JP6538355B2 - 旋削工具及び真球加工方法 - Google Patents

Description

この発明は、旋削加工用の工具に関し、難削材や耐食、耐熱合金などの高硬度材の球面を高精度で加工するのに好適な工具及び当該工具を用いる球面の加工方法に関するものである。

旋削工具は、チップホルダ（以下、単に「ホルダ」と言う。）とチップ（刃先）とを備えている。ホルダは、正方形断面の角材からなるシャンクの先端にチップを固定するためのクランプ部を設けたものである。チップは、数ｍｍの大きさであるのに対し、シャンクは、２０ｍｍ角や２５ｍｍ角の断面を備えているので、チップとシャンクの間には、その寸法差に基づく段差（以下、「肩部」と言う。）が存在する。

図４は、外周加工用の旋削工具（バイト）の形状例を示した図で、（ａ）は真剣バイト、（ｂ）は斜剣バイト、（ｃ）は突っ切りバイトと呼ばれる公知のバイトの例である。１ａ、１ｃはチップ、２ａ、２ｂ、２ｃはホルダである。真剣バイトは、上方（すくい面側）から見た形状が左右対称で、肩部５ａは斜めになっている。斜剣バイトは、チップ１ａがホルダのシャンク３ｂの右か左に偏った位置に取り付けられており、肩部の形状は非対称である。突っ切りバイトは、肩部５ｃが一方の側にのみ設けられ、反対側の側面６は、ストレートであり、チップ１ｃの幅より僅かに狭い幅で延びる突出部７ｃの先端にワークの回転中心軸と平行な切れ刃を備えたチップ１ｃが固定されている。

チップとしては、三角形、四角形、菱形などのスローアウェイ（使い捨て）チップが多く用いられており、小さな円弧（ノーズＲ）を備えた角部が切れ刃となっている。スローアウェイチップは、切れ刃が摩耗したときチップを付け直して他の角部を切れ刃とする。真剣バイトや斜剣バイトに取り付けるチップ１ａは、このような形状のチップである。

旋削加工において、刃物台をワークの回転中心軸と平行な軸（旋盤におけるＺ軸、以下、「ワーク軸」とも言う。）と、これに直交する背分力方向の軸（旋盤におけるＸ軸、以下「シャンク軸」とも言う）との２軸方向に移動して、当該刃物台に装着した工具の刃先に円運動をさせることにより、球面を加工することができる。この球面でワークの先端に球を加工（以下、「真球加工」と言う。）するときは、図３に示すように、工具のチップ１がワークｗの回転中心まで進出したときのワークｗとホルダ２の干渉を避ける必要があり、真剣バイトのように両側に肩部があるバイトは使用できない。

真球加工は、３次元空間で揺動するアームのジョイント部に用いる部品を製作する際などに必要である。アームに正確な揺動動作を行わせ、かつジョイント部に大きな荷重がかかった状態での高い耐久性を付与するためには、耐摩耗性を備えた高精度の球面が必要であり、高硬度材に対する高精度の真球加工が必要である。

チップは種々の材質のものが提供されているが、何れの材質のものを用いても、ワークの硬度が高くなれば、チップの摩耗が甚だしくなるのを避けることができない。高硬度材の真球加工において、刃先円半径（ノーズＲ）の小さな一般的な形状のチップを用いると、刃先の摩耗が激しいために、チップを頻繁に交換しなければならない。また、刃先の摩耗に起因して加工精度が低下する。すなわち、ノーズＲの小さなチップでは、チップの摩耗が激しいため、高硬度材の真球加工には向かないという問題があった。

一方、チップとして丸駒チップと呼ばれる円形の切れ刃を備えたチップが提供されている。この丸駒チップで真球加工を行うと、加工点が常時変化する為、チップの摩耗を低減でき、加工面精度も向上するので、高精度の真球加工が可能であると考えられる。しかし、丸駒チップを装着して真球加工を行うホルダが提供されていないため、丸駒チップを用いて真球加工を行うという試みがなされていなかった。

この発明は、高硬度材に対する高精度の真球加工を実現できる旋削工具を得ること及び当該工具を用いた高精度の真球加工方法を提供することを課題としている。

本願の発明者らが丸駒チップ１を用いて高硬度材の真球加工を行ったところ、真球度の向上を認めることができたが、ノーズＲが小さな通常のチップ１ａを用いた場合に比べて加工反力が増大し、従来の突っ切りバイトホルダ２ｃを用いた加工では、要求される真球度を実現できないことが判明した。

この発明では、旋削加工による高硬度の真球加工において、チップとして刃先円の半径が２〜５ｍｍ、好ましくは２〜３ｍｍの丸駒チップ１を用いることと、シャンク先端とチップ１との間に生ずるホルダ２の肩部５がシャンク３の一方の側のみ設けられて、他方のホルダ側面６がストレート形状で、かつシャンク先端のクランプ部４に従来の突っ切りバイトホルダが備えていたような突出部７ｃ（図４（ｃ）参照）を備えない形状のホルダ２を用いて真球加工を行うことにより、上記課題を解決したものである。

この発明の真球加工用旋削工具は、シャンク３の先端の肩部５からのチップ１の突出長さを短くすることにより、チップ１にワーク加工時におけるワーク軸方向及びシャンク軸方向の５ｋｇの荷重をかけたときに、それぞれの方向のチップ１の変位を８μｍ以下、好ましくは６μｍ以下とし、かつ両方向の変位の差を４μｍ以下、好ましくは２μｍ以下としたものである。

旋削加工に用いるバイトは、その形状から理解されるように、ワーク軸方向の外力に対して曲げ変形、シャンク軸方向の外力に対しては圧縮変形となるので、ワーク軸方向の反力による変形は、シャンク軸方向の反力による変形よりも小さい。従って、真球加工を行っている際の真球度を低下させる原因の一つになると考えられるシャンク３の変形は、ワーク軸方向に大きく、シャンク軸方向に小さくなるのが通常である。

そこで、ＮＣ工作機械でワークの真球加工を行う際に、その両方向のひずみの差に相当する補正値をＮＣ装置に設定して加工を行うことにより、シャンク３のワーク軸方向とシャンク軸方向のひずみの差を打ち消して、より高精度の真球加工を行うことができる。

高硬度材の真球加工、特に、半径１０〜４０ｍｍ程度の球面加工に対しては、材料を無駄にせず、チップの寿命を延ばしつつ、かつ真球度を高めるには、ノーズＲ２〜３ｍｍ程度の丸駒チップ１を用いるのが好ましい。しかし、高硬度材の真球加工に丸駒チップを用いると、切削抵抗の大きくなることで加工形状が崩れて真球度が低下する。

これに対して、この発明の旋削工具を使用することにより、高硬度材の高精度の真球加工が可能になる。すなわち、ノーズＲが大きい丸駒チップを用いるため、真球度が出やすく、チップの寿命が長い。また、ワーク軸方向の加工反力に対する変形を小さくすると共に、切削抵抗によるホルダの変形をゼロにできないことを考慮して、ワーク軸方向とシャンク軸方向の変形の差が小さいホルダ形状とすることで、大きな切削反力が作用しても高精度の真球加工が実現できた。

本願発明者らが高硬度材の真球加工を行ったテストでは、ノーズＲが０．３ｍｍの菱形チップを用いた真球加工では、真球度４０μｍ程度が限界であった。これに対し、Ｒ２．５ｍｍの丸駒チップを用い、ホルダ形状をこの発明の形状とすることで、真球度が９μｍと大幅に向上し、刃先の寿命も約８倍になった。

この発明の実施例に係るバイトの上面図（すくい面側から見た図） 従来構造の突っ切りバイトホルダに丸駒チップを装着したバイトの上面図 真球加工時のバイトとワークの位置関係を示す図 一般的なバイトの例を示した上面図

以下、旋盤で使用する従来構造のバイトと、この発明の構造のバイトを示す図面を参照して、この発明を具体的に説明する。

図４（ｂ）に示した従来構造のバイトホルダにチップ１ａとしてノーズＲが０．３ｍｍの菱形チップを装着した構造のバイトで高硬度材の真球加工を行った際の球面の真球度は、約４０μｍが限界であった。

図２は、従来構造の突っ切りバイトホルダ２ｃにノーズＲが２．５ｍｍの丸駒チップ１を装着したバイト１１を示した図である。突っ切りバイトホルダは、複数種のものが提供されているので、そのうちの３種類の突っ切りバイトホルダを用いてテストを行った。これらのバイトホルダの先端に装着した丸駒チップ１にワーク軸方向（Ｚ軸＋及び−方向）、シャンク軸方向（Ｘ軸方向）及び主分力方向（図の紙面直角方向、Ｙ軸方向）にそれぞれ５ｋｇの荷重をかけたときのホルダ２ｃの変形によると考えられるチップ１ｃの変位は、第１のものがＺ軸＋及び−方向に１３μｍ、Ｘ軸方向に４μｍ、Ｙ軸方向に２μｍであり、第２のものがＺ軸＋方向に５μｍ、Ｚ軸−方向に９μｍ、Ｘ軸方向に２μｍ、Ｙ軸方向に１μｍであり、第３のものがＺ軸＋方向に１５μｍ、Ｚ軸−方向に１６μｍ、Ｘ軸方向に２μｍ、Ｙ軸方向に２μｍであった。

そして、これらのバイト１１で高硬度材のワークの真球加工を行った際の真球度は、１５μｍ程度となり、真球度が大幅に改善された。

図１は、この発明に係る構造のバイト１０を示した上面図で、ホルダの一方の側面６がストレート形状で、肩部５がその反対の側のみに設けられており、かつクランプ部４に従来存在したような突出部７ｃがなく、チップ１の肩部５からの突出長さは短い。チップ１としては、図２のバイト１１と同様なノーズＲ２．５ｍｍの丸駒チップが装着している。

この実施例のバイト１０のチップ１にＺ軸方向、Ｘ軸方向及びＹ軸方向に５ｋｇの荷重をかけたときのホルダ２の変形によるチップ１の変位は、Ｚ軸＋及びＺ軸−方向共に６μｍ、Ｘ軸方向に４μｍ、Ｙ軸方向に４μｍであった。

そして、図１に示す実施例のバイト１０を用いて高硬度材の真球加工を行ったときの真球度は、９μｍであった。

上述したように、図１に示したバイト１０では、チップ１にかける荷重を同一荷重としたときに、Ｚ軸方向とＸ軸方向とで２μｍの変位の差がある。そこで実際に真球加工を行って加工精度を計測して、ホルダのＺ軸方向とＸ軸方向とのチップの変位の差を打ち消すようにＸ軸方向の送りに補正を加えることによって、より高精度の真球加工を行うことができると考えられる。

そこで本願発明者らは、図１に示したバイト１０で真球加工を行って得られたワークの真球度を計測し、Ｚ軸方向に潰れた形状となっている加工球面の当該潰れを補正する真球加工中にのみ使用される補正値をＮＣ装置に設定して、その他の条件を同一条件にして真球加工を行ったところ、真球度更に５μｍにまで向上させることができた。

以上のようにこの発明により、高硬度材の真球加工において、従来技術では到底達成できなかった高精度の真球加工を実現することができた。

１ 丸駒チップ
１ａ チップ
２ ホルダ
２ｃ 突っ切りバイトホルダ
３ シャンク
４ クランプ部
５ 肩部
６ ホルダ側面
７ｃ 突出部

Claims (3)

1. シャンク先端とチップとの間に生ずる肩部がシャンクの一方の側面にのみ設けられて他方の側面がストレート形状のホルダ先端のクランプ部にチップを固定した旋削工具において、
   上記ホルダのストレート形状の側面側先端に丸駒チップが固定され、ホルダのシャンク先端の肩部からの当該丸駒チップまでの突出長さを、前記チップにワークの回転中心軸と平行な方向及び当該方向と直交するワーク加工時の背分力方向に５ｋｇの荷重をかけたときの前記チップの変位が８μｍ以下かつ当該両方向の変位の差が４μｍ以下となる長さとしたことを特徴とする、真球加工用の旋削工具。
2. 丸駒チップがノーズＲ２〜５ｍｍの丸駒チップである、請求項１記載の旋削工具。
3. ＮＣ旋盤の刃物台に請求項１又は２記載の旋削工具を装着し、当該旋削工具を用いて加工した球面のワークの回転中心軸と平行な方向であるＺ軸方向と当該方向と直交するワーク加工時の背分力方向であるＸ軸方向との寸法差を計測し、その寸法差に相当する補正値を前記旋盤のＮＣ装置に設定し、真球加工を実行するときにＸ軸方向又はＺ軸方向の刃物台の送り指令値を当該設定した補正値で補正することを特徴とする、旋盤における真球加工方法。

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