(57)【要約】【目的】被削材料と接触しているダイヤモンド工具に超音波振動を与えることにより、ダイヤモンド工具の刃先部分に起こる炭素との化学反応を回避することができ、高精度な鏡面を有し、加工処理時間の短縮化が図れる炭素を含有する鉄系材料の切削加工方法を提供することにある。【構成】台座１の先端にダイヤモンド刃２を有する切削工具３を用いて、炭素を含有する鉄系材料の被削材料４を切削する切削加工方法であって、切削加工時の切削工具３の移動方向と同一方向に切削工具を超音波振動させながら移動させるようにした方法である。【選択図】　　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
台座の先端にダイヤモンド刃を有する切削工具を用いて、炭素を含有する鉄系材料の被削材料を切削する切削加工方法であって、切削加工時の切削工具の移動方向と同一方向に切削工具を超音波振動させながら移動させることを特徴とする鉄系材料の切削加工方法。
【請求項２】
前記切削工具は、台座のダイヤモンド刃と当接する部分に微細な鋸歯状の凹凸形状を備えるとともに該ダイヤモンド刃の台座と当接する面と反対側の面に板状治具を当接させて螺子締めして固定することを特徴とする請求項１記載の鉄系材料の切削加工方法。
【請求項３】
振動装置に切削工具が固定されており、振動装置自体の傾斜角度を調整することにより、被削材と切削工具の刃先が所定の角度となるようにして切削加工を行うことを特徴とする請求項１又は請求項２記載の鉄系材料の切削加工方法。
【請求項４】
５軸のスピンドル軸に振動装置及びダイヤモンド工具が固定されており、切削工具の刃先が切削進行方向に対して常に同じ方向を向くように保ちながら切削加工を行うことを特徴とする請求項１又は請求項２記載の鉄系材料の切削加工方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、切削加工を行う際に切削工具の移動方向と同一方向に切削工具を超音波振動させながら移動させて切削する鉄系材料の切削加工方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
切削抵抗の減少、加工精度の向上、加工歪みの低下を図るための技術が、例えば、特開平７−６８４０１号公報に開示されている。この振動切削加工方法には、図９に示したように、切削時に第一及び第二のアクチュエータによって、切削工具２０に切削方向及び切り屑流出方向の振動を重畳して与えている。
【０００３】
このとき、振動制御手段によって、第一及び第二のアクチュエータの動作制御を行い、切削工具２０の動作における１つの周期内で、切削工具２０が被削材２１に対して相対的に切削方向の正の速度分布を有する期間内で切り屑流出方向の正の速度分布を有する期間内で切り屑及び仕上げ面から離れた状態で仕上げ面に移動するようにその動作が制御される。
【０００４】
そのために、ダイヤモンド刃を有する切削工具２０を用いて、炭素を含有する鉄系の被削材料を加工すると、被削材料と接触しているダイヤモンドの刃先部分が摩耗を起こし、すぐに切削できない状態になり、所定の形状を形成することができにくいものであった。
【０００５】
通常、炭素を含有する被削材料４を鏡面加工する場合には、被削材料４を機械加工により形状生成を行った後、必要な鏡面部を研削加工やポリシング加工または手磨きなどの２次、３次処理を行ったり、表面にメッキ処理等を行ったりして鏡面部を形成したり、ダイヤモンド刃２を有する切削工具２０による切削加工で鏡面生成は可能であるが、この場合は、被削材料４が非鉄金属の範囲で形成できるが、炭素を含有する鉄系材料の被削材料４は、ダイヤモンド工具の破損等が生じ易く短時間に鏡面加工処理を行うことは不可能であった。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記課題を解決するために被削材料と接触している切削工具に超音波振動を与えることにより、切削工具の刃先部分に起こるダイヤモンド刃と炭素との化学反応を回避することができ、高精度な鏡面を有し、加工処理時間の短縮化が図れる炭素を含有する鉄系材料の切削加工方法を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の鉄系材料の切削加工方法は、台座の先端にダイヤモンド刃を有する切削工具を用いて、炭素を含有する鉄系材料を切削する切削加工方法であって、切削加工時の切削工具の移動方向と同一方向に切削工具を超音波振動させながら移動させることを特徴としている。
【０００８】
したがって、被削材料と接触している切削工具に移動方向と同一方向に超音波振動を与えることにより、切削工具の刃先部分に起こる炭素との化学反応を回避することができ、高精度な鏡面を有し、加工処理時間の短縮化が図れる。
【０００９】
請求項２に記載の鉄系材料の切削加工方法は、請求項１に記載の切削工具は、台座のダイヤモンド刃と当接する部分に微細な鋸歯状の凹凸形状を備えるとともに該ダイヤモンド刃の台座と当接する面と反対側の面に板状治具を当接させて螺子締めして固定することを特徴としている。
【００１０】
したがって、切削工具の破損や刃先部分のチッピンング防止を図ることができる。
【００１１】
請求項３に記載の鉄系材料の切削加工方法は、請求項１又は請求項２に記載の鉄系材料の切削加工方法において、振動装置に切削工具が固定されており、振動装置自体の傾斜角度を調整することにより、被削材とダイヤモンド工具の刃先が所定の角度となるようにして切削加工を行うことを特徴としている。
【００１２】
したがって、被削材の面荒さの加工形状精度が向上し、工具の調整時間が短縮されダイヤモンド刃先のチッピンング防止を図ることができる。
【００１３】
請求項４に記載の鉄系材料の切削加工方法は、請求項１又は請求項２に記載の鉄系材料の切削加工方法において、５軸のスピンドル軸に振動装置及び切削工具が固定されており、切削工具の刃先が切削進行方向に対して常に同じ方向を向くように保ちながら切削加工を行うことを特徴としている。
したがって、曲線加工形状の加工面の鏡面を高精度に確保することができる。又、切削工具の干渉を防止することができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
図１乃至図８に示したように、本発明の実施形態に係わる鉄系材料の切削加工方法について説明する。
【００１５】
図１において、超硬やステンレス等からなる台座１の先端に単結晶ダイヤモンド（天然ダイヤモンド）からなるダイヤモンド刃２を接合した切削工具３を用いて、炭素を含有する鉄系材料からなる板状の被削材料４を切削する加工方法であって、切削加工時の切削工具３の移動方向と同一方向に切削工具を超音波振動させながら移動させるようにした方法である。
【００１６】
図２は、旋盤加工のようにロッド状の被削材料４を回転させながら切削加工を行うものであって、炭素を含有する鉄系材料の被削材料４を回転させ、ダイヤモンド刃２を所定の断面形状方向に超音波振動をさせながら切削工具３を切削方向に移動して切削加工を行う方法である。図３は、ダイヤモンド刃２を所定の断面形状方向に超音波振動させながら切削工具３を切削方向に移動して切削加工を行う際の、切削工具３の振動形態を示す図である。
【００１７】
具体的には、切削工具３の刃先（ダイヤモンド刃２）に振幅１μｍ〜５０μｍの振幅の超音波振動を与えるとともに、超音波振動の振幅及び加工速度を調節して、超音波振動によるダイヤモンド刃２の速度（Ｖｃ）と切削加工を行うための加工速度（Ｖｓ）との速度比（Ｖｏ）を５０〜２００になるうように設定し、１回の加工切り込み深さを１０μｍ以下で切削加工を行う。このような条件下で切削加工を行うことにより、加工面の表面粗さＲａが０．００２μｍ〜０．１μｍの鏡面が得られる。また、切削工具３の刃先の破損もなく加工時間が短縮されようになる。
【００１８】
ところで、切削工具３は、台座１の先端部に先鋭な片状のダイヤモンド刃２が接合されているものであるが、振動切削においては、切削時の切削抵抗及び超音波振動による遠心力の合力がダイヤモンド刃２に加わるため、台座１とダイヤモンド刃２の接合強度がこの合力以下であれば、加工時にされているものであるが、切削工具３のチッピングや破損等が生じる。例えば、上述した条件では、炭素を含有する鉄系材料を振動加工する場合、合力として約３０ｇ／ｍｍ２の力がダイヤモンド刃２に加わるため、台座１とダイヤモンド刃２の接合強度は、安全率を考慮した場合、約５０ｇ／ｍｍ２が必要となる。
【００１９】
図４（ａ）は、このような問題を解決するために、板状治具６により台座１とダイヤモンド刃２の接合強度を補強した切削工具３を示すものであり、図４（ｂ）は、図４（ａ）中の矢印の方向から見た場合の矢視図を示したものである。切削工具３は、台座１のダイヤモンド刃２と当接する面と反対側の面に板状治具６を当接させて螺子７で固定したものである。
【００２０】
台座１の微細な鋸歯状の凹凸部５は、ブラスト、ショットピーニング等による粗面化処理や、切削加工や研削加工のような機械的な加工により形成する。台座１のダイヤモンド刃２と当接する部分に微細な鋸歯状の凹凸部５を設けることにより、振動加工時に台座１のダイヤモンド刃２と当接する部分の剪断方向の摩擦抵抗が大きくなるために、接合界面の滑り止めの効果が得られ、切削工具３のチッピング損傷を防止することができる。さらに、この方法を用いると、小さなダイヤモンド結晶を用いたダイヤモンド刃２にも適用でき、微細な部分への鏡面加工が可能である。
【００２１】
また、ダイヤモンド刃２の刃先形状を転写させる振動切削加工を行う場合、ダイヤモンド刃２の刃先が、被削材料４に対して所定の一定角度を保つように調整する必要がある。この場合、切削工具３自体を微調整してセッテイングする方法が考えられるが、ダイヤモンド刃２に手を触れたりすると刃先に油膜ができるため加工時に鏡面が得られなくなってしまうことがある。
【００２２】
図５（ａ）、（ｂ）は、この問題を解決するために、振動装置８に切削工具３を固定し、振動装置８自体の傾斜角度を調整する角度調整機構を設けたものであり、被削材料４と切削工具３の刃先が所定の角度となるようにして切削加工を行うものである。この傾斜角度の調整は、ヒンジ９によって回動可能とし、振動軸１０とダイヤモンド刃２との直角度を確保しながら行うために、振動装置８全体を水平方向に角度微調整可能としている。振動装置８に切削工具３を固定した状態で振動装置８の角度を調整するため、ダイヤモンド刃２に直接手を触れることなく調整できる。
【００２３】
また、この角度調整機構により、切削工具３の刃先をμｍレベルで微調整することができる。この微調整は、ダイヤモンド刃２を水平角度方向に０．００１°単位で行えるため、角度精度が０．００１°〜０．００３°の高精度加工物が得られる。
【００２４】
図６（ａ）、（ｂ）は、角度調整機構による水平角度の調整前後の加工による被削材料４の加工面の表面荒さの測定結果を示したものである。図６（ａ）のような角度調整前すなわち被削材料４とダイヤモンド刃２との水平が保たれないと、刃先傾斜による表面粗さが悪化するが（Ｒｙ３００ｎｍ）、図６（ｂ）のように角度調整後すなわち被削材料４とダイヤモンド刃２との水平が保たれていると、表面粗さが小さくなり（Ｒｙ５０ｎｍ）、鏡面が形成された。
【００２５】
このようにすることで、被削材料４の表面荒さの加工形状精度が向上し、切削工具３の調整時間が短縮され、切削工具３の刃先のチッピングを防止することができる。
【００２６】
図７及び図８に示したように、１軸〜５軸を有するスピンドル軸に振動装置８及びダイヤモンド工具が固定されており、ダイヤモンド工具の刃先が切削進行方向に対して常に同じ方向を向くように保ちながら切削加工を行うようにしている。
【００２７】
このようにすることで、振動切削加工を用いて、これまで困難であった３次元の曲線形状加工を行うために、図８のような５軸のスピンドル軸へ振動装置及びダイヤモンド工具を固定する。曲線形状加工時には、水平方向移動を２軸と３軸を用いて行い、回転方向移動を４軸を用いて行う。このとき、２軸、３軸、４軸は、同時制御可能で同期した送り機構を持つ。加工時の切り込みは、１軸を用いて行うことにより、振動装置８を含むダイヤモンド工具は、すべて固定した状態で、進行方向制御が可能な振動切削加工を行うことができる。
【００２８】
このようにすることで、曲線加工形状の加工面の鏡面を高精度に確保することができる。又、ダイヤモンド工具の干渉を防止することができる。
【００２９】
【発明の効果】
請求項１に記載の鉄系材料の切削加工方法は、台座の先端にダイヤモンド刃を有する切削工具を用いて、炭素を含有する鉄系材料を切削する切削加工方法であって、切削加工時の切削工具の移動方向と同一方向に切削工具を超音波振動させながら移動させることにより、被削材料と接触しているダイヤモンド工具に超音波振動を与えることにより、ダイヤモンド工具の刃先部分に起こる炭素との化学反応を回避することができ、高精度な鏡面を有し、加工処理時間の短縮化が図れる。
【００３０】
請求項２に記載の鉄系材料の切削加工方法は、台座のダイヤモンド刃と当接する部分に微細な鋸歯状の凹凸形状を備えるとともにこのダイヤモンド刃の台座と当接する面と反対側の面に板状治具を当接させて螺子締めして固定しているので、ダイヤモンド工具の破損や刃先部分のチッピンング防止を図ることができる。
【００３１】
請求項３に記載の鉄系材料の切削加工方法は、振動装置にダイヤモンド工具が固定されており、振動装置自体の傾斜角度を調整することにより、被削材とダイヤモンド工具の刃先が所定の角度となるようにして切削加工を行うので、被削材の面荒さの加工形状精度が向上し、工具の調整時間が短縮されダイヤモンド刃先のチッピンング防止を図ることができる。
【００３２】
請求項４に記載の鉄系材料の切削加工方法は、５軸のスピンドル軸に振動装置及びダイヤモンド工具が固定されており、ダイヤモンド工具の刃先が切削進行方向に対して常に同じ方向を向くように保ちながら切削加工を行うので、曲線加工形状の加工面の鏡面を高精度に確保することができる。又、ダイヤモンド工具の干渉を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態である鉄系材料の被削材料を直線的に切削する切削加工方法を示す斜視図である。
【図２】本発明の異なる実施形態である鉄系材料の被削材料を回転的に切削する切削加工方法を示す正面図である。
【図３】本発明の一実施形態である鉄系材料の被削材料を直線的に切削する切削加工方法を示す拡大断面図である。
【図４】（ａ）はダイヤモンド工具を示す斜視図であり、（ｂ）はダイヤモンド刃を台座の凹凸部と板状治具で固着した状態を示す縦断面図である。
【図５】（ａ）はダイヤモンド工具を水平方向に微調整機構を設けた正面図であり、（ｂ）はダイヤモンド工具の刃を被削材料に対して水平角度調整可能にした正面図である。
【図６】（ａ）はダイヤモンド工具の角度調整前の状態を示す正面図、（ｂ）はダイヤモンド工具の角度調整後の状態を示す正面図である。
【図７】本発明の振動切削加工装置を用いて、３次元の曲線形状加工を行うための斜視図である。
【図８】本発明は５軸の振動切削加工装置を示す斜視図である。
【図９】従来の楕円振動を切削工具に付加した場合の断面図である。
【符号の説明】
１　台座
２　ダイヤモンド刃
３　切削工具
４　被削材料
５　凹凸部
６　板状治具
７　螺子
８　振動装置
【図１】
2004025345.tif 000003
【図２】
2004025345.tif 000004
【図３】
2004025345.tif 000005
【図４】
2004025345.tif 000006
【図５】
2004025345.tif 000007
【図６】
2004025345.tif 000008
【図７】
2004025345.tif 000009
【図８】
2004025345.tif 000010
【図９】
2004025345.tif 000011