JP4931964B2 - 高硬度材の加工装置及び加工方法 - Google Patents

Description

本発明は、多結晶ダイヤモンド焼結体（以下ＰＣＤという）、立方晶窒化ほう素焼結体（以下ＣＢＮという）、超硬合金等の高硬度材でなる工具を作製する加工装置及び加工方法、並びに超硬合金、セラミックス等の高硬度材、高硬度高脆性材でなるワークの加工方法に関する。

切削、研削加工用の工具の材料として、ＰＣＤ、ＣＢＮ、超硬合金等の高硬度材が知られている。高硬度材でなる工具は、その硬さゆえ作製するのが難しい。例えば、特許文献１にはＰＣＤ工具を作製可能なＮＣ研削盤が開示されている。加工されるべき工具素材をワーク主軸に取り付け、研削工具の円板電極との間に加工電圧を印加して放電加工により工具素材を荒加工した後、加工電圧の印加を停止した状態で研削による仕上げ加工を行い、工具を作製するものである。

また、超硬合金製の金型、セラミックス製の部品等高硬度材、高硬度高脆性材でなるワークを加工する要求が増えている。高硬度材ワークを加工すると工具の摩耗が早く、加工時間と加工コストの増加を招く。
この高硬度材ワークを加工する工作機械として、例えば、特許文献２にはワークに対してレーザ加工又は機械加工を選択的に施す複合加工機が開示されている。レーザ加工でワークの荒加工を行い、切削又は研削による機械加工でそのワークの仕上げ加工を行うといった使い方ができるものである。

特開２００３−３１１５３５号公報 特開２００７−８３２８５号公報

特許文献１に記載の技術のように、工具素材を放電加工した後に研削加工する構成では陽極と陰極とを絶縁したり、放電加工液と研削液とを分別回収する複雑な構造が必要となる問題点がある。また、特許文献２は、高硬度材でなる工具をレーザ加工と機械加工によって作製することを意図していない。

そこで本発明の目的は、ＰＣＤ、ＣＢＮ、超硬合金等の高硬度材でなる工具を簡単に作製できる加工装置及び加工方法を提供することである。また、高硬度材ワークを加工するとき、加工能率と工具寿命を両立できる加工方法を提供することである。

前述の目的を達成するため、レーザ加工、及び切削又は研削の機械加工で高硬度材でなる工具を作製する複合加工装置であって、レーザビーム照射手段を有するレーザ加工ヘッドと回転主軸を有する機械加工ヘッドを備えたヘッドユニットと、被加工物を取り付けるテーブルと、Ｘ、Ｙ、Ｚの直動３軸方向と、Ｘ軸周りのＡ軸又はＹ軸周りのＢ軸、及びＺ軸周りのＣ軸の回転２軸方向に前記ヘッドユニットと前記テーブルとを相対移動させる送り軸装置と、前記テーブルに設けられ、前記機械加工ヘッドの回転主軸に取り付けた工具を整形仕上げし、刃付け加工を行う砥石車を回転駆動する研削装置と、を具備する複合加工装置が提供される。

また、前記複合加工装置を用いて、高硬度材でなる工具を作製する工具作製方法であって、前記複合加工装置のテーブルに工具素材を取り付け、前記レーザビーム照射手段から照射されるレーザビームにより前記工具素材の先端刃部を荒加工し、該工具素材を前記機械加工ヘッドの回転主軸に取り付け、前記工具素材と前記研削装置の砥石車とを接触させながら前記送り装置により相対移動を行わせ、前記工具素材の先端刃部を整形仕上げして刃付け加工を施す工具作製方法が提供される。

また、前記複合加工装置を用いて、高硬度材でなる工具を作製する工具作製方法であって、前記機械加工ヘッドの回転主軸に工具素材を取り付け、前記レーザ加工ヘッドと前記機械加工ヘッドとを相対移動させて前記レーザビーム照射手段から照射されるレーザビームにより前記工具素材の先端刃部を荒加工し、その後、前記工具素材と前記研削装置の砥石車とを接触させながら前記送り装置により相対移動を行わせ、前記工具素材の先端刃部を整形仕上げして刃付け加工を施す工具作製方法が提供される。

本発明によれば、レーザ加工ヘッドから照射されるレーザビームによって高硬度材でなる工具素材の先端刃部が荒加工される。その後、荒加工された工具素材は機械加工ヘッドの回転主軸に装着されて回転されるとともに、テーブルに設けられた研削装置の回転駆動される砥石車に接触されながら５軸方向の相対移動が可能な送り軸装置によって先端刃部の輪郭が所望の形状に整形仕上げされ、更にすくい面、逃げ面を加工することによる刃付け加工も行われる。

上記の工具作製方法で作製する高硬度材でなる工具は、先端刃部が半球形に整形され、その球面に一つ又は複数のすくい面が形成されるボールエンドミルである。また、上記の工具作製方法で作製する高硬度材でなる工具は、先端刃部の横断面が多角形状に形成され、該多角形状の各頂点が構成する稜線が縦断面で円弧形の切刃をなすボールエンドミルである。

また、前記複合加工装置を用いて高硬度材ワークを加工するワークの加工方法であって、上記の工具作製方法で作製した工具を前記機械加工ヘッドの回転主軸に装着し、前記テーブルに取り付けたワークに前記レーザビーム照射手段から照射されるレーザビームにより荒加工を施し、前記機械加工ヘッドの回転主軸に装着した高硬度材でなる工具により前記ワークに仕上げ加工を施すワークの加工方法が提供される。

上記の複合加工機を用い、上記の工具作製方法で作製した工具を上記の複合加工機の機械加工ヘッドに装着し、テーブルに取り付けた高硬度材ワークをまずレーザ加工ヘッドから照射されるレーザビームにより荒加工し、その後機械加工ヘッドの工具を用いて機械加工による仕上げ加工を行う。高硬度材ワークは機械加工よりレーザ加工の方が能率よく加工でき、その後切込みの少ない仕上げ加工だけに工具を用いた切削又は研削による機械加工を施す。必要に応じて、レーザ加工ヘッドから照射されるレーザビームによってワークに更にシボ加工を施すこともできる。

本発明によれば、複合加工装置のレーザ加工ヘッドから照射されるレーザビームにより高硬度材でなる工具素材でも比較的容易に荒加工できる。その後、同一の複合加工装置の機械加工ヘッドに取り付けた荒加工された工具素材を５軸の送り装置と研削装置との協働作用によって整形仕上げ加工及び刃付け加工する。放電加工特有の絶縁や加工液分別のための構造は必要でなく、レーザ加工、機械加工の切換えが簡単に行え、操作性良く高硬度材でなる工具を作製できる利点がある。

更に続けて、複合加工装置のテーブルに高硬度材ワークを取り付け、レーザ加工ヘッドにより荒加工を施し、前工程で作製した工具を装着した機械加工ヘッドにより仕上げ加工を施す。このように、一台の加工装置で工具の作製からワークの加工までの一連の作業工程をこなすことができる。超硬合金製の高硬度材ワークやセラミックス製の高硬度高脆性材ワークは、レーザ加工ヘッドによって比較的容易に加工できる。その後、機械加工ヘッドに取り付けた工具によって仕上げ加工を施しワークの加工を完了させる。高硬度材ワークをレーザ加工によって加工能率を上げ、切込みの少ない仕上げ加工のみを機械加工により行って工具の摩耗を極力抑えるので、加工能率と工具寿命の両立を達成することができる。

本発明の第１の実施形態による複合加工装置の構成を示す概略図である。 図１に示す複合加工装置により高硬度材でなる工具を作製する方法を示す概略図であり、（ａ）は荒加工工程を、（ｂ）は仕上げ加工工程をそれぞれ示す。 作製した１枚刃のボールエンドミルの先端刃部を示す概略図である。 作製した多刃のボールエンドミルの先端刃部を示す概略図であり、（ａ）は正面図、（ｂ）は底面図である。 作製した多角形状のボールエンドミルの先端刃部を示す概略図であり、（ａ）は正面図、（ｂ）は底面図である。 本発明の第２の実施形態による複合加工装置の構成を示す概略図である。

以下、図面を参照して、本発明の高硬度材の加工装置及び加工方法の実施形態を説明する。

最初に、図１を参照して、本発明の第１の実施形態による複合加工装置の全体構成を説明する。加工装置の基台（図示せず）に対して鉛直な上下方向（Ｚ軸方向）に移動可能に設けられた主軸台１には、レーザ加工ヘッド３と機械加工ヘッド５が固定されている。レーザ加工ヘッド３は、レーザビーム照射手段７を有しており、下方に向けてレーザビームＬを照射する。レーザビーム照射手段７は、レーザビームを発振するファイバレーザと、発振したレーザビームを集光レンズに導きワークに対して照射する集光機構とから成る。ファイバレーザと集光機構については、ここでは説明を省略する。尚、レーザは、ダイヤモンドに対する光の吸収率が高い１〜２μｍの波長のものを用いるのが加工能率上好ましい。

機械加工ヘッド５には主軸９が回転支持され、主軸９の軸線はＺ軸方向を向いている。主軸９は駆動手段（図示せず）により回転駆動される。主軸９の先端には、切削工具又は研削工具が装着される。レーザ加工ヘッド３から照射されるレーザビームＬの光軸と機械加工ヘッド５の主軸９の軸線とは平行になるようにレーザ加工ヘッド３と機械加工ヘッド５は主軸台１に固定されている。

加工装置の基台（図示せず）に対して水平な直交２軸方向（Ｘ軸方向及びＹ軸方向）に移動可能に設けられたテーブル台１１は、更に、点Ｏを中心としてＹ軸周りのＢ軸方向に回転可能に設けられている。テーブル台１１には、テーブル１３がテーブル台１１に対してＺ軸周りのＣ軸方向に回転可能に設けられている。テーブル台１１及びテーブル１３は、２つの回転送り軸を有する例えばトラニオン形のテーブル装置で構成される。本実施形態は主軸台１がＺ軸方向に、テーブル１３がＸ、Ｙ、Ｂ、Ｃ軸方向に移動する構成であるが、要は主軸台１とテーブル１３とがＸ、Ｙ、Ｚ、Ｂ、Ｃ軸方向に相対移動すればよく、テーブルは固定されていて、主軸台１がＸ、Ｙ、Ｚ軸方向に移動し、機械加工ヘッド５が主軸台１に対してＢ軸方向に回転し、主軸９がＣ軸方向に位置決め可能になっていてもよい。Ｂ軸に代えて、Ｘ軸周りの回転をするＡ軸を有していてもよい。その他、直動３軸と回転２軸の送り軸装置の構成は、いろいろな形態が考えられる。

テーブル１３上には、加工すべきワークが取り付けられる。また、テーブル１３上には、着脱可能に又はワークの加工の支障にならない箇所に研削装置１５が設けられる。この研削装置１５は、テーブル１３上に取り付けられた回転駆動部１７と、回転駆動部１７の回転軸に取り付けられた砥石車１９とで成る。砥石車１９は、高硬度材のワークを加工する場合は、緑色炭化ケイ素質系砥石（以下ＧＣ砥石という）やダイヤモンド、ＣＢＮ砥粒をホイールにメタルボンドや電着により保持固着したものを採用するのが好ましい。

次に、図１の複合加工装置を用いて、高硬度材でなる工具を作製する方法について、図２を参照して説明する。図２（ａ）に示すように、テーブル１３上には上向きにホルダ取付具３１が固定される。ホルダ取付具３１にはテーパ穴とクランプ手段が設けられており、工具ホルダ３３のテーパシャンクを把持、解放可能である。工具ホルダ３３の先端部には工具素材３５のシャンク部を把持するチャックが設けられている。このようにしてテーブル１３上に上向きに取り付けられた工具素材３５に対してレーザ加工ヘッド３からレーザビームＬを照射して、工具素材３５の先端刃部を荒加工する。そのとき必要に応じてＸ、Ｙ、Ｚ、Ｂ、Ｃ軸を移動させ、工具素材３５の先端刃部を仕上げ代を残した形状に成形する。

荒加工した工具素材３５を工具ホルダ３３とともにホルダ取付具３１から取り外し、機械加工ヘッド５の主軸９に取り付ける。テーブル１３上のホルダ取付具３１を取り外し、図１に示すように、研削装置１５をテーブル１３上に取り付ける。ボールエンドミルを作製する場合は、図２（ｂ）に示すように、主軸９を回転させ、回転する砥石車１９を工具素材３５の先端刃部に当接させた状態でＢ軸を水平から垂直の９０°の範囲にわたって移動させ、まず先端刃部を半球状に整形仕上げする。次いで、主軸９の回転を止め、Ｂ軸及びＣ軸を所望の角度位置に位置決めして、回転する砥石車１９を工具素材３５の先端刃部に当接してすくい面を加工し、刃付けを行う。先端刃部が半球状の研削工具を作製する場合は、すくい面を加工することによる刃付け加工を省略すればよい。この場合、工具素材３５の材料成分であるダイヤモンド、ＣＢＮ、超硬合金等の微小な粒子が砥粒として機能する。

テーブル１３上にパレット装着手段を設け、ホルダ取付具３１を有したパレット、研削装置１５を有したパレット、ワークを取り付けたパレット等の複数のパレットをパレットマガジンに用意しておき、パレット交換手段によってテーブル１３との間で自動的にパレット交換することによりテーブル１３上にホルダ取付具３１、研削装置１５、ワーク等を選択的に取り付けることもできる。また、テーブル１３上にホルダ取付具３１や研削装置１５を常時取り付けておいてもよい。更に、工具素材３５をテーブル１３上に取り付けるとき、ホルダ取付具３１や工具ホルダ３３を用いず、工具素材３５を直接取り付ける取付具を用いてテーブル１３上に取り付けてもよい。

次に、本実施形態の複合加工装置及び工具作製方法でボールエンドミルを作製する場合、どんな先端刃部にするかを図３、図４、図５を用いて説明する。図３は半球状の先端刃部に軸線に対して傾いた１つの平面を加工し、すくい面３７としている。半球とすくい面３７との稜線が切刃３９であり、１枚刃のボールエンドミルとなる。このすくい面３７の加工は、主軸９の回転を停止し、Ｂ軸とＣ軸を所望の角度位置に位置決めした状態で砥石車１９を回転駆動し、半球の法線方向から砥石車１９を工具素材３５に当接させ所定量切り込めばよい。

図４は、半球状の先端刃部に複数の平面状のすくい面４１を形成している。同じく半球とすくい面４１との稜線が切刃４３である。１枚刃のボールエンドミルのすくい面の加工と同様な方法で各すくい面４１の加工を繰り返し行えばよい。このとき、各すくい面４１の軸線方向の位置を互いにずらすようにするのが好ましい。このように多刃のボールエンドミルを作製することもできる。図５は、軸線と垂直な横断面が六角形になるように、かつ、六角形の各頂点が構成する稜線が軸線と平行な縦断面で円弧形状の６枚の切刃４５をなすように作製したボールエンドミルである。この場合の加工は、主軸９の回転を停止し、Ｃ軸を６０度ごとに割り出し、各割出し位置で砥石車１９を回転駆動させながら、工具素材３５との間でＸ、Ｚ、Ｂ軸の同時３軸制御の相対移動を行えばよい。切刃４５は幅をもたせるのが好ましい。六角形に代えて、他の多角形状にすることもできる。尚、スクエアボールエンドミルやラジアスエンドミルになるように整形仕上げ加工及び刃付け加工を行うこともできる。また、整形仕上げ加工及び刃付け加工の際は砥石車１９が摩耗するので、加工寸法を測定しつつ加工を進め、必要があれば新しい砥石車１９に交換して加工精度を高める必要がある。

図６を参照して、本発明の第２の実施形態による複合加工装置の全体構成と、この複合加工装置を用いた工具の作製方法を説明する。加工装置の基台（図示せず）に対して鉛直な上下方向（Ｚ軸方向）に移動可能に設けられている主軸台５１に、第１スライダ５３と第２スライダ５５が設けられている。第１スライダ５３は主軸台５１に対してＸ軸と平行なＵ軸方向に移動可能であり、第２スライダ５５は主軸台５１に対してＺ軸と平行なＷ軸方向に移動可能である。第１スライダ５３には機械加工ヘッド５７がＹ軸周りのＢ１軸方向に回転可能に取り付けられ、第２スライダ５５にはレーザ加工ヘッド５９がＹ軸周りのＢ２軸方向に回転可能に取り付けられる。機械加工ヘッド５７の主軸６１は回転駆動されるとともに、回転方向の送り制御が可能なようにＣ軸機能を有している。

加工装置の基台（図示せず）にはテーブル６３がＸ軸及びＹ軸方向に移動可能に設けられ、テーブル６３上には研削装置１５が常時取り付けられている。更に、テーブル６３上には加工すべきワークＷの取り付けスペースが確保されている。

本実施形態の複合加工装置を用いて高硬度材でなる工具を作製する方法は、工具素材３５を機械加工ヘッド５７の主軸６１に取り付け、機械加工ヘッド５７とレーザ加工ヘッド５９とをＵ、Ｗ、Ｂ１、Ｂ２軸方向に相対移動させて、工具素材３５の先端刃部をレーザビームＬで荒加工する。その後、研削装置１５の回転する砥石車１９を回転する工具素材３５に当接させながらＸ、Ｙ、Ｚ、Ｂ１、Ｃ軸を相対移動させて工具素材３５の先端刃部を所望形状に整形仕上げ加工し、その後主軸６１の回転を停止してＣ軸で工具素材を割り出し、刃付け加工する。

第１又は第２の実施形態の工具作製方法は、高硬度材でなる工具素材の荒加工をレーザ加工を採用して比較的能率よく行い、その後、工具素材と砥石車との５軸方向の相対移動手段により容易に先端刃部の整形仕上げ加工と刃付け加工が行える。

第１又は第２の実施形態の工具作製方法で作成した工具をそのまま機械加工ヘッド５、５７の主軸９、６１に装着した状態でテーブル１３、６３上に高硬度材ワークＷを取り付ける。まずレーザ加工ヘッド３、５９からレーザビームＬを照射して、ワークＷを荒加工する。次いで主軸９、６１に装着されている工具によってワークＷに切削又は研削による仕上げ加工を施す。高硬度材ワークはレーザ加工によって比較的能率よく荒加工が行われ、残された微小の仕上げ代だけを切削又は研削によって除去し、仕上げ加工を行う。機械加工で除去する部分は少ないので工具寿命は長くなる。このように、高硬度材ワークの加工に適した工具の作製からそのワークの加工までの工程を１台の複合加工装置で行うこと、及びレーザ加工と機械加工を使い分けることによって、加工能率と工具寿命を両立させて高硬度材ワークを加工できる。尚、ファイバレーザに代えてＹＡＧレーザを用いることもできる。

高硬度材でなる金型を加工する場合、いわゆるシボ加工を更に行うことがある。その場合はレーザ加工ヘッド３、５９からワークＷに向けてレーザビームＬを照射し、送り軸の送り速度を変化させてビーム照射密度を調節し、シボ加工の深さを制御する手法をとる。複合加工装置が具備している送り機能を利用してレーザ加工の微妙な深さ制御を容易に行える。

１ 主軸台
３ レーザ加工ヘッド
５ 機械加工ヘッド
７ レーザビーム照射手段
９ 主軸
１１ テーブル台
１３ テーブル
１５ 研削装置
１９ 砥石車
３５ 工具素材
３７、４１ すくい面
３９、４３、４５ 切刃
Ｌ レーザビーム

Claims (7)

1. レーザ加工、及び切削又は研削の機械加工で高硬度材でなる工具を作製する複合加工装置であって、
   レーザビーム照射手段を有するレーザ加工ヘッドと回転主軸を有する機械加工ヘッドを備えたヘッドユニットと、
   被加工物を取り付けるテーブルと、
   Ｘ、Ｙ、Ｚの直動３軸方向と、Ｘ軸周りのＡ軸又はＹ軸周りのＢ軸、及びＺ軸周りのＣ軸の回転２軸方向に前記ヘッドユニットと前記テーブルとを相対移動させる送り軸装置と、
   前記テーブルに設けられ、前記機械加工ヘッドの回転主軸に取り付けた工具を整形仕上げし、刃付け加工を行う砥石車を回転駆動する研削装置と、
   を具備することを特徴とした複合加工装置。
2. 請求項１に記載の複合加工装置を用いて、高硬度材でなる工具を作製する工具作製方法であって、
   前記複合加工装置のテーブルに工具素材を取り付け、
   前記レーザビーム照射手段から照射されるレーザビームにより前記工具素材の先端刃部を荒加工し、
   荒加工した工具素材を前記機械加工ヘッドの回転主軸に取り付け、
   前記工具素材と前記研削装置の砥石車とを接触させながら前記送り装置により相対移動を行わせ、前記工具素材の先端刃部を整形仕上げして刃付け加工を施すことを特徴とした工具作製方法。
3. 請求項１に記載の複合加工装置を用いて、高硬度材でなる工具を作製する工具作製方法であって、
   前記機械加工ヘッドの回転主軸に工具素材を取り付け、
   前記レーザ加工ヘッドと前記機械加工ヘッドとを相対移動させて前記レーザビーム照射手段から照射されるレーザビームにより前記工具素材の先端刃部を荒加工し、
   その後、前記工具素材と前記研削装置の砥石車とを接触させながら前記送り装置により相対移動を行わせ、前記工具素材の先端刃部を整形仕上げして刃付け加工を施すことを特徴とした工具作製方法。
4. 前記高硬度材でなる工具は、先端刃部が半球形に整形され、その球面に一つ又は複数のすくい面が形成されるボールエンドミルである、請求項２又は請求項３に記載の工具作製方法。
5. 前記高硬度材でなる工具は、先端刃部の横断面が多角形状に形成され、該多角形状の各頂点が構成する稜線が縦断面で円弧形の切刃をなすボールエンドミルである、請求項２又は請求項３に記載の工具作製方法。
6. 請求項１に記載の複合加工装置を用いて高硬度材ワークを加工するワークの加工方法であって、
   請求項２又は請求項３に記載の工具作製方法で作製した工具を前記機械加工ヘッドの回転主軸に装着し、
   前記テーブルに取り付けたワークに前記レーザビーム照射手段から照射されるレーザビームにより荒加工を施し、
   前記機械加工ヘッドの回転主軸に装着した高硬度材でなる工具により前記ワークに仕上げ加工を施すことを特徴としたワークの加工方法。
7. 請求項６に記載のワーク加工方法で加工した高硬度材ワークに前記レーザビーム照射手段から照射されるレーザビームにより更にシボ加工を施すワークの加工方法。

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