JP3627089B2 - ボールエンドミル刃先の表面処理装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、金属粉末あるいは金属の化合物の粉末あるいはセラミックスの粉末を圧縮成形した圧粉体電極を電極として、加工液を介在せしめ電極とワークの間にパルス状の放電を発生させ、その放電エネルギーにより、ワーク表面に電極材料あるいは電極材料が放電エネルギーにより反応して生成される物質からなる硬質被膜を形成する放電表面処理装置に関するもので、工具であるボールエンドミルの刃先を放電表面処理することを目的としている。
【０００２】
【従来の技術】
液中放電によって金属材料の表面をコーティングして、耐食性、耐磨耗性を与える技術は既に特許出願され公知となっている。その技術の骨子は次の通りである。ＷＣとＣＯの粉末を混合して圧縮成形した電極で液中放電を行うことにより電極材料をワーク表面に堆積させる。この後、別の電極（例えば、銅電極、グラファイト電極）によって、再溶融放電加工を行って、より高い硬度と高い密着力を得る方法である。
【０００３】
以下、従来技術について図１を用いて説明する。
ＷＯ−ＣＯ（タングステンカーバイト−コバルト）の混合圧粉体電極２０１を用いて、被処理材料（母材Ｓ５０）であるワーク２０２との間で液中で放電加工を行いＷＯ−ＣＯを堆積させる（一次加工）。ついで銅電極のようなそれほど消耗しない電極によって再溶融加工（二次加工）を行う。一次加工の堆積のままでは、組織は硬度もＨｖ＝１４１０程度であり、また空洞も多かったが、二次加工の再溶融加工によって被覆層の空洞が無くなり、硬度もＨｖ＝１７５０と向上した。
【０００４】
この方法は鋼材に対しては硬く密着度の良い被覆層が得られる。しかしながら、超硬合金のような焼結材料の表面には強固な密着力を持った被覆層を形成することは困難であった。
【０００５】
しかし、我々の研究によると、Ｔｉ等の硬質炭化物を形成する材料を電極として、被処理材料である金属材料との間に放電を発生させると、再溶融の処理過程無しに強固な硬質膜を被処理材料である金属表面に形成できることがわかった。これは、放電により消耗した電極材料と加工液中の成分である炭素Ｃが反応してＴｉＣが生成することによる。また、さらに、ＴｉＨ２（水素化チタン）など、金属の水素化物の圧粉体電極により、被処理材である金属材料との間に加工液を介在せしめ放電を発生させると、Ｔｉ等の材料を使用する場合よりも速く、密着性が良く、硬質膜を形成することが出来ることがわかった。さらに、ＴｉＨ２（水素化チタン）等の水素化物に他の金属やセラミックスを混合した圧粉体電極により、被処理材である金属材料との間に放電を発生させると硬度、耐磨耗性等様々な性質を持った硬質被膜を素早く形成することが出来ることがわかっている。硬度についてはＨｖ＝２５００以上が得られ、従来のＰＶＤ、ＣＶＤと同程度の性能が得られ、工具に応用した性能試験においても摩耗寿命は前記の従来方式と比較して同程度が確認されている。更に、密着強度が極めて優れており、スクラッチ（剥離強度）試験においても硬質被膜の破壊、剥離を示す音響信号がほとんど検出されない特性を持つことがわかっている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
図７は一般的な工作機械用の工具であるボールエンドミルの外形を示す。ボールエンドミルは最近の高速切削には不可欠な工具として急速に普及しつつある。先端部は一定の曲率半径Ｒを持つ形状をしており二枚刃、三枚刃などのものがある。ボールエンドミルの先端はすくい角を持つ刃先で構成され、軸方向にねじれ角度を持って根元のシャンク部へつながる。最近では、金型を含む一般的な機械加工部品において加工対象が極めて硬く、靭性の多い材料が多用される傾向にあり、工具の寿命低下が激しく生産性の阻害要因になっている。このため、工具が寿命に到達すると刃先を工具研削盤などにより研磨加工して刃先を修正し再利用しているが、刃先の硬度を改善させるための硬化処理を併用する場合もある。一般的には化学的蒸着法（ＣＶＤ）、物理的蒸着法（ＰＶＤ）などで知られる表面硬化処理がよく採用される。
しかしながら表面硬化処理したものは再研磨加工した段階で剥離あるいは除去されるため、再硬処理をせずに加工に使用するかまたは表面硬化処理をして使用するかに分かれる。しかしながら、表面硬化処理はコストが高いことと一定の処理期間が必要なため、さらにはある程度の仕掛かりを持つ必要などがあり多くは初回のみ表面硬化処理による工具寿命の延長の恩恵にあづかっているのが現状である。また表面硬化処理は一般的に設備費が高く、専門の業者に委託する場合が多く、身近に設備することが不可能であり納期などの面や小ロットの取り扱いで問題を生じているのが現状である。
【０００７】
本発明が提供する放電表面処理装置はこれらの問題を抜本的に解決しボールエンドミルの刃先に簡単に硬質のセラミックス膜を成形し、耐摩耗性、靭性を大きく改善できることから工具の寿命を延長させることが出来るものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
第１の発明のボールエンドミル刃先の表面処理方法は、電極の断面形状を凸型の円弧状に施しその外形表面に接するよう前記ボールエンドミルの刃先を微小間隙をもって対向させて放電せしめ、ボールエンドミル刃先を前記電極断面方向に対して横切る方向の表面に沿って移動させながら放電加工して表面硬化させるものである。
【０００９】
第２の発明のボールエンドミル刃先の表面処理方法は、表面処理を行う途中において、ボールエンドミルを電極外形表面に沿って移動させる加工中、移動に合わせてボールエンドミル自体を回転方向に移動させるものである。
【００１０】
第３の発明の高速切削に用いられるボールエンドミルは、断面形状が突型の円弧状の前記電極と、前記ボールエンドミル刃先とを微小間隙をもって対向させて配置させ、両者間に放電を発生せしめ、ボールエンドミル刃先を前記電極断面方向に対して横切る方向の前記電極外形表面に沿って移動させることにより前記ボールエンドミル刃先面に硬質被膜を形成させたものである。
【００１１】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
図２は本発明の第１の実施の形態のボールエンドミル表面処理装置の概念を示す構成図である。図において、１は圧粉体電極、２はワーク、３は加工槽、４は加工液、５は圧粉体電極１とワーク２に印加する電圧及び電流のスイッチングを行うスイッチング素子、６はスイッチング素子５のオン、オフを制御する制御回路、７は電源、８は抵抗器、９は成形された一次硬質被膜である。
【００１２】
次に、本実施の形態のボールエンドミル表面処理装置による表面処理について説明する。図３において、１２０はボールエンドミル１１０を放電表面処理加工するために成形されたＴｉＨ２（水素化チタン）系の圧粉体からなる電極で、図に示すようにその断面は円弧状の形状をなす。１２１は前記電極１２０を支持する台である。
１１１は前記電極を支持する回転装置でＣ軸と呼ばれる。１１２は電極にサーボ送りを与える主軸、１１３は駆動用のボールネジ、１１４は主軸１１２を案内支持するガイド、１１５はギヤ、１１６は送り制御用のモーターである。１１７は加工液を供給するポンプ、１１８は加工液タンクである。
この構成において、ＴｉＨ２（水素化チタン）系の圧粉体電極１２０とボールエンドミル１１０を主軸１１２を用いて適切な間隙（１０数ミクロン）に制御しつつ圧粉体電極１２０とボールエンドミル１１０の間にパルス状の放電を発生させる。
放電を発生させながらボールエンドミルの刃面１１０ａを圧粉体電極１２０の円弧状の外形表面に沿って電極断面を横切る方向（図中の左右方向）にテーブルもしくは電極側を相対的に移動させる。すると放電のエネルギーによりＴｉＨ２（水素化チタン）系の圧粉体電極１２０が消耗し、電極１２０の主成分であるＴｉを中心とした硬質被膜が加工液中の炭素成分と反応してボールエンドミルの刃面に付着し、硬質被膜をボールエンドミル表面に形成する。この硬質被膜は硬度が非常に高くＨｖ＝２５００〜３０００が得られる。更に、密着強度が極めて高く、スクラッチ試験等ではその音響信号（破壊を示す音響信号）が検出できないくらいの強度を有する事がわかっている。
【００１３】
さらに、発明の詳細について説明する。
図６はボールエンドミルと電極の断面を示すもので、図において１２５はボールエンドミルの刃先１１０ａの第一外周逃げ角（θ１）、１２６は第二外周逃げ角（θ２）である。１２７はすくい角（θ３）、１２８は電極とボールエンドミルとが放電加工するために必要な間隙を持って対向している放電ギャップを示すもので極間と呼ぶ。このような配置構成において、圧粉体電極１２０に対して、ボールエンドミルの第一外周逃げ角１２５の刃面を電極の外部表面に平行になるようにＣ軸装置１１１を使って設定する。この時の電極に対するボールエンドミルの位置を図６の角度１（１２２ａ）とする。角度１の位置から電極の円弧表面に沿って電極を横切るように角度２、角度３とＸ軸およびＺ軸の軸移動制御しながら円弧状を放電表面処理しながら移動すると、前記図６において示した第一外周逃げ角の刃面に硬質のセラミックス膜を均一に成形することが出来る。
この状態ではボールエンドミルの刃面の半分を処理したことになり、残りの半分を同様に処理するためにはそのまま、角度３の位置から角度４、角度５へと移動する方法と、角度１から角度３に処理が完了した時点で改めてボールエンドミル角度５に設定し直し、角度４、角度３へと移動させる方法もある。移動の手順は工具の目的に応じて使い分ければよく特に固定する必要はない。このように放電加工により硬化処理を施せばボールエンドミルの刃面全部にわたり（約１８０度の範囲）均一に加工処理することが出来る。
図４の放電軌跡１２０ａはこの状態を示すものほぼ真横に横切るようにボールエンドミルを移動させると図の（１）のように放電軌跡が残る。
図７の刃先形状でもわかるように刃面は一般的に軸方向に一定の曲率でねじられており、単純に円弧状の突型の電極表面を横切るだけでは、前記の第一外周逃げ角の刃面全体に対して均一な加工処理は困難であり、電極表面を移動しつつボールエンドミル自体を一定の比率で回転させる必要がある。このように工具ボールエンドミルの移動に同期させながら角度θを変更させることは極めて有効である。ボールエンドミルの角度１においてねじれ角度θは角度２、角度３に移動する際、θ１からθ３へ変更するのである。
このように、本実施例によれば電極形状を突型の円弧形状にその外部表面を形成し、ボールエンドミル刃先を前記電極に沿って移動させ、あるいは必要に応じてＣ軸装置を用いてボールエンドミル自体の角度を移動させながら刃先表面に放電表面処理を施し、ＴｉＣ系の炭化物硬質被膜を形成せしめることによりボールエンドミルの寿命を大きく改善できることが可能となる。さらに、波及的な効果として簡単に加工処理が出来ること、通常使用されている放電加工装置を用いることが出来ること、外部の専門業者へ委託する手間が不要になるなどの多くの特徴がある。
【００１４】
実施の形態２．
図７においては、電極１２０を円柱状にした実施例を示すもので、台１２１をＶブロック状に変更している。このように変更すれば電極が加工によって消耗しても回転させて反対側を使用することが出来ること、ならびに消耗によって形状の補正を必要としても、外形が円形であれば加工しやすく最初よりも電極の外形寸法は小径になるもののＶブロック状の台１２１によって支持が確実になるため、作業性の向上と電極を最後まで使用することが出来、材料の有効利用を図ることが出来る。電極外形の変更はボールエンドミルの軌跡プログラムを変更すればそのまま加工することが出来、加工のプログラム管理も容易であり何回も電極を使用することが出来る。
図８は電極と工具であるボールエンドミルの配置を逆にしたものの実施例を示す。円柱状の電極１２０を主軸の先端に取り付け、ボールエンドミルはテーブル上に横向きに配置し、角度割り出し装置を設ける。この割り出し装置１３０はボールエンドミルの角度を加工の進行に応じて割り出しするもので電極の位置制御と連動して電極に刃面の第一外周逃げ角が平行になるよう常に角度制御するものである。工具を横向きに配置することにより、電極は同図（ａ）に示すごとく先端の刃先Ｒ面に沿ってＸＹ軸の同時２軸制御しながら円弧運動を行い加工する。この電極の円弧運動軌跡に応じて前記角度割り出し装置１３０によりボールエンドミル自体の角度を徐々に変化させ、常に第一外周逃げ角の刃面が電極の外形表面に接するように位置制御をする。このように構成すれば電極の成形が円柱であるため容易であることと、工具を基準とした加工手順となり作業性が大きく改善できる効果がある。更に、工具を横向きに配置することは視認性に優れ作業性が大きく改善できる。
【００１５】
【発明の効果】
第１の発明のボールエンドミル刃先の表面処理方法は、ボールエンドミル刃先表面に放電表面処理を施し、炭化物硬質皮膜を形成せしめボールエンドミルの寿命を大きく改善できることが可能となる。
【００１６】
第２の発明のボールエンドミル刃先の表面処理方法は、ボールエンドミル自体の角度制御を行うことにより複雑な曲面をもつ刃先への処理を容易かつ確実にすることが出来、結果としてボールエンドミルの寿命を大きく改善できることが可能となる。
【００１７】
第３の発明のボールエンドミルは、ボールエンドミル刃先表面に放電表面処理を施すことで炭化物硬質皮膜を形成せしめ、ボールエンドミルの寿命を大きく改善できることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の硬質皮膜形成技術の原理図である。
【図２】本発明の基本原理図である。
【図３】本発明の対象であるボールエンドミルの加工原理を示す図である。
【図４】ボールエンドミルによる加工原理を示す図である。
【図５】本発明の電極およびボールエンドミルの基本位置構成図である。
【図６】本発明の断面図を示す図である。
【図７】本発明の他の実施形態を示す図である。
【図８】本発明の更に他の実施例を示す図である。
【符号の説明】
１ 圧粉体電極（一次処理用電極）、２ ワーク、３ 加工槽、４ 加工液、
５ スイッチング素子、６ 制御回路、７ 電源、８ 抵抗器、
９ 硬質皮（膜下地硬質被膜）、１１０ ボールエンドミル、
１１１ Ｃ軸装置、１１２ 主軸、１２０ 電極、１２１ 台、１２２ 角度
１２５ 第一外周逃げ角、１２６ 第二外周逃げ角、１２７ すくい角、
１２８ 極間、１３０ 角度割り出し装置。

Claims (3)

1. 金属の粉体あるいは金属の加工物の粉末、あるいはセラミックス系材料の粉末を圧縮成形した圧粉体電極、もしくは金属電極を電極として加工液を介在せしめ電極とワークの間にパルス状の放電を発生させ、その放電エネルギーによりワーク表面に電極材料もしくは電極材料が放電エネルギーにより反応して生成される物質からなる被膜を成形するボールエンドミル刃先の放電表面処理方法であって、
   断面形状が突型の円弧状の前記電極と、前記ボールエンドミル刃先とを微小間隙をもって対向させて配置させる工程と、
   前記電極と前記ボールエンドミル刃先間に放電を発生せしめ、ボールエンドミル刃先を前記電極断面方向に対して横切る方向の前記電極外形表面に沿って移動させる工程と、
   を備えた、前記ボールエンドミル刃先面に硬質被膜を形成させるボールエンドミル刃先の表面処理方法。
2. 表面処理を行う途中において、ボールエンドミルを電極外形表面に沿って移動させる加工中、移動に合わせてボールエンドミル自体を回転方向に移動させることを特徴とする請求項１記載のボールエンドミル刃先の表面処理方法。
3. 高速切削に用いられるボールエンドミルであって、
   断面形状が突型の円弧状の前記電極と、前記ボールエンドミル刃先とを微小間隙をもって対向させて配置させ、両者間に放電を発生せしめ、ボールエンドミル刃先を前記電極断面方向に対して横切る方向の前記電極外形表面に沿って移動させることにより前記ボールエンドミル刃先面に硬質被膜を形成させたボールエンドミル。

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