(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ベッド上に配置されるとともに主軸モータにより回転駆動されるスピンドルを有するヘッドストックと、
上記スピンドルの先端に装着されてワークを把持するチャックと、
上記ベッド上に設けられ、スピンドル軸線と平行な方向を含む直交３軸のスライド自由度を有する工具ヘッドと、
軸心がワーク軸線に対して軸直角な関係となるように上記工具ヘッドに旋回可能に支持されるとともに先端に直線状の切れ刃をもつ旋削用の工具が装着され、且つ旋回駆動手段の作動によりその軸心周りに旋回動作可能な工具スピンドルと、
切削加工に伴って工具切れ刃に付着する付着物の状態を検出する手段と、
上記検出手段による検出結果のほか、ワークの被切削部位の長さ、被切削部位の不連続性のために断続切削となる部位の位置と長さに基づいて、ワークの軸線に対して工具切れ刃が捻れの関係となる工具の傾斜角もしくは工具の移動経路を算出する演算処理装置と、
上記演算処理手段からの指示を受けて上記工具の傾斜角もしくは工具ヘッドの移動経路を制御する制御手段と、
を備えていることを特徴とする切削加工装置。
【請求項２】
請求項１に記載の切削加工装置を用いた切削加工方法であって、
ワークの切削を繰り返し行うにあたり、一回の加工を終える度に工具切れ刃に付着する付着物の分布状態を検出するとともに該検出結果に基づいて工具の移動経路を演算し、次の加工の際にその都度工具の移動経路を変更して加工することを特徴とする切削加工方法。
【請求項３】
請求項１に記載の切削加工装置を用いた切削加工方法であって、
円筒状ワークの接線方向に工具を移動させて切削する第１切削工程と、この第１切削工程の切削終了位置から最初の工具移動方向とは逆方向に工具を移動させながらワーク軸線方向にも移動させて切削する第２切削工程とを含んでいて、これら第１，第２の切削工程を交互に繰り返しながら加工を行うことを特徴とする切削加工方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、旋削に代表されるような切削加工方法および切削加工装置に関し、特に切削に伴って工具切れ刃に付着する付着物が工具寿命の延長に寄与する性質を積極的に利用した切削加工装置と切削加工方法に関する。
【０００２】
【従来の技術と発明が解決しようとする課題】
特開平９−８５５０６号公報のほか特開平９−８５５４３号公報および特開平１１−１７０１０２号公報に記載されているように、ＣＢＮ工具の切れ刃に付着物による保護皮膜を生成させることで工具寿命が向上することが知られている。
【０００３】
ところが、例えば特開平９−８５５０６号公報では、ＣＢＮ工具を用いた切削加工時にその工具表面に向けてシリコン（Ｓｉ）やマンガン（Ｍｎ）あるいはチタン（Ｔｉ）等の酸化物の粉末を吹き付けながら加工を行うことで保護皮膜を生成させるものであり、また、特開平９−８５５４３号公報では、同じくＣＢＮ工具を用いてパーライト組織の鋳鉄を１５００ｍ／ｍｉｎ以上の切削速度で切削して保護皮膜を生成させるにすぎないものであるから、いずれの場合にも付着物の分布を積極的に適正な状態に維持するまでには至っておらず、したがって安定した工具寿命の延長効果を得る上でなおも改善の余地を残している。
【０００４】
その一方、例えば特開２００１−９０７９５号公報にあるトロイダル型無段変速機の入出力ディスクを支持して回転するＣＶＴシャフトの機械仕上げ加工に着目した場合、同シャフトは浸炭焼き入れ処理が施された高硬度のものであって、しかもその一部にボールスプラインを形成することになるスプラインシャフト部が一体形成されている。そのため、切削による加工では、上記スプラインシャフト部においてその切削面が円周方向で不連続となっていていわゆる断続切削の形態となるが故に加工が困難となり、研削による仕上げ加工に頼らざるを得なくなることから部品のコストアップが余儀なくされる。
【０００５】
本発明はこのような課題に着目してなされたもので、工具切れ刃の付着物の付着状態を意識して加工方向等を定めることにより安定した工具寿命延長効果が得られるようにし、併せてその工具寿命延長効果の寄与により従来では困難とされたいわゆる断続切削にも無理なく対応できるようにした切削加装置と切削加工方法を提供しようとするものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の発明は、ベッド上に配置されるとともに主軸モータにより回転駆動されるスピンドルを有するヘッドストックと、上記スピンドルの先端に装着されてワークを把持するチャックと、上記ベッド上に設けられ、スピンドル軸線と平行な方向を含む直交３軸のスライド自由度を有する工具ヘッドと、軸心がワーク軸線に対して軸直角な関係となるように上記工具ヘッドに旋回可能に支持されるとともに先端に直線状の切れ刃をもつ旋削用の工具が装着され、且つ旋回駆動手段の作動によりその軸心周りに旋回動作可能な工具スピンドルと、切削加工に伴って工具切れ刃に付着する付着物の状態を検出する手段と、上記検出手段による検出結果のほか、ワークの被切削部位の長さ、被切削部位の不連続性のために断続切削となる部位の位置と長さに基づいて、ワークの軸線に対して工具切れ刃が捻れの関係となる工具の傾斜角もしくは工具の移動経路を算出する演算処理装置と、上記演算処理手段からの指示を受けて上記工具の傾斜角もしくは工具ヘッドの移動経路を制御する制御手段と、を備えていることを特徴としている。
【０００７】
ここにいう工具の傾斜角とは、直線状の切れ刃をもつ工具をその切れ刃がワーク軸線に対して捻れの関係となるように傾斜させて配置した場合に、その両者のなす角度をいう。
【０００８】
また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の切削加工装置を用いた切削加工方法であることを前提として、ワークの切削を繰り返し行うにあたり、一回の加工を終える度に工具切れ刃に付着する付着物の分布状態を検出するとともに該検出結果に基づいて工具の移動経路を演算し、次の加工の際にその都度工具の移動経路を変更して加工することを特徴としている。
【０００９】
すなわち、これらの請求項１，２に記載の発明では、断続切削を含む切削加工を前提として、例えば外丸削りに際して直線状の切れ刃をもつ工具をその切れ刃がワーク軸線に対して捻れの関係となるように傾斜させて配置し、所望する切り込み量となるようにワーク外周側からワーク軸線方向に工具を移動させた上で、少なくとも工具にワーク側の被切削面の接線方向の送りを与えて切削することを想定している。その結果、傾斜した切れ刃とワークとの接点である切削点がワーク軸線方向に連続的に移動することで切削が行われる。
【００１０】
したがって、これら請求項１，２に記載の発明では、工具切れ刃における付着物の状態もしくは分布を実際に検出して、それに応じて以降の加工の際の工具の移動経路等を決定することから、工具切れ刃の長手方向での付着物の分布が均一化され、ひいては工具切れ刃のどの部分においてもその工具寿命延長効果が均等且つより一層安定したものとなる。
【００１１】
そして、本発明者が種々の実験や試加工等を行った結果、連続切削と断続切削とが混在する加工形態の場合、連続切削の時には工具切れ刃における付着物の生成が極小もしくは緩慢となり、断続切削の時には上記付着物の生成が顕著となることが判明した。
【００１２】
したがって、断続切削と連続切削とを相前後して行う場合には、断続切削を先に行うことで積極的に工具切れ刃に付着物を生成せしめて、その後から連続切削を行うことにより、安定した工具寿命延長効果が期待できるようになり、同時に上記のように切削点が連続的に移動することにより工具切れ刃における付着物の分布も切れ刃全長でほぼ均等なものとなる。
【００１３】
請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の切削加工装置を用いた切削加工方法であることを前提として、円筒状ワークの接線方向に工具を移動させて切削する第１切削工程と、この第１切削工程の切削終了位置から最初の工具移動方向とは逆方向に工具を移動させながらワーク軸線方向にも移動させて切削する第２切削工程とを含んでいて、これら第１，第２の切削工程を交互に繰り返しながら加工を行うことを特徴としている。
【００１４】
したがって、この請求項３に記載の発明では、工具を積極的にワーク軸線方向にも移動させることにより、ワーク軸線方向での切削幅が工具切れ刃の長さよりも大きい場合であっても請求項１，２に記載の発明と同じ原理で無理なく加工を行うことができるようになる。
【００１５】
【発明の効果】
請求項１，２に記載の発明によれば、安定した工具寿命延長効果が得られて、工具寿命をより延長できるようになるとともに、従来は困難とされたいわゆる断続切削も無理なく実現できるほか、工具切れ刃における付着物の状態もしくは分布を検出して、それに応じて以降の工具の移動経路等を決定することから、工具切れ刃における付着物の実際の状態が忠実に反映されて、工具寿命をより一層延長できる効果がある。
【００１６】
請求項３に記載の発明によれば、請求項１に記載の発明と同様の効果に加えて、工具切れ刃の長さよりもワーク軸線方向でのワークの切削幅が大きい場合であっても連続的に無理なく切削できる効果がある。
【００１７】
【発明の実施の形態】
図１，２は本発明の好ましい実施の形態を示す図で、図１は切削加工装置の正面図を、図２は図１の右側面説明図すなわちＣ方向矢視図をそれぞれ示している。
【００１８】
同図に示すように、ベッド１上にはヘッドストック２とテールストック３が対向配置されている（ただし、図２ではテールストック３を図示省略してある）。ヘッドストック２は、周知のように主軸モータ４によって回転駆動される水平なスピンドル５の先端にワークＷを把持するためのチャック６を備えている。テールストック３は進退移動可能なテールストックスピンドル７を備えているとともに、その先端にセンタ８が装着されていて、ワークＷはチャック６とセンタ８とで両持ち支持されて矢印Ｑ方向に回転駆動されるかたちとなる。
【００１９】
また、ワークＷの上方には直交３軸のスライド自由度と回転１軸の自由度を有する工具スピンドル９が位置しており、その工具スピンドル９の先端には工具ホルダ１０を介して旋削用の工具、例えば連続した直線状の切れ刃を有する外丸削り用の工具１１が装着される。
【００２０】
より詳しくは、ベッド１上にＺ方向にスライド可能なコラムベース１２が設けられているとともに、コラムベース１２上にはＸ方向にスライド可能なコラム１３が設けられていて、さらにコラム１３にはＹ方向にスライド可能な工具ヘッドベース１４が設けられている。上記コラムベース１２やコラム１３および工具ヘッドベース１４は、図示しないスライド駆動手段のはたらきによりＸ，Ｙ，Ｚ方向の任意に位置に保持されるようになっている。
【００２１】
工具ヘッドベース１４上には工具ヘッド１５が設けられ、工具ヘッド１５には先に述べたように先端に工具１１を備えた工具スピンドル９が矢印Ｐ１方向に旋回可能に支持されている。工具スピンドル９はその軸心がワーク軸線に対して軸直角となるように設定されていて、回転検出器１６が付設された旋回駆動手段としてのモータ１７の起動により任意の旋回位置に保持されるようになっている。なお、モータ１７は工具ヘッド１５に内蔵されている。以上により、工具スピンドル９は直交３軸のスライド自由度と回転１軸の自由度とを有していることになる。
【００２２】
上記工具１１による加工形態としては、図１，２のほか図３に示すように、ワーク軸線に対して切れ刃１１ａを所定角度だけ傾斜させた工具１１にワークＷの直径方向への所定の切り込みを与えた上で、ワークＷの外周面の接線方向（図３に実線の矢印で示す方向）に切削送りを与えることで切削が行われる。
【００２３】
また、上記ヘッドストック２の上部には、図４に示すように切削に伴って工具１１の切れ刃１１ａに付着する付着物Ｓの厚さを検出するための厚さ測定手段としてレーザを用いた変位計１８が設けられている。この変位計１８は、例えばその検出部を工具１１の切れ刃１１ａに対峙もしくは指向させた状態で工具１１側を移動させることにより、切削加工に伴ってその切れ刃１１ａに付着した付着物Ｓの厚さを切れ刃１１ａの全長にわたり非接触にて検出もしくは測定することが可能であり、その測定値は演算処理手段である演算処理装置１９に取り込まれる。
【００２４】
この演算処理装置１９は、切削条件である切削速度や工具の送り量さらには切り込み量等の各種設定値が予め設定されるほか、上記工具切れ刃１１ａの付着物Ｓの分布結果、ワークＷの切削長さ、後述するように断続的に切削される部位の位置と幅寸法等に基づいて工具１１の移動経路もしくは工具１１の傾斜角等の演算を行って、その演算結果を制御手段である制御装置２０に出力する機能を有していて、制御装置２０はその演算結果に応じてＸ，Ｙ，Ｚ方向のスライド駆動制御系に駆動指令を与えたり、あるいは工具スピンドル９の旋回角度を可変制御するべく角度変更指令をモータ１７の駆動制御系に出力することになる。
【００２５】
図３には、図１，２に示した切削加工装置を用いた場合の代表的な加工形態を示している。ワークＷは同図のようにいわゆる段付き軸状のものであって、図５に示す断面形状のスプラインシャフト部２１のほか単純円筒状の複数の円筒面２２，２３，２４をそれぞれ加工対象部位としている。上記のスプラインシャフト部２１は、図５から明らかなように円周方向でその円筒面が不連続となっているが故に、直線状の切れ刃１１ａをもつ工具１１にて切削を行った場合にはいわゆる断続切削のかたちとなる。
【００２６】
ワークＷはスプラインシャフト部２１側の一端がチャック６に把持されるとともに他端がテールストックスピンドル７側のセンタ８にて支持されて、いわゆる両持ち支持形態で矢印方向Ｑに回転駆動される。
【００２７】
工具スピンドル９に支持される工具１１は、その直線状の切れ刃１１ａが同図に示すようにワーク軸線に対して所定角度だけ傾斜するように工具スピンドル９の旋回角度を予め調整する。同時に、工具１１の移動経路を実線の矢印Ｒ１と破線の矢印Ｒ２で示すように予め演算処理装置１９に設定する。実線の矢印Ｒ１は切削しながら移動することを表し、破線の矢印Ｒ２は工具１１がワークＷに干渉しない位置を通りながら非切削状態で移動することを表している。実線の矢印Ｒ１で示す切削送り方向は、図１，２から明らかなように加工対象部位となるスプラインシャフト部２１もしくは円筒面２２〜２４の接線方向に一致していることになる。すなわち、断続切削の形態となるスプラインシャフト部２１の切削を最初に行い、続いて円筒面２２〜２４の切削を順次行うように工具１１の移動軌跡を設定した上で、実加工に移行する。
【００２８】
上記スプラインシャフト部２１および円筒面２２〜２４のいずれの加工の場合でも、ワーク軸線に対して直線状の工具切れ刃１１ａが所定角度だけ傾斜しているために、工具１１に送りを与えると、傾斜した切れ刃１１ａとワークＷとの接点である切削点がワーク軸線方向に連続的に移動することで切削が行われ、したがって被切削面の面粗さを低下させることになるいわゆるツールマークは一切発生しないことになる。
【００２９】
本発明者が各種の実験や試加工等を行った結果では、いわゆるスプラインシャフト部２１のようないわゆる断続切削と単純円筒面２２〜２４のようないわゆる連続切削とを相前後して行う場合に、断続切削の形態となるスプラインシャフト部２１の切削の際には図４に示すような工具切れ刃１１ａにおける付着物Ｓの生成が顕著となるものの、連続切削の形態となる円筒面２２〜２４の切削の際には工具切れ刃１１ａにおける付着物Ｓの生成が極端に低下することが判明した。なお、工具切れ刃１１ａにおける付着物Ｓの生成が工具寿命の延長効果をもたらすことは先に述べた通りである。
【００３０】
したがって、上記のように工具切れ刃１１ａにおける付着物Ｓの生成が極端に低下することになる各円筒面２２〜２４の切削に先行して、工具切れ刃１１ａにおける付着物Ｓの生成が顕著な断続切削すなわちスプラインシャフト部２１の切削を行うことにより、スプラインシャフト部２１の切削の際の付着物Ｓの生成による工具寿命延長効果が期待できることはもちろんのこと、各円筒面２２〜２４の切削の際にも既に付着物Ｓが生成されているために同様にして工具寿命延長効果が期待でき、結果的には工具の寿命を大幅に延長できるようになる。
【００３１】
その上、断続切削の形態となるスプラインシャフト部２１の加工の際に、傾斜している工具切れ刃１１ａとワークＷとの接点である切削点が連続的に移動することから、断続切削に伴う工具切れ刃１１ａへの衝撃力を緩和できるほか、スプラインシャフト部２１および各円筒面２２〜２４のいずれの加工の場合にも上記と同様の理由からツールマークが一切発生しないために、被切削面の表面粗さ精度がきわめて良好なものとなる。
【００３２】
図６〜９には、上記切削加工装置のもとでの加工手順の別の例をフローチャートとともに示してある。なお、この手順は請求項２に記載の発明に対応している。
【００３３】
図７に示すように、加工対象となるワークＷ１は単純円筒面である大径軸部２５に直径方向に貫通する穴２６が形成されていて、その穴２６の部分では先のスプラインシャフト部２１と同様にいわゆる断続切削の形態となることを容認した上で、直線状の切れ刃１１ａを有する工具１１にてその工具切れ刃１１ａを傾斜させながら大径軸部２５の全幅に切削加工を施すものである。
【００３４】
図６のＳｔｅｐ１では、各種の切削条件を図１に示す演算処理装置１９に入力して設定する。すなわち、図６のほか図７に示すように、切削条件として切削速度と工具１１の送り量、切り込み量、工具切れ刃１１ａの傾斜角（図１に示した工具スピンドル９の旋回角度）α、工具の切れ刃の長さＨ、断続切削となる穴２６の長さａ、および工具切れ刃１１ａのうち断続切削に関与しない部分の長さｋをそれぞれ図１の演算処理装置１９に設定する。
【００３５】
Ｓｔｅｐ２では、初期値として切れ刃１１ａの一端での工具逃げ幅ｂと工具移動方向である矢印Ｍ方向での工具移動距離ｍを、ｂ＝０．５〜１ｍｍ、ｍ＝ａ／２の関係式に従い入力して設定する。上記の工具逃げ幅ｂは工具切れ刃１１ａの一端がワークＷ１に接触しない程度に適当な値をもって設定すれば足りる。
【００３６】
Ｓｔｅｐ３では実際の切削に移行し、工具１１を図７の（ａ）の矢印Ｍ方向に工具移動距離ｍだけ移動させながら切削し、さらに同図（ｂ）に示すように工具移動距離ｍの終点から矢印Ｍ１方向すなわちワーク軸線方向に所定距離だけ移動させて大径軸部２５の全幅について切削する（なお、図７の（ａ）では工具１１を工具移動距離ｍだけ移動させた後の状態を描いてある）。この時、穴２６の位置でのいわゆる断続切削を含んでいるので、先の場合と同様に工具切れ刃１１ａには何らかの付着物Ｓが生成される。
【００３７】
Ｓｔｅｐ４では、図１，２に示した変位計１８を用いて切削加工後の工具切れ刃１１ａの全長Ｈについて上記付着物Ｓの厚さを測定する。Ｓｔｅｐ５では、図８に示すように付着物Ｓの厚さが最大の位置を中心に幅ａ（予め設定された任意の値）を設定し、工具切れ刃１１ａの端面からの距離Ｐを算出して演算処理装置１９に取り込む。さらに、Ｓｔｅｐ６では、演算処理装置１９での処理として付着物Ｓの位置を示すＰの値とＨ−ｋの値とを比較し、Ｐの値がＨ−ｋの値よりも小さい場合には、それに続くＳｔｅｐ７の処理として工具移動距離ｍとしてｍ＝（ａ／２）＋Ｐｓｉｎαを算出した上で工具移動距離ｍの値を更新する。そして、この更新された工具移動距離ｍをもって次のワークＷ１の切削を実行する。
【００３８】
一方、付着物Ｓの位置を示すＰの値がＨ−ｋの値と同等以上の場合には、Ｓｔｅｐ９の処理として図９に示すように加工開始位置や加工方向を図７の場合と比べて逆の関係となるように変更した上でＳｔｅｐ２に戻り、工具逃げ幅ｂと工具移動距離ｍを初期値に設定し直して、次のワークＷ１の切削に移行する。
【００３９】
このように、断続切削となる部位の長さすなわち穴２６の長さａが工具切れ刃１１ａの長さよりも小さい場合であっても、切れ刃１１ａのほぼ全長にわたって付着物Ｓを生成することができるから、大径軸部２５の切削に続いて連続切削となる部位の切削を行った場合にその工具寿命を延長することができる。
【００４０】
図１０は上記切削加工装置を用いた場合のさらに別の加工手順を示す。なお、この手順は請求項３に記載の発明に対応している。
【００４１】
同図（ａ）に示すように、ワークＷ１のうち加工対象となる大径軸部２５の長さＬ２よりも工具１１による切削幅Ｌ１が小さい場合において、工具切れ刃１１ａの端部１１ｂがワークＷ１の軸線よりもマイナスＸ側にある状態すなわち図１０の（ａ）に示した端部１１ｂの位置よりの上方にある状態に保持し、その状態から工具１１を矢印Ｍ２で示す接線方向（プラスＸ方向）に所定量移動させて切削する。続いて、Ｘ方向の移動完了位置から同図（ｂ）に実線の矢印Ｍ３で示すように工具１１を逆方向（マイナスＸ方向）に所定量だけ移動させながら同時にワーク軸線方向にも所定量だけ移動させ、実質的に二方向の合成送り方式にて切削する。さらに、同図（ｃ）に示すように最初と同様にして矢印Ｍ４方向に工具１１を移動させて切削する。
【００４２】
こうすることにより、工具１１の切削幅Ｌ１がワークの被切削長さＬ２よりも小さい場合においても、大径軸部２５全体を均等に仕上げることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の好ましい実施の形態として切削加工装置の概略構成を示す正面図。
【図２】  図１のＣ方向矢視図。
【図３】  図１での加工形態の詳細を示す要部拡大図。
【図４】  工具切れ刃における付着物の付着状況を示す要部拡大断面図。
【図５】  図３に示すワークのスプラインシャフト部における断面図。
【図６】  図１，２の切削加工装置での別の加工手順を示すフローチャート。
【図７】  （ａ），（ｂ）ともに図６の加工手順でのワークと工具との関係を示す説明図。
【図８】  図６の加工手順での工具切れ刃の付着物との関係を示す説明図。
【図９】  図６の加工手順でのワークと工具との関係を示す説明図。
【図１０】  （ａ），（ｂ），（ｃ）ともに図１，２の切削加工装置での別の加工手順を示す説明図。
【符号の説明】
１…ベッド
２…ヘッドストック
４…主軸モータ
５…スピンドル
６…チャック
９…工具スピンドル
１１…工具
１１ａ…切れ刃
１５…工具ヘッド
１７モータ（旋回駆動手段）
１８…変位計（厚さ測定手段）
１９…演算処理装置
２０…制御装置
２１…スプラインシャフト部
２２〜２４…円筒面
２５…大径軸部
Ｓ…付着物
Ｗ…ワーク
Ｗ１…ワーク
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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