JP4058518B2

JP4058518B2 - 電解作用を利用した切削工具及びその製造方法

Info

Publication number: JP4058518B2
Application number: JP2003147465A
Authority: JP
Inventors: 恒雄栗田; 光郎服部
Original assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 2003-05-26
Filing date: 2003-05-26
Publication date: 2008-03-12
Anticipated expiration: 2023-05-26
Also published as: JP2004345065A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、小型の機械部品及び電子部品等の導電性の金属材料からなる被加工物を電解作用を利用して精密に切削加工する切削工具及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
多様化、小型化が進んでいる機械部品や電子・電気部品金型の加工技術として放電加工があるが、放電加工は加工能率が悪い、電極作成が不可欠であるため微細形状の電極設計、製作が必要であることから多くの時間とコストを要するという問題があった。こうした問題を解決するために切削工具による直彫り加工があげられるが、金型材として用いられる高硬度材（HRC60以上）や硬脆材料（超硬合金材など）の加工は、その硬度から直彫り加工が難しい。また、放電加工及び直彫り加工後の表面には磨き工程が必要である。この工程は熟練作業者による技能に頼る部分が多く、様々な形状の金型を短納期で供給する要求に答えるためのトータルな生産性向上を目指すためには、金型の手仕上げレス化が求められている。このように、加工時間の短縮の要求に加え、加工形状精度の向上、加工面品位の向上を目指した新しい金型加工技術が要求されている。
微細切削方法および微細切削装置において、非加工物と電極との間に電解液を介在させ、電圧印加により不働態膜を生成し、電極とは別に設置された工具で切削することによって不働態膜を除去する技術が知られている（以下、従来技術１という。例えば、特許文献１参照。）。
また、微細切削方法および微細切削装置において、電極兼切削工具を用い、被加工物と電極兼切削工具との間に電解液を介在させるとともに被切削部と電極兼切削工具を絶縁することなく、電解電圧のオン・オフのみで電解、切削を切り替える加工技術が知られている（以下、従来技術２という。例えば、特許文献２参照。）。
【０００３】
【特許文献１】
特開２０００−８４７４６号公報
【特許文献２】
特開平１０−１５６６２６号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来技術１においては、電極と切削工具とを別に設置する必要がある上に不働態膜の生成及び切削を別の部材で行うため作業効率が悪いものであった。
また、従来技術２においては、不働態膜の生成速度が十分に速い導体金属材料の被加工物の場合には、電極兼切削工具により不働態膜を生成させながら、電極兼切削工具により不働態膜の切削を行うことも可能であるが、この場合、短絡により過大な電流が流れて、電解溶出などにより切削部分に変形を生じるため、不働態膜が絶縁物である場合にしか適用できないという問題があった。さらに従来技術２においては、不働態膜の生成速度が遅い導体金属材料の被加工物の場合には、電極兼切削工具と被加工物との間に適当な距離を保った状態で電解電圧をＯＮして不働態膜を生成し、その後電解電圧をＯＦＦ状態にして電極兼切削工具に切れ込みを与えて不働態膜を切削し、切削が終了したら、電極兼切削工具を被加工物に対して適当な距離分、後退させて電解電圧をＯＮして不働態膜を生成するという工程を繰り返すものであり、電解と切削の電源切り換え及び電極兼切削工具の頻繁な移動を制御する必要があり、工具を兼用させた意義が薄れるという問題があった。
【０００５】
本発明は、電解作用を利用した切削工具の切れ刃と電極とを絶縁するとともにこれら切れ刃及び電極の組合わせ構造を新規なものとすることにより、加工精度が高く、加工効率の良い、電解作用を利用した切削工具及びその製造方法を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決得るための手段】
（１）本発明の電解作用を利用した切削工具は、工具の回転により導電性の被加工物を切削する電解作用を利用した切削工具において、絶縁性を有する切れ刃及び導電性を有する電極を一体的に備え、前記切れ刃及び電極を交互に配置するとともに、切れ刃及び電極との間に位置し、かつ、切れ刃の回転方向前方に位置して絶縁性を有する切削排出溝を介在させ、切削された切りくずが電極と接触しない状態で切削排出溝から外部に排出されることを特徴としている。
（２）また、本発明の電解作用を利用した切削工具の製造方法は、上記（１）に記載の切削工具の製造方法において、切削工具を導電性材料から形成し、該導電性材料製の切削工具全体を絶縁材料でコーティングし、このコーティング材をレーザ加工又は機械加工で除去して電極部分を形成することを特徴としている。
（３）また、本発明の電解作用を利用した切削工具の製造方法は、上記（１）に記載の切削工具の製造方法において、切削工具を絶縁材料で形成、又は絶縁材料をコーティングして形成し、該絶縁性の切削工具の上に導電性の電極材料をコーティングして電極部分を形成することを特徴としている。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明による実施の形態を図面を参照しながら説明する。
図１は、電解作用を利用した切削工具（以下、「電解切削工具」という。）を用いた加工装置を説明する概略図である。
図において、電解切削工具１と被加工物６との間は電解加工液７で満たされるように両者を電解加工液７中に設置または高圧の電解加工液を噴射手段８から噴射する。また、電解加工液７から切りくずを排除するため切りくずを含んだ電解加工液７を吸引手段９で吸引し、ポンプ１０、切りくず除去装置１１及び温度制御装置１２を経て再び噴射手段８から噴射する。その際、電解切削工具１に電解加工液７を噴射すると電解切削工具１に付着した切りくずを除去することができる。
被加工物６は導電性のある金属、例えば、鉄、銅、ニッケル、チタン、アルミニウム、コバルトを主成分、又は含有する物、あるいは導電性のセラミックスとする。また、電解加工液７としては材料、加工条件などに応じNaCl、NaClO3又はNaNO3を用いる。
電解加工用電源１３により、電解切削工具１は陰極に、被加工物６は陽極に保持されて両者間に電解電圧が与えられる。
電解切削工具１はＮＣ移動機構１４により、一定速度、または一定加工力で加工形状に合わせて移動される。高能率、高精度のために電解切削工具１及び被加工物６間の電流・電圧を加工電流・電圧モニター装置１６でモニターし、移動速度及び移動力を変化させると良い。なお、１５はパーソナルコンピュータである。
【０００８】
図２は、本発明の実施の形態に係る電解切削工具の一例を示すものであり、上方の図が電解切削工具の先端部分の正面を、また、下方の図が先端部分の断面を示している。電解切削工具１は、電極２及び切れ刃３からなる。
【０００９】
図３は、電解切削工具の断面を拡大した図であり、電解切削工具１は電極２と切れ刃３とが交互に配置された構造となっている。電極２は導電性を有し、切れ刃３は絶縁性を有する。導電性部２−１と絶縁性部３−１との境界を破線で示す。図に示すように絶縁性部３−１は切れ刃３を含み、切れ刃３の回転方向前方に形成された切削排出溝４の周囲にわたって形成される。このため、切れ刃によって切削された不働態膜の切りくずは切削排出溝４から外部に排出される際、導電性の電極２と接触することはない。
また、切れ刃３によって切削された材料表面と電極２表面が適度な間隙５を有するように電極２部分は切れ刃３の外径より小さく形成される。
間隙５の大きさは、加工条件、加工材料等により変化する。
【００１０】
本実施の形態係る電解切削工具１は、導電性材料からなる工具の全体を絶縁セラミック材料でコーティングし、このコーティング材をレーザ加工又は機械加工で除去して電極部分を形成するか、又は、絶縁材料でコーティングされた工具あるいは絶縁材料製の工具上に導電性の電極材料をコーティングすることにより作成する。
図４は、電解切削工具の他の例を示したものである。
【００１１】
図５は、加工工程を説明する図であり、電解切削工具１と被加工物６との間に電解加工液を介在させ、両者間に適当な電圧が印加されると、被加工物６の目的とする切削部分表面に適度な厚さの不働態膜１７が生成される。この不働態膜１７は、酸化膜または水酸化膜であるが、金属であったときとモル分子容積が異なるために、膨張して金属層との界面における応力が増大して剥離しやすくなり、また、適当な電解条件下においては多孔質となったり、機械的性質が脆くなったりして弱化し、極めて容易に切削が行われるものである。
【００１２】
被加工物６に生成された不働態膜１７の厚さに応じて電解切削工具１の切り込み量を調整して電解切削工具１を一定速度で移動させながら回転させ、不働態膜１７を切れ刃３で切削する。切削された不働態膜１７の切りくず１８は、切削排出溝４内で例えば図示のように丸められながら除去される。この際、切りくず１８が導電性の電極２と接触することはない。電解切削工具１の移動及び回転に伴い、不働態膜１７の生成及び不働態膜１７の除去の工程が繰り返し行われ、被加工物６の加工が進行する。
【００１３】
図６は、加工工程における加工点の拡大図であり、切れ刃３で切削された面に電極２を近づけることにより新たな不働態膜１７が生成され、この不働態膜１７を切れ刃３で切削し、切りくず１８が電解加工液の噴射等により切削面から除去される様子が良く分かる。
【００１４】
電解加工において通電時間が長すぎると電極と被加工物との間の不働態膜の影響で加工効率が悪くなることが知られている。切削除去された被加工物の新生面は次の切れ刃によって除去されるまでに電極で電解加工が行われため、電解切削工具の径、切れ刃の数、電極面の長さ及び回転数を適度に設定する必要がある。
【００１５】
〔実験例〕
5mmφ、２枚刃、切れ刃間の30°の角度部分を電極部分とした本実施の形態に係る電解切削工具を用いて、鉄系材料に5mmの切り込み、電解加工液25％wtNaNO3、電解電流6.5A、工具回転数2500rpmの設定で加工を行った。
実験的に求められた良好な電解が行われる定電流領域条件である電流密度100A/cm2、通電時間2msに当てはまり、効率良く電解切削が行われることが確認できた。
【００１６】
【発明の効果】
本発明は、次のような優れた効果を奏する・
（１）電解作用によって発生した不働態膜を切削によって除去する切削工具において、切れ刃と電極とを絶縁された構造とすることにより、不働態膜が導電性を有するような場合でも、切れ刃と電極とが一体化された１つの切削工具でもって電解加工電源のＯＮ−ＯＦＦをすることなく連続的に電解切削作業を効率良く行うことができる。
（２）切れ刃及び電極との間に絶縁性を有する切削排出溝を介在させることにより、電極部分に切りくずが入り込みにくく、切りくずによる電極の短絡を確実に防止できる。
（３）切れ刃と電極とが一体化された１つの切削工具により電解切削作業を行うため、加工物と電極の距離を縮めることができ、電解作用を起こさせたい部位に集中して作用させることが可能であり、作業の高精度化及び電解作用速度の増大が図れ加工の高効率化を達成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係る電解作用を利用した切削工具を用いた加工装置を説明する概略図である。
【図２】本発明の実施の形態に係る電解切削工具の一例を示すもので上方の図が電解切削工具の先端部分の正面を、また、下方の図が先端部分の断面を示している。
【図３】本発明の実施の形態に係る電解切削工具の断面を拡大した図である。
【図４】電解切削工具の他の例を示した図である。
【図５】本発明の実施の形態に係る電解切削工具による加工工程を説明する図である。
【図６】加工工程における加工点の拡大図である。
【符号の説明】
１電解切削工具
２電極
３切れ刃
４切削排出溝
５間隙
６被加工物
７電解加工液
８噴射手段
９吸引手段
１０ポンプ
１１切りくず除去装置
１２温度制御装置
１３電解加工用電源
１４ＮＣ移動機構
１５パーソナルコンピュータ
１６加工電流・電圧モニター装置
１７不働態膜
１８切りくず

Claims

工具の回転により導電性の被加工物を切削する電解作用を利用した切削工具において、絶縁性を有する切れ刃及び導電性を有する電極を一体的に備え、前記切れ刃及び電極を交互に配置するとともに、切れ刃及び電極との間に位置し、かつ、切れ刃の回転方向前方に位置して絶縁性を有する切削排出溝を介在させ、切削された切りくずが電極と接触しない状態で切削排出溝から外部に排出されることを特徴とする電解作用を利用した切削工具。
請求項１記載の切削工具の製造方法において、切削工具を導電性材料から形成し、該導電性材料製の切削工具全体を絶縁材料でコーティングし、このコーティング材をレーザ加工又は機械加工で除去して電極部分を形成することを特徴とする電解作用を利用した切削工具の製造方法。
請求項１記載の切削工具の製造方法において、切削工具を絶縁材料で形成、又は絶縁材料をコーティングして形成し、該絶縁性の切削工具の上に導電性の電極材料をコーティングして電極部分を形成することを特徴とする電解作用を利用した切削工具の製造方法。