JP7087441B2

JP7087441B2 - 切削加工方法

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Publication number: JP7087441B2
Application number: JP2018033298A
Authority: JP
Inventors: 浩史渡邉; 孝幸東; 佑典鬼頭
Original assignee: JTEKT Corp
Current assignee: JTEKT Corp
Priority date: 2018-02-27
Filing date: 2018-02-27
Publication date: 2022-06-21
Anticipated expiration: 2038-02-27
Also published as: JP2019147218A

Description

本発明は、切削加工方法に関する。

特許文献１には、外周面をすくい面とする環状の切れ刃を有する環状工具を回転させながら、円筒状の工作物に対する切削加工を行う技術が記載されている。この環状工具を用いた切削加工では、環状工具を回転させながら切削加工を行うことにより、切れ刃に発生する切削熱を外周面全周に分散し、工具寿命の向上を図っている。

特開２０１７－７００３号公報

上記した従来技術は、環状工具及び工作物を高速で回転させることにより効率の高い切削加工を行うことができる一方、高効率で切削加工を行うほど切削加工時に発生する切削熱も高くなり、環状工具が早期に摩耗して工具寿命となる。

本発明は、加工能率の向上と工具寿命の向上とを両立させることができる切削加工方法を提供することを目的とする。

本発明の切削加工方法は、外周面をすくい面とし軸方向端面を逃げ面とする環状の切れ刃を有する環状工具を用いて、前記環状工具を中心軸線まわりに回転させながら前記工作物を切削する切削加工方法である。前記工作物は、γ－アルミナを含有し、前記切れ刃による前記工作物の切削加工時に前記工作物の加工部位に発生する切削熱の温度がγ－アルミナからα－アルミナへ変態する温度を超えるような前記環状工具の回転速度、及び、前記工作物に対する前記環状工具の送り速度にて切削加工を行い、前記工作物に含有されるγ－アルミナが変態したα－アルミナを前記切れ刃に被膜しながら切削加工を行う。

本発明の切削加工方法は、工作物に含有されるアルミナを切れ刃に被膜しながら切削加工を行う。これにより、本発明の切削加工方法は、環状工具の回転速度及び送り速度を高速することで切削加工時に加工部位で発生する切削熱が上昇したとしても、アルミナが切れ刃に被膜されているため、その切削熱が切れ刃に伝わることを抑制できる。即ち、本発明の切削加工方法は、環状工具の回転速度及び送り速度を高く設定しつつ、環状工具の摩耗を抑制できるので、加工能率の向上と工具寿命の向上とを両立させることができる。

本発明の一実施形態における切削加工方法に用いる切削装置の全体構成を示す平面図である。図１ＡのＩＢ－ＩＢ線における切削装置の断面図である。工具保持装置に保持された環状工具及び工作物の拡大図であり、環状工具の切れ刃と工作物とが接触した状態を示す。制御装置のブロック図である。工作物Ｗを切削する環状工具の拡大図であって、環状工具の刃先を拡大して示す。加工後の環状工具の刃先を拡大した図である。

以下、本発明に係る切削加工方法を適用した実施形態について、図面を参照しながら説明する。まず、図１Ａから図３を参照して、本発明の一実施形態における切削加工方法に用いる切削装置１の構成を説明する。

（１．切削装置１の全体構成）
図１に示すように、切削装置１は、相互に直交する３つの直進軸（Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸）と、１つの回転軸（Ｃ軸）と、を備えた４軸マシニングセンタである。切削装置１は、工作物保持装置１０と、工作物送り装置２０と、工具保持装置３０と、制御装置１００とを主に備える。

工作物保持装置１０は、工作物Ｗを回転可能に保持する。工作物保持装置１０は、主軸台１１と、心押台１２とを備える。主軸台１１は、工作物Ｗの軸線方向一端側（図１Ａ右側）を回転可能に支持する。主軸台１１は、ハウジングとしての主軸台本体１３と、主軸台本体１３に回転可能に支持される回転主軸１４と、回転主軸１４を回転させるための駆動力を付与する回転主軸モータ１５と、を備える。心押台１２は、ハウジングとしての心押台本体１６と、工作物Ｗの軸線方向他端側（図１Ａ左側）を回転可能に支持する心押センタ１７とを備える。

工作物保持装置１０は、工作物Ｗの回転軸線ＡｗをＸ軸方向と平行に向けた状態で、回転軸線Ａｗ方向両端を回転主軸１４と心押センタ１７により支持する。そして、工作物Ｗは、回転主軸モータ１５が駆動することにより、回転軸線Ａｗまわりに回転する。

工作物送り装置２０は、工作物ＷをＸ軸方向へ送る。工作物送り装置２０は、送り台２１と、Ｘ軸駆動装置２２（図３参照）とを備える。なお、図１Ａ及び図１Ｂでは、Ｘ軸駆動装置２２の図示が省略されている。送り台２１は、ベッド２の上面をＸ軸方向へ移動可能に設けられる。具体的に、ベッド２の上面には、Ｘ軸方向へ延びる一対のＸ軸ガイドレール２３が設けられ、送り台２１は、Ｘ軸ガイドレール２３に案内されながらＸ軸方向へ移動可能に設置される。Ｘ軸駆動装置２２は、ベッド２に対して送り台２１をＸ軸方向（工作物Ｗの回転軸線Ａｗ方向）へ送るねじ送り装置である。

送り台２１の上面には、主軸台１１及び心押台１２が設置され、主軸台１１及び心押台１２に支持された工作物Ｗは、Ｘ軸駆動装置２２を駆動し、送り台２１をＸ軸方向へ移動させることにより、工作物Ｗの回転軸線Ａｗ方向へ送られる。

工具保持装置３０は、後述する環状工具５０を回転可能に保持する。工具保持装置３０は、コラム３１と、Ｚ軸駆動装置３２（図３参照）と、サドル３３と、Ｙ軸駆動装置３４（図３参照）と、工具主軸３５と、工具主軸モータ３６（図３参照）とを備える。なお、図１Ａ及び図１Ｂでは、Ｚ軸駆動装置３２及びＹ軸駆動装置３４の図示を省略している。

コラム３１は、ベッド２の上面をＺ軸方向へ移動可能に設けられる。具体的に、ベッド２の上面には、Ｚ軸方向へ延びる一対のＺ軸ガイドレール３７が設けられ、コラム３１は、Ｚ軸ガイドレール３７に案内されながらＺ軸方向へ移動可能に設置される。Ｚ軸駆動装置３２は、ベッド２に対してコラム３１をＺ軸方向へ送るねじ送り装置である。

サドル３３は、コラム３１の側面をＹ軸方向へ移動可能に設けられる。具体的に、コラム３１の側面には、Ｙ軸方向（鉛直方向）へ延びる一対のＹ軸ガイドレール３８が設けられ、サドル３３は、Ｙ軸ガイドレール３８に案内されながらＹ軸方向へ移動可能に配置される。Ｙ軸駆動装置３４は、サドル３３をＹ軸方向へ送るねじ送り装置である。

工具主軸３５は、サドル３３に対し、Ｚ軸方向に平行な軸線まわりに回転可能に支持される。工具主軸モータ３６は、工具主軸３５を回転させるための駆動力を付与するモータであり、サドル３３の内部に収容される。工具主軸３５の先端には、工作物Ｗの加工に用いる環状工具５０が着脱可能に装着される。環状工具５０は、工具保持装置３０に回転可能に保持され、コラム３１及びサドル３３の移動に伴い、ベッド２に対してＺ軸方向及びＹ軸方向（送り方向に直交する方向）へ平行移動する。

ここで、図２を参照しながら、環状工具５０について説明する。図２に示すように、環状工具５０は、工具本体５１と、工具軸部５２とを備える。工具本体５１は、工作物Ｗに対する切削を行う部位であり、ＣＢＮから構成される。工具本体５１は、円錐台状に形成され、工具本体５１の外周面５３は、すくい面を形成する。また、工具本体５１の大径側の端面５４は、平坦な逃げ面として形成され、外周面５３と端面５４とがなす稜線は、連続した円形状、即ち、途中で分断されていない環状の切れ刃５５として形成される。工具軸部５２は、工具本体５１の小径側の端面から延びる円柱状の部位であり、工具主軸３５に装着される。環状工具５０の回転軸線Ｔｗは、工具主軸３５と同軸に設けられ、環状工具５０は、工具主軸３５の回転に伴って回転軸線Ｔｗ周りに回転する。

図３に示すように、制御装置１００は、工作物回転制御部１１０と、工具回転制御部１２０と、送り制御部１３０と、変位制御部１４０と、を備える。工作物回転制御部１１０は、回転主軸モータ１５の駆動制御を行い、回転主軸１４と心押センタ１７とにより支持された工作物Ｗを回転させる。工具回転制御部１２０は、工具主軸モータ３６の駆動制御を行い、工具主軸３５に装着された環状工具５０を回転させる。送り制御部１３０は、Ｘ軸駆動装置２２の駆動制御を行い、送り台２１をＸ軸方向へ移動させることにより、工作物保持装置１０に保持された工作物ＷをＸ軸方向へ送る。変位制御部１４０は、Ｙ軸駆動装置３４及びＺ軸駆動装置３２の駆動制御を行い、工具保持装置３０に装着された環状工具５０をＹ軸方向及びＺ軸方向へ平行移動させる。

（２．切削加工方法）
次に、図４Ａ及び図４Ｂを参照しながら、切削装置１を用いた工作物Ｗの切削加工方法を説明する。ここで、工作物Ｗは、ごく微量のアルミナが介在物として含有される鋼材であって、軸受鋼等が例示される。なお、本実施形態における工作物Ｗは、熱処理が施された軸受鋼であるＳＵＪ２（高炭素クロム軸受鋼鋼材）とする。具体的に、ＳＵＪ２としての工作物Ｗは、熱処理として、焼入れ処理が施された後に焼戻し処理が施されている。

図４Ａに示すように、切削装置１は、工作物Ｗを回転軸線Ａｗ周りに回転させながら、環状工具５０を回転軸線Ｔｗまわりに回転させる。そして、切削装置１は、工具本体５１の端面５４と工作物Ｗとの間に所定の隙間（逃げ角θ）を形成しながら切れ刃５５を工作物Ｗに接触させることにより、工作物Ｗの切削加工を行う。このとき、例えば、切削装置１は、環状工具５０による工作物Ｗの加工部位で発生する切削熱が工作物Ｗの焼入れ温度を超える温度に到達するように、環状工具５０の回転速度及び送り速度を設定する。

ここで、図４Ｂに示すように、上記した方法で工作物Ｗの切削加工を行うと、加工後の工具本体５１の刃先には、切削加工時に工作物Ｗに含有される成分が溶着する。そして、発明者は、切れ刃５５と外周面５３及び端面５４のうち切れ刃５５の近傍部分とを含む領域Ｐに溶着する溶着物Ｃ１の主成分がアルミナであることを見いだした。

また、ＳＵＪ２は、非金属介在物の清浄度を０．１８％以下とすること、及び、Ｂ系介在物及びＣ系介在物の清浄度を０．０５％以下とすることがＪＩＳＧ４８０５に規定されており、アルミナは、Ｂ系介在物に分類される。つまり、領域Ｐに付着したアルミナは、工作物Ｗに含有されていたＢ系介在物の一部であり、切削加工時に工作物Ｗに含有されるアルミナが、加工後の工具本体５１の刃先の領域Ｐに溶着したと考えられる。

領域Ｐに溶着した溶着物Ｃ１は、領域Ｐを被膜し、切削加工時に発生した切削熱が刃先に伝達されることを抑制する保護膜としての役割を果たす。即ち、環状工具５０は、アルミナを主成分とする溶着物Ｃ１が刃先に被膜されることにより、刃先の摩耗を抑制することができる。このように、切削装置１は、刃先にアルミナを主成分とする溶着物Ｃ１を被膜させながら切削加工を行うことにより、環状工具５０の工具寿命を向上させることができる。

また、切削加工後の工具本体５１の刃先に付着した溶着物Ｃに関して、領域Ｐよりも切れ刃５５から離れた外周面５３及び端面５４の領域Ｑに溶着する溶着物Ｃ２の主成分は、ケイ素の酸化物である。更に、領域Ｑよりも切れ刃５５から更に離れた外周面５３及び端面５４の領域Ｒに溶着する溶着物Ｃ３の主成分は、鉄の酸化物である。

ここで、ケイ素の酸化物は、アルミナよりも融点が低く、鉄の酸化物は、ケイ素の酸化物よりも融点が低い。このことから、環状工具５０による工作物Ｗの加工部位に発生する切削熱は、アルミナの融点よりも低く、且つ、ケイ素の酸化物及び鉄の酸化物の融点よりも高い温度に到達し、領域Ｐに溶着したケイ素の酸化物及び鉄の酸化物は、切削加工時に発生した切削熱によって溶融したと考えられる。

つまり、切削装置１は、環状工具５０による工作物Ｗの加工部位に発生する切削熱が、アルミナの融点よりも低く、且つ、ケイ素の酸化物及び鉄の酸化物の融点よりも高い温度となるように、切削加工を行う。これにより、切削装置１は、領域Ｐに付着したケイ素の酸化物や鉄の酸化物を切削熱によって溶融させつつ、領域Ｐに溶着したアルミナを残存させることができ、その結果、アルミナを主成分とする溶着物Ｃ１によって領域Ｐ（切れ刃５５及び切れ刃５５近傍）を被膜することができる。

さらに、領域Ｐに溶着するアルミナの結晶構造は、αアルミナである。これに対し、熱処理後の工作物Ｗに含有されるアルミナの結晶構造は、γアルミナである。つまり、ＳＵＪ２に含有されていたγアルミナは、切削加工時に発生する切削熱によって加熱され、γアルミナからαアルミナに変態したと考えられる。なお、αアルミナは、γアルミナと比べて耐熱性及び耐摩耗性に優れており、刃先を被膜する保護膜としてのαアルミナは、γアルミナと比べて、環状工具５０の工具寿命の向上を図る点において有利である。

なお、一般的に、切削工具は、切削加工時に加工部位に発生する切削熱が高いほど、早期に摩耗する。従って、切削加工を行う際、加工部位の切削熱が高くなり過ぎないように切削工具の回転速度及び送り速度を制限することが通常である。つまり、従来の切削加工において、γアルミナからαアルミナに変態する温度まで切削熱が到達するような回転速度及び送り速度で切削加工を行うと、切削工具が早期に摩耗するという考え方が一般的であった。

これに対し、切削装置１は、環状工具５０の回転速度及び送り速度を、切削熱がγアルミナからαアルミナに変態する温度（変態点）に到達するような回転速度及び送り速度に設定することで、刃先にαアルミナを溶着させつつ、工作物Ｗに対する切削加工を行う。これにより、切削装置１は、回転速度及び送り速度を高速にして工作物Ｗの切削加工に要する時間の短縮を図りつつ、工具本体５１の刃先がαアルミナを主成分とする溶着物Ｃ１に被膜されることによって刃先の摩耗を軽減することができる。よって、切削装置１は、環状工具５０の工具寿命の向上と加工能率の向上との両立を図ることができる。

なお、本実施形態において、切削装置１は、環状工具５０の回転速度及び送り速度を、切削熱が変態点に到達するような回転速度及び送り速度に設定し、領域Ｐにαアルミナを主成分とする溶着物Ｃ１を溶着させながら切削加工を行う。従って、環状工具５０の回転速度及び送り速度は、工作物Ｗに含有されるγアルミナをαアルミナへ変態させるのに十分な切削熱を発生させるのに十分な速度を設定すればよく、加工部位に発生させる熱は、工作物Ｗに応じて決定すればよい。

さらに、環状工具５０は、環状の切れ刃５５を備え、切削装置１は、環状工具５０を回転させながら切削加工を行うので、切れ刃５５のうち工作物Ｗに接触する部位は、環状工具５０の回転に伴って変わる。そのため、切れ刃５５のうち工作物Ｗに接触した部位及びその部位に溶着した溶着物Ｃは、工作物Ｗから離れて再び工作物Ｗに接触するまでの間に冷却される。よって、環状工具５０は、工具本体５１への切削熱の伝達を抑制できるので、環状工具５０の工具寿命を向上させることができる。

これに加えて、切れ刃５５のうち工作物Ｗに接触する部位は、環状工具５０の回転に伴って変わるので、シングルポイント加工のように切れ刃５５の特定部位を継続して工作物Ｗに接触させる場合に生じる、いわゆる構成刃先と比べて、領域Ｐに溶着する溶着物Ｃ１の部位あたりの厚みの成長が抑制される。よって、環状工具５０を用いた切削加工は、領域Ｐに溶着する溶着物Ｃ１によって環状工具５０の刃先形状が変化することを抑制できる。その結果、環状工具５０を用いた切削加工は、環状工具５０による工作物Ｗの加工精度を維持することができる。

以上説明したように、切削装置１は、切削加工時に工作物Ｗに含有されるアルミナを、切れ刃５５、及び、切れ刃５５近傍の外周面５３及び端面５４を含む領域Ｐに被膜しながら切削加工を行う。これにより、環状工具５０を用いた切削加工は、環状工具５０の回転速度及び送り速度を高速にすることで切削加工時に加工部位で発生する切削熱が上昇したとしても、アルミナを主成分とする溶着物Ｃ１によって切削熱が領域Ｐに伝わることを抑制できる。即ち、環状工具５０を用いた切削加工は、環状工具５０の回転速度及び送り速度を高く設定しつつ、環状工具５０の刃先である切れ刃５５、すくい面としての外周面５３、及び、逃げ面としての端面５４が早期に摩耗することを抑制できるので、加工能率の向上と工具寿命の向上とを両立させることができる。

そして、環状工具５０を用いた切削加工は、切削加工時にγ－アルミナからα－アルミナへ変態する温度を超える切削熱が発生するように、環状工具５０の回転速度及び送り速度を高速に設定するので、工作物Ｗの加工能率を向上させることができる。よって、環状工具５０を用いた切削加工は、加工能率の向上と工具寿命の向上とを両立させることができる。

（３．その他）
以上、上記実施形態に基づいて本発明を説明したが、上記形態に何ら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内で種々の変形改良が可能であることは容易に推察できるものである。また、上記実施形態で挙げた数値は一例であって、他の数値を適用することも可能である。

例えば、上記実施形態では、工作物ＷがＳＵＪ２である場合について説明したが、必ずしもこれに限られるものではなく、本発明の切削加工方法は、アルミナを含有する工作物Ｗであれば、ＳＵＪ２以外の工作物Ｗの切削加工に適用することが可能である。また、上記実施形態では、環状工具５０の工具本体５１がＣＢＮである場合を例に挙げて説明したが、必ずしもこれに限られるものではなく、工具本体５１がＣＢＮ以外の材料、例えば、超硬合金やセラミックス等で構成されていてもよい。

上記実施形態では、切削装置１がクーラントを使用しないドライ加工による切削加工を行う場合について説明したが、領域Ｐに付着する溶着物Ｃ１の主成分がアルミナとなるのに十分な切削熱を加工部位に発生させることができる場合には、クーラントを供給しながら切削加工を行ってもよい。例えば、切削装置１は、切削加工時に加工部位で発生する温度がαアルミナの融点を超える場合に、クーラントを供給し、加工部位に発生する温度がαアルミナの融点以下となるように調整してもよい。

５０：環状工具、５３：外周面、５４：端面、５５：切れ刃、Ｃ，Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３：溶着物、Ｗ：工作物

Claims

外周面をすくい面とし軸方向端面を逃げ面とする環状の切れ刃を有する環状工具を用いて、前記環状工具を中心軸線まわりに回転させながら工作物を切削する切削加工方法であって、
前記工作物は、γ－アルミナを含有し、
前記切れ刃による前記工作物の切削加工時に前記工作物の加工部位に発生する切削熱の温度がγ－アルミナからα－アルミナへ変態する温度を超えるような前記環状工具の回転速度、及び、前記工作物に対する前記環状工具の送り速度にて切削加工を行い、
前記工作物に含有されるγ－アルミナが変態したα－アルミナを前記切れ刃に被膜しながら切削加工を行う、切削加工方法。
前記切削加工方法は、前記環状工具の前記外周面に対し、α－アルミナを被膜させながら切削加工を行う、請求項１に記載の切削加工方法。
前記切削加工方法は、前記環状工具の前記軸方向端面に対し、α－アルミナを被膜させながら切削加工を行う、請求項１又は２に記載の切削加工方法。
前記環状工具は、円錐台状に形成され、前記円錐台状の外周面をすくい面とし、前記円錐台状の軸方向端面を逃げ面とする、請求項１～３の何れか１項に記載の切削加工方法。
前記工作物は、鉄及びケイ素を含有し、
前記切れ刃による前記工作物の切削加工時に前記工作物の加工部位に発生する切削熱の温度が、アルミナの融点よりも低い温度で、かつ、鉄の酸化物の融点及びケイ素の酸化物の融点よりも高い温度となるような前記環状工具の回転速度、及び、前記工作物に対する前記環状工具の送り速度にて切削加工を行う、請求項１～４の何れか１項に記載の切削加工方法。