JP2009034804A - 作業機械 - Google Patents

Abstract

【課題】ツールホルダに取り付けられる道具を、前記ツールホルダの径方向に位置調整するとともに、遠心力の変化を可及的に阻止し、高精度な作業が効率的に遂行可能にする。
【解決手段】ツールホルダ２０には、一端が前記ツールホルダ２０に固着される一方、他端が開放端部２４ａを形成する環状弾性ホルダ部２４が装着される。開放端部２４ａ側には、２以上の道具、例えば、中仕上げ刃２６ａ、２６ｂ及び仕上げ刃２８ａ、２８ｂが取り付けられる。ツールホルダ２０には、前記ツールホルダ２０の軸方向に進退して環状弾性ホルダ部２４を加圧することにより、開放端部２４ａを楕円形状に変形可能な加圧機構３２が設けられる。開放端部２４ａが楕円形状に変形すると、中仕上げ刃２６ａ、２６ｂが半径内方に移動する一方、仕上げ刃２８ａ、２８ｂが半径外方に移動する。
【選択図】図２

Description

本発明は、スピンドルと一体的に回転可能なツールホルダに、２以上の道具が取り付けられる作業機械に関する。

一般的に、ツールホルダに取り付けられた道具、例えば、加工工具を介してワークに加工処理を施す工作機械（作業機械）が種々使用されている。例えば、エンジンブロックを構成するシリンダのボーリング加工は、内筒径寸法をミクロンオーダで高精度に加工する必要がある。このため、通常、ボーリング加工は、荒ボーリング加工（荒加工）、中仕上げボーリング加工（中仕上げ加工）及び仕上げボーリング加工（仕上げ加工）の３工程の加工に分けて行われている。
この種のボーリング加工では、特に仕上げボーリング加工において、高精度な加工径を形成しなければならず、単刃による加工が行われている。しかしながら、量産設備による仕上げボーリング加工では、単一の刃先で加工を行うために前記刃先の磨耗が著しく、加工径が小さくなってしまう。従って、刃先磨耗による加工径の変化に応じて前記刃先位置を調整し、一定のボーリング加工径を維持する必要がある。
そこで、例えば、特許文献１に開示されている円筒内面の加工装置を用いることが考えられる。この加工装置は、中ぐり加工用の加工ヘッドの先端外周の互いに対向する位置に、荒加工用の刃具と仕上げ加工用の刃具とをそれぞれ設けるとともに、前記加工ヘッドの中心軸線に直交する方向で且つ、前記仕上げ加工用の刃具から荒加工用の刃具に向かう方向に圧力が付与されることで、同方向に移動変形しつつ前記各刃具を同方向に移動させる弾性ホルダ部を設けたことを特徴としている。そして、この特許文献１では、コンパクトで且つ剛性を有しており、刃具位置の移動（補正）を高精度に行うことができる。
特開２００３−３１１５１７号公報

ところで、上記の加工ヘッドにおいて、磨耗した刃先を調整しようとすると、スピンドルに対して半径方向にボーリングバーが移動する構造となっている。ボーリングバーが半径方向に移動すると、このボーリングバーの重心位置も移動する。このため、加工ヘッドやボーリングバーに発生する遠心力も変動することになる。
近年、シリンダのボーリング加工において、刃具の材種改良により高速加工が可能になるのに伴って、スピンドルの回転数が高くなっている。その結果、ボーリングバーに生じる遠心力の影響を無視することができなくなり、刃先が補正移動しても、遠心力の変化を抑制することが可能なボーリング加工装置が求められている。
本発明はこの種の要請に対応してなされたものであり、ツールホルダに取り付けられる道具を、前記ツールホルダの径方向に位置調整するとともに、遠心力の変化を可及的に阻止し、高精度な作業が効率的に遂行可能な作業機械を提供することを目的とする。

本発明は、スピンドルと一体的に回転可能なツールホルダと、一端が前記ツールホルダに固着される一方、他端が開放端部を形成するとともに、前記開放端部側には、２以上の道具が取り付けられる２以上の取付部と、少なくとも２つの前記取付部に連結されて回転軸線側に延在する梁部が一体に設けられる環状弾性ホルダ部と、前記ツールホルダの軸方向に進退して前記梁部を加圧することにより、前記環状弾性ホルダ部の重心位置を前記回転軸線上に維持した状態で、前記開放端部側を変形させて少なくとも２つの前記道具の前記回転軸線からの距離を調整可能な加圧機構とを備えている。
また、梁部は、取付部の内壁に連結されて環状弾性ホルダ部の軸心位置を通る円弧状梁部を構成し、加圧機構により前記円弧状梁部が軸方向に加圧されることによって、開放端部が楕円形状に弾性変形可能に構成されることが好ましい。
さらに、作業機械は、楕円形状に弾性変形する開放端部の短軸側に取り付けられる２つの第１の道具と、前記開放端部の長軸側に取り付けられる２つの第２の道具とを備えることが好ましい。
さらにまた、環状弾性ホルダ部に加圧機構による加圧力が付与されない状態で、第１の道具の周回軌跡は、第２の道具の周回軌跡よりも大径に設定されることが好ましい。
また、加圧機構は、流体圧により環状弾性ホルダ部に加圧力を付与するとともに、前記流体圧による加圧力が付与されない状態で、第１の道具及び第２の道具は、中立位置に自動復帰することが好ましい。
さらに、第１の道具は、ワークの内周面に第１の加工を行う第１加工刃具であり、第２の道具は、前記内周面に前記第１の加工の後に第２の加工を行う第２加工刃具であることが好ましい。
さらにまた、梁部は、取付部の内壁に連結される円弧状梁部を構成し、加圧機構により前記円弧状梁部が軸方向に加圧されることによって、開放端部が三角形状乃至多角形状に弾性変形可能に構成されることが好ましい。
また、三角形状乃至多角形状に弾性変形する開放端部の角部に対応して道具が取り付けられることが好ましい。

本発明に係る作業機械では、加圧機構を介して環状弾性ホルダ部が加圧されると、この環状弾性ホルダ部の重心位置を回転軸線上に維持した状態で、開放端部側が変形する。その際、開放端部には、取付部を介して２以上の道具が取り付けられており、２以上の前記道具は、ツールホルダの径方向に位置調整（補正）される。
従って、例えば、楕円形状に弾性変形する開放端部の短軸側に取り付けられる道具同士、又は前記開放端部の長軸側に取り付けられる道具同士は、回転軸心から等距離だけ位置補正されるため、重心が移動することがない。これにより、特に高速回転される際にも、高精度な作業が効率的且つ確実に遂行可能になる。

図１は、本発明の第１の実施形態に係る作業機械である工作機械１０の斜視説明図であり、図２は、前記工作機械１０の断面説明図である。
工作機械１０は、本体部１２を備え、この本体部１２には、ハウジング１４が摺動可能に装着される。ハウジング１４には、スピンドル（主軸）１６がベアリング１８を介して回転可能に設けられると、前記スピンドル１６には、ツールホルダ２０が着脱自在に取り付けられる。
図２に示すように、ハウジング１４には、スピンドル１６の軸心に沿ってエアパイプ２２が配設され、このエアパイプ２２内に、図示しないエア供給源に連通するエア通路２２ａが形成される。
ツールホルダ２０には、一端が前記ツールホルダ２０に固着される一方、他端が開放端部２４ａを形成する環状弾性ホルダ部２４が装着される。開放端部２４ａ側には、２以上の道具、例えば、中仕上げ刃（第１加工刃具）２６ａ、２６ｂ及び仕上げ刃（第２加工刃具）２８ａ、２８ｂが取り付けられる（図３参照）。ツールホルダ２０には、前記ツールホルダ２０の軸方向（矢印Ａ方向）に進退して環状弾性ホルダ部２４を加圧することにより、開放端部２４ａを楕円形状に変形可能な加圧機構３２が設けられる。
加圧機構３２は、エア通路２２ａに連通する空圧シリンダ部３４と、前記空圧シリンダ部３４の下流に配置される油圧シリンダ部３６とを備える。空圧シリンダ部３４は、エア通路２２ａに連通する空油圧変換室３８を有し、この空油圧変換室３８に第１ピストン４０が摺動自在に配置される。第１ピストン４０は、スプリング４２を介して油圧シリンダ部３６から離間する方向に押圧される。
第１ピストン４０のロッド４０ａは、油圧シリンダ部３６を構成する油圧室４４に進退自在に配設される。油圧室４４には、第２ピストン４６が摺動自在に配置される。第２ピストン４６のロッド４６ａは、環状弾性ホルダ部２４内に突出して配置される。
環状弾性ホルダ部２４は、図２〜図４に示すように、略円柱状を有するとともに、ツールホルダ２０の先端に固着される円板状基台部４８を設ける。基台部４８には、リング体５０が設けられ、前記リング体５０の開放端部２４ａ側の端部には、中仕上げ刃２６ａ、２６ｂが交換自在に取り付けられる第１バンク部（取付部）５２ａ、５２ｂと、仕上げ刃２８ａ、２８ｂが交換自在に取り付けられる第２バンク部（取付部）５４ａ、５４ｂとが形成される。
環状弾性ホルダ部２４は、加圧機構３２により矢印Ａ１方向に加圧されると、開放端部２４ａが楕円形状に弾性変形するとともに、前記開放端部２４ａの短軸側に中仕上げ刃２６ａ、２６ｂが取り付けられる一方、前記開放端部２４ａの長軸側に仕上げ刃２８ａ、２８ｂが取り付けられる。
具体的には、第２バンク部５４ａ、５４ｂは、リング体５０の内部（回転軸線側）に向かって延在する円弧状梁部５６により一体化される。梁部５６は、弾性変形可能であり、加圧機構３２による加圧力が作用しない状態では、中仕上げ刃２６ａ、２６ｂは、中仕上げ加工径Ｄ１に対応する位置に配置する一方、仕上げ刃２８ａ、２８ｂは、前記中仕上げ加工径Ｄ１に対応する位置より内方に配置する。
梁部５６は、底部５６ａが第２ピストン４６のロッド４６ａにより軸方向に加圧される際に変形し、第２バンク部５４ａ、５４ｂに取り付けられている仕上げ刃２８ａ、２８ｂは、半径外方に移動して仕上げ加工径Ｄ２に対応する位置に配置する。
一方、第１バンク部５２ａ、５２ｂは、梁部５６と直接的に繋がっておらず、且つ、第２バンク部５４ａ、５４ｂと９０度の位相差を有している。従って、梁部５６に矢印Ａ１方向の加圧力が付与されると、第１バンク部５２ａ、５２ｂは、第２バンク部５４ａ、５４ｂとは逆方向、すなわち、半径内方に移動する。このため、第１バンク部５２ａ、５２ｂに取り付けられている中仕上げ刃２６ａ、２６ｂは、半径内方に移動して仕上げ加工径Ｄ２に対応する位置より内部に配置する。
このように構成される第１の実施形態に係る工作機械１０の動作について、以下に説明する。
先ず、筒体（例えば、エンジンのシリンダブロック）６０の穴部６０ａに、中仕上げ刃２６ａ、２６ｂを介して中仕上げ加工を行う場合、エア通路２２ａに加圧エアが供給されていない。従って、図５及び図６に示すように、梁部５６にロッド４６ａによる加圧力が付与されないため、中仕上げ刃２６ａ、２６ｂは、中仕上げ加工径Ｄ１に対応する位置に配置する一方、仕上げ刃２８ａ、２８ｂは、前記中仕上げ加工径Ｄ１に対応する位置より内方に配置する。
そこで、図示しない回転駆動源の作用下に、スピンドル１６が回転されると、ツールホルダ２０が環状弾性ホルダ部２４と一体に回転する。環状弾性ホルダ部２４の開放端部２４ａには、中仕上げ刃２６ａ、２６ｂが中仕上げ加工径Ｄ１に対応する位置に配置されている。このため、中仕上げ刃２６ａ、２６ｂは、筒体６０の穴部６０ａに中仕上げ加工を行う一方、仕上げ刃２８ａ、２８ｂは、前記穴部６０ａの内方に配置されて中仕上げ加工に干渉することがない。
上記のように、穴部６０ａの中仕上げ加工が終了すると、図示しないエア供給源からエア通路２２ａに加圧エアが供給される。この加圧エアは、空圧シリンダ部３４に供給され、第１ピストン４０が空油圧変換室３８を矢印Ａ１方向に移動する。従って、第１ピストン４０のロッド４０ａは、油圧シリンダ部３６を構成する油圧室４４に進入し、油圧を介して第２ピストン４６が矢印Ａ１方向に移動することにより、前記第２ピストン４６のロッド４６ａは、環状弾性ホルダ部２４を構成する梁部５６の底部５６ａを矢印Ａ１方向に加圧する。
環状弾性ホルダ部２４では、梁部５６が弾性変形することにより、前記梁部５６に一体形成されている第２バンク部５４ａ、５４ｂが半径外方に移動する（図７参照）。その際、第２バンク部５４ａ、５４ｂに取り付けられている仕上げ刃２８ａ、２８ｂは、半径外方に移動して仕上げ加工径Ｄ２に対応する位置に配置する（図３参照）。一方、第１バンク部５２ａ、５２ｂに取り付けられている中仕上げ刃２６ａ、２６ｂは、半径内方に移動して前記仕上げ加工径Ｄ２に対応する位置より内部に配置する。
そして、スピンドル１６の回転作用下に、ツールホルダ２０が環状弾性ホルダ部２４と一体に回転すると、仕上げ刃２８ａ、２８ｂは、筒体６０の穴部６０ａに仕上げ加工を行う一方、中仕上げ刃２６ａ、２６ｂは、前記穴部６０ａの内方に配置されて仕上げ加工に干渉することがない。
この場合、第１の実施形態では、加圧機構３２を介して環状弾性ホルダ部２４が矢印Ａ１方向に加圧されると、前記環状弾性ホルダ部２４の開放端部２４ａが楕円形状に弾性変形している。すなわち、第１バンク部５２ａ、５２ｂに取り付けられている中仕上げ刃２６ａ、２６ｂは、半径内方に同一の寸法だけ移動するとともに、第２バンク部５４ａ、５４ｂに取り付けられている仕上げ刃２８ａ、２８ｂは、半径外方に同一の寸法だけ移動している。
このため、環状弾性ホルダ部２４は、この環状弾性ホルダ部２４の重心位置を回転軸線上に維持した状態で、中仕上げ刃２６ａ、２６ｂ及び仕上げ刃２８ａ、２８ｂが、ツールホルダ２０の径方向に位置調整（補正）されている。これにより、ツールホルダ２０は、筒体６０に対して高精度な加工作業を効率的に遂行可能になるという効果が得られる。
特に、シリンダのボーリング加工において、スピンドル１６の回転数が高くなっても、中仕上げ刃２６ａ、２６ｂ及び仕上げ刃２８ａ、２８ｂの刃先位置補正による遠心力の変化を可及的に抑制することができ、高速加工を良好に行うことができる。
しかも、第１の実施形態では、仕上げ加工を行うために、２つの仕上げ刃２８ａ、２８ｂを備えている。従って、一方の刃、例えば、仕上げ刃２８ａを先行仕上げ刃とするとともに、他方の刃、例えば、仕上げ刃２８ｂを最終の仕上げ刃とすることができ、該最終の仕上げ刃の取り代を安定した最小取り代として高精度なボーリング加工が遂行可能になる。
さらに、中仕上げ刃２６ａ、２６ｂ及び仕上げ刃２８ａ、２８ｂの径方向への補正移動は、梁部５６をロッド４６ａで加圧する際に発生するリング体５０の弾性変形により行われている。このため、環状弾性ホルダ部２４には、摺動摩擦が惹起されることがなく、補正動作に伴う摺動抵抗がなく、高精度な補正移動が容易に遂行される。特に、ツールホルダ２０が高速回転する際には、各部に大きな遠心力が作用するが、摺動抵抗がないために円滑な補正移動が行われるという利点がある。
さらにまた、リング体５０の径方向への変形量は、梁部５６を加圧する力と比例関係にある。これにより、仕上げ刃２８ａ、２８ｂの補正移動量の調整は、外部コントローラによる圧力制御によって微細にコントロールすることができ、オープンループ方式の制御が可能になる。
なお、第１の実施形態では、加圧機構３２が空圧シリンダ部３４及び油圧シリンダ部３６を備えているが、これに限定されるものではない。例えば、モータの回転作用下に進退する加圧ロッド等が採用可能である。さらに、加圧媒体は、エアの他、クーラント等の種々の媒体が使用される。
また、加圧機構３２を介して環状弾性ホルダ部２４の梁部５６が矢印Ａ１方向に加圧されているが、これに限定されるものではなく、例えば、前記梁部５６を矢印Ａ１方向とは反対方向に加圧することにより前記環状弾性ホルダ部２４の径を縮小させることができる。
図８は、本発明の第２の実施形態に係る工作機械を構成する環状弾性ホルダ部７０の斜視説明図であり、図９は、前記環状弾性ホルダ部７０の正面説明図である。なお、環状弾性ホルダ部７０は、第１の実施形態に係る工作機械１０に、環状弾性ホルダ部２４に代えて使用される。
環状弾性ホルダ部７０は、略円柱状を有するとともに、基台部４８には、リング体７２が設けられる。リング体７２の開放端部２４ａ側の端部には、仕上げ刃７４ａ、７４ｂ及び７４ｃが互いに等角度（１２０°）ずつ離間して交換自在に取り付けられるバンク部（取付部）７６ａ、７６ｂ及び７６ｃが形成される。
バンク部７６ａ、７６ｂ及び７６ｃは、リング体７２の内部に向かって延在する円弧状梁部７８により一体化される。梁部７８は、弾性変形可能であり、第２ピストン４６のロッド４６ａにより軸方向に加圧される際に、リング体７２の開放端２４ａを略三角形状に変形させる。このため、バンク部７６ａ、７６ｂ及び７６ｃに取り付けられている仕上げ刃７４ａ、７４ｂ及び７４ｃは、半径外方に同一の寸法だけ移動して仕上げ加工径に対応する位置に配置する。
このように構成される第２の実施形態では、梁部７８に加圧力が付与されない際には、仕上げ刃７４ａ、７４ｂ及び７４ｃは、例えば、中仕上げ加工径Ｄ１に対応する位置に配置する。一方、梁部７８に加圧力が付与されると、仕上げ刃７４ａ、７４ｂ及び７４ｃは、半径外方に同一の寸法だけ移動して仕上げ加工径Ｄ２に対応する位置に配置する。
従って、単一の環状弾性ホルダ部７０を使用して中仕上げ加工と仕上げ加工とが遂行されるとともに、この環状弾性ホルダ部７０の重心位置を回転軸線上に維持した状態で、仕上げ刃７４ａ、７４ｂ及び７４ｃが、ツールホルダ２０の径方向に位置調整（補正）されている。これにより、ツールホルダ２０は、筒体６０に対して高精度な加工作業を効率的に遂行可能になるという効果が得られる。
なお、第２の実施形態では、３つの仕上げ刃７４ａ、７４ｂ及び７４ｃを３つのバンク部７６ａ、７６ｂ及び７６ｃに取り付けて構成しているが、これに限定されるものではない。例えば、４つ以上の仕上げ刃を４つ以上のバンク部に取り付けることもできる。その際、環状弾性ホルダ部は、加圧機構により４角形状以上の多角形状に弾性変形する。

本発明の第１の実施形態に係る作業機械である工作機械の斜視説明図である。 前記工作機械の断面説明図である。 前記工作機械を構成する環状弾性ホルダ部の正面説明図である。 前記環状弾性ホルダ部の斜視説明図である。 中仕上げ加工の説明図である。 前記中仕上げ加工時の前記環状弾性ホルダ部の正面説明図である。 仕上げ加工の説明図である。 本発明の第２の実施形態に係る工作機械を構成する環状弾性ホルダ部の斜視説明図である。 前記工作機械を構成する環状弾性ホルダ部の正面説明図である。

符号の説明

１０…工作機械 １６…スピンドル
２０…ツールホルダ ２２ａ…エア通路
２４、７０…環状弾性ホルダ部 ２４ａ…開放端部
２６ａ、２６ｂ…中仕上げ刃 ２８ａ、２８ｂ、７４ａ〜７４ｃ…仕上げ刃
３２…加圧機構 ３４…空圧シリンダ部
３６…油圧シリンダ部 ５０、７２…リング体
５２ａ、５２ｂ、５４ａ、５４ｂ、７６ａ〜７６ｃ…バンク部
５６、７８…梁部

Claims (8)

1. スピンドルと一体的に回転可能なツールホルダと、
   一端が前記ツールホルダに固着される一方、他端が開放端部を形成するとともに、前記開放端部側には、２以上の道具が取り付けられる２以上の取付部と、少なくとも２つの前記取付部に連結されて回転軸線側に延在する梁部が一体に設けられる環状弾性ホルダ部と、
   前記ツールホルダの軸方向に進退して前記梁部を加圧することにより、前記環状弾性ホルダ部の重心位置を前記回転軸線上に維持した状態で、前記開放端部側を変形させて少なくとも２つの前記道具の前記回転軸線からの距離を調整可能な加圧機構と、
   を備えることを特徴とする作業機械。
2. 請求項１記載の作業機械において、前記梁部は、前記取付部の内壁に連結される円弧状梁部を構成し、前記加圧機構により前記円弧状梁部が前記軸方向に加圧されることによって、前記開放端部が楕円形状に弾性変形可能に構成されることを特徴とする作業機械。
3. 請求項２記載の作業機械において、前記楕円形状に弾性変形する前記開放端部の短軸側に取り付けられる２つの第１の道具と、
   前記開放端部の長軸側に取り付けられる２つの第２の道具と、
   を備えることを特徴とする作業機械。
4. 請求項３記載の作業機械において、前記環状弾性ホルダ部に前記加圧機構による加圧力が付与されない状態で、前記第１の道具の周回軌跡は、前記第２の道具の周回軌跡よりも大径に設定されることを特徴とする作業機械。
5. 請求項４記載の作業機械において、前記加圧機構は、流体圧により前記環状弾性ホルダ部に加圧力を付与するとともに、前記流体圧による加圧力が付与されない状態で、前記第１の道具及び前記第２の道具は、中立位置に自動復帰することを特徴とする作業機械。
6. 請求項３〜５のいずれか１項に記載の作業機械において、前記第１の道具は、ワークの内周面に第１の加工を行う第１加工刃具であり、
   前記第２の道具は、前記内周面に前記第１の加工の後に第２の加工を行う第２加工刃具であることを特徴とする作業機械。
7. 請求項１記載の作業機械において、前記梁部は、前記取付部の内壁に連結される円弧状梁部を構成し、前記加圧機構により前記円弧状梁部が前記軸方向に加圧されることによって、前記開放端部が三角形状乃至多角形状に弾性変形可能に構成されることを特徴とする作業機械。
8. 請求項７記載の作業機械において、前記三角形状乃至多角形状に弾性変形する前記開放端部の角部に対応して前記道具が取り付けられることを特徴とする作業機械。

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