JP4366337B2 - 三次元曲面を有するカムの研削方法 - Google Patents

Description

本発明は、三次元曲面を有するカムの研削方法に関する。

一般に、自動車のエンジンの吸気弁機構又は排気弁機構に用いられるカムシャフトに形成されたカムは、ベース円部、リフト部及びカムトップ部により形成されていて、カムシャフトの中心軸線方向に関する前記リフト部及びカムトップ部の断面形状はどの部位も同一形状になっている。このカムシャフトに代えて、エンジンの燃費や出力等の特性を向上するためにカムのリフト部及びカムトップ部の断面形状が前記中心軸線方向に連続的に変化する三次元曲面となっているカムシャフトが用いられるようになった。

前者のカムシャフトのカムの研削方法は、主軸装置に装着されたカムシャフトを回転し、このカムシャフトの一個のカムを予め作成された一つのプロファイルデータに基づいて、前記中心軸線方向に移動制御される砥石により初回の研削を行い、次に、砥石を前記中心軸線方向に相対移動させて、同じプロファイルデータにより次の研削を行い、この動作を順次繰り返すことにより連続的に行うことができる。しかし、後者のカムシャフトのカムの研削は、前記リフト部及びカムトップ部が前記中心軸線方向に連続的に変化するので、前記中心軸線方向と直交する多数の仮想断面の曲面形状に対応したそれぞれ異なる例えば２００個のプロファイルデータを作成し、この多数のプロファイルデータを順次用いてカムの前記中心軸線方向の研削を間欠的に行うようにしたものが提案されている。又、カムシャフトを回転させるとともに、その中心軸線方向に移動させ、砥石をカムの三次元曲面に螺旋状に接触させて研削する方法も提案されている。（特許文献１の段落番号００２９参照）
特開２００５−１４１７１号公報

ところが、三次元カムの前者の研削方法は、一つのプロフアイルデータによりカムを一回研削したら、砥石をカムから後退させて、砥石をカムシャフトの中心軸線方向に次の研削作業位置まで一ピッチだけ移動させ、この間にプロファイルデータを次のプロファイルデータに置き換えて、カムの研削を行うようになっていたので、研削作業の能率が低下するという問題があった。

又、三次元カムの後者の研削方法は、カムの外面に対し砥石を螺旋状に接触させて研削するので、一つのプロファイルデータで研削作業を連続的に行うことができるが、最初に複雑で非常に面倒な螺旋状のプロファイルデータを作成しなければならないので、その作成時間が長くなり、ソフトウエアの作成コストを低減することができないという問題があった。加えて、後者の研削方法は、プロファイルデータが螺旋状に研削可能に連続的に作成されているので、それを部分的に修正することが難しいという問題もあった。

本発明の目的は、上記従来の問題点を解消して、プロファイルデータの作成を容易に行うことができるとともに、研削作業の能率を向上することができる三次元曲面を有するカムの研削方法を提供することにある。

上記問題点を解決するために、請求項１に記載の発明は、ベース円部と、三次元曲面を有するカムを回転させるとともに、複数のプロファイルデータを順次用いて前記カムに対し回転駆動される砥石をカムの中心軸線と直交する方向に相対移動させて、カムの前記ベース円部及び三次元曲面を複数回に分けて研削する研削方法において、現在のプロファイルデータにより前記カムのベース円部及び三次元曲面の研削を行ない、該ベース円部の研削工程中に、現在のプロファイルデータを次のプロファイルデータに入れ替えるとともに、同じく該ベース円部の研削工程中に、前記砥石を次のベース円部及び三次元曲面の研削を行う研削予定位置のうち当該ベース円部と対応する位置へ相対移動させて、前記次のプロファイルデータによりカムのベース円部及び三次元曲面の研削を連続的に行うことを要旨とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１において、前記カムのベース円部は、砥石の直線部により研削され、前記三次元曲面は、砥石の円弧部により研削されることを要旨とする。
請求項３に記載の発明は、請求項２おいて、前記各プロファイルデータは、カムの三次元曲面に対する砥石の円弧部の加工点の移動分を考慮して作成されたものであることを要旨とする。

請求項４に記載の発明は、請求項２又は３において、前記砥石は、中央に直線部を有し、該直線部の左右両側に円弧部を有していることを要旨とする。

本発明によれば、カムのベース円部の研削を行う工程中に、現在のプロファイルデータを次のプロファイルデータに入れ替えるとともに、砥石を次の研削を行う位置へ相対移動させてカムの外面の研削を連続的に行うようにした。このため、プロファイルデータの作成を容易に行うことができるとともに、研削作業の能率を向上することができる。

以下、本発明を具体化した三次元曲面を有するカムの研削方法の一実施形態を図１〜図８にしたがって説明する。
図２に示すように、カム研削盤のベース１１上にはＺ軸ガイドレール１２が敷設され、このＺ軸ガイドレール１２にはワーク支持台１３がＺ軸駆動モータ１４及び図示しないボールねじナットによりＺ軸方向へ往復移動可能に支持されている。ワーク支持台１３上には主軸台１５が配設され、主軸１６及びその主軸１６を回転させるための主軸用モータ１７を備えている。ワーク支持台１３上にはホルダ１８が主軸１６との間の間隔を調整自在に配設され、主軸１６に対向するようにその中心軸線上に位置する支軸１９を備えている。

前記主軸台１５の主軸１６とホルダ１８の支軸１９との間には、カムシャフト２０がワーク支持台１３の前記移動方向であるＺ軸方向に沿って軸線が延びるように着脱可能に装着されている。このカムシャフト２０は、直線状のロッド２１と、このロッド２１の外周に所定のピッチで嵌合固定された複数のカム２２とにより構成されている。このカムシャフト２０の装着状態で、主軸用モータ１７が回転されることにより、カムシャフト２０が自身の中心軸線Ｏを中心として一方向（図４の矢印参照）へ回転される。

この実施形態においては、図３及び図４に示すように前記カム２２のカム面は、その中心軸線Ｏを中心とした半円筒形状のベース円部２２ａと、そのベース円部２２ａの両端から延びる一対のリフト部２２ｂと、リフト部２２ｂを介してベース円部２２ａの反対側に位置するカムトップ部２２ｃとを備えている。前記リフト部２２ｂ及びカムトップ部２２ｃは、図３に示すようにカムシャフト２０の中心軸線Ｏ方向に関して、該中心軸線Ｏからの距離が連続的に変化する三次元曲面に形成されている。

図２に示すように前記ベース１１上にはＸ軸ガイドレール２３が敷設され、このＸ軸ガイドレール２３には砥石台２４がＸ軸駆動モータ２５及びボールねじ２６によりカムシャフト２０の中心軸線Ｏ（Ｚ軸）方向と直交するＸ軸方向へ往復移動可能に支持されている。

砥石台２４には回転砥石２８が回転軸２７を介して回転可能に支持され、砥石用モータ２９の回転運動がベルト駆動機構３０を介して前記回転砥石２８に伝達され、該砥石２８が一方向に回転されるようになっている。前記回転砥石２８の外周面の形状は、図６に示すようにその中心軸線Ｏ´と直交する方向から見たとき、直線状の直線部２８ａと、円弧状の円弧部２８ｂとにより形成されている。

図２に示すように、前記Ｚ軸駆動モータ１４、主軸用モータ１７及びＸ軸駆動モータ２５には、それぞれの回転角を検出するためのエンコーダ３１，３２，３３が設けられている。

次に、カムの研削装置の制御システムを図５に基づいて説明する。
図５に示すように、制御装置４１には、各種の演算処理を行うためのＣＰＵ（中央処理装置）４２、ＲＯＭ（リードオンリメモリ）４３、及びＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）４４が設けられている。ＣＰＵ４２は、カム研削盤全体の動作を制御するための制御手段を構成している。ＲＯＭ４３は、カム研削盤全体の動作を制御するためのプログラム等を記憶している。ＲＡＭ４４は、研削動作を実行するための各種データを一時的に記憶する記憶手段を構成している。前記ＣＰＵ４２、ＲＯＭ４３及びＲＡＭ４４は、制御信号を転送するバス４５と、インターフェース４６と図示しない駆動回路を介して前記Ｚ軸駆動モータ１４、主軸用モータ１７及びＸ軸駆動モータ２５と接続されている。又、前記エンコーダ３１，３２，３３からの信号が制御装置４１に入力されるようになっている。なお、前記バス４５にはインターフェース４７を介してキーボードやマウス等よりなる入力装置４８と、ディスプレイやプリンタ等よりなる出力装置４９が接続されている。

前記ＲＡＭ４４には、カム２２のベース円部２２ａ、三次元曲面のリフト部２２ｂ及びカムトップ部２２ｃを研削するための多数（この実施形態では例えば２００個であるが、簡略化のため第１〜第１５プロファイルデータＤ１〜Ｄ１５とする）のプロファイルデータＤ１〜Ｄ１５が主軸１６の回転割出角度に対する砥石台２４の位置データとして予め記憶されている。第１〜第１５プロファイルデータＤ１〜Ｄ１５のうち前記ベース円部２２ａを研削するプロファイルデータは、全て同一のデータとなっている。又、リフト部２２ｂ及びカムトップ部２２ｃを研削するプロファイルデータは、全て異なるデータとなっている。各プロファイルデータは、カム２２の中心軸線Ｏから外周面までの回転角度毎のリフトデータ、回転砥石２８の半径及びカム２２の回転角度毎の回転砥石２８の切り込み量をファクタとした回転砥石２８のＸ軸方向位置を表すデータとして作成されている。

上記各プロファイルデータＤ１〜Ｄ１５は、図６に示すようにカム２２の中心軸線Ｏと直交する仮想平面Ｓと、カム２２の外表面との交差する仮想断面に基づいて作成される。このとき、三次元曲面のリフト部２２ｂ及びカムトップ部２２ｃを研削する回転砥石２８の円弧部２８ｂは、一定の曲率半径となっており、カムトップ部２２ｃの加工点Ｐを通る軸線方向の接線Ｌの勾配αは、各加工点Ｐ毎に変化する。このため、回転砥石２８の円弧部２８ｂがリフト部２２ｂ又はカムトップ部２２ｃに接触する加工点Ｐの位置も変化する。この加工点Ｐの変位分（移動分）を考慮して、各プロファイルデータＤ１〜Ｄ１５が作成される。

次に、前記制御装置４１の機能について説明する。
前記制御装置４１は、前記カム２２のベース円部２２ａの第１〜第１５プロファイルデータＤ１〜Ｄ１５が全て同じデータとなっているので、第１プロファイルデータＤ１に基づいてカム２２の第１研削予定面の研削動作を行っている途中であって、前記ベース円部２２ａの研削動作の間に、第１プロファイルデータＤ１から第２プロファイルデータＤ２に置き換える動作を行う機能を有している。又、制御装置４１は、前記置き換え動作と同期して、前記ベース円部２２ａの研削動作の間に、ワーク支持台１３を第１回目の研削位置から第２回目の研削を行う位置までＺ軸方向に一ピッチだけ移動する機能を有している。

次に、前記のように構成したカム研削装置について、その動作を説明する。
図２に示すように、回転砥石２８がカムシャフト２０上の１つのカム２２に対向配置された状態で、回転砥石２８が一方向へ高速回転されるとともに、カムシャフト２０が一方向へ回転される。この状態で、回転砥石２８がカムシャフト２０に対して離間する位置からカムシャフト２０に接近してそのカムシャフト２０に接触する。

図１によりカム２２の研削動作を説明すると、ステップＳ１において、ＲＡＭ４４から第１プロファイルデータＤ１が読み出され、ステップＳ２において、第１プロファイルデータＤ１に基づいて、カム２２の第１研削予定面のベース円部２２ａ、リフト部２２ｂ及びカムトップ部２２ｃの研削が行われる。ステップＳ３において、カム２２の第１研削予定面のベース円部２２ａの研削中に第１プロファイルデータＤ１が第２プロファイルデータＤ２に置き換えられる。ステップＳ４において、第１研削予定面のベース円部２２ａの研削中にカムシャフト２０がＺ軸方向に移動されて、カム２２の第２研削予定面のベース円部２２ａに回転砥石２８が対応する。ステップＳ５において、カム２２の第２研削予定面のベース円部２２ａ、リフト部２２ｂ及びカムトップ部２２ｃが研削される。ステップＳ６において、カム２２の第２研削予定面のベース円部２２ａの研削中に第２プロファイルデータＤ２が第３プロファイルデータＤ３に置き換えられる。ステップＳ７において、第２研削予定面のベース円部２２ａの研削中にカムシャフト２０がＺ軸方向に移動されて、カム２２の第３研削予定面のベース円部２２ａに回転砥石２８が対応する。

以上の動作が順次連続的に行われ、カム２２の外周が所要形状に研削される。又、このカム２２に対する研削は、カム２２の外周に対する回転砥石２８の切込み量（研削代）を減少させながら、粗研削→中仕上げ研削→仕上げ研削→スパークアウトの順で、複数の研削工程を経て行われる。この研削工程を経ることにより、カム２２の外周に、図３及び図４に示すような非真円形状をなす所定の三次元形状のカム２２が形成される。

図７及び図８は、第１〜第１５プロファイルデータＤ１〜Ｄ１５がベース円部２２ａにおいて、置き換えられる様子を模式的に表したものである。
上記実施形態の三次元曲面を有するカムの研削方法によれば、以下のような効果を得ることができる。

（１）上記実施形態では、カム２２のベース円部２２ａ、リフト部２２ｂ及びカムトップ部２２ｃの研削を行う複数のプロファイルデータを順次用いて、カム２２の外面の研削を行う際に、ベース円部２２ａの研削中に現在のプロファイルデータを次のプロファイルデータに置き換えるとともに、カム２２を現在の研削位置から次の研削予定位置まで移動するようにした。このため、カムシャフト２０から回転砥石２８を各プロファイルデータによる研削作業毎に接近・離間する必要がなく、研削作業の能率を大幅に向上することができる。

（２）上記実施形態では、複数のプロファイルデータがカム２２を螺旋状に研削するプロファイルデータではなく、それぞれ独立して作成されているので、プロファイルデータの部分修正を容易に行うことができる。

（３）上記実施形態では、回転砥石２８に直線部２８ａと円弧部２８ｂを形成したので、直線部２８ａを用いて、カム２２のベース円部２２ａを研削し、円弧部２８ｂを用いてリフト部２２ｂ及びカムトップ部２２ｃを研削することができ、カムの研削面の加工精度を向上することができるとともに、回転砥石２８の磨耗量を抑制することができる。

なお、上記実施形態は以下のように変更してもよい。
○ 図９に示すように、回転砥石２８の直線部２８ａの左右両側に円弧部２８ｂを形成し、前記勾配αが中心軸線Ｏに関して反転するカム２２の三次元曲面を研削するようにしてもよい。

○ 図１０に示すように、回転砥石２８に半円弧状の円弧部２８ｂのみを形成して、カム２２の研削を行うようにしてもよい。この場合には、ベース円部２２ａを研削するのに円弧部２８ｂの左右方向の中央部が使用される。

○ 前記ワーク支持台１３を省略して、主軸台１５をベース１１の所定位置に装着し、砥石台２４をＺ軸方向に移動するようにしてもよい。
○ 前記カム２２に対し回転駆動される砥石２８をカム２２の中心軸線Ｏと直交する方向に相対移動させて、カム２２の外面を研削するようにした研削装置を用いてもよい。

この発明の三次元曲面を有するカムの研削方法のフローチャート。 カム研削盤の平面図。 カムの拡大正面図。 図３のカムの右側面図。 カム研削盤の制御システムのブロック回路図。 カムと回転砥石との関係を示す正面図。 カムの研削動作を示す正面図。 図７のカムの底面図。 この発明の別例を示すカムと回転砥石の正面図。 この発明の別例を示す回転砥石の正面図。

符号の説明

Ｏ…中心軸線、Ｐ…加工点、Ｄ１〜Ｄ１５…プロファイルデータ、２２…カム、２２ａ…ベース円部、２８…砥石、２８ａ…直線部、２８ｂ…円弧部。

Claims (4)

1. ベース円部と、三次元曲面を有するカムを回転させるとともに、複数のプロファイルデータを順次用いて前記カムに対し回転駆動される砥石をカムの中心軸線と直交する方向に相対移動させて、カムの前記ベース円部及び三次元曲面を複数回に分けて研削する研削方法において、
   現在のプロファイルデータにより前記カムのベース円部及び三次元曲面の研削を行ない、該ベース円部の研削工程中に、現在のプロファイルデータを次のプロファイルデータに入れ替えるとともに、同じく該ベース円部の研削工程中に、前記砥石を次のベース円部及び三次元曲面の研削を行う研削予定位置のうち当該ベース円部と対応する位置へ相対移動させて、前記次のプロファイルデータによりカムのベース円部及び三次元曲面の研削を連続的に行うことを特徴とする三次元曲面を有するカムの研削方法。
2. 請求項１において、前記カムのベース円部は、砥石の直線部により研削され、前記三次元曲面は、砥石の円弧部により研削されることを特徴とする三次元曲面を有するカムの研削方法。
3. 請求項２おいて、前記各プロファイルデータは、カムの三次元曲面に対する砥石の円弧部の加工点の移動分を考慮して作成されたものであることを特徴とする三次元曲面を有するカムの研削方法。
4. 請求項２又は３において、前記砥石は、中央に直線部を有し、該直線部の左右両側に円弧部を有していることを特徴とする三次元曲面を有するカムの研削方法。

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