JP6202671B2 - クイル装置、及び研削加工装置 - Google Patents

Description

本発明は、クイル装置、及び研削加工装置に係り、例えば、先端に配設した回転砥石により内面研削加工を行うためのクイル装置、研削加工装置に関する。

ワークの内面を研削により加工を行う場合、例えば、特許文献１に示す研削加工装置が使用されている。
図６は、従来の研削加工装置の構成を表したものである。
図６に示されるように、研削加工装置は、高周波スピンドル１００の砥石スピンドルに、クイルホルダ１０１とクイル１０２を介して砥石１０３が取り付けられている。クイル１０２は、内面研削加工を行う砥石１０３を取り付けるための棒状の部品であり、クイルホルダ１０１は、高周波スピンドル１００にクイル１０２を連結するための保持具である。
ワーク１０４の内面を研削する場合、ワーク１０４を軸心回りに回転させると共に、砥石スピンドル（及びクイルホルダ１０１、クイル１０２）と一体に砥石を軸心回りに回転させる。そして、砥石１０３の側面をワーク１０４の内周面に接触させた状態で、砥石スピンドルと共に砥石１０３を軸心方向に往復運動させている。

このような研削加工装置により、細長い穴を加工する場合には、砥石とクイルも細長くする必要がある。
しかし、従来使用されているクイルは、鉄等の鋼製であるため、次のような問題がある。
すなわち、クイルが細長くなることで、剛性が極端に小さいために加工圧を上げることができず、砥石による切り込みが小さくなり、加工に時間がかかるという問題がある。
またクイルの剛性が小さいために、加工時に砥石が逃げ（反り）やすくなったり、砥石がバウンドしやすく（びびりやすく）なったりし、その結果として形状精度（加工精度）を低下させる原因となっている。
また、細いクイルは折れやすいという問題もある。

さらに、小径の加工、例えば、５ｍｍ程度以下の小径を加工する場合、砥石及びクイルの径はそれ以下にする必要があり、このため砥石の周速度が下がり時間当たりの加工量が少なくなる。
これに対して、砥石の周速度を上げることで加工量を多くすることも可能である。
しかし、クイル径が細いと共振周波数が小さくなり、より小さい回転数で共振を起こすため、スピンドルの回転数の上限が小さくなり、周速度を上げることができない（回転数の限界値が小さい）という問題がある。

クイルの剛性を高めるために、ヤング率が鋼の約２倍である超硬金属製のクイルを使用することも可能であるが、比重が鋼の倍近いため共振回転数を上げることができず、また、重くて折れやすいという問題もある。

特開２００５−２７９８８２号公報

本願発明は、クイルの剛性を高く、折れにくくすると共に、回転数の上限をより大きくすること目的とする。

（１）請求項１に記載の発明では、少なくとも棒状のクイルを備え、該クイルの一端側が砥石スピンドルに同軸に固定され、他端側に砥石が配設されるクイル装置であって、前記クイルは、炭素繊維強化プラスチックで形成され、前記炭素繊維強化プラスチックの炭素繊維構造は、前記クイルの長さ方向に直線状である複数の炭素繊維を纏めた構造であることを特徴とするクイル装置を提供する。
（２）請求項２に記載の発明では、少なくとも棒状のクイルを備え、該クイルの一端側が砥石スピンドルに同軸に固定され、他端側に砥石が配設されるクイル装置であって、前記クイルは、炭素繊維強化プラスチックで形成され、前記クイルは、その外周面に遠心力に対する補強部材が巻かれている、ことを特徴とするクイル装置を提供する。
（３）請求項３に記載の発明では、前記クイルは、その外周面に研削液の吸収を防止する吸収防止層が形成されている、
ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のクイル装置。
（４）請求項４に記載の発明では、前記吸収防止層は、メッキにより、又は、挿入されたパイプにより形成されている、ことを特徴とする請求項３に記載のクイル装置を提供する。
（５）請求項５に記載の発明では、前記請求項１から請求項４のうちのいずれか１の請求項に記載したクイル装置と、回転可能に支持された砥石スピンドルと、前記砥石スピンドルに前記クイル装置を同軸に固定する固定手段と、前記砥石スピンドルを回転させる駆動モータと、を具備したことを特徴とする研削加工装置を提供する。
（６）請求項６に記載の発明では、前記駆動モータは、研削加工時において、同一サイズの金属製クイルの固有振動数Ｎに対して、Ｎ×０．８以上の回転数で前記砥石スピンドルを回転させる、ことを特徴とする請求項５に記載の研削加工装置を提供する。

（１）請求項１とその従属項に記載の発明によれば、クイルをクイルの長さ方向に直線状である複数の炭素繊維を纏めた構造の炭素繊維強化プラスチックで形成することで、その剛性を高く、折れにくくすると共に、回転数の上限をより大きくすることができる。
（２）請求項２とその従属項に記載の発明によれば、クイルは、炭素繊維強化プラスチックで形成され、クイルは、その外周面に遠心力に対する補強部材が巻かれているので、径方向に対するクイルの強度を向上させることができる。

本実施形態によるクイル装置を使用した研削加工装置の構成図である。 第１実施形態におけるクイル装置の断面図である。 クイルの構造を表した説明図である。 第２実施形態におけるクイル装置の断面図である。 第３実施形態におけるクイル装置の断面図である。 従来のクイルを使用した研削加工装置の構成図である。

以下、本発明のクイル装置、及び研削加工装置における好適な実施の形態について、図１から図５を参照して詳細に説明する。
（１）実施形態の概要
本実施形態のクイル装置では、クイルをＣＦＲＰ（炭素繊維強化プラスチック：ｃａｒｂｏｎ−ｆｉｂｅｒ−ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ ｐｌａｓｔｉｃ）で形成する。クイルを形成するＣＦＲＰは、母材として例えば、エポキシ樹脂が使用される。
クイルの一端にはクイルホルダが取り付けられ、他端には、砥石を配設するための砥石取り付けアダプタ（アタッチメント）が取り付けられている。クイルは、クイルホルダを介して高周波スピンドルに配設される。
クイルを形成する各種構造のＣＦＲＰを使用可能であるが、本実施形態のクイルでは直列繊維構造のＣＦＲＰが使用される。
クイルを形成するＣＦＲＰは、鋼に比べて、ヤング率が２〜４倍であり、比重が１／５、伸びが大きく簡単に折れることが無く、共振周波数を大きくすることができる。
また、本実施形態のクイルは、線膨張係数がゼロのため、温度変化による位置変化を抑制することができ、端面、シート加工の際の精度を向上させることが可能になる。
更に、引っ張り強度が高く、比重が軽いので、仮に折れたとしても飛散しにくいため、より安全性を向上させることができる。
本実施形態のクイルは、研削油等の膨潤対策として、その外周面をメッキ加工によるメッキ層により、又は極薄パイプで覆っている。これにより、クイルを形成するＣＦＲＰが油や研削液等の液体を吸収して膨張（変形）することを防止している。

（２）実施形態の詳細
図１は本実施形態によるクイル装置を使用した研削加工装置の構成図である。
図１に示すように、研削加工装置は、高周波スピンドル１と、クイル装置２を備えている。
クイル装置２は、クイル１０と、クイル１０を高周波スピンドル１に着脱するためのクイルホルダ２０と、クイル１０の先端に砥石ユニット７０を取り付けるための砥石取付アダプタ（アタッチメント）３０を備えている。

高周波スピンドル１は、その軸心方向（Ｘ軸方向）に移動可能に図示しないテーブルに取り付け固定されるようになっている。このテーブルは、Ｘ軸サーボモータにより、高周波スピンドル１の軸心と平行なＸ軸に沿って移動できるように構成されている。この構成は、例えば、Ｘ軸サーボモータにより回転するボールネジをＸ軸に沿って設置し、かつ、そのボールネジのナットとテーブルとを連結固定する等の、ボールネジ機構等により実現される。

高周波スピンドル１は、いずれも図示しないが、そのケーシング内に砥石スピンドルが収容されており、砥石スピンドルの先端側には、クイル装置２のクイルホルダ２０を着脱可能に保持、固定するチャック機構を備えている。本実施形態のチャック機構は、クイルホルダ２０に形成された雄ネジと螺合する雌ネジにより保持、固定するようになっているが、その他各種チャック機構を採用するようにしてもよい。
また、砥石スピンドルは、ケーシング内に軸受により、その軸心回りに回転可能に支持されている。さらに、この砥石スピンドルの外周面側には、砥石スピンドルをその軸心回りに高速回転駆動するための駆動モータとして、高周波モータが設けられている。
高周波スピンドル１は、高周波モータにより、例えば、数万回転／分、最大１８万回転／分程度で回転するように構成されている。

図２は、クイル装置２と砥石ユニット７０の断面構成図である。
図２に示されるように、本実施形態のクイル装置２は、ＣＦＲＰで形成されたクイル１０と、クイル１０の一端に配設されたクイルホルダ２０と、他端に配設された砥石取付アダプタ３０を備えている。

クイルホルダ２０は、軸方向に円筒形の空洞部を有し、空洞部内にクイル１０の一端が接着により、又は接着と圧入により固定されている。
クイルホルダ２０の一端側（砥石取付アダプタ３０の反対側）の外周部には雄ネジ２１が形成されており、この雄ネジ２１を高周波スピンドル１にチャック機構として形成された雌ネジ部に螺合することで着脱可能となっている。
クイルホルダ２０の他端側には凸部２２が形成されている。本実施形態の凸部２２は、周方向全体に亘って環状に形成されているが、周方向に亘る複数箇所に形成される突起によって形成されるようにしてもよい。
クイルホルダ２０の凸部２２と雄ネジ２１の間の凸部２２側には、インロー部２３が形成されている。
クイルホルダ２０は、高周波スピンドル１の砥石スピンドルにインロー部２３が嵌込まれると共に、凸部２２の端面２４が突き当たるまで、雄ネジ２１が螺合されることで、高周波スピンドル１に着脱される。

砥石取付アダプタ３０は、鉄製で円筒形状に形成され、その外径は、クイル１０の外径と同じに形成されている。
クイル１０の他端は、その中央部よりも砥石取付アダプタ３０の肉厚分だけ小径に形成されており、この他端小径部に砥石取付アダプタ３０の略中央までを挿入し、接着により、又は接着と圧入により固定される。
砥石取付アダプタ３０における、クイル１０が挿入される側の反対側の内周面には、雌ネジ３２が形成されている。
また、砥石取付アダプタ３０の外周の対向する２箇所には、その底面が互いに平行する凹部３１が形成されている。この凹部３１はスパナ掛けに使用され、砥石ユニット７０を砥石取付アダプタ３０に螺合する際のねじれ荷重をスパナで受けるためのものである。すなわち、２箇所の凹部３１をスパナで挟んだ状態で、砥石ユニット７０が、砥石取付アダプタ３０に取り付けられる。

クイル装置２のクイル１０は、ＣＦＲＰ（炭素繊維強化プラスチック）により、外径が数ミリ（例えば、２ｍｍ〜３ｍｍ）に形成されている。
クイル１０を形成するＣＦＲＰは、母材としてエポキシ樹脂が使用されているが、ポリプロピレン等の他の汎用樹脂を使用することも可能である。

図３は、クイル１０における炭素繊維の構造を表したものである。
図３（ａ）に示されるように、本実施形態のクイル１０では、ＣＦＲＰの強化剤として直線状の炭素繊維が使用され、クイル１０の長さ方向に纏めた直列繊維構造とし、これを母剤で固めることで、棒状のクイル１０が形成されている。
なお、クイル１０の炭素繊維構造は、直列繊維構造に限る必要はなく、各種方向に編み込んだ炭素繊維を強化剤として使用し、母剤で固めることで棒状に形成してもよい。

また、図３（ａ）に示した直列繊維構造の場合、遠心力を支える方向（径方向）に炭素繊維が走っていないため、遠心力は固められた母剤により支える構造となっている。
これに対し、図３（ｂ）に示すように、棒状に形成された直列繊維構造のＣＦＲＰの外周に、補強部材１２（繊維）をスパイラル状に巻き付け接着することで、径方向に対するクイル１０の強度を向上させた構造としてもよい。
また、図３（ｃ）に示す補強部材１３（布繊維構造のシート）を、直列繊維構造のクイル１０（図３（ａ））の外周に巻き付けて接着するようにしてもよい。
このように、径方向の強度を向上させることにより、遠心力により径方向に母剤が膨張することで、形状変化に伴う加工精度の低下を抑制することが可能になる。

図２に戻り、本実施形態のクイル装置２は、クイル１０の両端にクイルホルダ２０と砥石取付アダプタ３０を組み付けた後、全体を無電解ニッケルメッキによるメッキ層１１が形成される。このメッキ層１１は、吸収防止層として機能する。
また、無電解ニッケルメッキの後、研削加工で必要箇所の仕上げ加工が行われる。
このメッキ層１１により、クイル１０が油や研削液等の液体を吸収して膨張（変形）することが防止される。
なお、メッキ層１１は、クイル１０の膨潤対策用であるため、クイル装置２全体を対象とする必要がなく、少なくともクイル１０がむき出しになっている部分、すなわち、クイルホルダ２０と砥石取付アダプタ３０内に挿入固定されることで外周が被覆されている箇所を除く部分にメッキがされていればよい。

メッキ層１１は、図３（ｂ）、（ｃ）で説明したように、クイル１０の外周に補強部材１２、１３を巻き付けた場合には、この補強部材１２、１３の外側に形成する。
但し、メッキ層１１の外側に補強部材１２、１３を形成するようにしてもよい。

図２に示した砥石ユニット７０は、一例を示したものである。特に、砥石７１の形状や大きさについては、ワークの研削内容に応じて各種の砥石７１が使用される。例えば、研削が砥石の側面（周面）か、先端面かによっても異なり、先端部が円錐面を持つ砥石が使用される場合もある。

砥石ユニット７０は、砥石（研削砥石）７１と、アタッチメント７２を備えている。
アタッチメント７２は、一端が砥石７１に形成された孔（砥石により貫通している場合と、していない場合がある）に挿入され、固定されている。
砥石７１をアタッチメント７２に取り付ける方法としては各種方法を採用することができる。例えば、溶射した下地に電着砥石成形する方法、バインダと砥粒を混合した溶射にて砥石成形する方法、薄い金属パイプに電着砥石成形した物を、はめ合い円筒にて接着する方法等のいずれかにより取付が行われる。

アタッチメント７２の他端には、砥石取付アダプタ３０に形成された雌ネジ３２と螺合する雄ネジ７３が形成されている。
また、長さ方向の略中央部には円環状の凸部７４が形成されており、アタッチメント７２を螺合させた場合に、この凸部７４の雄ネジ７３側の端面７５が、砥石取付アダプタ３０の先端面３３と当接することで位置決めがされるようになっている。

次に、第２実施形態について説明する。
図４は、第２実施形態におけるクイル装置の断面図である。なお、第１実施形態と同じ部分については同一の符号番号を付することでその説明を適宜省略する。
第１実施形態のクイル装置２では、研削液などに対する膨潤対策用にメッキ層１１を形成する場合について説明した。
これに対し第２実施形態では、同じく膨潤対策用の他の構成として、吸収防止層として機能する極薄のパイプ１４をクイル１０の外周に配設するようにしたものである。
パイプ１４は、クイル１０に圧入接着する。パイプ１４の一方の側はクイルホルダ２０の端部と当接し、他方の側は砥石取付アダプタ３０の一部（凹部３１の手前まで）を覆うように圧入接着される。
なお、第１実施形態と同様に、部品組み付け後、全体を研削加工する。

この第２実施形態のクイル装置によれば、第１実施形態にくらべて、ねじれに強く、より確実な膨潤対策を取ることができる。
なお、パイプ１４が径方向の圧力を受けることが可能になり、遠心力により径方向に母剤が膨張することで、形状変化に伴う加工精度の低下を抑制することが可能になる。従って、図３（ｂ）、（ｃ）で説明した耐遠心力補強のための補強部材１２、１３は不要である。但し、補強部材１２、１３と併用することで、より高い耐遠心力補強構造とすることも可能である。

次に、第３実施形態について説明する。
図５は、第３実施形態におけるクイル装置の断面図である。
説明した第１、第２実施形態のクイル装置２では、先端に砥石取付アダプタ３０を取り付けることで、砥石ユニット７０をワークの加工形状等に応じて交換可能にしたものである。
これに対して第３実施形態では、砥石一体式のクイル装置２としたもので、クイル１０の一方の端部に砥石７１が接着等により固定的に取り付けられている。
砥石７１は、図２で説明した第１実施形態における砥石７１と同様に、ワークの切削加工に応じた各種形状、外径の砥石が採用される。
第１、第２実施形態におけるクイル装置２では、例えば、ワークの加工箇所変更に応じて砥石ユニット７０を交換することになるが、本実施形態ではクイル装置２全体を交換することになる。

本実施形態のクイル装置２にはクイルホルダが存在せず、クイル１０の砥石７１と反対側端部のチャックエリア１５が、スピンドル装置１にチャックされる。
なお、図５（ｂ）に示すように、チャックの際に加わる圧縮応力に耐え得るようにするため、少なくともクイル１０のチャックエリア１５の部分に強化芯１６を配設するようにしてもよい。この強化芯１６は、例えば円柱形状の鉄心とし、クイル１０と同軸に配設され、接着等により固定される。

第３実施形態のクイル装置２では、特に説明しなかったが、クイル１０の耐遠心力、膨潤対策について、第１実施形態、第２実施形態と同様にすることが可能である。すなわち、クイル１０に補強部材１２若しくは補強部材１３を形成し、及び／又は、クイル１０の表面にメッキ層１１若しくはパイプ１４を形成するようにしてもよい。

第３実施形態のクイル装置２では、一例として、クイルホルダ２０が存在しない構造となっているが、図１で示したと同様に、クイルホルダ２０を砥石７１と反対側に取り付けるようにしてもよい。

以上説明したように各実施形態のクイル装置２、及び、高周波スピンドル１（研削加工装置）では、クイル１０を炭素繊維強化プラスチックで形成した。
これにより、クイル装置２の軽量化が可能になるとともに、材料比強度、ヤング率を非常に大きくすることができる。
また、クイル１０の振動減衰率を極めて高くすることが可能になる。
以上の結果、本実施形態のクイル装置２、及び高周波スピンドル１では、次の効果を得ることができる。

（１）固有振動数が高くなる
クイル１０の重量が軽く、ヤング率が高いため、共振周波数が大きくなる。
一般に内径研削加工では、細長いクイルを使用し、その先端に研削砥石を付けて加工することになる。その際、従来の金属製のクイルでは、その共振点（固有振動数）が小さいため、ある程度までしか高速化できない。このため、研削加工時の回転速度を共振点未満に下げるか、又は、クイル長さを短くするか、のどちらかで大きな妥協を強いられる。
これに対して、本実施形態のクイル１０では固有振動数が高い（共振点が小さい）ため、回転速度とクイル長さとの調整点（妥協点）を大幅に上げることができる。すなわち、金属製のクイルと同じ長さであれば最高回転速度を更に上げることができ、金属製のクイルと同じ最高回転速度であればクイル長を金属製のクイルよりも長くすることが可能になる。

（２）高速回転加工の実例
従来の金属製クイルの場合、下記式（ａ）で求まる固有振動数Ｎに対して、最高回転速度をＮ×０．８未満としている。
これに対して、本実施形態のクイル１０を使用した高周波スピンドル１では、下記式（ａ）で求まる金属製クイル（超高、鋼）の固有振動数Ｎに対して、Ｎ×０．８以上の高速領域で使用することを特徴とすることができる。

Ｎ＝（６０／２π）√（λｇＥＩ／ｍｇｌ³）
＝（３０／π）√（λｇＥＩ／Ｗｌ³）・・・（ａ）
λ：たわみ公式の各数字で示された計数
Ｅ：縦弾性係数（（ｇ）ｆ／ｍｍ²）、鋼の場合２１０００
Ｉ：断面二次モーメント≒０．０５ｄ⁴（ｍｍ⁴）
ｍ：質量（ｋｇｆ）
ｌ：軸の長さ（ｍｍ）

（３）高い減衰による回転振れの低減
本実施形態のクイル１０は、減衰率が高いと同じ運転条件下で砥石部（砥石７１による加工点）での振動振幅を小さくすることが可能になる。
従って、加工精度、加工表面粗さを改善することができる。

（４）共振点を超えた領域での運転
金属製のクイルの場合、共振点で振動が極大になり、クイルが折れたりする。
これに対して本実施形態のクイル１０では、高い減衰効果があるため、振幅自体が小さくなる。そのため、共振点を超えた回転数での使用が可能になる。
但し、この場合には一層の遠心力がクイル１０に作用するため、図３（ｂ）、（ｃ）で説明した補強部材１２、１３、又は／及び、図４で説明したパイプ１４を形成することが好ましい。

（５）その他
本実施形態のクイル１０では、繊維構造や、補強部材１２、１３、パイプ４の形成により、より高い剛性を得ることができる。
また、簡単に折れることが無く、仮に折れたとしても、引っ張り強度が高く、比重が軽いので飛散しにくいため、安全性が高い。
更に、線膨張係数がゼロのため、端面、シート加工の際に、温度変化による位置変化を抑制でき、加工精度を向上させることができる。

１ 高周波スピンドル
２ クイル装置
１０ クイル
１１ メッキ層
１２、１３ 補強部材
１４ パイプ
１５ チャックエリア
１６ 強化芯
２０ クイルホルダ
２１ 雄ネジ
２２ 凸部
２３ インロー部
３０ 砥石取付アダプタ
３１ 凹部
３２ 雌ネジ
７０ 砥石ユニット
７１ 砥石
７２ アタッチメント
７３ 雄ネジ

Claims (6)

1. 少なくとも棒状のクイルを備え、該クイルの一端側が砥石スピンドルに同軸に固定され、他端側に砥石が配設されるクイル装置であって、
   前記クイルは、炭素繊維強化プラスチックで形成され、
   前記炭素繊維強化プラスチックの炭素繊維構造は、前記クイルの長さ方向に直線状である複数の炭素繊維を纏めた構造であることを特徴とするクイル装置。
2. 少なくとも棒状のクイルを備え、該クイルの一端側が砥石スピンドルに同軸に固定され、他端側に砥石が配設されるクイル装置であって、
   前記クイルは、炭素繊維強化プラスチックで形成され、
   前記クイルは、その外周面に遠心力に対する補強部材が巻かれている、ことを特徴とするクイル装置。
3. 前記クイルは、その外周面に研削液の吸収を防止する吸収防止層が形成されている、
   ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のクイル装置。
4. 前記吸収防止層は、メッキにより、又は、挿入されたパイプにより形成されている、
   ことを特徴とする請求項３に記載のクイル装置。
5. 前記請求項１から請求項４のうちのいずれか１の請求項に記載したクイル装置と、
   回転可能に支持された砥石スピンドルと、
   前記砥石スピンドルに前記クイル装置を同軸に固定する固定手段と、
   前記砥石スピンドルを回転させる駆動モータと、
   を具備したことを特徴とする研削加工装置。
6. 前記駆動モータは、研削加工時において、同一サイズの金属製クイルの固有振動数Ｎに対して、Ｎ×０．８以上の回転数で前記砥石スピンドルを回転させる、
   ことを特徴とする請求項５に記載の研削加工装置。

Images