JP2017525583A

JP2017525583A - ワークピースを加工するための装置および方法

Info

Publication number: JP2017525583A
Application number: JP2017529602A
Authority: JP
Inventors: ストリックレン、リチャード
Original assignee: スピアリアインダストリーズインターナショナルインコーポレイテッド
Priority date: 2014-08-22
Filing date: 2015-08-21
Publication date: 2017-09-07
Also published as: EP3183095A1; EP3183095A4; CA2958869C; WO2016029080A1; KR20170043573A; US9682428B2; US20160052067A1; US20170259349A1; CN106715045A; MX2017002338A; CA2958869A1

Abstract

キャストワークピースを機械加工するためのスピンドルアセンブリは、固定具軸を中心としてワークピースに回転運動を提供する固定具を含む。第１スピンドルは、第１スピンドル軸を中心として切削工具に回転運動を与え、第２スピンドルは、第２スピンドル軸を中心として第２切削工具に回転運動を与える。第１スピンドル軸および第２スピンドル軸は、固定具軸を横切っている。固定具は、第１スピンドルおよび第２スピンドルとの間に配置される。固定具の旋回運動は、第１スピンドルおよび第２スピンドルにワークピースの両側へのアクセスを提供し、切削工具が同時にワークピースの両側を切削することを可能にする。第１切削工具および第２切削工具は、ワークピースに代わりのまたは異なる開口部を切削するために、第３切削工具および第４切削工具によって同時に交換され得る。【選択図】図６

Description

（先願）
本願発明は、２０１４年８月２２日に出願された米国仮特許出願第６２／０４０，５９６号明細書および２０１４年１０月２８日に出願された米国非仮特許出願第１４／５２５，３００号明細書の優先権を主張する。

（技術分野）
本発明は概して、ワークピース（ｗｏｒｋｐｉｅｃｅ）を機械加工する装置および方法に関する。より詳細には、本発明は、形状をワークピースに切削するためのスピンドル機械に関する。

キャストワークピース（ｃａｓｔｗｏｒｋｐｉｅｃｅ）に形状を機械加工することは、大量生産設備のボトルネックとして知られている。キャストワークピースの大量生産におけるボトルネックのこのような例の１つは、図１に示すようなキャストホイール（ｃａｓｔｗｈｅｅｌ）４６を機械加工することである。キャストホイール４６は典型的には、カットラグナット開口部６０と、カットバルブステム開口部７５とを含み、キャストホイールの切削によって製造上のボトルネックが生じる。

特に、重量を低減するために軽量合金を使用する場合、道路車両用のキャストホイールへの使用がますます望まれる。重量削減の見込みがあるにもかかわらず、キャストホイールの市場占有率の増大に対する１つの不利益は、板金から打ち抜かれたホイールと比較して製造プロセスが遅いことである。キャスティング法は、板金成形に比べて遅いが、製造プロセスにおけるボトルネックは、特にラグおよびバルブステムを受けるための開口部を形成する際の機械操作である。例えば、図２を参照すると、従来技術のスピンドル機械が概して１０で示されている。現在のスピンドル機械１０は、ホイール１４が載せられている固定具１２を含む。切削工具１６がスピンドル１８に固定されている。スピンドル１８および切削工具１６は、デカルト座標系のＺ軸に沿って垂直方向に配向している。

スピンドル１８は、以下にさらに説明するように、固定具１２を中心として円周方向に移動する。固定具１２はＹ軸回りに回転するが、これについては以下でさらに説明する。このようにして、切削工具１６は、ホイール１４を中心として複数の位置に移動され、所望の開口部を切削する。

ホイール１４にラグ開口部２０を形成する工程は、図２〜図４に示されている。図２に示すように、ホイール１４は固定具１２に垂直に配向して取り付けられ、切削工具１６は第１ラグ開口部２０の位置に移動される。スピンドル１８は、切削工具１６をＺ軸を中心として円周方向に動かし、複数のラグ開口部２０をホイール１４の表面２４に切削する。ホイールが図３に示される向きに回転すると、工具交換したことを示すために図３にＴＣによって示される第２切削工具２６がスピンドル１８に固定される。このとき、ホイールの後面２８が切削工具１６に対向するように、ホイールはＹ軸を中心に回転する。図４では、第２切削工具２６は、第２の形状をホイール１４の後面２８、この例では開口部２０内の相補的形状に切削するために、Ｚ軸を中心として円周方向に移動する。

図４に示すホイール１４を機械加工する工程が完了すると、ホイール１４が再びＹ軸回りを回転し、追加の工具交換ＴＣが行われて第３切削工具３０がスピンドル１８に固定される。固定具１２は再び、ホイール１４をＹ軸上で旋回させ、第３切削工具３０をバルブステム開口部２２の位置に位置決めする。第３切削工具３０がバルブステム開口部２２の一部を形成すると、固定具１２は再びホイール１４をＹ軸上で図５に示す向きに回転させ、追加の工具交換ＴＣを第４切削工具３２に導き、バルブステム開口部２２の後部を切削する。完了すると、別の工具交換ＴＣが実行され、固定具１２がホイールを元の位置に回転させ、その時点でホイール１４が取り外される。

４つの工具交換ＴＣが必要であり、Ｙ軸まわりの固定具の４つの回転が図２から５に示された工程を経て行われることは、当業者には理解される。上述の切削工程は、キャストホイールの製造方法のボトルネックになっている。この方法を簡素化して効率を改善し、サイクル時間を短縮して製造コストを低減することが望ましい。

キャストワークピースを機械加工するためのスピンドルアセンブリは、ワークピースを固定するための固定具を含む。固定具は、固定具によって規定される固定具軸を中心としてワークピースに回転運動を与える。スピンドル軸は、ワークゾーンから外への切りくずの流れを重力を利用して改善するために、実質的に水平である。第１スピンドルは、反対方向から第２スピンドルまで延びている。第１スピンドルは、第１スピンドル軸を中心として切削工具に回転運動を与え、第２スピンドルは、第２スピンドル軸を中心として第２切削工具に回転運動を与える。第１スピンドル軸および第２スピンドル軸はそれぞれ、固定具軸を横切る。固定具は、第１スピンドルと第２スピンドルとの間に配置され、固定具軸を中心としてワークピースに旋回運動を与える。旋回運動は、第１スピンドルおよび第２スピンドルにワークピースの両側へのアクセスを提供し、第１切削工具および第２切削工具が同時にワークピースの両側を切削することを可能にする。第１切削工具および第２切削工具は、ワークピースの代わりのまたは異なる開口部を切削するために、第３切削工具および第４切削工具と同時に交換され得る。

本発明のアセンブリは、例えばホイールのようなワークピースへの開口部を機械加工するのに必要な時間を５０％まで短縮する。異なる形状を有する輪郭または開口部を同時に機械加工することができる、対向するスピンドルに対するワークピースの配向は、より迅速なサイクル時間を提供する多くのユニークで独創的な態様の１つである。さらに、２つの異なる機械の輪郭または開口部を含むワークピースには、1回の工具交換のみが必要である。これは、同じワークピース構成に達するために少なくとも４回の工具交換を必要とする従来技術の装置とはかなり異なる。

本発明の他の利点は、添付の図面とあわせて考慮され、以下の詳細な説明を参照することによってよりよく理解されるように、容易に理解されるであろう。

図１は、ワークピースの断面図を示す。図２は、第１工程段階における従来のスピンドル機械の概略図を示す。図３は、従来のスピンドル機械の第２工程段階を示す。図４は、従来のスピンドル機械の第３工程段階を示す。図５は、従来のスピンドル機械の第４工程段階を示す。図６は、本発明のスピンドル機械の概略図を示す。図７は、本発明のスピンドル機械の第１処理段階を示す。図８は、本発明のスピンドル機械の第２処理段階を示す。図９は、本発明のスピンドル機械の第２処理段階を示す。

例えばホイールのようなキャストワークピースを機械加工するためのスピンドルアセンブリは、図６の４０に概略的に示されている。固定具４２は、例えば、アセンブリ４０内で処理するためのホイール４６などのワークピースを固定するために使用される。当業者であれば、本出願におけるホイールの説明は単に例示的なものであり、他のキャスト部品も本アセンブリ４０において処理され得ることを理解すべきである。固定具４２は、固定具軸４４を規定し、その周囲にホイール４６が旋回される。

第１スピンドル４８は、固定具４２に向かって、第２スピンドル５０と反対方向に延びている。それゆえ、第１スピンドル４８および第２スピンドル５０は、固定具４２の両側で反対方向に延びている。アセンブリ４０は、図６に最もよく示されているように、ｘ、ｙおよびｚ軸を有する３軸デカルト座標系によって規定される。第１スピンドル４２は、第１スピンドル軸５４を中心として第１切削工具５２に回転運動を与える。第２スピンドル５０は、第２スピンドル軸５８を中心として第２切削工具５６に回転運動を与える。第１切削工具５２および第２切削工具５６は、デカルト座標系のｙ軸に沿って反対方向に延びている。固定具軸４４は、図６に示すデカルト座標系のｘ軸に沿って延びる。この構成により、第１切削工具５２および第２切削工具５６は、ホイール４６の両側を同時に切削することができ、これまで実現されなかった処理効率を提供する。

第１スピンドル４８は、デカルト座標系のｙ軸およびｘ軸の両方に沿って移動可能である。同様に、第２スピンドル５０は、デカルト座標系のｙ軸およびｘ軸の両方に沿って移動可能である。したがって、第１スピンドル軸５４および第２スピンドル軸５８は同軸であり、平行な関係に変位可能である。このように、第１切削工具５２および第２切削工具５６は、４６のホイールの異なる位置を同時に切削することが可能になる。例えば、アセンブリ４０は、複数のラグナット開口部６０（図７）をホイール１４内に切削するように構成される。典型的なラグナット開口部６０は、第１ラグナット形状６２および第２のラグナット形状６４（図１に最もよく示されている）を含む。第１ラグナット形状６２は、ナット（図示せず）を受け入れるように構成され、第２ラグナット形状６４は、スタッド（図示せず）を受け入れるように構成される。これらの形状の各々は、適切な構成を達成するために異なる切削工具を必要とする。アセンブリ４０は、第１スピンドル軸５４と第２スピンドル軸５８とを同軸の位置関係から平行な位置関係に変位させることによって、異なる複数のラグナット開口部６０を同時に切削する能力を提供する。本発明のアセンブリ４０は、固定軸４４、第１スピンドル軸５４、および第２スピンドル軸５８の３つの回転軸を提供することを当業者には理解される。３つの回転軸を有する利点は、図７から図９を参照することによって最もよく説明される。

図６から図９は、本発明のアセンブリ４０を介して処理されるホイール４６の２つの位置を示す。図６に示すように、上向きのホイール表面６６と下向きの後面６８とを有するホイール４６は、固定具４２の上に配置される。固定されると、固定具４２は、固定具軸４４上でホイール４６を旋回させて、図７に最もよく示されているように、面６６を第１切削工具５４に、後面６８を第２切削工具５６に露出させる。第１切削工具５４および第２切削工具５６は、例えばラグナット開口部６０の異なる位置のようなホイール４６の異なる位置に同時に係合するように、ｚ軸に沿ってホイール４６に向かって移動する（図６）。したがって、第１切削工具５４は、１つのラグナット開口部に第１ラグナット形状６２を切削するのと同時に、第２切削工具５６が異なるラグナット開口部に第２ラグナット形状６４を切削する。第１スピンドル４８および第２スピンドル５０は、デカルト座標系（図３）のｘ軸の周りをｙ軸に沿って移動することにより、第１切削工具５４および第２切削工具５６が、従来技術のアセンブリにおいて必要とされる1回の工具交換を行うことなく、複数のラグナット開口部を切削することを可能とする。本スピンドル機械４０の本発明の態様は、サイクル時間を約５０％短縮する。

所望の数のラグナット開口部６０が切削されると、第１切削工具５４が第３切削工具７０と交換され、第２切削工具５６が第４切削工具７２と交換される工具交換が行われる。固定具４２は、図８に示されているようにホイールを方向付ける固定具軸４４を中心としてホイール４６を再び回転させる。第１スピンドル４８は、第３切削工具７０を、バルブステム開口部７４を切削するための所定の位置に移動させる。同時に、第２スピンドル５０は、第４切削工具７２をバルブステム開口部７４の反対部分を切削するのに必要な位置に移動させる。この場合、単一のバルブステム開口部７４のみが必要とされるので、第１切削工具７０および第２切削工具７２は、第１バルブステム形状７６および第２バルブステム形状７８を順次切削する。

バルブステム開口部７４を切削した後、固定具４２は完成したホイール４６を図６に示す開始位置まで固定具軸を中心として回転させる。この時点で、完成したホイール４６は、固定具４２から取り外され、新しいホイールが固定具４２上に配置される。さらなる効率のために、第３切削工具７０および第４切削工具７２をそれぞれ第１切削工具５４および第２切削工具５６で置き換える工具交換が行われる前に、第３切削工具７０および第４切削工具７２がバルブステム開口部７４を切削するように、ホイール４６を逆の順序で処理する。それゆえ、ホイール４６は、冗長な工具の交換を排除し、サイクル時間をさらに短縮する逆の順序で処理される。

明らかに、上記教示に照らして、本発明の多くの改変および変形が可能である。上記の発明は、関連する法的基準に従って記載されている。したがって、説明は本質的に限定するよりも単なる例示である。開示された実施形態に対する改変および変更は、当業者には明らかとなり得、本発明の範囲内に入る。したがって、本発明がもたらす法的保護の範囲は、以下の請求項を検討することによってのみ決定することができる。

（付記）
（付記１）
ワークピースを固定する固定具であって、当該固定具によって規定される固定具軸を中心として前記ワークピースに回転運動を与える、固定具と、
第２スピンドルに対して反対方向に延びる第１スピンドルであって、当該第１スピンドルは、第１スピンドル軸を中心として切削工具に回転運動を与え、前記第２スピンドルは、第２スピンドル軸を中心としてもう１つの切削工具に回転運動を与え、前記第１スピンドル軸および前記第２スピンドル軸の各々が前記固定具軸を横切る、第１スピンドルと、
を含み、
前記第１スピンドルと前記第２スピンドルとの間に配置され、前記固定具軸を中心として前記ワークピースに旋回運動を与える前記固定具は、前記第１スピンドルおよび前記第２スピンドルに前記ワークピースの両側へのアクセスを提供し、それにより前記切削工具および前記もう１つの切削工具が前記ワークピースの両側を同時に切削することを可能とする、
キャストワークピースを機械加工するためのスピンドルアセンブリ。

（付記２）
前記第１スピンドル軸と前記第２スピンドル軸とは平行な関係になるように変位可能である、付記１に記載のアセンブリ。

（付記３）
前記第１スピンドル軸と前記第２スピンドル軸とは同軸である、付記１に記載のアセンブリ。

（付記４）
前記第１切削工具は、前記第２切削工具とは異なる構成を含み、前記第１切削工具は、開口部の第１部分を前記ワークピースに切削し、前記第２切削工具は前記開口部の第２部分を前記ワークピースに切削する、付記１に記載のアセンブリ。

（付記５）
前記第１スピンドル軸および前記第２スピンドル軸は変位可能であり、それによって前記第１切削工具および前記第２切削工具を前記ワークピースの異なる位置に提供する、付記１に記載のアセンブリ。

（付記６）
前記第１切削工具および前記第２切削工具は、別の開口部を前記ワークピースに切削するための、第３切削工具および第４切削工具と交換可能である、付記１に記載のアセンブリ。

（付記７）
前記固定具は、形状を前記ワークピースの両側に同時に切削するためのアクセスを、前記第１切削工具および前記第２切削工具に同時に提供する、付記１に記載のアセンブリ。

（付記８）
前記固定具は、形状を前記ワークピースの両側に同時に切削するためのアクセスを、前記第３切削工具および前記第４切削工具に同時に提供する、付記６に記載のアセンブリ。

（付記９）
前記第１スピンドルおよび前記第２スピンドルはそれぞれ、デカルト座標系の３つの軸に沿って移動可能であり、前記固定具はデカルト座標系の２つの軸に沿って移動可能である、付記１に記載のアセンブリ。

（付記１０）
前記第１スピンドルおよび前記第２スピンドルは、単一の開口部の相補的な形状を連続的に切削するための連続的な移動を提供する、付記１に記載のアセンブリ。

（付記１１）
第１切削工具および第２切削工具の間に固定具を配置させる対向する位置関係に、第１切削工具および第２切削工具を提供する工程と、
前記固定具にキャストホイールを載せる工程と、
前記第１切削工具および前記第２切削工具に対して相補的な位置に前記キャストホイールを再配向させるための固定具軸上で前記固定具を旋回させる工程と、
前記第１切削工具および前記第２切削工具を、デカルト座標系の第１軸に沿った反対方向に同時に移動させ、続いて、前記デカルト座標系の第２軸および第３軸に沿って同時に移動させることによって、前記第１切削工具および前記第２切削工具で、前記キャストホイールの両側に複数の開口部を切削する工程と、
を含む、キャストホイールに複数の開口部を設ける方法。

（付記１２）
複数の開口部を切削する前記工程は、複数のラグ開口部を前記第２軸を中心とした円周方向に切削することによってさらに特徴付けられる、付記１１に記載の方法。

（付記１３）
複数の開口部を切削する前記工程は、バルブステム開口部を切削することによってさらに特徴付けられる、付記１１に記載の方法。

（付記１４）
第１および第２切削工具を提供する前記工程は、前記第１および第２切削工具をデカルト座標系の前記第１軸に沿って一直線に位置合わせすることによってさらに特徴付けられる、付記１１に記載の方法。

（付記１５）
複数の開口部を前記キャストホイールに順次に切削する前記工程は、前記第１切削工具を用いて第１構成を切削し、前記第２切削工具を用いて第２構成を切削することによってさらに特徴付けられる、付記１１に記載の方法。

（付記１６）
前記第１および第２切削工具をバルブステム開口部を切削するための第３および第４切削工具に交換する工程をさらに含む、付記１１に記載の方法。

（付記１７）
前記第１および第２切削工具を交換する前記工程は、各ホイールに対して前記第１および第２切削工具を１回交換することによってさらに特徴付けられる、付記１６に記載の方法。

（付記１８）
複数の開口部を前記キャストホイールに順次に切削する前記工程は、前記ホイールの再配向無しに、前記第１切削工具を用いて前記開口部の第１部分を切削し、前記第２切削工具を用いて前記開口部の第２部分を切削することによってさらに特徴付けられる、付記１１に記載の方法。

（付記１９）
前記開口部の前記第１部分を切削し、前記開口部の第２部分を切削する前記工程は、前記開口部の前記第１部分を第１形状に切削し、前記開口部の前記第２部分を前記第１形状とは異なる第２形状に切削することによってさらに特徴付けられる、付記１８に記載の方法。

（付記２０）
前記第３および第４切削工具を用いて前記バルブステム開口部を切削し、次いで前記第３および第４切削工具を前記第１および第２切削工具に交換するように切削順序を反転する工程をさらに含む、付記１１に記載の方法。

Claims

ワークピースを固定する固定具であって、当該固定具によって規定される固定具軸を中心として前記ワークピースに回転運動を与える、固定具と、
第２スピンドルに対して反対方向に延びる第１スピンドルであって、当該第１スピンドルは、第１スピンドル軸を中心として切削工具に回転運動を与え、前記第２スピンドルは、第２スピンドル軸を中心としてもう１つの切削工具に回転運動を与え、前記第１スピンドル軸および前記第２スピンドル軸の各々が前記固定具軸を横切る、第１スピンドルと、
を含み、
前記第１スピンドルと前記第２スピンドルとの間に配置され、前記固定具軸を中心として前記ワークピースに旋回運動を与える前記固定具は、前記第１スピンドルおよび前記第２スピンドルに前記ワークピースの両側へのアクセスを提供し、それにより前記切削工具および前記もう１つの切削工具が前記ワークピースの両側を同時に切削することを可能とする、
キャストワークピースを機械加工するためのスピンドルアセンブリ。
前記第１スピンドル軸と前記第２スピンドル軸とは平行な関係になるように変位可能である、請求項１に記載のアセンブリ。
前記第１スピンドル軸と前記第２スピンドル軸とは同軸である、請求項１に記載のアセンブリ。
前記第１切削工具は、前記第２切削工具とは異なる構成を含み、前記第１切削工具は、開口部の第１部分を前記ワークピースに切削し、前記第２切削工具は前記開口部の第２部分を前記ワークピースに切削する、請求項１に記載のアセンブリ。
前記第１スピンドル軸および前記第２スピンドル軸は変位可能であり、それによって前記第１切削工具および前記第２切削工具を前記ワークピースの異なる位置に提供する、請求項１に記載のアセンブリ。
前記第１切削工具および前記第２切削工具は、別の開口部を前記ワークピースに切削するための、第３切削工具および第４切削工具と交換可能である、請求項１に記載のアセンブリ。
前記固定具は、形状を前記ワークピースの両側に同時に切削するためのアクセスを、前記第１切削工具および前記第２切削工具に同時に提供する、請求項１に記載のアセンブリ。
前記固定具は、形状を前記ワークピースの両側に同時に切削するためのアクセスを、前記第３切削工具および前記第４切削工具に同時に提供する、請求項６に記載のアセンブリ。
前記第１スピンドルおよび前記第２スピンドルはそれぞれ、デカルト座標系の３つの軸に沿って移動可能であり、前記固定具はデカルト座標系の２つの軸に沿って移動可能である、請求項１に記載のアセンブリ。
前記第１スピンドルおよび前記第２スピンドルは、単一の開口部の相補的な形状を連続的に切削するための連続的な移動を提供する、請求項１に記載のアセンブリ。
第１切削工具および第２切削工具の間に固定具を配置させる対向する位置関係に、第１切削工具および第２切削工具を提供する工程と、
前記固定具にキャストホイールを載せる工程と、
前記第１切削工具および前記第２切削工具に対して相補的な位置に前記キャストホイールを再配向させるための固定具軸上で前記固定具を旋回させる工程と、
前記第１切削工具および前記第２切削工具を、デカルト座標系の第１軸に沿った反対方向に同時に移動させ、続いて、前記デカルト座標系の第２軸および第３軸に沿って同時に移動させることによって、前記第１切削工具および前記第２切削工具で、前記キャストホイールの両側に複数の開口部を切削する工程と、
を含む、キャストホイールに複数の開口部を設ける方法。
複数の開口部を切削する前記工程は、複数のラグ開口部を前記第２軸を中心とした円周方向に切削することによってさらに特徴付けられる、請求項１１に記載の方法。
複数の開口部を切削する前記工程は、バルブステム開口部を切削することによってさらに特徴付けられる、請求項１１に記載の方法。
第１および第２切削工具を提供する前記工程は、前記第１および第２切削工具をデカルト座標系の前記第１軸に沿って一直線に位置合わせすることによってさらに特徴付けられる、請求項１１に記載の方法。
複数の開口部を前記キャストホイールに順次に切削する前記工程は、前記第１切削工具を用いて第１構成を切削し、前記第２切削工具を用いて第２構成を切削することによってさらに特徴付けられる、請求項１１に記載の方法。
前記第１および第２切削工具をバルブステム開口部を切削するための第３および第４切削工具に交換する工程をさらに含む、請求項１１に記載の方法。
前記第１および第２切削工具を交換する前記工程は、各ホイールに対して前記第１および第２切削工具を１回交換することによってさらに特徴付けられる、請求項１６に記載の方法。
複数の開口部を前記キャストホイールに順次に切削する前記工程は、前記ホイールの再配向無しに、前記第１切削工具を用いて前記開口部の第１部分を切削し、前記第２切削工具を用いて前記開口部の第２部分を切削することによってさらに特徴付けられる、請求項１１に記載の方法。
前記開口部の前記第１部分を切削し、前記開口部の第２部分を切削する前記工程は、前記開口部の前記第１部分を第１形状に切削し、前記開口部の前記第２部分を前記第１形状とは異なる第２形状に切削することによってさらに特徴付けられる、請求項１８に記載の方法。
前記第３および第４切削工具を用いて前記バルブステム開口部を切削し、次いで前記第３および第４切削工具を前記第１および第２切削工具に交換するように切削順序を反転する工程をさらに含む、請求項１１に記載の方法。