(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
厚さがｂのスクロールラップを形成した鏡板における周辺の加工基準面をチャックの座面に保持し、この保持された前記スクロールラップの歯先面を工具半径がｒ、刃数がｎｔの回転するエンドミルによって工具径オフセット量ａで切削して加工するスクロールラップ歯先面の加工方法において、
前記エンドミルの切れ刃が切削を開始する位置をエンドミルの進行方向から見た角度であるエンゲージ角α＝ｓｉｎ−１｛（ａ＋(ｂ／２)）／ｒ｝と前記エンドミルの切れ刃が切削を終了する位置をエンドミルの進行方向から見た角度であるディスエンゲージ角β＝ｓｉｎ−１｛（ａ−(ｂ／２)）／ｒ｝を求め、同時切削刃数ｎ＝｛（α−β）／（２π／ｎｔ）｝＋１が最小となるような工具径オフセット量ａを設定して、加工することを特徴とするスクロールラップ歯先面の加工方法。
【請求項２】
前記オフセット量が、−４．５ｍｍ〜−３ｍｍであることを特徴とする請求項１に記載のスクロールラップ歯先面の加工方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、スクロールラップ歯先面の高精度加工方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
スクロール圧縮機の圧縮室は、旋回スクロールと固定スクロールのラップ側面、および歯底面と歯先面によって構成される。ラップの側面の形状を高精度に加工する方法として、例えば、特開昭６３−２３９３８８号公報（従来技術１）、特開平３−３５９１１号公報（従来技術２）に記載されている様に、エンドミルによるラップの形状精度を向上させてスクロールラップの側面を加工することが試みられている。しかしながら、これら従来技術１および２には、歯先面の加工精度、すなわち平面度と表面粗さを向上する方法については、記載されていない。
通常、図１に示すように、スクロールラップ１ａの歯先面１ｂは、ラップの幅よりも大きな直径を持つエンドミル４ａにより切削加工が行われる。そして、エンドミル４ｂによる底面１ｃの加工では、切削力により、エンドミルの軸方向に力が働く。
【０００３】
ところで、スクロール１は、図１に示すように鏡板１ｄの裏面に設けられた基準面１０によりチャック２に固定されるため、スクロールの中心部、すなわち渦の巻き始め部においては軸方向の剛性が極めて低い。歯先面１ｂの加工中には、図１に示したように切削力により渦の巻き始め部において、スクロールがエンドミルから離れる方向にε弾性変形するため、削り残しを生ずる。そのため、図２に示したようにスクロールラップ１ａの歯先面１ｂは、渦巻き始め部においてラップの高さがε１高くなる。底面１ｂにおいても、ε２高くなる。そこで、ＮＣ装置のヘリカルインボリュート補間機能を用いるにより、渦巻き始め部において、切込み量が大きくなるようにツールパスを設定し、スクロールの弾性変形による削り残しをキャンセルする等の方法がとられている。
しかし、この方法では、スクロールの渦巻き始め部における切込み量の補正値を決定するために、数回の試加工を行う必要がある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従来の技術では、渦巻き始め部における切込み量の補正値を決定するために、数回の試加工を行う必要がある。
【０００５】
本発明の目的は、上記課題を解決すべく、数回の試加工を行うことなく、スクロールラップの歯先面の平面度を向上することができるようにしたスクロールラップ歯先面の加工方法を提供することにある。
また、本発明の他の目的は、スクロールラップの歯先面の平面度を向上することができると共にその表面粗さをも向上できるようにしたスクロールラップ歯先面の加工方法を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は、厚さがｂのスクロールラップを形成した鏡板における周辺の加工基準面をチャックの座面に保持し、この保持された前記スクロールラップの歯先面を工具半径がｒ、刃数がｎｔの回転するエンドミルによって工具径オフセット量ａで切削して加工するスクロールラップ歯先面の加工方法において、前記エンドミルの切れ刃が切削を開始する位置をエンドミルの進行方向から見た角度であるエンゲージ角α＝ｓｉｎ−１｛（ａ＋(ｂ／２)）／ｒ｝と前記エンドミルの切れ刃が切削を終了する位置をエンドミルの進行方向から見た角度であるディスエンゲージ角β＝ｓｉｎ−１｛（ａ−(ｂ／２)）／ｒ｝を求め、同時切削刃数ｎ＝｛（α−β）／（２π／ｎｔ）｝＋１が最小となるような工具径オフセット量ａを設定して、加工することを特徴とするスクロールラップ歯先面の加工方法である。
【０００７】
また、本発明は、前記オフセット量が、−４．５ｍｍ〜−３ｍｍであることを特徴とするスクロールラップ歯先面の加工方法である。
【０００８】
以上説明したように、前記構成によれば、従来の如く数回の試加工をすることなく、スクロールラップの渦巻き始め部における削り残しを小さくして、スクロールラップ歯先面の平面度を５μｍ以下の高精度に向上させることが可能となる。
【０００９】
また、前記構成によれば、従来の如く数回の試加工をすることなく、スクロールラップ歯先面の平面度を５μｍ以下の高精度に向上させ、しかも歯先面の面粗さを５μｍＲｚ以下の高精度に向上させることが可能となる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明に係る実施の形態について、図を用いて説明する。
図３は本発明に係るスクロールラップ歯先面の加工方法を実施するための装置構成の一実施の形態を示す図である。スクロール圧縮機を構成する、旋回スクロールと固定スクロールのラップ形状は、次に示す（数１）式で表されるインボリュート曲線により形状が決定されている。
ｘ＝Ｒ｛ｃｏｓλ＋（λ−θ）ｓｉｎλ｝
ｙ＝Ｒ｛ｓｉｎλ−（λ−θ）ｃｏｓλ｝                  （数１）
ここで、Ｒは基礎円半径、λは位相、θは渦巻き始めの位相である。通常、スクロールのラップ形状では、ＮＣ工作機械により上式で表される軌跡を工具に描かせることによりインボリュート曲線の形状を生成している。
【００１１】
スクロール圧縮機の圧縮室は、旋回スクロールと固定スクロールのラップ側面、および歯底面と歯先面によって構成される。そして、スクロール１は、旋回スクロールと固定スクロールとからなり、各々、図１に示すように、鏡板１ｄの裏面に加工基準面１０が設けられており、チャック２の座面に保持される。このように、スクロール１は、鏡板１ｄの裏面に設けられた基準面１０によりチャック２に固定されるため、スクロールの中心部、すなわち渦の巻き始め部においては軸方向の剛性が極めて低いことになる。そして、ＮＣ加工機３は、エンドミル４ａ、４ｂを回転させる主軸５と、エンドミルを移動するためのｘ軸６、ｙ軸７、スクロールを軸方向に移動するためのｚ軸８と、これらを制御するためのＮＣ装置９とを備えている。また、ＮＣ装置９は、ｘ軸６、ｙ軸７、ｚ軸８のうちの２軸で決定される平面内でエンドミル４ａ、４ｂにインボリュート曲線を描かせる機能を備えている。
【００１２】
図４は、説明を簡略化するためにスクロールラップ１ａの形状を直線状として、厚さｂを有するラップ１ａ’の中心線とエンドミル４ａの中心の距離ａ、すなわち工具径オフセット量ａを変化したときの、同時に切削に関与する切れ刃の枚数、すなわち同時切削刃数の関係を示したものである。図４は、エンドミル４ａの直径２ｒがφ１７．４ｍｍ、エンドミルの切れ刃枚数が２０、ラップ１ａ'の厚さｂが４．５ｍｍの場合であり、エンドミル４ａを矢印方向に回転させて矢印方向に送るものとする。工具径オフセット量ａが６．４５ｍｍ程度と大きい場合は、図４（ａ）に示すように同時に切削に関与する切れ刃の数、すなわち同時切削刃数は４枚である。また、図４（ｂ）に示すように工具径オフセット量ａが６ｍｍ程度になると同時切削刃数は３枚となり、図４（ｃ）に示すように工具径オフセット量ａをさらに２ｍｍ程度に小さくすると同時切削刃数は２枚となる。
【００１３】
実際のインボリュート曲線では、オフセット量が同一であっても、インボリュート曲線の内側にオフセットさせた場合（工具径オフセット量ａを＋６ｍｍ程度にした場合）は、図５（ａ）に示すように同時切削刃数は４であるのに対し、外側にオフセットさせ、工具径オフセット量ａを−６ｍｍ程度にした場合は、図５（ｂ）に示すように同時切削刃数は３であり、外側にオフセットさせ、工具径オフセット量ａを−４．２５ｍｍ程度にした場合は、図５（ｃ）に示すように同時切削刃数は２となる。すなわち、スクロールラップ１ａの歯先面１ｂの加工においては、工具径オフセット量ａと、オフセットの向き等により同時切削刃数が変化し、切削力が変化することがわかる。実際のインボリュート曲線では、インボリュート曲線の外側にオフセットさせた場合の方が、工具径オフセット量ａを−４．５ｍｍ程度まで、同時切削刃数を最小の２枚で維持し、エンドミル４ａによる軸方向の切削力Ｆｚを低減することが可能となる。なお、図５においても、エンドミル４ａを矢印方向に回転させて、矢印方向にスクロールラップのインボリュート曲線に沿って送り込むものとする。
図６に示したように、工具半径（Ｔｏｏｌ Ｒａｄｉｕｓ）がｒ、刃数ｎｔのエンドミル４ａを用いて、厚さ（Ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ ｏｆ Ｓｃｒｏｌｌ Ｌａｐ）がｂのスクロールラップを工具径オフセット量（Ｔｏｏｌ Ｒａｄｉｕｓ Ｏｆｆｓｅｔ）がａで加工する場合、切れ刃が切削を開始する位置をエンドミルの進行方向から見た角度、すなわちエンゲージ角（Ｅｎｇａｇｅ Ａｎｇｌｅ）をαとすると、次に示す（数２）式の関係で表される。
【００１４】
ｒ・ｓｉｎα＝ａ＋（ｂ／２）                         （数２）
また、切れ刃が切削を終了する位置、すなわちディスエンゲージ角（Ｄｉｓｅｎｇａｇｅ Ａｎｇｌｅ）をβとすると、次に示す（数３）式の関係で表される。
【００１５】
ｒ・ｓｉｎβ＝ａ−（ｂ／２） （数３）
したがって、エンゲージ角α、およびディスエンゲージ角βは、上記（数２）式および（数３）式の関係から、次に示す（数４）式の関係となる。
α＝ｓｉｎ−１｛（ａ＋(ｂ／２)）／ｒ｝
β＝ｓｉｎ−１｛（ａ−(ｂ／２)）／ｒ｝            （数４）
同時切削刃数ｎは、エンゲージ角αとディスエンゲージ角βとの間にある切れ刃の枚数である。エンドミルの切れ刃の枚数をｎｔとすると、次に示す（数５）式の関係で表せる。
【００１６】
ｎ＝｛（α−β）／（２π／ｎｔ）｝＋１               （数５）
図７は、説明を簡略化するためにスクロールラップ１ａの形状を直線状とした場合において、エンドミル４ａの直径２ｒをφ１７．４ｍｍ（Ｔｏｏｌ Ｒａｄｉｕｓ ８．７ｍｍ）、エンドミル４ａの切れ刃枚数ｎtが２０、スクロールラップ１ａの厚さ（幅）（Ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ ｏｆ Ｓｃｒｏｌｌ Ｌａｐ）ｂが４．５ｍｍの場合における、工具径オフセット量（Ｔｏｏｌ Ｒａｄｉｕｓ Ｏｆｆｓｅｔ）ａ（ｍｍ）を変化したときの、同時切削刃数（Ｎｕｍｂｅｒ ｏｆ Ｃｕｔｔｉｎｇ Ｅｄｇｅ）ｎの変化を示したものである。工具径オフセット量ａの符号は、エンドミル４ａの中心位置が送り方向に対して右側にある場合を＋、送り方向に対して左側にある場合を−とする。この図７に示すように工具径オフセット量ａが−４．５ｍｍ〜＋４．５ｍｍ程度の範囲において、同時切削刃数ｎは２枚の最小値を示すことになる。そして、工具径オフセット量ａの絶対値を更に大きくすると同時切削刃数ｎが３枚、４枚とステップ状に増加することがわかる。実際のインボリュート曲線では、図５（ａ）（ｂ）（ｃ）に示すように、インボリュート曲線の内側にオフセットさせた場合には、同時切削刃数ｎが２枚の最小値を示す範囲はなくなり、インボリュート曲線の外側にオフセットさせた場合にのみ、同時切削刃数ｎが２枚の最小値を示す範囲が生じることになる。
図８は、上記の如く、２ｒ＝直径φ１７．４ｍｍ、２０枚刃のエンドミル４ａで，厚さ（Ｄｅｐｔｈ ｏｆ Ｃｕｔ（Ｒａｄｉａｌ））ｂが４．５ｍｍのスクロールラップ１ａを、エンドミルの回転数（Ｓｐｉｎｄｌｅ Ｒｏｔａｔｉｏｎ）Ｓが３０００ｒｐｍ、軸方向の切込み量（Ｄｅｐｔｈ ｏｆ ｃｕｔ（Ａｘｉａｌ））が０．０５ｍｍ、送り速度（Ｆｅｅｄ ｒａｔｅ）が２０００ｍｍ／ｍｉｎの条件で加工したときの切削力（Ｃｕｔｔｉｎｇ Ｆｏｒｃｅ）Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚ（Ｎ）を示したものである。Ｆｘは、送り方向（Ｆｅｅｄ Ｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ）の切削力を示し、Ｆｙは、半径方向（Ｒａｄｉａｌ）の切削力を示す。これら送り方向（Ｆｅｅｄ Ｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ）の切削力Ｆｘおよび半径方向（Ｒａｄｉａｌ）の切削力Ｆｙは、加工精度に影響を及ぼさない。
【００１７】
以上説明したように、図８から、工具径オフセット量ａを大きくすると、図７に示した同時切削刃数ｎの増加に対応して、軸方向（Ａｘｉａｌ）の切削力Ｆｚが増加していることがわかる。
また、図９は、実際のインボリュート曲線の場合において、スクロールラップ１ａの歯先面１ｂの、鏡板１ｄに対する高さの誤差ε１（μｍ）を直径φ４ｍｍの球を押し当てて３次元測定器で測定した結果である。工具径オフセット量が＋６．０ｍｍとの場合、渦巻き始め部、すなわち位相λ（ラジアン）が小さい部分において９μｍの削り残しを生じているのに対し、工具径オフセット量ａを−４．２５ｍｍ程度とすると渦巻き始め部における削り残しは３μｍ程度と小さくすることができる。これは、スクロール１が鏡板１ｄの裏面に設けられた基準面１０によりチャック２に固定されて、スクロールの中心部、すなわち渦の巻き始め部において軸方向の剛性が極めて低くても、工具径オフセット量ａを−３ｍｍ〜４．５ｍｍ程度にして、同時切削刃数ｎを最小にすることにより、軸方向（Ａｘｉａｌ）の切削力Ｆｚを低く抑えることができることによる。
従って、任意のスクロールラップ厚さ（幅）ｂ、工具半径ｒ、刃数ｎｔに対し、上記（数４）式および（数５）式により決定される同時切削刃数ｎが最小となるような、ａの範囲を工具径オフセット量として用いれば、エンドミルの軸方向の切削力Ｆｚを小さくすることができ、スクロールラップ１ａの歯先面１ｂの平面度を５μｍ以下の高精度に向上させることができる。
【００１８】
図１０は、エンドミル４ａによる正面フライス加工における表面粗さを示す模式図である。図１０において、Ａ−Ａ断面における幾何学的理論面粗さＲｔｈは、切れ刃のすかし角をη（約０．５°程度）、１刃当たりの工具送り量をＳｚとして、次に示す（数６）式により与えられる。
Ｒｔｈ＝Ｓｚ・ｔａｎη                             （数６）
しかし、Ｂ−Ｂ断面における理論面粗さＲｔｈは、Ａ−Ａ断面における理論面粗さＲｔｈよりも小さい。簡単のために、切れ刃の回転角ψにおける幾何学的理論面粗さＲｔｈは、瞬間切りくず厚さｈを用いて、次に示す（数７）式から得られる。
Ｒｔｈ＝ｈ・ｔａｎη                               （数７）
瞬間切りくず厚さｈは、エンドミルの回転数Ｓ（ｒｐｍ）、切削速度Ｖ（ｍ／ｍｉｎ）を用いて、次に示す（数８）式の関係で表せる。
ｈ＝（Ｓｚ・ｓｉｎψ）／（１±Ｓ・ｃｏｓψ／Ｖ）   （数８）
ただし、切削速度Ｖは、次に示す（数９）式の関係を有する。
Ｖ＝Ｓ・２ｒ・π                                   （数９）
以上説明したように、切れ刃の回転角ψが約９０度の場合における理論面粗さＲｔｈは、図１０におけるＡ−Ａ断面で示される如く最大となり、切れ刃の回転角ψが約０度または約１８０度の場合における理論面粗さＲｔｈは、図１０におけるＢ−Ｂ断面で示される如く最小となる。そこで、切れ刃の回転角ψが約０度または約１８０度に近ずけるように、工具径オフセット量ａを設定することによって、スクロールラップ１ａの歯先面１ｂの理論面粗さＲｔｈを小さくすることが可能となる。即ち、切れ刃の回転角ψを約０度または約１８０度に近ずけることは、工具径オフセット量ａを次に示す（数１０）式で示される値に近ずけることを意味する。
ａ＝ｒ−ｂ／２                                     （数１０）
なお、切れ刃の回転角ψが約９０度の場合は、工具径オフセット量ａが約０の場合に対応する。
【００１９】
図１１は、実際のインボリュート曲線において、上記（数７）式および（数８）式を用いて、工具径オフセット量ａに対応する理論面粗さ（Ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｒｏｕｇｈｎｅｓｓ）Ｒｔｈ（μｍ）を計算した結果を示す図である。図１１は、実際のインボリュート曲線において、図８に示す場合と同様に、直径２ｒ＝φ１７．４ｍｍ、２０枚刃のエンドミル４ａで，厚さ（Ｄｅｐｔｈ ｏｆ Ｃｕｔ（Ｒａｄｉａｌ））ｂが４．５ｍｍのスクロールラップ１ａを、エンドミルの回転数（Ｓｐｉｎｄｌｅ Ｒｏｔａｔｉｏｎ）Ｓが３０００ｒｐｍ、軸方向の切込み量（Ｄｅｐｔｈ ｏｆ ｃｕｔ（Ａｘｉａｌ））が０．０５ｍｍ、送り速度（Ｆｅｅｄ ｒａｔｅ）が２０００ｍｍ／ｍｉｎの条件で加工したときの工具径オフセット量ａに対応する理論面粗さ（Ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｒｏｕｇｈｎｅｓｓ）Ｒｔｈ（μｍ）を示す。この図１１から明らかなように、スクロールラップ１ａの歯先面１ｂのエンドミル加工において、工具径オフセット量ａを大きくするほど、理論面粗さＲｔｈ（μｍ）が良好になることがわかる。上記（数７）式および（数８）式からわかるように、任意のスクロールラップ厚さ（幅）ｂ、工具径（エンドミル４ａの直径２ｒ）に対し、工具径オフセット量ａを大きくした方が表面粗さＲｔｈ（μｍ）が良いと言える。しかしながら、工具径オフセット量ａとしては、エンドミル４ａの半径ｒが８．７ｍｍで、スクロールラップ１ａの厚さｂが４．５ｍｍであることからして、同時切削刃数ｎが２枚の最小値を示す範囲の制約から−３ｍｍ程度〜−４．５ｍｍ程度の範囲にすることが望まれる。工具径オフセット量ａとして−３ｍｍ程度〜−４．５ｍｍ程度の範囲にした場合、理論面粗さＲｔｈ（μｍ）は、図１１に示すように約０．３μｍ〜０．４μｍにすることができる。
【００２０】
このように、工具径オフセット量ａを大きくすると、ラップ歯先面の平面度が悪化してしまう。そこで、図5に示す実際のインボリュート曲線において、同時切削刃数ｎが最小の２枚であって切れ刃の回転角ψを約０度または約１８０度に近ずけた工具径オフセット量ａである−４．２５ｍｍ程度を用いると、平面度を３μｍ程度、表面粗さ（数個所の平均値）を４μｍＲｚ以下（理論値における面粗さＲｔｈが０．３４μｍ程度が対応する。）とすることができた。即ち、工具径オフセット量ａを−４．５ｍｍ程度〜−３ｍｍ程度の範囲にすることにより、スクロールラップ歯先面の平面度を５μｍ以下の３μｍ程度に向上させることができ、しかも表面粗さを４μｍＲｚ程度以下に向上することが可能となる。なお、理論値における面粗さと実際切削した場合の面粗さとの間で相違するのは、スクロールラップの材料（例えば鋳鉄）に起因するものである。
【００２１】
【発明の効果】
本発明によれば、従来の如く数回の試加工をすることなく、工具径オフセット量を最適化することによって、スクロールラップの渦巻き始め部における削り残しを小さくして、スクロールラップ歯先面の平面度を５μｍ以下の高精度に向上させることができる効果を奏する。
また、本発明によれば、従来の如く数回の試加工をすることなく、工具径オフセット量を最適化することによって、スクロールラップ歯先面の平面度を５μｍ以下の高精度に向上させ、しかも歯先面の面粗さを５μｍＲｚ以下の高精度に向上させることができる効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る旋回スクロールのチャック方法とその加工方法を示す図である。
【図２】本発明に係る加工後の旋回スクロールの歯先面の平面度の悪化を模式的に示した図である。
【図３】本発明に係るスクロールラップ歯先面の加工方法を実施するための装置構成の一実施の形態を示す図である。
【図４】直線状のスクロールラップの厚さの中心線とエンドミルの中心との距離と、同時切削刃数の関係を模式的に示した図である。
【図５】本発明に係る実際のインボリュート曲線を有するスクロールラップの渦巻き始め部における同時切削刃数の変化を模式的に示した図である。
【図６】エンゲージ角、ディスエンゲージ角を説明するための図である。
【図７】直線状のスクロールラップの歯先面の加工において、工具径オフセット量を変化したときの同時切削刃数の変化を示す図である。
【図８】直線状のスクロールラップ歯先面の加工において、工具径オフセット量を変化したときの切削力を示す図である。
【図９】本発明に係る実際のインボリュート曲線を有するスクロールラップ歯先面の加工において、鏡板に対する歯先の高さの誤差を測定した結果である。
【図１０】エンドミルによる正面フライス加工における表面粗さを模式的に示した図である。
【図１１】本発明に係る実際のインボリュート曲線を有するスクロールラップ歯先面の加工において、工具径オフセット量を変化したときの、理論面粗さを計算した結果を示す図である。
【符号の説明】
１…スクロール、１ａ…スクロールラップ、１ａ‘…ラップ、１ｂ…歯先面、１ｄ…鏡板、２…チャック、３…加工機、４ａ、４ｂ…エンドミル、５…主軸、６…ｘ軸、７…ｙ軸、８…ｚ軸、９…ＮＣ装置、１０…基準面
【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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【図１１】
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