JP2013210926A - 溝形成方法 - Google Patents

Abstract

【課題】工具の回転軸を変更する２軸の制御と、工具を相対移動させる３軸の制御とを同時に行えない５軸のＮＣ工作機械により、ワークの湾曲面に溝を精度よく形成する。
【解決手段】湾曲面３０を所定の分割位置３２で複数の分割面３１に分割する。分割面３１を、それぞれ回転軸１２の方向と角度を調節した工具１０により切削する。工具１０により、分割面３１に溝２２を形成する。分割位置３２では、工具１０をワーク２０から離して、溝２２の形成を中断する。ワーク２０から離した工具１０の回転軸１２の方向と角度を、次に切削する分割面３１に対応して変更する。工具１０を分割位置３２に戻して、溝２２の形成を再開する。
【選択図】 図４

Description

本発明は、工作機械によりワークの湾曲面に溝を形成する溝形成方法に関する。

ワークに各種の加工を行うため、数値制御工作機械（ＮＣ（Numerically Controlled）工作機械という）が使用されている。ＮＣ工作機械は、数値制御により、工具をワークに対して相対移動させる。このＮＣ工作機械として、従来、直交する３軸方向に工具を移動させる３軸ＮＣ工作機械が知られている（特許文献１参照）。

図７は、３軸ＮＣ工作機械１００によりワーク１１０を加工する例を示す図である。図７では、ワーク１１０の断面と３軸ＮＣ工作機械１００の工具１０１を示す。
３軸ＮＣ工作機械１００は、移動する工具１０１により、ワーク１１０を目標形状に加工する。ところが、３軸ＮＣ工作機械１００では、工具１０１の向きが固定されており、工具１０１の方向と角度を変更できない。そのため、ワーク１１０に溝１１１を形成する際には、ワーク１１０の加工面１１２を水平にする必要がある（図７Ａ参照）。これに対し、加工面１１２が湾曲面や傾斜面であるときには（図７Ｂ参照）、加工面１１２に垂直な溝１１１を形成することはできない。

このように、従来の３軸ＮＣ工作機械１００では、溝１１１の形状が制限されることがある。特に、湾曲面や湾曲した傾斜面に溝１１１を形成するときには、溝１１１を目標形状に形成できず、溝１１１同士が繋がらないこともある。従って、３軸ＮＣ工作機械１００では、ワーク１１０の湾曲面に溝１１１を精度よく形成するのは難しい。

特開平８−２４９０３６号公報

本発明は、前記従来の問題に鑑みなされたもので、その目的は、工具の回転軸を変更する２軸の制御と、工具を相対移動させる３軸の制御とを同時に行えない５軸のＮＣ工作機械により、ワークの湾曲面に溝を精度よく形成することである。

本発明は、工具の回転軸の方向と角度を変更する２軸の制御と、工具をワークに対して直交する３軸方向に相対移動させる３軸の制御とを同時に行えない５軸のＮＣ工作機械により、ワークの湾曲面に溝を形成する溝形成方法であって、湾曲面を所定の分割位置で分割した複数の分割面を、それぞれ回転軸の方向と角度を調節した工具により切削して分割面に溝を形成する形成工程と、分割位置で工具をワークから離して、溝の形成を中断する中断工程と、ワークから離した工具の回転軸の方向と角度を、次に切削する分割面に対応して変更する変更工程と、工具を分割位置に戻して、溝の形成を再開する再開工程と、を有する溝形成方法である。

本発明によれば、工具の回転軸を変更する２軸の制御と、工具を相対移動させる３軸の制御とを同時に行えない５軸のＮＣ工作機械により、ワークの湾曲面に溝を精度よく形成することができる。

本実施形態のＮＣ工作機械を示す斜視図である。 ワークを上方からみた平面図である。 ワークの傾斜面に溝を形成する工具を示す図である。 ワークの湾曲面に溝を形成する工具を示す図である。 回転軸を調節する工具を示す図である。 溝を形成中の工具を示す図である。 ３軸ＮＣ工作機械によりワークを加工する例を示す図である。

本発明の溝形成方法の一実施形態について、図面を参照して説明する。
本実施形態の溝形成方法では、ＮＣ工作機械によりワークに溝を形成する。以下、ワークが、発泡樹脂を成形するための金型である場合を例に採り説明する。

なお、ワークは、ＮＣ工作機械により加工する対象物（加工対象物）である。また、発泡樹脂は、発泡性の樹脂であり、金型内に注入される。発泡樹脂は、金型内で発泡して所定形状に成形される。発泡樹脂により、例えば、車両用シートパッドが成形される。車両用シートパッドは、自動車等の車両の座席内に設けられるパッドである。シートパッド用の金型により、シートパッドが成形される。

図１は、本実施形態のＮＣ工作機械１を示す斜視図である。図１では、ＮＣ工作機械１の概略構成を示している。
本実施形態のＮＣ工作機械１は、５軸のＮＣ工作機械である。ＮＣ工作機械１は、図示のように、一対のコラム２、クロスレール３、テーブル４、サドル５、ラム６、主軸ヘッド７、及び、主軸８を備えている。クロスレール３の両端部は、一対のコラム２に取り付けられている。テーブル４は、一対のコラム２の間に移動可能に設置されている。サドル５は、クロスレール３に移動可能に取り付けられている。ラム６は、サドル５に移動可能に支持されている。主軸ヘッド７は、ラム６の先端部に旋回可能に取り付けられている。主軸８は、駆動軸８Ａを介して主軸ヘッド７に連結されている。

ＮＣ工作機械１は、制御装置９、工具１０、及び、駆動装置（図示せず）を備えている。制御装置９は、ＮＣ工作機械１の全体を制御する。工具１０は、主軸８に取り付けられて、主軸８とともに回転する。駆動装置は、例えば、モータと、モータの動力により可動部を作動させる作動機構（送り機構等）を有する。ＮＣ工作機械１は、駆動装置により複数の可動部を駆動する。テーブル４は、水平面内でＸ軸方向（前後方向）に移動する。サドル５は、クロスレール３により案内されてＹ軸方向（左右方向）に移動する。ラム６は、サドル５に支持された状態で、Ｚ軸方向（垂直方向）に移動する。主軸ヘッド７は、ラム６の先端部でＣ軸方向に旋回する。主軸８は、駆動軸８Ａを中心にＡ軸方向に回動する。主軸８は、回転軸を中心に回転する。

工具１０は、ワーク２０を切削して、ワーク２０に溝を形成するための回転加工工具（例えば、エンドミル）である。工具１０は、主軸８の回転により、回転軸を中心に回転する。ワーク２０は、テーブル４の上面に固定される。ＮＣ工作機械１は、回転する工具１０により、ワーク２０を切削する。その際、テーブル４、サドル５、及び、ラム６の移動により、工具１０をワーク２０に対して互いに直交する３軸方向（Ｘ、Ｙ、Ｚ軸方向）に相対移動させる。回転及び相対移動する工具１０により、ワーク２０に溝を形成する。また、主軸ヘッド７の旋回と主軸８の回動により、工具１０を２軸方向（Ａ、Ｃ軸方向）に回動させる。２軸方向の回動により、工具１０の回転軸の方向と角度が変更される。

本実施形態の５軸のＮＣ工作機械１は、上記した２軸方向の回動と、３軸方向の相対移動とを同時に制御できないようになっている。即ち、ＮＣ工作機械１は、２軸（２軸方向）の制御と３軸（３軸方向）の制御とを同時に行えず、各制御を別個に行う。２軸の制御は、工具１０の回転軸の方向と角度を変更するための２つの軸（Ａ軸、Ｃ軸）の制御である。３軸の制御は、工具１０をワーク２０に対して直交する３軸方向に相対移動させるための３つの軸（Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸）の制御である。ＮＣ工作機械１は、２軸の制御を停止して３軸の制御を行い、３軸の制御を停止して２軸の制御を行う。以下、ＮＣ工作機械１により、ワーク２０の湾曲面に連続した溝を形成する溝形成方法について説明する。ＮＣ工作機械１は、工具１０によりワーク２０を切削することで、ワーク２０に溝を形成する。

図２は、ワーク２０を上方からみた平面図である。
ワーク２０は、図示のように、帯状の傾斜面２１を有する。傾斜面２１は、水平面（Ｘ−Ｙ面）に対して傾斜した面である。傾斜面２１は、所定幅で矩形状に形成されている。傾斜面２１は、ワーク２０の上面に無端状に形成される。傾斜面２１の一部は、湾曲面３０になっている。傾斜面２１の４つの角部が湾曲して形成されている。ＮＣ工作機械１の工具１０により、無端状の溝２２（図２では点線で示す）を傾斜面２１及び湾曲面３０に形成する。ここでは、ワーク２０の傾斜面２１及び湾曲面３０に、金型のシール部材が配置される溝２２を形成する。

図３は、ワーク２０の傾斜面２１に溝２２を形成する工具１０を示す図である。図３では、図２のＦ−Ｆ線で切断したワーク２０を示す。
本実施形態の工具１０は、図示のように、先端部１１が球形状に形成されたボールエンドミルである。ワーク２０は、工具１０（先端部１１を含む）に設けられた刃（図示せず）により切削される。

湾曲面３０以外の傾斜面２１を切削するときには、工具１０の回転軸１２を、傾斜面２１に合わせて傾斜させる。回転軸１２の方向と角度を、傾斜面２１に対応して変更する。その際、回転軸１２が傾斜面２１に垂直になるように、回転軸１２の方向と角度を調節する。回転軸１２を調節した工具１０により、傾斜面２１を切削して、傾斜面２１に溝２２を形成する。ＮＣ工作機械１により、工具１０を、傾斜面２１の延びる方向に相対移動させることで、傾斜面２１に溝２２を連続して形成する。溝２２は、傾斜面２１に垂直に形成される。

図４は、ワーク２０の湾曲面３０に溝２２を形成する工具１０を示す図である。図４では、図２のＧ方向から見た湾曲面３０を模式的に示す。溝２２は、ワーク２０を透視して点線で示す。なお、図４には、仮想的に、形成済みの溝２２を示す。実際には、溝２２は、工具１０の移動により次第に形成される。
湾曲面３０は、図示のように、ワーク２０の湾曲した加工対象面である。ここでは、湾曲面３０は、ワーク２０の傾斜面２１に形成された湾曲した傾斜面２１である。湾曲面３０は、湾曲及び傾斜する。

湾曲面３０を加工するときには、湾曲面３０を複数の分割面３１に分割する。分割面３１は、ワーク２０の湾曲面３０を所定の分割位置（分割部位）３２で分割した分割湾曲面である。分割位置３２は、湾曲面３０の溝形成経路の所定位置に設定される。従って、分割位置３２は、溝２２の分割位置でもある。少なくとも１つの分割位置３２が、湾曲面３０に設定される。複数の分割面３１を、それぞれ回転軸１２の方向と角度を調節した工具１０により切削する。工具１０により、複数の分割面３１に溝２２（分割溝）を順に形成する。

ここでは、１つの分割位置３２により、湾曲面３０を２つの分割面３１Ａ、３１Ｂに分割する。また、工具１０の相対移動を分割位置３２で停止して、工具１０の回転軸１２の方向と角度を調節する。回転軸１２の方向と角度は、各分割面３１Ａ、３１Ｂに対応して調節される。分割面３１Ａ、３１Ｂを、それぞれ回転軸１２の方向と角度を固定した工具１０Ａ、１０Ｂにより切削する。複数の分割面３１Ａ、３１Ｂに順に溝２２を形成することで、湾曲面３０に連続した溝２２を形成する。

図５は、回転軸１２を調節する工具１０を示す図である。
工具１０Ａは、図示のように、分割面３１Ａを切削しつつ分割位置３２に向かって移動する。分割面３１Ａには、溝２２が形成される。工具１０Ａが分割位置３２に達したときに、工具１０Ａをワーク２０から引き上げる。これにより、分割位置３２で、工具１０Ａをワーク２０から一旦離す。工具１０による湾曲面３０の切削と溝２２の形成を中断する。続いて、ワーク２０から離した工具１０Ａの回転軸１２の方向と角度を、次に切削する分割面３１Ｂに対応して変更する。回転軸１２の方向と角度は、例えば、分割面３１Ｂの方向と角度に合わせて変更する。これにより、工具１０Ｂの回転軸１２の方向と角度を調節する。

次に、回転軸１２の方向と角度を変更した工具１０Ｂを分割位置３２に再度進入させる。工具１０Ｂを分割位置３２のワーク２０に戻して、次の分割面３１Ｂの切削を開始する。工具１０による湾曲面３０の切削と溝２２の形成を再開する。分割面３１Ａ、３１Ｂの溝２２は、分割位置３２で繋がる。工具１０Ｂは、次の分割面３１Ｂを切削しつつ分割位置３２から離れる。複数の分割面３１Ａ、３１Ｂの溝２２を繋げることで、ワーク２０の湾曲面３０に、シール部材が配置される溝２２を形成する。

分割位置３２で回転軸１２の方向と角度を変更するときには、変更後の工具１０Ｂを、変更前の工具１０Ａよりも、分割位置３２の湾曲面３０に対して垂直に近づける。即ち、変更後の回転軸１２（工具１０Ｂ）と法線Ｌとの間の角度を、変更前の回転軸１２（工具１０Ａ）と法線Ｌとの間の角度よりも小さくする。法線Ｌは、分割位置３２の湾曲面３０の法線である。これにより、工具１０Ｂを、分割位置３２の湾曲面３０に対し垂直に近い状態にする。分割位置３２に戻した工具１０により、次の分割面３１Ｂに溝２２を精度よく形成する。

分割位置３２で溝２２の形成を再開するときには、分割位置３２に戻す工具１０Ｂの移動方向Ｄを、分割位置３２でワーク２０から離す工具１０Ａの移動方向Ｕに合わせる。その際、工具１０Ｂの移動方向Ｄと工具１０Ａの移動方向Ｕの間の角度を所定角度（ここでは、０〜５°）に調節する。即ち、工具１０Ｂの移動方向Ｄを工具１０Ａの移動方向Ｕに一致させる。又は、工具１０Ｂの移動方向Ｄと工具１０Ａの移動方向Ｕの間の角度を５°以下にする。その状態で、工具１０Ｂを、移動方向Ｄに移動させて、分割位置３２に戻す。工具１０Ｂは、工具１０Ａの移動経路に沿って移動しつつ湾曲面３０を切削する。このように切削することで、隣り合う分割面３１Ａ、３１Ｂの溝２２同士を確実に繋げる。また、分割位置３２の溝２２を精度よく形成する。

図６は、溝２２を形成中の工具１０を示す図である。
工具１０は、図示のように、傾斜面２１を切削しつつ湾曲面３０の開始位置Ｓに向かって移動する。湾曲面３０の切削を開始するときには、湾曲面３０の開始位置Ｓで、工具１０をワーク２０から離す。工具１０の回転軸１２を、分割位置３２と同様に、最初の分割面３１Ａに対応して調節する。工具１０Ａにより、分割面３１Ａを切削して、分割面３１Ａに溝２２を形成する。湾曲面３０の切削を終了するときには、湾曲面３０の終了位置Ｅで、工具１０Ｂをワーク２０から離す。工具１０Ｂの回転軸１２を、分割位置３２と同様に、次に切削する傾斜面２１に対応して調節する。工具１０により傾斜面２１を切削して、傾斜面２１に溝２２を形成する。傾斜面２１と分割面３１の溝２２を繋げて、連続した溝２２を傾斜面２１及び湾曲面３０に形成する。

ワーク２０を切削するときには、工具１０の球形状の先端部１１を基準に、工具１０の相対移動を制御する。その際、先端部１１の中心を通る線を、ワーク２０の加工線Ｋとして使用する。先端部１１の中心を、ワーク２０に設定された加工線Ｋに沿って移動させる。これにより、溝２２を精度よく形成する。また、溝２２の深さを一定に維持する。

湾曲面３０は、所定の分割条件に対応して分割される。分割条件は、例えば、湾曲面３０の形状、溝２２の形状、工具１０の形状である。分割位置３２は、分割条件に対応して、湾曲面３０の溝形成経路の所定位置に設定される。各分割面３１が平坦面に近くなるように、湾曲面３０が分割位置３２で分割される。１つ、又は、複数の分割位置３２が、湾曲面３０に設定される。湾曲面３０は、それぞれ２つ以上に分割される。

工具１０の回転軸１２の方向と角度は、所定の溝２２の形成条件に対応して設定される。形成条件は、例えば、溝２２の形状、溝２２の方向、溝２２の角度、分割面３１の形状、分割面３１の方向、分割面３１の角度、工具１０の形状である。回転軸１２の方向と角度は、溝２２の形成条件に対応して、変更及び調節される。溝２２の目標形状と実際の溝２２の形成形状が近似するように、回転軸１２の方向と角度が設定される。

湾曲面３０の分割位置３２、工具１０の移動経路、回転軸１２の方向、及び、回転軸１２の角度は、制御装置９に予め設定される。ＮＣ工作機械１に対するＮＣデータ（ＮＣプログラム）が作成されて、制御装置９に予め入力される。制御装置９は、ＮＣデータに基づいてＮＣ工作機械１を制御する。ＮＣ工作機械１は、ＮＣデータに基づいてワーク２０に溝２２を形成する。

以上説明したように、本実施形態の溝形成方法では、湾曲面３０を分割した複数の分割面３１を、それぞれ回転軸１２の方向と角度を調節した工具１０により切削する。そのため、ワーク２０の湾曲面３０に溝２２を精度よく形成できる。また、溝２２の形状と寸法の精度を向上させることができる。湾曲面３０が湾曲した傾斜面２１であるときでも、溝２２を精度よく形成できる。

なお、５軸を同時に制御可能なＮＣ工作機械（同時制御機という）であれば、溝２２を連続して形成できる。しかしながら、そのような同時制御機は高価である。また、同時制御機では、大型（例えば、１ｍ×１ｍ以上）のワーク２０を精度よく加工するのは困難である。これに対し、本実施形態では、簡便かつ安価なＮＣ工作機械１により、大型のワーク２０に溝２２を精度よく形成できる。より小型のワーク２０に対しても、溝２２を同時制御機に近い高い精度で形成できる。

分割位置３２は、湾曲面３０に２つ以上設定してもよい。この場合には、湾曲面３０は、３つ以上の分割面３１に分割される。溝２２は、直線状に形成してもよく、カーブさせて曲線状に形成してもよい。カーブする溝２２を、加工対象面（湾曲面３０や湾曲した傾斜面２１）に形成するときには、溝２２のカーブに対応して、加工対象面に分割位置３２を設定する。溝２２を分割位置３２で複数に分割する。分割面３１の溝２２を順に形成して、カーブした溝２２を形成する。

分割面３１の溝２２は、工具１０により１回切削して形成する。ただし、溝２２は、幅方向又は深さ方向に複数回切削して形成するようにしてもよい。工具１０は、エンドミル以外の溝２２を形成可能な工具であってもよい。工具１０がエンドミルであるときには、各種のエンドミルを使用することができる。

１・・・ＮＣ工作機械、２・・・コラム、３・・・クロスレール、４・・・テーブル、５・・・サドル、６・・・ラム、７・・・主軸ヘッド、８・・・主軸、８Ａ・・・駆動軸、９・・・制御装置、１０・・・工具、１１・・・先端部、１２・・・回転軸、２０・・・ワーク、２１・・・傾斜面、２２・・・溝、３０・・・湾曲面、３１・・・分割面、３２・・・分割位置、Ｌ・・・法線。

Claims (6)

1. 工具の回転軸の方向と角度を変更する２軸の制御と、工具をワークに対して直交する３軸方向に相対移動させる３軸の制御とを同時に行えない５軸のＮＣ工作機械により、ワークの湾曲面に溝を形成する溝形成方法であって、
   湾曲面を所定の分割位置で分割した複数の分割面を、それぞれ回転軸の方向と角度を調節した工具により切削して分割面に溝を形成する形成工程と、
   分割位置で工具をワークから離して、溝の形成を中断する中断工程と、
   ワークから離した工具の回転軸の方向と角度を、次に切削する分割面に対応して変更する変更工程と、
   工具を分割位置に戻して、溝の形成を再開する再開工程と、
   を有する溝形成方法。
2. 請求項１に記載された溝形成方法において、
   前記変更工程が、変更後の回転軸と分割位置の湾曲面の法線との間の角度を、変更前の回転軸と分割位置の湾曲面の法線との間の角度よりも小さくする工程を有する溝形成方法。
3. 請求項１又は２に記載された溝形成方法において、
   前記再開工程が、工具の移動方向を前記中断工程の工具の移動方向に一致させて、又は、工具の移動方向と前記中断工程の工具の移動方向の間の角度を５°以下にして、工具を分割位置に戻す工程を有する溝形成方法。
4. 請求項１ないし３のいずれかに記載された溝形成方法において、
   ワークの湾曲面が、ワークの傾斜面に形成された湾曲した傾斜面である溝形成方法。
5. 請求項１ないし４のいずれかに記載された溝形成方法において、
   ワークが、発泡樹脂を成形する金型である溝形成方法。
6. 請求項５に記載された溝形成方法において、
   ワークに形成する溝が、金型のシール部材が配置される溝である溝形成方法。

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