JP6872872B2 - 棒状工具を用いた円錐面の加工方法 - Google Patents

Description

本発明は、棒状工具を用いた円錐面の加工方法に関し、特にその円錐面における削り跡の改善に関する。

従来より、棒状工具として、小径のエンドミルを用いてワークを切削することが知られている。エンドミルの直径が小さくなればなるほど、先端の振動や撓みが生じやすくなる。

技術の進歩により、エンドミルの直径をますます小さくすることができるようになり（例えば、特許文献１参照）、この極小径エンドミルによって光学部品の成形用の金型等の表面を加工することができるようになっている。例えば、図４に示すような、発光ダイオードの台部分を成形するための金型２の円錐面３を加工することが行われている。

特開２００７−１８５７３６号公報

しかしながら、極細のエンドミルを用いた円錐面の加工方法では、従来は、エンドミルを自転させると共に送り方向を金型中心の円周方向とし、上下に徐々に移動させながらテーパ状の円錐面の加工を行っていた（円周加工）。

すると、エンドミルのワークに対する接触部は点当たりとなるため、こすれたような状態となることから安定した加工を行うことが難しく、テーパ状の円錐面には、金型中心を円の中心とした波紋状の切削跡が発生する。例えば、算術平均粗さＲａ＝０．６３μｍの切削跡が残り、この金型を使用してリフレクタを成型すると、光学部品としての品質面で問題が生じる可能性がある。

エンドミルは、半径方向への力に対して撓みやすいが、軸方向の力に対しては強いので、テーパ状の円錐面に沿って上下に移動させながら回転するエンドミルによって切削することも考えられる。しかし、この場合でも、極細のエンドミルを用いるので、切削時の反力による撓みが生じる。

具体的には、図５に示すように、エンドミル１の回転力Ｆ１と、工具の送り力Ｆ２との合力Ｆ３を加えながら、荒加工などの前工程による上下に延びる突条５を含む削り跡を削ってその削り跡をなくす仕上げ加工が行われる。この削り跡を削るときの反力Ｆ４（図５に破線で示す）によってエンドミル１が回転方向と反対側に大きく撓み、削り跡を綺麗に削り取れないという問題がある。この問題は、先端に電着ダイヤなどの砥石が設けられた小径の棒状工具でも同じである。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、極小径の棒状工具によって円錐面を削る場合であっても、表面に削り跡をできるだけ残さないようにすることにある。

上記の目的を達成するために、この発明では、円錐面を上下に送りながら削る場合に、本来の送り方向よりも若干シフトした位置で棒状工具を上下に送るようにした。

具体的には、第１の発明では、棒状工具を用いた円錐面の加工方法を前提とし、
上記加工方法は、
回転する上記棒状工具をワークの円錐面の円周方向に順次所定の間隔を空けて移動しながら高さ方向に送って荒加工を繰り返す荒加工工程と、
上記荒加工工程によって上記円錐面に残る高さ方向に延びる溝状の切削跡に対して該溝状の切削跡の幅方向中心に対して回転する上記棒状工具を円周方向に若干シフトした送り方向に沿って送りながら切削を行う仕上げ加工を、円周方向に移動して位置を変更しながら順次繰り返す仕上げ加工工程とを含む。

上記の構成によると、エンドミルや先端に電着ダイヤが設けられた棒状工具を用いて円錐面を切削又は研削する場合に高さ方向に送りながら荒加工すると高さ方向に溝状の切削跡が残るが、仕上げ工程でその切削跡が低減される。その際に、棒状工具を切削跡の幅方向中心から敢えてシフトさせることで、棒状工具に加わる力を調整し、通常よりも棒状工具が撓まないようにすることができる。なお、棒状工具は、エンドミルなどの切削工具だけでなく、先端に砥石が設けられた研削工具を含む。

第２の発明では、第１の発明において、
上記仕上げ加工工程において、上記溝状の切削跡における上記棒状工具の回転方向側の取り代が減るように回転方向と反対側に上記棒状工具をシフトする。

上記の構成によると、回転方向側の取り代が減っているので、切削跡の幅方向中心で切削する場合に比べ、棒状工具に加わる回転力と送り力との合力に対して生じる反力も小さくなる。その結果として棒状工具のたわみ量が低減される。

第３の発明では、第１又は第２の発明において、
上記荒加工工程において、次の荒加工位置に移動する前に、上記仕上げ加工工程においてシフトした位置で削り始めとなる上記円錐面の上端のみ削っておく。

上記の構成によると、仕上げ加工における削り始めは、切削位置のシフトによる撓み防止効果が得られないので、荒加工において予め削り始めを削っておくことで、棒状工具の削り始めにおける、棒状工具の形状ガイド機能を持たせておくことができ、削り始めの棒状工具の撓みも防止することができる。

第４の発明では、第１から第３のいずれか１つの発明において、
上記仕上げ加工工程におけるシフト量を被切削抵抗と切込量と送り量との積から算出する。

上記の構成によると、棒状工具の剛性から棒状工具の撓みを推定してシフト量が設定される。

以上説明したように、本発明によれば、荒加工による切削跡の幅方向中心に対して若干シフトした位置で回転する棒状工具を高さ方向に送って切削を行うことにより、極小径の棒状工具によって円錐面を削る場合であっても、表面に削り跡をできるだけ残さないようにすることができる。

エンドミルを用いた円錐面の加工方法における仕上げ加工を示す斜視図である。 エンドミルを用いた円錐面の加工方法における仕上げ加工を示す平面図である。 エンドミルを用いた円錐面の加工方法における仕上げ加工を示す正面図である。 金型を示す斜視図である。 エンドミルに加わる負荷を示す概略図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

図１〜図４は、本発明の実施形態の棒状工具としてのエンドミル１を用いた円錐面２の加工の様子を示す。エンドミル１としては、特許文献１のような直径２ｍｍ程度の極小径のものについて説明するが、それよりも外径の小さいものや大きいものであってもよい。ワークとして例えば、発光ダイオードの台を成形するための金型２（例えば図４に示す）を例に説明する。

具体的には、本実施形態のエンドミル１を用いた円錐面２の加工方法では、まず、荒加工工程において、回転するエンドミル１を金型２の円錐面３の円周方向に順次所定の間隔を空けて移動して位置を変更しながら高さ方向（送り方向を矢印Ｇで示す）に送って荒加工を繰り返す。この円周方向の間隔は、例えば、円錐面３の全周３６０°を等分に割り切るように設定する。例えば、１周目に４０°ずつに９分割して切削し、次は、そのちょうど半分の２０°の位置で等分割し、徐々に間隔を狭めた位置にずらしながら高さ方向に送って切削を行う。図２に示すように、エンドミル１で円錐面３を切削すると、切削後の円錐面３には、溝状の切削跡４が形成され、溝状の切削跡４の両側に突条５が形成される。円周方向にずらしながら高さ方向にエンドミル１を送っていくことで、分割数に応じた縦線の突条５が生じる。

この荒加工工程において、図２に破線で示すように、次の荒加工位置に移動する前に、後述する仕上げ加工工程においてシフトした位置で削り始めとなる円錐面３の上端のみを削っておいてもよい。すなわち、仕上げ加工における削り始めは、シフトによる撓み防止効果が得られないので、荒加工において予め削り始めを削っておくことで、棒状工具の削り始めにおける、棒状工具の形状ガイド機能を持たせておくことができ、削り始めのエンドミル１の撓みも防止することができる。

次いで、仕上げ加工工程において、荒加工工程によって円錐面３に残る高さ方向に延びる溝状の切削跡４に対し、溝状の切削跡４の幅方向中心に対して回転するエンドミル１を円周方向に若干シフトした送り方向に沿って送りながら切削を行う。この仕上げ加工を、荒工程と同様に円周方向に移動して位置を変更しながら順次繰り返す。この仕上げ加工工程において、エンドミル１の回転方向側の取り代が減るように回転方向と反対側にエンドミル１をシフトする。図面では、切削跡４を誇張して書いているが、実際には、取り代は２μｍ程度であり、突条５もそれほど大きく突出していない。このシフト量Ｓは、例えば、被切削抵抗と切込量と送り量との積から算出する。すなわち、エンドミル１の剛性からエンドミル１の撓みを推定し、シフト量Ｓ（実際には角度の値）として設定される。これは実際に想定したシフト量Ｓで効果を確認して経験的に求めてもよい。

このように、円錐面３を研削する場合に高さ方向に送りながら荒加工すると高さ方向に溝状の切削跡４が残るが、仕上げ工程でその切削跡４が低減される。その際に、エンドミル１を切削跡４の幅方向中心から敢えてシフト量Ｓだけ位置変更しているので、通常よりもエンドミル１が撓まないようにすることができる。すなわち、回転方向側の取り代が減っており、逆に回転方向と反対側の取り代が増えているので、エンドミル１に加わる回転力Ｆ１と送り力Ｆ２との合力Ｆ３に対して生じる反力Ｆ４を受けるが、その力は、回転方向と反対側の取り代を削るときの反力によって打ち消されて小さくなる。言い換えれば、回転方向側の取り代を減らすことで、その負荷を減少させ、回転方向反対側の取り代を増やすことで、その負荷によるバックアップ効果が得られる。このため、エンドミル１のたわみ量が格段に低減される。

実際にこのシフト方式で切削を行った場合の円錐面３の表面荒さを計測したところ、従来の円周方向に公転させながら徐々に高さ方向に研削していく方法（円周加工方法）でＲａ＝０．６３μｍであったのが、Ｒａ＝０．０１μｍとなり、極めて大きな効果が得られることを確認できた。

したがって、本実施形態に係るエンドミル１を用いた円錐面３の加工方法によると、極小径のエンドミル１によって円錐面３を削る場合であっても、表面に削り跡をできるだけ残さないようにすることができる。

（その他の実施形態）
本発明は、上記実施形態について、以下のような構成としてもよい。

すなわち、上記実施形態では、ワークとして、発光ダイオードの台を成形するための金型２を例に説明したが、このような金型２でなくても、少なくとも円錐面３の加工面を有するものであれば特に限定されない。

なお、以上の実施形態は、本質的に好ましい例示であって、本発明、その適用物や用途の範囲を制限することを意図するものではない。

すなわち、上記実施形態では、棒状工具は、エンドミルとしているが、例えば、電着ダイヤが先端に設けられた直径０．０５ｍｍほどの研削工具でもよい。この研削工具を用いて研削する場合でも同様の作用効果が得られる。

１ エンドミル（棒状工具）
２ ＬＥＤ用金型（ワーク）
３ 円錐面
４ 溝状の切削跡
５ 突条

Claims (4)

1. 棒状工具を軸方向に押し付けるようにしながらワークのテーパ状の円錐面を加工する、棒状工具を用いた円錐面の加工方法において、
   回転する上記棒状工具をワークの円錐面の円周方向に順次間隔を空けて位置を変更しながら高さ方向に送って荒加工を繰り返す荒加工工程と、
   上記荒加工工程によって上記円錐面に残る高さ方向に延びる溝状の切削跡に対して該溝状の切削跡の幅方向中心に対し、上記棒状工具の軸方向中心を円周方向に対して位置変更し、回転方向側の取り代を減らし、回転方向と反対側の取り代を増やし、該棒状工具に加わる回転力と送り力の合力に対して生じる反力を打ち消して該棒状工具の撓みを抑制しながら回転する上記棒状工具を高さ方向に送って切削を行う仕上げ加工を、円周方向に移動して位置を変更しながら順次繰り返す仕上げ加工工程とを含む
   ことを特徴とする棒状工具を用いた円錐面の加工方法。
2. 棒状工具を軸方向に押し付けるようにしながらワークのテーパ状の円錐面を加工する、棒状工具を用いた円錐面の加工方法において、
   回転する上記棒状工具をワークの円錐面の円周方向に順次間隔を空けて位置を変更しながら高さ方向に送って荒加工を繰り返す荒加工工程と、
   上記荒加工工程によって上記円錐面に残る高さ方向に延びる溝状の切削跡に対して該溝状の切削跡の幅方向中心に対して若干シフトした位置で回転する上記棒状工具を高さ方向に送って切削を行う仕上げ加工を、円周方向に移動して位置を変更しながら順次繰り返す仕上げ加工工程とを含み、
   上記仕上げ加工工程において、上記溝状の切削跡における上記棒状工具の回転方向側の取り代が減るように、かつ上記棒状工具の撓み具合から該棒状工具が撓む方向とは逆に力がかかるように、該溝状の切削跡の幅方向中心から回転方向と反対側に上記棒状工具をシフトするように構成されており、
   上記棒状工具のシフト量は、該棒状工具の剛性から該棒状工具の撓みを推定することにより決定される
   ことを特徴とする棒状工具を用いた円錐面の加工方法。
3. 棒状工具を用いた円錐面の加工方法において、
   回転する上記棒状工具をワークの円錐面の円周方向に順次間隔を空けて位置を変更しながら高さ方向に送って荒加工を繰り返す荒加工工程と、
   上記荒加工工程によって上記円錐面に残る高さ方向に延びる溝状の切削跡に対して該溝状の切削跡の幅方向中心に対して若干シフトした位置で回転する上記棒状工具を高さ方向に送って切削を行う仕上げ加工を、円周方向に移動して位置を変更しながら順次繰り返す仕上げ加工工程とを含み、
   上記荒加工工程において、次の荒加工位置に移動する前に、上記仕上げ加工工程においてシフトした位置で削り始めとなる上記円錐面の上端のみ削っておく
   ことを特徴とする棒状工具を用いた円錐面の加工方法。
4. 請求項１から３のいずれか１つに記載の棒状工具を用いた円錐面の加工方法において、
   上記仕上げ加工工程におけるシフト量を被切削抵抗と切込量と送り量との積から算出する
   ことを特徴とする棒状工具を用いた円錐面の加工方法。

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