JP2005007560A - 円筒内面加工方法および加工装置 - Google Patents

円筒内面加工方法および加工装置 Download PDF

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正道 齊藤
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洋二 中島
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礼 亀井
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直樹 瀧澤
Akinobu Deguchi
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Abstract

【課題】動圧軸受のスリーブ等の円筒内面に形状精度の良いV溝等を切削加工する。
【解決手段】スリーブWはスピンドル1によって回転し、軸方向(X方向)に挿入されるバイト4によって円筒内面にV溝を加工する。切り込みアクチュエータ7による軸方向の振動を変換機構5によってバイト4の径方向の振動に変換し、この径方向の振動とX方向微動アクチュエータ9による軸方向の振動によって各バイト4を擬似回転させながら、バイト4の切削方向をX方向粗動アクチュエータ12とスピンドル1による送り方向に合わせてV溝を切削する。
【選択図】 図1

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、各種の精密機器に用いられる高精度な動圧軸受の軸受スリーブ等の円筒内面の加工に適した円筒内面加工方法および加工装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
ねじポンプ作用によって軸受隙間の流体に動圧を発生させる動圧軸受は、互いに回転自在に嵌合する軸受シャフトとスリーブのうちの少なくとも一方にヘリングボーン溝等のら旋状の動圧発生溝を必要とする。従来、このような動圧発生溝を軸受シャフトやスリーブに加工する方法としてはエッチングによる溝加工が一般的であった。ところがエッチング処理はエッチング液の濃度や性能劣化等によって加工精度が大きく左右されるうえに、全体的に工程数が多くて加工に必要な時間も長く従って生産性が低い。
【0003】
このために近年では、スリーブの円筒内面にボールを押しつけて塑性加工により動圧発生溝を形成する方法が広く用いられるようになっている。これは、図8に示すように、スリーブである被加工物Wを加工台101上のワークホルダ102に固定し、ワークWより硬質のボール131を工具軸103の外周面のボール保持孔に保持させ、ボール131を被加工物Wの円筒内面に押しつけて表面層を塑性加工し、ボール131の形状を転写しながら工具軸103を回転させこれと同時に軸方向の送りを行うものであり、回転速度と軸方向の送り速度を変化させることで様々な形状のら旋溝を形成することができる。一般的に軸受シャフトやスリーブ等の被加工物の材質は黄銅(ビッカース硬度150程度)等の銅系の材料であり、溝加工のためのボールには比較的安価な玉軸受用硬球(ビッカース硬度700〜900)等が用いられている(特開平8−267129号公報参照)。
【0004】
また、バイトを用いた切削加工により、スリーブ内面に動圧発生溝を形成する方法が提案されている。この方法は、図9に示すように、スリーブであるワークWをスピンドル201上のチャック201aに保持させ、スピンドル201の回転に同期してステージ202上のサブステージ203に保持されたバイト231をY方向に切り込み、かつ、ワークWの中心軸と平行なX方向にバイト231を送っていくことにより溝加工するものであり、バイト231の切り込みは、サブステージ203上の圧電素子232による径方向の微振動をバイト231に与えることにより行っている(特開平10−76411号公報参照)。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の技術によれば、塑性加工による前者の溝加工方法では、ボールの摩耗や傷により所定の精度を得るのが難しく、また、スリーブの薄肉化により溝加工中にスリーブが座屈したり、塑性加工による加工面の脇に盛り上がり変形等を生じるおそれがあり、スリーブ材料が銅系の材料に限定される。
【0006】
後者の切削加工による溝加工では、ら旋溝の断面を圧電素子の径方向の微振動で形成するため、断面形状が綺麗でなく、特に三角形状や矩形形状の溝を加工するには、形状精度の点で問題があった。また、バイトのシャンクが細いため、バイトがビビリ振動の影響を受けたり、切削抵抗の変動により切り込み量が変化することで、加工精度が劣化する傾向があった。
【0007】
本発明は上記従来の技術の有する未解決の課題に鑑みてなされたものであり、動圧軸受の動圧発生溝等を極めて高い形状精度で効率よく切削加工することのできる円筒内面加工方法および加工装置を提供することを目的とするものである。
【0008】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明の円筒内面加工方法は、円筒状の被加工物内で、切削工具を軸方向および径方向にそれぞれ振動させることによって擬似回転させながら、前記被加工物の円筒内面に対して前記切削工具を相対移動させて前記円筒内面を切削加工する工程を有することを特徴とする。
【0009】
本発明の加工装置は、円筒状の被加工物を切削するための切削工具と、前記切削工具を軸方向へ振動させるための第1の微動アクチュエータと、前記切削工具を径方向へ振動させるための第2の微動アクチュエータと、前記切削工具を前記被加工物に対して軸方向に相対移動させるための粗動アクチュエータと、前記被加工物を回転させるための回転駆動装置とを有し、前記第1および前記第2の微動アクチュエータによって前記切削工具を擬似回転させながら前記被加工物の円筒内面を切削加工することを特徴とする。
【0010】
【作用】
2つの微動アクチュエータによって擬似回転する切削工具の円筒内面への切削方向を、粗動アクチュエータや回転駆動装置による送り方向と一致させて、V形状等の溝を切削加工することで、直線性の良い高精度な加工面や断面形状を有する動圧発生溝等を形成することができる。
【0011】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
【0012】
図1は一実施の形態による加工装置を示すもので、被加工物である動圧軸受のスリーブWの円筒内面に動圧発生用の溝を切削加工する。スリーブWは回転駆動装置であるスピンドル1上のチャック2に保持され、スピンドル1によってX軸まわりに回転する。スピンドル1は、Zステージ3に保持されており、Z方向の位置合わせを行うことが可能である。
【0013】
切削工具であるバイト4は、スリーブWの内部で、軸方向の振動を径方向の振動に変換するための変換機構5を有するバイトホルダ6に保持される。変換機構5は、第2の微動アクチュエータである切り込みアクチュエータ7に連結され、後述するように、切り込みアクチュエータ7による軸方向(X方向)の振動を径方向の振動に変える働きをする。
【0014】
バイトホルダ6と一体であるX方向微動ステージ8は、スリーブWの軸方向に高速駆動される第1の微動アクチュエータであるX方向微動アクチュエータ9によってX方向に振動する。
【0015】
X方向微動ステージ8はガイド10を介してX方向粗動ステージ11に支持され、X方向粗動ステージ11はX方向粗動アクチュエータ12によってX方向すなわち軸方向の送りを行う。
【0016】
X方向粗動ステージ11はガイド13によってY方向粗動ステージ14上に支持され、Y方向粗動ステージ14はY方向粗動アクチュエータ15によってY方向の位置合わせを行う。Y方向粗動ステージ14はガイド16を介して図示しないベースに支持される。このように、バイト微動機構(5〜9)はX方向粗動ステージ11上でバイト4を後述するように擬似回転させることで切削駆動し、バイト4のY方向の位置合わせをY粗動部で行い、軸方向と回転方向の送り(相対移動)をX粗動部とスピンドル1によって行う。
【0017】
なお、切り込みアクチュエータ7とX方向微動アクチュエータ9には電歪素子または磁歪素子を用いる。また、ガイド10には平行板ばねを用いている。
【0018】
図2は、径方向の振動のための変換機構5を説明するもので、(a)に示すように、周方向に等間隔で配設された4個のバイト4をそれぞれ保持するバイトシャンク5aと、バイトホルダ6と一体であるガイド5bを有し、ガイド5bは弾性ガイドであり、その中心穴に、切り込みアクチュエータ7による軸方向の振動を伝えるロッド5cを嵌挿する。ロッド5cの先端部はクサビ形状5dを有し、バイトシャンク5aの内周部に当接されている。
【0019】
図2の(b)に示す状態から、切り込みアクチュエータ7がX方向(軸方向)に伸縮する動きを行い、同図の(c)に示すように、切り込みアクチュエータ7が伸びたとき、すなわちロッド5cがX方向に移動することにより、ロッド5cの先端のクサビ形状5dによってバイトシャンク5aが矢印Rで示すように径方向へ移動し、ガイド5bが変形する。これによって、各バイト4が同時に径方向に振動し、スリーブWの円筒内面に切り込むことができる。
【0020】
図3は切り込みアクチュエータ7、X方向微動アクチュエータ9、X方向粗動アクチュエータ12の駆動波形を説明するものである。図3の縦軸は切り込みアクチュエータ7への指令値、X方向微動アクチュエータ9への指令値、X方向粗動アクチュエータ12への指令値を表わし、横軸は時間である。縦軸は、各アクチュエータの指令値に対する変位量の倍率により絶対値は変化する。各指令値を図3のグラフで示すよう制御することで、各バイト4の刃先は、サイクルタイムTごとに図4に示す楕円軌道Bに沿って擬似回転する。
【0021】
図5に示すように、スリーブWの円筒内面Cに4本の動圧発生溝であるV溝Sを加工する場合について説明する。なお、スリーブWはリセス溝Dを有し、V溝Sの加工後に軸受シャフトAを挿入する。まず、Y、Zステージ14、3でスリーブWの中心と4つのバイト4の中心が一致するように位置合わせする。スピンドル1を回転させ、切り込みアクチュエータ7、X方向微動アクチュエータ9、X方向粗動アクチュエータ12を図3に示す指令値で駆動する。図3のサイクルタイムTをスリーブWが1周する時間+α(αはX粗動の移動速度とスリーブの回転数から溝がV形状になるための時間ずれ量)にすることにより、V字形状の溝を加工することができる。X方向粗動アクチュエータ12によるX粗動の移動速度の能力により、1周に一回加工する場合、数周に一回加工する場合、1/2周、1/4周に一回加工するなどが、指令値のサイクルタイムTを調整することにより可能である。
【0022】
各バイト4は、その先端が図4に示す軌道B上を移動し、切り込みアクチュエータ7とX方向微動アクチュエータ9の指令波形の位相を制御(調整)することにより、バイト先端を様々な擬似円軌道に沿って回転運動をさせることができる。
【0023】
図6は上記の方法で加工したV溝Sを拡大して示すために、スリーブWの円筒内面を展開した図である。各V溝Sは、バイト4が切削運動を1回行ってできる切り込み部Eを連続して形成することでV形状に加工される。図6の(a)に示すように、バイト4がX方向微動アクチュエータ9を用いた円運動によって切削方向を送り方向と一致させた切削駆動を行う場合は、1つの切り込み形状をV溝SのV形状に合わせることが可能であり、直線性の良好なV形状の溝を加工することができる。これによって、加工面が平滑で溝断面の形状精度が高く、均一な溝を得ることができる。
【0024】
参考のために、X方向微動アクチュエータ9をOFFにして軸方向の振動が無い状態で、径方向のみの振動で切削を行った場合を図6の(b)に示す。切り込み部EをV溝SのV形状に合わせることができないため、形状精度の高い溝を得ることができない。
【0025】
図7は、図3に示す2つの微動アクチュエータ7、9の指令波形を変化させた場合の切削軌跡B、Bを示すもので、同図の(a)は図3の駆動波形と同じであり、バイト4は(c)に示す切削軌道Bに沿って擬似回転する。図7の(b)に示す駆動波形を用いると、(d)に示すように、一番切り込んでいる位置(図の下側)の軌道を長くして、V形状に沿った長い切削面を得ることができる。これにより、一度に加工する距離が伸びるため、加工時間を短縮することが可能である。
【0026】
また、三角形状や矩形形状の断面形状の溝を加工する場合は、バイトの先端形状を三角形や矩形にすることで、シャープで均一な断面形状の三角形状や矩形形状の溝を得ることができる。
【0027】
本実施の形態によれば、バイトホルダの軸部に複数のバイトを周方向に等間隔で保持して円筒内面に切り込む溝加工を行うものであるため、複数のバイトの切削抵抗が相殺され、軸部のビビリ振動等による加工精度の劣化を回避できるという特筆すべき利点がある。
【0028】
例えば、小さな内周を加工する場合は、バイトホルダの軸部が被削材であるスリーブの円筒内面に干渉しないように細くするため、バイトの保持剛性が小さくなり、ビビリ振動や切削抵抗の変動によるバイト位置の変化により、加工面の粗さが悪くなったりする傾向があるが、上記のように複数のバイトを周方向に均一に配設して加工することにより、切削抵抗を打ち消すことができ、高精度な加工面を得ることができる。
【0029】
【発明の効果】
本発明は上述のとおり構成されているので、以下に記載するような効果を奏する。
【0030】
円筒内面の切削加工を行うに際して、ビビリ振動、切削抵抗の変動の影響を受けず、直線性の良いV溝等を高精度な加工面に仕上げることができる。これによって、動圧軸受の動圧発生溝等を高精度に切削加工することが可能になり、動圧軸受の軸受性能の向上や軸受材料の選択肢の拡大等に貢献できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】一実施の形態による加工装置を説明する図である。
【図2】図1の装置のバイト駆動部の変換機構を説明するもので、(a)はその端面を示す立面図、(b)および(c)は変換機構による径方向の振動を説明する図である。
【図3】バイトを切削駆動するアクチュエータの駆動波形を示す図である。
【図4】バイトの切削運動を説明する図である。
【図5】溝加工されるスリーブのV溝を説明する図である。
【図6】V溝の切り込み形状を示すもので、(a)は擬似回転するバイトで切削した場合の切り込み形状を示す図、(b)は径方向のみに振動するバイトを用いた場合の切り込み形状を示す図である。
【図7】アクチュエータの駆動波形を変化させてバイトの切削軌道を変える方法を説明する図である。
【図8】一従来例による溝加工を説明する図である。
【図9】別の従来例による溝加工を説明する図である。
【符号の説明】
1 スピンドル
2 チャック
3 Zステージ
4 バイト
5 変換機構
5a バイトシャンク
5b、10、13、16 ガイド
5c ロッド
5d クサビ形状
6 バイトホルダ
7 切り込みアクチュエータ
8 X方向微動ステージ
9 X方向微動アクチュエータ
11 X方向粗動ステージ
12 X方向粗動アクチュエータ
14 Y方向粗動ステージ
15 Y方向粗動アクチュエータ

Claims (5)

  1. 円筒状の被加工物内で、切削工具を軸方向および径方向にそれぞれ振動させることによって擬似回転させながら、前記被加工物の円筒内面に対して前記切削工具を相対移動させて前記円筒内面を切削加工する工程を有することを特徴とする円筒内面加工方法。
  2. 被加工物が動圧軸受のスリーブであり、前記スリーブの円筒内面に動圧発生溝を切削加工することを特徴とする請求項1記載の円筒内面加工方法。
  3. 円筒状の被加工物を切削するための切削工具と、前記切削工具を軸方向へ振動させるための第1の微動アクチュエータと、前記切削工具を径方向へ振動させるための第2の微動アクチュエータと、前記切削工具を前記被加工物に対して軸方向に相対移動させるための粗動アクチュエータと、前記被加工物を回転させるための回転駆動装置とを有し、前記第1および前記第2の微動アクチュエータによって前記切削工具を擬似回転させながら前記被加工物の円筒内面を切削加工することを特徴とする加工装置。
  4. 第1の微動アクチュエータが軸方向への伸縮によって切削工具を振動させる第1の電歪素子または磁歪素子を有し、第2の微動アクチュエータが、軸方向へ伸縮する第2の電歪素子または磁歪素子と、前記第2の電歪素子または磁歪素子の軸方向への伸縮を前記切削工具の径方向への振動に変換するための変換機構を有することを特徴とする請求項3記載の加工装置。
  5. 複数の切削工具が周方向に等間隔で配設されており、第2の微動アクチュエータによって同時に径方向に振動するように構成されていることを特徴とする請求項3または4記載の加工装置。
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