JP5818506B2 - 切削工具、工作機械および溝加工方法 - Google Patents
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Description
工作機械では、スピンドル先端に切削工具を装着したうえでスピンドルを高速回転させるとともに、X,Y,Zの3軸駆動系で工具の刃物位置を正確に制御することで、ワークの指定位置に対して高精度な加工を実現している。
従って、ワークの溝幅を変更したい場合あるいは異なる幅の溝加工を行う場合には、切削工具を交換する必要が生じていた。このような工具交換は、人手による場合は勿論のこと、工具交換装置による交換であっても所定の時間を要し、作業効率を低下させる原因となっていた。
さらに、ワークに加工する溝が、溝の長手方向に沿ってその幅寸法が変化する形状である場合、同じ工具のまま1回で加工することは不可能であり、必ず幅寸法を規定する両側内面に沿った2回以上の切削が必要となっていた。
同様に、例えば横中ぐり盤など、ワークが切削工具に対して回転する形式の装置において、ワークにその回転中心に沿って延びる溝を加工する場合、溝内の対向する両側内面は正確にはワークの径方向の面となり、その結果、溝断面は矩形ではなく扇形となる。特に、溝幅がワーク直径に対して大きい場合、扇形が顕著となり、通常の矩形断面の溝を形成できないことになる。
工具交換が必要となる他の例として、表面仕上げ精度が異なる研削あるいは研磨を行う場合、粗密の2種類の工具を取り替えて2回の加工を行う必要がある。
このように、異なる幅や高さ等の寸法、異なる仕上げ精度、複雑な形状など、異なる条件での加工が必要な場合、複数の工具を交換しつつ2回以上の加工動作が必須であった。
本発明において、複数のカッタとしては、同一仕様のカッタを複数用いるとしてもよく、仕様(例えば、径や高さ等の寸法、形状、刃物の配置や向き、加工精度など)の一部が異なるカッタを用いてもよい。
本発明において、カッタとしては、ワークの切削を行うものに限らず、研磨、研削あるいは穿孔など、ワークからその材料を除去することで加工を行うための手段を広く含む。
例えば、ロータに設置されたカッタが2つとして、カッタが溝加工の方向に並んでいる状態では一方のカッタが切削した後、他方のカッタは形成された溝内を通過するだけであり、形成される溝の幅は最小幅であるカッタの外周面の直径寸法となる。一方、2つのカッタが溝加工の方向と直角に並んだ状態では、2つのカッタが並列に切削を行うことになり、2つのカッタの外側を結んだ最大幅の溝が加工されることになる。さらに、ロータを前述した二位置の中間にした場合、2つのカッタの外側を結んだ幅が、前述した最大幅より小さいが前述した最小幅より大きい中間的な任意の寸法とすることができる。
このように、本発明によれば、ロータの回転角度位置によって複数のカッタの配置を変更することができ、この配置変更により溝加工の幅を自由に変更することが可能となる。
例えば、工具への負荷を軽減するために先溝加工を行う場合があるが、このような場合、先ず小径のカッタで狭い幅の溝を加工しておき、続いて狭い溝に沿って大径のカッタで幅の広い溝を加工してゆくことで、工具交換なしに加工を完了することができる。
あるいは、幅広い溝の底部に狭い溝を二段に形成する場合、高さ寸法が大きく小径のカッタと、高さ寸法が小さく大径のカッタとを組み合わせた切削工具とすることで、工具交換なしに加工を完了することができる。
ロータ駆動モータおよびカッタ駆動モータとしては、電動モータあるいは油圧あるいは空気圧などで駆動され流体圧モータなどが適宜利用できる。
なお、ロータ駆動モータおよびカッタ駆動モータとして流体圧モータを用いる場合、発電機に変えて流体を加圧駆動するポンプを設置してもよい。但し、回転制御等の簡略化が可能であるため、電動モータを用いることが望ましい。
このような本発明では、カッタ駆動モータを回転させることで、カッタを用いたワークに対する溝加工を行うことができる。溝加工を行う際、スピンドルを回転(C軸制御)することにより、ロータをベースに対して回転させることができる。
本発明の切削工具は、先端に切削工具が装着されるスピンドルと、前記スピンドルを支持しかつ前記スピンドルをその中心軸廻りに回転駆動するヘッドと、を有する工作機械に装着されてワークに溝加工を行うための切削工具であって、前記ヘッドに接続されるベースと、前記ベースに支持されてロータ回転軸まわりに回転自在なロータと、前記ロータに支持されて前記ロータ回転軸に平行なカッタ回転軸まわりに回転自在な複数のカッタと、前記ベースに設置され、前記スピンドルに接続されて前記スピンドルの回転を前記ロータおよび前記カッタに伝達する動力伝達機構と、を有し、前記動力伝達機構は、前記スピンドルの回転を前記ロータまたは前記カッタのいずれかに切り替えるクラッチ機構を有する構成としてもよい。
このような本発明では、スピンドルの回転を動力源とするため、外部からの電源配線等が不要となり、切削工具周辺の設備簡素化が図れる。
このような本発明では、前述した切削工具について述べた本発明の効果を得ることができる。
このような本発明では、ロータの回転により複数の前記カッタの最大幅を調節することで、同じカッタのまま交換等を行うことなく、異なる幅の溝を加工することができる。
〔第1実施形態〕
図1から図7には、本発明の第1実施形態が示されている。
図1において、本発明の切削工具1は、シャンク10、ベース20、ロータ30を有するとともに、図2に示すような一対のカッタ40を有し、図3に示すように工作機械のスピンドル2およびこれを支持するヘッド3に装着されてワークに対する溝加工を行うものである。
ベース20の外周面の一部には径方向に膨出した保持部22が形成されている。保持部22には円錐台状のサブシャンク23が形成され、このサブシャンク23はヘッド3から延びる延長部3Aに接続可能である。この延長部3Aとサブシャンク23との接続により、ベース20はヘッド3に対して固定される。
ロータ30のベース20に対する回転軸(ロータ回転軸AR)は、スピンドル2の回転軸ASおよび前述したシャンク10のシャフト13の回転軸と同一になっている。
前述したシャンク10のシャフト13は、ベース20を貫通してロータ30内まで延長され、その中間部にはフランジ14が固定されている。フランジ14の外周はケース31の内側に固定され、スピンドル2によりシャンク10が回転駆動されることでロータ30が一体に回転し、ヘッド3およびベース20に対して回転方向を指定することができる。これにより、スピンドル2のC軸制御(回転角度制御)により、ロータ30の回転角度位置を制御することができる。
カッタ駆動モータ45は、高圧空気で駆動されるエアモータであり、配管45Aを介してシャフト13の端面に連結され、シャフト13ないしシャンク10の中心に沿って形成された通路13Aを経由してスピンドル2に接続されている。従って、スピンドル2から高圧空気を供給することで、カッタ駆動モータ45が駆動され、カッタ40が回転する。
カッタ駆動モータ45の回転軸つまりカッタ40の回転軸であるカッタ回転軸ACは、前述したロータ回転軸ARと平行とされ、かつ一対のカッタ回転軸ACは互いにロータ回転軸ARの反対側に等距離で配置されている。
本実施形態において、カッタ駆動モータ45として油圧モータを用いてもよい。但し、この場合、作動油の回収用配管等が必要となるため、大気に排出できるエアモータを用いることが望ましい。
本実施形態において、カッタ駆動モータ45として電動モータを用いてもよい。電動モータを用いる場合、給電用の配線経路としてサブシャンク23を通る通路23Aを用いることができる。
溝加工を行う際、スピンドル2を回転(C軸制御)することにより、ロータ30をベース20に対して回転させることで、加工する溝に対するカッタ40の並び方向を変更することができ、この並び方向により加工する溝幅を調整することができる。
なお、各図において、一対のカッタ40は各々のカッタ回転軸ACを中心に、例えば反対方向に回転駆動され、ワーク4に対する切削を行う。また、溝5の連続方向となるカッタ40の送り方向DM、カッタ40単体の最大外径D、一対のカッタ40の並び方向DC、溝5の最小幅W1、中間的な幅W2、最大幅W3とする。
この状態では、方向DMから見ると、一対のカッタ40は重なって最外側の距離はカッタ40の最大外径Dひとつ分になる。
従って、この状態でカッタ40を回転させて切削を行いつつ、カッタ40を方向DMへと送ることで、最小幅W1=最大外径Dの溝5が形成される。
この状態では、方向DMから見ると、一対のカッタ40が並び、最外側の距離はカッタ40の最大外径Dひとつ分よりも大きくなる。
従って、この状態でカッタ40を回転させて切削を行いつつ、カッタ40を方向DMへと送ることで、幅W2>最大外径Dの溝5が形成される。
この状態では、方向DMから見ると、一対のカッタ40が互いに真横に並び、最外側の距離はカッタ40の最大外径Dひとつ分と一対のカッタ回転軸の距離との和となる。
従って、この状態でカッタ40を回転させて切削を行いつつ、カッタ40を方向DMへと送ることで、最大幅W3の溝5が形成される。
先ず、一対のカッタ40の最外側の距離が幅W4となるようにカッタ40の並び方向DCの傾きS4を調整しておく。この状態でカッタ40をそれぞれ回転させてワーク4に切り込む。
続いて、切削と平行してカッタ40の並び方向DCの傾きを変化させつつ切削を進め、ワーク4の出口側でカッタ40の最外側の距離が幅W5となるような並び方向DCの傾きS5となるまで回転位置を調整する。
なお、図7において、一対のカッタ40は、並び方向DCがカッタ40の送り方向DMに対して傾斜しており、ふたつのカッタ40は送り方向DMに対して前後になる。一方、テーパ状の溝5は送り方向DMに沿って幅が変化するため、それぞれカッタ40がある位置では異なる幅となる。従って、送り動作にあたっては、送り方向DMに対して幅方向にオフセットOFをとり、前後のカッタ40が正確に溝5の内側を切削するように補正することが好ましい。
図8には、本発明の第2実施形態が示されている。
図8において、切削工具1Aは、前述した第1実施形態と同様なシャンク10、ベース20、ロータ30、カッタ40を有する。これらの共通する構成については、簡略化のため同じ符号を付し、重複する説明を省略する。
本実施形態においては、ロータ30およびカッタ40を動作させるための内部構成が異なる。
ロータ30のケース31の内側にはソレノイド33を介してクラッチ板34が設置されている。クラッチ板34はフランジ14に対向され、通常はフランジ14との間に隙間があるが、ソレノイド33を作動させることでフランジ14に向けて付勢され、フランジ14に圧接される。フランジ14とクラッチ板34が圧接された状態では、シャフト13の回転がロータ30に伝達され、ヘッド3に対するスピンドル2の回転により、ベース20に対してロータ30が回転される。
但し、カッタ40およびロータ30の動力源として、スピンドル2の回転をクラッチ板34で切り替えて利用するため、カッタ40およびロータ30を同時に動作させることができず、このため図7の動作を行うためにはクラッチ板34の切り替えを頻繁に行う等の処理が必要となる。
図9には、本発明の第3実施形態が示されている。
図9において、切削工具1Bは、前述した第1実施形態と同様なシャンク10、ベース20、ロータ30、カッタ40を有する。これらの共通する構成については、簡略化のため同じ符号を付し、重複する説明を省略する。
本実施形態においては、ロータ30およびカッタ40を動作させるための内部構成が異なる。
ロータ30のケース31の内部にはロータ駆動モータ39が設置され、ベース20のケース21の内部には内歯車24が設置されている。ロータ駆動モータ39のシャフトには図示しないピニオンが装着され、このピニオンが内歯車24に噛合されており、コントローラ29からの指令によりロータ駆動モータ39が回転することで、ロータ30はベース20に対して回転される。
なお、ロータ30のベース20に対する回転軸(ロータ回転軸AR)は、スピンドル2の回転軸ASおよび前述したシャンク10のシャフト13の回転軸と同一になっている。
一対のカッタ駆動モータ49はコントローラ29で制御される。コントローラ29は保持部22内には設置されている。サブシャンク23および延長部3Aには、それぞれ対応する配線用コネクタ(図示省略)が設置されており、これらの延長部3Aおよびサブシャンク23のコネクタ同士の接続により、ヘッド3側からコントローラ29への制御信号等の電気的接続が得られるようになっている。
特に、カッタ40およびロータ30の動力源を独立した電動式のカッタ駆動モータ49およびロータ駆動モータ39としたため、前述した図7のようなカッタ40およびロータ30の同時動作も自由に行うことができる。
なお、本実施形態において、電動式のカッタ駆動モータ49およびロータ駆動モータ39への電力供給は、サブシャンク23および延長部3Aを経てヘッド3から得るようにすればよいが、スピンドル2による発電による電力を用いてもよい。
この発電機19で発生した電力を前述したロータ駆動モータ39およびカッタ駆動モータ49の電源として用い、コントローラ29により動作を制御するように構成してもよい。
なお、電力の安定化を図るために、発電した電力を蓄える二次電池などを併せて用いるようにしてもよい。また、電力負荷に応じて発電機19およびスピンドル2の回転速度を調整してもよい。
なお、本実施形態ではシャフト13ないしカッタ40に至る伝達経路は常時噛み合いであり、クラッチ板34によりロータ30を回転させる際にもカッタ40が回転することになるが、実用上問題ない。あるいは、歯車機構44などに噛み合いを解除する機構その他のクラッチ機構を設け、ロータ30を回転させる際にはカッタ40が回転しないように構成してもよい。
前記実施形態では、2つのカッタを用いたが、3つ以上のカッタを用いてもよい。3つ以上のカッタは、複数が一列に並ぶ配置、V字状の配置など、適宜な配置とすることができる。
本発明において、カッタとしては、ワークの切削を行うものに限らず、研磨、研削あるいは穿孔など、ワークからその材料を除去することで加工を行うための手段を広く含む。
図10ないし図14には、本発明の第4実施形態が示されている。
前述した第1実施形態ないし第3実施形態では、それぞれ2つのカッタ40が同一仕様のものであった。これに対し、本実施形態では異なる仕様のカッタ40A,40Bを用いる。
図10および図11において、本実施形態のカッタ40A,40Bは、一方のカッタ40Aが比較的小径(外径D1)で軸方向長さ(高さ)が比較的大きい(長さL1)であるのに対し、他方のカッタ40Bは比較的大径(外径D2>D1)で軸方向長さ(高さ)が比較的小さい(長さL2<L1)である。
本実施形態のカッタ40A,40Bにおける、これらの寸法の相違は、基本的にホルダ41A,41Bの相違であり、これらに装着された刃物42は同じものとされている。
図12において、先溝加工を行う場合、先ずロータ30を回転させてカッタ40A,40Bの並びを溝の連続方向(図12の左から右)に合わせ、先行するカッタ40Aによりワーク4に狭い溝5Aを切り込んでゆく。さらに、追従するカッタ40Bにより広い溝5Bを形成してゆく。
このような加工により、ワーク4に広い溝5Bを加工することができるとともに、先行する狭い溝5Aの加工を同じ動作のなかで実行することができ、従来の工具交換および2回の繰り返し加工が不要となり、作業効率の向上が期待できる。
本実施形態では、ロータ30を回転させてカッタ40A,40Bが並ぶ方向を選択することができ、ワーク4における溝がどのような方向であっても適切に対応することができる。
図13のように、広い溝5Bの底面の中間に狭い溝5Aがある場合、溝の連続方向に対してカッタ40A,40Bの整列方向が揃うようにすればよい。この状態でカッタ40A,40Bによりワーク4を切り進むことで、図13の断面形状が加工される。
図14のように、広い溝5Bの一方の側壁に沿って狭い溝5Aがある場合、溝の連続方向に対してカッタ40A,40Bの整列方向を傾斜させ、カッタ40A,40Bの各外径が溝の連続方向に揃うようにすればよい。この状態でカッタ40A,40Bによりワーク4を切り進むことで、図14の断面形状が加工される。
図15には、本発明の第5実施形態が示されている。
前述した第1実施形態ないし第4実施形態では、それぞれ2つの同一のカッタ40あるいは異なる仕様のカッタ40A,40Bを用いており、各々は刃物42が装着されて回転切削を行うものであった。これに対し、本実施形態ではカッタとして研磨ツール40C,40Dを用いる。
図15において、研磨ツール40C,40Dは、ロータ30に設置されたカッタ駆動モータ49(図1参照)等で回転駆動される。ロータ30は前述した第1実施形態ないし第3実施形態で説明した切削工具1,1A,1Bの一部であり、これらの全体の説明は省略する。
このような本実施形態では、ロータ30を回転させてワークに対して適用される研磨ツール40C,40Dを選択することで、粗研磨と精密仕上げとを切り替えることができ、工具交換なしに複数の加工を行うことができる。
なお、本実施形態では端面研磨を行う研磨ツール40C,40Dを用いたが、側面研磨を行うものとしてもよい。
図16には、本発明の第6実施形態が示されている。
前述した第1実施形態ないし第4実施形態では、それぞれ2つの同一のカッタ40あるいは異なる仕様のカッタ40A,40Bを用い、各々により側面切削あるいは端面切削を行うとしたが、各々で用いたカッタはいわゆるフライスカッタであった。これに対し、本実施形態ではカッタとしてエンドミル40E,40Fを用いる。
図16において、エンドミル40E,40Fは、ロータ30に設置されたカッタ駆動モータ45,49(図3,図9参照)等で回転駆動される。ロータ30は前述した第1実施形態ないし第3実施形態で説明した切削工具1,1A,1Bの一部であり、これらの全体の説明は省略する。
本実施形態において、エンドミル用の刃物42Eは比較的小径とされ、この刃物42Eが固定されたエンドミル40Eは精密加工用とされる。エンドミル用の刃物42Fは比較的大径とされ、この刃物42Fが固定されたエンドミル40Fは粗加工用とされる。
このような本実施形態では、ロータ30を回転させてワークに対して適用されるエンドミル40E,40Fを選択することで、エンドミル加工の粗密を切り替えることができ、工具交換なしに複数の加工を行うことができる。
2…スピンドル
3…ヘッド
3A…延長部
4…ワーク
5,5A,5B…溝
10…シャンク
11…テーパーシャンク
12…支持部
13…シャフト
14…フランジ
19…発電機
20…ベース
21…ケース
22…保持部
23…サブシャンク
24…内歯車
29…コントローラ
30…ロータ
31…ケース
32…ベアリング
33…ソレノイド
34…クラッチ板
39…ロータ駆動モータ
40,40A,40B…カッタ
40C,40D…カッタとしての研磨ツール
40E,40F…カッタとしてのエンドミル
41,41A,41B,41E,41F…ホルダ
42,42E,42F…刃物42C,42D…研磨材
43…シャフト
44…歯車機構
45,49…カッタ駆動モータ
AR…ロータ回転軸
AS…スピンドル回転軸
D…最大外径
DC…並び方向
DM…送り方向
OF…オフセット
S2…角度
W1…最小幅
W2…中間的な幅
W3…最大幅
W4,W5…幅
Claims (6)
- 工作機械に装着されてワークに溝加工を行うための切削工具であって、
前記工作機械に接続されるベースと、前記ベースに支持されてロータ回転軸まわりに回転自在なロータと、前記ロータに支持されて前記ロータ回転軸に平行なカッタ回転軸まわりに回転自在な複数のカッタと、前記ベースに対して前記ロータを回転させるロータ駆動モータと、前記ロータに対して前記カッタを回転させるカッタ駆動モータと、を有することを特徴とする切削工具。 - 請求項1に記載した切削工具において、
前記工作機械は、先端に切削工具が装着されるスピンドルと、前記スピンドルを支持しかつ前記スピンドルをその中心軸廻りに回転駆動するヘッドとを有し、
前記ベースは前記ヘッドに接続され、
前記ベースには、前記スピンドルに接続されて前記スピンドルの回転により発電する発電機が設置され、
前記ロータ駆動モータおよび前記カッタ駆動モータは前記発電機が発電する電力を電源として回転することを特徴とする切削工具。 - 先端に切削工具が装着されるスピンドルと、前記スピンドルを支持しかつ前記スピンドルをその中心軸廻りに回転駆動するヘッドと、を有する工作機械に装着されてワークに溝加工を行うための切削工具であって、
前記ヘッドに接続されるベースと、前記ベースに支持されてロータ回転軸まわりに回転自在なロータと、前記ロータに支持されて前記ロータ回転軸に平行なカッタ回転軸まわりに回転自在な複数のカッタと、前記ロータに対して前記カッタを回転させるカッタ駆動モータと、前記ベースに設置され、前記スピンドルに接続されて前記スピンドルの回転を前記ロータに伝達する機構と、を有することを特徴とする切削工具。 - 先端に切削工具が装着されるスピンドルと、前記スピンドルを支持しかつ前記スピンドルをその中心軸廻りに回転駆動するヘッドと、を有する工作機械に装着されてワークに溝加工を行うための切削工具であって、
前記ヘッドに接続されるベースと、前記ベースに支持されてロータ回転軸まわりに回転自在なロータと、前記ロータに支持されて前記ロータ回転軸に平行なカッタ回転軸まわりに回転自在な複数のカッタと、
前記ベースに設置され、前記スピンドルに接続されて前記スピンドルの回転を前記ロータまたは前記カッタに伝達する動力伝達機構と、を有し、
前記動力伝達機構は、前記スピンドルの回転を前記ロータまたは前記カッタのいずれかに切り替えるクラッチ機構を有することを特徴とする切削工具。 - ワークに溝加工を行うための工作機械であって、
前記ワークを載置するテーブルと、前記テーブルに対して移動される請求項1から請求項4のいずれか一項に記載の切削工具とを有することを特徴とする工作機械。 - ワークに溝を加工するための溝加工方法であって、
請求項1から請求項4のいずれか一項に記載の切削工具を用い、
前記ロータを前記ベースに対して回転させて前記溝の幅方向における複数の前記カッタの最大幅を調節し、
複数の前記カッタを回転させつつ前記溝の連続方向へ移動させて、前記ワークに前記最大幅の前記溝を加工することを特徴とする溝加工方法。
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