JP6175082B2 - 機械部品の製造方法、機械部品の製造装置、回転対称面の加工方法、記録媒体およびプログラム - Google Patents

機械部品の製造方法、機械部品の製造装置、回転対称面の加工方法、記録媒体およびプログラム Download PDF

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本発明は、機械部品の製造方法、機械部品の製造装置、回転対称面の加工方法、製造方法のプログラムを記録した記録媒体、およびそのプログラムに関する。
回転軸線に対して切れ刃を斜めに配置した工具を用いて対象物を切削加工する方法が提案されている。国際公開第2001/043902号(特許文献1)および国際公開第2003/022497号(特許文献2)は、直線状の切れ刃を用いた工作物の加工方法を開示する。切れ刃は、送り方向に対して傾斜して配置されて、工作物の回転軸線を横断する方向に送られる。この加工方法により、工作物の表面が滑らかとなるように工作物の表面を加工できるとともに、高能率での加工が可能になる。
国際公開第2001/043902号 国際公開第2003/022497号
円錐あるいは円錐台は、稜線が回転軸線に対して0°より大きく90°よりも小さい一定の角度をなす回転対称体である。さまざまな機械部品の中には、このような回転対称面を有するものもある。一般に、機械部品の寸法の精度は高いほど好ましい。したがって、回転軸線あるいは回転対称面に対して稜線が正確な角度(たとえば設計上の角度)をなすように、機械部品の回転対称面を高い精度で加工することが必要になる場合がある。しかしながら、国際公開第2001/043902号および国際公開第2003/022497号のいずれも、円錐面あるいは円錐台面の稜線が回転軸線あるいは回転対称面となす角度の精度を高めるための加工方法を開示していない。
本発明の目的は、稜線が回転軸線に対して0°より大きく90°よりも小さい一定の角度をなす回転対称面を有する機械部品を製造するための製造方法、製造装置、製造装置、回転対称面の加工方法、コンピュータ読み取り可能な記録媒体、およびプログラムを提供することである。
本発明の一態様に係る機械部品の製造方法は、回転軸線に対して0°より大きく90°より小さい角度で傾斜した稜線によって規定された回転対称面を有する機械部品の製造方法である。製造方法は、回転対称面の回転軸線をZ軸とし、回転対称面の径方向の軸をX軸とし、Z軸およびX軸の両方に直交する軸をY軸と規定した三次元直交座標系において、Z軸に対して0°より大きく90°より小さい角度で傾斜した直線状の切れ刃を、X軸上の位置からY軸方向に沿ってずらした切削開始位置に位置決めするステップと、切れ刃を、切削開始位置から、X軸成分、Y軸成分およびZ軸成分を有する軌道に沿って、回転している機械部品に接触させながら送ることによって回転対称面を加工するステップとを備える。
上記によれば、稜線が回転軸線に対して0°より大きく90°よりも小さい一定の角度をなす回転対称面を有する機械部品を精度よく製造することができる。
本発明の一実施形態に係る製造方法を示した斜視図である。 本発明の一実施形態に係る製造装置の構成を概略的に示したブロック図である。 ポイント切削によって切削された加工面の面粗さを示したグラフである。 本発明の実施の形態に従う製造方法に従って切削加工された表面の面粗さを示したグラフである。 XZ平面上に射影された切れ刃を模式的に示した模式図である。 XY平面上に射影されたホルダおよび切れ刃を模式的に示した模式図である。 切れ刃のXZ平面上の軌跡を説明するための模式図である。 切れ刃のXY平面上の軌跡を説明するための模式図である。 補正なし軌道の場合の機械部品の加工方法を説明するための模式図である。 補正なし軌道に沿って切れ刃を送る場合における、切れ刃の先端および後端の初期位置を説明するための模式図である。 切れ刃の後端の軌道を説明するための模式図である。 切れ刃の軌跡をモニタするための切れ刃の5つの領域を示した図である。 RZ平面における、切れ刃の先端および後端の軌跡を模式的に示した模式図である。 切れ刃の角度が目標角に等しい場合における、RZ平面上の加工形状を計算した結果を示した図である。 図14に示された計算結果に基づいて、加工面と、設計上の面との間のZ軸方向の差分を表した図である。 切れ刃の角度が目標角度よりも大きい場合における、RZ平面上の加工形状を計算した結果を示した図である(補正なし軌道)。 図16に示された計算結果に基づいて、加工面(回転対称面)と、設計上の面との間のZ軸方向の差分を表した図である。 切れ刃の角度が目標角度よりも小さい場合における、RZ平面上の加工形状を計算した結果を示した図である(補正なし軌道)。 図18に示された計算結果に基づいて、加工面(回転対称面)と、設計上の面との間のZ軸方向の差分を表した図である。 本発明の実施の形態に係る製造方法を模式的に説明するためのXY平面図である。 本発明の実施の形態に係る製造方法を模式的に説明するためのRZ平面図である。 補正された軌道に沿って切れ刃を送る場合における、切れ刃の先端および後端の初期位置を説明するための図である。 切れ刃の後端の軌道を説明するための模式図である。 XZ平面上における、切れ刃の補正された軌道を説明した図である。 XY平面上における、切れ刃の補正された軌道を説明した図である。 切れ刃の角度が目標角度よりも小さい場合における、RZ平面上の加工形状を計算した結果を示した図である(補正した軌道)。 切れ刃の角度が目標角度よりも小さい場合における、RZ平面上の加工形状を計算した結果を示した図である(補正した軌道)。 本発明の実施の形態に係る製造方法を示したフローチャートである。
[本発明の実施形態の説明]
最初に本発明の実施態様を列記して説明する。
(1)本発明の一態様に係る機械部品の製造方法は、回転軸線(10)に対して0°より大きく90°より小さい角度で傾斜した稜線(1B)によって規定された回転対称面(1A)を有する機械部品(1)の製造方法である。製造方法は、回転対称面(1A)の回転軸線(10)をZ軸とし、回転対称面(1A)の径方向の軸をX軸とし、Z軸およびX軸の両方に直交する軸をY軸と規定した三次元直交座標系において、Z軸に対して0°より大きく90°より小さい角度で傾斜した直線状の切れ刃(2A)を、X軸上の位置からY軸方向に沿ってずらした切削開始位置に位置決めするステップ(S41)と、切れ刃(2A)を、切削開始位置から、X軸成分、Y軸成分およびZ軸成分を有する軌道に沿って、回転している機械部品に接触させながら送ることによって回転対称面(1A)を加工するステップ(S42)とを備える。
上記によれば、稜線が回転軸線に対して0°より大きく90°よりも小さい一定の角度をなす回転対称面を有する機械部品を精度よく製造することができる。切削開始位置は、X軸上の位置からY軸方向に沿ってずらされる。Z軸またはXY平面に対する切れ刃の傾斜角度が目標の角度とは異なる場合にも、Y軸方向のずれ量および軌道を適切に定めることによって、切れ刃をZ軸に対して目標角度で送ることができる。したがって機械部品を精度よく製造することができる。
さらにZ軸に対して0°より大きく90°より小さい角度で傾斜した切れ刃(2A)を送ることによって回転対称面が加工される。これにより面粗さおよび能率の点で優れた加工を実現できる。この点からも、機械部品を精度よく製造することができる。
X軸成分、Y軸成分およびZ軸成分は、いずれも0とは異なる。切削開始位置から切削終了位置までの間に、切れ刃は、X軸、Y軸およびZ軸のすべての軸の方向の移動量を有する。すなわち切れ刃の軌道の方向は、X軸、Y軸、Z軸の各々の軸を横断する方向である。
製造方法は、上記の回転対称面の加工工程に加えて他の工程を含むことができる。
(2)好ましくは、切削開始位置において切れ刃(2A)の第1の端部(3_1)が機械部品(1)に接触する。切削開始位置から切削終了位置まで軌道に沿って切れ刃(2A)を送る間に、切れ刃(2A)の第1の端部(3_1)から、第1の端部(3_1)と反対側に位置する切れ刃(2A)の第2の端部(3_5)まで、切れ刃(2A)の異なる部分が順次接触する。
上記によれば、切れ刃(2A)の全体を使って回転対称面が加工される。したがって切れ刃の寿命を長くすることができる。
(3)好ましくは、製造方法は、切れ刃(2A)の長さ(L)、XZ平面において、X軸に対して切れ刃(2A)がなす第1の傾斜角度(θ)、XY平面において、X軸に対して切れ刃(2)がなす第2の傾斜角度(β)、回転対称面(1A)の最大半径(Rmax)、回転対称面(1A)の最小半径(Rmin)、および稜線(1B)がXZ平面において、X軸に対してなす目標角度(θs)から、切削開始位置および軌道を計算するステップ(S30)をさらに備える。
上記によれば、切れ刃をZ軸に対して目標角度で送ることができる。したがって機械部品を精度よく製造することができる。
(4)好ましくは、切削開始位置の座標は、(X,Y,Z)=(Rmax,ΔY,Zmin)と表現され、軌道は、(X,Y,Z)=(Rmax−t,ΔY−t×tanθ1’,Zmin+t×tanθ0’)と表現され、Rmaxは、回転対称面(1A)の最大半径であり、Rminは、回転対称面(1A)の最小半径であり、tは、0からRmax−Rminまで変化する変数であり、θsは、目標角度であり、ΔY,tanθ1’,tanθ0’が以下の式に従い、
Lは、切れ刃の長さであり、θは、第1の傾斜角度であり、βは、第2の傾斜角度である。
上記によれば、切れ刃をZ軸に対して目標角度で送ることができる。したがって、機械部品を精度よく製造することができる。
(5)好ましくは、切れ刃(2A)は、切れ刃(2A)の回転を阻止するホルダによって保持される。
上記により、機械部品の加工中に、切れ刃(2A)の傾きが変わるのを防ぐことができる。したがって機械部品を精度よく製造することができる。
(6)好ましくは、製造方法は、測定器によって第1および第2の傾斜角度(θ,β)を測定するステップ(S10)をさらに備える。
上記により、切削開始位置および軌道を算出することができる。
(7)好ましくは、機械部品の製造装置は、上記(1)〜(6)のいずれかに記載の方法を実行する装置である。
上記により、機械部品を精度よく製造することができる。
(8)本発明の一態様に係る回転対称面の加工方法は、回転軸線(10)に対して0°より大きく90°より小さい角度で傾斜した稜線によって規定された回転対称面の加工方法であって、回転対称面(1A)の回転軸線(10)をZ軸とし、回転対称面(1A)の径方向の軸をX軸とし、Z軸およびX軸の両方に直交する軸をY軸と規定した三次元直交座標系において、Z軸に対して0°より大きく90°より小さい角度で傾斜した直線状の切れ刃(2A)を、X軸上の位置からY軸方向に沿ってずらした切削開始位置に位置決めするステップ(S41)と、切れ刃(2A)を、切削開始位置から、X軸成分、Y軸成分およびZ軸成分を有する軌道に沿って、回転している工作物(1)に接触させながら送ることによって回転対称面(1A)を加工するステップとを備える。
上記により、稜線が回転軸線またはXY平面となす角度の精度が高く、かつ滑らかな回転対称面を加工することができる。
(9)本発明の一態様に係る記録媒体は、回転軸線(10)に対して0°より大きく90°より小さい角度で傾斜した稜線(1B)によって規定された回転対称面(1A)を有する機械部品(1)を製造するためのプログラムを記録した、コンピュータ読み取り可能な記録媒体である。プログラムは、回転対称面(1A)の回転軸線(10)をZ軸とし、回転対称面(1A)の径方向の軸をX軸とし、Z軸およびX軸の両方に直交する軸をY軸と規定した三次元直交座標系において、直線状の切れ刃(2A)の長さ(L)、XZ平面において、X軸に対して切れ刃(2A)がなす第1の傾斜角度(θ)、XY平面において、X軸に対して切れ刃(2)がなす第2の傾斜角度(β)、回転対称面(1A)の最大半径(Rmax)、回転対称面(1A)の最小半径(Rmin)、および稜線(1B)がXZ平面において、X軸に対してなす目標角度(θs)を受け付けるステップと、Z軸に対して0°より大きく90°より小さい角度で傾斜した切れ刃(2A)を、切削開始位置に位置決めするステップと、切れ刃(2A)を、切削開始位置から軌道に沿って、回転している機械部品(1)に接触させながら送ることによって回転対称面(1A)を加工するステップをコンピュータに実行させる。切削開始位置の座標は、(X,Y,Z)=(Rmax,ΔY,Zmin)と表現され、軌道は、(X,Y,Z)=(Rmax−t,ΔY−t×tanθ1’,Zmin+t×tanθ0’)と表現され、Rmaxは、回転対称面(1A)の最大半径であり、Rminは、回転対称面(1A)の最小半径であり、tは、0からRmax−Rminまで変化する変数であり、θsは、目標角度であり、ΔY,tanθ1’,tanθ0’が以下の式に従い、
Lは、切れ刃の長さであり、θは、第1の傾斜角度であり、βは、第2の傾斜角度である。
上記により、機械部品を精度よく製造することができる。
(10)本発明の一態様に係るプログラムは、回転軸線(10)に対して0°より大きく90°より小さい角度で傾斜した稜線(1B)によって規定された回転対称面(1A)を有する機械部品(1)を製造するためのプログラムである。プログラムは、回転対称面(1A)の回転軸線(10)をZ軸とし、回転対称面(1A)の径方向の軸をX軸とし、Z軸およびX軸の両方に直交する軸をY軸と規定した三次元直交座標系において、直線状の切れ刃(2A)の長さ(L)、XZ平面において、X軸に対して切れ刃(2A)がなす第1の傾斜角度(θ)、XY平面において、X軸に対して切れ刃(2)がなす第2の傾斜角度(β)、回転対称面(1A)の最大半径(Rmax)、回転対称面(1A)の最小半径(Rmin)、および稜線(1B)がXZ平面において、X軸に対してなす目標角度(θs)を受け付けるステップと、Z軸に対して0°より大きく90°より小さい角度で傾斜した切れ刃(2A)を、切削開始位置に位置決めするステップと、切れ刃(2A)を、切削開始位置から軌道に沿って、回転している機械部品(1)に接触させながら送ることによって回転対称面(1A)を加工するステップをコンピュータに実行させる。切削開始位置の座標は、(X,Y,Z)=(Rmax,ΔY,Zmin)と表現され、軌道は、(X,Y,Z)=(Rmax−t,ΔY−t×tanθ1’,Zmin+t×tanθ0’)と表現され、Rmaxは、回転対称面(1A)の最大半径であり、Rminは、回転対称面(1A)の最小半径であり、tは、0からRmax−Rminまで変化する変数であり、θsは、目標角度であり、ΔY,tanθ1’,tanθ0’が以下の式に従い、
Lは、切れ刃の長さであり、θは、第1の傾斜角度であり、βは、第2の傾斜角度である。
上記により、機械部品を精度よく製造することができる。
[本発明の実施形態の詳細]
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。なお、以下の図面において同一または相当する部分には同一の参照番号を付し、その説明は繰返さない。また、説明を分かりやすくするために、図面において、発明の構成要素の一部のみが示される場合がある。
図1は、本発明の一実施形態に係る製造方法を示した斜視図である。図1に示されるように、回転対称面1Aを有する機械部品1が、回転軸線10を中心として回転する。機械部品1は、本発明の一実施形態に係る製造方法によって製造される製造品である。
図1には、本発明の一実施形態に係る製造方法の一工程である加工工程が示される。したがって図1に示す工程においては、機械部品1を工作物と呼ぶこともできる。加工工程は切削を含む。本発明の一実施形態に係る製造方法は、他の工程を含んでもよい。製造方法は、たとえば、鋳造工程、組み立て工程、検査工程等を含むことができる。
本発明の一実施形態に係る製造方法においては、三次元直交座標系に従って、切れ刃2Aの送りが制御される。図1において、Z軸は、回転軸線10に相当する。X軸およびY軸は、ともにZ軸に対して垂直であるとともに、互いに垂直である。X軸は、切削加工において径方向とも称される、加工面の直径寸法を決定する方向とすることができる。Y軸は、X軸およびZ軸の両方に直交する軸である。たとえば旋盤においてX軸、Y軸、Z軸と定められる軸を、本発明の実施の形態におけるX軸、Y軸およびZ軸に適用することができる。
切れ刃2Aは、切削チップ(図1に示さず)の一部である。切削チップは、ホルダ2(工具)に着脱自在である。図1では、切削チップの切れ刃2Aの部分のみ示されている。以下、切れ刃と切削チップとを区別する必要がない場合には、両方を「切れ刃」と総称する。
切れ刃2Aは、Z軸方向に対して0°より大きく90°より小さい角度で傾斜している。すなわち、切れ刃2Aは、切れ刃2Aの送り方向に沿って、Z軸方向に対して斜めに配置される。切れ刃2Aは、X軸成分、Y軸成分およびZ軸成分を有する軌道に沿って機械部品1に接触しながら送られる。これにより回転対称面1Aが加工される。
この実施の形態では、回転対称面1Aは、円錐台面である。ただし回転対称面1Aは、円錐面でもよい。回転対称面1Aは、0°より大きく90°よりも小さい角度θaで傾斜した稜線1Bによって規定される。すなわち稜線1Bを回転軸線10の周囲に回転させることによって形成される面が回転対称面1Aである。
回転対称面1Aを有する機械部品1は、特に限定されるものではない。一実施形態では、機械部品1は、自動車の無段変速機を構成するためのプーリである。
図2は、本発明の一実施形態に係る製造装置の構成を概略的に示したブロック図である。本発明の一実施形態に係る製造装置100は、たとえばコンピュータ化数値制御(CNC)旋盤によって実現可能である。図2に示されるように、製造装置100は、入力部101と、表示部102と、記憶部103と、制御部104と、駆動部105と、送り機構106と、ホルダ2と、切れ刃2Aを有する切削チップ2Bとを備える。
入力部101は、ユーザによって操作される。入力部101は、ユーザからの情報を受け付けて、その情報を制御部104に送る。ユーザからの情報は、ユーザによって選択されるプログラムについての情報、機械部品1の製造(回転対称面1Aの加工)のために必要な各種のデータ、ユーザからの指令などを含む。
表示部102は、文字、記号、図形等を表示する。表示部102は、入力部101が受け付けた情報、制御部104の演算結果などを表示することができる。
記憶部103は、入力部101が受け付けた情報、機械部品1の製造のためのプログラムなどを記憶する。このプログラムは、回転対称面1Aの加工のためのプログラムを含む。一実施形態によれば、記憶部103は、書き換え可能な不揮発性の記憶装置によって構成される。したがって記憶部103は、プログラムを記録した記録媒体に相当する。プログラムは、通信回線を通じて提供されてもよい。この場合にも、プログラムは、記憶部103に記憶される。
制御部104は、製造装置100を統括して制御するように構成されたコンピュータである。制御部104は、演算部110を含む。演算部110は、入力部101が受け付けた情報、記憶部103に記憶された情報に基づいて数値演算を実行する。たとえばCPU(Central Processing Unit)が、プログラムを実行することにより、演算部110が具現化されてもよい。
駆動部105は、送り機構106を駆動する。駆動部105は、制御部104によって制御される。送り機構106は、ホルダ2を、X軸方向、Y軸方向およびZ軸方向に送ることが可能に構成される。
ホルダ2は、切削チップ2Bを保持することにより、切れ刃2Aを保持する。ホルダ2は、送り機構106に取り付けられる。切れ刃2Aによる回転対称面1Aの加工時には、ホルダ2は、回転軸に対して回転不能となるように送り機構106に固定される。したがって回転対称面1Aの加工時には、ホルダ2は、切れ刃2Aの角度を保持する。一方、回転対称面1Aの加工時以外の時(一例では、製造装置100のメンテナンス時)には、ホルダ2は、回転軸を中心として回転可能である。これにより、たとえば製造装置100のメンテナンスが容易になるといった利点が得られる。
直線状の切れ刃を用いた加工は、ポイント切削に比べて面粗さおよび能率の点で有利である。図3は、ポイント切削によって切削された加工面の面粗さを示したグラフである。図4は、本発明の実施の形態に従う製造方法に従って切削加工された表面の面粗さを示したグラフである。なお、図3と図4とにおいて、グラフの縦軸および横軸のスケールは同じである。
図3および図4に示されるように、本発明の実施の形態に従う製造方法は、ポイント切削に比べて、切れ刃の送り速度を大きくしつつ加工面の精度(面粗さ)を高くすることができる。さらに、ポイント切削の場合には、切削開始から切削終了までの間、切れ刃2Aにおける同一の領域が加工面に接触する。このため切れ刃の摩耗が早い。一方、本発明の実施の形態によれば、切削開始から切削終了までの間、直線状の切れ刃2Aの個々の領域が加工面に順次接触する。これにより、切れ刃2Aの全体に摩耗が分散する。したがって切れ刃2Aの寿命を延ばすことができる。
以下に本発明の実施の形態に係る製造方法、特に、回転対称面の加工を詳細に説明する。
1.パラメータの定義
図5は、XZ平面上に射影された切れ刃2Aを模式的に示した模式図である。図6は、XY平面上に射影されたホルダ2および切れ刃2Aを模式的に示した模式図である。
図5において、角度θは、XZ平面において、機械部品1の回転対称面1A(すなわち加工面)がX軸に対してなす目標角度である。以後、角度θを「目標角度θ」と呼ぶ。切れ刃2Aは、XZ平面において、X軸に対して角度θ(第1の傾斜角度)だけ傾斜する。図5において、Rmaxは、回転対称面1Aの最大半径である。Rminは、回転対称面1Aの最小半径である。LXZは、切れ刃2AのXZ平面上の長さである。
角度βは、XY平面において、切れ刃2AがX軸に対してなす傾斜角度(第2の傾斜角度)である。図6において、LXYは、切れ刃2AのXY平面上の長さである。
角度βは、XY平面において、ホルダがX軸に対してなす傾斜角度と定義してもよい。角度βは、切れ刃2AがX軸に対してなす角度が0°である状態からのホルダ2の傾きとして定義することができる。ホルダ2を送り機構106に取り付ける際に、ホルダ2は、Z軸に平行である回転軸2Cを中心として回転可能である。ホルダ2を送り機構106に取り付けた後は、ホルダ2は、実質的に回転不可となる。
図7は、切れ刃2AのXZ平面上の軌跡を説明するための模式図である。図8は、切れ刃2AのXY平面上の軌跡を説明するための模式図である。図7および図8を参照して、切れ刃2Aの軌道は、XZ平面上において、X軸に対して角度θ0をなす。また、切れ刃2Aの軌道は、XY平面上において、X軸に対して角度θ1をなす。切削線20は、X軸上に形成される。したがって切削線20は、回転対称面1Aの稜線1Bに相当する。
2.補正なし軌道の場合
切れ刃を補正なし軌道に沿って送る場合、切れ刃2AのXZ面への射影像(図5参照)において、角度θ(第1の傾斜角度)が目標角度θsに一致しなければならない。ホルダ2が送り機構106に取り付けられたときに、角度θが目標角度θsに一致するように、切れ刃2Aの傾きが調整される。
たとえば、ダイヤルゲージなどの測定器を用い、切れ刃2Aの2以上の部分から、切れ刃2Aの傾斜角度を測定する。シムなどをチップのホルダに挿入して取り付け角度が補正される。ホルダ2が、切れ刃2Aの取り付け角度を補正するための機構を有する場合には、切れ刃2Aの傾斜角度を測定した後に、当該補正機構によって切れ刃2Aの取り付け角度を補正することができる。切れ刃2Aの傾斜角度は、上述したダイヤルゲージ、あるいは、プリセッターといった測定器によって測定することができる。
(1)軌道
図9は、補正なし軌道の場合の機械部品1の加工方法を説明するための模式図である。図9に示されるように、まず、切れ刃2Aの先端3_1が切削開始位置に位置付けられる。「先端」は、機械部品1に最初に接触する切れ刃2Aの端部を指す。切削開始位置における先端3_1の座標は、(X,Y,Z)=(Rmax,0,Zmin)である。
切れ刃2Aを、回転する機械部品1に接触させながら送ることによって、回転対称面1Aが加工される。切れ刃2Aの先端3_1は、軌道(X,Y,Z)=(Rmax−t,−t×tanθ1,Zmin+t×tanθ0)に沿って変化する。tは、0から(Rmax−Rmin)まで変化する変数である。
次に、切れ刃2Aの先端および後端の初期位置についてより詳細に説明する。図9に示されるように、切れ刃2Aの後端3_5は、先端3_1と反対側に位置する切れ刃2Aの端部である。「初期位置」とは、切削開始時における位置である。切れ刃2Aの先端3_1の初期位置が「切削開始位置」に一致する。
図10は、補正なし軌道に沿って切れ刃を送る場合における、切れ刃2Aの先端3_1および後端3_5の初期位置を説明するための模式図である。上述の通り、切れ刃2Aの先端3_1の初期位置は、(Rmax,0,Zmin)である。切れ刃2Aの後端3_5の初期位置は、(Rmax+LXY×cosβ,0,Zmin+LXZ×cosθ)である。切れ刃2Aの先端の初期位置と切れ刃2Aの後端の初期位置との差のX軸成分、Y軸成分、Z軸成分を、(dX,dY,dZ)と表す。dX,dY,dZの間には、以下の関係が成立する。
図11は、切れ刃2Aの後端の軌道を説明するための模式図である。切削終了時における切れ刃2Aの後端3_5の位置を「最終位置」と呼ぶ。最終位置は、切削終了位置に相当する。
図11に示されるように、切れ刃2Aの後端3_5の最終位置は、(Rmin,0,Zmax)である。切れ刃2Aの後端3_5の最終位置と初期位置との差のX軸成分、Y軸成分、Z軸成分を(δX,δY,δZ)と表す。δX,δY,δZの間には、以下の関係が成立する。
角度θs,θ0,θ1の間には、以下の関係が成立する。
回転対称面1AがXY平面に対してなす目標角度θs、回転対称面1Aの最大半径Rmaxおよび回転対称面1Aの最小半径Rminは設計値である。角度β、および角度θは測定値である。切れ刃2Aの長さLは、予め定められた値である。したがって、これらの値は、回転対称面1Aの加工開始前に取得することができる。
図2に示した製造装置100において、これらの値は、入力部101に入力されて、たとえば記憶部103に記憶される。制御部104は、上記の式に従い、最大半径Rmaxと、最小半径Rminと、角度βと、角度θと、長さLとから、tanθ0,tanθ1を算出することができる。したがって制御部104は、切れ刃2Aの先端3_1の軌道を算出することができる。
(2)加工結果
図12は、切れ刃2Aの軌跡をモニタするための切れ刃2Aの5つの領域を示した図である。先端3_1および後端3_5に加えて、切れ刃2Aの領域3_2,3_3,3_4が、点によって表される。なお、領域3_2,3_3,3_4の位置は、先端3_1と後端3_5との間の長さを4等分する位置に対応する。
図13は、RZ平面における、切れ刃2Aの先端および後端の軌跡を模式的に示した模式図である。「RZ平面」は、回転対称面1Aの半径および回転軸線(Z軸)によって定まる平面である。図13では、切れ刃2Aの先端3_1が描く軌跡4_1および、切れ刃2Aの後端3_5が描く軌跡4_5が示される。RZ平面における加工形状は、切れ刃2Aの各領域がRZ平面上で描く軌跡の包絡線に対応する。
図14は、切れ刃2Aの角度θが目標角度θsに等しい場合における、RZ平面上の加工形状を計算した結果を示した図である。図15は、図14に示された計算結果に基づいて、加工面と、設計上の面との間のZ軸方向の差分ΔZを表した図である。グラフ中の各曲線は、切れ刃2Aの先端3_1、後端3_5および領域3_2〜3_4のそれぞれに対応付けられる。図14および図15に示されるように、切れ刃2Aの角度θが目標角度θsに等しい場合には、ΔZ=0である。すなわち、切削加工によって、設計通りの面を形成することができる。
図16は、切れ刃2Aの角度θが目標角度θsよりも大きい場合における、RZ平面上の加工形状を計算した結果を示した図である。図17は、図16に示された計算結果に基づいて、加工面(回転対称面1A)と設計上の面11との間のZ軸方向の差分ΔZを表した図である。図16および図17に示されるように、θ>θsの場合、半径Rが小さくなるほど、ΔZが正方向に増大する。すなわち、θ>θsの場合には、削り残しが生じる。
図18は、切れ刃2Aの角度θが目標角度θsよりも小さい場合における、RZ平面上の加工形状を計算した結果を示した図である。図19は、図18に示された計算結果に基づいて、加工面(回転対称面1A)と設計上の面11との間のZ軸方向の差分ΔZを表した図である。図18および図19に示されるように、θ<θsの場合、半径Rが小さくなるほど、ΔZが負方向に増大する。すなわち、θ<θsの場合には、削り過ぎが生じる。
図14〜図19に示されるように、切削加工によって設計通りの面を形成するためには、切れ刃2Aの角度θを角度θsに一致させなければならない。しかしながら、現実には、切れ刃2Aの角度θと目標角度θsとを一致させることは難しいことが多い。角度θが目標角度θsからずれた場合、削り残しあるいは削り過ぎが発生する。
切れ刃2Aの傾きを調整する機構(たとえば回転機構)を有するホルダを用いた場合、ホルダ2を送り機構106に取り付けた後に、切れ刃2Aの角度θを調整することができる。しかし、そのような機構の部分は、ホルダ2の他の部分に比べて剛性が低くなりやすい。したがって、硬い材料(たとえば焼入れされた鋼材)を切削する場合に、切れ刃2Aの傾きが変動する可能性がある。切れ刃2Aの傾きが変動した場合、設計通りに機械部品を加工することは、より難しい。
3.補正された切削開始位置および補正された軌道の場合
本発明の実施の形態では、切れ刃2Aの角度θおよび角度βに応じて切削開始位置および軌道が補正される。
(1)切削開始位置および軌道の補正
図20は、本発明の実施の形態に係る製造方法を模式的に説明するためのXY平面図である。図21は、本発明の実施の形態に係る製造方法を模式的に説明するためのRZ平面図である。図20において示されるように、本発明の実施の形態では、切削開始位置を、X軸上の位置からY軸方向に補正量ΔYだけずらす。切削開始位置の座標、すなわち切れ刃2Aの先端3_1の初期位置は、(Rmax,ΔY,Zmin)である。なお、図21に示されるとおり、切れ刃2AはZ軸に対して0°より大きく90°より小さい角度で傾けられている。
次に、切れ刃2Aが送られて、回転対称面1Aが加工される。切れ刃2Aの先端3_1の座標(X,Y,Z)は、軌道(Rmax−t,ΔY−t×tanθ1’,Zmin+t×tanθ0’)に沿って変化する。tは、0から(Rmax−Rmin)まで変化する変数である。したがって軌道は、X軸、Y軸およびZ軸のすべての軸の方向の移動量を有する。すなわち切れ刃の軌道の方向は、X軸、Y軸、Z軸の各々の軸を横断する方向である。切削線20は、XY平面上において、X軸に対して角度φをなし、XY座標系の原点を通る。
本発明の実施の形態によれば、切削開始位置がY軸方向にΔYだけ移動する。角度θ0,θ1が角度θ’0,θ’1に置き換えられる。これにより、図21に示されるように、RZ平面において、加工面の角度を目標角度θsに一致させることが可能となる。したがって機械部品1を精度よく製造することができる。さらに、製造装置100を動作させるためのプログラムの変更を少なくすることができる。
次に、補正量ΔYおよび角度θ’0,θ’1の決定について詳細に説明する。
図22は、補正された軌道に沿って切れ刃2Aを送る場合における、切れ刃2Aの先端3_1および後端3_5の初期位置を説明するための図である。図22を参照して、切れ刃2Aの先端3_1は、XY平面において半径Rmaxの円周上に位置する。先端3_1と原点とを結ぶ直線は、XY平面において、X軸に対して角度φをなす。切れ刃2Aの先端3_1の位置は、(Rmaxcosφ,Rmaxsinφ,Zmax)と表される。
X’軸およびY’軸は、それぞれ、X軸、Y軸をZ軸に関して時計回りに角度φ回転させた軸である。角度φは、X’Z平面において、切れ刃2Aの取り付け角度が目標角度θsに一致するときの角度である。X’Y’Z座標系における、切れ刃2Aの先端3_1の初期位置と切れ刃2Aの後端3_5の初期位置との差のX軸成分、Y軸成分、Z軸成分を、(dX’,dY’,dZ)と表す。dX’,dY’,dZの間には、以下の関係が成立する。なお、以下に示すdX,dY,dZは、補正なし軌道に沿って切れ刃を送る場合における、切れ刃2Aの先端の初期位置と切れ刃2Aの後端の初期位置との差のX軸成分、Y軸成分、Z軸成分である(図10を参照)。
さらに、以下の関係が成立する。
上記の式から、次の関係が導かれる。
図23は、切れ刃2Aの後端3_5の軌道を説明するための模式図である。図23に示されるように、X’Z平面への切れ刃2Aの射影像は、X’軸に対して傾けられる。切れ刃2Aの傾斜角度は目標角度θsに一致する。
X’Y’Z座標系における、切れ刃2Aの後端3_5の最終位置と初期位置との差のX軸成分、Y軸成分、Z軸成分を(δX’,δY’,δZ)と表す。δX’,δY’,δZの間には、以下の関係が成立する。
すなわちδX,δY,δZにおける角度βを(β+φ)に置き換えることによってδX’,δY’,δZが導かれる。
図22に戻り、切れ刃2Aの後端3_5の軌道がX’軸に対してなす角度をγとする。上記の式により、角度θ’1は、以下のように表現される。
δX’は、元のXY座標系において、以下のように表現される。
したがって、角度θ’0は、以下のように表現される。
図24は、XZ平面上における、切れ刃2Aの補正された軌道を説明した図である。図25は、XY平面上における、切れ刃2Aの補正された軌道を説明した図である。図24および図25を参照して、角度θ’0および角度θ’1は、製造装置100(図2参照)において、回転対称面1Aの加工のためのプログラムに用いられる角度(プログラム角度)である。角度γは、XY平面上において、切れ刃2Aの軌跡と切削線20とのなす角度である。角度φは、XY平面上において、切削線20とX軸とのなす角度である。長さLXYは、切れ刃2AのXY平面上の射影像の長さである。
角度γ、角度φおよび長さLXYは以下のように表現される。
角度γおよび角度φから、補正量ΔY,tanθ’0およびtanθ’1は次の式に従って求められる。
(2)加工結果
図26は、切れ刃2Aの角度θが目標角度θsよりも大きい場合における、RZ平面上の加工形状を計算した結果を示した図である。図27は、切れ刃2Aの角度θが目標角度θsよりも小さい場合における、RZ平面上の加工形状を計算した結果を示した図である。図26および図27には、切れ刃2Aの先端3_1、後端3_5および領域3_2,3_3,3_4の軌跡が示される。角度θが目標角度θsよりも大きい場合、角度θが目標角度θsよりも小さい場合のいずれにおいても、切削開始から切削終了までの間、ΔZを0に維持できる。すなわち、本発明の実施の形態によれば、稜線1BがXY平面に対して目標角度θsをなすように、回転対称面1Aを加工することができる。
本発明の実施の形態によれば、切れ刃2Aの角度θ、および角度βが同じ値を保つ限り、切削開始位置および軌道のさらなる補正は不要である。ホルダ2は切れ刃2の回転を阻止するように構成されているので、切れ刃2Aの角度θおよび角度βを保つことができる。設定された切削開始位置から、その軌道に沿って切れ刃2Aを送ることで、高い精度を有する機械部品を繰り返し製造することができる。さらに、先に説明した通り、本発明の実施の形態では、切削開始から切削終了までの間、直線状の切れ刃2Aの個々の領域が回転対称面1Aに順次接触する。したがって回転対称面1Aの面粗さおよび切れ刃の寿命の点においても優れている。
図28は、本発明の実施の形態に係る製造方法を示したフローチャートである。図28に示されるように、ステップS01において、切削チップ2Bがホルダ2に取り付けられる。さらに、ホルダ2が製造装置100(送り機構106)に取り付けられる。
ステップS10において、角度βおよび角度θが測定される。角度βおよび角度θの測定には、公知の種々の方法を用いることができるので、ここでは詳細な説明を繰り返さない。たとえば、ダイヤルゲージあるいはプリセッターといった測定器を用いて、角度βおよび角度θが測定される。
ステップS20〜S40の処理は、記憶部103に記憶されたプログラムを制御部104が読み出すことによって実行される。ステップS20において、制御部104は、表示部102を制御して、回転対称面1Aの加工に必要な値の入力をユーザに促す画面を表示する。ユーザは入力部101を操作することにより、入力部101に、最大半径Rmax、最小半径Rmin、角度θs、角度β、角度θおよび長さLの値を入力する。すなわち入力部101は上記の値を受け付ける。入力部101が受け付けた値は、たとえば記憶部103に記憶される。なお、入力部101が受け付けた値は制御部104に記憶されてもよく、記憶部103および制御部104の両方に記憶されてもよい。
ステップS30において、制御部104は、切削開始位置および切れ刃2Aの軌道を算出する。たとえば演算部110が、ΔY,tanθ’0およびtanθ’1を算出する。具体的には、演算部110が、上述の式(1)〜式(3)に従って、長さLXY、角度γおよび角度φを算出する。さらに演算部110は、上述の式(4)〜式(6)に従って、ΔY,tanθ’0およびtanθ’1を算出する。ΔY,tanθ’0およびtanθ’1は、記憶部103に記憶される。なお、プログラムの内容に応じて、角度θ’0および/または角度θ’1が記憶部103に記憶されてもよい。
ステップS40において、回転対称面1Aが加工される。制御部104は、駆動部105を制御することにより、送り機構106を制御する。これにより、ホルダ2の送りが制御される。すなわち制御部104は、切れ刃2Aの送りを制御する。
まず制御部104は、切れ刃2Aの先端3_1を、切削開始位置(Rmax,ΔY,Zmin)に位置付ける(ステップS41)。次に、制御部104は、軌道(Rmax−t,ΔY−t×tanθ’,Zmin+t×tanθ’0)に沿って切れ刃2Aの先端3_1の位置が変化するように、切れ刃2Aを送る(ステップS42)。ステップS42において制御部104は、変数tを0から(Rmax−Rmin)まで変化させつつ、その変数tによって決定される座標に切れ刃2Aの先端3_1が位置するように切れ刃2Aを移動させる。
2回目以後の加工においては、ステップS40の処理が繰り返される。制御部104は、ΔY,tanθ’0,tanθ’1を記憶部103から読み出して、ステップS41,S42の処理を実行する。なお、同一の処理が繰り返される間は、制御部104が、ΔY,tanθ’0,tanθ’1を記憶してもよい。
図28に示したフローによれば、制御部104は、ステップS40の処理よりも前に、ΔY,tanθ’0,tanθ’1を算出し、次に、切削開始位置および軌道を算出する。しかしながら、制御部104は、ステップS41において、補正量ΔYを算出し、ステップS42において、tanθ’0およびtanθ’1を算出してもよい。すなわち、切削開始位置および軌道は、それが必要となる工程において算出されてもよい。
さらに、ステップS40の後、あるいはステップS01の前に、機械部品1を製造するために必要な、さらなる工程が実行されてもよい。たとえばステップS40の後に、機械部品1を検査するための検査工程が実行されてもよい。
ステップS20およびステップS30の処理を実行するコンピュータは、製造装置100の制御部104であると限定されない。製造装置100の外部に設けられたコンピュータがステップS20およびステップS30の処理を実行してもよい。この場合、ステップS40の前に、ΔY,tanθ’0,tanθ’1を受け付ける工程を追加することができる。制御部104へのΔY,tanθ’0およびtanθ’1の入力は、たとえばユーザによる入力部101の操作、通信回線によるデータの転送など、種々の公知の手段を適用することができる。
本発明の実施の形態に係る切削開始位置および軌道の算出は、θ=θsの場合を含むことができる。すなわち、θ=θsの場合θ’0=θ0,θ’1=θ1となる。本発明の実施の形態によれば、角度θが目標角度θsと異なる場合だけでなく、角度θが目標角度θsに等しい場合にも、切削開始位置および軌道を算出することができる。すなわち本発明の実施の形態は、角度θ,βの測定値、および、予め定められた値(切れ刃2Aの長さL、回転対称面1Aの最大半径Rmax、回転対称面1Aの最小半径Rmin、および目標角度θs)に基づいて、切削開始位置および軌道を算出することができる。
また、目標角度θsに代えて、図1に示された角度θaを用いて、切削開始位置および軌道を算出してもよい。理想的には、θa+θs=90°である。したがって角度θsを(90−θa)と置き換えることができる。すなわち、X軸、Y軸およびZ軸のうちの2つの軸によって決定される平面において、一方の軸に対する傾斜角度を、他方の軸に対する傾斜角度に置き換えることができる。その場合にも、式(1)〜式(6)を導き出すことができる。
さらに、本発明の実施の形態は、機械部品に限定されない工作物の加工にも適用することができる。
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した実施の形態ではなく特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味、および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
1 機械部品
1A 回転対称面
1B 稜線
2 ホルダ
2A 切れ刃
2B 切削チップ
2C 回転軸(ホルダ)
3_1 先端(切れ刃)
3_5 後端(切れ刃)
3_2〜3_4 領域(切れ刃)
4_1,4_5 軌跡
10 回転軸線
11 設計上の面
20 切削線
100 製造装置
101 入力部
102 表示部
103 記憶部
104 制御部
105 駆動部
106 送り機構
110 演算部
S01,S10,S20,S30,S40,S50 ステップ

Claims (10)

  1. 回転軸線に対して0°より大きく90°より小さい角度で傾斜した稜線によって規定された回転対称面を有する機械部品の製造方法であって、
    前記回転対称面の前記回転軸線をZ軸とし、前記回転対称面の径方向の軸をX軸とし、前記Z軸および前記X軸の両方に直交する軸をY軸と規定した三次元直交座標系において、前記Z軸に対して0°より大きく90°より小さい角度で傾斜した直線状の切れ刃を、前記X軸上の位置から前記Y軸方向に沿ってずらした切削開始位置に位置決めするステップと、
    前記切れ刃を、前記切削開始位置から、X軸成分、Y軸成分およびZ軸成分を有する軌道に沿って、回転している前記機械部品に接触させながら送ることによって前記回転対称面を加工するステップとを備える、機械部品の製造方法。
  2. 前記切削開始位置において前記切れ刃の第1の端部が前記機械部品に接触し、
    前記切削開始位置から切削終了位置まで前記軌道に沿って前記切れ刃を送る間に、前記切れ刃の前記第1の端部から、前記第1の端部と反対側に位置する前記切れ刃の第2の端部まで、前記切れ刃の異なる部分が順次接触する、請求項1に記載の機械部品の製造方法。
  3. 前記切れ刃の長さ、XZ平面において、前記X軸に対して前記切れ刃がなす第1の傾斜角度、XY平面において、前記X軸に対して前記切れ刃がなす第2の傾斜角度、前記回転対称面の最大半径、前記回転対称面の最小半径、および前記稜線がXZ平面において、X軸に対してなす目標角度から、前記切削開始位置および前記軌道を計算するステップをさらに備える、請求項1または請求項2に記載の機械部品の製造方法。
  4. 前記切削開始位置の座標は、(X,Y,Z)=(Rmax,ΔY,Zmin)と表現され、
    前記軌道は、(X,Y,Z)=(Rmax−t,ΔY−t×tanθ1’,Zmin+t×tanθ0’)と表現され、
    maxは、前記回転対称面の前記最大半径であり、
    minは、前記回転対称面の前記最小半径であり、
    tは、0からRmax−Rminまで変化する変数であり、
    θsは、前記目標角度であり、
    ΔY,tanθ1’,tanθ0’が以下の式に従い、
    Lは、前記切れ刃の長さであり、
    θは、前記第1の傾斜角度であり、
    βは、前記第2の傾斜角度である、請求項3に記載の機械部品の製造方法。
  5. 前記切れ刃は、前記切れ刃の回転を阻止するように構成されたホルダによって保持される、請求項3または請求項4に記載の機械部品の製造方法。
  6. 測定器によって前記第1および第2の傾斜角度を測定するステップをさらに備える、請求項3から請求項5のいずれか1項に記載の機械部品の製造方法。
  7. 請求項1から請求項6のいずれか1項に記載の機械部品の製造方法を実行する、機械部品の製造装置。
  8. 回転軸線に対して0°より大きく90°より小さい角度で傾斜した稜線によって規定された回転対称面の加工方法であって、
    前記回転対称面の前記回転軸線をZ軸とし、前記回転対称面の径方向の軸をX軸とし、前記Z軸および前記X軸の両方に直交する軸をY軸と規定した三次元直交座標系において、前記Z軸に対して0°より大きく90°より小さい角度で傾斜した直線状の切れ刃を、前記X軸上の位置から前記Y軸方向に沿ってずらした切削開始位置に位置決めするステップと、
    前記切れ刃を、前記切削開始位置から、X軸成分、Y軸成分およびZ軸成分を有する軌道に沿って、回転している工作物に接触させながら送ることによって前記回転対称面を加工するステップとを備える、回転対称面の加工方法。
  9. 回転軸線に対して0°より大きく90°より小さい角度で傾斜した稜線によって規定された回転対称面を有する機械部品を製造するためのプログラムを記録した、コンピュータ読み取り可能な記録媒体であって、
    前記プログラムが、
    前記回転対称面の前記回転軸線をZ軸とし、前記回転対称面の径方向の軸をX軸とし、前記Z軸および前記X軸の両方に直交する軸をY軸と規定した三次元直交座標系において、
    直線状の切れ刃の長さ、XZ平面において、前記X軸に対して前記切れ刃がなす第1の傾斜角度、XY平面において、前記X軸に対して前記切れ刃がなす第2の傾斜角度、前記回転対称面の最大半径、前記回転対称面の最小半径、および前記稜線がXZ平面において、X軸に対してなす目標角度を受け付けるステップと、
    前記Z軸に対して0°より大きく90°より小さい角度で傾斜した前記切れ刃を、切削開始位置に位置決めするステップと、
    前記切れ刃を、前記切削開始位置から軌道に沿って、回転している前記機械部品に接触させながら送ることによって前記回転対称面を加工するステップをコンピュータに実行させ、
    前記切削開始位置の座標は、(X,Y,Z)=(Rmax,ΔY,Zmin)と表現され、
    前記軌道は、(X,Y,Z)=(Rmax−t,ΔY−t×tanθ1’,Zmin+t×tanθ0’)と表現され、
    maxは、前記回転対称面の前記最大半径であり、
    minは、前記回転対称面の前記最小半径であり、
    tは、0からRmax−Rminまで変化する変数であり、
    θsは、前記目標角度であり、
    ΔY,tanθ1’,tanθ0’が以下の式に従い、
    Lは、前記切れ刃の長さであり、
    θは、前記第1の傾斜角度であり、
    βは、前記第2の傾斜角度である、コンピュータ読み取り可能な記録媒体。
  10. 回転軸線に対して0°より大きく90°より小さい角度で傾斜した稜線によって規定された回転対称面を有する機械部品を製造するためのプログラムであって、
    前記回転対称面の前記回転軸線をZ軸とし、前記回転対称面の径方向の軸をX軸とし、前記Z軸および前記X軸の両方に直交する軸をY軸と規定した三次元直交座標系において、
    直線状の切れ刃の長さ、XZ平面において、前記X軸に対して前記切れ刃がなす第1の傾斜角度、XY平面において、前記X軸に対して前記切れ刃がなす第2の傾斜角度、前記回転対称面の最大半径、前記回転対称面の最小半径、および前記稜線がXZ平面において、X軸に対してなす目標角度を受け付けるステップと、
    前記Z軸に対して0°より大きく90°より小さい角度で傾斜した前記切れ刃を、切削開始位置に位置決めするステップと、
    前記切れ刃を、前記切削開始位置から軌道に沿って、回転している前記機械部品に接触させながら送ることによって前記回転対称面を加工するステップをコンピュータに実行させ、
    前記切削開始位置の座標は、(X,Y,Z)=(Rmax,ΔY,Zmin)と表現され、
    前記軌道は、(X,Y,Z)=(Rmax−t,ΔY−t×tanθ1’,Zmin+t×tanθ0’)と表現され、
    maxは、前記回転対称面の前記最大半径であり、
    minは、前記回転対称面の前記最小半径であり、
    tは、0からRmax−Rminまで変化する変数であり、
    θsは、前記目標角度であり、
    ΔY,tanθ1’,tanθ0’が以下の式に従い、
    Lは、前記切れ刃の長さであり、
    θは、前記第1の傾斜角度であり、
    βは、前記第2の傾斜角度である、プログラム。
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