JP6644223B2 - 回転電極放電加工装置 - Google Patents

Description

本発明は、小径の回転切削工具（ドリルなど）を、製造加工する回転電極放電加工装置に関する。

従来技術の砥石の研削加工では、加工時のワークに研削抵抗がかかり過ぎて、小径の回転切削工具（ドリルなど）の製造加工が困難であるが、回転電極放電加工装置においては、ワークに負荷をかけずに製造加工できる。

特開平５-９６４２２号報 特開平５-２６１６２４号報

回転切削工具、例えばドリルなどのようなワークの製造加工において、従来技術の砥石の研削加工では、加工時のワークに研削抵抗がかかり過ぎて、小径の製造加工が困難である。一方、ワークに負荷をかけずに製造加工できる回転電極放電加工装置もある。

例えば特許文献１では、従来のワイヤ式放電加工機にワーク回転機構と工具電極回転機構を具備した装置である。しかし、この装置ではドリルのシンニング加工は出来ない。また特許文献２も回転電極放電加工機である。これは小径の回転切削工具（ドリルなど）のねじれ溝加工を好適にしたものである。しかし、この装置でもドリルのシンニング加工までは行えず、いずれも、一段取りでは小径の回転切削工具（ドリルなど）を製造加工することはできない。

本発明は、上述の課題を解決するためになされたもので、小径の回転切削工具（ドリルなど）の製造加工において、一段取りにより製造加工が可能な回転電極放電加工装置を提供する。

上記の目的を達成するための発明は下記のとおりである。
まず、装置全体の基盤となる平面を有するベーステーブルが設けられている。
このようなベーステーブルの平面上に、平行に設置されたＸ軸方向に往復動が可能な例えば、固定板とこの固定板上をＸ軸方向に可動する可動板からなるＸテーブルが設けられている。
このＸテーブル上に設置され、例えば、Ｘテーブルの移動に伴って移動する固定板と、この固定板上でＹ軸方向に往復動が可能な可動板とで構成するようなＹテーブルが設けられている。
さらには、Ｙテーブル上であって、前述のベーステーブルの平面に対して垂直になるように設置されたＺガイド柱が設けられている。
また、Ｚガイド柱の側面には、Ｚ軸方向に上下移動でき、且つＸ軸方向に軸がでるように設置された連続で回転するスピンドルが設置されている。
そのスピンドルの先端には、回転電極が取り付けられている。このような構成でＸＹＺステージが構成されている。
前述のＸＹＺステージのＸおよびＹテーブルに隣接する前記ベーステーブル上に、垂直に突出するように設置され、制御可能に回動するＡ軸が設置されている。
このＡ軸の回動に伴って回動する水平部分と垂直部分とでなるＬ字状の支持腕部が設けられている。
Ｌ字状の支持腕部の上端側に、回動制御可能であり、且つ初期位置においてＸ軸方向に軸を有し、前述の回転電極側に突き出るようにＢ軸が設置されている。
Ｂ軸の突き出し部分に一端側が固定され、Ｂ軸の回動制御に伴って回動旋回可能に初期位置で垂下するＢ軸腕部が設けられている。
そのＢ軸腕部の下端側に、初期位置で前記ベーステーブルの平面と平行となるようにワーク支持腕部の一端側が固定されている。
また、ワーク支持腕部の他端側であって、初期状態で前記ベーステーブルの平面に垂直になるように回動制御が可能なＣ軸の先端側にワーク保持部が設置されている。
これらワーク支持腕部およびワーク保持部がワークの軸線方向に直線移動制御が可能に、Ｄ直線移動機構がＢ軸腕部の側面に設置されている。このようにワーク位置制御機構が構成されている。
本発明では、上述のようなＸＹＺステージとワーク位置制御機構とで構成された回転電極放電加工装置、を提供する。

本発明の回転電極放電加工装置のドリルの製造加工では、加工時のワークに負荷をかけずに、ドリル刃先についてねじれ溝、外周、先端角、シンニング加工を一段取りで行うことが出来る。また、ドリルの工具寿命やドリルであけた穴の寸法精度を安定させることが出来る。
すなわち、一段取りで小径ドリルを製造加工することができ、小径ドリルの製造加工時間の短縮と小径ドリルの外周寸法や偏心などの品質を、格段に向上させることが出来る。

本図は、本発明の回転電極放電加工装置の概略を示す右斜め前方からみた初期位置（静止状態）における斜視図である。 本図は、図１における本発明の装置の回転電極とワークとの部分を示す初期位置における拡大図である。 本図は、ワークの加工のためにＸおよびＹテーブルとＺガイド柱で回転電極を位置決めし、Ａ軸〜Ｃ軸と、Ｄ直線移動機構を作動させてワークであるドリルの位置を制御しつつ加工させる時の斜視図である。 本図は、図３におけるワークであるドリルを加工させる時の回転電極とワークとの部分を示す拡大斜視図である。 本図は、ドリルの溝加工時の上面からみた平面図である。 本図は、ドリルの溝加工時の上面からみた平面図の回転電極とワークとの部分を示す部分拡大図である。 本図は、本発明のワークの一例を示すドリルの側面図である。 本図は、本発明のワークの一例を示すドリルの先端側の詳細拡大図である。 本図は、ドリルの心厚の説明図である。 本図は、図８におけるドリルの刃先の平面図である。 本図は、図１の回転電極放電加工装置にワークの加工状態を拡大してみるためのマイクロスコープを具備した装置の右斜め前方からみた斜視図である。 本図は、図１１の回転電極とワークおよびマイクロスコープ部分を示す部分の拡大図である。

以下、本発明の実施の形態を、ドリル１３の製作を１例として、図１〜図１０に基づいて説明する。

本発明の回転電極放電加工装置１００で製作したドリル１３は、図７〜１０に示すように、ねじれ溝１５を有するドリル１３の先端から見て、軸心の先端にシンニング１８を有する。

また、凹形状の主切れ刃３４がシンニング１８と滑らかに接続されている。凹形状の主切れ刃３４の外周においては回転方向と後退する径方向すくい角αと、径方向すくい角αが形成される負角部とが設けられている。

また、負角部と隣接してねじれ溝１５に沿ったマージン２６と、負角部の逃げ面２８とマージン２６とで形成される交線には負角部面取りを有している。

今回実施した回転電極放電加工装置１００は、制御軸数７軸で構成されている。複雑な動作に対応するために、各軸にはサーボモータを使用し、ＮＣ制御している。

本発明の制御軸数は７軸である。そのＸ、Ｙ、Ｚ、Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ軸の構成と動作を、図１〜図６に基づき、まず、ＸＹＺステージ５０から説明する。Ｘテーブル２は、ベーステーブル１上に設置され、Ｘテーブル２の上面に設置される部分をＸ軸方向の位置決めに水平移動させるため固定板部と可動板部とを有するサーボ機構である。Ｙテーブル３は、Ｘテーブル２の上面に設置され、Ｙテーブル３の上面に設置される部分をＹ軸方向の位置決めに水平移動させるため固定板部と可動板部とを有するサーボ機構である。Ｙテーブル３上に設置されたＺガイド柱４は、Ｚガイド柱４の側面に設置されたスピンドル９を回転自在に保持するスピンドル保持部４３の機構全体を水平に保ったままＺ軸方向に、上下動させるためのサーボ機構である。このスピンドル９の先端には、放電加工するための回転電極１１が具備されている。この回転電極１１は、これらの機構全体でＸＹＺ軸方向の任意の合成位置で固定が可能になる。
次に、ワーク位置制御機構３７を説明する。ベーステーブル１に垂直に突出して設置され、水平方向に回転制御可能なＡ軸５にはおいて、側面から見た形状が水平状になる部分と、この水平状になる端部から垂直状になる部分のＬ字状の支持腕部３８で、ワーク保持部１２を水平方向に０〜９０度の回動を行うことが出来る。Ｌ字状の支持腕部３８の上端部側に、ベーステーブル１と平行で、支持腕部３８の水平状部分側の上面になる空間側に先端が突出するように、Ｂ軸６が回動制御可能に設置されている。このＢ軸６は、Ａ軸５による水平旋回に対して垂直旋回の回転で−９０度〜９０度の回動が可能なように設置されている。Ｃ軸７（図３、図４参照）は、ワーク１０の中心軸と同軸であり、その先端側はワーク保持部１２が取り付けられており、ワーク支持腕部３９に対して垂直方向で３６０度の回転することができるようになっている。Ｂ軸腕部８はＢ軸６により回動するが、その側面に設置されたＤ軸直線移動機構３６により、ワーク保持部１２を回転電極１１に向かって近づけたり遠ざけたりする方向、すなわち、図１の静止位置において、Ｃ軸７と同方向にワーク支持腕部３９を直進移動させることが出来る機構部分である。
このようにＢ軸腕部８の側面にＤ軸直線移動機構３６を設けることで、ドリル１３（ワーク１０）の位置制御をしながら、回転電極１１からドリル１３の表面に向かって放電加工を行うので、ドリル１３が小径になっても負荷がかからず、放電加工が行える。

（ドリルのねじれ溝の成形）
上述した本発明の回転電極放電加工装置１００であれば、一段取りで次のような回転切削工具の作製が可能になる。図７〜１０に示す回転切削工具、例えばドリル１３は切れ刃３４がある先端部３５からある程度の長さを経た部分にシャンク部１４を備え、先端部３５からシャンク部１４側に向けて回転軸線周りにねじれ溝１５が形成される。このねじれ溝１５の回転方向を向く壁面の先端側領域をすくい面３１とし、このすくい面３１と先端逃げ面２８との交差稜線部１９に切刃が形成されている。先端部３５は、その先端から基端側に向けて、ドリルの回転軸線Ｏを中心に傾き角、すなわち、ねじれ角θで螺旋状にねじれ、外周面に開口する少なくとも２条以上のねじれ溝１５が対向して形成されている。

（ドリルの先端逃げ面）
図７〜１０に示す先端の逃げ面２８は、ドリル１３の回転方向後方側に向かうに従い、ドリル１３の後端側に向かうように傾斜して切れ刃３４に逃げ角βが付されるとともに、ドリル１３の先端部３５外周側に向けてもシャンク部１４側に向かうように傾斜して、切れ刃３４に先端角γが与えられるように加工されている。

（ドリルの先端外周）
図７〜１０に示す先端部３５の外周面は、ねじれ溝１５のドリル１３の回転方向を向く壁面との交差稜線部１９に、切れ刃３４の外径（図示略。切れ刃３４の外周端が軸線回りになす円の直径）と等しい外径の軸線を中心とした円筒面上に位置するマージン２６が形成されるとともに、このマージン２６よりもドリル回転方向の後方側の部分は、上記外径よりも僅かに小径であり第２逃げ面３０である。マージン２６と上記壁面との交差稜線１９がドリルの先端部３５の先端角（先端２：リーディングエッジ）とされ、第２逃げ面３０とねじれ溝１５のドリル１３回転方向の後方側を向く壁面との交差稜線がヒール３２とされる。なお、マージン部２６にはバックテーパが与えられていてもよい。

（ドリルのシンニング）
図７〜１０に示すねじれ溝１５のドリル１３の先端面における開口部の内周側すなわち軸線Ｏ側には、ねじれ溝１５のドリル１３の回転方向Ｔを向く壁面の内周部を軸線Ｏ側に切り欠くようにしてシンニング１８が形成されている。このシンニング１８には、ドリル１３回転方向Ｔを向くシンニング１８の面と、ドリル１３の回転方向Ｔの後方側を向いてドリル１３の回転方向Ｔ側に隣接する先端逃げ面２８の上記第２逃げ面３０と交差するシンニング１８の壁面とが形成されている。
シンニングとは、心厚２０の切れ刃を形成すること。チゼル２４部分の心厚２０だけを少し落とし、負のすくい角として切れ刃３４を形成する。一般的に、シン二ングとは心厚２０部分の切れ刃を形成する研磨をいう。チゼル２４部分の心厚だけを少し落とし、負のすくい角として切れ刃３４を形成する。シンニングを行うことで、主に食い付き性が向上し切削抵抗を軽減できるため、穴あけ効率があがることが期待できる。

（先端角の成形）
先端加工は、円板状の回転電極１１の側面を先端角γで傾斜させ、ワーク１０に当接し、Ａ軸５、Ｃ軸７、Ｂ軸６およびＤ軸直線移動機構３６により、ワーク１０全周について先端角γを形成する。回転電極１１の側面とワーク１０が突き当たる角度は、 Ａ軸５、Ｂ軸６、Ｃ軸７の回転角度の回転行列を合成した角度となる。

（外周の成形）
外周加工は、円板状の回転電極１１の側面をワーク１０に当接させ、ワーク１０の軸の中心方向に漸進させながら、ワーク１０の軸に沿って移動させ、Ｂ軸腕部８の回転機構によって、ワーク１０の全周について刃長を細く加工する。

（回転電極のドレッシング）
回転電極１１の幅の薄さでドリル１３の溝幅を狭くし、回転電極１１をドレッシング成形する。回転電極１１に与える電圧を精密に制御することで、ねじれ溝の逃げ面をシャープエッジに加工する。ドリル１３のＰＣＤ(多結晶ダイヤモンド)部分の面粗度を重視した放電加工を実現させ、ドリル１３への負荷を軽減している。

（ドリルの成形方法）
ワーク保持部１２に保持されたＰＣＤ超高圧焼結体の径０．３ミリ以下の素材の小径ドリル１３をセンサー（図示されていない）で感知させた後に、演算手段によりドリル１３の径と心厚２０の比から心厚２０を計算して切れ刃を水平にし、加工代の入力により設定した加工量分ドリルを移動させてドリル先端を加工し、逃げ角βの入力により、ワーク保持部１２を傾けて、設定した角度でドリル１３の切れ刃の逃げ面２８を加工し、第２逃げ角の入力により、ワーク保持部１２を傾けて設定した角度で、ドリル１３切刃の第２逃げ面３０を研磨し、逃げ面形状の入力により、選択された逃げ面２８の形状に基づいた制御信号をサーボ機構に送信して、加工条件パラメータの入力による動作を実行し、シンニング１８有無の入力により、シンニング１８を行うか否かを選択し、シンニング１８の深さの入力により、シンニング時におけるチャック移動手段の移動距離を変えてシンニング１８の深さを変化させ、シンニング１８の幅の入力により、シンニング時における電極移動手段の移動距離を変えてシンニング１８の幅を変化させ、加工速度の入力により、加工時のチャック移動手段の送り速度を変化させるように加工して、ドリル１３を製造加工する。本実施例での小径ドリル１３において、確認できた外径は３ミリ〜０．１ミリであった。

（照明付マイクロスコープ）
図１１および図１２は、ドリル１３の先端を観察するために、照明付マイクロスコープ４１を、回転電極１１を取り付けるＸＹＺステージ５０側に設置する場合の斜視図である。その具体的な内容は、回転電極１１を備えるスピンドル９を支えるスピンドル保持部４３の上面に設置されたＬ字状腕部４４の先端に、任意の光学結像倍率をもち可変倍率レンズ又は固定倍率から成るレンズ系と小型のＣＣＤカメラ（もしくは小型ＣＭＯＳカメラ）及びリング照明などの照明を備えた撮像装置（例えば照明付マイクロスコープ）４１と、撮影画像の表示部４２と、撮影画像の画像処理によって、被写体の観察ならび寸法計測を行うことができる。その効果の説明として、機上でドリル１３の形状観察や寸法測定を行うことにより、ドリル１３の先端刃やねじれ溝の出来映えを向上させることができる。製造条件として設定した加工条件が、所望のドリルの形状ならび寸法に仕上がっていることを、製造加工したドリル１３を製造装置から取り外すことなく、正確に検査、評価ができる。

以上、本発明の実施の形態を説明したが、本発明の範囲は、これに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。

また、本発明は上述の発明を実施するための最良の形態に限らず、本発明の要旨を逸脱することなく、その他種々構成を取り得ることは勿論である。

１ ベーステーブル
２ Ｘテーブル
３ Ｙテーブル
４ Ｚガイド柱
５ Ａ軸
６ Ｂ軸
７ Ｃ軸
８ Ｂ軸腕部
９ スピンドル
１０ ワーク
１１ 回転電極
１２ ワーク保持部
１３ ドリル
１４ シャンク
１５ ねじれ溝
１８ シンニング
１９ 交差稜線部
２０ 心厚
２１ ウェブ
２２ 外周
２４ チゼル
２６ マージン
２８ 逃げ面
３０ 第２逃げ面
３１ すくい面
３２ ヒール
３３ コーナアール
３４ 切れ刃
３５ 先端部
３６ Ｄ軸直線移動機構
３７ ワーク位置制御機構
３８ 支持腕部
３９ ワーク支持腕部
４１ 撮像装置
４２ 撮影画像の表示部
４３ スピンドル保持部
４４ Ｌ字状腕部
５０ ＸＹＺステージ
１００ 回転電極放電加工装置
Ｏ 中心軸
α 径方向のすくい角
β 逃げ角
γ 先端角
θ ねじれ角

Claims (1)

1. 平面を有するベーステーブルと、
   前記ベーステーブルの平面に平行に設置されたＸ軸方向に往復動が可能なＸテーブルと、
   前記Ｘテーブル上に設置され、前記Ｘテーブルの移動に伴って移動すると共に、Ｙ軸方向に往復動が可能なＹテーブルと、
   前記Ｙテーブル上であって、前記Ｙテーブルの移動に伴って移動すると共に、前記ベーステーブルに垂直に設置されたＺガイド柱と、
   前記Ｚガイド柱の側面において、Ｚ軸方向に上下動できるようにＸ軸方向に軸がでるように設置されたスピンドルと、
   前記スピンドルの先端に取り付けられた回転電極と、
   前記ＸおよびＹテーブルに隣接する前記ベーステーブル上に垂直に突出して回動することが可能なＡ軸と、
   前記Ａ軸の回動に伴って水平面で回動するように取り付けられた支持腕部と、
   前記支持腕部の上端側に、回動が可能であり、且つ初期位置でＸ軸方向に軸を有し、前記回転電極側に突き出るように設置されたＢ軸と、
   前記Ｂ軸の突き出し部分に一端側が固定され、Ｂ軸の回動に伴って垂直面で回動可能で、初期位置において垂下するＢ軸腕部と、
   前記Ｂ軸腕部の他端側に、初期位置で前記ベーステーブルと平行になるように一端側が固定されたワーク支持腕部と、
   前記ワーク支持腕部の他端側であって、初期位置で前記ベーステーブルの平面に垂直になるように回動可能に設置されたワーク保持部と、
   前記ワーク支持腕部およびワーク保持部が前記Ｂ軸腕部の側面に沿って直線移動が可能に設置されたＤ直線移動機構と、
   を具備した回転電極放電加工装置。