JP2018187738A - 工作機械 - Google Patents

Abstract

【課題】２つの材料を摩擦圧接した後に当該圧接後の材料の切削加工を迅速に行うことができる工作機械を提供する。
【解決手段】互いに対向して配置される一対の主軸３ａ、３ｂと、主軸３ａ、３ｂに把持された材料Ｗ_１、Ｗ_２を切削加工する工具７と、各主軸３ａ、３ｂ各々に把持された材料Ｗ_１、Ｗ_２を押圧させて摩擦圧接するように主軸３ａ、３ｂの移動を制御する制御手段Ｃとを有し、制御手段Ｃが、摩擦圧接に際して、両材料Ｗ_１、Ｗ_２が相対的に停止状態となるように、主軸３ａ、３ｂを同一の所定回転速度で回転制御する工作機械であって、制御手段Ｃは、所定回転速度を加工回転速度と同一とし、摩擦圧接の後に、主軸３ａ、３ｂの回転速度を所定回転速度に維持したまま工具７による材料Ｗ_１、Ｗ_２の切削加工を行うように、主軸３ａ、３ｂの回転及び工具７の作動を制御することを特徴とする工作機械１。
【選択図】図３

Description

本発明は、一対の主軸を備えた工作機械に関する。

従来、互いに対向して配置された一対の主軸を備え、一方の主軸に把持された材料を他方の主軸に把持された材料に押し付けて２つの材料を摩擦圧接させるとともに、摩擦圧接の後に、主軸を切削加工に適した回転速度で回転させて材料の接合部に生じたバリを工具により切削加工するようにした工作機械が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開平８−２０６９２６号公報

しかしながら、特許文献１に記載の従来の工作機械では、一対の主軸を回転させて材料間に摩擦熱を生じさせた後、両主軸の回転を停止させて材料間の回転差を無くした状態で２つの材料を圧接させるようにしているので、バリを取り除くための切削加工を行う際には、一旦停止させた主軸を改めて回転させる必要がある。そのため、摩擦圧接の後、そのまま連続して切削加工を行うことができず、切削加工を開始するまでに時間を要してしまうという問題点があった。

本発明は、上記課題を鑑みて成されたものであり、その目的は、２つの材料を摩擦圧接した後に当該圧接後の材料の切削加工を迅速に行うことができる工作機械を提供することにある。

本発明の工作機械は、互いに対向して配置され、それぞれ回転駆動自在の一対の主軸と、前記主軸に把持された材料を切削加工する工具と、前記両主軸を互いに接近するように相対移動させ、各前記主軸各々に把持された材料を押圧させて摩擦圧接するように、前記主軸の移動を制御する制御手段と、を有し、前記制御手段が、前記摩擦圧接に際して、前記両材料が相対的に停止状態となるように、前記主軸を同一の所定回転速度で回転制御する工作機械であって、前記制御手段は、前記所定回転速度を、前記工具による切削加工時の加工回転速度と同一の速度とし、前記材料の摩擦圧接後に、前記主軸の回転速度を前記所定回転速度に維持したまま前記工具による前記材料の切削加工を行うように、前記主軸の回転及び前記工具の作動を制御することを特徴とする。

本発明の工作機械は、上記構成において、前記制御手段は、前記摩擦圧接に際して、各前記主軸を、同一方向に異なる回転速度で回転させて前記両材料を加熱した後、同一方向に同一の所定回転速度となるように回転制御するのが好ましい。

本発明によれば、２つの材料を摩擦圧接した後に当該圧接後の材料の切削加工を迅速に行うことができる工作機械を提供することができる。

本発明の一実施形態である工作機械の構成を概略で示す説明図である。 ２つの材料を所定の速度差で互いに相対回転させて当該材料に摩擦熱を生じさせている状態を示す説明図である。 第１主軸の回転速度と第２主軸の回転速度の関係を示す線図である。 第１主軸と第２主軸を同一の所定回転速度で同一方向に回転させて２つの材料を圧接している状態を示す説明図である。 摩擦圧接した材料の外周面からバリを取り除く切削加工を行っている状態を示す説明図である。

図１に示す工作機械１は、２つの材料としての第１ワークＷ_１と第２ワークＷ_２とを摩擦圧接により接合する機能と、第１ワークＷ_１と第２ワークＷ_２とを摩擦圧接した接合ワークＷ_３を切削加工（旋削加工）する機能とを有するものである。工作機械１は、例えばＣＮＣ旋盤等の旋盤に、摩擦圧接の機能を付加して構成することができる。

工作機械１は、基台２上に配置される２つの主軸つまり第１主軸３ａと第２主軸３ｂとを有している。第１主軸３ａは第１主軸台４ａに回転自在に支持され、第２主軸３ｂは第２主軸台４ｂに回転自在に支持されている。第１主軸３ａと第２主軸３ｂは同一の軸線上に配置され、所定の間隔を空けて互いに対向している。

第１主軸３ａは先端に第１チャック５ａを備え、第１チャック５ａにより第１ワークＷ₁を把持することができる。第２主軸３ｂは先端に第２チャック５ｂを備え、第２チャック５ｂにより第２ワークＷ_２を把持することができる。

第１主軸３ａは第１駆動源６ａにより回転駆動される。第２主軸３ｂは第２駆動源６ｂにより回転駆動される。第１駆動源６ａと第２駆動源６ｂとしては、例えば電動モータを採用することができる。第１主軸３ａを第１駆動源６ａで回転駆動することにより、第１主軸３ａに把持された第１ワークＷ_１を回転させることができる。第２主軸３ｂを第２駆動源６ｂで回転駆動することにより、第２主軸３ｂに把持された第２ワークＷ_２を回転させることができる。

第１主軸台４ａは、第１主軸３ａの軸線方向に延出するガイドレール９ａとガイドレール９ａにスライド自在に装着されるサドルとを介して基台２に搭載されている。第１主軸３ａは、第１主軸台４ａと基台２との間に設けられるボールネジ等を介して、該ボールネジを回転駆動するモータ等により、第１主軸台４ａと一体的に、軸線方向に移動駆動される。

第２主軸台４ｂは、第２主軸３ｂの軸線方向に延出するガイドレール９ｂとガイドレール９ｂにスライド自在に装着されるサドルとを介して基台２に搭載されている。第２主軸３ｂは、第２主軸台４ｂと基台２との間に設けられるボールネジ等を介して、第２主軸台４ｂと一体的に、軸線方向に移動駆動される。

工作機械１は、切削加工のための工具７を備えている。工具７は、移動手段８に装着され、移動手段８によって移動自在である。第１ワークＷ_１、第２ワークＷ_２又は接合ワークＷ_３は、第１主軸３ａや第２主軸３ｂとともに切削加工に対応した所定の加工回転速度で回転した状態で工具７の刃部７ａが押し当てられることにより、工具７により切削加工される。

工作機械１は制御手段としての制御部Ｃを有している。制御部Ｃは、例えばＣＰＵ（中央演算処理装置）やメモリ等の記憶手段を備えたマイクロコンピュータで構成することができる。制御部Ｃは、第１駆動源６ａ、第２駆動源６ｂ、移動手段８、両主軸台４ａ、４ｂのスライド移動機構等に接続され、両主軸３ａ、３ｂの回転、工具７の移動、両主軸台４ａ、４ｂの移動の作動を統合制御することができる。

第１主軸３ａに第１ワークＷ_１を把持させるとともに第２主軸３ｂに第２ワークＷ_２を把持させ、制御部Ｃによる統合制御により、図２に示すように、第１主軸３ａと第２主軸３ｂとを互いに接近させる方向に相対移動させ、両主軸台４ａ、４ｂのスライド移動機構を押付け手段として第１ワークＷ_１の軸方向端面と第２ワークＷ_２の軸方向端面とを互いに当接させるとともに両接合面を所定の圧力で互いに押し付ける。

第１主軸３ａと第２主軸３ｂとは、異なる回転速度で駆動され、第１主軸３ａと第２主軸３ｂとが所定の速度差で相対回転することによって、第１ワークＷ_１の軸方向端面と第２ワークＷ_２の軸方向端面との間に摩擦熱が生じ、第１ワークＷ_１と第２ワークＷ_２とが加熱される（加熱工程）。

加熱工程における第１主軸３ａの回転と第２主軸３ｂの回転との間の速度差は、第１ワークＷ_１と第２ワークＷ_２とに摩擦圧接に必要な摩擦熱を生じさせ得る速度差であればよい。本実施の形態においては、第１主軸３ａと第２主軸３ｂとを同一方向に回転させ、図３に示すように、第１主軸３ａの回転速度を６０００ｒｐｍ、第２主軸３ｂの回転速度を２０００ｒｐｍと異なる回転速度とし、第１主軸３ａと第２主軸３ｂとの間に４０００ｒｐｍの速度差を生じさせるようにしている。図３においては、縦軸は回転速度、横軸は時間の経過を示す。

なお本実施形態において「同一方向の回転」とは、第１主軸３ａと第２主軸３ｂの回転速度が同一になったときに、第１主軸３ａと第２主軸３ｂが、相対的に停止して回転しない状態となるように軸方向の一方側から見て同一の方向に回転することを意味する。

第１主軸３ａの回転速度と第２主軸３ｂの回転速度との速度差によって生じた摩擦熱により第１ワークＷ_１と第２ワークＷ_２の各軸方向端面が所定の温度に至ると、図３に示すように、第１主軸３ａの回転速度と第２主軸３ｂの回転速度とを同一とし、第１主軸３ａと第２主軸３ｂとの間に相対回転を生じないように、第１駆動源６ａと第２駆動源６ｂの作動が制御される（速度調整工程）。本実施の形態では、第１主軸３ａの回転速度を徐々に下げ、かつ、第２主軸３ｂの回転速度を徐々に上げるように第１駆動源６ａと第２駆動源６ｂの作動が制御部Ｃにより制御される。

第１主軸３ａの回転速度と第２主軸３ｂの回転速度とがＰ点において一致すると、第１主軸３ａと第２主軸３ｂとが、それぞれ同一の所定回転速度で同一の方向に回転する。第１主軸３ａと第２主軸３ｂの回転の速度差が０となって、第１主軸３ａと第２主軸３ｂが互いに相対回転しない状態となる。

第１主軸３ａの回転速度と第２主軸３ｂの回転速度との速度差を０とする所定回転速度は、工具７による接合ワークＷ_３の切削加工に必要な加工回転速度と同一の回転速度に設定されている。なお前記所定回転速度が、加熱工程における第１主軸３ａの回転速度と第２主軸３ｂの回転速度との中間値となるように、各主軸３ａ、３ｂの回転速度を設定することによって、各主軸３ａ、３ｂの制御を容易に行うことができる。速度調整工程を開始後、第１主軸３ａの回転速度を所定回転速度にまで下降させるのに必要な移行時間と、第２主軸３ｂの回転速度を所定回転速度にまで上昇させるのに必要な移行時間とを等しくして、最短の時間で速度調整工程を完了させることができる。例えば、本実施の形態においては、図３に示すように、所定回転速度が４０００ｒｐｍとなるように、加熱工程における第１主軸３ａの回転速度が６０００ｒｐｍ、第２主軸３ｂの回転速度が２０００ｒｐｍに設定されている。

第１主軸３ａと第２主軸３ｂとが同一の所定回転速度となって、加熱後のワークＷ_１、Ｗ_２が互いに相対回転しない状態となると、図４に示すように、押付け手段によって、第１主軸３ａと第２主軸３ｂとを互いに接近する方向に移動させ、第１ワークＷ_１と第２ワークＷ_２とを、所定の圧力（アプセット圧）で互いに軸線方向に沿って押し付けることによって、第１ワークＷ_１と第２ワークＷ_２とを、互いの軸方向端面を接合面として摩擦圧接することができる（圧接工程）。加熱工程が終了した後、第１主軸３ａと第２主軸３ｂとを同一の回転速度で回転させることで第１ワークＷ_１と第２ワークＷ_２の相対回転を解消させるようにしたので、第１主軸３ａと第２主軸３ｂの回転を停止させることなく、第１主軸３ａと第２主軸３ｂを所定回転速度で回転させたまま第１ワークＷ_１と第２ワークＷ_２の圧接を行なうことができる。

第１ワークＷ_１と第２ワークＷ_２とが圧接されると、ワークＷ_１、Ｗ_２は一体化して接合ワークＷ_３となる。接合ワークＷ_３の接合部における外周面には、図４に示すように、ワークＷ_１、Ｗ_２の摩擦熱によって軟化した部分が圧接の際に径方向外側に押し出されることによりバリＢが生じる。工作機械１は、第１ワークＷ_１と第２ワークＷ_２との圧接が完了すると、圧接工程に連続して、接合ワークＷ_３のバリＢを取り除くための切削加工を実施する。

圧接の際の第１主軸３ａと第２主軸３ｂの所定回転速度は、工具７を用いた切削加工に対応する加工回転速度と同一の回転速度に設定されているため、切削加工は、第１主軸３ａと第２主軸３ｂの回転を停止させることなく、第１主軸３ａと第２主軸３ｂとを圧接工程における所定回転速度で回転させたまま行われる。第１主軸３ａと第２主軸３ｂは同一の所定回転速度で回転し、接合ワークＷ_３も第１主軸３ａや第２主軸３ｂとともに回転するので、第１チャック５ａや第２チャック５ｂの解除も不要である。

したがって、圧接工程が完了した後、第１主軸３ａと第２主軸３ｂの回転速度を調整することなく、第１主軸３ａと第２主軸３ｂの回転速度を所定回転速度に維持したまま、図５に示すように、移動手段８により工具７の刃部７ａを接合ワークＷ_３のバリＢに押し当て、第１主軸３ａ及び第２主軸３ｂを一体的に軸線方向に移動させてバリＢの切削加工を行うことができる。

本発明の工作機械１によれば、第１ワークＷ_１と第２ワークＷ_２とを摩擦圧接させた後、各主軸３ａ、３ｂの回転を一旦停止させたり、各チャック５ａ、５ｂから接合ワークＷ_３を取り外したりすることなく、摩擦圧接の後に連続して切削加工を行うことができるので、第１ワークＷ_１と第２ワークＷ_２とを摩擦圧接した後に、迅速に接合ワークＷ_３の切削加工に移行することができ、加工時間を短縮することができる。

なお、前記実施の形態で説明した各構成部に含まれる機能などは論理的に矛盾しないように再配置することができ、複数の構成部を１つに組み合わせたり、或いは分割したりすることもできる。

前記実施の形態においては、第１主軸３ａと第２主軸３ｂの所定回転速度を４０００ｒｐｍとした場合を例示したが、所定回転速度は、工具７による切削加工に適した回転速度であれば、工具の種類やワークの材質等に応じて種々変更可能である。

前記実施の形態においては、加熱工程における第１主軸３ａの回転速度を６０００ｒｐｍ、第２主軸３ｂの回転速度を２０００ｒｐｍとした場合に、迅速に速度調整可能な最適な所定回転速度として、上記回転速度の中間値である４０００ｒｐｍを採用しているが、迅速に速度調整可能な最適な所定回転速度は、加熱工程における各主軸３ａ、３ｂの回転速度等に応じて種々変更可能である。迅速に速度調整可能な最適な所定回転速度を、予め主軸３ａ、３ｂの加減速の時間を示した図から選択することにより設定するようにしてもよく、実機で主軸３ａ、３ｂの加減速を行うサイクルから目標回転速度に到達するまでの時間を測定しておき、測定結果に基づいて設定するようにしてもよい。これらの測定結果の数値を制御部Ｃの記憶手段等に記憶させておき、当該数値を変数とした接合加工の制御プログラムに基づき設定するようにしてもよい。

前記実施の形態においては、第１ワークＷ_１、第２ワークＷ_２を金属製の丸棒とした場合を示したが、他の材質のものや、例えば多角柱状等の他の形態のものとすることもできる。

１ 工作機械
２ 基台
３ａ 第１主軸
３ｂ 第２主軸
４ａ 第１主軸台
４ｂ 第２主軸台
５ａ 第１チャック
５ｂ 第２チャック
６ａ 第１駆動源
６ｂ 第２駆動源
７ 工具
７ａ 刃部
８ 移動手段
９ａ 第１押付け手段
９ｂ 第２押付け手段
Ｗ_１ 第１ワーク（材料）
Ｗ_２ 第２ワーク（材料）
Ｗ_３ 接合ワーク（材料）
Ｂ バリ

Claims (2)

1. 互いに対向して配置され、それぞれ回転駆動自在の一対の主軸と、
   前記主軸に把持された材料を切削加工する工具と、
   前記両主軸を互いに接近するように相対移動させ、各前記主軸各々に把持された材料を押圧させて摩擦圧接するように、前記主軸の移動を制御する制御手段と、を有し、
   前記制御手段が、前記摩擦圧接に際して、前記両材料が相対的に停止状態となるように、前記主軸を同一の所定回転速度で回転制御する工作機械であって、
   前記制御手段は、
   前記所定回転速度を、前記工具による切削加工時の加工回転速度と同一の速度とし、前記材料の摩擦圧接後に、前記主軸の回転速度を前記所定回転速度に維持したまま前記工具による前記材料の切削加工を行うように、前記主軸の回転及び前記工具の作動を制御することを特徴とする工作機械。
2. 前記制御手段は、
   前記摩擦圧接に際して、各前記主軸を、同一方向に異なる回転速度で回転させて前記両材料を加熱した後、同一方向に同一の所定回転速度となるように回転制御する、請求項１に記載の工作機械。

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