JP2001030141A - 薄肉管の加工方法とその装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 薄肉管の高精度加工を行う際に、薄肉管の変
形や動的な変動が発生しても所定の寸法精度が得られる
高精度の加工方法とその装置。 【解決手段】 切削工具１０での切削を、切削工具１０
と連動して移動する変位計１２ａ、１２ｂによる薄肉管
１５の肉厚の変位の測定結果にもとづいて行う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、シリンダ等に用い
られる薄肉管の肉厚等の高精度加工技術に係わり、特
に、加工中に薄肉管が変形した場合でも、所定の高精度
の加工を行うことが出来る加工装置とその方法に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】通常、薄肉管状部材の外形や内径を固定
工具の切削により仕上げ加工を行う場合、予め、粗加工
されている薄肉管の一端を、ＮＣ旋盤のチャックに固定
して所定回転数で回転させ、予め設定されているＮＣプ
ログラムにより切削工具を薄肉管の内部に進入し、設定
されているＮＣ座標データに従って切削工具を所定ピッ
チずつ送っている。この切削工具の送りにより、薄肉管
の内径に微小切込が行なわれて、薄肉管の微小体積を除
去し内径の仕上加工を行っている。

【０００３】特に、被加工体が薄肉管である場合は、加
工装置である旋盤への取付けの際のチャックによる固定
や、加工中に加わる応力により、当然変形することが予
測されている。

【０００４】それらの変形は、例えば、図５に示すよう
に一端に有底部３１ａが形成された薄肉管３１を、旋盤
のチャック３２により有底部３１ａ側を固定し、切削工
具３３によるの内径の切削加工を行った場合。薄肉管３
１はチャック３２により締付け固定する際にチャック３
２の締付け力により有低部３１ａに隣接した箇所が
（ｆ）で示すように部分的に変形する。また薄肉管の開
放端３１ｂ側は、チャック３２に固定されていないので
（ｆ）'のように回転による遠心力で広がる傾向にな
る。

【０００５】通常、その対策として、（１）チャック３
２に固定する際に変形を予測して、チャッキングを行
う。（２）チャック３２への固定による変形分を見越し
て被削材の変形を抑制する。（３）チャック３２への固
定による変形を予測して工具のＮＣ座標データを設定す
る。等の対策を講じていた。

【０００６】具体的にこれらの変形の予測値がどの程度
になるかは、被加工体の材質や薄肉管の外径寸法や肉厚
等により異なるので、一律に決定することは出来ず、そ
れぞれ経験によるノウハウに依存していることが多い。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】上述のように、薄肉管
を切削加工する場合には変形が生じることが当然と考え
て加工しており、その対策として、過去の加工結果のデ
ータに基づいてＮＣ旋盤の工具座標を設定していた。し
かしながら、この場合には、切削時に発生するリアルタ
イムの振動や切削抵抗による変形分を補正できないた
め、被加工体の仕様で定められた寸法精度・品質を達成
することができない。

【０００８】また、固定工具のＮＣ座標を補正した場
合、図６に示すように、座標補正してもチャック固定に
より固定部の隣接部が（ｇ）の様に変形しているので、
それに沿って切削工具３３で加工すると、チャック３２
の位置（位置１）と補正座標位置（位置２、位置３）と
の差が生じやすく、その場合、（ｇ）に示すようなびび
り現象が発生する。なお、これは加工装置移動の繰り返
し精度、チャッキングの繰り返し精度の誤差が含まれて
いる。これにより工具位置位置を補正しても、ワークの
肉厚に偏りが生じる。図４（ａ）および（ｂ）は、その
状態で薄肉管３１´、３１"を切削加工した結果であ
り、いずれも内径が所定の寸法精度が得られていない。

【０００９】本発明はこれらの事情にもとづいてて成さ
れたもので、薄肉管の高精度加工を行う際に、薄肉管の
変形や動的な変動が発生しても所定の寸法精度が得られ
る高精度の加工方法とその装置を提供することを目的と
している。

【００１０】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明による手
段によれば、薄肉管を加工装置のチャックで固定して肉
厚を所定寸法に仕上げるために切削工具で切削する薄肉
管の加工方法において、前記切削工具での切削は、前記
切削工具と連動して移動する変位計による前記薄肉管の
肉厚の変位の測定結果にもとづいて行うことを特徴とす
る薄肉管の加工方法である。

【００１１】また請求項２の発明による手段によれば、
前記変位計は、前記薄肉管の内径と外径をそれぞれ測定
していることを特徴とする薄肉管の加工方法である。

【００１２】また請求項３の発明による手段によれば、
前記変位計は、非接触式の変位計であることを特徴とす
る薄肉管の加工方法である。

【００１３】また請求項４の発明による手段によれば、
前記切削工具での切削中は、前記チャックが固定されて
いる主軸のラジアル方向の振動を検出していることを特
徴とする薄肉管の加工方法である。

【００１４】また請求項５の発明による手段によれば、
薄肉管をチャックで固定して内径を所定寸法に仕上げる
ために切削工具で切削する薄肉管の加工装置において、
前記切削工具が搭載される刃物台には記切削工具と連動
して移動する変位計が設けられていることを特徴とする
薄肉管の加工装置である。

【００１５】また請求項６の発明による手段によれば、
前記変位計は、非接触式で前記薄肉管の内径と外径をそ
れぞれ測定することを特徴とすする薄肉管の加工装置で
ある。

【００１６】また請求項７の発明による手段によれば、
前記チャックには、主軸のラジアル方向の振動を検出す
る振動センサが設けられていることを特徴とする薄肉管
の加工装置である。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下本発明の実施の形態の一例に
ついて図面を参照して説明する。

【００１８】図１は本発明の加工装置の概要を示す模式
図である。

【００１９】すなわち、ＮＣ旋盤である加工装置１が設
置される床２の上には、加工装置１と床２との間に防振
ゴム３等の防振構造が施されている。加工装置１の土台
部分は十分な剛性と振動に対する減衰性を有し図示しな
い制御部等が内蔵されたベッド４である。このベッド４
の上には図示しないモータ等から成る図示しない駆動系
や動力伝達機構や軸受とこの軸受に支持されている主軸
５等が内蔵された主軸支持部６が立設されている。軸受
は主軸５が良好な回転精度の他に、高速回転が必要な場
合は、発熱しにくく熱変形しにくい特性が必要になるた
め静圧軸受を用いられる。主軸５は主軸支持部６の前方
まで延出し延在部に主軸の回転中心と同心の被加工体を
固定するチャック７が固定されている。このチャック７
は８０００ｒｐｍまでの回転に対応できる構造である。
また、主軸５は主軸支持部６の内部で図示しない駆動系
と歯車、ベルト等で形成された動力伝達機構に係合し、
かつ、図示しないエンコーダが設けられて回転方向の原
点位置が正確に割り出される構造である。

【００２０】一方、チャック７の対面側の前方には、Ｚ
軸方向へ移動自在な送りテーブル８が配設されている。
この送りテーブル８はベッド４に設けられた図示しない
ガイドレールに案内されて駆動源からの動力によって、
ボールねじを介してＺ軸方向とＹ軸方向への０．０００
１ｍｍ程度の送りが精密に行われる構造を有している。

【００２１】送りテーブル８の上には、送りテーブル８
と平行に移動自在なＸ軸テーブル９が配設されている。
このＸ軸テーブル９上には切削工具１０を保持する刃物
台１１が立設し、所定位置に着脱自在に切削工具１０と
後述する変位計１２ａ、１２ｂが取付けられている。切
削工具１０は取付け固定した際に、切削工具１０の高さ
方向（Ｙ軸方向）の位置を送りテーブル８により設定
し、また、内径研削の場合であるので被加工体である薄
肉管１５の内径より小さいものが用いられる。

【００２２】切削工具１０は、例えばダイヤモンドバイ
トで、刃先のダイヤモンドチップの形状は、すくい角が
０°（ただし、被切削材により±１０°程度変えること
がある）で、逃げ角はダイヤモンドチップの研磨収率か
ら５〜１５°程度、ノーズ半径は０．０１〜１ｍｍ程度
のものが使用される。

【００２３】次に、加工装置１の制御系について図２に
示す制御系の模式図を参照して説明する。計測系は大別
すると変位系制御と振動系制御に分けられる。また、計
測系は、出力側がＮＣ装置１６に接続し、ＮＣ装置１６
は駆動ユニット１７を介して刃物台１１に接続してい
る。また、各制御系に用いられている制御回路は計測器
の変動値を検出して比例制御する。

【００２４】変位系制御系は、変位計１２ａ、１２ｂと
変位計アンプ１８と変位計制御回路１９で構成されてい
る。変位計１２ａ、１２ｂは薄肉管１５の外径と内径に
対応してそれぞれ設けられ、いずれも軸方向に移動し、
非接触で薄肉管１５の肉厚の変位を、切削工具１０の移
動に１ｓｅｃ程度の時間だけ先立ち順次計測していく。
それらは、一般に用いられている静電容量式変位計や渦
電流式変位計や超音波式変位計１２ｂが用いられる。こ
れらの変位計１２ａ、１２ｂで計測された肉厚の変位の
計測値は、変位系アンプで増幅され予め設定されている
設定値と比較され、比較結果で計測値が設定値よりも小
さい場合は、ＮＣデータとして最初に設定したそのまま
の条件で切削工具１０による加工を進める。また、比較
結果で計測値が設定値よりも大きい場合は、ＮＣデータ
として最初に設定したデータを修正し、修正結果を駆動
ユニット１７に伝達して刃物台１１を制御して加工を進
める。なお、その際の修正量については、予めデータベ
ースとしてＮＣ装置１６の中に格納されている。このデ
ータベースを参照して補正量を定めるので、ロット内に
おける精度のばらつきを抑えることが容易になる。

【００２５】データベースについて詳細に説明する。加
工に用いるＮＣデータは、従来と同様に切削距離に対す
る工具摩耗に基づく工具刃先の寸法変化に基づく刃先位
置補正量の論理式に基づいて作成したものを用いれば良
いが、加工中に被加工物に働く外乱により、刃先と被加
工物との位置関係は常に変動しているため、これをモニ
タしてフィードバック制御し、刃先位置を好ましい位置
に配置する。このとき、モニタされる変位量が等量な場
合でも、刃先の磨耗の程度により被加工物に加えられて
いる力が異なる場合があるため、同じ刃先位置に配置し
ても加工量が異なることがあり、これを補正する必要が
生じる。したがって、摩耗の程度に対応する切削抵抗の
変化を主軸モータの負荷変動により把握して、これを加
味して切り込み量を補正する必要がある。また、別の実
験によって、所定の摩耗量を有する工具が所定切り込み
量を与えられたときに生じる被加工物の変位量も把握す
る。

【００２６】加工機に設けられたセンサにより、所定切
り込み量を与えたときに被加工物に生じる変位量が検出
されるときに、同時に主軸モータの負荷もモニタされ
る。ここで主軸モータの負荷から工具の摩耗の程度がデ
ータベースを参照することにより把握される。この工具
摩耗量のときに必要とされる切り込み量と変位量との関
係もデータベース化されているからこれを参照し、先に
把握された変位量と照合する。センサにより把握された
変位量とデータベース上の変位量とに差がある場合はこ
れを無くするように補正する。ＮＣデータは工具の摩耗
を加味して作成されているが、センサで把握された変位
量と工具磨耗量とによりさらに微調整が図られるので、
高精度な加工が可能になる。

【００２７】これらの構成による作用を説明すると、ま
ず、薄肉管１５を加工装置１の主軸５の端面に設けられ
たチャック７に固定する。薄肉管１５はこれによりに外
径が変形する。変形した変位δが一定になるように切削
工具１０のＸ方向の位置座標を変更する。予め設定した
座標に対して変位δ以上に変形した場合、変位０になる
ように切削工具１０の位置を変えるように変位系制御回
路１９を通じてＮＣ装置１６に伝達し、それにより駆動
ユニット１７が動作して刃物台１１を移動させて切削工
具１０の位置を変える。

【００２８】次に、薄肉管１５の最初の加工部の位置と
加工装置１１の主軸５の回転中心がＹ軸上で一致するよ
うにＸ軸テーブル９を所定量移動させる。

【００２９】この状態で、ＮＣ装置１６からの切削指令
信号により主軸５が１０００ｒｐｍ程度で回転する（主
軸の回転範囲は０〜５０００ｒｐｍが可能で、無段階変
速方式である）。そして、薄肉管１５の加工部のプロフ
ァイルに応じて、送りテーブル８がＺ軸方向とＹ軸方向
にそれぞれ所定量送られてダイヤモンドバイトによる切
削加工を行こなう。加工を開始すると切削工具１０が指
定座標に基づき切削加工を開始し、それと同時に変位計
１２ａ、１２ｂも同時に移動する。

【００３０】薄肉管１５はチャック７へのチャッキング
するときのように加工中に外径が変形する。チャック７
に固定した際と同様に、予め設定した座標に対して変位
δ以上に変形した場合、変位０になるように切削工具１
０の位置を変えるように変位系制御回路１９を通じてＮ
Ｃ装置１６に伝達し、それにより駆動ユニット１７が動
作して刃物台１１を移動させて切削工具１０の位置を変
える。これにより薄肉管１５の板厚を常に測定し、リア
ルタイムで切削工具１０の位置補正しながら切削加工が
行える。

【００３１】また、チャック７の背面には振動センサ２
０が設けられ主軸回転時のラジアル方向振動を検出して
いる。これは、通常の加工では、薄肉管１５を切削工具
１０により切削加工したときには振動によりびびりが生
じて、加工面にいわゆる"びびりマーク"が発生する。こ
れを防止するために発生した振動を振動センサ２０で常
時計測し、その結果を振動計アンプ２１で増幅して、予
め設定されている設定値と比較する。常に、測定値が設
定した振動以下になるように振動系制御回路でＮＣ装置
１６に信号を伝達し、駆動ユニット１７を介して切削工
具１０の位置を動かす。したがって、加工中に振動の影
響を回避することができて、高品質な表面粗さが得られ
る。

【００３２】これらにより、図３に示したような薄肉管
１５の肉厚の一定したは所定の加工面が得られた。すな
わち、従来の方法で切削加工した場合、図４（ａ）およ
び（ｂ）に示すような仕上り形状で、薄肉管３１´、３
１"の切削面の円筒度は２０〜３０μｍであり、また、
表面粗さは２０μｍＲｍａｘであったが、本発明による
加工法によれば、薄肉管１５の板厚を補正して切削加工
するとにより、円筒度５〜１０μｍで、また、表面粗さ
は３μｍＲｍａｘ以下が得られるようになった。

【００３３】また、変位計１２ａ、１２ｂに渦電流式変
位計を使用したシステムでは、被加工体にめっきが施さ
れていた場合は、めっき膜厚を測定できる。これにより
めっき膜厚さを一定するような切削加工も可能になる。

【００３４】

【発明の効果】本発明による加工によれば、薄肉管の高
精度加工を行う際に、薄肉管の変形や動的な変動が発生
しても所定の寸法精度が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の加工装置の概要を示す模式図。

【図２】本発明の加工装置の制御系の模式図。

【図３】本発明の加工方法による加工形状の説明の側面
図。

【図４】（ａ）および（ｂ）は、いずれも従来の加工方
法による加工形状の説明の側面図。

【図５】従来の薄肉管の加工の説明図。

【図６】従来の薄肉管での座標補正した場合の説明図。

【符号の説明】

１…加工装置、２…主軸、７…チャック、８…送りテー
ブル、１０…切削工具、１２ａ、１２ｂ…変位計、１５
…薄肉管、２０…振動センサ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｂ２３Ｑ 17/20 Ｂ２３Ｑ 17/20 Ａ Ｇ０１Ｂ 21/08 Ｇ０１Ｂ 21/08 Ｆターム(参考） 2F069 AA39 AA40 AA46 CC02 DD00 DD09 EE00 EE03 EE20 GG04 GG06 GG09 GG63 HH09 MM02 NN00 3C001 KA02 KB01 TA03 TB03 TB08 3C029 AA15 BB03 BB04 3C045 HA07

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 薄肉管を加工装置のチャックで固定して
   肉厚を所定寸法に仕上げるために切削工具で切削する薄
   肉管の加工方法において、 前記切削工具での切削は、前記切削工具と連動して移動
   する変位計による前記薄肉管の肉厚の変位の測定結果に
   もとづいて行うことを特徴とする薄肉管の加工方法。
2. 【請求項２】 前記変位計は、前記薄肉管の内径と外径
   をそれぞれ測定していることを特徴とする請求項１記載
   の薄肉管の加工方法。
3. 【請求項３】 前記変位計は、非接触式の変位計である
   ことを特徴とする請求項１または２のいずれかに記載の
   薄肉管の加工方法。
4. 【請求項４】 前記切削工具での切削中は、前記チャッ
   クが固定されている主軸のラジアル方向の振動を検出し
   ていることを特徴とする請求項１記載の薄肉管の加工方
   法。
5. 【請求項５】 薄肉管をチャックで固定して内径を所定
   寸法に仕上げるために切削工具で切削する薄肉管の加工
   装置において、 前記切削工具が搭載される刃物台には記切削工具と連動
   して移動する変位計が設けられていることを特徴とする
   薄肉管の加工装置。
6. 【請求項６】 前記変位計は、非接触式で前記薄肉管の
   内径と外径をそれぞれ測定することを特徴とする請求項
   ５記載の薄肉管の加工装置。
7. 【請求項７】 前記チャックには、主軸のラジアル方向
   の振動を検出する振動センサが設けられていることを特
   徴とする請求項５の記載薄肉管の加工装置。