JP5817573B2 - 切削加工機、及びこれを用いた切削工具再生加工方法 - Google Patents

Description

本発明は、切削工具によりワークの切削加工を行う切削加工機、及びこれを用いた切削工具再生加工方法に関する。

従来、切削加工機で使用される切削工具が摩耗すると、切削加工機の稼動を一時停止して作業者が主軸から切削工具を取り外し、別途設けられた刃具研磨機で摩耗した刃先を研磨した後、再び切削加工機の主軸に取り付けて使用していた。そのため、切削工具を脱着するための作業者の工数がかかり、且つ、研磨作業の間、切削加工機の稼動が停止するという問題が生じていた。
また、切削加工機に工具保持手段を設け、予め複数の切削工具を工具保持手段にセットする方法では、複数の切削工具や工具保持手段が必要になり設備コストが増大する。

そこで、特許文献１には、加工機内の主軸台側に砥石を設け、バイトをバイトホルダに取り付けたまま、砥石を回転させてバイトを研磨することができるバイト成形機付き旋盤が開示されている。

特開平５−１６２００５号公報

特許文献１に記載のバイト成形機付き旋盤は、刃先形状が比較的単純なバイトに対しては有効であると考えられる。しかし、３次元的な刃先形状を有するドリル等に適用しようとすると、砥石を刃先の形状に沿って動かしたり、複数の砥石を用いたりすることが必要となる。また、砥石の摩耗に対して切削工具の寸法を計測し、砥石の送り量を補正しながら加工するため、加工時間が長くかかり、効率的でないという問題がある。

本発明は、このような点に鑑みて創作されたものであり、その目的は、切削工具を主軸に取り付けたまま、摩耗した刃先を効率的に再生加工可能な切削加工機、及びこれを用いた切削工具再生加工方法を提供することである。

本発明の切削加工機は、ワークを切削する切削工具、主軸、固定台、相対移動手段、工具電極、加工液供給手段、及び電解加工電源を備える。
主軸は、切削工具またはワークの一方を軸中心に回転可能に保持する。
固定台は、ワークまたは切削工具の他方を主軸に対向させるように固定して保持する。
相対移動手段は、主軸と固定台とを相対的に接近又は離間するように移動させる。
工具電極は、切削工具の３次元形状の刃先に対応する形状に形成される。工具電極は、切削工具がワークの切削を停止したとき、切削工具が主軸または固定台に保持された状態のまま切削工具の刃先と対向し、切削工具の刃先を電解により再生加工可能である。
加工液供給手段は、工具電極が切削工具を再生加工可能な位置に移動したとき、界面活性剤を含む電解質を加工油に混入した加工液を切削工具の刃先と工具電極との間に供給する。
電解加工電源は、工具電極に電圧を印加する。

このように、本発明の切削加工機は、工具電極による電解によって切削工具の摩耗した刃先を再生加工する。そのため、従来技術のバイト成形機付き旋盤のように、砥石を刃先の形状に沿って動かしたり、複数の砥石を用いたりする必要がない。また、砥石の摩耗に対して切削工具の寸法を計測し、砥石の送り量を補正しながら加工する必要がない。したがって、切削工具を主軸に取り付けたまま、摩耗した刃先を効率的に再生加工することができる。

ところで、直線的な切れ刃を有するスローアウェイチップや総形バイトに対しては、工具電極を刃先に一方向から接近させるだけで再生加工が可能な場合もある。しかし、ドリルやエンドミルの場合には刃先が３次元的に捩れて形成されているため、えぐれた部分に突っ込むような位置に工具電極をセットする必要がある。したがって、一つの工具電極を単純に刃先に接近させるだけでは、質の高い再生加工をすることが難しい。
そこで、この場合、工具電極は、複数の分割電極からなることが好ましい。そして、切削工具がワークを切削するとき、複数の分割電極を切削工具およびワークとの干渉を回避する退避位置に移動させ、且つ、切削工具がワークの切削を停止したとき、複数の分割電極を切削工具の刃先と対向する集結位置に移動させる電極移動手段を備えることが好ましい。

また、切削加工機は、固定されたワークを回転工具が切削するボール盤、フライス盤、マシニングセンタ等の群と、回転するワークを非回転工具が切削する旋盤等の群とに分けられる。特に、刃先が３次元形状のドリル、エンドミル等の回転工具を再生加工する場合には、回転工具が停止したときの位置が工具電極のセット位置と対応する必要がある。
そこで、この場合、切削加工機は、主軸の回転を停止したとき切削工具が所定の回転位置で停止するように主軸の制動を制御する停止位置制御手段を備えることが好ましい。

本発明は、上記の切削加工機を用いた切削工具再生加工方法をさらに提供する。
この切削工具再生加工方法は、（１）切削工具によるワークの切削加工を停止する段階、（２）切削工具が主軸または固定台に保持された状態のまま、切削工具の３次元形状の刃先に対応する形状に形成された工具電極が切削工具の刃先と対向する段階、（３）加工液供給手段が切削工具の刃先と工具電極との間に加工液を供給しつつ電解加工電源が工具電極に電圧を印加し、切削工具の刃先を電解により再生加工する段階、を含む。
これにより、上記の切削加工機と同様の効果を奏する。

本発明の第１実施形態による切削加工機の非稼動時の概略構成図である。 本発明の第１実施形態による切削加工機のドリルによるワーク切削時の概略構成図である。 本発明の第１実施形態による切削加工機のドリル再生加工時の概略構成図である。 本発明の第１実施形態による切削加工機の工具電極の模式図である。 本発明の第１実施形態による切削加工機で再生加工されるドリルの模式図である。 本発明の第１実施形態による切削加工機に用いられる加工油の電解質比率と導電率との関係を示す特性図である。 本発明の第２実施形態による切削加工機の概略構成図である。 本発明の第２実施形態による切削加工機の工具電極の模式図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
（第１実施形態）
本発明の第１実施形態の切削加工機について、図１〜図６を参照して説明する。
図１〜図３に示すように、第１実施形態の切削加工機１１は、ボール盤、フライス盤、竪型マシニングセンタ等の「固定されたワークを、回転する切削工具すなわち回転工具が切削する」タイプの切削加工機がベースとなっている。切削加工機１１は、機械本体２０の上部に主軸２１および主軸駆動手段２２等を備え、機械本体２０の下部にワーク台２６を備えている。また、機械本体２０の高さ方向の中間部に電極台２３を備えている。

主軸２１は、モータにより回転するスピンドル軸である。主軸２１の下部に設けられたコレットチャック等のチャック部には、ドリル、エンドミル等の回転工具が軸中心に回転可能に保持される。以下の本実施形態の説明では、回転工具がドリル３であるとして説明する。

主軸駆動手段２２は、特許請求の範囲に記載の「相対移動手段」に相当し、主軸２１を昇降させる。また、主軸駆動手段２２には、ドリル３の刃先に加工液４を供給するための加工液供給手段２４が、主軸２１に伴って昇降可能に取り付けられている。
ワーク台２６は、特許請求の範囲に記載の「固定台」に相当し、ワーク６１を主軸２１に対向させるように固定して保持する。主軸駆動手段２２によって主軸２１が昇降することにより、主軸２１とワーク台２６とは、相対的に接近又は離間する。

電極台２５には、工具電極５０が取り付けられる。本実施形態では、工具電極５０は、３つの分割電極５１、５２、５３から構成される。３つの分割電極５１、５２、５３は、電極移動手段２５によって、図１、図２に示す退避位置と、図３に示す集結位置とを移動する。退避位置では、分割電極５１、５２、５３は、ドリル３およびワーク６１との干渉が回避される。

詳しくは、図４に示すように、分割電極５１および分割電極５２は、ドリル３に対して水平方向の互いに反対側に、内向きに配置されている。分割電極５３は、ドリル３に対して軸方向下側に、上向きに配置されている。
また、分割電極５１、５２は、後述するドリル３の逃げ面３２に対向する逃げ面用電極面５１１、５２１を有している。分割電極５３は、後述するドリル３のシンニング３３に対向するシンニング用電極面５３１を有している。逃げ面用電極面５１１、５２１およびシンニング用電極面５３１は、３次元的な立体形状に形成されている。

さらに、分割電極５１、５２、５３は、電解加工電源４５の負極に接続され、ドリル３は、電解加工電源４５の正極に接続されている。これにより、ドリル３の刃先と分割電極５１、５２、５３との間に加工液供給手段２４から加工液４が供給されたとき、加工液４中の電解質がプラスイオンとマイナスイオンとに電離する。

加えて、ドリル３を保持する主軸２１は、停止したときの回転位置が停止位置制御手段２９によって決められる。すなわち、停止位置制御手段２９は、主軸２１の回転が停止したときドリル３が常に一定の回転位置で停止するように、主軸２１用モータの制動を制御する。これにより、分割電極５１、５２、５３は、常にドリル３の同じ箇所に対向する。

図５に示すように、ドリル３は、２枚の刃が中心軸Ｚの回りに捩れて形成されており、逃げ面３２の端に切れ刃３１が設けられる。また、中心軸Ｚに沿ってシンニング３３が設けられる。ドリル３の材質は、一般にハイスまたは超硬である。また、本実施形態では、逃げ面３２およびシンニング３３以外の部分に絶縁コーティングが施されている。

加工液４は、界面活性剤を含む電解質を加工油に所定の比率で混入した液体である。電解質としては、例えば硝酸ナトリウム等を用いることができる。また、加工油は、一般に鋼材等の切削加工に使用される油である。界面活性剤によって非導電性の加工油と電解質水溶液とを均一に混合させることで、電解加工可能な加工液とすることができる。
ここで図６に示すように、加工液の導電率は、電解質の比率がαを上回ると、言い換えれば油の比率が（１−α）を下回ると急激に増加する。この現象は、「油の比率がある閾値以上では油の高分子によってイオンの通り道が塞がれるが、油の比率がその閾値未満では油の高分子の隙間をイオンが自由に通過できる」という浸透理論によって説明される。
したがって、加工液４の電解質の比率をαより大きくなるように設定すればよい。

次に、以上の構成による切削加工機１１を用いた切削工具再生加工方法を説明する。
初期設定段階では、主軸２１のチャック部にドリル３を取り付ける。続いて、主軸２１が停止した時のドリル３の回転位置が工具電極５０のセット位置に合致するように微調整し、このときの主軸２１の回転位置を停止位置制御手段２９に記憶させる。また、鋼等の材質のワーク６１をワーク台２６上の受け治具等に固定する。
工具電極５０の分割電極５１、５２、５３は、電極移動手段２５によって、図１に示す退避位置に配置されている。

切削加工機１１の稼動を開始すると、主軸２１が回転しつつ、主軸駆動手段２２により図２に示す切削加工位置まで下降する。そして、ドリル３の切れ刃３１がワーク６１に接触し、ワーク６１の穴開け加工を開始する。このとき、加工液供給手段２４は、ドリル３の刃先に、加工油としての用途で加工液４を供給する。切削された切り屑は、ドリル３の溝に案内されて排出される。

本実施形態では主軸駆動手段２２は主軸２１の送り機能を兼ね備えており、主軸２１を一定の送り速度でさらに下降させ、ワーク６１に設定深さまで穴を開ける。
１つのワーク６１の加工が完了したら、主軸駆動手段２２は、ドリル３がワーク６１から離れる高さまで主軸２１を上昇させる。そして、加工済みのワーク６１を作業者、又は図示しない自動搬送装置によって受け治具から取り外し、次のワーク６１をセットする。

こうして、所定数のワーク６１の加工が完了したら、或いは作業者の判断により随時、ドリル３の摩耗した刃先を再生加工する。この再生加工方法は、下記（１）〜（３）の段階を含む。
（１）ドリル３によるワーク６１の切削加工を停止する段階、
（２）ドリル３が主軸２１に保持された状態のまま工具電極５０がドリル３の刃先と対向する段階、
（３）加工液供給手段２４がドリル３の刃先と工具電極５０との間に加工液４を供給しつつ電解加工電源４５が工具電極５０に電圧を印加し、ドリル３の刃先を電解により再生加工する段階。

上記（１）の段階では、主軸２１の回転を停止するとき、停止位置制御手段２９は、ドリル３が初期設定段階で検出した回転位置で停止するように、主軸２１用モータの制動を制御する。
上記（２）の段階では、電極移動手段２５は、分割電極５１、５２、５３を図１、図２に示す退避位置から、図３に示す集結位置に移動させる。詳しくは、図４に示すように、分割電極５１、５２は、逃げ面用電極面５１１、５２１がドリル３の逃げ面３２に接近するように水平方向に移動する。また、分割電極５３は、シンニング用電極面５３１がドリル３のシンニング３３に接近するように垂直方向に移動する。

上記（３）の段階では、加工液４中の電解質が電圧を印加されて電解することにより、ドリル３の刃先を再生加工する。本実施形態では、絶縁コーティングが施されていない逃げ面３２およびシンニング３３が被加工部となる。これにより、工具電極５０の先端形状がドリル３の被加工部に転写される。

再生加工の条件として具体的には、工具電極５０とドリル３の刃先との距離は数マイクロメートル〜数十マイクロメートル、電解加工電源４５の電圧は数ボルト〜数十ボルト、通電時間は数十ナノ秒〜数十ミリ秒とすることができる。これらの加工条件は、ワーク６１の切削負荷、再生加工の実行頻度、ドリル３の材質がハイスであるか超硬であるか等によって調整することが好ましい。

例えば、ワーク６１を１個加工する度に再生加工を実行するようにすれば、１回の電解量を最小とし、且つドリル３の摩耗状態のばらつきを最小に抑えることができる。また、ワーク台２６のワーク６１を交換する時間の間に再生加工を実行すれば、サイクルタイムは増加しない。したがって、特に自動生産での量産において品質の安定に有効である。

以上のように、本実施形態の切削加工機１１を用いた切削工具再生加工方法によれば、ドリル３を主軸２１に保持した状態のまま、摩耗した刃先を再生加工することができるので、再研磨のためにドリル３を主軸２１から取り外す必要がない。したがって、脱着のための作業者の工数が不要となり、且つ、切削加工機の稼動を停止しなくてもよい。また、予め複数の切削工具を工具保持手段にセットする必要がない。

また、工具電極５０を用いて電解により再生加工するため、従来技術のバイト成形機付き旋盤のように、砥石を刃先の形状に沿って動かしたり、複数の砥石を用いたりする必要がない。また、砥石の摩耗に対して切削工具の寸法を計測し、砥石の送り量を補正しながら加工する必要がない。したがって、より効率的な再生加工が可能となる。

さらに、工具電極５０を複数の分割電極５１、５２、５３から構成することにより、３次元的な形状の切削工具に対して、例えば、えぐれた部分に電極を突っ込むように配置することが可能である。したがって、従来技術の砥石による研磨では加工ができない切削工具に対し、精度の高い再生加工を実現することができる。
また、停止位置制御手段２９により、ドリル３が常に一定の回転位置で停止するように主軸２１用モータの制動を制御するため、回転工具への適用が容易となる。

加えて、加工液４は、切削加工時の加工油としての用途と電解再生加工時の導電性電解質としての用途を兼ねる。これは、界面活性剤により加工油と電解質水溶液とを均一に混合することにより実現される。これにより、加工油と電解質とを別々に供給する必要がないため、機械の構成を簡素とすることができ、廃液の再利用にも有効である。
また、切削工具であるドリル３について、本実施形態では、逃げ面３２およびシンニング３３以外の絶縁コーティングされている部分は、電解加工されないため、電解再生加工により切れ刃３１をより鋭利にすることができる。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態の切削加工機について、図７、図８を参照して説明する。
図７に示すように、第２実施形態の切削加工機１２は、「回転するワークを非回転工具が切削する」旋盤がベースとなっている。切削加工機１２は、ベッド７０上の紙面左側に主軸台７２を備え、紙面右側に刃物台７６等を備えている。
主軸台７２には、水平方向の軸線を中心に回転する主軸７１が設けられる。主軸７１には、通常、円筒状のワーク６２がチャックされる。

刃物台７６は、送り部７７上に設置され、ｘｙ軸すなわち紙面左右方向および奥行き方向に移動可能となっている。送り部７７は、ｚ軸すなわち紙面上下方向の高さを調節する高さ調節部７８上に設置されている。刃物台７６には、「切削工具」としてのチップ刃物８を先端に保持したホルダ８０が固定されている。第２実施形態では、送り部７７が特許請求の範囲に記載の「相対移動手段」に相当し、送り部７７の操作によって主軸７１と刃物台７６とが相対的に接近又は離間する。

また、切削加工機１２は、ベッド７０の長手方向の主軸７１と刃物台７６との間に電極台７３を備えている。電極台７３には、切削加工時にチップ刃物８、ホルダ８０、ワーク６２等に干渉しない位置に工具電極５５が取り付けられている。
また、刃物台７６の上方には、チップ刃物８の刃先に加工液４を供給するための加工液供給手段７４が設けられている。

図８に示すように、チップ刃物８は、上面のすくい面８３と側面の逃げ面８２との稜線に切れ刃８１が形成される。本実施形態では、すくい面８３に絶縁コーティングが施されており、逃げ面８２が電解再生加工での被加工部となる。
ワーク６２の切削加工時には刃物台７６を紙面左方向に前進させ、加工液４をチップ刃物８の刃先に供給しつつ、回転するワーク６２の側面または端面に切れ刃８１を接触させてワーク６２を切削する。

工具電極５５は、チップ刃物８の逃げ面８２に対向する逃げ面用電極面５５１を有している。逃げ面用電極面５５１は、上から見てＶ字形にカットされた面で形成されている。
工具電極５５は、電解加工電源４５の負極に接続され、チップ刃物８は、電解加工電源４５の正極に接続される。ここで、電解加工電源４５および加工液４は、第１実施形態のものと実質的に同一であり、同様に作用する。したがって、チップ刃物８の刃先と工具電極５５との間に加工液供給手段７４から加工液４が供給されたとき、加工液４中の電解質がプラスイオンとマイナスイオンとに電離し、逃げ面８２が電解再生加工される。

第２実施形態では、チップ刃物８を刃物台７６上のホルダ８０に保持した状態のまま、摩耗した刃先を再生加工することができる。
また、第１実施形態と異なり、チップ刃物８は、被加工部となる逃げ面８２が単純形状であるため、非分割の工具電極５５を用いた再生加工が可能である。さらに、チップ刃物８は非回転工具であるため、第１実施形態のような停止位置制御手段を必要としない。

（その他の実施形態）
（ア）上記第１実施形態において、複数の分割電極の個数は３個に限らない。例えば、４枚刃のエンドミル用の工具電極を、水平方向の４個、及びシンニング用の１個の計５個の分割電極から構成してもよい。
電極移動手段による複数の分割電極の移動方向は、水平方向または垂直方向に限らず、斜め方向であってもよい。また、スライド移動のみでなく回転移動を伴ってもよい。
（イ）上記第１実施形態において、切削加工中の送り動作は、ワーク台２６を上昇させることによって行ってもよい。

（ウ）上記第２実施形態の旋盤型切削加工機で、押しコップに保持したドリルを再生加工する場合等、複数の分割電極からなる工具電極を用いてもよい。
（エ）本発明の切削工具再生加工方法は、例えば複数のチップ刃物を取り付けたミーリングカッターやサイドカッターにも適用することができる。一般にスローアウェイチップの単価は安価であるが、特に複数使用する場合には、再生加工によって長期間使用することでコスト低減効果が大きくなる。

（オ）また、大径切削部と小径切削部とを有する段付きカッターを、従来技術のように砥石を回転させて研磨する場合、相対的に周速の大きい大径部と相対的に周速の小さい小径部とで研磨量のばらつきが生じる。これに対し、本発明の電解再生加工方法では、半径の差に関係なく均一に再生加工することができる。
以上、本発明はこのような実施形態に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲において、種々の形態で実施することができる。

１１、１２・・・切削加工機、
２１、７１・・・主軸、
２２・・・主軸駆動手段（相対移動手段）、 ７７・・・送り部（相対移動手段）、
２４、７４・・・加工液供給手段、
２６・・・ワーク台（固定台）、 ７６・・・刃物台（固定台）、
３ ・・・ドリル（切削工具）、 ８ ・・・チップ刃物（切削工具）、
４ ・・・加工液、
４５・・・電解加工電源、
５０、５５・・・工具電極、
６１、６２・・・ワーク。

Claims (4)

1. ワーク（６１、６２）を切削する切削工具（３、８）と、
   前記切削工具または前記ワークの一方を軸中心に回転可能に保持する主軸（２１、７１）と、
   前記ワークまたは前記切削工具の他方を前記主軸に対向させるように固定して保持する固定台（２６、７６）と、
   前記主軸と前記固定台とを相対的に接近又は離間するように移動させる相対移動手段（２２、７７）と、
   前記切削工具の３次元形状の刃先に対応する形状に形成され、前記切削工具が前記ワークの切削を停止したとき、前記切削工具が前記主軸または前記固定台に保持された状態のまま前記切削工具の刃先と対向し、前記切削工具の刃先を電解により再生加工可能な工具電極（５０、５５）と、
   前記工具電極が前記切削工具を再生加工可能な位置に移動したとき、界面活性剤を含む電解質を加工油に混入した加工液（４）を前記切削工具の刃先と前記工具電極との間に供給する加工液供給手段（２４、７４）と、
   前記工具電極に電圧を印加する電解加工電源（４５）と、
   を備えることを特徴とする切削加工機（１１、１２）。
2. 前記工具電極（５０）は、複数の分割電極（５１、５２、５３）からなり、
   前記切削工具が前記ワークを切削するとき、前記複数の分割電極を前記切削工具および前記ワークとの干渉を回避する退避位置に移動させ、且つ、前記切削工具が前記ワークの切削を停止したとき、前記複数の分割電極を前記切削工具の刃先と対向する集結位置に移動させる電極移動手段（２５）を備えることを特徴とする請求項１に記載の切削加工機（１１）。
3. 前記切削工具は、前記主軸に保持されて回転する回転工具であり、
   前記主軸の回転を停止したとき前記切削工具が一定の回転位置で停止するように前記主軸の制動を制御する停止位置制御手段（２９）を備えることを特徴とする請求項１または２に記載の切削加工機。
4. 請求項１〜３のいずれか一項に記載の切削加工機を用いた切削工具再生加工方法であって、
   前記切削工具による前記ワークの切削加工を停止する段階と、
   前記切削工具が前記主軸または前記固定台に保持された状態のまま、前記切削工具の３次元形状の刃先に対応する形状に形成された前記工具電極が前記切削工具の刃先と対向する段階と、
   前記加工液供給手段が前記切削工具の刃先と前記工具電極との間に前記加工液を供給しつつ前記電解加工電源が前記工具電極に電圧を印加し、前記切削工具の刃先を電解により再生加工する段階と、
   を含むことを特徴とする切削工具再生加工方法。

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