JP2018103287A - ワークの内面研削方法及び研削装置 - Google Patents

Abstract

【課題】非真円の内面研削において砥石軸の剛性に頼ることなく、安価にワーク内面のテーパ精度を向上させる。【解決手段】研削クーラントを供給しながら砥石を高速で回転させてワークの内面を研削する。このとき、砥石の外周面とワークの内面との間の隙間の大きさに合わせて研削クーラントの供給量を調整する。【選択図】図１

Description

本発明は、カムリングなどのワークの内面研削方法及び研削装置に関し、特にその加工精度の向上に関する。

従来より、ワークを低速で回転しつつ又は砥石軸を移動させつつ、研削クーラントを供給しながら砥石を高速で回転させてワークの内面を研削するワークの内面研削方法は知られている。

内面研削ではないが、例えば、カムに対する砥石の送り込み速度に合わせて研削クーラントの供給量を変化させるカム研削方法が知られている（例えば、特許文献１）。

特開昭６４−７１６６０号公報

ところで、ワークの内面に楕円形の貫通孔を設ける場合、長径部と短径部とでは内面のテーパ精度に差が生じる。具体的には、長径部側では、砥石軸側の内径が大きく、反対側の内径が小さくなる傾向にあるが、短径部側では、ほとんどテーパが発生しないことがわかっている。

具体的には、図４にフォーム創成軸（Ｘ軸）の座標カーブ及び砥石軸用電動モータにかかる負荷の変化の様子を示すように、研削クーラントの供給量を一定としたときに、楕円の内面を加工中に形状位相に連動して砥石軸用電動モータにかかる負荷が変動する。すなわち、長径部Ａでは負荷が高く、短径部Ｂでは負荷が低くなる。これは、研削クーラントの逃げ（排出）量の差による加工負荷の差によって発生すると考えられる。つまり、長径部では砥石外周とワーク内面との間の隙間が狭く、研削クーラントの逃げ道が狭くなり、砥石外周とワーク内面との間に研削クーラントが食い込み、それが加工負荷となって最も細い砥石軸を撓ませ、加工面にテーパを生じさせやすくなる。負荷の変動幅ｈは、砥石軸電力の準急工程では約１３％、仕上げ工程では約１０％となり、無視できない値となることがわかった。

さらに、研削効率を確保するには、冷却及び切削くず排出のために研削クーラントの量はある程度は必要である。

一方、特許文献１のように、送り込み速度に合わせて研削クーラントの量を増減させる方法もあるが、例えば送り込み速度が一定の場合には適用できない。

また、内面の研削であるので、砥石をワーク内部に挿入する必要があり、また砥石の厚さを保つためには、砥石軸の外径をあまり大きくするすることができず、負荷変動に耐えられるために砥石軸の形状を太くすることはできない。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、非真円の内面研削において砥石軸の剛性に頼ることなく、安価にワーク内面のテーパ精度を向上させることにある。

上記の目的を達成するために、この発明では、負荷変動に対応させて研削クーラントの供給量を変動させるようにした。

具体的には、第１の発明では、研削クーラントを供給しながら砥石を高速で回転させてワークの内面を研削するワークの内面研削方法を前提とする。

そして、上記砥石の外周面と上記ワークの内面との間の隙間の大きさに合わせて上記研削クーラントの供給量を調整する構成とする。

すなわち、砥石外周とワーク内面との間の隙間が狭くなると、研削クーラントの逃げ道が狭くなり、砥石外周とワーク内面との間に研削クーラントが食い込み、それが加工負荷となって砥石や砥石軸を変形させ、加工面にテーパを生じさせやすくなる。しかし、上記の構成によると、隙間の小さいときには、研削クーラントの量を減らして負荷を小さくし、逆に隙間の大きいときには、研削クーラントの量を減らさないことで、全体として負荷を均一に近付けることができる。これにより、加工面にテーパが生じにくくなる。

第２の発明では、上記前提のワークの内面研削方法において、
上記ワークの楕円形貫通孔を内面研削する場合に、上記砥石が楕円の長径側にあるときの研削クーラントの量よりも上記楕円の短径側にあるときの研削クーラントの量を増やす構成とする。

すなわち、砥石外周とワーク内面との間の隙間が狭い長径部側では、研削クーラントの逃げ道が狭くなり、砥石外周とワーク内面との間に研削クーラントが食い込み、それが加工負荷となって砥石や砥石軸を変形させ、加工面にテーパを生じさせやすくなる。しかし、上記の構成によると、長径部側では研削クーラントの量を減らして負荷を小さくし、逆に短径部側では研削クーラントの量を減らさないことで、全体として負荷を均一に近付けることができる。これにより、加工面にテーパが生じにくくなる。

第３の発明では、上記前提のワークの内面研削方法において、
上記砥石の回転軸を回転させる砥石用電動モータの電力計の値が大きくなるときに上記研削クーラントの量を減らし、上記電力計の値が小さくなるときに上記研削クーラントの量を増やす構成とする。

上記の構成によると、砥石用電動モータの電力計の値が大きいときには、研削クーラントの量を減らすことで研削クーラントによる反力を低減し、逆に電力計の値が小さくなるときには、研削クーラントの量を増やすことで、研削クーラントによる反力の大きさをできるだけ均一化し、ワーク内面のテーパが生じないようにすることができる。

第４の発明では、第３の発明において、
フィードバック制御により、上記電力計の値の変化と上記研削クーラントの量の増減のタイミングとを調整する構成とする。

すなわち、電力計の変化に合わせて研削クーラントを増減させると、ノズルまでの経路等の影響で応答がずれてしまう。上記の構成によると、ずれ具合を制御装置に戻してフィードバック制御することにより、電力計の値の変化と研削クーラントの量の増減のタイミングとを適切に調整することができる。

第５の発明では、研削クーラントを供給しながら砥石を高速で回転させてワークの内面を研削する研削装置を前提とし、
上記研削装置は、
上記砥石を回転させる砥石軸と、
上記砥石軸を回転させる砥石用電動モータと、
上記ワークを回転させるワーク回転軸と、
上記研削クーラントを上記ワークの内面に吐出するノズルと、
上記研削クーラントを上記ノズルに送り込むクーラント回路と、
上記クーラント回路に設けられ、研削クーラントの供給を制御する供給用制御弁と、
上記クーラント回路に設けられ、研削クーラントの供給量を増加させる増量用制御弁と、
上記クーラント回路に設けられたクーラント用ポンプユニットと、
上記砥石用電動モータ及び上記クーラント用ポンプユニットを制御する制御装置とを備え、
上記制御装置は、
上記供給用制御弁を開いて上記研削クーラントを供給すると共に、
上記増量用制御弁を開いて上記研削クーラントの供給量を増やすように構成されている。

すなわち、砥石外周とワーク内面との間の隙間が狭くなると、研削クーラントの逃げ道が狭くなり、砥石外周とワーク内面との間に研削クーラントが食い込み、それが加工負荷となって砥石や砥石軸を変形させ、加工面にテーパを生じさせやすくなる。しかし、上記の構成によると、隙間の小さいときには、増量用制御弁を閉じて研削クーラントの量を減らして負荷を小さくし、逆に隙間の大きいときには、増量用制御弁を開いて研削クーラントの量を減らさないことで、全体として負荷を均一に近付けることができる。これにより、加工面にテーパが生じにくくなる。

第６の発明では、第５の発明において、
上記ワークの楕円形貫通孔を内面研削する場合に、上記制御装置は、上記砥石軸と上記ワーク回転軸との位置関係の情報を利用し、上記砥石が楕円の長径側にあるときに上記増量用制御弁を閉じ、上記楕円の短径側にあるときに上記増量用制御弁を開いて研削クーラントの量を増やすように構成されている。

上記の構成によると、制御装置が砥石軸とワーク回転軸との位置関係の情報を読み、砥石が楕円の長径側にあるときにには、研削クーラントの量を減らすことで研削クーラントによる反力を低減し、逆に楕円の短径側にあるときには、研削クーラントの量を増やすことで、研削クーラントによる反力の大きさをできるだけ均一化し、ワーク内面のテーパが生じないようにすることができる。

第７の発明では、第５又は第６の発明において、
上記制御装置は、上記砥石用電動モータの電力計の値を読み、電力計の値が大きくなるときに上記増量用制御弁を閉じ、上記電力計の値が小さくなるときに上記増量用制御弁を開くように構成されている。

上記の構成によると、制御装置が、砥石用電動モータの電力計を読み、その値が大きいときには、研削クーラントの量を減らすことで研削クーラントによる反力を低減し、逆に電力計の値が小さくなるときには、研削クーラントの量を増やすことで、研削クーラントによる反力の大きさをできるだけ均一化し、ワーク内面のテーパが生じないようにすることができる。

第８の発明では、第７の発明において、
上記制御装置は、フィードバック制御により、上記電力計の値の変化と上記増量用制御弁の開閉タイミングとを調整するように構成されている。

すなわち、電力計の変化に合わせて研削クーラントを増減させると、ノズルまでの経路等の影響で応答がずれてしまう。上記の構成によると、ずれ具合を制御装置に戻してフィードバック制御することにより、電力計の値の変化と研削クーラントの量の増減のタイミングとを適切に調整することができる。

以上説明したように、本発明によれば、砥石の外周面とワークの内面との間の隙間の大きさ、砥石の位置又は砥石用電動モータの電力計の位置に合わせて研削クーラントの供給量を調整するようにしたことにより、非真円の内面研削において砥石軸の剛性に頼ることなく、安価にワーク内面のテーパ精度を向上させることができる。

ワークの内面研削方法における各工程における砥石軸の負荷の変動等を示すグラフである。 砥石軸挿入工程を示す斜視図である。 切削中の様子を示す斜視図である。 クーラント回路を示す図である。 Ｘ軸の座標カーブ及び砥石軸用電動モータにかかる負荷の変化の様子を示すグラフである。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

−研削装置の構成−
図２Ａは本発明の実施形態に係る、ＮＣ工作機械などの研削装置の概要を示す斜視図であり、この研削装置は、ワークＷを低速で回転しつつ研削クーラントを供給しながら砥石１を高速で回転させてワークＷの内面を研削するものである。研削装置は、砥石１を回転させる砥石軸２と、この砥石軸２を回転させる砥石用電動モータ３とを備えている。研削装置は、ワークＷを低速で回転させるワーク回転軸４を備えている。ワーク回転軸４は、電動モータなどのワーク軸回転手段５により回転されるようになっている。砥石用電動モータ３、ワーク軸回転手段５等は、制御装置６によって制御可能となっている。

また、研削装置は、研削クーラント１０をワークＷの内面に吐出するノズル１１と、このノズル１１に研削クーラント１０を送り込むクーラント回路１２を備えている。図３に示すように、クーラント回路１２には、クーラント用ポンプユニット１３を備え、このクーラント用ポンプユニット１３には、吐出ポンプ１３ａとこの吐出ポンプを駆動するポンプ用電動モータ１３ｂとが設けられている。吐出ポンプ１３ａは、制御装置６によって制御される。クーラント回路１２には、逆止弁１５と、供給用制御弁としての第１ソレノイドバルブ１６と、増量用制御弁としての第２ソレノイドバルブ１７とが設けられている。第１ソレノイドバルブ１６とノズル１１との間には、例えば固定式の絞り弁１８が設けられている。第１ソレノイドバルブ１６は、開き位置で吐出ポンプ１３ａからの研削クーラントを送り出し、閉じ時に止める役割を果たす。第２ソレノイドバルブ１７は、閉じ時に第１ソレノイドバルブ１６から送られてきた研削クーラントを止め、開き時にノズル１１へ絞り弁１８を介さずにノズル１１へ送り込む役割を果たす。第１ソレノイドバルブ１６及び第２ソレノイドバルブ１７は、制御装置６によって操作される。研削クーラント１０は、クーラントタンク１９に貯留されるようになっている。

このように構成することで、制御装置６は、第１ソレノイドバルブ１６及び第２ソレノイドバルブ１７を開いて研削クーラント１０の供給量を増やし、第１ソレノイドバルブ１６を開き、第２ソレノイドバルブ１７を閉じることで研削クーラント１０の供給量を減らし、すなわち所定量に戻すようになっている。

−ワークの内面研削方法−
次に、本実施形態に係るワークＷの内面研削方法について説明する。この内面研削方法では、ワークＷを低速で回転しつつ研削クーラント１０を供給しながら砥石１を高速で回転させてワークＷの内面を研削する。そして、砥石１の外周面とワークＷの内面との間の隙間の大きさに合わせて研削クーラント１０の供給量を調整する。

具体的に説明すると、図１に示すように、まず、ステップＳ０１において、図２Ａに示すように、ワークＷの内面側へ砥石軸２を挿入する。このとき、第１ソレノイドバルブ１６及び第２ソレノイドバルブ１７は、閉じ状態にある。ワークＷもＸ軸の座標カーブで見られるように、ゆっくりと回転する。研削は始まっていないので、砥石軸２に負荷はかかっていない。

次いで、ステップＳ０２の準急工程において、第１ソレノイドバルブ１６を開くと共に、Ｘ軸の回転に合わせて第２ソレノイドバルブ１７を開閉する。例えば、クーラントの吐出量は、第２ソレノイドバルブ１７を開いたときに９０Ｌ／ｍｉｎとし、第２ソレノイドバルブ１７を閉じたときには、４５Ｌ／ｍｉｎとする。この準急工程では、砥石１とワークＷの内面との接触検知が行われる。詳しくは後述するが、このときも、第２ソレノイドバルブ１７を開閉制御することにより、研削クーラント１０による不均一な抵抗をなくすことができ、接触検知の精度が大幅に向上する。

次いで、ステップＳ０３の荒工程にすすむ。ステップＳ０３では、第１ソレノイドバルブ１６及び第２ソレノイドバルブ１７は、いずれも開状態に維持され、切削を効率よく行うことが優先される。この場合、研削クーラント１０は、最大量常にノズル１１から噴出され、砥石１が冷やされ、研削くずが効率よく回収される。このとき、図４で説明したように、長径部Ａ側では、砥石軸２側の内径が大きく、反対側の内径が小さくなる傾向にあるが、短径部Ｂ側では、ほとんどテーパが発生しない。

次いで、ステップＳ０４の仕上げ工程において、Ｘ軸の動きに合わせて第２ソレノイドバルブ１７が開閉される。切込量自体が、荒工程に比べて小さくなっているので、砥石軸２の負荷自体は、低減しているが、第２ソレノイドバルブ１７の開閉制御により、負荷の変動が軽減されている。すなわち、砥石軸２とワーク回転軸４との位置関係の情報を利用し、砥石１が楕円の長径側にあるときに第２ソレノイドバルブ１７を閉じて通常の研削クーラントの量とし、楕円の短径側にあるときにの研削クーラント１０の量を増やす。この状態で、切削することで荒工程で長径側に生じていたテーパが軽減される。

次いで、ステップＳ０５のスパークアウト工程においても同様にＸ軸の動きに合わせて第２ソレノイドバルブ１７が開閉される。この第２ソレノイドバルブ１７の開閉制御により、負荷の変動が軽減されている。すなわち、第２ソレノイドバルブ１７を開き続けた場合、図１で示したＳＯＬ２制御無しの場合のようにＸ軸の動きに合わせて砥石軸２の負荷が大幅に増減するようなことが回避され、ＳＯＬ２制御ありのようにかなり低減される。

最後にステップＳ０６において、砥石軸２がワークＷの内面から取り出される。

このように、本実施形態では、ワークＷの楕円形貫通孔を内面研削する場合に、砥石１が楕円の長径側にあるときの研削クーラント１０の量よりも楕円の短径側にあるときの研削クーラント１０の量を増やすことにより、長径側でテーパを抑制し、非真円の内面研削において砥石１や砥石軸２の剛性に頼ることなく、安価にワークＷ内面のテーパ精度を向上させることができる。このため、ワークＷの楕円形の貫通孔は、内面のいずれの位置においてもテーパがない、まっすぐな孔加工を行うことができる。

例えば、研削クーラントの吐出量が９０Ｌ／ｍｉｎで一定だった場合に長径部側のテーパが４９ｍｍの高さで８μｍだったのが、吐出量を長径部側で４５Ｌ／ｍｉｎに抑制することで、４μｍに低減された。これは通常の砥石１による研削における砥石軸２の傾きと大きく変わらなかった。

−変形例−
図示しないが、本発明の実施形態の変形例では、第２ソレノイドバルブ１７の制御方法が異なる点で上記実施形態と異なる。本変形例では、図１〜図４と同じ部分については同じ符号を付してその詳細な説明は省略する。

制御装置６は、砥石用電動モータ３の電力計３ａの値を取り込み、この電力計３ａの値が大きくなるときに第２ソレノイドバルブ１７を閉じ、電力計３ａの値が小さくなるときに第２ソレノイドバルブ１７を開くように構成されている。

実際には、上記実施形態と同様に短径部側において第２ソレノイドバルブ１７を開いて研削クーラントの量を増やし、長径部側においては第２ソレノイドバルブを閉じて研削クーラントの量を減らす（所定量に戻す）。

この場合、電力計３ａの変化に合わせて第２ソレノイドバルブ１７を開閉制御すると、ノズル１１までの経路等の影響で応答がずれてしまう。このため、ずれ具合を制御装置６に戻してフィードバック制御（学習）することにより、電力計の値の変化と研削クーラント１０の量の増減のタイミングとを調整するとよい。

本変形例では、特に正楕円ではない異形断面で特に有効である。また、本変形例では、ワークＷの型番が変わる毎に再設定項目が少なくて済む。さらに、単純な制御で済むので、ＮＣ工作機械ではない研削装置でも適用できる。さらには、ワークＷの高さが変動したりする場合でも、電力計３ａの値が変動するので、それに合わせて研削クーラント１０の量を増減させればよい。

（その他の実施形態）
本発明は、上記実施形態について、以下のような構成としてもよい。

すなわち、上記実施形態では、ワークＷの内面形状を楕円形としているが、それに限定されず、カムリングの内面など真円ではない不均一な内面を有するものであれば適用可能である。

なお、以上の実施形態は、本質的に好ましい例示であって、本発明、その適用物や用途の範囲を制限することを意図するものではない。

１ 砥石
２ 砥石軸
３ 砥石用電動モータ
３ａ 電力計
４ ワーク回転軸
５ ワーク軸回転手段
６ 制御装置
１０ 研削クーラント
１１ ノズル
１２ クーラント回路
１３ クーラント用ポンプユニット
１３ａ 吐出ポンプ
１３ｂ ポンプ用電動モータ
１５ 逆止弁
１６ 第１ソレノイドバルブ（供給用制御弁）
１７ 第２ソレノイドバルブ（増量用制御弁）
１８ 絞り弁
１９ クーラントタンク

Claims (8)

1. 研削クーラントを供給しながら砥石を高速で回転させてワークの内面を研削するワークの内面研削方法において、
   上記砥石の外周面と上記ワークの内面との間の隙間の大きさに合わせて上記研削クーラントの供給量を調整する
   ことを特徴とするワークの内面研削方法。
2. 研削クーラントを供給しながら砥石を高速で回転させてワークの内面を研削するワークの内面研削方法において、
   上記ワークの楕円形貫通孔を内面研削する場合に、上記砥石が楕円の長径側にあるときの研削クーラントの量よりも上記楕円の短径側にあるときの研削クーラントの量を増やす
   ことを特徴とするワークの内面研削方法。
3. 研削クーラントを供給しながら砥石を高速で回転させてワークの内面を研削するワークの内面研削方法において、
   上記砥石の回転軸を回転させる砥石用電動モータの電力計の値が大きくなるときに上記研削クーラントの量を減らし、上記電力計の値が小さくなるときに上記研削クーラントの量を増やす
   ことを特徴とするワークの内面研削方法。
4. 請求項３に記載のワークの内面研削方法において、
   フィードバック制御により、上記電力計の値の変化と上記研削クーラントの量の増減のタイミングとを調整する
   ことを特徴とするワークの内面研削方法。
5. 研削クーラントを供給しながら砥石を高速で回転させてワークの内面を研削する研削装置において、
   上記砥石を回転させる砥石軸と、
   上記砥石軸を回転させる砥石用電動モータと、
   上記ワークを回転させるワーク回転軸と、
   上記研削クーラントを上記ワークの内面に吐出するノズルと、
   上記研削クーラントを上記ノズルに送り込むクーラント回路と、
   上記クーラント回路に設けられ、研削クーラントの供給を制御する供給用制御弁と、
   上記クーラント回路に設けられ、研削クーラントの供給量を増加させる増量用制御弁と、
   上記クーラント回路に設けられたクーラント用ポンプユニットと、
   上記砥石用電動モータ及び上記クーラント用ポンプユニットを制御する制御装置とを備え、
   上記制御装置は、
   上記供給用制御弁を開いて上記研削クーラントを供給すると共に、
   上記増量用制御弁を開いて上記研削クーラントの供給量を増やすように構成されている
   ことを特徴とする研削装置。
6. 請求項５に記載の研削装置において、
   上記ワークの楕円形貫通孔を内面研削する場合に、上記制御装置は、上記砥石軸と上記ワーク回転軸との位置関係の情報を利用し、上記砥石が楕円の長径側にあるときに上記増量用制御弁を閉じ、上記楕円の短径側にあるときに上記増量用制御弁を開いて研削クーラントの量を増やすように構成されている
   ことを特徴とする研削装置。
7. 請求項５又は６に記載の研削装置において、
   上記制御装置は、上記砥石用電動モータの電力計の値を読み、電力計の値が大きくなるときに上記増量用制御弁を閉じ、上記電力計の値が小さくなるときに上記増量用制御弁を開くように構成されている
   ことを特徴とする研削装置。
8. 請求項７に記載の研削装置において、
   上記制御装置は、フィードバック制御により、上記電力計の値の変化と上記増量用制御弁の開閉タイミングとを調整するように構成されている
   ことを特徴とする研削装置。

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