JP4661255B2

JP4661255B2 - 加工工具

Info

Publication number: JP4661255B2
Application number: JP2005035858A
Authority: JP
Inventors: 智康太田; 洋鍵本
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2005-02-14
Filing date: 2005-02-14
Publication date: 2011-03-30
Anticipated expiration: 2025-02-14
Also published as: JP2006218596A

Description

本発明は、例えばエンジンのシリンダヘッドにおけるバルブ孔のバルブシート等、被加工物の孔や凹部の内周面を所望の形状に加工する場合に用いる加工工具の技術に関する。
より詳細には、加工時に該加工工具が受ける外力に起因する加工工具および被加工物の弾性変形を抑制することにより、該加工工具の加工時の振動を防止する技術に関する。

従来、所定の軸線（以下、「加工工具の軸線」という。）を中心に回転する本体と、該本体の外周部に配置された複数の切削刃と、を具備する加工工具の技術は公知となっている。
このような加工工具は、モータ等により回転駆動される回転軸の先端部に固定され、該回転軸と一体となって回転しつつ該複数の切削刃を被加工物に接触させることにより、被加工物と切削刃との接触部位を切削加工するものである。例えば、特許文献１に記載の如くである。

特許文献１に記載の加工工具の本体の外周部に配置された複数の切削刃は、それぞれ加工工具の軸線方向に対して所定の傾斜角度を成す刃面を有し、該刃面のエッジ部分が鋭利な刃物となっていることから、被加工物の表面は当該刃面の回転軌跡と略同じ形状となるように切削される。
特許文献１に記載の加工工具は、加工時において被加工物に押し当てる方向と、その軸線方向とが略一致し、各切削刃は被加工物から刃面に垂直な方向の力を受けることとなる。
その結果、各切削刃が被加工物から受ける刃面に垂直な方向の力は、加工工具の軸線方向の成分と、半径方向、すなわち軸線方向に垂直かつ軸線と交差する方向の成分とに分解される。
このうち、加工工具の半径方向の成分は、加工工具を弾性変形により湾曲させる方向に作用するため、加工工具の加工時（回転時）の振動の原因となる。

特許文献１に記載の加工工具は、上記問題点を解消するために、該加工工具の本体の外周部に配置された複数の切削刃と同数のパッドを具備する。
該複数のパッドは、それぞれ加工工具の軸線方向に対して所定の傾斜角度を成す当接面を有しており、加工工具の加工時において、被加工物を加工（切削）することなく該当接面にて該被加工物に当接し、被加工物から加工工具が受ける力の一部を支持するものである。
また、該複数のパッドは、所定の軸線方向から見て、該軸線を挟んで各切削刃の反対側となる位置にそれぞれ配置される。すなわち、一個の切削刃と、一個のパッドとが、加工工具の軸線を挟んで一対のペアとなっている。
そして、各パッドは、前記切削刃と同様に、加工時に被加工物から当接面に垂直な方向の力を受けることとなる。その結果、各パッドが被加工物から受ける当接面に垂直な方向の力は、加工工具の軸線方向の成分と、半径方向、すなわち軸線方向に垂直かつ軸線と交差する方向の成分とに分解される。
特許文献１に記載の加工工具は、以上の如くパッドを配置することにより、切削刃が被加工物から受ける力の半径方向の成分と、該切削刃とペアを成すパッドが被加工物から受ける力の半径方向の成分とを相殺し、加工工具の加工時（回転時）の振動を抑制する。
特開２００４−１４２０９４号公報

しかし、特許文献１に記載の加工工具は、加工工具の加工時（回転時）の振動を抑制するためには、切削刃が受ける力の半径方向の成分と、該切削刃とペアを成すパッドが受ける力の半径方向の成分とを略同じ大きさにするために各パッドについてそれぞれ本体への取り付け位置を調整する作業を行う必要があり、作業が煩雑である。

また、該複数のパッドのうち、一つでも位置の調整が不十分であると、切削刃が受ける力の半径方向の成分と、該切削刃とペアを成すパッドが受ける力の半径方向の成分とがうまく相殺されず、加工工具の加工時（回転時）に振動が発生してしまう。従って、該パッドの位置の調整は非常にデリケートで難しいものとなる。
特に、複数のパッドのうちの一つの位置を調整すると、他のパッドが被加工物と当接する状態も変化するため、他のパッドが被加工物から受ける力の大きさも変動する。従って、加工工具に具備される切削刃の個数が増大するほど該パッドの位置の調整が難しい。

また、加工工具の外周部に切削刃およびパッドを配置する場合には、通常切削刃およびパッドの基部（切削刃およびパッドにおいて、刃面または当接面から離れている部分）を収容し、固定するための溝を加工工具の外周部に形成する必要があるが、特許文献１に記載の加工工具は、切削刃とパッドが一対のペアとなっているため、加工工具の外周部に形成される溝の本数が多くなり、加工工具自体の強度が低下し、却って加工工具が半径方向に弾性変形（湾曲）し易くなってしまう。
特に、被加工物が小さい場合には加工工具自体も小さくする必要があり、多数の切削刃およびパッドを収容し、固定するための溝を多数形成した場合の強度低下が大きい。
また、加工工具自体が小さくなると、そもそも全ての切削刃およびパッドを配置することが不可能となる場合がある。

本発明は以上の如き問題に鑑み、加工時の振動を効果的に防止可能であり、多数の切削
刃を配置した場合でも強度に優れ、かつ当該振動を防止するためのメンテナンス性に優れ
た加工工具を提供するものである。

本発明の解決しようとする課題は以上の如くであり、次にこの課題を解決するための手
段を説明する。

即ち、請求項１においては、
軸線を中心に回転する本体と、
該本体の外周部に配置され、該軸線に対して所定の傾斜角を成す刃面を有する複数の切削刃と、
該本体の外周部、かつ、該複数の切削刃が被加工物から受ける力の半径方向の成分の和からなる合力の方向に配置され、該軸線に対して所定の傾斜角を成す当接面を有する単数のパッドと、
を具備するものである。

請求項２においては、
前記パッドは、前記軸線の長手方向に位置調整可能であるものである。

請求項３においては、
前記パッドの当接面の傾斜角が前記複数の切削刃の刃面の傾斜角のいずれかと略同じであって、かつ、該当接面は該略同じ傾斜角の刃面を有する切削刃により被加工物に形成された加工面に当接するものである。

本発明の効果として、以下に示すような効果を奏する。

請求項１においては、複数の切削刃が被加工物から受ける力の半径方向の成分と、パッドが被加工物から受ける力の半径方向の成分とを効果的に相殺し、加工工具の加工時の振動を抑制することが可能である。

請求項２においては、パッドと被加工物とのクリアランスを容易に調整することが可能であり、メンテナンス性に優れる。

請求項３においては、パッドの当接面の摩耗を抑えることが可能である。

以下では、図１を用いて、本発明の加工工具の実施の一形態である加工工具１の構成について説明する。なお、以下の説明では、図１に示す矢印Ａの方向を便宜上「前方」と定義する。

加工工具１は被加工物の孔や凹部の内周面を所望の形状に加工するものである。
ここで、「被加工物」は加工工具１が加工する対象であり、具体例としてはエンジンのシリンダヘッドにおけるバルブ孔等が挙げられる。
加工工具１は、主として本体２０、切削刃３１・３２・３３、パッド４０等で構成される。

本体２０は軸線１００を中心とする回転体である。軸線１００の長手方向は加工工具１の前後方向、すなわち矢印Ａの方向に一致する。
本体２０は、前方から後方に向けて順に切削刃取り付け部２１、フランジ部２２、テーパーシャンク部２３等で構成される。
切削刃取り付け部２１は本体２０の前部を成す部位であり、軸線１００を中心とする略円柱形状を成す。
切削刃取り付け部２１の外周部には溝２１ａ・２１ａ・２１ａおよび溝２１ｂが形成される。溝２１ａ・２１ａ・２１ａには切削刃３１・３２・３３が着脱可能かつ位置調整可能に取り付けられる。また、溝２１ｂにはパッド４０が着脱可能かつ位置調整可能に取り付けられる。

フランジ部２２は工作機械等の回転軸に加工工具１を固定するために軸線１００の半径方向に突出した部位である。また、テーパーシャンク部２３は工作機械等の回転軸側に形成されたテーパ面に当接する部位である。

加工工具１は該工作機械等の回転軸に取り付けられる際に該テーパ面に沿って位置決めが行われる。その結果、加工工具１の軸線１００と工作機械等の駆動軸の回転軸の軸線とが略一致し、工作機械等の回転軸を回転駆動することにより、加工工具１の本体２０は該回転軸と一体となって軸線１００を中心に回転する。

加工工具１の本体２０の内部には貫通孔２４が形成される。貫通孔２４の後端２４ｂは加工工具１の後端にて開口しており、前端２４ａは加工工具１の前端にて開口している。
また、貫通孔２４の中途部と本体２０の外周部とを連通する連通孔２５・２６・２７が形成される。
加工工具１が取り付けられる工作機械等の回転軸にも貫通孔が形成されており、該貫通孔を経て加工工具１の貫通孔２４に流体が供給される。さらに、該流体は貫通孔２４の前端２４ａや連通孔２５・２６・２７の外周部側の端部から加工工具１の外部に吐出される。
ここで、「流体」とは、主に加工工具１および被加工物の切削部位の冷却、潤滑および切り屑の除去を行う目的で使用される切削油剤、または該切削油剤と圧縮ガスとの混合物を指す。

図１および図４に示す如く、三個の切削刃３１・３２・３３は被加工物の孔や凹部の内周面に当接して該被加工物を切削することにより、該被加工物の内周面を所望の形状に加工するための刃である。
切削刃３１・３２・３３は本体２０の外周部に配置される。
より厳密には、切削刃３１・３２・３３は本体２０の切削刃取り付け部２１の外周部に形成された溝２１ａ・２１ａ・２１ａに軸線方向にのみ位置調整可能、または軸線方向および本体２０の周方向に位置調整可能に取り付けられる。
切削刃３１・３２・３３は、それぞれ加工工具１の軸線方向（軸線１００の長手方向）に対して所定の傾斜角度を成す刃面３１ａ・３２ａ・３３ａを有し、該刃面３１ａ・３２ａ・３３ａのエッジ部分が鋭利な刃物となっている。
なお、本発明に係る加工工具に具備される切削刃の個数については、本実施例の加工工具１の如く三個（切削刃３１・３２・３３）に限定されず、複数個であれば良い。

パッド４０は被加工物を加工することなく被加工物の孔や凹部の内周面に当接し、被加工物から加工工具１が受ける力の一部を支持するものである。
パッド４０は、切削刃３１・３２・３３と同じく本体２０の外周部に配置される。より厳密には、パッド４０は本体２０の切削刃取り付け部２１の外周部に形成された溝２１ｂに軸線方向にのみ位置調整可能、または軸線方向および本体２０の周方向に位置調整可能に取り付けられる。
パッド４０は加工工具１の軸線方向に対して所定の傾斜角度を成す当接面４０ａを有しており、加工工具１が弾性変形した場合に該当接面４０ａにて被加工物に当接する。

以下では、図１、図２、図３および図４を用いて本体２０の外周部における切削刃３１・３２・３３およびパッド４０の配置について説明する。
なお、以下では、図２に示すエンジンのシリンダヘッドにおけるバルブ孔のバルブシート２００を被加工物とし、該バルブシート２００の内周面を加工する場合を例に説明する。

図２に示す如く、バルブシート２００はエンジンのシリンダヘッドにおけるバルブ孔に配置されるリング状の部材であり、エンジンバルブと当接、離間を繰り返すものである。
バルブシート２００の内周面の加工（切削）は、加工工具１の軸線１００と、バルブシート２００が配置されるバルブ孔の中心線とを一致させ、加工工具１を回転させつつ前方（矢印Ａの方向）に移動させてバルブシート２００の内周面に押し付けることにより行われる。

図２中の二点鎖線で示す切削刃３１・３２・３３の回転軌跡において、刃面３１ａ・３２ａ・３３ａに対応する部分と軸線１００との成す角度は、それぞれθ１、θ２、θ３である。また、刃面３１ａ・３２ａ・３３ａとバルブシート２００とが接触する部位はそれぞれ異なっている。
従って、加工後のバルブシート２００の内周面には、バルブ孔の中心線を含む断面視で該バルブ孔の中心線（すなわち、軸線１００）に対してそれぞれθ１、θ２、θ３の傾斜角を成す加工面たるシート面２００ａ・２００ｂ・２００ｃが形成される。

図３に示す如く、加工工具１によるバルブシート２００の加工時において、切削刃３１がバルブシート２００から刃面３１ａに垂直な方向の力Ｆ１、を受けるものとすると、該力Ｆ１は、軸線方向（軸線１００の長手方向）の成分Ｆ１ａと、半径方向すなわち軸線方向に垂直かつ軸線と交差する方向の成分Ｆ１ｒと、に分解される。
同様に、切削刃３２がバルブシート２００から刃面３２ａに垂直な方向の力Ｆ２、を受けるものとすると、該力Ｆ２は、軸線方向の成分Ｆ２ａと、半径方向の成分Ｆ２ｒと、に分解される。また、切削刃３３がバルブシート２００から刃面３３ａに垂直な方向の力Ｆ３、を受けるものとすると、該力Ｆ３は、軸線方向の成分Ｆ３ａと、半径方向の成分Ｆ３ｒと、に分解される。
このとき、成分Ｆ１ｒ、Ｆ２ｒ、Ｆ３ｒの大きさはそれぞれ以下の（式１）、（式２）、（式３）で表される。
Ｆ１ｒ＝Ｆ１ｃｏｓ（θ１）（式１）
Ｆ２ｒ＝Ｆ２ｃｏｓ（θ２）（式２）
Ｆ３ｒ＝Ｆ３ｃｏｓ（θ３）（式３）

図４に示す如く、加工工具１を軸線１００の長手方向から見て、軸線１００に直交するＸ軸、および軸線１００およびＸ軸の両方に直交するＹ軸を設定するとともに、軸線１００がＸ軸とＹ軸との交点すなわちＸ−Ｙ座標系の原点を通過するようにした場合において、該Ｘ−Ｙ座標系の原点と切削刃３１とを通過する直線１３１と、Ｘ軸と、の成す角度をφ１とすると、前記成分Ｆ１ｒは当該Ｘ−Ｙ座標系を用いて以下の（式４）で表される。
Ｆ１ｒ＝｛−Ｆ１ｒｃｏｓ（φ１），−Ｆ１ｒｓｉｎ（φ１）｝（式４）
同様に、Ｘ−Ｙ座標系の原点と切削刃３２とを通過する直線１３２と、Ｘ軸と、の成す角度をφ２とすると、前記成分Ｆ２ｒは当該Ｘ−Ｙ座標系を用いて以下の（式５）で表される。
Ｆ２ｒ＝｛−Ｆ２ｒｃｏｓ（φ２），−Ｆ２ｒｓｉｎ（φ２）｝（式５）
同様に、Ｘ−Ｙ座標系の原点と切削刃３３とを通過する直線１３３と、Ｘ軸と、の成す角度をφ３とすると、前記成分Ｆ３ｒは当該Ｘ−Ｙ座標系を用いて以下の（式６）で表される。
Ｆ３ｒ＝｛−Ｆ３ｒｃｏｓ（φ３），−Ｆ３ｒｓｉｎ（φ３）｝（式６）

成分Ｆ１ｒ、Ｆ２ｒおよびＦ３ｒの和からなる合力Ｆは、以下の（式７）および（式８）で表される。
Ｆ＝Ｆ１ｒ＋Ｆ２ｒ＋Ｆ３ｒ＝｛Ｒｃｏｓψ，Ｒｓｉｎψ｝（式７）
Ｒ＝［｛Ｆ１ｒｃｏｓ（φ１）＋Ｆ２ｒｃｏｓ（φ２）＋Ｆ３ｒｃｏｓ（φ３）｝²＋｛Ｆ１ｒｓｉｎ（φ１）＋Ｆ２ｒｓｉｎ（φ２）＋Ｆ３ｒｓｉｎ（φ３）｝²］^0.5
（式８）
ここで、Ｒは合力Ｆの大きさを表す。

上記（式７）および（式８）より、合力Ｆの方向（角度ψ）および合力Ｆの大きさＲが求められる。

本実施例の加工工具１は、複数の切削刃３１・３２・３３が被加工物から受ける力の半径方向の成分の和からなる合力Ｆの方向にパッド４０を配置する。
すなわち、本体２の外周部、かつ、該Ｘ−Ｙ座標系の原点とパッド４０とを通過する直線１４０と、Ｘ軸と、の成す角度がψとなる位置、にパッド４０を配置する。
このとき、パッド４０の当接面４０ａの傾斜角θｐは、切削刃３１の刃面３１ａの傾斜角θ１、切削刃３２の刃面３２ａの傾斜角θ２、または切削刃３３の刃面３３ａの傾斜角θ３のいずれかと略同じであって、かつ、当接面４０ａは該略同じ傾斜角の刃面を有する切削刃によりバルブシート２００に形成された加工面に当接することが望ましい。
すなわち、当接面４０ａをシート面２００ａに当接させる場合にはθｐ＝θ１とし、当接面４０ａをシート面２００ｂに当接させる場合にはθｐ＝θ２とし、当接面４０ａをシート面２００ｃに当接させる場合にはθｐ＝θ３とすることが望ましい。
このように構成することにより、パッド４０の当接面４０ａの摩耗を抑えることが可能である。
なお、以上の摩耗抑制の効果を奏する限りにおいて、傾斜角θ１〜θ３は完全な同一角度に限定されるものではない。

以下では、パッド４０の前後方向の位置の調整方法について説明する。
なお、以下ではパッド４０の当接面４０ａの傾斜角θｐ＝θ１とし、パッド４０は切削刃３１により切削されたシート面２００ａに当接する場合を例として説明する。

加工時には加工工具１が回転しつつ被加工物に向かって前進するが、当該前進量をＬ（ｍｍ／回転）とすると、パッド４０の当接面４０ａの位置は、切削刃３１の刃面３１ａの位置よりも以下の（式９）で表される距離Ｗだけ後方に配置することが望ましい。
Ｗ＝Ｌ×（Δθ／２π）＋Ｓ（式９）
ここで、Δθは加工工具１の回転方向において先に切削刃３１、後にパッド４０がある場合の位相差（本実施例の場合、Δθ＝ψ−φ１）、Ｓはクリアランス（Ｓ≧０）を表す。
ある時刻において切削刃３１が被加工物のシート面２００ａのある部分を切削し、さらに加工工具１が回転して当該部分にパッド４０が到達すると、その間にパッド４０はＬ×（Δθ／２π）だけ前進している。
従って、加工工具１が弾性変形していない場合には、加工時のパッド４０のパッド面４０ａはシート面２００ａとの間に前後方向に大きさＳのクリアランスを有することになる。
そして、加工工具１が当該クリアランスＳを超えて弾性変形した場合には、パッド４０の当接面４０ａがシート面２００ａに当接し、加工工具１を支持することとなる。
クリアランスの大きさＳについては、０≦Ｓ≦５μｍであることが望ましい。これは、クリアランスＳが５μｍを超えると加工工具１の弾性変形量が過大となり、所望の加工精度を確保することが困難となるからである。

以上の如く、本実施例の加工工具１は、
軸線１００を中心に回転する本体２０と、
本体２０の外周部に配置され、軸線１００に対してそれぞれ傾斜角θ１・θ２・θ３を成す刃面３１ａ・３２ａ・３３ａをそれぞれ有する複数の切削刃３１・３２・３３と、
本体２０の外周部、かつ、複数の切削刃３１・３２・３３が被加工物（バルブシート２００）から受ける力の半径方向の成分の和からなる合力Ｆの方向に配置され、軸線１００に対して傾斜角θｐを成す当接面４０ａを有するパッド４０と、
を具備するものである。
このように構成することにより、複数の切削刃３１・３２・３３がバルブシート２００から受ける力の半径方向の成分を、パッド４０により効果的に相殺し、加工工具１の加工時（回転時）の振動を抑制することが可能である。
また、パッド４０を一つしか必要としないため、該パッドを取り付けるための溝等を本体の外周部に多数形成する必要が無く、従来の加工工具と比較して加工工具の本体の強度が向上する。また、加工工具を小型化する際にも、加工工具の強度を確保することが容易である。
さらに、複数の切削刃３１・３２・３３がバルブシート２００から受ける力の半径方向の成分を相殺するための力を一つのパッド４０の位置で調整することが可能であり、メンテナンス性に優れる。

また、本実施例の加工工具１のパッド４０は、軸線１００の長手方向に位置調整可能であるものである。
このように構成することにより、パッド４０とバルブシート２００とのクリアランスを容易に調整することが可能であり、メンテナンス性に優れる。

また、本実施例の加工工具１は、
パッド４０の当接面４０ａの傾斜角θｐが複数の切削刃３１・３２・３３の刃面３１ａ・３２ａ・３３ａの傾斜角θ１・θ２・θ３と略同じであって、かつ、当接面４０ａは略同じ傾斜角の刃面を有する切削刃によりバルブシート２００に形成された加工面に当接するものである。
このように構成することにより、パッド４０の当接面４０ａの摩耗を抑えることが可能である。

また、本実施例では切削刃の個数が三個であったが、切削刃の個数が二個の場合には、以下の点に注意する必要がある。
すなわち、軸線を挟んで互いに反対側となる位置に該二つの切削刃を配置すると、二つの切削刃が受ける力の半径方向の合力の方向がいずれかの切削刃の方向と略一致してしまい、パッドを配置することが困難となる。
従って、このような場合には敢えて二つの切削刃を軸線を挟んで互いに反対側となる位置に配置せずに少しずらして配置することが望ましい。
同様に、多数の切削刃が受ける力の半径方向の合力の方向が該多数の切削刃のいずれの方向とも略一致しないように、該多数の切削刃の配置することが好ましい。

本発明に係る加工工具の側面一部断面図。被加工物と切削刃の位置関係を示す模式図。切削刃が被加工物から受ける力を示す模式図。本発明に係る加工工具を軸線方向から見た図。

１加工工具
２０本体
３１・３２・３３切削刃
３１ａ・３２ａ・３３ａ刃面
４０パッド
４０ａ当接面
１００軸線
２００バルブシート（被加工物）

Claims

軸線を中心に回転する本体と、
該本体の外周部に配置され、該軸線に対して所定の傾斜角を成す刃面を有する複数の切削刃と、
該本体の外周部、かつ、該複数の切削刃が被加工物から受ける力の半径方向の成分の和からなる合力の方向に配置され、該軸線に対して所定の傾斜角を成す当接面を有する単数のパッドと、
を具備することを特徴とする加工工具。
前記パッドは、前記軸線の長手方向に位置調整可能であることを特徴とする請求項１に記載の加工工具。
前記パッドの当接面の傾斜角が前記複数の切削刃の刃面の傾斜角のいずれかと略同じであって、かつ、該当接面は該略同じ傾斜角の刃面を有する切削刃により被加工物に形成された加工面に当接することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の加工工具。