JP7013195B2

JP7013195B2 - 仕上げ加工方法

Info

Publication number: JP7013195B2
Application number: JP2017201032A
Authority: JP
Inventors: 哲也小笠原; 遼高山
Original assignee: Kitagawa Iron Works Co Ltd
Current assignee: Kitagawa Iron Works Co Ltd
Priority date: 2017-10-17
Filing date: 2017-10-17
Publication date: 2022-01-31
Anticipated expiration: 2037-10-17
Also published as: JP2019072810A

Description

本発明は、マシニングセンタを用いて軸線回りに回転する工作物（以下、ワークという）を軸線回りに回転する回転工具で加工するワークの仕上げ加工方法に関する。

昨今では、複合加工機（５軸加工機含む）による加工が普及しつつも、一般的なワークの加工工程として、未だに旋盤等を用いて、ワークの荒加工工程、仕上げ加工工程が旋削によってなされ、その後、マシニングセンタ等に段取り替えされ、マシニングセンタ等による切削加工工程がなされている。このように、一つのワークを加工する上で、段取り替えは避け難いものであった。

このような加工工程の中で、マシニングセンタ等に搭載される回転テーブルは、取り付けられたワークを切削力に耐えうる回転速度で連続回転させる用途、および取り付けられたワークを任意の角度に割出して固定保持する用途などに使用されてきた。

一方で、特許文献１に記載の本出願人が発明した回転テーブルをマシニングセンタに用いれば、ワークを旋盤並みに高速で回転させることができるため、従来の旋盤による荒加工工程とマシニングセンタによる切削加工を集約でき、高価な複合加工機および旋盤等を購入しなくても、既存のマシニングセンタのみで、段取り替えすることなく、加工することが可能となる。

特開２０１５－１７４１８７号公報

しかしながら、特許文献１の回転テーブルでは、旋盤による荒加工同等の加工精度は実現可能であるが、仕上げ加工同等の良好な加工面を得ることはできなかった。

というのも、一般的には、マシニングセンタの工具はエンドミルを使用しており、このエンドミルでワークを加工すると刃先の構成上、ワークから見たときに断続的に切削することとなり、加工面がうろこ状の仕上がりとなってしまう。よって、仕上げ加工のような鏡面状の仕上がりにすることはできない。

そこで、周知技術の回転工具を使用すれば、構成上、ワークから見たときに連続的に切削することが可能なので、荒加工よりは良好な加工面を得ることができる。
しかしながら、回転工具では荒加工より良好な加工面を得ることができるものの加工条件によって、仕上げ加工のような精度の良い加工面を得ることができなかった。

そこで、本発明の目的は、マシニングセンタによる加工でも設備を増設することなく、回転工具及びワークの周速度を制御し、且つ、切削位置を制御することで良好な加工面を得ることができるワークの仕上げ加工方法を提供することにある。

上記の課題を解決するために、本発明のワークの仕上げ加工方法は、直交３軸とワークを載置した回転テーブルを回転させる回転１軸と、回転しながらワークを切削する回転工具と、直交３軸を駆動制御する数値制御装置を備えたマシニングセンタを用い、回転工具の周速度αとワークの周速度βとの関係をα＞βとし、ワーク中心軸を含むとともに丸駒インサートの切削点とワーク中心軸と直交する水平軸との成す角度γを設け、ワークと丸駒インサートの一方を他方に押し付けながら切削することを特徴としている。

上記手順によれば、マシニングセンタと該マシニングセンタに搭載した回転テーブルのみで旋削工程が可能となり、良好な加工精度を得ることができる。また、別の機械に載せ換える段取り替えが不要となり、さらに、設備増設によるコストを削減することができる。

また、本発明のワークの仕上げ加工方法においては、直交３軸の移動方向に応じて、アップカットとなるように前記回転工具の回転方向を制御することが好ましい。上記手順によれば、より加工精度を良くすることができる。また、詳細は後述するが、切り屑が薄い部分から厚い部分にかけて抵抗が加わるので、よりスムーズに切削することができる。

また、本発明のワークの仕上げ加工方法においては、回転1軸は、該軸線と回転工具の軸線とが垂直になるように配置されていることが好ましい。上記手順によれば、回転工具を当該軸に対して傾斜する必要が無く、また、ワークも当該軸に対して傾斜する必要も無いため、機械構成自体がシンプルな構成となるとともに、加工においても、複雑な加工プログラムをすることなく、精度の良い加工面を得ることができる。

また、本発明のワークの仕上げ加工方法においては、切削油を用いない乾式で行うことが好ましい。上記手順によれば、切削油による冷却を行わないため、摩擦による発熱量を増大させることで、ワークの強度低下をおこすことが可能となる。それにより、切削抵抗が減少するため、回転テーブルに対して少ない負荷で加工を行うことができる。よって、安定した加工が可能となり、精度の良い加工面を得ることができる。

また、本発明のワークの仕上げ加工方法においては、角度γが加工時の回転工具のたわみ量に応じて決定されていることが好ましい。上記手順によれば、精度の良い加工面を得ることができる。

さらに、本発明のワークの仕上げ加工方法においては、たわみ量が、切削抵抗に対応する回転工具をたまわせる分力（以下、分力ａという）と切込みによる反力に対応する回転工具をたまわせる分力（以下、分力ｂという）とが釣り合うように決定されていることが好ましい。上記手順によれば、精度の良い加工面を得ることができる。

本発明のワークの仕上げ加工方法によれば、マシニングセンタによる加工でも設備を増設することなく、回転工具及びワークの周速度を制御し、且つ、切削位置を制御することで良好な加工面を得ることができる。

本発明の一実施形態によるワークの仕上げ加工方法を説明するための模式斜視図である。回転工具の拡大図であり、（ａ）が正面図、（ｂ）が下面図を夫々示している。丸駒インサートとワークとの切削位置における正面図である。丸駒インサートと切削抵抗との関係を示したグラフである。丸駒インサートと切込み量誤差との関係を示したグラフである。丸駒インサートと表面粗さとの関係を示したグラフである。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。ただし、本発明は、以下の実施形態に限定されるものではない。また、本発明の効果を奏する範囲を逸脱しない範囲で、適宜変更は可能である。尚、後掲する図１～図４には、ｘ軸、ｙ軸及びｚ軸を示している。ｘ軸、ｙ軸及びｚ軸の向きは、異なる図であっても、互いに一致させている。本明細書における説明では便宜上、ｘ軸方向正側を「右」側、ｘ軸方向負側を「左」側、ｙ軸方向正側を「前」側、ｙ軸方向負側を「後」側、ｚ軸方向正側を「上」側、ｚ軸方向負側を「下」側としている。

図１は、本発明の一実施形態によるワークの仕上げ加工方法を説明するための模式斜視図である。
図１に示すように、マシニングセンタ１００の基本構成は、テーブル台１０と工具主軸２０の組合せで直交３軸を有しており、それらの移動と工具主軸２０の回転などを制御する数値制御装置４０などで構成されている。
以下に、直交３軸の一例を示しながら構成を説明していく。

工具主軸２０は、テーブル台１０に対して一次元的に上下方向（ｚ軸方向）に移動可能となっており、一定の回転速度βで当該軸線Ａ回りに、矢印ａ１方向、または、ａ２方向に回転可能となっている。
この工具主軸２０の先端には、シャンク部２１と丸駒インサート２２とからなる回転工具２３が取り付けられており、このシャンク部２１は、円柱状の形状をしており、工具主軸２０と回転一体に、且つ、工具主軸２０の軸線Ａとシャンク部２１の軸線が一致するように取り付けられている。

同様に、シャンク部２１の先端には、丸駒インサート２２が回転一体に、且つ、軸線Ａと丸駒インサート２２の軸線が一致するように取り付けられている。

（丸駒インサート）
丸駒インサート２２は、図２に示すように軸線Ａと直交する断面で見たとき円形をなしており、その先端面２２ａと側面２２ｂとの交差部が切れ刃２２ｃとなっている。

テーブル台１０は、工具主軸２０に対して二次元的に前後方向（ｙ軸方向）及び左右方向（ｘ軸方向）に移動可能となっている。
このテーブル台１０には、回転１軸である回転テーブル３０がテーブル台１０と移動一体可能に搭載されている。
回転テーブル３０の搭載は、好ましくは、回転テーブル３０の軸線Ｂと、回転工具２３との軸線Ａとが垂直になるように配置されるのが良い。

数値制御装置４０は、主に、工具主軸２０とテーブル台１０とで構成される直交３軸の移動方向を制御し、且つ、工具主軸２０の回転方向及び回転速度を制御している。
この数値制御装置４０によって、直交３軸の移動方向に応じて、後述のアップカットとなるように丸駒インサート２２の回転方向を制御することで、ワークの端面を切削加工している。これにより、良好な加工面を得ることが可能となっている。

（回転テーブル）
回転テーブル３０には、図示しないチャックが固定されており、この図示しないチャックを駆動させることで、ワークｗを把持している。
内部には、図示しないサーボモータが搭載されており、それによって、ワークを回転駆動可能にしている。

また、回転速度及び回転方向などを制御する制御装置５０が接続されている。
換言すると、制御装置５０によって回転テーブル３０を駆動させることで、一定の回転速度αでワークｗを回転テーブル３０の軸線Ｂ回りに、矢印ｂ１方向、または、ｂ２方向に回転可能となっている。

（実施例１）
本発明者は、以下、加工装置、加工手順、加工位置、および加工条件を用いて、丸駒インサートに対する切削抵抗、切込み量誤差および表面粗さとの関係を評価した。

〈加工装置〉
加工装置は、市販の３軸マシニングセンタ（ヤマザキマザック（株）製のＶＥＲＴＩＣＡＬＣＥＮＴＥＲＮＥＸＵＳ４３０Ｂ－２ＨＳ）を用いて、そのテーブル台に本出願人開発の円テーブルを搭載した。
マシニングセンタの主軸は、１８０００ｍｉｎ^-1まで回転可能であり、テーブルサイズは、ｘ軸方向の長さ１１００ｍｍ、ｙ軸方向の長さ４３０ｍｍであり、主軸には、丸駒インサートを取り付けた。
円テーブルは、１０００ｍｉｎ^-1まで回転可能なものを使用した。

〈加工手順〉
本実施例１における加工動作を、図１を用いて説明する。
まず、丸駒インサート２２をｚ軸に沿って、所定の加工位置に移動させ、その位置で移動不能に保持させる。次に、テーブル台１０をｘ、ｙ軸に沿って、丸駒インサート２２に対して加工位置まで相対移動させる。この状態で、円テーブル３０を所定の回転数で一定速度となるように回転させ、ワークｗを軸線Ｂ回りに矢印ｂ１方向に回転させる。

そして、マシニングセンタ１００の工具主軸２０を所定の回転数で一定速度となるように回転させ、丸駒インサート２２を軸線Ａ回りに矢印ａ２方向に回転させる。
この時、ワークｗと丸駒インサート２２の回転は、同時に回転しても良いし、また、所定の加工位置まで回転しながら、移動しても良い。

この状態で、テーブル台１０をｘ軸に沿って左側に移動させることで、ワークｗと丸駒インサート２２の一方を他方に押し付けながら切削が行われる。

便宜上、上述のようにテーブル台１０が左側に移動する際に、丸駒インサート２２が軸線Ａ回りに矢印ａ２方向に回転することで、丸駒インサート２２の刃が切削済の部分に当たり、削り上げながら加工することをアップカットと定義する。

一方、テーブル台１０が左側に移動し、丸駒インサート２２が軸線Ａ回りに矢印ａ１方向に回転することで切削することをダウンカットと定義する。
尚、丸駒インサート２２の周速度αと前記ワークｗの周速度βとの関係をα＞βとした。

〈加工位置〉
本実施例１における加工位置を、図３を用いて説明する。図３は、丸駒インサート２２とワークｗの切削位置における正面図を示している。

図３に示すように、回転工具２３（丸駒インサート２２とシャンク部２１）には加工による切削抵抗Ｍが作用し、回転工具２３をたまわせる分力ｍが生じる。また、丸駒インサート２２をワークｗに切込ませると、切込みによる反力Ｎが生じ、回転工具２３をたまわせる分力ｎが生じる。

この分力ｍと分力ｎとの力が釣り合うように、オフセット角度γを適切に決めている。
そして、ワーク中心軸を含むとともにワーク中心軸と直交する水平軸からオフセット角度γを設けた位置を切削位置と定義している。

このオフセット角度γにより、回転工具２３のたわみを最小にし、精度の良い加工面を得ることができる。
尚、このオフセット角度γは、回転工具２３の剛性、丸駒インサート２２の切込み量、またはワーク材質などによって適切な値が変化するため、加工条件に応じて適宜決定する。

〈加工条件〉
本実施例１における加工条件を下記表１に示す。

表１で示すように、本加工条件は、加工方法、丸駒インサート直径、ワーク材質、ワーク周速度β、ワーク１回転当たりの送り量、切込み量、丸駒インサート回転数、丸駒インサート周速度α、およびオフセット角度γの９項目の中で、６項目は固定とし、丸駒インサート回転数（丸駒インサート周速度α）、オフセット角度γを変更して検証した。そして、丸駒インサート回転数（ｍｉｎ^-1）を７５０、１５００、３０００、４５００とした場合の切削抵抗、切込み量誤差、及び表面粗さを夫々測定した。

また、本加工条件では、最初はワーク直径φ１３０を使用し、ワーク径に対してワーク周速が１５０（ｍ／ｍｉｎ）となるように、円テーブルの回転速度を算出している。その際の円テーブルの回転速度は約３６７（ｍｉｎ^-1）であった。そして、次の検証では、一つのワークを使いまわして行った。すなわち、切込み量によって直径が縮小しているが、都度、次の検証時の縮小したワーク直径を測定し、ワーク周速が１５０（ｍ／ｍｉｎ）となるように、回転速度を算出して検証している。
また、加工の際の加工環境は切削油を使用しない乾式で行った。

図４～図６に丸駒インサートに対する切削抵抗、切込み量誤差および表面粗さとの関係を夫々示す。

〈切削抵抗との関係〉
図４は、丸駒インサートと切削抵抗との関係を示したグラフである。
図４よりオフセット角度γに関わらず、Ｎｏ．１～４は、丸駒インサート回転数が３０００（ｍｉｎ^-1）より大きくなると切削抵抗が低くなっている。
理由として、丸駒インサートとワークとの切削点において、摩擦による発熱が生じ、ワークの強度低下が起こり、切削抵抗が減少したと考えられる。
ここで丸駒インサート回転数、丸駒インサート周速度、及びワーク周速度の関係を下記表２に示す。

表２より、丸駒インサート周速度は、丸駒インサート回転数が３０００（ｍｉｎ^-1）以上になるとワーク周速度１５０（ｍ／ｍｉｎ）より大きくなっている。
すなわち、丸駒インサート周速度αとワーク周速度βとの関係をα＞βとしたときに、切削抵抗が低くなっているといえる。

〈切込み量誤差との関係〉
図５は、丸駒インサートと切込み量誤差との関係を示したグラフである。
ここでいう切込み量誤差ｇとは、ワークの外周を基準として、設定した切込み量ｅ（本実施例１では０．２ｍｍとした）となるように丸駒インサートを配置して加工を行い、加工後にワーク直径を測定して実際の切込み量ｆを算出し、その差分の値をいう。

すなわち、切込み量誤差ｇは以下のように定義した。
切込み量誤差ｇ＝実際の切込み量ｆ－設定した切込み量ｅ

考察すると、Ｎｏ．１では、図３で示した切込みによって生じる反力Ｎの分力ｎが、切削抵抗Ｍの分力ｍを上回り、切込み不足となっている。
Ｎｏ．３および４では、Ｎｏ．１とは逆となり、分力ｍが分力ｎを上回り、切込み量が増えている。
Ｎｏ．２では、分力ｍと分力ｎの釣り合いが取れている。よって、切込み量誤差が極めて小さい。

これらにより、本実施例１において、Ｎｏ．２のオフセット角度γ＝５°が、良い精度を得られる条件であることがわかる。

〈表面粗さとの関係〉
図６は、丸駒インサートと表面粗さとの関係を示したグラフである。
図６に示すように、丸駒インサート回転数が３０００ｍｉｎ^-1より大きくなるとＮｏ．２の表面粗さが良くなっている。

理由として、丸駒インサート周速をワーク周速より大きくしたことによって切削抵抗が下がったこと、およびオフセット角度γを適切に設定（ここでは５°）し、工具のたわみ量が小さくなっていることによって表面粗さが良くなったと考えられる。

以上の検証結果より、丸駒インサートと切削抵抗との関係によると、ワークの周速度を丸駒インサートの周速度が上回ると、切削抵抗が低くなり、円テーブルの負荷を低減させることができると分かった。

そして、丸駒インサートと切込み量誤差との関係によると、適切なたわみ量（分力ｍと分力ｎとの釣り合い）となるようにオフセット角度γを設定すれば、切込み量の精度を良くすることができると分かった。

さらに、丸駒インサートと表面粗さとの関係によれば、ワークの周速度を丸駒インサートの周速度が上回り、且つ、適切なたわみ量（分力ｍと分力ｎとの釣り合い）となるようにオフセット角度γを設定すれば、仕上げ加工レベルの精度の良い加工面を得ることができると分かった。

すなわち、マシニングセンタによる加工でも設備を増設することなく、回転工具及びワークの周速度を制御し、且つ、切削位置を制御することで良好な加工面を得ることができる。換言すると、マシニングセンタと該マシニングセンタに搭載した回転テーブルのみで旋削工程が可能となり、仕上げ加工レベルの良好な加工精度を得ることができる。また、別の機械に載せ換える段取り替えが不要となり、さらに、設備増設によるコストを削減することができる。

また、アップカットとすることで、切り屑が薄い部分から切り屑が厚い部分にかけて丸駒インサートに徐々に抵抗が加わっていき、スムーズに切削でき、加工後の切り屑が薄い部分では、まだ削り始めの為、切削による丸駒インサートの発熱温度が小さく、切り屑が厚くなる部分にいくにつれて丸駒インサートの発熱温度が大きくなることから、切削加工による発熱が切り屑によって持ち去られ易く、安定した加工を行うことができる。

また、回転工具を当該軸に対して傾斜する必要が無く、また、ワークも当該軸に対して傾斜する必要も無いため、機械構成自体がシンプルな構成となるとともに、加工においても、複雑な加工プログラムをすることなく、精度の良い加工面を得ることができる。

また、切削油による冷却を行わないため、摩擦による発熱量を増大させることで、ワークの強度低下をおこすことが可能となる。それにより、切削抵抗が減少するため、回転テーブルに対して少ない負荷で加工を行うことができる。よって、安定した加工が可能となり、精度の良い加工面を得ることができる。さらに、クーラント水、クーラントタンク、クーラントポンプ、クーラント用ホース、ノズル、もしくは電磁弁等が不要になるため、その分のコスト低減ができる。

以上、本発明を好適な実施形態により説明してきたが、こうした記述は限定事項ではなく、もちろん、種々の改変が可能である。上記実施形態では、回転工具に対するワークの相対移動を説明したが、これに限らず、ワークがｘ軸方向に移動し、回転工具がｙ及びｚ軸に移動しても良いし、ワークがｙ軸方向に移動し、回転工具がｘ及びｚ軸に移動しても良いし、これに限るものではない。

また、マシニングセンタを立形（工具主軸が垂直方向）で説明したが、これに限らず、横形または門形でも構わなく、横形マシニングセンタの場合は、円テーブルを横置き（回転軸がｚ軸と平行）にすれば尚良い。

また、マシニングセンタの数値制御装置で直交３軸を制御し、円テーブルの制御装置で回転１軸を制御しているが、これに限らず、マシニングセンタの数値制御装置で円テーブルの回転１軸を制御しても構わない。

また、表１の加工条件で測定を行ったが、これに限らず、ワーク材質、ワーク直径によって適宜変更するものである。

また、加工環境は乾式に限らず、切削水を用いたウェット式でも良いし、乾式とウェット式の間のセミウェット式でも良い。

また、ワークは円柱に限らず、円筒、角柱でも良く、ワークの形状を限定するものではない。

さらに、円テーブルに搭載のサーボモータは、これに限らず、ＤＤモータなどでも良い。

１０テーブル台
２０工具主軸
２１シャンク部
２２丸駒インサート
２３回転工具
３０円テーブル
４０数値制御装置
５０制御装置
１００マシニングセンタ
α、β 周速度
γ 角度
Ａ、Ｂ軸線
ａ１、ａ２、ｂ１、ｂ２回転方向
ｍ、ｎ分力
ｗワーク

Claims

直交３軸とワークを載置したテーブルを回転させる回転１軸と、
回転しながらワークを切削する回転工具と、
前記直交３軸を駆動制御する数値制御装置を備えたマシニングセンタを用い、
前記回転１軸は、該軸線と前記回転工具の軸線とが垂直になるように配置され、
前記回転工具の周速度αと前記ワークの周速度βとの関係をα＞βとし
前記ワーク中心軸と前記回転工具の切削点となる点とを含む平面が、水平面に対して成す角度をγとし、
前記角度γは、切削抵抗（Ｍ）に対応する回転工具をたまわせる分力（ｍ）と切込みによる反力（Ｎ）に対応する回転工具をたまわせる分力（ｎ）との力が釣り合うようにし、
ワークと回転工具の一方を他方に押し付けながら切削することを特徴とするワークの仕上げ加工方法。
請求項１に記載のワークの仕上げ加工方法において、
前記直交３軸の移動方向に応じて、アップカットとなるように前記回転工具の回転方向を制御することを特徴とするワークの仕上げ加工方法。
請求項１又は請求項２に記載のワークの仕上げ加工方法において、
切削油を用いない乾式で行うことを特徴とするワークの仕上げ加工方法。
請求項１～３に記載のワーク仕上げ加工方法において、
前記角度γが加工時の前記回転工具のたわみ量に応じて決定されていることを特徴とするワークの仕上げ加工方法。