JP2017148883A - スカイビング加工装置及びその加工方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ワークを円形穴の内周面や円筒形状の外周面に対する複数の凹部の形成加工精度が高く、凹部間ピッチや配列パターン等の可変自由度が高い加工装置及びその加工方法の提供を目的とする。
【解決手段】断面円形状の円形穴を有するワークの円形穴部の内周面または円筒形状のワークの外周面に凹部を形成するためのスカイビング加工装置であって、前記ワークの円形穴部または円筒形状の中心軸廻りに回転させるワーク回転手段と、凸状の歯先を有する回転工具を当該回転工具の歯先回転接線方向が前記円形穴部の内周面または円筒形状の外周面の中心軸方向と所定の角度で交差するように回転させる工具回転手段と、前記ワークと前記回転工具とを同期回転させ、前記回転工具を前記円形穴部または円筒形状の中心軸方向に相対移動させるための移動制御手段と、を有することを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ワーク（被加工物）に有する断面円形状の円形穴の内周面または円筒形状のワークの外周面に凹部加工を行うためのスカイビング加工装置及びそれを用いた加工方法に関する。

ワークの円形穴の内周面や、円筒形状のワークの外周面に複数の微細凹部を形成する技術としては特許文献１，２等が公知である。
特許文献１には、外周部に微細な凹凸を具備した複数の加工ローラを円形孔の内周面に押圧する技術を開示する。
特許文献２には、外周部に凸部を有するフォームローラを遠心力にて円形穴の内周面に圧接する技術を開示する。
しかし、これらに開示する技術は、ローラの外周部に形成した凸部を円形穴の内周面に転写する方式であるため、内周面に形成する複数の凹部の大きさやピッチは、回転ローラの凸部に依存することになるため、円形穴の内周面に多くの凹部を形成するには、それだけピッチが小さい多くの凸部を工具側に形成しなければならず、その製作が困難であったり、数に限界がある。
また、回転工具を装着するホルダー部等の微妙な振れがそのまま回転工具の振れとなり、形成される凹部の精度が低下する問題もある。
さらには、円形穴内周面に形成される複数の凹部のピッチは、ローラの凸部のピッチに依存するために円形穴内周面に形成したい凹部のピッチ毎に専用の回転工具が必要となり、汎用性に劣るものである。

特開２００６−２８９４１８号公報 特開２００７−３８２９３号公報

本発明は、ワークの円形穴の内周面や円筒形状の外周面に対する複数の凹部の形成加工精度が高く、凹部間ピッチや配列パターン等の可変自由度が高い加工装置及びその加工方法の提供を目的とする。

本発明に係るスカイビング加工装置は、断面円形状の円形穴を有するワークの円形穴部の内周面または円筒形状のワークの外周面に凹部を形成するためのスカイビング加工装置であって、前記ワークの円形穴部または円筒形状の中心軸廻りに回転させるワーク回転手段と、凸状の歯先を有する回転工具を当該回転工具の歯先回転接線方向が前記円形穴部の内周面または円筒形状の外周面の中心軸方向と所定の角度で交差するように回転させる工具回転手段と、前記ワークと前記回転工具とを同期回転させ、前記回転工具を前記円形穴部または円筒形状の中心軸方向に相対移動させるための移動制御手段と、を有することを特徴とする。

ここで、ワークとは被加工物をいい、断面円形状の円形穴を有するか、または円筒形状の各種製品が対象となり、円形穴は有底穴，貫通穴の両方が含まれる。
また、本願において「同期回転」とはワークと回転工具とを同一方向に回転させる際にワークと回転工具のそれぞれの回転速度を所定の比率に保った状態で回転させることをいう。
本発明は、例えば自動車用部品におけるバルブ摺動面の内壁にオイル溜まりを目的とした複数の微細な凹部を形成するのに適用される。
また、二硫化モリブデンなどの固体潤滑成分（潤滑材料）を埋め込み、摺動面を作るための凹部加工にも適用できる。

本発明は、ワークの円形穴部または円筒形状のワークの回転中心軸と、回転工具軸とに所定の角度だけねじれを生じさせた状態でワークの回転と工具の回転を同一方向に同期化させつつ、加工点における円形穴部内周面または円筒形状の外周面の回転速度と凸状の歯先を有する回転工具歯先の回転速度との相対速度を利用して、円形穴部の内周面または円筒形状の外周面に複数の凹部を形成する点に特徴があり、例えば回転工具はスカイビングカッタであって、カッタ歯数が、ワークの円形穴部または円筒形状の外周面の一周当たりの凹部の数であるワーク歯数よりも少なく、回転工具とワークの円形穴部または円筒形状の外周面との回転速度の差（相対速度）を可変制御することで前記凹部の配列パターンを可変調整可能にした態様が含まれる。

また、本発明は断面円形状の円形穴を有するワークの円形穴部の内周面または円筒形状ワークの外周面に凹部を複数形成する加工方法であって、前記ワークの円形穴部または円筒形状を中心軸廻りに回転させ、複数の歯先を有する回転工具を当該回転工具の歯先回転接線方向が前記円形穴部の内周面または円筒形状の外周面中心軸方向と所定の角度で交差するようにワークの円形穴部または円筒形状と同一方向に回転させ、前記円形穴部または円筒形状と回転工具とに回転速度の相対速度を設けながら前記回転工具の歯先を前記円形穴部の内周面または円筒形状の外周面に当接させることを特徴とする。
また、前記回転工具を前記ワークの円形穴部または円筒形状の中心軸方向に沿って相対移動させることで円形穴部の内周面または円筒形状の外周面に複数の凹部を螺旋状に配置形成することを特徴とする。

本発明に係る加工装置にあっては、ワークの円形穴部または円筒形状ワークをその中心軸廻りに回転させるワーク回転手段と、凸状の歯先を有する回転工具の歯先回転接線方向が円形穴部の内周面または円筒形状の外周面に中心軸方向と所定の角度だけねじれが生じるように交差回転させる工具回転手段と、を備えたので、その相対速度や回転工具の円形穴部または円筒形状の中心軸方向の移動速度を制御するだけでワークの円形穴部の内周面または円筒形状の外周面に形成される複数の凹部の大きさ，深さ，ピッチ，配列パターン等を可変制御できる。

本発明に係る加工装置及びその方法を模式的に示す。（ａ）は断面図を示し、（ｂ）は回転工具とワーク内周面との位置関係を示す。 回転工具と円形穴部との位置関係を模式的に示す。 回転工具の先端部の拡大図を示す。（ａ）は平面図、（ｂ）は断面図を示す。 図３に示す回転工具１０の歯先部１１の拡大図の一例を示す。 実施例１においてスカイビングカッタを用いて交差角θ＝５°、ワーク歯数４８１個の条件で凹部加工を行った場合のワーク内面に加工された凹部パターンを示す。 実施例１においてスカイビングカッタを用いて交差角θ＝１７°、ワーク歯数４８１個の条件で凹部加工を行った場合のワーク内面に加工された凹部パターンを示す。 実施例１においてスカイビングカッタを用いて交差角θ＝２５°、ワーク歯数４８１個の条件で凹部加工を行った場合のワーク内面に加工された凹部パターンを示す。 実施例１においてスカイビングカッタを用いて交差角θ＝３５°、ワーク歯数４８１個の条件で凹部加工を行った場合のワーク内面に加工された凹部パターンを示す。 実施例１においてスカイビングカッタを用いて交差角θ＝４５°、ワーク歯数４８１個の条件で凹部加工を行った場合のワーク内面に加工された凹部パターンを示す。 実施例１において交差角θ＝１７°、ワーク歯数４８２個の条件で凹部加工を行った場合のワーク内面に加工された凹部パターンを示す。 実施例１において交差角θ＝１７°、ワーク歯数４８３個の条件で凹部加工を行った場合のワーク内面に加工された凹部パターンを示す。 （ａ）は実施例１においてスカイビングカッタの歯先の先端形状を片側ずつＲ１．０およびＲ５．０に変化させて製作した歯先部分の拡大図、（ｂ）は（ａ）に示すスカイビングカッタを用いて凹部加工を行った場合のワーク内面に加工された凹部形状を示す。 実施例２において交差角θ＝１７°、ワーク歯数４８１個、カッタ送り速度０．０４ｍｍ／ｒｅｖに設定して凹部加工を行った場合の凹部パターンの外観写真を示す。 参考例として、交差角θ＝１７°、ワーク歯数１６１個、カッタ送り速度０．１２ｍｍ／ｒｅｖに設定して凹部加工を行った場合の凹部パターンの外観写真を示す。 参考例として、交差角θ＝１７°、ワーク歯数４８１個、カッタ送り速度０．００５ｍｍ／ｒｅｖに設定して凹部加工を行った場合の凹部パターンの外観写真を示す。

本発明に係る加工装置及び加工方法を以下、図面に基づき、断面円形状の円形穴を有するワークの円形穴部の内周面に対して凹部の加工を行う場合について説明するが、本発明はこれに限定されない。
例えば、円筒形状のワークの外周面に凹部加工を行う場合等にも適用される。

図１及び図２に模式図を示すように、本発明に係るスカイビング加工装置は、断面円形状の円形穴部１ａを有するワーク１を、円形穴中心軸Ｏ_１廻りに回転制御するワーク回転手段（図示省略）と、回転工具１０を保持し、回転制御する工具回転手段１２を有する。
回転工具１０の回転軸Ｏ_２は、図１（ａ）に示すように円形穴１ａの内周面１ｂに投影した状態で交差角θを有するように、ねじれ状態に配置する。
図１（ｂ）には、平面視での歯先部１１と工具シャフト１２ａとの位置関係を示す。
この状態を加工点で説明すると、円形穴の内周面中心軸方向に対して回転工具の歯先の回転接線方向が交差角θにて交差していることになる。
図２に示すようにワーク回転手段と工具回転手段１２とは、同一方向に同期させて（図示中の矢印の方向）回転制御するとともに、円形穴部１ａの内周面１ｂの回転速度と回転工具１０の歯先部１１の回転速度とに所定の相対速度が生じるように、回転工具１０の方の回転速度を速くする制御手段とを有する。
また、回転工具１０は図示を省略したが、内周面１ｂの中心軸方向に沿って上昇及び下降制御された移動制御手段を有する。
回転工具１０の歯先部１１は、図３及び図４に部分拡大図を示すように所定のモジュールｍ，歯たけＨの凸形状になっている。
図４に示す回転工具は、歯先部１１の凸形状をＲ_１＝５．０００，歯たけＨ_１＝０．２００に設定し、カッタ歯数２４０（ｍ＝０．１６７８）に等分割した８歯数単位のうち、７歯を欠損させた実質カッタ歯数３０にした一例である。

回転工具として、基準ピッチ円直径４０．２７２ｍｍ（以下、寸法単位は全てｍｍ）のスカイビングカッタを用いて、種々の条件にて円筒形状ワークの内周面に凹部を加工した場合の形状の変化を確認した。
その確認結果について図を参照して説明する。
まず、加工条件はスカイビングカッタの軸方向と円筒形状ワークの軸方向とがなす角度θ（以下、交差角という）を、５°、１７°、２５°、３５°および４５°の計５水準に変化させて凹部の加工を行った。
また、交差角θ＝１７°の場合にワークの内周面に形成される一周当たりの凹部の数（以下、ワーク歯数という）は４８１個、４８２個および４８３個の計３水準に変化させても凹部の加工を行った。
さらに、スカイビングカッタの歯先の先端形状を左右両側で変化させても凹部の加工を行った。

交差角θを、５°、１７°、２５°、３５°および４５°の計５水準に変化させて凹部の加工を行った際のワーク内面に加工された凹部パターンを図５ないし図９に示す。図５ないし図９に示すように、ワーク内面に加工された凹部の投影面積は交差角が大きくなるにしたがって広くなることがわかる。

次に、交差角θ＝１７°の条件で固定しておき、ワーク歯数が４８１個、４８２個および４８３個の条件で凹部加工を行った場合のワーク内面に加工された凹部パターンを図６および図１０、図１１それぞれに示す。交差角θ＝１７°、ワーク歯数４８１個の条件では図６に示すように加工された凹部のパターンは規則的に配列されていることがわかる。しかし、同じ交差角であってもワーク歯数を４８２個や４８３個などのように変化させると、加工される凹部のパターンは図１０および図１１に示すように変化し、ワーク歯数が４８３個の場合に至っては、加工順序は変則的になるが、最終的な凹部の配列は規則的になることがわかった。

次に、加工に使用するスカイビングカッタの歯先の先端形状を片側ずつ変化させて製作した歯先部の拡大図を図１２（ａ）、同図（ａ）に示すスカイビングカッタを用いて凹部加工を行った場合のワーク内面に加工された凹部形状を図１２（ｂ）にそれぞれ示す。
図１２（ａ）に示すスカイビングカッタの歯先の形態は、片側をＲ＝１．０００として、もう片側をＲ＝５．０００とした。
同図（ａ）に示すスカイビングカッタを用いて凹部の加工を行った場合には、ワーク内面に加工される凹部の形態は、図５〜図９に示すような完全な楕円形にはならず、いびつな形態となることがわかった。
したがって、歯先の先端形状を片側ずつ変化させたスカイビングカッタを用いることで、凹部の面積を自在に調整できるという利点がある。

次に、カッタ歯数２４０のスカイビングカッタを用いてワーク側に形成される凹部のワーク歯数を４８１に設定し、交差角θ＝１７°，カッタ送り速度０．０４ｍｍ／ｒｅｖに設定し、これにより得られた凹部パターンの外観写真を図１３に示した。
その結果、凹部が緻密に配列されたパターンが得られた。
また、楕円凹部の大きさは長軸方向長さ０．５３ｍｍ×短軸方向長さ０．４３ｍｍで、深さは０．００３ｍｍであった。
このことから実質カッタ歯数３０のように、歯先ピッチが大きくてもワークと回転工具のそれぞれの回転数の制御により緻密に配列された凹部パターンが形成されるので、工具の歯先ピッチを小さくする必要がなく、工具の製作が容易になるとともに１つの工具で各種凹部配列パターンに調整できることが明らかになった。
ここで、カッタ歯数２４０の歯先を等間隔で部分的に欠損させて、実質カッタ数８０とした場合にワーク歯数を１６１に設定すると、楕円凹部の大きさが長軸方向長さ０．７７ｍｍ×短軸方向長さ０．４４ｍｍになった。

本発明において交差角θは、回転工具とワークとが干渉しない範囲で設定でき、好ましくは０°以上４５°以下の範囲である。
なお、交差角θを上述の角度に限定した理由は、４５°を超える場合には回転工具や工具シャフトとワークとが干渉するためである。
特に、交差角θを５°未満にした場合には、凹部形状の（投影）面積をより小さくできるという利点がある。

また、回転工具の歯先部は、等間隔の初期歯数Ｎ_Ｏに対して所定の歯を等間隔で部分的に欠損させて実質カッタ歯数Ｎ_Ｃにすることで、１つの回転工具を用いて複数の凹部の配列パターンを可変調整できる。
従って、等間隔の初期歯数Ｎ_Ｏ＝Ｎ_Ｃ×Ｐ（整数）と設定でき、そのときのワーク歯数Ｎ_ＷをＮ_Ｗ＝Ｎ_Ｃ×Ｐ×ｑ（整数）±α（αは整数であり、０＜α＜ｑ）の範囲に設定するのが好ましい。

なお、参考例として実施例２における加工条件、例えばカッタ歯数やカッタ送り速度を変化させた場合の凹部加工の状態についても説明する。
実質カッタ歯数Ｎ_Ｃ＝３０、Ｐ＝２．６６６７、等間隔の初期歯数Ｎｏ＝８０、ｑ＝２、α＝１、ワーク歯数Ｎｗ＝１６１のスカイビングカッタを用いて、交差角θ＝１７°，カッタ送り速度０．１２ｍｍ／ｒｅｖの加工条件で凹部加工した場合、これにより得られた凹部パターンの外観写真を図１４に示す。凹部パターンの配列パターンは図１４に示すように、図１３に示したパターンとは異なり不規則に配列されていることがわかる。
また、カッタ歯数２４０のスカイビングカッタを用いてワーク側に形成される凹部のワーク歯数を４８１に設定し、交差角θ＝１７°，カッタ送り速度０．００５ｍｍ／ｒｅｖに設定し、これにより得られた凹部パターンの外観写真を図１５に示す。
この場合の凹部パターンの配列パターンも図１５に示すように、図１３に示したパターンとは異なり不規則に配列されており、さらに凹部の形態が連続的につながっている形態であることがわかる。

１ ワーク
１ａ 円形穴部
１ｂ 内周面
１０ 回転工具
１１ 歯先部
１２ 工具回転手段

Claims (4)

1. 断面円形状の円形穴を有するワークの円形穴部の内周面または円筒形状のワークの外周面に凹部を形成するためのスカイビング加工装置であって、
   前記ワークの円形穴部または円筒形状の中心軸廻りに回転させるワーク回転手段と、
   凸状の歯先を有する回転工具を当該回転工具の歯先回転接線方向が前記円形穴部の内周面または円筒形状の外周面の中心軸方向と所定の角度で交差するように回転させる工具回転手段と、
   前記ワークと前記回転工具とを同期回転させ、
   前記回転工具を前記円形穴部または円筒形状の中心軸方向に相対移動させるための移動制御手段と、を有することを特徴とするスカイビング加工装置。
2. 前記回転工具はスカイビングカッタであって、
   カッタ歯数が、ワークの円形穴部または円筒形状の外周面の一周当たりの凹部の数であるワーク歯数よりも少なく、回転工具とワークの円形穴部または円筒形状の外周面との相対速度を可変制御することで前記凹部の配列パターンを可変調整可能にしたことを特徴とする請求項１記載のスカイビング加工装置。
3. 断面円形状の円形穴を有するワークの円形穴部の内周面または円筒形状のワークの外周面に凹部を形成するスカイビング加工方法であって、
   前記ワークの円形穴部または円筒形状の中心軸廻りに当該ワークを回転させ、複数の歯先を有する回転工具を当該回転工具の歯先回転接線方向が前記ワークの円形穴部の内周面または円筒形状の外周面中心軸方向と所定の角度で交差するように配置し、前記ワークの円形穴部または円筒形状と同期回転させ、前記円形穴部または円筒形状と回転工具とに相対速度を設けながら前記回転工具の歯先を前記円形穴部の内周面または円筒形状の外周面に当接させることを特徴とするスカイビング加工方法。
4. 前記回転工具を前記ワークの円形穴部または円筒形状の中心軸方向に沿って相対移動させることで円形穴部の内周面または円筒形状の外周面に複数の凹部を螺旋状に配置形成することを特徴とする請求項３記載のスカイビング加工方法。