JP2019147219A - 切削加工方法及び環状工具 - Google Patents

Abstract

【課題】切削加工の効率化と工具寿命の向上とを両立させることができる切削加工方法を提供すること。【解決手段】外周面５３をすくい面とする環状の切れ刃５５を有する環状工具５０を用いて、環状工具５０の端面５４を逃げ面としながら工作物Ｗを切削する切削加工方法である。工作物Ｗは、アルミナを含有し、切削加工方法は、工作物Ｗに含有されるアルミナを切れ刃５５に被膜しながら切削加工を行い、環状工具５０は、端面５４に鏡面加工が施されている。【選択図】図５

Description

本発明は、切削加工方法及び環状工具に関する。

特許文献１には、外周面をすくい面とする環状の切れ刃を有する環状工具を回転させながら、円筒状の工作物に対する切削加工を行う技術が記載されている。この環状工具を用いた切削加工では、環状工具の端面を逃げ面としながら環状工具を回転させながら切削加工を行う。

特開２０１７−７００３号公報

上記した従来技術では、切削加工時に溶着物が環状工具の刃先に溶着する。環状工具の刃先に溶着する溶着物は、切削加工時に加工部位で発生する切削熱が刃先に伝わることを抑制する一方で、環状工具の端面に溶着した溶着物が工作物の加工面に接触すると、加工面に擦過傷が発生し、加工面の面粗度が低下する。また、溶着物との接触で工作物の加工面に発生する熱は、加工面に引っ張り方向への残留応力を発生させ、工作物の品質を低下させる要因となる。

本発明は、環状工具の端面に対する溶着物の溶着を抑制できる切削加工方法及び環状工具を提供することを目的とする。

本発明の切削加工方法は、外周面をすくい面とする環状の切れ刃を有する環状工具を用いて、前記環状工具の端面を逃げ面としながら前記工作物を切削する切削加工方法であって、前記工作物は、アルミナを含有し、前記切削加工方法は、前記工作物に含有されるアルミナを前記切れ刃に被膜しながら切削加工を行い、前記環状工具は、前記端面に鏡面加工が施されている。

上記の切削加工方法は、工作物に含有されるアルミナを切れ刃に被膜しながら切削加工を行うことにより、切削加工時に発生する切削熱が工具に伝わることを抑制できる。よって、上記の切削加工方法は、環状工具が早期に摩耗することを抑制できる。その一方、上記の切削加工方法は、環状工具の端面に鏡面加工が施されているので、切削加工時に溶着物が端面に溶着することを抑制できる。よって、上記の切削加工方法は、端面に溶着した溶着物と工作物の加工面との接触を抑制できるので、工作物の加工面の面粗度を向上させることができる。

また、上記の切削加工方法は、端面に溶着した溶着物と工作物の加工面との接触による擦過熱の発生を抑制できるので、加工面に引っ張り方向の残留応力が発生することを抑制できる。

また、本発明の切削加工方法は、外周面をすくい面とする環状の切れ刃を有する環状工具を用いて、前記環状工具の端面を逃げ面としながら前記工作物を切削する切削加工方法である。前記工作物は、アルミナを含有し、前記切削加工方法は、前記工作物に含有されるアルミナを前記切れ刃に被膜しながら切削加工を行い、前記環状工具の端面は、前記環状工具の径方向内方へ向かうにつれて、前記環状工具の回転軸線に直交する面であって前記切れ刃を含む面との間隔が大きくなるように傾斜する。

上記の切削加工方法は、工作物に含有されるアルミナを切れ刃に被膜しながら切削加工を行うことにより、切削加工時に発生する切削熱が切れ刃に伝わることを抑制できる。よって、上記の切削加工方法は、環状工具が早期に摩耗することを抑制できる。その一方、上記の切削加工方法は、環状工具の端面が、環状工具の径方向内方へ向かうにつれて、環状工具の回転軸線に直交する面であって切れ刃を含む面との間隔が大きくなるように傾斜するので、端面と工作物の加工面とがなす逃げ角を大きな角度に設定することができる。

これにより、上記の切削加工方法は、切削加工時に溶着物が端面に溶着することを抑制できる。よって、上記の切削加工方法は、端面に溶着した溶着物と工作物の加工面との接触を抑制できるので、工作物の加工面の面粗度を向上させることができる。また、上記の切削加工方法は、端面に溶着した溶着物と工作物の加工面との接触による擦過熱の発生を抑制できるので、加工面に引っ張り方向の残留応力が発生することを抑制できる。

また、本発明の切削加工方法は、外周面をすくい面とする環状の切れ刃を有する環状工具を用いて、前記環状工具の端面を逃げ面としながら前記工作物を切削する切削加工方法である。前記工作物は、アルミナを含有し、前記切削加工方法は、前記工作物に含有されるアルミナを前記切れ刃に被膜しながら切削加工を行うと共に、前記端面と前記工作物とのなす逃げ角が所定の角度以上となるように、前記工作物に対する前記環状工具の姿勢を設定する。

上記の切削加工方法は、工作物に含有されるアルミナを切れ刃に被膜しながら切削加工を行うことにより、切削加工時に発生する切削熱が切れ刃に伝わることを抑制できる。よって、上記の切削加工方法は、環状工具が早期に摩耗することを抑制できる。その一方、上記の切削加工方法は、環状工具の端面と工作物とのなす逃げ角が所定の角度以上となるように、工作物に対する前記環状工具の姿勢を設定するので、端面と工作物とがなす逃げ角を大きな角度に設定することができる。

これにより、上記の切削加工方法は、切削加工時に溶着物が端面に溶着することを抑制できる。よって、上記の切削加工方法は、端面に溶着した溶着物と工作物の加工面との接触を抑制できるので、工作物の加工面の面粗度を向上させることができる。また、上記の切削加工方法は、端面に溶着した溶着物と工作物の加工面との接触による擦過熱の発生を抑制できるので、加工面に引っ張り方向の残留応力が発生することを抑制できる。

本発明の環状工具は、外周面をすくい面とする環状の切れ刃を有し、工作物の切削加工を行う際に、端面を逃げ面としながら前記工作物を切削する環状工具であって、前記端面は、鏡面加工が施されている。

上記の環状工具は、端面に鏡面加工が施されているので、切削加工時に溶着物が端面に溶着することを抑制できる。よって、上記の環状工具は、切削加工において工作物の加工面の面粗度を向上させることができる。また、上記の環状工具は、切削加工において端面に溶着した溶着物と工作物の加工面との接触による擦過熱の発生を抑制できるので、加工面に引っ張り方向の残留応力が発生することを抑制できる。

また、本発明の環状工具は、外周面をすくい面とする環状の切れ刃を有し、アルミナを含有する工作物の切削加工を行う際に、端面を逃げ面としながら前記工作物を切削する環状工具であって、前記環状工具の端面は、前記環状工具の径方向内方へ向かうにつれて、前記環状工具の回転軸線に直交する面であって前記切れ刃を含む面との間隔が大きくなるように傾斜する。

上記の環状工具は、端面が環状工具の径方向内方へ向かうにつれて、環状工具の回転軸線に直交する面であって切れ刃を含む面との間隔が大きくなるように傾斜するので、端面と工作物とがなす逃げ角を大きな角度に設定することができる。

これにより、上記の環状工具は、切削加工において、工作物に含有されるアルミナを切れ刃に被膜しつつ、切削加工時に溶着物が端面に溶着することを抑制できる。この場合、上記の環状工具は、切削加工時に発生する切削熱が切れ刃に伝わることを抑制できるので、環状工具が早期に摩耗することを防止できる。また、上記の環状工具は、端面に溶着する溶着物と工作物の加工面との接触による擦過熱の発生を抑制できるので、加工面に引っ張り方向の残留応力が発生することを抑制できる。よって、環状工具は、工具寿命の向上を図ることができると共に、切削加工を行う工作物の品質を向上させることができる。

本発明の第一実施形態における切削加工方法に用いる切削装置の全体構成を示す平面図である。 図１ＡのＩＢ−ＩＢ線における切削装置の断面図である。 環状工具及び工作物の拡大図であり、工具保持装置に保持された環状工具の切れ刃と工作物とが接触した状態を示す。 制御装置のブロック図である。 工作物を切削する環状工具の拡大図であって、環状工具の刃先を拡大して示す。 加工後の環状工具の刃先を拡大した図である。 端面の表面粗さが異なる２つの環状工具を用いて切削加工を行った各々の工作物の加工面に発生する残留応力と、環状工具が切削加工を行った加工距離との関係を示すグラフである。 第二実施形態における環状工具の正面図である。 環状工具及び工作物の拡大図であり、工具保持装置に保持された環状工具の切れ刃と工作物とが接触した状態を示す。 逃げ角を変えて切削加工を行った各々の工作物の加工面に発生する残留応力と、環状工具が切削加工を行った加工距離との関係を示すグラフである。 変形例における環状工具及び工作物の拡大図であり、工具保持装置に保持された環状工具の切れ刃と工作物とが接触した状態を示す。

＜１．第一実施形態＞
以下、本発明に係る切削加工方法を適用した各実施形態について、図面を参照しながら説明する。まず、図１Ａから図３を参照して、本発明の第一実施形態における切削加工方法に用いる切削装置１の構成を説明する。

（１−１．切削装置１の全体構成）
図１に示すように、切削装置１は、相互に直交する３つの直進軸（Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸）と、１つの回転軸（Ｃ軸）と、を備えた４軸マシニングセンタである。切削装置１は、工作物保持装置１０と、工作物送り装置２０と、工具保持装置３０と、制御装置１００と、を主に備える。

工作物保持装置１０は、工作物Ｗを回転可能に保持する。工作物保持装置１０は、主軸台１１と、心押台１２とを備える。主軸台１１は、工作物Ｗの軸線方向一端側（図１Ａ右側）を回転可能に支持する。主軸台１１は、ハウジングとしての主軸台本体１３と、主軸台本体１３に回転可能に支持される回転主軸１４と、回転主軸１４を回転させるための駆動力を付与する回転主軸モータ１５と、を備える。心押台１２は、ハウジングとしての心押台本体１６と、工作物Ｗの軸線方向他端側（図１Ａ左側）を回転可能に支持する心押センタ１７とを備える。

工作物保持装置１０は、工作物Ｗの回転軸線ＡｗをＸ軸方向と平行に向けた状態で、回転軸線Ａｗ方向両端を回転主軸１４と心押センタ１７により支持する。そして、工作物Ｗは、回転主軸モータ１５が駆動することにより、回転軸線Ａｗまわりに回転する。

工作物送り装置２０は、工作物ＷをＸ軸方向へ送る。工作物送り装置２０は、送り台２１と、Ｘ軸駆動装置２２（図３参照）とを備える。なお、図１Ａ及び図１Ｂでは、Ｘ軸駆動装置２２の図示が省略されている。送り台２１は、ベッド２の上面をＸ軸方向へ移動可能に設けられる。具体的に、ベッド２の上面には、Ｘ軸方向へ延びる一対のＸ軸ガイドレール２３が設けられ、送り台２１は、Ｘ軸ガイドレール２３に案内されながらＸ軸方向へ移動可能に設置される。Ｘ軸駆動装置２２は、ベッド２に対して送り台２１をＸ軸方向（工作物Ｗの回転軸線Ａｗ方向）へ送るねじ送り装置である。

送り台２１の上面には、主軸台１１及び心押台１２が設置され、主軸台１１及び心押台１２に支持された工作物Ｗは、Ｘ軸駆動装置２２を駆動し、送り台２１をＸ軸方向へ移動させることにより、工作物Ｗの回転軸線Ａｗ方向へ送られる。

工具保持装置３０は、後述する環状工具５０を回転可能に保持する。工具保持装置３０は、コラム３１と、Ｚ軸駆動装置３２（図３参照）と、サドル３３と、Ｙ軸駆動装置３４（図３参照）と、工具主軸３５と、工具主軸モータ３６（図３参照）とを備える。なお、図１Ａ及び図１Ｂでは、Ｚ軸駆動装置３２及びＹ軸駆動装置３４の図示を省略している。

コラム３１は、ベッド２の上面をＺ軸方向へ移動可能に設けられる。具体的に、ベッド２の上面には、Ｚ軸方向へ延びる一対のＺ軸ガイドレール３７が設けられ、コラム３１は、Ｚ軸ガイドレール３７に案内されながらＺ軸方向へ移動可能に設置される。Ｚ軸駆動装置３２は、ベッド２に対してコラム３１をＺ軸方向へ送るねじ送り装置である。

サドル３３は、コラム３１の側面をＹ軸方向へ移動可能に設けられる。具体的に、コラム３１の側面には、Ｙ軸方向（鉛直方向）へ延びる一対のＹ軸ガイドレール３８が設けられ、サドル３３は、Ｙ軸ガイドレール３８に案内されながらＹ軸方向へ移動可能に配置される。Ｙ軸駆動装置３４は、サドル３３をＹ軸方向へ送るねじ送り装置である。

工具主軸３５は、サドル３３に対し、Ｚ軸方向に平行なＣ軸まわりに回転可能に支持される。工具主軸モータ３６は、工具主軸３５を回転させるための駆動力を付与するモータであり、サドル３３の内部に収容される。工具主軸３５の先端には、工作物Ｗの加工に用いる環状工具５０が着脱可能に装着される。環状工具５０は、工具保持装置３０に回転可能に保持され、コラム３１及びサドル３３の移動に伴い、ベッド２に対してＺ軸方向及びＹ軸方向（送り方向に直交する方向）へ平行移動する。

ここで、図２を参照しながら、環状工具５０について説明する。図２に示すように、環状工具５０は、工具本体５１と、工具軸部５２とを備える。工具本体５１は、工作物Ｗに対する切削を行う部位であり、ＣＢＮから構成される。工具本体５１は、円錐台状に形成され、工具本体５１の外周面５３は、すくい面を形成する。また、工具本体５１の大径側の端面５４は、平坦な逃げ面として形成され、外周面５３と端面５４とがなす稜線は、連続した円形状、即ち、途中で分断されていない環状の切れ刃５５として形成される。工具軸部５２は、工具本体５１の小径側の端面から延びる円柱状の部位であり、工具主軸３５に着脱可能に装着される。環状工具５０の回転軸線Ｔｗは、工具主軸３５と同軸に設けられ、環状工具５０は、工具主軸３５の回転に伴って回転軸線Ｔｗ周りに回転する。

また、工具本体５１は、端面５４のうち切れ刃５５の近傍部分には鏡面加工が施され、端面５４の鏡面加工が施された部位の表面粗さは、外周面５３の表面粗さよりも小さくなっている。具体的に、工具本体５１は、外周面５３の算術表面粗さＲａが１１０μｍに設定されるのに対し、端面５４の鏡面加工が施された部位の算術表面粗さＲａは、２０μｍに設定される。

図３に示すように、制御装置１００は、工作物回転制御部１１０と、工具回転制御部１２０と、送り制御部１３０と、変位制御部１４０と、を備える。工作物回転制御部１１０は、回転主軸モータ１５の駆動制御を行い、回転主軸１４と心押センタ１７とにより支持された工作物Ｗを回転させる。工具回転制御部１２０は、工具主軸モータ３６の駆動制御を行い、工具主軸３５に装着された環状工具５０を回転させる。送り制御部１３０は、Ｘ軸駆動装置２２の駆動制御を行い、送り台２１をＸ軸方向へ移動させることにより、工作物保持装置１０に保持された工作物ＷをＸ軸方向へ送る。変位制御部１４０は、Ｙ軸駆動装置３４及びＺ軸駆動装置３２の駆動制御を行い、工具保持装置３０に装着された環状工具５０をＹ軸方向及びＺ軸方向へ平行移動させる。

（１−２．切削加工方法）
次に、図４Ａ及び図４Ｂを参照しながら、切削装置１を用いた工作物Ｗの切削加工方法を説明する。ここで、工作物Ｗは、ごく微量のアルミナが介在物として含有される鋼材であって、軸受鋼等が例示される。なお、本実施形態における工作物Ｗは、熱処理が施された軸受鋼であるＳＵＪ２（高炭素クロム軸受鋼鋼材）とする。具体的に、ＳＵＪ２としての工作物Ｗは、熱処理として、焼入れ処理が施された後に焼戻し処理が施されている。

図４Ａに示すように、切削装置１は、工作物Ｗを回転軸線Ａｗ周りに回転させながら、環状工具５０を回転軸線Ｔｗまわりに回転させる。そして、切削装置１は、工具本体５１の端面５４と工作物Ｗとの間に所定の隙間（逃げ角θ）を形成しながら切れ刃５５を工作物Ｗに接触させることにより、工作物Ｗの切削加工を行う。

ここで、図４Ｂに示すように、上記した方法で工作物Ｗの切削加工を行うと、加工後の工具本体５１の刃先には、溶着物Ｃが溶着する。この点に関して、工具本体５１は、端面５４の鏡面加工が施された部位の表面粗さが外周面５３の表面粗さよりも小さくなっているので、端面５４のうち鏡面加工が施される部位において、溶着物の溶着を抑制できる。その結果、切削装置１は、端面５４に溶着する溶着物と工作物Ｗの加工面との接触を抑制することができ、加工後の工作物Ｗの加工面の品位低下を防止できる。

つまり、端面５４に溶着した溶着物の厚みが増すと、工作物Ｗの加工面と端面５４に溶着した溶着物との隙間が小さくなる。そして、切削加工時に端面５４に溶着した溶着物が工作物Ｗの加工面に接触すると、工作物Ｗの加工面に擦過傷が形成される。また、端面５４に溶着した溶着物との接触によって発生する擦過熱により、加工面には引っ張り方向への残留応力が発生する。つまり、加工面に引っ張り方向への残留応力が発生している状態では、工作物Ｗの経年劣化時や加工面に高負荷が加わった際に、工作物Ｗの表面に割れが発生しやすくなる。このように、端面５４に溶着する溶着物は、加工後の工作物Ｗの品質を低下させる一因となる。

この点に関し、環状工具５０は、端面５４の表面粗さを小さくすることにより、端面５４に対する溶着物の溶着を抑制できる。その結果、切削装置１は、切削加工時において、端面５４に溶着した溶着物と加工面との接触を抑制することができ、工作物Ｗの加工面の面性状の低下を防止できる。

なお、工具本体５１は、ＣＢＮで構成されているために硬質であり、端面５４の全体に鏡面加工を施す場合、多大な労力を要する。これに対し、本実施形態において、環状工具５０は、端面５４のうち切れ刃５５の近傍部分、つまり、端面５４の全体のうち切削加工時に溶着物が溶着するおそれのある一部の領域に対し、鏡面加工が施されているので、鏡面化を必要とする範囲を絞ることができ、その結果、環状工具５０の鏡面加工に要する時間を短縮できる。

ここで、図５を参照しながら、端面の表面粗さの違いによる加工面の残留応力の違いを説明する。図５には、端面の算術表面粗さＲａが異なる２つの環状工具Ａ，Ｂを用いて切削加工した工作物Ｗの加工面の残留応力を示すグラフが示されている。なお、環状工具Ｂの端面の算術表面粗さＲａの値は、環状工具Ａの端面の算術表面粗さＲａの値の約１／５である。また、図５に示すグラフの縦軸は、残留応力を示し、グラフの横軸は、加工距離を示す。

具体的に、図５に示すグラフは、残留応力が０を上回る場合、加工面に引っ張り方向への残留応力が発生していることを示し、残留応力が０を下回る場合、加工面に圧縮方向への残留応力が発生していることを示す。なお、加工前の工作物Ｗは、熱処理によって残留応力が除去されている。また、工作物Ｗに圧縮方向への残留応力が発生している状態は、引っ張り方向への残留応力が発生した状態と比べて、工作物Ｗの表面の疲労強度が高い状態であり、工作物Ｗとして好ましい。

図５に示すグラフのように、環状工具Ｂを用いて切削加工した工作物Ｗは、環状工具Ａを用いて切削加工した工作物Ｗと比べて、加工面に発生する圧縮方向への残留応力が大きくなる傾向にある。そして、この傾向は、加工距離が大きくなっても同様である。

なお、加工後の双方の端面を調べた結果、環状工具Ｂは、環状工具Ａと比べて、端面に溶着する溶着物の厚み（切れ刃５５からの距離）が薄くなっていた。また、環状工具Ａに関して、端面に溶着した溶着物を除去した後に再度切削加工を行うと、切削加工後の工作物Ｗは、溶着物を除去する前の環状工具Ａで切削加工した工作物Ｗと比べて、圧縮方向への残留応力が大きくなった。

このように、環状工具５０を用いた切削加工は、工具本体５１の端面５４に鏡面加工を施し、端面５４の表面粗さを小さくしている。この点に関して、端面５４に鏡面加工が施されていない場合には、端面５４の凹凸部分が溶着物による膜成長の起点となりやすく、端面５４に膜が発生しやすい状態となる（アンカー効果）。これに対し、本実施形態における環状工具５０は、端面５４に鏡面加工が施され、膜成長の起点となる端面５４の凹凸を小さくしているので、切削加工時に溶着物が端面５４に溶着することを抑制できる。よって、環状工具５０を用いた切削加工は、端面５４に溶着した溶着物と工作物Ｗの加工面との接触を抑制できるので、工作物Ｗの加工面の面粗度を向上させることができる。

また、環状工具５０を用いた切削加工は、端面５４に溶着した溶着物と工作物Ｗの加工面との接触による擦過熱の発生を抑制できるので、加工面に引っ張り方向の残留応力が発生することを抑制できる。

即ち、環状工具５０を用いて切削加工を行った工作物Ｗは、加熱等によって工作物Ｗに引っ張り方向への残留応力を発生させるような変形が工作物Ｗに加えられたとしても、工作物Ｗに圧縮方向への残留応力が発生した状態を維持できる。また、環状工具５０を用いた切削加工は、加工後の工作物Ｗに発生する残留応力にバラつきが生じたとしても、圧縮方向の残留応力が発生した状態にある工作物Ｗを安定的に製造することができる。従って、環状工具５０を用いた切削加工は、工作物Ｗの品質を向上させることができる。

さらにこの場合、切削加工後の工作物Ｗは、ショットピーニング等を施し、工作物Ｗに圧縮方向への残留応力の発生させるための工程を設ける必要がない。よって、環状工具５０を用いた切削加工は、工作物Ｗの製造効率を向上させることができる。

図４Ｂに戻り、説明を続ける。切削装置１は、切削加工時において、環状工具５０による工作物Ｗの加工部位で発生する切削熱が少なくとも工作物Ｗの焼入れ温度を超える温度に到達するように、環状工具５０の回転速度及び送り速度を設定する。この場合に、発明者は、切れ刃５５と外周面５３のうち切れ刃５５の近傍部分とを含む領域Ｐに溶着する溶着物Ｃ１の主成分がアルミナであることを見いだした。

また、ＳＵＪ２は、非金属介在物の清浄度を０．１８％以下とすること、及び、Ｂ系介在物及びＣ系介在物の清浄度を０．０５％以下とすることがＪＩＳＧ４８０５に規定されており、アルミナは、Ｂ系介在物に分類される。つまり、領域Ｐに溶着したアルミナは、工作物Ｗに含有されていたＢ系介在物の一部であり、工作物Ｗに含有されるアルミナが、加工後の工具本体５１の刃先の領域Ｐに溶着したと考えられる。

領域Ｐに溶着した溶着物Ｃ１は、領域Ｐを被膜し、切削加工時に発生した切削熱が刃先に伝達されることを抑制する保護膜としての役割を果たす。即ち、環状工具５０は、アルミナを主成分とする溶着物Ｃ１に刃先が被膜されることにより、刃先の摩耗を抑制することができる。このように、切削装置１は、刃先にアルミナを主成分とする溶着物Ｃ１を被膜しながら切削加工を行うことにより、環状工具５０の工具寿命を向上させることができる。

また、切削加工後の工具本体５１の刃先に溶着した溶着物Ｃに関して、領域Ｐよりも切れ刃５５から離れた外周面５３の領域Ｑに溶着する溶着物Ｃ２の主成分は、ケイ素の酸化物である。更に、領域Ｑよりも切れ刃５５から更に離れた外周面５３の領域Ｒに溶着する溶着物Ｃ３の主成分は、鉄の酸化物である。

なお、一般的に、切削工具は、切削加工時に加工部位に発生する切削熱が高いほど、早期に摩耗する。従って、切削加工を行う際、加工部位の切削熱が高くなり過ぎないように切削工具の回転速度及び送り速度を制限することが通常である。つまり、従来の切削加工において、γアルミナからαアルミナに変態する温度まで切削熱が到達するような加工条件で切削加工を行うと、切削工具が早期に摩耗するという考え方が一般的であった。

これに対し、切削装置１は、環状工具５０の回転速度及び送り速度を、切削熱がγアルミナからαアルミナに変態する温度（変態点）に到達するような回転速度及び送り速度に設定することで、刃先にαアルミナを溶着させつつ、工作物Ｗに対する切削加工を行う。これにより、切削装置１は、回転速度及び送り速度を高速にして工作物Ｗの切削加工に要する時間の短縮を図りつつ、工具本体５１の刃先がαアルミナを主成分とする溶着物Ｃ１に被膜されることによって刃先の摩耗を軽減することができる。よって、切削装置１は、環状工具５０の工具寿命の向上と加工能率の向上との両立を図ることができる。

なお、本実施形態において、切削装置１は、環状工具５０の回転速度及び送り速度を、切削熱が１０００度以上に到達するような回転速度及び送り速度に設定することで、領域Ｐにαアルミナを主成分とする溶着物Ｃ１を溶着させながら切削加工を行う。しかしながら、γアルミナからαアルミナに変態する温度は、工作物Ｗによって異なる場合がある。従って、環状工具５０の回転速度及び送り速度は、工作物Ｗに含有されるγアルミナをαアルミナへ変態させるのに十分な切削熱を発生させるのに十分な速度を設定すればよく、加工部位に発生させる熱は、工作物Ｗに応じて決定すればよい。

さらに、環状工具５０は、環状の切れ刃５５を備え、切削装置１は、環状工具５０を回転させながら切削加工を行うので、切れ刃５５のうち工作物Ｗに接触する部位は、環状工具５０の回転に伴って変わる。そのため、切れ刃５５のうち工作物Ｗに接触した部位及びその部位に溶着した溶着物Ｃは、工作物Ｗから離れて再び工作物Ｗに接触するまでの間に冷却される。よって、環状工具５０は、工具本体５１への切削熱の伝達を抑制できるので、環状工具５０の工具寿命を向上させることができる。

このように、環状工具５０は、端面５４の表面粗さを小さくすることにより、端面５４への溶着物の溶着を抑制できる。また、切削装置１は、切削加工時に工作物Ｗに含有されるアルミナを、切れ刃５５、及び、切れ刃５５近傍の外周面５３を含む領域Ｐに被膜しながら切削加工を行う。これにより、切削装置１は、環状工具５０の回転速度及び送り速度を高速することで切削加工時に加工部位で発生する切削熱が上昇したとしても、アルミナを主成分とする溶着物Ｃ１によって切削熱が領域Ｐに伝わることを抑制できる。つまり、環状工具５０を用いた切削加工は、環状工具５０の回転速度及び送り速度を高く設定しつつ、環状工具５０の刃先である切れ刃５５、及び、すくい面としての外周面５３が早期に摩耗することを抑制できるので、加工能率の向上と工具寿命の向上とを両立させることができる。

そして、切削装置１は、切削加工時にγ−アルミナからα−アルミナへ変態する温度を超える切削熱が発生するように、環状工具５０の回転速度及び送り速度を高速に設定するので、工作物Ｗの加工能率を向上させることができる。よって、切削装置１による切削加工は、加工能率の向上と工具寿命の向上とを両立させることがでる。

＜２．第二実施形態＞
第一実施形態では、端面５４の表面粗さを小さくすることにより、端面５４に対する溶着物の溶着を抑制する場合について説明した。これに対し、第二実施形態では、端面２５４と工作物Ｗとのなす逃げ角θを所定の角度以上に設定することにより、溶着物が端面２５４に溶着することを抑制する。なお、上記した第一実施形態と同一の部品には同一の符号を付し、その説明を省略する。

図６に示すように、第二実施形態の環状工具２５０において、工具本体２５１の端面２５４は、切れ刃５５から工具本体２５１の径方向内方へ向かうにつれて、環状工具２５０の回転軸線に直交する面であって切れ刃５５を含む仮想平面との間隔が大きくなるように傾斜するテーパ状に形成される。なお、以下において、端面２５４と仮想平面とのなす角度を工具逃げ角δと定義する。

この場合、図７に示すように、切削装置１は、端面が平坦面状に形成された環状工具（図４Ａ参照）と比べて、外周面５３と工作物Ｗの加工面とのなすすくい角を同一角度としつつ、端面２５４と工作物Ｗの加工面とのなす逃げ角θを大きな角度に設定することができる。

よって、環状工具２５０は、端面２５４のうち切れ刃５５から離れた部位において、加工面との隙間を大きくすることができるので、切削加工時に溶着物が端面２５４に溶着することを抑制できる。また、環状工具２５０を用いた切削加工は、溶着物が端面２５４に溶着したとしても、端面２５４に溶着した溶着物と工作物Ｗとの隙間が大きく確保されているので、端面２５４に溶着した溶着物が加工面に接触することを抑制でき、工作物Ｗの加工面の面性状の低下を防止できる。

また、環状工具２５０を用いた切削加工は、端面２５４に溶着した溶着物と工作物Ｗの加工面との接触による擦過熱の発生を抑制できる。これにより、環状工具２５０を用いた切削加工は、加工面に引っ張り方向の残留応力が発生することを抑制できるので、工作物Ｗの加工面に対し、圧縮方向への残留応力を安定的に発生させることができる。従って、環状工具２５０を用いた切削加工は、環状工具２５０の工具寿命の向上を図ることができると共に、工作物Ｗの品質を向上させることができる。

そして、環状工具２５０を用いた切削加工は、工作物Ｗに含有されるアルミナを領域Ｐに被膜しつつ、溶着物することを抑制できる。この場合、環状工具２５０を用いた切削加工は、切削加工時に発生する切削熱が切れ刃５５に伝わることを抑制できるので、環状工具２５０が早期に摩耗することを防止できる

ここで、図８を参照して、逃げ角θの違いによる加工面の残留応力の違いを説明する。図８は、端面が平坦な環状工具を用いて、逃げ角θを１０度に設定した状態で切削加工した工作物Ｗの加工面の残留応力と、工具逃げ角δが１０度の環状工具を用いて、逃げ角θを２０度に設定した状態で切削加工した工作物Ｗの加工面の残留応力とを示すグラフである。グラフの縦軸は、残留応力を示し、グラフの横軸は、加工距離を示す。

図８のグラフに示すように、逃げ角θを２０度に設定して切削加工した工作物Ｗは、逃げ角θを１０度に設定して切削加工した工作物Ｗと比べて、加工面に発生する圧縮方向への残留応力が大きくなる傾向にある。そして、この傾向は、加工距離が大きくなっても同様である。

このように、切削装置１は、逃げ角θを大きくし、端面２５４への溶着物の溶着を抑制することで、工作物Ｗの加工面に圧縮方向への残留応力を大きく発生させることができる。即ち、環状工具２５０を用いて切削加工した工作物Ｗは、加熱等によって工作物Ｗに引っ張り方向への残留応力を発生させるような変形が工作物Ｗに加えられたとしても、工作物Ｗに圧縮方向への残留応力が発生した状態を維持できる。

これにより、切削装置１を用いた切削加工方法は、加工後の工作物Ｗに発生する残留応力にバラつきが生じたとしても、圧縮方向の残留応力が発生した状態にある工作物Ｗを安定的に製造することができる。よって、切削装置１は、切削加工を行った工作物Ｗの品質を安定させることができる。

＜３．その他＞
以上、上記実施形態に基づいて本発明について説明したが、上記形態に何ら限定されるものではなく、本開示の趣旨を逸脱しない範囲内で種々の変形改良が可能であることは容易に推察できるものである。また、上記実施形態で挙げた数値は一例であって、他の数値を適用することも可能である。

例えば、上記第一実施形態では、工具本体５１の端面５４にのみ、鏡面加工を施す場合について説明したが、端面５４と外周面５３との双方に鏡面加工を施してもよい。この場合、環状工具５０を用いた切削加工は、外周面５３に鏡面加工を施していない環状工具５０との比較において、切削抵抗の低減を図ることができる。

またこの場合、環状工具５０は、外周面５３の表面粗さが、端面５４の表面粗さよりも大きくなるように外周面５３及び端面５４の鏡面加工が施されていてもよい。この場合、環状工具５０は、外周面５３との比較において、端面５４への溶着物の溶着を抑制できる。よって、環状工具５０を用いた切削加工は、端面５４に溶着した溶着物と工作物Ｗの加工面との溶着を抑制しつつ、アルミナを主成分とする溶着物を外周面５３の領域Ｐに被膜させながら切削加工を行うことができる。

上記第二実施形態において、環状工具２５０を用いた切削加工は、端面２５４に工具逃げ角δを設けることで逃げ角を確保する場合について説明したが、これに限られるものではない。例えば、図９に示すように、逃げ角θが所定の角度以上となるように環状工具５０の姿勢を設定してもよい。例えば、切削装置１は、環状工具５０の回転軸線Ｔｗの傾きを調整することにより、逃げ角θを大きな角度に設定することができる。

また、上記の環状工具５０を用いた切削加工は、工作物Ｗに含有されるアルミナを切れ刃に被膜しながら切削加工を行うことにより、切削加工時に発生する切削熱が切れ刃５５に伝わることを抑制できる。よって、上記の環状工具５０を用いた切削加工は、環状工具５０が早期に摩耗することを抑制できる。

これにより、上記の環状工具５０を用いた切削加工は、切削加工時に溶着物が溶着することを抑制できる。よって、上記の環状工具５０を用いた切削加工は、端面５４に溶着した溶着物と工作物Ｗの加工面との接触を抑制できるので、工作物Ｗの加工面の面粗度を向上させることができる。また、上記の環状工具５０を用いた切削加工は、端面５４に溶着した溶着物と工作物Ｗの加工面との接触による擦過熱の発生を抑制できるので、加工面に引っ張り方向の残留応力が発生することを抑制できる。

またこの場合において、切削加工は、環状工具５０による切削加工において、工作物Ｗに荒加工を行う荒加工工程と、荒加工工程により荒加工が行われた工作物Ｗに仕上加工を行う仕上加工工程とを行う場合に、仕上加工工程での逃げ角θを、荒加工工程での逃げ角θよりも大きな角度に設定してもよい。

この場合、上記の環状工具５０による切削加工において、荒加工工程は、仕上加工工程と比べて、外周面５３と工作物Ｗの加工面とがなすすくい角を大きな角度に設定することができるので、切削抵抗を低減させることができる。一方、仕上加工工程は、荒加工工程と比べて、逃げ角θを大きな角度に設定することができるので、上記の環状工具５０による切削加工は、仕上加工工程において、溶着物が端面５４に溶着することを抑制できる。

上記各実施形態では、工作物ＷがＳＵＪ２である場合について説明したが、必ずしもこれに限られるものではなく、本発明の切削加工方法は、アルミナを含有する工作物Ｗであれば、ＳＵＪ２以外の工作物Ｗの切削加工に適用することが可能である。また、上記実施形態では、環状工具５０の工具本体５１がＣＢＮである場合を例に挙げて説明したが、必ずしもこれに限られるものではなく、工具本体５１がＣＢＮ以外の材料、例えば、超硬合金やセラミックス等で構成されていてもよい。

上記実施形態では、切削装置１がクーラントを使用しないドライ加工による切削加工を行う場合について説明したが、領域Ｐに溶着する溶着物Ｃ１の主成分がアルミナとなるのに十分な切削熱を加工部位に発生させることができる場合には、クーラントを供給しながら切削加工を行ってもよい。例えば、切削装置１は、切削加工時に加工部位で発生する温度がαアルミナの融点を超える場合に、クーラントを供給し、加工部位に発生する温度がαアルミナの融点以下となるように調整してもよい。

５０，２５０：環状工具、 ５３：外周面、 ５４，２５４：端面、 ５５：切れ刃、 Ｃ，Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３：溶着物、 Ｔｗ：環状工具の回転軸線、 Ｗ：工作物、 θ：逃げ角

Claims (8)

1. 外周面をすくい面とする環状の切れ刃を有する環状工具を用いて、前記環状工具の端面を逃げ面としながら前記工作物を切削する切削加工方法であって、
   前記工作物は、アルミナを含有し、
   前記切削加工方法は、前記工作物に含有されるアルミナを前記切れ刃に被膜しながら切削加工を行い、
   前記環状工具は、前記端面に鏡面加工が施されている、切削加工方法。
2. 前記端面の表面粗さは、前記外周面の表面粗さよりも小さい、請求項１に記載の切削加工方法。
3. 外周面をすくい面とする環状の切れ刃を有する環状工具を用いて、前記環状工具の端面を逃げ面としながら前記工作物を切削する切削加工方法であって、
   前記工作物は、アルミナを含有し、
   前記切削加工方法は、前記工作物に含有されるアルミナを前記切れ刃に被膜しながら切削加工を行い、
   前記環状工具の端面は、前記環状工具の径方向内方へ向かうにつれて、前記環状工具の回転軸線であって前記切れ刃を含む面との間隔が大きくなるように傾斜する、切削加工方法。
4. 外周面をすくい面とする環状の切れ刃を有する環状工具を用いて、前記環状工具の端面を逃げ面としながら前記工作物を切削する切削加工方法であって、
   前記工作物は、アルミナを含有し、
   前記切削加工方法は、前記工作物に含有されるアルミナを前記切れ刃に被膜しながら切削加工を行うと共に、前記端面と前記工作物とのなす逃げ角が所定の角度以上となるように、前記工作物に対する前記環状工具の姿勢を設定する、切削加工方法。
5. 前記切削加工方法は、
   前記工作物に荒加工を行う荒加工工程と、
   前記荒加工工程により荒加工が行われた前記工作物に仕上加工を行う仕上加工工程と、
   を備え、
   前記仕上加工工程での前記逃げ角は、前記荒加工工程での前記逃げ角よりも大きな角度に設定される、請求項４に記載の切削加工方法。
6. 外周面をすくい面とする環状の切れ刃を有し、工作物の切削加工を行う際に、端面を逃げ面としながら前記工作物を切削する環状工具であって、
   前記端面は、鏡面加工が施されている、環状工具。
7. 前記端面は、前記すくい面よりも表面粗さが小さい、請求項６に記載の環状工具。
8. 外周面をすくい面とする環状の切れ刃を有し、工作物の切削加工を行う際に、端面を逃げ面としながら前記工作物を切削する環状工具であって、
   前記環状工具の端面は、前記環状工具の径方向内方へ向かうにつれて、前記環状工具の回転軸線に直交する面であって前記切れ刃を含む面との間隔が大きくなるように傾斜する、環状工具。

Images