WO2020204047A1

WO2020204047A1 - タップ工具及びタップ加工方法

Info

Publication number: WO2020204047A1
Application number: PCT/JP2020/014934
Authority: WO
Inventors: 前田　淳一
Original assignee: Makino Milling Machine Co Ltd
Current assignee: Makino Milling Machine Co Ltd
Priority date: 2019-04-04
Filing date: 2020-03-31
Publication date: 2020-10-08
Anticipated expiration: 2021-10-04
Also published as: JP2020168698A; EP3950199A4; JP6742468B1; CN113677469A; KR102626999B1; KR20210129207A; EP3950199A1; US20220161341A1; US12427594B2; CN113677469B

Abstract

回転軸線（Ｃｒ）を有し、ワークに設けられた下穴（６'）の中心軸線（Ｃ６）と回転軸線を一致させた状態で下穴をねじ穴（６）に加工するタップ工具（１０）であって、ねじ穴のねじ溝を加工する刃部（１４ａ）を有するねじ部（１４）と、刃部の回転方向後方に位置するパッド部（１５，１６）であって、ねじ溝の加工中に、刃部によって加工されたねじ溝に係合するパッド部と、回転軸線とねじ穴の中心軸線とを一致させた横断面視において、ねじ穴との間に空間（２０）を形成する非係合部（１７）と、を備えており、空間は、該タップ工具が、回転軸線とねじ穴の中心軸線とが一致した状態から、ねじ穴内で回転軸線に直交する方向でシフトした場合に、ねじ部とねじ溝との係合及びパッド部とねじ溝との係合の同時解除を可能にする大きさを有することを特徴としたタップ工具（１０）。

Description

タップ工具及びタップ加工方法

　本発明は、ワークに設けられた下穴をねじ穴に加工するタップ工具及びタップ加工方法に関する。

　マシニングセンタとそれに装着されたタップ工具を使ってタップ加工を行う場合は、回転と直線送りを同期させたいわゆる同期タップ加工で行われる。同期タップ加工では、加工したねじ穴からタップ工具を引き出すときにも、回転と送りを同期させる必要がある。そのため、タップ工具の引き抜きに要する時間は、タップ工具を前進させてねじ溝を加工する時間にほぼ等しい時間が必要である。ところで、加工プログラム作成者は、被削材種に適した工具材種を選択したり、マシニングセンタの主軸の回転速度を、マシニングセンタの主軸モータのトルク特性や、ねじ穴の径及び深さに応じて最適化を図る等して、タップ加工時間の短縮化を、例えば１秒未満の微小な単位で追求している。

　特許文献１は、ＮＣフライス盤やマシニングセンタとともに利用されるタップ工具（ねじ切りフライス）を開示している。特許文献１のタップ工具は、加工時間を総合的に短縮するために、タップ加工だけではなく下穴もタップ加工と同時に加工できるように形成されている。そのため、特許文献１のタップ工具は、下穴加工を行うための底刃と、タップ加工用の刃部である一つのチップを工具外周に備えている。また、そのタップ工具は、加工すべきねじ穴の内径よりも相当に細い外径を有するものであって、これによるタップ加工は、タップ工具を、工作機械の主軸を中心に回転（自転）させつつ、ねじ穴の中心軸線を中心に公転させることによって行われる。

特開平３－１８４７２１号公報

　特許文献１のタップ工具によると、タップ工具の外径がねじ穴の内径よりも小さいので、タップ加工中には切削抵抗に基づく曲げ応力がタップ工具に生じる。その結果、特にタップ工具が細長い場合に、タップ工具のたわみに起因してねじ穴の寸法精度が低下することが懸念される。また、特許文献１におけるタップ加工は一つのチップによって行われるので、従来の普通のタップ工具に比較してタップ加工時間が増えることが予想され、結果として、下穴加工も含めた加工時間で比較した場合も、従来のタップ加工方法に対しての効果は限定的であると考えられる。

　本発明は、上記事情を鑑みてなされたものであって、タップ加工を、従来と同等の精度を維持しつつ短時間で行うことのできるタップ工具を提供することを目的としている。

　上述の目的を達成するために、本発明によれば、回転軸線を有し、ワークに設けられた下穴の中心軸線と前記回転軸線を一致させた状態で前記下穴をねじ穴に加工するタップ工具であって、前記ねじ穴のねじ溝を加工する刃部を有するねじ部と、前記刃部の回転方向後方に位置するパッド部であって、前記ねじ溝の加工中に、前記刃部によって加工された前記ねじ溝に係合するパッド部と、前記回転軸線と前記ねじ穴の中心軸線とを一致させた横断面視において、前記ねじ穴との間に空間を形成する非係合部と、を備えており、前記空間は、該タップ工具が、前記回転軸線と前記ねじ穴の前記中心軸線とが一致した状態から、前記ねじ穴内で前記回転軸線に直交する方向でシフトした場合に、前記ねじ部と前記ねじ溝との係合及び前記パッド部と前記ねじ溝との係合の同時解除を可能にする大きさを有するタップ工具が提供される。

　さらに、本発明によれば、タップ加工方法であって、タップ工具の装着された工作機械の主軸の回転軸線と、ワークに設けられた下穴の中心軸線を一致させる段階と、前記タップ工具を回転させつつ前記回転軸線の方向で前進移動させることにより前記下穴にタップ加工を行う段階と、前記タップ工具の刃部を含むねじ部と前記ワークに形成されたねじ穴のねじ溝との係合が解除されるように、前記主軸の回転軸線に直交する方向に前記タップ工具をシフトさせる段階と、前記タップ工具を回転させることなく前記回転軸線の方向で後退移動させる段階と、を含むタップ加工方法が提供される。

　本発明によると、加工後に、回転軸線に直交する方向に移動してねじ穴のねじ溝との係合が解除されたタップ工具を、回転させることなく、ねじ穴から回転軸線方向に高速で引き抜くことが可能になる。この高速での引き抜きの効果により、加工開始点に戻る時間も含めた加工時間の短縮化が実現される。

　また、本発明によると、切削抵抗がパッド部を介してねじ穴によって支持されるので、切削抵抗に基づいてタップ工具に生じるたわみは極くわずかであり、その結果、加工精度も従来の通常のタップ工具２１０を使った場合と同等である。

工作機械と、その主軸頭に装着された本発明の実施形態によるタップ工具の正面図である。本発明の実施形態によるタップ工具の斜視図である。本発明の実施形態によるタップ工具の正面図である。タップ工具と、それが加工するねじ穴の横断面図である。切削抵抗とその主分力及び背分力を示す、図４と同様の横断面図である。図４の状態からタップ工具がシフトした状態を示す、タップ工具とねじ穴の横断面図である。従来の典型的なタップ工具の斜視図である。

　図１は、一般的な立形マシニングセンタである工作機械１００と、それに装着された本発明の実施形態によるタップ工具１０を示す図である。図１の工作機械１００は、工場の床面に固定された基台としてのベッド１０２、ベッド１０２の上面でＹ軸方向に移動可能に設けられたＹ軸スライダ１０４であってワーク８がクランプ固定されるＹ軸スライダ１０４、ベッド１０２の図１の右側の上面から立設されたコラム１０８、コラム１０８の前面でＸ軸方向（図１では紙面に垂直な方向）に移動可能に設けられたＸ軸スライダ１１０、Ｘ軸スライダ１１０に対してＺ軸方向に移動可能に設けられたＺ軸スライダ１１２、及びＺ軸スライダ１１２に固定され、主軸１１４を鉛直な回転軸線Ｃｒを中心として回転可能に支持する主軸頭１１６を具備する。工作機械１００がこのように構成されているので、主軸頭１１６は、ワーク８に対して相対的に移動及び位置決めが可能である。また、工作機械１００は、制御装置１２０及び図示しない自動工具交換装置も具備する。

　工作機械１００は、タップ加工を、いわゆる同期タップ加工、すなわち、主軸１１４の回転とＺ軸方向の送りとを同期させた加工として実行する。本明細書では、タップ工具１０がタップ加工を実行するＺ軸方向の直線移動を前進移動とも呼び、タップ工具１０をねじ穴６から引き抜くＺ軸方向の直線移動を後退移動とも呼ぶ。また、主軸１１４の回転軸線Ｃｒとタップ工具の回転軸線Ｃｒは常に一致するので、本明細書ではそれらに同一の符号を与える。

　本発明の実施形態によるタップ工具１０の斜視図が図２に、正面図が図３に、加工直後の状態の図３の切断線Ａ～Ａによる横断面図がねじ穴６とともに図４に示される。タップ工具１０は、その回転軸線Ｃｒがワークに設けられた下穴６’の中心軸線Ｃ_６に一致した状態で、タップ加工、即ち下穴６’をねじ穴６にする加工を行う。図４では、符号６ａで示される円が下穴６’及びねじ穴６の内径に対応し、符号６ｂで示される円がねじ穴６の谷の径、即ち、タップ工具１０の呼び径に対応する。

　タップ工具１０は、基端側のシャンク部１１と、先端側の加工部１２とを有する。加工部１２の先端にはテーパー部１３が設けられている。加工部１２は、回転軸線Ｃｒに対して非対称に形成されていて、ねじ穴６のねじ溝を加工する複数の刃部１４ａを有する雄ねじ状のねじ部１４と、刃部１４ａによって加工されたねじ溝に係合する雄ねじ状のパッド部１５、１６と、加工中に下穴６’及びねじ穴６に接触しない非係合部１７とを有する。ねじ部１４は、長手方向に所定のねじピッチで間隔をおいて配置された複数のねじ山を有しており、刃部１４ａは複数のねじ山の各々の回転方向前方側に設けられている。なお、本実施形態では、タップ工具１０は、三角ねじのねじ溝を形成するものである。

　図７に、比較のため、従来の典型的なタップ工具２１０を示す。そのタップ工具２１０は、切削のための刃部２１４ａを有するねじ部２１４が、４本の長手方向に延びる切削油流通用の溝２１８によって４つに分断されている。その結果、図７の従来のタップ工具２１０の場合、横断面視で４つのねじ部２１４が９０度間隔で配置される。

　これに対して、本発明の実施形態によるタップ工具１０では、一つのねじ部１４が図４における概ね８時から９時の方向にのみ配置される。図４のタップ工具１０の一つのねじ部１４は、その刃部１４ａによって従来の例えば図７のねじ部２１４と同様にねじ溝を加工することができる。また、刃部１４ａによる切削の原理は従来のものと同様であり、このため刃部１４ａは従来と同様にすくい面１４ｂを有する。図４と同様の横断面図である図５では、回転方向Ｔで回転するタップ加工中に、切削力に対する反力としてタップ工具１０の刃部１４ａの先端に作用する切削抵抗Ｒｃと、その背分力Ｒｂ及び主分力Ｒｐがベクトルとして示されている。

　図４において、タップ工具１０は、時計回りに回転するものとして形成されている。パッド部１５、１６は、ねじ部１４の回転方向後方に設けられており、本実施形態では２つのパッド部、即ち第１パッド部１５と第２パッド部１６が設けられている。第１パッド部１５とねじ部１４との間には第１の溝１８が設けられ、第１パッド部１５と第２パッド部１６との間には第２の溝１９が設けられている。第１のパッド部１５と第２のパッド部１６の回転方向前方にそれぞれ第１の溝１８と第２の溝１９が形成されているため、溝１８、１９を介してパッド部１５、１６には切削液が効率よく供給される。これによりパッド部１５、１６とワーク８の間の潤滑がよくなり、刃部１４ａで形成されたねじ溝の表面とパッド部１５、１６とが擦れることによって生じる損傷から、タップ工具１０とワーク８とが保護される。

　各パッド部１５、１６には、ねじ部１４と同様に雄ねじが形成されているが、刃部１４ａは設けられていない。パッド部１５、１６の雄ねじは、その半径がねじ部１４の雄ねじの半径よりもわずかに小さく形成されているとはいえ、ねじ部１４の刃部１４ａによって形成されたねじ穴６のねじ溝に螺合するように形成されている。

　パッド部１５、１６は、加工中に生じる切削抵抗Ｒｃをねじ穴６に支持させるために設けられている。本実施形態では、第２パッド部１６が主にこの役割を果たす。そのため、刃部１４ａから延びる切削抵抗Ｒｃの方向は第２パッド部１６に向かっている。切削抵抗Ｒｃは第２パッド部１６を介してねじ穴６のねじ溝に伝達されて支持される。なお、切削抵抗Ｒｃの方向は、すくい面１４ｂの角度を変えることによって変化させることができる。

　非係合部１７は、湾曲した平滑な表面であり、横断面図である図４では点１７ａ及び点１７ｂを結ぶ曲線で表される。非係合部１７とねじ穴６の内径との間には空間２０が形成される。この空間２０の大きさは、図４の状態からタップ工具１０が回転軸線Ｃｒに直交する矢印Ｓで示される方向及び距離でシフトしたときに、即ち図６に示される位置へシフトしたときに、ねじ部１４とねじ穴６のねじ溝との係合及び第１及び第２パッド部１５、１６とねじ溝との係合の同時解除を可能にする大きさを有する。なお、空間２０の大きさは、マージンをもって少し大きめに形成されている。また、切削中には、空間２０は刃先部１４ａへ切削液を供給する経路および切削によって生じた切りくずを排出する経路の役割を果たし、加工面の品質を向上させ、工具寿命を延ばす効果がある。

　図６に示されるように、ねじ部１４やパッド部１５、１６とねじ溝との係合が解除されたタップ工具１０は、回転軸線方向への後退移動によってねじ穴６から引き抜くことができる。このタップ工具１０の引き抜きは、従来のように回転運動を含まないので高速に行うことができる。

　ところで、本例の工作機械１００では、図４及び図６における３時の方向に主軸１１４の回転角０度の基準線（以下、「原線」という）Ｌｏが延びる。図４及び図６では、原線Ｌｏに対するタップ工具１０の回転角（以下、「位相角」ともいう）が、刃部１４ａの位相角として、１８０度で例示される。加工後に静止したタップ工具１０の位相角は、ねじ穴６の深さが異なれば加工に必要なタップ工具１０の回転数も異なるので、ねじ穴６毎に異なる。したがって、主軸１１４の原線Ｌｏに対するタップ工具１０のシフトの方向もねじ穴６毎に異なる。シフトの方向を求めるために、本実施形態では、タップ工具１０は、加工開始点（図示せず）に位置決めされるときに、主軸１１４の原線Ｌｏに対して所定の位相角に設定される。そして、加工後のタップ工具１０の位相角が主軸モータのエンコーダの情報から制御装置１２０によって算出され、その算出されたタップ工具１０の位相角に基づいてシフトの方向、図６の例では原線Ｌｏからθ度の方向が算出される。一方、必要なシフト量は、タップ工具１０の横断面形状によって定まるので、制御装置１２０に予め記憶されている。

　本発明の実施形態によるタップ工具１０と、図１に示されるような立形の工作機械を使って行われるタップ加工の例を以下に説明する。
　最初に、タップ工具１０を加工開始点に位置決めする。つまり、タップ工具１０の装着された工作機械の主軸１１４の回転軸線Ｃｒと、ワークに設けられた下穴６’の中心軸線Ｃ_６とを一致させて、所定のＺ軸方向の高さにある加工開始点にタップ工具１０の先端を位置決めする。このとき、主軸１１４の原線Ｌｏに対するタップ工具１０の位相角は所定の値に設定される。

　次に、主軸１１４の回転速度とＺ軸方向の送り速度をねじのピッチに応じて同期させて、同期タップ加工を行う。タップ工具１０がＺ軸方向に所定の距離だけ移動して、指令されたねじ深さに達したなら、主軸１１４の回転と送りが停止する。これによりワークの下穴６’がねじ穴６に加工される。

　次に、タップ工具１０を回転軸線Ｃｒに直交する特定の方向にシフトさせる。前記特定の方向は、主軸モータのエンコーダの情報から決定されるタップ工具１０の位相角に基づいて決定され、図６の例では矢印Ｓで表される方向である。シフト量は、予め制御装置１２０に登録された値が利用される。この工程により、タップ工具１０のねじ部１４やパッド部１５、１６とねじ穴６のねじ溝との係合は完全に解除される。

　次に、タップ工具１０を回転させることなく上方へ加工開始点まで後退させる。このときの主軸１１４のＺ軸方向の送り速度は、加工時、即ち、前進時の送り速度に比較して２倍以上高速にすることができる。
　以上で、一つのねじ穴６のタップ加工が完了する。

　本発明によると、タップ工具１０の非係合部１７とねじ穴６の内径との間に空間２０が形成され、前記空間２０は、タップ工具１０が回転軸線Ｃｒに直交する方向に移動したとき、ねじ部１４及びパッド部１５、１６とねじ溝との係合を解除する大きさを有する。そのため、加工後に、ねじ穴６のねじ溝との係合を解除したタップ工具１０を、回転させることなく、ねじ穴６から回転軸線方向に高速で引き抜くことが可能になる。この高速での引き抜きの効果により、タップ工具１０の後退時間を含めた加工時間は、従来の通常のタップ工具２１０を使った場合に比較して約４０％削減することが可能である。

　また、本発明によると、切削抵抗Ｒｃが第２パッド部１６を介してねじ穴６によって支持されるので、切削抵抗Ｒｃに基づいてタップ工具１０に生じるたわみは極わずかであり、その結果、加工精度も従来の通常のタップ工具２１０を使った場合と同等である。

　その他の実施形態
　前述の実施形態のタップ工具１０は、２つのパッド部１５、１６を備えていたが、パッド部の数は２つに限定されることはなく、したがってパッド部を例えば１つあるいは３つ備えるタップ工具１０も本発明において可能である。

　前述の実施形態のタップ工具１０は、第１パッド部１５とねじ部１４との間に第１の溝１８を有するものであるが、パッド部とねじ部１４との間に溝を有しない、したがってパッド部がねじ部１４に連続して形成されたタップ工具も本発明において可能である。

　前述の実施形態では、パッド部１５、１６はねじ部１４の半径よりもわずかに小さい半径を有するものであったが、パッド部の半径がねじ部１４の半径と等しいタップ工具１０の実施形態も本発明において可能である。

　６　　ねじ穴
　６’　　下穴
　１０　　タップ工具
　１４　　ねじ部
　１４ａ　　刃部
　１４ｂ　　すくい面
　１５　　第１パッド部
　１６　　第２パッド部
　１７　　非係合部
　２０　　空間
　Ｃ_６　　中心軸線
　Ｃｒ　　回転軸線
　Ｒｃ　　切削抵抗

Claims

　回転軸線を有し、ワークに設けられた下穴の中心軸線と前記回転軸線を一致させた状態で前記下穴をねじ穴に加工するタップ工具であって、
　前記ねじ穴のねじ溝を加工する刃部を有するねじ部と、
　前記刃部の回転方向後方に位置するパッド部であって、前記ねじ溝の加工中に、前記刃部によって加工された前記ねじ溝に係合するパッド部と、
　前記回転軸線と前記ねじ穴の中心軸線とを一致させた横断面視において、前記ねじ穴との間に空間を形成する非係合部と、
　を備えており、
　前記空間は、該タップ工具が、前記回転軸線と前記ねじ穴の前記中心軸線とが一致した状態から、前記ねじ穴内で前記回転軸線に直交する方向でシフトした場合に、前記ねじ部と前記ねじ溝との係合及び前記パッド部と前記ねじ溝との係合の同時解除を可能にする大きさを有することを特徴としたタップ工具。
　前記刃部はすくい面を有しており、前記すくい面は、タップ加工中に生じる切削抵抗が前記パッド部を介して前記ねじ溝によって支持されるように形成されている、請求項１に記載のタップ工具。
　前記パッド部は、第１のパッド部と第２のパッド部とで構成され、
　前記ねじ部と前記第１のパッド部との間に設けられた第１の溝と、
　前記第１のパッド部と前記第２のパッド部との間に設けられた第２の溝と、を有する、請求項１に記載のタップ工具。
　マシニングセンタの主軸に装着される、請求項１に記載のタップ工具。
　タップ加工方法であって、
　タップ工具の装着された工作機械の主軸の回転軸線と、ワークに設けられた下穴の中心軸線を一致させる段階と、
　前記タップ工具を回転させつつ前記回転軸線の方向で前進移動させることにより前記下穴にタップ加工を行う段階と、
　静止した前記タップ工具の刃部を含むねじ部と前記ワークに形成されたねじ穴のねじ溝との係合が解除されるように、前記主軸の回転軸線に直交する方向に前記タップ工具をシフトさせる段階と、
　前記タップ工具を回転させることなく前記回転軸線の方向で後退移動させる段階と、
　を含むことを特徴としたタップ加工方法。
　前記後退移動させる段階における前記タップ工具の移動速度が、前記タップ加工を行う段階において前進移動する前記タップ工具の移動速度よりも高速である、請求項５に記載のタップ加工方法。
　前記タップ工具をシフトさせる段階における前記タップ工具のシフトの方向を計算する段階であって、前記タップ加工を行う段階においてタップ加工後に静止した前記タップ工具の前記回転軸線まわりの位相角に基づいて前記タップ工具のシフトの方向を計算する段階を前記タップ加工を行う段階の後に更に含む、請求項５に記載のタップ加工方法。