JP2015134388A

JP2015134388A - 切削方法

Info

Publication number: JP2015134388A
Application number: JP2014006664A
Authority: JP
Inventors: 桂太郎野村; Keitaro Nomura
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2014-01-17
Filing date: 2014-01-17
Publication date: 2015-07-27

Abstract

【課題】汎用機を使用しながら、仕上げ加工面の全域にわたって、均一な加工品質を確保することができる切削方法を提供する。
【解決手段】第一の回転軸３ａ回りに回転するテーブル２上にワーク１０を固定し、ワーク１０を回転軸３ａ回りに回転させつつ、回転軸３ａに平行な第二の回転軸５ａ回りに回転するカッタ４を、回転軸３ａに直交する平面上において、回転軸３ａの軸心Ｇ１に向けて変位させて、ワーク１０を切削する切削方法であって、カッタ４の軸心Ｇ２のＸ座標に応じて、ワーク１０のカッタ４による切削部位における周速度Ｖが一定になるように、ワーク回転速度Ａを制御するとともに、前記切削部位におけるカッタ通過回数Ｃが一定になるように、カッタ送り速度Ｂを制御する。
【選択図】図４

Description

本発明は、切削方法の技術に関する。

従来、ワークの仕上げ面を加工する方法として、小ストローク・低剛性の汎用機を用いて、ワークを回転させながら小径カッタによるミーリング加工を行うことで、大掛かりな設備を使用することなく、ワークの仕上げ加工を可能にする切削方法が知られており、例えば、以下に示す特許文献１にその技術が開示され、公知となっている。

特許文献１に示された従来技術に係る切削方法では、テーブル上に平面非円形状のワークを支持した状態で、一軸線を中心にそのテーブルを回転させるとともに、テーブルの回転軸線と直交する面内で回転される刃を有するカッタを回転させながら、テーブルの回転軸心と直交する面内において移動させることにより、ワークの上端面を切削する構成としている。
そして、このような構成により、汎用機（マシニングセンタ）を使用して、ワークの切削加工を行うことが可能になり、切削加工用の設備費用の低減および設備設置スペースの縮小等を図ることができる。

特開２０１０−２６９４３２号公報

しかしながら、特許文献１に係る従来の切削方法では、加工後の表面性状が、ワークの回転中心に近い部位ほど良好であり、回転中心から離れた部位ほど悪化する傾向があった。このため、仕上げ加工面の全域にわたって、均一な加工品質を確保することが困難であった。
これは、ワークがテーブルの回転軸に対して対称でない（平面非円形状である）場合、加工部位によって、カッタが被加工面を通過する回数が異なるため、単位面積当たりの除去体積が変化し、その結果が表面性状の差異として現れているものと考えられる。
従って、ワークを回転させながらミーリング加工を行う場合、従来の１パス加工の切削理論の考え方に加えて、カッタが複数回通過することによる表面性状への影響を考慮する必要があった。

本発明は斯かる現状の課題を鑑みてなされたものであり、汎用機を使用しながら、仕上げ加工面の全域にわたって、均一な加工品質を確保することができる切削方法を提供することを目的としている。

本発明の解決しようとする課題は以上の如くであり、次にこの課題を解決するための手段を説明する。

即ち、請求項１においては、第一の回転軸回りに回転するテーブル上にワークを固定し、前記ワークを前記第一の回転軸回りに回転させつつ、前記第一の回転軸に平行な第二の回転軸回りに回転するカッタを、前記第一の回転軸に直交する平面上において、前記第一の回転軸の軸心に向けて変位させて、前記ワークを切削する切削方法であって、前記カッタの位置に応じて、前記ワークの前記カッタによる切削部位における周速度が一定になるように、前記第一の回転軸の回転速度を制御するとともに、前記ワークの前記切削部位における単位面積当たりの前記カッタの通過回数が一定になるように、前記カッタの変位速度を制御するものである。

本発明の効果として、以下に示すような効果を奏する。

請求項１においては、汎用機を使用しながら、仕上げ加工面の全域にわたって、切削加工の品質を均一にすることができる。

本発明の一実施形態に係る切削方法を実現する切削加工装置を示す模式図。本発明の一実施形態に係る切削方法による切削対象物たるワークおよびワークとカッタとの関係を示す模式図。本発明の一実施形態に係る切削方法におけるワークに対するカッタの送り状況を示す模式図。本発明の一実施形態に係る切削方法における切削条件の設定状況を示す図。

次に、発明の実施の形態を説明する。
まず始めに、本発明の一実施形態に係る切削方法を実現する切削加工装置の全体構成について、図１〜図３を用いて説明をする。
図１は、ワーク１０を回転させながら、ミーリング加工を行うことが可能な汎用機（マシニングセンタ）たる切削加工装置１を模式的に示したものであり、切削加工装置１は、テーブル２、テーブル用モータ３、カッタ４、カッタ用モータ５、カッタ送り装置６、制御装置７等を備えている。

テーブル２は、ワーク１０を載置するための台部であり、テーブル用モータ３の回転軸３ａによって軸支され、回転軸３ａの軸心Ｇ１を中心に回転可能に構成されている。

図２に示す如く、本実施形態における切削対象たるワーク１０は、エンジンを構成するシリンダヘッドであり、本実施形態では、シリンダヘッドとシリンダブロックの合わせ面の加工精度を確保するべく、シリンダヘッドの上端面に対して切削加工を施す場合の切削方法を例示している。
そして、ワーク１０には、シリンダブロックとの合わせ面になる上端の部位において、回転軸３ａの軸心Ｇ１に垂直な平面であって、ワーク１０における被切削面たる仕上げ加工面１０ａを規定している。

カッタ４は、ワーク１０に対して切削加工を施すための工具であり、カッタ刃４ａを備えている。また、カッタ４は、カッタ用モータ５の回転軸５ａによって軸支され、回転軸５ａの軸心Ｇ２を中心にカッタ刃４ａを回転させることができるように構成されている。

そして、切削加工装置１においては、第一の回転軸たる回転軸３ａの軸心Ｇ１と第二の回転軸たる回転軸５ａの軸心Ｇ２は、切削加工中は常に互いに平行となるように構成されている。

そしてカッタ用モータ５は、カッタ送り装置６によって、回転軸５ａの軸心Ｇ２が回転軸３ａの軸心Ｇ１に対して平行な状態を保持しつつ、変位可能に支持されている。

カッタ送り装置６は、ワーク１０に向けて所定の送り速度でカッタ４を送るための装置であり、本実施形態では、直線状の走行軌道を構成するレール６ａと、該レール６ａ上を走行する走行部６ｂとを備える構成としている。

切削加工装置１においては、図２に示すようなＸＹ座標系を規定している。
斯かるＸＹ座標系は、回転軸３ａの軸心Ｇ１の位置を原点として規定され、ワーク１０は、テーブル２上において、ワーク１０のワーク中心を軸心Ｇ１に一致させて配置される。尚、ワーク１０におけるワーク中心は、２番ボアと３番ボアの間における中央の位置としている。
即ち、ワーク１０は、テーブル２上において、そのワーク中心を通る軸心Ｇ１回りに回転される状態で配置される。

そして、カッタ用モータ５の回転軸５ａは、軸心Ｇ２がＸ軸に直交するように配置され、また、カッタ送り装置６のレール６ａは、Ｘ軸に対して平行に配置される。
このような構成により、切削加工装置１では、カッタ４の回転軸心たる軸心Ｇ２が、Ｘ軸に直交する状態が維持され、カッタ４の回転中心が常にＸ軸上に配置された状態で、カッタ４をワーク１０に向けて変位させることができる。

制御装置７は、少なくともテーブル用モータ３、カッタ送り装置６の各動作を制御する装置であり、テーブル用モータ３、カッタ送り装置６と接続されている。
制御装置７としては、ＮＣ（ＮｕｍｅｒｉｃａｌＣｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）等の汎用コントローラを採用することができる。

カッタ送り装置６は、カッタ送り装置６（即ち、カッタ４）の現在位置（Ｘ座標）を表す信号を制御装置７に対して出力する。
そして、制御装置７は、カッタ送り装置６から受信したカッタ４の現在位置に係る信号に基づいて「カッタ送り速度」の演算を行い、カッタ送り装置６に対して「カッタ送り速度」の指令信号を出力する。
尚、ここで言う「カッタ送り速度」は、レール６ａ上における走行部６ｂの走行速度（ｍｍ／ｓｅｃ）と同意である。

また、制御装置７は、カッタ送り装置６から受信したカッタ４の現在位置に係る信号に基づいて「ワーク回転速度」の演算を行い、テーブル用モータ３に対して「ワーク回転速度」の指令信号を出力する。
尚、ここで言う「ワーク回転速度」は、テーブル用モータ３の回転速度（°／ｓｅｃ）と同意である。

即ち、切削加工装置１において、カッタ送り装置６は、制御装置７からの指令信号に従って、走行部６ｂの走行速度が変更され、これにより、ワーク１０に対するカッタ４の送り速度が変更され、また、テーブル用モータ３は、制御装置７からの指令信号に従って、回転速度が変更され、これにより、「ワーク回転速度」が変更される。

制御装置７による制御内容について、説明をする。
本発明の一実施形態に係る切削方法では、ワーク１０の仕上げ加工面１０ａにおける単位面積当たりのカッタ刃４ａの通過回数（以下、カッタ通過回数Ｃと呼ぶ）という概念を導入し、制御装置７によって、カッタ通過回数Ｃが仕上げ加工面１０ａの全域で均一になるように、テーブル用モータ３とカッタ送り装置６の各動作を制御する構成としている。
尚、ここで言う「均一になる」とは、カッタ通過回数Ｃが、下限値Ｃ１および上限値Ｃ２で規定される所定の閾値の範囲内に収まっている状態を意味している。
また、カッタ通過回数Ｃの算定に際しては、カッタ４におけるカッタ刃４ａの個数、配置位置等を考慮し、カッタ刃４ａによって仕上げ加工面１０ａ上にけがかれる軌跡に基づいて、カッタ通過回数Ｃを算定する。

具体的には、制御装置７には、まず始めに、カッタ４の位置（Ｘ座標）が入力され、制御装置７は、このカッタ４の位置で切削されるワーク１０の部位を演算により特定する。
そして、制御装置７は、その特定した部位におけるワーク１０の周速度Ｖが、所定の閾値に一致するワーク回転速度Ａを算出するとともに、その算出したワーク回転速度Ａを、テーブル用モータ３に対して出力する。
尚、ここで言う「所定の閾値に一致する」とは、当該部位におけるワーク１０の周速度Ｖが下限値Ｖ１および上限値Ｖ２で規定される所定の閾値の範囲内に収まっている状態を意味している。

次に制御装置７は、周速度Ｖである当該部位におけるカッタ通過回数Ｃが所定の閾値に一致するカッタ送り速度Ｂを算出するとともに、その算出したカッタ送り速度Ｂを、カッタ送り装置６に対して出力する。

このように切削加工装置１では、テーブル用モータ３とカッタ送り装置６の各動作を制御することにより、ワーク１０の仕上げ加工面１０ａにおけるカッタ通過回数Ｃを、仕上げ加工面１０ａの全域において均一化している。
尚、本実施形態では、カッタ用モータ５の回転速度は一定としている。

尚、「ワーク回転速度」および「カッタ送り速度」の条件を種々変化させた場合に、カッタ４の位置（Ｘ座標）とカッタ通過回数Ｃとの関係がどのように変化するかは、ワーク１０の形状が決まっている場合には一定になる。
このため、ワーク１０の形状が決まっている場合には、カッタ４の位置（Ｘ座標）と「ワーク回転速度」および「カッタ送り速度」の相関は、マップ情報として予め生成しておくことができる。
そしてこのような場合には、制御装置７に、生成したマップ情報を予め記憶しておき、入力されたカッタ４の位置情報（Ｘ座標）と当該マップ情報に基づいて、テーブル用モータ３とカッタ送り装置６の各動作を制御することで、仕上げ加工面１０ａの全域でカッタ通過回数Ｃを均一にすることができる。

次に、切削加工装置１によるワーク１０に対する切削加工の実施状況について、図２〜図４を用いて説明をする。
本実施例では、カッタ４のＸ座標がＸ０からＸ７に至るまで変位させるとともに、その途中において、７段階で切削条件の変更を行いつつ、ワーク１０の切削加工を行う場合を例示する。
また本実施例では、図２に示すような７段階の切削条件をマップ情報として、予め制御装置７に記憶させておき、カッタ４の位置（Ｘ座標）に応じて、切削条件を切り換える構成としている。

切削加工装置１を用いて、ワーク１０に対する切削加工を行う場合、まず始めに、ワーク１０をテーブル２上の所定の位置に所定の姿勢で固定し、テーブル用モータ３を駆動することによって、ワーク１０を軸心Ｇ１回りに回転させておく。
また、カッタ４は、カッタ用モータ５により、所定の回転速度で軸心Ｇ２回りに回転させておく。
そして、カッタ４は、軸心Ｇ２の位置がＸ軸上に軌跡を描くようにして、カッタ送り装置６によりワーク１０に向けて変位させる。

本実施形態では、図３に示す如く、カッタ４の軸心Ｇ２の位置が、位置Ｘ０に到達したときに、ワーク１０における仕上げ加工面１０ａの切削が開始される。

カッタ４による切削加工が開始されると、そのときのカッタ４の回転軸心Ｇ２の位置Ｘ０に応じて、その位置Ｘ０で切削される仕上げ加工面１０ａ上の部位における周速度Ｖが所定の閾値に一致するように、制御装置７によって、ワーク回転速度Ａを制御する。
またこのとき制御装置７は、その位置Ｘ０で切削される仕上げ加工面１０ａ上の部位が周速度Ｖである場合において、カッタ通過回数Ｃが所定の閾値に一致するように、カッタ送り速度Ｂを制御する。

本実施形態で示す切削方法では、図４に示すように、カッタ４の回転軸心Ｇ２のＸ座標がＸ０からＸ１に至るまでの間は、ワーク回転速度Ａ（テーブル用モータ３の回転速度）をＡ１（°／ｓｅｃ）とし、カッタ送り速度Ｂ（走行部６ｂの走行速度）をＢ１（ｍｍ／ｓｅｃ）とする「１速」の切削条件で、ワーク１０の切削加工を行う。

そして、カッタ４の回転軸心Ｇ２の位置が位置Ｘ０から位置Ｘ１の間にある場合、ワーク回転速度ＡをＡ１とし、カッタ送り速度ＢをＢ２とすることで、このとき切削される仕上げ加工面１０ａの範囲でカッタ通過回数Ｃを均一にしつつ、切削加工を行うことができる。

次に、本実施形態で示す切削方法では、カッタ４の回転軸心Ｇ２のＸ座標がＸ１に至ったときに、切削条件の変更を行う。
ワーク回転速度Ａ（テーブル用モータ３の回転速度）の変更は、カッタ４の回転軸心Ｇ２のＸ座標がＸ１に至った時点で、ごく短時間（例えば、０．０００１秒）の間で行う（以後、切削条件の変更をする場合において同じ）。また、カッタ送り速度Ｂ（走行部６ｂの走行速度）の変更は、カッタ４の回転軸心Ｇ２のＸ座標がＸ１に至った時点で、ステップ状に変更する（以後、切削条件の変更をする場合において同じ）。
そして、ワーク回転速度Ａとカッタ送り速度Ｂの条件を「２速」の条件に整えて、２段目の切削加工に移行する。

カッタ４の回転軸心Ｇ２のＸ座標がＸ１からＸ２に至るまでの間は「２速」の切削条件で加工を行い、該「２速」の切削条件は、ワーク回転速度ＡをＡ２（°／ｓｅｃ）とし、カッタ送り速度ＢをＢ２（ｍｍ／ｓｅｃ）としている。

そして、カッタ４の回転軸心Ｇ２の位置がＸ１からＸ２の間にある場合、ワーク回転速度ＡをＡ２とし、カッタ送り速度ＢをＢ２とすることで、このとき切削される仕上げ加工面１０ａの範囲でカッタ通過回数Ｃを均一にしつつ、切削加工を行うことができる。

次に、本実施形態で示す切削方法では、カッタ４の回転軸心Ｇ２のＸ座標がＸ２に至ったときに、切削条件の変更を行う。
カッタ４の回転軸心Ｇ２のＸ座標がＸ２からＸ３に至るまでの間は「３速」の切削条件で加工を行い、該「３速」の切削条件は、ワーク回転速度ＡをＡ３（°／ｓｅｃ）とし、カッタ送り速度ＢをＢ３（ｍｍ／ｓｅｃ）としている。

そして、カッタ４の回転軸心Ｇ２の位置がＸ２からＸ３の間にある場合、ワーク回転速度ＡをＡ３とし、カッタ送り速度ＢをＢ３とすることで、このとき切削される仕上げ加工面１０ａの範囲でカッタ通過回数Ｃを均一にしつつ、切削加工を行うことができる。

次に、本実施形態で示す切削方法では、カッタ４の回転軸心Ｇ２のＸ座標がＸ３に至ったときに、切削条件の変更を行う。
カッタ４の回転軸心Ｇ２のＸ座標がＸ３からＸ４に至るまでの間は「４速」の切削条件で加工を行い、該「４速」の切削条件は、ワーク回転速度ＡをＡ４（°／ｓｅｃ）とし、カッタ送り速度ＢをＢ４（ｍｍ／ｓｅｃ）としている。

そして、カッタ４の回転軸心Ｇ２の位置がＸ３からＸ４の間にある場合、ワーク回転速度ＡをＡ４とし、カッタ送り速度ＢをＢ４とすることで、このとき切削される仕上げ加工面１０ａの範囲でカッタ通過回数Ｃを均一にしつつ、切削加工を行うことができる。

次に、本実施形態で示す切削方法では、カッタ４の回転軸心Ｇ２のＸ座標がＸ４に至ったときに、切削条件の変更を行う。
カッタ４の回転軸心Ｇ２のＸ座標がＸ４からＸ５に至るまでの間は「５速」の切削条件で加工を行い、該「５速」の切削条件は、ワーク回転速度ＡをＡ５（°／ｓｅｃ）とし、カッタ送り速度ＢをＢ５（ｍｍ／ｓｅｃ）としている。

そして、カッタ４の回転軸心Ｇ２の位置がＸ４からＸ５の間にある場合、ワーク回転速度ＡをＡ５とし、カッタ送り速度ＢをＢ５とすることで、このとき切削される仕上げ加工面１０ａの範囲でカッタ通過回数Ｃを均一にしつつ、切削加工を行うことができる。

次に、本実施形態で示す切削方法では、カッタ４の回転軸心Ｇ２のＸ座標がＸ５に至ったときに、切削条件の変更を行う。
カッタ４の回転軸心Ｇ２のＸ座標がＸ５からＸ６に至るまでの間は「６速」の切削条件で加工を行い、該「６速」の切削条件は、ワーク回転速度ＡをＡ６（°／ｓｅｃ）とし、カッタ送り速度ＢをＢ６（ｍｍ／ｓｅｃ）としている。

そして、カッタ４の回転軸心Ｇ２の位置がＸ５からＸ６の間にある場合、ワーク回転速度ＡをＡ６とし、カッタ送り速度ＢをＢ６とすることで、このとき切削される仕上げ加工面１０ａの範囲でカッタ通過回数Ｃを均一にしつつ、切削加工を行うことができる。

次に、本実施形態で示す切削方法では、カッタ４の回転軸心Ｇ２のＸ座標がＸ６に至ったときに、切削条件の変更を行う。
カッタ４の回転軸心Ｇ２のＸ座標がＸ６からＸ７に至るまでの間は「７速」の切削条件で加工を行い、該「７速」の切削条件は、ワーク回転速度ＡをＡ７（°／ｓｅｃ）とし、カッタ送り速度ＢをＢ７（ｍｍ／ｓｅｃ）としている。

そして、カッタ４の回転軸心Ｇ２の位置がＸ６からＸ７の間にある場合、ワーク回転速度ＡをＡ７とし、カッタ送り速度ＢをＢ７とすることで、このとき切削される仕上げ加工面１０ａの範囲でカッタ通過回数Ｃを均一にしつつ、切削加工を行うことができる。

そして、本実施形態に係る切削方法では、カッタ４の回転軸心Ｇ２のＸ座標がＸ７に至った時点で、切削加工を完了する。

以上のように、本実施形態に係る切削方法では、「１速」〜「７速」まで切り替える各切削条件下において、カッタ通過回数Ｃの閾値は共通であり、かつ、各条件下において切削される範囲の仕上げ加工面１０ａはカッタ通過回数Ｃが均一になっているため、仕上げ加工面１０ａの全域でカッタ通過回数Ｃの均一化が図られている。

また、本実施形態に係る切削方法では、「１速」〜「７速」までの各切削条件におけるワーク回転速度Ａである各回転速度Ａ１〜Ａ７は、Ａ１＜Ａ２＜Ａ３＜Ａ４＜Ａ５＜Ａ６＜Ａ７の関係を有しており、カッタ送り速度Ｂである各送り速度Ｂ１〜Ｂ７は、Ｂ１＜Ｂ２＜Ｂ３＜Ｂ４＜Ｂ５＜Ｂ６＜Ｂ７の関係を有している。
即ち、本実施形態に係る切削方法では、ワーク回転速度Ａとカッタ送り速度Ｂを、カッタ４の回転軸心Ｇ２がワーク１０の回転軸心Ｇ１からより遠く離れている場合には遅くし、一方、より近い場合には速くする制御を行うことによって、仕上げ加工面１０ａの全面において、カッタ通過回数Ｃを均一化させる構成としている。

即ち、本発明の一実施形態に係る切削方法は、第一の回転軸３ａ回りに回転するテーブル２上にワーク１０を固定し、ワーク１０を回転軸３ａ回りに回転させつつ、回転軸３ａに平行な第二の回転軸５ａ回りに回転するカッタ４を、回転軸３ａに直交する平面上において、回転軸３ａの軸心Ｇ１に向けて変位させて、ワーク１０を切削するものであって、カッタ４の位置（軸心Ｇ２のＸ座標）に応じて、ワーク１０のカッタ４による切削部位における周速度Ｖが一定になるように、回転軸５ａの回転速度たるワーク回転速度Ａを制御するとともに、前記切削部位における単位面積当たりのカッタ４の通過回数たるカッタ通過回数Ｃが一定になるように、カッタ４の変位速度たるカッタ送り速度Ｂを制御するものである。

このような構成により、カッタ４が複数回仕上げ加工面１０ａを通過することによる表面性状への影響を考慮することができ、これにより、汎用機たる切削加工装置１を使用しながら、仕上げ加工面１０ａの全域にわたって、切削加工の品質を均一にすることができる。

１切削加工装置
２テーブル
３テーブル用モータ
３ａ回転軸
４カッタ
５カッタ用モータ
５ａ回転軸
６カッタ送り装置
１０ワーク
１０ａ仕上げ加工面
Ａワーク回転速度
Ｂカッタ送り速度
Ｃカッタ通過回数

Claims

第一の回転軸回りに回転するテーブル上にワークを固定し、前記ワークを前記第一の回転軸回りに回転させつつ、前記第一の回転軸に平行な第二の回転軸回りに回転するカッタを、前記第一の回転軸に直交する平面上において、前記第一の回転軸の軸心に向けて変位させて、前記ワークを切削する切削方法であって、
前記カッタの位置に応じて、
前記ワークの前記カッタによる切削部位における周速度が一定になるように、前記第一の回転軸の回転速度を制御するとともに、
前記ワークの前記切削部位における単位面積当たりの前記カッタの通過回数が一定になるように、前記カッタの変位速度を制御する、
ことを特徴とする切削方法。