(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
主軸に工具を取り付け、主軸を回転させて工具により被加工物に切削加工を行う工作機械において、
上記工具のシャンク部又は上記工具と主軸とを連結する連結具に、レーザ照射による加熱及びその後の冷却により変態し、膨張又は収縮を生じる材料を使用し、
上記工具を主軸に取り付けた状態で軸心に対する振れを検出し、
上記振れに応じて、上記材料部にレーザを照射し、加熱及びその後の冷却により上記材料部を変態させ、膨張又は収縮を生じさせて振れを減少させることを特徴とする切削工具の振れ抑制方法。
【請求項２】
上記材料部は鋼材で形成され、上記レーザ照射によってオーステナイト組織になるように加熱し、急冷することによってマルテンサイト変態させることを特徴とする請求項１に記載の切削工具の振れ抑制方法。
【請求項３】
上記材料部は鋼材で形成され、上記レーザ照射によってオーステナイト組織になるように加熱し、徐冷することによってパーライト変態させることを特徴とする請求項１に記載の切削工具の振れ抑制方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は超精密加工に使用されるエンドミル等の切削工具の振れを抑制する手法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、マシニングセンタ等の工作機械の加工精度は、運動精度、工具形状精度の向上、計測技術の発達により、格段に向上しているが、実際の加工では工具の振れをゼロにすることは困難である。このような切削工具の振れによって、早期摩耗や加工のばらつきが発生する。
【０００３】
特許文献１には、切削工具の振れを検出する方法が開示されている。この方法は、工具刃先の位置を光ビームによって検出する手段を工作機械の内部に配置し、工具を回転させた時に最も高い切刃と最も低い切刃の位置のデータを演算して工具の振れを求めるものである。
【０００４】
しかしながら、この方法で工具の振れを検出しても、その振れをなくすには、工具の主軸に対する取り付け、取り外しを繰り返す必要があり、作業時間がかかる上に安定しておらず、しかも数μｍ程度の振れは残る。また、工具を取り付ける主軸のチャック（取り付け部）に、焼きばめチャックや油圧チャックといった高精度な特殊チャックを用いる方法があるが、この場合でも数μｍ程度の振れは残る。さらに、ネジを使用して工具を主軸中心に機械的に調整する機構もあるが、このような機構は大型になるため、大径の工具にしか対応できないばかりか、数μｍ程度の振れは解消できない。
【特許文献１】特開平１１−１８８５７７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
そこで、本発明の目的は、非接触でかつ高精度に振れを抑制できる切削工具の振れ抑制方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するため、本発明は、主軸に工具を取り付け、主軸を回転させて工具により被加工物に切削加工を行う工作機械において、上記工具のシャンク部又は上記工具と主軸とを連結する連結具に、レーザ照射による加熱及びその後の冷却により変態し、膨張又は収縮を生じる材料を使用し、上記工具を主軸に取り付けた状態で軸心に対する振れを検出し、上記振れに応じて、上記材料部にレーザを照射し、加熱及びその後の冷却により上記材料部を変態させ、膨張又は収縮を生じさせて振れを減少させることを特徴とする切削工具の振れ抑制方法を提供する。
【０００７】
本発明では、主軸に工具を取り付けた状態で、工具を回転させてその振れを検出する。振れには、その方向（位相）と量があるので、振れの方向と量とを公知の方法で検出する。振れの検出には、非接触型検出器を用いてもよいし、接触型検出器を用いてもよい。次に、主軸を停止させた状態で、レーザ照射による加熱及びその後の冷却により変態し、膨張又は収縮を生じる材料を使用した工具のシャンク部又は連結具にレーザを照射する。レーザを照射すると、工具のシャンク部又は連結具が局部的に加熱され、その後の冷却によって組織が変態し、膨張または収縮する。組織変態による膨張又は収縮により、残留応力が発生し、工具の振れが修正される。レーザは材料を局部的に高温かつ高速に加熱できるので、不必要に広い範囲を加熱せず、材料の強度低下を防止できるとともに、振れを微量ずつ調整できる。本発明では、レーザを照射する位置、範囲、強さ、時間などを調整することにより、０．１μｍ単位の振れ修正が可能となる。用途としては、超精密加工に使われるミリ又はサブミリ工具（エンドミル、砥石）の振れ修正などに使用できる。
【０００８】
レーザの照射部位は工具のシャンク部でもよいし、工具と主軸とを連結する連結具でもよい。工具が超硬合金で形成されている場合には、組織変態させることができないので、連結具を変態可能な材料で形成すればよい。連結具は、例えば工具のシャンク部に焼きばめ等によって一体的に固定されたスリーブ等の部品を使用することができる。
【０００９】
好ましい実施形態として、レーザ照射によって変態する材料部を鋼材で形成し、レーザ照射によってオーステナイト組織になるように加熱し、急冷することによってマルテンサイト変態させるようにしてもよい。また、レーザ照射によってオーステナイト組織になるように加熱し、徐冷することによってパーライト変態させてもよい。前者の場合には、組織変態によって膨張するのに対し、後者の場合には組織変態によって収縮する。
【発明の効果】
【００１０】
以上のように、本発明によれば、工具を主軸に取り付けた状態でその振れを検出し、振れに応じてレーザを工具のシャンク部又は連結具に照射し、組織変態させることで部分的に膨張又は収縮させるようにしたので、従来では不可能であった数μｍ以下の微小な振れを解消ないし低減することができる。その結果、加工精度の向上、面粗さの低減、工具寿命の延長を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下に、本発明の好ましい実施の形態を、実施例に基づいて説明する。
【実施例１】
【００１２】
図１は本発明方法を実施するためのエンドミル等の工作機械の一例を示す。工作機械には、Ｘ，Ｙ，Ｚ方向に移動可能な主軸ヘッド１が設けられ、このヘッド１に図示しないモータにより回転駆動される主軸２が設けられている。主軸２にはコレットホルダ３を介して切削工具４が取り付けられている。コレットホルダ３は公知のものであり、図２に示すように、ホルダシャンク３ａの先端部に形成したテーパ穴３ｂに割りコレット３ｃを挿入し、締付け具３ｄをホルダシャンク３ａの先端部に螺合させることにより、割りコレット３ｃを締め付ける構造となっている。
【００１３】
割りコレット３ｃの内部にはスリーブ５が挿入され、締付け具３ｄによって締付固定されている。スリーブ５は工具４のシャンク部４ａに焼きばめ等によってガタツキなく固定されている。スリーブ５は、後述するようにレーザ照射による加熱及びその後の冷却により変態し、膨張又は収縮を生じる材料、例えばＳ４５Ｃ、ＳＵＪ２などの鋼材が使用されている。
【００１４】
工具４の直下方には、テーブル６上に固定された被加工物Ｗが配置されており、図１に示す待機位置から主軸２を降下させ、工具４を被加工物Ｗに接触させて所望の加工を行う。工具４の側方には振れ検出装置１０が配置されており、工具４を主軸２に取り付けたままの状態で、工具４の振れを検出する。振れ検出装置１０としては、例えば工具４のシャンク部４ａにテコ式の電気マイクロメータを接触させ、主軸２を低速で回転させてマイクロメータ指示値の振幅を読み取る方式でもよいし、レーザ測定器を用いて工具４の刃先の振れを測定してもよい。後者の場合には、刃先の振れを高速回転中に測定できるので、より加工状態に近い状態で測定できる。図１にはレーザ測定器の例を示してある。振れ検出装置１０の検出信号は制御装置１１へ送られる。制御装置１１は、振れ検出装置１０の検出信号とヘッド１からの主軸２の回転位置信号とに基づいて、振れ量と振れ方向とを計算し、後述する照射装置２０を制御する。
【００１５】
図３は、主軸２と工具４との間に振れａが存在する場合を示す。主軸２の回転中心をＯ１とし、工具４の中心をＯ２とすると、中心Ｏ１，Ｏ２間の距離が振れａである。主軸２を１回転させると、工具４はＯ１を中心として回転し、その最外周の軌跡Ｃは破線で示すような円を描く。工具４の直径をｄとすると、円Ｃの外径はｄ＋２ａとなるので、円Ｃの外径から振れ量ａを求めることができる。振れ量ａと同時に、主軸２の回転位置を検出することにより、振れ方向（位相）も測定できる。図３の場合には、初期位置における振れ方向θ＝０、つまり工具４の中心Ｏ２は主軸２の回転中心Ｏ１に対して直上方にある。
【００１６】
主軸２の側方には、スリーブ５に対してレーザビームを直交方向より照射し、局部的に加熱させる照射装置２０が配置されている。上記のように振れ検出装置１０により工具４の振れ量ａと振れ方向とを検出した後、主軸２を停止させた状態で、スリーブ５の振れ方向側の側面にレーザビームを照射する。振れ量ａに応じてレーザを当てる位置、範囲、強さ、時間を調整する。レーザは工具４のシャンク部４ａに照射してもよいが、工具４が超硬合金で形成されている場合には変態させることができないので、上述のように変態可能な材料よりなるスリーブ５に照射するのがよい。
【００１７】
鋼材よりなるスリーブ５の振れ方向側の側面にレーザを照射すると、スリーブ５は局部的に加熱されてオーステナイト域に達し、加熱直後に材料自身の熱拡散によって急激に自己冷却されるため、その局部はマルテンサイト変態による硬化を生じる。マルテンサイト変態するとき、組織が膨張するため、工具４の刃先４ｂはレーザ照射部とは逆側に変位し、振れが低減される。上記のようにスリーブ５は局部的にマルテンサイト変態するが、その機械的強度には殆ど変化がないので、切削加工する際に加工精度が低下したり摩耗が増加する懸念がない。
【００１８】
本発明者らは、図４に示すような材料Ｍを用いて振れ修正実験を行った。その結果を図５に示す。ここで使用した材料Ｍは、直径６ｍｍ×長さ１００ｍｍの鋼材（ＳＵＪ２）よりなる丸棒であり、根元部を２０ｍｍ固定した状態で取り付け、先端部から４０ｍｍの位置にＹＡＧレーザを照射し、先端部での振れ量ｂを測定した。
レーザの照射条件は次の通りである。
レーザ出力：１５Ｗ
照射直径：φ０．９６ｍｍ，φ２．８８ｍｍ
【００１９】
図５に示すように、レーザ照射時間を３秒〜１２秒に変化させたところ、照射サイズが０．９６ｍｍの場合には３μｍ〜６μｍの範囲で振れ量を可変でき、照射サイズが２．８８ｍｍの場合には１μｍ〜７μｍの範囲で振れ量を可変できた。この結果、レーザ照射時間により振れ量を任意に調整できることを確認できた。また、レーザ照射径よりもレーザ照射時間を増減させる方が振れ量が大きく変化することがわかった。上記のほか、照射位置やレーザ出力を調整することにより、振れ量を調整することもできる。
【００２０】
上記実施例では、レーザ照射によってオーステナイト組織になるように加熱した後、急冷することによってマルテンサイト変態させるようにしたが、レーザ照射によってオーステナイト組織になるように加熱した後、徐冷することによってパーライト変態させてもよい。この場合には、組織変態によって収縮するため、振れ方向側と逆側にレーザを照射すればよい。
【００２１】
上記実施例では、コレットホルダ３にスリーブ５を介して工具４を取り付けた例を示したが、コレットホルダ３に直接工具４を取り付けてもよい。この場合には、レーザを工具４のシャンク部４ａに照射し、シャンク部４ａの組織を変態させる必要がある。レーザの種類はＹＡＧレーザに限らず、ＣＯ2 レーザなど他のレーザを使用することもできる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明方法を実施するための工作機械の一例の概略側面図である。
【図２】切削工具を保持するコレットホルダの一部断面側面図である。
【図３】切削工具の振れを示す図である。
【図４】レーザ照射による振れ抑制方法を示す図である。
【図５】レーザ照射時間と振れ量との関係を示す図である。
【符号の説明】
【００２３】
１            工作機械
２            主軸
３            コレットホルダ
４            切削工具
４ａ          シャンク部
５            スリーブ
【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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