JP2020110863A

JP2020110863A - 切削加工方法及び切削加工装置並びにプレス成形用金型

Info

Publication number: JP2020110863A
Application number: JP2019002796A
Authority: JP
Inventors: 寛海中原; Hiromi Nakahara
Original assignee: Mazda Motor Corp
Current assignee: Mazda Motor Corp
Priority date: 2019-01-10
Filing date: 2019-01-10
Publication date: 2020-07-27

Abstract

【課題】良好な表面性状が得られる、ラジアスエンドミルを用いた切削加工方法及び装置を提供する。【解決手段】ラジアスエンドミル（２０）を使った加工面（１０１）の切削加工方法は、加工面の傾斜方向に直交する直交方向にラジアスエンドミルを動かしながら加工面を切削する第１の工程と、第１の工程に続き、ラジアスエンドミルを傾斜方向に所定距離移動させる第２の工程を含み、第１の工程と第２の工程を交互に繰り返しながら加工面を切削加工する。【選択図】図３

Description

本発明は切削加工方法及び切削加工装置並びにプレス成形用金型に関する。

自動車の外観デザインは需要者の関心を集める最も重要なファクタの一つである。そのため、各自動車メーカは、独自のキャラクタ・ラインを含む外観デザインを自社の車両に適用することで、他社製品との差別化を図っている。

ところが、一般に自動車の外観デザインは複雑な三次元曲面によって構成される。そして、そのような複雑な三次元曲面を車体上に再現する必要から、車体を構成するボディパネルをプレス加工するための金型の加工面も複雑な形になる。また、キャラクタ・ラインをはっきりと現すために、曲面には優れた表面性状が要求される。

そのような要求に応えるために、金型加工の最終工程では、ボールエンドミル又はラジアスエンドミルを用いて金型表面が仕上げられる（特許文献１参照）。ただし、ボールエンドミルは刃先が球形をしているので、起伏のある加工対象の切削に適しているが、回転軸付近で加工面にむしれ（ささくれに似た現象）が発生するという問題がある。一方、ラジアスエンドミルは、特に外周付近のＲ加工部分で金型を加工することからむしれの問題はない。ところが、曲率が変化する三次元曲面を加工する場合、例えば切り込み量を一定に保ちながら曲面の傾斜方向にラジアスエンドミルを移動させると、切削幅（接触幅）が加工箇所の傾きに応じて変化し、その結果、図７，８に示すように加工面２０１に不均一な幅の切削痕２０２が表れるという問題がある。

特開２００９−１２９２６３号公報

そこで、本発明は、ラジアスエンドミルを使って曲面を仕上げ加工する際に、出来るだけラジアスエンドミルの切削幅が一定となる切削加工方法及び切削加工装置並びにプレス成形用金型を提供することを目的とする。

この目的を達成するため、本発明の請求項１に係る切削加工方法は、
ラジアスエンドミルを使った加工面の切削加工方法であって、
前記加工面の傾斜方向に直交する直交方向にラジアスエンドミルを動かしながら前記加工面を切削する第１の工程と、
前記第１の工程に続き、前記ラジアスエンドミルを前記傾斜方向に所定距離移動させる第２の工程を含み、
前記第１の工程と前記第２の工程を交互に繰り返しながら前記加工面を切削加工することを特徴とする。

本発明の他の形態に係る請求項２の切削加工方法は、前記傾斜方向が前記加工面の最大傾斜方向であることを特徴とする。

本発明の請求項３に係る切削加工装置は、
ラジアスエンドミルを使った加工面の切削加工装置であって、
前記加工面の傾斜方向と直交する直交方向にラジアスエンドミルを動かしながら前記加工面を切削させる第１の手段と、
前記ラジアスエンドミルを前記傾斜方向に所定距離移動させる第２の手段と、
前記第１の手段を起動して前記ラジアスエンドミルを前記直交方向に移動させた後、前記第２の手段を起動して前記ラジアスエンドミルを前記傾斜方向に移動させる第３の手段を備えたことを特徴とする。

本発明の他の形態に係る請求項４の切削加工装置は、前記傾斜方向が前記加工面における最大傾斜方向であることを特徴とする。

本発明の請求項５に係るプレス成形用金型は、請求項１又は２に記載の切削加工方法によって加工されたプレス成形用金型である。

請求項１に係る切削加工方法及び請求項３に係る切削加工装置によれば、切削痕の幅が一定し、光沢のある高い表面性状の仕上げ面が得られる。
請求項２に係る切削加工方法及び請求項４に係る切削加工装置によれば、切削痕の幅がより一定になり、より綺麗な仕上げ面が得られる。
請求項５に係るプレス成形用金型、特に自動車ボディパネルの型を使って加工された自動車ボディには綺麗な曲面が付される。また、自動車メーカ独自のメーカキャラクタ・ラインが明瞭に表れる。

本発明の実施形態に係る切削加工装置の概略構成を示す正面図である。図１の加工装置の駆動系と制御系の構成を示すブロック図である。図１の加工装置によって加工される加工対象を示す斜視図である。図１の加工装置に使用されるラジアスエンドミルの側面図である。加工面の最大傾斜方向を計算する手法を説明する斜視図［図５（ａ）］と部分拡大斜視図［図５（ｂ）］である。図１の加工装置によって加工された加工対象に表れる切削痕を示す斜視図［図６（ａ）］と部分拡大斜視図［図６（ｂ）］である。従来の切削方法によって発生する切削痕を示す斜視図［図７（ａ）］と部分拡大斜視図［図７（ｂ）］である。図７に示す切削痕の拡大図である。

以下、本発明の実施形態について添付図面を参照しながら説明する。

図１は、本発明の実施形態に係る切削加工装置（以下、「加工装置」という。）１０を示す。加工装置１０は、概略、従来の加工装置と同様に、ベッド１１と、加工対象１００を支持するテーブル１２と、ベッド１１から上方に伸びる左右一対のコラム１３と、左右のコラム１３を連結するクロスレール１４と、クロスレール１４に支持されたラム１５を有する。以下の説明では、図１における左右方向をＹ方向、上下方向をＺ方向、Ｙ方向とＺ方向に直交する方向（紙面の表裏方向）をＸ方向といい、それぞれの方向に伸びる軸をＹ軸、Ｚ軸、Ｘ軸という。

ラム１５はＺ方向に伸びる主軸頭１６を有する。主軸頭１６は、Ｚ方向に向けられた主軸１７を有する。ラム１５は、主軸１７を回転するための主軸回転モータ１８（図２参照）を備えている。

通常、加工対象は金属材料であるが、これに限らず、樹脂材料であってもよい。具体的な加工対象の一例としては、自動車のボディパネルを加工する金型である。

実施形態では、ベッド１１に対してテーブル１２をＸ方向に往復移動させるＸ方向駆動機構２１（図２参照）と、クロスレール１４に対してラム１５をＹ方向に往復移動させるＹ方向駆動機構２２（図２参照）と、コラム１３に対してクロスレール１４をＺ方向に往復移動させるＺ方向駆動機構２３（図２参照）を備えており、これら３つの駆動機構によって、加工対象１００に対して工具１９がＸ方向、Ｙ方向、及びＺ方向に移動できるようになっている。

３つの移動機構は実施形態に限るものでない。例えば、クロスレール１４をコラム１３に固定し、主軸頭１６がラム１５に対して上下に往復移動するように構成してもよい。また、テーブル１２をベッド１１に固定し、コラム１３がベッド１１に対してＸ方向に往復移動するように構成してもよい。

図２に示すように、Ｘ方向駆動機構２１、Ｙ方向駆動機構２２、及びＺ方向駆動機構２３は、それぞれＸ軸駆動モータ２４、Ｙ軸駆動モータ２５、及びＺ軸駆動モータ２６を備えている。これらの駆動モータ２４〜２６は、主軸回転モータ１８と共に、加工装置１０に付設された制御装置３０に接続されている。制御装置３０は、さらに外部にある、ＣＰＵ３１と記憶部３２を備えるコンピュータ３３に接続されている。記憶部３２は、後に説明する形状データ３４及び計算プログラム３５を記憶している。ＣＰＵ３１は、後述するように図示しない入力部からの指令に基づいて形状データ３４及び計算プログラム３５を読み出し、加工データ３６を制御装置３０へ出力する。制御装置３０は、加工データ３６に基づいて適宜駆動モータ２４〜２６及び主軸回転モータ１８を駆動し、加工対象１００に必要な加工を施す。

加工装置１０を使って３次元曲面を仕上げ加工する実施形態を説明する。加工対象１００の一例を図３に示す。以下の説明を簡単にするために、加工対象１００は、略四角形の板形状を有し、仕上げ加工する上部加工面１０１は、すでに荒加工が施されて粗方の形状が付与されており、加工対象１００の一端１１１から他端１１２に向かうｘ方向に次第に低くなっている。加工面１０１は、ｘ方向に直交するｙ方向に関して、一方の縁１２１から他方の縁１２２に又は他方の縁１２２から一方の縁１２１に向かって次第に低くなっていてもよい。

図１に示すように、仕上げ加工に際し、加工対象１００は加工装置１０のテーブル１２上に固定される。このとき、例えば加工対象１００のｘ方向、ｙ方向、ｚ方向（図３参照）を、加工装置１０のＸ方向、Ｙ方向、Ｚ方向に向ける。

加工装置１０の主軸１７には、図４に示すラジアスエンドミル２０が装着される。加工装置１０がツールマガジンを備えている場合、制御装置３０からの指令に基づいて加工装置１０が駆動し、ツールマガジンから適当なラジアスエンドミル２０を取り出し、これを主軸１７に装着する。

制御装置３０から指令を出力するにあたり、コンピュータ３３では、ＣＰＵ３１が記憶部３２から加工面１０１を三次元座標で表す形状データ３４（図２参照）を予め読み出す。

次に、ＣＰＵ３１は、形状データ３４を利用して、記憶部３２に記憶されている計算プログラム３５に基づいて、加工面１０１の最大傾斜方向を計算する。計算プログラム３５は、形状データ３４を三角パッチモデルに変換する手段を有している（図５（ａ）参照）。ＣＰＵ３１は、形状データ３４を複数の三角パッチ３７に変換した後、それぞれの三角パッチ３７の単位法線ベクトルを求める。この単位法線ベクトルのｚ成分の絶対値が小さいほど、三角パッチ３７の傾斜は大きくなる。そのため、ＣＰＵ３１は、それぞれの三角パッチ３７の単位法線ベクトルから、ｚ成分の絶対値が最も小さい単位法線ベクトルＶ_ｊ（ｘ_ｊ、ｙ_ｊ、ｚ_ｊ）を抽出し（図５（ｂ）参照）、この単位法線ベクトルＶ_ｊを有する三角パッチ３７の傾斜方向を加工面１０１の最大傾斜方向として求める。この加工面１０１の最大傾斜方向の角度は、単位法線ベクトルＶ_ｊのｚ成分を用いる逆三角関数ｃｏｓ^−１（ｚ_ｊ）から求められる。

ＣＰＵ３１は、単位法線ベクトルＶ_ｊをｘｙ平面に射影することで得られるベクトルＵ_ｊ（ｘ_ｊ、ｙ_ｊ、０）と、ベクトルＵ_ｊに直交するｘｙ平面上のベクトルＷ_ｉ（ｘ_ｉ、ｙ_ｉ、０）を求め、このベクトルＷ_ｉをラジアスエンドミル２０の送り方向と決定し、加工データ３６を作り、制御装置３０へ出力する。

次に、制御装置３０は、特定された送り方向の情報を含む加工データ３６に従って、図３に示すように、加工面１０１の傾斜方向（下り傾斜方向）に関して上流側の縁１１１から下流側の縁１１２に向かって一定の間隔をあけながら、ラジアスエンドミル２０を送り方向上流側の縁１２１から下流側の縁１２２に向かって移動して、つまり、ラジアスエンドミル２０を送り方向に移動する工程と、ラジアスエンドミル２０を最大傾斜方向に所定距離だけ移動する工程を繰り返しながら、加工面１０１の全体を仕上げ加工する。

このような構成を備えた加工装置１０によれば、図６に示すように、ラジアスエンドミル２０を送り方向に移動することで形成される切削痕１３０は、その幅１３１がほぼ一定する。そのため、加工後の仕上げ面に不均一な模様が表れることがなく、光沢のある高い表面性状の仕上げ面が得られる。

以上の説明では、ラジアスエンドミル２０を傾斜方向に移動させたが、逆方向に移動してもよい。また、ラジアスエンドミル２０の回転方向は、ラジアスエンドミル２０が加工面をダウンカットする方向又はアップカットする方向のいずれでもよい。

以上の説明では、加工面１０１の送り方向他端縁１２２に到達したラジアスエンドミル２０を加工面の送り方向一端縁１２１に戻し、そこから再び加工面１０１の切削を開始したが、ラジアスエンドミル２０を一端縁１２１から他端縁１２２に向かって移動しながら加工面を切削した後、ラジアスエンドミル２０を他端縁１２２から一端縁１２１に向かって移動しながら加工面を切削する往復切削パターンを繰り返してもよい。

以上の説明では、仕上げ加工面の座標データを使って最大傾斜角を求めることによって最大傾斜方向を特定したが、その他の方法によって最大傾斜方向を特定してもよい。例えば、人が荒加工された加工対象を観察しておおよその最大傾斜方向を特定してもよい。

以上の説明では、加工面の全体の中に最大傾斜方向を特定したが、加工面を複数の領域に分割し、分割された複数の領域のそれぞれに最大傾斜方向を特定し、それぞれの最大傾斜方向をもとに対応する領域の仕上げ加工を行ってもよい。

１０：切削加工装置
１１：ベッド
１２：テーブル
１３：コラム
１４：クロスレール
１５：ラム
１６：主軸頭
１７：主軸
１８：主軸回転モータ
１９：工具
２０：ラジアスエンドミル
２１：Ｘ方向駆動機構
２２：Ｙ方向駆動機構
２３：Ｚ方向駆動機構
２４：Ｘ軸駆動モータ
２５：Ｙ軸駆動モータ
２６：Ｚ軸駆動モータ
３０：制御装置
３１：ＣＰＵ
３２：記憶部
１００：加工対象
１０１：加工面
１１１、１１２：縁
１２１，１２２：縁

Claims

ラジアスエンドミルを使った加工面の切削加工方法であって、
前記加工面の傾斜方向に直交する直交方向にラジアスエンドミルを動かしながら前記加工面を切削する第１の工程と、
前記第１の工程に続き、前記ラジアスエンドミルを前記傾斜方向に所定距離移動させる第２の工程を含み、
前記第１の工程と前記第２の工程を交互に繰り返しながら前記加工面を切削加工することを特徴とする切削加工方法。
前記傾斜方向が前記加工面の最大傾斜方向であることを特徴とする請求項１に記載の切削加工方法。
ラジアスエンドミルを使った加工面の切削加工装置であって、
前記加工面の傾斜方向と直交する直交方向にラジアスエンドミルを動かしながら前記加工面を切削させる第１の手段と、
前記ラジアスエンドミルを前記傾斜方向に所定距離移動させる第２の手段と、
前記第１の手段を起動して前記ラジアスエンドミルを前記直交方向に移動させた後、前記第２の手段を起動して前記ラジアスエンドミルを前記傾斜方向に移動させる第３の手段を備えることを特徴とする切削加工装置。
前記傾斜方向が前記加工面における最大傾斜方向であることを特徴とする請求項３に記載の切削加工装置。
請求項１又は２に記載の切削加工方法によって加工されたプレス成形用金型。