JP2024001923A - ハイマンガン鋳鋼のネジ穴加工方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】被加工物であるハイマンガン鋳鋼に対して早く、そして多数のネジ穴を加工でき、また、切削工具の高寿命化を図る。【解決手段】マシニングセンタに取り付けた超硬合金でなる切削工具を用いて、マンガンを１１質量％～１４質量％含んだ被加工物であるハイマンガン鋳鋼にネジ穴を加工するネジ穴加工方法であって、マシニングセンタのスピンドルに切削工具であるドリルがツーリングを介して装着され、ドリルを用いた穴あけ加工により被加工物に下穴を形成する第一の工程と、マシニングセンタのスピンドルに切削工具であるタップがツーリングを介して装着され、タップを用いて下穴の内周面をヘリカル加工によって雌ネジ溝を形成する第二の工程と、によってハイマンガンである被加工物にネジ穴を形成することを特徴とする、ハイマンガン鋳鋼のネジ穴加工方法である。【選択図】図１
Description
本発明は、被加工物であるハイマンガン鋳鋼にネジ穴を加工するハイマンガン鋳鋼のネジ穴加工方法に関する。
周知のとおり、ハイマンガン鋳鋼は、高靭性で延性に富み、耐衝撃性や耐摩耗性に優れているが、他方で、熱伝導率が小さく、加工硬化性が著しく大きいのが特性として挙げられ、ドリル等による切削工具でのネジ穴加工では大きな剪断応力が発生する難削材である。さらには、難削材を加工するが故に切削工具の寿命が極めて短かった。このような難削材であるハイマンガン（高マンガン）の加工に関する文献の一例として、例えば、ドリルとして特許文献１が、また、切削方法として特許文献２が挙げられる。
文献１は、ドリルシャンク先端部の中央部に直径方向に溝部に設けて、これに長方形状の超硬材を密着して溶接して刃先とし、この超硬材刃先に先端角（λ）として１３０°～１４０°及び２段階の逃げ面を形成し、また、これらの逃げ面の交線によって形成されるチゼルエツジに傾斜角（η）として２．４°～４．５°を付与したこと特徴とする高マンガン鋼用超硬ドリルである。文献２は、高マンガン鋼を高速，高切り込み量の高能率でスローアウェイチップにより切削する方法であって、スローアウェイチップが、ＳＩＣウイスカ：３～４０ｗｔ％を含み、且つＳｉ，Ｖ，Ｃｒ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｍｏ，Ｈｆ，Ｔａ，Ｗの炭化物、窒化物、炭窒化物の１種又は２種以上を０．５～４０ｗｔ％含むと共に、前記ウイスカをチップのすくい面に略平行に配向させたＡｌ2Ｏ3基セラミックスよりなることを特徴とする高マンガン鋼の高能率切削方法である。
しかし、文献１や文献２に係る発明は、難削材である高マンガンを被切削物としているが、このような被切削物を加工する場合、工作機械自体が重切削に耐久できない場合がある。また、切削工具の低寿命化を招くおそれもある。
そこで、本発明は、優れた剛性を有するマシニングセンタを使用することによって切削工具の高寿命化を図りつつ、難削材であるハイマンガン鋳鋼にネジ穴をより早く、より多く加工することができるハイマンガン鋳鋼のネジ穴加工方法を提供するものである。
請求項１の発明は、マシニングセンタに取り付けた超硬合金（粉末焼結合金又は窒化合金）でなる切削工具を用いて、マンガンを１１質量％～１４質量％含んだ被加工物であるハイマンガン鋳鋼にネジ穴を加工するハイマンガン鋳鋼のネジ穴加工方法であって、マシニングセンタのスピンドルに切削工具であるドリルがツーリングを介して装着され、ドリルを用いた穴あけ加工により被加工物に下穴を形成する第一の工程と、マシニングセンタのスピンドルに切削工具であるタップがツーリングを介して装着され、タップを用いて下穴の内周面をヘリカル加工によって雌ネジ溝を形成する第二の工程と、によってハイマンガンである被加工物にネジ穴を形成することを特徴とする、ハイマンガン鋳鋼のネジ穴加工方法である。
請求項２の発明は、第二の工程の後に、前記タップを用いて前記下穴に仕上げ加工する第三の工程と、を含む請求項１に記載のハイマンガン鋳鋼のネジ穴加工方法である。
請求項３の発明は、請求項１に記載の第一の工程中及び／又は請求項２に記載の第二の工程中に被加工物に対して切削油を噴射して切削屑を除去する工程と、を含む請求項１又は請求項２に記載のハイマンガン鋳鋼のネジ穴加工方法である。
請求項４の発明は、被加工物には、出来る限りクロムを含有しないことを特徴とする、請求項１又は請求項２に記載のハイマンガン鋳鋼のネジ穴加工方法である。
請求項５の発明は、被加工物には、出来る限りクロムを含有しないことを特徴とする、請求項３に記載のハイマンガン鋳鋼のネジ穴加工方法である。
本願発明によれば、剛性のあるマシニングセンタを用いる事により、被加工物であるハイマンガン鋳鋼に対して早く、そして多数のネジ穴を加工することができる。また、切削工具の高寿命化を図ることができる。
本発明は、マンガンを１１質量％～１４質量％含んだ被加工物５であるハイマンガン鋳鋼にネジ穴を加工するネジ穴加工方法である。
上述のとおり、ネジ穴加工を行う被加工物５は、マンガンを１１質量％～１４質量％含んだハイマンガン鋳鋼ＳＣＭｎＨ１１鋳鋼（ＪＩＳ Ｇ５１３１）である。すなわち、１１質量％～１４質量％マンガン含有量を有するハイマンガン鋳鋼である。但し、マンガンを１５質量％より多い、例えば、２０質量％より多くてもよい。
ハイマンガン鋳鋼の成分としてはＪＩＳで定められているが、ネジ穴加工に関しては、Ｆｅを主成分とし、質量％で、Ｃ：１．１２～１．１４％、Ｓｉ：０．４３～０．４６％、Ｍｎ：１２．２５～１２．７９％、Ｐ：０．０５０％、Ｓ：０．０１％、Ｃｒ：２．１７～２．３０％が望ましい。
上記の成分中、クロム（Ｃｒ）を含有することによって被加工物５自体強固になるが、加工し易さを考慮するとクロムを出来る限り含有しないハイマンガン鋳鋼が望ましい。
ハイマンガン鋳鋼は、高靭性で延性に富むため、耐衝撃性や耐摩耗性に優れているが、他方で、熱伝導率が小さく、加工硬化性が著しく大きい。したがって、ハイマンガン鋳鋼を加工すると工具摩耗やチッピング等が発生し、切削温度や切削抵抗も高くなり、切屑自体の硬度も高いため、難削材として知られている。
このような難削材であるハイマンガン鋳鋼を加工する工作機械としては、加工精度の高く且つ加工速度が速いマシニングセンタ１（数値制御加工機械）を用いて行われるが、このマシニングセンタ１は、上下左右やねじれ等の荷重に対して優れた剛性を有しており、加工困難なハイマンガン鋳鋼等の重切削に耐えうる門型が望ましい。また、大型の部品を加工するのでなければ縦型のマシニングセンタ１であってもよい。なお、切削の際の切屑の排出性等を考慮すると横型のマシニングセンタ１が望ましい。
硬度が高い高硬度材料（ハイマンガン）を加工する場合は、マシニングセンタ１に関しては、縦型や門型のような機械剛性が高いものである必要がある。これにより、切削工具３の寿命を延ばしつつ、ネジ穴加工のスピードが上がり、また、ネジ穴加工時のビビり（振動衝撃等を含む）軽減される。
マシニングセンタ１に使われるＡＴＣ（Automatic Tool Changer：自動工具交換）スピンドル１ａは、軸端に切削工具３が装着される回転軸であって、切削工具３が高速で回転することによってマシニングセンタ１のテーブル１ｂに載置した被加工物５の切削がなされるようにするのに利用される。本発明では、縦型又は門型のマシニングセンタ１（工作機械）に取り付けた切削工具３は超硬合金であり、この超硬合金でなる切削工具３を用いて被加工物５であるハイマンガン鋳鋼にネジ穴加工を行う。すなわち、エンドミルやドリル３ａ、タップ３ｂ等の切削工具３を回転させて行う切削（下穴５ａ加工、ネジ切り等）加工の方法である。
マシニングセンタ１のスピンドル１ａと切削工具を接続するツーリング２は、切削工具３を保持するツールホルダーと、ツールホルダーを工作機械の主軸に固定するシャンクで構成されている。ツールホルダーによって保持されている切削工具３はソリッド（無垢）とし、超硬合金として粉末焼結合金又は窒化合金を採用する。これにより被加工物５にネジ穴加工を施す場合において、切削性良くネジ穴加工することができる。また、切削工具３の長寿命を確保することができる。粉末焼結合金は、鉄、鉄合金、銅、銅合金等を結合材とする。また、窒化合金は窒化マンガン、窒化クロム等を採用する。この切削工具３は、市販のものから適宜選択して使用する。切削工具には、その先端側に湯穴が形成されており、この湯穴から切削油が噴射して切削屑を除去する。
マシニングセンタ１のスピンドル１ａに装着した加工精度の高い切削工具３を用いた下穴５ａ加工、タップ加工、仕上げ加工等のネジ穴加工について、以下順に説明する。なお、ネジ穴に関しては、種々のネジ径に対応したネジ穴加工が可能であるが、特に、Ｍ２４用のネジ穴（雌ネジ）の加工を行う際の条件について説明する。
下穴５ａ加工、タップ加工（仕上げ加工）の際の切削工具３は、マシニングセンタ１の機能の一つであるＡＴＣによって自動交換され、その都度別の切削工具を使用するが、上述のとおり、切削工具３は超硬合金（粉末焼結合金又は窒化合金）を採用する。
下穴５ａ加工の切削工具３は、ホルダーにチップを装着したドリル３ａを採用する。このドリル３ａを用いた穴あけ加工により被加工物に下穴５ａを形成する。下穴５ａ加工は、ネジの谷の径よりわずかに小径の穴（粗穴）を開けるが、この下穴５ａ加工は主に下穴５ａ加工用のドリル３ａを用いて行われる。ドリル３ａを用いて下穴５ａ加工を行うこの工程を第一の工程とする。この下穴５ａは、貫通穴でも非貫通穴でもよい。
マシニングセンタ１においては、切削工具３（ドリル３ａ）の回転数、周速、送り、切削速度等がＣＮＣ（Computerized Numerical Control：コンピュータ数値制御）によって制御されるが、切削工具３の回転数等は、切削工具等に定められている推奨回転数等をもとに設定することができる。
第一の工程で下穴５ａが形成された被加工物５に対してネジ穴加工（タップ加工）を行う（第二の工程）。この第二の工程は、雌ネジ溝５ｂを切削するためのネジ山を有するタップ３ｂを用いて行われる。具体的には、マシニングセンタ１に装着している下穴５ａ加工用切削工具であるドリル３ａが、マシニングセンタ１のＡＴＣ機能によって雌ネジ加工用のタップ３ｂに自動交換され、下穴５ａ内周面の雌ネジ溝５ｂの加工（二次加工）を行う。以上により、被加工物５に雌ネジ穴が形成される。なお、タップ３ｂの山部の数は、一又は二以上の複数であってもよい。
マシニングセンタ１においては、切削工具３（スレッドミル）の回転数、周速、送り、切削速度等がＣＮＣによって制御されるが、切削工具３の回転数等は、切削工具等に定められている推奨回転数等をもとに設定することができる。
上記説明した工程は、あらかじめ適切なサイズの下穴５ａをドリル３ａであけ（第一の工程）、その後、下穴５ａにタップ３ｂで雌ネジ溝５ｂ加工する（第二の工程）工程であったが、第一の工程と第二の工程を略同時に行うこともできる。具体的には、切削工具３としてはスレッドミルを使用し、被加工物５に対してヘリカル穴あけとネジ切りを行う。
雌ネジ溝５ｂの加工が終了した後、マシニングセンタ１に装着している切削工具３（タップ３ｂ又はスレッドミル）をそのまま使用し、ネジ穴の仕上げ加工（最終加工）を行う（第三の工程）。この第三の工程である仕上げ加工に関する回転数等の切削条件としては、第二の工程であるタップ加工の切削条件と同じであることが望ましい。
以上のような第一の工程から第二の工程、さらには第三の工程を経ることによって、被加工物であるハイマンガン鋳鋼に対して早く、そして多数のネジ穴を加工することができる。
ハイマンガン鋳鋼は、加工硬化し、また、切削物（切屑）も硬度が極めて高く、その切削物が刃物に当たったり巻き込んだりして、工具の損傷を招くため、加工の際に発生する切屑の排出は極めて重要である。この切屑の排出に関しては、水溶性切削油（切削油）を用いて行う。
具体的には、第一の工程中及び／又は第二の工程中に被加工物５に対して切削油を噴射して切削屑を除去する工程である。ここで、工程中とは、工程前、工程中、工程後のいずれの状態を含むものとする。
切屑の排出に関しては、切削工具３である刃物には、高圧の切削油を噴射する切削油ノズルを備えている。この切削油ノズルから切削油を高圧又は超高圧噴射させ、穴加工した際の切屑を排出することができる。本発明のマシニングセンタ１においては切削油の噴射圧力が１５ＭＰａから２０ＭＰａまでとする設定が望ましいが、特に限定はされない。
となるような
となるような
ハイマンガン鋳鋼の性質上、加工の際にはネジ穴部分が加工硬化する。これに伴い切削工具３の刃先が高温となり、刃先の摩耗やチッピングが生じ、さらには、刃先に切屑が溶着し切削工具が欠損する等、工具の寿命が短くなるといったことがある。このような課題に関しては、切削油を利用することによって、切削工具３を保護することができる。すなわち、被加工物５（ネジ穴部分）への切削油の噴射によって温度を下げ、被加工物５の硬化を抑止することができる。これにより、切削工具３の温度の上昇を抑え、破損を回避することができるため、切削工具３の寿命も伸ばすことができる。
以上、各実施例に基づき本発明を説明したが、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、変更を加えてもよいし、各実施形態に記載の技術、又は、その他の公知や周知の技術を組み合わせるようにしてもよい。
１：マシニングセンタ
１ａ：スピンドル
１ｂ：テーブル
２：ツーリング
３：切削工具
３ａ：ドリル
３ｂ：タップ
５：被加工物
５ａ：下穴
５ｂ：雌ネジ溝
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３：切削工具
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５：被加工物
５ａ：下穴
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請求項１の発明は、門型マシニングセンタに取り付けた超硬合金（粉末焼結合金又は窒化合金）でなる切削工具を用いて、マンガンを１１質量％～１４質量％含んだ被加工物であるハイマンガン鋳鋼にネジ穴を加工するハイマンガン鋳鋼のネジ穴加工方法であって、門型マシニングセンタのスピンドルに切削工具であるドリルがツーリングを介して装着され、ドリルを用いた穴あけ加工により被加工物に下穴を形成する第一の工程と、門型マシニングセンタのスピンドルに切削工具であるタップがツーリングを介して装着され、タップを用いて下穴の内周面をヘリカル加工によって雌ネジ溝を形成する第二の工程と、第一の工程中に被加工物に対して切削油を高圧噴射して切削屑を前記切削工具に当たったり巻き込ませることなく除去する工程と、を含み、切削油の噴射圧力が１５ＭＰａから２０ＭＰａまでとすることによってハイマンガンである被加工物にネジ穴を形成することを特徴とする、ハイマンガン鋳鋼のネジ穴加工方法である。
請求項２の発明は、第二の工程の後に、タップを用いて下穴に仕上げ加工する第三の工程と、第二の工程中に被加工物に対して切削油を高圧噴射して切削屑を前記切削工具に当たったり巻き込ませることなく除去する工程と、を含み、切削油の噴射圧力が１５ＭＰａから２０ＭＰａまでとする、請求項１に記載のハイマンガン鋳鋼のネジ穴加工方法である。
請求項３の発明は、被加工物には、クロムを含有しないことを特徴とする、請求項１又は請求項２に記載のハイマンガン鋳鋼のネジ穴加工方法である。
請求項１の発明は、門型マシニングセンタに取り付けた超硬合金（粉末焼結合金又は窒化合金）でなる切削工具を用いて、マンガンを１１質量％～１４質量％含んだ被加工物であるハイマンガン鋳鋼にネジ穴を加工するハイマンガン鋳鋼のネジ穴加工方法であって、門型マシニングセンタのスピンドルに切削工具であるドリルがツーリングを介して装着され、ドリルを用いた穴あけ加工により被加工物に下穴を形成する第一の工程と、門型マシニングセンタのスピンドルに切削工具であるタップがツーリングを介して装着され、タップを用いて下穴の内周面をヘリカル加工によって雌ネジ溝を形成する第二の工程と、第一の工程中に被加工物に対して切削油を高圧噴射して穴加工した際の切屑を除去する工程と、を含み、切削油の噴射圧力が１５ＭＰａから２０ＭＰａまでとすることによってハイマンガンである被加工物にネジ穴を形成することを特徴とする、ハイマンガン鋳鋼のネジ穴加工方法である。
請求項２の発明は、第二の工程の後に、タップを用いて下穴に仕上げ加工する第三の工程と、第二の工程中に被加工物に対して切削油を高圧噴射して穴加工した際の切屑を除去する工程と、を含み、切削油の噴射圧力が１５ＭＰａから２０ＭＰａまでとする、請求項１に記載のハイマンガン鋳鋼のネジ穴加工方法である。
請求項３の発明は、被加工物には、クロムを含有しないことを特徴とする、請求項１又は請求項２に記載のハイマンガン鋳鋼のネジ穴加工方法である。
請求項１の発明は、門型マシニングセンタに取り付けた超硬合金（粉末焼結合金又は窒化合金）でなる切削工具を用いて、クロムを含有せず、マンガンを１１質量％～１４質量％含んだ被加工物であるハイマンガン鋳鋼にネジ穴を加工するハイマンガン鋳鋼のネジ穴加工方法であって、門型マシニングセンタのスピンドルに切削工具であるドリルがツーリングを介して装着され、ドリルを用いた穴あけ加工により被加工物に下穴を形成する第一の工程と、門型マシニングセンタのスピンドルに切削工具であるタップがツーリングを介して装着され、タップを用いて下穴の内周面をヘリカル加工によって雌ネジ溝を形成する第二の工程と、第一の工程中に被加工物に対して切削油を高圧噴射して穴加工した際の切屑を除去する工程と、を含み、切削油の噴射圧力が１５ＭＰａから２０ＭＰａまでとすることによってハイマンガンである被加工物にネジ穴を形成することを特徴とする、ハイマンガン鋳鋼のネジ穴加工方法である。
Claims (5)
- マシニングセンタに取り付けた超硬合金（粉末焼結合金又は窒化合金）でなる切削工具を用いて、マンガンを１１質量％～１４質量％含んだ被加工物であるハイマンガン鋳鋼にネジ穴を加工するハイマンガン鋳鋼のネジ穴加工方法であって、
前記マシニングセンタのスピンドルに前記切削工具であるドリルがツーリングを介して装着され、前記ドリルを用いた穴あけ加工により被加工物に下穴を形成する第一の工程と、
前記マシニングセンタのスピンドルに前記切削工具であるタップがツーリングを介して装着され、前記タップを用いて前記下穴の内周面をヘリカル加工によって雌ネジ溝を形成する第二の工程と、によってハイマンガンである被加工物にネジ穴を形成することを特徴とする、ハイマンガン鋳鋼のネジ穴加工方法。
- 前記第二の工程の後に、前記タップを用いて前記下穴に仕上げ加工する第三の工程と、を含む請求項１に記載のハイマンガン鋳鋼のネジ穴加工方法。
- 請求項１に記載の前記第一の工程中及び／又は請求項２に記載の前記第二の工程中に前記被加工物に対して切削油を高圧噴射して切削屑を除去する工程と、を含む請求項１又は請求項２に記載のハイマンガン鋳鋼のネジ穴加工方法。
- 前記被加工物には、出来る限りクロムを含有しないことを特徴とする、請求項１又は請求項２に記載のハイマンガン鋳鋼のネジ穴加工方法。
- 前記被加工物には、出来る限りクロムを含有しないことを特徴とする、請求項３に記載のハイマンガン鋳鋼のネジ穴加工方法。
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