JP2009056569A

JP2009056569A - 振動切削加工装置

Info

Publication number: JP2009056569A
Application number: JP2007227427A
Authority: JP
Inventors: Kiyoshi Iguchi; 潔井口
Original assignee: Citizen Machinery Co Ltd
Current assignee: Citizen Machinery Co Ltd
Priority date: 2007-09-03
Filing date: 2007-09-03
Publication date: 2009-03-19

Abstract

【課題】工具を切り替えたり複数工具で同時加工を行う場合に、常に一定の振動をワークの加工部分に付与することができる振動加工装置を提供する。
【解決手段】主軸１００の回転によりワークを回転させ、ワークと工具とを相対的に振動させながら工具でワークを切削加工する振動切削加工装置において、振動付与手段２００が、主軸１００と一体回転し、かつ、主軸１００の軸線Ｃ方向にスライド自在に主軸に装着される振動体１４０と、この振動体１４０を主軸１００に対して軸線Ｃ方向に振動させる振動発生手段２１３とを備え、振動体１４０に前記チャックを一体的に取り付け、振動発生手段２００により振動体１４０を振動させることによって前記チャックを振動させ、前記チャックに把持されたワークを主軸１００に対して軸線Ｃ方向に振動させる構成とした。
【選択図】図３

Description

本発明は、ワークと工具とを相対的に振動させながら加工を行う振動切削加工装置に関する。

従来、工具とワークとを相対的に振動させながら旋削，孔空け，中ぐり、面削り等の各種切削加工を行う振動切削加工は、切削抵抗の減少や加工温度上昇の抑制、仕上げ精度の向上、構成刃先の付着抑制、工具寿命の向上等に有利であり、特にマイクロ部品等の微細部品の精密加工に利用されている。そして、前記の振動切削加工を行うことができる振動切削加工装置が既に公知となっている（例えば、特許文献１〜４参照）。
特開２００２−３０１６０１号公報特開２００２−５２８２８０号公報特開平７−２３７１９９号公報特開平７―１６４２１７号公報

上記の文献に記載の振動切削加工装置は、いずれも工具に超音波振動等の振動を付与するものであり、複数の工具を切り替えながらワークに所定の加工を行う場合には、例えば工具ごとに振動を付与する振動発生手段を設ける必要がある。
しかしながら、工具を高精度に振動をさせようとすると、工具毎に振動させる必要があり、工具の数だけ振動発生手段を設けるため刃物台が大型化するか、刃物台に装着できる工具の本数が制限されるばかりでなく、振動切削加工装置の価格が高額になるという問題がある。また、複数の刃物台を用いて複合加工を行う場合には、刃物台の接近性が悪く微細精密加工に不向きな装置になってしまう問題が生じる。

本発明は、回転自在な主軸と、この主軸の先端に設けられ、ワークを把持するチャックと、前記ワークを加工する工具を装着した刃物台と、前記ワークと工具とを相対的に振動させる振動付与手段とを有し、前記主軸の回転によりワークを回転させ、かつ、ワークと工具とを相対的に振動させながら工具でワークを切削加工する振動切削加工装置において、前記振動付与手段が、前記主軸と一体回転し、かつ、主軸の軸線方向にスライド自在に主軸に装着される振動体と、この振動体を主軸に対して主軸の軸線方向に振動させる振動発生手段とを備え、前記振動体に前記チャックを一体的に取り付け、前記振動発生手段により前記振動体を振動させることによって前記チャックを振動させ、前記チャックに把持されたワークを前記主軸に対して前記主軸の軸線方向に振動させる構成としてある。

この構成によれば、ワークを刃物台に対して振動させながら刃物台の工具でワークを加工することができるので、刃物台を大型化させたり、工具ごとに振動発生手段を設けたりすることなく、自由に工具を切り替えながら振動切削加工を行うことができ、工具の種類や大きさが変化しても常に一定の振動数でワークの加工を行うことが可能になる。また、複数工具でワークの複数個所を同時加工行う場合にも、各加工部位における振動数を一致させた状態で加工を行うことができる。
さらに複数の刃物台を用いて複合加工する場合、刃物台や工具は振動しないため、刃物台の接近性を向上させることができ、微細精密加工を高精度で行うことができる。

前記振動体は、前記主軸の貫通孔に挿通される中空軸から簡単に構成することができる。なお、このように形成した前記振動伝達部材の貫通孔に、切削加工装置の後方から供給する長尺棒状のワークを案内するためのガイド部材を挿通させ、加工精度を向上させることが可能になる。
また、振動発生手段を前記主軸の後方に配置してもよい。チャックが主軸の先端に設けられているので、このようにすることで、主軸の前後で重量バランスを取ることができる他、振動発生手段の作動により発生する熱を可及的にチャックから離反させて、加工部分への熱の伝導を抑制し、加工精度を向上させることができる。

前記振動発生手段として、前記振動発生手段が、前記振動体と主軸との間に設けた磁歪体と、前記磁歪体の外周に設けたコイルとを有し、前記コイルに電流を流すことにより、前記磁歪体が伸縮して振動を発生させるものを使用することができる。また、前記主軸又は前記振動体に、前記主軸又は前記振動体と一体になって回転し、前記振動発生手段に向けて冷却用の送風を行うファンを取り付けてもよい。このファンからの送風により、振動発生手段を簡単に冷却することができる。

本発明は上記のように構成されているので、ワークに振動を付与しつつ振動切削加工を行うことができる。そのため、工具が切り替わっても、常に一定の振動をワークの加工部分に付与しながら加工を行うことができる。また、複数の工具で複数の加工を同時に行う場合に全ての工具による加工部分に同一の振動を付与することができる。

図１は、本発明の振動切削加工装置の一実施形態にかかり、コレットチャックによりワークの把持させたときの主軸前端部分の断面図、図２は、駆動手段の構成及び作用を説明する拡大断面図で、（ａ）はピストンが前進してチャックがワークを把持したときの状態を、（ｂ）はピストンが後退してチャックがワークの把持を解除したときの状態を示している。また、図３は、主軸後端部分の断面図、図４は主軸前端部分をさらに拡大した断面図である。
なお、以下の説明において「前」と記載するときには図１〜図４の左方を指すものとし、「後」と記載するときは同右方を指すものとする。
主軸１００は、前後に配置された軸受１０２，１０２によって、主軸台１０１に回転自在に支持されている。主軸１００の回転は、主軸台１０１の内部に組み込まれたモータＭによって行われる。このモータＭは、回転軸を主軸１００で構成したいわゆるビルトインタイプである。

主軸１００には、主軸軸線Ｃに沿って前端から後端まで貫通する貫通孔１００ａが形成されている。
この貫通孔１００ａの内部には、パイプ状の中空軸で形成された振動体としての筒体１１５が軸線Ｃ方向にスライド自在に挿通している。また、筒体１１５の貫通孔１１５ａの内部には、棒状のワークをガイドするガイドチューブ１４０が設けられ、その先端が貫通孔１１５ａの内部に設けられた軸受１０５により筒体１１５に対して回転自在に支持されている。

筒体１１５は、主軸１００よりも長尺に形成され、前端側と後端側とが主軸１００の貫通孔１００ａから突出している。筒体１１５の途中部位には、係合手段であるピン１１５ｃが径方向外側に向けて立設されている。一方、主軸１００の前端には、径方向に貫通形成された長孔状の係合孔１００ｂが形成されている。ピン１１５ｃは、この長孔１００ｂと係合している。長孔状の係合孔１００ｂの周方向（短軸方向）の寸法は、主軸１００と筒体１１５とが一体になって回転できるようにピン１１５ｃの径とほぼ同じに形成され、軸線方向（長軸方向）の寸法は、筒体１１５のスライドを許容するように、ピン１１５ｃの径よりも大きく形成されている。

筒体１１５の貫通孔１１５ａの前端には、筒状のホルダスリーブ１３０が進退移動自在に挿入されている。このホルダスリーブ１３０内に、ワークを把持するコレットチャック１１０が進退移動自在に嵌め込まれている。
ホルダスリーブ１３０の途中部位には係合手段であるピン１３２が径方向外側に向けて立設されている。
一方、筒体１１５の前端には径方向に係合孔１１５ｂが貫通形成されている。
ピン１３２はこの係合孔１１５ｂに係合している。
係合孔１１５ｂは筒体１１５の先端部分の一部が長孔状に切り欠かれて形成され、周方向（短軸方向）の寸法は、ホルダスリーブ１３０と筒体１１５とが一体になって回転できるようにピン１３２の径とほぼ同じに形成され、軸線方向（長軸方向）の寸法は、ホルダスリーブ１３０の進退移動を許容するように、ピン１３２の径よりも大きく形成されている。

ホルダスリーブ１３０の貫通孔１３０ｂの底部には、コイルばね１１１が嵌挿され、コレットチャック１１０をホルダスリーブ１３０に対して常時前方に付勢
している。

ホルダスリーブ１３０の貫通孔１３０ｂの前端内周面は、コレットチャック１１０の前端外周面に形成されたテーパ面１１０ａと摺接するテーパ面１３０ａとして形成されている。そして、テーパ面１３０ａとテーパ面１１０ａが摺接しつつホルダスリーブ１３０をコレットチャック１１０に対して前進させることで、コレットチャック１１０の前端に形成されたチャック爪（図示せず）が径方向に縮径してワークを把持する。
ホルダスリーブ１３０の前端には、フランジ１３１が形成されている。

ホルダスリーブ１３０の後端部分１３０ｃは、縮径してガイドチューブ１４０の前端に挿入されている。後端部分１３０ｃの開口孔周縁はテーパ状に形成するとよい。このようにすることで、ガイドチューブ１４０内を挿通したワークの前端を、スムースにホルダスリーブ１３０の内部へと導くことができる。

筒体１１５の前端部分には、キー１１６によって筒体１１５と一体に回転できるようにシリンダ底部部材１５１ａが取り付けられている。このシリンダ底部部材１５１ａの前面に筒状のシリンダ本体１５１ｂがボルトで一体的に取り付けられている。
シリンダ底部部材１５１ａとシリンダ本体１５１ｂとからシリンダ１５１が構成されている。シリンダ１５１にピストン１５０が挿入されている。シリンダ底部部材１５１ａとピストン１５０との間に形成されたシリンダ室１５３と、主軸台１０１の前面に形成された流体供給孔１５５とは、ロータリジョイント１５４を介してシリンダ底部部材１５１ａに形成された流体流路１５２によって連通状に接続されている。流体供給孔１５５には、高圧エアタンクや油圧ポンプ等の図示しない圧力流体供給源に接続された圧力流体供給管が接続される。

シリンダ本体１５１ｂにはキャップ１０６が取り付けられている。前記コレットチャック１１０は、コイルばね１１１の付勢力により、キャップ１０６に常時押し当てられている。ピストン１５０の前方には、筒体１１５の外径とほぼ同一の内径を有する筒状のピストンロッド１５０ａが突設されている。ピストンロッド１５０ａは、筒体１１５の先端にスライド自在に外挿されている。ピストンロッド１５０ａの先端には、ホルダスリーブ１３０のフランジ１３１が、コイルばね１１１の付勢力により常に押し付けられている。
シリンダ室１５３に外部から圧力流体が供給されると、ピストン１５０及びピストンロッド１５０ａが前方に移動し、ホルダスリーブ１３０をコイルばね１１１の付勢力に抗して前進させる。

ワークの加工開始前の初期状態においては、図２（ａ）に示すように、ピストン１５０，ピストンロッド１５０ａ及びホルダスリーブ１３０が後退していて、コレットチャック１１０のチャック爪が開状態にある。
ワークの加工を開始するにあたり、ガイドチューブ１４０を挿通させてワークを前方に送り、コレットチャック１１０の前端からワークの前端を所定長さ突出させる。

この状態で、流体流路１５５，１５２からシリンダ室１５３にエア等の圧力流体を供給し、（ｂ）に示すように、ピストン１５０及びピストンロッド１５０ａによってホルダスリーブ１３０を前進させる。これにより、ホルダスリーブ１３０のテーパ面１３０ａとコレットチャック１１０のテーパ面１１０ａとが摺接してチャック爪を径方向に縮径させ、ワークを把持する。
この後、主軸１００を回転させると、筒体１１５が主軸１００と一体的に回転し、筒体１１５の回転によってホルダスリーブ１３０とコレットチャック１１０が筒体１１５と一体的に回転し、コレットチャック１１０に把持されたワークが回転するため、図示しない刃物台に装着された工具によりワークの切削加工を行うことができる。ワークは、コレットチャック１１０に把持された状態で、ホルダスリーブ１３０の直後に位置するガイドチューブ１４０によって支持されているため、長尺のワークの振れや波打ちに起因する加工精度の低下を抑止し、高精度な切削加工を行うことができる。

加工終了後は、主軸１００の回転を停止させ、図示しない切換弁を作動させてシリンダ室１５３を大気に開放すると、ホルダスリーブ１３０，ピストン１５０及びピストンロッド１５０ａは、コイルばね１１１の付勢力によって後退し、コレットチャック１１０のチャック爪が開状態となり、ワークの把持を解除し、（ａ）の状態に復帰する。

なお、キャップ１０６の外周には螺旋溝１０６ａが形成され、この螺旋溝１０６ａにダイヤル１２０が螺合されている。ダイヤル１２０の外周面には均等ピッチで目盛りが付されていて、ダイヤル１２０の回転量（つまりキャップ１０６上におけるダイヤル１２０の位置）を微調整できるようになっている。シリンダ本体１５１ｂには、リング状の当接部材１６０がシリンダ本体１５０ｂに対して進退移動自在に嵌装されている。この当接部材１６０は、シリンダ本体１５１ｂを貫通する取付部材１６２によって、ピストン１５０に取り付けられている。そして、当接部材１６０がストッパとなるダイヤル１２０に当接することで、ピストン１５０及びピストンロッド１５０ａの前進が規制される。
このためダイヤル１２０の位置（回転量）を調整することで、チャック爪の開閉量を微調整することが可能になり、ワークの径や材質，表面仕上げの状態や振動の大きさ等に応じて、コレットチャック１１０のチャック爪によるワークの把持力を適切なものに微調整することができる。例えば、小径のパイプ材をチャック１１０に把持させて振動を付与しつつ切削加工する場合に、付与される振動によりパイプ材がチャックから外れない程度に把持力を弱めに調整して、パイプ材の切削加工を行うことが可能になる。

主軸１００の後端に、筒状のホルダ２０１が主軸１００に一体的に取り付けられ、筒体１１５はこのホルダ２０１の貫通孔２０１ａを挿通している。貫通孔２０１ａの後端から突出する筒体１１５の後端には螺旋部が形成され、この螺旋部に押さえ部材２０４が螺着されている。ホルダ２０１の貫通孔２０１ａ内には皿ばね２０２が配置されている。この皿ばね２０２は、外周縁がホルダ２０１に係合し、内周縁が筒体１１５の外周面に突出形成された係合部１１５ｅに係合していて、筒体１１５を常時前方に付勢している。ホルダ２０１の前端には冷却用のファン２０３が一体的に取り付けられている。

ホルダ２０１の後端にリング状の磁歪体２１３が外嵌されている。磁歪体２１３の前後にはホルダ２０１に外嵌されて磁石２１１が配置されている。後方側の磁石２１１と押さえ部材２０４との間にはカラー２０５が介設されている。前方側の磁石２１１はホルダ２０１の段部と当接している。主軸台１０１の内部には、リング状の磁歪体２１３を巻回するように設けられたコイル２１２と、コイル２１２の周囲に位置するように設けられた磁石２１４とが取り付けられている。磁歪体２１３は、周囲に巻回したコイルに通電することにより磁界中で変形する性質を有する公知の材料で形成することができる。本実施形態においては、株式会社モリテックスが販売している「ETREMA TERFENOL-D（登録商標）」を使用している。本磁歪体２１３は、コイル２１２に電流を流すことで、軸線Ｃ方向の前後に伸縮し、コイル２１２に流す電流周波数に応じて伸縮サイクルが制御される。

磁歪体２１３が伸長することで押さえ部材２０４を介して筒体１１５が後方に押され、磁歪体２１３が縮退することで、皿ばね２０２の付勢力により筒体１１５が前方に押される。この繰り返しにより、筒体１１５が、主軸１００に対して、軸線Ｃの前後方向に振動する。磁歪体２１３は筒体１１５が超音波振動するように伸縮サイクルが設定される。本実施形態においては筒体１１５を５０〜３ｋＨｚ程度の超音波振動させるように設定されている。ピン１１５ｃが長孔１００ｂ内を前後方向に移動することによって、筒体１１５が主軸１００と一体的に回転した状態での上記振動が許容される。上記のように磁歪体２１３，コイル２１２，押さえ部材２０４，磁石２１１，２１４，カラー２０５によって、主軸１００に対して筒体１１５を振動させる振動付与手段２００が構成されている。
なお、主軸１００の回転によってファン２０３が主軸１００と一体的に回転し、主軸台１０１に形成された吸気孔１０１ａからエアを取りこみ、主軸台１０１に形成された排気孔１０１ｂからエアを排出するように冷却風の送風を行い、コイル２１２に電流が流れること等で発生する熱を冷却する。

図４に示されるように、筒体１１５の途中部位の外周面には、ブロック状のキー１１６を嵌め込む凹状のキー孔１１７が少なくとも一つ（図示の例では二つ）形成されている。
キー１１６よりも前方の筒体１１５の外周面には、その全周にわたってねじ１１５ｄが形成され、このねじ１１５ｄに筒体１１５の前方からナット１１９が螺入される。
キー１１６よりも後方であって主軸１００の前端面よりも前方の筒体１１５の外周面には環状の溝１１８ａが形成され、この溝１１８ａにカラー１１８が嵌め付けられる。

ナット１１９はねじ１１５ｄに螺入してシリンダ底部部材１５１ａに当接させ、シリンダ底部部材１５１ａをカラー１１８に押し付ける。これにより、シリンダ底部部材１５１ａが筒体１１５に固定される。なお、振動伝達時にシリンダ底部部材１５１ａが主軸１００に接触しないようにするために、シリンダ底部部材１５１ａと主軸１００との間には、伝達する振動の振幅よりも大きい隙間を設ける。

上記構成により、シリンダ１５１をベースに構成されるコレットチャック１１０の開閉の駆動機構と、コレットチャック１１０とが筒体１１５に一体的に設けられるため、筒体１１５の振動付与手段２００による前後方向の振動によって、コレットチャック１１０に把持された状態のままワークが主軸１００に対して主軸１００の軸線Ｃ方向に超音波振動しながら主軸１００と一体的に回転する。このワークの振動によってワークと工具とが相対的に振動するため、ワークを振動させたまま前述のように切削加工を行うことができる。
上記のようにワークを振動させることによって、刃物台を大型化させたり、工具ごとに振動発生手段を設けたりすることなく、自由に工具を切り替えながら振動切削加工を行うことができる。
この際、工具の種類や大きさが変化しても常に一定の振動数でワークの加工を行うことが可能になり、また、複数工具でワークの複数個所を同時加工行う場合にも、各加工部位における振動数を一致させて加工を行うことができる。
さらに、複数の刃物台を用いて複合加工する場合、刃物台や工具は振動しないため、刃物台の接近性を向上させることができ、微細精密加工を高精度で行うことができる。
なお、本実施形態において、振動付与手段２００は、主軸１００の後方側に配置され、コレットチャック１１０の開閉の駆動機構と、コレットチャック１１０とが主軸１００の前方側に配置されているため、主軸１００の回転に対して前後の重量バランスが取られている。また、振動付与手段２００がコレットチャック１１０から比較的遠い位置に離反して配置されるため、振動付与手段２００の作動により発生する熱の加工部分への伝導を抑制し、加工精度を向上させることができる。

上記構成の振動切削加工装置によるワークの加工例を図５に示す。
（ａ）は、バイト等の切削工具Ｔ１によるワークＷの外周面の切削加工を示している。ワークＷを主軸とともに回転させながら、主軸軸線方向に振動を付与しつつ、切削工具Ｔ１で振動切削加工を行う。
（ｂ）は、ドリルやタップ等の回転工具Ｔ２によるワークＷの孔明け加工又は螺旋切り加工を示している。この場合は、回転工具Ｔ２を回転させワークＷは主軸とともに停止させる。この場合もワークに主軸軸線方向の振動を付与することで、回転工具Ｔ２による振動切削加工が可能である。
（ｃ）は、二つのバイトＴ１，Ｔ３を使ってワークＷの外周面加工と端面加工とを同時に行う場合を示している。
前記のように、複数の工具（図示の例では工具Ｔ１，Ｔ３）による同時加工の場合、同一の振動条件の下で加工を行うことができる。

本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記の実施形態により何ら限定されるものではない。
例えば、振動発生手段としては磁歪体２１３とコイル２１２を有する上記の構成のものに限らず、公知の種々の構成のものを用いることができる。振動発生装置として市販されているものを用いることも可能である。
また、上記の説明の振動切削加工装置は、主軸の貫通孔内にガイドチューブ１４０を備え、棒材のワークを加工することを前提としたものであるが、本発明は棒材以外の一般ワークの加工にも適用が可能である。この場合は、ガイドチューブ１４０は設ける必要がなく、かつ、振動体も上記のような貫通孔を有する筒体とする必要はない。

さらに、チャックの開閉を行う駆動手段は、シリンダ・ピストンによるものに限らず、例えば、螺旋軸に螺合されたナットの推進力によりチャックの開閉を行うものなど、他の駆動手段であってもよい。また、上記の駆動体では、ピストン１５０を前進させる際に圧力流体をシリンダ室１５３に供給し、ピストン１５０を後退させる際にはコイルばね１１１の付勢力でピストン１５０を押し戻すようにしているが、ピストン１５０の前進及び後退の両方を圧力流体により行うように構成することも可能である。
また、振動発生手段を設ける位置は主軸の後方や外側に限らず、主軸台等の固定部に振動発生手段を取り付け、主軸の内部で振動発生手段から筒体に振動を付与するように構成することも可能である。

本発明は、ワークと工具とを相対的に振動させながらワークの加工を行うものであれば広範に適用が可能で、主軸が水平方向に支持された横型の振動切削加工装置に限らず、主軸が垂直方向に支持された立型の振動切削加工装置等にも適用が可能である。

図１の振動切削加工装置のより詳細な具体例を示す図で、主軸前端部分の断面図である。駆動手段の構成及び作用を説明する拡大断面図で、（ａ）はピストンが後退してチャックがワークの把持を解除したときの状態を、（ｂ）はピストンが前進してチャックがワークを把持したときの状態を示している。主軸後端部分の断面図である。主軸前端部分をさらに拡大した断面図である。本発明の振動切削加工装置による加工例を説明する概略図である。

符号の説明

１００：主軸
１１０：コレットチャック
１１５：筒体（振動体）
２００：振動付与手段
２０２：皿ばね
２０３：ファン
２１１：磁石
２１２：コイル
２１３：磁歪体
２１４：磁石

Claims

回転自在な主軸と、この主軸の先端に設けられ、ワークを把持するチャックと、前記ワークを加工する工具を装着した刃物台と、前記ワークと工具とを相対的に振動させる振動付与手段とを有し、前記主軸の回転によりワークを回転させ、かつ、ワークと工具とを相対的に振動させながら工具でワークを切削加工する振動切削加工装置において、
前記振動付与手段が、前記主軸と一体回転し、かつ、主軸の軸線方向にスライド自在に主軸に装着される振動体と、この振動体を主軸に対して主軸の軸線方向に振動させる振動発生手段とを備え、
前記振動体に前記チャックを一体的に取り付け、
前記振動発生手段により前記振動体を振動させることによって前記チャックを振動させ、前記チャックに把持されたワークを前記主軸に対して前記主軸の軸線方向に振動させること、
を特徴とする振動切削加工装置。
前記振動体が、前記主軸の貫通孔に挿通される中空軸からなることを特徴とする請求項１に記載の振動切削加工装置。
前記振動発生手段を前記主軸の後方に配置したことを特徴とする請求項１又は２に記載の振動切削加工装置。
前記振動発生手段が、前記振動体と主軸との間に設けた磁歪体と、前記磁歪体の外周に設けたコイルとを有し、前記コイルに電流を流すことにより、前記磁歪体が伸縮して振動を発生させることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の振動切削加工装置。
前記主軸又は前記振動体に、前記主軸又は前記振動体と一体になって回転し、前記コイルに向けて冷却用の送風を行うファンを取り付けたことを特徴とする請求項４に記載の振動切削加工装置。