JP5916929B1 - 非円形加工装置 - Google Patents

Abstract

【課題】姿勢変化の防止や剛性確保と加工精度の確保を両立させることができる非円形加工装置を提供する。【解決手段】回転中のワーク１０に工具９を当接させて、ワーク１０を非円形に加工する非円形加工装置であって、中空部で一対の内周面２０、２２が対向する非稼働体２と、非稼働体２の中空部に配置され、直動案内される稼働体３と、非稼働体２の中空部にエアを供給するエア供給手段３３とを備えており、エア供給手段３３によるエア供給により、稼働体２は一対の内周面２０、２２の一方の片面２０に押し付けられ、かつ稼働体３と一対の内周面２０、２２の他方の片面２２と間に空気静圧による隙間３５が形成される。【選択図】図６

Description

本発明は、回転中のワークに工具を当接させて、ワークを非円形に加工する非円形加工装置に関する。

ピストン等の外形加工に用いる非円形加工装置として、切削工具の送りにリニアモータを使用し、ＮＣ装置で制御するものが知られている（例えば下記特許文献１参照）。このような非円形加工装置では、例えばピストンを加工する場合には、ピストンを主軸台に取り付けて回転させ、ピストンの外形形状が所望の形状になるように、切削工具をピストンの回転角に同期させて進退制御する。

この構成では、切削工具と一体の軸体を軸受で支持した状態で、軸体が直動案内される。直動案内による各部の摩耗を抑え、軸体の高い運動精度を高めるには、例えば、軸受に空気静圧軸受を用いるのが有効である。空気静圧軸受は、軸体を軸受に対し空気の圧力で浮上させることで、接触部分をなくして軸体を高精度に案内するというものである（例えば下記特許文献２参照）。

特開平２−２０５４３９号公報 特開２００４−２３２６５４号公報

しかしながら、空気静圧軸受は、空気の圧縮率が高いため剛性が低く、空気の減衰性が低いため振動が収まりにくいという問題があった、また、切削負荷が大きい場合は、姿勢変化が発生し易くなるという問題もあった。一方、空気静圧軸受を用いず、軸体を軸受上で摺動させる構成では、剛性確保には有利になる反面、軸体の駆動のためには軸体と軸受との間にある程度の隙間が必要であり、この隙間により姿勢変化が発生し易くなる。姿勢変化が発生すると、スケール読み込み誤差（アッベの原理）による加工精度誤差が発生してしまう。

本発明は、前記のような従来の問題を解決するものであり、姿勢変化の防止や剛性確保と加工精度の確保を両立させることができる非円形加工装置を提供することを目的とする。

前記目的を達成するために、本発明の非円形加工装置は、回転中のワークに工具を当接させて、ワークを非円形に加工する非円形加工装置であって、中空部で一対の内周面が対向する非稼働体と、前記非稼働体の中空部に配置され、直動案内される稼働体と、前記非稼働体の中空部にエアを供給するエア供給手段とを備えており、前記エア供給手段によるエア供給により、前記稼働体は前記一対の内周面の一方の片面に押し付けられ、かつ前記稼働体と前記一対の内周面の他方の片面との間に空気静圧による隙間が形成され、前記エア供給された状態において、前記稼働体に取り付けられた前記工具により前記ワークが非円形に切削加工されることを特徴とする。

前記本発明の非円形加工装置によれば、稼働体の一方の端面が非稼働体の内周面に押し付けられるので、姿勢変化の防止や軸受構造の剛性確保に有利になるとともに、稼働体の他方の端面側では空気静圧による隙間が形成されることにより、稼働体の移動時の抵抗を小さくでき、稼働体の高精度な位置決めによる加工精度の確保に有利になり、あわせて高加速度の移動にも有利になり、姿勢変化の防止や剛性確保と加工精度の確保を両立させることができる。

前記本発明の非円形加工装置においては、前記稼働体が押し付けられる前記一方の片面は、セラミック摺動面であることが好ましい。セラミック摺動面は、低摩耗、軽量、高剛性、高減衰という利点があり、切削抵抗によるビビリの抑制と摺動に対する負荷軽減という効果を奏する。

また、前記稼働体は、リニアモータで駆動されて直動案内されることが好ましい。この構成によれば、高速かつ安定した直動案内が可能になり、稼働体の位置決め精度の確保にも有利になる。

本発明によれば、稼働体の一方の端面が非稼働体の内周面に押し付けられるので、姿勢変化の防止や軸受構造の剛性確保に有利になるとともに、稼働体の他方の端面側では空気静圧による隙間が形成されることにより、稼働体の移動時の抵抗を小さくでき、稼働体の高精度な位置決めによる加工精度の確保に有利になり、あわせて高加速度の移動にも有利になり、姿勢変化の防止や剛性確保と加工精度の確保を両立させることができる。

本発明の一実施形態に係る非円形加工装置の平面図。 図１のＡＡ線における断面図。 図１のＢＢ線における断面図。 本発明の一実施形態において、ワークが加工状態にあるときの非円形加工装置を示す図。 本発明の一実施形態において、ワークが加工状態にあるときの非円形加工装置を示す図。 図５の要部を示す図。 図６のＣＣ線における断面図。 本発明の一実施形態において、稼働体の位置決め制御の手順を示したフローチャート。 本発明の一実施形態において、ワークの回転に伴って稼働体がＹ軸方向に変位する様子を示す平面図。 本発明の一実施形態の別の例についての要部を示す断面図。

以下、本発明の一実施形態について、図面を参照しながら説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る非円形加工装置１の平面図を示しており、便宜のため非稼働体２及び稼働体３は断面状態で図示している。図２は図１のＡＡ線における断面図を示しており、図３は図１のＢＢ線における断面図を示している。各断面図は、便宜のため要部のみを図示し、詳細な構造の図示は省略している。図１〜図３の各図において、非円形加工装置１は、非稼働体２の中空部に稼働体３が配置され、稼働体は駆動手段であるリニアモータ４により直動案内される。非円形加工装置１は、送りテーブル（図示せず）に搭載されており、送りテーブルを移動させると、これと一体に非稼働体２、稼働体３及びリニアモータ４が移動し、これらがワーク１０に対して進退する方向（Ｘ軸方向）に直線的に移動する。

工具９はワーク１０の外径を非円形に切削加工するためのものである。ワーク１０は、例えばピストンである。ピストンは温度差のあるエンジン内で使用されるため、温度差による熱変形を考慮した非円形の加工が必要になる。図２に示したように、ワーク１０は主軸７に取り付けられ、切削加工中は、主軸７と一体に回転する。図２の例では、ワーク１０は下側で支持されているが、上下両方向から支持してもよい。

ワーク１０の切削加工中は、稼働体３は前記のＸ軸方向と平行な方向（「Ｘ軸方向」と区別し、以下「Ｙ軸方向」という。）に往復移動する。より具体的には、稼働体３はワーク１０の回転角（主軸７の回転角）に同期して、Ｙ軸方向に直動案内されながら位置決めされる。このことにより、ワーク１０は目標とする非円形形状に切削加工される。本実施形態では、リニアモータ４を用いて、稼働体３をＹ軸方向に直動案内する機構としている。図１に示したように、リニアモータ４は、コイル６の内側に磁石６が配置され、磁石６と一体に稼働体３がＹ軸方向に直動案内される。

図１において、稼働体３には光学スケール１１が固定されており、図２に示したように、光学スケール１１に対向するように、光学スケールヘッド１２が配置されている。光学スケールヘッド１２により、光学スケール１１の移動に応じた明暗の変化を検出する。この検出値に基づいて、光学スケール１１と一体に移動する稼働体３の位置検出が可能になる。

図３に示したように、非稼働体２は４つのブロック１３〜１６で構成され、内側に４面の内周面２０〜２３が形成されている。非稼働体２はその中空部で一対の内周面２０と内周面２２とが対向し、一対の内周面２１と内周面２３とが対向している。図３のように、非稼働体２の下側の内周面２２と稼働体３の下側の端面２５が接した状態では、非稼働体２の上側の内周面２０と稼働体３の上側の端面２４との間には隙間３０が形成される。隙間３０は数μｍから数十μｍの微小なものであるため、図１及び図２では図示を省略しているが、図３では説明の便宜のため、隙間３０を誇張して図示している。

図３において、下側のブロック１５には、エア供給路３１及びエア供給溝３２が形成されている。エア供給手段３３からのエアがエア供給路３１及びエア供給溝３２を経て非稼働体２の中空部内に供給される。このことにより、稼働体３の上側の端面２４が非稼働体２の上側の内周面２０に押し付けられ、稼働体３の下側の端面２５と非稼働体２の下側の内周面２２との間に隙間が形成される。この詳細については後に説明する。

図１では、非円形加工装置１は退避位置にあり、工具９はワーク１０から離れた位置にある。図４及び図５は、ワーク１０が切削加工状態にあるときの非円形加工装置１を示す図である。図４は図１に対応し、図５は図２に対応している。図４及び図５では、工具９はワーク１０に当接している。これは、送りテーブル（図示せず）に搭載された非円形加工装置１がガイドレール（図示せず）に沿ってＸ軸方向に移動したためである。図４及び図５の状態で、ワーク１０が回転することにより、ワーク１０が工具９により非円形に切削加工される。

ワーク１０が工具９により切削加工されている間は、前記のとおり、稼働体３はリニアモータ４により直動案内されてＹ軸方向に往復移動する。切削加工中の非円形加工装置１の動作について、図６及び図７を参照しながら説明する。図６及び図７は、切削加工中における非稼働体２と稼働体３との位置関係を示す図である。図６は図５の要部を示す図であり、図５では省略した部分も図示している。図７は、図６のＣＣ線における断面図である。

図６及び図７では、エア供給手段３３からのエアがエア供給路３１及びエア供給溝３２を経て非稼働体２の中空部に供給されている。このことにより、図７に示したように、稼働体３の上側の端面２４が、非稼働体２の上側の内周面２０に押し付けられ、稼働体３の下側の端面２５と非稼働体２の下側の内周面２２との間に空気静圧による隙間３５が形成されている。この状態で、稼働体３は図６に示したＹ軸方向に移動指令値に応じて往復移動し、ワーク１０は工具９により切削加工される。この間、稼働体３は一方の端面２５が非稼働体２と非接触の状態を保ちながら、他方の端面２４は非稼働体２の内周面２０上を摺動して直動案内される。この場合、稼働体３の上側の端面２４は非稼働体２の上側の内周面２０に押し付けられているが、端面２４と内周面２０との間に油膜を形成しておけば、摺動が特別困難になることはない。

図７において、稼働体３の左右の面についても、それぞれ非稼働体２の内周面２１上、内周面２３上を摺動する。内周面２０、内周面２１及び内周面２３は摺動面になるため、これらの面はセラミックで形成したセラミック摺動面とすることが好ましい。セラミック摺動面は、低摩耗、軽量、高剛性、高減衰という利点があり、切削抵抗によるビビリの抑制と摺動に対する負荷軽減という効果を奏するからである。

ここで、空気静圧による隙間を形成せず、稼働体３の上下の端面のそれぞれが、非稼働体２の内周面を摺動する構成では、軸受構造の剛性は高まるが、稼働体３の端面と非稼働体２の内周面との間にある程度の隙間が必要であり、この隙間により姿勢変化が発生し易くなる。姿勢変化が発生すると、スケール読み込み誤差（アッベの原理）による加工精度誤差が発生してしまう。一方、空気静圧による隙間を形成する構成では、空気の圧縮率が高いため剛性が低く、空気の減衰性が低いため振動が収まりにくくなり、切削負荷が大きい場合は、姿勢変化が発生し易くなる。このため、稼働体３の上下の端面のそれぞれと非稼働体３の内周面との間に、空気静圧による隙間を形成する構成では、接触部分をなくして稼働体３を高精度に案内するという効果は高まるが、前記の問題が増長されてしまう。

これに対して、本実施形態では、稼働体３の一方の端面が非稼働体２の内周面に押し付けられるので、姿勢変化の防止や軸受構造の剛性確保に有利になるとともに、稼働体３の他方の端面側では空気静圧による隙間３５が形成されることにより、稼働体３の移動時の抵抗を小さくでき、稼働体３の高精度な位置決めによる加工精度の確保に有利になり、あわせて高加速度の移動にも有利になる。すなわち、本実施形態によれば、姿勢変化の防止や剛性確保と加工精度の確保を両立させることができる。特に、前記のように摺動面をセラミック摺動面とした場合には、セラミック摺動面の利点である低摩耗・軽量・高剛性を活かすことができる。

以下、図８のフローチャートに沿って、切削加工中における稼働体３の動作について説明する。図８は、稼働体３の位置決め制御の手順を示したフローチャートである。図９は、ワーク１０の回転角に同期して稼働体３がＹ軸方向に変位する様子を示す平面図である。図９に示した切削加工中においては、非稼働体２がワーク１０に向けて移動しており、工具９はワーク１０に当接可能な位置にある。

切削加工中においては、非稼働体２の位置は固定されている。稼働体３は、ワーク１０の回転角（図６に示した主軸７の回転角）に同期してＹ軸方向に直動案内されて、移動指令値に応じた位置に位置決めされる。この制御はＮＣ制御（数値制御）で実行される。図９において、（ａ）図の状態からワーク１０が矢印ａ方向に９０度回転した状態が（ｂ）図である。この間、稼働体３はワーク１０の回転角に同期した移動指令値に応じた位置に位置決めされる。（ｂ）図の状態は（ａ）図の状態と比べると、Ｙ軸方向において、工具９が距離ｙだけ変位している。

制御手段（図示せず）から移動指令が発せられると（図８のステップ１００）、リニアモータ４（図４参照）の駆動により、稼働体３の軸移動量が出力される（図８のステップ１０１）。軸移動量は、ワーク１０の回転角に同期して出力され、ワーク１０の外形が目標とする非円形の外形になるように出力される。

軸移動量の出力後は、ワーク１０を回転させつつ稼働体３の位置を検出する（図８のステップ１０２）。この位置検出は、図２に示した光学スケールヘッド１２により、図１及び図２に示した光学スケール１１の移動に応じた明暗の変化を検出することにより行う。位置検出を終えると、制御手段は検出した位置と目標位置との位置偏差を演算する（図８のステップ１０３）。ワーク１０の位置偏差がワーク１０の全周に亘りゼロであれば、この直径部分の切削加工は終了する。

一方、位置偏差がゼロでない部分があれば、この部分について移動指令値を再設定する（図８のステップ１０５）。この後は図８のステップ１００〜１０３及びステップ１０５を繰り返し、ワーク１０の位置偏差がワーク１０の全周に亘りゼロになれば、この直径部分の切削加工は終了する。

図８の各ステップが実行されている間は、前記のとおり、稼働体３の一方の端面が非稼働体２の内周面に押し付けられて摺動し、他方の端面と非稼働体２の内周面との間に、空気静圧による隙間３５が形成されるので、姿勢変化の防止や剛性確保と加工精度の確保を両立させることができる。

また、切削加工中だけでなく、送りテーブルにより非稼働体２、稼働体３及びリニアモータ４がＸ軸方向に移動している間においても、エア供給手段３３からのエア供給を実施し、図７に示した切削加工中と同じ状態とすることが好ましい。このことにより、稼働体３の姿勢が終始安定するので、光学スケールヘッド１２による位置検出の誤差発生を防止することができる。

図１０は、本実施形態の別の例についての要部を示す断面図である。本図は前記実施形態の図７に相当する図である。図７では、空気静圧による隙間３５が１箇所であったが、図１０では、これに加え、空気静圧による隙間３６が形成されている。この構成では、非稼働体２の一対の対向する内周面２１、２３について見ると、エア供給手段３３によるエア供給により、稼働体２は一方の内周面２３に押し付けられ、かつ稼働体２と他方の内周面２１との間に空気静圧による隙間３６が形成される。すなわち、稼働体３の左右の端面における非稼働体２との関係は、稼働体３の上下の端面における非稼働体２との関係と同じであり、それぞれについて、姿勢変化の防止や剛性確保と加工精度の確保を両立させることができるという前記の効果が得られる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、これは一例であり適宜変更してもよい。例えば、非稼働体２は図３のように４つのブロック１３〜１６で構成された例で説明したがこれに限るものではない。また、図３において、エア供給溝は幅広の溝であるがこの構成に限るものではない。さらに、図８のフローチャートも一例であり、適宜変更してもよい。

１ 非円形加工装置
２ 非稼働体
３ 稼働体
４ リニアモータ
７ 主軸
９ 工具
１０ ワーク
１１ 光学スケール
１２ 光学スケールヘッド
２０，２１，２３，２４ 内周面
２４ 稼働体の一方の端面
２５ 稼働体の他方の端面
３３ エア供給手段
３５，３６ 空気静圧による隙間

Claims (3)

1. 回転中のワークに工具を当接させて、ワークを非円形に加工する非円形加工装置であって、
   中空部で一対の内周面が対向する非稼働体と、
   前記非稼働体の中空部に配置され、直動案内される稼働体と、
   前記非稼働体の中空部にエアを供給するエア供給手段とを備えており、
   前記エア供給手段によるエア供給により、前記稼働体は前記一対の内周面の一方の片面に押し付けられ、かつ前記稼働体と前記一対の内周面の他方の片面との間に空気静圧による隙間が形成され、
   前記エア供給された状態において、前記稼働体に取り付けられた前記工具により前記ワークが非円形に切削加工されることを特徴とする非円形加工装置。
2. 前記稼働体が押し付けられる前記一方の片面は、セラミック摺動面である請求項１に記載の非円形加工装置。
3. 前記稼働体は、リニアモータで駆動されて直動案内される請求項１又は２に記載の非円形加工装置。

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