JP2000263301A - ステップ振動転削装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】タッピングセンタ、ミーリングセンタ、ドリリ
ングセンタあるいはマシニングセンタの主軸に取り付け
るだけで振動切削法に匹敵する加工精度特性を発揮でき
ながら、工具の刃先に対する衝突をなくしてチッピング
を抑制するとともに切削時の不要な刃先のこすれを抑制
して工具寿命を向上させることができる簡単かつ小型
で、ステップ振動転削装置を提供する。 【解決手段】内歯車と、該内歯車と同心に配され前記支
持体に回転自由に保持されるとともに機械の主軸に対す
る連結手段を有する有底筒状のハウジングと、ハウジン
グに対して回転可能に取り付けられ、ハウジング内に到
った部位に主軸軸線と直交状にタングを固定した工具ホ
ルダと、主軸軸線と平行な軸線上で回転可能にハウジン
グに保持され、上部に前記内歯車と噛み合う遊星歯車を
備えるとともに下部には前記タングと当接可能な打撃要
素を備えた回転軸と、打撃要素との当接部位と変位した
位置のタング部分に回転方向に予圧を付与する手段とを
備えている

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は難削材のタッピング
などの転削加工に好適なステップ振動転削装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】転削加工たとえばタッピング、中ぐり、
ドリリング、リーマ加工、エンドミル加工は機械製品、
機械部品などの製作において多用されかつ重要な加工の
一つであるが、慣用の転削法では切り屑の排出に円滑さ
を欠いたり、過大な切削抵抗によって工具刃先が破損し
やすく、特に小径の加工においてこの問題が大きかっ
た。 この対策として、振動切削法（特公昭３６−１８
８９７号公報など参照）が知られている。この振動切削
法は、図１のように、工具を一定の周期（例えば正弦波
形）で切削方向に規則的に振動させ、切削速度ＶがＶ＜
２πＡＦ（Ａ：振幅、Ｆ：周波数）を満足させた状態で
断続的に切削する方法であり、かかる振動切削法による
タッピングや中ぐりを行うための装置として、特開平５
−３０１１１５号公報などが提案されている。

【０００３】前記装置は振動切削法をタッピングセン
タ、ドリリングセンタ、ミーリングセンタあるいはマシ
ニンクグセンタなどに用いることができるメリットはあ
るが、構造が複雑で比較的大型で重量が重くなるという
問題があった。しかも、この振動切削法は、能動的な刃
先が切削方向に振動しながら切削し、刃先の軌跡が周期
Ｔごとに周方向で前進と後退とを繰り返す衝撃的な断続
切削であるため、刃先が工作物に衝突する切削機構を繰
り返すことになる。このため、その衝撃で工具の切刃に
チッピングが発生しやすいという問題が生じる。また、
非切削時に工具刃先が加工した切削面と擦れるため、刃
先摩耗が促進されてしまうという問題も生じる。こうし
た原因により、焼入鋼やプレハードン鋼で代表される高
硬度材およびＳＵＳ系材料、Ｎｉ基合金、チタン系合金
などで代表される切削時の工具の溶着や発熱の激しい難
削材の切削時に工具寿命が極端に短くなりやすく、非常
に切削加工コストが高くなるとともに、工具交換の手間
と時間のロスにより加工能率が悪くなるという欠点があ
った。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】本発明は前記のような
問題点を解消するために創案されたもので、その目的と
するところは、簡単かつ小型で、汎用的なタッピングセ
ンタ、ミーリングセンタドリリングセンタあるいはマシ
ニングセンタの主軸に取り付け使用することができ、そ
れにより振動切削法に匹敵する加工精度特性を発揮でき
ながら、工具の刃先に対する衝突をなくしてチッピング
を抑制するとともに切削時の不要な刃先のこすれを抑制
して工具寿命を向上させることができるステップ振動転
削装置を提供することにある。

【０００５】本発明によるステップ振動タッピング装置
は、既に出願済の特願平１０−２２５４６３号のステッ
プ振動切削法および装置を発展させたものであり、通常
の材質の工作物に対する加工はもとより、高硬度材や難
削材の切削加工に極めて効果的であり、切削速度ＶがＶ
＜２πＡＦ（Ａ：振幅、Ｆ：周波数）を満足する条件で
のタッピング加工、リーマ加工、中ぐり加工、ドリル加
工、エンドミル加工などあらゆる転削加工に適用され
る。

【０００６】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するため
本発明のステップ振動転削装置は、単一の回転動力源に
より転削工具を保持するホルダをステップ状に運動させ
ながらかつ回転させて転削を行うための装置であり、工
作機械の固定治具に固定される支持体に取り付けられた
内歯車と、該内歯車と同心に配され前記支持体に回転自
由に保持されるとともに機械の主軸に対する連結手段を
有する有底筒状のハウジングと、ハウジングに対して回
転可能に取り付けられ、ハウジング内に到った部位に主
軸軸線と直交状にタングを固定した工具ホルダと、主軸
軸線と平行な軸線上で回転可能にハウジングに保持さ
れ、上部に前記内歯車と噛み合う遊星歯車を備えるとと
もに下部には前記タングと当接可能な打撃要素を備えた
回転軸と、打撃要素との当接部位と変位した位置のタン
グ部分に回転方向に予圧を付与する手段とを備えてい
る。前記打撃要素は、好適にはカムが用いられ、回転方
向でタングよりも後方に位置され、タング部の側縁との
間に両振幅以上のクリアランスを有するような関係にな
っている。

【０００７】

【作用】本発明によるステップ振動転削装置は、工作機
械の主軸に連結手段により連結するだけで使用すること
ができるため、使い勝手がよい。本発明は、工作機械の
主軸の回転を内歯車と遊星歯車を用いて２軸の回転運動
に分割し、工作機械の主軸の原回転運動により転削工具
を保持するハウジングに回転運動を与え、遊星歯車の回
転運動により回転軸を介して打撃要素（好適にはカム）
を回転させ、該打撃要素がハウジングに対し回転自在に
保持された工具ホルダ後部のタングを打撃する。このた
め、簡単で小型な構造により転削工具に円周方向のステ
ップ振動運動を生起せしめることができる。

【０００８】本発明においては、工具を保持するホルダ
に対し回転方向で後方に位置する打撃要素によりホルダ
と一体のタングを切削方向で周期的に叩き駆動し、打撃
要素とタングとのクリアランスが喪失した行程にのみ転
削を行い、打撃要素のタングからの離間行程では転削工
具を切削点に接触させたままの状態にして転削を休止
し、再び打撃要素がホルダに再衝突することによって前
記転削を行なうステップ状の刃先軌跡を生成して断続切
削される。このように、打撃要素が接触している工具前
進行程には、振動切削法と同様の機構で切除を行ない、
打撃要素の離間時には、振動切削のように転削工具が後
退せず、工具刃先は切削点に接触したまま休止期間とな
るステップ切削機構とすることにより、振動切削法と同
様なパルス切削力波形とすることができる。このため、
振動切削法における見かけ上の剛性化効果や加工精度向
上効果がそのまま得られる。しかも、切削休止時には刃
先と工作物との相対速度がないため、不要な刃先のこす
れが生じないとともに、工作物から転削工具への有害な
衝撃力が直接刃先に作用しなくなるため、刃先に対する
負荷が軽減される。したがって、チッピングが生じにく
くなり、振動切削装置に比べ工具寿命を向上させること
ができる。

【０００９】

【発明の実施の態様】以下本発明の実施態様を添付図面
を参照して説明する。図２ないし図４は本発明によるス
テップ振動転削装置の一実施例として、マシニングセン
タ主軸取り付け型のステップ振動転削装置を示してい
る。１は回転動源を有する工作機械であり、付属の固定
治具を有している。該固定治具は、主軸１ａの側方近傍
に位置決めブロック１ｂを有しており、この位置決めブ
ロック１ｂは後述する位置決めピン１ｃと嵌合するため
の位置決め穴を有している。

【００１０】Ａは本発明に係るステップ振動転削装置で
ある。該ステップ振動転削装置は、使用時に主軸１ａの
下方で水平に伸びる回転止め用の支持体８と、リング状
をなし内径側に歯部を切った内歯車２と、前記主軸１ａ
からの回転力の伝達を受けて回転する有底状のハウジン
グ３と、ハウジング３に回転可能に保持され、ハウジン
グ内の端部に軸方向と直交状にタング１２を有する軸状
の工具ホルダ４と、前記主軸１ａの軸線と平行にハウジ
ング３内に保持され、上部に内歯車２と噛み合う遊星歯
車５を、下部にはタングを打撃して工具回転方向にステ
ップ振動を与えるための打撃要素６をそれぞれ有する回
転軸７と、タング１２を常態においてハウジングの回転
方向と同方向に付勢する予圧付与手段１６とを備えてい
る。

【００１１】前記支持体８は前記位置決めブロック１ｂ
の位置決め穴と嵌合する位置決めピン８ａを有してお
り、それらの嵌合がなされることにより回転止めの作用
を発揮する。前記支持体８は位置決めピン１ｃを有する
バー部８００と、これと一体に主軸１ａと同心状の環状
部８０１を有しており、該環状部８０１の開口部に内歯
車２が配置され、固定ねじによって固定されている。ま
た、環状部８０１の内周には軸受８０２が設けられ、こ
の軸受８０２によって主軸１ａと同心に有底状のハウジ
ング３が回転自由に支承されている。この実施例では、
ハウジング３は比較的肉の厚い天ブロック３０を上部域
に有する上部体３ａと、底を画成する下部体３ｂとを有
しており、天ブロック３０とと下部体３ｂとの間には空
間部３１を形成している。上部体３ａには主軸１ａに対
する連結手段９この例ではツールシャンク（アーバ）が
載置され、該天ブロック３０の中心をとおしてねじ部材
１０が伸び、これで連結手段９が固定されている。

【００１２】下部体３ｂは中央部にガイドブッシュ１１
を固着しており、該ガイドブッシュ１１に工具ホルダ４
が回転可能に貫挿されている。工具ホルダ４は下部にコ
レツトチャック４ａを有しており、このコレツトチャッ
ク４ａに所望の転削工具Ｂが交換可能に取り付けられる
ようになっている。転削工具Ｂとしては、タツプ、リー
マ、中ぐり工具、ドリル、エンドミルなど任意であり、
この例ではタップが使用されている。前記工具ホルダ４
は空間部３１内に伸びており、その工具ホルダ頂部には
角軸が突出しており、この角軸にプレート状のタング１
２の中央に設けられた角穴とが嵌合し、さらにねじ１２
０が螺合されることによって相対回転しないように強固
に固定されている。タング１２は１８０度対称位置に平
行部を有している。この実施例は、送りと回転が完全に
同期しない場合を考慮して、工具ホルダ４はガイドブッ
シュ１１に対して軸方向にスライド可能に取り付けられ
ている。そして、タング１２は天ブロック３０に一端が
支承された押しばね１３とガイドブッシュ１１に一端が
支承された引きばね１４によってそれぞれ付勢されるこ
とにより軸方向位置が自動調整され、それによって送り
誤差を吸収し、転削工具Ｂの切損を防ぐようになってい
る。

【００１３】上部体３ａの天ブロック３０には、内歯車
２と主軸軸線と平行な関係でしかも回転方向では後方側
に相当する位置に、軸受たとえばニードル軸受１５が取
り付けられており、この軸受１５に回転軸７が回転自由
に支承されている。そして回転軸７は天ブロック３０の
開口凹部３００に伸び、回転軸の上端部に前記内歯車２
と噛み合う遊星歯車５がねじおよびキーによって固定さ
れており、それにより遊星歯車５は自転公転運動するよ
うになっている。遊星歯車５と内歯車２は、それぞれの
歯数を変えることによりステップ運動の振動数と転削工
具回転の比率を任意に設定することができるように、対
で交換可能となっている。

【００１４】前記回転軸７は下部が空間部３１に伸びて
おり、その下端部にステップ振動を生起させるための打
撃要素６がキーやスプラインあるいは角穴の嵌合等によ
り相対回転しないようにされかつ固定ねじ６ａにより交
換可能に固定されている。打撃要素６としてはバーなど
でもよいが、好適にはカムである。よって以下では打撃
要素をカム６と称することにする。図示するものではカ
ム６は歯数が４の略正方形形状をなしているが、これに
限定されるものではなく、歯数が１ないし５程度のもの
から選択される。このように所望の歯数を選択すること
によりステップ振動の振動数を変化させることができ
る。すなわち、ステップ振動の振動数はＦ（ｃ／ｒｅ
ｖ）であり、内歯車２の歯数をＺ１とし、遊星歯車５の
歯数をＺ２とし、カムの歯数をＴとすると、Ｆ＝Ｔ（Ｚ
１／Ｚ２）となるからである。前記カム６はタング１２
に対して回転方向で後方に位置し、図４（ａ）のように
カムの歯間の辺がタング１２の側縁と平行になった状態
でタング部の側縁との間に両振幅以上のクリアランスＣ
が形成されるようになっている。

【００１５】前記上部体３ａまたは下部体３ｂには、カ
ム６の当接部位と変位した位置タング部位すなわちカム
６の当接部位と略１８０度変位した反対側の位置に、図
４（ａ）のごとく、タング１２を回転方向と同方向に付
勢して予圧をかけるための予圧付与手段１６が配されて
おり、これにより転削工具Ｂのすくい面が常に切削中に
被加工物と接触されるようになっている。予圧付与手段
１６としては弾性体が好適である。弾性体はウレタン等
のゴムでもよいが、この実施例ではばねが用いられ先端
がタング１２に当接されている。そして上部体３ａまた
は下部体３ｂには、前記予圧付与手段１６の軸線方向で
タング１２の反対面１２１に対向する部位に、カム６の
衝突時にタング１２が過度に揺動しないようにするため
のストッパ１７が突設されている。

【００１６】図６は本発明の別の態様を示している。こ
の実施例は送りと回転とが同期しているシンクロタイプ
の機械に適用される場合であり、押しばね１３と引きば
ね１４とが省略され、ガイドブッシュ１１がタング１２
に近接する位置まで伸び、天ブロック３０がタング１２
に近接する位置まで伸び、したがって、工具ホルダ４は
軸方向で定位置に保持されるようになっている。

【００１７】なお、本発明において、ハウジング３は必
ずしも上部体３ａと下部体３ｂに分割されている場合に
限らず、上部体と中間部体および下部体に３分割されて
いてもよい。また、ハウジング３を回転可能に支持する
軸受１０２は、ボールタイプのほか、メタルタイプ、エ
アーなどによる静圧ガイド、油圧ガイド、滑り軸受など
であってもよい。内歯車２は場合によっては支持体８と
一体化された部品であってもよい。予圧付与手段１６は
弾性体のほか流体圧を利用したものあるいは、電磁石に
よる吸引力を利用したものであってもよい。

【００１８】

【実施例の作用】次に実施例に示す装置の使用法と作用
を説明する。工作機械たとえばマシニングセンタのツー
ルホルダに使用する工具の一つとして本発明装置を装着
しておき、被加工物に対してたとえばタッピングを行う
にあたっては、交換用アームによりツールホルダから本
発明装置を取り出し、あらかじめ所定の歯数をもった内
歯車２を固定してある支持体８を位置決めピン８ａによ
って固定治具の位置決めブロック１ｂにセットする。本
発明装置はいわゆるマシニングセンタなどの工作機械の
自動工具交換装置に装着することができ、エンドミルや
ドリルなどの一般工具と同様に取り扱いすることが可能
である。

【００１９】被加工物をテーブルに固定し、マシニング
センタの主軸１ａを単一の回転動力源として作動させ
る。こうすれば、主軸１ａの回転がハウジング３に伝達
されて回転し、それによりハウジング３にガイドブッシ
ュ１１を介して保持されている工具ホルダ４も回転す
る。前記ハウジング３は回転軸７を有しており、その回
転軸７は遊星歯車５を有し、それが支持体８に固定され
ている内歯車２と噛み合っている。このため前記のよう
にハウジング３が回転すると、遊星歯車５は自転公転
し、この遊星歯車５の回転運動によって下部のカム６が
回転させられる。

【００２０】工具ホルダ４のタング１２は予圧付与手段
１６により回転方向に付勢されて予圧が与えられている
ため、常態においては、カム６とタング１２の側縁１２
０から離間されてクリアランスＣを有している。このと
きには、工具ホルダ４に保持されているタップＢは被加
工物に接触したままで切削作用をしない。図４（ａ）は
この時の状態を示している。そして、遊星歯車５によっ
てカム６が回転すると、該カム６はタング１２の側縁１
２０に接触し、この打撃作用により工具ホルダ４は回転
し、これに保持されているタップＢにより切削が行われ
るというステップ振動切削が行われる。

【００２１】図６はかかる本発明によるステツプ振動切
削のメカニズムと特性を示しており、Ｖは切削速度、ｖ
はステップ振動速度であり、Ｖ＜ｖの関係にあり、ｖ＝
２πＡＦ（但し、Ａは振幅、Ｆは振動数）である。振動
周期においてハウジング３が切削方向に移動する行程で
は、カム６とタング１２間のクリアランスＣが失われて
カム６の歯部がタング１２に衝突するため、ハウジング
３は工具ホルダ４を伴って動き、工具ホルダ４と一体の
タップＢにより切削が行われる。次に、振動周期におけ
るカム６がタング１２から離間した行程では、クリアラ
ンスの存在により、工具ホルダ４をその位置に置いたま
ま、カム６のみが回転する。タング１２は予圧付与手段
１６により回転方向に付勢されているので、タップＢの
すくい面ｂは被加工物に接触したままになり、この間切
削は休止される。その後、カム６の次の歯部が工具ホル
ダ４のタング１２に衝突し、そこから工具ホルダ４を伴
って回転することにより、再びタップＢにより切削を行
う動作を繰り返す。図７（ａ）ないし（ｄ）は本発明に
よるステップ振動切削の切刃の状態変化を示している。

【００２２】原回転運動はハウジング３を回転させる
が、これはマシニングセンタなどの工作機械１の主軸回
転をそのまま利用しているので、工作機械１のタッピン
グサイクルプログラムをそのまま利用できるメリットが
ある。本発明は、切削トルクに関しては、図１（ｄ）と
図６（ｄ）と比較してわかるようにのように振動タッピ
ングと同程度であり、慣用タッピング法の約２／３に減
少しうる。次に、表面加工精度については、本発明は振
動タッピングと同程度の光沢があり、慣用タッピング法
に比べて良好な表面となしうる。なお、実際にタッピン
グを行った被加工物をＣＣＤカメラにより観察（倍率５
倍）したところ、振動タッピングによるねじフランク面
には、振動１周期毎の切削マークがほぼ計算値のＬ_T＝
ｖ/Ｆ毎に観察された。本発明のステップ振動ねじ立て
による場合も振動ねじ立てと同様の切削マークが観察さ
れたが、振動ねじ立てによるものに比べ、薄いものとな
っていた。これは刃先が切削点から離れないことによる
ものと考えられる。

【００２３】形状精度については、加工したねじにねじ
ゲージ（ＪＩＳ，Ａ級）を螺合させ、ねじゲージとねじ
間のクリアランスを測定する方法で測定した。その結果
は、本発明装置は振動タッピング装置と同等のクリアラ
ンスであり、慣用タッピング法のクリアランス比べて良
好であることがわかった。そして、ねじ深さ２０ｍｍで
１０本のタッピングを行なった後のタップ刃先の摩耗状
態を調べた結果、逃げ面については、慣用タッピングの
場合には、先端にダレが観察され、振動タッピングの場
合は最も摩耗が激しくなっていた。それらに対して本発
明装置は、摩耗の度合いが非常に少なく、刃先がシャー
プな状態に維持されていた。また、すくい面について
は、慣用タッピングの場合は被削材の凝着が発生してお
り、振動タッピング法の場合には、微小なチッピングが
発生していた。これに対して本発明装置の場合は、チッ
ピング、凝着とも発生しておらず、良好な摩耗防止とチ
ッピング防止効果が得られ、タップ寿命を向上すること
ができることがわかった。

【００２４】

【発明の効果】以上説明した本発明の請求項１によると
きには、各回の振動で刃先が切削点に接触した状態を保
持する（戻り行程なし振動）切刃軌跡を生成させてステ
ップ状の切削を行なうため、振動切削と同じように良好
な精密切削を行なえるうえに、有害な衝撃力が直接刃先
に作用しなくなるため、刃先に対する負荷が軽減され、
高硬度材や難削材に対しての加工において、工具刃先の
チッピングを防止して高い寿命を確保することができ
る。しかも、構造が簡単かつ小型であるため、汎用的な
工作機械のタッピングセンタ、ドリリングセンタ、ミー
リングセンタあるいはマシニングセンタの主軸に取り付
けて利用することが可能となり、使い勝手を飛躍的に向
上させることができる。またユニットのみの設備投資で
すむため安価に実現可能であり，難削材の小径加工の加
工精度向上，工具寿命向上などの生産性向上に大きな利
益をもたらすことができるというすぐれた効果が得られ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】振動切削法の原理を模式的に示す説明図であ
り、（ａ）は工具と被加工物との関係を示す断面図、
（ｂ）は工具の端面図、（ｃ）は切削距離と時間の関係
を示す線図、（ｄ）は切削トルクと時間の関係を示す線
図である。

【図２】本発明によるステップ振動転削装置の第１実施
態様を示す縦断側面図である。

【図３】図２のＸ−Ｘ線に沿う断面図である。

【図４】図２のＹ−Ｙ線に沿う断面図であり、（ａ）は
休止期の状態を示し、（ｂ）は切削期の状態を示してい
る。

【図５】本発明によるステップ振動転削装置の第２実施
態様を示す縦断側面図である。

【図６】本発明による切削原理を模式的に示す説明図で
あり、（ａ）は工具と被加工物との関係を示す断面図、
（ｂ）は工具の端面図、（ｃ）は切削距離と時間の関係
を示す線図、（ｄ）は切削トルクと時間の関係を示す線
図である。

【図７】本発明によるステップ振動転削装置タッピング
に適用した場合の切削メカニズムを模式的に示す説明図
で、（ａ）は切削行程での切刃断面を示し、（ｂ）は休
止行程の切刃断面を示し、（ｃ）は次の振動周期におけ
る切削行程での切刃断面を示し（ｄ）は次の振動周期に
おける休止行程での切刃断面を示している。

【符号の説明】

１ 工作機械 ２ 内歯車 ３ ハウジング ４ 工具ホルダ ５ 遊星歯車 ６ 打撃要素 ７ 回転軸 ８ 支持体 ９ 連結手段 １２ タング １６ 予圧付与手段 Ｂ 転削工具

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】単一の回転動力源により転削工具を保持す
   るホルダをステップ状に運動させながらかつ回転させて
   転削を行うための装置であり、工作機械に固定される支
   持体に取り付けられた内歯車と、該内歯車と同心に配さ
   れ前記支持体に回転自由に保持されるとともに機械の主
   軸に対する連結手段を有する有底筒状のハウジングと、
   ハウジングに対して回転可能に取り付けられ、ハウジン
   グ内に到った部位に主軸軸線と直交状にタングを固定し
   た工具ホルダと、主軸軸線と平行な軸線上で回転可能に
   ハウジングに保持され、上部に前記内歯車と噛み合う遊
   星歯車を備えるとともに下部には前記タングと当接可能
   な打撃要素を備えた回転軸と、打撃要素との当接部位と
   変位した位置のタング部分に回転方向に予圧を付与する
   手段とを備えていることを特徴とするステップ振動転削
   装置。