WO2012056631A1 - 旋削加工装置及び旋削加工方法 - Google Patents

Abstract

本発明は連続して流出する切りくずを、切りくずの発生直後に強制的に断続切削することによって、旋削時に生じる工具刃先の温度の上昇を抑制して工具寿命の延長を図る。　先端に第１の切れ刃を有する第１の切削加工工を用いて回転する被加工物を切削加工する旋削加工装置であって、第１の切れ刃によって切削され、排出される切りくずを、その排出直後に回転する第２の切れ刃を有する第２回転切削工具を用いて断続的に切断する。

Description

旋削加工装置及び旋削加工方法

　本発明は、切削工具を用いて回転する素材（被加工物）を加工するための旋削加工装置及びその加工方法に関する。

　回転する素材（被加工物）の表面に切削工具を押し当てて切削加工を行う場合、切削加工の過程で発生する切りくずが切削工具に衝突し、その工具の動きを阻害したり、また、切りくず自身が発生させる振動等により高精度の切削加工が困難になることがある。

　斯かる切削加工時の隘路事項を解決し、高精度の切削加工を実現する手段として、特許文献１には切りくずを所望の方向に誘導することにより被加工物と切削工具との切削抵抗やそこで発生する発熱等を抑制可能な工作機械が開示されている。また、特許文献２では、切削工具にからみついた切りくずを切断する手段を設けた切削装置が開示されている。

特開２００９－２０８１６２号公報 特開２０１０－５２１０２号公報

　しかしながら、上記した特許文献１において、切りくずを所望の方向に引張る手段を備えることによって切りくず自身が不用意な方向に動いたり、切削工具と絡まることを防止することを目的とするものであって、被加工物と切削工具との切削抵抗やそこで発生する発熱等を直接的に軽減させるものではない。また、特許文献２においても切削工具とは別に設けられ、移動可能な切削カッターが備えられ、切削工具に絡みついた切りくずを切断することを目的としている。

　即ち、切削工具を用いて回転する被加工物の表面を加工する場合、切削工具と被加工物との接触と同時に連続的に発生する切りくずがその切りくずの長さとともに工具先端に与える切削抵抗、それによって発生する発熱などの影響を極力軽減させ、常に同一の切削条件を保持しなければならないという要求がなされているにも拘らず、上記した何れの特許文献もその要求を満たすことが困難である。

　本発明は上記した従来技術の問題点を解決し、連続して発生する切りくずを切りくずの発生直後、もしくは発生した切りくずの長さが極めて短い間に切断することによって、旋削時に生じる工具刃先にかかる切削抵抗の変動を抑制し、更には切削工具と被加工物とが接触している領域の温度上昇を抑制し、その結果として高精度の加工、工具自身の切削寿命向上を図ることを目的とする。

　尚、切りくずが極めて短い間とは上記した本発明の目的が達成可能な切りくずの長さであることを意味し、被加工物の材質や加工条件に依存することは言うまでもありません。

　上記した本発明の目的を達成させるために、先端に第１の切れ刃を有する第１切削工具を用いて被加工物を旋削加工する旋削加工機であって、被加工物表面の旋削中に切削工具の第１の切れ刃より排出される切りくずを、その排出直後に切断可能な位置に第２の切れ刃を備えた第２回転切削工具を配置した。

　ここで、切りくずの排出直後に切断可能な位置とは、第１切削工具の上部位置であって、被加工物の表面から排出された切りくずに対して第１切削工具と第２回転切削工具とを同一方向もしくは互いに相対する方向、即ち、切りくずを挟んで対面する方向に配置した。

　また、第１切削工具は第１の切れ刃と被加工物との距離を調整可能な第１の切れ刃移動機構を備えており、第２回転切削工具は第２の切れ刃と切りくずとの距離を３次元的に調整可能な第２の切れ刃移動機構を備えている。

　そして、第１の切れ刃移動機構と第２の切れ刃移動機構とは互いに連動して被加工物の回転軸方向に移動可能な連動機構を備え、その連動機構を含めた第１及び第２切れ刃の移動機構を制御するための制御部を備えている。

　切りくずを切断するために切りくずに対して第２切れ刃を配置する位置は、切りくずの発生位置（即ち被加工物と第１の切れ刃が接触している位置）から排出される切りくずの長さで約０．５～３ｍｍの位置である。

　本発明によれば、切りくずの排出直後に切りくずが切断されるため、第１の切れ刃にかかる切削力はほぼ同じ状態が維持されることになる。これにより安定した高精度の切削加工が行われるばかりでなく、旋削時に生じる第１の切れ刃を有する第１切削工具の刃先温度の上昇を抑制し、その結果として工具寿命の向上が可能である。

第１切削加工工具を用いて被加工物を切削加工する直前の状態を説明するための概観図である。 切削加工時の初期段階を表わし、被加工物から排出される切りくずの状態を説明するための概観図である。 被加工物から連続的に排出される切りくずの状態を説明するための概観図である。 図３で示した切りくずが排出される状況を詳細に説明するための概略図である。 排出された切りくずを切断するための第２回転切削工具の配置を説明するための概略図である。 第２回転切削工具を用いて切りくずを切断する様子を詳細に示した説明図であって、同図（ａ）は切りくず切断直前の状態を、同図（ｂ）は切りくず切断直後の状態を表わしている。 切りくず切断直後の状態を説明するための図であるが、図６（ｂ）と異なる位置で切断された場合を表わしている。 第１切削工具の刃先近傍において、切削加工中に発生する温度上昇の様子を示す計算結果である。 第２回転切削工具の位置調整を説明するための概観図である。 第２回転切削工具の切れ刃と切りくずとの位置関係を制御するための切りくず切断位置検出部を説明するための概観図である。 被加工物切削用の第１切削加工工具と切りくず切断用の第２回転切削工具とを備えた旋削加工装置の全体構成図である。

　以下、図面を用いて実施の形態を詳細に説明する。
  図１は第１切削加工工具を用いて被加工物を切削加工する直前の状態を説明するための概観図である。同図において、被加工物２０６は図に示した回転方向３００のように右回転している。そして、この被加工物２０６の外周表面に対して先端に第１の切れ刃１０１を有する第１切削加工工具１０２を押し当てて被加工物２０６の表面を切削加工する。図示していないが、第１切削加工工具１０２は被加工物２０６の直径方向３０１及び回転軸方向３０２に移動可能な移動機構に装着されており、被加工物２０６の切削状況に連動して移動するように制御されている。

　図２は切削加工時の初期段階を表わし、被加工物から排出される切りくずの状態を説明するための概観図である。被加工物２０６の外周表面に第１切削加工工具１０２を押し当てることにより、被加工物２０６の一部が切削され、切りくず１０８として外部に排出される。同図において、切りくず１０８が排出され始めた直後の状態をイメージ的に示しているが、その詳細は後に説明する。

　図３は第１切削加工工具を被加工物の回転軸方向に移動させて被加工物の切削加工がある程度進み、被加工物から連続的に排出された切りくずの状態を表わしている。この図から明らかのように切りくず１０８は切削加工が進むにつれて切りくず１０８自身に変形が生じ、螺旋状に排出される。

　更に被加工物２０６の切削加工が継続された場合、切りくず１０８は非常に長くなって切削加工装置内に滞留するようになり、切削加工において様々な障害を齎すようになる。例えば、切りくず１０８が第１切削加工工具１０２に絡みつき、その動きを阻害したり、第１切削加工工具１０２の切削抵抗が増大して切削加工精度に悪影響を及ぼしたり、更には、被加工物２０６と第１切削加工工具１０２との接触領域での温度が上昇し、切削加工能率の低下や切削加工工具の寿命低下を引き起こす要因となる。従って、切削加工工具の寿命を伸ばし、かつ被加工物を高精度に、効率よく加工するためには切削の過程で発生した切りくずを適切に排除することが極めて重要である。

　ここで、切りくず１０８が排出される様子を更に詳細に説明する。
  図４は図３で示した切りくず１０８が排出される状況を詳細に説明するための概略図である。図２に示した切削加工開始直後とほぼ同じ状況を第１切削加工工具１０２の第１の切れ刃１０１の真上から観察したときの概観を示すものである。同図（ａ）は第１切削加工工具１０２の第１の切れ刃１０１が被加工物２０６の外周表面に食い込み、切りくず１０８が排出された直後の状態であり、同図（ｂ）はある程度切削加工が進んで切りくず１０８の排出が更に進行し、第１の刃先１０１に形成されているすくい面上に持ち上がりつつ、切りくず１０８は被加工物２０６の回転軸方向にねじれるように成長する。同図（ｃ）は同図（ｂ）に示した切りくず１０８が更に成長し、第１の切れ刃１０１のすくい面上で切りくず１０８が次第に螺旋状に成長していく。

　ところで、切りくず１０８の排出方向は第１の切れ刃１０１の被加工物２０６の直径方向の切込み量及びその回転軸方向への移動速度（言い換えれば第１切削加工工具１０２の送り速度に応じた加工条件）と、第１の切れ刃１０１と被加工物２０６とが接触するときの第１の切れ刃１０１の刃先形状、更には被加工物２０６の材質によって決まる。概略的には図４に示したように、被加工物２０６に切り込んだとき、第１の切れ刃１０１が被加工物２０６と交わる２点を結ぶ直線２０７に対してほぼ垂直な方向に排出される。

　また、切りくず１０８の排出速度は被加工物２０６を回転方向３００へ回転させたときの第１の切れ刃１０１との相対速度とほぼ同じか、それよりも遅くなる傾向にある。そして、切りくず１０８が第１の切れ刃１０１上で螺旋形状になるまでの切りくず１０８の長さ（ほぼ直線形状）は、第１の切れ刃１０１の先端位置（概略的には先に示した直線２０７の位置）から概ね０．５～３ｍｍである。

　さて、切削の過程で発生した切りくず１０８を適切に排除することが極めて重要であるが、この切りくず１０８を除去する方法について以下に説明する。
  図５は排出された切りくず１０８を切断するための第２回転切削工具の配置を説明するための概略図である。同図において、第２回転切削工具１００は回転機構部１０５の回転駆動軸１０４の先端に取り付けられた第２の切れ刃１０３と回転機構部１０５を収納するための回転機構保持部１０６とで構成され、この第２回転切削工具１００は第１切削加工工具１０２と連結されている。特に、第１の切れ刃１０１と第２の切れ刃１０３と被加工物２０６とが互いに干渉しないような位置に配置されていることは言うまでもない。

　第２の切れ刃１０３は連続して排出される切りくず１０８を切断するためものであり、回転機構部１０５の回転を駆動伝達軸１０４を用いて第２の切れ刃１０３に伝達し、その回転力により連続して排出される切りくず１０８を断続的に切断する。また、この回転機構部１０５は空気配管１０７を介して供給される空気を用いて高速回転を可能にしている。

　図６は第２回転切削工具１００を用いて切りくず１０８を切断する様子を詳細に示した説明図であって、同図（ａ）は切りくず１０８の切断直前の状態を、同図（ｂ）は切りくず１０８の切断直後の状態を表わしている。同図（ａ）及び（ｂ）において、第２回転切削工具１００は便宜上、回転する第２の切れ刃１０３の一部分のみ示してあり、その第２の切れ刃１０３の先端部分が動く回転軌跡を破線２０８で示した。

　図６に示した切りくず１０８は螺旋状に変形する前の状態であって、この段階で切断し、除去することが望ましい。従って、上記した破線２０８の位置は排出される切りくず１０８のほぼ直線的な領域、即ち、第１の切れ刃１０１が被加工物２０６と交わる２点を結ぶ直線２０７の位置から切りくず１０８の排出方向に向かって０．５～３ｍｍ程度の範囲内であることが望ましい。

　切断された切りくず１０８の一部は切削加工装置内に蓄積され、適宜外部へ排除される、もしくは図示しないが、専用の切りくず回収機構部を用いて外部に排除される。

　図７は切りくず１０８が除去される別の様態を説明する図である。この例は、前述の場合と比較して大きな切込み量で切削加工を実施した場合であって、排出される切りくず１０８の厚さが大きい場合である。具体的には切りくず１０８の厚さが０．５～０．８ｍｍ程度を想定する。
このような場合の切断箇所は回転する第２の切れ刃１０３と切りくず１０８との接触する部分（破線２０８）ではなく、むしろ第１の切れ刃１０１が被加工物２０６と交わる２点を結ぶ直線２０９の位置（図４の破線２０８の位置）になることが多い。

　この理由は次のように考えられている。即ち、被加工物２０６に第１の切れ刃１０１を押し当てて切削加工を行うとき、第１の切れ刃１０１の切削力が被加工物２０６に作用して実際の切削が行われる領域２１０（図７におけるハッチング部分）の温度が著しく上昇し、そこでの強度が低下するため、切断が起き易くなる。

　図８は切削加工の過程で、第１の切れ刃１０１に生じる温度上昇を有限要素法によって解析した結果である。横軸に第１の切れ刃１０１の切削距離、縦軸に第１の切れ刃１０１の先端部分での温度を示す。この図から明らかのように、第１の切れ刃１０１の先端部分に生じる温度は切削開始とともに、すなわち切削時間経過とともに上昇するが、切削距離が３ｍｍ以上で数１００℃という極めて高温度に達し、それ以上の切削距離において温度はほぼ飽和する。

　第１の切れ刃１０１の摩耗はこの先端部分に生じる温度上昇の大きさと第１の切れ刃１０１の先端部分に加わる力によって発生し、これによって切削工具の寿命もほぼ決まってしまう。従って、第２の切れ刃１０３を用いて切りくず１０８を切断するためには、図８に示したように第１の切れ刃の先端部分の温度が高温度に達する前であって、更には可能な限り低い温度の環境下で切りくず１０８の切断を行うことが重要である。そして、その結果として切削工具の寿命を延ばすことも可能である。

　図８の結果から、第１の切れ刃１０１の先端部分の温度が高温度に達するまでの切削距離は概ね０．５～３ｍｍと推定される。そこで、第１の切れ刃１０１の切削速度が１００ｍ／ｍｉｎとすれば、切削距離０．５ｍｍは切削時間に換算すると５×１０^-６分に相当する。従って、この時間ごとに切りくず１０８を第２の切れ刃１０３を用いて切断すれば良いことになる。尚、切断箇所は切削開始直後が望ましいことになるが、そのような領域での切断においては第１の切れ刃１０１と第２の切れ刃１０３が互いに干渉する可能性が高まるため、切断箇所の下限値は０．５ｍｍ（第１の切れ刃１０１と被加工物２０６とのふたつの交点を結ぶ線から切りくず１０８が排出する方向の距離）とした。

　図５に示した第２の切れ刃１０３の例ではその刃数は４枚なので、４×５×１０^-６分で第２の切れ刃１０３を１回転させれば良い。第２の切れ刃１０３は回転機構部１０５からの駆動力によって回転するが、そのときの回転数は５万回転／分であり、図５に示した空気配管１０７から供給される空気によって十分な回転数を得ることが出来る。尚、第２の切れ刃１０３の刃数が４枚以外の場合であっても同様な効果が得られる。例えば刃数が８枚であれば、第２の切れ刃１０３の回転数は２．５万回転／分となる。

　また、第１の切れ刃１０１の切削距離を１ｍｍとし、第２の切れ刃１０３の刃数を８枚としたとき、第２の切れ刃１０３の回転数を１．２５万回転／分まで下げることができる。

　図５において、第１の切れ刃１０１と第２の切れ刃１０３との相対的な位置関係は次のように定義される。即ち、被加工物２０６の表面を切削加工するとき、第１の切削工具の第１の切れ刃より排出される切りくず１０８を、その排出直後に切断可能な位置に第２の切れ刃１０３を備えた第２回転切削工具１００を配置することが重要である。

　ここで、切りくず１０８の排出直後に切断可能な位置とは、第１切削工具１０２の上部位置であって、被加工物２０６の外周表面から排出された切りくず１０８に対して第１切削工具１０２と第２回転切削工具１００とを互いに干渉することなく同一方向もしくは互いに相対する方向、即ち、切りくずを挟んで対面する方向に配置すればよい。そして、ふたつの切れ刃の間隔は、切削加工の過程において第１の切れ刃１０１の先端部分の温度が高温に上昇する範囲内であることが望ましく、前述のように、０．５～３ｍｍ程度の範囲内であることが望ましい。

　尚、第２の切れ刃１０３の回転駆動源として空気を使用した場合を説明したが、電気力を使用した電気モータであっても何ら問題ない。

　次に、第１の切れ刃１０１と第２の切れ刃１０３との位置関係を調整する方法を説明する。
  図９は第２回転切削工具１００の位置調整を説明するための概観図である。第２の切れ刃１０３及びそれを回転させるための回転機構部１０５保持するための回転機構保持部１０６、この回転機構保持台４０１を第１切削加工具１０２に固定するための連結板４０３、これらの位置を調節するための位置調整ねじ４０２及び４０４を備えている。連結板４０３は回転機構保持部１０６と空間的に固定されている。

　回転機構保持部１０６に備えられた位置調整ねじ４０２のそれぞれを調整することによって第２の切れ刃の回転面を被加工物２０６の回転軸を含む面内で自由に変えることが出来、また、連結板４０３に取り付けられた位置調整ねじ４０４を適宜調整することによって第２の切れ刃１０３の位置を被加工物２０６の直径方向で自由に調整することが出来る。即ち、図９に示したように、第２回転切削工具１００は第２の切れ刃１０３と切りくず１０８との相対的な距離を３次元的に調整可能な第２の切れ刃移動機構を備えていることになる。

　図９には図示していないが、第１切削加工工具１０２を被加工物２０６の直径方向及び回転軸方向に移動可能な第１の切れ刃移動機構を備えているが、第１の切れ刃移動機構と第２の切れ刃移動機構とは互いに連動して動くようにしても良い。そして、その連動機構を含めた第１及び第２切れ刃の移動機構を制御するための制御部を備えている（図示せず）。尚、この場合には図９に示した位置調整ねじ４０２及び４０４は上記した制御部でコントロールされる機構部を有することは言うまでもない。

　ところで、切りくず１０８と第２の切れ刃１０３とが常に最適な位置関係で接触するとは限らない。図１０は切りくず１０８と第２の切れ刃１０３との位置関係を制御するための切りくず切断位置制御部を説明するための概観図である。同図において、第１切削加工工具１０２及び第２回転切削工具１００については図５または図９で説明した通りである。そして、切りくず１０８と第２の切れ刃１０３との位置関係を制御するために追加された点は下記の機構である。

　第２回転切削工具１００を構成する回転機構保持台１０６は連結板５０２、調節ねじ５０３及びねじ調整機構部５０４を介して切削加工工具保持ステージ２０２に連結されている。そして、切りくず１０８と第２の切れ刃１０３とを同一視野内に捕らえることの可能な位置にＣＣＤカメラを備えた切断位置検出部５０５が固定板５０６を介して切削加工工具保持ステージ２０２に固定されている。

　切断位置検出部５０５で捕らえられた画像は制御部（図示していない）で解析される。そして、切りくず１０８と第２の切れ刃１０３との位置関係が適切でない場合には、両者が適切な位置関係になるまで制御部（図示していない）を介してねじ調整機構部５０４をＸＹＺ方向に駆動させる。尚、この例ではねじ調整機構部５０４を用いて切りくず１０８と第２の切れ刃１０３との位置関係を最適化するが、図９に示した位置調節ねじ４０２及び回転保持機構部１０６を用いて調整しても構わない。

　切りくず１０８の排出方向は切削加工条件によっても変化するが、切削加工を連続して行うと第１の切れ刃１０１が被加工物２０６と接触する部分が摩耗し、第１の切れ刃１０１の形状自体が変化し、そして被加工物２０６の材質によっては第１の切れ刃１０１に溶着物が堆積するために変化することが考えられる。

　上記した構成により、切削加工の過程で変化する切りくず１０８の排出方向やこれに伴う第２の切れ刃１０３との位置関係を常に最適化し、切りくず１０８の切断を行うことが出来るので、被加工物２０６を切削加工する際の第１の切れ刃１０１の温度上昇が抑制されて、刃先摩耗を低減できるという効果を奏する。

　図１１は被加工物切削用の第１切削加工工具と切りくず切断用の第２回転切削工具とを備えた旋削加工装置の全体構成図である。同図において、旋削加工装置２００は旋削主軸機構２０１、第１の切れ刃１０１及び第２の切れ刃１０３を備えた切削機構具保持ステージ２０２、回転軸に直交する半径方向移動機構２０３、回転軸方向移動機構２０４、制御装置２０５を備えている。また、同図において、２０６は回転させてその外周表面の切削を行うための被加工物である。

　旋削主軸機構２０１は被加工物２０６を固定して回転させる機構であり、その先端には被加工物を保持するためのチャック機構を備えている。旋削主軸機構２０１の回転数、切削機構具保持ステージ２０２の移動量、半径方向移動機構２０３及び回転軸方向移動機構２０４の移動量や移動速度、第１の切れ刃１０１と第２の切れ刃１０３との位置関係等は制御装置２０５のプログラム指令により制御される。

１００：第２回転切削工具、１０１：第１の切れ刃、１０２：第１の切削加工工具、１０３：第２の切れ刃、１０４：駆動伝達軸、１０５：回転機構部、１０６：回転機構保持部、１０７：　空気配管、１０８：切りくず、２００：旋削加工装置、２０１：旋削主軸機構部、２０２：切削工具保持ステージ、２０３：半径方向移動機構、２０４：回転軸方向移動機構、２０５：制御装置、２０６：被加工物、２０７、２０８：切断箇所、２０９：破談箇所、２１０：温度上昇部、３００：被加工物の回転方向、３０１：被加工物の直径方向、３０２：被加工物の回転軸方向、４０２，４０４：位置調整ねじ、４０３：連結板、５０２：連結板、５０３：調整ねじ、５０４：ねじ調整機構部、５０５：切断位置検出部、５０６：固定板

Claims (8)

1. 　先端に第１の切れ刃を有する第１切削加工工具を用いて被加工物を旋削加工する旋削加工装置であって、前記被加工物の外周表面の旋削加工中に前記第１切削加工工具の第１の切れ刃により排出される切りくずを、その排出直後に切断可能な位置に第２の切れ刃を備えた第２回転切削工具を配置したことを特徴とする旋削加工装置。
2. 　前記切断可能な位置は、前記第１切削加工工具の上部であって、前記被加工物から排出された前記切りくずに対して前記第１切削加工工具と前記第２回転切削工具とを同一方向もしくは互いに相対する方向に配置したことを特徴とする請求項１に記載の旋削加工装置
   。
3. 　前記第１切削加工工具は前記第１の切れ刃と前記被加工物との距離を調整可能な第１の切れ刃移動機構を備えており、前記第２回転切削工具は前記第２の切れ刃と前記切りくずとの距離を３次元的に調整可能な第２の切れ刃移動機構を備えていることを特徴とする請求項１に記載の旋削加工装置。
4. 　前記第１切削加工工具は前記被加工物の回転軸方向に移動可能な移動機構を更に備えていることを特徴とする請求項３に記載の旋削加工装置。
5. 　前記第１の切れ刃と前記被加工物との交点を結ぶ位置から前記切りくずの排出方向に向かって０．５～３ｍｍの範囲内に前記第２の切れ刃が配置されることを特徴とする請求項１に記載の旋削加工装置。
6. 　前記第２の切れ刃の刃数が少なくとも４枚以上であることを特徴とする請求項１に記載の旋削加工装置。
7. 　回転する被加工物の外表面に第１の切れ刃を押し当てて切削加工を行う旋削加工方法であって、前記被加工物から排出される切りくずを、その排出直後に回転する第２の切れ刃を用いて切断することを特徴とする被加工物の旋削加工方法。
8. 　前記切りくずは、前記第１の切れ刃と前記被加工物との交点を結ぶ位置から前記切りくずの排出方向に向かって０．５～３ｍｍの範囲内で切断することを特徴とする請求項７に記載の被加工物の旋削加工方法。

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