JP2011230267A

JP2011230267A - 凹部の内角部を切削加工する方法及び装置

Info

Publication number: JP2011230267A
Application number: JP2010105111A
Authority: JP
Inventors: Koichi Kato; 藤孝一加; Takamasa Ito; 藤隆昌伊; Haruhito Sugiyama; 山晴仁杉
Original assignee: Toshiba Machine Co Ltd
Current assignee: Shibaura Machine Co Ltd
Priority date: 2010-04-30
Filing date: 2010-04-30
Publication date: 2011-11-17

Abstract

【課題】ワークの凹部の２以上の内角部（インコーナ）の切削加工を行う方法であって、全体の加工時間を短縮できるような方法を提供すること。
【解決手段】本発明は、３以上の複数の切刃を有する切削工具を用いて、ワークの凹部の２以上の内角部の切削加工を行う方法である。指定されたワークの凹部の内角部の情報と切削工具の情報とに基づいて、切削工具のＸＹ方向の移動軌跡及び回転角度推移が決定される。第１の切刃がワークの凹部の第１の内角部に沿うように案内されて当該第１の内角部の切削加工が開始され、その後、第２の切刃がワークの凹部の第２の内角部に沿うように案内されて当該第２の内角部の切削加工が開始され、その後、第３の切刃がワークの凹部のいずれかの内角部に沿うように案内されて当該内角部の切削加工が行われる。
【選択図】図７

Description

本発明は、ワークの凹部の内角部（インコーナと呼ばれることも多い）を切削加工する方法及び装置に関する。なお、本願の明細書及び特許請求の範囲において、内角部とは、ピン角と称されるような尖った角度の部位の他、アールを有する部位も含む。

ダイ金型のダイ孔等のポケットの内角部の切削加工は、従前においては、円柱状のエンドミル等の回転切削工具による切削加工、或いは、棒状電極やワイヤ電極による放電加工により行われていた。

平成１１年６月、本件出願人は、内角部を切削加工するための画期的な切削加工方法及び切削工具を開発して特許出願し、特許権を取得するに至っている（特許文献１）。

特許第３８８４８８４号公報

特許文献１に開示された切削加工方法は、一つの内角部を切削加工するものである。すなわち、その段落００１９に記載されているように、工具底面の３つの切刃は、工具が１回転する間に、同一の内角部（インコーナ）に対して各１回（合計３回）の切削を行う。

しかしながら、ダイ金型のダイ孔等のポケットは、複数の内角部を有することが多い。そのような場合において、内角部（インコーナ）を一つずつ切削加工したのでは、全体の加工時間が長くなってしまう。

本発明は、以上のような問題点に着目し、これを有効に解決すべく創案されたものである。本発明の目的は、ワークの凹部の２以上の内角部（インコーナ）の切削加工を行う方法であって、全体の加工時間を短縮できるような方法を提供することにある。また、本発明の目的は、ワークの凹部の２以上の内角部（インコーナ）の切削加工を行う装置であって、全体の加工時間を短縮できるような装置を提供することにある。

本発明は、３以上の複数の切刃を有する切削工具を用いて、ワークの凹部の２以上の内角部の切削加工を行う方法であって、ワークの凹部の内角部の情報を指定する内角部情報指定工程と、切削工具の情報を指定する工具情報指定工程と、指定された内角部の情報と切削工具の情報とに基づいて、切削工具のＸＹ方向の移動軌跡及び回転角度推移を決定する制御決定工程と、を備え、前記制御決定工程では、第１の切刃がワークの凹部の第１の内角部に沿うように案内されて当該第１の内角部の切削加工が行われる第一切削工程と、前記第一切削工程の後に、第２の切刃がワークの凹部の第２の内角部に沿うように案内されて当該第２の内角部の切削加工が行われる第二切削工程と、前記第二切削工程の後に、第３の切刃がワークの凹部のいずれかの内角部に沿うように案内されて当該内角部の切削加工が行われる第三切削工程と、が実施されるように、切削工具のＸＹ方向の移動軌跡及び回転角度推移が決定されることを特徴とする切削加工方法である。

本発明によれば、ワークの凹部の２以上の内角部が同時に考慮されて、ワークの凹部の２以上の内角部の切削加工が一連一体のものとして実施される。従って、全体の加工時間の短縮を実現することができる。

好ましくは、前記制御決定工程では、ワークの凹部の各内角部がいずれかの切刃によって１回ずつ加工された際、いずれの内角部もまだ２回目の加工がなされていない、という条件で、切削工具のＸＹ方向の移動軌跡及び回転角度推移が決定される。この場合、各内角部の切削加工を均等に（略同時に）実施することができるため、各内角部の切削精度（切削の仕上がり）のばらつきを最小化できる。

また、好ましくは、前記制御決定工程では、各切刃が、ワークの凹部の内周に沿って、全ての内角部を順に加工していく、という条件で、切削工具のＸＹ方向の移動軌跡及び回転角度推移が決定される。この場合、各内角部の切削加工を極めて高効率に実施することができるため、全体の加工時間の短縮をより効果的に実現することができる。

例えば、ワークの凹部の内角部の情報は、ワークの凹部の内角部の個数、位置及び形状に関する情報を含んでいる。具体的には、長方形状の凹部であれば、内角部の個数は４個となり、各内角部のＸＹ座標情報（位置情報）と、各内角部の形状（角度ないしアールの程度）と、が指定されることになる。

ワークの凹部の内角部の情報は、更に、各内角部の深さに関する情報を含むことが好ましい。この場合、制御決定工程において、切削工具のＺ方向の移動軌跡をも決定されるようになっていれば、各内角部の加工深さの調整が可能である。更に発展的に、テーパ状の凹部の内角部を切削加工することも可能である。

また、例えば、切削工具の情報は、切刃の個数及びサイズに関する情報を含んでいる。具体的には、特許文献１に記載されたような断面略三角形状の工具であれば、切刃の個数は３個である。切刃のサイズは、例えば切刃稜線の長さによって特定され得る。

また、本発明は、３以上の複数の切刃を有する切削工具を用いて、ワークの凹部の２以上の内角部の切削加工を行うＮＣ加工装置であって、指定されるワークの凹部の内角部の情報と切削工具の情報とに基づいて、切削工具のＸＹ方向の移動軌跡及び回転角度推移を決定する制御決定部を備え、前記制御決定部は、第１の切刃がワークの凹部の第１の内角部に沿うように案内されて当該第１の内角部の切削加工が行われる第一切削工程と、前記第一切削工程の後に、第２の切刃がワークの凹部の第２の内角部に沿うように案内されて当該第２の内角部の切削加工が行われる第二切削工程と、前記第二切削工程の後に、第３の切刃がワークの凹部のいずれかの内角部に沿うように案内されて当該内角部の切削加工が行われる第三切削工程と、が実施されるように、切削工具のＸＹ方向の移動軌跡及び回転角度推移を決定するようになっていることを特徴とするＮＣ加工装置である。

本発明の一実施の形態の切削加工方法を実施するＮＣ加工装置の斜視図である。本発明の一実施の形態の切削加工方法を実施するために用いられる切削工具を、工具底面を上側にして示す斜視図である。図２の切削工具の底面図である。本発明の一実施の形態の切削加工方法を実施するために用いられるマクロプログラムのアルゴリズムの一例を示す図である。マクロプログラムと加工プログラムとの関係を概念的に示す図である。加工プログラムの一例を示す図である。平面視正方形状の凹部の４つの内角部の各切削加工を説明するための図である。９０度のピン角加工を行う場合の工具の運動軌跡を示す説明図である。コーナＲの切削加工例を示す平面図である。ピン角の切削加工例を示す平面図である。平面視ラグビーボール形状の凹部の２つの内角部の各切削加工を説明するための図である。

以下に、添付の図面を参照して、本発明の実施の形態を詳細に説明する。

図１は、本発明の一実施の形態の切削加工方法を実施するＮＣ加工装置（工作機械）の斜視図である。このＮＣ加工装置は、Ｘ軸方向に移動可能なＸ軸テーブル１と、Ｘ軸テーブル１上に搭載されてＹ軸方向に移動可能なＹ軸テーブル２と、Ｚ軸方向に移動可能な主軸台３と、主軸台３に取り付けられた主軸４と、を有している。Ｙ軸テーブル２上に被加工物Ｗがセットされるようになっている。

Ｘ軸テーブル１は、Ｘ軸サーボモータ５により駆動されるＸ軸送り機構６により、Ｘ軸方向に移動可能となっている。Ｙ軸テーブル２は、Ｙ軸サーボモータ７により駆動されるＹ軸送り機構８により、Ｙ軸方向に移動可能となっている。主軸台３は、Ｚ軸サーボモータ９により駆動されるＺ軸送り機構１０により、Ｚ軸方向に移動可能となっている。Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の各サーボモータ５、７、９には、位置検出用のロータリエンコーダ１１、１２、１３が取り付けられている。

主軸４は、主軸サーボモータ１４により駆動されるようになっている。すなわち、主軸４の回転角（Ｃ軸角度）が、主軸サーボモータ１４によって高精度に制御されるようになっている。また、主軸４の回転角は、主軸サーボモータ１４に取り付けられたロータリエンコーダ１５により検出できるようになっている。このような主軸４に、切削工具５０が取り付けられている。

このＮＣ加工装置は、数値制御式のものあり、数値制御装置２０（制御決定部）は、各軸のロータリエンコーダ１１、１２、１３、１５より位置情報及びＣ軸角度情報を入手してフィードバックを掛けながら、後述するような加工プログラムに従って、主軸サーボモータ１４による主軸４の回転角度と、各軸のサーボモータ５、７、９によるＸＹＺ駆動と、を制御するようになっている。

図２は、本発明の一実施の形態の切削加工方法を実施するために用いられる切削工具５０を、工具底面を上側にして示す斜視図である。図３は、図２の切削工具５０の底面図である。

この切削工具５０は、略正三角形状底面の各辺の外周に切刃を有する（各辺の一方の頂点ａ、ｂ、ｃ側に各辺の略１／２の長さに亙って切刃５２、５３、５４を有する）回転式の切削工具であるが、これに限定されず、正方形、正五角形、正六角形、正八角形等の多角形状底面の少なくとも一辺に切刃を有する回転式の切削工具が、内角部の形状に合わせて適宜選択されて利用され得る。切刃部分の内角が切削する内角部の内角よりも小さいことが、切削加工可能であるための必要条件である。

この切削工具５０では、図２に示すように、切刃後方に逃げ角（逃げ面５５、５６、５７）が設けられている。また、切刃５２、５３、５４は、頂点ａ、ｂ、ｃより軸線方向に延在する稜線部（外周）５２ａ、５３ａ、５４ａにも形成されている。

より詳細には、切削工具５０は、図２に示すように、正三角形状底面５１の内心を通る軸線に沿って、円柱状の幹部５８を有している。この幹部５８が、主軸４のチャック（図示省略）に把持されており、前記軸線周りに図２、図３で見て反時計廻り方向に回転駆動されるようになっている。なお、切刃５２、５３、５４の正面部には、切屑切断用のブレーカ溝５９が設けられている。このブレーカ溝５９は、被加工物Ｗの材質に応じて設けられればよい。

以上に説明したＮＣ加工装置を用いて行われる本実施の形態の切削加工法を説明する。

まず、数値制御装置２０（制御決定部）に対して、ワークの凹部の内角部の情報が指定され（内角部情報指定工程）、また、切削工具の情報が指定される（工具情報指定工程）。これらの指定は、入力装置（例えばＰＣ）を介してオペレータが各パラメータを手入力してもよいが、通常は、予め作成されたプログラム（マクロプログラムと呼ばれる）を読み込むことによってなされる。当該プログラムのアルゴリズム例を図４に示す。また、当該プログラムと加工プログラムとの関係を、概念的に図５に示す。加工プログラムの一例を図６に示す。

次に、指定された内角部の情報と切削工具の情報とに基づいて、切削工具のＸＹ方向の移動軌跡及び回転角度推移が決定（演算）される（制御決定工程）。この決定も、通常は、予め作成されたマクロプログラムを実行することによってなされる（図４参照）。

ここで、図７に示すように、正方形状のポケットＰ（凹部）の内角部ｉ１〜ｉ４を切削加工する場合を例に挙げて説明する。本実施の形態の制御決定工程では、第１の切刃５２がワークＷのポケットＰの第１の内角部ｉ１に沿うように案内されて当該第１の内角部ｉ１の切削加工が行われる第一切削工程Ｓ１（図７（ａ）参照）と、第一切削工程Ｓ１の後に、第２の切刃５３がワークＷのポケットＰの第２の内角部ｉ２に沿うように案内されて当該第２の内角部ｉ２の切削加工が行われる第二切削工程Ｓ２（図７（ｂ）参照）と、第二切削工程Ｓ２の後に、第３の切刃５４がワークＷのポケットＰの第３の内角部ｉ３に沿うように案内されて当該内角部ｉ３の切削加工が行われる第三切削工程Ｓ３（図７（ｃ）参照）と、第三切削工程Ｓ３の後に、第１の切刃５２がワークＷのポケットＰの第４の内角部ｉ４に沿うように案内されて当該内角部ｉ４の切削加工が行われる第四切削工程Ｓ４（図７（ｄ）参照）と、が順に実施されるように、切削工具５０のＸＹ方向の移動軌跡及び回転角度推移が決定（演算）される。

そのような決定（演算結果）を加工プログラムの一部として把捉して、当該決定された切削工具５０のＸＹ方向の移動軌跡及び回転角度推移を実現するべく、ＮＣ加工装置は、主軸サーボモータ１４による主軸４の回転角度と、各軸のサーボモータ５、７、９によるＸＹＺ駆動と、を制御する。

本実施の形態では、ワークＷのポケットＰの各内角部ｉ１〜ｉ４がいずれかの切刃５２〜５４によって１回ずつ加工された際、いずれの内角部ｉ１〜ｉ４もまだ２回目の加工がなされていない、という条件で、切削工具５２〜５４のＸＹ方向の移動軌跡及び回転角度推移が制御される。これにより、各内角部ｉ１〜ｉ４の切削加工を均等に（略同時に）実施することができるため、各内角部ｉ１〜ｉ４の切削精度（切削の仕上がり）のばらつきを最小化できる。

また、本実施の形態では、各切刃５２〜５４が、ワークＷのポケットＰの内周に沿って、全ての内角部を跳ばすことなく順に加工していく（切刃５２は、ｉ１→ｉ４→ｉ３→ｉ２の順、切刃５３は、ｉ２→ｉ１→ｉ４→ｉ３の順、切刃５２は、ｉ３→ｉ２→ｉ１→ｉ４の順）、という条件で、切削工具のＸＹ方向の移動軌跡及び回転角度推移が制御される。これにより、各内角部ｉ１〜ｉ４の切削加工を極めて高効率に実施することができるため、全体の加工時間の短縮をより効果的に実現することができる。

被加工物ＷのポケットＰの内角部ｉ１を切刃５２によって切削加工する工程について、図８を用いて詳細を補足説明する。主軸４によって切削工具５０を回転駆動し、切刃５２をなす辺を含む三角形状底面５１の頂点ａが、切削対象の内角部ｉ１の目標形状（インコーナ形状）に合致する移動軌跡を描くように、Ｃ軸サーボモータ１４及びロータリエンコーダ１５より得られる切削工具５０の回転角度（Ｃ軸制御）に応じて、Ｘ軸サーボモータ５とＹ軸サーボモータ７によってＸ軸テーブル１とＹ軸テーブル２をフィードバック制御で互いに同期駆動し、切削工具５０に対して被加工物Ｗを工具底面と平行な面で移動させる。更に、Ｚ軸サーボ９によるＺ軸送りにより切削工具５０の軸線方向に切り込み移動を与える。以上により、工具底面の切刃５２によりインコーナが切削される。図８において、符合Ａはインコーナ切削加工前のインコーナ形状を示しており、仮想線ＡとＸ座標軸線とＹ座標軸線とで囲まれたコーナ領域を切削除去できる。

本実施の形態による切削加工方法では、切削工具５０の工具サイズ（工具径）に制限されることなく、図９に示されているような、小さい曲率半径によるコーナＲを、当該コーナＲより半径の大きい工具を使って切削加工で創成できる。

また、多角形状底面の内角以上の角度であれば、いわゆるピン角の加工を行うことができる。例えば、本実施の形態であれば、正三角形状底面５１の切削工具５０であって、その切刃部分の内角は６０度であるから、たとえば、図１０に示されているような９０度のピン角の加工を切削加工で創成できる。図１０は、９０度のピン角加工を行う場合の工具の運動軌跡を示している。

上述のような切削加工において、工具底面と平行な面（ＸＹ平面）での切削工具５０と被加工物Ｗとの相対移動の軌跡を、切り込み移動（Ｚ軸方向）の全域に亙って一定に設定すれば、垂直面によるコーナＲ加工、ピン角の切削加工を行える。

また、上述のような切削加工において、工具底面と平行な面（ＸＹ平面）での切削工具５０と被加工物Ｗとの相対移動の軌跡を、切り込み移動（Ｚ軸方向）に応じて変化させると、Ｚ軸方向に傾斜する傾斜面（テーパ面）によるインコーナの切削加工を行うこともできる。

なお、Ｘ軸とＹ軸の移動に関しては、２軸同時制御を行う必要があるが、切り込み方向送りであるＺ軸に関しては、Ｘ軸、Ｙ軸に対して同時に制御する場合と、切り込み量を単独で与えてＸ軸、Ｙ軸のみで創成運動を行う非同時制御の場合と、を適宜に選択することができる。

また、本発明によるインコーナ切削加工方法に使用する切削工具は、上述した多角形状底面の切削工具５０に限られることはない。工具を交換する場合でも、プログラムを変更することで、同一のＮＣ加工装置が利用できることは、本発明の特徴の一つである。

また、ワークＷのポケットＰの形状や、内角部の個数、位置、形状などについても、前記の例に限られることはない。それらの変更についても、プログラムの変更で対応できることは、本発明の特徴の一つである。

例えば、図１１に示すように、平面視ラグビーボールのような形状（Ｚ軸方向には一定形状）の凹部の内角部ｉ１１、ｉ１２を切削加工する場合を例に挙げて説明する。この場合の制御決定工程では、第１の切刃５２がワークＷのポケットＰの第１の内角部ｉ１１に沿うように案内されて当該第１の内角部ｉ１１の切削加工が行われる第一切削工程Ｓ１１（図１１（ａ）参照）と、第一切削工程Ｓ１１の後に、第３の切刃５４（請求項１における第２の切刃に相当）がワークＷのポケットＰの第２の内角部ｉ１２に沿うように案内されて当該第２の内角部ｉ１２の切削加工が行われる第二切削工程Ｓ１２（図１１（ｂ）参照）と、第二切削工程Ｓ１２の後に、第２の切刃５３（請求項１における第３の切刃に相当）がワークＷのポケットＰの第１の内角部ｉ１１に沿うように案内されて当該内角部ｉ１１の切削加工が行われる第三切削工程Ｓ１３（図１１（ｃ）参照）と、第１の切刃５２がワークＷのポケットＰの第２の内角部ｉ１２に沿うように案内されて当該第２の内角部ｉ１２の切削加工が行われる第四切削工程と、第３の切刃５４がワークＷのポケットＰの第１の内角部ｉ１１に沿うように案内されて当該第１の内角部ｉ１１の切削加工が行われる第五切削工程と、第２の切刃５３がワークＷのポケットＰの第２の内角部ｉ１２に沿うように案内されて当該第２の内角部ｉ１２の切削加工が行われる第六切削工程と、が順に実施されるように、切削工具５０のＸＹ方向の移動軌跡及び回転角度推移が決定される。

１Ｘ軸テーブル
２Ｙ軸テーブル
３主軸台
４主軸
５Ｘ軸サーボモータ
７Ｙ軸サーボモータ
９Ｚ軸サーボモータ
１１、１２、１３ロータリエンコーダ
１４主軸サーボモータ
１５ロータリエンコーダ
２０数値制御装置
５０切削工具
５１正三角形状底面
５２、５３、５４切刃
５５、５６、５７逃げ面
５８幹部

Claims

３以上の複数の切刃を有する切削工具を用いて、ワークの凹部の２以上の内角部の切削加工を行う方法であって、
ワークの凹部の内角部の情報を指定する内角部情報指定工程と、
切削工具の情報を指定する工具情報指定工程と、
指定された内角部の情報と切削工具の情報とに基づいて、切削工具のＸＹ方向の移動軌跡及び回転角度推移を決定する制御決定工程と、
を備え、
前記制御決定工程では、
第１の切刃がワークの凹部の第１の内角部に沿うように案内されて当該第１の内角部の切削加工が行われる第一切削工程と、
前記第一切削工程の後に、第２の切刃がワークの凹部の第２の内角部に沿うように案内されて当該第２の内角部の切削加工が行われる第二切削工程と、
前記第二切削工程の後に、第３の切刃がワークの凹部のいずれかの内角部に沿うように案内されて当該内角部の切削加工が行われる第三切削工程と、
が実施されるように、切削工具のＸＹ方向の移動軌跡及び回転角度推移が決定される
ことを特徴とする切削加工方法。
前記制御決定工程では、
ワークの凹部の各内角部がいずれかの切刃によって１回ずつ加工された際、いずれの内角部もまだ２回目の加工がなされていない、
という条件で、切削工具のＸＹ方向の移動軌跡及び回転角度推移が決定される
ことを特徴とする請求項１に記載の切削加工方法。
前記制御決定工程では、
各切刃が、ワークの凹部の内周に沿って、全ての内角部を順に加工していく、
という条件で、切削工具のＸＹ方向の移動軌跡及び回転角度推移が決定される
ことを特徴とする請求項１または２に記載の切削加工方法。
ワークの凹部の内角部の情報は、ワークの凹部の内角部の個数、位置及び形状に関する情報を含んでいる
ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の切削加工方法。
ワークの凹部の内角部の情報は、更に、各内角部の深さに関する情報を含んでいる
ことを特徴とする請求項４に記載の切削加工方法。
前記制御決定工程では、切削工具のＺ方向の移動軌跡をも決定されるようになっている
ことを特徴とする請求項５に記載の切削加工方法。
切削工具の情報は、切刃の個数及びサイズに関する情報を含んでいる
ことを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の切削加工方法。
３以上の複数の切刃を有する切削工具を用いて、ワークの凹部の２以上の内角部の切削加工を行うＮＣ加工装置であって、
指定されるワークの凹部の内角部の情報と切削工具の情報とに基づいて、切削工具のＸＹ方向の移動軌跡及び回転角度推移を決定する制御決定部
を備え、
前記制御決定部は、
第１の切刃がワークの凹部の第１の内角部に沿うように案内されて当該第１の内角部の切削加工が行われる第一切削工程と、
前記第一切削工程の後に、第２の切刃がワークの凹部の第２の内角部に沿うように案内されて当該第２の内角部の切削加工が行われる第二切削工程と、
前記第二切削工程の後に、第３の切刃がワークの凹部のいずれかの内角部に沿うように案内されて当該内角部の切削加工が行われる第三切削工程と、
が実施されるように、切削工具のＸＹ方向の移動軌跡及び回転角度推移を決定するようになっている
ことを特徴とするＮＣ加工装置。
前記制御決定部は、
ワークの凹部の各内角部がいずれかの切刃によって１回ずつ加工された際、いずれの内角部もまだ２回目の加工がなされていない、
という条件で、切削工具のＸＹ方向の移動軌跡及び回転角度推移を決定するようになっている
ことを特徴とする請求項８に記載のＮＣ加工装置。
前記制御決定部では、
各切刃が、ワークの凹部の内周に沿って、全ての内角部を順に加工していく、
という条件で、切削工具のＸＹ方向の移動軌跡及び回転角度推移を決定するようになっている
ことを特徴とする請求項８または９に記載のＮＣ加工装置。
ワークの凹部の内角部の情報は、ワークの凹部の内角部の個数、位置及び形状に関する情報を含んでいる
ことを特徴とする請求項８乃至１０のいずれかに記載のＮＣ加工装置。
ワークの凹部の内角部の情報は、更に、各内角部の深さに関する情報を含んでいる
ことを特徴とする請求項１１に記載のＮＣ加工装置。
前記制御決定部は、切削工具のＺ方向の移動軌跡をも決定するようになっている
ことを特徴とする請求項１２に記載のＮＣ加工装置。
切削工具の情報は、切刃の個数及びサイズに関する情報を含んでいる
ことを特徴とする請求項８乃至１３のいずれかに記載のＮＣ加工装置。