JP2002224902A - 旋盤におけるワークの球面加工方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 旋盤を用いてワークに部分球面加工を行う方
法に関し、形状精度及び仕上げ面精度の高い球面を効率
よく加工する。 【解決手段】 刃物台４にＢ軸方向に角度制御される回
転工具軸８を設けた複合旋盤を用い、回転工具軸８にフ
ライス９を装着して、回転工具軸８のＢ軸方向の振れ角
を固定してＸ軸ないしＹ軸方向、一般的には回転工具軸
が向く方向に切込み送りを与えるか、又は、回転工具軸
８を加工する球面の中心Ｐに向けて円弧方向に移動させ
て、球面加工を行う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、旋盤を用いて主
軸に把持されたワークの先端又は中間位置に球面加工を
行う方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、旋盤で球面加工を行うときは、図
７に示すように、刃物台４にバイト１７を取付け、主軸
に把持されたワーク１３を回転させながら、刃物台１６
を円弧移動させることによって加工を行っている。旋盤
を制御するＮＣ装置には、各種の加工を行うためのサブ
プログラム（コード）が準備されており、球面加工用の
サブプログラムも含まれている。球面加工をするとき
は、このサブプログラムに刃物台上でのバイトの刃先位
置、加工しようとする球面の中心の座標及び半径などを
引数として渡す。ＮＣ装置は、これらの引数と刃物台の
現在位置を基に微少間隔で移動先のＸ座標とＺ座標とを
演算して刃物台を順次移動させることにより、刃物台１
６を図７に１８で示す円弧軌跡に沿って移動させ、球面
の加工を行っていた。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上記の従来方法でワー
クの先端に球面加工を行うときは、球の頂部（主軸軸線
上の位置）を加工するとき、バイト１７の先端が主軸軸
線上にまで進出する。ワークの切削や研削を行うために
は、切刃とワーク表面との間に適切な相対速度が存在す
る必要があるが、旋盤のワークは主軸の中心軸回りに回
転しているので、バイトの刃先が主軸中心に近付くと、
ワークの周速が小さくなり、主軸軸線上ではゼロになっ
てしまう。そのため、加工した球の頂部付近では、表面
粗さが悪くなり、頂部に小さな突起が残ってしまう。ま
た、周速が小さい状態で強引に加工を行うので、バイト
の切刃に対する負担が大きく、工具寿命が短くなるとい
う問題があった。また、刃物台のＺ軸方向移動とＸ軸方
向移動との合成によって円弧移動させるため、加工する
球の精度に限界があり、精度を上げようとすると、演算
や刃物台の移動に時間がかかって、加工能率が上がらな
いという問題があった。

【０００４】そこでこの発明は、旋盤で棒材やフランジ
材の特に先端部分に形状精度及び仕上げ面精度の高い球
面を効率よくかつ工具に負担をかけないで加工する方法
を得ることを課題としている。

【０００５】

【課題を解決するための手段】この発明の方法では、Ｘ
軸方向とＺ軸方向とに位置制御される刃物台４にＹ軸方
向の旋回軸７を備え、この旋回軸回りにＢ軸方向に角度
制御される回転工具軸８を備えた複合旋盤を用いて加工
を行なっている。ここでＺ軸方向は旋盤の主軸方向、Ｘ
軸方向はＺ軸と直交する旋盤の刃物台の送り方向、Ｙ軸
方向はＸ軸及びＺ軸と直交する方向、Ｂ軸方向はＹ軸回
りの旋回方向である。回転工具軸８の軸心は、旋回軸７
の軸心と直交している。この種の複合旋盤には、通常工
具マガジンと自動工具交換装置とが設けられ、回転工具
軸８に装着する工具を交換して、マシニングセンタ的な
加工が可能となっている。

【０００６】この発明では、前記回転工具軸８に工具基
体の前面外周部に複数の切刃１１を有するフライス９を
装着して球面加工を行う。このフライスは、好ましくは
フライスの回転接線方向から見て円形ないし円弧形の刃
先を備えたフライスを用いる（請求項３）。前面から見
て中央部が凹んだ椀状ないし皿状の基体の外周部に円形
のスローアウエイ形の複数の切刃を備えたフライスは既
に実用化されている。この種のフライスは、従来平面加
工や形彫り加工に用いられている。

【０００７】使用するフライスの刃先（ワークと接して
いる先端）１５の回転軌跡の直径２Ｒが加工しようとす
る球面の経線方向の弦の長さＬ（図面参照）と等しいか
大きいときは、回転工具軸８のＢ軸方向の振れ角を固定
して加工を行うことができる。使用するフライスの上記
回転軌跡の直径２Ｒが上記弦の長さＬより小さいとき
は、回転工具軸８を加工しようとする球面の中心Ｐに向
けた状態で刃物台４を加工しようとする球面の円弧方向
に移動させて加工を行う。この移動は微少間隔の連続移
動である必要はない。好ましくは、前記弦の長さＬが前
記回転軌跡の直径と等しいか大きなフライスを用いて、
刃物台４を円弧移動させないで加工する。

【０００８】前記好ましい方法によれば、回転工具軸８
を球面加工終了時に加工された球面の中心Ｐへ向く方向
に固定して旋盤の主軸と当該回転工具軸とを回転し、刃
物台４にＺ軸ないしＸ軸方向（Ｚ軸とＸ軸の中間の方向
を含む。一般的にはフライスの回転中心軸方向）の切削
送りを与えることにより加工を行なう（請求項２）。

【０００９】また加工する球面の円周方向に切削送りを
与える方法では、回転工具軸８を加工しようとする球面
の中心Ｐに向けかつ当該中心と回転工具軸の旋回中心Ｑ
との距離を一定に保持した状態を維持しつつ、すなわち
回転工具軸８が常に加工する球面の中心Ｐに向くように
Ｂ軸方向に旋回させかつ刃物台４を当該中心Ｐ回りに円
弧移動させながら、旋盤の主軸３及び回転工具軸８を回
転させることで加工を行なう（請求項１）。

【００１０】ワークの先端に球面加工を行なう場合は、
球面の頂部の加工終了時にフライスの刃先の回転軌跡が
旋盤の主軸軸線上を通る位置関係とする。この条件は、
フライスの切刃１１の刃先半径をｒ、当該刃先半径の中
心から回転工具軸の軸心までの半径をＲ、加工しようと
する球面の半径をａとしたときの回転工具軸８のＸ軸方
向からの振れ角θを ｃｏｓ^-1(Ｒ/(ａ＋ｒ)）とするこ
とにより実現される（請求項４）。

【００１１】

【発明の実施の形態】図６はこの発明で用いる複合旋盤
の一例を示した斜視図である。図には旋盤におけるＺ
軸、Ｘ軸、Ｙ軸及びＢ軸の方向が示されている。ベッド
１、主軸台２、主軸３及び刃物台４の配置は、一般的な
旋盤と同様で、刃物台４はＺ軸及びＸ軸方向に移動位置
決め可能である。

【００１２】刃物台４は側面視でコの字形のブラケット
５を備えており、そのコの字の間に収まるような形で工
具駆動装置６がブラケット５に設けた上下の旋回軸７で
支持されて装着されている。図には表れていない下側の
旋回軸は、工具駆動装置６に固定されてブラケット５に
回転自在に軸支され、この旋回軸にサーボ駆動の旋回モ
ータを連結することにより、工具駆動装置６の旋回軸７
回りの振れ角が制御される。工具駆動装置６は、旋盤の
主軸軸線を向く回転工具軸８を備えており、この回転工
具軸にフライス９が装着されている。

【００１３】一般的なこの種の複合旋盤では、主軸台２
の後方に工具マガジンと工具交換装置とが設けられてお
り、回転工具軸８を図の左方向に振った状態で刃物台４
が左移動して、工具の交換が行われる。フライス９は、
ワークの球面加工を行うときに、工具交換装置によって
回転工具軸８に装着される。

【００１４】フライス９には、図１に模式的に示すよう
に、工具基体１０の前面の外周部分に、外周面を緩い円
錐面にして逃げ角を設けた短いテーパ円筒型のスローア
ウエイチップ１１が、その円筒の軸をフライスの回転接
線方向にして、ボルト１２で固定されている。スローア
ウエイチップ１１は、フライスの回転接線方向から見て
円形の刃先を形成しており、ワークの表面を円弧溝状に
切除してゆくので、滑らかな仕上げ面を得ることができ
る。

【００１５】図１ないし５は、この発明の方法でワーク
１３に球面加工を行っている状態を模式的に示した図で
ある。図１はワーク１３の先端に半球の加工を行うのに
最も典型的な方法を示した図で、フライス９の中心軸
（従って回転工具軸）は、θ＝４５度の振れ角で加工し
ようとする球面１４の主軸軸線上にある中心Ｐに向いて
おり、フライスの刃先１５は、主軸軸線に近い側が主軸
軸線上でワークに接し、主軸軸線から遠い側は、ワーク
の円筒形の外周に接している。このような条件を満足さ
せるためには、加工する半球面の直径に合った径のフラ
イスを用いなければならない。その条件は、フライスの
切刃の円弧半径をｒ、フライスの軸心から切刃の円弧中
心までの半径をＲ、加工する球の半径をａとして、ｃｏ
ｓ４５°＝Ｒ／（ａ＋ｒ）である。

【００１６】図２は回転工具軸８の振れ角θを４５度よ
り大きくして、ワーク１３の先端に半球より小さい部分
球面を加工している例である。また、図３は回転工具軸
の振れ角θを４５度より小さくして、半球より大きな経
線長さを有する球面を加工している例である。ここで経
線長さとは、加工する球面のワークの軸方向の周長であ
り、Ｌはその弦の長さである。回転工具軸８のＸ軸方向
からの振れ角をθとして、ｃｏｓθ＝Ｒ／（ａ＋ｒ）と
いう条件が満足されるときは、球面の加工終了時にフラ
イスの切刃が主軸軸線上でワークの先端に加工された球
面の頂部に接している。ワークの頂部に球面加工を行う
ためには、頂部の加工完了時にこの条件が満足されなけ
ればならない。切刃が主軸軸線上に達しない位置や、主
軸軸線を超える位置となるときは、頂部に切り残し部分
が残る。

【００１７】フライスの大きさが加工しようとする球面
の経線長さより小さいときは、図４に示すように、回転
工具軸８の振れ角θと刃物台４の位置とを移動しなけれ
ば球面の全周を加工することができない。この場合の刃
物台４と回転工具軸８の移動方向は、加工しようとする
球面の中心Ｐと回転工具軸の旋回中心Ｑとの距離が一定
の位置、すなわち旋回軸７が球の中心Ｐを中心とする円
弧上を移動し、かつ回転工具軸８が球の中心Ｐを向く方
向である。

【００１８】図５は、この発明の方法でワーク１３の中
間部分にリング状の部分球面１４を加工している状態を
示している。

【００１９】

【発明の効果】以上説明した方法によれば、旋盤を用い
てワークに正確で面精度の高いな球面加工を行うことが
でき、人工関節のような先端に球面を有する棒状のワー
クなどを加工するのに特に好適である。この発明の方法
では、主軸回転は低速でよいので、ワークと切刃との相
対速度は、フライスの回転によりほぼ一定に維持され、
適正な加工条件での切削が可能である。この切削条件を
適正にできることと、加工される球の表面に切削線が綾
目状に入ることとで、良好な面粗さが得られ、更にある
程度の刃先半径を有する円形ないし円弧状の切刃を備え
たフライスを使用することによって、面粗さを更に良好
にできる。更に、適正な切削速度を維持できることに加
え、フライスが複数の切刃を備えているため、加工能率
がよく、刃先の摩耗も少ない。また、加工に際して、刃
物台を微少間隔で円弧状に移動させる必要がないから、
加工プログラムや演算時間が短く、ＮＣ装置のＣＰＵや
メモリにかける負担が小さく、段取り性も良好になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１実施例の加工方法をワークの側面から見た
説明図

【図２】第２実施例の加工方法を示す図1と同様の図

【図３】第３実施例の加工方法を示す図1と同様の図

【図４】第４実施例の加工方法を示す図1と同様の図

【図５】第５実施例の加工方法を示す図1と同様の図

【図６】この発明の方法で用いる旋盤の一例を示す斜視
図

【図７】従来の球面加工方法を示す説明図

【符号の説明】

４ 刃物台 ７ 旋回軸 ８ 回転工具軸 ９ フライス 11 スローアウエチップ ａ 加工する球の半径 Ｐ 加工する球の中心 ｒ 切刃の刃先半径 θ 回転工具のＢ軸方向の振れ角

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 Ｘ軸方向及びＺ軸方向位置を制御可能な
   刃物台(4)にＢ軸方向に振れ角を制御可能な回転工具軸
   (8)を搭載した旋盤を用い、前記回転工具軸に椀状ない
   し皿状の基体の前面外周部に切刃(11)を備えたフライス
   (9)を装着し、前記回転工具軸が加工しようとする球面
   の中心(P)を向くように角度制御しつつ前記刃物台に当
   該球面の周方向の切込み送りを与えることを特徴とす
   る、旋盤におけるワークの球面加工方法。
2. 【請求項２】 Ｘ軸方向及びＺ軸方向位置を制御可能な
   刃物台(4)にＢ軸方向に振れ角を制御可能な回転工具軸
   (8)を搭載した旋盤を用い、当該回転工具軸に椀状ない
   し皿状の基体の前面外周部に切刃(11)を備えたフライス
   (9)を装着し、前記回転工具軸を球面加工終了時に加工
   された球面の中心(P)を向く方向に固定して、前記刃物
   台に切込み送りを与えることを特徴とする、旋盤におけ
   るワークの球面加工方法。
3. 【請求項３】 フライスの回転接線方向から見た形状が
   円形又は円弧形の切刃(11)を備えたフライスを用いるこ
   とを特徴とする、請求項１又は２記載の球面加工方法。
4. 【請求項４】 フライスの切刃(11)の円弧半径を(r)、
   当該切刃の円弧中心から回転工具軸の軸心までの半径を
   (R)、加工しようとする球面の半径を(a)としたときの回
   転工具軸(8)のＸ軸方向からの振れ角θが ｃｏｓ^-1(Ｒ/
   (ａ＋ｒ)）である、請求項１、２又は３記載の球面加工
   方法。