JPWO2012032667A1 - スクロール加工方法および加工装置 - Google Patents
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Abstract
Description
ところで、この種の加工方法を実行する加工装置においては、通常、工具の中心を回転台の中心に合わせた場合に、両者間に少なくとも数μm程度の心ずれが生じる。したがって、この心ずれによって壁部の内壁面および外壁面の加工位置が設計値からずれ、内壁面と外壁面との間の壁部の厚さを精度良く加工することが難しい。
とくに、上記特許文献1記載の方法のように、一の象限で内壁面を加工し、一の象限の反対側にある他の象限で外壁面を加工するようにしたのでは、内壁面および外壁面の加工位置のずれが壁部の厚さにそれぞれ加算され、壁部の厚さが設計値から大きくずれる。
また、本発明は、ワークが取り付けられた回転テーブルを回転する第1の駆動手段と、主軸に取り付けられた工具を回転テーブルに対して相対移動する第2の駆動手段と、ワークに、スクロール形状の壁部の外壁面および内壁面のいずれか一方を加工する際に、回転テーブルが第1の方向に回転しながら、工具がワークの外側から中心部に向かい所定経路を通って相対移動し、壁部の外壁面および内壁面のいずれか他方を加工する際に、回転テーブルが第1の方向と反対の第2の方向に回転しながら、工具がワークの中心部から外側に向かい所定経路を戻って相対移動するように、第1の駆動手段および第2の駆動手段を制御する制御手段とを備える。
図2は、スクロール形状の一例を示すワークの平面図である。
図3は、本発明が解決すべき問題点を説明する図である。
図4は、本発明の実施の形態に係る加工装置の構成を示すブロック図である。
図5は、図4の制御装置で実行される処理の一例を示すフローチャートである。
図6は、外壁面の加工動作の一例を示す図である。
図7は、図6からさらに進んだ外壁面の加工動作の一例を示す図である。
図8は、工具が折り返し点に到達した際の加工動作を示す図である。
図9は、内壁面の加工動作の一例を示す図である。
図10は、図9からさらに進んだ内壁面の加工動作の一例を示す図である。
図11は、本発明の実施の形態に係るスクロール加工方法による効果を説明する図である。
図12は、工具のY軸方向の心ずれが壁部の厚さに与える影響を説明する図である。
図1において、ベッド11上にはコラム12が立設され、コラム12には、直線送り機構を介して上下方向(Z軸方向)および水平方向(Y軸方向)に移動可能に主軸頭13が支持されている。主軸頭13には、主軸を介して下向きに切削用工具14が取り付けられている。工具14は例えばエンドミルであり、主軸頭13内のスピンドルモータにより回転駆動される。ベッド11上には、直線送り機構を介して水平方向(X軸方向)に移動可能にテーブルベース15が支持されている。直線送り機構は、例えばボールねじとボールねじを回転駆動するサーボモータとにより構成される。
テーブルベース15には、回転送り機構を介して、X軸方向の回転軸Lxを中心としてA軸方向に揺動可能に傾斜テーブル16が取り付けられている。傾斜テーブル16には、回転送り機構を介して、Z軸方向の回転軸Lzを中心としてC軸方向に回転可能に回転テーブル17が取り付けられている。回転テーブル17上には、ワーク固定用治具を介してワークWが固定されている。回転送り機構は、例えばダイレクトドライブモータやサーボモータにより構成される。
以上の工作機械10の構成において、主軸頭13内のスピンドルモータを主軸駆動用モータと、主軸頭13をZ軸方向およびY軸方向に移動させるモータをそれぞれZ軸用モータおよびY軸用モータと、テーブルベース15をX軸方向に移動させるモータをX軸用モータと、回転テーブル17をC軸方向に回転させるモータをC軸用モータと、それぞれ称する。
このような工作機械10の構成によれば、工具14とワークWとが直交3軸方向(X,Y,Z方向)に相対移動可能で、かつ、ワークWがC軸方向に回転可能である。このため、ワークWに対して工具14を鉛直方向所定位置にセットした状態で、ワークWをC軸方向に回転させながら、ワークWに対して工具14を水平方向に相対移動させることで、ワーク表面に所定深さのスクロール形状を加工することができ、所望のスクロール加工物を得ることができる。
図2は、ワーク表面に加工されるスクロール形状の一例を示すワークWの平面図である。図では、ワーク中心を原点O1としたXY平面上に、スクロール形状を示している。ワークWは、例えばコンプレッサの構成部品であり、基部20上にスクロール形状の壁部21が突設され、壁部21に沿って流路が形成されている。なお、基部20の形状は、円形、三角形、矩形等いかなるものでもよい。壁部21の内壁面22および外壁面23は、半径r0の基礎円24を有するインボリュート曲線によって定義され、壁部21の厚さtはインボリュート曲線に沿って一定である。
壁部21の内壁面22および外壁面23には、予め加工代が設けられ、この加工代が工具14により切削され、最終形状のスクロール加工物が形成される。ワークWのスクロール加工を行うにあたっては、まず、ワーク中心(基礎円24の中心O1)が回転テーブル17の回転中心に一致するようにワークWを回転テーブル17にセットする。その後、予め定められた加工プログラムに従い、ワークWをC軸回りに回転させながら、O1を中心とした基礎円24に接する直線L1に沿って工具14を相対移動させる。この際、ワークWの回転量θと工具14のX軸方向の送り量Xが一定の比で変化するように、回転量θと送り量Xとを同期させる。これにより加工プログラムの構成を簡素化しつつ、スクロール形状を高速かつ高精度に加工することができる。
ここで、例えば図2に示すように、ワークWをR1方向に回転させながら、工具14をワークWの外側から直線L1に沿って矢印A方向(+X軸方向)に相対移動させ、外壁面23を加工したとする。この外壁面23の加工に続けて、ワークWのC軸回りの回転方向をR1としたまま内壁面22を加工するためには、図の点線で示すように、工具14を回転中心O1のY軸方向反対側に基礎円24の半径r0分だけずらし、基礎円24に接する直線L2に沿って、工具14を+X軸方向に相対移動させる必要がある。この場合には、XY平面の第2象限で外壁面23が加工され、XY平面の第4象限で内壁面22が加工される。
ところで、この種の加工方法を実行する加工装置においては、通常、工具14の中心O2を回転テーブル17の中心に合わせた場合に、両者間に少なくとも数μm程度の心ずれが生じる。すなわち、図3において、仮に心ずれがないとした場合の工具14の中心(設計値)をO3とすると、実際の工具中心O2は、例えばX軸方向にΔX、Y軸方向にΔYだけずれる。この状態で、ワーク回転中心O1よりも図の左側領域(第2象限)にてワークWの外壁面23を加工した場合には、外壁面23の位置は、図3の実線で示すように設計値(点線)から例えば左側、つまり壁部21の厚さが増加する方向にずれる。
このとき、ワークWのC軸回りの回転方向を一定として図の右側領域(第4象限)にて内壁面22を加工すると、内壁面22の位置(実線)も設計値(点線)から左側、つまり壁部21の厚さが増加する方向にずれる。このため、外壁面23と内壁面22の位置ずれがそのまま壁部21の厚さの誤差となり、実際の壁部21の厚さt1(実線)は設計値t0(点線)からずれる。このように壁部21の厚さt1が設計値t0からずれると、スクロール形状に沿った流体の所望の流れを得ることができず、ワークWをコンプレッサーの構成部品として用いた場合には、コンプレッサー性能を著しく損なうおそれがある。
そこで、本実施の形態では、工具14の心ずれがある場合にも、壁部21の厚さt1が設計値t0とほぼ等しくなるように、以下のように加工装置を構成する。
図4は、本発明の実施の形態に係る加工装置の構成を示すブロック図である。この加工装置は、ワークWのスクロール加工のための各種情報を入力する入力装置30と、入力装置30からの信号に基づき工作機械10に設置された主軸用モータ31、X軸用モータ32、Y軸用モータ33、Z軸用モータ34およびC軸用モータ35をそれぞれ制御する制御装置40とを備える。
入力装置30は、操作パネルやキーボード、外部からの信号を読み取る各種読み取り装置等によって構成され、スクロール形状を規定するパラメータ(例えばインボリュート曲線の基礎円24の半径r0等)や壁部21の深さ、工具径、加工開始指令等が入力される。
制御装置40は、CPU,ROM,RAM,その他の周辺回路などを有する演算処理装置を含んで構成される。制御装置40は、入力装置30からの入力信号に応じて定められた加工プログラムを実行し、工作機械10の各モータ31〜35の駆動を制御する。
図5は、制御装置40で実行されるスクロール加工処理の一例を示すフローチャートである。このフローチャートに示す処理は、ワーク中心O1を回転テーブル17の回転中心に一致させるとともに、ワークWの加工開始点がX軸に平行な基礎円24に接する直線L1(図2)上に位置するように、回転テーブル17上にワークWを固定した後、例えば入力装置30からの加工開始指令の入力によって開始される。なお、加工開始点は、壁部21の外壁面23の終端位置であり、ワーク回転中心O1から最も離れた外壁面23の位置に相当する。
ステップS1では、主軸用モータ31に制御信号を出力し、工具14を所定速度で回転駆動させる。ステップS2では、X軸用モータ32、Y軸用モータ33およびZ軸用モータ34にそれぞれ制御信号を出力し、工具14をワークWの加工開始位置に相対移動させるとともに、C軸用モータ35を加工開始回転角度に割り出す。ここでは、工具14の回転中心O2が加工開始点よりも−X軸方向に工具14の半径r1分だけずれて位置するように、工具14を相対移動させる。
ステップS3では、X軸用モータ32およびC軸用モータ35にそれぞれ制御信号を出力し、回転テーブル17をR1方向(図2)に回転させながら、工具14を直線L1に沿ってワーク中心部に向けて、つまり+X軸方向に相対移動させる。これによりワークWの外壁面23が加工される。このとき、ワークWの回転量θと工具14の移動量Xが一定の比で変化するように、具体的にはX=r0・θの関係を満たすように、両者を同期させるとともに、ワークWの加工点における周速が予め定められた一定の指令値となるように、ワーク中心O1から加工点までの距離が小さくなるに従い、回転テーブル17の回転速度を増加させる。
ステップS4では、工具14の回転中心O2が、予め直線L1上に定められた折り返し点に到達したか否かを判定する。ステップS4が肯定されるとステップS5に進み、否定されるとステップS3に戻る。
ステップS5では、X軸用モータ32およびC軸用モータ35にそれぞれ制御信号を出力し、回転テーブル17をR1方向と反対のR2方向に回転させながら、工具14をワーク中心部から直線L1に沿って−X軸方向に相対移動させる。これにより、ステップS3と同一の経路を戻って工具14が相対移動しながら、ワークWの内壁面22が加工される。このとき、ステップS3と同様、ワークWの回転量θと工具14の移動量Xが一定の比で変化するように両者を同期させるとともに、ワークWの加工点における周速が予め定められた一定の指令値となるように、ワーク中心O1から加工点までの距離が大きくなるに従い、回転テーブル17の回転速度を減少させる。
ステップS6では、工具14が予め定められたワークWの加工終了点に到達したか否か、すなわち壁部21の内壁面22の終端位置に到達したか否かを判定する。ステップS6が肯定されるとステップS7に進み、否定されるとステップS5に戻る。
ステップS7では、所定の停止処理を実行する。例えばX軸用モータ32、Y軸用モータ33およびZ軸用モータ34にそれぞれ制御信号を出力し、工具14を所定の停止位置に移動させるとともに、主軸用モータ31およびC軸用モータ35にそれぞれ制御信号を出力し、工具14の回転および回転テーブル17の回転をそれぞれ停止させる。以上で、スクロール加工処理を終了する。
本実施の形態に係るスクロール加工方法の手順をまとめると次のようになる。まず、ワーク中心O1を回転テーブル17の回転中心に一致させた状態で、ワークWを回転テーブル17に固定する。さらに、制御装置40からの指令により、工具14を回転させるとともに加工開始位置に相対移動させる(ステップS1、ステップS2)。
次いで、回転テーブル17をR1方向に回転させながら、X軸に平行な基礎円24の接線L1に沿って工具14を+X軸方向に相対移動させる(ステップS3)。これにより図6、図7に示すように壁部21の外壁面23がワークWの外側から中心部25にかけて加工される。図中、加工済みの部位を実線で、加工前の部位を点線で示している。このとき、加工点における周速が一定となるように、ワーク中心O1から加工点までの距離が小さくなるに従い、回転テーブル17の回転速度を増加させる。これにより加工面の粗さを均一にすることができる。
工具14がワーク中心O1に近づくと、外壁面23と内壁面22とが交差するワーク中心部25の加工が行われる。ワーク中心部25には、厳密にいうとインボリュート曲線とは異なる形状の箇所が存在するが、本実施の形態では、ワーク中心部25の加工も、工具14を直線L1に沿ってX軸と平行に相対移動させることで行われる。
図8に示すように、ワーク中心部25の加工時に、工具14の回転中心O2が、折り返し点に到達すると、C軸用モータ35に制御信号を出力して回転テーブル17の回転方向を反転させ、回転テーブル17をR2方向に回転させる。これと同時に、工具14を外壁面23の加工時と同一経路(直線L1)を通って−X軸方向に相対移動させる(ステップS5)。これにより図9、図10に示すように壁部21の内壁面22がワークWの中心部25から外側にかけて加工される。
この場合、外壁面23と内壁面22とは、XY平面上の同一象限(第2象限)内で加工される。このため、図3に示したような工具14の心ずれがあった場合において、図11に示すように、外壁面23の位置ずれの方向と内壁面22の位置ずれの方向が等しくなる。これにより外壁面23の位置ずれによる壁部21の厚さの誤差が内壁面22の位置ずれによって相殺され、壁部21の厚さt1を設計値t0とほぼ等しくすることができる。
以下、図11に示した効果を、数式を用いて説明する。
まず、X軸方向の心ずれの影響について説明する。一般に、XY平面上におけるインボリュート曲線は、次式(I)によって表される。
Xθ=R(cosθ+(θ−θ0)sinθ)+X0
Yθ=R(sinθ−(θ−θ0)cosθ)+Y0 (I)
ここで、外壁面23および内壁面22の回転開始角度θ0をそれぞれθ23,θ22、X軸方向の工具中心の心ずれ量をΔXとすると、実際の加工点の外壁面23および内壁面22の位置Xθ23,Xθ22は、それぞれ次式(II)によって表される。
Xθ23=R(cosθ+(θ−θ23)sinθ)+ΔX
Xθ22=R(cosθ+(θ−θ22)sinθ)+ΔX (II)
したがって、X軸方向の心ずれ量ΔXを考慮した場合に、壁部21の厚さt1(=Xθ23−Xθ22)は、次式(III)によって表される。
t1=R(θ22−θ23)sinθ (III)
上式(III)から明らかなように、厚さt1はX軸方向の心ずれ量ΔXの影響を受けない。したがって、X軸方向の心ずれの有無に拘わらず、壁部21の厚さt1を精度良く加工できる。
これに対し、図3の例では、加工点の位置Xθ23,Xθ22はそれぞれ次式(IV)によって表される。
Xθ23=−R(cosθ+(θ−θ23)sinθ)+ΔX
Xθ22=R(cosθ+(θ−θ22)sinθ)+ΔX (IV)
このため、壁部21の厚さt1は次式(V)となり、X軸方向の心ずれ量ΔXにより厚さt1に誤差を生じる。
t1=R(θ22−θ23)sinθ+2ΔX (V)
次に、Y軸方向の心ずれの影響について説明する。図12に示すように、Y軸方向にΔYの心ずれがある場合に、外壁面23および内壁面22のX軸方向の位置ずれXθa,Xθbは、それぞれ次式(VI)によって表される。
Xθa=ΔYtanθa
Xθb=ΔYtanθb (VI)
ここで、回転中心O1から外壁面23および内壁面22の加工点(設計値)までのX軸方向の長さをそれぞれra、rbとすると、θa,θbとΔYとの間に次式(VII)が成立する。
tanθa=ΔY/ra
tanθb=ΔY/rb (VII)
以上より、Y軸方向の心ずれを考慮した場合に、壁部21の厚さt1(=Xb−Xa)は次式(VIII)で表される。
t1=ΔY(tanθb−tanθa)
=(ΔY2/(ra・rb))・(ra−rb) (VIII)
上式(VIII)において、ΔYはra,rbに比べて著しく小さいため、ΔY2/(ra・rb)はほぼ0となる。このため、Y軸方向の心ずれは、壁部21の厚さt1にほとんど影響を与えない。
本実施の形態によれば以下のような作用効果を奏することができる。
(1)回転テーブル17をR1方向に回転させながら、工具14を基礎円24の接線L1に沿って+X軸方向に相対移動させて、壁部21の外壁面23を加工し(第1のスクロール加工工程)、さらに、回転テーブル17をR2方向に回転させながら、工具14を接線L1に沿って−X軸方向に相対移動させて、壁部21の内壁面22を加工するようにした(第2のスクロール加工工程)。これにより工具14の心ずれの影響を受けずに、壁部21を精度良く所望の厚さt0に加工できる。
(2)壁部21の外壁面23および内壁面22の加工点におけるワークWの周速が一定となるようにワーク中心O1から加工点までの距離に応じて回転テーブル17の回転速度を制御するようにしたので、壁部21の外壁面23および内壁面22の全域にわたって均一な面品位の加工面を形成できる。
(3)外壁面23の加工と内壁面22の加工の間に、ワーク中心部25を加工するようにした(中心部加工工程)。これにより連続的な加工でスクロール形状の壁部21を効率よく形成できる。
(4)加工開始から加工終了に至るまで、工具14をX軸方向のみに相対移動させるので、工作機械10の動作がシンプルであり、スクロール形状を精度よく加工できる。
なお、上記実施の形態では、インボリュート曲線によって定まるスクロール形状を加工する場合について説明したが、他のスクロール形状の加工にも、本発明の加工方法を同様に適用できる。したがって、工具14の相対移動の経路は、X軸に平行な直線L1とは限らない。すなわち、回転テーブル17を第1の方向R1に回転させながら、工具14をワークWの外側から中心部に向かい所定経路を通って相対移動させて、外壁面23および内壁面22のいずれか一方を加工する工程(第1のスクロール加工工程)と、回転テーブル17を第1の方向と反対の第2の方向R2に回転させながら、工具14をワークWの中心部から外側に向かい所定経路を戻って相対移動させて、外壁面23および内壁面22のいずれか他方を加工する工程(第2のスクロール加工工程)とを含むのであれば、本発明のスクロール加工方法は上述したものに限らない。
例えば、スクロール加工が一旦終了した後に、壁部21の厚さt1を実測し(計測工程)、設計値t0との間にずれがあった場合に、そのずれ分だけ工具14の半径r1を補正して(補正工程)、次回以降のスクロール加工を行うようにしてもよい。すなわち、本発明のスクロール加工方法によれば、工具14の心ずれによる厚さt1の誤差は解消されるため、厚さt1に誤差がある場合には、工具径の誤差であると考えられる。そのため、その誤差分だけ工具径を補正して工具14をX軸方向に相対移動させることで、工具径にばらつきがある場合にも、壁部21の厚さt1を精度良く加工できる。
上記実施の形態では、直線L1に沿って工具14を移動させて、外壁面23と内壁面22だけでなくワークWの中心部25も加工するようにした。しかし、中心部25には種々の形状が考えられるため、中心部25の形状によっては、直線L1とは別の経路に沿って工具14を相対移動させ、中心部25を加工するようにしてもよく、中心部加工工程は上述したものに限らない。ここで、中心部25とは、内壁面22と外壁面23の境界点を挟む所定領域を意味し、中心部25の形状には、円弧、直線等、インボリュート曲線以外の形状が含まれる。
上記実施の形態では、C軸用モータ35により回転テーブル17を回転し、X軸用モータ32、Y軸用モータ33およびZ軸用モータ34によりワークWに対して工具14を相対移動するようにしたが、第1の駆動手段および第2の駆動手段の構成は上述したものに限らない。制御手段としての制御装置40の構成も上述したものに限らない。
本発明によれば、回転テーブルを第1の方向に回転させながら、所定経路に沿って工具を相対移動させるとともに、回転テーブルを第2の方向に回転させながら、同一経路を戻って工具を相対移動させるようにしたので、内壁面および外壁面が回転中心に対する同一領域で加工され、壁部の厚さを精度よく加工することができる。
14 工具
17 回転テーブル
21 壁部
22 内壁面
23 外壁面
32 X軸用モータ
33 Y軸用モータ
34 Z軸用モータ
35 C軸用モータ
40 制御装置
Claims (6)
- 主軸に取り付けた工具を、回転テーブルに取り付けたワークに対して相対移動させ、前記ワークの表面にスクロール形状の壁部を形成するスクロール加工方法であって、
前記回転テーブルを第1の方向に回転させながら、前記工具を前記ワークの外側から中心部に向かい所定経路を通って相対移動させ、前記壁部の外壁面および内壁面のいずれか一方を加工する第1のスクロール加工工程と、
前記回転テーブルを前記第1の方向と反対の第2の方向に回転させながら、前記工具を前記ワークの中心部から外側に向かい前記所定経路を戻って相対移動させ、前記壁部の外壁面および内壁面のいずれか他方を加工する第2のスクロール加工工程と、を含むことを特徴とするスクロール加工方法。 - 請求項1に記載のスクロール加工方法において、
前記第1のスクロール加工工程および前記第2のスクロール加工工程により加工された前記壁部の厚さを計測する計測工程と、
前記計測工程により計測された前記壁部の厚さに基づき、前記壁部の加工時に設定される工具径を補正する補正工程と、をさらに含む、スクロール加工方法。 - 請求項1または2に記載のスクロール加工方法において、
前記第1のスクロール加工工程および前記第2のスクロール加工工程では、前記壁部の外壁面および内壁面の加工点における前記ワークの周速が一定となるように、前記ワークの中心部から前記加工点までの距離が小さくなるに従い前記回転テーブルの回転速度を増加させ、前記ワークの中心部から前記加工点までの距離が大きくなるに従い前記回転テーブルの回転速度を減少させる、スクロール加工方法。 - 請求項1〜3のいずれか1項に記載のスクロール加工方法において、
前記第1のスクロール加工工程の後であって、前記第2のスクロール加工工程の前に、前記回転テーブルを回転させながら前記工具を前記ワークに対して相対移動させて前記ワークの中心部を加工する中心部加工工程をさらに含む、スクロール加工方法。 - 請求項4に記載のスクロール加工方法において、
前記スクロール形状は、インボリュート曲線によって定まり、前記第1のスクロール加工工程、前記第2のスクロール加工工程および前記中心部加工工程では、前記工具を前記インボリュート曲線の基礎円の一の接線に沿ってそれぞれ相対移動させる、スクロール加工方法。 - ワークが取り付けられた回転テーブルを回転する第1の駆動手段と、
主軸に取り付けられた工具を前記回転テーブルに対して相対移動する第2の駆動手段と、
前記ワークに、スクロール形状の壁部の外壁面および内壁面のいずれか一方を加工する際に、前記回転テーブルが第1の方向に回転しながら、前記工具が前記ワークの外側から中心部に向かい所定経路を通って相対移動し、前記壁部の外壁面および内壁面のいずれか他方を加工する際に、前記回転テーブルが前記第1の方向と反対の第2の方向に回転しながら、前記工具が前記ワークの中心部から外側に向かい前記所定経路を戻って相対移動するように、前記第1の駆動手段および前記第2の駆動手段を制御する制御手段と、を備えることを特徴とする加工装置。
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