JP3899309B2 - 表面の精密加工のための工具 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、加工物内の表面、特に例えば穴等の多少なりとも円筒形の凹部、を精密加工するための工具に関する。
【0002】
【従来の技術】
このような表面の加工は一般に、工具を回転させ、固定された加工物の被加工開口部に入り込ませることによって行われる。しかし、工具が固定されている間に加工物を回転させることも基本的に可能である。重要なのは工具と加工物との間の相対回転・送り運動だけである。以下では、工具が回転し加工物が固定されている通常の事例を前提とする。工具は幾何学的に画定された切刃を有し、これらの切刃は主に刃物板に設けられる。切刃は表面の加工時に加工物から切屑を除去する。きわめて良好な表面品質を達成するために、切削加工後一般に付加的操作、例えばホーニングまたはローラバニシングが利用され、これにより算術平均粗さRa=0.1μmの表面が達成される。付加的作業ステップによって表面の精密加工は時間も費用もかかる。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
そこで本発明の課題は、時間的にも経済的にも好ましく精密加工表面を仕上げることのできる工具を提供することである。
【0004】
【課題を解決するための手段】
この課題を解決するために、請求項1に指摘した特徴を有する工具が提案される。工具が少なくとも2つの刃物板を有し、刃物板はそれぞれ少なくとも1つの画定された切刃、すなわち幾何学的に画定された切刃を有する。この工具は、刃物板が少なくともその切刃の領域内に異なる材料を有することを特徴としている。こうして、刃物板の材料は加工物表面の加工法に特別良好に合わせることができる。1つの切刃に予備加工を割当て、別の切刃に精密加工を割当て、切刃もしくは刃物板用に使用する材料を加工方式に合わせて、付加的加工ステップを省くことができるほどに滑らかな表面を生じることがこうして可能である。
【0005】
予備加工に役立つ刃物板が少なくともその切刃の領域内に超硬合金、サーメットおよび/またはCBN(立方晶窒化ほう素)を有し、精密加工に役立つ切刃もしくは刃物板がPCD(多結晶ダイヤモンド)を有することを特徴とする工具の実施例が好ましい。刃物板用のまさにこの材料組合せが特別良好な表面粗さ値をもたらす。
【0006】
精密加工に役立つ刃物板の切削円半径が予備加工に役立つ刃物板の切削円半径から数マイクロメートル(μm)だけ相違するにすぎないことを特徴とする工具の実施例が特別好ましい。精密加工用刃物板が予備加工の刃物板上に僅かに突出しているだけであることによって、仕上加工もしくは精密加工に役立つ刃物板の有効(active)切刃の切込み量がごく少なくなり、それとともにその加熱が極力少なくなる。
【0007】
さらに、冷却剤および/または潤滑剤供給部を備えた工具の実施例が好ましい。供給部は、特にPCDを有する刃物板もしくは切刃が特別効果的に冷却されるように設計することができる。それとともに、鋳物材料または鋼材料の加工時にPCDを利用する場合でも長い寿命を達成できるようにPCD切刃の領域内で最高500℃の温度を調整することが可能であり、高い表面品質を保証することができる。
【0008】
以下、図面を基に本発明が詳しく説明される。
【0009】
【発明の実施の形態】
図1に示す工具1は2刃カッタとして設計されており、つまり工具1の本体3に固着された2つの刃物板5、7を有する。刃物板は本体3に設けられた好適な溝9、11に嵌挿されている。刃物板5、7は通常の仕方で、一般に締付爪によって、本体3に固着される。刃物板をねじで工具1に直接締付けることも考えられる。
【0010】
本体3にさらに少なくとも1つの案内片が嵌挿されている。ここに設けられた第1案内片13は、矢印15で示唆した工具1の回転方向に見て、約40°だけ第1刃物板5よりも後方に位置する。すなわち、案内片13の中心を半径方向に延びて工具1の中心軸もしくは回転軸17と交差する線15は第1刃物板5の切刃19を通る直径線21とで約40°の角度を成す。
【0011】
第1刃物板5の向かい側に第2案内片23が設けられている。最後に第3案内片25が、第1刃物板5よりも、工具1の回転方向15に見て、約90°だけ前方に位置するように工具1の本体3に嵌挿されている。
【0012】
第2刃物板7は、第2案内片23よりも、工具1の回転方向15に見て、約40°だけ前方に位置するように工具1の本体3に嵌挿されている。すなわち、第2刃物板7の切刃27を通って回転軸17と交差する線29は直径線21とで約40°の角度を成す。
【0013】
回転方向に見て各刃物板5、7の前で本体3に凹部が設けられている。これは切刃19、27に付設される通常の切屑空間31、33であり、切刃19、27によって除去された加工物の切屑を受容することができる。
【0014】
加工物の加工時、上で述べたように加工物の表面、特に穴表面を加工するための工具1が回転させられ、工具は矢印15で示唆したように反時計回りに回転する。次に工具1が被加工穴に導入され(送り運動)、工具1が案内片13、23、25の外周面で支えられる間に刃物板5、7は穴表面から切屑を除去する。刃物板5、7の切刃19、27はそれぞれ想定円、いわゆる切削円上にある。第1刃物板5の切削円半径は第2刃物板7の切削円半径よりも大きい。刃物板5の切刃19(仕上げ切刃)だけが案内片13、23、25の外面の切削円から突出し、つまり案内片は切刃19に対して半径方向で後退している。
【0015】
第2刃物板7が加工物表面の粗加工、すなわち予備加工に役立ち、第1刃物板5の切刃19が仕上加工、すなわち仕上加工とも称される精密加工/細密加工に役立つことはこうして確保される。
【0016】
第1刃物板5がいわゆる微細切削に役立ち、つまり厚さ100分の数mmの切屑を除去するように、刃物板5、7は半径方向で互いにずらされている。
【0017】
図2が示す他の実施例の工具1’はこの場合6刃カッタとして設計され、つまり6つの刃物板を有し、これにより、一層高い送り速度が実現可能である。第2刃物板7はこの場合第1刃物板5と一緒に、互いに直交する両方の直径線21、21’によって形成される第1象限内に配置されている。第4象限内で第2刃物板7の下方に第3刃物板35があり、この刃物板は第1刃物板5と同様に加工物表面の細密加工に役立つ。第3刃物板35の反対側にある第4刃物板37は予備加工に役立つ。第2刃物板7の反対側で第5刃物板39が工具1’の本体3に嵌挿され、予備加工に役立つ。最後に第1刃物板5の向かい側に第6刃物板41が設けられており、これは加工物表面の予備加工に役立つ。
【0018】
つまりここに示した工具1’は細密加工に役立つ2つの刃物板(第1刃物板5、第3刃物板35)を有し、残りの刃物板(第2刃物板7、第4刃物板37、第5刃物板39、第6刃物板41)は加工物表面の予備加工に役立つことがわかる。
【0019】
第4刃物板37が、工具1’の回転方向に見て、第1刃物板5よりも約60°だけ前方に位置し、第5刃物板39が約120°だけ前方に位置する一方、第6刃物板41は第1刃物板5よりも約180°だけ前方に位置する。第1刃物板5よりも、工具1’の回転方向に見て、約60°だけ後方に位置する第2刃物板7は約60°だけ第3刃物板35よりも前方に位置する。
【0020】
つまり工具1’は全部で仕上加工用と予備加工用の各1つの刃物板からなる2対と、予備加工用の2つの刃物板からなる1対とを有する。
【0021】
つまり刃物板はそれぞれ対で互いに向かい側にあることがわかる。
【0022】
工具1’は第1刃物板5よりも約20°だけ後方に位置する第1案内片13を有する。その他の刃物板にそれぞれ付設された案内片43、45、47、49、51は各刃物板よりも約20°だけ後方に位置する。
【0023】
加工物表面の加工時、工具1’は一方で刃物板でもって、他方で案内片でもって加工物表面に当接する。刃物板の切刃は想定円周、切削円の上にある。このことは案内片の表面にも当てはまる。ここでも、予備加工に役立つ刃物板、つまり第2刃物板7、第4刃物板37、第5刃物板39、第6刃物板41は、細密加工に役立つ刃物板、つまり第1刃物板5と第3刃物板35が設けられている切削円の半径よりも小さい半径の切削円を有する。案内片43〜41の切削円は予備加工に役立つ刃物板の切削円よりも大きい。
【0024】
細密加工に役立つ刃物板が予備加工に役立つ刃物板から半径方向で張り出す張り出し量はこの場合やはりごく小さく選定されており、細密加工に役立つ刃物板は厚さが100分の数mmのごく薄い切屑を除去し、ここでも微細切削が与えられている。
【0025】
図3が示す概略図では例示的に第1刃物板5と第2刃物板7と案内片13が1平面に投影されている。この図から一方で刃物板相互の、および案内片に対する前記半径方向ずれを認めることができ、さらには、ここに指摘した要素が送り方向、つまり工具1もしくは1’の回転軸17の方向でも互いにずれている事実を認めることができる。
【0026】
図3から認めることができるように、予備加工に役立つ第2刃物板7は送り方向に見て、つまり矢印53の方向で、第1刃物板5および案内片13よりも前方に位置する。図3は案内片13が矢印53の方向に見て両方の刃物板5、7よりも後方に位置しており、つまり工具1もしくは1’の導入時に最後に被加工物表面に食い込むことも示す。
【0027】
図3からは、予備加工に役立つ刃物板7が半径方向に見て細密加工に役立つ第1刃物板5に対して後退していることも認めることができる。第1刃物板に対しては案内片13も多少後退しているが、しかし第2刃物板7よりは少なく後退しており、こうしていわば、少なくとも残りの案内片でもって、工具1もしくは1’の外周を形成する。図1に示す工具1では、例えば、第2切刃7が付属の第2案内片23に対して約12μm〜15μmだけ半径方向で後退している。第1刃物板5は付属の第1案内片13に対して9μm〜12μmだけ半径方向で突出している。こうして特に第1刃物板5の領域において前記微細切削が保証される。
【0028】
図1に示す工具1について、第1切刃19が付属の案内片13に対して、工具の送り方向で、0.20mm〜0.25mmだけ前方に位置するようにすることができる。第2切刃について好ましくはこれは付属の案内片よりも送り方向、つまり矢印53の方向で約0.50mmだけ前方に位置する。
【0029】
図1、図2の工具では、細密加工に役立つ刃物板、つまり第1刃物板5と第3刃物板35、少なくともその切刃が、予備加工に役立つ残りの刃物板もしくはその切刃とは別の材料から成る。図1、図2の第2刃物板7、さらには図2に示す刃物板37、39、41、つまり第4、第5、第6刃物板が予備加工に役立つ。超硬合金、サーメット、つまり主に炭化チタンまたは窒化チタンまたは両方から成る超硬合金が予備加工に使用される。ここではCBNも考えられる。細密加工にはPCDが使用される。
【0030】
細密加工と予備加工に役立つ刃物板もしくは切刃用に異なる材料を選択することによって、その都度の加工法と加工物素材とに材料を最適に合わせることが可能である。それゆえに、付加的加工ステップを必要とすることなく優れた表面品質も達成することができる。
【0031】
ここで選択された材料選択は特に、鋳物材料、特にねずみ鋳鉄および/または鋼製の加工物の加工時に実証された。
【0032】
ここで図1、図2を基に説明した工具はここには図示しない冷却剤および/または潤滑剤供給部を特徴としている。これは、加工された穴の内部で工具の摩擦を減らすのに役立ち、しかし刃物板の有効切刃、つまり加工物表面に食い込む切刃を冷却するのにも役立つ。冷却剤および/または潤滑剤供給部は、特に有効PCD切刃が集中的に冷却されてその温度が極力600℃以下となるように設計される。というのも、約600℃より上ではPCD切刃で炭素の溶解もしくは組織変態が起きるからである。いわゆる「黒鉛化」ではダイヤモンドの構造が黒鉛構造に変態され、これは刃先の安定性に関して強い否定的作用を持つ。400℃〜600℃、特に約450℃〜550℃の温度を生じるほどに効果的な冷却が実証された。PCDから成る有効切刃(単・複)が最高500℃の使用温度を達成するような冷却設計が特に好ましい。冷却剤および/または潤滑剤供給部のこの設計に基づいて、アルミニウムや非鉄重金属の切削に通常使用されるPCD切刃もしくはPCD刃物板を鋳物および/または鋼の切削に利用することが可能となる。
【0033】
つまり決定的なのは、加工物の加工時、加工物が鋳物および/または鋼から成る場合でも、PCDから成る有効切刃の領域の温度が主に最高500℃に限定されることである。これは一方で相応に適合された工具送り・回転速度によって、他方で相応する冷却によって達成できる。このため冷却剤噴流も、細密加工に役立つ切刃に、および/またはPCD切刃の前の領域に、直接向けることができる。PCD切刃領域の過熱は、この切刃が100分の数mmとごく僅かな切込み量で切削し、つまり微細切削用にのみ使用されることによっても防止される。このことからも、温度が過度に上昇することはなくなる。
【0034】
結局、この工具の利用時PCDは切刃素材もしくは刃物板素材として最適であり、Ra=0.10μmの表面品質が達成可能であることがわかる。しかも、ここで確保される低い切刃温度によって比較的長い工具寿命が達成できる。これは、PCD切刃の摩耗が特別少ないことから得られる。
【0035】
2切刃工具と6切刃工具が図に基づいて説明された。しかし例えば4つの切刃を有する工具を実現することも可能であり、そのうち3つの切刃は予備加工に役立ち、1つの切刃は細密加工に役立つ。重要な観点として、ここで言及する種類の工具では切刃数にかかわりなく予備加工、つまり粗切削が超硬合金等で実施される一方、精密加工もしくは細密加工は少なくとも1つのPCD切刃で実施される。PCDが炭素に移行するほどに強くPCD切刃(単・複)が加熱されることのないことは微細切削と特殊冷却とによって確保される。
【0036】
ここでなお指摘しておくなら、ここに述べた刃物板はすべてスローアウェイチップとして構成でき、つまり複数の切刃を有する。したがって、1つの切刃の摩耗後にスローアウェイチップを回し、他の切刃が被加工物表面に食い込み得るようにすることが可能である。
【0037】
以下、図1に示す実施例の工具1をそれぞれ斜視図で示す図4、図5A、図5Bを基に前記冷却剤および/または潤滑剤供給部が詳しく説明される。先行の図を基にすでに説明された部材には同じ符号が付けてあり、それらに関しては図1〜図3についての説明を参照されたい。
【0038】
図4に認めることのできる第1刃物板5はそれ自体公知の締付爪55によって本体3で保持されている。この実施例の場合第1刃物板5はPCDから成る切刃19を備えた切刃本体57を含む。締付爪55は切刃本体57と協働する。
【0039】
図4にさらに認めることのできる第1冷却剤および/または潤滑剤流出口59は加圧下の冷却剤および/または潤滑剤を吐き出すことができる。第1流出口59から流出する(図示しない)冷却剤/潤滑剤噴流が第1刃物板5のPCD切刃19に直接衝突するように第1流出口59は本体3に設けられかつ相応に構成されている。これにより有効PCD切刃19の集中的冷却を保証することができる。第1流出口59から流出する冷却剤/潤滑剤噴流はこの実施例の場合送り方向またはその逆方向に延びる方向成分を事実上持たない。第1流出口59の前記構成と配置とに基づいて特に主切刃と副切刃はすくい面と刃先が冷却され、切刃19の逃げ面はあまり冷却されない。そこでも効果的冷却を達成するために、、図5Aに認めることができるように、他の第2冷却剤および/または潤滑剤流出口61を、工具1の回転方向に見て、切刃19の直後で工具1に設けることができる。つまり第2冷却剤/潤滑剤流出口61は第1刃物板5と後続の案内片13との間に配置されている。第2流出口61は、そこから流出する冷却剤/潤滑剤噴流が方向付けられて第1刃物板5の切刃19の逃げ面63に流れ寄るように構成されかつ配置されている。案内片13、逃げ面63、穴表面、工具1の表面部分は、工具1が穴のなかにあるとき、通路を形成し、この通路は流出口61を通して冷却剤/潤滑剤を流すことができる。それゆえに、利用された冷却剤/潤滑剤は工具1の軸方向でのみ逃げることができ、このことがやはり切刃19の逃げ面63の最適な周囲流、したがって冷却をもたらす。回転方向15に見て冷却剤/潤滑剤はいわば案内片13によって切刃19の方向にずらされる。
【0040】
なお確認すべき点として、工具1を正面図で示す図5Bにおいて第1刃物板5もしくは切刃19は2つの側から冷却剤/潤滑剤を当てられ、第1流出口59から流出する冷却剤/潤滑剤噴流(矢印65)は実質的に工具1の回転方向15とは逆向きであり、第2流出口61から噴出される冷却剤/潤滑剤(矢印67)は実質的に回転方向15を向いている。
【0041】
PCD切刃19が好ましくは500℃を超えて加熱されることのないように刃物板5の切刃19の十分な冷却もしくは潤滑を保証できるようにするために、第1流出口59または第2流出口61は十分なものとすることができる。勿論、冷却剤および/または潤滑剤用に3つ以上の流出口を第1刃物板5もしくは切刃19に付設しておくことも問題なく可能である。図示しない他の変更実施形態によれば、第2刃物板7にも少なくとも1つの冷却剤および/または潤滑剤流出口が付設されている。ちなみに、特に細密加工に役立つ刃物板5、35に、しかし残りの刃物板にも、もしくは前記刃物板の切刃に、少なくとも1つ、好ましくは2つの冷却剤および/または潤滑剤噴流を当てることが可能である。
【0042】
図5Aに示唆したように、第2刃物板7も切刃本体57’を有し、締付爪55’によって工具1の本体3内で保持されている。第2刃物板7の切刃27はこの場合切刃本体57’と一体に構成されている。すなわち、切刃27は好ましくは超硬合金、サーメットおよび/またはCBNから成る切刃本体57’から仕上げられ、例えば研磨して仕上げられる。切刃27を切刃本体57’とは別の素材で構成し、好適な仕方で切刃本体に固着することも勿論可能である。
【図面の簡単な説明】
【図1】工具の第1実施例の概略図を示す平面図。
【図2】第2実施例の概略図を示す平面図。
【図3】2つの刃物板と1つの案内片がほぼ1平面に投影された工具の概略図。
【図4】図1に示す工具1の斜視図。
【図5】図1に示す工具の他の斜視図。
【符号の説明】
1 精密加工用工具
5,7 刃物板
19,27 切刃
Claims (30)
- 加工物の表面を精密加工するための工具であって、少なくとも1つの画定された切刃を有する少なくとも2つの刃物板を備えたものにおいて、少なくとも、前記少なくとも1つの切刃の領域内に、刃物板(5、7;35、37、39、41)が異なる材料を有しており、
1つの刃物板(5)はそれが工具の周面から他の刃物板よりも一層張り出すように配置可能であり、および/または刃物板は、工具の長手方向に見て、互いにずらして配置可能であり、
前記工具には、さらに冷却剤および/または潤滑剤供給部が設けられており、該供給部は、第1冷却剤および/または潤滑剤流出口、および、第2冷却剤および/または潤滑剤流出口を具備しており、
該第1冷却剤および/または潤滑剤流出口は、そこから流出する冷却剤/潤滑剤噴流が刃物板(5)の切刃に直接衝突する位置に設けられており、該第2冷却剤および/または潤滑剤流出口は、工具の送り方向に見て、刃物板(5)の切刃の直後に配置され、かつ、そこから流出する冷却剤/潤滑剤噴流が方向付けられて刃物板(5)の切刃の逃げ面に流れ寄るように構成配置されていることを特徴とする工具。 - 工具(1;1’)の周面から第2刃物板(7)よりも一層張り出す第1刃物板(5)が、少なくとも、前記少なくとも1つの切刃の領域内に、PCDを有し、仕上加工に役立つことを特徴とする、請求項1記載の工具。
- 工具(1、1’)の周面から第1刃物板(5)よりも張り出すことの少ない第2刃物板(7)が、少なくとも、前記少なくとも1つの切刃の領域内に、超硬合金、サーメットおよび/またはCBNを有し、予備加工に役立つことを特徴とする、請求項1または2に記載の工具。
- 第1刃物板(5)が、工具の送り方向に見て、第2刃物板(7)よりも後方に位置することを特徴とする、請求項1から3のいずれか記載の工具。
- 少なくとも1つの案内片(13、23、25)が設けられていることを特徴とする、請求項1から4のいずれか記載の工具。
- 前記少なくとも1つの案内片が、工具の送り方向に見て、第1および/または第2刃物板よりも後方に位置することを特徴とする、請求項1から5のいずれか記載の工具。
- 工具(1)が2刃カッタとして構成されており、第1案内片(13)が、工具の回転方向に見て、約40°だけ第1刃物板(5)よりも後方に位置することを特徴とする、請求項1から6のいずれか記載の工具。
- 第2案内片(23)が第1刃物板(5)の向かい側にあることを特徴とする、請求項1から7のいずれか記載の工具。
- 第3案内片(25)が、工具の送り方向に見て、約90°だけ第1刃物板(5)よりも前方に位置することを特徴とする、請求項1から8のいずれか記載の工具。
- 第2刃物板(7)が、工具の回転方向に見て、約220°だけ第1刃物板(5)よりも前方に位置することを特徴とする、請求項1から9のいずれか記載の工具。
- 工具(1’)が6刃カッタとして構成されていることを特徴とする、請求項1から6の いずれか記載の工具。
- 工具(1’)が予備加工に役立つ4つの刃物板と仕上加工に役立つ2つの刃物板とを有することを特徴とする、請求項11記載の工具。
-
仕上加工に役立つ第1刃物板(5)が、工具の回転方向に見て、約60°だけ、予備加工に役立つ第2刃物板(7)よりも前方に位置することを特徴とする、請求項11または12記載の工具。 - 仕上加工に役立つ第3刃物板(35)がさらに設けられていることを特徴とする、請求項10から13のいずれか記載の工具。
- 予備加工に役立つ少なくとも1つ、好ましくは3つの刃物が、工具の回転方向に見て、第1刃物板(5)よりも前方に位置することを特徴とする、請求項10から14のいずれか記載の工具。
- 予備加工に役立つ第4刃物板(37)が、工具(1)の回転方向に見て、約60°だけ第1刃物板(5)よりも前方に位置することを特徴とする、請求項10から15のいずれか記載の工具。
- 予備加工に役立つ第5刃物板(39)が、工具の回転方向に見て、約120°だけ第1刃物板(5)よりも前方に位置することを特徴とする、請求項10から16のいずれか記載の工具。
- 予備加工に役立つ第6刃物板(41)が第1刃物板(5)の向かい側にあることを特徴とする、請求項10から17のいずれか記載の工具。
- 刃物板が対で向かい合わせに配置可能であることを特徴とする、請求項1から18のいずれか記載の工具。
- 案内片が刃物板の少なくとも1つに付設されていることを特徴とする、請求項1から19のいずれか記載の工具。
- 案内片が、工具の回転方向に見て、約20°だけ付属の刃物板よりも後方に位置することを特徴とする、請求項10から20のいずれか記載の工具。
- 各刃物板に案内片が付設されていることを特徴とする、請求項10から21のいずれか記載の工具。
- 案内片が対で向かい合わせに配置されていることを特徴とする、請求項10から22のいずれか記載の工具。
- 第1刃物板(5)が、工具の送り方向に見て、約0.20mmから0.25mmだけ付属の案内片(13)よりも前方に位置することを特徴とする、請求項1から23のいずれか記載の工具。
- 第2切刃(27)が、工具の送り方向に見て、約0.50mmだけ付属の案内片よりも前方に位置することを特徴とする、請求項1から24のいずれか記載の工具。
- 第2刃物板(7)が付属の案内片の表面下に半径方向で12μmから15μmだけ突出 していることを特徴とする、請求項1から25のいずれか記載の工具。
- 第1刃物板(5)が付属の案内片(13)の外面上に9μmから12μmだけ突出していることを特徴とする、請求項1から26のいずれか記載の工具。
- 少なくとも細密加工に役立つ刃物板の冷却は、この刃物板、特にその有効(active)切刃が、加工物表面の加工時に600℃以下、好ましくは400℃から600℃、特に約450℃から550℃の範囲内の温度となるように設計可能であることを特徴とする、請求項1から27のいずれか記載の工具。
- 冷却は、刃物板もしくは少なくともその有効切刃の温度がほぼ最高500℃の範囲内となるように設計可能であることを特徴とする、1から27のいずれか記載の工具。
- 請求項1から29のいずれか記載の工具の、鋳物材料製、特にねずみ鋳鉄および/または鋼製加工物を加工することへの使用。
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