JP2007237373A - 大型部材加工機 - Google Patents

Abstract

【課題】 大型円弧状の部材に円弧状の溝を機械加工する低コストな装置を提供することにより、製作コストの低減を図る。
【解決手段】 自走する走行フレーム５に切削するための刃物８を具備したスピンドル７装備して、走行フレーム５を加工物９に対し、２条の旋回レール１３に沿って案内走行させ、刃物８と加工物９が重なり合う軌跡を加工物９に切削加工する。駆動動力は切削加工と刃物８の移動の１軸のみで可能となり、構造が非常に簡単になり製作コストが低減できる。
【選択図】図２

Description

本発明は、トンネルシールドに使用される大型部材である鋼製セグメント等の大型部材にシール溝、面取りなど円弧形状の研磨、切削加工を施す装置に関わるものである。

従来，大型の部材に溝形状を加工するには、素材圧延時に予め溝形状とした物を曲げ加工するか、円弧形状の部材に加工する場合など大型のＮＣ工作機械にて円弧補間切削加工していた為、加工コストが高くなっていた。

予め溝加工した部材を曲げなどの塑性加工することによる変形が問題となったり、部材が大型で対応できる工作機械が手当できない場合も出てきた。

また、大型化に伴い加工の精度を上げる必要もあった。

機械加工の方法は汎用ＮＣでの円弧補間機能を使った円弧軌跡を作成する方法で、機械剛性も必要なことから材料の大きさより加工装置自身が大きく、設備が非常に高価であり、加工コストも大きかった。
ラジアルボール盤のような円筒座標を用いた１軸制御も可能ではあるが、装置全体の剛性が必要なため、大型化に伴い設備が高価になる。
特開２００１−２１２８１６号公報 シール溝付き円弧版の製造方法

解決しようとする問題点は、大型部材に大型円弧溝を切削加工する装置が大型NC装置となり設備費が非常に高価で加工コストが塑性加工に比べ高コストなっているためである。

本発明は、部材に必要とされる円弧加工に特定し、最低必要条件を切削できる装置とすることで機械装置を簡略化し、低コスト化を計ることを最も主要な特徴とする。
円弧状の加工軌跡を得るには、２軸の数値制御をしなくとも一点を中心とする円または円弧に沿って１軸の運動を与えれればその条件は満たされるので、その軌跡に沿って切削加工することで簡単な装置で実現できる。
また加工素材と加工形状が相似であれば素材形状に倣い加工することでも実現可能である。

請求項１における、自走するための機能を持った走行フレーム５に切削するための刃物８を具備したスピンドル７装備して、走行フレーム５を加工物９に対し加工形状に沿って案内走行させ、刃物８の軌跡を加工物９に切削加工することで、駆動動力は切削加工と刃物８の移動の１軸のみで可能なので機械加工装置構造が非常に簡単になり製作コストが低減できる。

請求項２における、走行案内を加工物９の外形に沿ってガイドローラー１０により走行方向を拘束することで、加工物９の外形形状にオフセットされた形状の加工軌跡をなんら外部の案内機構無くして可能で、加工物９が大きいほど案内機構のコストが低減できる。

請求項３における、走行案内を加工物９を固定した加工台１に固定した旋回レール１３と旋回車輪１２より走行方向を拘束することで、加工物９の外形形状及び精度に依存しない加工軌跡を得ることが出来る。

請求項４における、走行案内を加工物９を固定した加工台１と固定した旋回軸１６とベアリングユニット１５より走行フレーム５の走行方向を円弧に拘束することで、形状案内機構が不要で精度の高い円弧軌跡を加工することが出来る。

請求項５における、走行部に複数の刃物８及びスピンドル７よりなる切削機能を持ち、複数溝を同時加工が可能としたことで、複数溝の切削加工が同時に行え加工時間を短縮することが出来る。。

請求項６において、走行フレーム５を固定し、加工物９を移動させることをで、加工台１が不要となり、装置が小型化され、設置場所の制約も少なくなる。

本発明により製造された装置は、構造が簡単で機械的全体の剛性も必要としないので、制作費が少なく、改造、メンテナンスも容易であり、動作も単純なので扱いにも熟練を必要としない。
現場での変形補整程度の軽負荷切削であれば装置自身を移動しての現場での作業も可能となる。
以上の様な利点がある。

円弧状の大型部材に円弧状の溝を機械加工する為の必要条件を備え、かつ低コストで実現した。

図１にガイドレール方式上面説明図、図２にガイドレール方式断面説明図にて、ガイドレール形状を倣わせる方式での実施例を説明する。
加工台１に加工物９を挟み込む様に旋回レール１３を２条固定し、旋回レール１３側面に旋回車輪１２が転がり接触するように、走行フレーム５に取り付け、走行フレーム５が旋回レール１３上を走行可能にする。
走行フレーム５には切削用モーター６により駆動されるスピンドル７を取り付けスピンドル７には溝形状に対応した刃物８を把持する。
加工台１に走行ラック４を固定し、走行ラック４と噛み合う走行ピニオン２を走行モーター３に取り付け走行モーター３を走行フレーム５に固定する。
図２の断面は旋回レール１３により案内されることで、いずれの位置でも断面は同じになり、加工物９と刃物８の重なり合った部分が同じ断面形状に切削される事となる。

加工を開始するには、走行フレーム５を加工物９より待避した位置に移動して加工物９を加工台１ に乗せ固定する。
切削用モーター６を起動し刃物８を回転させてから、走行モーター３を起動して走行フレーム５の走行開始すると、刃物８が加工物９と干渉する位置から切削される。全ての加工が終了し刃物８が加工物９より逃げると走行モーター３を停止して加工物９を加工台１より取り外して工程が終了する。

加工物９が旋回レール１３に挟み込まれる大きさであれば、スピンドル７を走行フレーム５の取り付け位置を調整することで円弧半径も調整可能であり、レール形状を楕円弧とすれば楕円にも対応することも可能である。旋回レール１３は精度によりロール等による曲げ加工でも可能なので大型の製作も容易であり、円弧リニアベアリングレールまたは単にレールを両脇より押さえれば１条でも構わない。
また旋回レール１３を同じ半径の平行レールとすれば走行フレーム５は平行移動して同じ半径の複数同時加工とすることも出来る。

加工中の切削した切り粉は、大型掃除機の吸い込み口を走行フレーム５に固定することで容易に可能であり、同様に空気ノズルを取り付けて吹き飛ばすと共に刃物８の冷却も容易である。

図３に外形倣い方式上面説明図、図４に外形倣い方式断面説明図にて外形倣い方式実施例を説明する。
加工台１に走行車輪１１が固定した走行フレーム５が安定平行移動するように３点以上転がり接触するように取り付け、走行フレーム５には切削用モーター６により駆動されるスピンドル７を取り付けスピンドル７には溝形状に対応した刃物８を把持する。

加工台１に走行ラック４を固定し、走行ラック４と噛み合う走行ピニオン２を走行モーター３に取り付け走行モーター３を走行フレーム５に固定する。
加工物９の外形形状に転がり接触するガイドローラー１０を刃物８が逃げたときにも円弧軌跡で拘束されるように、逃げた時でも最低３点以上接触するように走行フレーム５に配置する。
これにより、走行フレーム５は刃物８が加工物９に干渉する位置では加工物９の外形形状に倣った走行軌跡となる。

加工を開始するには、走行フレーム５を加工物９より待避した位置に移動して加工物９を加工台１ に乗せ固定する。
加工物９の外形形状にガイドローラー１０が３点以上で噛み合わせ、切削用モーター６を起動し刃物８を回転させ、走行モーター３を起動して走行フレーム５の走行すると、刃物８が加工物９と干渉する位置から切削される。全ての加工が終了し刃物８が加工物９より逃げると走行モーター３を停止して加工物９を加工台１より取り外して工程が終了する。

図５に軸心回転方式上面説明図、図６に軸心回転方式断面説明図にて軸心回転方式実施例を説明する。
加工台１に走行車輪１１を固定した走行フレーム５が安定平行移動するように回転軸点と２点以上転がり接触するように取り付け、走行フレーム５には切削用モーター６により駆動されるスピンドル７を取り付けスピンドル７には溝形状に対応した刃物８を把持する。

加工台１に走行ラック４を固定し、走行ラック４と噛み合う走行ピニオン２を走行モーター３に取り付け走行モーター３を走行フレーム５に固定する。
走行フレーム５は連結フレーム１４を介してベアリングユニット１５にて回転自在に旋回軸１６で拘束させ、旋回軸１６は旋回支持フレーム１７にて加工台１に固定する。
これにより、走行フレーム５は加工台１に平行で旋回軸１６を中心とした円弧運動となる。
また旋回軸１６を２点設けて連結フレーム１４を平行リンクとして構成すれば、走行フレーム５は平行に同じ半径の加工軌跡を複数同時加工することも出来る。

加工を開始するには、走行フレーム５を加工物９より待避した位置に移動して加工物９を加工台１ に乗せ固定する。
切削用モーター６を起動し刃物８を回転させ、走行モーター３を起動して走行フレーム５の走行すると、刃物８が加工物９と干渉する位置から切削される。全ての加工が終了し刃物８が加工物９より逃げると走行モーター３を停止して加工物９を加工台１より取り外して工程が終了する。

連結フレーム１４には切削抵抗に対抗する剛性は必要なく、長尺となっても加わる曲げ応力も少なくて済むため、パイプなどの簡単なもので済み、ベアリングユニット１５も自動調芯でよいので軸心の精度も不要で大型であっても調整設置が容易であり、連結フレーム１４自身の傾きは走行軌跡と関係しないので建屋の一部を軸心として設定することも可能である。
円弧軌跡半径を大きく調整するときは連結フレーム１４の長さを変更し、合わせて旋回軸１６取り付け位置を変更することで容易に行うことが出来る。

図７にローラー駆動外形習い方式上面説明図、図８にローラー駆動外形習い方式断面説明図にてローラー駆動外形習い方式実施例を説明する。
走行フレーム５に加工物９の外形形状に転がり接触する位置にスラスト加重も受ける事が出来るフランジ付きガイドローラー１８と走行モーター３で駆動される走行駆動ローラー１９にて、加工物９より刃物８が逃げたときにも円弧軌跡で拘束されるように、逃げた時でも走行駆動ローラー１９とフランジ付きガイドローラー１８で最低３点以上接触するように走行フレーム５に配置する。
走行フレーム５には切削用モーター６により駆動されるスピンドル７を取り付けスピンドル７には溝形状に対応した刃物８を把持する。
これにより、走行フレーム５は刃物８が加工物９に干渉する位置では加工物９の外形形状に倣った走行軌跡となる。

加工を開始するには、走行フレーム５を加工物９より待避した位置に移動して加工物９を加工台１ に乗せ固定する。
加工物９の外形形状に走行駆動ローラー１９とフランジ付きガイドローラー１８で３点以上で噛み合わせ、切削用モーター６を起動し刃物８を回転させ、走行モーター３を起動して走行フレーム５の走行をすると、刃物８が加工物９と干渉する位置から切削される。全ての加工が終了し刃物８が加工物９より逃げると走行モーター３を停止して加工物９を加工台１より取り外して工程が終了する。

走行駆動ローラー１９の外周は摩擦力を高めるために表面を荒く硬くしておくと、接触圧を高くしなくとも滑りを防止でき、また外形に倣わせるため有る程度の圧力は加えなければならないが、エアシリンダーまたはバネ等により容易に押しつけ可能で、切削抵抗分程度の駆動力は容易に伝達可能である。
もし滑りが生じても切削には問題がなく、加工台１との位置相関がないので加工台１そのものを不要にすることも出来、装置自体を移動して、加工物９の有る場所に移動して加工することも可能となる。

図９にローラー駆動軸心回転方式上面説明図、図１０にローラー駆動軸心回転方式断面説明図にてローラー駆動軸心回転方式実施例を説明する。
走行フレーム５に加工物９外形形状に転がり接触する位置にフランジ付きガイドローラー１８と走行モーター３で駆動される走行駆動ローラー１９にて挟み込む様に対向して設置し、加工物９より刃物８が逃げたときにも円弧軌跡で拘束されるように、逃げた時でも走行駆動ローラー１９とフランジ付きガイドローラー１８で最低２点で駆動力が伝達接触するように走行フレーム５に配置する。
走行フレーム５には切削用モーター６により駆動されるスピンドル７を取り付けスピンドル７には溝形状に対応した刃物８を把持する。
また 走行フレーム５は連結フレーム１４を介してベアリングユニット１５にて回転自在に旋回軸１６で拘束させ、旋回軸１６は旋回支持フレーム１７にて加工台１に固定する。
これにより、走行フレーム５は加工台１に平行で旋回軸１６を中心とした円弧運動となる。

加工を開始するには、走行フレーム５を加工物９より待避した位置に移動して加工物９を加工台１ に乗せ固定する。
加工物９の外形形状に走行駆動ローラー１９とフランジ付きガイドローラー１８で挟み込み、切削用モーター６を起動し刃物８を回転させ、走行モーター３を起動して走行フレーム５の走行をすると、刃物８が加工物９と干渉する位置から切削される。全ての加工が終了し刃物８が加工物９より逃げると走行モーター３を停止して加工物９を加工台１より取り外して工程が終了する。

加工軌跡は円弧運動により正確となり、走行駆動ローラー１９とフランジ付きガイドローラー１８の挟み込む力は、エアシリンダーまたはバネ等により容易に押しつけ可能で切削抵抗分程度の駆動力は容易に伝達可能である。
また、円弧運動と各ローラーの軌跡のずれが生じるので、各ローラーのラジアル方向にはバネ等の逃げ機構は必要となるが加工物９の外形形状に寄らず正確な円弧軌跡が得られ、板状の加工物９であれば板を挟み駆動すれば円周方向の案内は不要で押しつけ機構も不要である。
また、走行駆動ローラー１９と旋回軸１６にて押しつけ力が確保できれば、フランジ付きガイドローラー１８は省略することも出来る。

図１１に牽引駆動方式上面説明図にて牽引駆動方式実施例を説明する。
前記実施例に於いて、走行駆動を外力の可撓線の張力によりなすもので、円弧長が円弧半径に対して長いときは円周方向の分力を用いるものである。

加工台１に固定されたウインチ２１の牽引ロープ２０の一端を走行フレーム５に固定する。
ウインチ２１で巻き上げを開始すると走行フレーム５には加工軌跡方向と引っ張り方向の分力が生じ、特段の走行機構がなくとも切削加工が可能となる。
比較的小型のものであれば、刃物９に高速回転する砥石を利用すれば、切削抵抗が小さくなるのでウインチ２１の作用をの駆動を人力にて行うことも可能である。
また、ウインチ２１と牽引ロープ２０はローラーチェーンとスプロケットの様な巻き付け伝導でもよい。

図１２に材料送り方式断面説明図にて材料送り方式実施例を説明する。
実施例４で説明したローラー駆動外形習い方式の走行フレーム５部を固定し、加工物９が相対的に材料送りされる形としたものである。

これによれば、加工機の設置スペースは少なくて済み、平板状の加工物９であれば加工スペースも最小で行うことが出来る。

図１３に無限軌道駆動送り方式上面説明図にて材料送り方式実施例を説明する。
実施例４で説明したローラー駆動外形習い方式における、フランジ付きガイドローラー１８と走行モーター３で駆動される走行駆動ローラー１９をそれぞれ軌道車輪２３と無限軌道２２として、走行フレーム５部を固定し、加工物９が無限軌道２２との摩擦により材料送りされる形としたものである。

無限軌道２２としてはローラーチェーン、軌道車輪２３としてローラーチェーン用スプロケットが利用でき、加工物９との無限軌道２２接触部をサンダー等で荒く仕上げる程度で摩擦力は大きくなり、ローラーに比較し接触面積が増えより確実な加工物９の送りが可能となり、加工物９の形状に多少の歪があっても押しつけ圧力が平均化され滑らかに走行案内される利点もある。
また、無限軌道２２を駆動することで走行モーター３は１台で済ませることが出来、初期のみ合わせ時の駆動もより確実となり、無限軌道２２を加工物９の弧長より長く全体を被せるようにして無限軌道２２に爪状の引っかけを設け加工物９端部に引っかければ、摩擦に頼らない駆動方法をとることも出来る。
尚、走行フレーム５と加工物９の移動は相対的であるので、加工物９を加工台１等に固定しても作用は同じである。

以上のような実施例を部材の大きさ等の用途により選択して用い、刃物９の形状を選択することにより溝加工に及ばず端面の平面加工、バリ取りなど大型部材の加工が簡易な加工機で行うことが出来る。

土木、建築に使用される鉄鋼部材は大型で寸法精度も要求されることが多くなり、精度の要求の高いものは汎用の大型工作機械で加工されるものが多かったが、簡単な専用機で所用の精度を満足することが可能となることにより
部材の加工コストが大幅に削減され、精度が上がることで部材の組み立て作業が楽になり、組み立て後の不具合の生じる可能性も低くなるため構造物の信頼性、耐久性の向上がする。
従来困難であった、現地での加工、修正が容易に行う事も可能となり、作業効率が上がる。

ガイドレール方式上面説明図である。（実施例１） ガイドレール方式断面説明図である。（実施例１） 外形倣い方式上面説明図である。（実施例２） 外形倣い方式断面説明図である。（実施例２） 軸心回転方式上面説明図である。（実施例３） 軸心回転方式断面説明図である。（実施例３） ローラー駆動外形習い方式上面説明図である。（実施例４） ローラー駆動外形習い方式断面面説明図である。（実施例４） ローラー駆動軸心回転方式上面説明図である。（実施例５） ローラー駆動軸心回転方式断面説明図である。（実施例５） 牽引駆動方式上面説明図である。（実施例６） 材料送り方式断面説明図である。（実施例７） 無限軌道駆動送り方式上面説明図である。（実施例８）

符号の説明

１ 加工台
２ 走行ピニオン
３ 走行モーター
４ 走行ラック
５ 走行フレーム
６ 切削用モーター
７ スピンドル
８ 刃物
９ 加工物
１０ ガイドローラー
１１ 走行車輪
１２ 旋回車輪
１３ 旋回レール
１４ 連結フレーム
１５ ベアリングユニット
１６ 旋回軸
１７ 旋回支持フレーム
１８ フランジ付きガイドローラー
１９ 走行駆動ローラー
２０ 牽引ロープ
２１ ウインチ
２２ 無限軌道
２３ 軌道車輪

Claims (6)

1. 自走するための機能を持った走行フレーム５に切削するための刃物８を具備したスピンドル７を装備して、走行フレーム５を加工物９に対し加工形状に沿って案内走行させ、刃物８の軌跡を加工物９に切削加工することを特徴とする大型部材加工機。
2. 走行案内を加工物９の外形に沿ってガイドローラー１０により走行方向を拘束することを特徴とした、請求項１の大型部材加工機。
3. 走行案内を加工物９を固定した加工台１に固定した旋回レール１３と旋回車輪１２より走行方向を拘束することを特徴とした、請求項１の大型部材加工機。
4. 走行案内を加工物９を固定した加工台１に固定した旋回軸１６とベアリングユニット１５より走行方向を円弧に拘束することを特徴とした、請求項１の大型部材加工機。
5. 走行部に複数の刃物８及びスピンドル７よりなる切削機能を持ち、複数溝を同時加工可能としたとを特徴とした、請求項１の大型部材加工機。
6. 走行フレーム５を固定し、加工物９を移動させることを特徴とした、請求項１及請求項２の大型部材加工機。

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