(57)【要約】【課題】回転する切削工具を移動させて被削材を切削加工する際に、隅部の削り残しを少なくし、良好な表面粗さで加工する。【解決手段】回転と被削材との相対的な移動によって被削材２を加工する回転切削工具１において、直線状の切れ刃を持ち、回転したときの包絡面が頂点を有する円錐面となるような第一の切れ刃１１と、当該第一の切れ刃の端点を基点として、第一の切れ刃とは角度が異なる直線状の第二の切れ刃１２を備えている。切削加工装置は、前記回転切削工具１の回転軸を、前記被削材２の回転軸に対して傾斜させて、工具ホルダと被削材を把持するチャックとの干渉を回避する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転と被削材との相対的な移動によって被削材を加工する回転切削工具において、
直線状の切れ刃を持ち、回転したときの包絡面が頂点を有する円錐面となるような第一の切れ刃と、当該第一の切れ刃の端点を基点として、第一の切れ刃とは角度が異なる直線状の第二の切れ刃を備えていることを特徴とする回転切削工具。
【請求項２】
請求項１記載の回転切削工具において、
前記第一の切れ刃が回転したときの包絡面における頂角と、前記第一の切れ刃と前記第二の切れ刃のなす角との和が２７０°となることを特徴とする回転切削工具。
【請求項３】
請求項１記載の回転切削工具において、
前記第一の切れ刃を回転軸方向に延長した線分と、前記第二の切れ刃を回転軸方向に延長した線分とのなす角度が９０°以下となることを特徴とする回転切削工具。
【請求項４】
請求項１〜３の何れか一つに記載の回転切削工具を用いた切削加工装置であって、
前記回転切削工具の回転軸を、前記被削材の回転軸に対して傾斜させて、工具ホルダと被削材を把持するチャックとの干渉を回避するように構成したことを特徴とする切削加工装置。
【請求項５】
請求項４記載の切削加工装置において、
前記被削材を把持するチャックに対向する位置に、被削材引出用のチャックを設けたことを特徴とする切削加工装置。
【請求項６】
請求項４記載の切削加工装置において、
前記被削材の回転軸方向に被削材押出用のプッシャを設けたことを特徴とする切削加工装置。
【請求項７】
請求項５または請求項６記載の切削加工装置において、
被削材を把持するチャックに取り付けた爪に、予め被削材に設けた溝にはめ合う、ホゾを設けたことを特徴とする切削加工装置。
【請求項８】
請求項１〜３の何れか一つに記載の回転切削工具を用いた切削加工方法であって、
長尺の被削材から直接製品形状の輪郭を削り出す切削加工方法。
【請求項９】
請求項８記載の切削加工方法において、
前記被削材をチャックに対して繰り出して、製品形状の輪郭を削り出すことを特徴とする切削加工方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回転する切削工具を被削材に対して移動することで被削材を切削加工する技術、特に、切削工具を用いて、被削材を良好な表面粗さで加工するための技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
回転する切削工具を用いた長尺の被削材の加工や、長尺工具を用いた切削加工において、被削材や工具の動剛性（動的な剛性）が小さい場合、あるいは切削工具と被削材の間に作用する切削力が大きい場合に、切削工具と被削材の間に相対的な振動が生じる。そして発生した振動により加工面にうねりが生じ、また、その表面粗さが増大し、所望の加工精度を得ることが出来なくなる。さらにまた、上記した振動が大きくなると切削工具自身の切れ刃が欠損する、あるいはその摩耗が増大するなどの不具合が生じ、最終的には切削工具自身が寿命にいたることになる。
被削材が長尺部材であるような場合、その先端部では剛性が低くなり、振動が発生しやすくなる。また、例えば丸棒から板状の形状を削り出すような場合には、加工が進行するに伴って被削材の剛性が低下していくため、振動が発生しやすくなる。
【０００３】
このような場合における対応策のひとつには、長尺部材の先端部をセンタ固定したり、両側をチャック把握することで加工部位の剛性を向上することが挙げられる。しかしながら、この方法ではセンタ固定する先端部の加工において、切削工具とセンタとが干渉してしまうため加工できないという問題がある。
【０００４】
他の対応策として、特許文献１に記載の方法が提案されている。すなわち、長尺の被削材からの薄板の削り出し加工において、素材の一端部を保持具で保持し、素材の周囲を切削工具が回りながら、自由端側から加工終了面まで製品の輪郭形状を直接切削加工することによって、加工部位に作用する切削力が加工精度に影響しないようにする加工方法が提案されている。
【０００５】
また、被削材を回転しながら回転工具で切削する方法においては、回転工具の横送りによって加工面に形成される段差、削り残しが生じる。この被削材の加工面の削り残しを小さくするための加工方法としては、特許文献２に記載のように直線状の切れ刃を有する切削工具を傾斜させて加工することで、横送りによる加工面の段差を小さくする方法も提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開昭６１−２６５２５８号公報
【特許文献２】特開平１０−８０８１７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記した特許文献１では、被削材の下方、すなわち保持具によって固定されている部分の近傍を加工するためには、切削工具を長く突き出す必要があり、被削材と同じ長さとする必要がある。被削材が長くなるほど、工具も突き出し量を大きくする必要があるため切削工具の剛性が低下し、加工時の振動が大きくなってしまう。また、切削工具の剛性を高めるために工具直径を大きくすると、例えば凹面の加工など、加工できる輪郭形状の曲率半径も大きくなってしまい、加工形状寸法の制約が生じてしまうという課題がある。
【０００８】
また、上記した特許文献２では、仕上げ加工などのように、切れ刃に作用する切削代が小さい場合を対象としており、荒加工などを対象として大きな切削代を加工した場合は、通常のスクエアエンドミルと同様に隅部の削り残しは大きくなってしまうという課題がある。
さらに、素材の状態においてもチャックからの距離が長い先端部分においては、チャック部分よりも被削材の剛性が低下するので、加工能率向上にも限界がある。先端部とチャック部分では被削材の剛性が異なるので振動の発生限界も異なり、先端部に近いほど小さな切込み量で加工しなければならない。しかし、加工する部分に応じて切込み量などの加工条件を変化させたＮＣプログラムの作成は困難であり、実際には被削材前面を同じ加工条件で切削しなければならず、先端部で振動の生じない加工条件で被削材前面を加工することになるので、加工条件の向上において限界が生じるという問題がある。
【０００９】
本発明は、回転する切削工具を移動させて被削材を切削加工する際に、隅部の削り残しを少なくし、良好な表面粗さで加工することのできる切削工具、それを用いた切削加工装置および切削加工方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記の課題を解決するために、本発明の回転切削工具は、回転と被削材との相対的な移動によって被削材を加工する回転切削工具において、直線状の切れ刃を持ち、回転したときの包絡面が頂点を有する円錐面となるような第一の切れ刃と、当該第一の切れ刃の端点を基点として、第一の切れ刃とは角度が異なる直線状の第二の切れ刃を備えていることを特徴とするものである。
また、本発明の回転切削工具は、前記第一の切れ刃が回転したときの包絡面における頂角と、前記第一の切れ刃と前記第二の切れ刃のなす角との和が２７０°となるものでよい。
また、本発明の回転切削工具は、前記第一の切れ刃を回転軸方向に延長した線分と、前記第二の切れ刃を回転軸方向に延長した線分とのなす角度が９０°以下となるものでよい。
これにより、本発明の回転切削工具は、スクエアエンドミルを用いた場合よりも隅部の削り残しを小さくすることができ、かつ、切削工具の横方向送りを大きくしても良好な表面粗さで加工することが可能になる。また、第一の切れ刃は頂点をもつ円錐形状となっているために、ドリルと同様に、工具の回転軸方向の切込みが作用しても加工できるという利点もある。
【００１１】
本発明の切削加工装置は、前記の回転切削工具を用いた切削加工装置であって、前記回転切削工具の回転軸を、前記被削材の回転軸に対して傾斜させて、工具ホルダと被削材を把持するチャックとの干渉を回避するように構成したものである。
これにより、短い突き出し長さの切削工具で長尺の被削材のチャック固定部付近まで切削加工することができるので、切削工具の剛性低下を防止し、振動を生じずに精度良く加工することが可能になる。
【００１２】
また、本発明の切削加工装置は、さらに、前記被削材を把持するチャックに対向する位置に、被削材引出用のチャックを設けたものでよい。或いは、本発明の切削加工装置は、さらに、前記被削材の回転軸方向に被削材押出用のプッシャを設けたものでよい。
また、本発明の切削加工装置は、さらに、被削材を把持するチャックに取り付けた爪に、予め被削材に設けた溝にはめ合う、ホゾを設けたものでよい。ホゾを設けることで、チャックと被削材の位置関係のずれが生じることを防止することができる。
【００１３】
本発明の切削加工方法は、前記の回転切削工具を用いた切削加工方法であって、長尺の被削材から直接製品形状の輪郭を削り出すものである。
また、本発明の切削加工方法は、さらに、前記被削材をチャックに対して繰り出して、製品形状の輪郭を削り出すものである。
被削材をチャックから逐次繰り出しながら加工を行うことにより、被削材のチャックからの突き出し量を小さくできるので、被削材の剛性低下による振動の発生を抑制することが可能であり、切削工具の欠損や大きな摩耗を生じることなく高い能率で加工することが可能となる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、回転する切削工具を移動させて被削材を切削加工する際に、隅部の削り残しを少なくし、良好な表面粗さで加工することができる。
また、切削工具や被削材の振動の発生を抑制することができ、精度良く高い能率で切削加工することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の実施例の切削工具切れ刃形状を説明した図である。
【図２】被削材の回転と切削工具の移動によって長尺部材を加工する状況を説明するための概略図である。
【図３】本発明の実施例の長尺部材を加工する状況を説明するための概要図である。
【図４】長尺の素材から削り出しを行った時の、先端部とチャック固定部における動剛性の差を示した図である。
【図５】通常の加工方法におけるチャック近傍を加工している際の、工具ホルダとチャックとの干渉を説明した図である。
【図６】工具の回転軸を被削材の回転軸に対して傾斜させて加工する状況を説明した図である。
【図７】スクエアエンドミルを用いた場合の、加工面の削り残しを説明した図である。
【図８】本発明の実施例において、横送りを与えた場合の加工面の削り残しを説明した図である。
【図９】本発明の実施例において、工具の第一の切れ刃および第二の切れ刃の角度を説明するための概略図である。
【図１０】従来のテーパ付工具において、傾斜面を駆け上がりながら加工する際に、工具切れ刃が切削する領域を説明した図である。
【図１１】従来のテーパ付工具において、傾斜面を駆け降りながら加工する際に、工具切れ刃が切削する領域を説明した図である。
【図１２】本発明の切削工具において、工具が傾斜面を駆け降りながら加工する際に、工具切れ刃が切削する領域を説明した図である。
【図１３】本発明の実施例において、丸棒素材から削り出し加工している状況を説明した図である。
【図１４】本発明の実施例において、被削材が引き出された後の加工の状況を説明した図である。
【図１５】本発明の実施例において、チャックを用いて被削材を引き出している状況を説明した図である。
【図１６】本発明の実施例において、チャック爪のホゾと、被削材に事前に加工されている溝を示した図である。
【図１７】本発明の実施例において、プッシャによって被削材を押出す機構を説明した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の実施の形態を図面を用いて詳細に説明する。
【００１７】
従来より、長尺の被削材を回転切削工具を用いて切削加工する方法として、図２に示したように、被削材２の一端をチャック３に取り付けられた爪４で把持し、切削工具１の移動とチャック３の回転によって材料を除去して加工する方法が行われている。この際に、長尺の素材から薄板形状の製品を削り出す加工を行う場合、加工の進行に伴って被削材の厚さが減少するので剛性が低下し、加工中に被削材と工具の相対的な振動が発生する場合がある。加工中に振動が発生すると表面の粗さが劣化し、また工具切れ刃の損傷を生じる場合があるので、例えば切込み量を小さくするなど、加工能率を低下させる必要がある。
【００１８】
上記の振動を回避するために、図３に示したように、被削材の先端側から製品形状の輪郭を直接切削加工することで、剛性が低い部分に加工による力を作用させずに加工することが行われる。図４は長尺の被削材の先端部、すなわちチャックで固定されない部分における動剛性と、上記の切削加工方法において、チャック固定部近傍における動剛性を比較したものである。ここで動剛性は、周波数を変化して１Ｎの振幅の力を作用させたときの、被削材の振動変位を示したものである。加振被削材は直径５０ｍｍ、チャックからの被削材の突き出し長さは２００ｍｍであり、この素材から製品形状を削り出した時のものである。この図に示したように先端部においては、長さが長く、また被削材が薄いために動剛性が低く、固有振動数における振動振幅は大きい。しかし、チャック固定部においては、先端部と比較すると振幅は約１／５以下となっている。このため、チャック固定部加工時は剛性が高いために振動は生じにくい。
【００１９】
しかし、図５に示したように、チャック４近傍を加工する際には工具ホルダ５とチャック３およびチャック爪４が干渉してしまう。これを回避するために切削工具１を工具ホルダから長く突き出す必要がある。この際に工具の突き出し量が長いと工具剛性が低下してしまう。また、工具の突き出し量を小さくすると、チャック近傍を切削加工することができない。この問題を解決するために、本発明の方式では図６に示したように工具を被削材の回転軸に対して傾斜させて、丸棒状の素材から製品形状を直接削り出すことを特徴としている。この方式では、工具の上方に配置されている工具ホルダ５は、回転軸の傾斜によってチャック爪４から遠ざかり、干渉を回避することが可能となる。
【００２０】
この際に図７に示したように、従来のように、スクエアエンドミルを用いると、横送り量を与えたときに、断面が三角形の削り残しを生じてしまう。図において、工具１と、工具が横送りされる前にいた位置６１の輪郭で囲まれた部分が三角形状の削り残し６２として、加工面に横送り量と同じ間隔で形成されることになる。このように大きな削り残しを生じると、仕上げ加工の削り代が大きくなってしまうので、仕上げ加工工具の損傷や表面粗さの悪化などの問題が生じる。また、図７において、円形断面以外の形状を削り出すような場合、工具１の回転軸の方向に切込みが与えられると、スクエアエンドミルの底面側は軸方向に切込むことができないので、工具損傷の原因となる。
【００２１】
図１に、本発明の回転切削工具を示す。回転切削工具１は、直線状の切れ刃を持ち、回転したときの包絡面が頂点を有する円錐面となるような第一の切れ刃１１と、第一の切れ刃の端点を基点として、第一の切れ刃とは角度が異なる直線状の第二の切れ刃１２を備えている。
【００２２】
図８に示したように、切削加工する際に、回転切削工具１を傾斜させた状態で配置することにより、第一の切れ刃１１は被削材２の回転軸と平行であるため、工具の横送りを与えても加工面には段差を生じない。このため、表面粗さを向上することができる。また、第一の切れ刃１１を回転させた包絡面は頂点を持つ円錐形状となっており、ドリルと同様に回転軸方向に切込みを与えても切削が可能である。
【００２３】
この図８の状態で切削加工する際に、第一の切れ刃１１と第二の切れ刃１２ので削り残される隅部の量を小さくするためには、第二の切れ刃１２が被削材の回転軸に対して直角である必要がある。本発明ではこの状態を実現するために、図９に示したように、工具先端の頂角α、および第一の切れ刃１１と第二の切れ刃１２のなす角βの関係を次のように設定している。図９において三角形ＰＱＲの内角の総和は１８０°であり、また三角形ＰＱＲは直角三角形であるので、次式により図中の角度αとβの和は２７０°となる。
【００２４】
（１８０°−α）＋（１８０°−β）＋９０°＝１８０°
すなわち、
α  ＋  β  ＝  ２７０°
この図に示したように、第一の切れ刃１１と第二の切れ刃１２がこのような関係となることで、隅部での削り残しを最小にしつつ、第一の切れ刃で加工面を切削する際に、横送り量を大きくしても加工面側の削り残しを小さくすることができるので、加工面を良好な表面粗さとすることができるのである。
【００２５】
図１０は、従来より用いられているテーパ付きエンドミルによる加工状態を説明した図である。この図において、工具は回転しながら上向きに送られている状態を示している。この場合に切削工具１によって削り取られる部分は図にハッチングで示した部分となる。エンドミルの切れ刃が側面に設けられているので、この状態での切削に問題は生じない。一方、図１１に示したように切削工具の送り方向が下向きとなった場合、工具の側面だけでなく、進行方向の底面側の切れ刃も切削を行う。しかし、底面側切れ刃の後方も切削に関与するので、工具に作用する力が過大となり、切れ刃の欠損や振動などが生じてしまう。しかし図１２に示したように、本発明の方法により切削工具の先端部において、第一の切れ刃を回転軸方向に延長した線分と、第二の切れ刃を回転軸方向に延長した線分とのなす角度φが９０°以下となるようにしておくことによって、すなわち、切削工具の先端を凸状とすることによって、送りに対して後方側の切れ刃を切削に関与させることなく、下向きに工具を送った切削が可能となるのである。これにより、被削材のチャック近傍において、素材から直接断面形状を削り出すことが容易となった。
【００２６】
図１３は、本発明の方式によって丸棒の素材から薄板を削り出す際の状況を示した図である。チャック３に取り付けられた爪４によって丸棒素材２を把持しており、切削工具１によって所望の断面形状の板材を削りだしている。このときに被削材２はチャックで固定されている部分からの突き出し長さが短いので剛性が比較的高く、切削力による弾性変形も小さく高い精度での加工が可能である。また、加工による振動の発生も少ない。
【００２７】
図１４は図１３の状態からさらに加工を進行させた状態を示した図である。被削材２はチャック３に対して繰り出されており、突き出し長さは長くなっている。しかし、工具１は図１３の状態とほぼ同じ位置を切削している。この状態では、被削材２の突き出し長さは長いものの、工具１によって加工されている部分での剛性は図１３の状態とほぼ同じである。このため、被削材の先端部の加工においても、チャック近傍における加工においても、振動を生じずに同じ条件で加工することができる。このため、加工条件を加工部位ごとに調整したＮＣプログラムを作成するなどの必要もない。
【００２８】
このように、切削工具によって加工される部位がチャック近傍となるようにするために、加工の進行に伴って被削材がチャックから繰り出される動作を実現する方法としては、図１５に示すように、チャック３に対向する位置にチャック３１を設けておき、これを用いてチャック３から被削材２を引き出す方法がある。これによる加工では、被削材の一定の長さの領域を切削加工した後、チャック４による把持力を若干低下させ、被削材２が落下しない程度に把持しつつ引き出せるようにする。そしてチャック３１に取り付けられている爪４１を用いて、被削材２の先端部を把握する。そしてチャック３１を移動させることで被削材を所定の長さだけチャック３に対して引き出す。その後、爪４を加工に必要な把持力に戻し、爪４１を開放してチャック３１を退避させる。この一連の動作によって図１３の状態から図１４の状態とし、加工を再開する。
【００２９】
このときに、チャック３の爪４による把持力を低下させる必要があり、被削材２を繰り出すさいに、回転方向の位置がずれてしまうという可能性がある。回転方向に爪４と被削材２の位置関係がずれてしまうと、例えば加工面に段差が生じるなどの加工精度悪化が生じてしまう。これを回避するために、本発明の方法では、図１６に示したように、予め別の工程で被削材２に溝を切削加工しておく。また、チャック３に取り付けられた爪のひとつに、上記の溝にはめ合うホゾを設けておく。このホゾ付きの爪４２がガイドとなって、チャックの爪の把持力を低下させて被削材２を繰り出しても、回転方向の位置関係がずれることはない。このため、被削材を逐次繰り出しながら加工を行うために、チャック把持力低下、再度把持を繰り返しても加工精度が悪化することを防ぐことができるのである。
【００３０】
図１７は、被削材２をチャックから繰り出す別の実施の形態を示した図である。プッシャ５２は、ガイド５１の上を、回転軸方向にスライドする構造となっている。爪４の把持力を若干低下させた後、プッシャ５２を用いて被削材２を所定量だけ押し出す。この場合、プッシャ５２はチャック３の内部を貫通して被削材２を直接押し出すことができるので、図１５に示したように対向する側の別のチャックを設置する必要がないという利点がある。
【００３１】
以上に説明した、切削工具の形状、および被削材をチャックから逐次繰り出してチャック近傍を加工する方法を用いることで、長尺の部材を高能率かつ高精度に切削加工することが可能になったのである。
【産業上の利用可能性】
【００３２】
本発明は、長尺の被削材の一端をチャックによって把持して回転させ、なお回転切削工具を移動させることで被削材を加工する方式において、チャック固定された近傍を切削加工する際に工具ホルダとチャックとの干渉を回避しつつ、短い突き出し量とすることで、振動を生じずに効率良く、かつ安定して切削加工する工具を提供するものであり、その結果として製品のコスト低減や加工精度の向上に寄与することが可能であって、工業産業利用上に貢献するものである。
【符号の説明】
【００３３】
１  回転切削工具
１１  切削工具の第一の切れ刃
１２  切削工具の第二の切れ刃
２  被削材
３  チャック
４  爪
５  工具ホルダ
３１  被削材引出用チャック
４１  被削材引出用チャックの爪
４２  ホゾ付き爪
５１  プッシャのガイド
５２  プッシャ
６１  横送りを行う前の工具の位置
６２  削り残し。
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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