JP4990643B2

JP4990643B2 - ホーニング加工装置

Info

Publication number: JP4990643B2
Application number: JP2007032042A
Authority: JP
Inventors: 稔智國木
Original assignee: Toyo Advanced Technologies Co Ltd
Current assignee: Toyo Advanced Technologies Co Ltd
Priority date: 2007-02-13
Filing date: 2007-02-13
Publication date: 2012-08-01
Anticipated expiration: 2027-02-13
Also published as: JP2008194776A

Description

本発明は、ワークの内周面をホーニング加工するための装置に関し、特に、回転軸に取り付けられるホーニングツールの構造に係る。

従来より、この種のホーニング加工装置に使用されるホーニングツールは、一般的に、複数の砥石が周方向に並んだ円筒状の砥石ホルダを備えている。本発明の実施形態である図１を利用して具体的に説明すると、砥石ホルダには、径方向の貫通穴(1a,1a,…)が周方向に亘って略等間隔に設けられ、その各々に砥石(12)を固定した砥石装着部材(11,11,…)が径方向に進退可能に保持されている。

また、砥石ホルダの内部には、ロッド(2)の先端側に形成されたテーパ状の押出部(21a)が軸方向に変位可能に挿入される一方、これを囲む前記砥石装着部材(11,11,…)の内側面が対応するテーパ状に形成されており、そのロッド(2)を先端側に相対移動させることで、砥石装着部材(11,11,…)がそれぞれ径方向外方に押し出されて、砥石径が拡大するようになっている。

そして、ホーニング加工においては、前記のように砥石ホルダに保持した砥石の外周をワークの被加工穴の内周面に接触させて回転させるとともに、その回転軸心の方向に往復移動させるようにしており、その際に、砥石を予め設定した速度で拡径させる方法（以下、定速拡径という）と、ワーク内周面との接触圧が予め接触した値となるようにして拡径させる方法（以下、定圧拡径という）とがある。

前記定速拡径の場合は、砥石とワークの接触状態に依らず無理矢理拡径する場合があって、ワークの弾性変形が大きくなったり、表面の荒れが大きくなるという不具合があり、一方で定圧拡径の場合は、砥石の自生発刃が十分に行われない条件下では加工が進まない、という問題があるから、両者の得失を考慮し、加工状況に応じて使い分けることが望ましい。

この点つき、例えば特許文献１に記載のホーニング加工方法では、前記定速拡径を行うためのホーニング加工装置をベースにしながら、これにロードセルを付加して、砥石と被加工穴の内周面との接触圧に相当する値を検出し、この検出値をフィードバックしてロッドの押し出し速度、即ち砥石の拡径速度を制御することにより、接触圧を略一定に維持するようにしている。

一例として、加工の初期には略一定の速度で砥石径を拡大させ、その後、接触圧相当値に応じて段階的に速度を落とした上で、加工を終了する直前には暫くの間、前記のように砥石と被加工穴の内周面との接触圧が略一定となるようにすることで、被加工面の仕上がり品質の安定化を図っている。
特開２００４−１３０４０４号公報

しかしながら、前記従来例のように接触圧相当の値を検出し、これをフィードバックして砥石の拡径速度を制御するためには、ロードセルのようなセンサが不可欠である上に、そのような拡径速度の制御の精度を高めようとすれば、モータの作動遅れは勿論、コントローラにおける制御の応答遅れもできるだけ小さくすることが望ましく、システム全体としてかなりコスト高にならざるを得ない。

しかも、そうして制御精度を高めたとしても、砥石と被加工穴の内周面との接触圧は、微視的には目標とする値の付近で微小な変動を繰り返す（ふらつく）ことになるから、それにより実現できるのは擬似的な定圧拡径に過ぎない。よって、加工終了時における砥石接触圧のバラツキをさらに軽減して、仕上がり品質を高める余地が残されている。

本発明は斯かる諸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、ホーニングツールにおいて砥石を押し出して拡径させるロッドの構造に工夫を凝らし、装置コストの上昇を抑えながら、定速拡径制御だけでなく、精度の良い定圧拡径制御も行えるようにすることにある。

前記の目的を達成するために、この発明では、ホーニングツールのロッドを先端側及び基端側の２つの部材に分割し、その中間に介在させたばね要素を介して軸方向の力を伝える間接状態と、ばね要素を介さない直接状態とに切換え可能に構成し、ワークの被加工穴の内周面に対する加工開始時に、前記ロッドを前記直接状態とし、加工径が、予め設定された径に到達した時点で、前記ロッドを前記直接状態から前記間接状態に切り換えるようにした。

具体的に、請求項１の発明は、複数の砥石が周方向に並んだホーニングツールの外周をワークの被加工穴の内周面に接触させて回転させるとともに、その回転軸心の方向に往復移動させるようにしたホーニング加工装置が対象である。

そして、前記ホーニングツールには、前記複数の砥石を各々径方向に進退可能に保持する筒状のホルダと、このホルダ内に挿入したテーパ状の先端部が軸方向に相対移動することで、前記複数の砥石を各々径方向に進退させるロッドと、を備えるとともに、このロッドを、中間にばね要素を挟んで先端側及び基端側の２つの部材に分割し、これら両部材同士が前記ばね要素を介して軸方向の力を伝え合うように接続される間接状態と、当該両部材同士が前記ばね要素を介さず一体的に軸方向に移動するように接続される直接状態と、に切換え可能に構成し、前記ホーニング加工装置は、前記ロッドの基端側部材を軸方向に移動させる移動機構と、前記ロッドを前記間接状態から前記直接状態に切り換えるときには、前記基端側部材が先端側に移動して前記先端側部材に当接するように前記移動機構を作動させる一方、前記ロッドを前記直接状態から前記間接状態に切り換えるときには、前記基端側部材が基端側に移動して前記先端側部材から離れるように前記移動機構を作動させる制御手段と、前記ワークの被加工穴の加工径を検出する加工径検出手段と、を更に備え、前記制御手段は、前記ワークの被加工穴の内周面に対する加工開始時に、前記ロッドを前記直接状態とし、前記加工径検出手段により検出される加工径が、予め設定された径に到達した時点で、前記ロッドを前記直接状態から前記間接状態に切り換えるように構成されている、としたものである。

前記構成のホーニング加工装置では、ホーニングツールのロッドを直接状態とし、その先端側及び基端側の両部材が一体的に軸方向に移動するようにすれば、その移動速度を略一定に制御することで、砥石を押し出し略略一定の速度で拡径させることができる。

一方、前記ロッドを間接状態とし、先端側及び基端側の両部材同士がばね要素を介して軸方向の力を伝え合うようにすれば、基端側部材の移動量を制御することによってばね要素の変形量、即ちそのばね力を調整し、先端側部材を介して砥石に加わる拡径力を略一定に維持することができる。

斯くして砥石の定速拡径制御と定圧拡径制御とを状況に応じて使い分けることができる。すなわち、加工開始時から、加工径が予め設定された径に到達するまでは、定速拡径制御を行うようにすることで、条件によらずホーニング加工を進めることができるとともに、加工径が予め設定された径に到達した後は、定圧拡径制御によって加工して、ワークの被加工穴の内周面の仕上がり品質を向上させることができる。

また、非常に簡単な構造であって、砥石と被加工穴の内周面との接触圧相当値を検出するためのセンサや高速アクチュエータ等が不要なことから、コストの大幅な上昇を招くことはない。

尚、前記ロッドの先端側及び基端側部材を繋ぐばね要素としては、例えばコイルスプリングが好適であるが、これに限らず気体ばねを用いてもよいし、さらに液圧シリンダを利用することも可能である。

また、従来一般的な定速拡径制御のみを行うためのＮＣ加工装置を利用することができる。

以上、説明したように本発明に係るホーニング加工装置によると、ホーニングツールにおいて砥石径を拡縮させるためのロッドを先端側及び基端側の２つの部材に分割し、その中間に介在させたばね要素を介して軸方向の力を伝え合う間接状態と、ばね要素を介さない直接状態とに切換え可能に構成し、ワークの被加工穴の内周面に対する加工開始時に、前記ロッドを前記直接状態とし、加工径が、予め設定された径に到達した時点で、前記ロッドを前記直接状態から前記間接状態に切り換えるようにしたから、非常に簡単な構造でコストの大幅な上昇を招くことなく、従来一般的なＮＣ加工装置を用いて、それ本来の定速拡径制御及び精度の良い定圧拡径制御を使い分けることができる。すなわち、加工開始時から、加工径が予め設定された径に到達するまでは、定速拡径制御を行うようにすることで、条件によらずホーニング加工を進めることができるとともに、加工径が予め設定された径に到達した後は、定圧拡径制御によって加工して、ワークの被加工穴の内周面の仕上がり品質を向上させることができる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。尚、以下の好ましい実施形態の説明は、本質的に例示に過ぎず、本発明、その適用物或いはその用途を制限することを意図するものではない。

図１には本発明に係るホーニング加工装置Ａの一実施形態を示し、この装置Ａは、本体軸１及びその内部に格納されたロッド２からなるホーニングツールＢと、そのロッド２を本体軸１に対して軸方向に相対移動（昇降）させる昇降装置３（移動機構）と、この昇降装置３によりロッド２を昇降させて、砥石径を拡縮させる制御装置４と、を備えている。

前記ホーニングツールＢにおいて本体軸１は、図２にも示すように、昇降装置３のハウジング３０に囲まれる部位の付近を境に上側の部分が中実に形成され、そのハウジング３０の上端付近に近接して設けられた鍔部１０の直上方の部分が、軸受５を介して支持フレーム６側に回転自在に支持されている。また、本体軸１の上端部は、図示は省略するが、それを高速回転駆動するための回転駆動モータに連結されており、この回転駆動モータ及び前記支持フレーム６は、ホーニング加工の間、本体軸１と一体に上下方向、即ち本体軸１の軸方向に往復動されるようになっている。

一方、前記本体軸１の下側の部分は下方に開口する円筒状とされていて、その内部の中空部において軸方向（上下方向）に移動可能に前記ロッド２が格納されている。本体軸１の下端には複数の貫通穴１ａ，１ａ，…が周方向に並ぶように形成され、その各々に砥石装着部材１１，１１，…が径方向に進退可能に保持されている（つまり、本体軸１の下端には筒状の砥石ホルダが一体に形成されている）。各砥石装着部材１１の外側には一体的に砥石１２が固着されており、一方、内側には、下方ほど本体軸１の中心に近付くように傾斜するテーパー面が形成されている。

それらの砥石装着部材１１，１１，…に囲まれるようにして、前記ロッド２の下端部（先端部）には、各砥石装着部材１１のテーパー面に対応するテーパー状の外周面を有する（即ち先窄まりの）押出部２１ａが形成されている。この押出部２１ａが本体軸１に対して相対的に先端側へ移動する（図では降下する）ことにより、砥石装着部材１１，１１，…が径方向外方に押し出されて、砥石径（周方向に並ぶ砥石１２，１２，…の外接円の直径）が拡大する。

一方、ロッド２の上端部（基端部）は、前記昇降装置３に連結されて昇降駆動されるようになっている。すなわち、図２に示すように、ロッド２の上端部にはこれを径方向に貫通した状態でピン７が固定されており、このピン７の両端が、本体軸１の中空部の上端付近において周壁を貫通するように形成された軸方向の長孔１ｂに挿通されて、該本体軸１の外周面から径方向外方に突出している。これらの突出端部は各々、本体軸１の外周を取り巻くように配設された円筒状の保持部材８に固定されている。

この保持部材８は、本体軸１を囲んでその軸方向に移動可能に配設された昇降装置３の円筒状ハウジング３０に収容され、その内部に組み込まれた上下一対のスラスト軸受３１，３１によってハウジング３０に対し相対回転するように保持されている。こうしてロッド２の上端部は、昇降装置３のハウジング３０に対し回転自在に連結されてこのハウジング３０と一体に、本体軸１に対して前記長孔１ｂの長さ分だけ相対的に昇降（軸方向に移動）可能になっている。

前記昇降装置３のハウジング３０には側方に延びるアーム３２が一体形成され、図１に示すように、そのアーム３２に固定されたナット３３には、上下方向に延びる送りねじ軸３４が螺合されている。詳細は図示しないが、送りねじ軸３４の上端は、前記支持フレーム６側に固定された砥石径操作モータ３５に連結されており、同モータ３５によって送りねじ軸３４が回転駆動されることで、アーム３２と一体にハウジング３０さらにはロッド２が昇降駆動されるようになっている。

ここで、本発明の特徴部分として前記図２の他、図３にも示すように、この実施形態のロッド２はその上端側の部位において、前記のようにピン７を介して昇降装置３側に連結される基端部材２０（基端側部材）と、これに対し軸方向に相対移動可能に組み合わされるロッド本体２１（先端側部材）と、に分割されている。

前記基端部材２０は、その上半部が中実に形成され、上述したように昇降装置３側に連結されるピン７が固定されている一方、下半部は下方に開口する円筒状とされていて、その内部（中空部）に前記ロッド本体２１の上端部がスライド可能に嵌挿されている。このロッド本体２１の上端部には、上下方向に長い長孔２１ｂが径方向に貫通して形成され、ここに挿入されるピン２２によって前記基端部材２０に連結されるようになっている。

すなわち、前記基端部材２０の下半の円筒状部には、中空部を囲む側壁に互いに径方向に向かい合うように一対の貫通穴２０ａ，２０ａが形成されており、それらの貫通穴２０ａ，２０ａに長孔２１ｂが重なるように、ロッド本体２１の上端部を基端部材２０の下半の中空部内に下方から挿入して、側方からピン２２を嵌め入れる。こうするとロッド本体２１の上端部は、ピン２２によって基端部材２０と一体に回転するように連結されるとともに、軸方向については長孔２１ｂの長さ分だけ相対移動可能になる。

そうして基端部材２０の中空部内に嵌挿される部位から下方に所定長さ離れて、ロッド本体２１の上側の部分には拡径部２１ｃが形成されており、その直上方に圧縮コイルばね２３が巻回されている。このコイルばね２３の上端は、基端部材２０の下端である円環状端面に当接する一方、コイルばね２３の下端は前記拡径部２１ｃの上面に当接しており、ロッド本体２１と基端部材２０との間にそれらを離遠させる向きのばね力を発生するようになっている。

そのコイルばね２３のばね力によってロッド本体２１及び基端部材２０が互いに離遠する向きに付勢されることから、図２に示すように、基端部材２０の中空部の天井面２０ｂと、そこに嵌挿されているロッド本体２１の上端面２１ｄとの間には、隙間が形成されることになる。この隙間は、ロッド本体２１及び基端部材２０の相対移動可能な距離、即ち長孔２１ｂの長さよりも小さく、ロッド本体２１及び基端部材２０が互いに近接するように相対移動すると、図４に示すように隙間がなくなって、ロッド本体２１の上端面２１ｄが基端部材２０の中空部の天井面２０ｂに当接するようになる。

そして、前記図２のようにロッド本体２１の上端面２１ｄと基端部材２０の中空部の天井面２０ｂとの間に隙間が形成されているときには、両者は直接ではなく、コイルばね２３を介して間接的に軸方向の力を伝え合うようになる。一方、図４のようにロッド本体２１の上端面２１ｄと基端部材２０の中空部の天井面２０ｂとが当接すれば、両者はコイルばね２３を介さず、直接に軸方向の力を伝え合うようになり、一体となって先端側に移動するようになる。

つまり、この実施形態のロッド２は、中間にコイルばね２３を挟んで先端側のロッド本体２１と基端部材２０とに分割され、それらがコイルばね２３を挟んで間接的に接続される間接状態と、コイルばね２３を介さず直接に接続される直接状態と、に切換えられるようになっている。尚、いずれの状態においても両者は一体に回転する。

そのようなロッド２を昇降させる昇降装置３は、図示省略の加工径検出手段により検出されるワークの被加工穴の加工径等に基づいて、制御装置４により作動される。ここで、加工径検出手段としては、前記本体軸１の下端部に組み込まれたもの（例えば本体軸１の下端部からワーク内周面にエアを噴射してその圧力を検出するもの）でもよいし、当該本体軸１とは別に設置されるものでもよく、従来からホーニング加工等において使用されている周知のものをそのまま使用することができる。

前記制御装置４による昇降装置３の制御について、より具体的には、ロッド２を昇降させて砥石径を拡縮させる際に、それを前記の間接状態及び直接状態のいずれかに切換えることで、例えば間接状態ではコイルばね２３の圧縮変形量を適切に調整して、これに対応する略一定のばね力でもってロッド本体２１により砥石を押し出させることが、つまり、砥石と被加工穴の内周面との接触圧が略一定となるようにして、砥石径を拡大させることができる。

また、前記の定圧拡径の状態からさらにロッド２の基端部材２０を押し込んで、それがコイルばね２３を介さずにロッド本体２１に当接して、一体に下降する直接状態とすれば、それらの下降速度に対応する略一定の速度でもって砥石径を拡大させることができる。よって、前記制御装置４は、昇降装置３によってロッド２の基端部材２０を軸方向に移動させて、該ロッド２を間接状態及び直接状態のいずれかに切り換える制御手段を構成している。

以下に、前記のように切換わるロッド２の状態も含めて、制御装置４による制御動作、即ちホーニング加工装置の作動の一例を具体的に説明する。まず、昇降装置３の砥石径操作モータ３５の作動により本体軸１に対しロッド２を引き上げて、砥石径を十分に小さくした状態で、ホーニングツールＢの下端部、即ちその本体軸１の下端部をワークの被加工穴の内側に挿入する。この際、ロッド２においては基端部材２０がロッド本体２１に対して引き上げられることになるから、それらがコイルばね２３を介して軸方向の力を伝え合う間接状態になる（図２を参照）。

それから回転駆動モータの作動によりホーニングツールＢ（本体軸１及びロッド２）を高速で回転させるとともに、予め設定された初期拡径速度にて砥石径が拡大するように、前記昇降装置３の作動により本体軸１に対してロッド２を下降させる。すなわち、制御装置４からの信号に応じて砥石径操作モータ３５が作動し、送りねじ軸３４を回転駆動することで、アーム３２、ハウジング３０及びロッド２が一体に下降し、そのロッド２の下端の押出部２１ａが砥石装着部材１１，１１，…を径方向外方に押し出して、砥石径を拡大させる。

そうして拡径された砥石１２，１２，…の各々がワークの被加工穴の内周面に接触し始めると、それらの接触圧が上昇して、砥石装着部材１１，１１，…を押し出すロッド本体２１には下端の押出部２１ａから上方への反力が作用する。これによりコイルばね２３が圧縮されて、そのばね力によりロッド本体２１を下方に押し返すようになるが、さらに基端部材２０が下降すると、それは、図４のようにコイルばね２３を介さずに、ロッド本体２１に接続された直接状態になる。

この直接状態では、基端部材２０がロッド本体２１と一体になって下降するようになるから、従来一般的なロッドを用いた場合と同じく、昇降装置３によるロッド２の下降速度に応じて砥石径が拡大するようになる。そこで、予め加工を進めるために設定した略一定の速度で昇降装置３を作動させて、これによりロッド２を略一定の速度で下降させ、これに対応する略一定の速度で砥石径を拡大させる（定速拡径）。

そうして砥石の定速拡径制御によって加工、即ちワークの被加工穴の内周面の除去が進むことになるが、制御装置４は加工径検出手段により検出される加工径（加工されているワーク内周面の直径）を監視しており、この加工径が予め設定された径に到達した時点で一旦、昇降装置３を停止させて、砥石径の拡大を中断する。続いて、昇降装置３の作動によりロッド２の基端部材２０を本体軸１に対して所定量、上昇させると、図２のように、基端部材２０の中空部の天井面２０ｂとロッド本体２１の上端面２１ｄとが離間して、両者がコイルばね２３を介して軸方向の力を伝え合う間接状態になる。

この間接状態では、コイルばね２３の圧縮量に対応するばね力がロッド本体２１に下向きに作用し、これに対応する押圧力がロッド本体２１の下端の押出部２１ａから砥石１２，１２，…に径方向外方に作用することになるから、それら砥石１２，１２，…とワークの被加工穴の内周面との接触圧を略一定に維持することができ、当該被加工穴の内周面の仕上がり品質を十分に高めることができる。

したがって、この実施形態に係るホーニング加工装置Ａによると、前記したようにロッド２を直接状態として、その基端部材２０及びロッド本体２１を一体に下降させるようにすれば、それらの下降速度を昇降装置３により略一定に制御することで、砥石の定速拡径制御を行って、条件によらずホーニング加工を進めることができる。

一方、ロッド２を間接状態とすれば、基端部材２０の下降位置によってコイルばね２３の圧縮変形量、即ちそのばね力を適切に調整して、ロッド本体２１を介して砥石に加わる拡径力を略一定に維持することができ、砥石との接触状態に応じてワークの被加工穴の内周面が研磨されるようになるから、その仕上がり品質が従来よりも高くなる。

しかも、砥石と被加工穴の内周面との接触圧相当値を検出するためのセンサや高速アクチュエータ等は不要であり、ロッド２の本体２１と基端部材２０との間にコイルばね２３を介在させるという非常に簡単な構造であるから、装置コストの大幅な上昇を招くこともない。

尚、本発明に係るホーニング加工装置の構成は、前記実施形態のものに限定されず、それ以外の種々の構成をも包含する。すなわち、前記実施形態のホーニングツールＢでは、ロッド２をその基端側の部位にてロッド本体２１と基端部２０とに分割しているが、これに限らずロッド２をその軸方向の略中央部或いは先端側の部位にて分割してもよい。

また、そうして分割した２つの部材の連結方法は前記実施形態のものに限定されず、例えばロッド本体２１の基端側に中空部を設けて、そこに基端部材２０の先端側を嵌装する等、種々の構造が可能である。また、両部材間に介在させるのはコイルばね２３でなくてもよく、例えば気体ばねでもよいし、液圧シリンダを利用することも可能である。

以上説明したように、本発明のホーニング加工装置は、簡単な構造でありながら、砥石の定速拡径と定圧拡径とを加工状況に応じて使い分けることができ、有用である。

本発明の実施形態に係るホーニング加工装置及びホーニングツールの部分断面図である。ホーニングツールの要部を示す部分断面図である。ロッドの分解斜視図である。ロッドが直接状態にあるのときの図２相当図である。

Ａホーニング加工装置
Ｂホーニングツール
１本体軸（ホルダ）
２ロッド
２０基端部材（基端側部材）
２１ロッド本体（先端側部材）
２１ａ押出部（テーパ状先端部）
２３コイルばね（ばね要素）
３昇降装置（移動機構）
４制御装置（制御手段）
１１砥石装着部材
１２砥石

Claims

複数の砥石が周方向に並んだホーニングツールの外周を、ワークの被加工穴の内周面に接触させて回転させるとともに、その回転軸心の方向に往復移動させるようにしたホーニング加工装置であって、
前記ホーニングツールは、前記複数の砥石を各々径方向に進退可能に保持する筒状のホルダと、このホルダ内に挿入したテーパ状の先端部が軸方向に相対移動することで、前記複数の砥石を各々径方向に進退させるロッドと、を備えており、
前記ロッドは、中間にばね要素を挟んで先端側及び基端側の２つの部材に分割され、この両部材同士が前記ばね要素を介して軸方向の力を伝え合うように接続される間接状態と、当該両部材同士が前記ばね要素を介さず一体的に軸方向に移動するように接続される直接状態と、に切換え可能に構成されており、
前記ロッドの基端側部材を軸方向に移動させる移動機構と、
前記ロッドを前記間接状態から前記直接状態に切り換えるときには、前記基端側部材が先端側に移動して前記先端側部材に当接するように前記移動機構を作動させる一方、前記ロッドを前記直接状態から前記間接状態に切り換えるときには、前記基端側部材が基端側に移動して前記先端側部材から離れるように前記移動機構を作動させる制御手段と、
前記ワークの被加工穴の加工径を検出する加工径検出手段と、
を更に備え、
前記制御手段は、前記ワークの被加工穴の内周面に対する加工開始時に、前記ロッドを前記直接状態とし、前記加工径検出手段により検出される加工径が、予め設定された径に到達した時点で、前記ロッドを前記直接状態から前記間接状態に切り換えるように構成されている
ことを特徴とするホーニング加工装置。