JP4226551B2 - 長手方向穴を備える回転対称な機械部品を外面研削および内面研削する方法および装置 - Google Patents

Description

本発明は、請求項１の上位概念に基づく、前面側の端面が断面で見て直線状の輪郭または曲がった輪郭をもつ特に平たい円錐台外套面の形態の作用面として構成された、長手方向穴を備える回転対称な機械部品を研削する方法に関する。

この方法で研削されるべき機械部品は、たとえば自動車で必要とされる、変速比を無段階に可変なトランスミッションで用いられる。この場合、互いに向かい合う作用面を備える２つの機械部品が対峙している。したがってこれらの作用面は、断面が近似的に円形をなす環状スペースを形成しており、この環状スペースで、作用面相互の距離に応じて、たとえばチェーンやベルトといった引張部材が異なる半径の間で往復運動をする。この種のトランスミッションは非常に正確に作動するとともに高いトルクを伝達しなくてはならないので、機械部品の寸法安定性や表面品質に関して高い要求事項が課せられる。このことは付属の研削工程についても、特に作用面を研削する場合に当てはまる。

冒頭に述べた方法は、工場での実際の作業から知られている従来技術によれば個別操作で行われ、すなわち複数の取付具で行われる。この場合、作用面はコランダム砥石車によってアンギュラ研削法で研削される。そして、機械部品にある長手方向穴を内面研削するために機械部品を別の機械に取り付けなくてはならず、そこで、相応に小さい砥石車で穴の壁面の内面研削を行うことができる。

公知の方法にはさまざまな欠点がある。まず第１に、製作やドレッシングが難しい円錐形の砥石車、または直径に著しい段差のある砥石車が必要である。直径が著しく異なる複数の円周領域を備えるこの種の砥石車では、研削をする領域の円周速度も異なっている。このことは、研削個所において決定的に重要な切削速度も必然的に異なっており、そのために、すべての部位が最善にはなり得ないことを意味している。このことは、結果的に粗さが異なる領域ができることにつながり、そのような領域は作用面で不都合な作用を及ぼす。最後に、通常のエマルジョンや切削油を用いての冷却時にも問題が生じる。すなわちアンギュラ研削の場合、冷却潤滑剤を最善に送り込むことができない先細になった楔形部分が研削個所にできてしまう。その結果、研削個所の冷却が不均等になる。このような問題すべての原因は、現在広く普及しているＣＢＮホイールよりも耐用寿命がはるかに短く、かつ頻繁にドレッシングしなくてはならないコランダム砥石車によって、冒頭に述べた公知の方法がこれまで実施されてきたことにある。

特許文献１は、特にレントゲン管の回転電極として利用されるタングステン皿を研削する装置を記載している。このタングステン皿は、図面の開示によれば、底面に対する外套線の傾斜がおよそ３０°である円錐台の輪郭を有している。この公知の装置では、垂直な軸を中心として装置のフレームに対して旋回可能な工作物保持部にタングステン皿が挟持される。この工作物保持部に対して、水平な平面でスライド可能な縦送り台がある。縦送り台の上には、タングステン皿にある穴を内面研削する役目をする小さな円筒状の砥石車を駆動するための研削主軸を支持する横送り台がある。さらに縦送り台は、この横送り台から分離された状態で、円錐形の砥石車を駆動するための剛性の高い電動研削主軸を支持している。この円錐形の砥石車で、タングステン皿の端面および円錐外套面の領域を研削するようになっている。そのためには、工作物保持部を旋回させて縦送り台をスライドさせることによって、ならびに、手動で操作されるべき送り制御部によって、円錐形の砥石車とタングステン皿を正しい相互位置へ移動させなくてはならない。円錐外套面の領域に
おけるアンギュラ研削以外のことは、特許文献１からは読み取ることができない。部分的に手動で操作されるべきこの公知の装置は面倒であり、手工業的な熟練をもって取り扱われるべきものである。

特許文献２より、大きさの異なる２つの円筒状の砥石車がリボルバの上にあり、さらにこのリボルバがスライド可能な送り台の上に配置されている、工作物を研削するための工作機械が公知である。リボルバを１８０°旋回させることで、回転対称な工作物の異なる領域に両方の砥石車を当接させることができる。工作物は工作物受け部に配置されており、さらにこの工作物受け部は送り台の上で工作物の長手方向へスライド可能である。研削をするために工作物を回転させる。この公知の工作機械では、さらに、工作物受け部を±３０°の角度だけ工作物受け部のスライド方向に対して斜めに調整することができる。工作物受け部が傾斜姿勢のときにどのようにして研削作業を進めればよいのか、特許文献２には説明されていない。しかしながら、砥石車を支持するレボルバの旋回は９０°のステップで行われることが明記されているので、この公知の工作機械の場合にも、円錐の傾斜角が著しく大きい円錐形の外側輪郭を研削しようとするときは、砥石車でトラバース研削をすることが想定されているものと容易に推測される。
東独特許第１４３７００号明細書 欧州特許出願公開第１０２２０９１Ａ２号明細書

上記に対して本発明の課題は、加工時間が短縮されるにもかかわらず研削結果の向上が達成される、冒頭に最初に述べた種類の方法を提供することである。

請求項７に記載されている装置についても、内容的にこれと同じ課題が当てはまる。

この課題の解決の要諦は、請求項１の特徴部に記載されている方法ステップでは、外側円周で片側を保持された機械部品に対してまず作用面を研削し、そのために、回転する円周輪郭を備える第１の円筒状の砥石車を作用面に向かって垂直方向へ送り、機械部品をその回転軸・長軸の方向へ第１の砥石車に対してスライドさせ、このとき第１の砥石車の軸方向長さは作用面の半径方向の斜めの長さを完全に覆っており、次いで、同じ取付具で長手方向穴の内壁を研削し、そのために直径の小さい第２の砥石車を少なくとも第１の砥石車と第２の砥石車とを支持する研削主軸台の旋回によって機械部品の長手方向穴の中へ入れ、内壁に向かって半径方向へ送ることにある。

このように本発明の方法では、研削されるべき機械部品は、すべての研削工程が行われるただ１つの取付具にとどまっている。このことは、まず第１の円筒状の砥石車を作用面に向かって垂直方向に当て付け、次いで、これよりも直径の小さい第２の円筒状の砥石車を機械部品の長手方向穴の中へ入れ、内壁に向かって半径方向へ当て付けることによって可能となる。２つの異なる砥石車を同一の工作物の異なる加工面に作用させるという方法は、当業者には周知である。

本発明による解決法では特徴的な事項として、第１の砥石車をその回転する円周面で、傾いて延びている作用面に向かって垂直方向に当て付け、第１の砥石車の軸方向長さまたは幅が、作用面の半径方向の斜めの長さを完全に覆っているという事項が加わる。

それにより、砥石車の円筒状の円周面によって作用面が立軸研削法で研削され、相互の相対変位によって送りが引き起こされる。

砥石車の幅全体にわたって切削速度が一定に保たれるという利点があることが判明している。それにより、いっそう高い表面品質と表面構造が保証される。それに加えて、砥石車をドレッシングするときに、最適化されたドレッシングパラメータが維持される。ドレッシングの際に同一のパラメータが得られ、すなわち、研削のときと同じドレッシング速度、ならびに同じ回転数の比率、送りの数値が得られるからである。砥石車の切削速度が作用面全体にわたって一定に保たれるので、達成可能な表面粗さも一定に保たれる。円筒面全体にわたる砥石車の同じ切削速度によって、単位時間あたりの切削容積についても最善の値を得ることができる。

それに対してアンギュラ研削の場合、このような事情は成り立たない。円筒状の作用面の外径をたとえば１９０ｍｍの値と仮定し、作用面に後続する平均直径（長手方向穴の領域）をおよそ４０ｍｍと仮定すると、工作物の速度は工作物の回転によって研削中に係数４．７５だけ変化する。したがって円筒面の高さは約７５ｍｍである。

そして、コランダム砥石車の直径を７５０ｍｍと想定すると、円筒面の外径のところでの切削速度は、円筒面の直径が小さいところでの砥石車の切削速度の約８０％となる。これは切削容積と反対である。切削容積は、円筒面の直径が大きいところで最大だからである。それにより、円筒面へ垂直方向に当て付けられる砥石車によって、円筒面全体にわたって剥離されなくてはならない切削容積に対する切削速度の比率が大幅に改善される。

さらに、研削ゾーンの冷却においても明らかに改善された状況が生じる。作用面を研削するときに、立軸研削の場合と実質的に同じ状況が成り立っているので、冷却潤滑剤をうまく供給することができ、冷却潤滑剤が再び迅速に出ていく、一定に保たれた細い冷却ゾーンが存在しているからである。

全体として、磁器質化により結合されたＣＢＮ砥石車によって、本発明による研削方法を最善に実施することができるという利点がある。全体として、現代の加工機械における明らかに短いサイクル時間が、同時に著しく改善された研削結果をもって実現される。

第１の砥石車を厳密に半径方向で機械部品の研削されるべき作用面に当て付けることもでき、そのために、第１の研削主軸をその長手方向の延びに対して横向きに、かつ斜めの方向へ機械部品に向かって動かすことも原則としては可能である。この場合には、機械部品が付属の機械ベッドの一定に保たれた個所に配置されていなくてはならないことになる。しかしながら、本発明の方法に基づき、機械部品をその回転軸・長軸の方向へ第１の砥石車に対してスライドさせることによって送りを行うほうが、本方法を実施するために必要な装置が簡素になる。このような運動のうち、作用面の研削個所に対しては斜めに向いた成分しか及ぼされないが、この成分はわずかな値しか長軸の方向と異なっていないので、ほぼ通常の意味における立軸研削だけが行われることになる。作用面の半径方向にはわずかな力成分しか生じないので、摺動面を研削するときに最適化された送りで作業をすることができる。それによっても研削時間が短縮され、それにもかかわらず、作用面の研削状態に関しては精度の向上が得られる。

これに続く長手方向穴の内面研削は、トラバース研削によって行うことができる。このときには、すみやかに最終直径まで研削を行う粗研削の方式も考慮の対象となる。あるいは、長手方向穴の内壁をプランジカット研削によって研削することも可能である。

この最後に挙げた方法は、特に、別の有利な変形例に基づいて、長手方向穴の内壁のうち個々の軸方向区域が研削される場合に考慮の対象となる。

本発明による方法のさらに別の実施形態では、少なくとも３つの砥石車が設けられ、こ
れら砥石車を支持する３つの研削主軸の旋回によって、これらの砥石車を作用位置に移動させる。このようなやり方で拡張された方法によってさらに別の研削工程を実施することができ、あるいは、たとえば内面円筒研削を粗研削と精密研削の通常の各段階で行うこともできる。

最後に、まず機械部品の作用面を研削し、次いで長手方向穴の内壁を研削するという順序は強制的なものではない。これと逆の順序も原則として可能である。研削の当業者が、機械部品の構成に応じて各工程の順序を決定する。このような決定では、研削時の加熱の程度や固定の仕方が重要になるからである。

請求項７によれば、本発明は、すでに冒頭で方法との関連で述べた種類の回転対称な機械部品を研削する装置も対象としている。この発明の要諦は、前面側の端面が断面で見て直線状の輪郭をもつ平たい円錐台外套面の形態の作用面として構成された、長手方向穴を備える回転対称な機械部品を研削する、特に請求項１〜６のいずれか１項に記載の方法を実施するための装置において、
− 機械部品をその外側円周で片側を挟持するため、およびこれを回転駆動するためのクランプ装置と、
− 機械部品の回転軸・長軸に対して横向きに延びる方向に移動可能な研削主軸台サドルと、
− 機械部品をその回転軸・長軸の方向で長手方向変位させる装置と、
− 研削主軸台サドルのスライド平面に対して垂直に延びる旋回軸を介して研削主軸台サドルに取り付けられ、それ自体で作用位置へそれぞれ旋回可能な少なくとも２つの研削主軸を支持する研削主軸台と、
− 機械部品にある作用面を立軸研削する用途に定められ、作用面の半径方向の斜めの長さよりも大きい軸方向長さを有する、第１の研削主軸に配置されてこれにより駆動される第１の円筒状の砥石車と、
− 第１の砥石車よりも小さい直径を有し、機械部品の長手方向穴を内面円筒研削する用途に定められた、第２の研削主軸に配置されてこれにより駆動される第２の円筒状の砥石車とを備え、
− 研削主軸台の旋回位置に応じて、第１の砥石車がその回転する円周面で機械部品の研削されるべき作用面に当接するか、または、第２の砥石車の軸が機械部品の回転軸・長軸に対して平行に間隔をおいて延びるかのいずれかであることである。

この装置の運転に際して、冒頭に述べた方法に基づいて手順を進めるときには、まず、挟持された機械部品に近づくように研削主軸台サドルを正しいやり方で移動させ、第１の研削主軸がこれに取り付けられた第１の砥石車の円筒状の円周面で機械部品の作用面に当て付けられるように、研削主軸台を回転させる。このとき第１の研削主軸は、機械部品の回転軸・長軸に対して、９０°よりも小さい角度位置を占めていなくてはならない。次いで、作用面を第１の砥石車によって立軸研削法で、すなわちその公知の利点をもって研削することができる。引き続いて、研削主軸台サドルを機械部品の回転軸・長軸に対して横向きに外方に向かって若干移動させ、付属の第２の砥石車を備える第２の研削主軸の回転軸がほぼ機械部品の回転軸・長軸に位置するようになるまで、研削主軸台サドルの上にある研削主軸台をその旋回軸を中心として回転させる。そして、第２の砥石車を機械部品の長手方向穴の中へ移動させて半径方向に送り、それによって長手方向穴の内面円筒研削を行う。このようにして、機械部品に対して必要なすべての研削工程がただ１つの取付具で処理される。ただしいずれの場合でも、軸方向長さまたは幅が作用面の斜めの長さよりも大きい第１の砥石車があることが前提条件となる。それによってのみ、作用面の立軸研削法をそのすべての利点を生かしながら行えるからである。

本発明による装置の設計的に有利な発展例の要諦は、研削主軸台に２つの研削主軸が配
置されている場合にこれらの研削主軸の軸が互いに平行に延びており、両方の砥石車が研削主軸台の同じ側に取り付けられることにある。このようにして、研削主軸台のわずかな変位量と旋回量で両方の加工工程の交替が行われる。

さらに別の研削工程を実施すべきときまたは個別工程の一つを複数の段階で行いたいときは、別の実施形態に基づいて、研削主軸台に、それぞれ１つの砥石車を備える３つの研削主軸がそれぞれ１２０°の角度間隔で取り付けられると好ましい場合がある。そのようにして、３つの研削主軸のうち一つがそのつど選択的に作用位置に移される。

クランプ装置は、回転駆動もされる、中央から位置調節可能なクランプジョーを備えるチャックであるのが好ましい。この種のチャックは高い信頼度があることが実証されており、周知である。

別の実施形態では、クランプ装置が、研削主軸台サドルに対して機械部品の回転軸・長軸で移動可能な研削テーブルの上にあると好ましい。その場合、研削テーブルを機械部品とともに第１の砥石車に対して機械部品の長手方向へ移動させることによって、作用面を研削するときの送り運動が行われる。

次に、図面を参照しながら本発明を一つの実施例でさらに詳しく説明する。

図１は、本発明の方法を実施することができる本発明の装置をさしあたり模式的に説明するものである。本図では、機械部品を研削する装置が上から見た図で示されている。機械ベッド１の上に工作主軸台２がある。この工作主軸台は、回転駆動され、中央から制御される４つのクランプジョー４が設けられたチャック３を備えている。符号５は、後でさらに詳しく説明する、研削されるべき機械部品を表している。

工作主軸台２は、同時にチャック３の回転軸をも意味する長軸６を有している。機械部品５がチャックに挟持されているとき、工作主軸台と機械部品５は一致する共通の回転軸・長軸を有している。

図示した実施例では、工作主軸台２は研削テーブル７に固定されている。研削テーブル７は工作主軸台２とともに、同時にＣＮＣ制御の意味における通常のＺ軸でもある長軸６の方向へ移動する。

さらに機械ベッド１の上には、工作主軸台２の長軸６に対して横向きの方向へ調節モータ８によって移動することができる研削主軸台サドル９がある。研削主軸台サドル９には、研削主軸台１０が旋回軸１１を中心として旋回可能に配置されている。この旋回方向は回転矢印Ｂで図示されている。旋回軸は研削主軸台サドル９に対して垂直であり、したがって通常のケースでは鉛直に延びている。

研削主軸台には、第１の研削主軸１２と第２の研削主軸１３がある。この両方の研削主軸の回転軸・駆動軸は平行に延びている。研削主軸１２には第１の砥石車１４が取り付けられている。研削主軸１３は、研削アーバ１５に取り付けられた第２の砥石車１６を備えている。図１が明らかに示すように、第１の砥石車１４と第２の砥石車１６は両方とも研削主軸台１０の同じ側に配置されている。

図１には、第１の砥石車１４がその円周面で機械部品５の研削されるべき作用面に当接する、研削工程の第１の加工段階が図示されている。

それに対して図２は、第２の砥石車１６の軸が工作主軸台２の長軸６に対して平行に間隔をおいて延びている第２の加工段階を、それ以外の点では同じ図面で示している。

図１に示す位置から図２に示す位置へ到達するためには、まず、研削主軸台サドル９がＸ軸の方向へ、すなわち長軸６の方向に対して横向きに、外方に向かって若干移動しなければならない。そのうえで、研削主軸台サドル９の上の研削主軸台１０を、９０°を若干上回る角度だけ旋回させることができ、それにより第２の研削主軸１３は第２の砥石車１６とともに、図２から明らかにわかる位置を占めることになる。旋回運動は、図２でも同じく回転矢印Ｂで図示されている。

図３は、研削されるべき機械部品５を拡大した断面図で示している。この機械部品は回転軸・長軸１７に対して回転対称であり、ハブ部分１８と円錐フランジ１９で構成されており、その長さ全体にわたって長手方向穴２０が貫通している。

長手方向穴は段差が付いていてよく、それにより、長さ全体にわたって研削をしなくてすむようになる。一般に、長手方向穴を軸方向区域２１，２２および２３にわたって研削すれば十分である。円錐フランジ１９は、その広い端面において、断面で見て直線状の輪郭をもつ一種の平たい円錐台のように構成されている。

図示した機械部品は、無段階変速機の円錐ディスクとして用いられるものであり、組み付けられた状態では、作用面２４の上でチェーン、ベルト等が摺動する。このときには２つの作用面２４が向き合っており、相互間隔を変更することで、チェーンやベルトが上で摺動する半径を変えることができ、それによってさまざまな変速比が得られる。したがって、完成した無段階変速機の機能にとって、作用面２４の正確かつ入念な研削が重要なのは明らかである。

図３に示す機械部品は、すでに述べたチャック３に挟み込むのに利用される、円筒状のクランプ面２５と平坦なストッパ面２６を有している。このときクランプジョー４は円筒状のクランプ面２５を取り囲むのに対して、クランプジョー４に当るストッパ面２６によって軸方向のストッパが保証される。このように機械部品５は外側で片側だけクランプされるので、図３では右側にある端面の全体および特に作用面２４を自由に加工することができる。さらに、内面研削の目的のために小さい砥石車を長手方向穴２０に挿入することができる。

図４には、機械部品５の作用面２４が立軸研削によって研削される、第１の加工段階が示されている。

ここではまず、すでに述べたように、機械部品５をチャック３のクランプジョー４の間に挟み込む。そして、通常は回転数制御式の電動モータによって、工作主軸を回転駆動する。それにより機械部品５は、工作主軸台２の長軸６と同一になっている回転軸・長軸１７を中心として回転する。

第１の砥石車１４を備える第１の研削主軸１２は、すでに図１を参照して説明した位置にある。ここで機械テーブル７を工作主軸台２とともに図４のＺ軸の右方へ変位させることによって、機械部品５の作用面２４へと向かう、回転する第１の砥石車の送りが得られる。第２の砥石車１４の軸方向長さ２８は、機械部品５の半径方向の斜めの長さよりも若干大きい。それにより、作用面２４の全体が第１の砥石車１４によって、冒頭に述べた利点を備える立軸研削法で研削される。

第１の砥石車１４は、長い耐用寿命を保証する、セラミック結合されたＣＢＮホイール
である。

図５は、図２の図面に対応する第２の加工段階を図示している。図５の図面では、第２の砥石車１６がすでに長手方向穴２０の中へ移動して、長手方向穴２０の軸方向区域２１を加工している。第２の砥石車１６の回転軸は、工作主軸台２と機械部品５の共通の長軸６に対して平行に間隔をおいている。この段階では、長手方向穴２０の区域２１，２２および２３で内面円筒研削が行われ、この円筒研削はトラバース研削、粗研削、またはプランジカット研削として行うことができる。

第１の加工段階にある本発明の装置を上から見た図である。 後続する加工段階における、図１に対応する図である。 研削されるべき機械部品を対象として示す断面図である。 第１の加工段階にある本発明の方法の実施状況を示す説明図である。 第２の加工段階における、図４に対応する図である。

符号の説明

１ 機械ベッド
２ 工作主軸台
３ チャック
４ クランプジョー
５ 機械部品
６ 長軸
７ 研削テーブル
８ 調節モータ
９ 研削主軸台サドル
１０ 研削主軸台
１１ 旋回軸
１２ 第１の研削主軸
１３ 第２の研削主軸
１４ 第１の砥石車
１５ 研削アーバ
１６ 第２の砥石車
１７ 回転軸・長軸
１８ ハブ部分
１９ 円錐フランジ
２０ 長手方向穴
２１ 軸方向区域
２２ 軸方向区域
２３ 軸方向区域
２４ 作用面
２５ クランプ面
２６ ストッパ面
２７ 接触船
２８ 軸方向長さ

Claims (6)

1. 前面側の端面が断面で見て直線状の輪郭をもつ特に平たい円錐台外套面の形態の作用面（２４）として構成された、長手方向穴（２０）を備える回転対称な機械部品（５）を研削する方法において、外側円周で片側を保持された機械部品（５）に対してまず作用面（２４）を研削し、そのために、回転する円周輪郭を備える第１の円筒状の砥石車（１４）を作用面（２４）に向かって垂直方向へ送り、機械部品（５）をその回転軸・長軸（１７）の方向へ第１の砥石車（１４）に対してスライドさせ、その結果立軸研削が行なわれ、このとき第１の砥石車（１４）の軸方向長さ（２８）は作用面（２４）の半径方向の斜めの長さを完全に覆っており、次いで、同じ取付具で長手方向穴（２０）の内壁を研削し、そのために、直径の小さい第２の砥石車（１６）を、少なくとも第１の砥石車（１４）と第２の砥石車（１６）とを支持する研削主軸台（１０）の旋回によって機械部品（５）の長手方向穴（２０）の中へ入れ、内壁に向かって半径方向へ当て付けることを特徴とする、長手方向穴を備える回転対称な機械部品を研削する方法。
2. 長手方向穴（２０）の内壁をトラバース研削によって研削する、請求項１に記載の方法。
3. 長手方向穴（２０）の内壁を粗研削によって研削する、請求項２に記載の方法。
4. 長手方向穴（２０）の内壁をプランジカット研削によって研削する、請求項１に記載の方法。
5. 長手方向穴（２０）の内壁のうち個々の軸方向区域（２１，２２，２３）を研削する、請求項１〜４のいずれか１項に記載の方法。
6. さらに第３の砥石車を用いて機械部品（５）を研削し、前記第１〜第３の砥石車の各々を用いて前記機械部品を研削する際に、これらの砥石車を支持する３つの研削主軸の旋回によって前記第１〜第３の砥石車をそれぞれの作用位置へ移動させる、請求項１〜５のい
   ずれか１項に記載の方法。

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