JP5787690B2 - 工作機械および加工方法 - Google Patents

Description

本発明は、ワークに比較的大径のねじを加工するのに適した加工工具または孔の内面仕上加工を行う加工工具を備えた工作機械および加工方法に関する。

例えば、工作機械などによってワークに雌ねじを加工するには、タップが利用される（特許文献１および特許文献２参照）
これには、まず、工作機械の主軸にドリルを取り付け、このドリルでワークに下孔を加工する。続いて、主軸にタップを取り付け、このタップを下孔に位置決めしたのち、主軸を回転させながら軸方向へ送ると、主軸の回転に伴ってタップも回転されるから、ワークに雌ねじが加工される。

特開２０１０−８９２１７号公報 特開２０１０−２２１３６９号公報

しかしながら、ワークに対して比較的大径の雌ねじを加工する場合、加工する雌ねじに対応する大径のタップを主軸に取り付けて加工を行うが、主軸を回転させるモータのトルクが小さい場合、雌ねじを加工できない場合が生じる。
例えば、主軸を回転させるモータが１５Ｋｗで、Ｍ４２の雌ねじを加工しようとすると、モータの能力不足のため、加工できない。
このようなことは、雌ねじ加工だけでなく、雄ねじ加工や、孔の内面をリーマ加工する内面仕上加工でも同様な課題が生じる。

本発明の目的は、このような課題を解消し、比較的大径のねじ加工や孔の内面仕上加工を効率的に行うことができる工作機械および加工方法を提供することにある。

本発明の工作機械は、ワークを載置するテーブル、主軸、この主軸を回転駆動させる回転駆動機構、並びに、前記テーブルおよび前記主軸を前記主軸の軸線と平行な軸方向および前記軸線に対して直交する軸方向へ相対移動させる直線駆動機構を備えた工作機械本体と、前記主軸に装着されねじを加工する加工工具または孔の内面仕上加工を行う加工工具とを備え、前記加工工具は、アームと、このアームの一端に設けられ工作機械の主軸に装着される主軸装着部と、前記アームの他端に設けられたタップ若しくはダイスまたはリーマとを備え、前記直線駆動機構および前記回転駆動機構は、前記主軸装着部を、前記タップ若しくはダイスまたはリーマを中心として、その中心から前記主軸装着部までの距離を半径とする円運動させて前記タップ若しくはダイスまたはリーマを回転させるとともに、前記加工工具を前記タップ若しくはダイスまたはリーマの軸方向へ送ることを特徴とする。
このような構成によれば、例えば、タップを備えた加工工具の場合、主軸装着部を工作機械の主軸に装着したのち、加工工具のタップをワークに予め加工した下孔に位置決めする。続いて、主軸装着部を、タップを中心として、その中心から主軸装着部までの距離を半径とする円運動させてタップを回転させるとともに、１回転当たり加工工具をタップの軸方向へかつタップの１ピッチ分ずつ送る。すると、タップが下孔に沿って回転しながら軸方向へ送られるから、ワークに雌ねじが加工される。
このとき、主軸装着部を、タップを中心として円運動させる力は小さくてもよいから、比較的大径の雌ねじを効率的に加工することができる。

また、ダイスを備えた加工工具の場合、加工工具のダイスをワークの軸部に位置決めしたのち、主軸装着部を、ダイスを中心として、その中心から主軸装着部までの距離を半径とする円運動させてダイスを回転させるとともに、１回転当たり加工工具をダイスの軸方向へかつダイスの１ピッチ分ずつ送る。すると、ダイスが軸部に沿って回転しながら軸方向へ送られるから、ワークに雄ねじが加工される。

更に、リーマを備えた加工工具の場合、加工工具のリーマをワークに予め加工した下孔に位置決めする。続いて、主軸装着部を、リーマを中心として、その中心から主軸装着部までの距離を半径とする円運動させてリーマを回転させるとともに、加工工具をリーマの軸方向へ送る。すると、リーマが下孔に沿って回転しながら軸方向へ送られるから、ワークの下孔内面が仕上加工される。
従って、主軸装着部を、ダイスやリーマを中心として円運動させる力は小さくてもよいから、比較的大径の雄ねじや孔の内面仕上加工を効率的に行うことができる。

本発明の加工工具において、前記アームの他端には、前記タップ若しくはダイスまたはリーマを前記アームに対して交換可能に取り付ける刃部取付部が設けられている、ことが好ましい。
このような構成によれば、刃部取付部によって、タップやダイス、または、リーマをアームに対して交換できるから、径の異なるタップやダイスに交換すれば、１つの加工工具によって、異なる径の雌ねじや雄ねじを加工することができる。更に、径の異なるリーマに交換すれば、１つの加工工具によって、異なる径の雌ねじや雄ねじだけでなく、異なる内径の内面仕上加工を行うことができる。

本発明の加工工具において、前記タップ若しくはダイスまたはリーマは、外径が３０ｍｍ以上である、ことが好ましい。
このような構成によれば、比較的大径の雌ねじや雄ねじ、更には、孔の内面研削を効率的に行うことができる。

本発明の加工方法は、アームと、このアームの一端に設けられ工作機械の主軸に装着される主軸装着部と、前記アームの他端に設けられたタップを備えた加工工具を用いて、ワークに雌ねじを加工する加工方法において、前記アームの他端に前記タップが取り付けられた加工工具を用意し、前記ワークに加工した下孔に、前記加工工具のタップを位置決めしたのち、前記主軸装着部を、前記タップを中心として、その中心から前記主軸装着部までの距離を半径とする円運動させてタップを回転させるとともに、１回転当たり前記加工工具を前記タップの軸方向へかつ前記タップの１ピッチ分ずつ送りながら、ワークに雌ねじを加工する、ことを特徴とする。

このような構成によれば、加工工具のタップをワークに予め加工した下孔に位置決めしたのち、主軸装着部を、タップを中心として、その中心から主軸装着部までの距離を半径とする円運動させてタップを回転させるとともに、１回転当たり加工工具をタップの軸方向へかつタップの１ピッチ分ずつ送る。すると、タップが下孔に沿って回転しながら軸方向へ送られるから、ワークに雌ねじが加工される。
従って、主軸装着部を回転させる力が小さくても、比較的大径の雌ねじを効率的に加工することができる。

本発明の工作機械において、前記回転駆動機構および直線駆動機構を加工プログラムに従って駆動制御する制御装置を備えることが好ましい。
このような構成によれば、制御装置によって、回転駆動機構および直線駆動機構を駆動制御すると、主軸に装着された加工工具によって、ワークに対して、雌ねじ、雄ねじ、あるいは、孔の内面加工を実行することができる。そのため、より効率的な加工を実現できる。

本発明の第１実施形態に係る工作機械を示す斜視図。 前記実施形態で用いる加工工具を示す斜視図。 前記実施形態の加工工具を用いて雌ねじを加工する前の状態を示す図。 前記実施形態の加工工具を下孔に位置決めしたときの状態を示す図。 前記実施形態の加工工具を用いて雌ねじを加工している状態を示す図。 前記実施形態の加工工具を用いて雌ねじを加工した後の状態を示す図。 本発明の第２実施形態で用いる加工工具を示す斜視図。 本発明の第３実施形態で用いる加工工具を示す斜視図。 本発明の加工工具の変形例を示す図。

［第１実施形態］
図１は、本発明の工作機械の第１実施形態を示す斜視図である。
同工作機械は、工作機械本体１０と、この工作機械本体１０を加工プログラムに従って駆動制御する制御装置３０と、工作機械本体１０に取り付けられ被加工物としてのワークを加工する加工工具４０Ａとを備える。

＜工作機械本体の説明（図１参照）＞
工作機械本体１０は、ベース１１と、このベース１１の上面に前後方向（Ｘ軸方向）へ移動可能に設けられたＸテーブル１２Ａと、このＸテーブル１２Ａの上面に垂直な軸（Ｃ軸）を中心に回転可能に設けられ上面に被加工物としてのワークを載置する回転テーブル１２Ｂと、ベース１１の両側に立設された一対のコラム１３Ａ，１３Ｂと、この両コラム１３Ａ，１３Ｂの上部間に掛け渡されたクロスレール１４と、このクロスレール１４に沿って左右方向（Ｙ軸方向）へ移動可能に設けられたサドル１５と、このサドル１５に上下方向（Ｚ軸方向）へ昇降可能に設けられたラム１６と、このラム１６内に回転可能に収納された主軸１７と、この主軸１７を回転駆動させる回転駆動源（図示省略）を備える門型工作機械によって構成されている。主軸１７の先端には、自動工具交換装置あるいは手動によって、雌ねじ加工用の加工工具４０Ａが取り付けられる。

ベース１１にはＸテーブル１２ＡをＸ軸方向へ移動させるＸ軸直線駆動機構（図示省略）が設けられているとともに、Ｘテーブル１２Ａには回転テーブル１２ＢをＣ軸（Ｚ軸と平行な軸）を中心に回転させる回転駆動機構（図示省略）が設けられている。また、クロスレール１４には、サドル１５をＹ軸方向に移動させるＹ軸直線駆動機構２２が、サドル１５には、ラム１６をＺ軸方向に移動させるＺ軸直線駆動機構２３が設けられている。
従って、回転テーブル１２Ｂに載置されるワークは、回転およびＸ軸方向へ移動可能な構造に、また、主軸１７に取り付けられる加工工具４０Ａについては、回転、Ｙ軸方向およびＺ軸方向への移動が可能な構造に構成されている。

＜制御装置の説明（図１参照）＞
制御装置３０は、工作機械本体１０を、手動、あるいは、予め設定されたプログラムに従って駆動を制御するもので、具体的には、Ｘテーブル１２ＡのＸ軸直線駆動機構、回転テーブル１２Ｂの回転駆動機構、サドル１５のＹ軸直線駆動機構２２、ラム１６のＺ軸直線駆動機構２３、主軸１７の回転駆動源を予め設定された加工プログラムに従って駆動制御する。

＜加工工具の説明（図２参照）＞
図２は雌ねじ加工用の加工工具４０Ａを示す斜視図である。
加工工具４０Ａは、アーム４１と、このアーム４１の一端に設けられ工作機械の主軸１７に装着される主軸装着部４５と、アーム４１の他端に設けられたタップ４６とを含んで構成されている。

アーム４１は、一定の長さを有する平板状プレートの両端を円弧状に形成したもので、他端に径の異なるタップ４６をアーム４１に対して交換可能に取り付ける刃部取付部４２を有する。刃部取付部４２は、アーム４１の他端に貫通形成された角孔４３と、アーム４１の他端外周から角孔４３に向かって螺合された止めねじ４４とから構成されている。
主軸装着部４５は、工作機械の工具取付部、つまり、主軸１７に差し込みできるように、テーパシャンクに形成されている。
タップ４６は、シャンク部４７と、このシャンク部４７の上端に形成されアーム４１の角孔４３に係合される角軸４８と、シャンク部４７の下端に一体的に形成された雌ねじ加工部４９とから構成されている。雌ねじ加工部４９は、加工する雌ねじと同じ形状の雌ねじ加工用刃が螺旋状に形成されているとともに、一定角度間隔位置に複数の切込溝が軸方向に沿って形成されている。ここでは、雌ねじ加工部４９の外径寸法は、約３０ｍｍ以上のものが利用されているが、これに限られない。

＜加工方法の説明（図３〜図６参照）＞
まず、回転テーブル１２Ｂの上にワークＷを載置する。また、加工工具４０Ａの主軸装着部４５を工作機械の主軸１７に装着したのち（図３参照）、タップ４６をワークＷに予め加工した下孔Ｈに位置決めする（図４参照）。これには、Ｘテーブル１２ＡをＸ軸方向へ移動させるとともに、サドル１５をＹ軸方向へ移動させて、タップ４６の先端をワークＷの下孔Ｈに位置決めする。

こののち、タップ４６が位置決め位置で回転するように、主軸装着部４５を、タップ４６を中心として、その中心から主軸装着部４５までの距離を半径とする円運動させながら、Ｃ軸制御を行うとともに、１回転当たり加工工具４０Ａをタップ４６の軸方向へかつタップ（雌ねじ加工部４９）の１ピッチ分ずつ送る（図５参照）。具体的には、Ｘテーブル１２ＡをＸ軸方向へ移動させるとともに、サドル１５をＹ軸方向へ移動させながら、Ｃ軸制御（主軸１７の回転角制御）を行って、タップ４６を回転させる。同時に、１回転当たり、ラム１６をＺ軸方向へかつ雌ねじ加工部４９の１ピッチ分ずつ送る。つまり、法線ヘリカル制御動作させる。
すると、タップ４６が下孔Ｈに沿って回転しながら軸方向へ送られるから、ワークＷに雌ねじが加工される。
こののち、主軸１７を前記とは逆動作させて、タップ４６を雌ねじＳ１から引き抜く（図６参照）。

従って、第１実施形態によれば、主軸１７を、タップ４６を中心として円運動させる力は小さくてもよいから、主軸１７を回転させるモータの能力が小さい場合でも、比較的大径の雌ねじＳ１を効率的に加工することができる。
また、アーム４１の他端には、タップ４６をアーム４１に対して交換可能に取り付ける刃部取付部４２が設けられているから、この刃部取付部４２によって、径の異なるタップ４６に交換すれば、１つの加工工具４０Ａによって、異なる径の雌ねじＳ１を加工することができる。
また、制御装置３０によって、回転駆動機構および直線駆動機構を駆動制御すると、主軸１７に装着された加工工具４０Ａによって、ワークＷに対して、雌ねじ加工を実行することができる。そのため、より効率的な加工を実現できる。

［第２実施形態（図７参照）］
図７は、第２実施形態で用いる加工工具４０Ｂを示す斜視図である。なお、第２実施形態の説明にあたって、第１実施形態と同一構成要素については、同一符号を付し、その説明を省略する。
第２実施形態の加工工具４０Ｂは、ワークＷの軸部に雄ねじを加工するための加工工具で、第１実施形態の加工工具４０Ａのタップ４６に代えて、雄ねじを加工するためのダイス４６Ｂが取り付けられている点、および、刃部取付部４２の角孔４３に代えて、ダイス４６Ｂを収納するための座ぐり穴付円孔４３Ｂが設けられている点が異なる。
ダイス４６Ｂは、内周面の一定角度間隔位置に複数の切込溝が軸方向に沿って形成され、この切込溝を挟む部分に雄ねじ加工用ダイス刃部４９Ｂが形成されている。雄ねじ加工用ダイス刃部４９Ｂは、加工する雄ねじと同じ形状の雌ねじ加工用刃が螺旋状に形成されている。ここでは、雄ねじ加工用ダイス刃部４９Ｂの外径寸法は、約３０ｍｍ以上のものが利用されているが、これに限られない。

第２実施形態の場合、加工工具４０Ｂのダイス４６Ｂをワークの軸部に位置決めしたのち、主軸装着部４５を、ダイス４６Ｂを中心として、その中心から主軸装着部４５までの距離を半径とする円運動させながらＣ軸制御を行って、ダイス４６Ｂを回転させるとともに、１回転当たり加工工具４０Ｂをダイス４６Ｂの軸方向へかつダイス４６Ｂの１ピッチ分ずつ送ると、ダイス４６Ｂが軸部に沿って回転しながら軸方向へ送られるから、ワークに雄ねじが加工される。
従って、主軸１７を回転させるモータの能力が小さい場合でも、主軸装着部４５を、ダイス４６Ｂを中心として円運動させる力は小さくてもよいから、比較的大径の雄ねじを効率的に加工することができる。

［第３実施形態（図８参照）］
図８は、第３実施形態で用いる加工工具４０Ｃを示す斜視図である。なお、第３実施形態の説明にあたって、第１実施形態と同一構成要素については、同一符号を付し、その説明を省略する。
第３実施形態の加工工具４０Ｃは、ワークＷの下孔Ｈ内面の仕上加工するための加工工具で、第１実施形態の加工工具４０Ａのタップ４６に代えて、内面仕上を行うためのリーマ４６Ｃが取り付けられている点が異なる。
リーマ４６Ｃは、シャンク部４７Ｃと、このシャンク部４７Ｃの上端に形成されアーム４１の角孔４３に係合される角軸４８Ｃと、シャンク部４７Ｃの下端に一体的に形成された仕上加工部４９Ｃとから構成されている。仕上加工部４９Ｃは、加工する下孔より僅かに大きい径で、一定角度間隔位置に複数の切込溝が軸方向に沿って形成され、この切込溝の片側に刃を有する。ここでは、仕上加工部４９Ｃの外径寸法は、約３０ｍｍ以上のものが利用されているが、これに限られない。

第３実施形態の場合、加工工具４０Ｃのリーマ４６Ｃをワークに予め加工した下孔に位置決めしたのち、主軸装着部４５を、リーマ４６Ｃを中心として、その中心から主軸装着部４５までの距離を半径とする円運動させながらＣ軸制御を行って、リーマ４６Ｃを回転させるとともに、加工工具４０Ｃをリーマ４６Ｃの軸方向へ送ると、リーマ４６Ｃが下孔に沿って回転しながら軸方向へ送られるから、ワークの下孔内面が仕上加工される。
従って、主軸１７を回転させるモータの能力が小さい場合でも、主軸装着部４５を、リーマ４６Ｃを中心として円運動させる力は小さくてもよいから、比較的大径の孔の内面仕上加工を効率的に行うことができる。

＜変形例＞
なお、本発明は、前述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれる。
各実施形態では、アーム４１に対して主軸装着部４５が固定されていたが、アーム４１に対して主軸装着部４５が回転可能に連結された構造であってもよい。例えば、図９に示すように、主軸装着部４５の底面に支持軸４５Ａを一体的に形成し、この支持軸４５Ａにアーム４１の一端を回転可能に取り付けるようにしてもよい。
前記各実施形態では、主軸１７を、タップ４６、ダイス４６Ｂ、リーマ４６Ｃを中心として、その中心から主軸装着部４５までの距離を半径とする円運動させつつＣ軸制御して、タップ４６、ダイス４６Ｂ、リーマ４６Ｃを回転させるようにしたが、図９に示す構造にすれば、Ｘテーブル１２ＡのＸ軸方向への移動、および、サドル１５のＹ軸方向への移動により、主軸１７を、タップ４６、ダイス４６Ｂ、リーマ４６Ｃを中心として、その中心から主軸装着部４５までの距離を半径とする円運動させるだけで、タップ４６、ダイス４６Ｂ、リーマ４６Ｃを回転させることができるから、制御が単純化できる。
なお、図９に示す構造において、支持軸４５Ａにノッチを設け、このノッチをロックするようにすれば、Ｃ軸制御を行う場合と、Ｃ軸制御を行わない場合とを兼用できる。

各実施形態において、タップ４６，ダイス４６Ｂおよびリーマ４６Ｃを一方向へ回転させながら、ワークＷの雌ねじや雄ねじを加工するとともに、下孔の内面研削を行うようにしたが、加工途中において、一定深さに達する毎に、タップ４６，ダイス４６Ｂおよびリーマ４６Ｃを逆方向へ回転させながら加工するようにすれば、切削した切り粉を排出することができる。

また、第１，第３実施形態では、刃部取付部４２を、角孔４３と止めねじ４４とから構成し、第２実施形態では、円孔４３Ｂと止めねじ４４とから構成したが、この構造に限らず、他の構成であってもよい。
例えば、アームの他端に角孔４３と円孔４３Ｂとを並設し、タップ４６やリーマ４６Ｃの場合には角孔４３に係合し、ダイス４６Ｂの場合には円孔４３Ｂに係合するようにすれば、１つの加工工具によって、雌ねじ加工、雄ねじ加工、リーマ加工（仕上加工）を行うことができる。

また、各実施形態では、切削油の使用については、特に、言及しなかったが、常時あるいは一定加工毎に、切削油をワークとタップ４６，ダイス４６Ｂおよびリーマ４６Ｃとの接触部に供給するようにすれば、切削面を高精度に仕上げることができる。
この場合、切削油を、主軸１７から主軸装着部４５、アーム４１の内部を通して、タップ４６，ダイス４６Ｂおよびリーマ４６Ｃの外周面に供給するようにしてもよい。

各実施形態では、工作機械本体１０として、垂直な軸（Ｃ軸）を中心に回転可能に設けられ上面に被加工物としてのワークを載置する回転テーブル１２Ｂと、回転テーブル１２ＢをＸ軸方向へ移動させるＸ軸直線駆動機構、加工工具４０Ａ，４０Ｂ，４０Ｃを取り付ける主軸１７を回転駆動させる回転駆動源と、主軸１７を回転テーブル１２Ｂの回転軸線（Ｃ軸）と平行なＺ軸方向およびこれに対して直交するＹ軸方向へ移動させるＺ軸直線駆動機構２３、Ｙ軸直線駆動機構２２とを備えた門型加工機を用いたが、これに限られない。
例えば、ワークを載置するテーブルについては回転しない構造とし、このテーブルと加工工具４０Ａ，４０Ｂ，４０Ｃを取り付けた主軸１７とをＸ軸方向、Ｙ軸方向、および、Ｚ軸方向へ移動させる相対移動機構を備えた工作機械であってもよい。

更に、本発明の加工方法を、主軸が水平な横中ぐり盤や、横型マシニングセンタに適用し、これらの横中ぐり盤や、横型マシニングセンタにおいて、雌ねじ加工、雄ねじ加工、リーマ加工するようにすることもできる。

本発明は、雌ねじ加工、雄ねじ加工、リーマ加工を必要とするワークの加工に利用することができる。

１０…工作機械本体、
１２Ｂ…回転テーブル、
１７…主軸
２２…Ｙ軸直線駆動機構、
２３…Ｚ軸直線駆動機構、
３０…制御装置、
４０Ａ…雌ねじ加工工具、
４０Ｂ…雄ねじ加工工具、
４０Ｃ…内面仕上加工工具、
４１…アーム、
４２…刃部取付部、
４５…主軸装着部、
４６…タップ、
４６Ｂ…ダイス、
４６Ｃ…リーマ。

Claims (5)

1. ワークを載置するテーブル、主軸、この主軸を回転駆動させる回転駆動機構、並びに、前記テーブルおよび前記主軸を前記主軸の軸線と平行な軸方向および前記軸線に対して直交する軸方向へ相対移動させる直線駆動機構を備えた工作機械本体と、
   前記主軸に装着されねじを加工する加工工具または孔の内面仕上加工を行う加工工具とを備え、
   前記加工工具は、アームと、このアームの一端に設けられ工作機械の主軸に装着される主軸装着部と、前記アームの他端に設けられたタップ若しくはダイスまたはリーマとを備え、
   前記直線駆動機構および前記回転駆動機構は、前記主軸装着部を、前記タップ若しくはダイスまたはリーマを中心として、その中心から前記主軸装着部までの距離を半径とする円運動させて前記タップ若しくはダイスまたはリーマを回転させるとともに、前記加工工具を前記タップ若しくはダイスまたはリーマの軸方向へ送る
   ことを特徴とする工作機械。
2. 請求項１に記載の工作機械において、
   前記アームの他端には、前記タップ若しくはダイスまたはリーマを前記アームに対して交換可能に取り付ける刃部取付部が設けられている、ことを特徴とする工作機械。
3. 請求項１または請求項２に記載の工作機械において、
   前記タップ若しくはダイスまたはリーマは、外径が３０ｍｍ以上である、ことを特徴とする工作機械。
4. 請求項１から請求項３のいずれかに記載の工作機械において、
   前記回転駆動機構および直線駆動機構を加工プログラムに従って駆動制御する制御装置を備えることを特徴とする工作機械。
5. アームと、このアームの一端に設けられ工作機械の主軸に装着される主軸装着部と、前記アームの他端に設けられたタップを備えた加工工具を用いて、ワークに雌ねじを加工する加工方法において、
   前記アームの他端に前記タップが取り付けられた加工工具を用意し、
   前記ワークに加工した下孔に、前記加工工具のタップを位置決めしたのち、
   前記主軸装着部を、前記タップを中心として、その中心から前記主軸装着部までの距離を半径とする円運動させてタップを回転させるとともに、１回転当たり前記加工工具を前記タップの軸方向へかつ前記タップの１ピッチ分ずつ送りながら、ワークに雌ねじを加工する、ことを特徴とする加工方法。

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