JP4902268B2 - 表面仕上げ方法および工作機械 - Google Patents

Description

本発明は、金型等のワークに関する表面仕上げ方法および工作機械に関するものである。

金型の成形面を高精度に鏡面仕上げする場合などには、従来から砥石を用いた手仕上げによる方法が多用されている。しかし、この方法は作業者の高度な熟練性を要することとなり、仕上げの作業時間も長くなりやすいという問題がある。この問題に対して、特許文献１には、砥石を加工機に取り付けて自動制御によりワークの表面を仕上げる旨が記載されており、この技術によれば、作業者の熟練性の問題も解消され、作業時間の短縮化も期待できる。
特開平６−１０６４７０号公報（段落００２４）

しかしながら、特許文献１に記載の技術は、表面仕上げを目的として用いる工具が従来の手仕上げの場合と同様に砥石であり、したがって、例えば金型の成形面に関する全製作過程を考えた場合、成形面の切削に使用するエンドミル等のミーリング工具に加え、形状が十分に管理された砥石も別途要する技術となる。また、加工機においてミーリング工具から砥石に付け替える際、砥石自体の形状の誤差に加えて、取り付け誤差も介在しやすいので、所定の表面仕上げの精度が出にくいおそれもある。

本発明は以上のような問題を解消するために創作されたものであり、砥石を要することなく、仕上げ精度に優れた表面仕上げ方法および工作機械を提供することを目的としている。

本発明では、前記課題を解決するため、切削工具を把持可能な主軸を持つ工作機械によるワークの表面仕上げ方法であって、切削工具によりワークの最終仕上げ面から所定厚み分残して切削を行い、切削完了後の切削工具の表面に前記ワークよりも軟質の材料からなるコーティング材をコーティングした構成からなる仕上げ工具を作製し、砥粒を前記ワーク上に供給して、前記仕上げ工具により前記ワークの表面を仕上げ加工することを特徴とする表面仕上げ方法とした。

この表面仕上げ方法によれば、仕上げ工具がワーク上に供給された砥粒をコーティング材により取り込みながらワークの表面を仕上げ加工するため、従来の砥石を用いた表面仕上げと略同等の機能を発揮する。これにより砥石を要することなく、仕上げ精度に優れた表面仕上げ方法となる。また、最初の切削に使用した切削工具をそのまま使用するので、仕上げ工具の切削刃の形状が変わることがない。したがって、砥石等の別部材に付け替えることによる取り付け誤差や、別部材の形状の誤差に起因する仕上げ精度への影響が生じず、仕上げ精度の優れた方法となる。

また、本発明では、切削工具を把持可能な主軸を持つ工作機械によるワークの表面仕上げ方法であって、切削工具によりワークの最終仕上げ面から所定厚み分残して切削を行い、切削完了後の切削工具の表面に前記ワークよりも軟質の材料からなるコーティング材をコーティングした後に、このコーティング材に対して砥粒を付着させた構成からなる仕上げ工具を作製し、この仕上げ工具により前記ワークの表面を仕上げ加工することを特徴とする表面仕上げ方法とした。

この表面仕上げ方法によれば、仕上げ工具は、コーティング材に予め付着している砥粒を介してワークの表面を仕上げ加工するため、従来の砥石を用いた表面仕上げと略同等の機能を発揮する。これにより、砥石を要することなく、仕上げ精度に優れた表面仕上げ方法となる。また、最初の切削に使用した切削工具をそのまま使用するので、仕上げ工具の切削刃の形状が変わることがない。したがって、砥石等の別部材に付け替えることによる取り付け誤差や、別部材の形状の誤差に起因する仕上げ精度への影響が生じず、仕上げ精度の優れた方法となる。

また、本発明では、前記切削工具の表面へのコーティング材には、予め砥粒が混入されていることを特徴とする表面仕上げ方法とした。

この表面仕上げ方法によれば、コーティング材に予め砥粒が混入されているため、より多くの砥粒を表面仕上げ工具の表面周りに付着させた状態でワークを仕上げ加工することができる。

また、本発明では、切削工具を把持可能な主軸を持つ工作機械において、切削工具を把持した前記主軸とワークとが直交３軸方向に相対移動可能であり、この主軸の移動可能範囲内に、前記切削工具の表面へのコーティング用として、前記ワークよりも軟質の材料からなる液体状のコーティング材あるいはこのコーティング材に砥粒を混入させた混合物を蓄えた貯槽が設けられていることを特徴とする工作機械とした。

この工作機械によれば、切削工具を把持した主軸の移動によってコーティング材のコーティング作業を自動で行うことができ、同一の機械で切削加工の後、その切削加工工具から仕上げ加工工具を作製して、仕上げ加工を継続して行うことができる。

本発明によれば、砥石を要することなく、仕上げ精度に優れた表面仕上げ方法および工作機械を提供できる。

以下、切削工具であるボールエンドミルに対して本発明を適用して、これを表面仕上げ工具（単に「仕上げ工具」という場合もある）とする場合について説明する。図１は本発明に係る表面仕上げ工具の側面図、図２は本発明に係る工作機械であるマシニングセンタの部分外観斜視図、図３、図４はそれぞれ本発明に係る表面仕上げ方法の第１実施例、第２実施例を示す作用説明図である。

図１において、本発明の表面仕上げ工具１は、ボールエンドミルＭに対しその切削刃Ｍａの表面に、切削対象となるワークＷ（図２）の材質よりも軟質の材料からなるコーティング材２をコーティングした工具として構成される。ボールエンドミルＭとしては、その下部に切削刃Ｍａが形成され、上部周りが工作機械の主軸に把持されて取り付けられる公知のものが適用される。

コーティング材２によるコーティング層の形成の目的は、切削刃Ｍａ周りの表面に砥粒を付着させることにあり、これにより、既存の切削工具に対して砥石と略同等の表面仕上げ機能を持たせることができる。砥粒としては、ダイヤモンドや立方晶窒化ホウ素（ＣＢＮ）などの超砥粒が望ましいが、他の天然砥粒やアルミナ質、炭化ケイ素質などの人造砥粒も使用可能である。砥粒を付着させるという機能上、コーティング材２の材質としては粘着性や耐熱性を有するものであることが好ましく、好適例としてエポキシ樹脂、フェノール樹脂等の熱硬化性樹脂が挙げられる。加工エリアの温度が極端に上昇しないような条件においては、塩化ビニル、エチレンテレフタレートなどの熱可塑性樹脂も使用可能である。

また、樹脂以外の材質として金属も使用可能であり、特に銅、銀、亜鉛等軟質の金属が望ましい。例えば比較的柔らかい銅をコーティング材２とし、切削刃Ｍａの表面に銅のコーティング層をめっき、溶射等のコーティング手法により形成することが可能である。この場合、表面仕上げ加工中に、ワークＷ（図２）上の砥粒が仕上げ工具により巻き上げられ、その砥粒が銅のコーティング層の表面に刺さるようにして付着する。

また、例えば複合めっき等の手法により砥粒をコーティング材２とともに切削刃Ｍａの表面に付着させることもできるが、コーティング材２のみを切削刃Ｍａの表面にコーティングし、これとは別に砥粒をワークＷの加工部に直接供給することも可能である。

コーティング材２をワークＷ（図２）よりも硬い材質にすると、コーティング層が仕上げ精度に影響を与えることになるので、本発明では、「ワークの材質よりも軟質の材料」をコーティング材２の要件とするものである。切削工具の切削刃（Ｍａ）、ワーク（Ｗ）、砥粒、コーティング材（２）の各硬度の大小関係は、「砥粒＞切削刃＞ワーク＞コーティング材」が最も望ましい。

また、コーティング材２の中に砥粒を予め混入しておき、この混合物を切削刃Ｍａの表面にコーティングした表面仕上げ工具１としても良い。

次に、図２において、工作機械であるマシニングセンタ３は、前記ボールエンドミルＭ等の切削工具やこの切削工具から作製した前記表面仕上げ工具を把持可能な主軸４を備える。図示したマシニングセンタ３は、下端に主軸４を形成した主軸ヘッド５がＸ軸方向およびＺ軸方向に移動し、ワークＷを載置する載置テーブル６がＹ軸方向に移動するタイプであるが、ワークＷと主軸４（主軸ヘッド５）とが直交３軸方向に相対移動可能であれば、例えば、主軸４（主軸ヘッド５）がＺ軸方向に移動し、載置テーブル６がＸ軸方向およびＹ軸方向に移動するタイプや、主軸４（主軸ヘッド５）が直交３軸方向全てに移動するタイプ等であっても良い。

マシニングセンタ３には、主軸４の移動可能範囲内において、ボールエンドミルＭの切削刃Ｍａの表面へのコーティング用として、液体状のコーティング材２あるいはこのコーティング材２に砥粒を混入させた混合物を蓄えた貯槽７が設けられている。この場合のコーティング材２の好適例としては、液状接着材、または、液状接着材に予め砥粒を混入したもの等である。

以下、マシニングセンタ３を用い、ワークＷを金型の成形型とし、その成形凹部Ｗａの表面を仕上げる場合の表面仕上げ方法について、図２および図３（または図４）を参照して説明する。

先ず好適な第１実施例としては、次の（Ａ）〜（Ｄ）の工程を含む方法が挙げられる。
（Ａ）ボールエンドミルＭにより、ワークＷの目標とする最終仕上げ面Ｓから所定厚みｔ１を残して成形凹部Ｗａの切削を行う工程、
（Ｂ）（Ａ）の工程で使用した切削完了後のボールエンドミルＭの切削刃Ｍａの表面に前記コーティング材２をコーティングした構成からなる仕上げ工具１を作製する工程、
（Ｃ）砥粒Ｋを成形凹部Ｗａ上に供給する工程、
（Ｄ）仕上げ工具１により成形凹部Ｗａを仕上げ加工する工程。

図３（ａ）は、（Ａ）の工程が完了した状態を示している。なお、所定厚みｔ１の寸法は例えば数ミクロン程度である。特許文献１の技術に準ずれば、（Ａ）の工程の後にボールエンドミルＭから別部材である砥石に付け替えるところであるが、本発明では、（Ｂ）の工程により、切削に使用したボールエンドミルＭをそのまま利用して仕上げ工具１とする。ボールエンドミルＭを図２の主軸４から取り外すことなく仕上げ工具１を作製する方法としては、（Ａ）の工程の完了後、図２に仮想線で示すように、主軸４（主軸ヘッド５）を移動させて、ボールエンドミルＭの切削刃Ｍａを貯槽７内のコーティング材２（あるいはコーティング材２に砥粒Ｋを混入させた混合物）に浸漬させる構成とすれば良い。

そして、主軸４（主軸ヘッド５）を再び移動させ、図３（ｂ）に示すように、浸漬によりコーティング材２のコーティング層が形成された仕上げ工具１の切削刃Ｍａを成形凹部Ｗａの表面に押し当てる。また、成形凹部Ｗａの表面には砥粒Ｋが供給される。砥粒Ｋは、仕上げ工具１による仕上げ加工としての研削の前に成形凹部Ｗａの表面に予め供給しておいても良いし、研削途中で供給するようにしても良い。

次いで、図２において、マシニングセンタ３の所定のプログラム制御に基づいて主軸４とワークＷとを相対的に３軸方向に移動させ、図３（ｃ）に示すように、仕上げ工具１により成形凹部Ｗａを研削していき、図３（ｄ）に示すように、成形凹部Ｗａの表面を最終仕上げ面Ｓに仕上げる。このとき、仕上げ工具１はボールエンドミルＭによる切削加工時における回転方向とは逆方向に回転させる。図３（ｃ）の研削途中において、成形凹部Ｗａ上の砥粒Ｋはコーティング材２の表面に付着あるいはコーティング層とワークＷとの間に挟み込まれる。なお、研削途中においてコーティング材２が不足するような場合には再度コーティング処理を施せば良い。

以上のように、切削工具（ボールエンドミルＭ）によりワークＷの最終仕上げ面Ｓから所定厚みｔ１だけ残して切削を行い、切削完了後の切削工具（ボールエンドミルＭ）の表面にワークＷよりも軟質の材料からなるコーティング材２をコーティングした構成からなる仕上げ工具１を作製し、砥粒ＫをワークＷ上に供給して、仕上げ工具１によりワークＷの表面を仕上げ加工する表面仕上げ方法とすれば、仕上げ工具１がワークＷ上に供給された砥粒Ｋをコーティング材２の表面に付着あるいはコーティング層とワークＷとの間で挟み込みながらワークＷの表面を研削していくことになる。つまり、砥粒Ｋの集まりからなる外層を形成した切削刃でワークＷの表面を研削することになり、従来の砥石を用いた表面仕上げと略同等の機能を発揮する。これにより、砥石を要することなく、仕上げ精度に優れた表面仕上げ方法となる。また、最初の切削に使用した切削工具（ボールエンドミルＭ）をそのまま使用する方法となるので、切削刃Ｍａの形状が変わることがない。したがって、砥石等の別部材に付け替えることによる取り付け誤差や、別部材の形状の誤差に起因する仕上げ精度への影響が生じず、仕上げ精度に優れた方法となる。

なお、以上の第１実施例は、最初の切削に使用したボールエンドミルＭをそのまま利用して仕上げ工具１とする態様であるが、第１実施例の変形例としては、例えば、最初の切削に使用した切削工具とは別の切削工具を仕上げ工具１とする方法が挙げられる。この場合の方法は次の（Ｂ´）〜（Ｄ）の工程を含むものとして表せる。
（Ｂ´）切削工具（ボールエンドミルＭ）の表面にワークＷよりも軟質の材料からなるコーティング材２をコーティングした構成からなる仕上げ工具１を作製する工程、
（Ｃ）砥粒Ｋを成形凹部Ｗａ上に供給する工程、
（Ｄ）仕上げ工具１により成形凹部Ｗａを仕上げ加工する工程。

この（Ｂ´）〜（Ｄ）の工程を含む方法としても、砥石を要することなく、仕上げ精度に優れた表面仕上げ方法となる。

次に好適な第２実施例について説明する。前記第１実施例およびその変形例が、砥粒Ｋを成形凹部Ｗａ上に供給する態様であったのに対し、第２実施例は、表面仕上げ加工前の段階において、コーティング材２をコーティングし終えた仕上げ工具１に対して直接、砥粒Ｋを付着させる態様に関するものである。

この第２実施例は、次の（Ｅ）〜（Ｇ）の工程を含む。ただし、（Ｅ）、（Ｇ）の工程は前記（Ａ）、（Ｄ）の工程と同一である。
（Ｅ）ボールエンドミルＭにより、ワークＷの目標とする最終仕上げ面Ｓから所定厚みｔ１を残して成形凹部Ｗａの切削を行う工程、
（Ｆ）（Ｅ）の工程で使用した切削完了後のボールエンドミルＭの切削刃Ｍａの表面に前記コーティング材２をコーティングした後に、このコーティングしたコーティング材２に対して砥粒Ｋを付着させた構成からなる仕上げ工具１を作製する工程、
（Ｇ）仕上げ工具１により成形凹部Ｗａを仕上げ加工する工程。

図４（ａ）は、（Ｅ）の工程が完了した状態を示している。この状態から、図２に仮想線で示すように、主軸４（主軸ヘッド５）を移動させて、ボールエンドミルＭの切削刃Ｍａを貯槽７内のコーティング材２（あるいはコーティング材２に砥粒Ｋを混入させた混合物）に浸漬させる。次いで、主軸４（主軸ヘッド５）を移動させて、マシニングセンタ３に別途設けた砥粒Ｋを蓄えた砥粒容器８内に切削刃Ｍａを入れる。これにより、切削刃Ｍａ周りには砥粒Ｋが密集した状態で付着する。

そして、主軸４（主軸ヘッド５）を再び移動させ、図４（ｂ）に示すように、仕上げ工具１の切削刃Ｍａを成形凹部Ｗａの表面に押し当てる。次いで、図２において、マシニングセンタ３の所定のプログラム制御に基づいて主軸４とワークＷとを相対的に３軸方向に移動させ、図４（ｃ）に示すように、仕上げ工具１により成形凹部Ｗａを研削していき、図４（ｄ）に示すように、成形凹部Ｗａの表面を最終仕上げ面Ｓに仕上げる。

以上のように、切削工具（ボールエンドミルＭ）によりワークＷの最終仕上げ面Ｓから所定厚みｔ１だけ残して切削を行い、切削完了後の切削工具（ボールエンドミルＭ）の表面にワークＷよりも軟質の材料からなるコーティング材２をコーティングし、このコーティングしたコーティング材２に対して砥粒Ｋを付着させた構成からなる仕上げ工具１を作製し、仕上げ工具１によりワークＷの表面を仕上げ加工する表面仕上げ方法とすれば、仕上げ工具１は、コーティング材２に予め付着している砥粒Ｋを介してワークＷの表面を研削していくことになる。この場合も勿論、従来の砥石を用いた表面仕上げと略同等の機能を発揮し、これにより、砥石を要することなく、仕上げ精度に優れた表面仕上げ方法となる。また、最初の切削に使用した切削工具（ボールエンドミルＭ）をそのまま使用する方法となるので、切削刃Ｍａの形状が変わることがない。したがって、砥石等の別部材に付け替えることによる取り付け誤差や、別部材の形状の誤差に起因する仕上げ精度への影響が生じず、仕上げ精度に優れた方法となる。特に金型の成型凹部等における微細加工で優れた表面精度が得られる。

なお、以上の第２実施例は、最初の切削に使用したボールエンドミルＭをそのまま利用して仕上げ工具１とする態様であるが、第２実施例の変形例としては、例えば、最初の切削に使用した切削工具とは別の切削工具を仕上げ工具１とする方法が挙げられる。この場合の方法は次の（Ｆ´）、（Ｇ）の工程を含むものとして表せる。
（Ｆ´）ボールエンドミルＭの切削刃Ｍａの表面に前記コーティング材２をコーティングした後に、このコーティングしたコーティング材２に対して砥粒Ｋを付着させた構成からなる仕上げ工具１を作製する工程、
（Ｇ）仕上げ工具１により成形凹部Ｗａを仕上げ加工する工程。

この（Ｆ´）、（Ｇ）の工程を含む方法としても、砥石を要することなく、仕上げ精度に優れた表面仕上げ方法となる。

以上、本発明について好適な実施形態を説明した。本発明において使用される切削工具はボールエンドミルに限られず、ワークＷを切削可能な工具であれば良い。また、表面仕上げ方法として、主に第１実施例と第２実施例とに分けて説明したが、これらを併用する方法、つまり、コーティング材２に対して砥粒Ｋを直接付着させた構成からなる仕上げ工具１を作製し、かつワークＷ上に砥粒Ｋを供給する態様としても良い。

本発明に係る表面仕上げ工具の側面図である。 本発明に係る工作機械であるマシニングセンタの部分外観斜視図である。 本発明に係る表面仕上げ方法の第１実施例を示す作用説明図である。 本発明に係る表面仕上げ方法の第２実施例を示す作用説明図である。

符号の説明

１ 表面仕上げ工具
２ コーティング材
３ マシニングセンタ（工作機械）
４ 主軸
７ 貯槽
Ｋ 砥粒
Ｍ ボールエンドミル（切削工具）
Ｍａ 切削刃
Ｗ ワーク
Ｗａ 成形凹部

Claims (4)

1. 切削工具を把持可能な主軸を持つ工作機械によるワークの表面仕上げ方法であって、
   切削工具によりワークの最終仕上げ面から所定厚み分残して切削を行い、切削完了後の切削工具の表面に前記ワークよりも軟質の材料からなるコーティング材をコーティングした構成からなる仕上げ工具を作製し、砥粒を前記ワーク上に供給して、前記仕上げ工具により前記ワークの表面を仕上げ加工することを特徴とする表面仕上げ方法。
2. 切削工具を把持可能な主軸を持つ工作機械によるワークの表面仕上げ方法であって、
   切削工具によりワークの最終仕上げ面から所定厚み分残して切削を行い、切削完了後の切削工具の表面に前記ワークよりも軟質の材料からなるコーティング材をコーティングした後に、このコーティング材に対して砥粒を付着させた構成からなる仕上げ工具を作製し、この仕上げ工具により前記ワークの表面を仕上げ加工することを特徴とする表面仕上げ方法。
3. 前記切削工具の表面へのコーティング材には、予め砥粒が混入されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の表面仕上げ方法。
4. 切削工具を把持可能な主軸を持つ工作機械において、
   切削工具を把持した前記主軸とワークとが直交３軸方向に相対移動可能であり、
   この主軸の移動可能範囲内に、前記切削工具の表面へのコーティング用として、前記ワークよりも軟質の材料からなる液体状のコーティング材あるいはこのコーティング材に砥粒を混入させた混合物を蓄えた貯槽が設けられていることを特徴とする工作機械。

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