JP7337358B2

JP7337358B2 - スカイビング加工装置およびスカイビング加工方法

Info

Publication number: JP7337358B2
Application number: JP2021545183A
Authority: JP
Inventors: 英二社本; 文広糸魚川; 龍三森
Original assignee: Murata Machinery Ltd; Nagoya Institute of Technology NUC; Tokai National Higher Education and Research System NUC
Current assignee: Murata Machinery Ltd; Nagoya Institute of Technology NUC; Tokai National Higher Education and Research System NUC
Priority date: 2019-09-13
Filing date: 2020-08-18
Publication date: 2023-09-04
Anticipated expiration: 2040-08-18
Also published as: US20220305563A1; JPWO2021049257A1; WO2021049257A1; CN114340830A

Description

関連出願の相互参照

本出願は、２０１９年９月１３日に出願された日本国特許出願２０１９－１６７３２１号に基づくものであって、その優先権の利益を主張するものであり、その特許出願の全ての内容が、参照により本明細書に組み込まれる。

本開示は、スカイビング加工装置およびスカイビング加工方法に関する。

ハードスカイビングと呼ばれる加工法が知られている。この加工法では、被削材の回転軸線に対して斜めに配置した切れ刃を被削材に切り込ませた状態で、当該回転軸線に直交する切削方向成分を含む方向に送り、被削材表面を加工する（たとえば特許文献１）。スカイビング加工によれば、斜めに傾けた直線切れ刃で円筒面の長手旋削を行うことで、工具送り方向の幾何学的粗さ（理論粗さ）を小さくでき、良好な仕上げ面が得られる。また切削工具を切削方向にも移動させることで、切れ刃における被削材表面との接触位置が、切れ刃一端側から他端側に向けて移動する。これにより摩耗を切れ刃全体に分散させることができ、工具寿命を延長できる。

特許第３９８４０５２号公報

ハードスカイビング加工は、高精度な円筒面が要求される焼入れ鋼製シャフトの仕上げに利用することが提案されている。この仕上げ加工では、切削工具として、焼入れ鋼の切削加工に適しているとされるＣＢＮ（Cubic Boron Nitride／立方晶窒化硼素）工具が用いられる。しかしながらＣＢＮ工具は比較的高価である上に、単結晶ダイヤモンド工具に比べると切れ刃の鋭利さは劣り、鏡面切削と呼べるほど十分に良好な仕上げ面粗さは得られない。

一方で、単結晶ダイヤモンド工具は、鏡面切削を行える鋭利な切れ刃をもつが、ＣＢＮ工具よりもさらに高価であり、また切れ刃のサイズを大きくできないため、加工能率は低い。ハードスカイビング加工の特徴の一つは、傾けた直線切れ刃で円筒面を高能率に旋削できることにあるが、単結晶ダイヤモンドでは切れ刃を長く形成できないため、ハードスカイビング加工の利点を活かしきれない。

本開示はこうした状況に鑑みてなされており、高能率なスカイビング加工を実現するための技術を提供することにある。

上記課題を解決するために、本開示のある態様のスカイビング加工装置は、被削材を取り付けられた主軸を回転させる回転機構と、被削材の回転軸線に対して斜めに配置した切れ刃を被削材に切り込ませた状態で、当該回転軸線に直交する切削方向成分を含む方向に送る送り機構とを備える。切削工具の切れ刃は、ダイヤモンドコーティング層にレーザ光の集束箇所を含む筒状照射領域を走査することで形成されている。

本開示の別の態様は、被削材の回転軸線に対して斜めに配置した切れ刃を被削材に切り込ませた状態で、当該回転軸線に直交する切削方向成分を含む方向に送ることで被削材表面を加工するスカイビング加工方法であって、切削工具の切れ刃は、ダイヤモンドコーティング層にレーザ光の集束箇所を含む筒状照射領域を走査することで形成されている。

実施形態のスカイビング加工装置の概略構成を示す図である。パルスレーザ研削を説明するための図である。ダイヤモンドコーティングしたチップ母材をパルスレーザ研削する工程を示す図である。被削材の断面を示す図である。

図１は、実施形態のスカイビング加工装置１の概略構成を示す。図１に示すスカイビング加工装置１は、円筒形状や円錐形状などの被削材６に対して切削工具４の切れ刃４ａを切り込ませてハードスカイビング加工する切削装置である。図１に示すスカイビング加工装置１は、円筒形状の被削材６である焼入れ鋼製シャフトの仕上げ加工に利用されてよい。

スカイビング加工装置１はベッド５上に、被削材６を回転可能に支持する主軸台２および心押し台３と、切削工具４を支持して被削材６に対して相対移動させる送り機構８とを備える。主軸台２の内部には、被削材６を取り付けられた主軸２ａを回転させる回転機構９が設けられる。送り機構８は切削工具４を、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸方向に移動させる。図１においてＸ軸方向は、水平方向であって且つ被削材６の回転軸線に直交する切込み方向、Ｙ軸方向は、鉛直方向であって且つ被削材６の回転軸線に直交する切削方向、Ｚ軸方向は、被削材６の回転軸線に平行な方向である。

制御部１０は、回転機構９を制御して主軸２ａを回転させるとともに、主軸２ａの回転中に送り機構８を制御して、切削工具４の切れ刃４ａを被削材６に切り込ませる。回転機構９および送り機構８は、それぞれモータなどの駆動部を有して構成され、制御部１０は、それぞれ駆動部への供給電力を調整して、回転機構９および送り機構８のそれぞれの動きを制御する。スカイビング加工時、送り機構８は、被削材６の回転軸線に対して斜めに配置した切れ刃４ａを被削材６に切り込ませた状態で、当該回転軸線に直交する切削方向成分を含む方向に送る。

スカイビング加工で使用する切れ刃４ａは直線切れ刃であって、被削材６の接平面（ＹＺ平面）において被削材６の回転軸線（Ｚ軸方向）に対して斜めに配置される。送り機構８は、切れ刃４ａを被削材６に切り込ませた状態で、接平面において当該回転軸線に直交する切削方向成分（Ｙ軸方向成分）を含む送り方向に送ることで、被削材６の表面を加工する。このとき送り機構８は切れ刃４ａを、切れ刃４ａの直線刃先に平行な方向に対して交差する方向、つまり切れ刃４ａの直線刃先に平行な方向に対して直交する成分を含む送り方向に送る。送り機構８は切れ刃４ａの送り工程において、回転軸線に対する直線刃先の角度を一定に維持してよい。回転軸線に対して斜めに配置した切れ刃４ａが切削方向に送られることで、直線切れ刃４ａの被削材６に対する接点（切削点）が移動し、被削材６の直線切れ刃４ａにより切削される部分（点）も回転軸線に沿って移動する。

実施形態の切削工具４の切れ刃４ａは、ダイヤモンドコーティングしたチップ母材を、パルスレーザ研削することで形成される。
図２は、パルスレーザ研削を説明するための図である。パルスレーザ研削は、レーザ光２０の光軸方向に延び且つ加工可能なエネルギをもつ円筒状の照射領域を被加工部材２１の表面に重ねて、その光軸と交差する方向へ走査することで、円筒状の照射領域が通過した被加工部材２１の表面領域を除去する加工法である。パルスレーザ研削は、被加工部材２１の表面に、光軸方向および走査方向に平行な面を成形する。たとえば特開２０１６－１５９３１８号公報は、パルスレーザ研削を実施するレーザ加工装置を開示する。

図３は、ダイヤモンドコーティングしたチップ母材４ｂをパルスレーザ研削する工程を示す。レーザ光照射部２２は、レーザ光を発生するレーザ発振器、レーザ光の出力を調整する減衰器、レーザ光の径を調整するためのビームエキスパンダなどを備え、これらを経たレーザ光が光学レンズ経由で出力されるように構成される。たとえばレーザ発振器は、Ｎｄ：ＹＡＧパルスレーザ光を発生してよい。

略矩形のチップ母材４ｂの一辺側には、ダイヤモンドがコーティングされている。ダイヤモンドコーティング層は、たとえばプラズマ化学気相蒸着法（ＣＶＤ）により、チップ母材４ｂの一辺体にわたって形成される。このダイヤモンドコーティング層に、レーザ光の集束箇所を含む筒状照射領域を走査することで、長く鋭利な切れ刃４ａが形成される。この工程ではレーザ光照射部２２が固定され、チップ母材４ｂのダイヤモンドコーティング層にレーザ光２０の集束箇所を含む筒状照射領域を当てながら、チップ母材４ｂを一定方向に動かすことで、チップ母材４ｂの一辺に鋭利な直線切れ刃４ａを形成する。

ダイヤモンドコーティング層は、単結晶ダイヤモンドやＣＢＮ等に比べて、レーザ光の高いエネルギー吸収率を有するため、パルスレーザ研削により高能率に切れ刃を形成できる。また欠陥が少なく高硬度であるため、鋭利な切れ刃先端を低コストで形成しやすい利点もある。実施形態のスカイビング加工装置１は、パルスレーザにより鋭利に加工されたダイヤモンドの切れ刃４ａをもつ切削工具４を利用する。

図４は、被削材６の断面を示す。被削材６は、窒素原子が侵入型固溶原子として存在する固溶体層６ａを表面に有する。被削材６は鉄系材料であり、実施形態では鋼材とするが、他の種類の金属であってもよい。実施形態のスカイビング加工装置１は、被削材６の表面の固溶体層６ａを、ダイヤモンドコーティング層をパルスレーザ研削して形成した直線切れ刃４ａを用いて加工する。

固溶体層６ａは、被削材６の表面に、窒素原子を拡散固溶させることで形成される。固溶体層６ａは、たとえば窒素原子を含む希薄気体内に被削材６を配置し、その希薄気体に電子ビームを照射して励起することで形成されてよい。なお固溶体層６ａの深さは１００ミクロン以下に制限される。

固溶体層６ａは、鉄の窒化物を実質的に含まないことが好ましい。固溶体層６ａが鉄の窒化物を含むと、切削時にダイヤモンドの切れ刃４ａが欠損する可能性がある。そこで鉄の窒化物を含まないように固溶体層６ａを形成することで、切削工具４の寿命を長くできるとともに、切削後における表面粗さを小さくできる。

固溶体層６ａは、特開２０１８－１３５５９６号公報に開示されるアトム窒化法によって形成されてよい。アトム窒化法は、窒素原子を含むプラズマを用いて、窒素原子を被削材６の表面から侵入、拡散させる方法である。アトム窒化法により形成される固溶体層６ａは、鉄の窒化物を含まないため、好適な形成方法である。

実施例のハードスカイビング加工によると、安価なダイヤモンドコーティング工具である切削工具４を利用するとともに、被削材６の表面に固溶体層６ａを形成することで、切れ刃４ａの炭素原子が被削材６に侵入することによる工具摩耗を回避できる。これにより鋭利な長い切れ刃４ａを、長い切削距離にわたって維持でき、焼入れ綱を含む鉄系材料の鏡面加工を、安価且つ高能率に実現できる。なお図４には、被削材６の表面に窒化処理により形成した固溶体層６ａを示したが、固溶体層６ａは、ＮｉＰめっきによりリン原子を拡散固溶させることで形成されてもよい。

図１に戻り、スカイビング加工装置１は、レーザ光照射部７を備えてよい。レーザ光照射部７は、切れ刃形成に用いるレーザ光照射部２２（図３参照）と同じ構成を有してよい。スカイビング加工装置１がレーザ光照射部７を備えることで、切削工具４の切れ刃４ａが摩耗したときに、切削工具４を取り外すことなく、スカイビング加工装置１上でレーザ光照射部７によるパルスレーザ研削を行うことで、切れ刃４ａを研ぎ直すことができる。

スカイビング加工装置１がレーザ光照射部７を搭載すると、ハードスカイビング加工時に切削工具４を被削材６に対して移動する送り機構８を、レーザ光照射部７によるパルスレーザ研削時にも利用して、切削工具４をレーザ光２０に対して移動でき、設備のトータルコストを低減できる。また制御部１０は、スカイビング加工装置１上で形成された切れ刃４ａの位置を正確に把握できるため、工具切れ刃位置の不正確さに起因する固溶体層６ａの取り代の増減をなくすことができる。固溶体層６ａの深さは１００ミクロン以下であって取り代を大きくできないため、切れ刃４ａの研ぎ直しをスカイビング加工装置１上でできることは、浅い固溶体層６ａの鏡面切削に有利である。なお切れ刃４ａをスカイビング加工装置１上で研ぎ直せることで、一度切削工具４を取り外して研ぎ直す場合と比較すると、取り付け誤差に起因する加工誤差を低減できる。

以上、本開示を実施形態をもとに説明した。この実施形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組合せにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本開示の範囲にあることは当業者に理解されるところである。

本開示の態様の概要は、次の通りである。本開示のある態様のスカイビング加工装置は、被削材を取り付けられた主軸を回転させる回転機構と、被削材の回転軸線に対して斜めに配置した切れ刃を被削材に切り込ませた状態で、当該回転軸線に直交する切削方向成分を含む方向に送る送り機構とを備える。切削工具の切れ刃は、ダイヤモンドコーティング層にレーザ光の集束箇所を含む筒状照射領域を走査することで形成されている。

この態様によると、ダイヤモンドコーティング層をパルスレーザ研削することで形成した切れ刃を利用することで、高能率なスカイビング加工を実現できる。

被削材の表面には、侵入型固溶原子が存在する固溶体層が形成されることが好ましい。被削材の表面に固溶体層を形成することで、切れ刃の寿命を長くできる。

スカイビング加工装置は、切削工具の切れ刃にレーザ光の筒状照射領域を走査するレーザ光照射部をさらに備えてよい。スカイビング加工装置がレーザ光照射部を備えることで、切削工具をスカイビング加工装置から取り外すことなく、切れ刃の研ぎ直しを行うことができる。

本開示は、スカイビング加工に利用できる。

１・・・スカイビング加工装置、４・・・切削工具、４ａ・・・切れ刃、６・・・被削材、６ａ・・・固溶体層、７・・・レーザ光照射部、８・・・送り機構、９・・・回転機構、１０・・・制御部。

Claims

被削材が取り付けられた主軸を回転させる回転機構と、
被削材の回転軸線に対して斜めに配置した切削工具の直線切れ刃を被削材に切り込ませた状態で、当該回転軸線に直交する切削方向成分を含む方向に送る送り機構と、
ダイヤモンドコーティング層からなる直線切れ刃にレーザ光の筒状照射領域を走査するレーザ光照射部と、を備え、切削工具の直線切れ刃における被削材との接点が当該直線切れ刃の一端側から他端側に向かう方向に移動して被削材表面を加工するスカイビング加工装置であって、
被削材の表面には、侵入型固溶原子が存在する固溶体層が形成されており、
前記送り機構は、加工時には切削工具を被削材に対して移動し、レーザ研削時には切削工具をレーザ光に対して移動する、
ことを特徴とするスカイビング加工装置。
固溶体層の深さは１００ミクロン以下である、
ことを特徴とする請求項１に記載のスカイビング加工装置。
被削材の回転軸線に対して斜めに配置した切削工具の直線切れ刃を被削材に切り込ませた状態で、当該回転軸線に直交する切削方向成分を含む方向に送ることで、切削工具の直線切れ刃における被削材との接点が当該直線切れ刃の一端側から他端側に向かう方向に移動して被削材表面を加工するスカイビング加工方法であって、被削材の表面には、侵入型固溶原子が存在する固溶体層が形成されており、固溶体層の深さは１００ミクロン以下であり、切削工具の直線切れ刃は、ダイヤモンドコーティング層にレーザ光の集束箇所を含む筒状照射領域を走査することで形成されている、
ことを特徴とするスカイビング加工方法。