JP3896411B2

JP3896411B2 - Free curved surface precision machining tool

Info

Publication number: JP3896411B2
Application number: JP2000134427A
Authority: JP
Inventors: 整大森; 英教山木
Original assignee: RIKEN Institute of Physical and Chemical Research
Current assignee: RIKEN Institute of Physical and Chemical Research
Priority date: 2000-05-08
Filing date: 2000-05-08
Publication date: 2007-03-22
Anticipated expiration: 2020-05-08
Also published as: JP2001315034A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、下端部に円環状円弧凸面加工部を有し自由曲面を精密加工するための自由曲面精密加工ツールに関する。
【０００２】
【従来の技術】
図１２は、従来の自由曲面加工ツールによる自由曲面の加工を模式的に示している。従来の自由曲面加工ツール１は、例えばボールノーズ砥石またはボールエンドミルであり、下端部に球面状の加工面を有し、軸心ｚを中心に回転するようになっている。自由曲面２は、例えばモールド成形用金型、非球面レンズ、等であり、自由曲面加工ツール１をその軸心ｚを中心に高速回転させながら、その下端部を自由曲面２に沿って相対的に移動させて自由曲面２を加工（研削または切削）する。このような加工を繰り返すことにより、金型、非球面レンズ、等の自由曲面を加工ツール１で自由に加工することができる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上述した自由曲面加工ツール１は、その軸心ｚを中心に回転するため、軸心（半径０）の位置では、加工面の周速がゼロ（０）となるため、３軸（Ｘ−Ｙ−Ｚ）のＮＣ加工装置を用いても、軸心（半径０）の位置が死点となりこの位置では良好な加工ができない問題点がある。そのため、従来は、自由曲面加工ツール１を４〜５軸を有する多軸ＮＣ加工装置に取り付け、自由曲面がＺ軸に垂直になる部分（例えばＡ部）を加工する際には、加工ツール１の軸心ｚがＺ軸に対して適当な角度を有するようにプログラムを作成していた。しかし、かかるプログラムの作成は複雑・困難であるばかりでなく、軸数の増加は一方で誤差の増大をきたすので、精密加工（高精度・高品位加工）ができる４軸以上の多軸ＮＣ加工装置は、高価であり、汎用性に乏しい問題点があった。
【０００４】
次に、自由曲面加工ツールにより精密加工を行う場合について説明する。図１３は加工部分の図解であり、理解しやすいように多少拡大して描かれている。切り込み量ｃ（加工深さ）が大きい場合（Ａ）は送り方向ｙ（ツール移動方向）が鉛直方向でない限り、送り量ｄ（ツール移動量）の大小に拘わらず接触面ｅは広がり、主加工部分は軸心ｚより離れた位置になるので、上述の問題は発生しない。しかし、切り込み量ｃが小さい場合（Ｂ）、即ち、精密加工においては接触面ｅが狭まり、主加工部分が軸心ｚに近づく上述の問題が発生する。
更に、接触面ｅが狭まると同時に接触面ｅの軸心からの距離（回転半径）の大小により周速および必要駆動トルクが大きく変動することになり、加工面の表面粗度のむら、びびり（振動による）、加工精度の低下をきたす問題がある。
【０００５】
一方、接触面ｅの狭まりは加工される自由曲面の特性により、加工ツールの接触位置の局部的集中や偏りをきたし、加工機能（切れ味）の低下部、接触摩耗による変形部が局所に集中し、被加工面にその変形を逆転写したり、表面を荒らしたりすることになる。
研削加工では砥石の適切な摩耗により良好な研削が維持されているのであるから、摩耗による変形の修正（ツルーイング、ドレッシング）および加工機能の回復のため、常時、高精度の修正が不可欠となる。
また、正確な加工位置であるためには、加工ツールの消耗量を設定し、プログラム補正する必要がある。そのため、小刻みな強制的修正が不可欠となり、球面部の大部分がその修正により無駄に消費されてしまうのである。
【０００６】
図１３（Ｃ），（Ｄ）は加工軌跡に垂直な断面を示している。ピックフィードｇを小さくするか、加工ツールの球面半径を大きくするかして、カブス量ｈの微小化または除去を図らなければならないのであるが、加工ツールの球面半径はツール干渉による加工曲面への傷付けを避けることから、自由曲面中にある最小負（凹）曲面の曲率以下でなければならないので、加工時間は増大するものの、ピックフィードｇを半ピッチずらしたり小さくする手段を選択さぜるをえない問題がある。
また、加工ツールの球面半径を小さくすることにより、加工位置の精度を向上させることはできるが、反面、上述の如く加工時間が増大する問題がある。
【０００７】
本発明は、かかる問題点を解決するために創案されたものである。即ち、本発明の目的は、ツール加工部の接触面を軸心からの一定位置・範囲に限定することにより定周速・定駆動トルクを得ることができ、同時に加工位置の精度向上および加工ツール接触面の形状精度維持ができ、これにより汎用性のある３軸ＮＣ加工装置を用いて自由曲面を効率よく、精密加工できる自由曲面精密加工ツールを提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、回転軸まわりの回転により下端部が接触して被加工面を精密加工する自由曲面精密加工ツールであって、少なくとも下方に円環状円弧凸面加工部（１３）を有する円錐台状工具（１２）と、該円環状円弧凸面の最下点と断面円弧の中心とを通る鉛直線Ｚと、直近にある円錐台形部の側線がほぼ平行になるように傾けられた回転軸Ｎで円錐台状工具と工具軸を支持する軸受（１４）とを有する、ことを特徴とする自由曲面精密加工ツールが提供される。
【０００９】
本発明の好ましい実施形態によれば、前記円錐台状工具（１２）は、前記工具軸と軸受に支持されその回転軸を軸心とする円錐台形部（１３ｂ）と、該台形部の下方に設けられた円環状円弧凸面加工部（１３ａ）とからなる。また前記円環状円弧凸面加工部（１３）は、砥石もしくは刃物からなる。砥石は、その結合材に金属を含む、ことが好ましい。
上記本発明の構成によれば、自由曲面精密加工ツールが下方に円環状円弧凸面加工部を有する円錐台状工具と、鉛直線に対し傾きをもつ回転軸で円錐台状工具と工具軸を支持する軸受とを有しているので、被加工面に接触する工具の加工面は円錐台状工具（１２）の円環状円弧凸面（１３ａ）の最下部に限定され、この部分は円錐台状工具の軸心Ｎから遠く狭い部分の外径部に位置するため周速・駆動トルクがほぼ一定し、良好な精密加工ができる。
また、円環状円弧凸面（１３）の垂直断面下方円弧半径を小さくし、加工位置の精度を高めることができると同時に、円錐台状工具の回転軸Ｎを傾けることにより円環状円弧凸面の前面投影輪郭（Ｙ軸方向投影）が横楕円となり、ピックフィードを大きくすることができ、加工時間を短縮できる。このことにより、汎用性のある３軸ＮＣ加工装置を用いて、自由曲面を効率よく、精密加工することができる。
【００１０】
さらに円環状曲面加工部（１３）の最下点と垂直断面下方円弧の中心とを通る鉛直線Ｚと、直近にある円錐台形部の側線がほぼ平行になるように傾けられているので、加工部の摩耗および修正による消耗が鉛直線に沿って進行し、最下点の水平方向位置は近似的に変わらない。また、鉛直方向の消耗量も周速、駆動トルク、時間の摩耗特性から容易に算出できることから、加工位置の制御プログラムの補正はＺ軸についてのみ行えばよく、しかも、平易に行える。このことにより、円錐台状工具の材料効率よい使用および自由曲面精密加工の３軸ＮＣ制御プログラムの作成が平易にできる。
【００１１】
また、精密加工ではツール加工部の接触面が小さいことから、加工に有効・最小なツール加工部であればよく、ツール加工部の薄肉化により、材料節約および該加工部の高精度管理ができる。しかしながら、反面、振動発生の主原因である剛性不足をきたすことになる。
この課題を解決するため、円環状円弧凸面加工部（１３）の内外側に直接、加工に関わらない結合材もしくは被加工面を損傷せず、容易に摩耗する材料からなる非加工部を設け、剛性補強を図ったものである。かかる構造の円錐台状工具により、振動発生を防止するのみならず、自由曲面精密加工の更なる精度向上が図れる。
【００１２】
また、前記円錐台状工具（１２）を回転軸周りに回転させる駆動手段を有する。この円錐台状工具の駆動手段は、直結したタービン又はモータ、もしくは、ギヤ、フリクションホイル、フレキシブルジョイント、流体継手、等の軸角度変換継手を介して駆動力が伝達されるタービン、モータ、又は外部駆動軸からなる。この構成により、被加工材と該加工ツールとの干渉もなく、円錐台状工具の回転軸を設定された傾斜角に固定でき、一つの制御軸が省略される。従って、汎用性のある３軸ＮＣ加工装置の使用を確実にするものである。
【００１３】
更に、円錐台状工具の円環状円弧凸面加工部を修正する修正手段を有する。この修正手段は、砥石もしくは、電解または放電手段、又はこれらの複合手段からなることが好ましい。また、前記修正手段は、被加工材の加工と同時に機能するのがよい。
この構成により、砥石、電解、放電等の修正手段により、好ましくは被加工材の加工と同時に円環状円弧凸面加工部を修正することができ、精密加工を長時間継続することができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好ましい実施形態を図面を参照して説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付して重複した説明を省略する。
図１は、本発明による自由曲面精密加工ツールの第１実施形態を示す図である。本発明の自由曲面精密加工ツール１０は、回転軸Ｎまわりの回転により下端部が接触して被加工面２（図１２参照）を加工するようになっている。なお、以下の実施形態では、被加工面２が自由曲面精密加工ツール１０の下方に位置し、この自由曲面精密加工ツール１０の下端部で加工する場合について説明するが、本発明はこれに限定されず、自由曲面精密加工ツール１０の水平または上向きに用いてその水平端部または上端部で加工する場合にもそのまま適用することができる。
【００１５】
図１に示すように本発明の自由曲面精密加工ツール１０は、円錐台状工具１２と工具軸１２ａと軸受１４とを有している。円錐台状工具１２は、少なくとも下方に円環状円弧凸面加工部１３ａを有する。また、軸受１４は、円環状円弧凸面加工部１３ａの最下点と断面下方円弧の中心Ｏを通る鉛直な線Ｚに傾きを持つ回転軸Ｎで円錐台状工具１２を回転可能に支持している。なお、この図で１１は、ツール本体であり、ＮＣ加工装置のヘッド（図示せず）に取付けられ、その軸心ｚを中心に回動できるようになっている。
【００１６】
更に、この図において、円錐台状工具１２は、軸受１４に支持され、その回転軸Ｎを軸心とする円錐台筒部１３ｂと、円錐台筒部１３ｂの下方に設けられた円環状円弧凸面加工部１３ａとからなる。線Ｚは、円環状円弧凸面加工部１３ａの修正による加工位置の水平方向狂いを防ぐため、３軸の鉛直軸であるＺ軸と一致させることが好ましい。
また、金型のキャビティ等の実際の加工では、自由曲面精密加工ツール１０を軸心ｚまわりに回動させてツール本体１１および円錐台状工具１２の干渉を防ぐため、軸心ｚと線Ｚは一致させるか、または近距離に位置することが好ましい。
【００１７】
円環状円弧凸面加工部１３ａは、砥石もしくは刃物からなるのがよい。円環状円弧凸面加工部１３ａが砥石である場合には、その結合材に金属を含むことが好ましい。
この構成により、円環状円弧凸面加工部１３ａで電解ドレッシング加工を行うことができ、精密加工を能率よく行うことができる。
軸受１４は、ボールベアリング、ローラベアリング、ニードルベアリング、ジャーナルベアリング等が用いられ、円錐台状工具１２を回転軸Ｎを中心に精度よく回転させるようになっている。
【００１８】
図１において、本発明の自由曲面精密加工ツール１０は、円錐台状工具１２を回転軸Ｎの周りに回転させる駆動手段１６を有している。この駆動手段１６は、この実施形態では、工具軸１２ａに取付けられた遠心タービン１６Ａであり、ツール本体１１の導通孔１１ａから供給される切削液３によりタービン１６Ａを駆動するようになっている。タービン１６Ａを通過した切削液３は、工具軸１２ａの中心孔から円環状円弧凸面加工部１３ａの表面へ供給される。
【００１９】
なお、本発明の駆動手段１６は、かかる遠心タービンに限定されず、別の形式のタービン又はモータもしくは、ギヤ、フリクションホイル、フレキシブルジョイント、流体継手等の軸角度変換継手および変速機構を介して、駆動力が伝達されるタービン、モータ又は外部駆動軸であってもよい。
【００２０】
更に、本発明の自由曲面精密加工ツール１０は、円錐台状工具１２の円環状円弧凸面加工部１３ａを修正する修正手段２０を有する。この修正手段２０は、電極２１および印加装置２２からなる。電極２１は、円環状円弧凸面加工部１３ａと隙間を隔てて対向する円環状円弧凹面２１ａを有し、その間に導電性液（切削液３）を流すようになっている。また、印加装置２２は円環状円弧凸面加工部１３ａと電極２１との間に電圧を印加するようになっている。なお、図１における印加装置２２は、ツール本体１１の内部を通して、円環状円弧凸面加工部１３ａと電極２１に電気的に接続し、絶縁部２４で絶縁している。
【００２１】
この構成により、導電性砥石１３ａにより被加工面を研削しながら同時に導電性砥石１３ａの表面を電解ドレッシングにより修正することができる。なお、本発明の修正手段２０は、かかる構成に限定されず、修正手段２０を砥石もしくは、電解または放電手段、又はこれらの複合手段としてもよい。
また、本発明の構成によれば、加工工具の回転軸Ｎの傾きとＸ-Ｙ-Ｚ軸の方向により、加工前面投影輪郭線の見かけ半径を自在に変えることもできる。
【００２２】
図２は、本発明の自由曲面精密加工ツールの第２実施形態図である。この例では、円錐台状工具１２を回転軸Ｎの周りに回転させる駆動手段１６は、外部駆動軸１６Ｂとフレキシブルジョイント１７Ａとの組合せからなる。その他の基本構成は図１と同様である。
【００２３】
図３は、本発明の自由曲面精密加工ツールの第３実施形態図である。この例では、駆動手段１６は、直流モータ１６Ｃと傘歯車１７Ｂとの組合せからなる。その他の基本構成は図１と同様である。
【００２４】
図４は、本発明の自由曲面精密加工ツールの第４実施形態図である。この例では、駆動手段１６は、外部駆動軸１６Ｂと傘歯車１７Ｃとの組合せからなる。その他の基本構成は図１と同様である。
【００２５】
図５は、本発明の自由曲面精密加工ツールの第５実施形態図である。この例では、駆動手段１６は、外部駆動軸１６Ｂと流体継手１７Ｄとの組合せからなる。その他の基本構成は図１と同様である。
【００２６】
図６は、本発明の自由曲面精密加工ツールの第６実施形態図である。この例の円錐台形工具１２では、円環状円弧凸面加工部１３ａと円錐台形部１３ｂの内側に直接、加工に関わらない非加工部１３ｃが補強材として設けられている。
【００２７】
図７は、本発明の自由曲面精密加工ツールの第７実施形態図である。この例の円錐台形工具１２では、図６と同様に円環状円弧凸面加工部１３ａと円錐台形部１３ｂの内側に直接、加工に関わらない非加工部１３ｃが補強材として設けられている。図６とは、円錐台形部１３ｂと非加工部１３ｃの断面形状が相違する。
【００２８】
図８は、本発明の自由曲面精密加工ツールの第８実施形態図である。この例の円錐台形工具１２では、円環状円弧凸面加工部１３ａと円錐台形部１３ｂの外側に直接、加工に関わらない非加工部１３ｃが補強材として設けられている。
【００２９】
図９は、本発明の自由曲面精密加工ツールの第９実施形態図である。この例の円錐台形工具１２では、図８と同様に円環状円弧凸面加工部１３ａと円錐台形部１３ｂの外側に直接、加工に関わらない非加工部１３ｃが補強材として設けられている。図８とは、円錐台形部１３ｂと非加工部１３ｃの断面形状が相違する。
【００３０】
図１０は、本発明の自由曲面精密加工ツールの第１０実施形態図である。この例の円錐台形工具１２では、円環状円弧凸面加工部１３ａと円錐台形部１３ｂの内外側に直接、加工に関わらない非加工部１３ｃが補強材として設けられている。
【００３１】
図１１は、本発明の自由曲面精密加工ツールの第１１実施形態図である。この例の円錐台形工具１２では、図１０と同様に円環状円弧凸面加工部１３ａと円錐台形部１３ｂの内外側に直接、加工に関わらない非加工部１３ｃが補強材として設けられている。図１０とは、円錐台形部１３ｂと非加工部１３ｃの断面形状が相違する。
【００３２】
上述した本発明の構成によれば、被加工面に接触する工具の加工面は円錐台状工具１２の円環状円弧凸面１３ａの最下部に限定され、この部分は円錐台状工具の軸心Ｎから遠く狭い部分の外径部に位置するため周速・駆動トルクがほぼ一定し、良好な精密加工ができる。
【００３３】
また、円環状円弧凸面１３の垂直断面下方円弧半径を小さくし、加工位置の精度を高めることができると同時に、円錐台状工具の回転軸Ｎを傾けることにより円環状円弧凸面の前面投影輪郭（Ｙ軸方向投影）が横楕円となり、ピックフィードを大きくすることができ、加工時間を短縮できる。このことにより、汎用性のある３軸ＮＣ加工装置を用いて、自由曲面を効率よく、精密加工することができる。
【００３４】
さらに円環状曲面加工部１３の最下点と垂直断面下方円弧の中心とを通る鉛直線Ｚと、直近にある円錐台形部の側線がほぼ平行になるように傾けられているので、加工部の摩耗および修正による消耗が鉛直線に沿って進行し、最下点の水平方向位置は近似的に変わらない。また、鉛直方向の消耗量も周速、駆動トルク、時間の摩耗特性から容易に算出できることから、加工位置の制御プログラムの補正はＺ軸についてのみ行えばよく、しかも、平易に行える。このことにより、円錐台状工具の材料効率よい使用および自由曲面精密加工の３軸ＮＣ制御プログラムの作成が平易にできる。
【００３５】
また、円環状円弧凸面加工部１３の内外側に直接、加工に関わらない結合材もしくは被加工面を損傷せず、容易に摩耗する材料からなる非加工部を設け、剛性補強を図った構造の円錐台状工具により、振動発生を防止するのみならず、自由曲面精密加工の更なる精度向上が図れる。
【００３６】
また、種々の円錐台状工具の駆動手段により、被加工材と加工ツールとの干渉もなく、円錐台状工具の回転軸を設定された傾斜角に固定でき、一つの制御軸が省略される。従って、汎用性のある３軸ＮＣ加工装置の使用を確実にするものである。
【００３７】
更に、円錐台状工具の円環状円弧凸面加工部を修正する修正手段を有する構成により、砥石、電解、放電等の修正手段により、好ましくは被加工材の加工と同時に円環状円弧凸面加工部を修正することができ、精密加工を長時間継続することができる。
【００３８】
なお、本発明は上述した実施形態及び実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更できることは勿論である。
【００３９】
【発明の効果】
上述したように本発明は、高精度、高品位な加工、すなわち精密加工における諸問題を解決するために、（１）加工周速とトルク、（２）加工工具の整形、（３）加工位置の精度、の３つの観点をもって創案されたものである。
【００４０】
すなわち本発明により以下の効果が得られる。
（１）軸心における周速が０となる球状工具の欠点が、本発明の構成により解決される。
（２）球状工具の加工位置（接触角）の相違により回転半径は相違し、周速・トルクが大きく変動する問題が、解決される。
（３）切り込み量が小さい場合、自由曲面の形状的特性により発生する球状工具の加工位置の偏り、不確実性の問題が、本発明の構成により解決される。
（４）加工工具の消耗の方向付けと計量を可能にし、加工位置の精度を高めるプログラム補正作業が単純化される。
（５）加工工具の加工部の最小化、位置限定により、加工工具の修正作業の敏速性と精度を高め、よりＥＬＩＤ研削の効果が発揮できる。
（６）加工工具の回転軸の傾きとＸ-Ｙ-Ｚ軸の方向により、加工前面投影輪郭線の見かけ半径を自在に変えることができる。すなわち加工工具の回転軸ｚをＺ軸回りに旋回する制御軸を追加することにより、加工進行中に自由凹曲面の曲率に対応して、加工工具のＹ軸方向投影曲率を自在に変え、ピックフィードの調節、加工工具の干渉を防ぐ効果を得ることができる。このことは加工前に設定した加工工具を終了まで一貫して使用でき、加工工具の取り替えなど、加工工程の断点における誤差発生を防止することができる。
（７）加工工具の２ピース化、内外面の補強、サンドイッチ構造などの本発明の構成により、工具加工部の薄肉化ができ、高価な研削材の節約と同時に精密な加工が可能となる。
（８）加工工具の回転軸が加工のために１つのみであり、駆動力を傾きを有する回転軸に伝達する種々の機構を選択できる。
【００４１】
従って、本発明の自由曲面精密加工ツールは、ツール加工部の接触面を軸心からの一定位置・範囲に限定することにより定周速・定駆動トルクを得ることができ、同時に加工位置の精度向上および加工ツール接触面の形状精度維持ができ、これにより汎用性のある３軸ＮＣ加工装置を用いて自由曲面を効率よく、精密加工できる、等の優れた効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による自由曲面精密加工ツールの第１実施形態を示す図である。
【図２】本発明の自由曲面精密加工ツールの第２実施形態図である。
【図３】本発明の自由曲面精密加工ツールの第３実施形態図である。
【図４】本発明の自由曲面精密加工ツールの第４実施形態図である。
【図５】本発明の自由曲面精密加工ツールの第５実施形態図である。
【図６】本発明の自由曲面精密加工ツールの第６実施形態図である。
【図７】本発明の自由曲面精密加工ツールの第７実施形態図である。
【図８】本発明の自由曲面精密加工ツールの第８実施形態図である。
【図９】本発明の自由曲面精密加工ツールの第９実施形態図である。
【図１０】本発明の自由曲面精密加工ツールの第１０実施形態図である。
【図１１】本発明の自由曲面精密加工ツールの第１１実施形態図である。
【図１２】従来の自由曲面加工ツールによる自由曲面加工を模式図である。
【図１３】図１２の加工部分の説明図である。
【符号の説明】
１自由曲面加工ツール
２自由曲面
３切削液
１０自由曲面精密加工ツール
１１ツール本体
１１ａ導通孔
１２円錐台形工具
１３，１３ａ円環状円弧凸面加工部
１３ｂ円錐台筒部（円錐台形部）
１３ｃ補強材
１４軸受
１６駆動手段
１６Ａタービン
１６Ｂ外部駆動軸
１６Ｃモータ
１７Ａフレキシブルジョイント
１７Ｂ内歯車列
１７Ｃ傘歯車列
１７Ｄ流体継手
１８変速機構
２０修正手段
２１電極
２１ａ電極の球面状内面部
２２印加装置
２４絶縁部
２５シールパッキン
２６ベアリング
ｃ切り込み量
ｄ送り量
ｅ接触面
ｇピックヒィード
ｈカブス量
ｙ送り方向
Ｎ回転軸
Ｘ，Ｙ水平方向軸（直角座標系における）
Ｚ鉛直軸
ｚ自由曲面加工ツールの軸心
Ｏ円弧の中心
Ｒ円弧の半径[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a free curved surface precision machining tool for precisely machining a free curved surface having an annular arc convex surface machining portion at a lower end portion.
[0002]
[Prior art]
FIG. 12 schematically shows processing of a free curved surface by a conventional free curved surface processing tool. A conventional free-form surface processing tool 1 is, for example, a ball nose grindstone or a ball end mill, and has a spherical processing surface at a lower end portion, and rotates around an axis z. The free curved surface 2 is, for example, a mold for molding, an aspherical lens, or the like. The free curved surface processing tool 1 is rotated at high speed about its axis z, and the lower end portion thereof is relatively aligned with the free curved surface 2. To move the free curved surface 2 (grinding or cutting). By repeating such processing, a free curved surface such as a mold, an aspheric lens, or the like can be processed freely with the processing tool 1.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
Since the above-described free-form surface machining tool 1 rotates about its axis z, the peripheral speed of the machining surface is zero (0) at the position of the axis (radius 0). Even if the NC machining apparatus of -Z) is used, the position of the axis (radius 0) becomes a dead point, and there is a problem that good machining cannot be performed at this position. For this reason, conventionally, when the free curved surface machining tool 1 is attached to a multi-axis NC machining apparatus having 4 to 5 axes, and the portion where the free curved surface is perpendicular to the Z axis (for example, A portion) is machined, the machining tool 1 is used. The program was created so that the center axis z of each had an appropriate angle with respect to the Z axis. However, the creation of such a program is not only complicated and difficult, but the increase in the number of axes leads to an increase in errors, so multi-axis NC machining with four or more axes that can perform precision machining (high precision and high quality machining). The apparatus is expensive and has a problem of poor versatility.
[0004]
Next, a case where precision machining is performed with a free curved surface machining tool will be described. FIG. 13 is an illustration of a processed portion, and is drawn slightly enlarged for easy understanding. When the cutting depth c (machining depth) is large (A), the contact surface e expands regardless of the feed amount d (tool movement amount) unless the feed direction y (tool movement direction) is the vertical direction. Since the portion is located away from the axis z, the above problem does not occur. However, when the cutting depth c is small (B), that is, in precision machining, the contact surface e is narrowed, and the above-described problem occurs in which the main machining portion approaches the axis z.
Furthermore, as the contact surface e narrows, the peripheral speed and the required drive torque greatly vary depending on the distance (rotation radius) from the axis of the contact surface e, resulting in uneven surface roughness and chatter (vibration). )), There is a problem that the processing accuracy is lowered.
[0005]
On the other hand, the narrowing of the contact surface e causes local concentration and unevenness of the contact position of the processing tool due to the characteristics of the free curved surface to be processed, and the processing function (sharpness) degradation part and the deformation part due to contact wear are concentrated locally. Then, the deformation is reversely transferred to the surface to be processed, or the surface is roughened.
In grinding, good grinding is maintained by appropriate wear of the grindstone. Therefore, high-precision correction is indispensable at all times for correction of deformation due to wear (truing, dressing) and recovery of the processing function.
Further, in order to be an accurate machining position, it is necessary to set a consumption amount of the machining tool and correct the program. Therefore, forcible correction is indispensable every minute, and most of the spherical portion is wasted due to the correction.
[0006]
13C and 13D show a cross section perpendicular to the machining locus. The pick feed g must be reduced or the spherical radius of the machining tool should be increased to reduce or eliminate the cub amount h. However, the spherical radius of the machining tool depends on the tool curved surface due to tool interference. In order to avoid scratches, the curvature must be equal to or less than the curvature of the minimum negative (concave) curved surface in the free-form surface. However, although the processing time increases, a means for shifting or reducing the pick feed g by half a pitch may be selected. There is a problem.
Further, by reducing the spherical radius of the processing tool, the accuracy of the processing position can be improved, but there is a problem that the processing time increases as described above.
[0007]
The present invention has been developed to solve such problems. That is, it is an object of the present invention to obtain a constant circumferential speed and a constant driving torque by limiting the contact surface of the tool machining portion to a certain position / range from the axis, and at the same time, improving the machining position accuracy and machining tool An object of the present invention is to provide a free-form surface precision machining tool that can maintain the shape accuracy of the contact surface, and can efficiently and precisely machine a free-form surface using a versatile 3-axis NC machining apparatus.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
According to the present invention, there is provided a free curved surface precision machining tool for precisely machining a workpiece surface by contacting a lower end portion thereof by rotation around a rotation axis, and a truncated cone having an annular arc convex surface machining portion (13) at least below. Rotation axis N tilted so that the vertical line Z passing through the cylindrical tool (12), the lowest point of the convex surface of the circular arc and the center of the cross-section arc, and the side line of the nearest frustoconical part are substantially parallel A free-form surface precision machining tool is provided, characterized in that it has a frustoconical tool and a bearing (14) for supporting the tool shaft.
[0009]
According to a preferred embodiment of the present invention, the frustoconical tool (12) includes a frustoconical portion (13b) that is supported by the tool shaft and the bearing and has a rotation axis as a center, and a lower portion of the frustoconical portion. It consists of the provided circular arc convex surface processing part (13a). The annular arc convex surface processed portion (13) is made of a grindstone or a cutter. The grindstone preferably contains a metal in its binding material.
According to the configuration of the present invention described above, the free-form surface precision machining tool supports the truncated cone tool and the tool axis with the truncated cone tool having an annular arc convex surface machining portion below and the rotation axis inclined with respect to the vertical line. Therefore, the machining surface of the tool that contacts the work surface is limited to the lowermost part of the circular arc convex surface (13a) of the frustoconical tool (12), and this portion is the frustoconical tool. The peripheral speed and the driving torque are almost constant because of being located in a narrow outer diameter portion far from the shaft center N, and good precision machining can be performed.
Further, the circular arc convex surface (13) can reduce the vertical arc lower radius of the vertical cross section to improve the accuracy of the machining position, and at the same time, the front surface projection of the circular arc convex surface by tilting the rotation axis N of the frustoconical tool. The contour (Y-axis direction projection) becomes a horizontal ellipse, the pick feed can be enlarged, and the processing time can be shortened. Thus, a free-form surface can be efficiently and precisely machined using a versatile triaxial NC machining apparatus.
[0010]
Further, since the vertical line Z that passes through the lowest point of the circular curved surface processing portion (13) and the center of the vertical arc of the vertical section is inclined so that the side line of the nearest frustoconical portion is substantially parallel, The wear of the part and the consumption due to the correction progress along the vertical line, and the horizontal position of the lowest point does not change approximately. Further, since the amount of wear in the vertical direction can be easily calculated from the peripheral speed, drive torque, and time wear characteristics, the machining position control program need only be corrected for the Z axis, and can be easily performed. As a result, the material efficient use of the frustoconical tool and the creation of a three-axis NC control program for free-form precision machining can be facilitated.
[0011]
In addition, since the contact surface of the tool processing part is small in precision processing, it is sufficient if the tool processing part is effective and minimum for processing. By thinning the tool processing part, material saving and high precision management of the processing part can be performed. . However, on the other hand, the lack of rigidity is the main cause of vibration.
In order to solve this problem, a non-working portion made of a material that easily wears without damaging a binding material or a work surface not involved in machining is provided directly on the inner and outer sides of the annular arc convex surface machining portion (13), It is intended to reinforce rigidity. The frustoconical tool having such a structure not only prevents vibrations, but can further improve the precision of free-form curved surface precision machining.
[0012]
Moreover, it has a drive means to rotate the said truncated cone-shaped tool (12) around a rotating shaft. This frustoconical tool drive means can be a directly connected turbine or motor, or a turbine, motor, or external device to which driving force is transmitted through a shaft angle conversion joint such as a gear, friction wheel, flexible joint, fluid joint, etc. It consists of a drive shaft. With this configuration, there is no interference between the workpiece and the processing tool, the rotation axis of the truncated cone tool can be fixed at a set inclination angle, and one control axis is omitted. Therefore, the use of a versatile triaxial NC machining apparatus is ensured.
[0013]
Furthermore, it has a correction means for correcting the circular arc convex surface machining portion of the truncated cone tool. This correcting means is preferably composed of a grindstone, electrolytic or discharging means, or a composite means thereof. The correction means preferably functions simultaneously with the processing of the workpiece.
With this configuration, it is possible to correct the annular arc-shaped convex surface processing portion, preferably simultaneously with the processing of the workpiece, by a correcting means such as a grindstone, electrolysis, electric discharge, etc., and precise processing can be continued for a long time.
[0014]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the common part in each figure, and the overlapping description is abbreviate | omitted.
FIG. 1 is a diagram showing a first embodiment of a free curved surface precision machining tool according to the present invention. The free curved surface precision machining tool 10 of the present invention is configured to machine the work surface 2 (see FIG. 12) with the lower end contacting by rotation about the rotation axis N. In the following embodiment, a case will be described in which the workpiece surface 2 is positioned below the free curved surface precision machining tool 10 and machining is performed at the lower end portion of the free curved surface precision machining tool 10, but the present invention is not limited thereto. However, the present invention can also be applied to a case where the free curved surface precision machining tool 10 is used horizontally or upward and is machined at its horizontal end or upper end.
[0015]
As shown in FIG. 1, the free curved surface precision machining tool 10 of the present invention includes a truncated cone tool 12, a tool shaft 12 a, and a bearing 14. The frustoconical tool 12 has an annular arc convex surface processed portion 13a at least downward. The bearing 14 rotatably supports the truncated conical tool 12 with a rotation axis N having an inclination in a vertical line Z passing through the lowest point of the circular arc convex surface processing portion 13a and the center O of the lower arc of the cross section. Yes. In this figure, reference numeral 11 denotes a tool main body, which is attached to a head (not shown) of the NC machining apparatus and can be rotated around its axis z.
[0016]
Further, in this figure, the truncated cone tool 12 is supported by a bearing 14 and has a truncated cone tube portion 13b having the rotation axis N as an axis, and an annular arc convex surface provided below the truncated cone tube portion 13b. It consists of the processing part 13a. The line Z is preferably aligned with the Z axis, which is the three vertical axes, in order to prevent horizontal deviation of the machining position due to the correction of the circular arc convex surface machining portion 13a.
Further, in actual machining of a mold cavity or the like, the free-form surface precision machining tool 10 is rotated about the axis z to prevent interference between the tool body 11 and the truncated cone tool 12, and the axis z and the line Z Are preferably matched or located at a short distance.
[0017]
The circular arc convex surface processed portion 13a is preferably made of a grindstone or a blade. In the case where the circular arc convex surface processed portion 13a is a grindstone, it is preferable that the binding material contains a metal.
With this configuration, it is possible to perform electrolytic dressing processing at the annular arc convex surface processing portion 13a, and to perform precise processing efficiently.
As the bearing 14, a ball bearing, a roller bearing, a needle bearing, a journal bearing, or the like is used, and the frustoconical tool 12 is rotated with the rotation axis N as a center with high accuracy.
[0018]
In FIG. 1, the free curved surface precision machining tool 10 of the present invention has a driving means 16 that rotates a truncated cone tool 12 around a rotation axis N. In this embodiment, the driving means 16 is a centrifugal turbine 16A attached to the tool shaft 12a, and the turbine 16A is driven by the cutting fluid 3 supplied from the conduction hole 11a of the tool body 11. The cutting fluid 3 that has passed through the turbine 16A is supplied from the center hole of the tool shaft 12a to the surface of the annular arc convex surface processing portion 13a.
[0019]
The drive means 16 of the present invention is not limited to such a centrifugal turbine, but via another type of turbine or motor, or a shaft angle conversion joint such as a gear, a friction wheel, a flexible joint, or a fluid joint, and a transmission mechanism. It may be a turbine, a motor or an external drive shaft to which the driving force is transmitted.
[0020]
Furthermore, the free curved surface precision machining tool 10 of the present invention has a correction means 20 for correcting the circular arc convex surface machining portion 13 a of the truncated cone tool 12. The correction means 20 includes an electrode 21 and an application device 22. The electrode 21 has an annular arc concave surface 21a facing the annular arc convex surface processed portion 13a with a gap, and a conductive liquid (cutting fluid 3) flows between them. The applying device 22 applies a voltage between the circular arc convex surface processed portion 13 a and the electrode 21. 1 is electrically connected to the annular arc convex surface processed portion 13a and the electrode 21 through the inside of the tool body 11 and insulated by the insulating portion 24.
[0021]
With this configuration, the surface of the conductive grindstone 13a can be corrected by electrolytic dressing while grinding the surface to be processed by the conductive grindstone 13a. The correcting means 20 of the present invention is not limited to such a configuration, and the correcting means 20 may be a grindstone, electrolytic or discharging means, or a composite means thereof.
Further, according to the configuration of the present invention, the apparent radius of the machining front projected contour line can be freely changed according to the inclination of the rotation axis N of the machining tool and the direction of the XYZ axis.
[0022]
FIG. 2 is a second embodiment of the free curved surface precision machining tool of the present invention. In this example, the driving means 16 for rotating the frustoconical tool 12 around the rotation axis N is a combination of an external drive shaft 16B and a flexible joint 17A. Other basic configurations are the same as those in FIG.
[0023]
FIG. 3 is a third embodiment of the free curved surface precision machining tool of the present invention. In this example, the driving means 16 is a combination of a DC motor 16C and a bevel gear 17B. Other basic configurations are the same as those in FIG.
[0024]
FIG. 4 is a fourth embodiment of the free curved surface precision machining tool of the present invention. In this example, the drive means 16 is a combination of an external drive shaft 16B and a bevel gear 17C. Other basic configurations are the same as those in FIG.
[0025]
FIG. 5 is a fifth embodiment of the free curved surface precision machining tool of the present invention. In this example, the drive means 16 is a combination of an external drive shaft 16B and a fluid coupling 17D. Other basic configurations are the same as those in FIG.
[0026]
FIG. 6 is a sixth embodiment of the free curved surface precision machining tool of the present invention. In the frustoconical tool 12 of this example, a non-machined portion 13c that is not involved in machining is provided as a reinforcing material directly inside the annular arc convex surface machining portion 13a and the frustoconical portion 13b.
[0027]
FIG. 7 is a seventh embodiment of the free curved surface precision machining tool of the present invention. In the truncated cone tool 12 of this example, as in FIG. 6, a non-machined portion 13c that is not related to machining is provided as a reinforcing material directly inside the annular arc convex surface machining portion 13a and the truncated cone shape portion 13b. The cross-sectional shape of the truncated cone part 13b and the non-processed part 13c is different from FIG.
[0028]
FIG. 8 is an eighth embodiment of the free curved surface precision machining tool of the present invention. In the frustoconical tool 12 of this example, a non-machined portion 13c that is not related to machining is provided as a reinforcing material directly outside the annular arc convex surface machining portion 13a and the frustoconical portion 13b.
[0029]
FIG. 9 is a ninth embodiment of the free curved surface precision machining tool of the present invention. In the truncated cone tool 12 of this example, as in FIG. 8, the non-machined portion 13c not related to machining is provided as a reinforcing material directly outside the annular arc convex surface machining portion 13a and the truncated cone shape portion 13b. The cross-sectional shape of the truncated cone part 13b and the non-processed part 13c is different from FIG.
[0030]
FIG. 10 is a diagram showing a tenth embodiment of the free curved surface precision machining tool of the present invention. In the truncated cone tool 12 of this example, a non-machined portion 13c that is not involved in machining is provided as a reinforcing material directly on the inner and outer sides of the annular arc convex surface machining portion 13a and the truncated cone shape portion 13b.
[0031]
FIG. 11 is an eleventh embodiment of the free curved surface precision machining tool of the present invention. In the truncated cone tool 12 of this example, as in FIG. 10, non-machined portions 13c that are not involved in machining are provided as reinforcing materials directly on the inner and outer sides of the annular arc convex surface machining portion 13a and the truncated cone shape portion 13b. The cross-sectional shape of the truncated cone part 13b and the non-processed part 13c is different from FIG.
[0032]
According to the configuration of the present invention described above, the machining surface of the tool that contacts the workpiece surface is limited to the lowermost portion of the circular arc convex surface 13a of the truncated cone tool 12, and this portion is the axis N of the truncated cone tool. Because it is located in the outer diameter part of the narrow part far from the peripheral speed and driving torque are almost constant, good precision machining can be performed.
[0033]
Further, the circular arc convex surface 13 can be reduced in the circular arc lower arc radius of the vertical cross section to increase the accuracy of the machining position, and at the same time, the front projection contour (of the circular arc convex surface can be obtained by tilting the rotation axis N of the truncated cone tool. (Y-axis direction projection) becomes a horizontal ellipse, the pick feed can be increased, and the processing time can be shortened. Thus, a free-form surface can be efficiently and precisely machined using a versatile triaxial NC machining apparatus.
[0034]
Further, since the vertical line Z passing through the lowest point of the circular curved surface processing portion 13 and the center of the vertical cross-section lower circular arc and the side line of the nearest frustoconical portion are inclined so as to be substantially parallel, Wear due to wear and correction progresses along the vertical line, and the horizontal position of the lowest point does not change approximately. Further, since the amount of wear in the vertical direction can be easily calculated from the peripheral speed, drive torque, and time wear characteristics, the machining position control program need only be corrected for the Z axis, and can be easily performed. As a result, the material efficient use of the frustoconical tool and the creation of a three-axis NC control program for free-form precision machining can be facilitated.
[0035]
In addition, a non-machined portion made of a material that easily wears without damaging a binding material or a work surface that is not involved in machining is provided directly on the inner and outer sides of the circular arc convex surface machining portion 13, so that rigidity is reinforced. The frustoconical tool can not only prevent vibrations, but can further improve the precision of free-form precision machining.
[0036]
Further, the drive means of the various truncated cone tools can fix the rotation axis of the truncated cone tool at a set inclination angle without interference between the workpiece and the machining tool, and one control axis is omitted. . Therefore, the use of a versatile triaxial NC machining apparatus is ensured.
[0037]
Further, the structure having the correcting means for correcting the circular arc convex surface machining portion of the truncated cone-shaped tool allows the circular arc convex surface machining portion to be preferably formed simultaneously with the processing of the workpiece by the correcting means such as a grindstone, electrolysis and electric discharge. It can be corrected and precision machining can be continued for a long time.
[0038]
Note that the present invention is not limited to the above-described embodiments and examples, and it is needless to say that various modifications can be made without departing from the gist of the present invention.
[0039]
【The invention's effect】
As described above, in order to solve various problems in high-precision and high-quality machining, that is, precision machining, the present invention provides (1) machining peripheral speed and torque, (2) machining tool shaping, and (3) machining position. It was invented from the three viewpoints of accuracy.
[0040]
That is, the following effects can be obtained by the present invention.
(1) The disadvantage of the spherical tool in which the peripheral speed at the axis is zero is solved by the configuration of the present invention.
(2) The problem that the turning radius differs due to the difference in the processing position (contact angle) of the spherical tool and the peripheral speed and torque fluctuate greatly is solved.
(3) When the depth of cut is small, the problem of deviation of the processing position of the spherical tool and uncertainty caused by the shape characteristics of the free-form surface is solved by the configuration of the present invention.
(4) The program correction operation that enables the direction and measurement of the consumption of the machining tool and increases the accuracy of the machining position is simplified.
(5) By minimizing the processing part of the processing tool and limiting the position, the agility and accuracy of the correction work of the processing tool can be improved, and the effect of ELID grinding can be exhibited more.
(6) The apparent radius of the machining front projected contour can be freely changed according to the inclination of the rotation axis of the machining tool and the direction of the XYZ axis. In other words, by adding a control axis that rotates the rotation axis z of the machining tool around the Z axis, the projected curvature of the machining tool in the Y-axis direction can be changed freely in accordance with the curvature of the free concave surface during machining. It is possible to obtain an effect of adjusting the feed and preventing the interference of the processing tool. This means that the machining tool set before machining can be used consistently until the end, and the occurrence of errors at break points in the machining process such as machining tool replacement can be prevented.
(7) With the configuration of the present invention such as two-piece machining tool, reinforcement of inner and outer surfaces, sandwich structure, etc., the tool machining portion can be thinned, and it is possible to perform precise machining while saving expensive abrasives.
(8) There is only one rotation axis of the machining tool for machining, and various mechanisms for transmitting the driving force to the rotation axis having an inclination can be selected.
[0041]
Therefore, the free curved surface precision machining tool of the present invention can obtain a constant circumferential speed and a constant driving torque by limiting the contact surface of the tool machining part to a certain position and range from the axis, and at the same time, the accuracy of the machining position. The improvement and maintenance of the shape accuracy of the contact surface of the processing tool can be achieved, thereby having excellent effects such as efficient and precise processing of a free-form surface using a versatile triaxial NC processing apparatus.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing a first embodiment of a free curved surface precision machining tool according to the present invention.
FIG. 2 is a second embodiment of the free curved surface precision machining tool of the present invention.
FIG. 3 is a third embodiment of the free curved surface precision machining tool of the present invention.
FIG. 4 is a diagram of a fourth embodiment of the free curved surface precision machining tool of the present invention.
FIG. 5 is a fifth embodiment of the free curved surface precision machining tool of the present invention.
FIG. 6 is a sixth embodiment of the free curved surface precision machining tool of the present invention.
FIG. 7 is a seventh embodiment of the free curved surface precision machining tool of the present invention.
FIG. 8 is an eighth embodiment of the free curved surface precision machining tool of the present invention.
FIG. 9 is a ninth embodiment of the free curved surface precision machining tool of the present invention.
FIG. 10 is a diagram of a tenth embodiment of a free curved surface precision machining tool of the present invention.
FIG. 11 is a diagram showing an eleventh embodiment of a free curved surface precision machining tool according to the present invention.
FIG. 12 is a schematic diagram of free-form surface machining by a conventional free-form surface machining tool.
13 is an explanatory diagram of a processed portion of FIG.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Free-form surface processing tool 2 Free-form surface 3 Cutting fluid 10 Free-form surface precision processing tool 11 Tool main body 11a Conduction hole 12 Frustum-shaped tool 13, 13a Toroidal circular arc convex surface processing part 13b Frustum cylinder part (frustum-shaped part)
13c Reinforcement material 14 Bearing 16 Drive means 16A Turbine 16B External drive shaft 16C Motor 17A Flexible joint 17B Internal gear train 17C Bevel gear train 17D Fluid coupling 18 Transmission mechanism 20 Correction means 21 Electrode 21a Spherical inner surface portion 22 Application device 24 Insulation Part 25 Seal packing 26 Bearing c Cut amount d Feed amount e Contact surface g Pick feed h Cubs amount y Feed direction N Rotating axis X, Y Horizontal axis (in rectangular coordinate system)
Z Vertical axis z Center of free-form surface machining tool O Center of arc R Radius of arc

Claims

A free-form surface precision machining tool that precisely processes the work surface by contacting the lower end with rotation around the rotation axis.
A frustoconical tool (12) having at least an annular arc convex surface machining portion (13) below, a vertical line Z passing through the lowest point of the annular arc convex surface and the center of the cross-section arc, and the nearest frustoconical shape A free-form surface precision machining tool comprising a frustoconical tool and a bearing (14) for supporting the tool shaft on a rotation axis N inclined so that the side lines of the part are substantially parallel.

The frustoconical tool (12) includes a frustoconical portion (13b) that is supported by the tool shaft and a bearing and that has a rotation axis N as an axis, and an annular arc convex surface machining portion provided below the trapezoidal portion. The free curved surface precision machining tool according to claim 1, characterized in that the machining portion wears along a vertical line and the horizontal position of the lowest point is not misaligned. .

The free-form curved surface precision machining tool according to claim 1, wherein the annular arc convex surface machining portion (13) is made of a grindstone or a blade.

The free-form surface precision machining tool according to claim 3, wherein the grindstone includes a metal in its binding material.

2. The free curved surface precision machining tool according to claim 1, wherein a non-machined portion not related to machining is provided directly on the inner and outer sides of the annular arc convex surface machining portion.

6. The free curved surface precision machining tool according to claim 5, wherein the non-machined portion is made of a material that does not damage a binding material or a work surface and is easily worn.

2. The free curved surface precision machining tool according to claim 1, further comprising driving means (16) for rotating the frustoconical tool (12) around a rotation axis.

The frustoconical tool drive means (16) includes a turbine, a motor, or a turbine, a motor to which a driving force is transmitted via a shaft angle conversion joint such as a gear, a friction wheel, a flexible joint, and a fluid joint. The free-form surface precision machining tool according to claim 7, comprising an external drive shaft.

2. The free curved surface precision machining tool according to claim 1, further comprising a correcting means for correcting the circular curved surface machining portion (13a) of the truncated cone tool.

10. The free curved surface precision machining tool according to claim 9, wherein the correcting means comprises a grindstone, electrolytic or discharging means, or a composite means thereof.

10. The free curved surface precision machining tool according to claim 9, wherein the correction means functions simultaneously with the machining of the workpiece.