JP2008242620A - ワーク加工方法及び加工プログラム - Google Patents

Abstract

【課題】 湾曲面上にエッジ線を有するワークを効率よく短時間で加工することを可能にするワーク加工方法、及びそれをコンピュータで実行するためのプログラムを提供する。
【解決手段】 内方に湾曲する円弧形状の切刃を有する円柱状の回転工具により、ワークの外方に湾曲したエッジ線を有する外方湾曲部を切削加工する方法であって、前記工具を前記ワークの外方湾曲部の目標製品形状の中心線（ＣＬ）に沿って移動させてワークを加工するとき、目標製品形状をその中心線（ＣＬ）上で所定のピッチをとって切る面と前記目標製品形状の湾曲面部との交線に、工具の中心線（４ｃ）を通る面で工具の先端部を切ってできる形状線を重ね合わせながら、前記工具の中心線上の先端点（４ｂ）を算出し、該先端点の位置を工具座標位置を示すＮＣデータとして工具による加工を行う。
【選択図】 図４

Description

本発明は、例えば３〜５軸の数値制御工作機械のようなＮＣ工作機械を用いて、湾曲した面上に曲線状のエッジのあるワークを加工する方法、及びそれをコンピュータで実行するためのプログラムに関する。

従来、プレス金型のようなワークの加工面は、ＸＹＺ直交３軸の数値制御工作機械である３軸ＮＣマシニングセンタの主軸ヘッドに装着されたボールエンドミル等の工具により加工されている（例えば、下記特許文献１）。

この３軸ＮＣ工作機械の場合、ボールエンドミルの軸方向は、常に一定方向（例えば、鉛直方向）になっていて、ボールエンドミルは、ワークの外方に湾曲した面に対して、その湾曲面の稜線方向に移動してワークを切削する。次に、湾曲面の円弧方向にステップ送りされて、そのステップ送りされた位置から、再び稜線方向に移動してワークを切削するという手順を繰り返して、ワークのほぼ全面を切削加工するようになっている。

或いは、５軸ＮＣ工作機械でワークを加工する場合には、ボールエンドミルがワークの加工面に対して常に垂直になるように制御を行ってワークを加工する。
特許第３２２４１８４号公報

しかしながら、図１に示すように、ワーク１がその湾曲した角部２に沿って曲線状に延びたエッジ（以下、エッジ線という）３を有する場合、図示しないボールエンドミルでエッジ線３を切削して湾曲角部２を丸く滑らかにするためには、ボールエンドミルはワーク１の湾曲角部２に対して、エッジ線３の方向に移動してワーク１を切削し、次にエッジ線３に垂直な方向にステップ送りされて、そのステップ送りされた位置から再びエッジ線３の方向に移動してワーク１を切削するという手順を繰り返すことで、湾曲角部２を滑らかに形成する。このため、ボールエンドミルは長い距離を移動することとなって、加工時間が長くかかり、結果として加工コストが上昇するという問題があった。

本発明は、このような状況に鑑み、上記のように湾曲面上にエッジ線を有するワークを効率よく短時間で加工することを可能にするワーク加工方法、及びそれをコンピュータで実行するためのプログラムを提供することを目的とする。

本発明は、内方に湾曲する円弧形状の切刃を有する円柱状の回転工具により、ワークの外方に湾曲したエッジ線を有する外方湾曲部を切削加工する方法であって、前記工具を前記ワークの外方湾曲部の目標製品形状の中心線（ＣＬ）に沿って移動させて前記ワークを加工するとき、前記目標製品形状を前記中心線（ＣＬ）上で所定のピッチをとって切る面と前記目標製品形状の湾曲面部との交線に、前記工具の中心線（４ｃ）を通る面で前記工具の切刃を有する先端部を切ってできる形状線を重ね合わせながら、前記工具の中心線上の先端点（４ｂ）を算出し、該先端点の位置を工具座標位置を示すＮＣデータとして前記工具による加工を行うことを特徴とする。

本発明によれば、ワークの外方湾曲面を、この外方湾曲面の円弧の半径より半径の大きい円弧の内方湾曲面を有する回転工具で切削ないし研削（荒削りから研磨までを含む）する際、ワーク外方湾曲面を、回転する工具の内方湾曲面、すなわち、周速の速い面で切削乃至研削することが可能となるので、加工面精度を向上できると共に加工時間を短くできるという効果が得られる。その結果、作業者による仕上げ手作業の負担を大幅に軽減することができる。

本発明のワーク加工方法において、前記目標製品形状を前記中心線（ＣＬ）上で切る面と前記湾曲面部との交線を演算し、該交線を等分した中点（Ａ）から該交線に垂直な方向に前記工具の先端部の内湾曲部の半径（Ｒ）だけ離れた点（Ｂ）を求め、この点（Ｂ）から前記両点を結ぶ線分（ＡＢ）に所定の角度で交差する方向に前記工具の先端部の半径（ｒ）だけ離れた点を前記工具の中心点（４ｂ）とすることが好ましい。

また、前記目標製品形状を前記中心線（ＣＬ）上で切る面は、該中心線上の前記ピッチ毎の各点と、前記湾曲面部の外側輪郭線（Ｌo）上の前記ピッチ毎の各点と、前記湾曲面部の内側輪郭線（Ｌi）上の前記ピッチ毎の各点との３点を求め、この３点を通る平面とすることができる。

或いは、前記目標製品形状を前記中心線（ＣＬ）上で切る面は、該中心線上で前記ピッチ毎の点を求め、この点において該中心線に垂直な法線と該中心線の接線とを求めて、該法線を含み且つ該接線に垂直な平面とすることができる。

更に、本発明によれば、内方に湾曲する円弧形状の切刃を有する円柱状の回転工具により、ワークの外方に湾曲したエッジ線を有する外方湾曲部を切削加工する方法を実施するＮＣ工作機械を、コンピュータで制御するためのプログラムであって、前記工具を前記ワークの外方湾曲部の目標製品形状の中心線（ＣＬ）に沿って移動させて前記ワークを加工するとき、前記目標製品形状を前記中心線（ＣＬ）上で所定のピッチをとって切る面と前記目標製品形状の湾曲面部との交線に、前記工具の中心線（４ｃ）を通る面で前記工具の切刃を有する先端部を切ってできる形状線を重ね合わせながら、前記工具の中心線上の先端点（４ｂ）を算出し、該先端点の位置を工具座標位置を示すＮＣデータとして前記工具による加工を、前記ＮＣ工作機械に実行させることを特徴とするコンピュータプログラムが提供される。

本発明は、自動車等の滑らかな湾曲面を有する内燃機関の吸排気弁の当たり面の製造に適用して好適である。

以下で説明する本発明の実施形態では、図１に示すようなワーク１の湾曲角部２を切削するための工具として、図２に示すように、内方に湾曲する円弧形状の切刃４ａを有する回転加工工具（Ｒカッターとも称される）４が用いられる。この工具４は、図示しない３〜５軸ＮＣ工作機械のヘッド部の回転部材に取り付けられ、工具モータにより、図の一点鎖線で表される中心線４ｃを中心としてその周りに高速で回転駆動される。

工具４の切刃４ａを規定する円弧は、この場合、四分の一円（中心角９０度）であり、その半径をＲとする。また、工具４の軌跡（工具経路又は加工経路という）は、中心線４ｃ上の工具先端４ｂの軌跡として定義され、この工具先端の軌跡データが、工具軌跡データ（いわゆるＣＬデータ）として、ＮＣ工作機械に導入される。

上記の工具４によって加工されるワーク１の湾曲角部２の切削部分は、図３に示す形状を有する。すなわち、ワーク１は、湾曲角部２を切削することで最終製品の形状（以下、「目標製品形状」という）１０を有するものとなるが、その湾曲面部１１上の中心線（図では破線で示す）ＣＬは、工作機械の制御部に格納されている設計プログラムＣＡＤが中心線として認識する線分であり、製品の設計段階で、湾曲面部１１の曲面を形成する際にＣＡＤが自動的に、或いはオペレータが指示して、湾曲面部１１を構成するデータとして設定される。図３において、Ｌoは湾曲面部１１の外側輪郭線、Ｌiは湾曲面部１１の内側輪郭線を示す。

図４は、工具４の先端部とこれによって切削加工されるワーク１の湾曲面部との関係を示す。この場合、工具４は、先端部の切刃４ａをワーク１の湾曲面部の中央位置に接触させたとき、その側面が湾曲面部１１の内側輪郭線Ｌiの位置よりも外側になるように、先端部の半径ｒが大きい形状のものが用いられる。詳細は後述する。

図５は、本発明の実施形態に係るＮＣデータ作成システム２１の構成を示している。このＮＣデータ作成システム２１は、ＮＣデータ作成部２２を有している。ＮＣデータ作成部２２には、データベース２３、２４からそれぞれワーク加工用の工具形状データＴd、目標製品形状のワーク形状データＷdが供給される。

ＮＣデータ作成部２２は、これら供給されたデータに基づき、工具４の先端４ｂの軌跡データ（ＣＬデータ）である５軸ＮＣデータを作成する。作成された５軸ＮＣデータは、データベース２５に格納される。なお、データベース２３、２４、２５は、それぞれハードディスク等の記憶手段であるが、１個の記憶手段を共用する構成にしてもよい。

ＮＣデータ作成部２２は、コンピュータであり、中央処理装置（ＣＰＵ）と、この中央処理装置に接続されるＩ／Ｏポート、システムプログラム等が書き込まれた読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、処理データを一時的に保存等するランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、本発明の方法を実施するために必要な５軸ＮＣデータを作成するコンピュータプログラムその他のアプリケーションプログラムが書き込まれたメモリ、デジタイザ用のタブレット３２、マウス３４、キーボード３３及びボリュームスイッチ３５等の入力装置、ディスプレイ３１、図示しないプロッタやプリンタ等の出力装置を備えている。

本発明の方法を実施する際には、加工対象のワーク１に対する回転工具４の先端４ｂの軌跡データ（工具軌跡データ）を求め、これに従ってＮＣ工作機械の加工動作を、次のように制御する。

図６は、実施形態のコンピュータプログラムに従って実行される加工方法の手順を示すフローチャートである。図において、ＳＴはステップを表す。なお、特に断らない限り、制御主体はＮＣデータ作成部２２である。

初めに、データベース２４から製品の形状を表すワーク形状データＷdを取り込む（ＳＴ１）。

次に、データベース２３から工具の形状を表す工具形状データＴdを取り込む（ＳＴ２）。

次に、製品形状と工具形状のモデルを重ね合わせる（ＳＴ３）。これは、製品形状モデル空間に工具形状モデルを登場させ、該モデル空間上で工具形状モデルを自由に移動できるようにする。ここで、前述（図３）のように、目標製品形状１０の湾曲面部１１上の中心線ＣＬは、上記モデル空間上の曲線でＣＡＤが中心線として認識する線分であり、目標製品形状として上記モデル空間に設定される。

次に、目標製品形状１０をどの箇所で断面視するかを決めるため、湾曲部の断面解析頻度を以下のようにして決める（ＳＴ４）。「断面解析頻度」とは、目標製品形状１０の湾曲面部１１の仮の加工長（加工軌跡の長さ）をどのくらいの間隔（ピッチ）で断面視するかをということであり、湾曲面部１１上の中心線ＣＬにおける移動のピッチ（線分の長さ）で表される。この決め方は２通りある。

１つは、ピッチを例えば１ｍｍとして、湾曲面部１１を切る断面を算出する方法である。具体的には、上記加工長が30 ｍｍであれば、加工の開始点と終了点をそれぞれ通る断面上の２箇所と、その開始点と終了点の間の１ｍｍピッチ毎の２９箇所との合計３１箇所の断面で、実際の加工軌跡を求める。

もう１つは、湾曲面部１１の仮の加工長の５％（すなわち1/20）をピッチとして断面を算出する方法である。この場合、加工の開始点と終了点をそれぞれ通る断面上の２箇所と、その開始点と終了点の間の５％ピッチ毎の１９箇所との合計２１箇所の断面で、実際の加工軌跡を求めることになる。

いずれにしても、生産工程の設定段階でオペレータが、ＣＡＤ実行プログラムに従って上記のピッチ（値）を入力することで設定される。

上記ステップ４で設定された断面位置で目標製品形状１０を切る面を算出する（ＳＴ５）。その方法も、上記の２通りのピッチの決め方に応じて、２通りある。

第１の方法は、ピッチが１ｍｍの場合、加工長が30 ｍｍであれば、ピッチＰを1/30＝0.033＝3.3％として、図３に示した目標製品形状１０の湾曲面部１１の中心線ＣＬ上のピッチＰ毎の各点と、湾曲面部１１の外側輪郭線Ｌo上のピッチＰ毎の各点と、湾曲面部１１の内側輪郭線Ｌi上のピッチＰ毎の各点との３点（各組）を求め、この３点を通る平面を、目標製品形状１０を切る断面（断面視する面）とする。

第２の方法は、ピッチが加工長の５％の場合、ピッチＰを５％として、図３に示すように、目標製品形状１０の湾曲面部１１の中心線ＣＬ上でこのピッチＰ毎の点ｎを求め、この点ｎにおいて中心線ＣＬに垂直な法線ベクトルＮnと該中心線ＣＬの接線ベクトルＴnとを求めて、法線ベクトルＮnを含み且つ接線ベクトルＴnに垂直な平面Ｖnを、目標製品形状１０を切る断面（断面視する面）とする。

次に、工具の先端位置及び姿勢を計算する（ＳＴ６）。これは、目標製品形状１０を断面視する面と湾曲面部１１との交線に、工具中心線４ｃを通る平面で工具先端部を切ってできる形状線（輪郭）を重ね合わせながら、工具中心線４ｃ上の先端点４ｂを算出することである。

具体的には、図３に示すように、上記ステップ５で求められた平面（目標製品形状１０を断面視する面）Ｖnと湾曲面部１１との交線５０を演算する。なお、このステップ以降で求める線分や点は、目標製品形状１０を断面視する平面上すなわち２次元で求められるものである。図４に示すように、交線５０を算出すると、この交線（線分）５０を正しく等分した中点Ａから、交線５０に垂直な、工具から離間する方向に、工具先端部の内湾曲部４ａの半径Ｒだけ離れた点Ｂを求める。この点Ｂから、線分ＡＢに４５度の角度で交差する方向、すなわち工具の方に向かって工具先端部の半径ｒだけ離れた点を求め、これを工具の中心点４ｂとする。この点４ｂから、線分Ｂ−４ｂに垂直に交差する方向に延びる直線を求めると、これが工具中心線４ｃとなる。この工具中心線４ｃ上の先端点４ｂが、５軸ＮＣ工作機械に対する移動指令で指示される工具座標位置を示すＮＣデータとして求められる。そして、工具中心線４ｃを示すベクトルの向きが工具の姿勢を表し、工具座標位置と共にＮＣデータとなる。

なお、上記の具体例では、線分ＡＢに４５度の角度で交差する方向に工具の中心点４ｂを求めたが、その角度を３０度にすると、工具は製品の方に傾いた状態となり、６０度にすると、工具は製品から離れて傾いて寝た状態となる。すなわち、工具と製品の材質或いは工具の周速によってワークに対する加工負荷が決定され、それにより工具の姿勢が定められる。

上記のようにステップ５で求められた目標製品形状１０を断面視する面Ｖnと湾曲面部１１との交線５０は、湾曲面部１１の面モデルを断面に投影してできる曲線であり、速く容易に演算できる。また、求める線分や点は、目標製品形状１０を断面視する２次元平面上で求められるから、演算部の負担が少なくてすむ。

以上のように、移動指令が指示するＮＣデータとしての工具座標位置と工具姿勢を求める演算が所定回数に達するまで行われ（ＳＴ７）、それが完了したとき、得られた結果を５軸のＮＣ工作機械のＮＣデータに変換し、データベース２５に格納する作業（ＳＴ８）を行って終了する。

上述の実施形態によれば、Ｒカッターで外方湾曲面を有するワークを加工する際の工具軌跡データを容易に作成することができる。また、部分湾曲面毎に加工が行えるので、加工時間の短縮化が図れ、かつ回転する工具の先端部の内湾曲形状は周速度が速いので、その輪郭でワークを切削ないし研削することにより、加工面の面精度を向上でき、その上、作業者による仕上げ手作業の負担を大幅に軽減することができる。

本発明は、上述の実施形態に限らず、外方湾曲面を有するワークの目標形状に応じて適宜改変し得るものである。

外方湾曲部にエッジ線を有するワークの例を示す図。 図１のワークに対して切削加工を行う回転工具の先端部を示す図。 ワークの切削部分の湾曲面部を示す図。 本発明の方法により切削加工されるワークの外方湾曲部と回転工具との位置関係を示す図。 本発明の方法を実施させるＮＣデータ作成システムの構成を示す図。 本発明の実施形態に係る加工方法の手順を示すフローチャート。

符号の説明

１…ワーク、２…湾曲角部、３…エッジ線、４…工具、１０…目標製品形状、１１…湾曲面部、２１…ＮＣデータ作成システム、２２…ＮＣデータ作成部、２３、２４、２５…データベース。

Claims (5)

1. 内方に湾曲する円弧形状の切刃を有する円柱状の回転工具により、ワークの外方に湾曲したエッジ線を有する外方湾曲部を切削加工する方法であって、
   前記工具を前記ワークの外方湾曲部の目標製品形状の中心線（ＣＬ）に沿って移動させて前記ワークを加工するとき、前記目標製品形状を前記中心線（ＣＬ）上で所定のピッチをとって切る面と前記目標製品形状の湾曲面部との交線に、前記工具の中心線（４ｃ）を通る面で前記工具の切刃を有する先端部を切ってできる形状線を重ね合わせながら、前記工具の中心線上の先端点（４ｂ）を算出し、該先端点の位置を工具座標位置を示すＮＣデータとして前記工具による加工を行うことを特徴とするワーク加工方法。
2. 請求項１記載のワーク加工方法において、
   前記目標製品形状を前記中心線（ＣＬ）上で切る面と前記湾曲面部との交線を演算し、該交線を等分した中点（Ａ）から該交線に垂直な方向に前記工具の先端部の内湾曲部の半径（Ｒ）だけ離れた点（Ｂ）を求め、この点（Ｂ）から前記両点を結ぶ線分（ＡＢ）に所定の角度で交差する方向に前記工具の先端部の半径（ｒ）だけ離れた点を前記工具の中心点（４ｂ）とすることを特徴とするワーク加工方法。
3. 請求項１又は２記載のワーク加工方法において、
   前記目標製品形状を前記中心線（ＣＬ）上で切る面は、該中心線上の前記ピッチ毎の各点と、前記湾曲面部の外側輪郭線（Ｌo）上の前記ピッチ毎の各点と、前記湾曲面部の内側輪郭線（Ｌi）上の前記ピッチ毎の各点との３点を求め、この３点を通る平面とすることを特徴とするワーク加工方法。
4. 請求項１又は２記載のワーク加工方法において、
   前記目標製品形状を前記中心線（ＣＬ）上で切る面は、該中心線上で前記ピッチ毎の点を求め、この点において該中心線に垂直な法線と該中心線の接線とを求めて、該法線を含み且つ該接線に垂直な平面とすることを特徴とするワーク加工方法。
5. 内方に湾曲する円弧形状の切刃を有する円柱状の回転工具により、ワークの外方に湾曲したエッジ線を有する外方湾曲部を切削加工する方法を実施するＮＣ工作機械を、コンピュータで制御するためのプログラムであって、
   前記工具を前記ワークの外方湾曲部の目標製品形状の中心線（ＣＬ）に沿って移動させて前記ワークを加工するとき、前記目標製品形状を前記中心線（ＣＬ）上で所定のピッチをとって切る面と前記目標製品形状の湾曲面部との交線に、前記工具の中心線（４ｃ）を通る面で前記工具の切刃を有する先端部を切ってできる形状線を重ね合わせながら、前記工具の中心線上の先端点（４ｂ）を算出し、該先端点の位置を工具座標位置を示すＮＣデータとして前記工具による加工を、前記ＮＣ工作機械に実行させることを特徴とするコンピュータプログラム。
   

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