JP5039038B2 - 任意に自由に形作られた三次元表面冷間微細鍛造技術の方法及び装置 - Google Patents

Description

本発明は、工具や機械部品その他部品の表面の平滑化や加工硬化を目的として、工作機械やロボットに装備する前記部品の表面に対し、打撃ヘッドで打撃する方法による電気機械的打撃装置及び打撃方法に関する。

そのような装置の１つはドイツ公開特許公報１９７ ３２ ７９０．７−１４号に開示されている。この装置では、回転しない、反対方向に波状に形成された第２円板の上に、円周方向に波状に形成された円板の回転により一定振幅で軸方向にスライダーが動く。製作品表面を打撃する球状のヘッドは、スライダーの製作品端部に位置している。

この装置は実際には、重大な欠点を幾つか持つ。この打撃運動は、機械的に連動する方式で行われる。その結果、この装置においては、カム円盤若しくは波状円盤に大きな摩耗が生ずる。加工対象物表面を、その表面の位置や形や剛さ、又は硬さに関係なく一定強度で打撃ヘッドが打撃する。このため、本装置の使用は少ない場合に限定されてしまう。

ドイツ公開特許公報 １０２ ４３ ４１５ Ａ１号に類似の装置が記載されていて、その装置では、超音波を機械的な運動に変換させることによって、打撃ヘッドの運動が行われる。しかしながら、この公開公報では、打撃ヘッドにおける超音波が、どの様にして打撃ヘッドの運動になるのかについては開示されていないし、また打撃の強度については何一つ語られていない。

それに対し、本発明で扱う課題は、打撃周波数や打撃強度を調整すること、加工対象物の局所形状や厚さに対応させて打撃ヘッドの静止位置や打撃周波数を調整すること、によって、摩耗や摩損やエネルギー消費を最小にして、加工対象物の表面を、平滑且つ硬くすることである。

この課題は、本発明による請求項１に主張された特徴により解決される。

従属請求項は、本発明の有利な更なる応用を示している。

本発明の表面加工装置においては、調整可能に静止位置が定められ、材料や形状に応じて打撃周波数と打撃強度が電気的に制御できる打撃ヘッドが磁気を用いて吊り下げられた構造をもつ。このため、この発明においては、最適な打撃周波数、打撃強度、静止位置が、短時間かつ少ないエネルギー消費で、加工対象物の表面の各々の位置に対して決定される。

最も簡単な具体例の場合、本発明による装置は、通常、球状で非常に硬い材料から成る打撃ヘッドを持つ。その打撃ヘッドは支持棒に交換可能な様に配置されている。打撃ヘッドは、もう一方に対し、例えば、表面の構造を作るための刻印のような形状のヘッドに交換できる。

打撃ヘッド支持棒の少なくとも一部は磁力によって吸引される性質をもち、図１のＢ１ａに示されるような、打撃ヘッド支持棒の軸方向（図１の上下方向）を中心とした軸対称の形状の磁場（第１の磁場）中において、通常はこの支持棒は静止位置に設定される。打撃ヘッド支持棒は、ラジアル軸受、磁気軸受等の軸受（ハウジング）によって、その静止位置から軸方向に移動できるように、側面から保持される。この第１の磁場は、打撃ヘッド支持棒における磁力によって吸引される部分を囲むリング状の永久磁石や、制御された電流が流され打撃ヘッド支持棒を中心軸とする円筒形状のコイルによって形成される。後者の場合には、磁場の強度や打撃ヘッドの静止位置に応じて、各々に電流が流される複数のコイルが直列、並列、若しくは互いに逆向きの磁場を発生するように切り替えられる構成とすることができる。

図２に示されるように、内部磁場Ｂ１ｂ、外部磁場Ｂ２の２つの磁場を用いる構成とすることもできる。Ｂ１ｂは前記の第１の磁場Ｂ１ａと同様であり、この場合には、Ｂ１ｂの外側に第２の磁場Ｂ２が形成される。これらの磁場を形成するコイルには直流成分をもつ電流、あるいはパルス状の電流を流すことができる。このコイルは軸受（ハウジング）側に固定され、打撃ヘッドの支持棒と同軸に配置される。一方、打撃ヘッド支持棒に固定された励磁コイル４ｂ、４ｃに電流を流すことにより、打撃のための縦方向の振動や静止位置を調整することができる。これにより、打撃周波数、打撃強度、静止位置を、加工対象物の形状や機械的性質に適合させることができる。

本発明のもう１つの有利な形態として、リング状の永久磁石の代わりに、打撃ヘッド支持棒において磁力で吸引される部分の周りの円周上に、互いに並列に配置された多数の小さな円筒形状の永久磁石（図２においてＮ、Ｓで示される）を設けることができる。同様に、この小さな永久磁石を直流電流が流れるコイルに置換することもできる。このような永久磁石、若しくはコイルの配置によって発生する磁場として、内部磁場（図２におけるＢ１ｂ）と外部磁場（図２におけるＢ２）の２つを考えることができる。このうち、内部磁場は、打撃ヘッド支持棒をある決まった位置に設定する。この場合、図１のように第１のコイル３ａは第１の磁場Ｂ１ａを構成する閉曲線の内側に設置される。あるいは、図２における第１のコイル３ｂのように内部磁場Ｂ１ｂを構成する閉曲線の内側と、第２のコイル３ｃのように外部磁場Ｂ２を構成する閉曲線の内側の２つのコイルが用いられる。後者の場合には、２つのコイルの巻き方向は逆となる。

この表面加工装置あるいは表面加工方法によって、加工対象物の表面を部分的に加工し、打撃し、平滑化し、また加工硬化させることができる。打撃するための振動運動における静止位置と加工対象物表面との距離は電気的に制御するプログラムによって制御されるため、効率が最適化され、電力消費を小さくすることができる。例えば、加工対象物の端部において、その形状とデザインを維持し、かつ開口サイズを小さくしないようにした状態で、高い打撃周波数と小さな打撃強度で加工される。

本発明においては、この電子機械的な装置と、特別に発展した解析的ＣＡＭシステムとを結びつけることもできる。

市販されている一般的なＣＡＭシステムにおいては、いわゆる「オフセット法」と呼ばれる方法が用いられ、この方法では、加工対象物の表面に平行に工具が動かされ、加工が行われる。これに対して、本発明の方法においては、解析的ＣＡＭシステムによって加工が行われる。この解析的ＣＡＭシステムにおいては、まず所望の３次元形状の解析を形状データを用いて行うことによって平面の最小曲率半径が決定され、これが工具（打撃ヘッド）の曲率半径とされる。このように打撃ヘッドの曲率半径が決定された後に、本発明のＣＡＭシステムにおいては、所望の形状の表面上を同じ半径の球が移動させる際のこの球の中心の位置がなす形状を打撃ヘッドの中心がなす加工後の３次元形状となるように、球形加工された打撃ヘッドの中心の軌跡が算出される。打撃ヘッド中心の軌跡が、加工時の打撃の際に発生する溝やふくらみが最小となるように決定され、この加工後の３次元形状は、解析、算出される。すなわち、加工前の加工対象物の表面形状と加工後の加工対象物の表面形状を元にして、打撃ヘッドの静止位置や打撃強度を設定することができる。

このため、この解析的ＣＡＭシステムにおいては、打撃ヘッドが加工対象品の表面と接触する位置を時刻毎に認識することができ、この位置に対応した動作をすることができる。略平坦な形状と、湾曲した形状、孔部の角部、溝、加工対象物の端部等とを異なる打撃ヘッドで加工することも可能である。

本発明の表面加工装置を上記の解析的ＣＡＭシステムと電気的に組み合わせることによって、機械的な表面形状の計測やレーザーを用いた非接触の表面形状計測を加工中に用いるか否かに関わらず、制御工学で必要とされるような知能的かつ自動的な加工方法、打撃方法が行われる。寸法や許容誤差は、部分的な表面粗さや材料の強度も考慮されてプログラムに取り入れられ、上記のシステムによって自動的に制御される。

このシステムにおいては、加工対象物の端部や、薄い肉厚の箇所等、加工に注意を要する部分が認識され、細心の注意を払って加工を行うことができる。

このシステムにおいては、打撃ツールと加工対象物との接点が時々刻々認識されるため、打撃装置における長軸を常に加工対象物の表面に垂直にすることもできる。これにより、最適な条件で打撃を行うことができ、良好な結果が得られる。

添付図は下記を示す；
ハウジング側に固定されて取り付けられ第１の磁場を発生する第１のコイルと、これに対応して第１の励磁コイルが固定された打撃ヘッド支持棒を持つ本発明による装置の断面図。 内部磁場を発生させる磁石と外部磁場を発生させる磁石（あるいは２つのコイル）と、２つの励磁コイルが固定された打撃ヘッドを持つ本発明による装置の断面図。

同一部分は、同一の数字若しくは文字で記してある。異なる添え字は同じ部品の異なる部位、又は異なる物、又は種々の装置部分を示す。

図１において、打撃ヘッド（１ａ）は、磁力によって吸引されない軽い材料で構成された打撃ヘッド支持棒（１ｂ）の端部に取替え可能に固定されている。打撃ヘッド支持棒（１ｂ）は、図１中の縦軸（Ａ）の方向にのみ動けるように、図１中の上下２箇所のハウジング（２）で支持されている。ハウジング（２）はフライス機械やロボットやヘキサポッド６軸システムの様な機械工具に対応する受け部に固定されている。打撃ヘッド支持棒（１ｂ）は、ケーブルや測定用探針又は光束が、その中空部の中心を通れるように、全長にわたり中空とされていてもよい。カラー（１ｃ）は、打撃ヘッド支持棒（１ｂ）の一部において同軸に固定されている。カラー（１ｃ）は磁石によって吸引される材料で構成されるため、第１の磁場（Ｂ１ａ）中において、第１の磁場（Ｂ１ａ）によって決まる静止位置に保たれる。

電流（Ｉ１ａ）が流される第１のコイル（３ａ）は、２つのハウジング（２）の間においてハウジング（２）側に固定され、打撃ヘッド支持棒（１ｂ）側には固定されない。また、第１のコイル（３ａ）は、カラー（１ｃ）の周りに第１の磁場（Ｂ１ａ）を作るように打撃ヘッド支持棒（１ｂ）と同軸に配置される。打撃ヘッドを一定位置に保つ力や打撃ヘッドの静止位置を変化させるために、必要に応じて並列、又は直列、若しくは両者の混合状態の複数の小さなコイルがスイッチング制御されるように第１のコイル（３ａ）を形成してもよい。また、手動式、電動式、電磁式に打撃ヘッドの静止位置が変えられるように、軸方向に第１のコイル（３ａ）の設置位置が変えられるよう機械的に設計しても良い。

打撃ヘッド支持棒（１ｂ）には、その巻き方向が第１の磁場（Ｂ１ａ）に垂直な方向である第１の励磁コイル（４ａ）が固定されている。電流（直流電流成分をもってももたなくともよく、パルス状であってもよい交流電流：Ｉ２ａ）が、制御された周波数と振幅で第１の励磁コイル（４ａ）中を流れる。これにより、打撃ヘッドは交流電流に対応した周波数と振幅で上下運動を行う。打撃周波数は、交流周波数やパルス周波数によって決まり、打撃力は交流電流の振幅、パルス振幅やパルス幅等によって設定することができる。この場合には、打撃ヘッド支持棒（１ｂ）の静止位置と振動運動は、共に第１の磁場（Ｂ１ａ）を用いて行われる。

図２においては、装置の機械的構造は実質的に図１のものと似ているが、第１の磁場（Ｂ１ｂ）が、リングの中心軸方向に磁力を帯びた１つの永久磁石リング（図２においてＮ、Ｓで示される）により発生する。この永久磁石リングはハウジング（２）側に固定されている。また、カラー（１ｃ）の周りに同軸に配置した単コイル（３ｂ（内側のコイル：第１のコイル）、３ｃ（外側のコイル：第２のコイル））や、より小さな多数の円筒状永久磁石を配列して用いてもよい。このような磁石やコイルの配置によって、２つの磁場Ｂ１ｂ、Ｂ２が発生する。カラー（１ｃ）と内部磁場（Ｂ１ｂ）との間の吸引力によって、打撃ヘッドの静止位置が設定される。一方、打撃ヘッド支持棒（１ｂ）に固定され交流電流又はパルス電流(Ｉ２ｂ)が流される第１の励磁コイル（４ｂ）は、外部磁場（Ｂ２）中に位置し、外部磁場（Ｂ２）との間に力が働くため、打撃ヘッドの上下運動を起こさせる。すなわち、図２の構成においては、打撃ヘッド支持棒（１ｂ）の静止位置は内部磁場（Ｂ１ｂ）を用いて設定され、打撃ヘッド支持棒（１ｂ）の振動運動は、内部磁場（Ｂ１ｂ）と外部磁場（Ｂ２）の両方を用いて行われる。

図２のように内部磁場（Ｂ１ｂ）と外部磁場（Ｂ２）を用いる構成においては、打撃ヘッド支持棒（１ｂ）の外側かつ第１のコイル（３ｂ）の内側における内部磁場（Ｂ１ｂ）下において、第２の励磁コイル（４ｃ）を打撃ヘッド支持棒（１ｂ）に、更に固定することができる。第２の励磁コイル（４ｃ）に流れる電流（Ｉ２ｃ）と第１の励磁コイル（４ｂ）に流れる電流（Ｉ２ｂ）は逆方向とされる。

詳細な説明、図、及び特許請求の範囲において開示された特徴は、共に独立に、そしてそれらのいかなる組合せにおいても本発明を実現するための題材になり得る。開示された特徴の全てが本発明に関連している。

Claims (8)

1. 加工対象物の表面を打撃ヘッドによって打撃することによって前記加工対象物の加工を電気機械的に行う表面加工装置であって、
   磁力で吸引されない材料で構成され、前記打撃ヘッドが一端部に固定された打撃ヘッド支持棒と、
   前記打撃ヘッド支持棒を軸方向に移動可能な状態で支持するハウジングと、
   磁力によって吸引される材料で構成され、前記打撃ヘッド支持棒の一部に固定して設けられたカラーと、
   前記軸方向から見て前記打撃ヘッド支持棒の外側において前記ハウジングに固定されて設置され、前記打撃ヘッド支持棒の軸方向を中心とした軸対称の第１の磁場を発生させ前記カラーを磁力によって静止位置に設定する第１の磁石と、
   前記軸方向から見て前記第１の磁石の外側において前記軸方向を巻回して前記打撃ヘッド支持棒に固定されて設けられ、交流電流又はパルス電流が流されることによって前記第１の磁場中で振動運動をして前記打撃ヘッド支持棒を振動させる第１の励磁コイルと、
   を具備することを特徴とする表面加工装置。
2. 前記第１の磁石は、前記打撃ヘッド支持棒の軸方向を巻回する第１のコイルで構成されることを特徴とする請求項１に記載の表面加工装置。
3. 前記第１のコイルは、スイッチング制御される複数のコイルで形成され、
   当該スイッチング制御によって前記静止位置が設定されることを特徴とする請求項２に記載の表面加工装置。
4. 前記軸方向から見て前記第１のコイルの外側において前記軸方向を巻回するように前記ハウジングに固定されて設けられ、かつ電流が流れる方向が前記第１のコイルと逆方向とされた第２のコイルを具備し、
   前記第１の励磁コイルは、前記第２のコイルの外側に設けられたことを特徴とする請求項２又は３に記載の表面加工装置。
5. 前記第１の磁石は、前記打撃ヘッド支持棒の軸方向を中心軸としたリング状に構成された永久磁石であることを特徴とする請求項１に記載の表面加工装置。
6. 前記軸方向から見て前記打撃ヘッド支持棒の外側かつ前記第１の磁石の内側において前記軸方向を巻回するように前記打撃ヘッド支持棒に固定されて設けられ、前記第１の励磁コイルと逆向きに交流電流又はパルス電流が流される第２の励磁コイル
   を具備することを特徴とする請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載の表面加工装置。
7. 請求項１から請求項６までのいずれか１項に記載の表面加工装置を使用する表面加工方法であって、
   前記交流電流における振幅、又は、前記パルス電流におけるパルス振幅又はパルス幅、を調整することによって前記打撃ヘッドが前記加工対象物の表面を打撃する打撃強度を調整して前記打撃ヘッドによる打撃を行うことを特徴とする表面加工方法。
8. 前記打撃ヘッドを前記加工対象物の表面に沿って移動させ、
   加工前の前記加工対象物の表面形状と加工後の前記加工対象物の表面形状を元にして、前記静止位置及び前記打撃強度を設定して前記打撃ヘッドによる打撃を行うことを特徴とする請求項７に記載の表面加工方法。