CN102574221B

CN102574221B - 切削加工方法及切削加工装置

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Publication number: CN102574221B
Application number: CN2010800418262A
Authority: CN
Inventors: 村木俊之; 原田幸英; 山本雄记
Original assignee: Yamazaki Mazak Corp
Current assignee: Yamazaki Mazak Corp
Priority date: 2010-04-19
Filing date: 2010-04-19
Publication date: 2013-12-11
Anticipated expiration: 2030-04-19
Also published as: EP2476497B1; US20120230792A1; EP2476497A1; WO2011132252A1; JPWO2011132252A1; US8690498B2; JP4732549B1; EP2476497A4; CN102574221A

Abstract

使利用车削加工的槽形状高精度化，降低或者防止产生坡度，并且即使使用小径的工具也避免与工件干涉且确保充分的槽深度。在相对于旋转的工件进行使安装于从该工件的外方朝向内方延伸的旋转轴上的切削工具沿深度方向进入而进行圆周状的槽加工的切削加工时，使旋转轴朝向工件的内方以规定的倾斜角度向下方倾斜，在俯视图下观察时，切削刃在工件中的轨迹配置成将其最深点和工件的中心O连结的在半径方向上具有短轴的椭圆，在维持该倾斜角度的状态下，使切削工具下降到加工目标的槽深度而切削工件，由此能够任意地设定在从将最深点投影到工件的表面上而得的点与工件表面平行地朝向工件中心轴的轴、或者将切削工具的旋转轴投影到工件表面上而得的轴的方向上产生的偏移。

Description

切削加工方法及切削加工装置

技术领域

本发明涉及基于车削的切削加工方法及切削加工装置，涉及在对飞机用的喷气式发动机的旋转部件等尤其难加工性原材料的工件车削圆或者圆弧状的槽时也不会有损工具的寿命、用于格外地提高槽的加工精度和加工效率的技术。

背景技术

飞机预计在今后的20年以内，机体将达到现有的2倍，发动机将达到现在的3.5倍。若提高如此激增的飞机的燃料消耗率，则从节能·削减CO₂的观点考虑，为了较大地有助于地球环境，现在从机体的轻量化、发动机输出的效率化等观点进行各种技术开发。

另一方面，当然飞机的机体·发动机作为前提条件需要极高的安全性能，因此在设计各构成部件时，除了充分维持强度、刚性之外，还必须实现轻量化，从而广泛采用轻量且高强度的材料。这与在火力发电设备中采用的汽轮机发动机等是同样的。

尤其关于发动机部件，为了提高燃烧效率，使燃烧温度上升是必不可少的，因此，喷气式发动机的旋转部件的温度达到千数百℃，而且达到数千rpm的高速旋转，从而必须采用在高温环境下能够耐受极大离心力的部件形状·材料，作为除了在轻量·高强度上优越还在耐热性·耐腐蚀性上优越的材料，采用钛合金或镍基合金等高强度耐热合金。

在设计如此的发动机部件等时，基于结构解析进行最优化设计，所追求的是按照设计那样的高精度来实现焊接·铸造·锻造·切削·磨削·研磨等加工，尤其是关于对旋转精度等部件性能赋予较大影响的切削加工，即使在高强度耐热合金自身的高温度下强度也难以下降这一特征在改善加工精度、加工效率上成为较大的障碍，将所述高强度耐热合金称为难切削材料。

也就是说，在切削温度达到了高温的情况下，也认为高强度耐热合金制工件的强度超过切削工具的强度，从而被加工性显著恶化，并且切削刃损伤，陷入不能够加工的境地。

从这样的背景出发，强烈要求开发能够减少切削工具的损耗且高效率地切削钛合金或镍基合金等被称为难切削材料的高强度耐热合金的方法和装置。

作为具体例，可列举图1的用于喷气式发动机的叶轮机的盘和叶片，从盘的截面图可知，需要相对于圆板状的工件，进行如虚线的阴影所示的圆弧状的槽加工。一直以来，在车削如此的圆弧状的槽时，例如，采用使用车削刀刃的加工、使用立铣刀的加工、使用铣刀的加工、使用偏铣刀的加工等加工方法，对应于工件的材质、加工槽的尺寸或者所要求的加工精度等而适当采用。但是，尤其在对钛合金或镍基合金等难切削材料的工件进行加工时，分别产生了如下的问题。

在使用了车削刀刃的情况下，由于加工中切削刃的一部分始终与工件接触，因此工具瞬时发热·磨损，另外，在工具的磨损作用下，有时在加工尺寸上产生误差，频繁产生工具折损，从而陷入不能够加工的境地。

在使用了立铣刀的情况下，由于在工具侧面形成的切削刃断续地对工件进行切削，因此虽然工具侧面的一部分不接触，但是工具和工件的接触弧长，从而无法避免因此而导致的发热，另外，由于底面始终接触，因此也容易产生来自该部位的发热。进而，由于在由立铣刀加工形成的槽的内部堆积切削屑，因此也频繁地产生切削屑向工具的啮入。

在使用了铣刀的情况下，如图2所示，工具的外表面与工件端面或槽的外壁干涉，在能够加工的槽深度上产生物理性限制。

另一方面，在使用了车削刀刃、立铣刀的加工中，切削刃的一部分始终与工件接触，相对于此，在使用了偏铣刀的情况下，由于在偏铣刀外周以规定间隔配置切削刃，因此如图3所示，进行断续的切削，在非切削的期间工具被冷却，因此与连续切削比较，在能够防止工具的发热、伴随于此能够使工具的寿命长期化这一观点上是有利的。

在基于偏铣刀的加工中，利用工具的形状，工具的旋转轴相对于加工面维持水平方向，在该状态下使工具沿切深方向行进。图4～图6表示在使用偏铣刀对工件W加工作为目标加工形状的以规定半径具有垂直侧壁的圆周槽的情况下，通过实际的加工形成何种槽。

在此，偏铣刀1在中心与轴2的中心一致的圆板3的外周等间隔配置有切削刃4，在图4中，在逆时针方向上相对于旋转的工件W，轴2始终维持平行且同时下降，与工件W的端面相接，开始切削圆周槽，轴2持续进行切削加工直到成为加工目标的槽深度。还有，在图4中从轴2的相反侧观察，圆板3以轴2为中心向逆时针方向旋转。

图4的左侧是在俯视图下观察切削刃4最深侵入工件内的状态的图，从圆板3的旋转方向观察，在最上游侧开始与工件W接触的部位成为切削开始点，通过切削刃轨迹中的最深侵入工件内的部位且从圆板3的旋转方向观察在最下游侧从工件W脱离出来的部位成为切削结束点。以下，若将切削刃轨迹中的最深侵入工件内的部位称为最深点，则从平面观察工件W的端面，逐渐形成以最深点为内径且以切削开始点及切削结束点为外径的槽。

其中，若以半径方向的截面形状进行观察，则该槽并不与工件W的中心线平行地形成。也就是说，在图4中，将切削开始点和切削结束点连结的线是工件W的端面上的切槽，若以侧面图观察图4，则切削刃4在工件W的内部以将切削开始点和切削结束点连结的线为弦，通过以最深点为弧的中点的轨迹。

也就是说，在槽加工中，使工件W在中心点O旋转，且同时使轴2维持相对于工件W始终并行的状态，加工到成为加工目标的槽深度为止，不过最终槽的截面形状通过相对于进入工件W中的、以将切削开始点和切削结束点连结的线为弦、且以最深点为弧的中点的切削刃的圆弧面，使工件W以中心O旋转一周来确定。

因而，在使用偏铣刀1对旋转的工件的端面进行槽形状的加工时，若加工为切削刃的轨迹的最深点与槽的圆弧轨迹一致，则如图4左侧的俯视图所示，位于投影到加工面上的工具的轨迹上的点从槽的圆弧曲线，在将从切削刃4的工件的最深点朝向工件W的中心轴的直线投影到工件表面上而得的轴(以下，将该轴定义为x轴。)方向上，朝向槽的外侧偏移δ。还有，若在俯视图下观察，则x轴与偏铣刀1的轴2一致，与加工中工件的旋转无关，是固定的。

现在，NC工作机械具有如下2种坐标系。

(1)机械坐标系：

是即使载置工件的旋转工作台旋转，原点的位置和xyz轴的方向也不变化的坐标系，是表示工作机械自身的结构的坐标系。

(2)工作台坐标系：

是若载置工件的旋转工作台旋转，则原点的位置沿圆周移动，xyz轴的方向变化的坐标系。是在NC上假定的坐标系。

其中，在本发明中，采用了(1)的机械坐标系。因而，与工件的旋转无关，原点始终位于相同位置，x轴的方向也不变化。

在此，δ表示从切削开始点朝向最深点或者从最深点朝向切削结束点，在追沿着投影的工具的轨迹时的工具的轨迹上的各点上的投影的工具的轨迹和作为目标形状的槽的圆弧曲线之间，在x轴方向上产生的偏移，δs是切削开始点的工具的轨迹和槽的圆弧之差，δf是切削结束点的工具的轨迹和槽的圆弧之差。

该偏移δ在切削开始点δs和切削结束点δf取最大值，偏铣刀1的切削刃半径相对于加工目标的半径越大，另外加工目标的槽深度越大，该偏移δ越大。

于是，投影的切削刃的轨迹朝向槽的圆弧曲线的外侧离开，另外，从切削开始点到最深点，切削刃的进入深度从0到最深点圆弧状变深，相反从最深点到切削结束点，切削刃的进入深度圆弧状变浅，因此在加工结束的时点，如图5所示，加工槽的截面形状在外壁部分向深度方向减小槽宽度的方向上产生曲面状的坡度。

以下，使用图6，进一步详细地说明坡度的产生理由。

在图6中，数字仅在该图中使用，在使槽的加工目标形状为具有与工件垂直的侧面的正圆时，1是偏铣刀工具的轨迹，2是加工目标形状的工件表面的槽圆弧，3～5是从工件表面到任意深度的加工目标形状的槽圆弧的轨迹，6是加工目标形状的最深点处的槽圆弧的轨迹。

在此，以最深点22在工件W的表面上投影的点为原点O’，以从原点O’与工件表面平行地朝向工件中心轴的轴(或者，工具的旋转轴在工件表面上投影而得的轴)为x轴，以在水平面内与该x轴正交的轴为y轴，以在垂直方向上与x轴正交的轴为z轴。

在此，使某深度的加工目标形状的槽圆弧轨迹上的任意的点为7～10，使与各点7～10在与z轴正交的平面内沿y轴方向位于相同位置的切削刃的轨迹1上的点为11～14，将7和11、8和12、9和13、10和14连结的线段成为上述的切削刃的轨迹和加工目标形状的槽圆弧的x轴方向的偏移δ。尤其是，将7和11连结的线段的长度成为切削结束点的切削刃的轨迹和加工目标形状的槽圆弧的偏移δf。

接着，在与工件W表面平行的截面、即与z轴正交的截面中，对以工件W的中心轴为中心通过点11～14的圆弧15～18进行描绘，使加工目标形状的槽圆弧上的点7～10沿着槽圆弧2～5通过y＝0即点O’，移动到与工件的中心轴平行的z轴上的点O’～22。

同样地，若使点11～14分别沿着圆弧15～18移动到y＝0的xz平面上的点23～26，则将点23～26～22连结的曲线成为利用偏铣刀方式加工槽时产生的向外壁的坡度曲线，这成为与加工目标形状的槽圆弧的误差。

因而，在相对于加工面沿水平方向设置偏铣刀的加工方法中，在坡度的影响下无法高精度地精加工任意的槽形状，其程度与工具的直径相对于槽径的的比有关系，通常，越使用大径的工具，在槽的外壁产生越大的坡度。另一方面，在小径工具的情况下，在外壁产生的坡度的程度小，但是由于工具直径小，因此无法加工深的槽，从而在加工效率、工具发热的方面上也是不利的。

进而，如上所述，由于工具1的轴2始终维持平行且同时相对于工件W下降而接近，因此在加工槽的跟前侧具有凸部的工件W等中，如图7所示轴2和凸部产生干涉，从而也存在无法进行规定以上深度的槽加工的问题。

【专利文献1】特开平11-300505号公报

【专利文献2】专利第3757807号公报

发明内容

本发明的目的在于，在对上述工件车削圆或者圆弧状的槽时，发挥使用了偏铣刀的加工的低发热性、工具寿命的长期化这些优点，且同时使槽形状高精度化，降低或者防止产生坡度，并且，即使使用小径的工具也避免与工件干涉且同时确保充分的槽深度。

为了实现上述目的，本发明者们着眼于下述情况：使工具的旋转轴相对于工件端面倾斜，并且根据需要研究工具及切削刃的形状，由此使切削刃在工件内部的轨迹在俯视图观察下呈椭圆，从而能够任意地设定在上述的x轴方向上产生的切削刃的轨迹和加工目标形状的槽圆弧的差或者偏移δ。

具体地说，本发明采用了如下的切削加工方法。即，

(1)一种切削加工方法，相对于旋转的工件，使安装于从该工件的外方朝向内方延伸的旋转轴上的切削工具沿深度方向进入，进行圆周状的槽加工，其中，

使所述旋转轴朝向所述工件的内方以规定的倾斜角度B向下方倾斜，在俯视图下观察时，所述切削工具的切削刃在所述工件内的轨迹配置成在连结其最深点和所述工件的中心的半径方向上具有短轴的椭圆的一部分，此时利用下式求出所述轨迹和作为加工目标形状的槽的圆弧的x轴方向的偏移δ和所述倾斜角度B的关系，在维持了该倾斜角度B的状态下，使所述切削工具加工到加工目标的槽深度而切削所述工件，由此能够相对于从所述工件表面观察到的所述轨迹上的任意的点的深度t，设定所述偏移δ，

还有，所谓x轴是以将所述最深点投影到工件表面上而得的点为原点且从该原点与工件表面平行地朝向工件中心轴的轴、或者将所述旋转轴投影到工件表面上而得的轴，

【式11】

δ = (a_{d} - t) \tan B - \frac{D}{2} + \frac{1}{2} \sqrt{D^{2} - \frac{4 d (a_{d} - t)}{\cos B} + \frac{{4 (a_{d} - t)}^{2}}{\cos B^{2}}} \cdot \cdot \cdot (11)

其中，D是要加工的槽形状的直径，a_d及d分别表示要加工的槽形状的深度及切削刃轨迹的直径，0≤t≤a_d。

(2)通过选定所述偏移δ中的切削开始点、切削结束点或者从切削开始点到切削结束点的偏移δ的值，能够调整在槽的外周壁或者内周壁产生的坡度。

(3)使所述倾斜角度不同而进行多次所述切削。

(4)选定所述切削工具的切削刃支承部及切削刃的形状，降低在所述x轴方向上产生的偏移。

在本发明中，为了有效地实施上述的切削加工方法，进而，采用了如下的切削加工装置。即，

(5)一种切削加工装置，相对于旋转的工件，使安装于从该工件的外方朝向内方延伸的旋转轴上的切削工具沿深度方向进入，进行圆周状的槽加工，其中，

设有使所述切削工具的旋转轴朝向所述工件的内方以规定的倾斜角度B向下方倾斜的切削工具倾斜机构，在俯视图下观察时，以所述切削刃在所述工件内的轨迹成为将其最深点和所述工件的中心O连结的在半径方向上具有短轴的椭圆的方式调整所述倾斜角度B，由此能够相对于从所述工件表面观察到的所述轨迹上的任意的点的深度t，设定所述轨迹和作为加工目标形状的槽的圆弧的x轴方向的偏移δ，

还有，所谓x轴是以将所述工件最深点投影到工件表面上而得的点为原点且从该原点与工件表面平行地朝向工件中心轴的轴、或者将所述旋转轴投影到工件表面上而得的轴，所述倾斜角度B与所述轨迹和作为加工目标形状的槽的圆弧的x轴方向的偏移δ的关系利用下式求出，

【式12】

δ = (a_{d} - t) \tan B - \frac{D}{2} + \frac{1}{2} \sqrt{D^{2} - \frac{4 d (a_{d} - t)}{\cos B} + \frac{{4 (a_{d} - t)}^{2}}{\cos B^{2}}} \cdot \cdot \cdot (12)

(6)所述切削工具具备从所述旋转轴扩开的扩开部，所述切削刃安装于该扩开部的前端。

【发明的效果】

在此，在从工件表面观察到的切削刃的轨迹上的任意的点的深度t是0时，用于计算x轴方向的偏移δ的上述的式表示在切削开始点或切削结束点上的切削刃的轨迹和槽圆弧的x轴方向的偏移δs、δf。在t＝a_d的情况下，x轴方向的偏移δ的计算式表示最深点处的切削刃的轨迹和槽圆弧的x轴方向的偏移，该情况下，δ一定成为零，能够进行在最深点切削刃的轨迹和槽圆弧一致之类的加工。

由于要加工的槽的直径D和深度a_d是确定的值，因此δ成为工具直径d、切削刃的轨迹上的任意的点的深度t、工具的倾斜角度B的函数，在δ是负的情况下，切削刃的轨迹位于槽圆弧的外侧，相反在δ是正的情况下，切削刃的轨迹投影于槽圆弧的内侧。

另外，若确定所使用的工具的直径d，则在切削刃的轨迹中的与切削相关区域(0≤t≤a_d)，根据倾斜角度B的值，求出各点的δ，在工具的倾斜角度B是零的情况下，成为工具轴与工件表面平行的偏铣刀方式，若增大工具的倾斜角度B，则投影于工件表面上的切削刃的轨迹向槽圆弧的内侧移动。

由以上可知，与切削相关的切削刃的轨迹的所有的区域(0≤t≤a_d)的各点的δ根据工具的倾斜角度B的大小分为如下3种情况。

(1)倾斜角度B小的情况。

在所有的0≤t≤a_d中，使倾斜角度B从零依次增大，直到切削开始或结束点(t＝0)处的切削刃的轨迹和槽圆弧的偏移δs、δf成为零为止，工具的轨迹都投影于比槽的圆弧靠外侧。此时，只在槽的外侧产生坡度。

(2)从δs＝0、δf＝0的倾斜角度B进一步使工具倾斜的情况。

此时，在切削开始/结束点的附近投影于工件表面上的切削刃的轨迹投影于槽圆弧的内侧，在最深点附近切削刃的轨迹投影于槽圆弧的外侧。此时，在槽的内和外两方产生坡度。

(3)进一步增大倾斜角度B的情况。

在式(1)中，在所有的区域(0≤t≤a_d)中，若以δ＞0的方式设定工具的倾斜角度B，则投影的工具的轨迹进入比所有的槽圆弧靠内侧。此时，只在槽的内壁产生坡度。

于是根据上述(1)的切削加工方法，相对于工件的端面，以切削工具的切削刃和工件的接触点位于下方的方式以规定的倾斜角度倾斜，在俯视图下观察时，切削刃的轨迹配置为将其最深点和工件的中心O连结的以半径方向为短轴的椭圆，由此能够将在上述x轴方向上产生的偏移δ设定为任意的值，例如即使是加工目标形状具有垂直侧壁的槽的情况，也能够实现精度高的加工。

另外，能够简单地计算在x轴方向上产生的偏移δ，能够选定最优的倾斜角度。

根据上述(2)的切削加工方法，通过选定偏移δ中的切削开始点、切削结束点或者从切削开始点到切削结束点的偏移δ的值，能够调整在槽的外周壁或者内周壁产生的坡度形状。

根据上述(3)的切削加工方法，通过进行多次使倾斜角度不同的切削，能够降低在槽的内壁侧或者外壁侧产生的坡度。

根据上述(4)的切削加工方法，通过除了倾斜角度之外还选定切削工具的切削刃支承部及切削刃的形状，能够任意地设定x轴方向的偏移。

根据上述(5)的切削加工装置，由于具有使切削工具的旋转轴朝向工件的内方以规定的倾斜角度向下方倾斜的切削工具倾斜机构，因此能够自如且连续地调整倾斜角度，能够简单且高效地实现上述(1)～(5)的切削加工方法。

根据上述(6)的切削加工装置，由于在从旋转轴扩开的扩开部的前端具有切削刃，因此能够防止工具和工件的干涉，并且能够进行更深的槽加工。

附图说明

图1表示用于喷气式发动机的叶轮机的盘和叶片的加工例。

图2表示使用了铣刀的情况的切削加工的例。

图3表示伴随加工的切削刃的温度变化的例。

图4表示在使偏铣刀的旋转轴相对于工件维持平行时，投影于工件端面上的切削刃轨迹和槽的圆弧曲线的偏移δ。

图5表示在使偏铣刀的旋转轴相对于工件维持平行时，在槽的外壁侧形成有坡度的状态。

图6表示在使偏铣刀的旋转轴相对于工件维持平行时，在槽的外壁产生坡度的说明图。

图7表示现有的偏铣刀与工件干涉的状态。

图8表示在实施例中工具的切削刃到达了最深点的状态。

图9表示使工具倾斜的状态。

图10表示在工具相对于工件处于水平状态时，工具的切削刃与工件表面相接的状态。

图11表示切削刃的特定的点。

图12表示使工具倾斜时，特定的点在坐标上如何移动。

图13表示使工具倾斜并赋予了切深时的切削区域。

图14表示使切削开始点、切削结束点的x轴方向的偏移为0时的加工例。

图15表示使特定的点的x轴方向的偏移为0时的加工例。

图16表示使外壁为垂直壁时的加工例。

图17表示使内壁为垂直壁时的加工例。

图18表示工具的倾斜角度和产生的坡度的关系。

图19表示使偏铣刀倾斜时的干涉的状态。

图20表示增大扩开部而与工件正交的加工例。

图21表示进行实际的加工时的流程图。

图22表示使用了椭圆的切削刃的加工例。

图23表示使用了矩形的切削刃的加工例。

具体实施方式

以下，使用附图说明本发明的实施例。

【实施例】

图8表示本发明的工具5相对于工件W加工目标形状的圆周槽时的立体图及主视图。

本发明的工具5由旋转轴6、中心轴与该旋转轴6一致且例如裁圆锥形那样逐渐喇叭状扩开的扩开部7和在该扩开部7的外周端部等间隔配置的切削刃8构成，旋转轴5相对于工件W的端面以角度B向工件W的外周侧延伸。

该工具5在未图示的加工机作用下从工件W的中心O侧在旋转轴6的轴向上观察时，向逆时针方向高速旋转驱动，并且距工件W的中心O的位置、切入深度以及上述的倾斜角度被自如地定位。还有，工件W也由未图示的加工台保持，在图8中向逆时针方向旋转驱动。

还有，在该实施例中，使用了具有扩开部7的工具，不过也可以根据槽的形状(深度、宽度)或者需要的加工精度，使用在与轴正交的圆板面上安装有切削刃的普通的偏铣刀。

图8表示该工具5的切削刃8到达了最深点的状态。

切削刃8配置于扩开部7的外周端，在以旋转轴5为中心的圆轨道上高速旋转，由于旋转轴5相对于工件W的端面倾斜，因此切削开始点和切削结束点成为以将连结最深点和工件W的中心O的半径方向为短轴的椭圆，如图8所示，若在俯视图下观察该圆轨道，则在最深点处的法线方向即从切削刃8的工件最深点与工件表面平行地朝向工件中心轴的轴的方向上产生的差或者偏移δ，与使旋转轴6相对于工件W维持平行而进行加工的图2相比较，能够较大地降低。

在此，如图9所示，关于使加工目标的槽形状的直径为D、深度为a_d且直径为d的工具从加工面倾斜B而进行加工的情况，使用图10～图13详细地说明能够降低上述偏移δ的理由。

在图10中，将以切削刃8将要切入工件W之前的工件表面和由切削刃8形成的切削刃轨迹接触的点为原点O’且从原点O’沿着工件表面朝向其中心点O的轴作为x轴，将在原点O’在水平面上与x轴正交的轴作为y轴，将在原点O’垂直正交的轴作为z轴。

如图11所示，若具有直径d的切削刃的工具的轴与xz面平行配置，则距切削刃的最上点的角度的点(x1、y1、z1)的点的轨迹如下表示。

x₁＝0

接着，若以原点O’为中心，使工具的旋转轴在zx平面内倾斜角度B，则如图12所示，角度

的点(x1、y1、z1)如下变化。

x₂＝x₁·cosB+z₁·sinB

y₂＝y₁

z₂＝-x₁·sinB+z₁·cosB

还有，角度

的点(x1、y1、z1)可以使用工具的直径d、距切削刃的最上点的角度

及倾斜角度

而如下表示。

在此，x₂和y₂表示投影于工件平面上的切削刃的轨迹，若使倾斜角度B变化，则x₂变化，y₂不变化。

若着眼于切削刃的轨迹中的与切削相关的区域，则如图13所示，在将赋予工件的切入量设为t’(0≤t’≤a_d)时，

z₂-t’≤0

的区域是切削刃的轨迹中的与切削相关的部分，

由于

因此中心角度

中的

的范围成为切削区域。

由以上可知，投影的工具的椭圆轨迹如下表示。

其中，

在此，在槽的圆弧曲线上，若y的值成为y₂的点G位于从将工件中心O和使切削刃的工件最深点22投影于工件W的表面上而得的点即原点O’连结的直线旋转角度C的位置，则下述的式(2)成立。

【式2】

\frac{D}{2} \sin C = y_{2}

\sin C = \frac{2 y_{2}}{D} \cdot \cdot \cdot (2)

\cos C = \sqrt{1 - \sin^{2} C}

= \sqrt{1 - \frac{4 y_{2}^{2}}{D^{2}}}

另外，点G的x方向的值由下述的式(3)表示。

【式3】

X = \frac{D}{2} - \frac{D}{2} \cos C = \frac{D}{2} - \frac{D}{2} \sqrt{1 - \frac{4 y_{2}^{2}}{D^{2}}} \cdot \cdot \cdot (3)

另一方面，切削刃轨迹的角度使用z₂由下述的式(4)表示。

【式4】

z_{2} = \frac{d}{2} (\cos φ + 1) \cos B

\cos φ = \frac{2 z_{2}}{d \cos B} - 1 \cdot \cdot \cdot (4)

\sin φ = \sqrt{1 - {(\frac{2 z_{2}}{d \cos B} - 1)}^{2}} = \sqrt{\frac{4 z_{2}}{d \cos B} - \frac{4 z_{2}^{2}}{d^{2} \cos B^{2}}}

同时，y₂使用z₂由下述的式(5)表示。

【式5】

y_{2} = \frac{d}{2} \sin φ

= \frac{d}{2} \sqrt{\frac{4 z_{2}}{d \cos B} - \frac{4 z_{2}^{2}}{d^{2} \cos B^{2}}} \cdot \cdot \cdot (5)

= \sqrt{\frac{{dz}_{2}}{\cos B} - \frac{z_{2}^{2}}{\cos B^{2}}}

由以上可知，在与切削相关的切削刃的轨迹(切削刃-工件接触弧)中，若将投影于加工面上的切削刃的轨迹的所有的点中的x轴方向的切削刃轨迹与加工目标形状槽的圆弧轨迹的偏移设为δ，则δ由下述的式(6)表示。

【式6】

δ = x_{2} - X

= \frac{d}{2} (\cos φ + 1) \sin B - {\frac{D}{2} - \frac{D}{2} \sqrt{1 - \frac{4 y_{2}^{2}}{D^{2}}}} \cdot \cdot \cdot (6)

在此，若在式(6)右边的第1项的

代入式(4)，在右边的第2项的y₂代入式(5)，则如下述的式(7)所示。

【式7】

δ = \frac{d}{2} (\frac{2 z_{2}}{d \cos B} - 1 + 1) \sin B - {\frac{D}{2} - \frac{D}{2} \sqrt{1 - \frac{4}{D^{2}} {(\sqrt{\frac{{dz}_{2}}{\cos B} - \frac{z_{2}^{2}}{\cos B^{2}}})}^{2}}}

= \frac{d}{2} (\frac{2 z_{2}}{d \cos B}) \sin B - {\frac{D}{2} - \frac{D}{2} \sqrt{1 - \frac{4}{D^{2}} (\frac{{dz}_{2}}{\cos B} - \frac{z_{2}^{2}}{\cos B^{2}})}} \cdot \cdot \cdot (7)

= (\frac{z_{2}}{\cos B}) \sin B - \frac{D}{2} + \frac{D}{2} \sqrt{1 - \frac{4}{D^{2}} (\frac{{dz}_{2}}{\cos B} - \frac{z_{2}^{2}}{\cos B^{2}})}

= z_{2} \tan B - \frac{D}{2} + \frac{1}{2} \sqrt{D^{2} - \frac{4 {dz}_{2}}{\cos B} + \frac{4 z_{2}^{2}}{\cos B^{2}}}

在此，在对工具赋予了目标深度a_d(目标槽深度)的切入时，若将切削刃的轨迹上的高度z₂设为z₂＝a_d-t，则偏移δ能够由下述的式(8)计算。

【式8】

δ = (a_{d} - t) \tan B - \frac{D}{2} + \frac{1}{2} \sqrt{D^{2} - \frac{4 d (a_{d} - t)}{\cos B} + \frac{4 {(a_{d} - t)}^{2}}{\cos B^{2}}} \cdot \cdot \cdot (8)

(0≤t≤a_d)

基于现在的该δ的值，关于形成何种坡度，分情况如下说明。

(1)δs＝δf＝0的情况

例如，在D＝500mm、d＝150mm、a_d＝40mm、B＝12.825°时，如图14所示，δ在切削开始点、切削结束点成为δs＝0、δf＝0，工具的切削开始点、切削结束点及最深点这3点与加工目标形状的槽的圆弧一致，内壁成为直线，不过其它δ始终是δ＜0。当在切削开始点和切削结束点处的偏移成为零时，在形成的槽形状的外壁产生坡度，不过外壁的形状最接近直线，向外侧的坡度量是0.73mm。内壁如图所示成为直线。

(2)δs＞0(δf＞0)且在其它切削区域δ＜0时

例如，在D＝500mm、d＝150mm、a_d＝40mm、B＝14°时，如图15所示，δ在切削开始点及切削结束点成为δs＝δf＝0.81，δs＝δf＞0。与上述(1)的情况相比，工具轴倾斜。另外，在切削开始点和切削结束点附近，δ＞0。随着接近最深点，δ变小，产生δ＝0的点。进而，若接近最深点则δ＜0。此时，与切削相关的区域中的最深点和其它2点合计3点与槽的圆弧一致。在内壁和外壁都产生坡度。向内侧产生0.67mm的坡度，向外侧产生0.38mm的坡度。

(3)δs＞0(δf＞0)且在其它切削区域δ＞0时

例如，在D＝500mm、d＝150mm、a_d＝40mm、B＝25°时，δs＞0(δf＞0)。也就是说，工具的旋转轴相对于加工面，与(2)的情况相比，较大地倾斜，如图16所示，δs＝δf＝8.77mm，形成的槽的外壁的截面成为直线，不过在内壁产生坡度。向内侧的坡度量是8.3mm。

(4)δs＜0(δf＜0)的情况

例如，在D＝500mm、d＝150mm、a_d＝40mm、B＝5°时，如图17所示，δs＝δf＝-5.29mm，工具的旋转轴与加工面大致平行，在外壁产生坡度，但是内壁成为直线。工具的旋转轴的倾斜角度相对于加工面，与(1)的情况相比，较小地倾斜。向外壁的坡度量是5.27mm。尤其是，B＝0时是以偏铣刀进行加工的情况。

表示以上关系的图是图18。于是，理想的情况是在与切削相关的切削刃的轨迹的整个区域使δ＝0，但是，由于槽的圆弧是圆，相对于此，投影的切削刃的轨迹是椭圆，因此无法实现δ＝0。

此外，若始终在特定的点上使δ＝0，则相对于要加工的槽形状的直径D、深度a_d，直径d及倾斜角B成为精确大小(pinpoint)，从而需要准备多个工具。

另外，在加工目标的槽的宽度小且深的情况下，若使用安装切削刃的工具底面是平板的偏铣刀，则如图19所示，工具底板与形成的槽干涉，无法形成所希望的深度的槽。

因此，为了加工宽度小且深的槽，作为工具的形状，如图20所示，使工具的扩开部的直径尽可能大，在使工具的旋转轴倾斜时，选定扩开部的角度以使扩开部与工件正交即可。还有，在图20中，切削刃是杯形类的切削刃。

图21表示用于确定切削刃尺寸、工具直径d、倾斜角度B、扩开部的形状(角度)及工具的路线的流程图。

在步骤1中，输入要加工的槽的宽度w、直径D、深度a_d，在步骤2中选择槽宽度以下的大小的切削刃(***件)。

接着在步骤3中，选定工具的直径d，然后在步骤4中，利用式(1)，确定工具的倾斜角度B的容许范围(Bmax和Bmin)。

然后，在步骤5中，确定与工具的倾斜角度B对应的扩开部的角度，并且进而确定dw以使L＞a_d。

基于以上的步骤1～5，在Bmin≤B≤Bmax的范围内，确定工具的倾斜角度和工具的路线，在步骤6中执行加工。还有，此时，对干涉进行检查，在用工具对外壁进行精加工时，使B→Bmax(使工具的外表面和槽的外壁不干涉)即可，在用工具对内壁进行精加工时，使B→Bmin(使工具的底面和槽的内壁不干涉)即可。

具体地，在要加工的槽的直径是500mm、深度是40mm、宽度是12mm的情况下，若使用在直径是150mm的偏铣刀上安装有直径12mm的杯形片的工具，则在B＝0时在外壁产生坡度，在B＞0时产生工具-工件干涉和内壁的坡度。

因而，使用之前选定的工具，使B＝12.825°，从而虽然在外壁产生坡度，但是最近接于直线。

此时，需要使工具的外表面的锥角度是12.825°以下、且使工具的内表面的锥角度是12.825°以上。

还有，此时，外壁的坡度量是0.73mm。

另外，在槽的宽度充分大的情况下，将加工工序分为“内壁精加工”/“外壁精加工”这2个工序，或者进行包括旋转轴的同时多轴控制，由此例如最初增大倾斜角B，使外壁侧为直线状，接着通过选择倾斜角B，能够实现完全不产生坡度的槽形状的加工。

具体地，在要加工的槽的直径是500mm、深度是40mm、槽的宽度是50mm的情况下，在对扩开部的末端的直径是150mm的工具安装直径12mm的杯形片而垂直地精加工内外壁时，首先使B＝0而对内壁进行精加工。

此时，朝向壁的外侧产生8.65mm的坡度，不过由于比要加工的槽的宽度小，因此不会成为问题。接着，使工具的旋转轴倾斜B＝25°，垂直地精加工槽的外壁。此时，朝向内侧产生8.3mm的坡度，不过由于比槽的宽度小，因此没有问题。

通过如此使倾斜角度不同而进行多次切削，能够笔直地精加工内壁和外壁双方。

另外，在槽宽度充分宽的情况下，对工具赋予切深，将工具沿半径方向输送且同时使倾斜角度变化，从而能够在一次切深中垂直地精加工槽的内壁和外壁双方。也就是说，

(1)在偏铣刀的情况下，向外壁的坡度量比所要槽宽度小时，首先以使B＝零而精加工内壁的方式赋予切深，然后，将工具向工件的半径方向的外侧输送且同时逐渐增大倾斜角度。使倾斜角度B逐渐变化到笔直地精加工外壁的角度。

或者，

(2)在设有扩开部的工具的情况下，与偏铣刀相反地，对工具轴赋予笔直地精加工外壁的倾斜角度B，对外壁进行精加工。然后，将工具向工件的中心方向输送且同时使倾斜角度逐渐变化到零。

通过上述2种方法，在槽宽度充分宽的情况下，能够以1个连续控制来精加工内壁和外壁双方。倾斜角度形成为使工具和工件始终不干涉的值，且变换到规定的角度。

进而，切削刃相对于xz平面(参照图8)即工件截面，从切削开始到到达最深点为止，都朝向将工具的倾斜角度和切削刃的安装角度合成而得的方向。切削刃的形状也对形成的坡度形状产生影响。

图22表示在使用了椭圆的切削刃时形成的槽的形状，表示了因槽深度方向上的切削刃的位置不同，投影于工件截面上的切削刃的形状产生变化的状态。如图22明确可知，根据切削刃向工件截面的投影图的变化和切削刃的中心部的轨迹的合成，来确定槽的内壁和外壁的形状。图2同样地表示在使用了矩形的切削刃时形成的槽的形状。

例如，如图22所示，在使用椭圆的切削刃的情况下，与使用了圆状的切削刃(杯形片)的加工槽比较，能够减小槽宽度，若使椭圆形状的切削刃的长轴方向相对于工具的旋转轴以某角度旋转而安装，则能够降低坡度量。

由以上可知，若对应于加工目标的槽的直径、深度、槽宽度及扩开部末端的直径等，选择切削刃的最优形状，则能够实现最优的加工。

【产业上的可利用性】

如以上说明所述，根据本发明，通过使切削工具的旋转轴相对于工件的端面倾斜，能够使在以切削时的最深点投影于工件表面上而得的点为原点且从该原点与工件表面平行地朝向工件中心轴的轴或者使工具旋转轴投影于工件表面上而得的轴的方向上产生的偏移δ降低等，能够任意地设定偏移δ，不仅适用于难切削材料，也适用于通常的加工材料的槽加工，能够提高槽的加工精度，并且实现切削加工的效率化、工具的长寿命化，能够广泛地应用于各种切削加工装置。

【符号说明】

1、5 工具

2、6 旋转轴

3 圆板

4、8 切削刃

7 扩开部

Claims

1.一种切削加工方法，相对于旋转的工件，使安装于从该工件的外方朝向内方延伸的旋转轴上的切削工具沿深度方向进入，进行圆周状的槽加工，其中，

使所述旋转轴朝向所述工件的内方以规定的倾斜角度B向下方倾斜，在俯视图下观察时，所述切削工具的切削刃在所述工件内的轨迹配置成在连结其最深点和所述工件的中心的半径方向上具有短轴的椭圆的一部分，此时利用下式求出所述轨迹和作为加工目标形状的槽的圆弧的x轴方向的偏移δ与所述倾斜角度B的关系，在维持了该倾斜角度B的状态下，使所述切削工具加工置加工目标的槽深度，切削所述工件，由此能够相对于从所述工件表面观察到的所述轨迹上的任意的点的深度t，设定所述偏移δ，

其中，x轴是指以将所述最深点投影到工件表面上而得的点为原点，从该原点与工件表面平行地朝向工件中心轴的轴、或者将所述旋转轴投影到工件表面上而得的轴，

【式9】

δ = (a_{d} - t) \tan B - \frac{D}{2} + \frac{1}{2} \sqrt{D^{2} - \frac{4 d (a_{d} - t)}{\cos B} + \frac{4 {(a_{d} - t)}^{2}}{\cos B^{2}}} \cdot \cdot \cdot (9)

2.如权利要求1所述的切削加工方法，其中，

通过选定所述偏移δ中的切削开始点、切削结束点或者从切削开始点到切削结束点的偏移δ的值，能够调整在槽的外周壁或者内周壁产生的坡度。

3.如权利要求1所述的切削加工方法，其中，

使所述倾斜角度不同而进行多次所述切削。

4.如权利要求1～3中任意一项所述的切削加工方法，其中，

除了所述倾斜角度之外，还选定所述切削工具的切削刃支承部及切削刃的形状，由此能够设定所述x轴方向的偏移δ。

5.一种切削加工装置，相对于旋转的工件，使安装于从该工件的外方朝向内方延伸的旋转轴上的切削工具沿深度方向进入，进行圆周状的槽加工，其中，

设有使所述切削工具的旋转轴朝向所述工件的内方以规定的倾斜角度B向下方倾斜的切削工具倾斜机构，在俯视图下观察时，以所述切削刃在所述工件内的轨迹成为在连结其最深点和所述工件的中心O的半径方向上具有短轴的椭圆的方式调整所述倾斜角度B，由此能够相对于从所述工件表面观察到的所述轨迹上的任意的点的深度t，设定所述轨迹和作为加工目标形状的槽的圆弧的x轴方向的偏移δ，

其中，x轴是指以将所述工件最深点投影到工件表面上而得的点为原点，从该原点与工件表面平行地朝向工件中心轴的轴、或者将所述旋转轴投影到工件表面上而得的轴，所述倾斜角度B与所述轨迹和作为加工目标形状的槽的圆弧的x轴方向的偏移δ的关系利用下式求出，

【式10】

δ = (a_{d} - t) \tan B - \frac{D}{2} + \frac{1}{2} \sqrt{D^{2} - \frac{4 d (a_{d} - t)}{\cos B} + \frac{{4 (a_{d} - t)}^{2}}{\cos B^{2}}} \cdot \cdot \cdot (10)

6.如权利要求5所述的切削加工装置，其中，

所述切削工具具备从所述旋转轴扩开的扩开部，所述切削刃安装于该扩开部的前端。