JP5401693B2 - 中ぐり加工装置 - Google Patents

Description

本発明は、非円形加工が可能な中ぐり加工装置に関する。

従来より、中ぐり加工を行うための種々の装置が提案されてきたが、近年は、一般的な円形の穴のみならず、非円形の穴を形成するための中ぐり加工が要望されている。例えば、特許文献１の中ぐり加工装置は、棒状に延びる工具ホルダーの先端に設けられた工具を、圧電素子によって径方向に突出させている。そして、圧電素子によって工具の突出長さを調整しながら、工具ホルダーを軸回りに回転させることで、非円形の穴を形成する中ぐり加工を行っている。

特開平１１−１７９６０５号公報

しかしながら、上記装置では、工具の突出長さの調整に圧電素子を用いているため、種々の問題がある。例えば、加工中に用いられる潤滑油や熱によって、圧電素子が損傷するおそれがある。また、工具ホルダーは高速で回転するため、圧電素子に対して安定した制御信号を送ることが難しいという問題もある。その結果、高精度の加工を期待できない可能性がある。

本発明は、上記問題を解決するためになされたものであり、潤滑油や熱などの影響を受けにくく、動作の信頼性が高い中ぐり加工装置を提供することを目的とする。

本発明に係る中ぐり加工装置は、中空の主軸と、所定の軸線回りに前記主軸を回転自在に支持するテーブルと、棒状に延び、前記主軸とともに同軸で回転する工具ホルダーと、前記工具ホルダーの先端部に設けられ、径方向に突出する工具と、前記主軸と工具ホルダーとの間に設けられ、当該工具ホルダーを前記軸線から傾斜させる傾動ユニットと、前記主軸内で前記軸線方向に往復動可能なドローバーと、前記主軸を前記軸線回りに回転させる第１の駆動手段と、前記ドローバーを前記軸線方向に移動させる第２の駆動手段と、を備え、前記傾動ユニットは、前記軸線方向において前記ドローバーと工具ホルダーとの間に連結され、前記主軸の一端部との間に隙間を介して配置される基部と、前記主軸の一端部において前記軸線から径方向に離れた位置に固定された固定部と、前記基部と固定部とを径方向に連結する連結部と、を備え、前記固定部及び連結部の少なくとも一方が弾性変形可能に構成されている。

この構成によれば、ドローバーを軸線方向に移動させて、傾動ユニットの基部を主軸側に引っ張ると、固定部及び連結部の少なくとも一方が弾性変形するため、基部に連結された工具ホルダーを軸線から傾斜させることができる。一方、ドローバーの引っ張り力を解除すると、弾性により固定部または連結部が元の形状に復帰するため、これとともに基部も元の位置に戻り、工具ホルダーが軸線に沿う位置に復帰する。このように工具ホルダーを傾斜させることで、工具を径方向に移動させることができるため、非円形の穴を形成する中ぐり加工を行うことができる。以上のように、本発明においては、ドローバーによる引っ張りにより、機械的に工具を径方向に移動させている。そのため、従来例のような圧電素子を用いて工具を移動させるのに比べ、潤滑油や熱が加工動作に影響を与えるのを抑制することができ、動作の信頼性を高めることができる。その結果、加工精度を向上することができる。

ドローバーを移動させる第２の駆動手段は種々の構成をとることができる。例えば、第２の駆動手段を、ドローバーに対して軸線回りに回転自在に連結されたボールネジと、主軸に対して軸線方向移動不能で、かつ、軸線回りへの回転を不能とするようにテーブル上に支持され、ボールネジに螺合するナットと、ボールネジを回転駆動する軸方向モータとで構成することができる。この構成によれば、軸方向モータによりボールネジを回転させると、これに連結されたドローバーが軸線方向に移動する。これにより、ドローバーが傾動ユニットの基部を引っ張り、工具ホルダーを軸線に対して傾斜させることができる。その際に、ドローバーの引っ張り力はナットを介して主軸で受けられるため、主軸には軸線方向の力が作用しない。このため、主軸の支持を行う軸受には負荷が掛かることはないので加工精度を安定させることができる。

ところで、中ぐり加工中に生じる熱は工具ホルダーを通じてドローバー周辺の各部に伝播し、各部の膨張・収縮による歪がドローバーを経由して工具の原位置を狂わせ、加工精度の低下の原因となる可能性がある。そこで、第２の駆動手段に、テーブル上に配置され、ナットを軸線方向に移動自在に案内する支持部と、主軸に前記軸線方向移動不能に遊嵌したユニットとを設け、さらに連結ユニットと支持部との固定及び当該固定の解除を行う解除ユニットを設けることにより、上記問題を解決することができる。

すなわち、上記のように第２の駆動手段を構成すると、次の効果を得ることができる。まず、解除ユニットにおいて、連結ユニットと支持部とを固定した場合、ナットは、連結ユニットを介して主軸と固定されているため、軸線モータを駆動すると、ボールネジがテーブルに対して回転する。これにより、ドローバーを軸線方向に移動させることができる。一方、解除ユニットにおいて、連結ユニットと支持部との固定を解除すると、支持部すなわちナットが連結ユニットに対して相対移動可能となるため、加工時の熱による歪を吸収して工具を設定した原位置にリセットすることができ、長時間の加工でも加工精度が低下するのを防止することができる。

上記傾動ユニットにおいて、基部に、軸線と直交する直交軸線回りに回転自在に支持された軸部材を設けることができる。そして、ドローバーと工具ホルダーとを、軸部材を介して連結することができる。

この構成によれば、基部が弾性変形する際にドローバーをこじることなく主軸２内を真っ直ぐ変位させつつ、連結部を支点として工具ホルダを揺動させることができる。よって、主軸内で回転中心位置からドローバーの回転がブレて（アンバランスになって）主軸に振動が発生するようなことはなく加工精度を均一に保つことができる。

また、傾動ユニットに、基部を挟んで、固定部とは径方向の反対側に配置されたバランス部材をさらに設けることができる。そして、このバランス部材は、固定部及び連結部と同等の重量とすることができる。このように、基部を挟んで、固定部及び連結部の反対側にバランス部材を配置すると、主軸の一端部における径方向の重量バランスが保たれる。その結果、主軸を安定的に回転させることができる。

本発明に係る中ぐり加工装置によれば、潤滑油や熱などの影響を受けにくく、動作の信頼性を向上することができる。

本発明の一実施形態に係る中ぐり加工装置の断面図である。 図１の中ぐり加工装置により加工が可能な穴の形状を示す斜視図である。 図３は主軸の前端近傍の断面図である。 傾動ユニットの分解斜視図である。 図３のＡ−Ａ線断面図である。 図１のＢ−Ｂ線断面図である。 図６のＣ−Ｃ線断面図である。

以下、本発明に係る中ぐり加工装置の一実施形態について、図面を参照しつつ説明する。図１は本実施形態の中ぐり加工装置の断面図、図２はこの中ぐり加工装置により加工が可能な穴の形状を示す斜視図である。なお、以下では、説明の便宜のため、図１を基準として、この図の左側を「前」または「先」、右側を「後」、上下の方向を「上下」として、他の図面の説明も行うこととする。

本実施形態では、一例として、エンジンのピストンを加工対象であるワークＷとし、このピストンのピン穴を加工する中ぐり加工装置について説明する。図１に示すように、本実施形態に係る中ぐり加工装置は、棒状に延びる工具ホルダー１と、この工具ホルダー１を軸線回りに回転させる主軸２とを備えており、これらがテーブル３上に配置されている。この工具ホルダー１の軸線Ｘは、ワークＷのピン穴に予め設けられた下穴の中心軸Ｙ（図２参照）とほぼ一致している。そして、工具ホルダー１の先端には、軸線方向に突出する工具１１が着脱自在に取り付けられており、この工具１１の径方向変位を制御プログラムによってコントロールすることで、下穴の内壁面を所望の形状に加工する。本実施形態では、図２に示すように、下穴１００の内壁面を加工し、断面が非円形のトランペット型のピン穴２００を加工する。

主軸２は、テーブル上に配置されたハウジング２１内に回転自在に収容されており、ハウジング２１から前端部及び後端部が突出している。ハウジング２１内には、主軸モータ（図示省略）が配置されており、この主軸モータによって、主軸２が軸線回りに回転駆動される。主軸２の前端部には、後述する傾動ユニット４を介して工具ホルダー１が取り付けられている。一方、主軸２の後端部には、工具ホルダー１を径方向に操作するための駆動ユニット（第２の駆動手段）が配置されており、ハウジング２１とともに、テーブル３上に配置されている。また、テーブル３は、基台６上にレール６１を介して配置されており、基台６に対して前後方向に移動可能となっている。そして、基台６の後端部には、テーブル３を前後方向に移動させるための前後進モータ６２が配置されている。これにより、テーブル３上の工具ホルダー１をワークＷに対して、近接離間させることができる。

次に、主軸の前端部近傍の構成について、図３から図５も参照しつつ説明する。図３は主軸の前端近傍の断面図、図４は傾動ユニットの分解斜視図、図５は図３のＡ−Ａ線断面図である。

図３に示すように、工具ホルダー１は、傾動ユニット４を介して主軸２の前端部に取り付けられている。主軸２は、中空に形成されており、その内部には、軸線方向に往復動可能なドローバー７が挿通されている。ドローバー７の先端は、傾動ユニット４に接続されている。図３及び図４に示すように、傾動ユニット４は、主軸２の先端面に取り付けられる円板４１を有しており、この円板４１の中心穴４１１からドローバー７の先端部が突出している。そして、ドローバー７の先端部は、直方体状の基部４２に挿入されている。基部４２は、円板４１の表面から軸線方向にわずかに隙間ｔをおいて配置されており、連結部４３及び固定部４４によって円板４１に支持されている。より詳細に説明すると、円板４１には、円弧状に形成され、軸線方向に前側に向かって突出する固定部４４が取り付けられている。この固定部４４は、複数のボルト４４１によって円板４１の周縁部に沿うように固定されている。そして、この固定部４４の先端からは、円板４１の中心に向かって径方向に延びる板状の連結部４３が一体的に取り付けられている。この連結部４３の末端に基部４２が設けられている。すなわち、基部４２は、固定部４４及び連結部４３を介して、円板４１に固定されている。なお、隙間ｔにはＯリングなどの弾性材が介在させることができる。

図４及び図５に示すように、基部４２の内部には、軸線と直交する直交軸線Ｚに沿って延びる軸部材４５が設けられている。軸部材４５は、その両端の軸部４５ａに設けられた軸受４５２を介して基部４２に取り付けられているため、基部Ｘの内部で直交軸線回りに回転可能となっている。また、軸部材４５の直交軸線Ｚ方向の中心部には、軸線Ｘ方向に貫通孔４５１が形成されており、この貫通孔４５１にドローバー７の先端が挿通されている。そして、基部４２を挟み込むように、基部４２の先端側に差し込んだボルト４２１をドローバー７の先端に螺着することによって、ドローバー７が固定されている。また、図３に示すように、この基部４２の先端面には、ブラケット１２を介して工具ホルダー１が取り付けられている。ところで、連結部４３及び固定部４４は金属で形成され、連結部４３の厚みｄ１によって、微少な力加減に応じて弾性変形可能となっている。そのため、ドローバー７を後側へ引っ張ると、連結部４３の周辺を支点として基部４２が隙間ｔを埋めるように主軸２側へ引き寄せられ、これによって連結部４３が弾性変形をして屈曲する。一方、ドローバー７を引っ張る力を取り除くと、弾性力により、連結部４３が元の形状に復帰する。

また、基部４２を挟んで、固定部４４とは径方向に反対側の端部には、バランス部材４６が配置されている。このバランス部材４６は、主軸２を安定的に回転させるために設けられたものであり、固定部４４及び連結部４３と同等の重量を有している。より詳細に説明すると、図３及び図４に示すように、バランス部材４６は、固定部４４及び連結部４３それぞれとほぼ同様の形状をなす、バランス固定部４６１及びバランス突出部４６２とで構成されている。そして、バランス固定部４６１は、上記固定部４４と同様の形状をしており、円板４１において、上記固定部４４とは反対側の周縁部に複数のボルト４６３によって固定されている。また、バランス突出部４６２は、板状に形成され、バランス固定部４６１の先端部から基部４２に向かって延びている。但し、基部４２との間には、わずかな隙間ｓが形成されている。このとき、連結部４３とバランス突出部４６２とが同等の重量となるように、バランス突出部４６２の厚みｄ２は、上記隙間ｓの容積だけ、連結部４３の厚みｄ１よりも大きくなっている。

続いて、ドローバーを操作する駆動ユニットについて図６も参照しつつ説明する。図６は、図１のＢ−Ｂ線断面図である。

図６に示すように、駆動ユニット５は、ドローバー７の後端部に取り付けられるボールネジ５１と、このボールネジ５１を回転させるための軸方向モータ５２とを備えている。ボールネジ５１は、ドローバー７の後端部に軸受５１１を介して軸線回りに回転可能に取り付けられるとともに、テーブル３上に配置されたナット５３に螺合している。また、ボールネジ５１と軸方向モータ５２との間には、スプライン軸５４１とこれに取り付けられたスリーブ体５４２とからなる公知のボールスプライン軸受５４が配置されている。そして、スプライン軸５４１がボールネジ５１に連結されるとともに、軸方向モータ５２にスリーブ体５４２が連結されて出力回転を伝達する。これにより、軸方向モータ５２が駆動すると、スプライン軸５４１によりボールネジ５１が回転された際に直進運動に変換され、ボールネジ５１とともに、ドローバー７が軸線方向Ｘに移動する。そして、ドローバー７の軸線方向Ｘの移動は、ボールスプライン軸受５４において吸収される。

次に、ナット及びその周辺部材の構成について図７も参照しつつ説明する。図７は、図６のＣ−Ｃ線断面図である。

図７に示すように、ナット５３は、単一のブロック５５の中心部に嵌合され連結されており、ブロック５５はテーブル３上に軸線方向に配置された一対のレール５５１に沿って、移動可能となっている。すなわち、ナット５３はブロック５５と一体となって、テーブル３上を前後方向に移動可能となっている。また、ブロック５５には、軸線方向に延びる貫通孔５５２がナット５３を挟んで左右方向に一対形成されており、この貫通孔５５２内に向かって、鉛直方向に進退するピストン５６が設けられている。このピストン５６はブロック５５の上面に設置した電気油圧（電気空圧）アクチュエータ５６ａによって進退操作される。

図６に示すように、主軸２の後端部には、軸受２５を介して連結ユニット８が主軸２の回転を許容しつつ軸方向移動不能に取り付けられている。この連結ユニット８は、主軸２を挟んで左右方向に延びる一対の延長部８１と、各延長部８１から軸線方向（後方）へ延びる棒状の連結棒８２とで構成されている。そして、各連結棒８２は、上述したブロック５５に形成された各貫通孔５５２に挿入されており、ピストン５６によって押圧されるようになっている。各連結棒８２の上部には、平坦面８２１が形成されており、この平坦面８２１にピストン５６の先端が押しつけられるようになっている。ピストン５６で連結棒８２を押圧した場合、連結棒８２はブロック５５の貫通孔５５２内に軸線方向移動不能に固定され、これにより、ナット５３が、連結ユニット８を介して主軸２に固定される。

続いて、上記のように構成された中ぐり加工装置の動作について説明する。まず、上述したピストン５６により、連結棒８２を押圧し、ナット５３と主軸２とを固定する。次に、加工対象となるワークＷを、ワーク保持ユニット９に固定する。続いて、ワークＷの下穴１００の中心軸Ｙと工具ホルダー１の軸線Ｘを一致させた後、前後進モータ６２を駆動して、工具ホルダー１をワークＷに近接させる。これに続いて、主軸モータを駆動しながら、工具ホルダー１を下穴１００に挿入する。そして、図外の制御プログラムにより軸方向モータ５２の駆動を制御して工具ホルダー１を軸線Ｘから傾かせる。こうして、工具１１が１回転するまでの間にそれぞれの角度に応じて径方向位置を変化させつつ、工具１１を軸線方向に移動させることによって断面が非円形の穴を形成することができる。

この動作についてさらに詳細に説明する。ナット５３が、連結ユニット８を介して主軸２に固定される状態で、図６に示すように、軸方向モータ５２を駆動すると、スリーブ体５４２が回転し、これとともにスプライン軸５４１も回転する。この回転はボールネジ５１に伝達され、ボールネジ５１が軸線Ｘ回りに回転する。このとき、ナット５３は静止しているため、ボールネジ５１の回転運動が直進運動に変換される。その結果、ボールネジ５１は後退し、ドローバー７が後側に引っ張られる。このとき、ドローバー７はナット５３を介して主軸２を支えにして引っ張るため、主軸２には軸線方向の外力は作用せず、主軸２をハウジング２１に回転自在に支持する軸受（図示せず）には負荷が掛からず加工精度が安定する。ドローバー７は、その先端側に配した傾動ユニット４を介して、主軸２とともに回転しているが、ボールネジ５１とは軸受５１１によって回転可能に連結されているため、回転しながら、ボールネジ５１によって引っ張られる。そして、ドローバー７の先端は、傾動ユニット４の基部４２に接続されているため、基部４２が後側に引き寄せられる。これによって、工具ホルダー１が軸線Ｘから傾き、工具１１が径方向外方に移動する。このとき、傾動ユニット４の連結部４３は、弾性変形して後側へ屈曲する。

一方、軸方向モータ５２の駆動を停止するか、あるいはトルクを取り去るように逆回転すると、ボールネジ５１が上記と反対側に回転し、ドローバー７が前進する。これによって、傾動ユニット４の基部４２に作用する引っ張り力が解除され、連結部４３の弾性により、基部４２は元の位置に復帰する。こうして、工具ホルダー１は、軸線Ｘに沿って延びる初期状態に戻り、工具１１も径方向内方に戻る。このとき、基部４２には、軸部材４５が直交軸線Ｚ回りに軸受４５２を介して回転自在に支持され、この軸部材４５の中心にドローバー７が固定されているため、基部４２を弾性変形させる際にはドローバー７をこじることなく主軸２内を真っ直ぐ移動する。したがって主軸２の回転中はドローバー７は常にその回転中心に位置するので主軸２に振動が発生せず加工精度を均一に保つことができる。

このように、ドローバー７を往復動させると、工具１１が径方向に往復動するため、これを所望の通りに主軸２の一回転あたりの任意角度に応じて移動距離を変化させることで、図２に示すように、下穴１００には非円形の内壁面２００が形成される。なお、工具１１が径方向に移動する距離は、例えば、０．１〜０．２ｍｍとすることができる。

ところで、中ぐり加工中に生じる熱は工具１１から工具ホルダー１を通じてドローバー７、ボールネジ５１、ナット５３などあらゆる部位に伝播し、各部の膨張・収縮による歪がドローバー７を経由して工具１１の原位置を狂わせ、加工精度の低下の原因となる可能性がある。これを防止するには、次のような動作を行う。

軸方向モータ５２を駆動停止させた状態で、１つのワークを加工し終わって次のワークに対して加工を始める前、何個かのワークを加工した後、ボールネジ５１の表面温度が規定値を越えたときなど、任意のタイミングで電気油圧（電気空圧）アクチュエータ５６ａを駆動させ、上述したピストン５６による連結棒８２の押圧を解除する。これにより、ブロック５５が連結ユニット８に対する拘束が解かれるため、ナット５３はブロックとともにレール５５１上でフリーとなる。よって、ドローバー７に作用する、熱による膨張・収縮の歪はブロック５５の軸線方向移動により吸収され、工具１１は設定した原位置にリセットされるので、長時間の中ぐり加工において、加工精度が低下するのを防止することができる。

以上のように、本実施形態によれば、ドローバー７による引っ張りにより、機械的に工具１１を径方向に移動させている。そのため、例えば、圧電素子のような電子素子を用いて工具を移動させるのに比べ、潤滑油や熱が加工動作に影響を与えるのを抑制することができる。その結果、動作の信頼性を高めることができ、加工精度を向上することができる。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない限りにおいて種々の変更が可能である。例えば、上記実施形態では、傾動ユニットの連結部が弾性変形により屈曲可能としているが、基部が主軸側へ引き寄せられた後に、弾性により元の位置に復帰すればよいため、連結部及び固定部の少なくとも一方が弾性変形可能な材料で形成されていればよい。また、ドローバーを往復動させるには、軸方向モータと回転／直線運動変換機構（ボールネジ及びナット）の組み合わせ以外にも、リニア・アクチュエータなど種々の手段を用いることができる。また、本発明に係る中ぐり加工装置は、上述したピストンのピン穴の加工のみならず、通常の円形のほか、非円形の内壁面を形成すべき中ぐり加工全般に用いることができる。

１ 工具ホルダー
１１ 工具
２ 主軸
３ テーブル
４ 傾動ユニット
４２ 基部
４３ 連結部
４４ 固定具
４５ 軸部材
４６ バランス部材
５ 駆動ユニット（第２の駆動手段）
５１ ボールネジ
５２ 軸方向モータ
５３ ナット
５５ ブロック（支持部）
５６ ピストン（解除ユニット）
７ ドローバー
８ 連結ユニット

Claims (5)

1. 中空の主軸と、
   所定の軸線回りに前記主軸を回転自在に支持するテーブルと、
   棒状に延び、前記主軸とともに同軸で回転する工具ホルダーと、
   前記工具ホルダーの先端部に設けられ、径方向に突出する工具と、
   前記主軸と工具ホルダーとの間に設けられ、当該工具ホルダーを前記軸線から傾斜させる傾動ユニットと、
   前記主軸内で前記軸線方向に往復動可能なドローバーと、
   前記主軸を前記軸線回りに回転させる第１の駆動手段と、
   前記ドローバーを前記軸線方向に往復動させる第２の駆動手段と、
   を備え、
   前記傾動ユニットは、
   前記軸線方向において前記ドローバーと工具ホルダーとの間に連結され、前記主軸の一端部との間に隙間を介して配置される基部と、
   前記主軸の一端部において前記軸線から径方向に離れた位置に固定された固定部と、
   前記基部と固定部とを径方向に連結する連結部と、を備え、
   前記固定部及び連結部の少なくとも一方が弾性変形可能に構成されている、中ぐり加工装置。
2. 前記第２の駆動手段は、
   前記ドローバーに対して前記軸線回りに回転自在に連結されたボールネジと、
   前記主軸に対して前記軸線方向移動不能で、かつ、前記軸線回りへの回転を不能とするように前記テーブル上に支持され、前記ボールネジに螺合するナットと、
   前記ボールネジを回転駆動する軸方向モータと、
   を備えている、請求項１に記載の中ぐり加工装置。
3. 前記第２の駆動手段は、
   前記テーブル上に配置され、前記ナットを前記軸線方向に移動自在に案内する支持部と、
   前記主軸上に前記軸線方向移動不能に遊嵌した連結ユニットと、
   前記連結ユニットと前記支持部との固定及び当該固定の解除を行う解除ユニットと、
   をさらに備えている、請求項２に記載の中ぐり加工装置。
4. 前記基部は、前記軸線と直交する直交軸線回りに回転自在に支持された軸部材を有しており、
   前記ドローバーと工具ホルダーとは、前記軸部材を介して連結されている、請求項１から３のいずれかに記載の中ぐり加工装置。
5. 前記傾動ユニットは、
   前記基部を挟んで、前記固定部とは径方向の反対側に配置されたバランス部材をさらに備え、
   前記バランス部材は、前記固定部及び連結部と同等の重量である、請求項１から４のいずれかに記載の中ぐり加工装置。

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