JP2018158419A

JP2018158419A - スクロール状工作物の加工方法及び加工装置

Info

Publication number: JP2018158419A
Application number: JP2017057497A
Authority: JP
Inventors: 省二青木; Seiji Aoki
Original assignee: Toyo Advanced Technologies Co Ltd
Current assignee: Toyo Advanced Technologies Co Ltd
Priority date: 2017-03-23
Filing date: 2017-03-23
Publication date: 2018-10-11

Abstract

【課題】スクロール状壁の基端側の隅部の直角度を高める。
【解決手段】インボリュート曲線部３５の壁面と工具１６との接触点Ｐにおける壁面の法線方向が常に一定のＸ軸方向を向くように、スクロール状工作物３０をインボリュート曲線部３５の基礎円ＢＣの中心点を中心に回転させながら、工具１６をスクロール状工作物３０に対してＸ軸方向に相対移動させて壁面を加工する。この壁面を加工する工程は、スクロール状壁３２の立設側の端部が工具１６との接触点Ｐから離れる方向に、スクロール状工作物３０を所定の傾斜角度αだけ傾斜させながら行う。
【選択図】図９

Description

本発明は、スクロール状工作物の加工方法及び加工装置に関するものである。

従来より、工具と工作物との相対移動、及び工作物の回転を適切に制御することで、スクロール状工作物の壁面を加工する方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１には、スクロール状工作物におけるインボリュート曲線部の内壁面又は外壁面に対し、インボリュート曲線の基礎円の中心からその径方向と合致するＹ軸方向に基礎円の半径分だけ工具の中心位置をずらした状態で、この工具をＹ軸方向と直交するＸ軸方向に当て、このＸ軸方向に工具とスクロール状工作物とを相対移動させながらスクロール状工作物を基礎円の中心回りに回転させることにより、壁面の加工を行うようにした方法が開示されている。

特開平７−５１９１６号公報

ところで、スクロール状工作物は、スクロール圧縮機等の圧縮機構に用いられるものであり、スクロール圧縮機の省スペース化や軽量化を図るために、スクロール状壁の溝幅Ｄは狭く、スクロール状壁の渦巻き高さＬが高くなる傾向にある。

ここで、図１１（ａ）に示すように、高アスペクト比（例えば、Ｌ／Ｄ＝２〜４）のスクロール状壁３２を工具１６で加工する際に、スクロール状壁３２に工具１６を押し当てると、図１１（ｂ）に示すように、工具１６やスクロール状壁３２が切削抵抗によって撓んでしまうおそれがある。なお、図１１では、工具１６やスクロール状壁３２の撓み具合を誇張して図示しているだけであり、実際の撓み量とは異なっている。

その結果、図１１（ｃ）に示すように、スクロール状壁３２の基端側の隅部では、工具１６の撓みによって切削できなかった部分が残り、直角度ｄ１が低下してしまう。

そこで、図１２（ａ）に示すように、例えば０．０１ｍｍ程度のバックテーパを工具１６に設けておき、図１２（ｂ）に示すように、スクロール状壁３２に工具１６を押し当てたときに、工具１６の撓みによって隅部が切削されない状態をキャンセルすることが考えられる。

これにより、図１２（ｃ）に示すように、スクロール状壁３２の基端側の隅部を十分に切削することが可能となる。つまり、直角度ｄ２がｄ２＜ｄ１となり、バックテーパを設けない場合に比べて、直角度を高めることができる。

しかしながら、工具１６にバックテーパを設けることで、スクロール状壁３２の基端側の隅部が切削されない状態をキャンセルするようにした構成では、スクロール状工作物３０の材種やスクロール状壁３２の渦巻き高さに合わせた多種の工具１６が必要となり、コストアップの要因となってしまう。

また、新品で切れ味が良い状態の工具１６と、摩耗が進行した状態の工具１６とでは、切削抵抗が異なることから、工具１６やスクロール状壁３２の撓み量も変化し、スクロール状壁３２の隅部の直角度が安定しないという問題がある。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的は、スクロール状壁の基端側の隅部の直角度を高めることにある。

本発明は、スクロール状壁を有するスクロール状工作物の、該スクロール状壁の壁面に形成されたインボリュート曲線部を加工するための加工方法を対象とし、次のような解決手段を講じた。

すなわち、第１の発明は、前記インボリュート曲線部の壁面と工具との接触点における該壁面の法線方向が常に一定の第１方向を向くように、前記スクロール状工作物を前記インボリュート曲線部の基礎円の中心点を中心に回転させながら、該工具を該スクロール状工作物に対して該第１方向に相対移動させて該壁面を加工する工程と、
前記壁面を加工する工程の間、前記スクロール状壁の立設側の端部が該工具との接触点から離れる方向に、前記スクロール状工作物又は前記工具を所定角度傾斜させる工程とを備えたことを特徴とするものである。

第１の発明では、インボリュート曲線部の壁面と工具との接触点における壁面の法線方向が常に一定の第１方向を向くようにスクロール状工作物を回転させるので、スクロール状工作物に対する工具の相対運動がさほど複雑とならず、円滑な動きで加工を進めることができる。

また、壁面を加工する間に、スクロール状壁の立設側の端部が工具との接触点から離れる方向に、スクロール状工作物又は工具を所定角度傾斜させているので、工具やスクロール状壁が切削抵抗によって撓んだ場合でも、スクロール状壁の基端側の隅部に工具の先端を到達させることができる。これにより、工具の撓みによって隅部が切削されない状態をキャンセルすることができ、隅部の直角度を高めることができる。

また、スクロール状工作物と工具とを相対的に傾斜させるだけで、スクロール状壁の隅部の加工を１種類の工具で行うことができるので、多種の工具を準備する必要が無く、コストアップを抑えることができる。また、経年使用によって工具の切れ味、つまり、切削抵抗が異なる場合でも、傾斜角度を調整するだけで、スクロール状壁の隅部の直角度を高めることができる。

第２の発明は、スクロール状壁を有するスクロール状工作物の、該スクロール状壁の壁面に形成されたインボリュート曲線部を加工するための加工装置を対象とし、次のような解決手段を講じた。

すなわち、第２の発明は、前記スクロール状工作物を前記インボリュート曲線部の基礎円の中心点を中心に回転させる回転駆動部と、
前記スクロール状工作物と工具を、前記インボリュート曲線部の基礎円の直径と略平行な第１方向に相対移動させる第１駆動部と、
前記スクロール状工作物に対する前記工具の軸方向の角度を相対的に変更する角度変更部と、
前記インボリュート曲線部の壁面と前記工具との接触点における該壁面の法線方向が常に一定の第１方向を向くように、前記スクロール状工作物を前記インボリュート曲線部の基礎円の中心点を中心に回転させながら、該工具を該スクロール状工作物に対して該第１方向に相対移動させて該壁面を加工する一方、該壁面を加工する間、前記スクロール状壁の立設側の端部が該工具との接触点から離れる方向に所定角度傾斜させるように、前記回転駆動部、前記第１駆動部、及び前記角度変更部を動作させる制御部とを備えたことを特徴とするものである。

第２の発明では、インボリュート曲線部の壁面と工具との接触点における壁面の法線方向が常に一定の第１方向を向くようにスクロール状工作物を回転させるので、スクロール状工作物に対する工具の相対運動がさほど複雑とならず、円滑な動きで加工を進めることができる。

本発明によれば、インボリュート曲線部の壁面を加工する間に、スクロール状工作物又は工具を所定角度傾斜させることで、工具の撓みによって隅部が切削されない状態をキャンセルすることができ、隅部の直角度を高めることができる。

本実施形態に係る加工装置の構成を示す斜視図である。ＮＣ制御装置の構成を示すブロック図である。スクロール状工作物におけるインボリュート曲線部の内壁面を加工する様子を示す正面図である。スクロール状工作物におけるインボリュート曲線部の内壁面を加工する様子を示す正面図である。スクロール状工作物におけるインボリュート曲線部の内壁面を加工する様子を示す正面図である。スクロール状工作物における中心部を加工する様子を示す正面図である。スクロール状工作物におけるインボリュート曲線部の外壁面を加工する様子を示す正面図である。スクロール状工作物におけるインボリュート曲線部の外壁面を加工する様子を示す正面図である。スクロール状壁を工具で加工するための加工方法を説明するための側面断面図であり、（ａ）は、スクロール状壁に工具を押し当てる前の状態を示し、（ｂ）は、スクロール状壁及び工具が撓んだ状態を示し、（ｃ）は、スクロール状壁の基端側の隅部の直角度を示している。その他の実施形態に係る加工装置の構成を示す斜視図である。スクロール状壁を工具で加工するための従来の加工方法を説明するための側面断面図であり、（ａ）は、スクロール状壁に工具を押し当てる前の状態を示し、（ｂ）は、スクロール状壁及び工具が撓んだ状態を示し、（ｃ）は、スクロール状壁の基端側の隅部の直角度を示している。スクロール状壁をバックテーパを設けた工具で加工するための従来の加工方法を説明するための側面断面図であり、（ａ）は、スクロール状壁に工具を押し当てる前の状態を示し、（ｂ）は、スクロール状壁及び工具が撓んだ状態を示し、（ｃ）は、スクロール状壁の基端側の隅部の直角度を示している。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、以下の好ましい実施形態の説明は、本質的に例示に過ぎず、本発明、その適用物或いはその用途を制限することを意図するものではない。

〈加工装置の構成〉
図１に示すように、加工装置１のベッド１０上には、Ｙ軸コラム１２が立設されている。Ｙ軸コラム１２には、上下方向であるＹ軸方向に沿って移動可能に工具台１４が装着されている。

工具台１４は、工具１６（本実施形態では、エンドミル）を着脱可能に把持するチャック（図示省略）を備え、Ｙ軸コラム１２内に設けられたボールねじ機構（図示省略）及びＹ軸モータ１３（図２参照）によって昇降駆動されるようになっている。

ベッド１０上には、工具１６の中心軸と平行なＺ軸方向に延びるレール１８が設置されている。レール１８には、レール１８に沿ってスライド可能なＺ軸テーブル２０が装着されている。Ｚ軸テーブル２０は、Ｚ軸モータ２２及びボールねじ機構（図示省略）によってＺ軸方向にスライド駆動されるようになっている。

Ｚ軸テーブル２０上には、Ｚ軸方向とＹ軸方向とに直交するＸ軸方向にスライド可能にＸ軸テーブル２４が装着されている。Ｘ軸テーブル２４は、第１駆動部としてのＸ軸モータ２５（図２参照）及びボールねじ機構（図示省略）によってＸ軸方向にスライド駆動されるようになっている。

Ｘ軸テーブル２４上には、Ｙ軸と平行なＢ軸方向（上下方向）に延びる中心軸４１を中心に回転可能なＢ軸テーブル４０が装着されている。Ｂ軸テーブル４０は、Ｂ軸モータ４２（角度変更部）及びボールねじ機構４３によってＢ軸回りに回転駆動されるようになっている。

Ｂ軸テーブル４０上には、主軸台２６が立設されている。主軸台２６は、Ｚ軸と平行なＣ軸回りに回転可能に主軸（図示省略）を支持している。主軸は、Ｃ軸モータ２８（回転駆動部）によってＣ軸回りに回転駆動されるとともに、チャック（図示省略）を介してスクロール状工作物３０を着脱可能に把持するように構成されている。

加工装置１は、図２に示すようなＮＣ制御装置５０を備えている。ＮＣ制御装置５０は、Ｚ軸モータ２２を作動させることにより、工具１６に対するスクロール状工作物３０の位置決めを行う。

ＮＣ制御装置５０は、Ｘ軸モータ２５、Ｙ軸モータ１３、Ｃ軸モータ２８、及びＢ軸モータ４２の作動制御により、スクロール状工作物３０の壁面加工を実行させるものである。

ＮＣ制御装置５０は、このような加工制御に関与する機能として、データ読取部５２と、補間データ演算部５４と、パルス分配部５６とを備えている。

データ読取部５２は、外部から入力されるＮＣデータ（スクロール状壁３２の加工形状や送り速度等）を読み取り、記憶するものである。

補間データ演算部５４は、データ読取部５２で読み取られたデータに基づいて、スクロール状壁３２を加工するための補間データを演算し、出力するものである。

パルス分配部５６は、補間データからＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸、Ｃ軸、及びＢ軸の各軸にパルスを分配し、Ｘ軸モータ２５、Ｙ軸モータ１３、Ｚ軸モータ２２、Ｃ軸モータ２８、及びＡ軸モータ４２に出力するものである。

図３に示すように、スクロール状工作物３０は、円形の外周面を有し、その前側面（図３では手前側面）から前方にスクロール状壁３２が突出している。スクロール状壁３２は、中心部３４と、インボリュート曲線部３５とを有する。

中心部３４は、スクロール状壁３２の内壁面と外壁面との境界点を挟む所定領域に形成されており、円弧、直線等、インボリュート曲線以外の形状に形成されている。

インボリュート曲線部３５は、中心部３４を挾む外壁面３５ａ及び内壁面３５ｂを有する。外壁面３５ａ及び内壁面３５ｂは、本実施形態による加工の前の状態で、およそ互いに同一の円を基礎円とするインボリュート曲線状に形成されている。従って、Ｘ軸方向及びＹ軸方向は、基礎円の半径方向と合致する方向に設定されている。

〈スクロール状壁の加工方法〉
以下、加工装置１により実行されるスクロール状壁３２の加工方法について、図３〜図８を用いて説明する。

まず、インボリュート曲線部３５の壁面を円弧補間する。例えば、壁面の形状を同じピッチ角度（インボリュート曲線の伸開角）で分割し、その分割した各インボリュート曲線について近似円弧を割り当てるようにすればよい。

実際の加工においては、図３に示すように、工具１６の中心をインボリュート曲線の基礎円ＢＣの中心に対してＹ軸方向に沿って負の向き（下方）に基礎円半径ｒとほぼ等しい分だけ相対的にずらし、このＹ軸位置で工具１６をインボリュート曲線部３５の内壁面３５ｂの径方向外側部に対して図３の右側から左側に向かって接触させる。このとき、Ｘ軸、Ｃ軸の動きにより、スクロール状壁の最外端を加工しながら所定の位置に接触させることも可能である。この状態で、工具１６と内壁面３５ｂとの接触点Ｐにおけるこの内壁面３５ｂの法線方向は、Ｘ軸方向（第１方向）と合致している。

次に、この状態から、法線方向が常にＸ軸方向に向くように、スクロール状工作物３０をＣ軸を中心に図３で反時計回り方向に回転させながら、補間した各円弧に工具１６が沿うように、工具１６をスクロール状工作物３０に対してＸ軸方向及びＹ軸方向に相対移動させる。すなわち、Ｘ軸モータ２５、Ｙ軸モータ１３、及びＣ軸モータ２８を同時に作動させる。

このような制御により、工具１６は、Ｙ軸方向に微小振幅で振動しながら、巨視的に見てＸ軸方向にほぼ直線移動することになる（図４及び図５参照）。

このような加工が進むうち、工具１６がインボリュート曲線部３５の内壁面３５ｂから中心部３４に差し掛かり、さらに、図６に示すように中心部３４を加工する領域では、上述したように補間演算されたデータに基づき、両者の接触点における中心部３４壁面の法線方向を常にＸ軸方向に保つようにして中心部３４を続けて加工するようにしてもよいし、この中心部３４については別途加工するようにしてもよい。

上述したように中心部３４の加工を進めた場合、この中心部３４の終点に達した時点では、工具１６は基礎円中心に対してＹ軸方向に上述したものと逆向き（すなわち正の向き）にほぼ基礎円半径ｒ分だけずれた位置に自動的に位置することとなる。

この状態から、図３〜図５において説明したのと同様に、インボリュート曲線部３５と工具１６との接触点Ｐにおける法線方向をＸ軸方向に維持するようにして、スクロール状工作物３０をＣ軸を中心に図６で時計回り方向に回転させながら工具１６をスクロール状工作物３０に対してＸ軸方向及びＹ軸方向に相対移動させる。

これにより、図７及び図８に示すように、インボリュート曲線部３５の外壁面３５ａをその径方向内側部分から径方向外側部分に向かって連続加工することができる。

ところで、スクロール状壁３２を工具１６で加工する際に、スクロール状壁３２に工具１６を押し当てると、工具１６やスクロール状壁３２が切削抵抗によって撓んでしまうおそれがある。その結果、スクロール状壁３２の基端側の隅部では、工具１６の撓みによって切削できなかった部分が残り、直角度が低下してしまうため、好ましくない。

そこで、本実施形態では、インボリュート曲線部３５の壁面を加工する間に、Ｂ軸テーブル４０をＢ軸モータ４２及びボールねじ機構４３によってＢ軸回りに回転駆動させることで、スクロール状工作物３０を工具１６に対して所定角度傾斜させるようにしている。

具体的に、インボリュート曲線部３５の壁面を加工する間、図９（ａ）に示すように、スクロール状壁３２の立設側の端部が工具１６との接触点Ｐから離れる方向に、スクロール状工作物３０を工具１６に対して所定の傾斜角度αだけ傾斜させる。

そして、この状態で、図９（ｂ）に示すように、スクロール状壁３２に工具１６を押し当てると、工具１６やスクロール状壁３２が切削抵抗によって撓むが、スクロール状工作物３０を傾斜させたことで、工具１６の先端をスクロール状壁３２の基端側の隅部に到達させることができる。

なお、図９では、工具１６やスクロール状壁３２の撓み具合を誇張して図示しているだけであり、実際の撓み量とは異なっている。

これにより、図９（ｃ）に、工具１６の撓みによって隅部が切削されない状態がキャンセルされ、スクロール状壁３２の基端側の隅部を十分に切削することが可能となる。つまり、スクロール状工作物３０を傾斜させない場合に比べて、直角度ｄを高めることができる。

また、スクロール状工作物３０と工具１６とを相対的に傾斜させるだけで、スクロール状壁３２の隅部の加工を１種類の工具１６で行うことができるので、多種の工具１６を準備する必要が無く、コストアップを抑えることができる。また、経年使用によって工具１６の切れ味、つまり、切削抵抗が異なる場合でも、傾斜角度αを調整するだけで、スクロール状壁３２の隅部の直角度ｄを高めることができる。

《その他の実施形態》
前記実施形態については、以下のような構成としてもよい。

本実施形態では、Ｂ軸テーブル４０上に主軸台２６を設け、主軸台２６をＢ軸回りに回転駆動することで、スクロール状工作物３０に対する工具１６の軸方向の角度を相対的に変更するようにしたが、この形態に限定するものではない。

例えば、図１０に示すように、ベッド１０上に、Ｙ軸と平行なＢ軸方向（上下方向）に延びる中心軸４１を中心に回転可能なＢ軸テーブル４０を設け、Ｂ軸テーブル４０上にＹ軸コラム１２を立設させた構成であっても良い。この場合には、スクロール状工作物３０のスクロール状壁３２に対して工具１６を所定の傾斜角度αだけ傾斜させることとなる。

また、本実施形態では、スクロール状工作物３０をＸ軸方向に移動させ、工具１６をＹ軸方向に移動させるものを示したが、工具１６をＸ軸方向に移動させても良いし、スクロール状工作物３０をＹ軸方向に移動させるようにしてもよい。

また、本実施形態では、インボリュート曲線部３５の壁面と工具１６との接触点Ｐにおける壁面の法線方向が常に一定のＸ軸方向を向くように設定するとともに、Ｙ軸と平行なＢ軸回りにＢ軸テーブル４０を回転駆動することで、主軸台２６の角度変更を行い、スクロール状工作物３０を傾斜させながら壁面を加工するようにしたが、この形態に限定するものではない。

例えば、Ｘ軸と平行なＡ軸回りに回転駆動するＡ軸テーブルを設けておき、インボリュート曲線部３５の壁面と工具１６との接触点Ｐにおける壁面の法線方向が常に一定のＹ軸方向を向くように設定するとともに、Ａ軸テーブルを回転駆動することで、主軸台２６の角度変更を行い、スクロール状工作物３０を傾斜させながら壁面を加工するようにしてもよい。

以上説明したように、本発明は、スクロール状壁の基端側の隅部の直角度を高めることができるという実用性の高い効果が得られることから、きわめて有用で産業上の利用可能性は高い。

１加工装置
１６工具
２５Ｘ軸モータ（第１駆動部）
２８Ｃ軸モータ（回転駆動部）
３０スクロール状工作物
３２スクロール状壁
３５インボリュート曲線部
４２Ｂ軸モータ（角度変更部）
５０ＮＣ制御装置（制御部）
ＢＣ基礎円
Ｐ接触点

Claims

スクロール状壁を有するスクロール状工作物の、該スクロール状壁の壁面に形成されたインボリュート曲線部を加工するための加工方法であって、
前記インボリュート曲線部の壁面と工具との接触点における該壁面の法線方向が常に一定の第１方向を向くように、前記スクロール状工作物を前記インボリュート曲線部の基礎円の中心点を中心に回転させながら、該工具を該スクロール状工作物に対して該第１方向に相対移動させて該壁面を加工する工程と、
前記壁面を加工する工程の間、前記スクロール状壁の立設側の端部が該工具との接触点から離れる方向に、前記スクロール状工作物又は前記工具を所定角度傾斜させる工程とを備えたことを特徴とするスクロール状工作物の加工方法。
スクロール状壁を有するスクロール状工作物の、該スクロール状壁の壁面に形成されたインボリュート曲線部を加工するための加工装置であって、
前記スクロール状工作物を前記インボリュート曲線部の基礎円の中心点を中心に回転させる回転駆動部と、
前記スクロール状工作物と工具を、前記インボリュート曲線部の基礎円の直径と略平行な第１方向に相対移動させる第１駆動部と、
前記スクロール状工作物に対する前記工具の軸方向の角度を相対的に変更する角度変更部と、
前記インボリュート曲線部の壁面と前記工具との接触点における該壁面の法線方向が常に一定の第１方向を向くように、前記スクロール状工作物を前記インボリュート曲線部の基礎円の中心点を中心に回転させながら、該工具を該スクロール状工作物に対して該第１方向に相対移動させて該壁面を加工する一方、該壁面を加工する間、前記スクロール状壁の立設側の端部が該工具との接触点から離れる方向に所定角度傾斜させるように、前記回転駆動部、前記第１駆動部、及び前記角度変更部を動作させる制御部とを備えたことを特徴とするスクロール状工作物の加工装置。