の工程では、前記第２の工程の際に前記中間加工品を保持するためのタブ部を当該中間加工品の外周上に形成することなく、当該第２の工程において除去される当該外周上の加工取り代が略均一に分布するように加工することを特徴とする、
   難削材の加工システム。
   

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