JP2010105115A

JP2010105115A - 切削工具

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Publication number: JP2010105115A
Application number: JP2008278662A
Authority: JP
Inventors: Keigo Mizoguchi; 敬悟溝口
Original assignee: Makino J Co Ltd
Current assignee: Makino J Co Ltd
Priority date: 2008-10-29
Filing date: 2008-10-29
Publication date: 2010-05-13
Anticipated expiration: 2028-10-29
Also published as: JP5288994B2

Abstract

【課題】低切削抵抗で精度の良い加工を行うことができる切削工具を提供する。
【解決手段】工作機械の主軸２ａに装着され、差動変速機構及びカム３３を内蔵した切削工具１において、前記工作機械の主軸頭２に装着して回り止めされ、差動変速機構及びカム３３が内蔵され、前記主軸２ａに装着される軸部７を回転支持する工具ハウジング２２と、前部にインサート９５を取り付けた被駆動スライダ７０と、前記被駆動スライダ７０を前記主軸２ａの軸線に対して斜めの方向に往復移動可能に案内するガイド７１ａと、前記工具ハウジング２２に回転支持され、前記被駆動スライダ７０及びガイド溝７１ａを設けた出力軸１０と、前記カム３３と係合し、前記被駆動スライダ７０を前記ガイド溝７１ａに沿って往復移動させるカムフォロア１９と、を具備する。
【選択図】図１

Description

本発明は、工作機械の主軸に装着され、差動変速機構及びカムを内蔵した切削工具であって、特に、バルブシート等のテーパ内周面の切削加工に適用される切削工具に関するものである。

バルブシート等のテーパ内周面を切削加工する方法の一つとして、内径用バイトを使用して旋削加工を行う方法がある。この方法は、旋盤のチャックに保持された加工物を回転させ、内径用バイトを回転させずに加工を行う方法である。旋削加工による方法では、大きな加工物をチャックで保持できないため、加工物の大きさが制限されるという問題があった。また、他の方法として、マシニングセンタで、テーブル上に固定された加工物に対して、主軸にクランプされた工具を回転させて転削加工を行う方法がある。転削加工による方法では、総形工具などを用いて加工することができる。

バルブシート等のテーパ内周面の切削加工に適用される切削工具ではないが、差動変速機構及びカムを内蔵した切削工具の一例が、特許文献１で開示されている。特許文献１では、内径溝入れ加工に適用されるリセッシングツールを開示している。リセッシングツールは、ツールの本体の回転を複雑なウォーム歯車機構等によることなく、平歯車の組合せのみの簡易な差動機構で、極めて僅かに減速して差動歯車に伝え、溝カムを回転させ、カムの誘導によるホルダの摺動で切削刃物を加工物の穴内面に切り込ませて、穴内面に内周溝を形成するものである。

特許文献１の第３欄の第３０行目〜第４４行目には、差動変速機構の構成の説明として、「本体１の段付軸の二段目には固定歯車１１が固着され、後フランジ３に本体１の軸心に平行して螺着した歯車軸１２にニードルローラ軸受１３を介して嵌装した中間歯車１４の左側歯が固定歯車１１と噛合う。しかし、中間歯車１４の左側歯は固定歯車１１に接近してスラストリング１５と共に遊嵌された差動歯車１６と噛合う。差動歯車１６は・・・スラストリング１５の端面と常時接触してクッションとなっている。差動歯車１６の右側面の一部分は・・・クラッチ歯と噛合う」と記載されている。また、特許文献１の第４欄の第６行目〜第１８行目には、カム機構の説明として、「カム１９はその段付外径にシフタ溝と前記スライドレール盤５の左側段付内径に遊合する頭部を有し、該頭部右端面に本実施例では１回転に２回昇降し上昇は緩やかに下降は急速なアルキメデス曲線よりなるカム溝が刻設してあり、・・・、これに相対するスライドレール盤５の頭部左側面に２等配して内径に接する盲穴が穿設してあって該穴にリセットカム２５が挿入されている」と記載されている。

また、特許文献１の第６欄の第１５行目〜第２３行目には、差動変速機構の作用の説明として、「本体１の固定歯車１の回転が中間歯車１４を経由して差動歯車１６を従動させる。この場合固定歯車１１と中間歯車の左歯との組合せと差動歯車１６と中間歯車１４の右歯の組合せにおいて歯の大きさ即ちモジュールを変えて、夫々の組合せは等心間として歯数編成を変えることにより差動歯車１６の回転は固定歯車１１より僅かに遅れるようになっている」と記載されている。

実公昭６３−１７６０２号公報

しかし、総形工具を用いて転削加工する場合には、マルチポイントコンタクトになるため切削抵抗が相対的に大きくなり、びびりが発生したりする心配があった。びびりが生じると、テーパ内周面にびびりマークが形成され、バルブシート部の場合はバルブとテーパ内周面との間に隙間が生じ、吸気及び排気性能が損なわれるという問題があった。

本発明は、内蔵されている差動変速機構及びカム機構により、工作機械の主軸の回転と共に切れ刃を動かすことにより、低切削抵抗で精度の良い加工を行うことができる転削用の切削工具を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明によれば、工作機械の主軸に装着され、差動変速機構及びカムを内蔵した切削工具において、前記主軸に装着され、前端面にカム溝が形成された前記カムを有する入力軸と、前記差動変速機構により前記入力軸と異なる回転速度で回転する出力軸であって、前記入力軸と同軸に配置された出力軸と、切れ刃を有し、前記出力軸に設けられたスライダであって、前記主軸の回転軸線に対して傾斜した方向に移動するスライダと、該スライダを前記主軸の軸線に対して斜めの方向に案内するガイド部と、を具備する切削工具が提供される。

本発明の他の態様によれば、前記スライダが、前記カム溝に係合するカムフォロアを有し、前記回転軸線に直交する方向に移動する駆動スライダと、該駆動スライダに係合されて前記回転軸線に対して傾斜した方向に移動する被駆動スライダとを備え、前記ガイド部が、前記駆動スライダを前記回転軸線に直交する方向に案内する第１のガイド部と、前記被駆動スライダを前記主軸の回転軸線に対して傾斜した方向に案内する第２のガイド部とを備える。また、本発明の他の態様によれば、前記回転軸線の方向の孔を加工する孔加工工具を前記出力軸の先端側に装着する装着部を有することもできる。

以上の如く、本発明の切削工具によれば、差動変速機構により入力軸と出力軸とに回転速度の差が生じ、入力軸と出力軸との回転速度の差によってカム溝に誘導されてカムフォロアが移動することにより、ガイド部に案内されてスライダが回転軸線に対して傾斜した方向に移動する。これにより、スライダに備わる切れ刃によりテーパ孔内周面の加工をシングルポイントコンタクトで低切削抵抗で高精度に行うことができる。また、スライダを、回転軸線に直交する方向に摺動する駆動スライダと、駆動スライダに連結して回転軸線に対して傾斜した方向に摺動する被駆動スライダとに分け、駆動スライダを第１のガイド部で案内し、被駆動スライダを第２のガイド部で案内することにより、駆動スライダ及び被駆動スライダを精度良く案内することができ、高精度の切削を行うことができる。また、出力軸の先端側に孔加工工具を装着すれば、孔加工とテーパ孔内周面を同時加工して高い同軸度を得ることができる。

以下に本発明の実施の形態を図面を用いて詳細に説明する。図１は、本発明に係る切削工具の実施の形態を示す断面図である。本発明に係る切削工具は、マシニングセンタの主軸頭に装着されて使用されるものであり、一端に主軸に装着されるテーパ部を有し、他端に軸部を有する工具本体（入力軸）と、軸部に装着される出力軸と、工具本体の回転を出力軸に伝動する差動変速機構と、出力軸の端部に備わるスライダを主軸の回転軸線に対して傾斜した方向に移動させるためのカム機構及びガイド機構と、を備えている。すなわち、本発明に係る切削工具は、差動変速機構とカム機構とガイド機構の協働により、出力軸の端部に備わるスライダを回転軸線に対して傾斜した方向に移動させ、加工物のテーパ孔内周面を切削加工するものである（図６参照）。スライダの形態は、制限されるものではなく、分離型又は一体型とすることができる。分離型のスライダは本実施の形態で説明され、一体型のスライダは本実施の形態の変形例として図４に示されている。また、本発明の切削工具は、一例として、エンジンの燃焼室やコンプレッサの混合室のバルブシート面を精度良く切削できるものであるが、これに限られず、テーパ孔内周面の切削加工に広く適用されるものである。

図１には、主軸頭２に装着されている本実施の形態の切削工具１が示されている。本実施の形態の主軸頭２は、スピンドルスルー方式でクーラントを供給できるようになっている。クーラントは、工具本体３の内部を通り、出力軸１０先端の吐出口から吐出されるようになっている。クーラントの冷却作用により切れ刃寿命を延長させ、クーラントの潤滑作用により仕上げ面を良好にし、クーラントの圧力により切りくず処理性を向上させることができる。クーラントの圧力は任意であるが、高圧でクーラントを吐出することにより、上記効果を高めることも可能である。

工具本体３は、一端にショートテーパ部５を有し、マシニングセンタの主軸２ａのテーパ穴内面４ａと端面４ｂとにより二面拘束で保持されるようになっているが、これには限られない。例えば、ショートテーパ部５に代えてロングテーパ部を形成し、主軸頭２のテーパ穴内面４ａに一面で拘束されるようにすることもできる。本実施の形態のように、工具本体３を二面で拘束する場合には、工具１の剛性が高まり、精度の良い加工を行うことができる。工具本体３には、ショートテーパ部５に続いて断面Ｖ字状の外周溝６ａを有するフランジ部６が形成されている。外周溝６ａには、工具交換装置のＡＴＣアームが係合し、工具本体３が把持されるようになっている。工具本体３の先端側に形成された軸部７は、工具ハウジング２２の内側で一対の軸受２３，２４により回動可能に支持されている。軸部７の先端部には、カム機構を構成するカム３３が軸部７と同軸に設けられている。

一対の軸受２３，２４の両側には、複数のオイルシール４１，４２，４３が配設されており、工具本体３と工具ハウジング２２との間や、オイルシールケース４４と出力軸１０との間にクーラントや切りくずが侵入しないように、密封されている。主軸頭２側に設けられたオイルシール４１は、工具ハウジング２２と工具本体３の軸部７との間を密封し、軸部７の先端側に設けられた一対のオイルシール４２，４３は、オイルシールケース４４と出力軸１０との間を密封する。

一対の軸受２３，２４の間には、工具本体３の軸部７の外周面に固定された入力歯車２６と、出力軸１０の端部側の外周面に固定された出力歯車２７とが互いに離間して位置している。入力歯車２６と出力歯車２７には、両歯車２６，２７で歯数が異なることを除いて、外径寸法や歯幅などは同じである転位歯車を使用することができる。入力歯車２６と出力歯車２７は、伝達歯車２８に噛合して、工具本体３の回転が出力軸１０に伝達されるようになっている。伝達歯車２８は、一対の軸受４６，４７に支持され、伝達歯車軸４８の周りを回転する。入力歯車２６と出力歯車２７と伝達歯車４８は、差動変速機構の構成要素である。差動変速機構によれば、歯数の異なる入力歯車２６と出力歯車２７に伝達歯車４８を噛合させることにより、入力軸としての工具本体３と出力軸としての出力軸１０の回転速度を変化させることができる。すなわち、入力歯車２６の歯数をａとし、出力歯車２７の歯数をｂとした場合は、出力軸のギア比はａ／ｂとなるため、主軸を回転速度Ｎ_Sで回転させた場合、出力軸の回転速度Ｎ_Oは、Ｎ_O＝Ｎ_S×（ａ／ｂ）となる。このため、入出力歯車２６，２７の歯数を僅かに違う数にすることによって、入力軸と出力軸に僅かな回転速度の差を生じさせることができる。例えば、入力歯車２６の歯数を１４９とし、出力歯車２７の歯数を１５０とした場合、入力軸を１５０回転させると出力軸は１４９回転し、入力軸を出力軸よりも相対的に１回転多く回転させることができる。後述するように、工具本体３の軸部７の先端に設けられたカム３３を、相対的に１回転させることで、カム３３に設けられたカム溝３７（図５参照）に沿ってカムフォロア１９を一周させることができ、これにより、駆動スライダ６０を半径方向に一往復動作させることができる。

カム３３は、頭部３５と柄部３６とを有して段付き円柱形状をなし、工具本体３の軸部７の先端側に形成された穴部８ａに軸部７と同軸に柄部３６が着脱可能に挿入されている。カム３３には、軸方向の一端から他端に亘って、クーラントを通す貫通孔３８が形成されている。カム３３は、軸部７のねじ穴８ｂに螺合する止めねじ３９の先端を柄部３６の係止穴３６ａに係合させることにより、穴部８ａに固定されるようになっている。カム３３が軸部７に固定された状態で、頭部３５の垂直面は軸部７の先端面に当接するようになっている。頭部３５の先端面には、図５に示すように、カムフォロア１９が係合するカム溝３７が形成されている。

カム溝３７に係合するカムフォロア１９は、ピン状をなしており、基部側が駆動スライダ６０の移動方向に対して直角方向で、駆動スライダ６０の側面に圧入などにより一体的に固定されている。工具本体３と出力軸１０との回転速度の差により、カム３３が相対的に１回転する。カム３３の回転によって、カムフォロア１９の中心とカム３３の回転中心との間の中心距離が変化することで（図５参照）、駆動スライダ６０が半径方向に移動するようになっている。

カム３３の回転に伴ってカムフォロア１９は同様の動きを繰り返すこととなる。カムフォロア１９の半径方向の移動量は、カムフォロア１９の中心とカム３３の回転中心との間の中心距離に等しい。すなわち、カム３３のカム溝３７の形態により、カムフォロア１９の半径方向の移動量が規定され、駆動スライダ６０に連動する被駆動スライダ７０が主軸２ａの回転軸線に対して斜め方向に所定の移動量だけ移動するようになっている。

工具本体３の軸部７に回動自在に隙間を有して外挿される出力軸１０は、大径部１１と、大径部１１に続く小径部１３とを有している。先端側の大径部１１には、駆動スライダ６０及び被駆動スライダ７０が設けられている。また、大径部１１の先端には、加工物８０（図６参照）の孔８１内で予め形成されている小径の下孔８２を仕上げ加工するセンターリーマ９０が装着されている。センターリーマ９０は、刃部９１とシャンク部９２を有し、シャンク部９２の基端側が大径部１１に、雌ねじ１８に螺合する止めねじで着脱自在に固定されている。図６には、加工物８０のバルブシート部の模式図が示されているように、センターリーマ９０と被駆動スライダ６０に備わるスローアウェイタイプの切削インサート９５により、小径のバルブガイド孔（下孔）８２とテーパ孔内周面８３とが高精度に同軸加工されるようになっている。これにより、バルブとテーパ孔内周面８３とのシール性が向上する。

駆動スライダ６０は、ガイドブロック６１（図２参照）と共に大径部１１のガイド孔１４に挿入されている。駆動スライダ６０は、一方の側面にカム溝３７に係合するカムフォロア１９を有し、他方の側面に係合孔６２を有し、ガイドブロック６１にガイドされて回転軸線に直交する方向、すなわち半径方向に摺動する。ガイド孔１４に固定されているガイドブロック６１は、駆動スライダ６０の下面に突設された突条部６０ａに係合し、回転軸線に直交する方向に駆動スライダ６０をガイドするガイド溝（第１のガイド部）６１ａを有している。

図２に示すように、被駆動スライダ７０は、大径部１１の溝１７（図２参照）内にガイドプレート７１と共に装着されている。被駆動スライダ７０は、前側に三角形状の切削インサート９５を備え、後側に駆動スライダ６０の係合孔６２に係合する係合突部７２を有し、ガイドプレート７１に案内されて回転軸線に対して傾斜した方向に摺動する。駆動スライダ６０の係合孔６２と被駆動スライダ７０の係合突部７２とは、主軸の軸方向に摺動自在に係合している。大径部１１の溝１７に固定されているガイドプレート７１は、被駆動スライダ７０の下面に突設された突条部７０ａに係合し、回転軸線に対して傾斜する方向に被駆動スライダ７０を案内するガイド溝（第２のガイド部）７１ａを有している。

図３では、駆動スライダ６０と被駆動スライダ７０とが連結している状態が示されている。駆動スライダ６０が上方向ａに動くと、被駆動スライダ７０は切削インサート９５の切れ刃が回転軸線に近づく方向ａａに連動して動き、駆動スライダ６０が下方向ｂに動くと、被駆動スライダ７０は切削インサート９５の切れ刃が回転軸線から離れる方向ｂｂに連動して動くようになっている。

出力軸１０の基端側の小径部１３の外周面には、出力歯車２７が一体的に設けられている。また、小径部１３の外周面には、出力歯車２７に隣接して、オイルシールケース４４との間で一対のオイルシール４２，４３が接している。出力軸１０の内部には、工具本体３の軸部７の先端が入る小径穴部１５と大径穴部１６とが形成されている。先端側の小径穴部１５は、ガイド孔１４に連通する連通孔を有しており、この連通孔を介して、小径穴部１５に配置されたカム３３の頭部３５に形成されたカム溝３７に、駆動スライダ６０の側面に突設されたカムフォロア１９の先端側が係合するようになっている。

さらに、本実施の形態の切削工具１は、被駆動スライダ７０の先端側に備わるインサート９５の切れ刃位置が原点にあること、すなわち、カム３３の回転位置が原点にあることを検出するための位置決め機構を備えている。位置決め機構により、カム３３の原点を検出することで、加工物８０の孔８１内に切削工具１を挿入する際に、インサート９５の切れ刃が加工物に干渉することを防止することができる。位置決め機構は、主軸頭２の端面に固定されているソケット５１と、ソケット５１に接続する回り止めピン５２と、一端が回り止めピン５２に接続し、他端がオイルシールケース４４に接続するエアチューブ５３と、供給されたエアの背圧を検出する圧力センサ（図示せず）と、を備えている。ソケット５１、回り止めピン５２、エアチューブ５３には、エアを流すための貫通孔５４がそれぞれ形成されている。また、工具本体３の軸部７及び出力軸１０には、カム３３の回転位置が原点にあるときに、機械側から供給されたエアが、ソケット５１、回り止めピン５２、エアチューブ５３の貫通孔５４を通り、工具本体３の軸部７及び出力軸１０を通って、外に排出されるようにするための連通孔５６が形成されている。したがって、供給されたエアが工具本体３の外部に排出されて、背圧が低下したとき、切れ刃位置が原点にあると認識でき、逆に、背圧が検出されたとき、切れ刃位置が原点にないと認識することができる。

本実施の形態の位置決め機構において、切削工具１が、ＡＴＣマガジン（図示せず）内に存するときは、常にカム３３は定められた周回数ごとにくる原点位相（所定の角度位置）になるようにする。位置決め機構による工具１の位置決めを含む、実際のシーケンスは、次のようになる。
１．工具１をＡＴＣ（自動工具交換装置）によって主軸頭２に装着する。
２．工具１を位置決め機構により原点出しして、工具１の先端（出力軸１０の先端）を加工物の孔８１の中に挿入する。
３．マシニングセンタの主軸２ａを、主軸周回数カウント機能、例えば、Ｃｓ軸制御（主軸回転送り制御）により、所定の周回数（ｒ周とする）だけ回転し、テーパ孔内周面を加工する。
４．工具１を孔８１から抜き出す。
５．他に加工する箇所があるときは他の加工位置に工具１を移動させ、上記２〜４のシーケンスを繰り返し実施する。
６．加工を終了する。
７．この時点において、主軸２ａは、Ｃｓ軸制御によって、正確にｒ×ｈ（ｈは整数）周回転している。
８．ＡＴＣで工具交換を行い、工具１を工具マガジン内に戻す。
なお、上記２における工具１の原点出しは、Ｃｓ軸制御により主軸の回転位置決めを行うことにより達成される。

以上のように、本実施の形態の切削工具によれば、差動変速機構により工具本体３と出力軸１０とに回転速度の差が生じ、工具本体３と出力軸１０との回転速度の差によってカム溝３７に案内されてカムフォロア１９が移動することにより、駆動スライダ６０がガイドブロック６に案内されて半径方向に移動し、被駆動スライダ７０がガイドプレート７１に案内されて、被駆動スライダ７０が回転軸線に対して傾斜した方向に移動する。これにより、被駆動スライダ７０に備わるインサート９５の切れ刃によりテーパ孔内周面８３の加工をシングルポイントコンタクトで低切削抵抗で行うことができる。本実施の形態の切削工具１が、エンジンやコンプレッサの燃焼室のバルブシートの加工に適用された場合には、びびりマークのない加工面が得られ、バルブ（図示せず）とテーパ孔内周面８３とのシール性が向上し、燃焼室の燃焼効率などを高めることに貢献する。

なお、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の骨子を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。本実施の形態では、スライダが駆動スライダ６０と被駆動スライダ７０とに分離された分離型の形態で示されているが、図４に示すように、一体型のスライダ７５とすることもできる。この変形例では、一体型のスライダ７５は、大径部１１に形成されたガイド溝７６に案内されて、回転軸線に対して斜め方向に移動するようになっている。また、本実施の形態では、駆動スライダ６０及び被駆動スライダ７０に突条部６０ａ，７０ａが形成され、ガイドブロック６１及びガイドプレート７１にガイド溝６１ａ，７１ａが形成されているが、駆動スライダ６０及び被駆動スライダ７０に溝を形成し、ガイドブロック６１及びガイドプレート７１に突部を形成してもよい。また、本実施の形態では、出力軸１０の大径部１１にセンターリーマ９０が装着され、被駆動スライダ７０にスローアウェイタイプの切削インサート９５が備わっているが、センターリーマ９０に代えてドリルを装着することも可能であり、スローアウェイタイプの切削インサート９５に代えてろう付けタイプの刃部を備えることも可能である。

本発明に係る切削工具の実施の形態を示す断面図である。図１に示す切削工具の斜視図である。駆動スライダと被駆動スライダの動きを説明する断面図である。駆動スライダと被駆動スライダとが一体化された本実施の形態の切削工具の変形例を示す断面図である。カム溝を有するカムの正面図である。加工部位を切削している状態を示す説明図である。

符号の説明

１切削工具
２主軸頭
２ａ主軸
３工具本体
１０出力軸
１４ガイド孔
１９カムフォロア
２６入力歯車
２７出力歯車
４８伝達歯車
３３カム
３７カム溝
６０駆動スライダ
６１ガイドブロック
７０被駆動スライダ
７１ガイドプレート

Claims

工作機械の主軸に装着され、差動変速機構及びカムを内蔵した切削工具において、
前記主軸に装着され、前端面にカム溝が形成された前記カムを有する入力軸と、
前記差動変速機構により前記入力軸と異なる回転速度で回転する出力軸であって、前記入力軸と同軸に配置された出力軸と、
切れ刃を有し、前記出力軸に設けられたスライダであって、前記主軸の回転軸線に対して傾斜した方向に移動するスライダと、
該スライダを前記主軸の軸線に対して斜めの方向に案内するガイド部と、
を具備することを特徴とした切削工具。
前記スライダは、前記カム溝に係合するカムフォロアを有し、前記回転軸線に直交する方向に移動する駆動スライダと、該駆動スライダに係合されて前記回転軸線に対して傾斜した方向に移動する被駆動スライダとを備え、前記ガイド部は、前記駆動スライダを前記回転軸線に直交する方向に案内する第１のガイド部と、前記被駆動スライダを前記回転軸線に対して傾斜した方向に案内する第２のガイド部とを備えた請求項１に記載の切削工具。
前記回転軸線の方向の孔を加工する孔加工工具を前記出力軸の先端側に装着する装着部を有した請求項１又は２に記載の切削工具。