(57)【要約】      （修正有）【課題】軟質材を加工する技術を提供する。【解決手段】加工機に脱着可能な固定治具２０に軟質材３０を固定して、軟質材３０を加工する際に、加工機から取り外した状態の固定治具２０に軟質材３０を固定し、軟質材３０を固定治具２０とともに容器６０に蓄えられた液体窒素６２に浸る。これによって、固定治具２０が軟質材３０とともに冷却される。次に、固定治具２０と軟質材３０を液体窒素６２から取り出し、軟質材３０とともに冷却した固定治具２０を加工機に取り付けて加工する。この加工方法では、冷却された固定治具２０の保冷効果によって加工中の軟質材３０の温度上昇が抑制される。これにより、加工中に軟質材３０の温度が加工可能温度を越えて上昇することが抑制され、軟質材３０を精度良く加工することが可能となる。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
軟質材を加工する方法であって、
加工機に脱着可能な固定治具に前記軟質材を固定する工程と、
前記固定治具に固定した前記軟質材を前記固定治具とともに冷却する工程と、
前記軟質材とともに冷却した固定治具を前記加工機に取り付ける工程と、
前記加工機を用いて前記軟質材を加工する工程と、
を備えた加工方法。
【請求項２】
前記固定治具は、
前記加工機に脱着可能に固定される固定部と、前記固定部から伸びているとともに前記軟質材に挿通されるシャフト部を備えていることを特徴とする請求項１に記載の加工方法。
【請求項３】
前記固定治具は、
前記シャフト部に回転不能に固定されるとともに、前記軟質材に形成されたキー溝に係合するキー溝押え部をさらに備えていることを特徴とする請求項２に記載の加工方法。
【請求項４】
軟質材が固定可能であるとともに、加工機に脱着可能な固定治具であって、
前記軟質材が固定されているとともに加工機から取り外された状態で冷却され、冷却後に前記軟質材とともに前記加工機に取り付けられることを特徴とする固定治具。
【請求項５】
軟質材が固定可能であるとともに加工機に脱着可能な固定治具を設計する方法であって、
前記軟質材を加工する加工時間を推定する加工時間推定工程と、
前記軟質材が固定されているとともに前記加工機から取り外された状態の固定治具を冷却する際の目標冷却温度を決定する目標冷却温度決定工程と、
前記固定治具の形状及び材質を決定する決定工程と、
前記軟質材と前記決定した固定治具の熱容量を算出する熱容量算出工程と、
前記推定した加工時間と、前記決定した目標冷却温度と、前記算出した熱容量から、加工終了時の前記軟質材の温度を計算する加工後温度計算工程と、
前記計算した加工後温度が前記軟質材の加工可能温度以下であるのか否かを判定する判定工程と、
を備えていることを特徴とする固定治具設計方法。
【請求項６】
前記判定工程で前記加工後温度が前記加工可能温度よりも高いと判断した場合に、前記決定工程で決定された前記固定治具の形状と材質の少なくとも一方を修正する修正工程を更に備えていることを特徴とする請求項５に記載の固定治具設計方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、軟質材を加工する技術に関する。特に、軟質材を冷却硬化させた状態で加工する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１に、軟質材を冷却硬化させた状態で加工する技術が開示されている。この技術では、軟質材を加工するのに先立って、軟質材を液体窒素によって冷却硬化（凍結）させておく。さらに、軟質材を加工している間は、軟質材に向かって冷媒を噴射し、軟質材の温度上昇を防止している。
【０００３】
【特許文献１】特開２００１−２０８０４２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１の技術では、軟質材の温度上昇を防止するために、加工中の軟質材に冷媒を吹き付ける必要がある。そのため、特許文献１の技術を実施する場合には、冷媒を噴射する冷却機構を備えた特別な加工機が必要とされる。
本発明は上記の課題を解決する。すなわち本発明は、加工中の軟質材に冷媒を吹き付けることなく軟質材の温度上昇が防止でき、冷却機構を備えていない通常の加工機を用いて軟質材を精度良く加工することができる技術を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、軟質材を加工する方法に関する。この加工方法は、少なくとも以下の４つの工程を備えている。
（１）加工機に脱着可能な固定治具に軟質材を固定する工程
（２）固定治具に固定した軟質材を固定治具とともに冷却する工程
（３）軟質材とともに冷却した固定治具を加工機に取り付ける工程
（４）加工機を用いて軟質材を加工する工程
【０００６】
この加工方法では軟質材を冷却する際に、軟質材を固定治具に固定した状態で、固定治具とともに軟質材を冷却する。そのため、冷却された固定治具が保冷材として機能し、軟質材の温度の上昇が抑制される。そのことから、軟質材が加工中に軟化（解凍）されてしまうことが抑制される。
この加工方法によると、軟質材を加工する加工機に、軟質材を冷却するための冷却機構を構成しておく必要がない。冷却機構を備えていない通常の加工機を用いて軟質材を精度良く加工することができる。
【０００７】
この加工方法で使用される固定治具は、加工機に脱着可能に固定される固定部と、固定部から伸びているとともに軟質材に挿通されるシャフト部を備えていることが好ましい。
この構造では、固定治具がシャフト部を備えており、軟質材はシャフト部に挿通された状態で固定される。これにより、軟質材と固定治具が接する面積が拡大し、固定治具による軟質材の温度上昇を抑制する効果を向上させることができる。
【０００８】
この加工方法で使用される固定治具は、シャフト部に回転不能に固定されるとともに、軟質材に形成されたキー溝に係合するキー溝押え部をさらに備えていることが好ましい。
この構造によると、シャフト部に対して軟質材が回転することが防止され、加工機を用いて軟質材を精度良く加工することができる。
【０００９】
本発明は、上記の加工方法で用いられる固定治具にも具現化される。本発明の固定治具は、軟質材が固定可能であるとともに、加工機に脱着可能な固定治具である。この固定治具は、軟質材が固定されているとともに加工機から取り外した状態で冷却され、冷却後に軟質材とともに加工機に取り付けられる。
この固定治具を用いることで、上記の加工方法を用いて軟質材を精度良く加工することができる。
【００１０】
本発明はまた、軟質材を加工機に固定する固定治具を設計する方法に関する。この設計方法は、少なくとも以下の６つの工程を備えている。
（Ａ）軟質材を加工する加工時間を推定する加工時間推定工程
（Ｂ）軟質材が固定されているとともに加工機から取り外された状態の固定治具を冷却する際の目標冷却温度を決定する目標冷却温度決定工程
（Ｃ）固定治具の形状及び材質を決定する決定工程
（Ｄ）軟質材と決定した固定治具の熱容量を算出する熱容量算出工程
（Ｅ）推定した加工時間と、決定した目標冷却温度と、算出した熱容量から、加工終了時の軟質材の温度を計算する加工後温度計算工程
（Ｆ）計算した加工後温度が軟質材の加工可能温度以下であるのか否かを判定する判定工程
【００１１】
この設計方法では、軟質材の加工に必要な加工時間を推定し、決定した固定治具の形状及び材質に基づいて固定治具と軟質材の熱容量を算出する。また、固定治具とともに軟質材を冷却する目標冷却温度を決定する。そして、この加工時間と目標冷却温度と熱容量を用いて軟質材の加工後温度を計算し、軟質材の加工後温度が軟質材の加工可能温度以下であるのか否かを判定する。ここで、「加工可能温度」とは、軟質材を冷却硬化させた状態で加工する際に、必要とされる加工精度が得られる硬度まで軟質材を冷却する温度の上限値を指し、軟質材の素材及び必要とされる加工精度に応じて予め実験等によって決定される温度である。
この設計方法によると、設計した固定治具の形状及び材質に対して、必要とされる保冷機能を有しているのか否かを判定することができる。
【００１２】
上記の設計方法では、
（Ｇ）判定工程で加工後温度が前記加工可能温度よりも高いと判断した場合に、決定工程で決定された固定治具の形状と材質の少なくとも一方を修正する修正工程
を更に備えていることが好ましい。
修正工程を備えていることで、必要とされる保冷機能を有する固定治具を設計することができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、軟質材を加工する際に、固定治具の保冷効果を利用して、軟質材の温度上昇を抑制することができる。これによって、冷却機構を備えていない通常の加工機を用いて、軟質材を精度よく加工することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下に説明する実施例の主要な特徴を最初に整理する。
（特徴１）  固定治具は、キー溝押え部をシャフト部に回転不能に固定するボルト押え部を備えている。
（特徴２）  加工時間推定工程では、軟質材に対する加工の量及び難度から加工時間を推定する。
（特徴３）  目標冷却温度決定工程では、使用する冷媒を決定する。
（特徴４）  修正工程後、修正された固定治具の形状及び材質を用いて、先に示した（Ｄ）〜（Ｆ）の工程が再度行われる。
【実施例】
【００１５】
本発明を具現化した実施例について図面を参照しながら説明する。図１は本実施例の加工機１０を示す。加工機１０は、固定治具２０を固定し、固定治具２０に固定されているウレタンゴム等の軟質材３０を除去加工する装置である。本実施例では、筒状の軟質材３０の貫通孔３２に固定治具２０のシャフト２２が挿通された状態で軟質材３０が固定治具２０に固定されている。
【００１６】
図１に示すように、加工機１０は、固定台１２と、チャック１６と、削り刀４０と、第１移動機構４２と、移動機構４６と、ステージ５０を備えている。
固定台１２は、ステージ５０に固定されている。チャック１６は、爪１８を用いて固定治具２０を固定するため機構であり、固定台１２に支持されている。固定台１２は、回転機構１４を備えている。チャック１６は、回転機構１４によってステージ５０に対して回転可能に支持されている。これにより、チャック１６に固定された固定治具２０及び固定治具２０に固定された軟質材３０が、ステージ５０に対して回転する。
【００１７】
図２に固定治具２０の構成を示し、図３に軟質材３０を固定治具２０に固定した様子を示す。図２に示すように、固定治具２０はシャフト２２と、キー溝押え２４と、ボルト押え２６を備えている。シャフト２２は、加工機１０のチャック１６に固定される固定部２２ａと、固定部２２ａから伸びているとともに軟質材３０に挿通されるシャフト部２２ｂを備えている。
図３に示すように、固定治具２０に軟質材３０を固定する際には、シャフト２２のシャフト部２２ｂを筒状の軟質材３０の貫通孔３２に挿通し、次にキー溝押え２４へと挿通する。キー溝押え２４の軟質材３０側の表面２４ａには、突起状のキー２５が形成されている。軟質材３０のキー溝押え２４側の表面３０ａには、キー２５に対応したキー溝３４が形成されている。シャフト部２２ｂでは、軟質材３０とキー溝押え２４がこの順で挿通されることで、キー溝押え２４に形成されたキー２５が、軟質材３０に形成されたキー溝３４へと勘合し、軟質材３０がキー溝押え２４に対して回転不能に固定される。
さらに、シャフト部２２ｂにボルト押え２６が固定される。ボルト押え２６によって、キー溝押え２４がシャフト２２に対して軸方向に固定されるとともに、キー溝押え２４がシャフト２２に対して回転不能に固定される。これにより、軟質材３０が固定治具２０に対して軸方向にも回転方向にも固定される。
【００１８】
図１に示すように、レール４８が、ステージ５０の表側表面５０ａに設置されており、そのレール４８上に第２移動機構４６が移動可能に支持されている。レール４４が、第２移動機構４６の表側表面４６ａに設置されており、そのレール４４上に第１移動機構４２が移動可能に支持されている。削り刀４０は、第１移動機構４２の表側表面４２ａに固定されている。第１移動機構４６は、削り刀４０をレール４４に沿って紙面前後方向に移動させるためのアクチュエータである。第２移動機構４６は、削り刀４０をレール４８に沿って紙面左右方向に移動させるためのアクチュエータである。削り刀４０は、第１移動機構４２と第２移動機構４６によって、ステージ５０及びステージ５０に固定されている軟質材３０に対して紙面前後左右方向に移動可能に支持されている。
削り刀４０を用いて軟質材３０を加工する際には、第１移動機構４２と第２移動機構４６によって、図１に示す位置から削り刀４０が軟質材３０に対向する位置まで移動される。また、削り刀４０は、紙面上下方向に移動不能に支持されている。削り刀４０が第１移動機構４２に固定されることで、軟質材３０を挿通しているシャフト２２と等しい高さに設定される。
【００１９】
次に、加工機１０を用いた軟質材３０の除去加工の手順について説明する。
上記したように、加工機１０から取り外した状態の固定治具２０に軟質材３０を固定した後、図４に示すように、固定治具２０に固定した軟質材３０を固定治具２０とともに、容器６０に貯めた液体窒素６２に浸す。これによって、軟質材３０が目標冷却温度にまで冷却される。ここで目標冷却温度とは、加工前の軟質材３０を冷却することによって到達させる目標温度を意味している。変形し易い軟質材３０を目標冷却温度まで冷却することによって、軟質材３０が冷凍硬化し、軟質材３０の変形が抑制される。そのため、加工機１０を用いて軟質材３０を精度よく加工することが可能となる。
本実施例の除去加工方法では、固定治具２０に固定した状態の軟質材３０を冷却する。軟質材３０を冷却するに先立って、軟質材３０を固定治具２０に固定されており、軟質材３０を冷却する際に軟質材３０が変形してしまうことが抑制される。変形が抑制された軟質材３０を用いて、軟質材３０を精度よく加工することができる。
【００２０】
軟質材３０を目標冷却温度まで冷却した後、固定治具２０と軟質材３０を液体窒素６２から取り上げ、図１に示すように、冷却された固定治具２０の固定部２２ａを加工機１０のチャック１６に取り付ける。
本実施例の除去加工方法では、加工機１０に脱着可能な固定治具２０を用いており、冷却された状態の固定治具２０を加工機１０に素早く取り付けることができる。そのため、冷却された軟質材３０を加工機１０に取り付けるまでに必要な時間を短縮することができる。これによって、冷却されてから加工されるまでの間に、軟質材３０の温度が上昇することが抑制される。同様に、冷却されてから加工されるまでの間に、固定治具２０の温度が上昇することも抑制される。
【００２１】
次に、固定治具２０を介して加工機１０に固定された軟質材３０を、加工機１０を用いて加工する。加工する際には、前述したように、第１移動機構４２と第２移動機構４６によって削り刀４０が軟質材３０に対向する位置まで移動される。軟質材３０を加工する加工量は、軟質材３０の冷却に伴う体積変化を考慮して、適宜調整するとよい。
加工前に軟質材３０のみを冷却した場合でも、加工中に軟質材３０が周囲の大気などにより徐々に暖められると、その温度が上昇する。そして、軟質材３０の温度が、加工可能温度を超えてしまった場合、軟質材３０を精度よく加工することができなくなる。軟質材３０が加工可能温度を超えると、軟質材３０を所望の精度で加工するのに必要とされる特性、例えば硬度等の特性を所望の精度で加工できる範囲内に保つことができない。そのため、加工機１０を用いて軟質材３０を精度よく加工することができない。加工前に軟質材３０のみを冷却しただけでは、軟質材３０に所望の精度の加工を施すことができない場合が存在する。
【００２２】
本実施例では、軟質材３０を冷却する際に、軟質材３０とともに固定治具２０も冷却する。そのため、固定治具２０の保冷硬化により、軟質材３０のみが冷却された場合に比べて、軟質材３０の温度上昇が抑制される。そのため、加工中に軟質材３０の温度が加工可能温度を超えて上昇することが抑制される。
本発明によれば、加工中に軟質材３０の温度が加工可能温度以下に保たれており、加工機１０を用いて軟質材３０を精度良く加工することができる。また、加工中に軟質材３０の温度が加工可能温度以下に保たれているので、特許文献１のように、加工中に軟質材３０を冷却する作業も必要でなければ、加工機１０に加工中の軟質材３０を冷却するための冷却装置を備えておく必要もない。冷却装置を備えていない通常の加工機１０を用いて、軟質材３０を精度よく加工することができる。
【００２３】
本実施例では、固定治具２０に固定した軟質材３０を冷却する際に、容器６０に貯めた液体窒素６２に浸すだけでよく、特別な冷却用の機器を準備する必要がない。汎用の設備を用いて本実施例を実施することができる。また、本実施例で用いられる固定治具２０についても、汎用の固定治具２０を用いて本実施例を実施することが可能である。
ただし、加工中に軟質材３０の温度が加工可能温度を超えて上昇することを確実に防止するためには、加工される軟質材３０に合わせて固定治具２０が設計されることが好ましい。
【００２４】
図５は、固定治具２０の設計の流れを示すフローチャートである。以下、図５を用いて、固定治具２０の設計の流れを説明する。
先ず、ステップＳ１０において、軟質材３０を加工する加工時間を推定する。加工時間を推定する際には、軟質材３０に加える加工の量や加工の難度によってその加工時間が推定される。軟質材３０が加工される際の軟質材３０の周囲の大気温度が予め解っていると、推定された加工時間から軟質材３０と固定治具２０に周囲の大気から印加される熱量が推定される。
【００２５】
次に、ステップＳ２０において、目標冷却温度を決定する。目標冷却温度は、軟質材３０の素材等に応じて自由に決定可能であり、少なくとも加工可能温度より低温であればよい。推定した加工時間が長い場合には、目標冷却温度との温度差が大きくなるように目標冷却温度を決定するとよい。一方、推定した加工時間が短い場合には、加工可能温度と目標冷却温度の温度差は小さくてもよい。また、決定した目標冷却温度に応じて、使用する冷媒や冷却時間を決定するとよい。
【００２６】
次に、ステップＳ３０において、固定治具２０の形状及び材質を決定し、ステップＳ４０において、ステップＳ３０で決定した固定治具２０の形状及び材質に基づいて固定治具２０の熱容量が算出される。またステップＳ４０では、軟質材３０の熱容量も算出され、固定治具２０と軟質材３０を併せた熱容量が算出される。固定治具２０及び軟質材３０の熱容量は、それぞれ、比熱と体積から計算することができる。
【００２７】
ステップＳ５０では、ステップＳ１０で推定した加工時間と、ステップＳ２０で決定した目標冷却温度と、ステップＳ４０で算出した熱容量から、加工終了時の軟質材３０の温度である加工後温度が計算される。
具体的には、推定した加工時間、加工時の雰囲気温度、軟質材３０の加工量から、軟質材３０と固定治具２０に対して加工中に印加される熱量を推定する。この推定された熱量と算出した熱容量から、加工中に軟質材３０と固定治具２０に発生する温度の上昇量が推定される。この推定された上昇量を、加工前の軟質材３０と固定治具２０の温度である目標冷却温度に加えることで、加工終了時の軟質材３０の温度である加工後温度が計算される。
【００２８】
次に、ステップＳ６０では、ステップＳ５０で計算した加工後温度が軟質材３０の加工可能温度以下であるのか否かを判定する。加工後温度が加工可能温度以下と判定された場合、加工中に軟質材３０の温度が加工可能温度を超えて上昇することがない。ステップＳ３０で決定された固定治具２０を用いて、軟質材３０を精度良く加工することができることが解る。一方、加工後温度が加工可能温度よりも高いと判定された場合、加工中に軟質材３０の温度が加工可能温度を超えて上昇する。ステップＳ３０で決定された固定治具２０を用いて、軟質材３０を所望の精度に加工することができないことが解る。
この固定治具２０の設計方法によれば、加工中に軟質材３０の温度が加工可能温度を超えて上昇することがない固定治具２０を設計することができる。
【００２９】
本実施例の固定治具２０の設計方法では、ステップＳ６０で加工後温度が加工可能温度よりも高いと判定した場合に、ステップＳ３０に戻り、先に決定した固定治具２０の形状と材質の少なくとも一方を修正することが好ましい。
例えば、図６に示すように、固定治具２０を構成しているシャフト２２の固定部２２ａの長さを変更する。シャフト２２の体積が増大すると、固定治具２０全体としての熱容量を下げることができる。これによって、軟質材３０の加工後温度を下げることができ、加工後温度が加工可能温度以下となるように固定治具２０を修正することができる。もちろん、固定治具２０の材質を変更してもよい。
【００３０】
また、本実施例の固定治具２０の設計方法では、修正した固定治具２０の形状及び材質を用いて図５に示すステップＳ４０〜ステップＳ６０を再び実施されることが好ましい。これによって、修正した固定治具２０を用いた場合の加工後温度が、加工可能温度以下であるのか否かが判定される。修正した固定治具２０を用いた加工後温度が加工可能温度以下であるのか否かを確認することができる。ステップＳ４０〜ステップＳ６０の行程を繰り返すことにより、必要な保冷機能を有する固定治具２０を設計することができる。
【００３１】
本実施例の固定治具２０の設計方法では、ステップＳ１０で推定された加工時間、ステップＳ２０で決定された目標冷却時間、ステップＳ３０で決定された固定治具２０の形状及び材質、ステップＳ４０で算出された軟質材３０と固定治具２０の熱容量、ステップＳ５０で計算された加工後温度、ステップＳ６０の判定結果が、データベースに蓄積されることが好ましい。そして、新たな固定治具２０の設計時には、このデータベースに蓄積されたデータに基づいて、ステップＳ１０で加工時間が推定され、ステップＳ２０で目標冷却時間が決定され、ステップＳ３０で固定治具２０の形状及び材質が決定され、ステップＳ４０で軟質材３０と固定治具２０の熱容量が算出され、ステップＳ５０で加工後温度が計算されることが好ましい。データベースに蓄積された実績を伴うデータを用いることで、必要な保冷機能を有する固定治具２０を容易に設計することができる。
【００３２】
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
例えば、固定治具２０を冷却する方法は容器６０に貯めた液体窒素６２に浸す方法に限られない。使用される冷媒も液体窒素６２に限られない。
また、固定治具２０の設計方法では、修正した固定治具２０の形状及び材質を用いて図５に示すステップＳ６０の判定を行い、その結果に基づいて固定治具２０を再度修正しても構わない。修正と判定は複数回繰返してもよければ、１回で終了してもよい。
【００３３】
本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】加工機１０を示す。
【図２】固定治具２０を示す。
【図３】固定治具２０に軟質材３０を固定した様子を示した図である
【図４】固定治具２０と軟質材３０を冷却する様子を示した図である。
【図５】固定治具２０を設計するフローチャートである。
【図６】固定治具２０を修正する一例を示した図である。
【符号の説明】
【００３５】
１０   加工機
１２   固定台
１４   回転機構
１６   チャック
１８   爪
２０   固定治具
２２   シャフト
２２ａ 固定部
２２ｂ シャフト部
２４   キー溝押え
２５   キー
２６   ボルト押え
３０   軟質材
３２   貫通孔
３４   キー溝
４０   削り刀
４２   第１移動機構
４６   第２移動機構
５０   ステージ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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