JP5496290B2 - 穴加工方法および工作機械 - Google Patents

Description

本発明は、穴加工方法および工作機械に関する。

従来の技術においては、ドリル等の回転工具を回転させて、ワークに穴部を形成する工作機械が知られている。ワークに穴部を形成する場合には、ドリル等の回転工具を軸周りに回転させながら、ワークに向かって回転工具を移動することにより、所望の穴部を形成することができる。このような穴部の加工においては、所望の形状の穴部を所望の位置に形成することが好ましい。すなわち、穴部の加工精度は高いことが好ましい。

ところが、穴部を形成した場合に穴部の内部における寸法精度が悪化するなど、穴部の加工精度が悪くなる場合がある。特に、穴部の直径に対して深さが大きくなる深穴の形成においては、直径が小さく軸方向に長いドリルを使用する必要がある。このために、ドリルの剛性が低くなり、穴部の加工精度が低くなる場合がある。

特許文献１においては、ミル軸に装着されたドリルを用いて、チャックに担持されたワークに穴加工を行う数値制御旋盤が開示されている。この旋盤においては、メモリ領域に小径深穴加工を指示するフラグが格納された場合には、ワークとドリルとを互いに反対方向に回転させることが開示されている。すなわち、ワークを回転させるとともにドリルも回転させ、ドリルは、ワークの回転方向に対して反対向きに回転させることが開示されている。

特開昭６１−４６０８号公報

穴部の加工では、ドリル等を回転させながらワークに徐々に挿入する。穴部の加工精度には、深さ方向において穴部の形状が変化する寸法精度や、穴部の真直精度（又は穴曲がり精度）が含まれる。穴部の加工においては、このような加工精度が悪化することを抑制しながら加工できることが好ましい。

上記の特許文献１に開示されているように、一つの軸上においてワークとドリルとを互いに反対方向に回転させながら近接することにより加工精度を向上させることができる。特に、深穴の形成においては、高い加工精度にて穴部を形成することができる。

ところが、この穴加工では、穴部の深さ方向がワークの回転軸と一致するようにワークを回転させる必要がある。穴部を形成する位置をワークの回転軸上に配置する必要がある。このために、１つのワークに複数の穴部を形成する場合には、それぞれの穴部を形成する度に、ワークの位置を変更する必要がある。すなわち、複数の穴部を形成する場合には、穴部の位置がワークの回転軸と一致するように、ワークをワーク回転装置に固定し直す必要があり、作業の手間や時間がかかるという問題がある。

また、穴部の位置がワークの回転軸と一致するようにワークを固定するために、ワークを回転させたときにアンバランスが生じたり、ワークの端部が工作機械に衝突して加工できなかったりする場合がある。例えば、細長いワークの一方の端部に穴部を形成する場合には、ワーク回転装置の中心軸上に一方の端部を配置する必要がある。この場合に、一方の端部と反対側の他方の端部が回転装置から飛び出す場合がある。この結果、ワークを回転させた場合に、ワークの重心位置と回転軸との距離が大きくなってしまってアンバランスが生じる場合がある。または、他方の端部が工作機械に衝突する場合がある。この結果、穴部を形成可能なワークが小さくなるという問題がある。

本発明の穴加工方法は、ワークをワーク回転装置に取り付けて、回転工具を回転させながら、回転工具とワークとを相対移動させ、ワーク回転装置の回転軸と異なる位置に穴部を形成する穴加工方法であって、回転工具の回転方向と逆方向にワークを回転させる回転工程と、回転工具とワークとが近接する方向に相対移動することにより穴部を形成する穴部形成工程とを同時に実施する。穴部形成工程は、ワーク回転装置の回転軸の位置と異なる穴部を形成する位置に回転工具が配置されるように、２軸以上の直線送り軸を用いてワークに対する回転工具の相対位置を変更して回転工具の位置をワークの回転に追従させながら穴部を形成する。

上記発明においては、穴部形成工程は、穴部の直径に対する深さの比が７以上になる深穴を形成することができる。

本発明の工作機械は、回転工具を回転させながら、回転工具とワークとを相対移動させて穴部を形成する工作機械であって、回転工具が回転する軸と平行な回転軸にてワークを回転させるワーク回転装置と、回転工具とワークとの相対位置を変更する移動装置と、移動装置を制御する制御装置とを備える。制御装置は、回転工具の回転方向とワークの回転方向とが逆向きになるように制御し、ワークの穴部を形成する位置に回転工具が配置されるように、回転工具の位置をワークの回転に追従させながら穴部を形成するように移動装置を制御する。

上記発明においては、移動装置は、２軸以上の直線送り軸を用いてワークに対する回転工具の相対位置を変更することができる。

上記発明においては、回転工具を支持する主軸を備え、回転工具は、棒状に形成されているドリルを含み、ドリルは、主軸から突出する部分の直径に対する長さの比が７以上にすることができる。

本発明によれば、ワークに対して穴部を形成するときの加工精度が向上する穴加工方法および工作機械を提供することができる。

実施の形態における工作機械の概略側面図である。 実施の形態における工作機械の概略正面図である。 実施の形態において、回転工具、ワークおよび回転テーブルの部分の拡大斜視図である。 実施の形態において、主軸、ワークおよび回転テーブルを平面的に見たときの第１の概略図である。 実施の形態において、主軸、ワークおよび回転テーブルを平面的に見たときの第２の概略図である。 実施の形態において、ワークに穴部を形成する時のワークと回転工具との拡大概略斜視図である。 実施の形態において、ワークに穴部を形成する時のワークと回転工具との拡大概略断面図である。 ワークに形成した穴部の拡大概略断面図である。

図１から図８を参照して、実施の形態における穴加工方法および工作機械について説明する。本実施の形態においては、数値制御式の工作機械を例示して説明する。

図１は、本実施の形態における工作機械の概略側面図である。図２は、本実施の形態における工作機械の概略正面図である。図１および図２を参照して、本実施の形態における工作機械１１は、基台となるベッド１３と、ベッド１３の上面に立設されたコラム１５とを備える。ベッド１３の上面においてコラム１５の前方には、キャリッジ２７が配置されている。キャリッジ２７の上面には、ワーク１を回転させるワーク回転装置として、回転テーブル３５が配置されている。回転テーブル３５の上面には、ワーク１を回転テーブル３５に保持する保持部材３７が配置されている。ワーク１は、保持部材３７を介して回転テーブル３５に固定される。

コラム１５の前面には、サドル１７が配置されている。さらに、サドル１７の前面には、主軸ヘッド２１が配置されている。主軸ヘッド２１内には、主軸２５が配置されている。主軸２５には、ワーク１に穴部を形成する回転工具４１が取り付けられる。本実施の形態においては、回転工具４１として、棒状のドリルが取り付けられている。本実施の形態における回転工具４１は、主軸２５の鉛直方向の軸線の周りに回転する。

本実施の形態における工作機械１１は、回転工具４１とワーク１との相対位置を変更する移動装置を備えている。本実施の形態においては、主軸２５の移動方向（図１において上下方向）に延びる軸をＺ軸と称する。また、キャリッジ２７の移動方向（図１において左右方向）に延びる軸をＹ軸と称する。また、Ｚ軸およびＹ軸に垂直な方向（図２において左右方向）に延びる軸をＸ軸と称する。

本実施の形態における移動装置は、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向およびＺ軸方向に回転工具４１とワーク１とを相対的に移動させることができる。さらに、本実施の形態における移動装置は、Ｃ軸５１の周りに回転工具４１とワーク１とを相対的に回転移動させることができる。

本実施の形態における移動装置は、Ｙ軸移動装置を含む。Ｙ軸移動装置は、ベッド１３の上面に配置されている一対のＹ軸レール２９ａ，２９ｂを含む。キャリッジ２７は、Ｙ軸レール２９ａ，２９ｂに沿って往復移動が可能に形成されている。コラム１５には、キャリッジ２７がＹ軸方向に移動可能なように空洞部１５ａが形成されている。本実施の形態においては、キャリッジ２７が空洞部１５ａの内部に進入可能になっている。本実施の形態におけるＹ軸移動装置は、ボールネジ機構によりキャリッジ２７を移動させる。Ｙ軸移動装置は、ベッド１３に配置されているボールネジ機構と、ボールネジ機構のネジ軸を回転させるＹ軸送りモータとを含む。Ｙ軸移動装置は、Ｙ軸送りモータを駆動することにより、キャリッジ２７を移動させる。回転テーブル３５およびワーク１は、キャリッジ２７と共にＹ軸方向に移動する。

本実施の形態における移動装置は、Ｘ軸移動装置を含む。Ｘ軸移動装置は、コラム１５の前面に形成されている一対のＸ軸レール１９ａ，１９ｂを含む。サドル１７は、Ｘ軸レール１９ａ，１９ｂに沿って往復移動が可能に形成されている。Ｘ軸移動装置は、ボールネジ機構によりサドル１７を移動する。Ｘ軸移動装置は、コラム１５に配置されているボールネジ機構と、ボールネジ機構のネジ軸を回転させるＸ軸送りモータとを含む。Ｘ軸移動装置は、Ｘ軸送りモータを駆動することにより、サドル１７を移動させる。主軸ヘッド２１および回転工具４１は、サドル１７と共にＸ軸方向に移動する。

更に、本実施の形態における移動装置は、Ｚ軸移動装置を含む。Ｚ軸移動装置は、サドル１７の前面に形成されている一対のＺ軸レール２３ａ，２３ｂを含む。主軸ヘッド２１は、Ｚ軸レール２３ａ，２３ｂに沿って往復移動が可能に形成されている。Ｚ軸移動装置は、ボールネジ機構により主軸ヘッド２１を移動する。Ｚ軸移動装置は、サドル１７に配置されているボールネジ機構と、ボールネジ機構のネジ軸を回転させるＺ軸送りモータとを含む。Ｚ軸移動装置は、Ｚ軸送りモータを駆動することにより、主軸ヘッド２１を移動させる。回転工具４１は、主軸ヘッド２１と共にＺ軸方向に移動する。更に、主軸ヘッド２１の内部には、主軸２５を軸周りに回転する駆動モータが配置されている。

本実施の形態における移動装置は、Ｃ軸回転移動装置を含む。Ｃ軸回転移動装置は、回転テーブル３５を含む。回転テーブル３５の内部には駆動モータが配置されている。回転テーブル３５は、駆動モータを駆動することによりＣ軸５１の周りにワーク１を回転するように形成されている。

本実施の形態における工作機械は、制御装置４５を含む。制御装置４５は、移動装置の送りモータや駆動モータに接続されている。制御装置は、移動装置を制御することによりワーク１に対して回転工具４１を相対的に移動させる。

図３に、本実施の形態における工作機械を用いてワークに穴部を形成する時のワーク、回転テーブル、および回転工具の概略斜視図を示す。本実施の形態においては、直方体のワーク１の一つの表面の四隅に穴部２を形成する例を説明する。

本実施の形態における回転テーブル３５は、Ｃ軸５１を回転軸にして回転する。回転工具４１の回転軸５０は、回転工具４１の延びる方向と平行な軸であり、回転工具４１の断面形状の略円の中心を通る軸である。回転工具４１は、矢印９１に示すように、回転軸５０の周りに回転する。ワーク１の回転軸としてのＣ軸５１と、回転工具４１の回転軸５０とは互いに平行になるように形成されている。

図４に、ワーク、主軸および回転テーブルを平面的に見た時の第１の概略図を示す。図３および図４を参照して、ワーク１は、回転テーブル３５の上面に配置されている保持部材３７により回転テーブル３５上の位置が固定される。本実施の形態においては、ワーク１の穴部２を形成する位置が、ワーク１の回転軸のＣ軸５１と異なる位置になるようにワーク１が回転テーブル３５に取り付けられている。本実施の形態においては、ワーク１の重心位置がＣ軸５１上になるように、ワーク１を配置している。本実施の形態において、複数の穴部２の位置は、Ｃ軸５１に対して対称な位置になる。

工作機械１１の制御装置４５は、矢印９１に示すように回転工具４１を回転させる。制御装置４５は、Ｚ軸移動装置により回転工具４１をワーク１に近接する方向に相対移動させる。回転工具４１とワーク１とが相対移動することにより穴部２が形成される。

更に、制御装置４５は、矢印９２に示すように、回転テーブル３５を回転させる。このときの回転テーブル３５の回転方向は、回転工具４１の回転方向と逆向きに設定されている。回転テーブル３５が回転することにより、ワーク１の穴部２を形成する位置もＣ軸５１の周りに回転する。本実施の形態の工作機械１１は、穴部２を形成している間、ワーク１の穴部２を形成する位置に常に回転工具４１が配置されるように主軸ヘッド２１の位置を制御する。本実施の形態の工作機械１１は、Ｘ軸移動装置およびＹ軸移動装置により、主軸ヘッド２１を移動させる。制御装置４５は、回転工具４１の位置をワーク１の穴部２を形成する位置の回転運動に追従させるように、Ｘ軸移動装置およびＹ軸移動装置を制御する。

図５に、ワーク、主軸および回転テーブルを平面的に見た時の第２の概略図を示す。図５は、図４に示す状態から、回転テーブル３５が９０°回転したときの図である。図４および図５を参照して、ワーク１は、Ｃ軸５１を中心にして回転するために、穴部２を形成する位置が変化する。穴部２の位置は、矢印９３に示すように、Ｃ軸５１の周りに回転する。回転テーブル３５が９０°回転することにより、ワーク１の穴部２の位置も９０°回転する。主軸２５は、矢印９３に示すように、Ｃ軸５１の周りに９０°回転するように制御されている。このように、主軸２５は、形成する穴部２の位置に対応して回転運動する。主軸２５に支持されている回転工具４１は、穴部２を形成している間、常に穴部２の真上に配置される。すなわち、ワーク１の穴部２の位置の回転運動に同期させて、回転工具４１の位置も回転運動する制御が行われている。

図６に、本実施の形態におけるワークと回転工具の拡大概略斜視図を示す。回転工具４１は、矢印９１に示すように、回転工具４１の軸周りに自転する。また、回転工具４１は、穴部２の回転運動に追従して公転する。更に、回転工具４１は、矢印９４に示すようにワーク１に向かって移動して穴部２を形成する。

図７に、本実施の形態において形成するワークの穴部と回転工具との拡大概略断面図を示す。回転工具４１は、矢印９１に示す向きに回転するのに対して、ワーク１の穴部２は、矢印９５に示すように、回転工具４１と逆方向に回転する。例えば、ワーク１がＣ軸５１の周りに１回転することにより、穴部２も矢印９５に示す向きに１回転する。

このように、本実施の形態の工作機械においては、回転工具４１の回転方向に対してワーク１を反対方向に回転させることができるために、優れた加工精度にて穴部を形成することができる。たとえば、穴部の深さ方向において穴部の形状が変化したり、穴部の真直精度が悪化したりすることを抑制できる。特に、穴部が深穴の場合には、優れた加工精度にて穴部を形成することができる。

図８に、ワークに形成する穴部の概略断面図を示す。穴部２の直径Ｄが小さく深さＬが大きな深穴としては、例えば、穴部２の直径Ｄに対する穴部２の深さＬの比（Ｌ／Ｄ）が、７以上の穴部を例示することができる。このような深穴においては、回転工具４１の直径が細く、また長さが長くなるために、回転工具４１の剛性が低くなり、加工精度が悪化する場合がある。しかしながら、このような深穴を形成する場合においても、本実施の形態においては、回転工具の回転方向に対して、ワークを反対方向に回転させることができるために、加工精度の優れた穴部を形成することができる。または、深穴を形成する回転工具については、回転工具４１の直径に対する軸方向の長さの比が７以上の場合に、本発明の効果が顕著になる。ここで、回転工具４１の軸方向の長さとは、工具ホルダから突出する回転工具４１の軸方向の長さを例示することができる。

このように、本実施の形態における穴加工方法は、ワークをワーク回転装置に取り付けて、ワークを回転させる回転工程と、回転工具とワークとが近接する方向に相対移動することにより穴部を形成する穴部形成工程とを含む。回転工程は、ワークの穴部を形成する位置がワークの回転軸と異なる位置になるようにワークをワーク回転装置に取り付けて、回転工具の回転方向と逆方向にワークを回転させる工程を含む。穴部形成工程は、ワークの穴部を形成する位置に回転工具が配置されるように、回転工具の位置をワークの回転に追従させながら穴部を形成する。この穴加工方法は、本実施の形態における工作機械に限られず、上記の回転工程と上記の穴部形成工程とが可能な任意の工作機械にて行うことができる。

また、本実施の形態の工作機械および穴加工方法においては、回転テーブル３５の回転軸としてのＣ軸５１から離れた位置に穴部２を形成することができる。穴部２を形成する位置を回転テーブル３５のＣ軸５１上に配置する必要がない。ワーク１に複数の穴部２を形成する場合に、一つの穴部２を形成する毎に、ワーク１を回転テーブル３５に固定し直す必要がなく、移動装置を制御することにより、連続的に複数の穴部２を形成することができる。この結果、短時間で複数の穴部２を形成することができる。本実施の形態においては、ワーク１の１つの表面に４つの穴加工を連続して行なうことができる。

また、本実施の形態においては、穴部２を回転テーブル３５における任意の位置に配置することができるために、ワーク１を回転テーブル３５に固定するときの自由度が増加する。このために、例えば、ワーク１の重心位置がＣ軸５１上に配置されるようにワーク１を固定することができる。この結果、ワーク１を回転させる時に生じるアンバランスを回避することができる。また、回転テーブル３５が回転したときに、ワーク１の一部分が工作機械の所定の部分に衝突することを回避することができる。この結果、加工が可能なワーク１の大きさを大きくすることができる。

また、本発明によれば、穴部２の位置をＣ軸５１に合わせる必要がないので、加工の効率が向上するように、自由にワーク１を回転テーブル３５に固定することができる。

本実施の形態の工作機械においては、２軸の直線送り軸を用いて、ワーク１の穴部２の位置に対して回転工具４１を追従させているが、この形態に限られず、３軸以上の直線送り軸を用いても構わない。または、ワーク１の穴部２の位置に対して回転工具４１を追従させるために、回転軸を用いても構わない。たとえば、主軸２５をＣ軸５１周りに回転させる回転移動装置を配置しても構わない。

ところで、本実施の形態の工作機械１１の制御装置４５は、回転テーブル３５の回転運動による穴部２の回転に対して回転工具４１を追従させるＸ軸およびＹ軸の制御と、回転工具４１をワーク１に挿入させるＺ軸方向の制御とを独立して行うことが好ましい。この構成により、Ｚ軸方向におけるワーク１と回転工具４１との相対速度の制御を、ワーク１および主軸２５のＣ軸５１周りの回転運動に依存しない制御にすることができる。

比較例として、主軸の移動速度と所定の時刻におけるＸ座標、Ｙ座標、およびＺ座標とを指令する場合には、Ｘ座標、Ｙ座標およびＺ座標の補間を行う。ところが、補間を行った結果、Ｚ軸方向のワーク１に対して回転工具４１を挿入する速度が所望の速度からずれる場合がある。これに対して、本実施の形態のように主軸２５の回転軸５０と穴部２の位置とを同期させる制御と、加工軸（Ｚ軸）に沿って相対移動させる制御とを独立して行うことにより、適切な加工条件にて穴加工を行うことができる。たとえば、穴部を形成する時の深さ方向の速度の誤差を抑制することができる。

工作機械１１を駆動するための加工プログラムにおいては、回転テーブル３５の回転に伴って主軸２５が穴部２１に追従するように主軸２５を回転させる指令と、穴部２の深さ方向に主軸２５を移動させる指令とは、独立して入力可能であることが好ましい。加工プログラムの例としては、主軸２５の回転軸５０と穴部２の位置との同期制御を開始するコードを予め準備することができる。また、主軸２５の回転軸５０と穴部２の位置との同期制御を終了するコードを予め準備することができる。同期制御を開始するコードと同期制御を終了するコードとの間に、ワーク１に対して回転工具４１を挿入する指令を記載することができる。このような制御のコードを準備することにより、加工プログラムの作成も容易に行うことができる。

本実施の形態における穴加工方法は、特に、深穴の形成に好適である。ワークに対して深穴を形成する製品としては、例えば、所定の油圧弁のバルブボディ、ディーゼルエンジンの燃料噴射弁に燃料を供給するコモンレール、または燃料を噴射するためのインジェクタのボディ等の製造に本発明を適用することができる。また、金型の冷却水通路の加工などにも本発明を適用することができる。本実施の形態においては、このような製品の深穴加工時に穴の曲がりまたは傾斜等を抑制して、精度良く加工することができる。

上記の実施の形態は、適宜組み合わせることができる。上述のそれぞれの図において、同一または相等する部分には同一の符号を付している。なお、上記の実施の形態は例示であり発明を限定するものではない。また、実施の形態においては、特許請求の範囲に示される変更が含まれている。

１ ワーク
２ 穴部
１１ 工作機械
１３ ベッド
１５ コラム
１７ サドル
１９ａ，１９ｂ Ｘ軸レール
２１ 主軸ヘッド
２３ａ，２３ｂ Ｚ軸レール
２５ 主軸
２７ キャリッジ
２９ａ，２９ｂ Ｙ軸レール
３５ 回転テーブル
４１ 回転工具
４５ 制御装置

Claims (5)

1. ワークをワーク回転装置に取り付けて、回転工具を回転させながら、前記回転工具と前記ワークとを相対移動させ、前記ワーク回転装置の回転軸と異なる位置に穴部を形成する穴加工方法であって、
   前記回転工具の回転方向と逆方向に前記ワークを回転させる回転工程と、前記回転工具と前記ワークとが近接する方向に相対移動することにより前記穴部を形成する穴部形成工程とを同時に実施し、
   前記穴部形成工程は、前記ワーク回転装置の回転軸の位置と異なる前記穴部を形成する位置に前記回転工具が配置されるように、２軸以上の直線送り軸を用いて前記ワークに対する前記回転工具の相対位置を変更して前記回転工具の位置を前記ワークの回転に追従させながら前記穴部を形成することを特徴とする、穴加工方法。
2. 前記穴部形成工程は、前記穴部の直径に対する深さの比が７以上になる深穴を形成する、請求項１に記載の穴加工方法。
3. 回転工具を回転させながら、前記回転工具とワークとを相対移動させて穴部を形成する工作機械であって、
   前記回転工具が回転する軸と平行な回転軸にて前記ワークを回転させるワーク回転装置と、
   前記回転工具と前記ワークとの相対位置を変更する移動装置と、
   前記移動装置を制御する制御装置とを備え、
   前記制御装置は、前記回転工具の回転方向と前記ワークの回転方向とが逆向きになるように制御し、前記ワークの穴部を形成する位置に前記回転工具が配置されるように、前記回転工具の位置を前記ワークの回転に追従させながら前記穴部を形成するように前記移動装置を制御することを特徴とする、工作機械。
4. 前記移動装置は、２軸以上の直線送り軸を用いて前記ワークに対する前記回転工具の相対位置を変更する、請求項３に記載の工作機械。
5. 前記回転工具を支持する主軸を備え、
   前記回転工具は、棒状に形成されているドリルを含み、
   前記ドリルは、前記主軸から突出する部分の直径に対する長さの比が７以上である、請求項３に記載の工作機械。

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