JP2009190157A - 切削加工ユニット、及び工作機械 - Google Patents

Abstract

【課題】工具４３の切削性を良好に維持しながらも、工具４３の旋回半径を変更可能な切削加工ユニット１１、及び工作機械１を提供する。
【解決手段】工作機械１に支持されて、主軸部２１の駆動回転により工具４３を旋回させてワーク１０１を切削加工する切削加工ユニット１１である。前記主軸部２１に設けられ、前記主軸部２１の回転中心Ｃ２１から径方向に任意の間隔で偏芯された偏芯軸Ｃ３１周りに回転可能な偏芯回転部３１と、前記偏芯回転部３１に設けられて、前記工具４３を保持する工具保持部４１と、前記偏芯回転部３１を前記偏芯軸Ｃ３１周りに回転することにより、前記工具４３を前記主軸部２１の径方向に移動して前記工具４３の旋回半径を変更する工具旋回半径変更機構と、前記工具保持部４１を、前記主軸部２１の回転中心Ｃ２１と平行な軸芯Ｃ４１周りに自転させることにより、前記工具４３の刃先４３Ｅの向きを補正する刃先向き補正機構と、を備えている。
【選択図】図４

Description

本発明は、主軸部の駆動回転により工具を旋回させてワークを切削加工する切削加工ユニット、及び工作機械に関する。

従来、ワークの加工には、その加工に適した工作機械が使用される。例えば、円筒状のパイプをワークとしてその外周面等にねじ切り加工を施す場合には、旋盤が使用される。そして、この旋盤においては、その主軸部にパイプをチャック固定した状態で主軸部と一体にパイプを管軸中心に回転するとともに、パイプの外周面等に工具の刃先を当てながら工具をパイプの管軸方向に直進することにより、ねじ切り加工が行われる。

しかし、大径や長尺というようにパイプサイズが大きい場合には、パイプの回転に必要な動力も大きくなって大型の旋盤が必要となり、結果、コスト高となる。また、パイプサイズが大きいと、パイプの回転に伴って自励振動が生じ易くなり、加工精度の維持が難しくなる。

ここで、これらの問題を解決する方法として、マシニングセンターを用いたＵ軸加工という方法がある。このＵ軸加工というのは、旋盤とは逆に、ワークの方を移動不能に固定しつつ、工具の旋回半径を調整しながら工具の方を旋回させて加工するものである。

すなわち、図１Ａ及び図１Ｂに側面視で示すように、パイプ１０１は所定位置に移動不能に固定される。また、マシニングセンターは、駆動回転する主軸部１２１を有し、この主軸部１２１には、その回転中心Ｃ１２１からの径方向の位置を調整可能に工具１４３が設けられている。そして、図１Ｂに示すように工具１４３の旋回半径をパイプ１０１の径寸法に対応する位置に調整後、図１Ａに示すようにパイプ１０１の管軸Ｃ１０１に主軸部１２１の回転中心Ｃ１２１を一致させた状態で主軸部１２１を回転させることによりパイプ１０１の外周面に沿って工具１４３の刃先を旋回させ、これに併せて、主軸部１２１をパイプ１０１の管軸方向に送ることにより、パイプ１０１の外周面に螺旋ねじを形成する。

このようなＵ軸加工に関する開示技術としては、例えば、特許文献１の加工装置が挙げられる。すなわち、図２Ａ及び図２Ｂに図１Ｂ中のII−II矢視図を示すが、この加工装置の主軸部１２１には、その回転中心Ｃ１２１から径方向に偏芯された偏芯軸Ｃ１３１周りに回転可能に偏芯回転部１３１が設けられており、この偏芯回転部１３１に工具１４３が固定されている。よって、図２Ａの状態から図２Ｂの状態へと偏芯回転部１３１を回転することにより、主軸部１２１の径方向への工具１４３の移動を通じて、工具１４３の旋回半径をパイプ径に対応した半径に合わせることができる。
特公昭６２−４２７２６号

但し、加工時の切削性の観点からは、工具１４３の刃先１４３Ｅの向きを主軸部１２１の回転中心Ｃ１２１に向けるのが望ましいところ、上述の加工装置では、工具１４３は偏芯回転部１３１に回転不能に固定されているので、工具１４３の刃先１４３Ｅの向きを調整できない。そのため、図２Ａに示すように工具１４３の旋回半径が所定値の時にその刃先１４３Ｅの向きがちゃんと主軸部１２１の回転中心Ｃ１２１を向いていたとしても、図２Ｂに示すように、旋回半径の変更に伴って、刃先１４３Ｅの向きが主軸部１２１の回転中心Ｃ１２１を向かなくなってしまい、その結果、この加工装置では、異なるパイプ径に亘って切削性を良好に維持することが不可能であった。

また、ねじ切り加工の終点においてねじの切り上げ処理を行う場合には、徐々にねじ溝深さが浅くなるように、ねじ切り加工中に工具１４３の旋回半径を連続的に変化させることになるが、その場合にも、上述と同様の理由から、切り上げ処理の際に、工具１４３の刃先１４３Ｅの向きが、主軸部１２１の回転中心Ｃ１２１から外れてしまい、切削性の低下からその加工精度が落ちてしまう懸念があった。

本発明はかかる従来の課題に鑑みて成されたもので、工具の切削性を良好に維持しながらも、工具の旋回半径を変更可能な切削加工ユニット、及び工作機械を提供することを目的とする。

かかる目的を達成するための主たる発明は、
工作機械に支持されて、主軸部の駆動回転により工具を旋回させてワークを切削加工する切削加工ユニットであって、
前記主軸部に設けられ、前記主軸部の回転中心から径方向に任意の間隔で偏芯された偏芯軸周りに回転可能な偏芯回転部と、
前記偏芯回転部に設けられて、前記工具を保持する工具保持部と、
前記偏芯回転部を前記偏芯軸周りに回転することにより、前記工具を前記主軸部の径方向に移動して前記工具の旋回半径を変更する工具旋回半径変更機構と、
前記工具保持部を、前記主軸部の回転中心と平行な軸芯周りに自転させることにより、前記工具の刃先の向きを補正する刃先向き補正機構と、を備えていることを特徴とする切削加工ユニットである。

また、主軸部の駆動回転により工具を旋回させてワークを切削加工する工作機械であって、
前記主軸部の回転中心の軸芯方向に沿って前記主軸部を直進させるための機構と、
前記主軸部に設けられ、前記主軸部の回転中心から径方向に任意の間隔で偏芯された偏芯軸周りに回転可能な偏芯回転部と、
前記偏芯回転部に設けられて、前記工具を保持する工具保持部と、
前記偏芯回転部を前記偏芯軸周りに回転することにより、前記工具を前記主軸部の径方向に移動して前記工具の旋回半径を変更する工具旋回半径変更機構と、
前記工具保持部を、前記主軸部の回転中心と平行な軸芯周りに自転させることにより、前記工具の刃先の向きを補正する刃先向き補正機構と、を備えていることを特徴とする工作機械である。

本発明の他の特徴は、本明細書及び添付図面の記載により明らかにする。

本発明によれば、工具の切削性を良好に維持しながらも、工具の旋回半径を変更可能な切削加工ユニット、及び工作機械を提供することができる。

本明細書及び添付図面の記載により、少なくとも以下の事項が明らかとなる。

工作機械に支持されて、主軸部の駆動回転により工具を旋回させてワークを切削加工する切削加工ユニットであって、
前記主軸部に設けられ、前記主軸部の回転中心から径方向に任意の間隔で偏芯された偏芯軸周りに回転可能な偏芯回転部と、
前記偏芯回転部に設けられて、前記工具を保持する工具保持部と、
前記偏芯回転部を前記偏芯軸周りに回転することにより、前記工具を前記主軸部の径方向に移動して前記工具の旋回半径を変更する工具旋回半径変更機構と、
前記工具保持部を、前記主軸部の回転中心と平行な軸芯周りに自転させることにより、前記工具の刃先の向きを補正する刃先向き補正機構と、を備えていることを特徴とする切削加工ユニット。
このような切削加工ユニットによれば、工具保持部の自転によって、工具の刃先の向きを補正可能なので、工具の旋回半径の変更によらず、工具の刃先を適正な方向に向けることが可能となる。その結果、工具の切削性を良好に維持しつつ、工具の旋回半径を変更可能となる。

かかる切削加工ユニットであって、
前記刃先向き補正機構によって、前記刃先の向きが、前記主軸部の回転中心を基準とする所定範囲を向くように補正されるのが望ましい。
このような切削加工ユニットによれば、前記刃先の向きが、前記主軸部の回転中心を基準とする所定範囲を向くように補正されるので、工具の旋回半径の変更によらず、工具の刃先を適正な方向に向けられる。その結果、工具の切削性を良好に維持しつつ、工具の旋回半径を変更可能となる。

かかる切削加工ユニットであって、
前記工具の刃先が前記主軸部の回転中心又はその逆方向を向くように、前記刃先の向きが補正されるのが望ましい。
このような切削加工ユニットによれば、工具の刃先が前記主軸部の回転中心又はその逆方向を向くように、前記刃先の向きが補正されるので、工具の旋回半径の大小によらず、工具の切削性を良好な状態に維持できる。

かかる切削加工ユニットであって、
前記刃先向き補正機構は、前記工具の旋回半径に連動させて、前記工具の刃先の向きを変更するのが望ましい。
このような切削加工ユニットによれば、工具の旋回半径に連動させて、工具の刃先の向きを変更して補正するので、切削加工中に工具の旋回半径が変更される場合にも、その旋回半径に応じた最適な向きに刃先を自動的に向けることができて、もって、切削加工中における旋回半径の変更時にも切削性の低下を有効に防ぐことができる。

かかる切削加工ユニットであって、
前記偏芯回転部の回転によって移動される前記工具保持部の前記軸芯の軌跡が、前記主軸部の回転中心を通るのが望ましい。
このような切削加工ユニットによれば、偏芯回転部の回転により工具保持部を主軸部の径方向に移動して、前記工具保持部の前記軸芯を前記主軸部の回転中心に一致させるとともに、当該工具保持部に工具としてドリルやエンドミルを保持させることにより、穴空け加工やフライス加工も実施可能になる。
また、工具の旋回半径をほぼ零にまで縮小可能なので、加工可能径の下限値を小さくすることもできる。

かかる切削加工ユニットであって、
前記刃先向き補正機構は、前記偏芯回転部を前記偏芯軸周りに回転させるために前記工具旋回半径変更機構に入力される回転動作を、自転動作に変換して前記工具保持部へ伝達するカム機構であるのが望ましい。
このような切削加工ユニットによれば、刃先向き補正機構はカム機構であるので、偏芯回転部の回転動作と工具保持部の自転動作とを高精度に連動させることができる。
また、カム機構により上記の自転動作を作り出すので、前記主軸部の回転中心からの前記偏芯軸の偏芯量と、前記偏芯軸からの前記工具保持部の前記軸芯の偏芯量との関係（比率）を任意に設定可能となる。すなわち、これらの関係に応じてカム曲線を設定することにより、工具の旋回半径の大小によらず、前記刃先の向きが前記主軸部の回転中心を基準とする所定範囲を常に向くように、更に言えば、前記主軸部の回転中心を常に向くように工具保持部を自転させることができる。よって、様々な要求仕様に対応させて切削加工ユニットを設計可能であり、切削加工ユニットの設計自由度に優れたものとなる。

かかる切削加工ユニットであって、
前記工作機械は、前記主軸部の回転中心の軸芯方向に沿って前記主軸部を直進させるための機構を有し、
前記ワークは、所定位置に移動不能に保持された円筒状のパイプであり、
前記パイプの管軸に対して前記主軸部の回転中心を一致させた状態で、前記パイプの外周面又は内周面に前記工具の刃先を当接させるとともに、前記主軸部を回転させつつ前記主軸部を直進することにより、前記パイプの外周面又は内周面に螺旋ねじを加工するのが望ましい。
このような切削加工ユニットによれば、円筒状のパイプの外周面又は内周面に螺旋ねじを加工することができる。

また、主軸部の駆動回転により工具を旋回させてワークを切削加工する工作機械であって、
前記主軸部の回転中心の軸芯方向に沿って前記主軸部を直進させるための機構と、
前記主軸部に設けられ、前記主軸部の回転中心から径方向に任意の間隔で偏芯された偏芯軸周りに回転可能な偏芯回転部と、
前記偏芯回転部に設けられて、前記工具を保持する工具保持部と、
前記偏芯回転部を前記偏芯軸周りに回転することにより、前記工具を前記主軸部の径方向に移動して前記工具の旋回半径を変更する工具旋回半径変更機構と、
前記工具保持部を、前記主軸部の回転中心と平行な軸芯周りに自転させることにより、前記工具の刃先の向きを補正する刃先向き補正機構と、を備えていることを特徴とする工作機械。
このような工作機械によれば、工具保持部の自転によって、工具の刃先の向きを補正可能なので、工具の旋回半径によらず、工具の刃先を適正な方向に向けることが可能となる。その結果、工具の切削性を良好に維持しつつ、工具の旋回半径を変更可能となる。

＝＝＝第１実施形態に係る工作機械１＝＝＝
図３は、第１実施形態に係る切削加工ユニット１１を備えた工作機械１の斜視図である。以下の説明では、同図に示すように、互いに直交するＸＹＺの３軸方向のなかでＸ軸方向を左右方向とも言い、Ｙ軸方向を上下方向とも言い、更に、Ｚ軸方向を前後方向とも言う。

この工作機械１は、例えば円筒状のパイプ１０１を加工対象のワークとし、その外周面又は内周面にねじ切り加工を施すものである。そのため、この工作機械１は、前記パイプ１０１を移動不能に載置保持する載置台３と、ＸＺ方向に独立に直進可能なコラム５に支持されてＹ方向に直進可能な頭部ハウジング１５と、頭部ハウジング１５に支持されて前記パイプ１０１の外周面又は内周面に沿って工具４３を旋回させる切削加工ユニット１１と、を備えている。

載置台３には、前記パイプ１０１が、その管軸方向を工作機械１のＺ軸方向に平行に揃えて載置される。また、切削加工ユニット１１は、Ｚ軸と平行な回転中心軸Ｃ２１周りに駆動回転される主軸部２１を有し、この主軸部２１に工具４３が設けられている。そして、コラム５の頭部ハウジング１５を上下左右たるＸＹ方向に移動することにより、主軸部２１の回転中心軸Ｃ２１をパイプ１０１の管軸に一致させて芯出しした後、その芯出し状態で、主軸部２１を回転することにより工具４３を所定の旋回半径で旋回させるとともに、旋回する工具４３の刃先をパイプ１０１の外周面又は内周面に当てながらコラム５をＺ軸方向に直進させることにより、パイプ１０１の外周面又は内周面に螺旋状にねじを刻設する。

図４Ａ及び図４Ｂは、切削加工ユニット１１の外観図である。図４Ａには側面図を示し、図４Ｂには、図４Ａ中のＢ−Ｂ矢視図、つまり前方から見た正面図を示している。

切削加工ユニット１１は、前記頭部ハウジング１５に回転可能に支持された主軸部２１と、主軸部２１に設けられ、前記主軸部２１の回転中心軸Ｃ２１から径方向に偏芯された偏芯軸Ｃ３１周りに回転可能な偏芯回転部３１と、前記偏心回転部３１に、前記回転中心軸Ｃ２１と平行な軸芯Ｃ４１周りに自転可能に設けられて前記工具４３を保持する工具保持部４１と、を備えている。

そして、この切削加工ユニット１１によれば、偏心回転部３１を回転することにより、図４Ｂ中に２点鎖線で示すように、工具４３を、加工対象のパイプ径Ｄａ，Ｄｂ，Ｄｃに応じた径方向の位置に移動して工具４３の旋回半径をパイプ径Ｄａ，Ｄｂ，Ｄｃに応じた径に合わせると共に、工具保持部４１を前記軸芯Ｃ４１（以下では自転軸Ｃ４１とも言う）周りに自転させることにより工具４３の刃先４３Ｅの向きを、主軸部２１の回転中心軸Ｃ２１へ向けることが可能であり、これにより、パイプ径Ｄａ，Ｄｂ，Ｄｃの大小によらず、ねじ切り加工時における良好な切削性を維持している。

以下、切削加工ユニット１１の各構成について詳細に説明する。
図５Ａは、主軸部２１の回転中心軸Ｃ２１に沿って切削加工ユニット１１を破断して示す縦断面図である。また、図５Ｂは、図５Ａ中のＢ−Ｂ断面図である。なお、図の錯綜を防ぐべく、一部の部位では破断面のハッチングを省略している。

＜主軸部２１＞
図５Ａに示すように、主軸部２１は、前方に位置する大径な円柱部２２と、この円柱部２２の後端面から同芯に後方へ突出形成された、前記円柱部２２よりも小径な円筒部２４と、を本体とする。そして、この円筒部２４が切削加工ユニット１１の前記頭部ハウジング１５内に収容された状態において頭部ハウジング１５の内周側部分に設けられた軸受け部材２６により、主軸部２１は、その回転中心軸Ｃ２１周りに回転可能に頭部ハウジング１５に支持されている。

この主軸部２１は、例えば電動モーターを駆動源として回転し、ここでは、主軸部２１の円筒部２４と頭部ハウジング１５とが電動モーターの一部品として構成されている。すなわち、円筒部２４が電動モーターのロータ（回転子）として機能し、頭部ハウジング１５が電動モーターのステータ（固定子）として機能する。そのため、例えば、円筒部２４の外周面には、Ｎ極及びＳ極の永久磁石２７ａが回転中心軸Ｃ２１に線対称に設けられている一方、頭部ハウジング１５の内周面には、変動磁界を発生する複数のコイル２７ｂが周方向に沿って配置されている。そして、付属の電源ケーブルを介して、これらコイル２７ｂに、回転方向に位相差を持たせながら交流電流を流すことにより、ロータの永久磁石２７ａが、ステータの各コイル２７ｂに順番に磁気的に吸引及び反発されてロータが一方向に回転し、これにより、主軸部２１は回転中心軸Ｃ２１周りに駆動回転する。

＜偏芯回転部３１＞
図５Ａ及び図５Ｂに示すように、偏芯回転部３１は正円形の円柱体を本体とし、主軸部２１の円柱部２２の前端面２２ａに形成された円形凹部２２ｃに収容されている。そして、円形凹部２２ｃの内周面に設けられた軸受け部材３２を介して、円心Ｃ３１周りに回転可能に支持されている。

この円心Ｃ３１は上述の偏芯軸Ｃ３１に相当し、すなわち、主軸部２１の回転中心軸Ｃ２１から径方向に偏芯した位置に設定されている。また、当該偏芯軸Ｃ３１から径方向に偏芯した位置には工具保持部４１が配置されている。よって、この偏芯回転部３１を偏芯軸Ｃ３１周りに回転すれば、工具保持部４１は主軸部２１の径方向へ移動することになり、これにより、工具４３の旋回半径が変更される。

偏芯回転部３１を回転させるための駆動機構（工具旋回半径変更機構に相当）は、前記円形凹部２２ｃに連通して主軸部２１の円柱部２２に形成された穴部２２ｄに収容されており、駆動源の一例としてのサーボモーター３３と、サーボモーター３３の駆動回転軸の回転を前記偏芯回転部３１へ伝達するカム機構３５と、を有している。

カム機構３５としては、バックラッシを低減すべくグロボイダルカムを用いたカム機構が用いられている。すなわち、偏芯回転部３１の外周面に周方向に沿って所定ピッチで配置された複数のカムフォロワ３６と、偏芯回転部３１の外周面を臨みつつ前記穴部２２ｄの内周面の軸受け部材３８，３８により回転自在に軸支された軸体状のグロボイダルカム３７と、を備えている。そして、グロボイダルカム３７の外周面には、その周方向の位置に応じて軸Ｃ３７方向の位置が均一且つ連続的に一方向に変位したカム面としてテーパーリブ３７ａが略螺旋状に形成されているとともに、その軸Ｃ３７方向は、偏芯回転部３１の周方向たる回転方向を向いている。よって、グロボイダルカム３７の軸端に直結された前記サーボモーター３３から回転力がグロボイダルカム３７に入力されてグロボイダルカム３７が回転すると、互いに隣り合うカムフォロワ３６，３６が前記テーパーリブ３７ａの両側面３７ｂ,３７ｂに当接してテーパーリブ３７ａを挟み込んだ状態を維持しながら、これらカムフォロワ３６が順次グロボイダルカム３７の軸Ｃ３７方向に送られて、これにより、偏芯回転部３１が偏芯軸Ｃ３１周りに回転する。

なお、サーボモーター３３の駆動回転軸、グロボイダルカム３７、及び、偏心回転部３１のうちの何れか一つには、偏心回転部３１の回転量（回転角度）を検出するためのエンコーダー等の回転量検出センサー（不図示）が設けられている。また、偏心回転部３１の回転量と、主軸部２１の径方向における工具保持部４１の移動量との関係は、主軸部２１の回転中心軸Ｃ２１、偏心回転部３１の偏心軸Ｃ３１、及び、工具保持部４１の配置位置関係から予め幾何学的に求めることができる。よって、ここでは、前記回転量検出センサーから出力される回転量情報が入力されるコンピュータを制御部として備え、このコンピュータが、前記回転量情報に基づいて、前記サーボモーター３３の回転を制御することにより、工具保持部４１を径方向の目標位置へと移動して工具４３の旋回半径を目標半径に調整するようにしている。

＜工具保持部４１＞
図５Ａ及び図５Ｂに示すように、工具保持部４１は、前端部に工具４３が取り付けられる正円形の円柱体を本体とする。そして、その後端部は、上述の偏芯回転部３１を前後方向に貫通する貫通孔３１ａに収容された状態において、この貫通孔３１ａの内周面に設けられた軸受け部材４４により円心Ｃ４１周りに回転可能に支持されている。この円心Ｃ４１は、前述の自転軸Ｃ４１に相当し、すなわち、主軸部２１の回転中心軸Ｃ２１と平行である。よって、この円心Ｃ４１周りに工具保持部４１を自転させれば、工具４３の刃先４３Ｅの向きを、前記回転中心軸Ｃ２１を基準とする所定範囲に向けるべく自在に変更可能である。

そこで、この第１実施形態では、上述の偏芯回転部３１の回転動作により変更される工具４３の旋回半径に連動させて、工具保持部４１を自転させることにより、工具４３の旋回半径の大小によらず、切削加工中の工具４３の刃先４３Ｅが常に主軸部２１の回転中心軸Ｃ２１を向くように刃先４３Ｅの向きを補正調整している。

この旋回半径に連動させて刃先４３Ｅの向きを変更する機構（刃先向き補正機構に相当）としては、例えば、上記の偏芯回転部３１の回転動作を工具保持部４１の自転動作に変換して工具保持部４１に伝達するカム機構を例示でき、ここでは、所謂溝カムを用いている。すなわち、主軸部２１の前端面２２ａに形成された前記円形凹部２２ｃの底面２２ｅには、略円弧状にカム溝４５が刻設されており、このカム溝４５には、工具保持部４１の後端部に一体に設けられたアーム部４２先端のカムフォロワ４２ａが入り込んで係合するようになっている。そして、図６Ａ乃至図６Ｄに図５Ａ中のVI−VI断面視で示すように、偏芯回転部３１の偏心軸Ｃ３１周りの回転動作によって、工具保持部４１は偏芯軸Ｃ４１周りに公転しながら主軸部２１の回転中心軸Ｃ２１に対して径方向に位置を変えていくが、その際には、カム溝４５に移動を規制されながら同カム溝４５上を移動するカムフォロワ４２ａの作用により、アーム部４２を介して工具保持部４１には自転動作も加えられ、これにより、工具保持部４１の工具４３の刃先４３Ｅの向きは、常に主軸部２１の回転中心軸Ｃ２１を向くように補正される。

なお、このように工具保持部４１を、その公転位置に応じた必要な自転量で自転させるためのカム溝４５の略円弧状曲線（カム曲線）は、純粋に、主軸部２１の回転中心軸Ｃ２１の位置、偏芯回転部３１の偏芯軸Ｃ３１の位置、及び、工具保持部４１の自転軸Ｃ４１の位置の幾何学的関係に基づいて定まり、適宜な作図法により算出される。

また、前記カム溝４５の略円弧状曲線は、工具４３の刃先４３Ｅの向きが切削加工中において主軸部２１の回転中心軸Ｃ２１を向くように決められる。つまり、その想定される切削力の作用下において、工具４３の刃先４３Ｅが主軸部２１の回転中心軸Ｃ２１を向くように決められる。よって、非切削加工時たる無負荷状態にあっては、工具４３の刃先４３Ｅの向きは、前記想定される切削力に基づく工具４３や工具保持部４１等の弾性変形分だけ主軸部２１の回転中心軸Ｃ２１から外れた方向を向く。そのため、非切削時に前記刃先４３Ｅの向きをプリセットする場合には、上記の弾性変形に応じた分だけ、前記中心回転軸Ｃ２１から外れた位置に向けるのが望ましい。

ちなみに、この第１実施形態では、上述のようにカム機構により工具保持部４１の自転動作を作り出すので、主軸部２１の回転中心軸Ｃ２１からの偏芯回転部３１の偏芯軸Ｃ３１の偏芯量と、偏芯回転部３１の偏芯軸Ｃ３１からの工具保持部４１の自転軸Ｃ４１の偏芯量との関係（比率）を任意に設定可能となる。すなわち、これらの関係に応じて前記カム溝４５の略円弧状曲線たるカム曲線を設定することにより、工具４３の旋回半径の大小によらず、常に工具４３の刃先４３Ｅの向きが主軸部２１の回転中心Ｃ２１を向くように工具保持部４１を自転させることができる。よって、様々な要求仕様に対応させて切削加工ユニット１１を設計可能であり、切削加工ユニット１１の設計自由度に優れたものとなる。

ところで、上述の工具４３の旋回半径の変更タイミングは、ねじ切り加工前のパイプ１０１のセット時に限るものではなく、ねじ切り加工中にオンライン変更しても良い。そして、オンライン変更すれば、より複雑な形状のねじも、高い切削性を維持しつつ加工可能となる。例えば、ねじ切り加工の終点でなされる切り上げ処理においては、徐々にねじ溝深さが浅くなるように、ねじ切り加工中に工具４３の旋回半径を連続的に変化させることになるが、その場合にも、当該切削加工ユニット１１によれば、工具４３の旋回半径の変更に連動して刃先４３Ｅの向きが主軸部２１の回転中心軸Ｃ２１へ向けられるので、切削性が低下することなく、結果、加工精度を高く維持可能となる。

また、望ましくは、偏芯回転部３１の回転により主軸部２１の径方向に移動される前記工具保持部４１の自転軸Ｃ４１の軌跡が、前記主軸部２１の回転中心軸Ｃ２１を通るように、前記カム溝４５の前記略円弧状曲線を設定すると良い（図６Ｄを参照）。そして、このようにすれば、偏芯回転部３１の回転により工具保持部４１を主軸部２１の径方向に移動して、図６Ｄのように前記工具保持部４１の前記軸芯Ｃ４１を前記主軸部２１の回転中心軸Ｃ２１に一致させることができるので、図７に示すように、当該工具保持部４１に工具４３としてドリルやエンドミルを保持させれば、主軸部２１の回転によってワーク１０２に穴空け加工やフライス加工を施すことも可能となる。また、工具４３の旋回半径をほぼ零にまで縮小可能となるので、ワーク１０１の加工可能径の下限値を小さくできて、つまり、加工可能径の範囲を拡大することもできる。

＝＝＝第２実施形態に係る切削加工ユニット１１ａ＝＝＝
図８乃至図９Ｃは、第２実施形態に係る切削加工ユニット１１ａの説明図である。図８には、主軸部２１の回転中心軸Ｃ２１に沿って破断した縦断面図を示している。また、図９Ａは、偏芯回転部３１を回転するための差動歯車機構６１の拡大断面図である。図９Ｂは、図９Ａ中のＢ―Ｂ断面における太陽ギア６２と遊星ギア６３と外輪ギア６５との噛み合い関係を示す模式図である。図９Ｃは、図９Ａ中のＣ―Ｃ断面における主軸部２１の外周歯２４ａと歯車６８の歯６８ａとの噛み合い関係を示す模式図である。なお、図の錯綜を防ぐべく、一部の部位では破断面のハッチングを省略している。

上述の第１実施形態では、回転する主軸部２１内に、偏芯回転部３１の回転駆動用のサーボモーター３３を内蔵する構成を例示したが（図５Ｂを参照）、このようにモーター３３を主軸部２１に内蔵すると、当該モーター３３も主軸部２１の回転と共にその回転中心軸Ｃ２１周りに旋回移動することになる。そして、このように旋回移動するモーター３３への電力供給方法としては、モーター３３に近接させて主軸部２１に電池を内蔵する方法か、又は、外部からの電力をブラシ構造によってモーター３３に供給する方法等が挙げられる。但し、電池では、供給可能電力の大きさに限界が有り、また、ブラシ構造では、ブラシの摩耗等によりメンテナンスの作業頻度が増大する虞がある。

そこで、これらの問題を解決すべく、第２実施形態では、差動歯車機構６１を用いることによって、前記モーター３３を、切削加工ユニット１１ａの前記頭部ハウジング１５に外付けしている（図８を参照）。そして、これにより、旋回移動する部位への前記モーター３３の取り付け構成を無くし、上述の問題を解決している。なお、これ以外については概ね第１実施形態と同じであり、もって、同一構成については図中で同符号を付して示し、その説明については省略する。

図８に示すように、偏芯回転部３１を回転するためのサーボモーター３３は、切削加工ユニット１１ａの頭部ハウジング１５の後端部に外付け固定されている。そして、このモーター３３の回転力は、主軸部２１の円筒部２４の内部を前後に貫通して配置された伝達軸５２を通じて、前方に位置する主軸部２１内の前記グロボイダルカム３７に伝達される。

詳しくは、伝達軸５２は、軸受け部材５３，５３を介して主軸部２１の回転中心軸Ｃ２１周りに回転可能に円筒部２４に支持されているとともに、当該伝達軸５２の前端には伝達軸５２と同芯に平歯車５４が固定されており、更に、この平歯車５４と噛み合う平歯車５５が、主軸部２１の円柱部２２に軸受け部材５６により軸支されている。そして、この平歯車５５には、グロボイダルカム５７が一体且つ同芯に設けられており、当該グロボイダルカム５７の外周面のカム面は、第１実施形態と同様にここでも使用されるグロボイダルカム３７の軸端に設けられた複数のカムフォロワ５８に噛み合うようになっている。よって、伝達軸５２が回転すると、この回転が、平歯車５４、平歯車５５付きのグロボイダルカム５７、及び、グロボイダルカム３７を介して偏芯回転部３１へと伝達され、もって、偏芯回転部３１が偏芯軸Ｃ３１周りに回転する。

但し、上述したように、主軸部２１は、回転中心軸Ｃ２１周りに回転するものである。そのため、この回転中に上記の伝達軸５２が停止していると、主軸部２１の平歯車５５が伝達軸５２の平歯車５４に噛み合いながらその周りを公転することから、この公転に伴って、平歯車５５は平歯車５４との噛み合いにより自転もする。すると、当該平歯車５５と一体に設けられたグロボイダルカム５７も自転することとなり、その結果、図らずも、グロボイダルカム３７には回転動作が入力されて偏芯回転部３１が回転してしまう。

従って、主軸部２１の回転と無関係に独立に偏芯回転部３１のみを回転操作するためには、先ず、伝達軸５２を主軸部２１と同じ回転数（ｒｐｍ）で回転して、主軸部２１の回転の影響を相殺する必要があり、つまり、主軸部２１と同じ回転数で回転する伝達軸５２に対して、更に、偏芯回転部３１の回転操作に必要な回転動作を加える必要がある。

そこで、この第２実施形態では、前記サーボモーター３３の駆動回転軸３３ａと伝達軸５２との間に、いわゆる差動歯車機構６１を介装して連結することにより、上述の回転動作の加算を達成している。

この差動歯車機構６１というのは、別称、遊星歯車機構とも言われ、独立して入力される二つの回転動作を一つの回転動作に合成して出力できる装置である。その構成要素としては、図９Ａ及び図９Ｂに示すように、太陽ギア６２と、太陽ギア６２に噛み合うとともにその周りを公転可能に設けられた４つの遊星ギア６３と、これら４つの遊星ギア６３の回転軸６３ａを支持しつつ遊星ギア６３の公転動作に基づいて自転する遊星枠（キャリア）６４と、遊星枠６４に回転可能に支持されつつ４つの遊星歯車６３に噛み合う内周歯６５ａが、内周面に形成された外輪ギア６５と、を備えている。そして、例えば、太陽ギア６２と外輪ギア６５とに、それぞれ互いに独立な回転動作を入力すると、これら２つの回転動作が合成されて、遊星枠６４の自転動作として出力される。

よって、この第２実施形態では、図９Ａ乃至図９Ｃに示すように、主軸部２１の円筒部２４の後端部に形成された外周歯２４ａと、頭部ハウジング１５に回転可能に軸支された歯車６８の前端部の歯６８ａとの噛み合い、及び、この歯車６８の後端部の歯６８ｂと外輪ギア６５の外周歯６５ｂとの噛み合いによって、外輪ギア６５に主軸部２１の回転動作を入力する一方、太陽ギア６２の軸端には前記偏芯回転部３１を駆動回転するための前記サーボモーター３３の駆動回転軸３３ａが直結されていて、このモーター３３からは太陽ギア６２へと、工具保持部４１を径方向に移動させるために必要な回転動作を入力するようにしている。そして、これら二つの回転動作が合成されて自転動作として出力される遊星枠６４の前端には、前記伝達軸５２の後端が同芯に固定されており、これにより、伝達軸５２は、主軸部２１の回転動作とサーボモーター３３による回転動作とが合成された回転動作をする。その結果、主軸部２１の回転中においても、前記モーター３３を制御して偏芯回転部３１を回転することにより、工具保持部４１を径方向に移動させることを可能にしている。

例えば、前記モーター３３によって太陽ギア６２を回転すれば、その回転量に応じた分だけ、主軸部２１の回転数で回転する伝達軸５２は更に回転されるので、その回転量に応じた分だけ偏芯回転部３１は回転し、それに伴って工具保持部４１が径方向に移動する。そして、前記モーター３３により太陽ギア６２の回転を停止すれば、偏芯回転部３１の回転の停止を介して工具保持部４１の径方向の移動も停止するが、その場合においても、主軸部２１と同じ回転数で伝達軸５２は回転しているので、工具保持部４１の径方向の移動停止状態は維持される。

なお、前記モーター３３の停止状態、すなわち、太陽ギア６２から回転動作が入力されない状態において、主軸部３１の回転数と同じ回転数で伝達軸５２を回転させることは、主軸部２１の円筒部２４の外周歯２４ａの歯数、歯車６８の前端部の歯６８ａの歯数、同歯車６８の後端部の歯６８ｂの歯数、外輪ギア６５の外周歯６５ｂの歯数、同外輪ギア６５の内周歯６５ａの歯数、及び、遊星ギア６３の歯数を適宜設定することにより達成される。

図１０は、第２実施形態の変形例に係る切削加工ユニット１１ｂの縦断面図である。

上述の第２実施形態では、伝達軸５２から偏芯回転部３１への回転動作の伝達を、グロボイダルカム３７，５７からなるカム機構等を用いて行っていたが、この変形例では、平歯車５４，７２からなる歯車列のみを用いている点で相違する。すなわち、伝達軸５２の前端には伝達軸５２と同芯に平歯車５４が固定されており、また、この平歯車５４と噛み合う平歯車７２が、偏芯回転部３１の偏芯軸Ｃ３１と同芯に偏芯回転部３１に固定されている。よって、これら平歯車５４，７２の噛み合いによって、伝達軸５２の回転が偏芯回転部３１に伝達されて、偏芯回転部３１は回転する。なお、この変形例も上述の第２実施形態で説明した差動歯車機構６１を用いているのは、言うまでもない。

＝＝＝その他の実施形態＝＝＝
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は、かかる実施形態に限定されるものではなく、以下に示すような変形が可能である。

（ａ）前述の実施形態では、主にパイプ１０１の外周面にねじ切り加工を行う場合を例示した関係上、工具保持部４１の自転により、工具４３の刃先４３Ｅの向きが主軸部２１の回転中心軸Ｃ２１を向くように補正されていたが、図１１に示すようにパイプ１０１の内周面にねじ切り加工を行う場合には、切削加工中の工具４３の刃先４３Ｅの向きが、主軸部２１の回転中心軸Ｃ２１の逆方向を向くように、前記刃先４３Ｅの向きが変更されるのは言うまでもない。
また、上述では、前記刃先４３Ｅの向きが、主軸部２１の回転中心軸Ｃ２１又はその逆方向を向くように補正されると説明したが、加工対象に応じて目標の切削性が確保されるのであれば、前記刃先４３Ｅの向きは前記回転中心軸Ｃ２１又はその逆方向から多少外れても良く、その意味においては、刃先向き補正機構による刃先の向きの補正については、「前記刃先向き補正機構によって、前記刃先の向きが、前記主軸部の回転中心を基準とする所定範囲を向くように補正される」と表現することもできる。

（ｂ）前述の実施形態では、刃先向き補正機構に溝カム等からなるカム機構を用いることにより、工具４１の旋回半径に連動させて、前記工具４３の刃先４３Ｅの向きを自動的に補正していたが、何等これに限るものではない。例えば、工具保持部３１を自転させるためのモーター等の専用の駆動源を別途設けて、偏心回転部３１の回転動作とは独立に工具保持部３１を自転操作可能に構成しても良い。

（ｃ）前述の実施形態では、軸受け部材２６，３２，３８，４４，５３，５６の種類については述べていないが、ころ軸受けや球軸受け、平軸受けでも良いし、更には、クロスローラー軸受けを用いても良い。

（ｄ）前述の実施形態では、切削加工の一例としてパイプ１０１のねじ切り加工を例示したが、工具４３を旋回させて切削加工するのであれば、何等これに限るものではない。

図１Ａ及び図１Ｂは、Ｕ軸加工用の工作機械の側面図である。 図２Ａ及び図２Ｂは、従来のＵ軸加工の工作機械を説明するための図１Ｂ中のII−II矢視図である。 第１実施形態に係る切削加工ユニット１１を備えた工作機械１の斜視図である。 図４Ａ及び図４Ｂは、切削加工ユニット１１の外観図であり、図４Ａには側面図を示し、図４Ｂには、図４Ａ中のＢ−Ｂ矢視図を示している。 図５Ａは、主軸部２１の回転中心軸Ｃ２１に沿って切削加工ユニット１１を破断して示す縦断面図であり、図５Ｂは、図５Ａ中のＢ−Ｂ断面図である。 図６Ａ乃至図６Ｄは、図５Ａ中のVI−VI断面視で示す図であって、工具４３の旋回半径に連動させて、刃先向き補正機構が、刃先４３Ｅの向きを主軸部２１の回転中心軸Ｃ２１へ向ける様子の説明図である。 第１実施形態に係る切削加工ユニット１１によって穴空け加工やフライス加工も行えることを説明するための図である。 第２実施形態に係る切削加工ユニット１１ａの説明図であり、主軸部２１の回転中心軸Ｃ２１に沿って破断した縦断面図を示している。 図９Ａ乃至図９Ｃは、偏芯回転部３１を回転するための差動歯車機構６１の説明図である。 第２実施形態の変形例に係る切削加工ユニット１１ｂの縦断面図である。 切削加工ユニット１１，１１ａ，１１ｂにより、パイプ１０１の内周面に沿ってねじ切り加工を行う例の説明図である。

１ 工作機械、１１ 切削加工ユニット、
２１ 主軸部、３１ 偏芯回転部、４１ 工具保持部、４３ 工具、４３Ｅ 刃先、
１０１ パイプ（ワーク）、
Ｃ２１ 回転中心軸（回転中心）、Ｃ３１ 偏芯軸、Ｃ４１ 自転軸（軸芯）

Claims (8)

1. 工作機械に支持されて、主軸部の駆動回転により工具を旋回させてワークを切削加工する切削加工ユニットであって、
   前記主軸部に設けられ、前記主軸部の回転中心から径方向に任意の間隔で偏芯された偏芯軸周りに回転可能な偏芯回転部と、
   前記偏芯回転部に設けられて、前記工具を保持する工具保持部と、
   前記偏芯回転部を前記偏芯軸周りに回転することにより、前記工具を前記主軸部の径方向に移動して前記工具の旋回半径を変更する工具旋回半径変更機構と、
   前記工具保持部を、前記主軸部の回転中心と平行な軸芯周りに自転させることにより、前記工具の刃先の向きを補正する刃先向き補正機構と、を備えていることを特徴とする切削加工ユニット。
2. 請求項１に記載の切削加工ユニットであって、
   前記刃先向き補正機構によって、前記刃先の向きが、前記主軸部の回転中心を基準とする所定範囲を向くように補正されることを特徴とする切削加工ユニット。
3. 請求項２に記載の切削加工ユニットであって、
   切削加工中の前記工具の刃先が前記主軸部の回転中心又はその逆方向を向くように、前記刃先の向きが補正されることを特徴とする切削加工ユニット。
4. 請求項１乃至３の何れかに記載の切削加工ユニットであって、
   前記刃先向き補正機構は、前記工具の旋回半径に連動させて、前記工具の刃先の向きを変更することを特徴とする切削加工ユニット。
5. 請求項１乃至４の何れかに記載の切削加工ユニットであって、
   前記偏芯回転部の回転によって移動される前記工具保持部の前記軸芯の軌跡が、前記主軸部の回転中心を通ることを特徴とする切削加工ユニット。
6. 請求項１乃至５の何れかに記載の切削加工ユニットであって、
   前記刃先向き補正機構は、前記偏芯回転部を前記偏芯軸周りに回転させるために前記工具旋回半径変更機構に入力される回転動作を、自転動作に変換して前記工具保持部へ伝達するカム機構であることを特徴とする切削加工ユニット。
7. 請求項１乃至６の何れかに記載の切削加工ユニットであって、
   前記工作機械は、前記主軸部の回転中心の軸芯方向に沿って前記主軸部を直進させるための機構を有し、
   前記ワークは、所定位置に移動不能に保持された円筒状のパイプであり、
   前記パイプの管軸に対して前記主軸部の回転中心を一致させた状態で、前記パイプの外周面又は内周面に前記工具の刃先を当接させるとともに、前記主軸部を回転させつつ前記主軸部を直進することにより、前記パイプの外周面又は内周面に螺旋ねじを加工することを特徴とする切削加工ユニット。
8. 主軸部の駆動回転により工具を旋回させてワークを切削加工する工作機械であって、
   前記主軸部の回転中心の軸芯方向に沿って前記主軸部を直進させるための機構と、
   前記主軸部に設けられ、前記主軸部の回転中心から径方向に任意の間隔で偏芯された偏芯軸周りに回転可能な偏芯回転部と、
   前記偏芯回転部に設けられて、前記工具を保持する工具保持部と、
   前記偏芯回転部を前記偏芯軸周りに回転することにより、前記工具を前記主軸部の径方向に移動して前記工具の旋回半径を変更する工具旋回半径変更機構と、
   前記工具保持部を、前記主軸部の回転中心と平行な軸芯周りに自転させることにより、前記工具の刃先の向きを補正する刃先向き補正機構と、を備えていることを特徴とする工作機械。

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