JP4290005B2 - 鋳型のフライス切削方法 - Google Patents

Description

本発明は、結合材を含有する鋳物砂からなる耐熱鋳型を製造、あるいは試作モデルの内側輪郭を製造するための方法および工具に関し、特に鋳物材料からなる試作モデルを迅速に製造する際の鋳型の加工に大きな体積と深い型彫りが得られる方法および工具に関する。

深い型彫りを伴う鋳型の製造は、ＤＥ １９５４４５７３Ｃ１に記載の従来技術によれば、規格化された工具の選択によって可能になる階層技術が必要になる。ＤＥ １９５４４５７３Ｃ１は、所定または場合によっては変動する壁厚をもつ板状の未加工品を基礎構造または先に加工された未加工品に次々に平面的に接合し、各層を、下から上に向いたフライス工具によってその層を切削すべき数値制御プログラムに従って、層の下方に向いた側面から上方へ加工することを前提としている。従って、仕上げ加工は、板状の材料層から連続して行なわれる。常に比較的薄い均質な層を加工すればよいので、所定の材料の切削データは最適化することができる。特に、層厚が一定で同じ材料の場合、切削パラメータが常に同じということになる。

接着剤の適用と層の接着のための付加的な出費は、層の構築の際の累増する誤差を避けるためには不都合である。各輪郭加工の前または後に、自由側面は、平面フライスによって予め定められた距離量にされる。外縁には、次の未加工品を接合面に正確に位置合わせし、先に加工された未加工品に接合するための支持領域が必要になる。

このように、規格化されたフライス工具を適用する場合、高速加工という利点が、逆に部分的に相殺される。規格化されたフライス工具は、通常、直径が６mmで突出長が最大で２４mmのボールヘッドを有する。従って、直径-長さ比は、１:４から最大で１:８になる。このように直径-長さ比が比較的小さいため、加工は必然的に単一の層になる。

鋳型形成における高速加工によって、非常に高い表面品質が達成できるので、多くの場合、続く仕上げ加工工程は、総てまたは部分的に無くなる。こうして、寸法誤差と形状誤差および表面品質に関して要求される最終形状精度に適合する表面が製造できる。特に、鋳型の形状が複雑な場合、より速い送り速度による高速加工の際の主要時間は、相当低減できる。ボールヘッドフライスの場合、表面の粗度は、予め与えられた工具直径によって決まる。より小さいコーナー半径は、トーラスフライスによって達成できるが、このトーラスフライスは、ターンオーバープレートのための掴み要素が原因で、寸法と質量が本質的により大きくなる。

他方、切削速度は、高速加工では通常の加工領域における場合の５〜１０倍になるので、使用するフライス工具への要求が高まる。高速加工用のフライス工具は、大きな遠心力荷重を受ける。周速が速くなるに伴って、通常の加工では重要性が低かった工具のアンバランスについても考慮しなければならない。回転数が高まると、工具のアンバランスによって、本来の掴み力以上の力が生じる。このような理由から、特にターンオーバープレート工具における構造上の設計によって、高速加工への適用は制限される。切削速度の上昇に伴って、高温と激しい摩耗によって工具費が増大する。
実際、冒頭で述べた規格化されたフライス工具は、満足できる結果を達成できないことが明らかになった。これは、先ず第１に、高い回転速度において発生する遠心力によって生じる工具の荷重によって引き起こされる。一方、バランスをとった中実の工具は、通常、臨界的な挙動を示さず、特に質量および直径の大きいターンオーバープレートをもつ従来の形状の工具には、遠心力は殆ど生じない。このような背景から、高速加工に適した工具が必要とされる。
ドイツ国特許ＤＥ１９９２８８４０Ｃ１では、鋳型のフライス加工に、細いシャンクと平らな切削刃を有するシャンク工具が用いられている。切削刃は、鋼,耐摩耗鋼または適切な耐摩耗材料からなる平らで好ましくは厚さが0.2〜1mmの半加工品を打ち抜き加工した部材である。上記シャンク工具は、シャンクおよび切削刃の寸法が小さい関係上、外径が小さい。切削刃の外周断面が、シャンク断面の明らかに外側に位置するので、送り速度が速くなると、周方向に振動や回転振れが生じる可能性がある。従って、フライス削りでの送りは、制限内に抑えなければならない。それ故、大きな鋳型を製作する際の経済性に悪影響が及ぶ。切削刃の制限のないブラケット長(直径/長さ比)と遅い送り速度のため、上記シャンク工具は、特に仕上げ削りに適している。

本発明は、鋳型材料、特に結合材を含有する鋳物砂からなる耐熱鋳型の深い型彫りを伴う製造における効率を向上できる方法を提供することを目的とする。

（その解決方法）
本発明によれば、上記課題は、請求項１の特徴をもつ方法および請求項２の特徴をもつフライス工具によって解決される。本発明の更なる有利な構成は、下位の請求項で明らかになる。

（従来技術より有効な効果）
本発明の方法によれば、直接の鋳型材料-フライス加工によって鋳型を安価かつ短時間に製造することができる。長く突出するフライス工具によって、セッティングにおける鋳型の完全な加工が可能になり、層毎の接着なしで迅速に鋳型,モデル,試作モデルを製造することができる。従って、鋳型全体の精度を、今まで知られなかった具合に本質的に高めることができる。フライス工具の切削刃は、さらに小さなコーナー半径で形成することができ、その結果、鋳型において複雑な輪郭を極めて高い精度で形成することができる。工具の軸は、高い細長比を有する。フライス工具のこのような特徴によって、従来の工具が近づけなかった深い位置にある小さな鋳型部分においても複雑な輪郭を形成することができる。新しい切削材料を用いることによって、速い送り速度でもって切削速度を最大にでき、製造時間を著しく短縮し、表面品質を改善することができる。

次に、本発明を、添付の図面を参照しつつ実施形態によって詳細に説明する。
図１には、鋳型材料のブロックが示され、このブロックは、深い位置にある輪郭２をもつ鋳型１の部材として加工される。深い位置にある輪郭２は、図２に示される。鋳型１の定義には、鋳物砂特に結合材を含有する鋳物砂からなる耐熱鋳型が含まれる。他の適用分野は、例えば黒鉛電極である。

鋳型１は、通常、少なくとも２つの半割鋳型あるいは複数の鋳型部材からなり、これらは、鋳造技術で用いられる中子と一緒に完全な鋳型に組み立てられる。鋳型１の製造には、まず、鋳型材料または結合材を含有する鋳物砂から鋳型材料ブロックが作られ、この鋳型材料ブロックは、通常、寸法的には半割鋳型に相当する。鋳型１の高さ、従って鋳型材料ブロックの厚さは、深い位置にある輪郭２を加工するフライス工具の突出長によって概ね決まる。深い位置にある輪郭２の加工は、図２に示す仕上げフライス３によって行なわれ、この仕上げフライスは、３００〜４００mmの最大突出長を有する。こうして、鋳型空洞深さは４００mmに達し、個々の鋳型層を接着剤で接着することを回避することができる。しかし、この方法は、半割鋳型の製造に限定されるものではない。むしろ、この方法の助けで個々の鋳型材料ブロックは、所定の寸法に加工でき、より大きい鋳型１に組み立てられることができる。

鋳型１の加工は、一般に幾何学的形状の粗仕上げと仕上げとに細分される。この２つのステップでの異なる要求によって、粗仕上げおよび仕上げの双方に対して、特別の加工方法が目的に適う。

粗仕上げの目的は、鋳型を続く仕上げ工程に適合させるべく、大きな材料体積を経済的かつ迅速に加工することである。図１によれば、まず、鋳型１の内側輪郭が、鋳型空洞の内壁の輪郭から所定距離隔てた寸法で、粗削り工具４の形態のフライス工具によって仕上げられる。粗仕上げ工具４を用いた幾何学的形状に適合した入念な粗削りによって、粗仕上げ加工は、大きな送り速度と速い切削速度でもって、必要かつ少ない量に減じられる。

フライス工具は、さらに詳しくは述べない高速スピンドルによって高い回転数で駆動される。フライス工具は、工具ホルダが高い剛性をもち、システムに対する大きな緩衝能をもつ高回転数に適したチャック５によって取り付けられる。ここで、圧力ばめ技術または焼ばめ技術を用いたチャックシステムが適する。振動緩衝能の不足は耐久寿命に悪影響を及ぼすので、振動緩衝能の高いチャックシステムを用いるのがより好ましい。

他方、図２に示す仕上げフライス３については、近づきにくい鋳型領域にフライスにとって最適な条件を作るために、細長い工具ホルダをもつチャック５を用いるのがより好ましい。粗削りフライスに対しては、大きな掴み荷重と横荷重を受けるために、非常に剛なチャックシステムを用いることができる。チャック作用は、一般に工具ホルダの弾性変形に基づいている。これとは逆に、圧力ばめ技術または焼ばめ技術に代えて可動部材を備えた同様のコレットを用いることができる。対称な構成と最適な慣性品質は、高い円軌道精度とフライス結果の改善のための条件として、チャック手段の選択の際に重要である。コレットホルダでは、軸の端部は工具軸７のチャック軸６でもって直接コレットに固定できる一方、圧力ばめ技術または焼ばめ技術では、図１に示すように、工具軸７から突出し、かつ、工具ホルダに適合したアダプタ軸８の構成が備えられる。

図１の鋳型ブロックのフライス加工は、有効切削直径が１２〜４０mmの粗削り工具４を用いて行なわれる。上記切削直径は、鋳型１を経済的に製造するためには、３０〜３５mmであるのが好ましい。粗削り工具の軸直径は、このように仕上げフライス３の軸直径よりも概ね大きい。これは、工具軸の外直径が、切削板９が受ける切削板９の自由掴み長さに依存する曲げ応力と関連しているからである。

粗削りフライス加工の後に、図２に示す仕上げフライス３を用いた鋳型空洞の仕上げ加工が行なわれる。仕上げフライス加工では、仕上げフライス３により、寸法取りされた鋳型材料をならいを用いて迅速に仕上げ切削し、仕上げフライス３は、既述のチャックホルダに装着され、高回転数で駆動される。

さらに、仕上げフライス加工は、鋳型斜面のあるまたはない鋳型のフライス切削および予仕上げ切削と仕上げ切削を包含する。仕上げ切削には、粗削り工具４よりも有効工具直径が小さく、直径-長さ比が１:１０〜１:３０、好ましくは１:１３〜１:２５の後述する仕上げフライス３が用いられる。最後に、鋳型１は、鋳型材料の表面を仕上げ切削され、鋳型空洞に分離剤(パーティングコンパウンド)を塗布して平滑にされる後処理を施されて、組み立ておよび鋳造工程に備えられる。

図３〜図６には、粗削り工具４または仕上げフライス３の形態の高速フライス加工に必要なフライス工具が、工具軸７が薄い壁厚のスリーブ体で構成されているという共通点で特徴づけられている。この工具軸７は、バランスがとられていて、アンバランスを回避すべく回転対称に形成されている。工具軸７は、１つまたは複数の切削板９あるいは羽根状の埋め金をもつ切削ヘッド１１を端面に備えている。工具軸７は、反対側の端部領域のスリーブ面に、平滑な円筒軸をもつ掴み軸６を備え、この掴み軸６は、それ自身十分な剛性を有して、コレットホルダによってモータ軸に固定できる。

掴み軸６は、剛性を高めるべく例えば圧力ばめ技術を用いて、スリーブ内面の領域に工具ホルダに装着すべく圧力ばめで嵌め込まれた軸体１２を備えて、補強されている。これにより、掴み軸６は、チャック５に直接装着できる。工具軸７の直径をチャック５の予め与えられた寸法に適合させるため、モータ軸の工具ホルダに適合し、軸体１２をもつ工具軸７から突出したアダプタ軸８を備えることができる。こうして、予め与えられたチャック５に適用できる外直径の異なる工具軸７をもつフライス工具が適用できるようになり、このフライス軸は、各加工課題に適合している。

軸直径の増加に伴って生じる質量の増加を減じるべく、図５の工具軸７の壁厚は、その回転軸に沿って端面に向かって先細りに形成することができる。工具軸７の先細りは、切削板９の軌道円直径が、アダプタ軸８をもつ軸体１２の領域における工具軸７の最大外直径よりも大きくなるように形成される。壁厚の先細りは、原理的に内直径が一定で円錐状に延びあるいは段を付けたスリーブ外面によって簡単かつ正確に形成することができる。

これに対して、機能的な特性の向上は、外直径が一定の円筒状のスリーブ外面と、掴み軸６と端面１３との間に円錐状または下方に向かって拡大する非円筒状のスリーブ内面とを備えた工具軸７によって達成される。ここで、掴み軸６の領域でのスリーブの拡大は、端面１３の領域におけるスリーブの拡大よりも小さくなっている。この解決策の利点は、切削ヘッド１１の領域において工具軸７の質量が相当少ないことである。

切削ヘッド１１は、硬質金属板から切り出された切削板９を備え、この切削板は、工具軸７のスリット１４に形状ロック的(係合)または摩擦力ロック的(圧入)に連結されている。切削板９は、コーティングされてもよく、あるいは高速度鋼やセラミックやサーメットから作ることもできる。切削板９は、略１〜３mmの厚さの板状の材料から電蝕(ワイヤ放電加工)によって切り出すことができる。切削板９の掴み輪郭は、固定方法の都合に合わせる。切削板９の形状と配置によって、切削方法の経済性は、有利に影響されうる。

図３に示すような仕上げフライス３は、軌道円直径が６〜１２mmの切削板９を備えている。軌道円直径は、８〜１０mmであるのが好ましい。コーナー半径１５は、１mmから直径の半分までであり、これによって小さい外縁半径をもつ鋳型も実現できる。切削ヘッド１１への切削板９の固定は、例えば収縮ばめなどの摩擦力ロック的嵌め込み(圧入)によって行なわれ、これによって、取り扱いが簡単なので切削板９の交換の際に組立て費用を削減できる。工具軸７は、１:１０〜１:３０、より好ましくは１:１３〜１:２５の直径-長さ比を有する。

図４によれば、工具軸７の端面１３に直径方向に設けられたスリット１４に、切削板９を部分的に装着すれば、切削板９の円軌道精度および緩衝能を高めることができる。切削板９はスリット１４に形状ロック的に配置され、かつ、材料ロック的(接着剤)に固定されて、自由突出長が減少する。円軌道精度の更なる向上は、図５に示す工具軸７の円錐状の延在によって可能になる。幾何学的形状によって生じるこの利点に加えて、切削板９のより長い耐用寿命によって更なる利点が生じる。

図５の粗削り工具４では、切削板９の工具軸７への嵌め込み長さは、減じられて、切削板９の軌道円直径よりも僅かに小さくなっている。切削板９の板厚に依存して、工具軸７の直径は、切削板９の直径よりも４mm〜８mmだけ小さくなっている。切削体の軌道円直径の寸法は、１２mm〜４０mmであり、好ましくは３０mm〜３５mmである。工具軸７の直径-長さ比は、１:３.５〜１:１１である。スリット１４に形状ロック的に配置された図６の切削板９は、軸直径を略４mmだけ小さく選ぶことができる。

図１は、粗仕上げフライスを用いた鋳型加工による方法の部分断面図である。 図２は、仕上げフライスを用いた鋳型加工を示す図である。 図３は、摩擦力ロッキングで固定された切削板をもつ仕上げフライスを示す図である。 図４は、形状ロッキングで保持された切削板をもつ仕上げフライスを示す図である。 図５は、摩擦力ロッキングで固定された切削板をもつ粗仕上げフライスを示す図である。 図６は、形状ロッキングで保持された切削板をもつ粗仕上げフライスを示す図である。

符号の説明

１ 鋳型
２ 深い位置にある輪郭
３ 仕上げフライス
４ 粗削り工具
５ チャック
６ 掴み軸
７ 工具軸
８ アダプタ軸
９ 切削板
１１ 切削ヘッド
１２ 軸体
１３ 端面
１４ スリット
１５ コーナー半径

Claims (5)

1. 結合材を含有する鋳物砂からなる耐熱鋳型の製造方法であって、
   a) 結合材を含有する鋳物砂からなり、３００mm〜４００mmの鋳型空洞深さに相当する寸法を有する鋳型材料のブロックを製造するステップと、
   b) 上記鋳型材料の内側輪郭を、鋳型空洞の内壁の輪郭から近い所定間隔を隔てた寸法取りで、高速スピンドルによって高回転数で駆動される送り速度の大きい粗仕上げ工具(4)によって粗仕上げ切削するステップであって、上記粗仕上げ工具(4)は、薄い壁厚のスリーブ体として形成され、バランスをとられた回転対称体をなし、端部に切削ヘッド(11)を有し、反対側の端部の軸領域に掴み軸(6)を有する工具軸(7)を備え、上記切削ヘッド(11)は、硬質金属板から切り出され、工具軸(7)の端部に存するスリット(14)に形状ロック的または摩擦力ロック的に装着された少なくとも１つの切削板(9)を有し、この切削板(9)は、有効切削直径が１２mm〜４０mm、好ましくは３０mm〜３５mmであり、上記工具軸(7)は、直径-長さ比が１:３.５〜１:１１であるようなステップと、
   c) 上記寸法取りされた鋳型材料を、仕上げフライス(3)を用いて、ならいを使った仕上げ切削を迅速に行なうことによって、上記鋳型空洞を仕上げ切削するステップであって、上記仕上げフライス(3)は、高速スピンドルによって高回転数で駆動されるとともに、薄い壁厚のスリーブ体としてバランスをとった回転対称体に形成された工具軸(7)を備え、この工具軸(7)は、端部に１つまたは複数の切削ヘッド(11)を、反対側の端部の軸領域に掴み軸(6)を夫々有し、上記切削ヘッド(11)は、硬質金属板から切り出され、上記工具軸(7)の端部に存するスリット(14)に形状ロック的または摩擦力ロック的に装着された少なくとも１つの切削板(9)を有し、この切削板(9)は、有効切削直径が上記粗仕上げ工具(4)に比して減じられ、上記工具軸(7)は、直径-長さ比が１:１３〜１:２５であるようなステップと、
   d) 仕上げ削りによって上記鋳型材料の表面を後処理し、かつ、パーティングコンパウンドによって上記鋳型空洞を研磨するステップを備えたことを特徴とする製造方法。
2. 請求項１に記載の製造方法において、上記ステップb)およびc)は、上記鋳型材料のブロックのセッティング中に、粗削り工具(4)または仕上げフライス(3)を用いて行なわれ、これら粗削り工具(4)または仕上げフライス(3)は、モータ軸の工具ホルダに嵌め込むために、上記スリーブの外面領域に掴み軸(6)としての平滑な円筒軸が形成され、上記スリーブの内面領域にプレスばめで嵌め込まれた軸体(12)が形成されて、補強されていることを特徴とする製造方法。
3. 請求項２に記載の製造方法において、上記ステップb)は、粗削り工具(4)を用いて行なわれ、上記掴み軸(6)は、モータ軸の工具ホルダに嵌め込むために、上記スリーブの外面領域に掴み軸(6)としての平滑な円筒軸が形成され、上記スリーブの内面領域にプレスばめで嵌め込まれた軸体(12)が形成されて、補強されており、上記軸体(12)は、工具軸(7)から突出し、かつ、モータ軸の工具ホルダに適合したアダプタ軸(8)を備えていることを特徴とする製造方法。
4. 請求項３に記載の製造方法において、上記ステップb)は、粗削り工具(4)を用いて行なわれ、上記工具軸(7)の壁厚は、この工具軸の回転軸に沿って上記端面(13)に向かって先細りに形成され、この工具軸(7)の先細りは、切削体の軌道円直径が、上記アダプタ軸(8)をもつ軸体(12)の領域における工具軸(7)の最大外直径よりも大きくなるように形成されていることを特徴とする製造方法。
5. 請求項３に記載の製造方法において、上記ステップb)は、粗削り工具(4)を用いて行なわれ、上記工具軸(7)は、外直径が一定の円筒状のスリーブ外面と、少なくとも上記掴み軸(6)と端面(13)との間の領域に円錐状または下方に向かって拡大する非円筒状のスリーブ内面とを備え、掴み軸(6)の領域におけるスリーブの拡大は、端面(13)の領域におけるスリーブの拡大よりも小さくなっていることを特徴とする製造方法。

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