JP2024511035A - Ｃｎｃ旋盤のための方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、公称すくい角（γｎ）が変更されるように切削要素（１、１１）が機械加工ステップ間に再配置される、少なくとも２つの機械加工ステップを含む、ＣＮＣ旋盤のための旋削加工方法に関する。それにより、有効工具寿命が延ばされ得、摩耗した工具を用いても、機械加工された表面の高い品質、および安定した切削プロセスが達成され得る。本発明はまた、本方法を実施するためのシステムおよびコンピュータプログラムに関する。【選択図】図７

Description

本発明は、金属切削の技術分野に属する。より詳細には、本発明は、旋削加工の分野に属する。

金属切削では、旋削加工が一般的な機械加工作業である。ＣＮＣ旋盤が一般的に使用される。特に硬い材料を機械加工する場合、立方晶窒化ホウ素（ＣＢＮ）またはセラミックで作られた切削要素を有する旋削工具を使用することが一般的である。そのような材料が、例えば超硬切削工具と比較して、高い耐摩耗性を有するとしても、切削要素のすくい面およびフランク面の摩耗は、最終的には切削要素の使用性を制限することになり、さらには、切削要素が交換されなければならないような工具の破損につながることになる。効率性および経済的理由で、可能な限り長く切削要素を使用することが望ましいことがある。したがって、切削要素の摩耗を低減するための努力がなされてきた。一例として、ＥＰ２０１５８８１は、クレーター形成に対するより高い耐性を有する二次層をすくい面上に備えるＣＢＮ工具構成要素を開示する。しかしながら、工具寿命がいくらか延長され得るとしても、そのような層は、工具摩耗が最終的にＣＢＮ工具の切削特性を劣化させることを防がない。

したがって、旋削加工プロセスにおいて使用される切削要素の工具寿命をさらに延ばす必要がある。

本発明の目的は、先行技術の欠点を軽減し、工具寿命、すなわち、切削要素が機械加工のために使用され得る時間を延ばす方法を提供することである。さらなる目的は、高品質の機械加工された表面を一貫してもたらす方法を提供することである。さらなる目的は、安定した切削プロセスを得ることである。

したがって、第１の態様によれば、本発明は、ＣＮＣ旋盤のための旋削加工方法に関し、本方法は、
－その回転軸の周りで回転方向に回転可能なワークピースを提供するステップと、
－工具軸に沿って延びる旋削工具を提供するステップであって、旋削工具が、すくい面、逃げ面、およびすくい面と逃げ面との間の境界において形成された切れ刃を含む切削要素を備え、切削要素が、ワークピースに対して異なる向きに配置可能であり、各向きが、ワークピースの表面に対する公称すくい角によって決定され、切削要素が、切れ刃とワークピースとの間の接触点において、切削要素の摩耗に依存する有効すくい角および有効逃げ角を有する、提供するステップと、
－第１の有効すくい角および第１の有効逃げ角をもたらす第１の公称すくい角によって決定される第１の向きにおいて、ワークピースに対して切削要素を配置するステップと、
－第１の機械加工ステップにおいて、切削要素が第１の向きにある状態でワークピースを機械加工するステップと、
第１の機械加工ステップの後に、
－第２の有効すくい角および第２の有効逃げ角をもたらす第２の公称すくい角によって決定される第２の向きにおいて、ワークピースに対して、または機械加工される別のワークピースに対して、切削要素を再配置するステップであって、第２の公称すくい角が第１の公称すくい角とは異なる、再配置するステップと、
－第２の機械加工ステップにおいて、切削要素が第２の向きにある状態でワークピースまたは別のワークピースを機械加工するステップと
を含む。

それにより、有効工具寿命が延ばされ得、摩耗した工具を用いても、機械加工された表面の高い品質、および安定した切削プロセスが達成され得る。表面品質は、例えば、例えば機械加工プロセスによって引き起こされる微細構造変化に関連する、表面粗さまたは表面完全性を指し得る。

旋削加工方法は、ＣＮＣ旋盤、すなわち、コンピュータまたはコンピュータ化された数値制御旋盤、すなわち、例えば回転旋盤、マルチタスク機械、ターンミル機械、または摺動ヘッド機械など、旋削加工に好適な任意のＣＮＣ機械のためのものである。ワークピースは、半径方向外側の表面である外面を含む金属ワークピースであり得る。半径方向外側の表面は、回転軸から外方を向いている。本旋削加工方法は、半径方向外側の表面の旋削加工、すなわち外部旋削加工のために使用され得る。ワークピースは、第１の端部と第２の端部との間に延在する。

ワークピースは、硬化鋼、例えば４０ＨＲＣ以上の硬化鋼のものであり得る。代替的に、ワークピースは、耐熱超合金（ＨＲＳＡ）、例えばニッケル基合金など、超合金であり得る。

ワークピースは、クランプ手段によってクランプされ得る。クランプ手段は、ワークピースを保持し、モータまたはスピンドルによって少なくとも部分的に制御され、駆動される。クランプ手段は、コレットチャック、フェイスドライバ、または三爪チャックの形態であり得、心押台を備え得る。機械の主軸台端部は、好ましくは、ワークピースの第１の端部に位置する。ワークピースの第１の端部の反対側のワークピースの第２の端部は、自由端であり得る。代替的に、第２の端部は、心押し台または第２のチャックと接触している。

旋削工具は、連結部の形態で前端および反対側の後端を備える。連結部は、ＣＮＣ旋盤に、より詳細には、機械スピンドルまたは工具リボルバータレットまたは刃物台など、ＣＮＣ旋盤の機械インターフェースに接続される。

連結部は、正方形または長方形の断面を有し得る。連結部は、好ましくはＩＳＯ規格２６６２３－１などに従って、円錐形または実質的に円錐形であり得る。この文脈では、円錐台は、円錐状の形状である。この文脈では、ＩＳＯ規格２６６２３－１の連結の後部を形成するテーパ部は、円錐状の形状である。連結部は、連結軸に沿って延びる。連結部は、好ましくは、前記円錐または円錐状の形状が連結軸を中心として対称または実質的に対称であるように円錐形である。この文脈では、３回対称が対称であると見なされる。前記円錐または円錐状の形状の断面積は、好ましくは、後方方向に減少する。連結部は、ＤＩＮ６９８９３に従って、ＨＳＫなど、中空テーパシャンクの形態であり得る。

連結軸は、旋削工具の長手方向軸を画成する、旋削工具の工具軸または中心軸に対応する。

旋削工具は切削要素を備える。切削要素は、好ましくは、耐摩耗性材料、例えば立方晶窒化ホウ素（ＣＢＮ）、多結晶立方晶窒化ホウ素（ｐＣＢＮ）、セラミックまたは超硬合金から作られる。切削要素は、旋削工具の一部として、例えばそのような旋削工具の一体部分として、あるいは、交換可能および／または割り出し可能な切削インサート、または旋削工具に取り付け可能な旋削インサートとして、例えばインサートポケット内に実装され得、インサートポケット内で、切削インサートが、ねじ、または切削インサートをインサートポケット内にしっかりと保持するための他の手段など、任意の好適な締結手段によって、締結され得る。切削要素はまた、そのような切削インサートの一部と見なされ得る。例えば、切削要素は、超硬キャリアにろう付けされたＣＢＮ切削チップであり得、これらは、交換可能な切削インサートを共に形成する。

切削要素は、すくい面（ｒａｋｅ ｆａｃｅ）またはすくい面（ｒａｋｅ ｓｕｒｆａｃｅ）を含む上面を備える。切削要素は、すくい面に隣接する逃げ面（ｃｌｅａｒａｎｃｅ ｆａｃｅ）または逃げ面（ｃｌｅａｒａｎｃｅ ｓｕｒｆａｃｅ）をさらに備える。すくい面と逃げ面との間の境界において、切れ刃が形成される。切れ刃、または切れ刃の一部は、機械加工された表面を生成する。切れ刃は、上面視で凸形状を有し得、例えば、切れ刃は、例えば円弧の形態のノーズ切れ刃であり得る。切削要素は、特に切削インサートの形態である場合、上面視で、菱形、三角形、八角形、正方形、円形または多角形の形状を有し得る。

上面は平坦であり得る。代替的に、表面は非平坦または非平面であり得る。例えば、表面は、１つまたは複数の突起および／または窪みの形態の、１つまたは複数のチップ破砕手段を備え得る。さらに、面取り部が、切れ刃が逃げ面とそのような面取り面との間の境界において画成されるように、上面に形成され得る。そのような場合、本開示で説明される目的で、すなわち公称すくい角および／または有効すくい角を考慮する場合、面取り面はすくい面に対応する。

機械加工時に、ワークピースは回転方向に回転され、旋削工具は、切削要素の切れ刃が回転するワークピースに係合するように制御される。第１の機械加工ステップ中に実施される機械加工は、ワークピースを機械加工することを含む。第１の機械加工ステップはまた、さらなるワークピースの機械加工を含み得る。

機械加工は、ワークピースが回転する回転対称面をもたらす任意の方法を含み得る。したがって、本方法は、単一点旋削加工だけでなく、切れ刃とワークピースとの間の接触点または接触領域が機械加工中に切れ刃に沿って移動する旋削加工作業など、他の旋削加工作業においても使用され得る。例えば、ここで、回転軸に対して横方向に線形送り移動がある。

機械加工中、切削要素は、摩耗、特にすくい面に生じるクレーター摩耗および逃げ面に生じるフランク摩耗を受ける。特に、硬質部の旋削加工において使用されるＣＢＮ切削要素の場合、切削要素の微小形状は、切削要素の寿命中の摩耗の進行に応じて根本的に変更される。一例として、最初に負のすくい角を有する、面取り部を備えたＣＢＮ切削要素を使用する場合、有効すくい角は、切削要素のクレーター摩耗により、最終的に正になる。最終的に、切削要素は破損することになるか、または、切削要素は、許容可能な機械加工結果を提供せず、交換されなければならない。本発明者によって、切削要素が、機械加工の一定時間後のトライボロジー的安定条件、すなわち切削要素の寿命の残りの間維持される条件を仮定し得ることが発見された。例えば、面取り部を備えたＣＢＮ切削要素の場合、そのようなトライボロジー的安定条件は、推定された工具寿命の約３０％後に現れ得る。トライボロジー的安定条件では、有効すくい角および有効逃げ角、ならびに切れ刃半径が正規化される。結果として、楔角も正規化され、したがって、安定したトライボロジー条件の間に大きく変化しない。したがって、クレーター摩耗およびフランク摩耗がこの安定状態の間に増加し得る場合でも、摩耗の進行は、フランクおよびクレーターの形状が変化しない、すなわち、有効すくい角および有効逃げ角が実質的に同じままであるようなものである。切削要素の切れ刃ラインが、元のすくい角と比較して有効すくい角が大幅に変更されたにもかかわらず、安定したトライボロジー条件においても良好な完全性を維持したことが分かった。しかしながら、安定したトライボロジー条件では、有効逃げ角が、しばしば、すなわち工具寿命のかなりの時間、０であるかまたは０に近く、これが様々な悪影響を潜在的にもたらし得ることも分かった。例えば、逃げ面とワークピースとの間の接触の増加により、機械加工された表面の完全性が変化し得る。本発明者は、安定したトライボロジー条件に達する前、または達した直後に公称すくい角を変更する場合、機械加工された表面の完全性が改善（または維持）され得、有効工具寿命が延びたことを認識した。

別様に明確に述べると、本発明者は、従来は磨滅したと見なされていた切削要素がより長い時間使用されることを可能にするやり方または方法が分かった。このやり方は、ワークピースと向かい合って切削要素を再配置することを含む。本発明者は、本方法が、ＣＢＮまたはｐＣＢＮ切削要素、すなわちＣＢＮまたはｐＣＢＮを含む切削インサートまたは旋削インサートを使用して、硬化鋼、または例えばＮｉ基超合金などの他の硬質金属を旋削加工する場合、特に良好に機能することが分かった。

本明細書で使用される「公称すくい角」は、切削要素の幾何学的形状の変動（摩耗によって引き起こされる変動など）を考慮しない、機械加工された表面に垂直な平面に対する元のすくい面の角度を指す。この文脈では、公称すくい角は「システムすくい角」とも見なされ、すなわち、特定の機械加工設定（例えば、ワークピースに対するＣＮＣ旋盤、工具ホルダなどの向きおよび位置）における切削要素の元の幾何学的形状によって決定され得る。対応して、「公称逃げ角」は、工具の摩耗を考慮しない、ワークピースの表面に対する元の摩耗していない逃げ面の隙間、すなわち所望の隙間を指す。対照的に、本明細書で使用される「有効すくい角」は、機械加工時に有効な真のすくい角、すなわち実際の切削角であり、これは、すくい面の幾何学的形状の局所的な変動に依存する。対応して、「有効逃げ角」は、機械加工された表面に対する逃げ面の実際の隙間を指す。有効すくい角および有効逃げ角は、いずれも、切削要素の摩耗によって影響を及ぼされる。例えば、有効すくい角は、すくい面に生じるクレーター摩耗により、元のすくい角と比較して増加し得、有効逃げ角は、フランク摩耗により減少し得る。したがって、摩耗していない切削要素で機械加工する場合、有効すくい角および有効逃げ角は、最初は、それぞれ公称すくい角および公称逃げ角に対応する。しかし、摩耗が生じ、これらの角度に影響を及ぼし始めるとすぐに、有効角度は、対応する公称角度から逸脱する。

したがって、第１の機械加工ステップ中、切削要素の摩耗は、すくい面および逃げ面の実際の幾何学的形状に影響を及ぼす。これにより、有効すくい角が増加し得、有効逃げ角が減少し得る。そのような摩耗を補償するために、公称の第２のすくい角は第１の公称すくい角とは異なる。特に、切削要素を第２の向きに再配置すること、すなわち公称すくい角を変更することは、有効隙間を増加させ得る。

これを達成するために、第２の機械加工ステップにおいて使用される第２の公称すくい角は、第１の機械加工ステップにおいて使用される第１の公称すくい角よりも小さいことがある。

公称すくい角を縮小することで、少なくとも切削要素を再配置する直前に存在する有効すくい角と比較した場合、有効すくい角も明らかに減少する。しかしながら、第２の有効すくい角は、第１の機械加工ステップによって引き起こされる摩耗が第１の有効すくい角と比較して有効すくい角の増加を引き起こすため、依然として第１の有効すくい角よりも大きいことがある。

第１の有効すくい角と第２の有効すくい角とが同じであること、すなわち、第１の機械加工ステップからの摩耗によって引き起こされる有効すくい角の変化が第１の公称すくい角と第２の公称すくい角との間の差に対応することも想定される。しかしながら、これは、第１の機械加工ステップが最初に新しい摩耗していない切削要素を使用することを含む場合、クレーター摩耗によるすくい角の増加が、しばしば、切削要素を再配置するときに補償することが望ましいものよりも高くなるため、当てはまらないことが多くなり得る。一方、第１の機械加工ステップが、安定したトライボロジー条件に達した以前の状態から再配置された既に摩耗している切削要素で開始し、第１の機械加工ステップが、新しい安定したトライボロジー条件に達するまで進行する場合、第１の有効すくい角が第２の有効すくい角に対応する、すなわち、有効すくい角が公称すくい角の変化によって復元されるような可能性が極めて高い。しかしながら、摩耗していない切削要素の元の有効すくい角は、復元することが望ましくないまたは可能でないことがある。

公称すくい角を縮小することによって、有効隙間が増加し、したがって、切削要素のフランクとワークピースとの間の接触が低減する。切削要素のフランクとワークピースとの間の接触面積が増加すると、受動的な力と送り力との分布が変化し、その結果、機械加工された構成要素の白色層の厚さが増加し、これは、機械加工された表面上の望ましくない微細構造変化に関連する。したがって、隙間を増加させることによって、より安定した機械加工プロセスが得られ、白色層の形成が低減され、したがって、機械加工された表面の品質の改善が実現される。

第２の有効逃げ角は、第１の有効逃げ角に対応するか、または実質的に対応し得る。言い換えれば、第１の公称すくい角と第２の公称すくい角との間の差は、第１の機械加工ステップによって引き起こされた有効逃げ角の変化に対応し得る。例えば、第１の機械加工ステップは、有効逃げ角が０に縮小されたように切削要素のフランク摩耗を引き起こしていることがあり、すなわち、ここで、逃げ面の少なくとも一部とワークピースとの間に摩擦が生じる。次いで、第１の公称すくい角と第２の公称すくい角との間の差を、所望の逃げ角、例えば、摩耗していない切削要素について存在する逃げ角に対応させることによって、所望の（例えば、元の）有効逃げ角は、切削要素を再配置することによって復元され得る。言い換えれば、元の有効隙間は、公称すくい角を変更することによって復元され得る。

第２の公称すくい角は、第１の公称すくい角と２～１０度だけ異なり得る。多くの用途では、これは、良好な切削性能を維持しながら隙間を復元するのに十分であり、公称すくい角をあまり変更しないことによって、切削要素を複数回再配置することが可能であり、切削要素の総寿命をさらに延ばす。第２の公称すくい角は、第１の公称すくい角と、例えば６度だけなど、４～８度だけ異なり得、これは、少なくともいくつかの用途について有益であり得る。

切削要素を再配置するステップは、切削要素が切削できないときに実施され得る。本明細書で使用される「切削できない（ｏｕｔ ｏｆ ｃｕｔ）」は、切削要素がワークピースと係合していない状態を指す。そのような状態は、２つの異なるワークピースの機械加工の間、またはワークピースに対する旋削加工作業の２つの異なるパスの間に生じ得る。

したがって、第１の機械加工ステップは、１つまたは複数の機械加工作業の第１のセットを含み得、第２の機械加工ステップは、１つまたは複数の機械加工作業の第２のセットを含み得、ここで、切削要素を再配置するステップは、機械加工作業のこれらのセットの間、例えば２つの異なるワークピースを機械加工することの間に実施され得、その場合、第２のセットにおける機械加工作業は、第１のセットにおける機械加工作業と重複しない。

この文脈では、機械加工作業は、ワークピースに対して実施され、旋削工具を用いた１つまたは複数のパスを含み得る作業と見なされ得る。

上述のように、切削要素を再配置するステップは、機械加工作業の２つの異なるパスの間に実施され得る。この場合、第１の機械加工ステップと第２の機械加工ステップとは、各々、単一の旋削加工作業の異なる部分を含み得る。次いで、第１の機械加工ステップは、例えば、１つまたは複数の完全な機械加工作業（例えば、機械加工された構成要素）および特定の機械加工作業の第１の部分を含み得、第２の機械加工ステップは、特定の機械加工作業の第２の部分、ならびに後続の機械加工作業および／または後続の機械加工作業の部分を含み得る。

切削要素の再配置が、機械加工中、例えば旋削加工作業のパス中に行われることも想定される。したがって、切削要素の再配置は、機械加工中に実行される段階的または連続的再配置を含み得る。これは、例えば、大きなＨＲＳＡ構成要素を旋削加工する場合に有用であり得、ここで、切削要素が単一パスにおいて摩耗し、これが、構成要素の表面完全性を、潜在的に、切削の開始時に切削の終了時と比較して異なるようにし得る。

各機械加工ステップの持続時間は、切削要素が切削中であった所定の時間期間に基づいて選択され得る。したがって、切削要素の再配置は、特定の所定の時間期間の後、例えば、切削要素がアクティブであった特定の数分（すなわち、「切削時間（ｔｉｍｅ ｉｎ ｃｕｔ）」）の後に行われ得る。したがって、第１の機械加工ステップは、実施された機械加工作業の実際の数を考慮しない特定の時間機械加工することを含み得る。機械加工ステップはまた、その間に所定の時間期間が終了した、すなわち、切削要素が再配置される前に現在の機械加工作業またはパスが終了するような、機械加工作業または機械加工作業のパスを含むものとして決定され得る。所定の時間の代わりに、持続時間は、代替的に、所定の切削長に基づいて選択され得る。さらなる代替として、各機械加工ステップは一定の数の機械加工作業に関連し得、すなわち、機械加工ステップは、所定数のワークピースの機械加工を含むものとして決定され得る。したがって、切削要素の再配置は、特定の数の構成要素が機械加工された後に行われ得る。

切削要素の再配置がいつ行われるべきかを決定するためにどのパラメータが使用されるかにかかわらず、機械加工ステップの各々は、複数の異なるワークピースの機械加工を含み得る。

第１の向きと第２の向きとの間に切削要素を配置および再配置することは、様々なやり方で達成され得る。いくつかの実施形態によれば、ワークピースと工具軸との間の相対位置が調整され得る。例えば、切削要素とワークピースとの間の係合点は、第１の工具軸位置から第２の工具軸位置まで、回転軸に対して横方向に、ワークピースに対して工具軸を移動させることによって調整され得、第２の工具軸位置における工具軸が、第１の工具軸位置における工具軸と平行であるが一致していない。

したがって、ワークピースの表面に対する切削要素の係合の方向は、ワークピースに対する工具軸の向きを変更することによって、特に工具軸の並進によって、調整され得る。特に、Ｚ軸がワークピースの回転軸に沿った方向を指し、Ｘ軸がワークピースに対する半径方向（すなわち、回転軸に向かうまたは回転軸から離れる方向）を指し、Ｙ軸が、Ｚ軸およびＸ軸によって画成される平面に直交する方向を指す、旋盤に対するデカルト座標系を考慮すると、並進はＹ軸に沿った動きを含み得る。したがって、そのような実施形態は、例えば、特定のタイプのマルチタスク機械またはミルターン機械など、Ｙ軸に沿って旋削工具を移動させる能力を有するＣＮＣ旋盤の使用を必要とする。したがって、そのようなＣＮＣ旋盤を使用する場合、切削要素を再配置するステップは、機械制御システムを介して達成され得る。切削要素のそのような再配置は、特別に設計された旋削工具または工具ホルダを必要としないため、正確かつ比較的容易に実施され得る。

いくつかの実施形態によれば、工具軸は、第１の工具軸位置から第２の工具軸位置まで第１の方向に第１の距離だけ移動される。

上記で決定された座標系を考慮すると、第１の方向はＹ軸に沿ったものであり得る。したがって、工具軸がＸ軸に沿って方向付けられるか、またはＸ軸と平行である場合、第１の方向は、工具軸とワークピースの回転軸の両方に対して横の方向に対応し得る。特に、第１の方向は、ワークピースが回転する方向、すなわち、切削要素とワークピースとの間の接触点におけるワークピースの接線運動方向に対応するか、または実質的に対応し得る。別様に明確に述べると、第１の方向は、Ｙ軸に沿って、切削要素のすくい面または上面が面する方向から離れるものであり得る。

言い換えれば、工具軸の移動は、Ｙ軸に沿った成分を有し得、移動は、切削要素とワークピースとの間の接触点におけるワークピースの回転方向に沿って、または実質的に沿って、すなわち、切削要素のすくい面または上面が面する方向から離れて、方向付けられ得る。

それにより、切削要素は、公称すくい角が減少され、有効逃げ角が増加されるワークピースに対する位置に再配置される。

工具軸は、Ｙ軸に沿った移動によって引き起こされる切削深さの変化を補償するために、Ｙ軸に沿ってだけでなく、Ｘ軸に沿って移動され得る。例えば、工具軸が公称すくい角を変更するためにＹ軸に沿って特定の距離を移動される場合、工具軸は、同じ切削深さを維持するために、Ｘ軸方向にも、ある距離を移動され得る。

工具は、必ずしも第１の向きと第２の向きとの間で線形的に移動されないか、または２つの連続する線形移動で移動されず（例えば、最初にＹ軸方向に移動され、次いでＸ軸方向に移動されず）、円弧に沿って、例えば、ワークピースの周囲に沿って移動されることもある。

第１の方向に移動された第１の距離、またはその結果としてＹ軸に沿って移動された距離は、０．０７ｒ～０．１４ｒなど、０．０３ｒ～０．１８ｒであり得、ここで、ｒはワークピースの半径である。０．０３ｒ～０．１８ｒの移動は、少なくともワークピースの中心の近く、すなわちＸ－Ｚ平面の近傍において行われる場合、公称すくい角の２～１０度だけの変化をもたらし得る。一例として、前記第１の距離、またはその結果としてＹ軸に沿って移動された距離は、ワークピースの半径の約０．１倍、例えば０．０９ｒ～０．１１ｒであり得、これは、公称すくい角の約６度だけの変化に対応し得る。

工具軸の並進を必要としない、切削要素を再配置するための代替方法は、どの向きが所望されるかに応じて、異なる旋削工具または工具ホルダにおいて切削要素を取り付けることであり得る。例えば、第１の機械加工ステップの前に、切削要素は旋削工具本体において取り付けられ得、旋削工具本体は、旋削工具がＣＮＣ旋盤において取り付けられたときに切削要素がワークピースに対する第１の向きを得るように設計される。第２の機械加工ステップの前に切削要素を再配置するために、切削要素は別の工具本体において取り付けられ得、別の工具本体は、旋削工具がＣＮＣ旋盤において取り付けられたときに切削要素がワークピースに対する第２の向きを得るように設計される。

切削要素を第２の向きにおいて再配置するステップが、工具軸を傾けることによって、例えば、旋削工具が接続された工具スピンドルの回転運動によって、または旋削工具が接続された工具タレットの角度を制御することによって、ワークピースの表面に対する切削要素の係合の方向を変更することを含み得ることも想定される。代替的に、切削要素は、工具軸に対して傾けられ得る。例えば、傾斜可能な、またはさもなければ調整可能な旋削工具または工具ホルダを使用する場合、切削要素の配置および再配置は、そのような手段によって達成され得る。例えば、傾斜可能である工具ホルダ、または切削要素を含む部分が傾斜可能である工具が、使用され得る。そのような調整は、手動手段によって達成されるか、または、何らかの種類のアクチュエータ、例えば遠隔制御アクチュエータによって制御され得る。工具軸を傾けることによる、または工具軸に対して切削要素を傾けることによる切削要素の再配置は、好ましくは、第１の公称すくい角と後続の公称すくい角との間の差に対応する角度だけ傾けることを含む。例えば第３の向きにおいて再配置するいくつかのステップが、そのような傾けることによって実施される場合、各ステップについての傾斜角は、好ましくは、同じ、または実質的に同じ、すなわち＋／－５度以内である。各ステップについて、公称すくい角は、徐々に小さくなるかまたはさらに負になる。

いくつかの実施形態によれば、本旋削加工方法は、第２の機械加工ステップの後に、
－第３の有効すくい角および第３の有効逃げ角をもたらす第３の公称すくい角によって決定される第３の向きにおいて、ワークピースに対して、または機械加工される別のワークピースに対して、切削要素を再配置するステップであって、第３の公称すくい角が、第１の公称すくい角および第２の公称すくい角の各々とは異なる、再配置するステップと、
－第３の機械加工ステップにおいて、切削要素が第３の向きにある状態でワークピースまたは別のワークピースを機械加工するステップと
をさらに含む。

したがって、切削要素の再配置は、複数回繰り返され得る。第２の公称すくい角は第１の公称すくい角よりも小さいことがあり、第３の公称すくい角は第２の公称すくい角よりも小さいことがある。言い換えれば、第３の公称すくい角は、第１の公称すくい角と第２の公称すくい角の両方よりも小さいことがある。第１の公称すくい角と第２の公称すくい角との間の差は、第２の公称すくい角と第３の公称すくい角との間の差と同じであり得る。すなわち、公称すくい角は、切削要素が再配置されるたびに同じ量だけ変更され得る。再配置は、２回よりも多く、例えば３回、４回または５回、さらにはそれ以上繰り返され得る。切削要素が再配置されるたびに、有効逃げ角は、機械加工ステップの開始時のものに復元され得る。それにより、機械加工された表面の品質を維持したまま、切削要素の有効寿命がさらにもっと延長され得る。

第２の向きにおいて切削要素を再配置するステップが、第１の工具軸位置から第２の工具軸位置まで、第１の方向に第１の距離だけ工具軸を移動させることを含む、切削要素の複数の再配置に関係するいくつかの実施形態によれば、第３の向きにおいて切削要素を再配置するステップは、第２の工具軸位置から、第１の工具軸位置から離れて第３の工具軸位置まで、第１の方向に第２の距離だけ工具軸を移動させることを含み得る。

工具軸を第１および第２の工具軸位置から離れるように移動させることによって、公称すくい角がさらに縮小され、有効逃げ角が、第３の向きにおいて切削要素を再配置する直前に存在していた有効隙間と比較して増加される。例えば、有効隙間は、第２の位置において切削要素を再配置した直後のものに復元され得る。言い換えれば、第３の有効逃げ角は、第２の有効逃げ角および／または第１の有効逃げ角に対応し得る。

第２の距離は、第１の距離と同じであるか、または第１の距離よりも小さいことがある。

工具軸の並進によって引き起こされる公称すくい角の変化は、ワークピースの回転中心からのＹ軸に沿った距離に依存する。例えば、中心に近いほど、中心からより遠くで行われる工具軸並進の場合と同じ公称すくい角変化を達成するために、Ｙ軸に沿ったより大きな並進が必要とされる。

したがって、この実施形態を考慮した一例として、第１の機械加工ステップがＸ－Ｚ平面に位置する切削要素を用いて実施される場合、公称すくい角変化は、第２の距離が第１の距離よりも小さい場合のみ、切削要素の２つの後続の再配置について同じである。

しかしながら、多くの用途およびワークピース寸法について、この差を無視することが可能であり得る、すなわち、工具軸を、切削要素を再配置するとき、Ｙ軸に沿って同じ距離移動させれば十分であり得る。言い換えれば、第２の距離は第１の距離と同じであり得る。これは、例えば、第１の機械加工作業がワークピースの中心の上方で実施され、第２の機械加工作業が中心において実施され、第３の機械加工作業が中心の下方で実施される場合にも当てはまり得る。その場合、Ｙ軸に沿った両方の並進は、対応する公称すくい角変化を達成するために同じ大きさのものであり得る。

本発明の第２の態様によれば、ＣＮＣ旋盤と、プロセッサと、切削要素を含む旋削工具とを備えるシステムが提供され、本システムは、本発明の第１の態様による方法を実施するように構成される。プロセッサは、ＣＮＣ旋盤の一体化部分であるか、またはＣＮＣ旋盤に動作可能に結合され得、実施される方法のステップのうちの少なくともいくつかをトリガするコンピュータプログラムを実行するように構成され得る。本システムは、そのようなコンピュータプログラムを記憶するためのメモリをさらに備え得る。

したがって、第３の態様によれば、本発明は、本発明の第２の態様によるシステムによって実行されると、本発明の第１の態様による方法をシステムに実施させる命令を有するコンピュータプログラムに関する。

したがって、本明細書で説明される方法は、様々な形態で存在し得る１つまたは複数のコンピュータプログラムによって具現化され得る。例えば、それらは、方法のステップのうちのいくつかを実施するためのプログラム命令から構成されたソフトウェアプログラムとして存在し得、コンピュータ可読媒体上で具現化され得る。言い換えれば、切削要素の再配置は、コンピュータプログラムにおいて決定された命令に従って行われ得る。これらの命令は、例えば、切削要素を再配置するための間隔およびそのような各再配置の程度など、パラメータを含み得る。これらのパラメータの最適値は、同様の構成要素を機械加工する経験に基づいて決定され得、例えば、ルックアップテーブルなどにおいて見られるエンドユーザによって入力され得る。代替的に、ユーザからの入力、例えば、使用されるインサートの種類、製造されるべきである構成要素の種類およびそのような構成要素を製造するときの「通常の」摩耗に関する情報、例えば、本発明による方法を使用しないときの予想される工具寿命に関係する入力に基づいて、最適なパラメータを計算するために、アルゴリズムが使用され得る。予想される工具寿命は、例えば、機械加工時間、または切削インサートが交換される前に製造される構成要素の数として決定され得る。そのようなアルゴリズムは、異なる構成要素および材料を製造するときの摩耗伝播の事前知識に基づき得る。

ＣＢＮ切削要素を有する切削インサートを示す。 機械加工中の摩耗していない切削要素の断面図を示す。 安定したトライボロジー条件を仮定した場合の、摩耗した切削要素を示す。 切削要素の公称すくい角を変更する影響を概略的に示す。 本発明による旋削加工方法のステップを示すフローチャートである。 旋削加工方法の一実施形態を概略的に示す。 旋削加工方法の別の実施形態に基づく試験による有効すくい角の変化を示すグラフである。 切削要素のフランク摩耗の進行を示す、図７と同じ試験に言及するグラフである。

すべての図は概略的であり、必ずしも縮尺通りではなく、一般に、それぞれの実施形態を解明するために必要な部分のみを示しているが、他の部分は、省略されるか、または単に示唆され得る。別途指示がない限り、異なる図において同様の参照符号は同様の部分を指す。

図１は、ＣＢＮ切削要素１がろう付けされた切削インサート７を示す。切削インサートは、この例では菱形であり、旋削工具（図示せず）のインサートポケット内のインサートの取り付けを容易にする締結孔８を有する。切削要素の一部が、切削要素のすくい面に対応する面取り部３と逃げ面４とを含む上面６を示す拡大図に示されている。面取り部３と逃げ面４との間に、切れ刃５が形成される。

図２は、金属ワークピース２を機械加工するときの、より正確には、チップ９が形成され、したがって材料がワークピースから除去される旋削加工作業中の、切削要素１の断面を示す。切削要素は、ＣＮＣ旋盤に取り付けられた旋削工具において配置され、公称すくい角γ_ｎ＿１および公称逃げ角α_ｎ＿１においてワークピースに対して配向される。切削要素１は、摩耗していない状態、すなわち、クレーター摩耗またはフランク摩耗がそれぞれすくい面および逃げ面に生じ始める前の状態にある。この状態では、有効すくい角γ_ｅおよび有効逃げ角α_ｅは、それぞれ公称すくい角γ_ｎ＿１および公称逃げ角α_ｎ＿１に対応する。図に見られるように、この切削要素の初期すくい角は負である。

図３は、安定したトライボロジー条件または状態を仮定した後の、摩耗した切削要素１’を示す。この条件では、摩耗がさらに伝播したとしても、有効すくい角および有効逃げ角は大きく変化しない。しかしながら、図から分かるように、有効すくい角γ_ｅは、クレーター摩耗により、増加し（今や正である）、有効逃げ角α_ｅは、フランク摩耗により、０に縮小された。元の摩耗していない切削要素１は、破線で示されている。この安定状態は、かなり早期に、例えば予想される総工具寿命の３０％後という早期に仮定され得、工具寿命の残りの間継続する。しかしながら、部分的には逃げ面とワークピースとの間の接触の増加により、機械加工された表面の完全性が影響を及ぼされる。

図４は、切削要素の公称すくい角を変更する影響を概略的に示す。安定したトライボロジー状態が仮定されている場合、またはそれが仮定される前に、有効逃げ角を復元するために公称すくい角が変更され得る。図４では、元の摩耗していない切削要素が破線で示され、摩耗した切削要素１’が点線で示され、再配置された摩耗した切削要素１”が実線で示されている。この例では、公称すくい角変化Δγ_ｎをもたらす再配置が、切削要素を傾けることによって行われている。しかしながら、後述するように、切削要素の再配置は、他の手段によっても達成され得る。

以下では、旋削加工方法のステップを示すフローチャートである図５を参照して、および本方法の一実施形態の概略図である図６Ａ～図６Ｃを参照して、ＣＮＣ旋盤のための旋削加工方法が説明される。

ステップ５０１において、その回転軸の周りで回転方向Ｒに回転可能なワークピース２が提供される。

ステップ５０２において、旋削工具１０が、工具軸Ｌに沿って、この場合は旋盤のＸ軸と平行に延びるように提供される。旋削工具１０は、ＣＢＮ切削インサートの形態の切削要素１１を備える。図１～図４に示されている切削要素１とは対照的に、図６Ａ～図６Ｃに示されている切削要素１１は、切れ刃と切削要素の上面との間に形成される面取り部を有しない。切削要素は、ワークピースに対して異なる向きに配置可能であり、各向きは、切れ刃とワークピースとの間の接触点におけるワークピースの表面に垂直な線に対する公称すくい角γ_ｎによって決定される。

ステップ５０３において、切削要素は、（この例では０である）第１の公称すくい角γ_ｎ＿１および公称逃げ角α_ｎ＿１によって決定される、図６Ａに示されている第１の向きにおいて、ワークピースに対して配置される。図６Ａに示されている切削要素１１が、摩耗していない切削要素である場合、公称すくい角および公称逃げ角は、最初は、それぞれ有効すくい角および有効逃げ角に対応する。図６Ｂおよび図６Ｃは、有効角が公称角と異なり得るようにすくい面および逃げ面に摩耗が生じていることがある後続の機械加工ステップを示す。しかしながら、可視性を改善し、理解を容易にするために、摩耗および有効角は図６Ａ～図６Ｃに示されていない。

ステップ５０４において、ワークピースは、切削要素が第１の向きにある状態で機械加工される。

ステップ５０５において、切削要素は、図６Ｂに示されている別の向きにおいて、ワークピースに対して、または機械加工される別のワークピースに対して、再配置される。したがって、切削要素１１は、異なる公称すくい角γ_ｎ＿２および異なる公称逃げ角α_ｎ＿２で配置される。この例では、新しい公称すくい角γ_ｎ＿２は負であり、すなわち、以前の公称すくい角γ_ｎ＿１よりも小さい。切削要素１１の再配置は、ワークピース２に対する旋削工具１０の並進移動によって達成されている。この移動は、Ｙ軸方向の成分を有し、すなわち、それにより、工具軸Ｌが距離ΔＹ_１だけＹ軸方向に変位する。結果として、公称すくい角は減少し、公称逃げ角は増加する（すなわち、γ_ｎ＿２＜γ_ｎ＿１、α_ｎ＿２＞α_ｎ＿１）。

ステップ５０６において、ワークピースまたは別のワークピースは、切削要素が再配置された向きにある状態で、機械加工される。

図５中の矢印５０７によって示されているように、切削要素を異なる向きにおいて再配置するステップと、再配置された切削要素でワークピース（または別のワークピース）を機械加工するステップとは、数回繰り返され得る。

したがって、図６Ｃでは、切削要素１１は、工具軸Ｌが距離ΔＹ_２だけＹ軸方向に変位するように、工具軸ＬをＹ軸方向の成分を有する方向に並進させることによって再び再配置されている。それにより、切削要素１１は、ここで、以前の公称すくい角γ_ｎ＿２よりも小さいかまたはさらに負である公称すくい角γ_ｎ＿３と、以前の公称逃げ角α_ｎ＿２よりも大きい公称逃げ角α_ｎ＿３とで配置される。

図７は、切削要素の有効すくい角が機械加工中にどのように変化し得るかと、有効すくい角が切削要素の複数の再配置によってどのように影響を及ぼされるかとを示す。グラフは、（異なる公称すくい角γ_ｎ＿１、γ_ｎ＿２、γ_ｎ＿３およびγ_ｎ＿４を提供する）４つの別様に設計された工具ホルダがワークピースに対して異なる向きで切削要素を再配置するために使用された試験の結果を示す。この試験において使用された切削要素は、面取り部を有するＣＢＮ切削要素（すなわち、図１に示されている切削要素と同様）であった。切削要素は、最初に、第１の公称すくい角γ_ｎ＿１（したがって、初期有効すくい角γ_ｅ）が－３６度であり、（グラフに示されていない）逃げ角が６度であるように、ワークピースに対して配置された。１５分間の機械加工の後に、切削要素は、公称（および有効）すくい角が６度だけ縮小されるように再配置された。そのような再配置は、３０分間の機械加工の後に再度行われ、次いで、４５分間の機械加工の後に再度行われた。図７に破線で示されているこれらの再配置の各々は、有効すくい角の６度だけの即時減少をもたらした。図に見られるように、第１の再配置は安定条件に達する前に行われ、第２および第３の再配置は、そのような安定条件に達した後に行われた。この例では、有効すくい角が約１５度であった安定条件は、３０分および４５分間の機械加工時に行われたそれぞれの再配置の後に、かなり迅速に再仮定された。

縦軸にフランク摩耗の平均幅ＶＢ_Ｂを示す図８中のグラフは、上記で説明された試験における切削要素の（点で示されている）フランク摩耗８１の伝播を示す。再配置されなかった対応する切削要素の（三角形で示されている）基準フランク摩耗８２も、グラフに示されている。図８に見られるように、本発明による方法を使用する場合、フランク摩耗の平均幅ＶＢ_Ｂは、６０分間の機械加工後に２００μｍに近くなるが、このレベルのフランク摩耗は、本方法を使用しない場合、３６分間の機械加工後に既に得られている。

Claims (15)

1. ＣＮＣ旋盤のための旋削加工方法であって、
   －その回転軸の周りで回転方向（Ｒ）に回転可能なワークピース（２）を提供するステップと、
   －工具軸（Ｌ）に沿って延びる旋削工具（１０）を提供するステップであって、前記旋削工具が、すくい面（３）、逃げ面（４）、および前記すくい面（３）と前記逃げ面（４）との間の境界において形成された切れ刃（５）を含む切削要素（１、１１）を備え、前記切削要素（１、１１）が、前記ワークピース（２）に対して異なる向きに配置可能であり、各向きが、前記ワークピース（２）の表面に対する公称すくい角（γ_ｎ）によって決定され、前記切削要素（１、１１）が、前記切れ刃（５）と前記ワークピース（２）との間の接触点において、前記切削要素（１、１１）の摩耗に依存する有効すくい角（γ_ｅ）および有効逃げ角（α_ｅ）を有する、提供するステップと、
   －第１の有効すくい角（γ_ｅ＿１）および第１の有効逃げ角（α_ｅ＿１）をもたらす第１の公称すくい角（γ_ｎ＿１）によって決定される第１の向きにおいて、前記ワークピース（２）に対して前記切削要素（１、１１）を配置するステップと、
   －第１の機械加工ステップにおいて、前記切削要素（１、１１）が前記第１の向きにある状態で前記ワークピース（２）を機械加工するステップと、
   前記第１の機械加工ステップの後に、
   －第２の有効すくい角（γ_ｅ＿２）および第２の有効逃げ角（α_ｅ＿２）をもたらす第２の公称すくい角（γ_ｎ＿２）によって決定される第２の向きにおいて、前記ワークピース（２）に対して、または機械加工される別のワークピースに対して、前記切削要素（１、１１）を再配置するステップであって、前記第２の公称すくい角（γ_ｎ＿２）が前記第１の公称すくい角（γ_ｎ＿１）とは異なる、再配置するステップと、
   －第２の機械加工ステップにおいて、前記切削要素（１、１１）が前記第２の向きにある状態で前記ワークピース（２）または前記別のワークピースを機械加工するステップと
   を含む、旋削加工方法。
2. 前記第２の公称すくい角が前記第１の公称すくい角よりも小さい、請求項１に記載の旋削加工方法。
3. 前記第２の有効逃げ角が、前記第１の有効逃げ角に対応するか、または実質的に対応する、請求項１または２に記載の旋削加工方法。
4. 前記第２の公称すくい角が、前記第１の公称すくい角と２～１０度だけ異なる、請求項１から３のいずれか一項に記載の旋削加工方法。
5. 前記切削要素を再配置する前記ステップは、前記切削要素が切削できないときに実施される、請求項１から４のいずれか一項に記載の旋削加工方法。
6. 各機械加工ステップの持続時間は、前記切削要素が切削中であった所定の時間期間に基づいて選択される、請求項１から５のいずれか一項に記載の旋削加工方法。
7. 第２の向きにおいて前記切削要素を再配置する前記ステップが、第１の工具軸位置から第２の工具軸位置まで、前記回転軸に対して横方向に、前記ワークピースに対して前記工具軸を移動させることを含み、前記第２の工具軸位置における前記工具軸が、前記第１の工具軸位置における前記工具軸と平行であるが一致していない、請求項１から６のいずれか一項に記載の旋削加工方法。
8. 前記工具軸が、前記第１の工具軸位置から前記第２の工具軸位置まで第１の方向に第１の距離だけ移動される、請求項７に記載の旋削加工方法。
9. 前記第２の機械加工ステップの後に、
   －第３の有効すくい角および第３の有効逃げ角をもたらす第３の公称すくい角によって決定される第３の向きにおいて、前記ワークピースに対して、または機械加工される別のワークピースに対して、前記切削要素を再配置するステップであって、前記第３の公称すくい角が、前記第１の公称すくい角および前記第２の公称すくい角の各々とは異なる、再配置するステップと、
   －第３の機械加工ステップにおいて、前記切削要素が前記第３の向きにある状態で前記ワークピースまたは前記別のワークピースを機械加工するステップと
   をさらに含む、請求項１から８のいずれか一項に記載の旋削加工方法。
10. 前記第３の向きにおいて前記切削要素を再配置する前記ステップが、前記第２の工具軸位置から、前記第１の工具軸位置から離れて第３の工具軸位置まで、前記第１の方向に第２の距離だけ前記工具軸を移動させることを含む、請求項８および９に記載の旋削加工方法。
11. 前記第２の距離が前記第１の距離と同じであるかまたはそれよりも小さい、請求項１０に記載の旋削加工方法。
12. 前記切削要素が、立方晶窒化ホウ素または多結晶立方晶窒化ホウ素を含む、請求項１から１１のいずれか一項に記載の旋削加工方法。
13. 前記ワークピースが、４０ＨＲＣ以上の硬度を有する硬化鋼または耐熱超合金で作られる、請求項１から１２のいずれか一項に記載の旋削加工方法。
14. －ＣＮＣ旋盤と、
    －プロセッサと、
    －切削要素を含む旋削工具と
    を備えるシステムであって、前記システムが、請求項１から１３のいずれか一項に記載の方法を実施するように構成される、システム。
15. 請求項１４に記載のシステムによって実行されると、前記システムに請求項１から１３のいずれか一項に記載の方法を実施させる命令を有する、コンピュータプログラム。

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