JP5818556B2 - 穴あけ加工装置 - Google Patents

Description

本発明は、切削工具を自転させつつ公転させながら難削材に穴をあけることができる穴あけ加工装置に関し、より具体的には、加工の際に、切削工具の自転軸を平行移動又は傾斜させることで、公転運動における所望の公転半径を設定可能な穴あけ加工装置に関するものである。

近年、環境問題への対策や燃費向上を目的として、航空機や自動車など様々な機械の軽量化が盛んに行われている。このような状況の下、軽量かつ高強度な材料として、チタンやマグネシウムなどの軽金属、炭素繊維強化プラスチック（Ｃａｒｂｏｎ Ｆｉｂｅｒ Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ Ｐｌａｓｔｉｃｓ、以下、「ＣＦＲＰ」とも呼ぶ。）等の複合材料、及び、これらの材料が積層されてなる積層材料が注目を集めている。

これらの材料に穿孔（穴あけ加工）を施す切削加工には、従来より、ボール盤やマシニングセンタを用いたドリル加工が挙げられる。このドリル加工では、切削工具としてドリルを使用し、この切削工具を自身の中心を軸（以下、「中心軸」や「自転軸」とも呼ぶ。）として回転（以下、「自転」とも呼ぶ。）させながらこの中心軸方向に送ることにより、切削加工を行う。しかしながら、このドリル加工では、一般に、難削材に形成される穴の品質は十分ではなく、ドリルの摩耗も早いといった問題が指摘されている。

また、特許文献１〜４に示すように、切削工具としてエンドミルと似た専用の切削工具を用い、この切削工具を、中心軸を基点として自転させると同時に、この中心軸と平行かつ偏心した軸を基点として回転（以下、「公転」とも呼ぶ。）させながら、中心軸方向に送ることにより、切削加工を行う加工法（以下、「オービタル加工」とも呼ぶ。）が既に提案されている。この加工法では、切削工具（専用工具）は自転しながら公転（螺旋状の運動）を行うため、被削物（難削材）上に加工される穴の径は、切削工具の径よりも大きくなる。従って、オービタル加工は、上述のドリル加工よりも難削材に対して高速かつ高品質の穴あけを実現できるとともに、切削工具の寿命も延びる点で優れているといえる。

次に、上述のオービタル加工装置１００の一例について簡単に述べる。図１０に示すように、従来の加工装置１００は、偏心円筒孔を有した内部円筒体１１３と偏心円筒孔を有した外部円筒体１１４とが入れ子状に設けられた構造を成す。より具体的には、切削工具１１１を保持しながら自転するスピンドル１１２が内部円筒体１１３の偏心円筒孔にベアリング（図示せず）を介して収容され、内部円筒体１１３が外部円筒体１１４の偏心円筒孔にベアリング（図示せず）を介して収容される。スピンドル１１２は、内蔵された電源（モータ）やエア等で回転可能であり、外部円筒体１１４と内部円筒体１１３とは、独立して動作する駆動系（サーボモータＭ１，Ｍ２、ベルトホイール（図示せず）、及びベルトＢ１，Ｂ２等を含む。）によって駆動する。外側円筒体１１４と内側円筒体１１３との回転を完全に同期させ、適切な回転数に制御することで任意の偏心量ｅ（外側円筒体１１４の回転中心と工具１１１の回転中心とのずれ、すなわち公転半径）を得ることができる。なお、図１０の例ではｅ＝０である。また、偏心量ｅを得る際に、双方の円筒体１１３，１１４ともに、それぞれの軸方向に移動することはない。

しかしながら、以上のような構造を有した従来の装置１００では、オービタル加工を行う際に各円筒体１１３，１１４の回転運動を絶えず適切に同期させるように夫々の駆動機構を動的に制御する必要があり、高速回転で切削するには不向きであるとともに高い真円度を要求される穴を穿孔することは極めて困難であった。そのため、特許文献２の装置には、一方の円筒体の回転中心と他方の円筒体の回転中心との間に発生し得るミスアライメント（切削工具１１１の振動の一因）を吸収するオルダム連結器（図示せず）を設けるなどして対処している。

また、ＣＦＲＰなどの繊維補強材は、機械加工が施される際に、加工された穴の周りの繊維が剥離してバリ等が発生してしまう傾向があり、繊維補強材に高品質な穴あけを実現することは困難であった。なお、特許文献４に開示の技術では、特殊な形状の切削工具（エンドミル）を用いることで、この繊維剥離の問題を解決している。

このように、従来のオービタル加工機械装置１００は、上述のような高度な駆動系の制御を行うために構造が複雑でかつ大型となる。従って、装置はどうしても高価になりがちであり、加工対象も今のところ、製造単価の高い航空部品等に限定されている。

なお、上述のオービタル加工のように２つの回転軸を利用した穴あけ加工として、マシニングセンタを使用したヘリカル加工が挙げられるが、その動作機構は、以下のように、オービタル加工のそれと全く異なる。ヘリカル加工では、２つの直動アクチュエータの動きを同期させることにより、疑似的な円運動（公転）を生じさせている。このため、ヘリカル加工では、公転の高速化が困難であり、加えて、マシニングセンタを利用するため加工装置の小型化やポータブル化には不向きである。

特許第３４４４８８７号公報 特許第４０１９４２３号公報 特許第４０１６４２６号公報 特表２０１０―５２３３５６号公報

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、難削材への穴あけが高速かつ高品質を実現できる穴あけ加工装置を提供することを目的とする。

また、本発明は、簡素かつ小型な構造を有した穴あけ加工装置を安価に提供することを目的とする。

本発明者らは、鋭意検討の末、従来のオービタル加工装置に使用されていた偏心機構とは異なる偏心機構を見出し、本発明を完成するに至った。

すなわち、本発明は、例えば、以下の構成・特徴を備えるものである。
（態様１）
切削工具と、
前記切削工具を装着可能なスピンドルと、
前記スピンドルを介して前記切削工具を自転させる自転用モータと、
前記スピンドルを収容可能な内側部材と、
被加工面に対して略垂直に向けられた回転軸と、前記内側部材を移動自在に収容可能なガイド穴と、を有した外側部材と、
前記外側部材を回転させて前記切削工具を公転させる公転用モータと、
を備えた穴あけ加工装置であって、
前記ガイド穴は、前記内側部材の中心軸が前記外側部材の前記回転軸に対して傾斜した状態で前記内側部材を収容し、
前記内側部材を前記ガイド穴に沿って移動させることで、前記切削工具の自転軸を、前記外側部材の前記回転軸に一致した位置と、前記回転軸に対して径方向かつ軸方向に離れた位置と、の間で平行にオフセットでき、
前記径方向の前記オフセット量が前記切削工具の公転半径に相当することを特徴とする穴あけ加工装置。
（態様２）
前記内側部材の傾斜角度が１〜５°の範囲であることを特徴とする態様１記載の穴あけ加工装置。
（態様３）
前記自転用モータの回転数と前記公転用モータの回転数との比が１００以上であることを特徴とする態様１又は２に記載の穴あけ加工装置。
（態様４）
前記内側部材は外周上にキーが設けられた円柱を成すとともに、
前記外側部材の前記ガイド穴には、前記キーを案内可能なキー溝が設けられていることを特徴とする態様１〜３のいずれかに記載の穴あけ加工装置。
（態様５）
前記自転用モータが前記スピンドルに内蔵されていることを特徴とする態様１〜４のいずれかに記載の穴あけ加工装置。
（態様６）
前記自転用モータと前記スピンドルとは、高速ユニバーサルジョイントによって連結されていることを特徴とする態様１〜４のいずれかに記載の穴あけ加工装置。
（態様７）
前記穴あけ加工装置はスピンドルユニットケースをさらに備え、かつ、
前記公転用モータはロータマグネットとステータコイルとを備え、かつ、前記スピンドルユニットケースと前記外側部材との間に埋め込まれていることを特徴とする態様１〜６のいずれかに記載の穴あけ加工装置。
（態様８）
切削工具と、
前記切削工具を装着可能なスピンドルと、
前記スピンドルを介して前記切削工具を自転させる自転用モータと、
前記スピンドルを収容可能な内側部材と、
被加工面に対して略垂直に向けられた回転軸と、前記内側部材を移動自在に収容可能なガイド穴と、を有した外側部材と、
前記外側部材を回転させて前記切削工具を公転させる公転用モータと、
を備えた穴あけ加工装置であって、
前記ガイド穴は、前記内側部材の中心軸が前記外側部材の前記回転軸に対して傾斜した状態で前記内側部材を収容し、
前記内側部材を前記ガイド穴の周方向に沿って移動させることで、前記切削工具の自転軸を、前記外側部材の前記回転軸に一致した姿勢と、前記回転軸に対して傾斜した姿勢と、のいずれかの姿勢に変更でき、
前記傾斜した姿勢における前記切削工具の刃先と前記外側部材の前記回転軸との距離が公転半径に相当し、
前記穴あけ加工装置はスピンドルユニットケースをさらに備え、かつ、
前記公転用モータはロータマグネットとステータコイルとを備え、かつ、前記スピンドルユニットケースと前記外側部材との間に埋め込まれていることを特徴とする穴あけ加工装置。
（態様９）
前記切削工具の傾斜角度が１〜５°の範囲であることを特徴とする態様８記載の穴あけ加工装置。
（態様１０）
前記自転用モータの回転数と前記公転用モータの回転数との比が１００以上であることを特徴とする態様８又は９に記載の穴あけ加工装置。
（態様１１）
前記内側部材は円柱を成すことを特徴とする態様８〜１０のいずれかに記載の穴あけ加工装置。
（態様１２）
前記自転用モータが前記スピンドルに内蔵されていることを特徴とする態様８〜１１のいずれかに記載の穴あけ加工装置。
（態様１３）
前記自転用モータと前記スピンドルとは、高速ユニバーサルジョイントによって連結されていることを特徴とする態様８〜１１のいずれかに記載の穴あけ加工装置。

本発明の穴あけ加工装置は、以上のような構成の偏心調節機構（オフセット調節機構）を備えているために、ＣＦＲＰ等の難削材に対して高精度かつ高速に穴あけ加工を施すことができる。具体的には、工具スピンドルが６０，０００ｒｐｍで自転しつつ、自転軸から最大３ｍｍで偏心させた軸を基点に４００ｒｐｍで公転可能であることを実機試験により実証している。

本発明の穴あけ加工装置では、上述の自転と公転とによる運動を伴う切削工具の切れ刃が断続的に被加工物を切削することで、切り屑の排出性と切れ刃の温度上昇を低減させることができる。これにより、本発明に装着する切削工具の寿命を延ばすことが可能になるとともに、高精度かつ高品質な穴を繊維補強材等の難削材に穿設することができる。例えば、繊維積層部分での剥離を抑制したり、穴加工面の面粗さを改善したりすることができる。

また、自転用モータの回転数と公転用モータの回転数との比が１００以上に設定した本発明の好適な態様によれば、例えば、極めて高い真円度を有した穴あけ等、より高精度かつ高品質な穴あけを実現できる。

また、本発明の穴あけ加工装置の好適な態様は、内側部材をガイド穴の周方向に沿って移動させることで、切削工具の自転軸を、外側部材の回転軸に一致した姿勢と、回転軸に対して傾斜した姿勢と、のいずれかの姿勢に変更でき、傾斜した姿勢における切削工具の刃先と外側部材の前記回転軸との距離が公転半径に相当することを特徴とする。この切削工具の傾斜姿勢により、切れ刃の中心より外側（切削周速度が存在する点）から被加工物に接触できるため、切削開始および終了時の切削抵抗の低減と穴貫通の瞬間におこる表面層剥離によるバリ等の発生を抑えることも可能となる。

また、本発明の穴あけ加工装置では、従来技術で切削工具の公転動作に要していた内側部材を駆動する駆動機構（モータ、その他の関連部品）が不要となり、外側部材を駆動する駆動機構のみを用意すればよい。また、振動やミスアライメントを緩和するような特殊な装置を設ける必要も無い。加えて、切削工具を公転させる際に、内側部材の回転数と外側部材の回転数との厳密な同期を取るように複数の駆動機構の運転を制御する必要も無い。

また、本発明の穴あけ加工装置は簡素な構造を採用しているため、小型かつ低廉な装置として提供できる。とりわけ、公転用モータとしてビルトイン型モータ（ダイレクトドライブ型モータ）を採用した構成は、装置の小型化の他にポータブル化・モジュール化にも好適である。従って、本発明の穴あけ加工装置は、高強度材料を主として使用する航空産業以外にも様々な分野で適用可能な難削材の加工装置として期待できる。

本発明の穴あけ加工装置の概略を示した斜視図である。 本発明の穴あけ加工装置の主要な構成部材を示した分解斜視図である。 図１のＡ−Ａ’断面に沿って破断した断面図である。 公転用モータの変形例を説明した図である。 偏心量（オフセット量）の調節機構を説明した図である。（実施例１） 偏心量（オフセット量）の調節機構を説明した図である。（実施例１） 工具自転用モータの設置構造の変形例を説明した図である。 偏心量の調節機構を説明した図である。（実施例２） 偏心後の工具先端の位置及び偏心量を導出するためのモデルを示した図である。（実施例２） 従来のオービタル加工装置の駆動機構・駆動原理を説明した図である。

以下、本発明を図面に示す実施の形態に基づき説明するが、本発明は、下記の具体的な実施態様に何等限定されるものではない。なお、各図において同一又は対応する要素には同一符号を用いる。また、各図に示す装置や一部の構成部材は、説明の便宜のため、実際の寸法より拡大・縮小して描画されていることに留意されたい。

上述したように、従来技術においては、オービタル加工が、ボール盤を利用したドリル加工やマシニングセンタを利用したヘリカル加工に比して、難削材への穴あけ加工方法として優れているといえるが、装置全体が従来のボール盤と同等の小さなサイズに抑えながら、簡素な駆動系を用いて切削工具を高速に自転・公転させることのできる加工装置が必要である。本発明者らは、このような需要に対応可能な新規な穴あけ加工装置（特に、スピンドルの駆動機構）を以下のように提案する。

図１は本発明の穴あけ加工装置１の概略を示した斜視図であり、図２はこの穴あけ加工装置１の主要な構成部材の概略を示した分解斜視図を示す。なお、各図面は、主要な構成部材を視認し易くするため、主要部材の各部材が実際の寸法や形状よりも拡大・強調して描かれているともに、一部の部材の描画が省略されていることに留意されたい。なお、図３は、図１のＡ−Ａ’断面に沿って破断した断面図であり、簡略化して描かれた図１よりも実際の構成に近い状態を示す。

穴あけ加工装置１（以下、単に「加工装置」又は「装置」とも呼ぶ。）は、中心軸Ａ１１を有した切削工具１１（以下、単に「工具」とも呼ぶ。）と、回転軸Ａ１２を有し、この回転軸Ａ１２と切削工具１１の中心軸Ａ１１とを一致させながら長手方向の一端に切削工具１１を装着可能な工具保持スピンドル１２（以下、単に「スピンドル」とも呼ぶ。）と、スピンドル１２を収容する内側部材１３と、被加工面に対して略垂直に向けられた回転軸Ａ１４と内側部材１３を移動自在に収容可能なガイド穴１４ｇとを有した外側部材１４と、を少なくとも備える。なお、図１〜図５に示す例では、内側部材１３と外側部材１４とは中空の円筒体を成す。

ここで、スピンドル１２には、切削工具１１に連結可能な自転用モータ（図示せず）が内蔵されていてもよい。この自転用モータにより、切削工具１１をその中心軸Ａ１１を基点として回転（つまり、自転）させることができる。

なお、図３に示すように、スピンドル１２と内側部材１３との間には、スピンドル１２を回転可能に支承する軸受１８ａ〜１８ｄを設けてもよく、外側部材１４と後述のスピンドルユニットケース１５との間には、外側部材１４を回転可能に支承する軸受１９ａ，１９ｂを設けることもできる。これらの軸受１８ａ〜１８ｄ，１９ａ，１９ｂとして、好ましくは、深溝玉軸受を用いるのがよい。

スピンドルユニットケース１５は、上述のスピンドル１２と、内側部材１３と、外側部材１４と、を図１及び図３に示すように入れ子状に収容しながら、これらの部材１２〜１４を支持する。

さらに、穴あけ加工装置１は公転用モータＭ１を備える。図１の例では、公転用モータＭ１は公転用モータユニットケース２１に収容される。公転用モータＭ１にはプーリー１７が連結され、外側部材１４にはプーリー１６が連結され、プーリー１６，１７の外周にはベルトＢ１が懸架されており、公転用モータＭ１の回転力がプーリー１７、ベルトＢ１、及びプーリー１６を介して外側部材１４に伝達される。

なお、公転用モータＭ１は、上述のように、切削工具１１が装着されたスピンドル１２と内側部材１３と外側部材１４とを含んだ機構（スピンドルユニットとも呼ぶ。）から離れた構成に限定されない。例えば、図４に示すように、スピンドルユニットに公転用モータＭ１を埋め込む（つまり、ビルトイン）形にすることも可能である。具体的には、スピンドルユニット後端のベルト駆動用プーリー１６やベルトＢ１を廃し、スピンドルユニットケース１５と、ベアリング１９ａ，１９ｂで支承された外側部材１４と、の間にロータマグネット４１とステータコイル４２で構成された公転用モータＭ１を埋め込んでいる。

このようなビルトイン型モータを使用したダイレクトドライブにすることで、装置構成部品点数の低減や加工装置１本体の更なる小型化が可能となる。さらに、部品点数の低減は、加工装置コストの低減につながるとともに、加工時の振動の低減や高速加工の実現にもつながる。

加えて、加工装置１のモジュール化設計により既存の機械装置にそのまま装着して高度な切削加工が可能となり、加工装置１の設計自由度も改善することができる。

ここで、モジュール化とは、公転用モータＭ１をビルトイン化した加工装置１自体が一つの回転工具用スピンドルユニットとして扱えることを意味する。従って、既存のボール盤やフライス盤の主軸と交換あるいは付加して加工を行うことや、産業用ロボットのエンドエフェクタとして取り付けて加工を実施できる。

実施例１では、内側部材１３と外側部材１４とは、外側部材１４の回転軸Ａ１４に対して切削工具１１の中心軸（自転軸）Ａ１１を径方向及び軸方向に平行に所望量だけオフセットさせる機構を有する。このオフセット量が偏心量（公転半径）に相当するため、この機構が偏心量調節機構を構成する。

図５は、偏心量調節機構の一例（実施例１）を説明した図である。図５（ａ）は、偏心前（オフセット無し）の状態の各部材１３，１４の正面図であり、図５（ｂ）は、図５（ａ）のＢ−Ｂ’の位置で軸方向に沿って破断した断面図である。図５（ｃ）及び図５（ｄ）は、偏心後（オフセット有り）の状態の各部材１３，１４の正面図及び図５（ｃ）のＢ−Ｂ’の位置で軸方向に沿って破断した断面図である。

ここで、内側部材１３は、例えば、円柱（図５（ａ）及び図５（ｃ）を参照）もしくは角柱（例えば、図６（ａ）及び図６（ｂ）に示す四角柱）を成しており、一方、外側部材１４は、この内側部材１３を収容・移動させるためのガイド穴１４ｇが設けられている。内側部材１３の中心軸Ａ１３は、外側部材１４の回転軸Ａ１４に対して適切な角度φで傾斜しており、その軸方向に沿った断面は、図５（ｂ）又は図５（ｄ）に示すように、平行四辺形を成す。傾斜角φは、内側部材１３および外側部材１４の構造的強度と偏心によるアンバランスを考慮すると、１〜５°、好ましくは２〜４°の範囲に設定されていることが好ましい。

以上のような構成のため、内側部材１３が外側部材１４に完全に収容されている状態（図５（ａ）及び図５（ｂ）参照）では、スピンドル１２の回転軸Ａ１２（つまり、切削工具１１の自転軸Ａ１１）が外側部材１４の回転軸Ａ１４に一致するため、自転軸Ａ１１は中心軸Ａ１４に対して偏心しない（偏心量ｅが零（ｅ＝０）である）。従って、この状態では切削工具１１は自転動作のみ行う。一方、内側部材１３が外側部材１４に対して径方向かつ軸方向にオフセットした状態（図５（ｃ）及び図５（ｄ）参照、図示では、右斜上方に移動）では、切削工具１１の自転軸Ａ１１が外側部材１４の回転軸Ａ１４から径方向に所定の距離（偏心量ｅ）だけ移動することになる。外側部材１４を公転用モータＭ１によって駆動すれば、上記偏心量ｅを半径とした公転動作を、切削工具１１にさらに与えることができ、結果として切削工具１１に自転と公転との双方の動作を付与しながら被加工物に対して穴あけ加工を行うことになる。

また、内側部材１３が上述のように傾斜した円柱形状を成す場合、内側部材１３には図５（ａ）及び５（ｃ）に示すようなキー１３ｋが設けられ、この内側部材１３を収容する外側部材１４のガイド穴１４ｇにはこのキー１３ｋを案内するキー溝１４ｋが設けられることが好ましい。これにより、内側部材１３のオフセットを所定の方向（図５ではＸ方向）にのみ制限することができ、例えば、内側部材１３がオフセットする際に内側部材１３がその円周方向に移動（つまり回転）することを禁止することができる。つまり、内側部材１３が平面的に（例えば、軸方向とＸ方向との平面上で）オフセットすることになり、より適切かつ厳密にオフセット量を調節できるようになる。

以上のように、公転用モータＭ１と自転用モータ（図示せず）とは、お互いに独立して回転する。公転用モータＭ１は回転させる慣性が大きいため、高速に回転させないことが望ましい。一方、自転用モータは，ＣＦＲＰ等の難削材を切削する際には非常に高速な切削速度が必要となるため、３０，０００ｒｐｍ以上の回転数を発揮する能力が必要である。

また、効率的かつ良好な穴あけを可能にするためには公転回転数と自転回転数との比（回転数比）を大きくする必要がある。本発明者らによる基礎的な研究成果によれば、この回転数比は１００以上が望ましい。回転数比が１００未満より低くなると、切削工具１１の描く回転軌跡の真円度が悪化するだけでなく、高速な穴あけが不可能となる。このため、本発明の装置１を構成する部品のうち、少なくとも工具自転用モータ及び工具保持スピンドル１２は、高速回転に対応したものが求められる。

本発明の穴あけ加工装置１は、以上のような構成を備えているために、ＣＦＲＰ等の難削材に対して高精度かつ高速に穴あけ加工を施すことができる。具体的には、本発明者らは、切削工具１１を６０，０００ｒｐｍで自転させつつ、自転軸から最大３ｍｍで偏心させた軸を基点に４００ｒｐｍで公転させつつＣＦＲＰを穴あけ加工可能であることを実証している。

本発明の穴あけ加工装置１では、上述の自転と公転とによる運動を伴う切削工具１１の切れ刃が断続的に被加工物を切削することで，切り屑の排出性と切れ刃の温度上昇を低減させることができる。これにより、本発明に装着する切削工具１１の寿命を延ばすことが可能になるとともに、高精度かつ高品質な穴を繊維補強材等の難削材に穿設することができる。例えば、繊維積層部分での剥離を抑制したり、穴加工面の面粗さを改善したりすることができる。

また、上述の実施例１では、工具保持スピンドル１２に工具自転用のモータを内蔵させた構造を採用したが、例えば、図７に示すように、工具保持スピンドル１２から前記モータを分離して、モータＭ３と工具保持スピンドル１２との間を高速ユニバーサルジョイント３０で連結するようにしてもよい。このような構成を採用することにより、利用するモータの選択の幅が広がり、装置１の設計上の自由度を増やすことができる。

図８は、偏心量調節機構のもう一つの例（実施例２）を説明した図である。図８（ａ）は、偏心前の状態（自転軸と公転軸とが一致した状態）の各部材１３，１４の正面図であり、図８（ｂ）は、図８（ａ）のＢ−Ｂ’の位置で軸方向に沿って破断した断面図である。図８（ｃ）及び図８（ｄ）は、偏心後の状態（自転軸が公転軸に対して傾斜した状態）の各部材１３，１４の正面図及び図８（ｃ）のＢ−Ｂ’の位置で軸方向に沿って破断した断面図である。

実施例２では、内側部材１３や外側部材１４の形状や寸法については実施例１の場合とほぼ同様であるが、切削工具１１の公転動作や公転半径の与え方が異なる。具体的には、実施例１のように、内側部材１３を外側部材１４の軸方向及び径方向に移動（オフセット）させるのではなく、内側部材１３を外側部材１４のガイド穴（円筒空洞体）の周方向に移動（回転）させる。

これにより、スピンドル１２及び切削工具１１の軸Ａ１２，Ａ１１が外側部材１４の回転軸Ａ１４に対して傾斜するようになり、結果的に、切削工具１１の先端の刃先が回転軸Ａ１４（公転軸）から所定の距離ｅ（公転半径）だけ離れて回転することになる。なお、図示の例では、工具１１の自転軸Ａ１１が、外側部材１４の回転軸Ａ１４に対して角度αだけ傾斜している（図８（ｄ）を参照）。

本発明の装置１が、以上のような実施例２の構成の偏心量調節機構を備えることで、切削工具１１は自転しながら、偏心距離ｅに等しい公転半径で公転しながら被加工物に穴あけ加工を施すことができるようになる。なお、実施例２では、切削工具１１の刃先の底面（底刃）と側面（側刃）とが交わる角部が被加工物に接触するようになるため、より高精度かつ高品質の穴あけ加工が実現することになる。より具体的には、切削工具１１の傾斜姿勢（角度α）により、切れ刃の中心より外側（すなわち、切削周速度が存在する点である底刃と側刃とが交わる角部）から被加工物に接触できるため，切削開始および終了時の切削抵抗の低減と穴貫通の瞬間におこる表面層剥離によるバリ等の発生を抑えることも可能となる。

なお、特許文献３に開示の加工技術は、被加工物に円錐形や湾曲壁等の特殊形状を有する穴を穿孔するための方法であり、簡素かつ低廉な装置構成で高精度・高品質の円筒穴の形成することを狙う本発明（実施例２を含む。）とは目的や技術思想を異にするものである。

さらに、実施例２においては、切削工具１１により被加工物を切削する際には、上述したように、切削工具１１の先端刃の角部（底刃と側刃との接続部）だけで加工を行うのに対し、特許文献３の穿孔方法では切削工具の刃全体（すなわち、底刃と側刃の全て）を用いて加工を行うために実施例２と同等レベルの高精度・高品質の穴あけの実現が困難であることが予測される。

また、特許文献３は、上記特殊形状の穴を形成するために、これを実現する加工装置には、被加工物にテンプレートに装着し、さらにテンプレートに取り付けるための筐体を設け、さらには、円錐形状のテーパを制御する滑動部材を設ける必要があり、本発明の実施例２に係る装置構成と全く異なるものとなる。実施例２に係る装置１は、内側部材１３をその中心軸Ａ１３を基点として回動可能な機構を採用することで、切削工具１１の自転軸Ａ１１が外側部材１４の回転軸Ａ１４に対して傾斜して偏心量ｅ（公転半径）を得るものであるのに対し、特許文献３に開示の加工装置は、滑動部材により切削工具を傾斜させるものである。

（実施例２の偏心量調節機構における偏心量の導出）
図９は、実施例２において、偏心後の工具１１先端の位置及び偏心量ｅを導出するためのモデルを示す。図９（ａ）は偏心前の状態（自転軸と公転軸とが一致した状態）を示し、図８（ａ）及び図８（ｂ）に示す状態に対応する。一方、図９（ｂ）は偏心後の状態（自転軸が公転軸に対して傾斜した状態）を示し、図８（ｃ）及び図８（ｄ）に示す状態に対応する。なお、図９の各図では、説明の便宜のため、単純な円筒形をなす内側部材１３を示すとともに、図１〜図８に用いた符号と一部表現の異なる符号を用いる。

図９中、（Ｘａ，Ｙａ，Ｚａ）は外側部材１４の中心を原点とした直交座標形の第１フレームであり、（Ｘｂ，Ｙｂ，Ｚｂ）は内側部材１３の中心を原点とした直交座標形の第２フレームである。第２フレームは第１フレームにおいて紙面に垂直Ｙａ軸を基点として角度φだけ傾いている。ｌは内側部材１３の長さであり、εは内側部材１３の中心から自転軸を上端面に写像した距離である。また、第２フレームのＺｂ軸回りの回転角をθとする。このとき、第２フレームにおける自転軸が内側部材１３の端面との交差する位置ベクトルとして、^ｂＰは偏心前の位置ベクトルを示し，^ｂＰ^＊は偏心後の位置ベクトルを示している。ここで、^ｂＰは、以下の式で具体的に記述できる。

また、第２フレームから第１フレームへの同時変換行列は、次式のように記述できる。

自転軸の位置ベクトル^ｂＰを第１フレーム（即ち、外側部材の座標形）で表したものを^ａＰとすると、^ａＰは次式のように記述できる。

工具１１の長さは第２フレームにおける^ｂＰのスカラー倍であるため、工具長さをｋとしたとき、工具先端の位置ベクトル^ｂＰｔは次式のように記述できる。

上述の数式を用いて、偏心後の工具１１先端の位置ベクトル^ｂＰｔを外側部材座標である第１フレームに基づいて表すと、次式（数５）のようになり、ひいては以下の数式（数６）で記述される。

ここで、距離εは、角度φと長さｌとを用いた次式で表すことができる。

従って、第１フレームを基準とした工具１１先端の位置ベクトル^ａＰｔと偏心量ｅとは以下の数式で表すことができる。

以上の偏心量ｅの導出式から、式中の内側部材１３の長さｌと傾斜角φと工具１１の長さｋとは、加工装置１が一旦製作されると固定の値であるため、偏心量ｅは専ら内側部材１３の軸Ｚｂを中心とした回転角θによって調節可能であることがわかる。

難削材の一つであるＣＦＲＰは、高強度と軽量性とを併せ持つことから、今後益々使用される分野が広がっていくと予想される。これまでのＣＦＲＰに高精度の穴を加工する方法は、上述のように、マシニングセンタを用いたヘリカル加工か、従来の装置によるオービタル加工が挙げられるが、前者はマシニングセンタを用意する必要があり、後者は複雑な駆動系のため高速回転での切削加工に不向きで、加工性能に改善の余地がある。また、両者とも非常に高価な設備となるために、航空産業以外に普及させることは困難である。

これに対して、本発明の穴あけ加工装置は、駆動機構が簡素なことから切削工具を高速回転させることができ、加工中に被加工物の剥離を生じさせること無く、高真円度を有した高品質の穴を穿孔することが可能である。また、装置全体の小型化も可能であり、装置を安価に提供可能である。また、本発明の装置はモジュール化設計に適した構造でもあるため、既存のボール盤やフライス盤の主軸と交換あるいは付加して加工を行うことや、産業用ロボットのエンドエフェクタとして取り付けて加工を実施できる。従って、本発明の装置は、航空産業以外の分野でも様々なＣＦＲＰ加工ニーズにも十分に応えられるといえ、産業上の利用可能性が非常に高い。

１ 穴あけ加工装置
１１ 切削工具
１２ 工具保持スピンドル
１３ 内側部材
１３ｋ キー
１４ 外側部材
１４ｋ キー溝
１４ｇ ガイド穴
１５ スピンドルユニットケース
１６ プーリー
１７ プーリー
１８ａ，１８ｂ，１８ｃ，１８ｄ 軸受
１９ａ，１９ｂ 軸受
２１ 公転用モータユニットケース
３０ 高速ユニバーサルジョイント
４１ ロータマグネット
４２ ステータコイル
Ｍ１ 公転用モータ
Ｂ１ ベルト
Ａ１１ 切削工具の回転軸
Ａ１２ 工具保持スピンドルの軸
Ａ１３ 内側部材の中心軸
Ａ１４ 外側部材の回転軸
φ 外側部材の回転軸に対する内側部材の軸の傾斜角度
α 外側部材の回転軸に対する切削工具の自転軸の傾斜角度

Claims (13)

1. 切削工具と、
   前記切削工具を装着可能なスピンドルと、
   前記スピンドルを介して前記切削工具を自転させる自転用モータと、
   前記スピンドルを収容可能な内側部材と、
   被加工面に対して略垂直に向けられた回転軸と、前記内側部材を移動自在に収容可能なガイド穴と、を有した外側部材と、
   前記外側部材を回転させて前記切削工具を公転させる公転用モータと、
   を備えた穴あけ加工装置であって、
   前記ガイド穴は、前記内側部材の中心軸が前記外側部材の前記回転軸に対して傾斜した状態で前記内側部材を収容し、
   前記内側部材を前記ガイド穴に沿って移動させることで、前記切削工具の自転軸を、前記外側部材の前記回転軸に一致した位置と、前記回転軸に対して径方向かつ軸方向に離れた位置と、の間で平行にオフセットでき、
   前記径方向の前記オフセット量が前記切削工具の公転半径に相当することを特徴とする穴あけ加工装置。
2. 前記内側部材の傾斜角度が１〜５°の範囲であることを特徴とする請求項１記載の穴あけ加工装置。
3. 前記自転用モータの回転数と前記公転用モータの回転数との比が１００以上であることを特徴とする請求項１又は２に記載の穴あけ加工装置。
4. 前記内側部材は外周上にキーが設けられた円柱を成すとともに、
   前記外側部材の前記ガイド穴には、前記キーを案内可能なキー溝が設けられていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の穴あけ加工装置。
5. 前記自転用モータが前記スピンドルに内蔵されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の穴あけ加工装置。
6. 前記自転用モータと前記スピンドルとは、高速ユニバーサルジョイントによって連結されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の穴あけ加工装置。
7. 前記穴あけ加工装置はスピンドルユニットケースをさらに備え、かつ、
   前記公転用モータはロータマグネットとステータコイルとを備え、かつ、前記スピンドルユニットケースと前記外側部材との間に埋め込まれていることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の穴あけ加工装置。
8. 切削工具と、
   前記切削工具を装着可能なスピンドルと、
   前記スピンドルを介して前記切削工具を自転させる自転用モータと、
   前記スピンドルを収容可能な内側部材と、
   被加工面に対して略垂直に向けられた回転軸と、前記内側部材を移動自在に収容可能なガイド穴と、を有した外側部材と、
   前記外側部材を回転させて前記切削工具を公転させる公転用モータと、
   を備えた穴あけ加工装置であって、
   前記ガイド穴は、前記内側部材の中心軸が前記外側部材の前記回転軸に対して傾斜した状態で前記内側部材を収容し、
   前記内側部材を前記ガイド穴の周方向に沿って移動させることで、前記切削工具の自転軸を、前記外側部材の前記回転軸に一致した姿勢と、前記回転軸に対して傾斜した姿勢と、のいずれかの姿勢に変更でき、
   前記傾斜した姿勢における前記切削工具の刃先と前記外側部材の前記回転軸との距離が公転半径に相当し、
   前記穴あけ加工装置はスピンドルユニットケースをさらに備え、かつ、
   前記公転用モータはロータマグネットとステータコイルとを備え、かつ、前記スピンドルユニットケースと前記外側部材との間に埋め込まれていることを特徴とする穴あけ加工装置。
9. 前記切削工具の傾斜角度が１〜５°の範囲であることを特徴とする請求項８記載の穴あけ加工装置。
10. 前記自転用モータの回転数と前記公転用モータの回転数との比が１００以上であることを特徴とする請求項８又は９に記載の穴あけ加工装置。
11. 前記内側部材は円柱を成すことを特徴とする請求項８〜１０のいずれかに記載の穴あけ加工装置。
12. 前記自転用モータが前記スピンドルに内蔵されていることを特徴とする請求項８〜１１のいずれかに記載の穴あけ加工装置。
13. 前記自転用モータと前記スピンドルとは、高速ユニバーサルジョイントによって連結されていることを特徴とする請求項８〜１１のいずれかに記載の穴あけ加工装置。

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