(57)【要約】【課題】砥石の寿命を長く保ち、工作物の外面を簡便に三次元形状に研削することが可能な研削方法を提供する。【解決手段】研削方法は、研削作用面が曲面形状に形成されると共に回転駆動される砥石Ｇを、回転駆動される三次元カムＷ１に対して、三次元カムＷ１の回転軸線Ｗ２方向及び回転軸線Ｗ２と直交する方向に相対的に移動させて、三次元カムＷ１の外面を三次元形状に研削するものである。また、砥石Ｇの球面形状Ｇ１の中心は砥石Ｇの回転軸線Ｇ３上に存在する。また、カムシャフトＷの回転軸線Ｗ２に対して砥石Ｇの回転軸線Ｇ３が傾斜されている。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
研削作用面が曲面形状に形成されると共に回転駆動される砥石を、回転駆動される工作物に対して、前記工作物の回転軸線方向及び回転軸線と直交する方向に相対的に移動させて、前記工作物の外面を三次元形状に研削することを特徴とする研削方法。
【請求項２】
前記砥石の前記曲面形状は球面形状であり、該球面形状の中心は前記砥石の回転軸線上に存在することを特徴とする請求項１に記載の研削方法。
【請求項３】
前記工作物の回転軸線に対して前記砥石の回転軸線が傾斜されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の研削方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、工作物を三次元形状に研削する研削方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
工作物を三次元形状に研削する手法として、本願出願人は、特許文献１の通り、プランジ研削により工作物を三次元形状に研削する研削方法を提案している。特許文献１で主として開示したカム研削盤では、テーブルの移動方向であるＺ軸方向に直交するＸ軸方向に移動するスライド体上に、Ｚ−Ｘ平面に直交する軸、所謂「Ｂ軸」を軸心として旋回する水平旋回体を設け、この水平旋回体上に、Ｂ軸に直交する軸、所謂「Ａ軸」を軸心として旋回する軸頭を設けている。ここで、軸頭とは砥石車を回転自在に支持するものである。そして、このカム研削盤を用いて、工作物側の動作をＣ軸回転およびＺ軸移動の二軸移動、砥石車側の動作をＸ軸移動、Ｂ軸旋回、およびＡ軸旋回の三軸移動により制御することで三次元形状のカムのプロフィル面をプランジ研削する研削方法を行っている。
【０００３】
【特許文献１】
特開２０００−７４６号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の従来技術は次のような不都合を有していた。特許文献１で示した研削盤では、工作物の外面を三次元形状に研削する際に、プランジ研削するため、砥石車を工作物に対して、Ｘ軸移動、Ｂ軸旋回、およびＡ軸旋回の三軸移動により制御して研削しなければならなかった。これは一般的な円筒研削盤などと比べると、砥石車側の制御軸が多く、カム研削盤の機械的構成が複雑になってしまうので、簡便性が悪いことやコストが高くなるなどの問題があった。
【０００５】
ところで、プランジ研削ではなく、トラバース研削により工作物を三次元形状に研削することが考えられる。しかしながら、トラバース研削では、砥石の研削作用面において工作物の外面と接触する部分が一箇所に集中するため、砥石の減りが一箇所に集中し、ツルーイングの回数が増えて砥石の寿命が短くなるという問題が発生する。また、砥石の位置を制御するための算出処理が煩雑となり、また制御データが膨大な量となるため、制御装置への負担が大きくなるという問題も発生する。
【０００６】
そこで、本発明は上記の実情を鑑み、砥石の寿命を長く保ち、工作物の外面を簡便に三次元形状に研削することが可能な研削方法の提供を課題とするものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明にかかる研削方法は、研削作用面が曲面形状に形成されると共に回転駆動される砥石を、回転駆動される工作物に対して、前記工作物の回転軸線方向及び回転軸線と直交する方向に相対的に移動させて、前記工作物の外面を三次元形状に研削するものである。
【０００８】
ここで、三次元形状とは、断面形状が回転軸線方向の位置に応じて変化する形状のことであり、三次元カムなどを例示できる。三次元カムとは、例えば、内燃機関の性能向上などを目的に使用されるものであり、回転軸線方向のどの位置でも同じ円弧状に形成されたベース円部と、角度位相毎にリフト量が変化し、且つそのリフト量の変化量が回転軸線方向の位置に応じて異なるように形成されたリフト部とから構成されている。
【０００９】
したがって、請求項１の発明の研削方法によれば、砥石が工作物に対し工作物の回転軸線方向および回転軸線と直交する方向に相対的に移動しながら、砥石の研削作用面が工作物の外面を螺旋状に研削し三次元形状を創成することとなる。このとき、工作物の回転と、砥石の工作物に対する工作物の回転軸線方向および回転軸線と直交する方向への相対的な移動とを制御して研削を行えばよく、従来技術のようにＣ軸、Ｚ軸、Ｘ軸、Ｂ軸、Ａ軸といった五軸の多数の制御軸を同期して制御する必要がないので簡便性が向上する。また、砥石の制御軸が少なくすることができるため、砥石側の機械的構成を簡略化することができる。また、砥石の研削作用面が曲面形状に形成されているため、砥石の研削作用面と工作物の外面とが点接触に近い状態で接触し、また、その接触箇所が砥石の研削作用面において工作物の回転角度に応じて変化することになる。このため、砥石の研削作用面において工作物の外面と接触する箇所が一箇所に集中しないので、砥石のツルーイングの回数を減らすなどして、砥石の寿命を伸ばすことが可能となる。
【００１０】
請求項２の発明にかかる研削方法は、請求項１に記載の研削方法において、前記砥石の前記曲面形状は球面形状であり、該球面形状の中心は前記砥石の回転軸線上に存在するものである。
【００１１】
したがって、請求項２の発明の研削方法によれば、請求項１の発明の研削方法の作用に加え、砥石の研削作用面が球面形状に形成され、球面形状の中心が砥石の回転軸線上に存在することから、砥石の位置を決める際の基準点を球面形状の中心とすれば、砥石の研削作用面のどの箇所が工作物の外面と接触しても研削作用点から基準点までの距離が常に一定となる。このため、一連の加工動作において砥石の位置を決めるための算出処理が容易になる。また、工作物の回転軸線方向にて工作物と砥石との接触点は一点に決まることから、一連の加工動作において砥石の位置を決めるための算出処理が容易になる。
【００１２】
請求項３の発明にかかる研削方法は、請求項１または請求項２に記載の研削方法において、前記工作物の回転軸線に対して前記砥石の回転軸線が傾斜されているものである。
【００１３】
砥石の回転軸を工作物の回転軸に対して平行にすると、砥石を支持する軸頭が工作物や工作物を支持する部材に干渉しないように、砥石の径を大きくしなければならなくなる。これに対し、請求項３の発明の研削方法によれば、請求項１または請求項２に記載の研削方法において、径の小さい砥石を用いても、砥石を支持する軸頭が工作物や工作物を支持する部材に干渉しにくくなり、上述の不具合が生じることを回避することが可能となる。
【００１４】
また、近年、内燃機関の性能を向上する目的で輪郭曲線にくぼみを有する三次元カムなども提供されている。このような三次元カムを研削する場合には、砥石の径がくぼみより大きい箇所を研削することができない。請求項３の発明の研削方法では、このような三次元カムを研削する場合でも、くぼみより小さい砥石を利用して研削することが可能となる。
【００１５】
また、特に請求項２の発明の研削方法のように、砥石の曲面形状が球面形状とした場合には、球面形状の中心が砥石の回転軸線上に存在するので、回転軸線の傾斜角度を変更しても研削作用点の算出処理は同じになるので算出しなおす必要がなく、請求項３の発明の研削方法が特に有効である。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態である研削方法について、図１ないし図５に基づき説明する。図１は本発明の一実施形態である研削方法に用いられる研削盤の構成を模式的に説明する説明図であり、図２はカムシャフトの三次元カムを示す（ａ）側面図、（ｂ）正面図であり、図３は（ａ）砥石が三次元カムのベース円部を研削する状態を説明する説明図、（ｂ）砥石が三次元カムのリフト部を研削する状態を説明する説明図である。
【００１７】
先ず、本実施形態の研削方法で用いられる研削盤１について説明する。研削盤１は、図１に示すように、ベッド１０と、ベッド１０の上面に設置された砥石台２０およびテーブル３０と、研削加工に関わる一連の動作を制御するＣＮＣ装置４０とを主に備えている。本実施形態では、三次元カムを有したカムシャフトＷを研削する場合を例に挙げて説明する。なお、研削盤１の座標系は、Ｘ，Ｚの二つの直線軸、およびＣの回転軸を持っている。Ｚ軸は、カムシャフトＷの一端を支持して回転駆動する主軸３１の軸方向の直線軸であり、Ｘ軸は、水平かつＺ軸に直交する直線軸である。また、Ｃ軸は、主軸３１の軸心回りの回転軸である。
【００１８】
ベッド１０は、研削盤１の基台部分を構成し、砥石台２０をＸ軸方向に移動させるための案内面１１および送りねじ１２と、テーブル３０をＺ軸方向に移動させるための案内面１３および送りねじ１４とを備えている。また、ベッド１０の側面には、後述のＣＮＣ装置４０によって制御されるサーボモータであって、送りねじ１２を回転駆動させる砥石台移動モータ１５と、砥石台移動モータ１５の回転量から間接的に砥石台２０のＸ軸方向における位置を検出するエンコーダ１６と、ＣＮＣ装置４０によって制御されるサーボモータであって、送りねじ１４を回転駆動させるテーブル移動モータ１７と、テーブル移動モータ１７の回転量から間接的にテーブル３０のＺ軸方向における位置を検出するエンコーダ１８とが設けられている。なお、エンコーダ１６，１８は、砥石台移動モータ１５およびテーブル移動モータ１７の回転量に比例したパルス信号を後述の砥石台移動モータ駆動回路５０およびテーブル移動モータ駆動回路５１にフィードバックさせている。
【００１９】
砥石台２０は、砥石Ｇと、砥石Ｇを支持しＺ軸に対して傾斜させて設けた砥石軸２１と、砥石軸を支持する軸頭２４と、プーリ、ベルトなどの駆動伝達装置２２と、ＣＮＣ装置４０によって制御され、駆動伝達装置２２を介して砥石軸２１を回転駆動させる砥石回転モータ２３とを主に備えている。この他、図示は省略するが、安全のために砥石Ｇの略全体を被覆するカバーや、研削液を砥石Ｇの研削作用点に与えるノズルなども備えている。また、砥石台２０は、ベッド１０の案内面１１にＸ軸方向に移動自在に設置され、その位置および移動速度をＣＮＣ装置４０により精密に制御されている。なお、研削加工中の砥石Ｇの回転速度は非常に高速であるため、砥石軸２１の軸受（図示省略）としては、非円形平軸受、セグメント軸受、静圧軸受、マイクロスフィア軸受などの精密軸受を用いている。なお、砥石軸２１を傾斜させて設けたのは、研削に際して、砥石台２０のＸ軸方向への移動と、テーブルのＺ軸方向への移動との干渉を防ぐためである。
【００２０】
砥石Ｇは球面形状Ｇ１を有し、その球面形状Ｇ１の中心Ｇ２（図３（ａ）参照）は砥石Ｇの回転軸線Ｇ３上に存在している。また、砥石Ｇは、工具の切刃に相当する砥粒、砥粒を保持する結合剤、切屑を一時的に貯めておくチップポケットの働きをする気孔の三要素から構成されている。また、砥石Ｇの特性は、砥粒の種類、砥粒の大きさを示す粒度、結合剤の種類、結合剤の強弱を示す結合度、砥粒の容積比（砥粒率）の五因子に支配されており、研削する工作物によって適宜選択する必要がある。砥粒としては、例えば、酸化アルミナ系、炭化ケイ素系、ダイヤモンド、ＣＮＢなどが挙げられる。結合剤としては、例えば、ビトリファイド、レジノイド、シリケート、シェラック、ゴム、メタルボンドなどが挙げられる。
【００２１】
テーブル３０は、一端側に主軸台３２と、その他端側に心押し台３３とを備え、カムシャフトＷを支持するものである。また、テーブル３０は、ベッド１０の案内面１３にＺ軸方向に移動自在に設置され、その位置および移動速度をＣＮＣ装置４０により精密に制御されている。
【００２２】
主軸台３２は、カムシャフトＷの一端を支持する主軸３１と、ＣＮＣ装置４０によって制御されるサーボモータであって、主軸３１を回転駆動させる主軸回転モータ３４と、主軸回転モータ３４の回転量から間接的に主軸３１の回転角度を検出するエンコーダ３５とを主に備えている。主軸３１の主軸端にはチャックが設けられカムシャフトＷを把持すると共に、主軸３１の回転をカムシャフトＷに伝えている。なお、エンコーダ３５は、主軸回転モータ３４の回転量に比例したパルス信号を後述の主軸回転モータ制御回路５３にフィードバックさせている。
【００２３】
心押し台３３は、カムシャフトＷの一端を支持し、Ｚ軸方向に移動できる心押し軸３６と、心押し軸３６を主軸台３２方向に押すスプリング（図示省略）とを主に備え、対象工作物の長さに応じてテーブル３０上にねじで固定されている。
【００２４】
ＣＮＣ装置４０は、論理／演算ユニット、制御ユニットから構成されるＣＰＵ４１と、ＣＰＵ４１が利用するプログラムおよびデータを記憶するメモリ４２と、データ、制御信号を転送するバス４３と、バス４３と各装置と間を仲介するインターフェース４４と、キーボード、マウスなどの入力装置４５と、ディスプレイなどの出力装置４６とを備えている。メモリ４２は、研削加工にかかわる一連の動作を制御する加工動作プログラム４７と、カムシャフトＷの回転角度データ、このカムシャフトＷの回転角度データと相関するカムシャフトＷと砥石Ｇとの距離データ、テーブル３０の移動速度データ等の一連の加工動作に必要な制御データ４８とを記憶している。
【００２５】
また、ＣＮＣ装置のインターフェース４４には、砥石台移動モータ駆動回路５０、テーブル移動モータ駆動回路５１、砥石回転モータ駆動回路５２、主軸回転モータ駆動回路５３がそれぞれ接続されている。この砥石台移動モータ駆動回路５０、テーブル移動モータ駆動回路５１、砥石回転モータ駆動回路５２、主軸回転モータ駆動回路５３は、ＣＰＵ４１からの指令信号を入力して砥石台移動モータ１５、テーブル移動モータ１７、砥石回転モータ２３、主軸回転モータ３４をそれぞれ駆動する回路である。なお、砥石台移動モータ駆動回路５０、テーブル移動モータ駆動回路５１、主軸回転モータ駆動回路５３は、ＣＰＵ４１からの指令値と、エンコーダ１６，１８，３５からのフィードバック信号（帰還値）とを自動的に比較して、フィードバック信号が目標値に近づくように補正して、砥石台移動モータ１５、テーブル移動モータ１７、主軸回転モータ３４をそれぞれ制御している。
【００２６】
ここで、カムシャフトＷについて説明する。カムシャフトＷは、エンジンの吸排気弁を作動させるための三次元カムＷ１を有している。三次元カムＷ１は、図２（ａ）および図２（ｂ）に示すように、カムシャフトＷの回転軸線Ｗ２方向のどの位置でも同じ円弧状に形成されたベース円部Ｗ３と、角度位相毎にリフト量が変化し、且つそのリフト量の変化量が回転軸線Ｗ２方向の位置に応じて異なるように形成されたリフト部Ｗ４とから構成されている。
【００２７】
次に、本実施形態の研削方法について説明する。本実施形態の研削方法では、上述の研削盤１を用いてカムシャフトＷの三次元カムＷ１を研削する。研削盤１のＣＮＣ装置４０は、加工動作プログラム４７および制御データ４８の指令に基づき、主として砥石台移動モータ１５、テーブル移動モータ１７、砥石回転モータ２３、主軸回転モータ３４を制御して研削加工を実行する。具体的には、ＣＮＣ装置４０は、砥石回転モータ２３を制御して砥石Ｇを高速に回転駆動させ、また、テーブル移動モータ１７を制御して三次元カムＷ１がＺ軸上で加工に適切な初期位置に配置されるようにテーブル３０を移動させる。また、ＣＮＣ装置４０は、制御データ４８に基づいて、テーブル移動モータ１７を制御し、三次元カムＷ１を一定速度にてＺ軸上を移動させるとともに、主軸回転モータ３４および砥石台移動モータ１５を同期して制御し、カムシャフトＷの回転角度に応じて砥石台２０をＸ軸上で移動させて、三次元カムＷ１の外面を研削する。
【００２８】
主軸回転モータ３４および砥石台移動モータ１５の同期制御について詳しく説明する。ベース円部Ｗ３を研削する間は、図３（ａ）に示すように、砥石Ｇの中心Ｇ２とカムシャフトＷの回転軸線Ｗ２との距離を切り込み量を考慮した上で一定に保って研削する。また、リフト部Ｗ４を研削する間は、図３（ｂ）に示すように、リフト部Ｗ４が角度位相毎にリフト量が変化するため、砥石ＧをカムシャフトＷの回転角度に応じてＸ軸方向に進退移動させながら研削する。
【００２９】
砥石Ｇの研削作用面は球面形状Ｇ１に形成されていることから三次元カムＷ１の外面と点接触に近い状態で接触し、また、カムシャフトＷがＣ軸回りに回転しながらＺ軸方向に一定の速度で送られるので、砥石Ｇは三次元カムＷ１の外面を螺旋状に研削することになる。また、このとき、図３（ａ）および図３（ｂ）の斜線部分に示すように、砥石Ｇの研削作用面である球面形状Ｇ１において、三次元カムＷ１との接触箇所がカムシャフトＷの回転角度に応じて変化することになる。このため、砥石Ｇの研削作用面である球面形状Ｇ１において三次元カムＷ１の外面と接触する箇所が一箇所に集中しないので、砥石Ｇのツルーイングの回数を減らすなどして、砥石Ｇの寿命を伸ばすことが可能となる。
【００３０】
このように、上記実施形態の研削方法では、カムシャフトＷのＣ軸回りの回転と、カムシャフトＷのＺ軸方向への移動と、砥石ＧのＸ軸方向の移動とを同期して制御すればよい。このため、従来技術のようにＣ軸、Ｚ軸、Ｘ軸、Ｂ軸、Ａ軸といった五軸の多数の制御軸を同期して制御する必要がないので簡便性が向上する。
【００３１】
また、上記実施形態の研削方法では、砥石Ｇの研削作用面が球面形状Ｇ１であり、球面形状Ｇ１の中心Ｇ２は砥石Ｇの回転軸線Ｇ３上に存在している。このため、砥石Ｇの位置を決める際の基準点を球面形状Ｇ１の中心Ｇ２とすれば、砥石Ｇの研削作用面である球面形状Ｇ１のどの箇所が三次元カムＷ１の外面と接触しても研削箇所から基準点までの距離が常に一定となる。このため、一連の加工動作において砥石Ｇの位置を決めるための算出処理が容易になる。したがって、ＣＮＣ装置４０にかかる処理負担を軽減できる。
【００３２】
また、上記実施形態の研削方法では、カムシャフトＷの回転軸線Ｗ２に対して砥石Ｇの回転軸線Ｇ３が傾斜されて設けられている。このため、軸頭２４がカムシャフトＷやテーブル３０の主軸台３２や心押し台３３に干渉しにくくなる。また、カムシャフトＷの回転軸線Ｗ２と砥石Ｇの回転軸線Ｇ３との傾斜角度を変えても、中心Ｇからの研削作用点まで距離が一定であるため、研削作用点の算出処理は同じになるため算出しなおす必要がなく、簡便性を向上できる。
【００３３】
以上、本発明について好適な実施の形態を挙げて説明したが、本発明はこの実施の形態に限定されるものではなく、以下に示すように、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、種々の改良および設計の変更が可能である。
【００３４】
すなわち、上記実施形態の研削方法で用いた研削盤１では、砥石軸２１をＺ軸に対して傾斜させて設けたものを示したが、これに特に限定されるものではなく、例えば、砥石台２０に対する軸頭２４の傾斜角度を調節自在にしてもよい。これにより、砥石Ｇの球面形状Ｇ１において三次元カムＷ１の外面との接触箇所をより広い範囲で変更することが可能となり、砥石Ｇの寿命をより長くすることができる。また、テーブル３０を中央のピボットで旋回できるように設け、砥石Ｇの球面形状Ｇ１において三次元カムＷ１の外面との接触箇所を変更するようにしてもよい。
【００３５】
また、上記実施形態の研削方法では、研削対象としてカムシャフトＷの三次元カムＷ１を示したが、カムシャフト以外のものであってもよい。
【００３６】
【発明の効果】
以上のように、請求項１の発明の研削方法は、従来技術に比べ簡便に研削することができる。また、砥石の寿命を延ばすことができる。
【００３７】
請求項２の発明の研削方法は、請求項１の発明の研削方法の効果に加えて、砥石の位置決めを容易にできる。
【００３８】
請求項３の発明の研削方法は、請求項１または請求項２の発明の研削方法の効果に加えて、径の小さい砥石を利用しても干渉を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態である研削方法で用いる研削盤を模式的に説明した説明図である。
【図２】カムシャフトの三次元カムを示す（ａ）側面図、（ｂ）正面図である。
【図３】（ａ）砥石が三次元カムのベース円部を研削する状態を説明する説明図、（ｂ）砥石が三次元カムのリフト部を研削する状態を説明する説明図である。
【符号の説明】
１  研削盤
Ｇ  砥石
Ｇ１  球面形状
Ｇ２  中心
Ｇ３  回転軸線
Ｗ  カムシャフト（工作物）
Ｗ１  三次元カム（三次元形状）
Ｗ２  回転軸線
【図１】
2005014171.tif 000003
【図２】
2005014171.tif 000004
【図３】
2005014171.tif 000005