JP2004230512A - 切削抵抗の異なる境界面を有する材料の加工装置および加工方法 - Google Patents

Abstract

【課題】切削抵抗の異なる境界面を有する材料において、切削加工段差の発生を抑制することができる加工装置を提供する。
【解決手段】切削抵抗の異なる境界面を有する材料１０（１２，１３）を切削するための切削工具２１と、切削工具２１の刃先位置を変位させるための変位手段２２，２４，２５と、境界面の位置において、変位手段２２，２４，２５を制御することで、切削工具２１の切込み量を調整するための調整手段とを有する。
【選択図】 図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、切削抵抗の異なる境界面を有する材料の加工装置および加工方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
材種が異なる材料が組み合わされた加工物を切削する場合、切削抵抗の異なる境界面の位置において、切削負荷が急激に変動するため、切削加工段差が発生する。そのため、従来の加工方法においては、境界面を傾斜切削し、切削抵抗を連続的に変化させることによって、切削加工段差を削減している（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
【特許文献１】
特開平０９−０８５５０１号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記公報に記載された加工方法においては、切削抵抗が異なることによる、切削工具のたわみの相違を、補正することはできない。したがって、切削加工段差の削減は、十分ではなく、例えば、中ぐり切削する場合、良好な真円度を達成することが困難である。
【０００５】
本発明は、上記従来技術に伴う課題を解決するためになされたものであり、切削抵抗の異なる境界面を有する材料において、切削加工段差の発生を抑制することができる加工装置および加工方法を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するための請求項１に記載の発明は
切削抵抗の異なる境界面を有する材料を切削するための切削工具と、
前記切削工具の刃先位置を変位させるための変位手段と、
前記境界面の位置において、前記変位手段を制御することで、前記切削工具の切込み量を調整するための調整手段と
を有することを特徴とする加工装置である。
【０００７】
上記目的を達成するための請求項１２に記載の発明は、
切削抵抗の異なる境界面を有する材料を切削するための加工方法であって、
切削工具の刃先が切削抵抗の異なる境界面の位置に達すると、切削工具の刃先位置を変位させ、切削工具の切込み量を調整する
ことを特徴とする加工方法である。
【０００８】
【発明の効果】
上記のように構成した本発明は以下の効果を奏する。
【０００９】
請求項１に記載の発明によれば、切削抵抗が異なることによる切削工具のたわみの相違は、境界面の位置において切削工具の切込み量を調整することによって吸収することが可能である。したがって、切削加工段差の発生が抑制され、段差の無い加工面を得ることができる。つまり、切削抵抗の異なる境界面を有する材料において、切削加工段差の発生を抑制することができる加工装置を提供することができる。
【００１０】
請求項１２に記載の発明によれば、切削抵抗が異なることによる切削工具のたわみの相違は、境界面の位置において切削工具の切込み量を調整することによって吸収される。したがって、切削加工段差の発生が抑制され、段差の無い加工面を得られる。つまり、切削抵抗の異なる境界面を有する材料において、切削加工段差の発生を抑制することができる加工装置を提供することができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しつつ説明する。
【００１２】
図１は、本発明の実施の形態に係る被削材料１０を説明するための断面図である。被削材料１０は、自動車用エンジンのシリンダブロック１２とクランクシャフトのメインジャーナルを保持するベアリングキャップ１３とが組み合わされて構成される。
【００１３】
シリンダブロック１２は、アルミニウム合金製である。ベアリングキャップ１３は、鋳鉄製である。したがって、被削材料１０は、切削抵抗の異なる境界面（接合面）１１を有する。なお、被削部位は、クランクシャフトベアリング孔１４の内面である。
【００１４】
図２は、本発明の実施の形態に係る加工装置２０を説明するための側面図である。加工装置２０は、切削工具２１と、切削工具２１の刃先位置を変位させるための変位手段と、コントローラ（不図示）とを有する。切削工具２１は、切削部位であるクランクシャフトベアリング孔１４（１４ａ〜ｅ）の内面を切削するために使用される。コントローラは、境界面１１の位置において、変位手段を制御することで、切削工具２１の切込み量を調整するための調整手段としての機能を有する。
【００１５】
したがって、切削抵抗（切削背分力）が異なることによる切削工具（刃先）のたわみの相違は、切削工具の切込み量を調整することによって吸収される。したがって、切削抵抗の異なる境界面を有する材料において、切削加工段差の発生が抑制され、段差の無い加工面を得ることができる。
【００１６】
詳述すると、切削工具２１は、小軸２３に取付けられる。小軸２３は、主軸２６の先端に取付けられている。したがって、小軸２３を移動させながら回転させることで、切削工具２１によってクランクシャフトベアリング孔１４の内面を切削し、仕上げ加工を施すことが可能である。なお、小軸２３は、例えば、ボーリングアーバやボーリングバーである。
【００１７】
切削工具２１の刃先位置を変位させるための変位手段は、小軸２３に配置される駆動手段２２と、小軸２３と主軸２６の間に配置される傾斜手段とを有する。
【００１８】
駆動手段２２は、切削工具に連結された圧電素子（駆動源）２２ａを有し、圧電素子２２ａの変位により、切削工具２１の刃先位置を直接移動させることが可能である。つまり、駆動手段２２は、切削工具２１を被削部位（クランクシャフトベアリング孔１４）に対して近接あるいは離間させることができる。
【００１９】
圧電素子２２ａは、微小変位が可能で、高応答性を有するアクチュエータであり、切削工具２１の切込み量が微小であっても、瞬時かつ高精度に制御することができる点で好ましい。しかし、駆動手段２２は、圧電素子２２ａを有するものに限定されず、例えば、電動機や空圧あるいは油圧を駆動源として適用することも可能である。
【００２０】
なお、電動機を駆動源として適用する場合、駆動手段２２は、電動機と切削工具２１とに連結され、電動機の回転運動を切削工具２１の直進運動に変換するための伝動機構を有することが必要である。また、空圧あるいは油圧を駆動源として適用する場合、駆動手段２２は、例えば、切削工具２１に連結され、切削工具２１を直進運動させる、空圧あるいは油圧によって作動するシリンダ手段を有する。
【００２１】
傾斜手段は、小軸２３が連結される弾性変形部２４と、弾性変形部を変形させるための変形手段２５とを有する。変形手段２５は、駆動源として弾性変形部２４に連結された圧電素子（不図示）を有する。
【００２２】
したがって、圧電素子の変位により、小軸２３を主軸２６に対して傾斜させ、小軸２３に取付けられている切削工具２１の刃先位置を移動させることが可能である。しかし、変形手段２５は、圧電素子を有するものに限定されず、例えば、電動機や空圧あるいは油圧を駆動源として適用することも可能である。
【００２３】
なお、電動機を駆動源として適用する場合、変形手段２５は、例えば、電動機の回転運動を直進運動に変換し、弾性変形部２４を押圧することで弾性変形部２４を変形させるための伝動機構を有することが必要である。
【００２４】
また、空圧あるいは油圧を駆動源として適用する場合、変形手段２５は、例えば、弾性変形部２４と主軸の間に配置されて、弾性変形部２４を押圧して変形させる、空圧あるいは油圧によって作動するシリンダ手段を有する。さらに、空圧あるいは油圧を、弾性変形部２４に直接付加することによって、弾性変形部を変形させる構成を適用することも可能である。
【００２５】
なお、駆動手段２２および傾斜手段の一方を、必要に応じ省略することも可能である。
【００２６】
加工装置２０は、さらに、切削工具２１の刃先位置を検出するための刃先位置検出手段２７と、境界面１１の位置を検出するための境界面検出手段とを有する。
【００２７】
刃先位置検出手段２７は、例えば、ロータリーエンコーダあるいはリニアスケールであり、主軸２６の後端部に取付けられる。刃先位置検出手段２７を設けることは、切削抵抗の異なる境界面１１の位置における切削工具２１の刃先位置を精度良く調整できる点で好ましい。
【００２８】
図３および図４は、切削抵抗の異なる境界面１１を検出する方法を説明するための断面図およびグラフである。図に示されるように、アルミニウム合金製のシリンダブロック１２と鋳鉄製のベアリングキャップ１３の境界面１１の位置において、切削抵抗は急激に変化する。そのため、切削工具２１に加えられる圧力を測定することで、境界面１１の位置を検出することが可能である。なお、符号１５は、切屑を示している。
【００２９】
境界面検出手段は、例えば、圧力センサである。境界面１１の位置が同一でない多様な被削材料が、適用される場合、境界面検出手段を設けることは、切削工具２１の刃先調整の位置を、その都度設定する必要がない点で好ましい。
【００３０】
圧力センサは、圧電素子によって構成することが可能である。したがって、本実施の形態においては、駆動手段２２が有する圧電素子２２ａを、圧力センサとして兼用している。
【００３１】
次に、本発明の実施の形態に係る加工方法を説明する。図５は、切削工具２１の切込み量と切削抵抗との関係を示しているグラフ、図６は、荷重と小軸の変位量との関係を示しているグラフ、図７は、比較例に係る切削面を説明するためのグラフ、図８は、本発明の実施の形態に係る切削面を説明するためのグラフである。なお、切削工具２１の刃先は、ＣＢＮ（立方晶窒化硼素焼結体）、切削工具２１の切込み量は、０．１ｍｍ、切削速度は、２００ｍ／分、切削送り量は、０．０５ｍｍ／回転である。
【００３２】
まず、主軸２６を回転させ、切削工具２１の刃先位置を移動させ、クランクベアリング孔１４ａに微小切込ませる。そして、切削工具２１に連結された圧電素子２２ａによって、切削工具２１に加えられる圧力を測定することで、切削抵抗が切り替わる時点を検出すると共に、刃先位置検出手段２７によって、前記時点における位置つまり境界面の位置を、検出する。なお、境界面１１の位置を予め設定している場合は、上記検出工程は、省略することも可能である。
【００３３】
次に、検出された切削抵抗の切り替わる位置（境界面１１の位置）に達すると、切削工具２１の刃先位置を変位させ、切削工具２１の切込み量（設定値）を調整し、クランクベアリング孔１４ａ〜ｃの内面を切削することで仕上げ加工を施す。
【００３４】
詳述すると、切削工具２１の切込み量は、０．１ｍｍに設定されているため、切削抵抗との関係（図５参照）から、アルミニウム合金製のシリンダブロック１２および鋳鉄製のベアリングキャップ１３の切削抵抗は、１０．３Ｎおよび２２．７Ｎとなる。切削抵抗に対応する荷重と小軸２３の変位量との関係（図６参照）から、小軸２３のたわみは、シリンダブロック１２およびベアリングキャップ１３に関し、２．９μｍおよび５．３μｍとなる。
【００３５】
したがって、切削工具２１のたわみの相違を考慮せず、切削工具２１の切込み量を調整しない比較例においては、図７に示されるように、切削抵抗の切り替わる位置において、切削加工段差の発生がする。
【００３６】
そのため、境界面１１の位置において、切削工具２１の切込み量（設定値）を、切削工具２１のたわみの相違量（２．４μｍ＝５．３μｍ−２．９μｍ）で調整し、ベアリングキャップ１３を切削する。その結果、図８に示されるように、切削抵抗が異なることによる切削工具のたわみの相違は、吸収される。したがって、切削加工段差の発生が抑制され、段差の無い加工面が得られる。
【００３７】
なお、シリンダブロック１２を切削する場合、切削工具２１の切込み量を設定値に対して２．９μｍ補正し、ベアリングキャップ１３を切削する場合、切削工具２１の切込み量を設定値に対して５．３μｍ補正することによっても、切削工具２１のたわみの相違を吸収することが可能である。
【００３８】
次に、被削材料１０（シリンダブロック１２およびベアリングキャップ１３）を反転させ、クランクシャフトベアリング孔１４ｅ，１４ｄを、切削工具２１によって同様に切削する。この結果、クランクシャフトベアリング孔１４（１４ａ〜１４ｅ）は、切削加工段差を有しない良好な真円度が得られる。
【００３９】
以上のように、本実施の形態においては、切削抵抗の異なる境界面を有する材料において、切削加工段差の発生を抑制することができる加工装置および加工方法を提供することができる。特に、中ぐり切削に適用する場合、良好な真円度を達成することが可能である。
【００４０】
なお、本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲の範囲内で種々改変することができる。
【００４１】
例えば、切削抵抗の異なる境界面を有する材料は、異種材料からなる部品を接合したものに加え、異種材料からなる部品を機械的に当接したものを適用することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係る被削材料を説明するための断面図である。
【図２】本発明の実施の形態に係る加工装置を説明するための側面図である。
【図３】切削抵抗の異なる境界面の位置を検出する方法を説明するための断面図である。
【図４】切削抵抗の異なる境界面の位置を検出する方法を説明するためのグラフである。
【図５】本発明の実施の形態に係る加工方法における切削工具の切込み量と切削抵抗との関係を示しているグラフである。
【図６】荷重と小軸の変位量との関係を示しているグラフである。
【図７】比較例に係る切削面を説明するためのグラフである。
【図８】本発明の実施の形態に係る切削面を説明するためのグラフである。
【符号の説明】
１０…被削材料、
１１…境界面、
１２…シリンダブロック、
１３…ベアリングキャップ、
１４（１４ａ〜１４ｅ）…クランクシャフトベアリング孔、
１５…切屑、
２０…加工装置、
２１…切削工具、
２２…駆動手段、
２２ａ…圧電素子、
２３…小軸、
２４…弾性変形部、
２５…変形手段、
２６…主軸、
２７…刃先位置検出手段。

Claims (15)

1. 切削抵抗の異なる境界面を有する材料を切削するための切削工具と、
   前記切削工具の刃先位置を変位させるための変位手段と、
   前記境界面の位置において、前記変位手段を制御することで、前記切削工具の切込み量を調整するための調整手段と
   を有することを特徴とする加工装置。
2. 前記変位手段の駆動源は、圧電素子であることを特徴とする請求項１に記載の加工装置。
3. 前記変位手段の駆動源は、電動機であることを特徴とする請求項１に記載の加工装置。
4. 前記変位手段は、
   前記切削工具が取付けられる小軸に配置されて、前記切削工具を前記材料の被削部位に対して近接あるいは離間させるための駆動手段、および／または、
   前記小軸と主軸との間に配置されて、前記小軸を前記主軸に対して傾斜させるための傾斜手段
   を有することを特徴とする請求項１に記載の加工装置。
5. 前記傾斜手段は、前記小軸が連結される弾性変形部と、前記弾性変形部を変形させるための変形手段とを有することを特徴とする請求項４に記載の加工装置。
6. 前記変形手段は、空圧あるいは油圧を、前記弾性変形部に付加することによって、前記弾性変形部を変形させることを特徴とする請求項５に記載の加工装置。
7. 前記変形手段は、空圧あるいは油圧によって作動するシリンダ手段によって、前記弾性変形部を押圧することによって、前記弾性変形部を変形させることを特徴とする請求項５に記載の加工装置。
8. 前記刃先位置を検出するための検出手段を有することを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の加工装置。
9. 前記検出手段は、ロータリーエンコーダあるいはリニアスケールであることを特徴とする請求項８に記載の加工装置。
10. 前記境界面の位置を検出するための検出手段を有することを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の加工装置。
11. 前記検出手段は、切削抵抗を測定するための圧力センサを有することを特徴とする請求項１０記載の加工装置。
12. 切削抵抗の異なる境界面を有する材料を切削するための加工方法であって、
    切削工具の刃先が切削抵抗の異なる境界面の位置に達すると、切削工具の刃先位置を変位させ、切削工具の切込み量を調整する
    ことを特徴とする加工方法。
13. 前記境界面の位置は、予め設定されていることを特徴とする請求項１２に記載の加工方法。
14. 前記境界面の位置は、少なくとも測定された切削抵抗を利用して設定されることを特徴とする請求項１２に記載の加工方法。
15. 前記境界面の位置は、少なくとも検出された刃先位置を利用して設定されることを特徴とする請求項１２に記載の加工方法。

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