JPS6243819B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は金属加工に関し、特に、被加工品を予
熱後に機械加工する方法に関する。本発明は、鋳
造及び鍛造されたインゴツト及びビレツト、特に
硬い鋳膚を有するそれら、または加工困難な合金
（特に、高マンガンまたはニツケル基の合金）の
機械加工並びに、種々な耐摩耗材料で被覆された
表面を有する被加工品の機械加工に適用され得
る。

構造材料の強度の増加は、その加工性（機械加
工の容易さ）を阻害する事は知られている。機械
技術に於て現在用いられている合金の硬度は
60HRCに及ぶが、切削工具の硬度は80〜90HRC
である。工具の強度をさらに増加する事は実現さ
れ得ず、従つて、「現在実用されている工具を用
いて、工具に匹敵する硬度を有する材料の機械加
工を可能にする新しい方法」が求められている。

既知の、被加工品を予熱後に機械加工する方法
（認定された英国特許出願1351140号参照）に於て
は、切削工具により切削されるべき被加工品の材
料に対して、切削操作の直前に、プラズマトーチ
を用いて強烈な局部加熱が行われる。

プラズマトーチの出力は、「切削工具により切
削される材料の部分の温度が、工具の満足な切削
を許す程に材料の強度が低下される温度に高めら
れる様に」説定される。プラズマトーチ中のプラ
ズマ形成ガスとしてはアルゴンが用いられる。

この既知の方法は、加工される被加工品のプラ
ズマ加熱により与えられる種々な利益、即ち、簡
単さ、熱束の高密度及び切削工具の小寸法等を含
む利益を有するにも拘らず、その用途は限られて
いる。というのは、まず第一に、硬度の高い材料
の加工に於て高能率を発揮し得ないからであり、
その理由は、「この様な材料の熱伝導度は極めて
低く、よつて特定な熱束強度に達した後、材料を
さらに加熱しても、送りの深さに於ける材料の温
度を少しも高め得ない事」によるのである。この
場合、切削速度を大にすると、加熱された層の深
さが浅くなり、工具の送り率を小にせざるを得な
くなり、よつて、機械加工操作の能率が低下され
る。

また、この既知の方法は、回転軸心を中心とし
て不均等な質量分布を有する鋳造及び鍛造された
ビレツトを回転切削するのに充分有効では無く、
そのためこの様なビレツトが高切削速度で加工さ
れると、旋盤の破損を生じ得る。従つて、この様
なビレツトは一般に、低回転速度で荒削りされ、
この場合、高能率を得る為には、工具の送り率を
増す事が望まれ、よつて、未加熱または加熱不足
の材料が切削される結果になる。さらに、この様
なビレツトの鋳膚中には度々、加熱によつては強
度が変えられない非金属が含有されている。

本発明の主目的は、新規な被加工品を予熱後に
機械加工する方法を提供するにあり、この方法に
於ては、加工される被加工品の表面へのプラズマ
ジエツトの作用により切削が低減される事によつ
て、機械加工の能率が増加され得る。

本発明による上記方法に於ては、切削工具によ
り切削されるべき被加工品の材料に対して、切削
操作の直前に、上記材料の強度が減少される温度
に達する迄、プラズマジエツトによる強烈な局部
加熱が行われ、さらに本発明に於ては、切削工具
の前方にプラズマトーチが置かれ、この際、切削
方向とプラズマジエツトの軸心との間の角度は０
〜45゜の範囲にあり、切削工具の送りの方向とプ
ラズマジエツトの軸心との間の角度は10〜45゜の
範囲内にある様に設定され、よつて、被加工品の
材料の一部がプラズマジエツトにより削り取られ
て、機械加工されるべき面上に溝が形成される。

本発明の利点は、加工されるべき被加工品の表
面がプラズマジエツトにより加熱される計りでな
く、工具により加工される前に上記ジエツジによ
り削り取られる事にある。上述した、プラズマト
ーチの設定角度の範囲は最適作動状態を与える。
これらの角度が上述より小であると、プラズマ切
削操作は非能率になり、上述より大であると、プ
ラズマジエツトにより溶かされた材料が、加工さ
れた表面にぶつかる。本発明の方法により機械加
工の高能率が得られるのは次の理由による。

まず第一に、被加工品の加工される表面上に作
られた溝は、切削工具の送りの方向に於ての材料
の加熱深さを増加する事を許す。というのは、プ
ラズマジエツトが溝中に侵入する事により伝熱面
積が大にされ、よつて材料に与えられる熱が大に
されるからである。さらに、切削面上に作られた
溝は、工具により除去される層の断面積を減少
し、チツプ（切り粉）を変形し易くし、よつて工
具の応力を少くする。さらに、溝が加工される表
面上のストレスライザー（切削面への応力を高め
る手段）を形成し、よつて切削力が減少される事
により、工具の応力が軽減される。

上述の本発明による方法の利点は、加工操作を
広汎に制御する事を可能にする。

上記溝は、加工されている表面の異る部分上に
作られ得、溝の寸法は、加工される材料の如何に
より変えられ得る。

或る場合には、「加工された表面に近い溝の端
と上記表面との間の距離は、加工操作中を通じ
て、0.5〜２mm内に保たれ、溝の巾“ａ”は0.1c
ａ0.8c（ここに、“ｃ”は切削面の巾であ
る）内に保たれ、溝の深さ“ｂ”は0.15sｂ
0.95s（ここに、“ｓ”は、一回転当りまたは一ス
トローク当りの送り量である）内に保たれる事が
望ましい。寸法の小さ過ぎる溝は、材料の加熱及
び切削力に対して何ら見るべき効果を示さず、反
対に、溝の寸法が大き過ぎる場合には、加工され
た表面が損傷されるかまたは、工具にぶつかる材
料が過熱されている為に工具の切削端が破損され
る。

また、他の場合には、溝の深さは、切削操作の
間常に一回転または一ストローク当りの送り量の
少くとも1.2倍の値を有し、加工された面と溝と
の間にある切削面の部分の巾は、溝と加工される
べき面との間にある切削面の部分の巾の0.8倍以
下である事が望ましい。その理由は次の如くであ
る。即ち、溝の深さが小であると、切削端が常に
溶融点に迄加熱された材料の区域内にあり、よつ
て、切削端の損傷を生じるからである。溝により
分けられた切削面の二つの部分の巾の比率は、上
記二部分に係合する切削端のそれぞれの部分に及
ぼされる力の差により定められるが、これについ
ては後に詳述する。

また、溝は加工される面の一部上で、送りの方
向に於て、一回転または一ストローク当りの送り
量の少くとも２倍に等しい深さに達し得る。

熱伝導度の低い材料から成る被加工品に於て
は、溝の深さが小であると、除去される層中に所
要の熱量を蓄積する事が妨げられる。

以下、本発明を添付図面に従い、数実施例につ
いて説明する。

第１図に於て、被加工品１は、例えば旋盤（図
示なし）上で、プラズマトーチ（Plasma
torch）２及び切削工具３を用いて機械加工され
る。トーチ２は、工具３が取付けられるのと同じ
摺動保持体（バイト台−図示なし）上に置かれ
る。加工される被加工品１の寸法及び材料、工具
３の送り速度、切込み深さ及び、トーチ２の作動
様式の如何により、切削速度Ｖの方向とトーチ２
のプラズマジエツトの軸心との間の角度αは０〜
45゜の範囲内に於て変えられ、また、トーチ２の
プラズマジエツトの軸心と工具３の送り方向Ｓと
の間の角度βは10〜45゜の範囲内に於て変えられ
る。工具３の先端と、トーチ２の軸心と切削面４
との交点との間の距離Ｈ（cm単位で）は、0.01V
Ｈ10V内に調節される（ここに、Ｖは切削速
度cm／ｓであり、切削速度及びトーチ２の出力に
従つて定められる）。

トーチ２のプラズマジエツトにより、被加工品
１の材料はその切削面４の部分５に於て、上記材
料の強度が低下される温度に加熱され、さらにプ
ラズマジエツトの作用により加熱部分のうちプラ
ズマトーチ２の軸線と交差する部分が削り取られ
て窪みが形成され、被加工品１が回転されるにつ
れて材料の新しい部分がプラズマジエツトの作用
を受け、この窪みが連続することにより切削面４
上に、工具３の前方に溝６が形成される。ついで
材料の層は、溝６とともに、工具３により除去さ
れる。

上記プラズマによる切削面４の削り取りは、ト
ーチ２の力及び、角度α，βを上述の範囲内で適
当に調節して行われる。角度α及び（または）β
が45゜より大になると、プラズマジエツトにより
溶かされた材料が、切削された表面７上に付着す
るに至り、反対に、βが10゜より小になると、プ
ラズマ切削操作は非能率になる。

本発明の方法を有効に行う為には、空気をプラ
ズマ形成ガスとしたプラズマトーチが用いられ
る。認定された日本特許出願公告昭49−8622号に
示された如き種々のプラズマトーチが用いられ得
るが、プラズマ形成ガスとして空気を用いる事に
より、機械加工の能率を最高限にする事が保証さ
れ、その理由は、本発明者により確められた次の
如き予期されなかつた事実によるのである。

荒削りの場合、切削深さが送り率（被加工品の
一回転当りの送り量）の少くとも２〜３倍である
時には、予熱を行わない場合の最大切削速度は、
送り率に等しい厚さを有する板の空気−プラズマ
切断速度より小である。

鋼板の空気−プラズマ切断速度Ｖは、 Ｖ＝１３．２／ｂcm／ｓ （ここに、ｂは板の厚さcm） という式により表わされる値に達する事が発見さ
れている。プラズマジエツトにより切削面４上に
溝６を作る操作は「プラズマ切断」と見なされ
得、従つて、本発明による、「被加工品を予熱後
に機械加工する方法」を用いる事により切削速度
を任意に増加し得る。

例えば、高マンガン鋼製の被加工品の通常の機
械加工は、予熱なしで、切削速度Ｖ＝20ｍ／min
＝33cm／ｓ、送り率Ｓ＝1.5mm／revに於て一般に
行われるが、プラズマを用いると、上記式によ
り、上記と同じ切削速度に於て、溝６の深さｂ
を、 ｂ＝１３．２／Ｖ＝１３．２／３３＝0.39cm＝3.9mm にする事ができ、 よつて、作られた溝の深さは、送り率Ｓ＝1.5
mm／revより大になり、従つて、工具３により除
去されたチツプ（切り粉）は二部分に分けられ、
よつて、工具３に働く切削力が減少され、従つて
工具３の使用寿命が、与えられた切削速度に対し
て長くされる。

本発明の他の実施態様に於ては、工具３の使用
寿命を、予熱なしの加工の場合と同りに保つて、
切削速度または送り率を増加し得る。

溝６の寸法及び切削面４上での位置は、加工さ
れる材料の熱及び温度伝導度、切削面４の巾に亘
る強度分布により制御される。

第２図は、本発明の方法の一実施形態により加
工される被加工品１の長手方向断面を示し、この
形態は、被加工品が充分に高い熱伝導度を有し、
かつ工具３への最大許容応力が工具の先端に限定
されている場合に用いられる事が望ましい。加工
された表面７に近い溝６の端と上記表面７との間
の距離“ｌ”は、加工操作中を通じて、切削深さ
及び所望の表面仕上げ度合の如何により0.5〜２
mm内に保たれる。溝６の巾“ａ”は0.1cａ
0.8c（ここに、“ｃ”は切削面４の巾である）内
に保たれ、溝６の深さ“ｂ”は0.15sｂ0.95s
（ここに、“ｓ”は、「ターニング操作の時は一回
転当りの、ブレーニング操作の時は一ストローク
当りの工具３の送り量」である）内に保たれる。

第３図は、本発明の他の実施形態により加工さ
れる被加工品１の長手方向断面を示し、この形態
は、耐熱鋼及び耐熱合金の加工に用いられる。溝
６の深さ“ｂ”は、ターニング操作の時は一回転
当りの、ブレーニング操作の時は一ストローク当
りの工具３の送り量“Ｓ”の少くとも1.2倍であ
る。工具３の通過後、深さ“b1”及び巾a1”の
溝８が切削面４上に残される。溝６は切削面４を
二つの部分９と１０とに分け、よつて加工された
面７と溝６との間にある部分９の巾は、溝６と加
工されるべき面１１との間にある部分１０の巾の
0.8倍以下にされる。

溝６の深さ“ｂ”が、一回転または一ストロー
ク当りの送り量“Ｓ”より大である事により、工
具３により除去されるチツプは二部分に分けら
れ、従つて除去されるチツプの断面積が相当減少
される事により、工具３上に働く力が減少され
る。切削面４の部分１０を切削するのに用いられ
ている工具３の切削端の部分は自由切削状態で働
き、従つて切削端上に働く合計力は著しく減少さ
れる。一回転または一ストローク当りの送り量を
超す溝６の深さの値は、「溝６の深さが小である
と、工具３の通過後に切削面４上に残される溝８
の巾ａ１が極めて小になり、よつて、溝中に残さ
れた遊動金属滴が工具３の切削面にくつつき、こ
こを溶かして工具を破損する」という事実により
定められる。

切削面４上の溝６の位置は、第一に、「切削面
４の部分９に係合して非自由切削状態で働いてい
る工具３の切削端の部分上に働く力は、切削面４
の部分１０に係合して自由切削状態で働いている
切削端の他の部分上に働く力より常に大である
事」及び、第二に、「工具３の先端により切削さ
れる金属の部分、即ち加工されるべき面１１に近
い金属の部分より熱交換が遥かに大である部分を
供給する必要がある事」により定められる。

切削面４上に於て工具３により金属が除去され
た後、溝６は完全には除去されず、その残つた部
分８は、次の回転またはストロークの時にプラズ
マトーチ２のジエツト（第１図）に曝されて、適
当な深さに深められる。トーチ２の作動様式、切
削速度及び角度α，βを適当に定める事により、
「工具３の通過後に切削面４に残される溝８（第
３図）の深さｂ１が、加工中常に一定に保たれ、
かつ切削面４上の溝６の、加工された面７に対す
る位置が不変に保たれる様に」加工を行う事がで
きる。

鋳造品、特に遠心鋳造されたものを加工する時
には、工具３の切削端上の最大応力は、一般に多
量の砂または他の摩耗性含有物を含む（鋳造品
の）上層（表層）により発生される。この場合に
は、溝６（第４図）は、加工される面１１の一部
を、工具３の送りの方向に於て、一回転または一
ストローク当りの送り量Ｓの少くとも２倍に等し
い深さに達する様に作られる。

切削面４が相当な巾、例えば25〜40mmの巾を有
する場合には、加工される面１１の一部を掩う溝
６の空気で、工具３の先端に近い区域を完全に加
熱する事は困難であるから、もう一つの溝１２
（第５図）が切削面４上に作られ、溝１２は第２
図の溝と同じ寸法を有し、同様な位置に作られ
る。

実例 １ 本発明の方法が、真空−アーク再融解法を用い
て作られた低炭素ボイラー鋼の円筒形インゴツト
の荒削りに於て試験された。インゴツトの表面上
の鋳膚は、30％迄のマンガンを含んでいた。方法
は、〓BP−402型のプラズマトーチ（日本特許出
願公告昭49−8622号中に示されたもの）を用いて
行われ、上記トーチは、α＝７゜、β＝17゜、Ｈ
＝370mm（第１図）に設定された。アーク電流は
250Aであり、アーク電圧は190Vであつた。切削
面の巾は、不均等な加工許容誤差の結果として15
〜20mmに変化し、切削面上には、巾10mm、深さ
0.5mmの溝が作られた。硬合金工具の送り率は2.5
mm／revであり、切削速度は30ｍ／minであり、
工具の平均寿命は57minであつた。

実例 ２ 低合金鋼の同様なインゴツトを加工するのに、
〓BP−１型のプラズマトーチが用いられ、この
トーチは、α＝42゜、β＝38゜、Ｈ＝350mmに設
定された。アーク電流は270A、アーク電圧は
170Vであつた。７〜10mm巾の切削面上に、巾２
mm、深さ1.8mmの溝が作られた。硬合金工具の送
り率は2.5mm／revであり、切削速度は25ｍ／min
であり、工具の平均寿命は50minであつた。

実例 ３ ステンレス鋼OX18H10Tの同様なインゴツト
を加工するのに、〓BP−402型のプラズマトーチ
が用いられ、このトーチは、α＝15゜、β＝29
゜、Ｈ＝370mmに置かれ、アーク電流は250A、ア
ーク電圧は180Vであつた。12〜15mm巾の切削面
上に、巾７mm、深さ1.2mmの溝が作られた。硬合
金工具の送り率は2.5mm／rev、切削速度は34.5
ｍ／minであり、工具の平均寿命は75minであつ
た。

実例 ４ 本発明の方法が、直径300mm、長さ1700mmのニ
ツケル合金XH67BMT〓のインゴツトを加工する
のに試験された。〓BP−402型のプラズマトーチ
が、α＝12゜、β＝32゜、Ｈ＝270mmに置かれ、
アーク電流は250A、アーク電圧は180Vであつ
た。10〜12mm巾の切削面上に、巾６mm、深さ2.5
mmの溝が作られた。硬合金工具の送り率は1.75
mm／rev、切削速度は12ｍ／minであり、工具の
寿命は60minであつた。

実例 ５ 本発明の方法が、40X27H4〓合金の遠心鋳造さ
れた管で、直径200mm、壁厚120mmを有する管の加
工に試験された。管の表面には、石英砂と焼結さ
れた金属層があつた。〓BP−402型のプラズマト
ーチが、α＝15゜、β＝27゜、Ｈ＝430mmに設定
され、アーク電流は300A、アーク電圧は180Vで
あつた。切削面上には、加工される表面を掩う溝
が作られ、この溝は巾５mm、送り方向に於ける深
さ2.5mmであつた。切削速度は11ｍ／min、送り
率は1.03mm／revであり、硬合金工具の寿命は
120minであつた。

上述の諸実例により明らかなる如く、本発明に
よる方法は、機械加工の能率を増大する事を可能
にし、さらに、切削工具の著しい節約を可能にす
る。

本発明は、上述の諸実施例に限られるものでは
なく、本発明の主旨から脱する事無く種々の改変
が行われ得る事はもとよりである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による予熱後に機械加工を行う
方法に於けるプラズマトーチ及び切削工具の相対
位置を示す説明図、第２図は本発明の一実施形態
により機械加工される被加工品の長手方向断面
図、第３図は本発明の他の実施形態により機械加
工される被加工品の長手方向断面図、第４図は本
発明のさらに他の実施形態により機械加工される
被加工品の長手方向断面図、第５図は本発明の方
法により機械加工される、巾の広い切削面を有す
る被加工品の長手方向断面図である。 １……被加工品、２……プラズマトーチ、３…
…切削工具、４……切削面、６……溝、７……加
工された面、９……加工された面と溝との間にあ
る切削面の部分、１０……加工される面と溝との
間にある切削面の部分、１１……加工される面。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 切削工具３の前方にプラズマトーチ２を、切
   削方向とプラズマトーチの軸線との間の角度を０
   〜45゜、切削工具の送り方向とプラズマトーチの
   軸心との間の角度を10〜45゜の範囲内にあるよう
   に設置し、切削工具により切削されるべき被加工
   品の材料の部分に対して、切削操作の直前に、上
   記材料の強度が減少される温度に達するまでプラ
   ズマジエツトによる強烈な局部加熱を行い、前記
   被加工品の加熱された部分の一部をプラズマジエ
   ツトにより削り取り、機械加工されるべき面４上
   に溝６を形成し、切削工具により除去される層の
   断面積を減少させることを特徴とする被加工品を
   予熱後に機械加工する方法。 ２ 加工された表面７に近い溝６の端と上記表面
   ７との間の距離は、加工操作中を通じて、0.5〜
   ２mm内に保たれ、溝６の巾“ａ”は0.1c≦ａ≦
   0.8c（ここに“ｃ”は研削面４の巾である）内に
   保たれ、溝６の深さ“ｂ”は0.15s≦ｂ≦0.95s
   （ここに“ｓ”は、一回転当りまたは一ストロー
   ク当りの送り量である）内に保たれる事を特徴と
   する特許請求の範囲第１項記載の被加工品を予熱
   後に機械加工する方法。 ３ 溝６の深さは、切削操作の間常に、一回転ま
   たは一ストローク当りの送り量の少くとも1.2倍
   の値を有し、加工された面７と溝６との間にある
   切削面４の部分９の巾は、溝６と加工されるべき
   面１１との間にある切削面４の部分１０の巾の
   0.8倍以上である事を特徴とする特許請求の範囲
   第１項記載の被加工品を予熱後に機械加工する方
   法。 ４ 溝６は、加工される面１１の一部上で、送り
   の方向に於て、一回転または一ストローク当りの
   送り量の少くとも２倍を超す深さに達する事を特
   徴とする特許請求の範囲第１項記載の被加工品を
   予熱後に機械加工する方法。