JP5761374B2 - 工作機械 - Google Patents

Description

関連出願

この出願は、２０１１年１２月１３日出願の特願２０１１−２７２１７０の優先権を主張するものであり、その全体を参照により本願の一部をなすものとして引用する。

この発明は、ワークの円筒面状の外周面を切削加工する工作機械、およびその工作機械を用いた加工方法に関する。

旋盤等の工作機械で外周面が円筒面状のワークに対して切削加工を行う場合、一般的には、位置固定された工具の刃先を、主軸に把持されて回転するワークの外周面に当てて加工を行う。このような、一般的な加工方法とは別に、主軸の軸心に対して斜めになった刃先を有する工具をワークの外周面の接線方向に移動させながら、刃先をワークの外周面に当てて切削加工を行う加工方法がある。この加工方法によると、工具の刃先におけるワーク切削点が連続的にずれるため、上記一般的な加工で見られる送りマークを小さくでき、表面粗度が良好に加工できる。また、ワーク切削点が連続的にずれることから、刃先の１点に切くずによる摩擦熱が集中することがない。それにより、加工速度を速くでき、かつ工具の耐久性を向上させることができる。

上記の工具を移動させる加工を実行するためには、工具をワークの外周面の接線方向に移動させる機構を設ける必要がある。ワークの外周面の接線方向（Ｙ軸方向）は、主軸の軸心方向（Ｚ軸方向）および工具の送り方向（Ｘ軸方向）にそれぞれ垂直な方向である。主軸の軸心とタレットの旋回軸が平行なタレット旋盤の場合、タレットを含む刃物台はＺ軸方向およびＸ軸方向には移動可能であるが、Ｙ軸方向の移動機構は設けられていないので、Ｙ軸方向の移動機構を新たに設けなければならない。

工具をワークの外周面の接線方向に移動させる代わりに、タレットを旋回軸回りに回転させて加工を行うことで、工具をワークの外周面の接線方向に移動させながら加工するのと同等の効果を得る加工方法も知られている。ただし、この加工方法を実行するには、タレットを旋回軸回りに回転させても工具とワークの外周面との距離が変わらないように、刃先の形状がタレットの旋回軸を中心とする円弧状である工具を用いる必要がある。

特公平３−３３４４１号公報

工具を移動させる加工方法は、刃物台をＹ軸方向に移動させる機構を新たに設ける必要があるため、工作機械の構造が複雑になり、かつ剛性の低下が避けられない。工作機械の剛性が低下すると、加工精度も低下する。また、タレットを旋回軸回りに回転させる加工方法は、刃先の先端形状が円弧状の工具を用いる必要があり、工具の加工が難しく、工具の製作コストが高くなる。

この発明の目的は、高精度、高能率の切削加工を行うことができ、構造が比較的簡単で、安価な工具を使用することが可能な工作機械および加工方法を提供することである。

この発明の工作機械は、外周面が円筒面状であるワークの端部を把持して回転する主軸と、前記主軸の軸心と平行な旋回軸回りに旋回自在であり、前記主軸の軸心と前記旋回軸とを結ぶ軸線上に沿う送り方向に主軸に対して相対的に移動自在な刃物台と、この刃物台に装着される工具と、加工制御手段とを備える。前記工具は、フラットな刃先を有し、この刃先が、前記刃物台の旋回による工具の仮想旋回軌跡の接線を含み前記旋回軸と平行な平面上に位置し、前記旋回軸に対してねじれの関係にある直線状となり、かつ主軸の軸心に対して傾斜するように前記刃物台に装着される。前記加工制御手段は、前記工具の刃先が前記主軸に把持されたワークの外周面を成す母線との距離を一定に保つように、前記刃物台の前記旋回軸回りの角度位置、および前記刃物台の前記送り方向の位置を互いに同期制御する。

この構成によると、加工制御手段により、刃物台の旋回軸回りの角度位置、および刃物台の送り方向の位置を互いに同期制御して、工具の刃先と主軸に把持されたワークの外周面を成す母線との距離を一定に保つことで、工具をワークの外周面の接線方向に移動させて加工する場合と同じように、工具の刃先におけるワーク切削点を連続的にずらしながら加工する。そのため、送りマークを小さくでき、表面粗度が良好に加工できる。また、ワーク切削点が連続的にずれるため、刃先の１点に切くずによる摩擦熱が集中することがない。それにより、加工速度を速くでき、かつ工具の耐久性を向上させることができる。

この発明において、前記刃物台は、外周部に複数の工具を装着可能で、前記旋回軸回りに旋回させることで、前記複数の工具のうちの一つを前記主軸に把持されたワークの側に割り出すようにしたタレットであってもよい。刃物台が上記タレットである工作機械の場合、刃物台を旋回軸回りに旋回させる機構が設けられている。この機構を利用して、加工時における刃物台の旋回軸回りの角度位置を制御することができるため、加工用に刃物台の旋回機構を新たに設けなくて済む。

この発明において、前記ワークの一端を前記主軸で把持し、他端を主軸とは別の支持手段により支持するようにしてもよい。この場合、長尺なワークの加工が容易になる。

この発明の加工方法は、外周面が円筒面状であるワークの端部を把持して回転する主軸と、前記主軸の軸心と平行な旋回軸回りに旋回自在であり、前記主軸の軸心と前記旋回軸とを結ぶ軸線上に沿う送り方向に主軸に対して相対的に移動自在な刃物台と、この刃物台に装着される工具とを備え、前記工具は、フラットな刃先を有し、前記刃物台の旋回による工具の仮想旋回軌跡の接線を含み前記旋回軸と平行な平面上に位置し、前記旋回軸に対してねじれの関係にある直線状となり、かつ主軸の軸心に対して傾斜するように前記刃物台に装着されるものである工作機械を用いる。前記工具の刃先が前記主軸に把持されたワークの外周面を成す母線との距離を一定に保つように、前記刃物台の前記旋回軸回りの角度位置、および前記刃物台の前記送り方向の位置を互いに同期制御して、前記工具の刃先におけるワークに接触する切削点を前記主軸の軸心に沿って移動させながらワークの円筒面状である外周面を切削加工する。

この加工方法によると、上述のこの発明の工作機械と同様の効果を得ることができる。また、前記距離を一定に保つ制御として、例えば、加工開始時から加工中間時までは前記工具を下降させ、加工中間時から加工終了時までは前記工具を上昇させる。この場合、簡単な制御で、工具の刃先とワークの外周面を成す母線との距離を一定に保つことができる。

請求の範囲および／または明細書および／または図面に開示された少なくとも２つの構成のどのような組合せも、本発明に含まれる。特に、請求の範囲の各請求項の２つ以上のどのような組合せも、本発明に含まれる。

この発明は、添付の図面を参考にした以下の好適な実施形態の説明からより明瞭に理解されるであろう。しかしながら、実施形態および図面は単なる図示および説明のためのものであり、この発明の範囲を定めるために利用されるべきものではない。この発明の範囲は添付の請求の範囲によって定まる。添付図面において、複数の図面における同一の部品番号は、同一または相当部分を示す。
この発明の一実施形態にかかる工作機械の一部破断正面図である。 同工作機械の一部破断側面図である。 同工作機械の工具の一つを示す正面図である。 同工作機械の工具の一つを示す側面図である。 同工作機械の工具の一つを示す底面図である。 ワークの一例を示す斜視図である。 加工開始時、加工中間時、および加工終了時におけるワークと工具の位置関係を示す側面図および平面図を一つの図にまとめて表した説明図である。 加工開始時におけるワークと工具を斜め上から見た斜視図である。 加工中間時におけるワークと工具を斜め上から見た斜視図である。 加工終了時におけるワークと工具を斜め上から見た斜視図である。 加工開始時におけるワークと工具を斜め下から見た斜視図である。 加工中間時におけるワークと工具を斜め下から見た斜視図である。 加工終了時におけるワークと工具を斜め下から見た斜視図である。 加工開始時のワークと工具の位置関係を詳細に示す側面図である。 加工開始時のワークと工具の別の位置関係を詳細に示す側面図である。

この発明の一実施形態を図面と共に説明する。図１はこの実施形態の一部破断正面図、図２はその一部破断側面図である。この工作機械は旋盤であって、ベッド１上に、正面視で左右方向（Ｚ軸方向）に延びる主軸２が主軸台３を介して回転自在に設置され、この主軸２の軸心Ｏ１の延長線上に、主軸２とは別の支持手段５が設けられている。この実施形態の支持手段５は、ワークＷの端面の中心を支持する回転センターであり、芯押し台４に支持されている。ワークＷは、一端が主軸２の先端に設けられたチャック２ａにより把持され、他端が支持手段５により支持される。主軸２は、サーボモータ等からなる主軸モータ６により、伝動機構７を介して回転駆動される。

主軸２によるワークＷの支持位置の上下に、一対の加工手段１０が設けられている。各加工手段１０は、送り台１１および昇降台１２を介して、タレット型の刃物台１３を主軸２の軸心方向（Ｚ軸方向）および上下方向である送り方向（Ｘ軸方向）に移動可能に設置したものである。送り台１１は、ベッド１に設けられたＺ軸方向の案内１ａに進退自在に設置され、昇降台１２は、送り台１１に設けられたＸ軸方向の案内１１ａに昇降自在に設置されている。送り台１１および昇降台１２は、それぞれサーボモータおよび送りねじ機構からなる駆動装置（図示せず）により、水平進退駆動および昇降駆動がなされる。送り台１１の進退により、刃物台１３のワークＷに対する軸方向（Ｚ軸方向）の移動がなされる。また、昇降台１２の昇降により、刃物台１３に設けた工具１４のワークＷに対する切込み量（Ｘ軸方向）の調整がなされる。

刃物台１３は、主軸２の軸心Ｏ１と平行な旋回軸Ｏ２回りに旋回自在なタレット刃物台である。刃物台１３は、旋回軸Ｏ２に沿う方向から見た形状が多角形をしており、その外周部に複数の工具装着部１３ａが設けられている。工具装着部１３ａは、刃物台１３の一部であってもよく、あるいは刃物台１３とは別に設けられた工具ホルダであっても良い。各工具装着部１３ａには、それぞれ工具１４が装着される。図示しない割出駆動機構により、旋回軸Ｏ２回りに刃物台１３を旋回させることで、各工具装着部１３ａに装着された複数の工具１４のうちの任意の工具１４が定められた加工位置Ｐに割り出される。

刃物台１３の各工具装着部１３ａに装着される複数の工具１４のうちの少なくとも一つは、刃物台１３を旋回させて切削加工を行う特殊加工用の工具１４Ａとされている。図１、図２では、上側の加工手段１０の刃物台１３に特殊加工用の工具１４Ａが装着されている。この特殊加工用の工具１４Ａは、図３Ａ〜図３Ｃに示すように、刃物台１３の旋回軸Ｏ２回りの旋回による工具１４Ａの仮想旋回軌跡Ｋの接線Ｓに対して次に述べる関係にあり、かつ主軸２の軸心Ｏ１（Ｚ軸方向）すなわち旋回軸Ｏ２に対して傾斜するフラットな刃先３０を有する。上記仮想旋回軌跡Ｋは、刃先３０を成す直線上の任意の点、例えばこの直線の長さ方向の中心点を旋回軸Ｏ２回りに回転させたときの軌跡である。刃先３０の形状をより詳しく説明すると、刃先３０は、仮想旋回軌跡Ｋの接線Ｓを含み旋回軸Ｏ２と平行な平面上に位置し、旋回軸Ｏ２に対してねじれの関係にある直線状の形状である。

図１、図２において、この工作機械は、全体が機体カバー１５に覆われており、この機体カバー１５内における主軸台３および刃物台１３を設置した空間が加工領域Ｑとなる。この加工領域Ｑの底面は全体が、傾斜面のホッパー状部１６に形成され、このホッパー状部１６の底面の開口（図示せず）部分の下に一端１７ａが位置するチップコンベア１７が、ベッド１の下面の前後に貫通した空間を介して工作機械の後方へ延びている。加工領域Ｑの前面は、機体カバー１５に設けられた開閉扉１８で開閉可能であり、この開閉扉１８に、主軸２に対するワークＷの搬入搬出の補助を行う搬入搬出補助機構１９が設けられている。

図１に示すように、この工作機械は、加工制御手段２０により制御される。加工制御手段２０は、コンピュータ式の数値制御装置およびプログラマコントローラからなり、加工プログラム２１および演算制御部２２を備える。加工プログラム２１には、一般的な工具１４を用いる通常加工用プログラム２１Ａと、特殊加工用の工具１４Ａを用いる特殊加工用プログラム２１Ｂとがある。通常加工用プログラム２１Ａには、刃物台１３をＸ軸方向に進退させる命令と、刃物台１３をＺ軸方向に進退させる命令とが記載されている。特殊加工用プログラム２１Ｂには、刃物台１３をＸ軸方向に進退させる命令と、刃物台１３をＺ軸方向に進退させる命令とに加えて、刃物台１３を旋回軸Ｏ２回りに旋回させる命令が記載されている。演算制御部２２は、上記加工プログラム２１を解読して実行し、工作機械の各駆動源等の制御を行う。

通常加工用プログラム２１Ａによる加工は、工具１４の刃先がワークＷに対して定められた切込み量となるように、刃物台１３のＸ方向位置を調整しながら、刃物台１３をＺ軸方向に移動させて切削加工を行う周知の加工である。

特殊加工用プログラム２１Ｂによる加工は、外周面が円筒面状であるワークＷの外周を切削加工する場合に適用され、工具１４Ａの刃先３０が主軸２に把持されたワークＷの外周面を成す母線Ｍ（図４）との距離を一定に保つように、刃物台１３の旋回軸Ｏ２回りの角度位置、および刃物台１３の送り方向（Ｘ軸方向）の位置を互いに同期制御しながら加工を行う。図４のようにワークＷの外周面が円筒面状である場合は、「母線Ｍとの距離を一定に保つ」という表現を、「ワークＷの中心（主軸軸心Ｏ１）との距離を一定に保つ」と言い換えることができる。

具体的な加工の例を、図５ないし図７Ａ〜Ｃと共に説明する。図５は、（Ａ）加工開始時、（Ｂ）加工中間時、および（Ｃ）加工終了時におけるワークＷと工具１４Ａの位置関係を示す側面図および平面図を一つの図にまとめて表した説明図である。図６Ａ〜図６Ｃは、それぞれ加工開始時、加工中間時、および加工終了時におけるワークＷと工具１４Ａを斜め上から見た斜視図で、図７Ａ〜図７Ｃは同じく斜め下から見た斜視図である。図示例のワークＷは、軸方向の中間部が他よりも大径となった段付き形状であり、大径部分Ｗａの外周を切削加工するものとする。また、上側の加工手段１０で切削加工を行う場合を示し、刃物台１３の旋回方向は、図５の側面図における時計回りの方向（矢印方向）とする。

まず、刃物台１３をＺ軸方向に進退させて、工具１４Ａの刃先３０をワークＷの大径部Ｗａの上方に位置させる。刃物台１３の旋回角度位置は、刃先３０の始端Ａすなわち刃物台１３の旋回による刃先３０の移動方向の先端を、主軸軸心Ｏ１と同じＹ軸方向位置とするか、または主軸軸心Ｏ１よりも刃先３０の移動方向の上流側（図５における右側）となるようにする。この状態で、刃物台１３のＸ軸方向移動により工具１４Ａを下降させて、図５の（Ａ）加工開始時のように、刃先３０の始端ＡをワークＷの外周面に接触させる。これにより、ワークＷの大径部Ｗａにおける軸方向の一方端（図５の平面図における下端）が切削加工される。

正確には、刃先３０の始端Ａが主軸軸心Ｏ１と同じＹ軸方向位置にある状態で工具１４Ａを下降させる場合、図８Ａに示すように、工具１４ＡをワークＷの上端よりも切込み量Δｘ分だけ低い位置まで下降させることで、ワークＷの外周面を切削加工する。図８Ｂのように、刃先３０の始端Ａが主軸軸心Ｏ１よりも刃先３０の移動方向の上流側にある状態で工具１４Ａを下降させる場合は、後で行われる刃物台１３の旋回により刃先３０の始端Ａでの切削加工が行われる。

工具１４Ａを定められた高さ位置まで下降させた後、刃物台１３を時計回りに旋回させることで、図５の（Ｂ）加工中間時、（Ｃ）加工終了時のように、工具１４の刃先３０におけるワーク切削点を始端Ａから中間点Ｂ、終端Ｃへと移動させながら、ワークＷの大径部Ｗａを切削加工する。その際、刃物台１３の旋回と刃物台１３の昇降とを同期制御することにより、工具１４Ａの刃先３０とワークＷの外周面との距離すなわち切込み量Δｘを一定に保つ。具体的には、加工開始時から加工中間時までは工具１４Ａを下降させ、加工中間時から加工終了時までは工具１４Ａを上昇させる。刃先３０の終端ＣによりワークＷの大径部Ｗａにおける軸方向の他端（図５の平面図における上端）が切削加工されたら、工具１４Ａを上昇させて加工を終了する。

このように、工具１４Ａの刃先３０におけるワーク切削点を連続的にずらせながら加工を行うことにより、送りマークを小さくでき、表面粗度が良好に加工できる。また、ワーク切削点が連続的にずれるため、刃先３０の１点に切くずによる摩擦熱が集中することがない。それにより、加工速度を速くでき、かつ工具１４Ａの耐久性を向上させることができる。

この実施形態の場合、主軸２とは別の支持手段５が設けられており、長尺なワークＷの場合、ワークＷの一端を主軸２で把持し、他端を支持手段５で支持することができるため、長尺なワークＷの加工も容易である。支持手段５は回転センターに限らず、他の構成のものであってもよい。また、場合によっては、支持手段５が設けられていなくてもよい。

以上のとおり、図面を参照しながら好適な実施形態を説明したが、当業者であれば、本件明細書を見て、自明な範囲内で種々の変更および修正を容易に想定するであろう。したがって、そのような変更および修正は、添付の特許請求の範囲から定まるこの発明の範囲内のものと解釈される。

２ 主軸
５ 支持手段
１３ 刃物台
１４，１４Ａ 工具
２０ 加工制御手段
３０ 刃先
Ｋ 仮想旋回軌跡
Ｍ 母線
Ｏ１ 主軸の軸心
Ｏ２ 旋回軸
Ｓ 接線
Ｗ ワーク

Claims (5)

1. 外周面が円筒面状であるワークの端部を把持して回転する主軸と、
   前記主軸の軸心と平行な旋回軸回りに旋回自在であり、前記主軸の軸心と前記旋回軸とを結ぶ軸線上に沿う送り方向に主軸に対して相対的に移動自在な刃物台と、
   この刃物台に装着される工具と、
   加工制御手段とを備え、
   前記工具は、フラットな刃先を有し、この刃先が、前記刃物台の旋回による工具の仮想旋回軌跡の接線を含み前記旋回軸と平行な平面上に位置し、前記旋回軸に対してねじれの関係にある直線状となり、かつ主軸の軸心に対して傾斜するように前記刃物台に装着されるものであり、
   前記加工制御手段は、前記工具の刃先が前記主軸に把持されたワークの外周面を成す母線との距離を一定に保つように、前記刃物台の前記旋回軸回りの角度位置、および前記刃物台の前記送り方向の位置を互いに同期制御するものとした工作機械。
2. 前記刃物台は、外周部に複数の工具を装着可能で、前記旋回軸回りに旋回させることで、前記複数の工具のうちの一つを前記主軸に把持されたワークの側に割り出すようにしたタレットである請求項１記載の工作機械。
3. 前記ワークの一端を前記主軸で把持し、他端を主軸とは別の支持手段により支持する請求項１または請求項２記載の工作機械。
4. 外周面が円筒面状であるワークの端部を把持して回転する主軸と、前記主軸の軸心と平行な旋回軸回りに旋回自在であり、前記主軸の軸心と前記旋回軸とを結ぶ軸線上に沿う送り方向に主軸に対して相対的に移動自在な刃物台と、この刃物台に装着される工具とを備え、前記工具は、フラットな刃先を有し、この刃先が、前記刃物台の旋回による工具の仮想旋回軌跡の接線を含み前記旋回軸と平行な平面上に位置し、前記旋回軸に対してねじれの関係にある直線状となり、かつ主軸の軸心に対して傾斜するように前記刃物台に装着されるものである工作機械を用いる加工方法であって、
   前記工具の刃先が前記主軸に把持されたワークの外周面を成す母線との距離を一定に保つように、前記刃物台の前記旋回軸回りの角度位置、および前記刃物台の前記送り方向の位置を互いに同期制御して、前記工具の刃先におけるワークに接触する切削点を前記主軸の軸心に沿って移動させながらワークの円筒面状である外周面を切削加工する加工方法。
5. 加工開始時から加工中間時までは前記工具を下降させ、加工中間時から加工終了時までは前記工具を上昇させることで前記距離を一定に保つように制御する請求項４記載の加工方法。

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