JP5350104B2 - Internal diameter machining method and apparatus for workpiece - Google Patents
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Description
本発明は、圧電素子等を利用してワークに形成された穴を内径加工するワークの内径加工方法及び装置に関する。 The present invention relates to an inner diameter machining method and apparatus for machining an inner diameter of a hole formed in a workpiece using a piezoelectric element or the like.
圧電素子を利用したワークの加工方法として、ピエゾ素子の伸縮を利用して固定ドラムの半径方向にバイトを進退させることにより、該固定ドラムの外周面に磁気テープを走行させるためのテープ走行面を加工する方法が開示されている。この文献には、前記バイトと並列して配置された前記ピエゾ素子が該バイトよりも前記固定ドラム側に突出していることも記載されている。 As a work processing method using a piezoelectric element, a tape running surface for running a magnetic tape on the outer peripheral surface of the fixed drum by moving a bite in the radial direction of the fixed drum using expansion and contraction of a piezoelectric element. A method of processing is disclosed. This document also describes that the piezo element arranged in parallel with the cutting tool protrudes toward the fixed drum from the cutting tool.
特許文献1の方法を用いてワークに形成された穴を内径加工する場合、ピエゾ素子がバイトよりも突出しているので、該ピエゾ素子が前記穴の内面に当たり内径加工をすることができないことがある。この不具合を解消するために、前記バイトを前記穴の内部に、前記ピエゾ素子を前記穴の外側にそれぞれ配置することも考えられるが、この場合、前記穴の形状(穴の深さ)に応じて前記ピエゾ素子と前記バイトの間隔を調整する必要があり、装置が複雑化する。
When machining the hole formed in the workpiece using the method of
なお、特許文献1は、磁気テープをテープ走行面に確実に走行させるために、固定ドラムのテープ走行面ではない部位の外周面を基準に加工する必要がある。そのため、予め固定ドラムの外面形状を精度の高い真円形状に加工しなければならない。このような加工方法を用いてワークに形成された穴を内径加工する場合、予め前記穴の内径形状を精度の高い真円形状に加工する必要があるので内径加工の前段階の工程(ワークに穴を形成するボーリング工程)においてサイクルタイムが増加するという問題もある。
In
そこで、本発明は、簡易な構成で高精度な内径加工を可能とするワークの内径加工方法及び装置を提供することを目的とする。 Therefore, an object of the present invention is to provide a workpiece inner diameter machining method and apparatus that enable highly accurate inner diameter machining with a simple configuration.
本発明に係るワークの内径加工方法は、ワークに形成された穴を内径加工するワークの内径加工方法であって、刃具が圧電素子又は超磁歪材料と前記ワークとの間に配置され、回転手段にて前記ワークを回転させた状態で、前記刃具を前記圧電素子又は前記超磁歪材料にて前記穴の半径方向に進退させつつ、該穴の深さ方向に相対移動させることにより、該穴を内径加工する加工ステップと、既に内径加工されたワークモデルの内径形状データを測定する測定ステップと、を備え、前記測定ステップにて測定された内径形状データに基づき周波数解析を行って前記ワークモデルの変形を再現し、再現した前記ワークモデルの形状に基づいて前記刃具が進退されるように前記圧電素子に印加される電圧又は前記超磁歪材料に印加される磁場を制御部にて制御することを特徴とする。
A workpiece inner diameter machining method according to the present invention is a workpiece inner diameter machining method for machining a hole formed in a workpiece with an inner diameter, wherein a cutting tool is disposed between a piezoelectric element or a giant magnetostrictive material and the workpiece, and a rotating means. the workpiece while rotating and while advancing and retracting the cutting tool in the radial direction of the hole in the piezoelectric element or the giant magnetostrictive material, by relatively moving in the depth direction of the hole in the bore A machining step for machining an inner diameter , and a measurement step for measuring inner diameter shape data of a workpiece model that has already been machined, and performing frequency analysis based on the inner diameter shape data measured in the measurement step to The deformation is reproduced, and the voltage applied to the piezoelectric element or the magnetic field applied to the giant magnetostrictive material is controlled so that the cutting tool moves forward and backward based on the reproduced shape of the work model. It characterized that you control at part.
本発明に係るワークの内径加工方法によれば、刃具をワークと圧電素子又は超磁歪材料(以下、圧電素子等と称することがある。)との間に配置しているので、圧電素子等が前記穴の内径面に当たることがない。従って、穴の形状に応じて刃具と圧電素子等の位置を調整する必要がない。また、刃具を進退させる手段として圧電素子等の伸縮を利用しているので、刃具を進退させる手段としてカム機構等を利用した場合と比較して刃具の進退動作の応答性が良くなる。よって、簡易な構成で高精度な内径加工を可能とすることができる。
According to the inner diameter machining method for a workpiece according to the present invention , the cutting tool is disposed between the workpiece and a piezoelectric element or a giant magnetostrictive material (hereinafter sometimes referred to as a piezoelectric element or the like). There is no contact with the inner diameter surface of the hole. Therefore, it is not necessary to adjust the positions of the cutting tool and the piezoelectric element according to the shape of the hole. Further, since the expansion / contraction of the piezoelectric element or the like is used as means for moving the blade forward / backward, the responsiveness of the forward / backward movement of the blade is improved as compared with the case where a cam mechanism or the like is used as the means for moving the blade forward / backward. Therefore, it is possible to perform highly accurate inner diameter processing with a simple configuration.
また、測定ステップにて測定されたワークモデルの内径形状に基づいてワークに形成された穴の内径加工を行うので、前記穴の中心を通る前記ワークの回転軸線を基準として刃具の進退量を設定することができる。これにより、前記ワークの内径面を基準として前記刃具の進退量を設定する必要がないので、内径加工工程よりも前工程である前記ワークに穴を形成するボーリング工程において、該穴の内面形状を精度の高い真円形状にしなくても、前記ワークに形成された穴を前記ワークモデルの内径形状に内径加工することができる。よって、ボーリング工程のサイクルタイムが増加することを抑えることができる。
Also , since the inner diameter of the hole formed in the workpiece is processed based on the inner diameter shape of the workpiece model measured in the measurement step, the amount of advancement / retraction of the cutting tool is set based on the rotation axis of the workpiece passing through the center of the hole can do. Thereby, since it is not necessary to set the advance / retreat amount of the cutting tool with reference to the inner diameter surface of the workpiece, in the boring step of forming a hole in the workpiece, which is a process prior to the inner diameter machining step, the inner shape of the hole is changed. The hole formed in the workpiece can be machined into the inner diameter shape of the workpiece model without using a precise circular shape. Therefore, an increase in the cycle time of the boring process can be suppressed.
本発明は、前記ワークがシリンダブロックであってもよい。
In the present invention , the workpiece may be a cylinder block .
通常、シリンダブロックのボアは、シリンダヘッドを組み付けた状態で断面真円形状となるように加工されている。 Normally, the bore of the cylinder block is processed so as to have a perfect circular cross section in a state where the cylinder head is assembled.
この場合、予め製品のシリンダヘッドを模したダミーヘッドをシリンダブロックに取り付けた状態で断面真円形状となるようにボアを加工し、その後、前記ダミーヘッドを前記シリンダブロックから取り外して応力が除去された状態のボアをワークモデルとしてその内面形状が測定される。この時、前記ボアは断面非真円形状となっている。そして、新しいシリンダブロックのボアを加工する際に、予めボーリング工程においてシリンダブロックに穴を形成しておき、その形成された穴を前記ボアの内面形状に基づいて内径加工するので、シリンダブロックへのダミーヘッドの取り付け取り外し作業をする必要がなくなる。これにより、シリンダブロックのボア加工のサイクルタイムを短縮することができる。
In this case , the bore is processed in advance so that the dummy head imitating the cylinder head of the product is attached to the cylinder block so as to have a perfect circular cross section, and then the dummy head is removed from the cylinder block to remove the stress. The inner shape of the bore is measured using the bore as a workpiece model. At this time, the bore has a non-circular cross section. And when machining the bore of a new cylinder block, holes are formed in the cylinder block in advance in the boring process, and the formed holes are bored on the basis of the inner surface shape of the bore. Eliminates the need to install and remove dummy heads. Thereby, the cycle time of the bore machining of the cylinder block can be shortened.
本発明に係るワークの内径加工装置は、ワークに形成された穴を内径加工するワークの内径加工装置であって、回転手段にて前記ワークを回転させた状態で前記穴の内径面と接触可能に設けられた刃具と、前記ワークに対して前記刃具を前記穴の深さ方向に相対移動させる移動手段と、前記刃具を前記穴の半径方向に進退させる圧電素子又は超磁歪材料と、既に内径加工されたワークモデルの内径形状データに基づいて周波数解析を行って前記ワークモデルの変形を再現し、再現した前記ワークモデルの形状に基づいて前記刃具が進退されるように前記圧電素子に印加される電圧又は前記超磁歪材料に印加される磁場を制御する制御部と、を備え、前記刃具が、前記圧電素子又は前記超磁歪材料と前記ワークとの間に配置されていることを特徴とする。
An inner diameter machining apparatus for a workpiece according to the present invention is an inner diameter machining apparatus for machining a hole formed in a workpiece, and can be brought into contact with the inner diameter surface of the hole while the workpiece is rotated by a rotating means. A moving tool for moving the cutting tool relative to the workpiece in the depth direction of the hole, a piezoelectric element or a giant magnetostrictive material for moving the cutting tool back and forth in the radial direction of the hole, and an inner diameter. A frequency analysis is performed based on the inner diameter shape data of the machined workpiece model to reproduce the deformation of the workpiece model, and the cutting tool is applied to the piezoelectric element so that the cutting tool is advanced and retracted based on the reproduced shape of the workpiece model. and a control unit for controlling the voltage or the magnetic field applied to the giant magnetostrictive material that, a, especially that the cutting tool is, the piezoelectric element or the is disposed between the super magnetostrictive material and the workpiece To.
また、上記の内径加工装置において、前記刃具を保持するホルダーと、前記ホルダーが設けられるヘッド部と、前記ヘッド部に形成された室に配設されて前記ホルダーを前記穴の半径方向外側に押圧する前記圧電素子又は前記超磁歪材料を有するアクチュエータと、前記ヘッド部に設けられて前記ホルダーを前記アクチュエータ側に付勢する付勢部材と、を備え、前記ホルダーには、前記室と外部とを連通する貫通孔が形成されていてもよい。
Further, in the above-described inner diameter processing apparatus, the holder is disposed in a holder for holding the cutting tool, a head portion provided with the holder, and a chamber formed in the head portion, and presses the holder outward in the radial direction of the hole. An actuator having the piezoelectric element or the giant magnetostrictive material, and a biasing member that is provided on the head portion and biases the holder toward the actuator. The holder includes the chamber and the outside. A communicating through hole may be formed.
さらに、上記の内径加工装置において、前記アクチュエータには、前記ホルダーのうち前記貫通孔の開口部に接触する湾曲面が形成されていてもよい。
Furthermore, in the above inner diameter processing apparatus, the actuator may be formed with a curved surface that contacts the opening of the through hole in the holder.
この発明によれば、刃具をワークと圧電素子又は超磁歪材料との間に配置しているので、圧電素子等が前記穴の内径面に当たることがなく、穴の形状に応じて刃具と圧電素子等の位置を調整する必要がない。よって、簡易な構成で高精度な内径加工を可能とすることができる。 According to this invention, since the cutting tool is disposed between the workpiece and the piezoelectric element or the giant magnetostrictive material, the piezoelectric element or the like does not hit the inner diameter surface of the hole, and the cutting tool and the piezoelectric element according to the shape of the hole. It is not necessary to adjust the position of the etc. Therefore, it is possible to perform highly accurate inner diameter processing with a simple configuration.
以下、本発明に係る実施形態例について図1〜図13を参照しながら説明する。 Embodiments according to the present invention will be described below with reference to FIGS.
先ず、本実施形態に係る内径加工装置は、ワークに形成された穴を内径加工するための装置であり、例えば、直列4気筒エンジンのシリンダブロックのボアを形成するために用いられる。但し、本実施形態に係る内径加工装置は、単気筒エンジンのシリンダブロックのボアを形成するために用いてもよい。 First, the inner diameter machining apparatus according to the present embodiment is an apparatus for machining an inner diameter of a hole formed in a workpiece, and is used, for example, to form a bore of a cylinder block of an in-line four-cylinder engine. However, the inner diameter processing apparatus according to this embodiment may be used to form a bore of a cylinder block of a single cylinder engine.
そして、内径加工装置10は、ワークとしてのシリンダブロック200を回転させる回転手段としての回転駆動機構300と、内面形状測定器400と、上位コンピュータ402と協働して用いられる。
The inner
回転駆動機構300には、回転台302と、回転台302に設けられてシリンダブロック200を保持するチャック304と、回転台302を回転駆動する第1モータ306と、回転台302の回転速度及び回転角を検出する第1ロータリエンコーダ308とが設けられている。第1ロータリエンコーダ308は、第1モータ306に流れるアナログ電流を検出し、検出されたアナログ電流をアナログ電圧に変換し、変換されたアナログ電圧をデジタル電圧に変換し、そのデジタル電圧を出力する。
The
シリンダブロック200は、チャック304に保持される前に、ボーリング工程において内径加工を行うための穴202が直列に4つ形成される(図1では1つの穴のみ示している。)。また、シリンダブロック200は、内径加工を行う穴202の中心が回転台302の回転軸線A上に位置するようにチャック304に保持される。
Before the
内面形状測定器400は、ワークモデルの内面形状を測定する。ワークモデルとしては、図5Bに示すシリンダブロック204のボア206が用いられる。図5Bに示すシリンダブロック204のボア206は以下に示す手順で形成される。先ず、図5Aに示すように、内径加工を行うシリンダブロック200と同じ型のシリンダブロック(以下モデルブロックと称することがある。)204にダミーヘッド208を取り付ける。次に、ダミーヘッド208が取り付けられたモデルブロック204に断面真円形状のボア206を加工(ボーリング加工及び内径加工)する。その後、ダミーヘッド208を取り外すことにより、モデルブロック204のボア206が形成される。また、内面形状測定器400は、測定したワークモデルの内面形状データを上位コンピュータ402に出力する。
The inner surface
図1に示すように、内径加工装置10は、移動手段としての移動機構12と、装置本体14と、制御部16とを備えている。
As shown in FIG. 1, the inner
移動機構12は、装置本体14をシリンダブロック200の穴の深さ方向(図1のX方向)に移動させるためのものであり、送りねじ機構として構成されている。また、移動機構12には、一方向に延びて外周にねじが形成されている軸部18と、軸部18に螺合するナット部20と、軸部18の端部に設けられて軸部18を回転させる第2モータ22と、軸部18の回転速度及び回転角を検出する第2ロータリエンコーダ24とが設けられている。第2ロータリエンコーダ24は、第1ロータリエンコーダ308と同様に、第2モータ22に流れるアナログ電流をデジタル電圧に変換し、そのデジタル電圧を出力する。
The moving
装置本体14には、ナット部20が接続される支持部26と、支持部26に設けられて軸部18の軸線方向に延びるホルダー部28と、シリンダブロック200の穴202に挿入される加工ヘッド30とが設けられている。
In the apparatus
図2及び図3に示すように、加工ヘッド30には、ホルダー部28の端部に接続されたヘッド部32と、シリンダブロック200の穴202の内径面に接触する刃具としての加工チップ34と、加工チップ34を保持するチップホルダ36と、チップホルダ36を付勢するための付勢機構38とが設けられている。
As shown in FIGS. 2 and 3, the
ヘッド部32は、ヘッド部32内に形成されたアクチュエータ室40と、アクチュエータ室40内に隙間が形成されるように配置された圧電素子としてのピエゾアクチュエータ42とを有する。
The
ピエゾアクチュエータ42は、加工チップ34を進退させるためのものであり、電線44を通して電圧が印加されることで一方向(図2のY方向)に伸縮するピエゾ素子(不図示)がその伸縮方向に複数配列されたアクチュエータ本体46と、アクチュエータ本体46の伸縮方向の一端面から突出する突出部48とを有している。ピエゾ素子の個数は、ワークモデルの内面形状の凹凸度合いに応じて任意に設定すればよい。ピエゾ素子の個数によって、加工チップ34の進退度幅を調節できるからである。アクチュエータ本体46は、その伸縮方向の他端面がアクチュエータ室40の壁面と接触した状態でボルト50にてヘッド部32に固定されている。突出部48は、チップホルダ36と接触する湾曲面52を有している。また、ピエゾアクチュエータ42は、アクチュエータ本体46の変位に応じてデジタル電圧を電線54に出力する。なお、電線44、54は、制御部16に接続されている。
The
アクチュエータ室40は、ヘッド部32の中心よりも先端側に形成されている。これにより、図1に示すように、ピエゾアクチュエータ42、チップホルダ36及び加工チップ34がヘッド部32の中心よりも先端側に位置されるので、回転駆動機構300の回転台302とシリンダブロック200との間隔を狭めることができる。これにより、チャック304によって回転台302に近い位置にシリンダブロック200を保持して回転させることができるので、シリンダブロック200の回転を安定させることができる。
The
図2に示すように、チップホルダ36は、付勢機構38にてピエゾアクチュエータ42側に付勢されている。これにより、チップホルダ36は、シリンダブロック200の穴202の半径方向(図2のY方向)に進退可能となる。また、図3に示すように、チップホルダ36には、貫通孔56が形成されている。これにより、アクチュエータ室40と外部とが連通するので、ピエゾ素子の伸縮によってピエゾアクチュエータ42が発熱した場合でもその熱を外部に逃がすことができる。さらに、突出部48の湾曲面52を貫通孔56の開口部で受ける形態をしているため、ピエゾアクチュエータ42の進退を正確に加工チップ34に伝えることができる。図1に示すように、加工チップ34は、ピエゾアクチュエータ42とシリンダブロック200との間に位置している。
As shown in FIG. 2, the
図2に示すように、付勢機構38は、ボルト58、58にてヘッド部32に固定されるカートリッジ60と、カートリッジ60に設けられてチップホルダ36をピエゾアクチュエータ42側に付勢する付勢部材62を有している。付勢部材62としては、例えば、ばね部材等を用いればよい。
As shown in FIG. 2, the urging
次に、加工チップ34の進退動作について簡単に説明する。制御部16が電線44を通してアクチュエータ本体46に電圧を印加すると、複数のピエゾ素子が印加された電圧の大きさに比例して伸びるので、アクチュエータ本体46がチップホルダ36側に伸びる。この時、アクチュエータ本体46は、チップホルダ36に生じている付勢部材62からの付勢力に抗して突出部48の湾曲面52を介してチップホルダ36を押圧する。これにより、加工チップ34が初期位置からシリンダブロック200の穴202の半径方向外側に移動する。なお、加工チップ34の初期位置は、例えば、シリンダブロック200の穴202の半径方向に関して加工チップ34の先端の位置がカートリッジ60の外面の位置と一致するように設定すればよい。
Next, the advancing / retreating operation of the
また、制御部16が電線44を通してアクチュエータ本体46に印加されている電圧を増加すると、加工チップ34は、電圧が増加される前の位置からシリンダブロック200の穴202の半径方向外側に移動する。
Further, when the
一方、制御部16が電線44を通してアクチュエータ本体46に印加されている電圧を低減すると、複数のピエゾ素子が縮むので、アクチュエータ本体46がボルト50側に縮む。この時、チップホルダ36は、アクチュエータ本体46からの押圧力が低減された状態で付勢部材62にて押圧される。これにより、加工チップ34は、電圧が低減される前の位置からシリンダブロック200の穴202の半径方向内側に移動する。
On the other hand, when the
また、制御部16が電線44を介してアクチュエータ本体46に印加されている電圧を停止すると、加工チップ34が初期位置に復帰する。
Further, when the
図1に示すように、制御部16には、主制御装置64、同期コントローラ66、第1サーボアンプ68、第2サーボアンプ70及びピエゾドライバ72が設けられている。
As shown in FIG. 1, the
主制御装置64は、上位コンピュータ402からの出力に従って、第1サーボアンプ68を介して第1モータ306を、第2サーボアンプ70を介して第2モータ22をそれぞれ駆動し、回転台302の回転速度及びX方向に対する加工チップ34の位置を制御する。すなわち、主制御装置64は、いわゆるNC(数値)制御装置と同様の動作をする装置である。
The main control device 64 drives the
同期コントローラ66は、回転台302(シリンダブロック200)の回転角とX方向に対する加工チップの位置とに基づいて、加工チップ進退マップを参照してピエゾドライバ72に指令信号を出力し、ピエゾドライバ72がその指令信号に従ってピエゾアクチュエータ42に電圧を印加することにより、加工チップ34の進退を制御する。加工チップ進退マップは、回転台302の回転軸線Aを基準とした時のY方向に対する加工チップ34の位置を制御するためのものである。具体的には、加工チップ進退マップは、X方向に対する加工チップ34の位置毎に、シリンダブロック200の回転角及び回転台302の回転軸線Aを基準とした時のY方向に対する加工チップ34の位置との関係を示すボアの断面2次元データを求め、回転軸線A方向に配列したもの(図13A参照)であり、上位コンピュータ402で生成されて同期コントローラ66に記憶される。なお、シリンダブロック200の回転角及び回転速度は、第1ロータリエンコーダ308からの出力信号を参照して取得されるデジタル電圧の単位時間当たりのパルス数、すなわちサンプリング時間のパルス数から求められる。また、X方向に対する加工チップ34の位置は、第2ロータリエンコーダ24からの出力信号を参照して取得されるデジタル電圧の単位時間当たりのパルス数、すなわちサンプリング時間のパルス数から求められる。
The
ピエゾドライバ72は、ピエゾアクチュエータ42からの出力信号を参照することにより、ピエゾアクチュエータ42の変位量が同期コントローラ66から指令された加工チップ34の進退量に合うようにフィードバック制御する。
The
次に、シリンダブロックのボアを加工する手順について、図4のフローチャートを参照しながら説明する。 Next, the procedure for machining the bore of the cylinder block will be described with reference to the flowchart of FIG.
まず、ステップS1において、図5Aに示すように、シリンダブロック素材であるモデルブロック204にダミーヘッド208を複数のボルト210…210(図では2つのみ示す。)により装着する。ダミーヘッド208は、製品シリンダヘッドを模した形状及び材質からなり、中央部には、不図示のボーリング加工装置の加工ヘッドが挿入可能な孔212が形成されている。
First, in step S1, as shown in FIG. 5A, a
次に、ステップS2において、モデルブロック204を所定の位置に配置し、ボーリング加工装置により、モデルブロック204に所望の真円度のボア206を加工する。
Next, in step S2, the
次に、ステップS3において、モデルブロック204から複数のボルト210…210の締め付けを解除して、ダミーヘッド208を取り外す。すると、図5Bに示すように、モデルブロック204のボア206の内径が図5Aの状態から多少変形することになる。これは、ダミーヘッド208の組み付けによる応力が解除されるからである。
Next, in step S3, tightening of the plurality of
具体的には、図6Aに示すように、モデルブロック204には、4つのボア206が一直線上に並んで形成されている。各ボア206の周囲には、複数のボルトが螺合される複数のボルト穴214…214が形成されている。図5及び図6に示すように、モデルブロック204からダミーヘッド208を取り外すと、ダミーヘッド208による押圧力が除去されるため、ボア206のダミーヘッド208側の内径形状は、楕円形に変形する(図6B参照)。また、ボルト穴214…214のねじ山とボルトのねじ山との間に作用する応力が除去されるため、ボア206のダミーヘッド208とは反対側(クランクシャフト側)の内径形状は図6Cに示すように、四角形に変形する。
Specifically, as shown in FIG. 6A, the
よって、以下、ボア206の内径形状を周波数解析するステップにおいては、4次までの周波数解析をする例を記載した。これは、4次までの周波数解析であればモデルブロック204のボア206の変形をほぼ再現できるからである。すなわち、4次成分は四角形状の成分を表し、3次成分は三角形状の成分を表し、2次成分は楕円形状の成分を表すので、0次〜4次までの周波数解析を行って余弦波で表し、これら余弦波を合成することでモデルブロック204のボア206の変形を再現でき、高次のノイズを除去できる。
Therefore, hereinafter, in the step of analyzing the frequency of the inner diameter shape of the
また、断面2次元形状(XI,YI)を、通常のNCデータ形式で点群(XI,YI)として記憶すればデータ量が膨大になるが、余弦波を用いて曲線デ一タ形式で記憶することで、データ量をかなり低減でき、データ処理を高速化できる。換言すれば、シリンダヘッドをシリンダブロックに組み付ける際のボアの変形が解消されるように断面非真円形状の穴を形成するには、0次〜4次までの周波数分析を行えばよく、データ量も少なくて済む。なお、本実施形態では4次の周波数解析までの例を示したが、穴の形状に応じて50次でも、100次でも、更に高次でもよい。例えば、断面非真円形状の穴の形状の1周分を1°毎に通常のNCデータ形式で表現する場合、720個のパラメータが必要になるが、50次の曲線データ形式で表現する場合、101個のパラメータでよい。すなわち、半径誤差(0次)、50個のn次振幅、及び50個のn次位相である。このように、50次までの周波数解析を実行しても、曲線データ形式で記憶することで、データ量を低減でき、データ処理を高速化できる。 If the two-dimensional cross section (X I , Y I ) is stored as a point cloud (X I , Y I ) in the normal NC data format, the amount of data becomes enormous. By storing data in a data format, the amount of data can be considerably reduced, and data processing can be speeded up. In other words, in order to form a hole with a non-circular cross section so as to eliminate the deformation of the bore when the cylinder head is assembled to the cylinder block, frequency analysis from the 0th order to the 4th order may be performed. Less amount is required. In the present embodiment, an example up to the fourth-order frequency analysis is shown, but it may be 50th, 100th, or higher order depending on the shape of the hole. For example, when expressing one round of the shape of a hole with a non-circular cross section in the normal NC data format every 1 °, 720 parameters are required, but when expressing in the 50th order curve data format , 101 parameters are sufficient. That is, the radius error (0th order), 50 nth order amplitudes, and 50 nth order phases. As described above, even if frequency analysis up to the 50th order is executed, the amount of data can be reduced and the data processing can be speeded up by storing in the curve data format.
そこで、ステップS4において、ダミーヘッド208を取り外した後のモデルブロック204のボア206において、ボア206の深さ方向の所定間隔おきに内径形状を測定し、上位コンピュータ402に内径形状データとして記憶する。
Therefore, in step S4, the inner diameter shape is measured at predetermined intervals in the depth direction of the
ステップS5において、内径形状データに基づいて周波数解析を行い、分析内径形状パラメータを算出する。 In step S5, frequency analysis is performed based on the inner diameter shape data, and an analysis inner diameter shape parameter is calculated.
次に、ステップS6において、算出した分析内径形状パラメータに基づいて上位コンピュータ402にて加工チップ進退マップを生成し、内径加工装置10の同期コントローラ66に記憶する。
Next, in step S <b> 6, a machining tip advance / retreat map is generated by the
そして、ステップS7において、先ず、モデルブロック204とは別の、新たなシリンダブロック素材であるシリンダブロック200を所定の位置に配置する。次いで、シリンダブロック200にボーリング加工を行った後に、同期コントローラ66の制御下に、記憶されている加工チップ進退マップに基づいた内径加工をシリンダブロック200の穴202に施す。
In step S7, first, a
ステップS8において、図5Cに示すように、ダミーヘッド208と異なり、実際の製品として用いられるシリンダヘッド216を用意し、内径加工が施されたシリンダブロック200に、シリンダヘッド216を複数のボルト218…218により装着する。すると、シリンダブロック200の穴(ボア)202の内径形状は、モデルブロック204のボア206と同様の真円度となる。
In step S8, as shown in FIG. 5C, unlike the
次に、上述したステップS4のボア内径形状の測定からステップS7の内径加工までの詳細な手順について、図7のフローチャートを参照しながら説明する。 Next, a detailed procedure from the measurement of the bore inner diameter shape in step S4 to the inner diameter machining in step S7 will be described with reference to the flowchart of FIG.
ステップS11(S4)では、例えば、図8に示すように、全気筒について、内面形状測定器400により、ボア206の深さ方向に所定間隔おきに4つの測定点M1〜M4を設定し、各測定点M1〜M4でのボア206の内径形状を測定する。
In step S11 (S4), for example, as shown in FIG. 8, four measurement points M1 to M4 are set at predetermined intervals in the depth direction of the
具体的には、全気筒について、空気マイクロセンサ、近接センサ、レーザセンサなどのセンサをボア206に挿入し、回転させながらボア206の深さ方向に移動して、各測定点でのボア206の内径形状を測定して、内径形状データとする。なお、所定間隔おきに測定した例を示したが、非等間隔、例えば、モデルブロック204のシリンダヘッド側の数箇所や、逆に、モデルブロック204のクランクシャフト側の数箇所を測定してもよい。なお、図8において、各測定点M1〜M4でのボア206の内径形状R1〜R4は、互いに異なり、楕円形、三角形、四角形状や、偏心した真円など、非真円形状となっている。
Specifically, for all cylinders, sensors such as an air microsensor, a proximity sensor, and a laser sensor are inserted into the
図9及び図10に示すように、測定したボア206の内径形状には、ΔL程度の凹凸があり、さらに、高次のノイズが含まれていることが判る。なお、図9及び図10では、ボア206の変形量をゼロとした場合のボア206の内周面の位置を基準線L0とし、この基準線L0よりもΔLだけ内側をL1とし、基準線L0よりもΔLだけ外側をL2としている。
As shown in FIGS. 9 and 10, it can be seen that the measured inner diameter shape of the
ステップS12では、上位コンピュータ402により、各測定点M1〜M4のボア206の内径形状を周波数解析することで、真円に対する誤差のn次成分を抽出し、それぞれの振幅及び位相を求めて、振幅・位相についての分析内径形状パラメータ(An,Pn)を生成する。
In step S12, the
具体的には、以下の式(1)〜(4)に従って、基準線L0からの突出量を角度θの関数x(θ)で表し、以下の式に従ってフーリエ変換を行い、n次成分の振幅An及び位相Pnを求める。 Specifically, the amount of protrusion from the reference line L0 is represented by a function x (θ) of the angle θ according to the following formulas (1) to (4), Fourier transform is performed according to the following formula, and the amplitude of the nth-order component An and phase Pn are obtained.
ここで、振幅A0は、基準線である真円に対する半径の誤差を表し、振幅A1は、基準線である真円からの偏心を表し、振幅A2は、楕円形状の成分を表し、振幅A3は、三角形状の成分を表し、振幅A4は、四角形状の成分を表す。また、P0は不要である。 Here, the amplitude A 0 represents an error in the radius with respect to the perfect circle that is the reference line, the amplitude A 1 represents the eccentricity from the perfect circle that is the reference line, the amplitude A 2 represents the elliptical component, The amplitude A 3 represents a triangular component, and the amplitude A 4 represents a square component. P 0 is not necessary.
これらn次成分の分析内径形状パラメータ(An,Pn)を、フーリエ逆変換して、基準線L0からの突出量を角度θの関数T(θ)で表すと、式(5)のようになる。 When the analysis inner diameter shape parameters (A n , P n ) of these n-order components are subjected to inverse Fourier transform, and the amount of protrusion from the reference line L0 is expressed by a function T (θ) of the angle θ, equation (5) is obtained. become.
次に、式(5)において、k=4として計算する。上述したように、0次〜4次までの周波数解析を行うことでモデルブロック204のボア206の変形をほぼ再現できるからである。
Next, calculation is performed with k = 4 in equation (5). This is because the deformation of the
よって、式(5)中において、k=4として、A1×cos(θ+P1)、A2×cos(2θ+P2)、A3×cos(3θ+P3)、A4×cos(4θ+P4)の4つの周波数の波形をプロットすると、図11のようになる。 Therefore, in equation (5), k = 4, and A 1 × cos (θ + P 1 ), A 2 × cos (2θ + P 2 ), A 3 × cos (3θ + P 3 ), A 4 × cos (4θ + P 4 ) When the waveforms of the four frequencies are plotted, FIG. 11 is obtained.
次に、これら4つの周波数の波形を合成して、形状補正するために極性を反転させて、プロットすると、図12のようになる。 Next, when the waveforms of these four frequencies are synthesized, the polarity is inverted to correct the shape, and plotted, the result is as shown in FIG.
ステップS13では、上位コンピュータ402により、分析内径形状パラメータ(An,Pn)をフーリエ逆変換する。
In step S13, the higher-
ステップS14では、上位コンピュータ402により、フーリエ逆変換したデータを、回転台302の回転軸線Aに対する加工チップ34のY方向の位置に変換して、シリンダブロック200の回転角と加工チップ34の突出量との関係を表す加工チップ進退マップを生成する。
In step S <b> 14, the
ステップS15では、上位コンピュータ402により、加工チップ進退マップに基づいて、比例補間処理により、内径加工するための詳細な加工チップ進退マップを生成し、その詳細な加工チップ進退マップを同期コントローラ66に記憶する。詳細な加工チップ進退マップは、図13Aに示すように、加工チップ進退マップの加工チップ34の先端の軌跡をR1A〜R4Aとすると、実際の加工チップ34の軌跡Sは、螺旋状であり、この軌跡S同士の間隔は、軌跡R1A〜R4Aの間隔よりも狭くなるため、必要になるのである。
In step S15, the high-
具体的には、例えば、図13Bに示すように、互いに上下に隣り合う軌跡R1A、R2Aの間に位置する軌跡S上の点S1の位置を求める。点S1を通る直線Vを引き、この直線Vと各軌跡R1A、R2Aとの交点を点V1、V2とする。さらに、点V1と点V2との高さ方向の間隔をΔZ、点V1と点V2との水平方向の間隔をΔRとし、点V2から点S1まで高さ方向の間隔をδzとし、点V2から点S1までの水平方向の間隔をδrとして、以下の式(6)に従って、点S1の位置を求める。
ΔR:δr=ΔZ:δz ・・・(6)
Specifically, for example, as shown in FIG. 13B, the position of a point S1 on the trajectory S located between the trajectories R1A and R2A adjacent to each other in the vertical direction is obtained. A straight line V passing through the point S1 is drawn, and intersections between the straight line V and the trajectories R1A and R2A are defined as points V1 and V2. Furthermore, the distance in the height direction between the point V1 and the point V2 is ΔZ, the distance in the horizontal direction between the point V1 and the point V2 is ΔR, the distance in the height direction from the point V2 to the point S1 is δz, and from the point V2 The position of the point S1 is obtained according to the following formula (6), where δr is the horizontal interval to the point S1.
ΔR: δr = ΔZ: δz (6)
ステップS16では、同期コントローラ66により、シリンダブロック200の回転角度及び加工チップ34のX方向の位置に基づいて、記憶した加工チップ進退マップに従い、回転台302の回転軸線に対する加工チップ34のY方向の位置を求める。
In step S <b> 16, the
ステップS17では、同期コントローラ66により、加工チップ34のY方向の位置に従って、シリンダブロック200の穴202を内径加工する。
In step S17, the inner diameter of the
ステップS18は、全気筒について加工が完了したか否かを判定し、この判定がYESの場合は終了し、NOの場合はステップS13に戻る。 Step S18 determines whether machining has been completed for all cylinders. If this determination is YES, the process ends. If NO, the process returns to step S13.
以上の制御において、ステップS7及びステップS17が加工ステップに、ステップS4及びステップS11が測定ステップにそれぞれ相当する。 In the above control, steps S7 and S17 correspond to processing steps, and steps S4 and S11 correspond to measurement steps.
本実施形態の内径加工装置10においては、加工チップ34をピエゾアクチュエータ42とシリンダブロック200との間に配置しているので、ピエゾアクチュエータ42がシリンダブロック200の穴202の内径面に当たることがない。これにより、ピエゾアクチュエータを加工チップよりもシリンダブロック側に突出するように前記加工チップと並列に配置した場合と比べて、シリンダブロックの穴の深さに応じてピエゾアクチュエータと加工チップの位置を調整する必要がないので、内径加工装置の構成を簡易にすることができる。また、加工チップ34が複数のピエゾ素子の伸縮によって進退するので、カム機構等を利用して加工チップを進退させる場合と比較して加工チップの進退動作の応答性が良くなる。よって、簡易な構成で高精度な内径加工を可能とすることができる。
In the inner
本実施形態の内径加工装置10は、回転台302の回転軸線Aを基準として加工チップ34のY方向の位置が設定されるので、シリンダブロック200の穴202の内径面を基準として加工チップ34の進退量を設定する必要がない。そのため、内径加工工程よりも前工程であるボーリング工程において、シリンダブロック200の穴202の内面形状を精度の高い真円形状にしなくても、シリンダブロック200の穴202の内面形状をモデルブロック204のボア206の内面形状に内径加工することができる。よって、ボーリング工程のサイクルタイムが増加することを抑えることができる。
In the inner
一般的に、シリンダブロックの穴の内径加工において、シリンダブロックを固定した状態で加工ヘッド(加工チップ)を回転させながら内径加工を行う装置が知られている。このような装置に本発明に係る内径装置に利用したピエゾアクチュエータを用いると、加工ヘッドが回転することでアクチュエータ本体に接続している電線が絡まるおそれがある。しかしながら、本実施形態の内径加工装置では、加工ヘッドを固定した状態でシリンダブロックを回転させているので、電線が絡まることはない。 2. Description of the Related Art Generally, an apparatus that performs inner diameter processing while rotating a processing head (processing tip) in a state in which a cylinder block is fixed is known in the inner diameter processing of a cylinder block hole. When the piezo actuator used in the inner diameter device according to the present invention is used in such an apparatus, there is a possibility that the electric wire connected to the actuator main body is entangled when the machining head rotates. However, in the inner diameter machining apparatus of the present embodiment, the cylinder block is rotated with the machining head fixed, so that the electric wire does not get tangled.
本発明は、上述した実施形態に限定されず、本発明の要旨の範囲内で種々の形態で実施できる。 The present invention is not limited to the above-described embodiment, and can be implemented in various forms within the scope of the gist of the present invention.
本発明に係る内径加工装置は、本実施形態において加工チップを進退させる手段として圧電素子を利用しているが、圧電素子に替えて超磁歪材料を利用してもよい。この場合、ピエゾドライバから電線を介して超磁歪材料に電流を供給することで超磁歪材料に磁場を印加させ、超磁歪材料を伸縮させればよい。これにより、圧電素子を利用した本実施形態と同様の効果を奏することができる。 The inner diameter machining apparatus according to the present invention uses a piezoelectric element as means for advancing and retracting the machining chip in this embodiment, but a giant magnetostrictive material may be used instead of the piezoelectric element. In this case, it is only necessary to apply a magnetic field to the giant magnetostrictive material by supplying an electric current from the piezo driver to the giant magnetostrictive material via an electric wire, thereby expanding and contracting the giant magnetostrictive material. Thereby, there can exist the same effect as this embodiment using a piezoelectric element.
本実施形態では、移動機構にて加工チップをシリンダブロックに対して相対移動させているが、前記移動機構を省略して装置本体を固定した状態で、回転駆動機構をシリンダブロックの穴の深さ方向に移動させることにより、加工チップをシリンダブロックに対して相対移動させてもよい。 In this embodiment, the machining tip is moved relative to the cylinder block by the moving mechanism. However, in the state where the apparatus main body is fixed without the moving mechanism, the rotational drive mechanism is moved to the depth of the hole of the cylinder block. The machining tip may be moved relative to the cylinder block by moving in the direction.
本発明に係る内径加工装置にて内径加工ができるワークは、上述したシリンダブロックに限らない。例えば、前記ワークとして、ベアリング等を利用することができる。 The workpiece that can be machined by the bore machining apparatus according to the present invention is not limited to the cylinder block described above. For example, a bearing or the like can be used as the workpiece.
10…内径加工装置 12…移動機構
16…制御部 30…加工ヘッド
34…加工チップ 42…ピエゾアクチュエータ
66…同期コントローラ 72…ピエゾドライバ
200…シリンダブロック 202…穴
204…モデルブロック 206…ボア
400…内面形状測定器 402…上位コンピュータ
DESCRIPTION OF
Claims (6)
刃具が圧電素子又は超磁歪材料と前記ワークとの間に配置され、
回転手段にて前記ワークを回転させた状態で、前記刃具を前記圧電素子又は前記超磁歪材料にて前記穴の半径方向に進退させつつ、該穴の深さ方向に相対移動させることにより、該穴を内径加工する加工ステップと、
既に内径加工されたワークモデルの内径形状データを測定する測定ステップと、を備え、
前記測定ステップにて測定された内径形状データに基づき周波数解析を行って前記ワークモデルの変形を再現し、
再現した前記ワークモデルの形状に基づいて前記刃具が進退されるように前記圧電素子に印加される電圧又は前記超磁歪材料に印加される磁場を制御部にて制御することを特徴とするワークの内径加工方法。 An inner diameter machining method of a workpiece for machining an inner diameter of a hole formed in the workpiece,
A cutting tool is disposed between the piezoelectric element or the giant magnetostrictive material and the workpiece,
While rotating the workpiece by the rotation means, while advancing and retracting the cutting tool in the radial direction of the hole in the piezoelectric element or the giant magnetostrictive material, by relatively moving in the depth direction of the hole, the A machining step for machining the inner diameter of the hole;
Measuring the inner diameter shape data of a workpiece model that has already been machined,
Perform frequency analysis based on the inner diameter shape data measured in the measuring step to reproduce the deformation of the work model,
A voltage applied to the piezoelectric element or a magnetic field applied to the giant magnetostrictive material is controlled by a control unit so that the cutting tool moves forward and backward based on the reproduced shape of the workpiece model . Inner diameter machining method.
前記ワークがシリンダブロックであることを特徴とするワークの内径加工方法。 In the inside diameter processing method of the workpiece according to claim 1 ,
An internal diameter machining method for a workpiece, wherein the workpiece is a cylinder block.
回転手段にて前記ワークを回転させた状態で前記穴の内径面と接触可能に設けられた刃具と、
前記ワークに対して前記刃具を前記穴の深さ方向に相対移動させる移動手段と、
前記刃具を前記穴の半径方向に進退させる圧電素子又は超磁歪材料と、
既に内径加工されたワークモデルの内径形状データに基づいて周波数解析を行って前記ワークモデルの変形を再現し、再現した前記ワークモデルの形状に基づいて前記刃具が進退されるように前記圧電素子に印加される電圧又は前記超磁歪材料に印加される磁場を制御する制御部と、を備え、
前記刃具が、前記圧電素子又は前記超磁歪材料と前記ワークとの間に配置されていることを特徴とするワークの内径加工装置。 An inner diameter machining apparatus for a workpiece for machining an inner diameter of a hole formed in the workpiece,
A blade provided so as to be able to contact the inner diameter surface of the hole in a state in which the workpiece is rotated by a rotating means;
Moving means for moving the cutting tool relative to the workpiece in the depth direction of the hole;
A piezoelectric element or a giant magnetostrictive material that advances and retracts the blade in the radial direction of the hole;
Frequency analysis is performed based on the inner diameter shape data of the workpiece model that has already been machined to reproduce the deformation of the workpiece model, and the cutting tool is advanced and retracted based on the reproduced shape of the workpiece model. A control unit that controls an applied voltage or a magnetic field applied to the giant magnetostrictive material ,
An inner diameter machining apparatus for a workpiece, wherein the cutting tool is disposed between the piezoelectric element or the giant magnetostrictive material and the workpiece.
前記刃具を保持するホルダーと、A holder for holding the blade,
前記ホルダーが設けられるヘッド部と、A head portion provided with the holder;
前記ヘッド部に形成された室に配設されて前記ホルダーを前記穴の半径方向外側に押圧する前記圧電素子又は前記超磁歪材料を有するアクチュエータと、An actuator having the piezoelectric element or the giant magnetostrictive material disposed in a chamber formed in the head portion and pressing the holder radially outward of the hole;
前記ヘッド部に設けられて前記ホルダーを前記アクチュエータ側に付勢する付勢部材と、を備え、An urging member provided on the head portion and urging the holder toward the actuator;
前記ホルダーには、前記室と外部とを連通する貫通孔が形成されていることを特徴とするワークの内径加工装置。The workpiece inner diameter processing apparatus, wherein the holder is formed with a through hole that communicates the chamber with the outside.
前記アクチュエータには、前記ホルダーのうち前記貫通孔の開口部に接触する湾曲面が形成されていることを特徴とするワークの内径加工装置。The actuator is formed with a curved surface in contact with the opening of the through hole in the holder.
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