JP2009066725A - 複合旋盤及び複合旋盤におけるワークの加工方法 - Google Patents

Abstract

【課題】回転工具軸を持つ刃物台とタレット刃物台とを備えた複合旋盤を用い、細長いシャフト状ワークの先端をびびり振動を生じさせることなく加工する。ワーク１個毎に加工形状や加工寸法、加工位置などが異なる個別的ワークの先端部の加工を、その他の部分の加工を行った旋盤上で行うことができるようにする。
【解決手段】ワーク先端部に横孔７３を加工する加工工程を含むワークの加工を、タレット刃物台４のタレット４１の所定の工具取付けステーションにＺ軸と直交する方向に延在する杆材４３を装着し、主軸で把持したワーク７に横孔７３を加工した後、当該横孔が前記延在方向を向く位相で主軸を固定し、タレット刃物台４の移動により杆材４３を横孔７３に挿通し、その後タレット刃物台４を前記主軸から離れるＺ軸方向に付勢した状態で回転工具軸に装着された回転工具５１で主軸に把持されたワーク７を加工するという手順で行う。
【選択図】図１

Description

この発明は、回転工具軸を持つ刃物台（この明細書で「回転工具刃物台」と言う）とタレット刃物台とを備えた複合加工が可能な旋盤及び当該旋盤を用いるシャフト状ワークの加工方法に関し、特に基端を主軸に把持された細長いワークの先端部を加工する際に生ずるワーク先端の撓みや振動（以下「びびり振動」と言う。）を防止する技術に関するものである。

細長いワークを旋盤の主軸（正確には主軸に装着されたチャック）で把持して、その把持位置から離れた位置の加工を行うとき、加工反力によるワークの撓みによって加工位置が偏倚したりワークが振動したりして加工精度が低下する、加工負荷を掛けられないなどの問題が発生する。このびびり振動を防止する手段として、加工位置近くでワークの外周を支持する振れ止め部材を設ける手段や、ワークの把持位置を加工位置近くに掴み変える手段が採用されている。

前者の手段としては、例えば主軸軸線を挟んで２個の刃物台が設けられており、かつその少なくとも一方がタレット刃物台であるとき、タレットの工具取付ステーションの一箇所に振れ止め部材を装着し、他方の刃物台に装着された工具でワークの先端部（主軸の把持位置から離れた位置）を加工するとき、当該工具からワークに作用する加工反力を受ける位置に振れ止め部材を進出させて加工位置近傍のワーク外周面に振れ止め部材を当接させて支持するというものである。

また、後者の手段は、例えば２主軸対向旋盤を用いてワークの基端と先端とを把持して細長いワークの加工を行う際に、チャックで把持しているワークの先端を加工するときに、まず基端側を把持しているチャックを開いて先端側チャックを基端側チャックに向けて移動した後、基端側チャックでワークを把持し、先端側チャックを開いて後退させ、この状態で先端近くで把持したワーク７の先端部を加工する（図６参照）というものである。

なお、２主軸対向旋盤の場合には、細長いワークの基端と先端とを対向する２本の主軸で把持して加工を行うことにより、ワークのびびり振動を抑えることができる。しかし、ワークの端部（先端又は基端）を加工するときは、当該端部を把持している主軸をワークから離隔させる必要があるので、この端部加工の際にワークのびびり振動が発生する。

旋盤に回転工具軸を備えた刃物台を設け、更にこの回転工具軸を旋盤のＺ‐Ｘ平面と直交するＹ軸方向に移動可能に設けたり、Ｙ軸回りの旋回方向（Ｂ軸）に旋回可能に設けることにより、主軸回転の固定やコンタリング（低速回転）と協働して、旋盤では不可能と思われていた加工を実現可能にした複合旋盤が提供されている。しかし、一方において、製品の多様化ないし個別化が進んでおり、旋盤による加工を主体とする加工品においても、加工形状が複雑で、かつ個別的（加工品一個一個の加工形状や寸法が異なる）ワークの加工が増加してきている。

図３は、そのようなワークの一例として、人工骨を示したものである。図に示したものの材質はチタンで、全体としては細長い円筒状であるが、種々の方向を向いた複数の横孔７２が加工されており、基端に雌ねじ孔７１が加工され、先端部外周には、複数の軸方向の溝７４と、軸直角方向に貫通する長孔７３とが加工され、更にその先端７５は複雑な形状に加工されている。

この種のワークは、１本毎に長さや太さ、横孔７２、７３の角度や幅、溝７４や先端７５の加工形状が異なる。そして、ワークが細長いシャフトワークであるため、基端のみを把持した状態で先端部を加工すると、びびり振動が起る。更に後述する理由で前述したようなびびり振動の防止手段を採用することができない。そのため、従来は２主軸対向複合旋盤を用いて当該旋盤で加工可能な部分の加工を行った後、マシニングセンタなどの別の機械で複合旋盤では加工できなかったワーク端部の加工を行うという工程で加工が行われていた。

複数の機械を用いて行われていた加工が１台の機械でできるようになれば、設備コストや加工時間を短縮できる。そのため上述した人工骨のようなワークの加工を複合旋盤のみで総て行いたいという要求がある。

同一形状のワークをある程度の個数加工する場合であれば、ワーク形状が複雑であっても、その形状に応じた治具や把持爪（生爪）を用いることにより、加工が可能になる場合がある。しかし、個別的ワークでは、ワーク１個毎に治具や生爪を用意しなければならないこととなるので、そのような治具や生爪を用いる加工方法では、治具の加工を含めた加工時間や加工コストがかえって増大してしまう。

すなわち、例えば振れ止め部材を用いる方法では、ワーク１個毎にそのワークの外周形状に応じた振れ止め治具を用意しなければならない。また、先端近傍をチャックで把持する方法では、ワーク先端部の外周形状に合せた生爪（基端と先端部の両方を把持可能な生爪）をワーク１個毎に用意しなければならない。

この発明は、上記のような問題を解決して、ワーク先端部の形状が個別的、すなわちワーク１個毎に加工形状や加工寸法、加工位置などが異なるワークの先端部の加工を、その他の部分の加工を行った旋盤上で行うことができるようにする技術手段を提供することを課題としており、個別的な治具を必要とせず、かつ全体としてのワークの加工時間を短縮することが可能な、上記技術手段を提供することを課題としている。

この発明は、図３に例示した人工骨のようなワークには、その先端部にワークの直径方向に貫通する横孔７３が設けられていることに着目してなされたものである。従って、この発明の複合旋盤を用いるワークの加工方法は、ワーク先端部に横孔７３を加工する加工工程を含むワークの加工方法である。

この出願の請求項１の発明に係る複合旋盤は、主軸軸線３を挟んで配置されたタレット刃物台４及び回転工具軸を持つ回転工具刃物台５の２個の刃物台と、タレット刃物台４を設定した力でＺ軸方向に付勢するタレット付勢手段と、主軸回転を指定した位相で固定しかつ指定した位置に移動したタレット刃物台４をＺ軸方向に付勢した状態で前記回転工具軸に装着された回転工具５１で主軸１に把持されたワーク７を加工するシャフト先端加工制御手段とを備えている複合旋盤である。

この発明の加工は、実用的には、２主軸対向旋盤を用いて行われる。この出願の請求項２の発明に係る複合旋盤は、主軸軸線３を挟んで配置されたタレット刃物台４及び回転工具軸を持つ回転工具刃物台５の２個の刃物台と、タレット刃物台４を設定した力でＺ軸方向に付勢するタレット付勢手段と、主軸回転を指定した位相で固定しかつ指定した位置に移動したタレット刃物台４をＺ軸方向に付勢した状態で前記回転工具軸に装着された回転工具５１で一方端を主軸１に把持されたワーク７を加工するシャフト先端加工制御手段とを備えた２主軸対向複合旋盤である。

本願の請求項３の発明に係るワークの加工方法は、請求項１記載の複合旋盤を用い、タレット刃物台４のタレット４１の所定の工具取付けステーションにＺ軸と直交する方向に延在する杆材４３（４３ａ、４３ｂ）を装着し、主軸で把持したワーク７に横孔７３を加工した後、当該横孔が前記延在方向を向く位相で主軸を固定し、タレット刃物台４の移動により前記杆材４３を横孔７３に挿通し、その後タレット刃物台４を前記主軸から離れるＺ軸方向に付勢した状態で前記回転工具軸に装着された回転工具５１で主軸に把持されたワーク７を加工することを特徴とする、複合旋盤におけるワークの加工方法である。

また、本願の請求項４の発明に係るワークの加工方法は、請求項２記載の２主軸対向複合旋盤を用い、タレット刃物台４のタレット４１の所定の工具取付けステーションにＺ軸と直交する方向に延在する杆材４３（４３ａ、４３ｂ）を装着し、基端と先端とを対向する２個の主軸１、２で把持したワーク７の先端部に横孔７３を含む加工を行った後、横孔７３が前記延在方向を向く位相で主軸１を固定してタレット刃物台４の移動により杆材４３をワークの横孔７３に挿通する杆材挿通動作と、主軸２によるワークの先端の把持を解除して当該主軸を退避させる先端側主軸退避動作とを行った後、タレット刃物台をワークの基端を把持した主軸１から離れるＺ軸方向に付勢した状態で前記回転工具軸に装着された回転工具５１でワークの先端加工を行うことを特徴とする、２主軸対向複合旋盤におけるワークの加工方法である。

この発明の加工方法は、２主軸対向複合旋盤の加工方法として特に有利である。その理由は、ワーク先端部の横孔７３や外周部の溝７４の加工を、ワーク先端を先端側チャック２１で把持した状態で、びびり振動を生じさせることなく加工した後、この発明の方法でワーク先端の加工を行うことができるからである。

複合旋盤で加工された横孔７３は、ドリルやエンドミルで加工された孔であるから、断面が円形であるか、又は軸方向端部が半円形の長孔（図５参照）である。杆材４３は丸棒又はワークに当接する側縁が半円形断面の短冊板状のものとし、タレット刃物台をＺ軸方向に付勢したとき、杆材の凸円弧と横孔の凹円弧とが当接して、杆材４３から作用する付勢力によってワーク７に軸方向の張力が付与される。

このワークに付与された張力と、杆材の凸円筒面と横孔の凹円筒面との接触部に作用する摩擦力とにより、ワーク先端のびびり防止作用が発揮される。すなわち、ワークの横孔７３の凹円筒面と、それより若干径の小さい杆材４３の凸円筒面とがＺ軸方向、すなわちワークの軸方向に押圧されることにより、Ｚ軸と直行するＸ軸及びＹ軸方向への杆材４３とワーク７との相対移動が阻止されて、ワーク７の軸直角方向の偏倚が阻止されることにより、大きなびびり振動防止作用が得られる。

一般的には、タレット刃物台にストレート形状の杆材（図４の４３ａ）を装着して、横孔７３をＸ軸方向を向けた状態で杆材４３によるびびり振動防止作用を付与すれば、回転工具側のＸ、Ｙ、Ｚ及びＢ軸移動により、殆どのワーク先端形状の加工に対応することができる。

ワークの横孔７３をＸ軸方向に向けた姿勢では加工できない先端形状のワークであれば、Ｙ軸方向にも移動可能なタレット刃物台を備えた複合旋盤を用いて、そのタレットに主軸位相を固定するときの横孔の方向に合せた延在部４４を先端に有する杆材（図４の４３ｂ参照）を用い、タレット刃物台のＸ軸とＹ軸との合成移動により、当該杆材の延在部４４をワークの横孔に挿入するようにすればよい。

本願発明は、剛性不足なために加工しようとする先端部がふらついて加工できなかったシャフトワークの先端加工を、タレット刃物台に取り付けた杆材をワークの先端部に加工した横孔に入れて当該刃物台をＺ軸方向に付勢することにより、ワークに軸方向の張力を付与した状態で加工できるようにしたものである。本願発明により、従来複数の機械を用いて行っていたワーク全体の加工を１台の複合旋盤上で総て行うことができるようになり、工程集約による加工時間の短縮と加工コストの低減を図ることができる。

そして、ワークに加工される横孔に挿入可能な杆材（単なる丸棒でよい）のみを準備すれば、この発明のびびり防止加工を行うことができ、先端部に横孔を加工することができるワークであれば、各種形状のワークの先端加工に利用することができ、特に寸法や形状がワーク毎に異なる個別的ワークの先端部を効率よく加工する加工方法として有用である。

以下、図１および図２を参照して、この発明の２主軸対向旋盤を用いて図３に示したワークをこの発明の方法で加工する例を説明する。図１は、ワークの加工手順を示した図で、２主軸対向旋盤の要部が模式的に示されている。

図１において、１は定位置に設けられた第１主軸、２は第１主軸の軸線３と同軸上にＺ軸方向の位置をサーボ制御されている第２主軸、１１及び２１はそれらの主軸の対向端に装着された第１チャック及び第２チャック、４は主軸軸線３の一方の側に配置されたタレット刃物台、５は主軸を挟む他方の側に配置された回転工具刃物台、４１はタレット刃物台のタレット、４２はタレット４１に装着された工具、５１は回転工具刃物台５に装着された回転工具、４３はタレット４１に装着された杆体、６はＮＣ装置、４５はタレット刃物台４のＺ軸送り用のサーボモータである。

タレット刃物台４は、そのＺ軸方向移動とＹ軸方向移動とをＮＣ装置６でサーボ制御されている。回転工具刃物台５は、Ｚ軸方向、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向及びＢ軸方向の移動をＮＣ装置６でサーボ制御されている。図には示してないが、回転工具刃物台の回転工具５１は、自動工具交換装置によって交換可能である。ＮＣ装置６は、それぞれの加工プログラムに従ってタレット刃物台４と回転工具刃物台５とを個別に制御している。タレット刃物台４と回転工具刃物台５との同期動作が必要なときは、それぞれの加工プログラムに他方の動作の終了を待機する待機コードを挿入して同期をとる。

タレット刃物台４のＺ軸送り用のサーボモータ４５は、当該モータに与える電流を制限する最大電流設定器を備えている。ＮＣ装置６には、シャフト先端加工の際にワークに与える張力に対応する電流値を記憶する付勢電流値メモリと、加工プログラムから所定のコードを読取ったときに、前記最大電流設定器の設定値を付勢電流値メモリに記憶された値に変更する電流値変更手段とを備えている。付勢電流値メモリと最大電流設定器の電流値変更手段とは、シャフト先端加工制御手段の要素となるものであり、他の要素は、タレット刃物台用と回転工具刃物台用との待機コードを含む２つの加工プログラムによって実現される。

図１（ａ）は、図３に示したワーク７の先端部以外の加工を行っている状態を示した図である。ワーク７は、ローダで旋盤の機内に搬送されて、基端を第１チャック１１で把持した後、第２チャック２１をワーク先端の位置に移動させて、ワーク先端を把持し、第１主軸１と第２主軸２とを同期回転させてチャック１１、２１で把持されていない部分の加工を行う。ワーク基端のねじ孔７１などの加工は、ワーク外周の複雑な形状の加工を行う前に第２チャック２１でワークの基端近くを把持し、ワーク基端を第１チャック１１から開放した状態で加工する。斜めの孔７２やワーク先端側の横孔７３、ワーク周面の溝７４などは、ワークの両端を把持して主軸１、２の位相を固定した状態で、回転工具刃物台５に装着した回転工具５１により加工される。ワークの旋削加工は、タレット４１に装着した工具４２で行われる。

ワークの基端及び中間部の加工が終了したら、第２チャック２１を開いて退避させ、ワーク先端部に加工した横孔７３がＸ軸方向を向く位置で第１主軸の回転を固定した後、タレット４１の割出動作とタレット刃物台４のＺ軸移動及びＸ軸移動により、杆体４３をワーク先端の横孔７３に挿入する（図１（ｂ））。そして、タレット刃物台４のＺ軸送りモータ４５の最大電流設定器の設定値を付勢電流値メモリに記憶された値に変換した後、当該Ｚ軸送りモータにタレット刃物台４を第１主軸１から離隔させる方向のＺ軸移動指令を与える。

この移動指令により、タレット刃物台４は僅かに移動するが、杆体４３の側面と横孔７３の側面とが衝突して、タレット刃物台４の移動は強制的に停止させられる。一方、ＮＣ装置からは、Ｚ軸方向の送り指令が継続してタレット刃物台に与えられ続けるので、タレット刃物台４は杆体４３を介して最大電流設定器に設定された値に対応する張力をワーク７に与える。

この図１（ｃ）に示す状態で、回転工具刃物台５は、回転工具５１の先端をワーク７の先端７５に臨ませ、Ｚ軸、Ｘ軸、Ｙ軸及びＢ軸移動により、ワーク先端を所定形状に加工する（図２）。ワーク先端の加工が終了したら、タレット刃物台に与えているＺ軸送り指令を解除し、刃物台４、５を退避させて加工を終了する。必要があれば、上記の第１工程のシャフト先端加工の後、横孔７３から杆体４３を退避させた後主軸１を１８０度回転し、横孔７３に逆方向から杆体を挿入して、第２工程のシャフト先端加工を行うこともできる。

もし、ワークの先端形状が複雑で、上記の手段では加工しきれないときは、Ｙ軸送り装置を備えたタレット刃物台のタレット４１にストレートの杆体４３ａと先端に所定角度の延在部を設けた杆体４３ｂ(図４参照)とを装着し、ストレートの杆体を用いて前述した工程のシャフト先端加工を行った後、横孔７３が杆体４３ｂの延在部４４の方向を向くように主軸の角度を変更し、タレット刃物台４のＺ軸移動及びＹ軸とＸ軸との合成移動により、杆体の延在部４４を横孔７３に挿入し、この状態で前述した動作でワークに張力を付与しながらシャフト先端加工を行ってやればよい。

この発明の一実施形態を示す説明図 この発明の方法でシャフト先端加工を行っている状態を示す要部の斜視図 この発明の装置及び方法で加工するワークの例を示す斜視図 杆体の例を示す図 ワークに加工した横孔とそれに挿入された杆体との関係を示す要部の側面図 従来のびびり防止加工の一例を示す説明図

符号の説明

１ ワーク基端側の主軸
２ ワーク先端側の主軸
３ 主軸軸線
４ タレット刃物台
５ 回転工具刃物台
７ ワーク
41 タレット
43 杆材
51 回転工具
73 横孔

Claims (4)

1. 主軸軸線を挟んで配置されたタレット刃物台及び回転工具軸を持つ回転工具刃物台の２個の刃物台と、
   タレット刃物台を設定した力でＺ軸方向に付勢するタレット付勢手段と、
   主軸回転を指定した位相で固定しかつ指定した位置に移動したタレット刃物台をＺ軸方向に付勢した状態で前記回転工具軸に装着された回転工具で主軸に把持されたワークを加工するシャフト先端加工制御手段とを備えた、複合旋盤。
2. 主軸軸線を挟んで配置されたタレット刃物台及び回転工具軸を持つ回転工具刃物台の２個の刃物台と、
   タレット刃物台を設定した力でＺ軸方向に付勢するタレット付勢手段と、
   主軸回転を指定した位相で固定しかつ指定した位置に移動したタレット刃物台をＺ軸方向に付勢した状態で前記回転工具軸に装着された回転工具で一方端を主軸に把持されたワークを加工するシャフト先端加工制御手段とを備えた、２主軸対向複合旋盤。
3. 請求項１記載の旋盤を用い、タレットの所定の工具取付けステーションにＺ軸と直交する方向に延在する杆材を装着し、主軸で把持したワークに横孔を加工した後、当該横孔が前記延在方向を向く位相で主軸を固定し、タレット刃物台の移動により前記杆材を横孔に挿通し、その後タレット刃物台を前記主軸から離れるＺ軸方向に付勢した状態で前記回転工具軸に装着された回転工具で主軸に把持されたワークを加工することを特徴とする、複合旋盤におけるワークの加工方法。
4. 請求項２記載の旋盤を用い、タレットの所定の工具取付けステーションにＺ軸と直交する方向に延在する杆材を装着し、基端と先端とを対向する２個の主軸で把持したワークの先端部に横孔を含む加工を行った後、当該横孔が前記延在方向を向く位相で主軸を固定してタレット刃物台の移動により前記杆材を前記横孔に挿通する杆材挿通動作と、ワークの先端の把持を解除して当該先端を把持していた主軸を退避させる先端側主軸退避動作とを行った後、タレット刃物台をワークの基端を把持した主軸から離れるＺ軸方向に付勢した状態で前記回転工具軸に装着された回転工具でワークの先端加工を行うことを特徴とする、２主軸対向複合旋盤におけるワークの加工方法。

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