JPH0739042B2

JPH0739042B2 - 曲面形成方法

Info

Publication number: JPH0739042B2
Application number: JP60099504A
Authority: JP
Inventors: 史彦内田; 茂夫森山
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1985-05-13
Filing date: 1985-05-13
Publication date: 1995-05-01
Anticipated expiration: 2010-05-01
Also published as: JPS61260903A

Description

【発明の詳細な説明】〔発明の利用分野〕この発明は曲面形成方法に関するものである。

〔発明の背景〕

従来、曲面切削加工装置としては、機械の研究、第35
巻，第１号（1983）179〜185頁における鈴木弘による
「超精密除去加工機械の現状とその利用」と題する文献
で論じられているように、被加工物を回転主軸の端面に
取付けて高速回転させるとともに、被加工物と切削工具
とを回転主軸の軸線方向および回転主軸と直交する方向
に相対移動させて、曲面の切削加工を行なう旋盤方式の
ものがある。

しかし、このような曲面切削加工装置においては、外径
寸法の大きな被加工物を加工する場合に装置の規模が非
常に大型化し、また被加工物の回転中心では切削速度が
零となるため、切削加工が不可能となって、削り残しが
生じ、さらに回転軸対称曲面以外の非軸対称曲面を加工
するときには、回転主軸の軸線から離れたところに被加
工物を取付ける必要があり、しかも非軸対称曲面の曲率
半径が大きいと、回転主軸の軸線と被加工物の被加工面
との距離を大きくしなければならないので、装置の規模
が著しく大型化する。

第４図は従来の他の曲面切削加工装置（特開昭60-52201
号）の原理説明図である。図において、１は被加工
物、、２は被加工物の被加工面、３は切削工具で、切削
工具３は回転主軸（図示せず）に取付けられており、ま
た切削工具３は送り装置（図示せず）により、被加工物
１に対して切込み方向すなわちｚ方向と直角な方向すな
わちｘ方向およびｚ方向に相対的に移動される。４は切
削工具３の微小変位装置、５は変位装置４の端部に取付
けられたダイヤモンドバイトで、変位装置４はピエゾ素
子の電歪効果を利用したものであり、複数のピエゾ素子
が積層されていて、変位装置４に印加する電圧を変化さ
せると、バイト５先端部のｚ方向の位置が変位装置４の
変形量だけ変位する。また、ａは切削工具３を回転し、
変位装置４に電圧を印加しない場合のバイト５先端部の
軌跡、Ｃは軌跡ａの中心点、ｂは中心点Ｃの移動軌跡
で、移動軌跡ｂは被加工面２とほぼ平行となるように任
意に定められてる。

ここで、中心点Ｃのｘ方向への移動量をX,中心点Ｃのｚ
方向への移動量をＺ＝ｕ（Ｘ），中心点Ｃとバイト５先
端部との距離すなわち切削工具３の回転半径をr,軌跡ａ
上の一点Ｐと中心点Ｃとを結ぶ線とｘ方向およびｚ方向
と直交するｙ方向とがなす角すなわち切削工具３の回転
角度をαとすると、点Ｐの位置は次式で行わされる。

ｘ＝Ｘ＋r sinα ｙ＝r cosα （１）ｚ＝ｕ（Ｘ）また、切削すべき曲面の関数は次式のように表わされ
る。

ξ＝ｆ（x,y）（２）そして、（１）式において回転半径ｒは一定であるか
ら、（２）式は次式のように書換えることができる。

ξ＝g₁（X,α）（３）このため、（３）式で表わされる曲面を加工するために
必要な変位装置４の変形量すなわちバイト５の先端位置
の変位量S₁は次式で与えられる。

S₁＝ξ−ｚ＝g₁（X,α）−ｕ（Ｘ）（４）したがって、回転主軸により切削工具３を回転し、送り
装置により中心点Ｃが移動軌跡ｂ上を通るように切削工
具３を移動させるとともに、変位量S₁をバイト５の被加
工物１に対する位置すなわち移動量X,回転角度αに応じ
て変化させることにより、任意の形状の曲面を切削加工
することができ、しかも被加工物１の外径寸法が大きく
とも、また被加工面２が非軸対称曲面でありかつ曲率半
径が大きくとも、装置が大型化することはなく、さらに
削り残しが生ずることはない。

しかしながら、被加工物１のｘ方向と直角な断面におけ
る被加工面２の曲率半径すなわちyz平面曲率半径が小さ
くなると、最大変位量S_1maxが大きくなるのに対して、
変位装置４の最大変形量はたかだか数十μｍであるか
ら、yz平面曲率半径が小さいときには、曲面の切削加工
を行なうことができない。

〔発明の目的〕

この発明は上述の問題点を解決するためになされたもの
で、曲率半径の大小にかかわらず曲面の切削加工を行な
うことができる曲面形成方法を提供することを目的とす
る。

〔発明の概要〕

この発明の要旨は、切削片が変位手段を介して取り付け
られた切削工具を回転し、前記切削工具と被加工物とを
切込み方向と直角な方向に相対移動させ、かつ前記切削
片の先端位置を前記変位手段により前記切削片と前記被
加工物との相対的な位置関係に応じて前記切削工具の回
転主軸と平行な方向に変位させて、前記切削片により前
記被加工物表面を切削加工することにより、所望の曲面
を形成する曲面形成方法であって、前記切削工具の前記回転主軸を前記切込み方向に対して
所要の角度だけ傾斜させた状態で前記切削工具を回転さ
せて前記切削加工を行なうことを特徴とする曲面形成方
法にある。

〔発明の実施例〕

第１図はこの発明に係る曲面形成方法の原理説明図であ
る。図において、ｌは切削工具３の回転主軸の軸線で、
軸線ｌはxz平面内にあり、また軸線ｌはｚ方向すなわち
切込み方向に対して傾斜している。このため、ｘ方向か
ら見た軌跡ａの形状は楕円形となる。

ここで、軸線ｌのｚ方向に対する傾斜角度をθとする
と、点Ｐの位置は次式で表わされる。

ｘ＝Ｘ＋r cosθsinα ｙ＝r cosα （５）ｚ＝ｕ（Ｘ）＋r sinθsinα そして、（５）式において回転半径r,傾斜角度θは一定
であるから、切削すべき曲面の関数は次式のように表わ
される。

ξ＝ｇ（X,α）（６）このため、（６）式で表わされる曲面を加工するための
変位量Ｓは次式で与えられる。

Ｓ＝ξ−ｚ＝ｇ（X,α）−ｕ（Ｘ）−r sinθsinα （７）したがって、回転主軸により切削工具３を回転し、送り
装置により中心点Ｃが移動軌跡ｂ上を通るように切削工
具３を移動させるとともに、バイト５の先端位置を変位
装置４により切削工具３の回転主軸の軸線ｌと平行な方
向に変位させて、変位量Ｓを（７）式に基づいてすなわ
ち移動量X,回転角度αに応じて変化させることにより、
任意の形状の曲面を切削加工することができる。そし
て、ｘ方向から見た軌跡ａの形状は楕円形あるから、切
削すべき曲面のyz平面曲率半径に応じて傾斜角度θを定
めれば、最大変位量S_maxを非常に小さくすることが可能
であり、yz平面曲率半径が小さくとも曲面の切削加工を
行なうことができる。

第２図はこの発明に係る曲面形成方法を実施するための
曲面切削加工装置を示す図である。図において、６は被
加工物１を固定するためのチャック、７はｘ方向に設け
られたガイド、８はガイド７に案内されるｘテーブル、
９はｘテーブル８をｘ方向に移動するための送りネジ、
10は送りネジ９を回転するモータで、ｘテーブル8,モー
タ９等でｘ方向の送り装置を構成している。11はｘテー
ブル８上にｚ方向に移動可能に取付けられたｚテーブ
ル、12はｚテーブル11をｚ方向に移動する駆動装置で、
ｚテーブル11,駆動装置12でｚ方向の送り装置を構成し
ている。13は切削工具３を回転するための回転装置で、
回転装置13は切削工具３が取付けられた回転主軸、その
回転主軸を支持する精密回転軸受および回転主軸を駆動
するモータから構成されており、また回転装置13はxz平
面内で回転可能にｚテーブル11に取付けられていて、所
定角度だけ回転させたのち真空吸着装置，電磁チャック
などの手段によってｚテーブル11に固定することができ
る。14は中心点Ｃのｘ方向への移動量Ｘを検出する位置
検出器、15は切削工具３の回転角度αを検出するロータ
リエンコーダ、16はコンピュータ、17はコンピュータ16
と接続された操作盤、18はコンピュータ16と接続された
メモリ、19はコンピュータ16と接続された数値制御装置
で、数値制御装置19は位置検出器14,ロータリエンコー
ダ15とも接続されている。20は数値制御装置19の信号を
入力して、その信号に応じた電圧を駆動装置12に印加す
るドライバ、21は数値制御装置19の信号を入力して、そ
の信号に応じた電圧を出力するドライバ、22はドライバ
21から出力された電圧を変位装置４に伝達するためのス
リップリングである。

つぎに、この曲面切削加工装置により曲面の加工を行な
う方法について説明する。まず、回転装置13を傾斜させ
てｚテーブル11に固定する。つぎに、操作盤17によって
関数ｇ（X,α）,u（Ｘ），傾斜角度θ，回転半径ｒ等の
データをコンピュータ16に入力し、コンピュータ16によ
りあらかじめ移動量Z,変位量Ｓを計算し、その値をメモ
リ18に格納する。ついで、回転装置13により切削工具３
を一定回転速度（600〜4000rpm）で回転するとともに、
ｘ方向の送り装置で切削工具３をｘ方向に一定速度で移
動する。この場合、位置検出器14により移動量Ｘが検出
され、この移動量Ｘが数値制御装置19に入力され、また
ロータリエンコーダ15により回転角度αが検出され、こ
の回転角度αも数値制御装置19に入力されて、移動量X,
回転角度αに応じた移動量Z,変位量Ｓがメモリ18から呼
出され、数値制御装置19から移動量Z,変位量Ｓが出力さ
れる。そして、ドライバ20により移動量Ｚに応じた電圧
V_Zが出力されｚ方向の送り装置により切削工具３が電圧
V_Zに応じてｚ方向に移動され、またドライバ21により変
位量Ｓに応じた電圧V_Sが出力され、電圧V_Sがスリップリ
ング22を介して変位装置４に印加されて、変位装置４が
電圧V_Sに応じて変形する。したがって、被加工物１に曲
面が切削加工される。

なお、この実施例においては、切削片としてダイヤモン
ドバイト５を用いたが、他の切削片を用いてもよい。ま
た、この実施例においては、変位装置として微小変位装
置４を用いたが、他の変位装置を用いてもよい。さら
に、この実施例においては、切削工具３をｘ方向,z方向
に移動したが、被加工物１をｘ方向,z方向に移動しても
よい。また、この実施例においては、切削工具３をｘ方
向およびｚ方向に移動したが、切削工具３をｘ方向にの
み移動してもよい。たとえば、円筒面の切削加工を行な
う場合には、円筒面の曲率半径に応じて傾斜角度θを定
め、切削工具３をｘ方向にのみ移動するとともに、ｘ方
向から見た軌跡ａと円弧形状との差の量だけ変位量Ｓを
回転角度αに応じて変化させればよい。さらに、この実
施例においては、軸線ｌをxz平面内において傾斜させた
が、軸線ｌをxz平面に対して傾斜させてもよく、要する
に軸線ｌをｚ方向に対して傾斜させればよい。また、こ
の実施例においては、凹曲面を切削加工する場合につい
て説明したが、凸曲面を切削加工する場合にもこの発明
を適用することができる。さらに、この実施例において
は、変位量Ｓを（７）式で求めたが、変位量Ｓを次式で
求めれば、より精度よく曲面の切削加工を行なうことが
可能である。

Ｓ＝｛ｇ（X,α）−ｕ（Ｘ）−r sinθsinα｝/cosθ また、この実施例においては、移動量Z,変位量Ｓを開ル
ープ制御する場合について説明したが、これらを周知の
技術を用いて閉ループ制御すれば、より高精度な切削加
工を行なうことができる。さらに、この実施例において
は、コンピュータ16の外部にメモリ18を設け、あらかじ
め計算したデータを用いて移動量Z,変位量Ｓを制御する
場合について説明したが、移動量X,回転角度αの検出信
号に基づいて移動量Z,変位量Ｓを計算し、その結果を用
いてリアルタイムで制御することも可能である。

第３図は円筒面の切削加工可能範囲を示す境界線図であ
る。従来の旋盤方式では、現在世界最大の加工装置を用
いても、加工可能な曲率半径は10³mm以下（領域I,II）
にすぎない。また、特開昭60-52201号に記載された加工
装置において、切削工具の回転半径を100mm、変位装置
の最大変形量を10μｍとしたときには、加工可能な曲率
半径は５×10⁵mm以上（領域III）に限定される。これに
対して、この発明に係る曲面形成方法において、切削工
具の回転半径を100mm、変位装置の最大変形量を10μｍ
としたときには、曲率半径が10²〜10⁶mm（領域II〜IV）
の広範囲の円筒面の切削加工が可能である。

〔発明の効果〕

この発明によれば、切削工具に設けられた変位手段の変
位量が小さく、かつ加工すべき曲面の曲率半径が小さい
ときでも、所望の曲面切削加工を行なうことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明に係る曲面形成方法の原理説明図、第
２図はこの発明に係る曲面形成方法を実施するための曲
面切削加工装置を示す図、第３図は円筒面の切削加工可
能範囲を示す境界線図、第４図は従来の曲面切削加工装
置の原理説明図である。１……被加工物、２……被加工面３……切削工具、４……微小変位装置５……ダイヤモンドバイト 13……回転装置

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】切削片が変位手段を介して取り付けられた
切削工具を回転し、前記切削工具と被加工物とを切込み
方向と直角な方向に相対移動させ、かつ前記切削片の先
端位置を前記変位手段により前記切削片と前記被加工物
との相対的な位置関係に応じて前記切削工具の回転主軸
と平行な方向に変位させて、前記切削片により前記被加
工物表面を切削加工することにより、所望の曲面を形成
する曲面形成方法であって、前記切削工具の前記回転主軸を前記切込み方向に対して
所要の角度だけ傾斜させた状態で前記切削工具を回転さ
せて前記切削加工を行なうことを特徴とする曲面形成方
法。