JP2012135836A

JP2012135836A - 切削加工装置及び切削加工方法

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Publication number: JP2012135836A
Application number: JP2010290072A
Authority: JP
Inventors: Shuji Osaka; 修二大坂
Original assignee: KOGANEI SEIKI SEISAKUSHO KK
Current assignee: KOGANEI SEIKI SEISAKUSHO KK
Priority date: 2010-12-27
Filing date: 2010-12-27
Publication date: 2012-07-19
Anticipated expiration: 2030-12-27
Also published as: JP5647510B2

Abstract

【課題】加工スピードが速く高能率で、表面粗度の細かい加工を行う。
【解決手段】ワークヘッド部１３と、ワーク回転手段１４と、切削工具２５と、切削工具揺動手段と、切削工具回転手段と、切削工具２５をＸ軸方向及びＺ軸方向に移動する第１移動手段及び第２移動手段と、ワークヘッド部１３の回転角度を検知する回転角度検知手段と、切削工具揺動手段による揺動位置を検知する揺動位置検知手段と、ピストン素材４０の回転軸中心から切削工具２５までの距離を検知する第１移動位置検知手段と、ピストン素材４０の回転軸方向に対する切削工具２５の位置を検知する第２移動位置検知手段と、ピストン素材４０の外周面４０ａに対し切削工具２５によって荒削り切削と仕上げ切削を行い、荒削り切削と仕上げ切削では切削工具２５の切削面がピストン素材４０の面に対して異なる領域で接触するよう切削工具揺動手段の駆動を制御する制御部とを備えた。
【選択図】図１

Description

本発明は、ワークの加工面を加工する切削加工装置及び切削加工方法に関する。

従来の切削加工装置としては、特許文献１に開示されたものがある。この切削加工装置５０は、図７に示すように、ワーク側基台５１に設けられ、ワークであるピストン素材６０を着脱自在に装着するワークヘッド部５２と、ワークヘッド部５２を回転駆動するワーク回転手段５３と、切削工具側基台５４に設けられた切削工具５５と、切削工具５５をＣ軸を回転軸として回転駆動する切削工具回転手段５６と、ワークヘッド部５２を切削工具５５の近接・離間方向（Ｘ方向）に移動し、ピストン素材６０の回転軸中心から切削工具５５の切削面までの距離を可変する第１移動手段５７と、切削工具５５を第１移動手段５７の移動方向（Ｘ方向）の直交方向（Ｚ方向）に移動し、ピストン素材６０の回転軸方向に対する切削工具５５の切削面の位置を可変する第２移動手段５８とを備えている。

第１移動手段５７及びワーク回転手段５３の駆動制御によってピストン素材６０の全ての外周面を切削工具５５に対向配置でき、このワーク位置情報に対応する切削目標情報に基づいて第２移動手段５８を駆動制御することによって、所望の三次元形状に加工できる。又、切削工具回転手段５６によって切削工具５５が回転し、回転する切削工具５５によってピストン素材６０を切削するため、加工スピードが速く、高能率な加工ができる。

特開平５−８４６０２号公報

しかしながら、前記従来の切削加工装置５０では、切削工具５５でピストン素材６０の外周面を削るため、加工面の表面粗度が荒いという問題があった。

そこで、本発明は、加工スピードが速く高能率で、しかも、表面粗度の細かい加工ができる切削加工装置及び切削加工方法を提供することを目的とする。

本発明は、ワーク側基台に設けられ、ワークを装着するワークヘッド部と、前記ワークヘッド部を回転駆動するワーク回転手段と、切削工具側基台に設けられた切削工具と、前記ワークの加工面に対する前記切削工具の接触領域が可変するよう揺動できる切削工具揺動手段と、前記切削工具を回転駆動する切削工具回転手段と、前記ワークヘッド部と前記切削工具の少なくともいずれか一方を近接・離間方向に移動し、前記ワークの回転軸中心から前記切削工具の切削面までの距離を可変する第１移動手段と、前記ワークヘッド部と前記切削工具の少なくともいずれか一方を前記第１移動手段の移動方向の直交方向に移動し、前記ワークの回転軸方向に対する前記切削工具の切削面の位置を可変する第２移動手段と、前記ワークヘッド部の回転角度を検知する回転角度検知手段と、前記切削工具揺動手段による揺動位置を検知する揺動位置検知手段と、前記ワークの回転軸中心から前記切削工具の切削面までの距離を検知する第１移動位置検知手段と、前記ワークの回転軸方向に対する前記切削工具の切削面の位置を検知する第２移動位置検知手段と、前記ワークの面の各位置における、前記ワークの回転軸中心から前記切削工具の切削面までの目標距離情報を持ち、この目標距離情報となるよう前記ワークの面の全域を前記切削工具によって荒削り切削と仕上げ切削を行い、荒削り切削と仕上げ切削では前記切削工具の切削面が前記ワークの面に対して異なる領域で接触するよう前記切削工具揺動手段の駆動を制御する制御部とを備えたことを特徴とする切削加工装置である。

他の本発明は、ワーク側基台に設けられ、ワークを装着するワークヘッド部と、前記ワークヘッド部を回転駆動するワーク回転手段と、前記切削工具を回転駆動する切削工具回転手段と、切削工具側基台に設けられた切削工具と、前記ワークの加工面に対する前記切削工具の接触領域が可変するよう揺動できる切削工具揺動手段と、前記ワークヘッド部と前記切削工具の少なくともいずれか一方を近接・離間方向に移動し、前記ワークの回転軸中心から前記切削工具の切削面までの距離を可変する第１移動手段と、前記ワークヘッド部と前記切削工具の少なくともいずれか一方を前記第１移動手段の移動方向の直交方向に移動し、前記ワークの回転軸方向に対する前記切削工具の切削面の位置を可変する第２移動手段と、前記ワークヘッド部の回転角度を検知する回転角度検知手段と、前記切削工具揺動手段による揺動位置を検知する揺動位置検知手段と、前記ワークの回転軸中心から前記切削工具の切削面までの距離を検知する第１移動位置検知手段と、前記ワークの回転軸方向に対する前記切削工具の切削面の位置を検知する第２移動位置検知手段と、前記回転角度検知手段、前記揺動位置検知手段、前記第１移動位置検知手段及び前記第２移動位置検知手段の各検知情報を取得し、前記ワーク回転手段、前記切削工具回転手段、前記切削工具揺動手段、前記第１移動手段及び前記第２移動手段の駆動を制御する制御部とを備え、前記制御部は、前記ワークの面の各位置における、前記ワークの回転軸中心から前記切削工具の切削面までの目標距離情報を持ち、この目標距離情報となるよう前記ワークの面の全域を前記切削工具によって荒削り切削と仕上げ切削を行い、荒削り切削と仕上げ切削では前記切削工具の切削面が前記ワークの面に対して異なる領域で接触するよう前記切削工具揺動手段の駆動を制御することを特徴とする切削加工方法である。

本発明によれば、第２移動位置検知手段及び回転角度検知手段の検知情報より切削工具の切削面に対向するワークの全ての加工面の位置情報を得ることができ、これら位置情報における第１移動方向の目標情報に基づいて第１移動手段を制御することによってワークの加工面を所望の三次元形状に加工できる。この切削加工は、回転する切削工具によってワークを切削するため、加工スピードが速く、高能率な加工ができる。切削工具の切削面を荒削り加工領域と仕上げ加工領域に区分けし、先ず荒削り加工領域で荒削りを施し、その後に仕上げ加工領域で仕上げ加工をすれば、仕上げ加工を荒削りでダメージを受けてない領域で行うことにより、ワークの加工面を表面粗度の細かいものに加工できる。以上より、加工スピードが速く高能率で、しかも、表面粗度の細かい加工ができる。

本発明の第１実施形態を示し、切削加工装置の概略平面図である。本発明の第１実施形態を示し、切削加工装置の概略回路ブロック図である。本発明の第１実施形態を示し、切削工具の側面図である。本発明の第１実施形態を示し、（ａ）は切刃部の要部拡大図、（ｂ）は荒削り加工時の切刃部とピストン素材の外周面間の接触位置を示す図、（ｃ）は仕上げ加工時の切刃部とピストン素材の外周面間の接触位置を示す図である。本発明の第２実施形態を示し、切削加工装置の概略平面図である。本発明の第２実施形態を示し、（ａ）はエンドミルの要部拡大図、（ｂ）は荒削り加工時の切削面とピストン素材の外周面間の接触位置を示す図、（ｃ）は仕上げ加工時の切削面とピストン素材の外周面間の接触位置を示す図である。従来例の切削加工装置の断面図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

（第１実施形態）
図１〜図４は、本発明の第１実施形態を示す。図１及び図２に示すように、切削加工装置１Ａは、ワーク側基台１０と切削工具側基台２０とを備えている。ワーク側基台１０上には、ヘッド支持台１１と位置測定部１２が設けられている。ヘッド支持台１１にはワークヘッド部１３が回転自在に支持されている。ワークヘッド部１３は、ワークであるピストン素材４０を着脱自在に装着できる。ピストン素材４０は、アルミニューム合金製であり、その外周面の中心軸がワークヘッド部１３の回転中心に一致する状態で装着される。ワークヘッド部１３は、ワーク回転手段１４によってＣ軸方向に回転駆動される。ワークヘッド部１３の回転駆動によってピストン素材４０が回転し、ワークヘッド部１３の回転角度、ひいては、ピストン素材４０の回転角度が変化する。ワークヘッド部１３の回転角度は、回転角度検知手段３０によって検知される。

切削工具側基台２０には、回転軸２１を揺動支点として回転テーブル部２２が揺動自在に設けられている。この回転テーブル部２２には、切削工具装着ヘッド部２３が固定されている。回転テーブル部２２及び切削工具装着ヘッド部２３は切削工具揺動手段２４によってＢ軸方向に揺動される。切削工具装着ヘッド部２３、ひいては切削工具２５の揺動位置は、揺動位置検知手段３１によって検知される。又、切削工具装着ヘッド部２３には、切削工具２５が回転自在に装着されている。この切削工具２５は、円板状の回転中心を支点として切削工具回転手段２６によって回転駆動される。

切削工具２５は、図３に詳しく示すように、円板状の切刃装着部２５ａと、この切刃装着部２５ａの外周側に等間隔に固定された複数の切刃２５ｂとを備えている。各切刃２５ｂは、例えばダイヤモンド切刃や立方晶窒化ボロン（ｃＢＮ）切刃を使用する。使用する切刃２５ｂは、ワークの材料に応じて使い分けることが好ましい。各切刃２５ｂの先端は、切刃装着部２５ａの外周面より所定寸法だけ突出している。各切刃２５ｂの先端面が切削面２５ｃである。切削面２５ｃは、図４（ａ）に詳しく示すように、回転方向の直交方向（例えば上面側）から見て円弧面に形成されている。これにより、切削工具２５の揺動移動によって異なる領域でピストン素材４０の加工面である外周面４０ａに接触できるようになっている。この実施形態では、切削面２５ｃの中央領域を仕上げ領域として、切削面２５ｃの両側領域を荒削り領域として利用する。

又、切削工具側基台２０は、ワークヘッド部１３に対し近接したり、離間したりする近接・離間方向（Ｘ軸方向）に第１移動手段２７によって移動できるよう構成されている。これにより、切削工具２５は、ピストン素材４０の回転軸中心（Ｃ軸方向）から切削工具２５の切削面２５ｃまでの距離が可変される。第１移動手段２７によって切削工具２５の切削面２５ｃがＸ軸方向に変移し、このＸ軸方向の位置は第１移動位置検知手段３２によって検知される。切削工具側基台２０は、第１移動手段２７の移動方向の直交方向（Ｚ軸方向）に第２移動手段２８によって移動できるよう構成されている。これにより、切削工具２５は、ピストン素材４０の回転軸方向（Ｚ軸方向）に対する位置が可変される。第２移動手段２８によって切削工具２５の切削面２５ｃがＺ軸に変移し、このＺ軸方向の位置は第２移動位置検知手段３３によって検知される。

次に、切削加工装置１Ａの概略回路系を説明する。第１移動位置検知手段３２、第２移動位置検知手段３３、回転角度検知手段３０及び揺動位置検知手段３１の各検知情報は制御部３５に入力される。制御部３５は、図示しない内蔵メモリを有する。この内蔵メモリには、ピストン素材４０の加工面である外周面４０ａの全域の位置情報（Ｚ軸位置，Ｃ軸位置）と、これら位置に対応するピストン素材４０の回転軸中心から切削工具２５の切削面２５ｃまでの目標距離情報（Ｘ軸位置）が格納されている。つまり、ピストン素材４０の外周面４０ａの三次元加工情報である。制御部３５は、この目標距離情報となるようピストン素材４０の外周面４０ａの全域を切削工具２５によって切削するべく、第１移動手段２７、第２移動手段２８、ワーク回転手段１４、切削工具回転手段２６及び切削工具揺動手段２４の駆動を制御する。この制御内容については、下記の加工作業の箇所で説明する。

次に、切削加工装置１Ａによる加工作業の一例を簡単に説明する。先ず、例えば鋳造によって作製されたピストン素材４０をワークヘッド部１３に装着する。次に、ワーク回転手段１４によってピストン素材４０を回転し、切削工具回転手段２６によって切削工具２５を回転する。図４（ｂ）に示すように、切削工具２５の切削面２５ｃの荒削り領域がピストン素材４０の外周面４０ａに接触するよう切削工具揺動手段２４によって揺動角を調整する。

次に、第２移動手段２８の駆動によって切削工具２５の切削面２５ｃがピストン素材４０の外周面４０ａの全域に順次対向配置するよう移動させる。この第２移動手段２８の駆動過程にあって、第１移動位置検知手段３２及び回転角度検知手段３０の検知情報よりピストン素材４０の外周面４０ａの位置座標（Ｚ軸，Ｃ軸）を認識し、この位置座標に対応する目標距離情報（Ｘ軸）に基づき第１移動手段２７を移動する。これにより、切削工具２５によりピストン素材４０の外周面４０ａが切削される。このような制御をピストン素材４０の外周面４０ａの全域について行い、ピストン素材４０の外周面４０ａの全域について荒削りを行う。

次に、図４（ｃ）に示すように、切削工具２５の切削面２５ｃの仕上げ領域がピストン素材４０の外周面４０ａに接触するよう切削工具揺動手段２４によって揺動角を調整する。そして、上記荒削り加工と同様の動作によってピストン素材４０の外周面４０ａの全域を仕上げ加工する。

切削加工装置１Ａによる加工が終了すると、ピストン素材４０の表面にダイヤモンドライクコーテング（ＤＬＣ）処理等を行う。尚、ダイヤモンドライクコーテング（ＤＬＣ）処理等は、行ない場合もある。

以上説明したように、ピストン素材４０を装着するワークヘッド部１３と、これを回転するワーク回転手段１４と、切削工具２５と、切削工具２５を揺動する切削工具揺動手段２４と、切削工具２５を回転する切削工具回転手段２６と、ピストン素材４０の回転軸中心から切削工具の切削面までの距離を可変する第１移動手段２７と、ピストン素材４０の回転軸方向に対する切削工具２５の切削面２５ｃの位置を可変する第２移動手段２８と、ワークヘッド部１３の回転角度を検知する回転角度検知手段３０と、切削工具２５の揺動角を検知する揺動位置検知手段３１と、ピストン素材４０の回転軸中心から切削工具２５の切削面２５ｃまでの距離を検知する第１移動位置検知手段３２と、ピストン素材４０の回転軸方向に対する切削工具２５の切削面２５ｃの位置を検知する第２移動位置検知手段３３と、これらを制御等する制御部３５とを備えている。

従って、第２移動位置検知手段３３及び回転角度検知手段３０の検知情報より切削工具２５の切削面２５ｃに対向するピストン素材４０の全ての外周面４０ａの位置情報を得ることができ、これら位置情報におけるＸ軸方向の目標距離情報に基づいて第１移動手段２７を制御することによってピストン素材４０の外周面４０ａを所望の三次元形状（基準楕円周面や基準円周面に対して変化を有する形状）に加工できる。この切削加工は、回転する切削工具２５によってピストン素材４０を切削するため、加工スピードが速く、高能率な加工ができる。切削工具２５の切削面２５ｃを荒削り加工領域と仕上げ加工領域に区分けし、先ず荒削り加工領域で荒削りを施し、その後に仕上げ加工領域で仕上げ加工をするため、仕上げ加工を荒削りでダメージを受けてない領域で行うことにより、ピストン素材４０の外周面４０ａを表面粗度の細かいものに加工できる。以上より、加工スピードが速く高能率で、しかも、表面粗度の細かい加工ができる。作製されたピストンは、表面粗度が細かいため、燃費の向上、省エネになる。

（第２実施形態）
図５及び図６は、本発明の第２実施形態を示す。図５及び図６に示すように、第２実施形態の切削加工装置１Ｂは、前記第１実施形態の切削加工装置１Ａと比較するに、切削工具がエンドミル３６にて構成されるいる点が大きく相違する。

エンドミル３６は、切削工具装着ヘッド部２３に着脱自在に装着されている。エンドミル３６は、自らの軸芯を回転中心として回転される。エンドミル３６の回転軸方向は、揺動中心の位置ではＸ軸方向に設定されている。エンドミル３６の先端は、切削面３６ａである。エンドミル３６の切削面３６ａは、例えばダイヤモンド製や立方晶窒化ボロン（ｃＢＮ）製を使用する。ワークの材料に応じて使い分けることが好ましい。切削面３６ａは、図６（ａ）に詳しく示すように、円弧面に形成されている。これにより、エンドミル３６の揺動移動によって異なる領域でピストン素材４０の外周面４０ａに接触できるようになっている。この実施形態では、切削面３６ａの中央領域を仕上げ領域として、切削面３６ａの両側領域を荒削り領域として利用する（図６（ｂ）、（ｃ）参照）。

他の構成は、前記第１実施形態と同様であるため、重複説明を回避するべく説明を省略する。図５には、第１実施形態と同一構成箇所に同一符号を付して明確化を図る。

この第２実施形態の切削加工装置１Ｂにおいても、前記第１実施形態で説明したのと同様の加工手順でピストン素材４０の加工を行うことができる。

この第２実施形態の切削加工装置１Ｂにおいても、前記第１実施形態と同様に、第２移動位置検知手段及び回転角度検知手段の検知情報よりエンドミル３６の切削面３６ａに対向するピストン素材４０の全ての外周面４０ａの位置情報を得ることができ、これら位置情報におけるＸ軸方向の目標距離情報に基づいて第１移動手段２７を制御することによってピストン素材４０の外周面４０ａを所望の三次元形状（基準楕円周面や基準円周面に対して変化を有する形状）に加工できる。この切削加工は、回転する切削工具２５によってピストン素材４０を切削するため、加工スピードが速く、高能率な加工ができる。エンドミル３６の切削面３６ａを荒削り加工領域と仕上げ加工領域に区分けし、先ず荒削り加工領域で荒削りを施し、その後に仕上げ加工領域で仕上げ加工をするため、仕上げ加工を荒削りでダメージを受けてない領域で行うことにより、ピストン素材４０の外周面４０ａを表面粗細かいものに加工できる。以上より、加工スピードが速く高能率で、しかも、表面粗度の細かい加工ができる。作製されたピストンは、表面粗度が細かいため、燃費の向上、省エネになる。

エンドミル３６は、切削面３６ａの軸芯より遠くなればなるほど周速度が速くなり、周速度の速い領域を荒削り領域としているため、加工スピードが速く、高能率化を図ることができる。

エンドミル３６は、第１実施形態の切削工具２５と比較して曲率半径の小さい形状加工に優れている。近年のエンジンは小型化が進み、ピストンの形状変化も曲率が小さくなる傾向にあるため、小型のピストン加工を高能率で作製できる。

エンドミル３６としてボールエンドミルを使用することにより、設計表面に対して常に法線方向に半径オフセットを取ることができ、３次元補正が容易である。

切削工具回転手段として高周波モータを使用し、エンドミル３６としてダイヤモンド製を使用することにより、更に加工スピードが速く高能率で、しかも、表面粗度の細かい加工ができる。

（その他）
前記各実施形態では、ワークがピストン素材４０の場合を説明したが、ピストン素材４０以外であっても良いことはもちろんである。

前記各実施形態では、第１移動手段２７は、切削工具側基台２０、つまり、切削工具２５側を移動するよう構成されているが、ワークヘッド部１３側のみを移動しても、又、ワークヘッド部１３側と切削工具２５側の双方を近接・離間方向（Ｘ軸方向）に移動するよう構成しても良い。

前記各実施形態では、第２移動手段２８は、切削工具側基台２０、つまり、切削工具２５側を移動するよう構成されているが、ワークヘッド部１３側のみを移動しても、又、ワークヘッド部１３側と切削工具２５の双方をピストン素材４０の回転軸方向（Ｚ軸方向）に移動するよう構成しても良い。

１Ａ，１Ｂ切削加工装置
１０ワーク側基台
１３ワークヘッド部
１４ワーク回転手段
２０切削工具側基台
２４切削工具揺動手段
２５切削工具
２５ｃ，３６ａ切削面
２６切削工具回転手段
２７第１移動手段
２８第２移動手段
３０回転角度検知手段
３１揺動位置検知手段
３２第１移動位置検知手段
３３第２移動位置検知手段
３５制御部
３６エンドミル
４０ピストン素材（ワーク）

Claims

ワーク側基台に設けられ、ワークを装着するワークヘッド部と、
前記ワークヘッド部を回転駆動するワーク回転手段と、
切削工具側基台に設けられた切削工具と、
前記ワークの加工面に対する前記切削工具の接触領域が可変するよう揺動できる切削工具揺動手段と、
前記切削工具を回転駆動する切削工具回転手段と、
前記ワークヘッド部と前記切削工具の少なくともいずれか一方を近接・離間方向に移動し、前記ワークの回転軸中心から前記切削工具の切削面までの距離を可変する第１移動手段と、
前記ワークヘッド部と前記切削工具の少なくともいずれか一方を前記第１移動手段の移動方向の直交方向に移動し、前記ワークの回転軸方向に対する前記切削工具の切削面の位置を可変する第２移動手段と、
前記ワークヘッド部の回転角度を検知する回転角度検知手段と、
前記切削工具揺動手段による揺動位置を検知する揺動位置検知手段と、
前記ワークの回転軸中心から前記切削工具の切削面までの距離を検知する第１移動位置検知手段と、
前記ワークの回転軸方向に対する前記切削工具の切削面の位置を検知する第２移動位置検知手段と、
前記ワークの面の各位置における、前記ワークの回転軸中心から前記切削工具の切削面までの目標距離情報を持ち、この目標距離情報となるよう前記ワークの面の全域を前記切削工具によって荒削り切削と仕上げ切削を行い、荒削り切削と仕上げ切削では前記切削工具の切削面が前記ワークの面に対して異なる領域で接触するよう前記切削工具揺動手段の駆動を制御する制御部とを備えたことを特徴とする切削加工装置。
ワーク側基台に設けられ、ワークを装着するワークヘッド部と、
前記ワークヘッド部を回転駆動するワーク回転手段と、
前記切削工具を回転駆動する切削工具回転手段と、
切削工具側基台に設けられた切削工具と、
前記ワークの加工面に対する前記切削工具の接触領域が可変するよう揺動できる切削工具揺動手段と、
前記ワークヘッド部と前記切削工具の少なくともいずれか一方を近接・離間方向に移動し、前記ワークの回転軸中心から前記切削工具の切削面までの距離を可変する第１移動手段と、
前記ワークヘッド部と前記切削工具の少なくともいずれか一方を前記第１移動手段の移動方向の直交方向に移動し、前記ワークの回転軸方向に対する前記切削工具の切削面の位置を可変する第２移動手段と、
前記ワークヘッド部の回転角度を検知する回転角度検知手段と、
前記切削工具揺動手段による揺動位置を検知する揺動位置検知手段と、
前記ワークの回転軸中心から前記切削工具の切削面までの距離を検知する第１移動位置検知手段と、
前記ワークの回転軸方向に対する前記切削工具の切削面の位置を検知する第２移動位置検知手段と、
前記回転角度検知手段、前記揺動位置検知手段、前記第１移動位置検知手段及び前記第２移動位置検知手段の各検知情報を取得し、前記ワーク回転手段、前記切削工具回転手段、前記切削工具揺動手段、前記第１移動手段及び前記第２移動手段の駆動を制御する制御部とを備え、
前記制御部は、前記ワークの面の各位置における、前記ワークの回転軸中心から前記切削工具の切削面までの目標距離情報を持ち、この目標距離情報となるよう前記ワークの面の全域を前記切削工具によって荒削り切削と仕上げ切削を行い、荒削り切削と仕上げ切削では前記切削工具の切削面が前記ワークの面に対して異なる領域で接触するよう前記切削工具揺動手段の駆動を制御することを特徴とする切削加工方法。