JP2012513309A - 工具システムモジュールの製造方法 - Google Patents
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Abstract
本発明は、特にDIN69893による、円筒状ブランクが中空テーパシャンク（HSK）を具備する軸方向の一端に搭載されている工具システムモジュール、例えば、ろう付け刃（例えば、PKD、CBN、又は硬質金属）を持つ工具のようなもの、の製造方法に関する。選択された機能領域は、硬化工程を受けている。前記の方法の硬化ステップは、誘導硬化方法に従って行われ、工具システムモジュールの連続的な製造プロセスラインに統合されている。
Description
本発明は、工具システムモジュールの製造方法に関し、特に、例えば、中空テーパシャンク（HSK）、特にDIN69893に従った中空テーパシャンクを有する軸方向の一端部に円筒状のブランクが装備されている、回転駆動される金属切削用の特殊な工具に関する。
いわゆるHSKインターフェイスは、最近、工具チャッキングにおいて、ますます普及している。このインターフェイスは、DIN69893にて標準化されており、インターフェイスを介して接続された工具や工具システムモジュールが放射状に個々に正確に配置され、個々に高いトルクがレセプタクルと接続されている工具システムモジュールとの間に伝えることができることを特徴とする。非常に高いレベルの摩擦錠は、中空テーパシャンク（HSK）の内部でチャッキング要素と共に標準化された中空テーパシャンクの設計によって、片側に提供されたテーパ側面の全体及び付加的に提供された平坦な接触面上にわたって、生じる。DIN69893-5に従った構造Eを除いてほとんどの場合、工具のレセプタクルのシャンクの端の2つのスロットナットは、工具に噛合い、このように、ぴったりと合って且つ規定された放射状の位置決めを確保する。
従来のいわゆる「急勾配のテーパ」と比較して、機械加工領域にその間に広く分布を発見された中空シャンクインターフェイス（HSK）は、精度、剛性、及び、非常な高速のための適合性の面で特定の利点を有し、高速な工具交換が可能という更なる利点も有する。しかしながら、HSKインターフェイスの特殊な設計上の特徴から、製造中に、インターフェイスの全体の使用範囲で、有限な運搬能力を超えないことを非常に正確に確保する必要がある。さらに、これは、いっそう困難になるのは、例えば、もしも、中空テーパシャンクが、工具上に（例えば、腐食や研削されたプレート台座を持つ工具、又は、ろう付け刃（PKD、CBN、ハードメタル（HM））を持つ工具上に）直接に実装されている場合、焼入・焼戻又は肌焼鋼のような特殊な材料しか使用できないので、かなりの製造費用がかかる。
また、特に重要なのは、中空テーパシャンクの歪み、特に工具シャンクへの過渡領域における中空テーパシャンクの歪みは、シャンク長さが異なるという原因だけで、既に工具によって変わることである。使用されている工具に応じて、切削抵抗により誘発される曲げトルクは、中空テーパシャンクの耐横力能力が工具の刃の突出長さの関数として相対的に強く変化するように、変化する。インターフェイス設計のねじり疲労強度は、インターフェイスの成功のための必須条件である。
実際の金属切削プロセスにおいて、インターフェイスは、長期間にわたって伝えられて耐えられるねじりトルクを低減する動的な励起を受けている。したがって、重要なのは、HSKインターフェイス用のコンポーネントの製造時に、許されない寸法の偏差がコンポーネントの耐用寿命にわたって生じないように、非常に正確な寸法で、機能的に噛合う機能面を作成することである。このため、特に、DIN69893には、表面の硬化を実行する必要がある点を規定している。
従来の製造プロセスでは、まず、工具鋼製の円筒状のブランクは、中空テーパシャンクを形成するために所定の余剰を持って処理される。それから、この半完成品は、金属切削プロセスから取り出して、硬化のために、多くの場合外部へ、提供される。その後、HSK領域において硬化した工具は、金属切削製造プロセスに戻って導入され、最終的な寸法に機械加工される。
このプロセスは時間とコストがかかるという事実を無視して、次のことを示されている。
中空テーパシャンクは、工具の使用中に、時々、折れ、多くの場合に、材料破壊の原因を説明することができない。一つの問題は、工具、それから、中空テーパシャンクのために複数の材料を使用されなければならないので、硬化後の金属切削製造プロセスに戻って導入されたコンポーネントに関して、断面上の微細構造の分布を「観察」することができない。したがって、例えば中空テーパシャンクの機能面の研削のような、その後の仕上げ加工中で、耐疲労強度と割れ感受性の面で有害になりうる材料の熱歪みが発生しうる。
従って、本発明は、耐用寿命と品質とが向上した中空テーパシャンク（HSK）を作成することが可能となる工具システムモジュール、特に、例えば、金属切削用の特殊な工具の製造方法を提供するという目的に基づいている。
この目的は、請求項1の特徴によって達成される。
本発明によれば、その方法は、2つの主な新たな特徴点を特徴とする。中空テーパシャンクの選択された機能的な領域は、誘導硬化法にかけられる。一方、方法における硬化工程は、工具システムモジュールの連続した製造プロセスラインと統合される。
これらの処置によって、時間だけでなく、費用も、節約される。特別の利点は、特に、微細構造又は硬化のキズを効果的に防止することができるという点である。製造プロセスへ統合することにより、特殊鋼を混同させることや、例えば不十分な又は過度に深い硬化を実行することや、アンダハードニングを実行することなどの処理の誤りをするのが、殆ど不可能になる。前記の特別の利点による結果としては、各自のストレスのために中空テーパシャンクの材料を処理することが可能になるように、硬化深さではなく、一方で、加熱深さも、誘導硬化法によって、プロセスにおいて、精密的に制御することができるということである。このように、特に、微細構造の割れ感受性を実質に大幅に改善することが可能であるが、同時にまた、境界クールスポットの発生を防止することも可能である。
本発明の有利な改良は、従属請求項の主題である。
請求項2に記載の方法の改良を使用すると、特に信頼性の高い加工の結果を持つ精密機械加工が結果として生じる。このように、リードタイムの短縮と、さらに、最小なスペース要求と、簡単な設定、修理、及び製造ラインの維持とが、結果として生じる。最後に、製造プロセスにおいて、エラー源の数が減少される。被加工物のブランクの機械加工は、通常、原料向けの方法で実行される。製造プロセスラインにおける製造プロセスへの統合によって、中空テーパシャンクの各自の提供材料に硬化プロセスを適応する期間中、エラーが実質的に防止される。被加工物のより小さな変形は、さらに、誘導硬化の期間中に生じるので、硬化前の中空テーパシャンクの寸法は、これまで必要とされたものよりも小さく抑えることができる。これによって、硬化の深さを、1/10mmの範囲まで、より正確に制御する可能性が結果として生じ、これにより、より延性のある材料の微細構造の形成のために、より大きい断面を残すことになる。
このように、HSK(例えば、HSK-A32から、HSK-A100まで)のすべての一般的な直径と、すべての一般的な工具モジュールの長さか工具の長さに関して、DIN69893-1及びISO12164-1(例えば、VDMAユニットシート番号の34181に指定されているように)に従ったHSKインタフェース(フォームA、B、及びC)の限界負荷容量を確かに維持できる。
誘導硬化を製造工程に統合するには、例えば、誘導加熱処理のための設備であるフライブルク市にあるEFD Induction GmbH社製の「HardLine」内に、例えば、記述したように、硬化用のロボットを使用して動作することが有利である。同様に、スイスのウェッチンゲン市にあるPlustherm Point GmbH社に市販されている硬化プロセスモジュールユニットを使用して動作することが可能である。
特に良好な結果が、請求項3の改良によって達成することができる。中空テーパシャンクの特定の表面領域は、境界層硬化のみにつけられるため、コアの微細構造は、この部分にて実質的に影響なしのままにする。被加工物は、一種類の「熱の蓄積効果」が発生するように、硬化温度までいわゆる硬化ゾーンで加熱される。言い換えれば、単位時間に当たり、被加工物の中央に向かって流れるエネルギーよりも、多くのエネルギーが硬化ゾーンに供給される。このように、コアの微細構造は、影響なしのままにすることができ、いわゆる「表皮効果」のさらなる利点は、誘導硬化時に利用される。ヒステリシス損失によるエネルギー供給が直線的に上昇するが、抵抗加熱によるエネルギー供給は、周波数の二乗で増加する。被加工物の表面上の電流密度も、周波数の上昇とともに増加する（表皮効果）。このため、電流の侵入深さは、周波数に依存する。誘導加熱中に単位時間あたりに供給できるエネルギー量は、硬化温度で保持する時間により及び急冷までの時間遅延によって硬化深さが広い範囲で変化できるように、炎焼硬化の場合の約10倍の大きさである。
電流の理想的な侵入深さについては、次の式（１）を考慮して、熱の導入の適切な選択を通じて、すなわち、誘導硬化プロセスのパラメータの対象となる制御を介して、所望の微細構造が、より高い処理速度と処理精度で、中空テーパシャンクのすべての特定の箇所で最適に設定することができる。
ただし、
Δ = 侵入深さ
ρ = 特定の抵抗 [Ω・mm2/m]
μr = 比透磁率
f = 周波数 [Hz]。
Δ = 侵入深さ
ρ = 特定の抵抗 [Ω・mm2/m]
μr = 比透磁率
f = 周波数 [Hz]。
請求項5に記載の改良によると、硬化プロセスは、有利には、そこに期待される長期的な歪みに対して、微細構造に関して中空テーパシャンクの少なくとも選択された領域を適応させるために、材料のさらなる処理と組み合わされる。そして、基本的には、誘導硬化は、すべての従来の方法、そして、例えば、シース硬化の方法またはライン硬化法に従って実行することができる。いわゆるシース硬化では、硬化しようとする表面は、完全に加熱し、その後急冷する。対照的に、ライン硬化では、加熱源と急冷スプレーとを、連続して結合する。同様に、組合せ方法を使用して動作させることも可能である。また、所望の微細構造の分布を達成するために、特定の構造の各中空テーパシャンクに統合されたスプレーユニットの有無にかかわらず、別の誘導子ヘッドを関連付けることが有利であり得る。
誘導硬化可能な任意の鋼、特に十分な炭素含有量（好ましくは0.35〜0.7％）を有する調質鋼、工具鋼、不錆鋼、又はころ軸受鋼などは、工具システムモジュールのための材料として用いることができる。適切な鋼のリストについては、例えば、Industrieanzeiger誌特別号第83号の第52〜53頁に掲載した論文である「Partielle Harte/Randschichtharten lasst Kemgefuge unbeeinflusst（部分的に硬化/境界層のセキュリティ強化はコアの微細構造の葉には影響を受けず）」, Dipl. Ing. U. Reese, Bochumに記載されている。また、さらなる材料は、例えば、材料の指定名称のC45、C35、42CrMo4、C60、56NiCrMoV7、X38CrMoV5-1、16MnCr5、16MnCrS5、31CrMoV9、又はX38CrMoV5-1などの調質鋼、指定名称の50NiCr13に従った工具鋼、又は、60MnSiCr4のような様々な種類のステンレス鋼である。
誘導子の構造のために、様々な可能性も考慮される。従って、例えば、内部フィールドを有する環状誘導子や、内面又は中空テーパシャンクの内面の選択された領域の硬化のための外部フィールドを有する環状誘導子などを使用することができる。硬化の手続きは、全表面誘導子を使用するかまたは線形誘導子を使用して、局部的に実行することもできる。
硬化深さは、広い範囲内、好ましくは0.05mmから数mmまでの範囲内で制御することができる。誘導硬化に適している鋼は、DIN17212から選択することができる。
製造プロセスへの統合のため、特に中央マシンコントローラによってすべての処理変数を制御できるので、高い反復精度を持つ製造方法が、結果として生じる。さらに、テスト方法を、中空テーパシャンクの製造プロセスにも統合することも可能であり、それにより、硬化プロセス後に、選択された領域の硬度を確保する。
本発明は、以下の図面に基づいてより詳しく説明される。
図1は、DIN69893-1（2003年5月）による指定名称のHSK-A100に従った中空テーパシャンク10のスケーリングされた図を示している。ここで、中空テーパシャンク（HSK）は、チャッキングスレッドと共に腐食や研削された板台座を持つ回転駆動される金属加工工具上、プレスされた板台座上、又は、PKD、CBN或いはハードメタル（HM）刃などによって形成されるろう付け刃を有する工具上に実装されている。しかしながら、強調すべきことは、中空テーパシャンクは、刃なしの工具ホルダーに、または、フランジや削減や拡張などのいわゆる「ベースレセプタクル」内に実装できる。最後に、この中空テーパシャンク（HSK）は、他のシャンクを有するプレート工具上に実装されることも可能である。
加工センターや、旋盤・ドリル・フライス・研削盤などの機械工具の動作スピンドルにおける、DIN69893-1のフォームA及びフォームCに従った中空テーパシャンクを持つ工具ホルダーを交換するための一般的な要求は、DIN69882-1に確立されている。関連する製品規格に指定されていない場合、使用される鋼材の引張強さは、少なくとも800N/mm2である。さらに、表面硬化セクションは、56+4 HRC又は590+80 HV30として指定されている。
この構造の中空テーパシャンク10の特別な特徴としては、図1〜図4においてA、B、C、D、及びEで表示される様々な機能面が、異なる歪みを受けることである。
半径方向の前面Aの上では、HSKインターフェイスの対照物と接触する軸方向平面固定接点が発生する。半径方向の面接点が、外側の円錐Bの領域で提供され、円錐とレセプタクルとの間の過剰によって、円錐部分における半径方向の弾性プレテンションが発生する。セクションCの領域では、スロットナット（図示せず）がフィットしてかみ合い、最大伝達可能トルクをさらに増加させる。
DIN69893-1によると、内部の顎部（図示せず）を介して、内部ウェッジ表面上に作用するクランプ力の少なくとも75％が、平坦な接触面Aに作用しなければならない。最後に、グリッパの溝の領域である領域Eにも、工具交換システムによる摩耗を小さく維持するために、特定の表面の品質が必要である。
すべての機能面A〜Eは、工具の耐用寿命にわたって過剰な摩耗が発生しないように、硬化されたものとして実装される。しかしながら、機能面A〜D又はEの領域において、好ましくは歪みに対し各断面が最適に増加するように硬化された表面を形成できるように、根本的に異なる歪みのプロファイルが提供されている。
速度の影響下にある張力の極大値は、通常、クランプベベルとシャンク内径との間の過渡半径12の領域、及び深い駆動スロット16のスロットベースの半径14の領域に形成される。HSKインターフェイスの速度制限は、とりわけ、支持レセプタクルの長さと、シャンクとレセプタクルとの間において半径方向の過剰と、レセプタクルの外形寸法とにより決定され、使用される各々金属切削システムにより決定される。従って、後の関連の利用分野に対して、中空テーパシャンク（HSK）10の製造プロセスがケースバイケースで適応されていることは、決定的である。
これは、誘導硬化方法により、セクションA〜Eの少なくとも選択された領域が表面硬化されることで、本発明に従って達成される。この場合、時間変動磁場によって金属材料に誘導される誘導渦電流が使用される。渦電流が通過する被加工物の領域は、そのオーム抵抗が原因で、加熱される。強磁性金属の場合には、ヒステリシス損失が原因で、加熱がさらに発生する。渦電流は、周波数の増加に伴い、ますます導体の表面（表皮効果）に集中していく。表皮効果と、磁場の強さが誘導子からの間隔の増加に伴い減少するという事実とにより、渦電流は、誘導硬化中に被加工物の境界層のみが硬化温度に加熱されるように、表面の層の近くに限定されている。
適切な磁束コンセントレータと誘導子の適切な設計を利用して、硬化処理が施される境界層の加熱を、必要に応じて変化させることができる。これは、その後の急冷、即ち、その後の熱の撤退の場合も同様である。境界層に対して硬化温度まで電気誘導加熱した後、冷却媒体で洗い流すスプレーを使用して急冷される。加熱中に、均一な混晶、即ちオーステナイトは、最初に提供されたセメンタイト‐フェライト結晶の混合物から形成される。セメンタイト（Fe3C）にバインドされていた炭素が原子的にオーステナイト中に溶解する。このように、次の冷却は、結晶変換後にも炭素が溶解したまま維持し、オーステナイトからパーライトとフェライトとへの変換が抑制されているように、非常に急速に起こる必要があり、これにより、硬化した微細構造のマルテンサイトが生じる。
本発明に係る方法のさらなる特徴は、工具や工具のシステムモジュールの連続的な製造プロセスラインに誘導硬化ステップを統合していることである。言い換えれば、材料パラメータと形状パラメータは、プロセス制御システムに入力される。このように、例えば誘導子操縦アームを有するロボットの形で、プロセスの硬化モジュールは、最初からまたはデータ転送を通して、このシステム固有のデータを入手できる。これに対応して、中空テーパシャンクの選択された位置に達成される微細構造の正確な値は、現在処理が施されている被加工物毎に確立される。これに対応して、各々決定的なポイントにおいてターゲットの微細構造が達成されるように、誘導子は、動きとアンペア数と周波数とに関して制御されることができる一方、急冷スプレーは、時間遅延と冷却電力とに関して制御されることができる。
これにより、例えば、図4に模式的に示すように、中空テーパシャンクの機能面の領域において硬さの深さTHを制御することは可能である。硬化微細構造と熱に影響されない領域との間の境界は、一点鎖線によって表記される。この硬さの深さTHが中空テーパシャンクの表面上において、広い範囲で変更できることが分かる。また、硬さの深さTHは、グリッパ溝Eの領域において比較的大きなものができるが、外側の円錐Bの領域において1/10mm範囲だけにある。また、硬さの深さTHは、ドライバースロットナット（図示せず）の係合のためのスロット16の領域においても、円錐面Dの領域と同様に、大きくなることができるが、過渡半径12の領域においては、完全に消えることができる。
言い換えれば、図4の二重矢印Qで表記された、表面硬化処理に影響されない材料の微細構造の面積は、必要とされる材料の延性を十分になくすために、後の工具の使用に期待される個々の張力曲線と歪み条件に応じて制御することができ、これにより、工具又は工具システムモジュールの寿命を再現性よく増加させることができる。
また、本発明に係る製造方法の設計を利用して、処理エラーを最小限に抑えることができることは明らかである。硬化工程が製造プロセスラインに組み込まれているため、幾何学と材料の微細構造とに関するパラメータは、すでに硬化工程の開始時にシステムに存在している。したがって、このようなデータの伝送エラーが防止される。これにより、硬化時の加工信頼性が目立って向上し、追加の利点は、さらに、適切な測定システムを介して、硬化される被加工体のそれぞれの既存の実際の寸法に対する硬化過程の微調整を行うことができることである。
もちろん、上記実施の形態からの変更は、本発明の要旨を離れず、可能である。従って、例えば、硬化過程は、さらなる熱処理工程と組み合わせることができ、それによって微細構造は制御されて、選択された領域に付加的に影響を受ける。
いわゆる磁束コンセントレータを使用することにより、材料への熱の導入は、隣接する領域ができるだけ少なく影響を受けるように発生することを確保することができる。これにより、広い範囲内において、微細構造の復元することを排除することができる。
このような磁束コンセントレータは、例えば線硬化中に、誘導子の軸方向の速度を等しく維持するために、時間制御された方法でも使用でき、プロセスを簡素化する。また、使用分野に応じて、硬さの深さTHは、広い範囲で変えることができる。その範囲は、0.05mmから、数mmの間にすることができる。
完全な処理のコンテキストでの硬化法の実行の代わりに、チャックにおいて、上記方法は、硬化プロセスが好ましくはデータに関して製造プロセスラインと結合されている処理モジュールで実行されるように、行われることが好ましい。
また、生産過程の範囲では、処理パラメータ、特に被加工物の表面温度、誘導子の電圧、周波数、及びパワーを連続的に検出するセンサを使用して作動して、それらを予め定義されたプロファイルによって規制するのも可能である。
従って、本発明は、特にDIN69893による、円筒状ブランクが中空テーパシャンク（HSK）を具備する軸方向の一端に搭載されている工具システムモジュール、例えば、ろう付け刃（例えば、PKD、CBN、又は硬質金属）を持つ工具のようなもの、の製造方法を提供する。選択された機能領域は、硬化方法を受けている。前記の方法の硬化ステップは、誘導硬化方法に従って行われ、工具システムモジュールの連続的な製造プロセスラインに統合されている。
Claims (8)
- 特にDIN69893による、選択された機能領域が硬化法を受けている、専門工具又は工具レセプタクルのような、円筒状ブランクが中空テーパシャンク（HSK）を具備する軸方向の一端に搭載されている工具システムモジュールの製造方法であって、前記方法の硬化ステップは、誘導硬化方法に従って行われ、前記工具システムモジュールの連続的な製造プロセスラインに統合されていることを特徴とする工具システムモジュールの製造方法。
- 前記誘導硬化方法のステップは、完全な処理の範囲内、好ましくはチャックにおいて、実行されることを特徴とする請求項1に記載の工具システムモジュールの製造方法。
- 中空テーパシャンク（HSK）の少なくとも選択された領域は、境界層硬化方法を受けることを特徴とする請求項1又は２に記載の工具システムモジュールの製造方法。
- 硬化の深さ（TH）は、硬化する中空テーパーシャンク（HSK）の箇所で提供されたそれぞれの断面の歪みプロフィールの関数として、制御されていることを特徴とする請求項1乃至３のいずれかに記載の工具システムモジュールの製造方法。
- 前記誘導硬化方法のステップは、さらなる熱処理ステップと組み合わされていることを特徴とする請求項1乃至４のいずれかに記載の工具システムモジュールの製造方法。
- 前記誘導硬化方法のステップは、少なくとも中空テーパシャンク（HSK）の選択された領域上で、シース硬化法に従って行われることを特徴とする請求項1乃至５のいずれかに記載の工具システムモジュールの製造方法。
- 前記誘導硬化方法のステップは、少なくとも中空テーパシャンク（HSK）の選択された領域上で、線硬化法に従って行われることを特徴とする請求項1乃至６のいずれかに記載の工具システムモジュールの製造方法。
- 硬化する中空テーパシャンク（HSK）のセクションの誘導加熱は、磁束コンセントレータを使用して実行されることを特徴とする請求項1乃至７のいずれかに記載の工具システムモジュールの製造方法。
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