JP5883535B1 - ワークの内周面又は外周面に対する切削方法 - Google Patents

Abstract

【課題】主軸の旋回に基づくワークの内周面又は外周面に対する切削加工につき、シンプルな制御の下に、切削速度を加重し得る切削方法を提供すること。【解決手段】所定の位置を中心として旋回し、かつ当該旋回半径を調整自在としている主軸１から突設された切削工具２によって、ワーク３の内周面又は外周面に対する切削方法において、ワーク３を支えるテーブル４に対し、主軸１における旋回中心軸６を同軸として回転中心軸を設定し、かつ主軸１の旋回方向に対し反対方向に回転させることによって切削速度を加重し、主軸１の旋回中心の位置を、当該旋回中心軸６に直交する平面に対し直交方向又は斜方向に移動自在とし、必要に応じてテーブル４の回転中心位置をも移動することによって、上記課題を達成し得るワーク３の内周面又は外周面に対する切削方法。【選択図】図１

Description

本発明は、所定の位置を中心として旋回し、かつ当該旋回半径を調整自在とする主軸の切削工具による切削において、当該切削速度を加重したことによるワークの内周面及び外周面に対する切削方法に関するものである。
尚、上記の「主軸の旋回」とは、主軸自らの中心軸に沿った自転ではなく、上記所定の位置を中心とする公転を含む回転の趣旨である。

ワークの内周面及び外周面を円筒形状、テーパ形状、フランジ形状等の様々な形状による湾曲面を形成する方法としては、例えば特許文献１に示すように、主軸が所定の旋回中心を旋回することによる所謂オービット加工が採用されており、当該加工方法の場合には、ワークを支えるテーブルがどのような位置であっても加工ができる点において技術的メリットが存在する。

しかしながら、従来技術による上記オービット加工方法の場合には、ワークは回転しない状態にあり、主軸の旋回のみによる切削が行われるため、切削速度に限界が生ずる。

ワークに対する切削に際し、特許文献２は、主軸の回転に加え、工具を支えているテーブルを移動させるような切削加工方法を提唱している。

しかしながら、特許文献２の方法においては、テーブルがボールねじによって直線移動を行う状態にあり（図２及び段落［００２１］の（１）、（２）の微分方程式）、決して主軸の旋回角速度を加重するような構成ではない。
しかも、主軸の回転及びテーブルの移動については、複雑な数式に基づく制御を必要とする（例えば、段落［００２３］〜［００７３］に示される（５）式〜（９９）式）。

特許文献３においては、ワークの円弧運動によって主軸の回転を補強する構成を提唱しているが、主軸の回転数とワークの相対的な円弧補間運動を所定の比率にて同期回転するという複雑な操作による制御を必要としている。

このように、ワークの内面又は外面に対する切削加工において、切削工具の切削速度を加重し、しかも加重に際しシンプルな制御を可能とするような切削方法は、これまで提唱されていない。

特開平８−１２６９３８号公報 特開２００７−３４６５３号公報 特開２０００−１９０１２７号公報

本発明は、所定の位置を中心とする主軸の旋回に基づくワークの内周面又は外周面に対する切削加工において、切削速度を加重し、しかも当該加重に際しシンプルな制御によって、上記内周面及び外周面に対する切削を速やかに実現し得る切削方法を提供することを課題としている。

前記課題を解決するため、本発明の基本構成は、
（１）所定の位置を中心として旋回し、かつ当該旋回半径を調整自在としている主軸から突設された切削工具によって、ワークの内周面又は外周面に対する切削方法において、ワークを支えるテーブルに対し、主軸における旋回中心軸を同軸として回転中心軸を設定し、かつ主軸の旋回方向に対し反対方向に回転させることによって切削工具による切削速度を加重しているワークの内周面又は外周面に対する切削方法、
（２）主軸の旋回中心の位置を、当該旋回中心軸に直交する平面に対し直交方向又は斜方向に移動自在とし、斜方向に移動自在である場合には、当該移動に対応してテーブルの回転中心位置をも移動することによって、前記同軸状態を維持することを特徴とする前記（１）のワークの内周面又は外周面に対する切削方法、
からなる。

前記基本構成（１）、（２）に立脚している本発明においては、ワークを支持しているテーブルを主軸の旋回方向と反対方向に回転させることによって、切削速度につき、格別の制御を伴わずに加重することができる一方、主軸の旋回角速度及び／又はテーブルの回転角速度の制御（前記基本構成（１）の場合）、更には主軸の旋回半径、主軸の旋回中心軸と直交する平面に対し、直交方向又は斜方向への主軸の旋回中心の移動位置又は当該移動速度の制御（前記基本構成（２）の場合）という少ないパラメータの制御によって、ワークの内面又は外面に対し様々な湾曲面を形成することが可能となる。
即ち、特許文献２及び同３に示すように、複雑な演算又は操作による制御は不要である。

本発明の方法を実現するためのシステムに関するブロック図である。 主軸の旋回中心軸と直交する方向の平面の状態を示す平面図であって、（ａ）は内周面を切削する場合を示しており、（ｂ）は外周面を切削する場合を示す。 主軸の旋回中心の位置を移動すると共に、旋回半径を順次変化させることによって通常のテーパ形状を形成する方法を示しており、（ａ）は切削工具の先端における移動の軌跡を示す平面図であり、（ｂ）は上記順次の変化によって形成されたテーパ形状の側面図を示す。 主軸の旋回中心の位置を移動すると共に、旋回半径を段階的に変化させることによって段階的なテーパ形状を形成する方法を示しており、（ａ）は切削工具の先端における移動の軌跡を示す平面図であり、（ｂ）は上記段階的変化によって形成された段階的なテーパ形状を示す側面図である。 主軸の旋回中心位置の移動を伴わずに、ワークの内側領域及び外側領域にて、切削工具の先端を螺旋状に移動しかつ最終的に円周状に移動することによって、円輪形状を形成する過程を示す斜視図であり、（ａ）は、円輪形状の内壁を形成する過程を示しており、（ｂ）は円輪形状の外壁を形成する過程を示し、（ｃ）は、最終的に形成された円輪形状を示す。

本発明は、図１に示すように、旋回する主軸１及び主軸１の先端側に備えられている切削工具２、ワーク３、及び当該ワーク３を支持するテーブル４、更には主軸１及びテーブル４の移動を制御する制御装置５を構成要素としている（尚、図１において、白線の矢印は、主軸１の旋回半径の調整に伴う移動及び前記直交方向又は斜方向の移動状態を示し、湾曲した矢印は、主軸１の旋回状態及びテーブル４の回転状態を示し、制御装置５からの点線の矢印は、旋回角速度及び回転角速度を制御するための信号の発信状態を示し、実線の矢印は、主軸１の旋回半径の調整に伴う移動、及び前記基本構成（２）において主軸１の旋回中心が前記直交方向又は斜方向に移動する場合並びに主軸１の旋回中心が前記斜方向に移動することに対応しているテーブル４の回転中心の移動を制御するための信号の発信状態を示す。）。

本発明において、制御の対象となる要因は、主軸１の旋回中心に対する旋回角速度及び／又はテーブル４の回転角速度、主軸１の旋回半径（以上は、基本構成（１）の場合）、更には主軸１の旋回に対する中心軸６と直交する平面に対し、当該旋回中心が直交又は斜交する方向への移動する位置又は移動速度（以上は、基本構成（２）の場合）というパラメータであって、基本構成（１）の場合には、２個又は３個のパラメータであり、基本構成（２）の場合には、３個又は４個のパラメータに過ぎない。
しかも、前記旋回角速度及び回転角速度は、相互に反対方向であるため、自ずと加算され、切削速度の加重のために格別の制御を不要としている以上、制御方法は極めてシンプルである。

主軸１及び切削工具２は、所定の中心位置の下に旋回運動を行い、切削工具２の先端は、図２（ａ）に示すように、ワーク３の内周面を切削するか、又は図２（ｂ）に示すように、ワーク３の外周面を切削するが、中心位置から主軸１の旋回半径は調整自在であることから、切削工具２の先端における曲率半径もまた調整自在であって、切削曲面を任意に選択することができる。
即ち、図２（ａ）、（ｂ）の円周曲面は典型例を示しているに過ぎず、切削曲面は、決して円周曲面に限定される訳ではない。

切削面を均一状態とするためには、切削工具２の切削速度が一定であることを必要とする。
そのような要請を考慮し、基本構成（１）、（２）においては、旋回中心から切削工具２の先端までの距離が小さくなるに従って、主軸１の旋回における旋回角速度及びワーク３の回転角速度の総和を大きく設定することを特徴とする実施形態を採用する場合が多い。
特に、特に以下のような簡単な数式を使用した考察によって、切削工具２の先端における切削速度を一定量Ｃとすることができる。

図２（ａ）、（ｂ）に示すように、切削工具２の先端の半径をＲとし、角度位置をθとする一方、座標位置を（Ｘ，Ｙ）とした場合には、Ｘ＝Ｒcosθ，Ｙ＝Ｒsinθが成立し、更には、

が成立する（尚、各符号の・に示すドットは、時間微分を示す。）。

従って、切削速度をＶとした場合には、

が成立する

上記関係式によれば、主軸１の旋回角速度をω_１とし、テーブル４の回転角速度をω_２としたうえで、切削工具２の先端における切削速度Ｖが一定であるためには、予め一定量Ｃを設定したうえで、前記距離Ｒ及びその時間微分である

に対応して、

が成立するように制御すれば良いことになる。

本発明において様々な形状の内周面及び外周面の切削形状を形成するためには、基本構成（２）に示すように、通常、主軸１の旋回中心の位置を、当該旋回中心軸６に直交する平面に対し、直交方向又は斜方向に移動自在とし、斜方向に移動自在である場合には、当該移動に対応してテーブル４の回転中心位置をも移動することによって、前記同軸状態を維持することを特徴とする実施形態を採用すると良い。
尚、上記のように、主軸１の旋回中心を斜方向に移動自在とする場合には、主軸１の旋回中心軸６自体が移動することから、同軸状態を維持するためにも、テーブル４の回転中心位置も上記旋回中心の位置に同期して移動せざるを得ない。

図３（ａ）、（ｂ）は、主軸１の旋回中心の位置を、前記直交方向又は斜方向に移動する一方、前記旋回半径を順次変化させることを特徴とする実施形態によって、通常のテーパ形状による外周面を形成した場合を示す。
尚、テーパ形状の両側端部を円周曲面とした場合には、図３（ａ）、（ｂ）に示すように、旋回の最初の段階及び最終段階では、旋回半径を略一定とすると良い。

図４（ａ）、（ｂ）は、主軸１の旋回中心の位置を、前記直交方向又は斜方向に移動する一方、前記旋回半径を段階的に変化させることを特徴とする実施形態によって段階状態のテーパ形状の内周面を形成した場合を示す。

図３（ａ）、（ｂ）及び図４（ａ）、（ｂ）からも明らかなように、前記基本構成（２）においては、様々な形状の内周面又は外周面を形成することが可能となる。
尚、上記各図面は、何れも主軸１の旋回中心を旋回中心軸６に直交する平面に対し直交方向、即ち旋回中心軸６と同一方向に移動させる場合を示すが、上記平面に対し斜方向に移動させた場合には、全体形状が斜方向に変化するテーパ形状を得ることができる。

図３（ａ）、（ｂ）及び図４（ａ）、（ｂ）に示す実施形態とは別に、主軸１の旋回半径を変化させない場合には、通常の円筒形状（但し、旋回中心が前記直交方向に移動する場合）又は斜方向円筒形状（但し、旋回中心が前記斜方向に移動する場合）の内周面又は外周面（図示せず）を得ることができる。

図５は、主軸１の旋回中心の位置を、前記直交方向又は斜方向に移動させずに、
（１）ワーク３の旋回中心に近い内側領域において、旋回中心から切削工具の先端に至る距離を順次大きい状態とすることによって、当該先端を螺旋状の軌跡に沿って移動させ、上記距離が最大の状態に至った段階では、当該最大状態を維持することによって、円輪形状の内壁を形成すると共に、
（２）ワーク３の旋回中心から離れた外側領域において、旋回中心から切削工具２の先端に至る距離を順次小さい状態とすることによって、当該先端を螺旋状の軌跡に沿って移動させ、上記距離が最小の状態に至った段階では、当該最小状態を維持することによって、円輪形状の外壁を形成したうえで、
円輪形状を形成することを特徴とする実施形態を示す。

上記実施形態においては、迅速に円輪形状を得ることができる。

このように、本発明においては、切削速度の加重によってワーク３に対する切削によって様々な形状の内周面及び外周面を速やかに形成することができるが、上記加重に際し格別の制御を不要とすることによって、シンプルな制御を実現している。

実施例は、主軸１の旋回角速度又はワーク３の回転角速度の少なくとも何れか一方を定速度とすることを特徴としている。

このような実施例においては、主軸１の旋回角速度又はテーブル４の回転角速度の少なくとも一方は制御の対象とする必要がない。
従って、主軸１の旋回中心を前記平面に対し直交方向又は斜方向に移動させる場合には、３個のパラメータによる制御が実現でき、上記の移動をさせない場合には、２個のパラメータによって制御を行うことができ、極めてシンプルな制御が実現可能である。

このように、本発明は、シンプルな制御の下に、ワークの内周面及び外周面に対する切削を速やかに行い、かつ様々な形状を確保することを可能としており、その利用価値は絶大である。

１ 主軸
２ 切削工具
３ ワーク
４ テーブル
５ 制御装置
６ 旋回の中心軸又は回転の中心軸

Claims (8)

1. 所定の位置を中心として旋回し、かつ当該旋回半径を調整自在としている主軸から突設された切削工具によって、ワークの内周面又は外周面に対する切削方法において、ワークを支えるテーブルに対し、主軸における旋回中心軸を同軸として回転中心軸を設定し、かつ主軸の旋回方向に対し反対方向に回転させることによって切削工具による切削速度を加重しているワークの内周面又は外周面に対する切削方法。
2. 主軸の旋回中心の位置を、当該旋回中心軸に直交する平面に対し直交方向又は斜方向に移動自在とし、斜方向に移動自在である場合には、当該移動に対応してテーブルの回転中心位置をも移動することによって、前記同軸状態を維持することを特徴とする請求項１記載のワークの内周面又は外周面に対する切削方法。
3. 旋回中心から切削工具の先端までの距離が小さくなるに従って、主軸の旋回角速度及びワークの回転角速度の総和を大きく設定することを特徴とする請求項１、２の何れか一項に記載のワークの内周面又は外周面に対する切削方法。
4. 主軸の旋回角速度をω_１とし、テーブルの回転角速度をω_２とし、旋回中心から切削工具の先端までの距離をＲとし、切削工具の先端における切削速度として一定量であるＣを設定したうえで、
   

   

   （但し、
   

   

   は、前記距離Ｒの時間微分を示す。）。
   となるように、上記距離Ｒの変化に対応して、ω_１＋ω_２を変化するように制御することによって、切削工具の切削速度を一定とすることを特徴とする請求項３記載のワークの内周面又は外周面に対する切削方法。
5. 主軸の旋回中心の位置を、前記直交方向又は斜方向に移動する一方、前記旋回半径を順次変化させることを特徴とする請求項２、３、４の何れか一項に記載のワークの内周面又は外周面に対する切削方法。
6. 主軸の旋回中心の位置を、前記直交方向又は斜方向に移動する一方、前記旋回半径を段階的に変化させることを特徴とする請求項２、３、４の何れか一項に記載のワークの内周面又は外周面に対する切削方法。
7. 主軸の旋回中心の位置を、前記直交方向又は斜方向に移動させずに、
   （１）ワークの旋回中心に近い内側領域において、旋回中心から切削工具の先端に至る距離を順次大きい状態とすることによって、当該先端を螺旋状の軌跡に沿って移動させ、上記距離が最大の状態に至った段階では、当該最大状態を維持することによって、円輪形状の内壁を形成すると共に、
   （２）ワークの旋回中心から離れた外側領域において、旋回中心から切削工具の先端に至る距離を順次小さい状態とすることによって、当該先端を螺旋状の軌跡に沿って移動させ、上記距離が最小の状態に至った段階では、当該最小状態を維持することによって、円輪形状の外壁を形成したうえで、
   円輪形状を形成することを特徴とする請求項１、３、４の何れか一項に記載のワークの内周面又は外周面に対する切削方法。
8. 主軸の旋回角速度又はワークの回転角速度の少なくとも何れか一方を一定とすることを特徴とする請求項１、２、３、４、５、６、７の何れか一項に記載のワークの内周面又は外周面に対する切削方法。

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