JP7814775B2 - Skiving tools, devices and methods - Google Patents
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Description
特許法第30条第2項適用 集会名:2023年度精密工学会秋季大会学術講演会、開催日:令和5年9月15日 大会講演論文集のウェブサイト掲載日:令和5年8月31日、掲載アドレス:https://2023-09autumn.jspe.or.jp/proceedings/Article 30, Paragraph 2 of the Patent Act applies. Name of the meeting: 2023 Autumn Meeting of the Japan Society for Precision Engineering. Date held: September 15, 2023. Date of publication of the conference proceedings on the website: August 31, 2023. Address of publication: https://2023-09autumn.jspe.or.jp/proceedings/
本発明の実施形態はスカイビング加工工具、装置及び方法に関する。 Embodiments of the present invention relate to skiving tools, devices, and methods.
回転しているワーク(加工対象物)の回転対称面を切削加工する方法として、ワークの回転軸線に対して斜めに配置した切れ刃(直線刃)を、当該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させながら導入するスカイビング加工方法が知られている。この方法によりワークを切削する際には、回転軸線に対する直線刃の傾斜角度が0°より大きく、かつ90°より小さい範囲に定められる。 A known method for cutting the rotationally symmetric surface of a rotating workpiece (object to be machined) is the skiving method, in which a cutting edge (straight blade) positioned at an angle to the workpiece's axis of rotation is introduced along the rotating workpiece in a linear feed motion that crosses the axis of rotation while making contact with the workpiece. When cutting the workpiece using this method, the inclination angle of the straight blade relative to the axis of rotation is set to a range greater than 0° and less than 90°.
特許文献1は、直線刃を用いたスカイビング加工により切削されたワークの外周面の表面粗さをより小さくするための技術を開示している。 Patent Document 1 discloses a technology for reducing the surface roughness of the outer peripheral surface of a workpiece cut by skiving using a straight blade.
しかしながら、直線刃を用いたスカイビング加工の場合、ワークの回転軸の延在方向(Z軸)、切削工具がワークに切込む方向(X軸)、並びに、Z軸及びX軸の双方に直交する接線方向(Y軸)の3軸を制御する必要がある。一方、一般的な旋盤工作機械は、二軸制御で切削加工を行っている。すなわち、Y軸方向が無く、Z軸方向の送り量及びX軸方向の切込み量によって切削加工を行っている。 However, when skiving using a straight blade, it is necessary to control three axes: the extension direction of the workpiece's rotation axis (Z-axis), the direction in which the cutting tool cuts into the workpiece (X-axis), and the tangential direction (Y-axis) perpendicular to both the Z-axis and X-axis. On the other hand, a typical lathe machine tool performs cutting using two-axis control. In other words, there is no Y-axis direction, and cutting is performed by controlling the feed rate in the Z-axis and the depth of cut in the X-axis.
本発明は、このような課題に着目して鋭意研究され完成されたものであり、その目的は、二軸制御の旋盤工作機械でもスカイビング加工を行うことが可能な加工技術を提供することにある。 This invention was developed through extensive research focused on these issues, and its purpose is to provide a machining technology that enables skiving to be performed even on two-axis controlled lathe machine tools.
上記課題を解決するために、本発明は、ねじれ刃を備えるスカイビング加工工具であって、前記ねじれ刃の刃先の両端は使用せずにスカイビング加工を行うスカイビング加工工具である。 To solve the above problem, the present invention provides a skiving tool equipped with a helical blade, which performs skiving without using both ends of the cutting edge of the helical blade.
本発明は、第1の軸にワークを回転可能に保持するチャックと、ねじれ刃を有するスカイビング加工工具を取り付ける刃物台と、を備え、前記ねじれ刃の送り量を前記第1の軸方向に設定し、前記ねじれ刃の切込み量を、前記第1の軸方向と直交する第2の軸に設定する工作機械を用いるスカイビング加工装置であって、前記スカイビング加工工具は、前記ねじれ刃の刃先の両端は使用せずにスカイビング加工を行うスカイビング加工装置。である。 The present invention is a skiving device that uses a machine tool equipped with a chuck that rotatably holds a workpiece on a first axis and a tool rest that mounts a skiving tool having a helical blade, and that sets the feed rate of the helical blade in the first axial direction and the cutting depth of the helical blade in a second axis perpendicular to the first axial direction, and the skiving tool performs skiving without using both ends of the cutting edge of the helical blade.
本発明は、第1の軸にワークを回転可能に保持するチャックと、ねじれ刃を有するスカイビング加工工具を取り付ける刃物台と、を備える工作機械を用いるスカイビング加工方法であって、前記ワークを前記チャックに固定し、前記チャックを回転し、前記スカイビング加工工具を第1の軸に合わせ、前記ねじれ刃の送り量を前記第1の軸方向に設定し、前記ねじれ刃の切込み量を、前記第1の軸方向と直交する第2の軸に設定するスカイビング加工方法である。 The present invention is a skiving method using a machine tool equipped with a chuck that rotatably holds a workpiece on a first axis and a tool rest to which a skiving tool having a twisted blade is attached. The skiving method involves fixing the workpiece to the chuck, rotating the chuck, aligning the skiving tool with the first axis, setting the feed rate of the twisted blade in the first axial direction, and setting the cutting depth of the twisted blade in a second axis perpendicular to the first axial direction.
本発明によれば、二軸制御の旋盤工作機械でもスカイビング加工を行うことが可能な加工技術を提供することができる。 The present invention provides a machining technology that enables skiving to be performed even on two-axis controlled lathe machine tools.
図面を参照しながら本発明の実施の形態を説明する。ここで、各図において共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明は省略する。座標軸は、ワークの回転軸の延在方向をZ軸方向とし、切削工具がワークに切込む方向をX軸方向とし、Z軸及びX軸の双方に直交する接線方向をY軸方向とする。 An embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. Common parts in each drawing will be given the same reference numerals, and duplicate explanations will be omitted. The Z-axis direction is the direction in which the rotation axis of the workpiece extends, the X-axis direction is the direction in which the cutting tool cuts into the workpiece, and the Y-axis direction is the tangential direction perpendicular to both the Z-axis and the X-axis.
一般的な旋盤工作機械は、二軸制御で切削加工を行っている。すなわち、Y軸方向が無く、Z軸方向の送り量及びX軸方向の切込み量によって切削加工を行っている。 General lathe machine tools perform cutting using two-axis control. In other words, there is no Y-axis direction, and cutting is performed using the feed amount in the Z-axis direction and the depth of cut in the X-axis direction.
(第1の実施形態)
図1は、本発明の第1の実施形態に係る切削工具の斜視図である。切削工具100は、ねじれ刃110と、ねじれ刃110を保持するシャンク120と、ねじれ刃110をシャンク120に固定するクランプ130と、クランプを締め付けるためのネジ140を備えている。切削工具100はバイトともいい、シャンク120はバイトホルダともいう。ねじれ刃110は交換可能であり、スローアウェイチップとも呼ばれる。切削工具100はスローアウェイバイトとも呼ばれる。
(First embodiment)
FIG. 1 is a perspective view of a cutting tool according to a first embodiment of the present invention. The cutting tool 100 includes a twisted cutting edge 110, a shank 120 that holds the twisted cutting edge 110, a clamp 130 that fixes the twisted cutting edge 110 to the shank 120, and a screw 140 for tightening the clamp. The cutting tool 100 is also called a cutting tool, and the shank 120 is also called a cutting tool holder. The twisted cutting edge 110 is replaceable and is also called a throw-away tip. The cutting tool 100 is also called a throw-away cutting tool.
ねじれ刃110は、後述する三枚刃のエンドミルの切れ刃の先端を切断したものである。ねじれ刃110は、点Aから点Bの間でワークの外径を切削加工する。このため、ねじれ刃110は外径スローアウェイチップとも呼ばれる。また、ねじれ刃110は、ネジ140を緩め、Y軸周りに回転させることによって、3枚のねじれ刃先を利用することが可能である。 The twisted blade 110 is the tip of the cutting edge of a three-blade end mill, which will be described later. The twisted blade 110 cuts the outer diameter of the workpiece between point A and point B. For this reason, the twisted blade 110 is also called an outer diameter throw-away tip. In addition, the twisted blade 110's three twisted cutting edges can be used by loosening the screw 140 and rotating it around the Y axis.
本実施形態では、ねじれ刃110の厚さは例えば5mmであり、点Aから点Bの間は例えば1mmである。このようにして、ワークの半径方向の切込み量が例えば0.05mmから0.1mmの間で制御可能になる。 In this embodiment, the thickness of the twisted blade 110 is, for example, 5 mm, and the distance between point A and point B is, for example, 1 mm. In this way, the radial cutting depth of the workpiece can be controlled between, for example, 0.05 mm and 0.1 mm.
図2は、本発明の第1の実施形態に係るねじれ刃の製造方法を説明するための図である。同図(b)のエンドミル200は3枚刃の市販製品である。3枚刃の場合、ねじれ角は一般的に45°である。エンドミルの直径は8~10mmである。 Figure 2 is a diagram illustrating a method for manufacturing a helical blade according to the first embodiment of the present invention. The end mill 200 in Figure 2(b) is a commercially available three-blade product. For three-blade end mills, the helix angle is generally 45°. The diameter of the end mill is 8 to 10 mm.
同図(b)のエンドミル200の切れ刃の先端5mm程度の部分(2点鎖線で表示)を切断すると、同図(a)のねじれ刃110を製造することができる。ねじれ刃110が削った切りくずはフルート230に沿って排出される。なお、点線で囲んだ部分210は、エンドミル200の底刃の逃げ溝である。ねじれ刃は、エンドミル200の切れ刃の先端部分には限られず、同図(b)のねじれ刃110を切断した後に、その次の先端部分を切断し、ねじれ刃110’として用いてもよい。ねじれ刃110’は、ねじれ刃110とは異なり、エンドミル200の底刃の逃げ溝は無い。 By cutting off a portion approximately 5 mm from the tip of the cutting edge of the end mill 200 in Figure 2(b) (shown by the two-dot chain line), the twisted blade 110 in Figure 2(a) can be produced. Chips cut by the twisted blade 110 are discharged along the flutes 230. The portion 210 surrounded by the dotted line is the relief groove of the end cutting edge of the end mill 200. The twisted blade is not limited to the tip of the cutting edge of the end mill 200; after cutting the twisted blade 110 in Figure 2(b), the next tip portion can be cut off and used as the twisted blade 110'. Unlike the twisted blade 110, the twisted blade 110' does not have the relief groove of the end cutting edge of the end mill 200.
図3は、本発明の第1の実施形態に係るねじれ刃を用いたスカイビング加工を説明するための図である。同図(a)は工作機械のチャック310がワークW1を保持している状態を示す。ワークW1は丸い棒の形状をしている。工作機械全体は不図示であるが、チャック310はワークW1をZ軸周りに回転可能に保持している。そして、工作機械がチャック310を回転させることによって、ワークW1も回転する。同図(a)では、ねじれ刃110がワークW1の裏側に隠れているため、点線で表している。 Figure 3 is a diagram illustrating skiving using a twisted blade according to the first embodiment of the present invention. Figure 3(a) shows the state in which the chuck 310 of the machine tool is holding the workpiece W1. The workpiece W1 has a round rod shape. The entire machine tool is not shown, but the chuck 310 holds the workpiece W1 so that it can rotate around the Z axis. When the machine tool rotates the chuck 310, the workpiece W1 also rotates. In Figure 3(a), the twisted blade 110 is hidden behind the workpiece W1, so it is represented by a dotted line.
同図(b)は、ねじれ刃110がワークW1の外径を切削する状態を示す断面図である。Z軸は、ワークW1の回転軸であり、ねじれ刃110の送り量を定めることができる。X軸は、切込み軸であり、ねじれ刃110の点Aから点Bまでを用いてワークW1を切込んでいる。また、Y軸は、Z軸及びX軸の双方に直交する方向であり、ワークW1の断面円の接線方向を示している。一般的な旋盤工作機械はZ方向とX方向の二軸だけで動くが、複合加工機の場合、Y軸も使うことになる。 Figure 1(b) is a cross-sectional view showing the twist blade 110 cutting the outer diameter of the workpiece W1. The Z-axis is the rotation axis of the workpiece W1, and allows the feed amount of the twist blade 110 to be determined. The X-axis is the cutting axis, and the twist blade 110 is used to cut into the workpiece W1 from point A to point B. The Y-axis is a direction perpendicular to both the Z-axis and the X-axis, and indicates the tangent direction to the cross-sectional circle of the workpiece W1. A typical lathe machine tool moves along only two axes, the Z and X directions, but in the case of a multi-tasking machine, the Y-axis is also used.
図4は、図3の一部を拡大した図であり、図3(b)の二点鎖線で囲んだ部分を拡大している。点Aは、Z軸周りを回転しているワークをねじれ刃が切込む開始点を示している。点Bは、ねじれ刃がワークを切込みながら、仕上げ面まで到達した状態を示している。このようにして、切込み量が0.05mm~0.1mmの外径切削が可能になる。また、切込み量は、Z軸の中心に向かっての切込み深さともいえる。 Figure 4 is an enlarged view of a portion of Figure 3, enlarging the area surrounded by the two-dot chain line in Figure 3(b). Point A indicates the start point where the helical blade cuts into the workpiece rotating around the Z axis. Point B indicates the state where the helical blade has reached the finished surface while cutting into the workpiece. In this way, it is possible to perform outer diameter cutting with a cutting depth of 0.05 mm to 0.1 mm. The cutting depth can also be considered the depth of cut toward the center of the Z axis.
そして、図3に戻り、ねじれ刃110がZ軸方向に所定の量だけ送られることによって、ワークW1の外径を切削することが可能になる。このように、エンドミルの切れ刃の先端を用いてスカイビング加工をしているため、ミルスカイビング加工と呼べる。 Returning to Figure 3, the twisted blade 110 is then advanced a predetermined distance in the Z-axis direction, making it possible to cut the outer diameter of the workpiece W1. Because skiving is performed using the tip of the end mill's cutting edge in this way, this can be called mill skiving.
図5は、本発明の第1の実施形態に係るねじれ刃のねじれ度に応じた刃の接触領域を説明するための図である。同図(a)は、エンドミル200の先端を切断せずに、エンドミル200そのものを用いて、回転しているワークW1の外径を切削している状態を示す。エンドミル200は、回転しておらず、ワークW1の回転軸Z方向に所定の送り量で移動しているだけである。ここで、エンドミル200のねじれ刃のうち、外径切削に用いている部分は、二点鎖線で囲んだ部分だけである。この二点鎖線で囲んだ部分がねじれ刃110に相当する。また、エンドミル200は3枚のねじれ刃で構成されているが、ねじれ刃の枚数には特に制限がなく、エンドミル200の先端のねじれ刃の一部がワークW1の外径を切込むことができればよい。 Figure 5 is a diagram illustrating the blade contact area according to the degree of twist of the helical blade according to the first embodiment of the present invention. Figure 5(a) shows the state in which the end mill 200 itself is used to cut the outer diameter of a rotating workpiece W1 without cutting off the tip of the end mill 200. The end mill 200 is not rotating; it is simply moving at a predetermined feed rate in the direction of the rotation axis Z of the workpiece W1. Here, the only part of the helical blade of the end mill 200 used for cutting the outer diameter is the part surrounded by the two-dot chain line. This part surrounded by the two-dot chain line corresponds to the helical blade 110. Furthermore, while the end mill 200 is composed of three helical blades, there is no particular limit to the number of helical blades; it is sufficient if a portion of the helical blade at the tip of the end mill 200 can cut into the outer diameter of the workpiece W1.
同図(b)は、ねじれ角が20°の場合のねじれ刃110-1の切込み部分ABを表す。同図(c)は、ねじれ角が45°の場合のねじれ刃110-2の切込み部分ABを表す。切込み部分ABが、ねじれ刃110がワークW1に接触する領域である。ねじれ角の角度が弱い場合(同図(b)の20°)の切込み部分ABの長さは、ねじれ角の角度が強い場合(同図(c)の45°)の切込み部分ABの長さよりも長くなる。 Figure (b) shows the cutting portion AB of the twisted blade 110-1 when the twist angle is 20°. Figure (c) shows the cutting portion AB of the twisted blade 110-2 when the twist angle is 45°. The cutting portion AB is the area where the twisted blade 110 comes into contact with the workpiece W1. The length of the cutting portion AB when the twist angle is weak (20° in Figure (b)) is longer than the length of the cutting portion AB when the twist angle is strong (45° in Figure (c)).
切削加工に用いるねじれ刃110のねじれ角度に応じて、ねじれ刃110の切込み部分の長さが変わる。このようにねじれ刃110の切込み部分の長さを考慮又は計算して、ワークW1が一回転する当りのねじれ刃110(又は、エンドミル200)の送り量を設定すればよい。ここで、ねじれ刃のねじれ角は15°から50°の間で設定することが好ましい。 The length of the cutting portion of the twist blade 110 changes depending on the twist angle of the twist blade 110 used in cutting. In this way, the feed amount of the twist blade 110 (or end mill 200) per rotation of the workpiece W1 can be set by taking into account or calculating the length of the cutting portion of the twist blade 110. Here, it is preferable to set the twist angle of the twist blade between 15° and 50°.
図6は、本発明の第1の実施形態に係るスカイビング加工装置の正面図である。同図(a)は、切削工具100を工作機械300に取り付けた状態を示す。工作機械300は、二軸(X軸及びZ軸)制御の旋盤である。工作機械300のチャック310は、円柱状のワークW1をZ軸周りに回転可能に保持している。切削工具100は、エンドミルの先端を切断したねじれ刃110をシャンク120に取り付けている。シャンク120は工作機械300の刃物台320に対して下から上へ(X方向に)取り付けられている。 Figure 6 is a front view of a skiving device according to a first embodiment of the present invention. Figure 6(a) shows the cutting tool 100 attached to a machine tool 300. The machine tool 300 is a two-axis (X-axis and Z-axis) controlled lathe. The chuck 310 of the machine tool 300 holds a cylindrical workpiece W1 so that it can rotate around the Z-axis. The cutting tool 100 has a helical blade 110, which is the tip of an end mill cut off, attached to a shank 120. The shank 120 is attached from bottom to top (in the X direction) to the tool post 320 of the machine tool 300.
刃物台320は3軸方向に移動可能である。ねじれ刃110の刃先が、ワークW1の中心軸(Z軸)から垂直方向(X方向)に上げ、円の接線方向(Y方向)に位置合わせする。また、ねじれ刃110の切込み量をX方向に設定し、ねじれ刃110の送り量をZ方向に設定する。このように工作機械300にねじれ刃110を取り付けることによって、スカイビング加工装置を提供することが可能になる。 The tool rest 320 is movable in three axial directions. The cutting edge of the twist blade 110 is raised vertically (X direction) from the central axis (Z axis) of the workpiece W1 and aligned with the tangent direction of the circle (Y direction). The cutting depth of the twist blade 110 is set in the X direction, and the feed rate of the twist blade 110 is set in the Z direction. By attaching the twist blade 110 to the machine tool 300 in this way, it is possible to provide a skiving processing device.
同図(b)は、切削工具100の代わりにエンドミル200を用いたスカイビング加工装置の正面図である。エンドミル200は、刃物台321に対して左から右へ(Z方向に)取り付けられている。そして、同図(a)と同様に、エンドミル200の刃先をY方向に位置合わせし、エンドミル200の切込み量をX方向に設定し、エンドミル200の送り量をZ方向に設定する。このように三軸制御の工作機械300(例えば、マシニングセンタ、又は、複合加工機)にエンドミル200を取り付けることによって、スカイビング加工装置を提供することが可能になる。 Figure 1(b) is a front view of a skiving device that uses an end mill 200 instead of the cutting tool 100. The end mill 200 is attached to the tool post 321 from left to right (in the Z direction). As in Figure 1(a), the cutting edge of the end mill 200 is aligned in the Y direction, the cutting depth of the end mill 200 is set in the X direction, and the feed rate of the end mill 200 is set in the Z direction. In this way, by attaching the end mill 200 to a three-axis controlled machine tool 300 (e.g., a machining center or multi-tasking machine), it is possible to provide a skiving device.
同図(a)ではエンドミルの先端を切断したねじれ刃を工作機械300に取り付けており、また、同図(b)ではエンドミル200そのものを工作機械300に取り付けている。これらのスカイビング加工装置を総称して、ミルスカイビング加工装置という。 In Figure 3(a), a twisted blade with the tip of an end mill cut off is attached to the machine tool 300, and in Figure 3(b), the end mill 200 itself is attached to the machine tool 300. These skiving machines are collectively called mill-skiving machines.
図7は、本発明の第1の実施形態に係るスカイビング加工方法のフローチャートである。ここでは図6(a)の場合に沿って説明する。工作機械300のチャック310にワークW1を固定する(S1)。チャック310を所定の回転量で回転させる(S2)。工作機械300の刃物台320に取り付けた切削工具100をZ軸方向に合わせる(S3)。切削工具をZ軸方向に送る量(切削送り量)を設定する(S4)。切込み量を設定する(S5)。 Figure 7 is a flowchart of the skiving method according to the first embodiment of the present invention. Here, the explanation will be based on the case of Figure 6(a). The workpiece W1 is fixed to the chuck 310 of the machine tool 300 (S1). The chuck 310 is rotated by a predetermined amount (S2). The cutting tool 100 attached to the tool rest 320 of the machine tool 300 is aligned in the Z-axis direction (S3). The amount by which the cutting tool is fed in the Z-axis direction (cutting feed amount) is set (S4). The depth of cut is set (S5).
図6(a)は二軸制御の工作機械のため、S3のZ軸方向の合わせの前に、切削工具100のY方向への位置合わせを予め行う必要がある。S4の切削送り量は、Z軸方向の切削送り量を1回転当りで設定し、さらに、Z軸方向の開始点及び終了点を設定する。S5の切込み量は、X方向の切込み深さとして設定する。 Figure 6(a) shows a two-axis controlled machine tool, so it is necessary to align the cutting tool 100 in the Y direction before aligning it in the Z direction in S3. The cutting feed amount in S4 is set per rotation in the Z direction, and the start and end points in the Z direction are also set. The cutting depth in S5 is set as the cutting depth in the X direction.
図7で説明したスカイビング加工方法は、二軸制御の工作機械だけでなく、三軸制御のマシニングセンタにも適用可能である。この場合、S5の切込み量は、X方向又はY方向どちらかの切込み深さとして設定可能である。また、刃物台320は、マシニングセンタの工具主軸に相当する。図7のフローチャートは、工作機械300のハードウェアで制御してもよいし、工作機械300を操作するコンピュータに実行可能なソフトウェア・プログラムとして制御してもよい。 The skiving method described in Figure 7 can be applied not only to two-axis controlled machine tools, but also to three-axis controlled machining centers. In this case, the cutting depth of S5 can be set as the cutting depth in either the X or Y direction. The tool post 320 corresponds to the tool spindle of a machining center. The flowchart in Figure 7 may be controlled by the hardware of the machine tool 300, or as a software program executable by a computer that operates the machine tool 300.
(第2の実施形態)
図8は、本発明の第2の実施形態に係るねじれ刃の製造方法を説明するための図である。同図(b)のエンドミル201は2枚刃の市販製品である。2枚刃の場合、ねじれ角は一般的に30°である。エンドミルの直径は8~10mmである。
Second Embodiment
FIG. 8 is a diagram illustrating a method for manufacturing a helical blade according to a second embodiment of the present invention. The end mill 201 in FIG. 8(b) is a commercially available two-blade product. In the case of a two-blade end mill, the helix angle is generally 30°. The diameter of the end mill is 8 to 10 mm.
同図(b)のエンドミル201の先端5mm程度の部分(2点鎖線で表示)を切断すると、同図(a)のねじれ刃111を製造することができる。なお、点線で囲んだ部分211は、エンドミル201の底刃の逃げ溝である。 By cutting off approximately 5 mm of the tip of the end mill 201 in Figure (b) (shown by the two-dot chain line), the twisted cutting edge 111 in Figure (a) can be produced. Note that the area 211 surrounded by the dotted line is the clearance groove for the bottom cutting edge of the end mill 201.
(第3の実施形態)
図9は、本発明の第3の実施形態に係る切削工具の斜視図である。切削工具101は、円柱状のワークの外径を切削加工するねじれ刃112と、ねじれ刃112を保持するシャンク120と、ねじれ刃112をシャンク120に固定するクランプ131と、クランプを締め付けるためのネジ140を備えている。
(Third embodiment)
9 is a perspective view of a cutting tool according to a third embodiment of the present invention. The cutting tool 101 includes a helical cutting edge 112 for cutting the outer diameter of a cylindrical workpiece, a shank 120 for holding the helical cutting edge 112, a clamp 131 for fixing the helical cutting edge 112 to the shank 120, and a screw 140 for tightening the clamp.
図9が図1と相違する点は、ねじれ刃112は刃が1枚であり、中央部分が空洞になっている点である。このため、クランプ131の先端ピンは図1よりも長くなっており、シャンク120にまで達し、ねじれ刃112をシャンク120に固定している。 Figure 9 differs from Figure 1 in that the twisted blade 112 has a single blade and is hollow in the center. Therefore, the tip pin of the clamp 131 is longer than in Figure 1, reaching all the way to the shank 120 and securing the twisted blade 112 to the shank 120.
図10は、本発明の第3の実施形態に係るねじれ刃の斜視図である。ねじれ刃112は、スローアウェイチップの材料を厚さ5mm程度の直方体に切断し、中央部分を空洞にし、さらに、二点鎖線部分を切削加工及び研削加工で除去することによって製造することができる。ねじれ角は45°である。点A及び点Bは、図4で説明した通り、切込み開始点、及び、切込みながら仕上げ面まで到達する点である。ねじれ刃112は外径スローアウェイチップとも呼べる。 Figure 10 is a perspective view of a twisted blade according to a third embodiment of the present invention. The twisted blade 112 can be manufactured by cutting the material of a throw-away tip into a rectangular parallelepiped shape approximately 5 mm thick, hollowing out the center, and then removing the area indicated by the two-dot chain line through cutting and grinding. The twisted blade angle is 45°. As explained in Figure 4, points A and B are the cutting start point and the point where the cutting reaches the finished surface. The twisted blade 112 can also be called an outer diameter throw-away tip.
(第4の実施形態)
図11は、本発明の第4の実施形態に係る切削工具を説明するための図である。同図(a)は切削工具102の斜視図である。切削工具102は、円筒状のワークの内径を切削加工するねじれ刃113と、ねじれ刃113を保持するシャンク121と、ねじれ刃113をシャンク121に直接(クランプを介さずに)固定するネジ141を備えている。
(Fourth embodiment)
11A and 11B are diagrams illustrating a cutting tool according to a fourth embodiment of the present invention. Fig. 11A is a perspective view of a cutting tool 102. The cutting tool 102 includes a helical cutting edge 113 for cutting the inner diameter of a cylindrical workpiece, a shank 121 for holding the helical cutting edge 113, and a screw 141 for directly (without a clamp) fixing the helical cutting edge 113 to the shank 121.
同図(a)が図9と相違する点は、ねじれ刃113の中央に雌ネジが切ってあり、さらに、シャンク121のねじれ刃113を固定する部分にも雌ネジが切ってある点である。そして、雄ネジのネジ141を締め付けることによって、ねじれ刃113をシャンク121に固定する。図11(b)は、円筒状のワークW2の断面図である。円筒状のワークW2に切削工具102に入れて、ねじれ刃113がワークW2の内径を切削加工する状態を示している。 The difference between Figure 11(a) and Figure 9 is that the twist blade 113 has a female thread in the center, and the part of the shank 121 that secures the twist blade 113 also has a female thread. The twist blade 113 is then secured to the shank 121 by tightening the male screw 141. Figure 11(b) is a cross-sectional view of a cylindrical workpiece W2. The cutting tool 102 is inserted into the cylindrical workpiece W2, and the twist blade 113 cuts the inner diameter of the workpiece W2.
図12は、本発明の第4の実施形態に係るねじれ刃を説明するための図である。図12(a)は図11(a)の矢印線Aからねじれ刃113を見た図である。ねじれ刃113は、スローアウェイチップの材料を厚さ4mmの直方体に切断し、ねじれ刃113の外側にある二点鎖線部分を、図10で説明したのと同様、切削加工及び研削加工で除去することによって製造することができる。 Figure 12 is a diagram illustrating a twisted blade according to a fourth embodiment of the present invention. Figure 12(a) is a view of the twisted blade 113 from the arrow line A in Figure 11(a). The twisted blade 113 can be manufactured by cutting the material of the throw-away tip into a rectangular parallelepiped with a thickness of 4 mm, and then removing the portion indicated by the two-dot chain line outside the twisted blade 113 by cutting and grinding, in the same manner as described in Figure 10.
図12(b)は図11(a)の矢印線Bからねじれ刃113を見た図である。点A及び点Bは、図4で説明した通り、切込み開始点、及び、切込みながら仕上げ面まで到達する点である。また、ねじれ刃113の厚さは4mmであり、ねじれ角は30°である。ねじれ刃113は内径スローアウェイチップとも呼べる。また、円筒状のワークの内径を切削加工するねじれ刃は、第1の実施形態と同様、エンドミルの先端部、又は、エンドミル全体を用いてもよい。図13は、本発明の第4の実施形態の変形例に係る切削工具を説明するための図である。同図は、円筒状のワークW2の断面図である。円筒状のワークW2にエンドミル200に入れて、ねじれ刃110がワークW2の内径を切削加工する状態を示している。 Figure 12(b) is a view of the helical blade 113 from the arrow line B in Figure 11(a). As explained in Figure 4, points A and B are the cutting start point and the point where the cutting reaches the finished surface. The thickness of the helical blade 113 is 4 mm, and the helix angle is 30°. The helical blade 113 can also be called an internal diameter throw-away tip. As in the first embodiment, the helical blade used to cut the inner diameter of a cylindrical workpiece may be the tip of an end mill or the entire end mill. Figure 13 is a diagram for explaining a cutting tool according to a modified example of the fourth embodiment of the present invention. This figure is a cross-sectional view of a cylindrical workpiece W2. The figure shows the cylindrical workpiece W2 inserted into the end mill 200, with the helical blade 110 cutting the inner diameter of the workpiece W2.
(第5の実施形態)
図14は、本発明の第5の実施形態に係る切削工具を説明するための図である。同図(a)は、切削工具103の側面図である。切削工具103は、エンドミルで構成されている。同図(a)は、エンドミルのシャンク部分を省略しており、外周側面にねじれ刃114が付いているボディ部分を表示している。ねじれ刃114が削った切りくずはフルート231に沿って排出される。また、ボディ部分の先端面には底刃221が付いている。同図(b)は、同図(a)の切削工具103の横断面1-2を表示している。同図(c)は、同図(a)の切削工具103の横断面3-4を表示している。
Fifth Embodiment
FIG. 14 is a diagram illustrating a cutting tool according to a fifth embodiment of the present invention. FIG. 14(a) is a side view of a cutting tool 103. The cutting tool 103 is an end mill. FIG. 14(a) omits the shank portion of the end mill and shows the body portion with a helical cutting edge 114 attached to the outer peripheral side surface. Chips cut by the helical cutting edge 114 are discharged along flutes 231. In addition, a bottom cutting edge 221 is attached to the tip surface of the body portion. FIG. 14(b) shows a cross section 1-2 of the cutting tool 103 in FIG. 14(a). FIG. 14(c) shows a cross section 3-4 of the cutting tool 103 in FIG. 14(a).
図14は、円筒型の被削材(Workpieceと表示)の内周面の仕上げ加工に対する切削工具103の切削様式を示している。これはねじれ刃114によって被削材の内周面に切込みを与えて長手方向に送り、切削領域(Removal areaと表示)を除去する。ねじれ刃114はねじれ角を有するため、ねじれ刃114が点Aで加工面に食いつき、同図(a)の右方向に向かって被削材の半径方向に連続的に切込みが与えられ、点Bで所定の切込み量に到達する。そこで、点Bのねじれ刃114で設定切込みとなるように、ねじれ角と設定切込みに応じて、底刃220のオリエンテーションを設定する。ここで点Aにおけるエンドミルの方位角をφAとすると、材料除去に関与している切れ刃長さLは、次式で表される。
ただし、RT、γはエンドミルの半径とねじれ角である。被削材1回転あたりの送りfの場合、L/f回転で設定切込みとなって内周面が仕上げられる。したがって、後述のように良好な仕上げ面が得られ、残留応力も圧縮の傾向となる。 where R T and γ are the radius and helix angle of the end mill. When the feed per revolution of the workpiece is f, the set depth of cut is achieved at L/f revolutions, and the inner surface is finished. Therefore, as will be described later, a good finished surface is obtained, and the residual stress also tends to be compressive.
一方、切りくずはエンドミルのフルートに沿って排出される。一般に中空穴の内周面加工では、仕上げ面に対する切りくずの擦過が問題となる場合が多い。本実施形態では、フルートによって切りくずを誘導して穴の外に切りくずを排出するため、仕上げ面に対する切りくずの擦過が抑制される。 On the other hand, chips are discharged along the flutes of the end mill. Generally, when machining the inner surface of a hollow hole, chip abrasion against the finished surface is often a problem. In this embodiment, the flutes guide the chips and discharge them out of the hole, preventing them from abrading the finished surface.
図15は、本発明の第5の実施形態に係る切削力の成分を説明するための図である。図15は、図14で説明した円筒型の被削材の内周面の切削加工する場合の切削分力を説明している。図15(a)は、一般旋削用のサーメット工具(京セラ TN620)400を用いた場合(Turningと表示)の切削力のベクトル成分を示し、同図(b)は、直径10mmの2枚刃エンドミル(UNION TOOL CSS2100-1500、ねじれ角30°)103を用いた場合(Mill skivingと表示)の切削力のベクトル成分を示す。 Figure 15 is a diagram illustrating the components of cutting forces in a fifth embodiment of the present invention. Figure 15 explains the cutting force components when cutting the inner surface of the cylindrical workpiece described in Figure 14. Figure 15(a) shows the vector components of cutting forces when a general-purpose turning cermet tool (Kyocera TN620) 400 is used (labeled "Turning"), and Figure 15(b) shows the vector components of cutting forces when a 10 mm diameter, two-flute end mill (UNION TOOL CSS2100-1500, helix angle 30°) 103 is used (labeled "Mill skiving").
切削分力を測定するために、CNC旋盤(OKUMA SPACE TURN LB3000 EX)のタレットに圧電型切削動力計(Kistler 9251A)を介して各工具を取り付けた。このため、主分力がFz、背分力Fy、送り分力Fxを測定した。このように、座標軸が、被削材の回転軸の延在方向をZ軸方向とした場合と異なる点に留意していただきたい。 To measure the cutting forces, each tool was attached to the turret of a CNC lathe (OKUMA SPACE TURN LB3000 EX) via a piezoelectric cutting dynamometer (Kistler 9251A). Therefore, the principal force Fz , thrust force Fy , and feed force Fx were measured. It should be noted that the coordinate axes are different from those in the case where the extension direction of the rotation axis of the workpiece is the Z-axis direction.
被削材は内径26mmの炭素鋼(S45C)である。切削条件は、切削速度150m/min、送り速度0.1mm/rev、半径方向切込み0.05mmであり、また、乾式で切削した。 The workpiece was carbon steel (S45C) with an inner diameter of 26 mm. The cutting conditions were a cutting speed of 150 m/min, a feed rate of 0.1 mm/rev, and a radial depth of cut of 0.05 mm, and the cutting was performed dry.
同図(a)の一般旋削工具400の場合、主切れ刃の法線が送り方向に傾いているため、送り分力Fxが大きくなる。一方、本実施形態におけるエンドミル103の切れ刃の法線は被削材の半径方向に傾いているため、同図(b)の方向に切削力が負荷する。そのため、一般旋削に比べて送り分力Fxが小さくなる。なお、同図のY成分は、測定された切削分力の方向に基づき負値で示す。 In the case of the conventional turning tool 400 shown in Figure 1(a), the normal to the main cutting edge is inclined in the feed direction, resulting in a large feed force Fx . On the other hand, the normal to the cutting edge of the end mill 103 in this embodiment is inclined in the radial direction of the workpiece, resulting in a cutting force being applied in the direction shown in Figure 1(b). As a result, the feed force Fx is smaller than in conventional turning. Note that the Y component in Figure 1 is shown as a negative value based on the direction of the measured cutting force.
図16は、本発明の第5の実施形態に係るねじれ角に応じた切削力の成分を説明するための図である。同図は、エンドミル103のねじれ刃のねじれ角が25°、30°、又は、40°、並びに、一般旋削工具400(Turning)の切削力成分を比較したものである。式(1)によれば、ねじれ角γが小さいと切削に作用している切れ刃長さLが長くなる。そのため、ねじれ角25°では切削力が大きい。 Figure 16 is a diagram illustrating the components of cutting forces according to the helix angle in the fifth embodiment of the present invention. The figure compares the cutting force components of an end mill 103 with a helix angle of 25°, 30°, or 40°, and a general turning tool 400 (Turning). According to equation (1), when the helix angle γ is small, the cutting edge length L acting in cutting becomes long. Therefore, the cutting force is large at a helix angle of 25°.
図17は、本発明の第5の実施形態に係る仕上げ面と表面形状を説明するための図である。レーザ共焦点顕微鏡(KEYENCE VX-X100)により仕上げ面粗さを測定した。同図(a)は、ねじれ角30°のエンドミル103によるミルスカイビングの仕上げ面と表面形状(Surface Profile)を示す。同図(b)は、一般旋削工具400によって旋削の仕上げ面と表面形状を示す。旋削では、工具のノーズ半径と送りに応じた切削痕が観測できる。しかしながら、ミルスカイビングでは、被削材の回転と工具の軸方向の運動により連続的に切込みが与えられる。このため、一様な表面形状が得られる。 Figure 17 is a diagram illustrating the finished surface and surface profile according to the fifth embodiment of the present invention. The finished surface roughness was measured using a laser confocal microscope (KEYENCE VX-X100). Figure 17(a) shows the finished surface and surface profile (surface profile) obtained by mill skiving using an end mill 103 with a 30° helix angle. Figure 17(b) shows the finished surface and surface profile obtained by turning using a general-purpose turning tool 400. In turning, cutting marks corresponding to the tool nose radius and feed rate can be observed. However, in mill skiving, continuous cutting is achieved by the rotation of the workpiece and the axial movement of the tool. This results in a uniform surface profile.
図18は、本発明の第5の実施形態に係る表面粗さを説明するための図である。同図は、エンドミル103のねじれ刃のねじれ角が25°、30°、又は、40°、並びに、一般旋削工具400(Turning)の各切削試験における表面粗さを比較したものである。同図(a)は、Ra(算術平均粗さ)を示す。同図(b)は、Rz(最大高さ粗さ)を示す。式(1)によれば、ミルスカイビングにおけるねじれ角γが小さいほど切れ刃長さLが大きくなり、設定切込みになるまでの被削材の回転数が多くなる。そのため、ねじれ角25°では被削材一回転あたりに与えられる切込みは小さくなる。このため、仕上げ面が良くなる。 Figure 18 is a diagram illustrating surface roughness according to the fifth embodiment of the present invention. The figure compares the surface roughness in cutting tests using end mills 103 with helix angles of 25°, 30°, and 40°, as well as a general turning tool 400 (Turning). Figure (a) shows Ra (arithmetic mean roughness). Figure (b) shows Rz (maximum height roughness). According to equation (1), the smaller the helix angle γ in mill skiving, the longer the cutting edge length L, and the greater the number of rotations of the workpiece until the set depth of cut is reached. Therefore, at a helix angle of 25°, the depth of cut per rotation of the workpiece is smaller. This results in a better finished surface.
図19は、本発明の第5の実施形態に係る残留応力を説明するための図である。ここでは、残留応力測定機(PULSREC μ-X360n)により、仕上げ面の軸方向(Axial direction)及び円周方向(Circumferential direction)の残留応力を測定した。同図は、ねじれ角30°のミルスカイビングと旋削における残留応力を比較したものである。旋削では切れ刃先端部に引張の応力が発生し、切りくずと仕上げ面が分離される。そのため、この結果のように表面には引張の残留応力が発生しやすい。一方、ミルスカイビングでは被削材の回転と工具の送りとともに徐々に切込みが与えられ、最終的に仕上げられる面の切込みが小さくなる。その結果、相対的に切りくず生成力よりも刃先の押込み力が大きくなる。また、切込みが最小切り取り厚さ以下になると切りくずは生成されずに、切れ刃が仕上げ面を押しならすように作用する。この結果、表層部の残留応力は圧縮となる。 Figure 19 is a diagram illustrating residual stresses related to the fifth embodiment of the present invention. Here, residual stresses in the axial and circumferential directions of the finished surface were measured using a residual stress measuring device (PULSREC μ-X360n). The figure compares residual stresses in mill skiving with a 30° helix angle and turning. In turning, tensile stress is generated at the tip of the cutting edge, separating the chips from the finished surface. As a result, tensile residual stress is likely to occur on the surface, as shown in this figure. In contrast, in mill skiving, the depth of cut is gradually increased as the workpiece rotates and the tool feeds, resulting in a smaller depth of cut on the final finished surface. As a result, the cutting edge's pushing force is relatively greater than the chip-forming force. Furthermore, when the depth of cut falls below the minimum chip thickness, no chips are generated, and the cutting edge acts to smooth the finished surface. As a result, the residual stress in the surface layer becomes compressive.
(ミルスカイビング加工の解析モデル)
ミルスカイビング加工の解析モデルについて、内径切削と外径切削に分けて説明する。
(Analysis model of mill skiving)
The analytical model for mill skiving will be explained separately for inner diameter cutting and outer diameter cutting.
(1.内径ミルスカイビング)
図20は、内径ミルスカイビング加工の解析モデルを説明するための図である。同図(a)は、エンドミル(Toolと表示)が円筒型のワーク(Workpieceと表示)の内径を切削する場合の幾何学的関係を示している。同図(b)は、同図(a)の一部分を拡大した図である。同図(c)は、幾何学的関係を示す記号の一覧表である。同図(d)は、幾何学的関係を補足説明するための図である。なお、円筒型のワーク(被削材)の半径Rwは、穴の内径に仕上げ切込みdを加えた値であり、穴の内径に肉厚を加えた値では無い点に留意していただきたい。
(1. Inner diameter mill skiving)
FIG. 20 is a diagram for explaining an analytical model of internal mill skiving. FIG. 20(a) shows the geometric relationships when an end mill (labeled "Tool") cuts the internal diameter of a cylindrical workpiece (labeled "Workpiece"). FIG. 20(b) is an enlarged view of a portion of FIG. 20(a). FIG. 20(c) is a table of symbols indicating the geometric relationships. FIG. 20(d) is a diagram for supplementary explanation of the geometric relationships. Please note that the radius Rw of the cylindrical workpiece (workpiece) is the value obtained by adding the finishing depth of cut d to the internal diameter of the hole, not the value obtained by adding the wall thickness to the internal diameter of the hole.
まず、ミルスカイビング加工の幾何学的関係について説明する。エンドミル切れ刃上の任意の点Piの被削材中心からの半径riは、三角形OO’Piに対して余弦定理を適用し、次式で表される。
被削材中心からの方位角θiと、切削速度方向の法線とすくい面とのなす角度αRiは、正弦定理により、次式で表される。
切削に関与している切れ刃の軸方向の長さLは、底刃の方位角をφ0とすると、次式で表される。このLが、図4の点Aから点BまでのZ軸方向の長さに相当する。
次に、切削領域モデルについて説明する。エンドミルの底の位置から切込み始める状況では、式(2)においてr0=Rw-dとして、次式で表される。
エンドミルの切れ刃をn個の微小切れ刃に分割し、点Pi (i=0, 1, ..., n)を円柱座標系 (ri, φi, zi)で定義する。点P0が図4の点Aに相当し、点Pnが図4の点Bに相当する。一つの微小切れ刃のZ方向の長さdzは、式(7)より、次式で表される。
半径RTのスクエアエンドミルにおける点Pi+1と点Piの相対的な位置関係は次式で表される。
点Piにおける刃先の位置rPiは次式で表される。
点Pは角度(2π+dφ)前に切断された点Qを削るから、次式が表される。
dφ=φQ-φPiだから、式(12)の第2式より、次式が表される。
点Qにおける刃先の位置は、次式で表される。
点Piの半径方向での切削厚さhiは、次式で表される。
なお、zi < fでは一回転前の切削痕がないため、刃先位置が切込みとなり、次式で表される。
(2.外径ミルスカイビング)
図21は、外径ミルスカイビング加工の解析モデルを説明するための図である。ここで、RTは工具半径であり、Rwは被削材半径であり、dθTは工具切れ刃上の分割角度であり、dθwは被削材表面の分割角度であり、φはねじれ角であり、yoはY軸方向におけるエンドミル中心である。
(2. Outer diameter mill skiving)
21 is a diagram illustrating an analytical model for external mill skiving, where R T is the tool radius, R w is the workpiece radius, dθ T is the parting angle on the tool cutting edge, dθ w is the parting angle on the workpiece surface, φ is the helix angle, and y o is the end mill center in the Y-axis direction.
図22は、エンドミルモデルを説明するための図である。同図の座標系において、エンドミルの方位角θTに対する切れ刃の座標は次式で表される。
次に、被削材直交座標系における切れ刃座標の時間変化について説明する。図21の解析モデルの時刻tにおける被削材座標系における工具原点座標は(0, yo, ft)であるから、工具の切れ刃の座標は次式で表される。
ただし、図21におけるyoは負値である。実モデルでは被削材が回転するが、解析モデルでは、被削材を固定し、エンドミルが角速度ωwで被削材の周りを回転するものと考える。この場合、被削材の直交座標系における切れ刃の(x, y, z)は次式で表される。
以下の条件を満たすときに、被削材が切削される。
切削厚さの解析について説明する。図23は、被削材の方位角を説明するための図である。エンドミルの切れ刃を軸方向(X軸)に高さxpにおける点Pに対して先行切削点Qを求める。なお、図23のY軸(切込み軸)は図5のX軸であることに留意していただきたい。点Pの方位角θT,Pは式(17)の第1式より、次式で表される。
したがって、図22のエンドミルモデルを参照し、(yp, zp)は次式で表される。
切れ刃の点Piに対する被削材の方位角θW,Pは次式で表される。
点Pが削る先行切れ刃Qの位置を考える。エンドミル切れ刃上で点Qは点Pより下方(XQ < XP)にあり、ねじれ角φが正であれば、Z方向は送り方向(ZQ > ZP)にある。一方、点Qを仮定すると、式(20)から式(22)と同様に、点Qに対する被削材の方位角θW,Qが得られる。 Consider the position of the leading cutting edge Q, which is cut by point P. On the end mill cutting edge, point Q is below point P (X Q < X P ), and if the helix angle φ is positive, the Z direction is in the feed direction (Z Q > Z P ). On the other hand, assuming point Q, the azimuth angle θ W,Q of the workpiece relative to point Q can be obtained from equation (20) in the same way as equation (22).
点Pと点Qの方位角差dθWは次式で表される。
一回転あたりの送りをfとすると、点Qが切削した位置を点Pは角度(2p-dθW)後に切削する。したがって、点Pに対して点QはZ方向に次式のだけdzw先行している。
一方、点Qについても式(22)からZT,Qが得られるから、dzwは次式を満たすことになる。
そこで、以下の5つの手順で点Qを得る。
手順1では、点PのX座標(xP)を設定し、式(21)及び(22)でY、Z座標を求める。
手順2では、点QのX座標(xQ)を設定し、式(21)及び(22)でY、Z座標を求める。
手順3では、式(22)で被削材上の方位角qW,PとqW,Qを求め、式(24)及び式(25)でdθWとdzwを求める。
手順4では、手順1及び手順2で計算したzT,P及びzT,Qから式(26)でdzwを求める。
手順5では、手順3及び手順4のdzwが等しくなるまで点QのX座標(xQ)の仮定を繰り返す。
Therefore, point Q is obtained by the following five steps.
In step 1, the X coordinate (x P ) of point P is set, and the Y and Z coordinates are found using equations (21) and (22).
In step 2, the X coordinate (x Q ) of point Q is set, and the Y and Z coordinates are found using equations (21) and (22).
In step 3, the azimuth angles q W,P and q W,Q on the workpiece are found using equation (22), and dθ W and dz w are found using equations (24) and (25).
In step 4, dz w is calculated from z T,P and z T,Q calculated in steps 1 and 2 using equation (26).
In step 5, the assumption of the X coordinate (x Q ) of point Q is repeated until dz w in steps 3 and 4 become equal.
被削材上での点Pと点Qの半径RW,PとRW,Qは次式で表される。
したがって、点Pにおける半径方向切込みdpは次式で表される。
解析では、エンドミルの切れ刃をn個の微小切れ刃に分割し、切れ刃要素Piに対して、先行切れ刃Qiを決定し、式(27)及び式(28)によって切込みの分布を求める。 In the analysis, the cutting edge of the end mill is divided into n minute cutting edges, the leading cutting edge Qi is determined for the cutting edge element Pi , and the distribution of the cutting depth is calculated using equations (27) and (28).
仕上げ面解析について説明する。被削材の円周方向と軸方向の微小要素に分割し、(rij, θij, zij)の円筒座標系について考える。解析モデルでは工具を固定し、被削材が-Z方向に送りfで移動するものとして考える。すなわち、次式の関係を満たす。
工具を固定したモデルでの切れ刃の座標系は次式となる。
式(29)における第2式と式(30)における第3式より、次式が与えられる。
着目している微小要素(rij, θij, zij)が工具と干渉するのは次式の場合である。
この時にX-Y平面における切れ刃の座標は次式で表される。
ただしθT,i,jは、式(31)より、次式で表される。
この(xT,i,j, yT,i,j)が、被削材の中心から角速度ωで回転する円周上の点を結ぶ直線上にある時に被削材が切削される。
(作用効果)
上述した通り、本実施形態によれば、ねじれ刃の刃先の一部分(両端以外)を用いてスカイビング加工を行っている。このため、直線刃と異なり、2軸制御で行ってもよい。2軸制御の場合、X軸(切り込み方向)、Z軸(回転軸)のみを制御すればよく、Y軸(接線方向)は制御しなくてもよい。このように、ねじれ刃の刃先の一部分がワークへの食いつき点から他点まで切り込みが増えることを使用するため、2軸制御でスカイビング加工が可能になる。それゆえ、一般的な二軸制御の旋盤工作機械でもスカイビング加工を行うことが可能な加工技術を提供することができる。
(Action and effect)
As described above, according to this embodiment, skiving is performed using a portion of the cutting edge of the helical blade (other than both ends). Therefore, unlike a straight blade, it may be performed using two-axis control. In the case of two-axis control, it is necessary to control only the X-axis (cutting direction) and the Z-axis (rotation axis), and it is not necessary to control the Y-axis (tangential direction). In this way, skiving is possible using two-axis control because the cutting depth of a portion of the cutting edge of the helical blade increases from the point where it bites into the workpiece to another point. Therefore, it is possible to provide a machining technology that enables skiving to be performed even on a general two-axis controlled lathe machine tool.
(第6の実施形態)
第6の実施形態では、ワークの外周面を切削する加工を例として、ミルスカイビング加工が一般的な切削加工よりも振動が小さくなることを説明する。一般的な切削加工と比較をするため、座標軸の取り方が第1乃至第5の実施形態と異なることに留意していただきたい。被削材料は直径8.5mmのS45Cを使用する。切削条件は、切削速度を35m/min、送り速度を1回転当り0.05mm、切込み量は0.4mm、また切削油剤は使用しない。エンドミル201のねじれ角は30°である。
Sixth Embodiment
In the sixth embodiment, we will explain how mill skiving reduces vibration compared to general cutting processes, using the cutting of the outer peripheral surface of a workpiece as an example. Please note that the coordinate axes are set differently from those in the first to fifth embodiments in order to compare with general cutting processes. The workpiece material used is S45C steel with a diameter of 8.5 mm. The cutting conditions are a cutting speed of 35 m/min, a feed rate of 0.05 mm per rotation, a depth of cut of 0.4 mm, and no cutting fluid. The helix angle of the end mill 201 is 30°.
図24は、第6の実施形態に係る切削力の成分を説明するための図である。ここでは、図15(a)で説明した一般旋削用のサーメット工具400を一般的な切削工具として用いる(Turningと表示)。ワークW1はX軸方向に保持されており、N方向に回転可能である。一般切削工具400はワークW1の外周面を切削するために、X軸方向の送り量fで切削加工を行う。各切削分力は、主分力がFz、背分力がFy、送り分力がFxと表すことができる。黒矢印は3つの分力の合成を示し、切削力と言える。一般切削工具400は、16mm角の鋼製バイトにノーズR0.4mmの仕上げ用の超硬チップである。 FIG. 24 is a diagram illustrating the components of cutting forces according to the sixth embodiment. Here, the general-purpose turning cermet tool 400 described in FIG. 15( a) is used as the general cutting tool (labeled "Turning"). The workpiece W1 is held in the X-axis direction and can rotate in the N-axis direction. The general-purpose cutting tool 400 performs cutting at a feed rate f in the X-axis direction to cut the outer surface of the workpiece W1. The cutting force components can be expressed as the principal force Fz , the thrust force Fy , and the feed force Fx . The black arrow indicates the combination of the three force components, which can be considered the cutting force. The general-purpose cutting tool 400 is a 16 mm square steel bit equipped with a finishing carbide tip with a nose radius of 0.4 mm.
図25は、第6の実施形態に係るねじれ刃を用いたスカイビング加工を説明するための図である。図25(a)は工作機械のチャック310がワークW1を保持している状態を示す。ワークW1は丸い棒の形状をしている。工作機械全体が不図示である点は図3と同様であるが、チャック310はワークW1をX軸周りに回転可能に保持している。そして、工作機械がチャック310を回転させることによって、ワークW1も回転する。図25(a)では、エンドミル201がワークW1の裏側に隠れているため、点線で表している。エンドミル201は図8で説明した通り、ねじれ角30°の2枚刃の市販製品である(Mill skivingと表示)。 Figure 25 is a diagram illustrating skiving using a helix blade according to the sixth embodiment. Figure 25(a) shows the state in which the chuck 310 of the machine tool is holding the workpiece W1. The workpiece W1 has a round rod shape. As with Figure 3, the entire machine tool is not shown, but the chuck 310 holds the workpiece W1 so that it can rotate around the X-axis. When the machine tool rotates the chuck 310, the workpiece W1 also rotates. In Figure 25(a), the end mill 201 is hidden behind the workpiece W1, so it is represented by a dotted line. As explained in Figure 8, the end mill 201 is a commercially available two-blade product with a helix angle of 30° (labeled Mill skiving).
図25(b)は、エンドミル201がワークW1の外径を切削する状態を示す断面図である。X軸は、ワークW1の回転軸であり、エンドミル201の送り量を定めることができる。Z軸は、切込み軸であり、エンドミル201の点Aから点Bまでを用いてワークW1を切込んでいる。また、Y軸は、X軸及びZ軸の双方に直交する方向であり、ワークW1の断面円の接線方向を示している。一般的な旋盤工作機械はX方向とZ方向の二軸だけで動くが、複合加工機の場合、Y軸も使うことになる。 Figure 25 (b) is a cross-sectional view showing the end mill 201 cutting the outer diameter of the workpiece W1. The X-axis is the rotation axis of the workpiece W1, and allows the feed rate of the end mill 201 to be determined. The Z-axis is the cutting axis, and the end mill 201 is used to cut into the workpiece W1 from point A to point B. The Y-axis is a direction perpendicular to both the X-axis and Z-axis, and indicates the tangent direction to the cross-sectional circle of the workpiece W1. A typical lathe machine tool moves only in the X and Z directions, but in the case of a multi-axis machine, the Y-axis is also used.
図26は、第6の実施形態との比較例(Turning)に係る切削力の成分のグラフである。ここで、各切削力は、Xが送り方向、Yは工具の軸方向、Zが下方向に正をとっている。一般切削加工の場合、主分力Fzが送り分力Fx及び背分力Fyよりも大きく、ワークW1が切込み軸方向Zに大きく振動する(又は、たわむ)原因になることが分かる。 26 is a graph of cutting force components for a comparative example (Turning) of the sixth embodiment. Here, for each cutting force, X is the feed direction, Y is the tool axial direction, and Z is the downward positive direction. In the case of general cutting, it can be seen that the principal force Fz is larger than the feed force Fx and the thrust force Fy , which causes the workpiece W1 to vibrate (or bend) significantly in the cutting axial direction Z.
図27は、第6の実施形態(ねじれ角30°のMill skiving)に係る切削力の成分のグラフである。ここで、各切削力は、Xが送り方向、Yは工具の軸方向、Zが下方向に正をとっている。XとYが工具(エンドミル)側に負荷する力に負の値をとり、送り分力Fx及び背分力Fyが一番大きくなっている。また、切り込みの増加によってZ方向の正の方向に一定の値の主分力Fzがでていることが分かる。 27 is a graph of cutting force components according to the sixth embodiment (mill skiving with a helix angle of 30°). Here, for each cutting force, X is the feed direction, Y is the axial direction of the tool, and Z is the downward direction, which are positive. X and Y are negative values for the forces applied to the tool (end mill), with the feed force Fx and thrust force Fy being the largest. It can also be seen that a constant principal force Fz is generated in the positive Z direction as the depth of cut increases.
ミルスカイビング加工の場合、一般切削加工と異なり、主分力(Z方向)が送り分力(X方向)及び背分力(Y方向)より小さくなることが分かる。 In the case of mill skiving, unlike general cutting processes, it can be seen that the principal force (Z direction) is smaller than the feed force (X direction) and thrust force (Y direction).
図28は、第6の実施形態(Mill skiving)に係る切込み量と切削力の成分を説明するための図である。ミルスカイビング加工の場合、切込み量(又は切込み深さとも言う)を大きくすると、送り分力(X方向)及び背分力(Y方向)も大きくなる。しかし、主分力(Z方向)はほぼ同じ大きさのままである。 Figure 28 is a diagram explaining the cutting depth and cutting force components for the sixth embodiment (mill skiving). In mill skiving, as the cutting depth (also known as the depth of cut) increases, the feed force (X direction) and thrust force (Y direction) also increase. However, the principal force (Z direction) remains approximately the same magnitude.
図29は、第6の実施形態との比較例(Turning)に係る切込み量と切削力の成分を説明するための図である。一般切削加工の場合、切込み量を大きくすると、送り分力(X方向)、背分力(Y方向)、及び、主分力(Z方向)の全てが大きくなる。特に、主分力(Z方向)が最も大きくなる。 Figure 29 is a diagram illustrating the cutting depth and cutting force components for a comparative example (Turning) compared to the sixth embodiment. In the case of general cutting, when the cutting depth is increased, the feed force (X direction), thrust force (Y direction), and principal force (Z direction) all increase. In particular, the principal force (Z direction) becomes the largest.
このように、図28(Mill skiving)の主分力(Z方向)は、図29(Turning)の主分力(Z方向)と異なり、切込み量を大きくしても、主分力(Z方向)はほぼ同じ大きさのままであり、ワークW1の回転軸中心方向への振動を抑えることができる。 As such, the principal component of force (Z direction) in Figure 28 (Mill skiving) differs from the principal component of force (Z direction) in Figure 29 (Turning). Even if the cutting depth is increased, the principal component of force (Z direction) remains roughly the same magnitude, and vibration of the workpiece W1 toward the center of the rotation axis can be suppressed.
図30は、第6の実施形態(Mill skiving)に係る仕上げ面と表面形状を説明するための図である。レーザ共焦点顕微鏡(KEYENCE VX-X100)により仕上げ面粗さを測定した。表面粗さは、Ra(算術平均粗さ)が0.881μmであり、Rz(最大高さ)が9.840μmである。 Figure 30 is a diagram illustrating the finished surface and surface shape for the sixth embodiment (mill skiving). The finished surface roughness was measured using a laser confocal microscope (KEYENCE VX-X100). The surface roughness was Ra (arithmetic mean roughness) of 0.881 μm and Rz (maximum height) of 9.840 μm.
図31は、第6の実施形態との比較例(Turning)に係る仕上げ面と表面形状を説明するための図である。表面粗さは、Ra(算術平均粗さ)が4.097μmであり、Rz(最大高さ)が27.33μmである。 Figure 31 is a diagram illustrating the finished surface and surface shape for a comparative example (Turning) compared to the sixth embodiment. The surface roughness is Ra (arithmetic mean roughness) of 4.097 μm and Rz (maximum height) of 27.33 μm.
このように、図30(Mill skiving)の表面は、図31(Turning)の表面と比べて、とても良好な仕上げ面を得られていることが分かる。 As can be seen, the surface in Figure 30 (Mill skiving) has a much better finish than the surface in Figure 31 (Turning).
図32は、第6の実施形態に係る残留応力を説明するための図である。ここでは、残留応力測定機(PULSREC μ-X360n)により、仕上げ面の軸方向(Axial direction)の残留応力を測定した。同図は、ミルスカイビング加工と一般旋削加工における残留応力を比較したものである。一般旋削加工では切れ刃先端部に引張の応力が発生し、切りくずと仕上げ面が分離される。そのため、この結果のように表面には引張の残留応力が発生しやすい。一方、ミルスカイビング加工では被削材の回転と工具の送りとともに徐々に切込みが与えられ、最終的に仕上げられる面の切込みが小さくなる。その結果、相対的に切りくず生成力よりも刃先の押込み力が大きくなる。また、切込みが最小切り取り厚さ以下になると切りくずは生成されずに、切れ刃が仕上げ面を押しならすように作用する。この結果、表層部の残留応力は圧縮となる。 Figure 32 is a diagram illustrating residual stress in the sixth embodiment. Here, residual stress in the axial direction of the finished surface was measured using a residual stress measuring device (PULSREC μ-X360n). The figure compares residual stress in mill skiving and conventional turning. In conventional turning, tensile stress occurs at the tip of the cutting edge, separating the chip from the finished surface. As a result, tensile residual stress is likely to occur on the surface, as shown here. On the other hand, in mill skiving, the depth of cut is gradually increased as the workpiece rotates and the tool feeds, resulting in a smaller depth of cut on the final finished surface. As a result, the cutting edge's pushing force is relatively greater than the chip-forming force. Furthermore, when the depth of cut falls below the minimum chip thickness, no chips are generated, and the cutting edge acts to smooth the finished surface. As a result, the residual stress in the surface layer becomes compressive.
(第7の実施形態)
第7の実施形態では、ワークの端面を切削する加工を例として、ミルスカイビング加工が一般的な切削加工よりも良好な仕上げ面を得られることを説明する。被削材料は直径35mmのS45Cを使用する。切削条件は、切削速度を35m/min、送り速度を1回転当たり0.1mm、切込み量は旋削では0.2mm、ミルスカイビングでは0.1mm、被削材の大径側から中心部まで端面に対して切削加工を行う。
Seventh Embodiment
In the seventh embodiment, we will use the cutting of the end face of a workpiece as an example to explain how mill skiving can produce a better finished surface than general cutting. The workpiece is made of S45C steel with a diameter of 35 mm. The cutting conditions are a cutting speed of 35 m/min, a feed rate of 0.1 mm per revolution, and a depth of cut of 0.2 mm for turning and 0.1 mm for mill skiving. The end face of the workpiece is cut from the large diameter side to the center.
図33は、第7の実施形態との比較例に係る端面切削を説明するための図である。ここでは、第6の実施形態と同様、一般旋削用のサーメット工具400を一般的な切削工具として用いる(Turningと表示)。工作機械のチャック310がワークW1を回転可能に保持し、一般切削工具400が、ワークW1の端面(End Surface)ESを切削する。 Figure 33 is a diagram illustrating end surface cutting in a comparative example to the seventh embodiment. Here, as with the sixth embodiment, a cermet tool 400 for general turning is used as the general cutting tool (labeled "Turning"). The chuck 310 of the machine tool rotatably holds the workpiece W1, and the general cutting tool 400 cuts the end surface ES of the workpiece W1.
図34は、本発明の第7の実施形態に係る端面切削を説明するための図である。第6の実施形態と同様、エンドミル201をミルスカイビング加工工具として用いる(Mill skivingと表示)。工作機械のチャック310がワークW1を回転可能に保持し、エンドミル201が、ワークW1の端面ESを切削する。 Figure 34 is a diagram illustrating end face cutting according to the seventh embodiment of the present invention. As with the sixth embodiment, an end mill 201 is used as a mill skiving tool (labeled "Mill skiving"). The chuck 310 of the machine tool rotatably holds the workpiece W1, and the end mill 201 cuts the end face ES of the workpiece W1.
図35は、第7の実施形態(Mill skiving)に係る仕上げ面と表面形状を説明するための図である。レーザ共焦点顕微鏡(KEYENCE VX-X100)により仕上げ面粗さを測定した。表面粗さは、Ra(算術平均粗さ)が0.452μmであり、Rz(最大高さ)が4.824μmである。 Figure 35 is a diagram illustrating the finished surface and surface shape for the seventh embodiment (mill skiving). The finished surface roughness was measured using a laser confocal microscope (KEYENCE VX-X100). The surface roughness was Ra (arithmetic mean roughness) of 0.452 μm and Rz (maximum height) of 4.824 μm.
図36は、第7の実施形態との比較例(Turning)に係る仕上げ面と表面形状を説明するための図である。表面粗さは、Ra(算術平均粗さ)が0.918μmであり、Rz(最大高さ)が7.63μmである。 Figure 36 is a diagram illustrating the finished surface and surface shape for a comparative example (Turning) compared to the seventh embodiment. The surface roughness is Ra (arithmetic mean roughness) of 0.918 μm and Rz (maximum height) of 7.63 μm.
このように、図35(Mill skiving)の表面は、図36(Turning)の表面と比べて、とても良好な仕上げ面を得られていることが分かる。 As can be seen, the surface in Figure 35 (Mill skiving) has a much better finish than the surface in Figure 36 (Turning).
図37は、第7の実施形態に係る残留応力を説明するための図である。ここでは、残留応力測定機(PULSREC μ-X360n)により、仕上げ面の軸方向(Axial direction)の残留応力を測定した。同図は、ミルスカイビング加工と一般旋削加工における残留応力を比較したものである。一般旋削加工では第6の実施形態(外周面加工)と異なり、切れ刃先端部に引張の応力が発生せずに、切りくずと仕上げ面が分離される。そのため、この結果のように表面には圧縮の残留応力がわずかに発生しやすい。一方、ミルスカイビング加工では被削材の回転と工具の送りとともに徐々に切込みが与えられ、最終的に仕上げられる面の切込みが小さくなる。その結果、相対的に切りくず生成力よりも刃先の押込み力が大きくなる。また、切込みが最小切り取り厚さ以下になると切りくずは生成されずに、切れ刃が仕上げ面を押しならすように作用する。この結果、表層部には圧縮の残留応力が大きく発生する。 Figure 37 is a diagram illustrating residual stresses in the seventh embodiment. Here, residual stress in the axial direction of the finished surface was measured using a residual stress measuring device (PULSREC μ-X360n). The figure compares residual stresses in mill skiving and conventional turning. Unlike the sixth embodiment (peripheral surface machining), conventional turning does not generate tensile stress at the cutting edge, and chips are separated from the finished surface. As a result, slight compressive residual stresses tend to occur on the surface, as shown in this result. On the other hand, in mill skiving, the depth of cut is gradually increased as the workpiece rotates and the tool is fed, resulting in a smaller depth of cut on the final finished surface. As a result, the cutting edge's pushing force is relatively greater than the chip-forming force. Furthermore, when the depth of cut is below the minimum chip thickness, no chips are generated, and the cutting edge acts to smooth the finished surface. As a result, significant compressive residual stress occurs in the surface layer.
なお、通常のスカイビング加工は直線刃を用いるため、ねじれ刃と異なり、被削材の大径側から中心部までの端面切削加工ができない点に留意していただきたい。すなわち、被削材が十分に細い場合であっても、直線刃を用いると、単に端面を薄く切断するだけである点に留意していただきたい。 Please note that because regular skiving uses a straight blade, unlike a helical blade, it is not possible to cut the end face of the workpiece from the large diameter side to the center. In other words, even if the workpiece is sufficiently thin, using a straight blade will simply result in a thin cut at the end face.
以上、本発明の実施形態について説明してきたが、これらのうち、2つ以上の実施例を組み合わせて実施しても構わない。あるいは、これらのうち、1つの実施例を部分的に実施しても構わない。 The above describes embodiments of the present invention, but two or more of these examples may be combined and implemented. Alternatively, one of these examples may be implemented partially.
また、本発明は、上記発明の実施形態の説明に何ら限定されるものではない。特許請求の範囲の記載を逸脱せず、当業者が容易に想到できる範囲で種々の変形態様もこの発明に含まれる。 Furthermore, the present invention is in no way limited to the above-described embodiments. Various modifications within the scope of the claims and within the scope that can be easily conceived by a person skilled in the art are also included in the present invention.
100、101、102、103 切削工具
110、110’、111、112、113、114 ねじれ刃
120、121 シャンク
130、131 クランプ
140、141 ネジ
200、201 エンドミル
210、211 底刃の逃げ溝
220、221 底刃
230、231 フルート
300 工作機械
310 チャック
320、321 刃物台
400 一般旋削工具
W1、W2 ワーク
100, 101, 102, 103 Cutting tool 110, 110', 111, 112, 113, 114 Helical cutting edge 120, 121 Shank 130, 131 Clamp 140, 141 Screw 200, 201 End mill 210, 211 End cutting edge relief groove 220, 221 End cutting edge 230, 231 Flute 300 Machine tool 310 Chuck 320, 321 Tool post 400 General turning tool W1, W2 Workpiece
Claims (13)
前記スカイビング加工の切削方向に、前記ねじれ刃の切れ刃がねじれ、
前記ねじれ刃の切れ刃は、前記切削方向の第1点と第2点の方位角が異なることを特徴とするスカイビング加工工具。 A skiving tool having a twisted blade used for skiving,
The cutting edge of the helical blade is twisted in the cutting direction of the skiving process ,
A skiving tool characterized in that the cutting edge of the helical blade has different azimuth angles at a first point and a second point in the cutting direction .
スカイビング加工に用いるねじれ刃を有するスカイビング加工工具を取り付ける刃物台と、を備え、
前記ねじれ刃の送り量を前記第1の軸方向に設定し、
前記ねじれ刃の切込み量を、前記第1の軸方向と直交する第2の軸に設定する工作機械を用いるスカイビング加工装置であって、
前記スカイビング加工の切削方向に、前記ねじれ刃の切れ刃がねじれていることを特徴とするスカイビング加工装置。 a chuck for rotatably holding the workpiece on the first axis;
A tool rest for mounting a skiving tool having a twisted blade used for skiving,
a feed amount of the twist blade is set in the first axial direction;
A skiving processing device using a machine tool that sets the cutting amount of the twist blade to a second axis perpendicular to the first axis direction,
A skiving device characterized in that the cutting edge of the helical blade is twisted in the cutting direction of the skiving.
スカイビング加工に用いるねじれ刃を有するスカイビング加工工具を取り付ける刃物台と、を備える工作機械を用いるスカイビング加工方法であって、
前記ワークを前記チャックに固定し、
前記チャックを回転し、
前記スカイビング加工工具を第1の軸に合わせ、
前記ねじれ刃の送り量を前記第1の軸方向に設定し、
前記ねじれ刃の切込み量を、前記第1の軸方向と直交する第2の軸に設定することによって、前記スカイビング加工工具は、前記スカイビング加工を行い、
前記スカイビング加工の切削方向に、前記ねじれ刃の切れ刃がねじれていることを特徴とするスカイビング加工方法。
a chuck for rotatably holding the workpiece on the first axis;
A skiving method using a machine tool including a tool rest to which a skiving tool having a twisted blade used for skiving is attached,
The workpiece is fixed to the chuck;
Rotating the chuck;
Aligning the skiving tool with a first axis;
a feed amount of the twist blade is set in the first axial direction;
The cutting amount of the twisted blade is set to a second axis perpendicular to the first axial direction, so that the skiving tool performs the skiving process,
A skiving method, characterized in that the cutting edge of the helical blade is twisted in the cutting direction of the skiving.
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