JP2003516868A - 回転対称面のねじれの発生しない切削加工方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 所定の切れ刃で回転する回転対称工作物の切削加工方法である。加工された回転対称面がねじれをもたないか、もったとしても摺動部の移動および摩耗の点で悪影響を及ぼさないねじれしかもたず、また焼入れされた工作物面を機械加工する場合に、特に高い金属除去率を実現できる方法を提供する。 【解決手段】 工作物の回転軸線に対して斜めに配置した切れ刃を、回転軸線を横断する線形送り動作で回転している工作物に沿って接触関係で案内する際に、機械加工パラメーター、特にブローチ送り速度および切れ刃の傾斜角を選択し、機械加工面に生じるねじれがねじれピッチおよび/またはねじれ深さ、特にねじれ深さに関して最小になるようにしたことを特徴とする切削加工方法とした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】

本発明は、幾何学的形状の一つかそれ以上の切れ刃によって、金属工作物、特
に鋼工作物または鋳鉄工作物の回転する、特に同心円状の回転対称面であって、
特に焼入れされた工作物における回転対称面の切削加工に関する。

【０００２】

【従来の技術】

幾何学的形状の切れ刃によって、焼入れ前および焼入れ後のいずれかにおける
回転対称部分の回転機械加工は、既に確立された技術である。この点で、研磨加
工、仕上げ加工、ホーニング加工を含むプロセスやその他のプロセスは一部が代
替技術になっている。

【０００３】 一方、焼入れされた工作物を機械加工する際にも十分に長い寿命をもつ切削工
具材料が異なる各種の形態で利用できる。

【０００４】 高精度に前加工を行なう場合でも、一般的にいって、焼入れ後に仕上げ加工を
行なう必要がある。というのは、焼入れ後に、焼入れによるかなりの程度の歪み
が一般的に発生するからである。従って、工作物の寸法精度を回復するプロセス
が本質的に必要である。

【０００５】 長手方向に旋削した場合には必ず、特に機械加工すべき材質に関係なく、また
それが硬化処理されているかあるいは未硬化であるかに関係なく、加工面に螺旋
ライフル溝条のねじれが発生する。

【０００６】 加工面は、一定の構造（溝や突起状の凸部）をもち、これらはねじ構造（ねじ
れ）に対応するもので、また回転している工作物に沿って動作する工具の送り動
作によってピッチを発生するものである。

【０００７】 これは、円筒形、円錐形やその他の形状の工作物面に等しく当てはまる。従っ
て、工作物に作り出される表面がねじの形状やその一部の形状を取ることになる
。

【０００８】 ねじ状構造のねじの深さあるいは粗さを記述する関係式を図３に示す。

【０００９】 特に焼入れされた工作物を加工対象とする場合、高精度の加工をする場合の切
削諸元は一般的に小さい数値が選択されるため、機械加工速度が比較的低速にな
るか、機械加工能力が低レベルになることが多い。

【００１０】 機械加工能力が比較的低レベルになると、経済的な不利益が著しくなるが、表
面にねじれがある場合、特にシールが加工面、例えば静止シール内部の回転シャ
フトに対して動作するときに、当接するシールに関連して問題が発生する。この
場合におけるシールとしては、例えばラジアルシャフトシールリングが知られて
いる。

【００１１】 このようにねじれ構造を取る表面の場合、ねじ状の溝または凸部によって冷却
材や潤滑油が表面に沿って流れ、当接しているシールの一方の側から反対側に軸
方向に流れるため、シールのシール作用が大きく低下する。例えば衛生上の理由
から、また環境保護の理由から、漏洩のない状態で動作させなければならない工
作機械の場合特に、これは深刻に考える必要がある問題である。

【００１２】 さらに、ねじれ構造をもつ表面に当接するシール部品の場合、ねじ状溝や凸部
によって、接触ラインや接触面でかなりの損傷を経時的に受けるか、あるいは少
なくとも激しい摩耗作用を受けることになる。このような摩耗や損傷を受けると
、短時間のうちにシール作用が大きく低下するか、あるいは消失することが多い
。

【００１３】 これら２つの問題のある点からみて、回転している工作物に対して利用できる
切削加工を考慮した場合、次のことが生じると考えられる。

【００１４】 回転対称面を旋削する場合、工作物に対して半径方向にのみ工具を動作させる
ことによって（プランジカット旋削）回転対称面にねじ状構造が形成されること
を防止するように試みると、軸方向の動作がないため、ねじれのない表面を加工
することができる。ところが、プランジカット切れ刃の軸方向の幅が、全体とし
て加工すべき回転対称面と同じ幅であると、特に硬質処理面を機械加工する場合
に、きわめて大きな切削力が発生し、動的な不安定性のためにビビリが発生する
傾向が強くなる。このような動的な不安定性やビビリが発生すると、ほぼ前触れ
なしに激しい表面不規則性が発生し、この表面不規則性があまりにも強いと、満
足のいくシールの完全性が得られなくなる。

【００１５】 比較的広い表面を加工対象とする場合、長さ方向、すなわち軸線方向にプラン
ジカットカッターを追加使用し、これで切削を行なった場合にも、ねじれ構造を
もつ表面が生じる。

【００１６】 従って、現状では、ねじれ、特にねじ状旋削溝またはツールマークが生じた場
合には、次のコストの高い工程でこれらを十分に取り除くか、場合によっては完
全に排除することによって、良好なシール作用を確保することが必要である。

【００１７】 表面のねじれ構造（旋削溝またはツールマーク）を防止する一つの考えられる
方法は、ブローチ工具を回転する工作物に沿って接線方向に動作させる旋削ブロ
ーチ法である。旋削ブローチ工具の個々の切れ刃を工具の回転軸線に対して平行
に向けると、同様に、切れ刃に大きな力が作用し、動的に不安定になる傾向およ
びビビリが発生する傾向が生じる問題が出てくる。

【００１８】 切れ刃を旋削ブローチ動作時に斜めに配置すると、切れ刃に作用する圧力を小
さくできるが、切れ刃の工作物への係合点が工作物の回転軸線から異なる間隔（
半径）にあるため、ねじ状構造が残留する。

【００１９】 周囲に切れ刃を形成したディスク形工具を使用する旋削ブローチ加工では、そ
れ自体が直線形の切れ刃を斜めに配置すると、工作物の加工面が正確な円筒形で
はなく、凸球面になる問題が発生する。

【００２０】 さらに、多くの場合、補足的な工程として表面の研磨を適用する。これは、工
作物を全体として別な工作機械に移す必要があることを意味する。従って、工作
物の完成コストが、加工プロセスが長くなるため、すなわち別な工作機械を使用
するため、かなり高くなり、経済性がかなり悪くなる。さらに、工作物の仕上げ
加工に関しては、可能ならば、研磨は避けるべきである。というのは、研磨は一
般的に湿式研磨の形を取るため、環境上からみて、また廃棄処理に関して研磨ス
ラリーが問題を発生し、また現状では依然として経済的な問題があるからである
。

【００２１】 これに加えて、研磨加工でも、ドレッシング加工時に最初に発生したねじれ構
造が最終的に工作物に再現される事実が加わる。工作物に研磨バンドまたは研磨
要素を適用する仕上げ加工でも、工作物に対して仕上げ加工工具が振動するか、
あるいは長手方向に動作するため、ねじれ構造をもつ表面構造が形成される。

【００２２】

【発明が解決しようとする課題】

a）技術的な課題 従って、本発明の目的は、所定形状の切れ刃を使用して回転する回転対称工作
物を機械加工する方法において、加工された回転対称面がねじれをもたないか、
もったとしても摺動部の移動および摩耗の点で悪影響を及ぼさないねじれしかも
たず、また焼入れされた工作物面を機械加工する場合に、特に高い金属除去率を
実現できる方法を提供することである。

【００２３】

【課題を解決するための手段】

ｂ）課題の実現 上記目的は、請求項１記載の特徴によって実現できる。従属請求項には、有利
な実施態様を記載する。

【００２４】 本発明によれば、加工表面におけるねじ構造の発生および/または範囲には、
工作物の回転軸線に対する切れ刃の傾斜角と相関のある切れ刃の送り速度の大き
さや機械加工すべき工作物の予め定められた直径および回転速度が影響するため
、機械加工面に発生するねじれを排除できるか、あるいは発生したとしても現実
には影響のないねじれにすることができることがわかった。

【００２５】 また、本発明のブローチ加工は、加工面からねじれ構造を取り除く例えば研磨
加工、仕上げ加工やホーニング加工（あるいはこれらと同等な加工）と比較した
場合加工速度をより高速にでき、かつコストを低くできる作用効果がある。

【００２６】 従って、本発明方法に使用する切れ刃を、機械加工すべき工作物の回転対称面
に対して工作物の方向、特に接線方向に対して直線状かつ横断方向に、特に直交
方向に動作できるように構成すると、本発明の旋削ブローチ加工を通常の旋削機
械や旋盤だけでなく、例えばディスク形工具本体をもつ旋削ブローチ加工機械に
より実施できる。

【００２７】 工作物の意図する用途に応じて、加工すべき表面のねじれを最小に抑えるか、
ねじれを取り去る点が重要でない場合には、特に焼入れされた工作物を機械加工
するさいに重要な金属除去率を向上できるように機械加工パラメーターを変更す
ることができる。なお、この場合被加工面にねじれがある程度発生することは許
容できる。これによって、特に高レベルの表面品質を保証する極めて経済的な方
法を実現できる。

【００２８】

【発明の実施の形態】

以下、本発明の具体的構成について詳細に説明する。 ｃ）実施態様 以下、添付図面について本発明の実施態様を詳細に説明する。

【００２９】 図１は、機械加工状態を示す斜視図である。

【００３０】 図２は、回転方向１０および送り動作方向３を横断する方向にみた、図１の状
態を示す図である。

【００３１】 図３は、長手方向に旋削する場合の状態を示す図である。

【００３２】 まず図３について説明すると、例えば長手方向に旋削する場合に、工作物の回
転方向に移動する切削工具およびその切削円形コーナーr_Eによってねじ状表面が
どのような影響を受けるかを示す図である。

【００３３】 送り速度ｆ（ｍｍ/工作物一回転）が一定の場合、結果として螺旋状溝５とな
る。これの回転軸線方向１０におけるピッチ間隔は一定で、送り速度ｆも一定で
ある。なお、図示のように、各溝の深さｔ´は形状を定める切削工具のコーナー
半径r_Eの大きさに依存するもので、コーナー半径r_Eが大きい程、溝の深さが浅く
なり、従って深さｔ´が小さくなる。以下の関係式が成立する。 ｔ＝ｆ²/８・r_E

【００３４】 なお、カッター、特に第２カッターの、カッターコーナーに接する刃の少なく
とも一つを回転軸線の方向１０に対して可能な限り最も小さな角度に、好ましく
はこれに対して平行に設定することは、一般に、深さｔ´を小さくできる唯一の
実行可能な選択肢である。というのは、生産時における予め定められたサイクル
時間によって送り速度ｆを任意に低くすることはできないからである。

【００３５】 比較として、本発明による状態を図１および図２に示す。

【００３６】 図１に示すように、機械加工すべき回転対称面１aを設けた工作物１が、旋削
機械、旋盤あるいは旋削ブローチ機械の場合通常Z-軸と呼ばれている回転軸線１
０を中心にして回転する。なお、X-方向とY-方向とは通常直交している。

【００３７】 機械加工すべき回転対称面１aはZ-方向に幅ｂをもち、一般的に意図する用途
においてラジアルシャフトシールリングまたはこれと同等な部品の支持面として
作用する。

【００３８】 工具２は工作物に沿って導入されるが、その切れ刃2aについては、回転軸線１
０の方向を横断して回転対称面1aにおける接平面の一つに平行な送り方向３にお
いてZ-方向に対して斜めに配置する。このようにすると、個々の切削領域が回転
対称面1aのZ-方向における異なる領域に順次接触する。なお、回転軸線の方向に
、すなわち回転方向１０における切れ刃2aの範囲は機械加工すべき表面の幅ｂに
等しいかそれ以上である。この場合、工具の送り方向は、工作物の回転方向１０
に直交する平面内、すなわち工作物の半径方向平面内か、あるいは回転方向１０
に対して斜めに配置された平面内に存在する（送り方向３´）。

【００３９】 なお、工作物の回転方向１０において考えた場合、送り方向３または３´は常
に、機械加工すべき回転対称面の基準直径または目標直径に対して接線を表すこ
とになる。

【００４０】 機械加工時、工作物１は、切れ刃2aと機械加工すべき表面1aとの接触領域にお
いて、工作物１の表面が切れ刃2aに接するように旋削方向７に回転する。

【００４１】 Y-方向からみた図である図２には、工作物１の回転方向１０に、そして図示の
ように回転方向に直角である切れ刃2aの送り動作３に対して傾斜角αが示されて
いる。

【００４２】 図２に示したねじ状表面構造は、機械加工工程において切れ刃2aの右手側コー
ナーから左手側コーナーにかけて生じる剥離動作および結合動作の結果生じるも
のである。この表面構造は、ねじ状溝が形成するものであり、その個々のターン
は工作物の長手方向において直接隣接関係にあり、その間に突起部６を形成する
。

【００４３】 図示の溝５は、実際の溝と比較してかなり誇張されて画かれている。溝５の深
さをねじれ深さｔと呼び、一方突起部６の２つのターン間または溝５間の、回転
方向１０において測定した間隔をねじれピッチｓと呼ぶ。

【００４４】 また、切れ刃2aは、回転軸線１０を横断し、特に切れ刃2aに対して直交する送
り動作３´方向に沿って工作物１に対して動作させることもできる。この場合に
は、切れ2aの幅をいくらか小さくする必要がある。

【００４５】 ねじれピッチｓは、以下に示すように、送り方向３に送りを与えるブローチ送
りｆ_r（測定単位：ｍｍ/工作物一回転）に依存し、かつ傾斜角αに依存するもの
である。 ｓ＝ｆ_r/tanα

【００４６】 ねじれ深さｔは、以下のように、機械加工すべき表面1aにおける工作物の突起
部６間の谷に対して測定した半径（コア直径）およびブローチ送り速度ｆに依存
するものである。 ｔ＝−ｒ＋√ｒ²＋ｆ² _r/４

【００４７】 図２から明らかなように、ねじれ深さｔ＝０に達すると、あるいは少なくとも
ｔ＜１μｍ、特にｔ＜０．４μｍ、特にｔ＜０．２μｍになると、ねじれピッチ
ｓの大きさは意味を失う。

【００４８】 従って、本発明では、ブローチ送り速度ｆ_rをできる限り低くして、特にねじ
れ深さｔをかなり小さく、表面に生じる粗さ深さR_zよりも特に少なくとも３倍、
好ましくは５倍小さく維持する。なお、粗さ深さR_zは通常１．５μｍ〜６μｍの
範囲内にある。

【図面の簡単な説明】

【図１】 機械加工状態を示す斜視図である。

【図１ａ】 機械加工状態を示す斜視図である。

【図２】 回転方向１０および送り動作方向３を横断する方向にみた、図１の状態を示す
図である。

【図３】 長手方向に旋削する場合の状態を示す図である。

【符号の説明】

１：工作物 1a：回転対称面 ２：工具 2a：切れ刃 ３、３´：送り動作 ４：接線 ５：溝 ６：突起部 ７：回転方向 ８：加工ライン １０：Z-軸、回転軸線 １１：X-軸 １２：Y-軸 ｆ：送り ｆ_r：ブローチ送り α：傾斜角 ｒ：工作物半径 ｓ：ねじれピッチ ｔ：ねじれ深さ ｂ：回転対称面１aの幅 R_z：粗さ深さ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ，ＴＲ)，ＪＰ，Ｕ Ｓ

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 回転している工作物（１）の回転対称面（1a）を切削加工す
   る方法において、工作物（１）の回転軸線（１０）に対して斜めに配置した切れ
   刃（2a）を、回転軸線（１０）を横断する線形送り動作（３、３´）で回転して
   いる工作物（１）に沿って接触しながら導入される際に、機械加工パラメーター
   、特にブローチ送り速度（ｆ_r）および切れ刃の傾斜角（α）を選択し、機械加
   工面（1a）に生じるねじれがねじれピッチ（ｓ）および/またはねじれ深さ（ｔ
   ）、特にねじれ深さ（ｔ）に関して最小になるようにしたことを特徴とする切削
   加工方法。
2. 【請求項２】 回転している工作物（１）の回転対称面（1a）を切削加工す
   る方法において、工作物（１）の回転軸線（１０）に対して斜めに配置した切れ
   刃（2a）を、回転軸線（１０）を横断する線形送り動作（３、３´）で回転して
   いる工作物（１）に沿って接触関係で案内する際に、焼入れされた回転対称面（
   １a）を機械加工する場合機械加工パラメーター、特にブローチ送り速度（ｆ）
   を選択して、材料除去率が最大になるようにしたことを特徴とする切削加工方法
   。
3. 【請求項３】 線形送り動作（３、３´）を回転対称面（1a）の接平面内で
   行なうことを特徴とする請求項１または２の切削加工方法。
4. 【請求項４】 切れ刃（2a）が、それ自体直線形の切れ刃（2a）であること
   を特徴とする請求項１、２または３の切削加工方法。
5. 【請求項５】 回転軸線（１０）に対する切れ刃（2a）の傾斜角度が０°〜
   ９０°の範囲、特に２０°〜５０°の範囲にあることを特徴とする請求項１、２
   、３または４の切削加工方法。
6. 【請求項６】 上記切れ刃の傾斜角（α）に対するブローチ送り速度（ｆ_r
   ）および機械加工すべき回転対称面（1a）をそれぞれ選択して、機械加工によっ
   て工作物の表面に生じる溝（５）が、ねじれピッチ（ｓ）およびねじれ深さ（ｔ
   ）に関連して、ねじ作用をもたないようにするか、あるいはもったとしても無視
   できる程度のねじ作用をもつようにしたことを特徴とする請求項１、２、３、４
   または５の切削加工方法。