WO2023203792A1 - 切削加工方法 - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to a cutting method for cutting the surface of a workpiece to form a machined surface.
- this technique involves heating and reducing the strength of the area in contact with the tool by irradiating the area of the workpiece with a laser in advance of the area in contact with the tool (see Patent Documents 1 and 2). ).
- the present invention has been made to solve these problems, and its purpose is to provide a technique for reducing machining resistance while increasing the degree of freedom as a machining method.
- a first aspect of solving the above problem is to move a tool having a corner formed by a flank face and a rake face in a predetermined machining direction relative to the workpiece while contacting the surface of the workpiece.
- a cutting method for forming a machined surface by cutting the surface of the workpiece by displacing the workpiece comprising: cutting the surface of the workpiece to form a machined surface;
- This cutting method includes a groove forming procedure in which a plurality of grooves extending along a direction intersecting the processing direction are formed at intervals in the processing direction.
- this aspect may be implemented as the second aspect shown below.
- the corner is defined as a boundary between a cutting target layer to be cut to the corner in contact with the workpiece and chips cut to the corner in that state.
- a "sheared plane" extending from the surface of the layer to be cut to the tip of the corner in a cross-sectional view intersecting the extending direction of the groove, the grooves are spaced at intervals wider than the length L of this "sheared plane". form each.
- a plurality of grooves are formed at intervals on the surface of the workpiece, each extending along a direction intersecting the machining direction, on the downstream side of the machining direction by the tool. be done.
- the corner of the tool is used as the boundary between the layer to be cut that is cut at the corner in contact with the workpiece and the chips cut from this layer.
- a "sheared surface” is formed from the surface of the layer to be cut to the tip of the corner.
- This "shear plane" is inclined downstream in the machining direction from the tip of the corner, and the machining resistance when cutting chips from the layer to be cut changes depending on its length.
- the closer the corner is to this groove the shorter the inclination and formation of the sheared surface will be obstructed by the groove. Processing resistance can be reduced in the vicinity.
- the applicant of the present application has developed a groove spacing suitable for reducing the machining resistance as described above. I found out. Therefore, with the cutting method according to the above aspect, the machining resistance can be effectively reduced.
- the decrease in machining resistance is brought about by the structural feature of grooves formed at predetermined intervals, and it is also caused by the strength reduction due to heating, which is a feature that tends to change over time.
- Steps of the cutting method As shown in FIG. At the same time, the surface of the workpiece 20 is cut to form a workpiece surface 21 by displacing the workpiece 20 in a predetermined processing direction (see the arrow in the figure) relative to the workpiece 20. .
- the tool 10 is a tool with a rake angle of 0 to 20°.
- a displacement procedure is performed (s110).
- the tool 10 is brought into contact with the surface of the workpiece 20, and then displacement relative to the workpiece 20 in the processing direction is started.
- the workpiece 20 side is displaced with respect to the tool 10. According to this displacement, the surface of the workpiece 20 is cut to form a processed surface 21.
- the workpiece 20 is configured to be able to be displaced in the machining direction with respect to the tool 10 by a displacement mechanism (not shown).
- the displacement speed can be selected from a range of 50 to 300 m/min.
- a groove forming procedure is performed (s120).
- a direction intersecting the processing direction the direction toward the back of the paper in FIG. 1;
- a laser more specifically, a pulsed laser
- a plurality of grooves 30 extending in this direction are formed at intervals in the processing direction.
- Each of the groove portions 30 is formed as one groove extending over a certain length in a direction intersecting the processing direction.
- the groove portion 30 with a depth of 20 to 40 ⁇ m and a width of 20 to 200 ⁇ m is formed.
- a laser with a pulse width of 7 ⁇ s, an output of 2.0 to 3.0W, a wavelength of 355nm, and a frequency of 15kHz is applied to the surface of the workpiece 20. Irradiate vertically.
- the laser is irradiated by the irradiation unit 100.
- the irradiation unit 100 includes an oscillator that outputs a pulsed laser, a vibration adjuster that adjusts the order of the frequency of the laser, an attenuator (ATT) that adjusts the output of the laser, and a beam expander (EXP) that adjusts the diameter of the laser. It is configured such that the laser that has passed through these is outputted through the optical lens and the slit 110 described above, and the optical axis is directed in a predetermined direction to irradiate the laser.
- the laser is irradiated at a period (for example, 0.04 to 2 ms) determined according to the displacement speed according to the displacement procedure and the interval at which the grooves 30 are to be formed.
- the groove portions 30 are each formed at an interval P (>L) wider than the length L of the sheared surface 29.
- This sheared surface 29 is formed as a boundary between the layer 25 to be cut that will be cut into the corner 15 in contact with the workpiece 20 and the chips 27 cut into the corner 15 in this state. , is a surface extending from the surface of the layer 25 to be cut to the tip of the corner 15 in a cross-sectional view intersecting the direction in which the corner 15 extends.
- the grooves 30 are formed at intervals of 0.2 to 1.5 mm.
- the length L of the sheared surface 29 is determined by the thickness d of the layer 25 to be cut, the shear angle ⁇ between the processed surface 21 and the sheared surface 29, and the rake surface 13 of the corner 15 processed.
- the rake face average friction coefficient ⁇ is the friction coefficient (0.25 to 0.4) of the materials of the workpiece 20 and the tool 10, and the cutting speed (relative displacement speed of the tool 10 with respect to the workpiece 20).
- the rake face average friction coefficient ⁇ is smaller than 0.1. The processing conditions are adjusted to achieve this.
- the workpiece 20 side in the displacement procedure, is displaced with respect to the tool 10.
- the tool 10 side in the displacement procedure, may be displaced with respect to the workpiece 20.
- the groove forming procedure is performed in sequence at the same timing as the displacement procedure.
- the groove forming procedure may be performed before the displacement procedure, and does not necessarily have to be performed at the same timing.
- each of the groove portions 30 is formed as one groove extending in a direction intersecting the processing direction.
- each of the groove portions 30 may have a plurality of holes or grooves arranged in a line over a certain length in a direction intersecting the processing direction.
- the groove portion 30 is formed by irradiating the laser continuously or intermittently while displacing the laser irradiation area along the direction intersecting the processing direction.
- the tool 10 is a single-stage rake angle tool, but a tool having a two-stage rake shape may be adopted as the tool 10.
- a groove extending in a direction intersecting the processing direction is formed.
- a lens that can spread the laser beam linearly along the direction intersecting the processing direction may be used.
- a groove extending in a direction intersecting the processing direction is formed.
- the surface of the workpiece 20 is repeatedly scanned with a laser along a direction that intersects the processing direction (the direction toward the back of the paper in FIG.
- a groove extending in the direction may be formed.
- the irradiation unit 100 be provided with a displacement mechanism that allows the irradiation unit 100 to be displaced in two directions intersecting the optical axis of the laser.
- the areas 23 on the downstream side in the direction of processing by the tool 10 extend along the direction intersecting the direction of processing.
- a plurality of grooves 30 are formed at intervals.
- a sheared surface 29 extending from the surface of the layer 25 to be cut to the tip of the corner 15 is formed in a cross-sectional view intersecting the direction in which the corner 15 of the tool 10 extends.
- This sheared surface 29 is inclined downstream in the machining direction from the tip of the corner 15, but there is a concern that the longer it becomes, the more machining resistance will increase when cutting chips 27 from the layer 25 to be cut. There is.
- the groove 30 is formed on the downstream side in the processing direction as in the above embodiment, the closer the corner 15 is to the groove 30, the more the groove 30 impedes the inclination and formation of the sheared surface 29. Since it becomes shorter, machining resistance particularly near the groove portion 30 can be reduced.
- the applicant of the present application focused on the relationship between the interval between the grooves 30 and the machining resistance, and as a result, the applicant found that the interval between the grooves 30 suitable for reducing the machining resistance is the sheared surface as described above. An interval wider than the length L of 29 was found. Therefore, the cutting method described above can effectively reduce the machining resistance.
- the decrease in machining resistance is brought about by the structural feature of the grooves 30 formed at predetermined intervals, and is brought about by the characteristic that the situation tends to change over time, such as a decrease in strength due to heating.
- it is not necessarily necessary to perform processing immediately after forming the groove portion 30, and in this respect, there is a high degree of freedom as a processing method.
- the cutting method described above can reduce machining resistance while increasing the degree of freedom as a machining method.
Abstract
逃げ面およびすくい面により角部をなす工具を、加工対象物の表面に接触させつつ、前記加工対象物に対して相対的に所定の加工方向へと変位させることによって、前記加工対象物の表面を切削して加工面を形成する切削加工方法であって、前記加工対象物の表面のうち、前記加工方向の下流側となる領域に、それぞれ前記加工方向と交差する方向に沿って延びる複数の溝部を、前記加工方向に間隔を空けて形成する溝形成手順、を備える。
Description
本発明は、加工対象物の表面を切削して加工面を形成する切削加工方法に関する。
加工対象物を切削加工する際には、工具を加工対象物に接触させて変位させるにあたり、この変位に伴う加工抵抗が工具の摩耗や部分的な欠損といった不具合の原因となる。この不具合は加工の難しい難切削材であるほど顕著となる。
そのため、切削加工時の加工抵抗を低下させるための技術が種々提案されている。例えば、加工対象物において工具が接触する領域に先行してレーザを照射することによって、工具が接触する領域の強度をその直前に加熱して低下させる、といった技術である（特許文献１、２参照）。
ただ、この技術は、レーザによる加熱で加工対象物の強度を低下させるものであるため、レーザの照射された領域が充分に加熱されたままで工具と接触するよう、加熱直後に加工を行うようにする必要があり、必ずしも加工方法としての自由度が高くないという課題がある。
本発明はこのような課題を解決するためになされたものであり、その目的は、加工方法としての自由度を高めつつ、加工抵抗を低下させるための技術を提供することである。
上記課題を解決するための第１局面は、逃げ面およびすくい面により角部をなす工具を、加工対象物の表面に接触させつつ、前記加工対象物に対して相対的に所定の加工方向へと変位させることによって、前記加工対象物の表面を切削して加工面を形成する切削加工方法であって、前記加工対象物の表面のうち、前記加工方向の下流側となる領域に、それぞれ前記加工方向と交差する方向に沿って延びる複数の溝部を、前記加工方向に間隔を空けて形成する溝形成手順、を備える切削加工方法である。また、この局面は、以下に示す第２局面のようにしてもよい。第２局面において、前記溝形成手順では、前記加工対象物に接触した前記角部に切削される切削対象層と、その状態で前記角部に切削された切りくずと、の境界として、前記角部の延びる方向と交差する断面視で、前記切削対象層の表面から前記角部の先端に至る「せん断面」を想定した場合に、この「せん断面」の長さＬより広い間隔で前記溝部それぞれを形成する。
上記局面の切削加工方法であれば、加工対象物の表面のうち、工具による加工方向の下流側となる領域に、それぞれ加工方向と交差する方向に沿って延びる複数の溝部が間隔を空けて形成される。
加工対象物を切削して加工面が形成される過程では、加工対象物に接触した角部に切削される切削対象層と、ここから切削された切りくずと、の境界として、工具における角部の延びる方向と交差する断面視で、切削対象層の表面から角部の先端に至る「せん断面」が形成される。
この「せん断面」は、角部の先端を起点として加工方向の下流側に傾斜した状態となるが、この長さに応じて切削対象層から切りくずを切削する際の加工抵抗が変化する。この点、上記局面のように、加工方向の下流側に溝部が形成されていると、この溝部に角部が近づくほど、せん断面の傾斜および形成が溝部に妨げられて短くなるため、特に溝部近辺において加工抵抗を低下させることができる。
ただし、溝部を増やしてその間隔が狭くなりすぎると、溝部同士の間の領域が角部に押されて下流側に倒れてしまい、これが角部の変位を妨げる結果、かえって加工抵抗の増加を引き起こす懸念がある。
本願出願人は、このような溝部の間隔と加工抵抗との関係に着目して創意工夫を施した結果、加工抵抗を低下させるのに適した溝部の間隔として、上記局面のような溝部の間隔を見出した。そのため、上記局面の切削加工方法であれば、効果的に加工抵抗を低下させることができる。
ここで、加工抵抗の低下は、所定間隔で形成された溝部という構造的な特徴によりもたらされているため、加熱による強度低下という時間経過で状況が変化しやすい特徴によりもたらされているものとは異なり、必ずしも溝部を形成した直後に加工を行う必要はなく、その点で加工方法としての自由度が高い。こうして、上記局面の切削加工方法では、加工方法としての自由度を高めつつ、加工抵抗を低下させることができる。
以下に、加工対象物の表面を切削して加工面を形成する切削加工方法につき、図面を参照しながら説明する。
（１）切削加工方法の手順
本実施形態の切削加工方法は、図１に示すように、逃げ面１１およびすくい面１３により角部１５をなす工具１０を、加工対象物２０の表面に接触させつつ、加工対象物２０に対して相対的に所定の加工方向（同図矢印参照）へと変位させることで、加工対象物２０の表面を切削して加工面２１を形成する、というものである。なお、工具１０は、すくい角０～２０°の工具である。
本実施形態の切削加工方法は、図１に示すように、逃げ面１１およびすくい面１３により角部１５をなす工具１０を、加工対象物２０の表面に接触させつつ、加工対象物２０に対して相対的に所定の加工方向（同図矢印参照）へと変位させることで、加工対象物２０の表面を切削して加工面２１を形成する、というものである。なお、工具１０は、すくい角０～２０°の工具である。
この切削加工方法では、図２に示すように、まず、変位手順が実施される（ｓ１１０）。ここでは、工具１０を加工対象物２０の表面に接触させたうえで、加工対象物２０に対する相対的な加工方向への変位を開始させる。本実施形態では、工具１０を加工対象物２０の表面と接触するまで変位させた後、加工対象物２０側を工具１０に対して変位させる。この変位に従って、加工対象物２０の表面が切削されて加工面２１が形成される。
加工対象物２０は、図示されない変位機構により、工具１０に対し、加工方向に変位可能に構成されている。本実施形態では、変位速度を５０～３００ｍ／ｍｉｎの範囲から選択可能に構成されている。
そして、溝形成手順が実施される（ｓ１２０）。ここでは、加工対象物２０の表面において加工方向の下流側となる領域（角部１５が到来することとなる領域）２３に対し、加工方向と交差する方向（図１における紙面の奥手前方向；以下同様）に延びるスリット１１０を通じてレーザ（より具体的にはパルスレーザ）を繰返し照射することにより、この方向に延びる複数の溝部３０を、加工方向に間隔を空けて形成する。溝部３０それぞれは、加工方向と交差する方向に一定の長さにわたって延びる一つの溝として形成される。
ここでは、深さ２０～４０μｍ、幅２０～２００μｍの溝部３０を形成する。具体的な例としては、工具１０および加工対象物２０の材料に応じて、パルス幅７μｓ、出力２．０～３．０Ｗ、波長３５５ｎｍおよび周波数１５ｋＨｚのレーザを加工対象物２０の表面に対して垂直に照射させる。
レーザは照射部１００により照射される。この照射部１００は、パルスレーザを出力する発振器、レーザの振動数の次数を調整する振動調整器、レーザの出力を調整するアッテネータ（ＡＴＴ）、レーザの径を調整するためのビームエキスパンダー（ＥＸＰ）などを備え、これらを経たレーザが光学レンズおよび上述したスリット１１０を介して出力されるように構成されており、所定の方向に光軸を向けてレーザを照射させる。
レーザは、変位手順による変位速度と、溝部３０を形成すべき間隔と、に応じて定められる周期（例えば０．０４～２ｍｓ）で照射される。
また、溝部３０は、せん断面２９の長さＬより広い間隔Ｐ（＞Ｌ）でそれぞれを形成する。このせん断面２９とは、加工対象物２０に接触した角部１５に切削されることとなる切削対象層２５と、その状態で角部１５に切削された切りくず２７と、の境界として形成され、角部１５の延びる方向と交差する断面視で切削対象層２５の表面から角部１５の先端に至る面である。具体的な例としては、間隔０．２～１．５ｍｍで溝部３０を形成する。
また、せん断面２９の長さＬは、図３に示すように、切削対象層２５の厚さｄ、加工面２１とせん断面２９とのなすせん断角φ、角部１５のすくい面１３が加工面２１と直交する面となすすくい角α、および、すくい面１３に働く摩擦力Ｆと垂直力Ｎとで規定されるすくい面平均摩擦係数μ（＝Ｆ／Ｎ）、に基づく下記数式により規定される。ここで、すくい面平均摩擦係数μは、加工対象物２０および工具１０の材料における摩擦係数（０．２５～０．４）と、切削速度（工具１０の加工対象物２０に対する相対的な変位速度）および工具１０における表面の平滑度合などで決まる加工条件と、に基づいて規定される０．２５以下の値である。本実施形態では、加工対象物２０としての鉄および工具１０の材料としての超硬合金の摩擦係数０．２５～０．４に基づき、すくい面平均摩擦係数μがこれよりも小さい０．１となるように加工条件を調整している。
（２）変形例
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に何ら限定されることはなく、本発明の技術的範囲に属する限り種々の形態をとり得ることはいうまでもない。
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に何ら限定されることはなく、本発明の技術的範囲に属する限り種々の形態をとり得ることはいうまでもない。
例えば、上記実施形態では、変位手順において、加工対象物２０側を工具１０に対して変位させるものを例示した。しかし、変位手順では、工具１０側を加工対象物２０に対して変位させることとしてもよい。
また、上記実施形態では、溝形成手順が変位手順と同じタイミングで順番に実施されるものを例示した。しかし、溝形成手順は、変位手順よりも前に実施すればよく、必ずしも同じタイミングで実施しなくてもよい。
また、上記実施形態では、溝部３０それぞれが加工方向と交差する方向に延びる一つの溝として形成される構成を例示した。しかし、溝部３０それぞれは、複数の孔や溝が加工方向と交差する方向に一定の長さにわたって一列に並べられたものであってもよい。この場合、溝形成手順では、それぞれ加工方向と交差する方向に沿ってレーザの照射領域を変位させつつ、連続または断続的にレーザを照射させることにより、溝部３０を形成する。
また、上記実施形態では、工具１０が一段すくい角工具であるものを例示したが、工具１０としては、二段のすくい角形状を持った工具を採用してもよい。
また、上記実施形態では、溝形成手順において、スリット１１０を通じて加工対象物２０の表面にレーザを照射することにより、加工方向と交差する方向に延びる溝が形成されるように構成されたものを例示した。しかし、スリット１１０の代わりに、加工方向と交差する方向に沿ってレーザを線状に拡げられるレンズを用いてもよい。
また、上記実施形態では、溝形成手順において、スリット１１０を通じて加工対象物２０の表面にレーザを照射することにより、加工方向と交差する方向に延びる溝が形成されるように構成されたものを例示した。しかし、溝形成手順では、加工対象物２０の表面に対し、加工方向と交差する方向（図１における紙面の奥手前方向；以下同様）に沿ってレーザを繰返し走査させることにより、加工方向と交差する方向に延びる溝が形成されるように構成してもよい。この場合には、照射部１００をレーザの光軸とそれぞれ交差する２方向に変位可能とするための変位機構を備えたものにするとよい。
（３）作用効果
上記実施形態の切削加工方法であれば、加工対象物２０の表面のうち、工具１０による加工方向の下流側となる領域２３に、それぞれ加工方向と交差する方向に沿って延びる複数の溝部３０が間隔を空けて形成される。
上記実施形態の切削加工方法であれば、加工対象物２０の表面のうち、工具１０による加工方向の下流側となる領域２３に、それぞれ加工方向と交差する方向に沿って延びる複数の溝部３０が間隔を空けて形成される。
加工対象物２０を切削して加工面２１が形成される過程では、加工対象物２０に接触した角部１５に切削される切削対象層２５と、ここから切削された切りくずと、の境界として、工具１０における角部１５の延びる方向と交差する断面視で、切削対象層２５の表面から角部１５の先端に至るせん断面２９が形成される。
このせん断面２９は、角部１５の先端を起点として加工方向の下流側に傾斜した状態となるが、ここが長くなるほど切削対象層２５から切りくず２７を切削する際の加工抵抗が増加する懸念がある。この点、上記実施形態のように、加工方向の下流側に溝部３０が形成されていると、この溝部３０に角部１５が近づくほど、せん断面２９の傾斜および形成が溝部３０に妨げられて短くなるため、特に溝部３０近辺における加工抵抗を低下させることができる。
ただし、溝部３０を増やしてその間隔が狭くなりすぎると、溝部３０同士の間の領域が角部１５に押されて下流側に倒れてしまい、これが角部１５の変位を妨げる結果、かえって加工抵抗の増加を引き起こす懸念がある。
本願出願人は、このような溝部３０の間隔と加工抵抗との関係に着目して創意工夫を施した結果、加工抵抗を低下させるのに適した溝部３０の間隔として、上記のようにせん断面２９の長さＬより広い間隔を見出した。そのため、上記切削加工方法であれば、効果的に加工抵抗を低下させることができる。
ここで、加工抵抗の低下は、所定間隔で形成された溝部３０という構造的な特徴によりもたらされているため、加熱による強度低下という時間経過で状況が変化しやすい特徴によりもたらされているものとは異なり、必ずしも溝部３０を形成した直後に加工を行う必要はなく、その点で加工方法としての自由度が高い。こうして、上記切削加工方法では、加工方法としての自由度を高めつつ、加工抵抗を低下させることができる。
１０…工具、１１…逃げ面、１３…すくい面、１５…角部、２０…加工対象物、２１…加工面、２３…領域、２５…切削対象層、２９…断面、３０…溝部、１００…照射部、１１０…スリット。
Claims (5)
- 逃げ面およびすくい面により角部をなす工具を、加工対象物の表面に接触させつつ、前記加工対象物に対して相対的に所定の加工方向へと変位させることによって、前記加工対象物の表面を切削して加工面を形成する切削加工方法であって、
前記加工対象物の表面のうち、前記加工方向の下流側となる領域に、それぞれ前記加工方向と交差する方向に沿って延びる複数の溝部を、前記加工方向に間隔を空けて形成する溝形成手順、を備える、
切削加工方法。 - 前記溝形成手順では、前記加工対象物に接触した前記角部に切削される切削対象層と、その状態で前記角部に切削された切りくずと、の境界として、前記角部の延びる方向と交差する断面視で、前記切削対象層の表面から前記角部の先端に至る「せん断面」を想定した場合に、この「せん断面」の長さＬより広い間隔Ｐ（＞Ｌ）で前記溝部それぞれを形成する、
切削加工方法。 - 前記せん断面の長さＬは、前記切削対象層の厚さｄ、前記加工面と前記せん断面とのなすせん断角φ、前記角部のすくい面が前記加工面と直交する面となすすくい角α、および、前記加工対象物および前記工具の材料における摩擦係数よりも小さい値であるすくい面平均摩擦係数μ、に基づく下記数式により規定され、
前記すくい面平均摩擦係数μは、前記工具の材料における摩擦係数および加工条件に基づいて規定される０．２５以下の値である、
請求項２に記載の切削加工方法。
- 前記溝形成手順では、それぞれ前記加工方向と交差する方向に沿ってレーザの照射領域を変位させつつ、連続または断続的にレーザを照射させることにより、前記溝部を形成する、
請求項１に記載の切削加工方法。 - 前記溝形成手順では、パルスレーザの照射によって前記溝部を形成する、
請求項４に記載の切削加工方法。
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| WO (1) | WO2023203792A1 (ja) |
Citations (7)
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-
2022
- 2022-10-26 WO PCT/JP2022/039914 patent/WO2023203792A1/ja active Application Filing
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