JP6243772B2 - 穿孔加工用工具 - Google Patents

Description

本発明は、穿孔加工用工具に関する。

金属板において、穿孔加工を行うための工具としてドリルがある。ドリルは用途によって様々な形状があるが、円柱の先端部および外周面に刃が形成された構造が一般的であった。ドリルは、刃の破損や摩耗により加工精度の低下が見られた場合に工具の交換が必要となるところ、工具交換のコストの低減を図るために、摩耗し難い耐久性の高いドリル（例えば特許文献１参照）や，再研磨することにより長期間に亘り切削を行えるドリル（例えば特許文献２参照）があった。

特開２０１０−１１５７５３号公報 特開２０１１−１１３２８号公報

特許文献１，２のように通常のドリルより交換頻度が抑えられたドリルであっても、難削材を代表とする加工が困難なワークを加工する場合には、加工精度が低下するまでの刃の寿命が短いため、工具交換などのランニングコストが嵩む。また、初期状態と交換状態では、刃が摩耗しているので孔径の精度が低下してしまう問題もあった。さらに、ドリルの先端面の中心部では、ワークに対する刃の相対速度が遅いので、切削状態が良好ではなく加工効率が低下することがあった。

本発明はこのような課題を解決するために創作されたものであり、ランニングコストの低減と加工精度の向上を図れるとともに、先端中心部における加工効率の低下を防止できる穿孔加工用工具を提供することを課題とする。

前記課題を解決するため、本発明は、工具軸の軸心回りに旋回して穿孔加工を行う切削工具であって、工具先端部で前記工具軸に直交する回転軸の軸心回りに回転可能に設けられた滑車と、前記滑車に巻き掛けられる固定砥粒ワイヤと、前記固定砥粒ワイヤを前記滑車に送り出すワイヤ送り手段と、前記滑車を前記工具軸の軸心回りに旋回させる旋回手段とを備えたことを特徴とする穿孔加工用工具である。

このような構成によれば、滑車に巻き掛けられた固定砥粒ワイヤが滑車とともに旋回することで、工具先端に半球状の刃が構成され、穿孔加工を行うことができる。また、工具交換の必要がなく、固定砥粒ワイヤは何度か再利用した後に交換するので、ランニングコストの低減が図れる。また、ワークを削る刃は、滑車に送り出される固定砥粒ワイヤにて構成されているので、加工中に新たな刃（固定砥粒ワイヤ）が順次供給される。したがって、孔の加工精度が非常に高くなる。さらには、従来のドリルでは不可能であった先端中心部における刃の高速移動が行われるので、加工効率の低下を防止できる。

本発明において、前記滑車と前記固定砥粒ワイヤと前記ワイヤ送り手段とで、旋回ユニットが形成されており、前記旋回ユニットは前記旋回手段によって一体として旋回されるものが好ましい。このような構成によれば、滑車の連続旋回が可能になるので、効率的な穿孔加工を行える。

本発明によれば、ランニングコストの低減と加工精度の向上を図れるとともに、先端中心部における加工効率の低下を防止することができる。

本発明の第一実施形態に係る穿孔加工用工具を示した概略正面図である。 本発明の第一実施形態に係る穿孔加工用工具を示した概略側面図である。 本発明の第一実施形態に係る穿孔加工用工具の加工状態を示した斜視図である。 本発明の第二実施形態に係る穿孔加工用工具を示した図であって、（ａ）は概略正面図、（ｂ）は概略平面図である。 （ａ）〜（ｃ）は、本発明の第二実施形態に係る穿孔加工用工具が図４の状態から右方向に旋回した状態を示した概略平面図である。 （ａ），（ｂ）は、本発明の第二実施形態に係る穿孔加工用工具が図５の（ｃ）の状態からさらに右方向に旋回した状態を示した概略平面図である。 本発明の第二実施形態に係る穿孔加工用工具が図４の状態から左方向に旋回した状態を示した概略平面図である。

以下に、本発明の第一実施形態に係る穿孔加工用工具について説明する。穿孔加工用工具は、穿孔加工を行うための切削工具であって、ドリル加工を行うことができる。本実施形態では、垂直方向の下方に向けて穿孔を行う場合について説明する。図１に示した状態の上下左右を基準として各部材の位置関係を説明する。なお、穿孔方向は垂直方向に限定されるものではない。

図１に示すように、穿孔加工用工具１は、工具軸１２の軸心回りに旋回して穿孔加工を行う切削工具であって、工具先端部で工具軸１２に直交する回転軸１１の軸心回りに回転可能に設けられた滑車１０と、滑車１０に巻き掛けられる固定砥粒ワイヤ２０と、固定砥粒ワイヤ２０を滑車１０に送り出すワイヤ送り手段３０と、滑車１０を工具軸１２の軸心回りに旋回させる旋回手段（図示せず）とを備えている。

図１および図２に示すように、滑車１０は、穿孔する孔２の軸方向に対して直交する水平な回転軸１１を備えている。滑車１０は、垂直方向に延在する工具軸１２の軸心を中心として旋回するようになっている。滑車１０は、旋回しながら工具軸１２に沿って下降する。

回転軸１１は、滑車１０の上方に位置するベース材３１から下方に延在する一対の支持アーム１４，１４の下端部に軸支されている。支持アーム１４，１４は、工具軸１２の軸心に平行に配置されており、平面視で滑車１０の旋回軌跡内に納まるようになっている。支持アーム１４，１４は、工具軸１２の軸心回りに工具軸１２および滑車１０と一体として旋回する。支持アーム１４は、穿孔する孔の深さ寸法程度の長さに形成されている。

図２に示すように、滑車１０の外周面には、固定砥粒ワイヤ２０を係止させる係止溝１３が設けられている。係止溝１３は、内周断面が円弧形状を呈しており、断面円形の固定砥粒ワイヤ２０の断面の一部が係止溝１３の内部に入って係止される。係止溝１３の円弧の中心角は１８０度より小さい。図２の（ｂ）の部分拡大図に示すように、係止溝１３の深さ寸法Ｌ１は、固定砥粒ワイヤ２０の直径Ｌ２の１／３〜１／２であるのが好ましい。

固定砥粒ワイヤ２０は、ワイヤーソーなどに用いられるものであって、ピアノ線などからなる芯線２１に、ダイヤモンド砥粒などからなる硬質砥粒２２を固定したものである。硬質砥粒２２は、レジンボンドやニッケルメッキなどの化学的手法にて芯線２１の表面に固定されている。芯線２１と砥粒２２の固定方法は、切削されるワークＷに応じて適宜決定される。

図１に示すように、固定砥粒ワイヤ２０は、滑車１０の係止溝１３（図２参照）のうち工具先端側の下半円部分に巻き掛けられている。滑車１０は、穿孔加工時には回転しており、固定砥粒ワイヤ２０は順次送られながら係止溝１３に巻き掛けられている。固定砥粒ワイヤ２０は、断面の一部が係止溝１３に収容されて、断面の残部は係止溝１３から突出している。この突出した固定砥粒ワイヤ２０の残部が、穿孔加工を行うための刃を構成する。固定砥粒ワイヤ２０の両端部はワイヤ送り手段３０に繋がっている。

ワイヤ送り手段３０は、ベース材３１と第一ボビン３２と第二ボビン３３と複数のガイドローラ３４とを備えている。ベース材３１は、第一ボビン３２と第二ボビン３３とガイドローラ３４を一体的に支持する部材である。ベース材３１の重心部分には上方に延在する工具軸１２が設けられている。この工具軸１２を介して、ワイヤ送り手段３０が旋回される。

第一ボビン３２および第二ボビン３３にはそれぞれモータなどの駆動装置（図示せず）が接続されており、第一ボビン３２および第二ボビン３３はそれぞれ回転駆動可能に構成されている。駆動装置もベース材３１に一体的に支持されている。第一ボビン３２の胴部には、固定砥粒ワイヤ２０の一端部が接続され、第二ボビン３３の胴部には、固定砥粒ワイヤ２０の他端部が接続されている。

穿孔加工時には、第一ボビン３２および第二ボビン３３のいずれか一方（たとえば第一ボビン３２）が送出し用ボビンとなり、他方（たとえば第二ボビン３３）が巻取り用ボビンとなる。このとき、送出し用ボビンである第一ボビン３２には固定砥粒ワイヤ２０が巻き掛けられており、その固定砥粒ワイヤ２０の先端部が巻取り用ボビンである第二ボビン３３の胴部に接続されている。そして、第二ボビン３３を回転駆動させて順次固定砥粒ワイヤ２０を巻き取っていく。

穿孔加工が進み、第一ボビン３２から固定砥粒ワイヤ２０の全てが送り出されたら、巻取り用ボビンと送出し用ボビンとを逆にする。つまり、他方のボビン（第二ボビン３３）が送出し用ボビンとなり、一方のボビン（第一ボビン３２）が巻取り用ボビンとなる。第一ボビン３２を逆方向に回転駆動させて順次固定砥粒ワイヤ２０を巻き戻していく。巻取り用ボビンと送出し用ボビンとの逆転を何度か繰り返し、固定砥粒ワイヤ２０が摩耗したならば、摩耗した固定砥粒ワイヤ２０のボビンを、新たな固定砥粒ワイヤ２０を巻き付けたボビンに交換する。

ガイドローラ３４は、第一ガイドローラ３４ａと第二ガイドローラ３４ｂとを備えてなる。第一ガイドローラ３４ａと第二ガイドローラ３４ｂは、第一ボビン３２の側方と第二ボビン３３の側方のそれぞれに設けられている。

第一ガイドローラ３４ａは、ボビンからの固定砥粒ワイヤ２０を上方に折り返す。第一ガイドローラ３４ａは、ボビン上の固定砥粒ワイヤ２０の送出し高さ（または巻取り高さ）に応じて上下方向に移動するトラバーサローラにて構成されている。

第二ガイドローラ３４ｂは、第一ガイドローラ３４ａからの固定砥粒ワイヤ２０を下方に折り返す。一方の第二ガイドローラ３４ｂは、滑車１０の外周面両側端のうち一側端の上方に配置されて、他方の第二ガイドローラ３４ｂは、滑車１０の外周面両側端のうち他側端の上方に配置されている。これによって、第二ガイドローラ３４ｂと滑車１０間の固定砥粒ワイヤ２０が、略垂直に延在するようになっている。第二ガイドローラ３４ｂは、滑車１０に対して近接離反可能に支持されたダンサーローラにてなり、上下方向に移動することによって、滑車１０に送られる固定砥粒ワイヤ２０の張力を一定に保持する役目を果たす。

前記の第一ガイドローラ３４ａおよび第二ガイドローラ３４ｂにおける固定砥粒ワイヤ２０の動きは、送出し用ボビン側に設けられたガイドローラ３４のものであって、巻取り用ボビンに側に設けられたガイドローラ３４では、固定砥粒ワイヤ２０は反対方向に移動する。

ベース材３１の下部には支持アーム１４，１４が設けられているので、滑車１０が回転軸１１を介してワイヤ送り手段３０と一体的に連結されている。つまり、滑車１０と固定砥粒ワイヤ２０とワイヤ送り手段３０とで、旋回ユニット３が形成されている。旋回ユニット３には、図示しない旋回手段が接続されており、旋回ユニット３は、一体として旋回される。

以上のような構成の穿孔加工用工具１で穿孔加工を行う際には、図３に示すように、固定砥粒ワイヤ２０を送って滑車１０を回転させながら、滑車１０を垂直な縦軸である工具軸１２の軸心回りに旋回させつつ、穿孔加工用工具１を下降させていく。これによって、係止溝１３から突出した固定砥粒ワイヤ２０の断面の残部が刃となりワークＷを削る。このとき滑車１０が旋回しているので、刃の先端が半球形状になる。これによって、先端が半球形状の孔を形成することができる。そして、固定砥粒ワイヤ２０は常にワイヤ送り手段３０によって送られているので、加工中に新たな刃（固定砥粒ワイヤ２０）が順次供給されることとなる。よって、切削性を向上できるとともに、孔の内径寸法精度を大幅に高めることができ、加工精度が非常に高くなる。

さらに、加工によって発生した熱は、移動する固定砥粒ワイヤ２０とともにワークＷから離れて行くので、ワーク加工部に溜まりにくい。

また、穿孔加工用工具１の先端部（滑車１０の下端部）においても、固定砥粒ワイヤ２０が送られているので、従来のドリルでは不可能であった先端中心部における刃の高速移動が行われることとなり、先端部における切削性を向上して加工効率の低下を防止できる。

さらに、ワークＷを削る刃は、滑車１０に送り出される固定砥粒ワイヤ２０にて構成されているので、従来の工具のように硬質な刃の特殊加工を行う必要がない。また、従来のように工具交換の必要はなく、固定砥粒ワイヤを何度か再利用した後に、固定砥粒ワイヤ２０を巻き掛けたボビンを付け替えるだけでよいのでランニングコストの低減も図れる。

また、滑車１０と固定砥粒ワイヤ２０とワイヤ送り手段３０とで、旋回ユニット３が形成されており、旋回ユニット３は旋回手段によって一体として旋回するので、滑車１０および固定砥粒ワイヤ２０の連続旋回が可能になる。したがって、滑車１０の高速旋回も可能となり効率的な穿孔加工を行える。

次に、本発明の第二実施形態に係る穿孔加工用工具について説明する。第一実施形態の穿孔加工用工具１では、滑車１０と固定砥粒ワイヤ２０とワイヤ送り手段３０とで旋回ユニット３を形成し、この旋回ユニット３が一体として旋回するようになっていたのに対して、第二実施形態の穿孔加工用工具１ａでは、ワイヤ送り手段５０は旋回しない構造となっている。本実施形態では、図４に示したＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸を基準として各部材の位置関係を説明する。

図４に示すように、かかる穿孔加工用工具１ａは、滑車１０の上方に垂直方向（Ｚ軸方向）に延在する工具軸１２ａが設けられている。工具軸１２ａには、工具軸１２ａの下端部からＸ軸方向にオフセットして垂下方向に延在する一対の支持アーム１４ａ，１４ａが連結されている。

一対の支持アーム１４ａ，１４ａは、工具軸１２ａの延長線部分を中心として両側に配置されており、工具軸１２ａを挟むように設けられている。支持アーム１４ａ，１４ａは、工具軸１２ａに平行に配置されており、平面視で滑車１０の旋回軌跡内に納まるようになっている。支持アーム１４ａ，１４ａは、穿孔する孔の深さ寸法程度の長さに形成されている。支持アーム１４ａ，１４ａの上端部には、工具軸１２ａの側面に延びる張出し部１５，１５がそれぞれ設けられており、支持アーム１４ａ，１４ａは、張出し部１５，１５を介して工具軸１２ａの下端部に固定されている。支持アーム１４ａ，１４ａの下端部には、滑車１０の回転軸１１が架け渡されて軸支されている。回転軸１１は、Ｘ軸方向に延在している。

滑車１０の外周面両側端の上方には、ワイヤ送り手段５０から延在する固定砥粒ワイヤ２０を下方の滑車１０に向けて折り返す上方ガイドローラ１６，１６が一対設けられている。上方ガイドローラ１６，１６の回転軸（図示せず）は水平方向に延在している。

図４の（ａ）中、手前側に位置する一方の上方ガイドローラ１６は、一方（図４の（ａ）の左側）の支持アーム１４ａから分岐する分岐アーム１７に支持されている。図４の（ａ）中、奥側に位置する他方の上方ガイドローラ１６は、他方（図４の（ａ）の右側）の支持アーム１４ａから分岐する分岐アーム１７に支持されている。上方ガイドローラ１６は、分岐アーム１７の上端部において、回転軸が旋回可能に支持されている。

本実施形態では、滑車１０および上方ガイドローラ１６，１６は、これらを支持する支持アーム１４ａ，１４ａ、分岐アーム１７，１７および滑車１０に巻き掛けられた固定砥粒ワイヤ２０の一部分とともに旋回する。なお、旋回角度については後記する。

ワイヤ送り手段５０は、第一ボビン５１と第二ボビン５２と複数のガイドローラ５３とを備えている。第一ボビン５１と第二ボビン５２は、第一実施形態のボビンと同等の構成であって、それぞれ回転駆動可能に構成されている。

ガイドローラ５３は、第一ガイドローラ５３ａ、第二ガイドローラ５３ｂ、第三ガイドローラ５３ｃおよび第四ガイドローラ５３ｄとを備えてなる。

第一ガイドローラ５３ａは、ボビンから延在する固定砥粒ワイヤ２０を上方に折り返す。第一ガイドローラ５３ａは、ボビン上の固定砥粒ワイヤ２０の送出し部（ボビンから固定砥粒ワイヤが離れる部分）の高さ（または巻取り部（ボビンに固定砥粒ワイヤが巻かれる部分）の高さ）に応じて上下方向に移動するトラバーサローラにて構成されている。

第二ガイドローラ５３ｂは、第一ガイドローラ５３ａからの固定砥粒ワイヤ２０を滑車１０から離れる方向に折り返す。第三ガイドローラ５３ｃは、第四ガイドローラ５３ｄに対して近接離反可能に支持されたダンサーローラにてなり、第二ガイドローラ５３ｂからの固定砥粒ワイヤ２０を滑車１０に向かう方向に折り返す。第三ガイドローラ５３ｃは、滑車１０に送られる固定砥粒ワイヤ２０の張力を一定に保持する役目を果たす。

第四ガイドローラ５３ｄは、回転軸が垂直方向に延在しており、第三ガイドローラ５３ｃからの固定砥粒ワイヤ２０を上方ガイドローラ１６に向かう水平方向に折り返す。第四ガイドローラ５３ｄは、ガイドローラ５３のうちで、上方ガイドローラ１６に最も近い位置に配置されており、上方ガイドローラ１６と同じ高さに位置している。

第四ガイドローラ５３ｄは位置が一定になっており、上方ガイドローラ１６は工具軸１２ａの軸心を中心にして旋回するので、第四ガイドローラ５３ｄと上方ガイドローラ１６間の距離は変化するが、第三ガイドローラ５３ｃが移動することによって、固定砥粒ワイヤ２０の張力は一定に保たれているので、固定砥粒ワイヤ２０が撓むことはない。

前記のガイドローラ５３は、第一ボビン５１の側方と第二ボビン５２の側方のそれぞれに設けられている。第一ボビン５１と第二ボビン５２とは、平面視で工具軸１２ａの軸心を中心とした点対象の位置関係となっている。また、第一ボビン５１の側方に位置する各ガイドローラ５３ａ〜５３ｄと、第二ボビン５２の側方に位置する各ガイドローラ５３ａ〜５３ｄとは、それぞれ対応するガイドローラ同士が平面視で工具軸１２ａの軸心を中心とした点対象の位置関係となっている。

前述した第一ガイドローラ５３ａ乃至第四ガイドローラ５３ｄにおける固定砥粒ワイヤ２０の動きは、送出し用ボビン側に設けられたガイドローラ５３のものであって、巻取り用ボビンに側に設けられたガイドローラ５３では、各ガイドローラ５３ａ〜５３ｄにおける固定砥粒ワイヤ２０の動き（向き）は反対方向となる。

次に、以上のような構成の穿孔加工用工具１ａにおける滑車１０の旋回状態を説明する。図５および図６は、図４の（ｂ）の状態から滑車１０が平面視で右回りに旋回した状態を示した図である。以下に示す旋回角度は、図４の（ｂ）の状態を基準（０度）としている。

図５の（ａ）は滑車１０が右回りに４５度旋回した状態、（ｂ）は右回りに９０度旋回した状態を示している。このように、図４の（ｂ）の状態から右回りに旋回すると、第四ガイドローラ５３ｄと上方ガイドローラ１６との距離が徐々に短くなるので、ダンサーローラである第三ガイドローラ５３ｃが第四ガイドローラ５３ｄから離れる方向に移動する。これによって上方ガイドローラ１６と第三ガイドローラ５３ｃとの距離は略一定になるので、固定砥粒ワイヤ２０の張力が一定に保たれる。したがって、固定砥粒ワイヤ２０が撓むことはない。

図５の（ｃ）は滑車１０が右回りに１８０度旋回した状態、図６の（ａ）は右回りに２７０度旋回した状態を示している。ここでは、第四ガイドローラ５３ｄと上方ガイドローラ１６との距離が徐々に長くなるので、ダンサーローラである第三ガイドローラ５３ｃが第四ガイドローラ５３ｄに近付く方向に移動する。ここでも、上方ガイドローラ１６と第三ガイドローラ５３ｃとの距離は略一定になるので、固定砥粒ワイヤ２０の張力が一定に保たれ、固定砥粒ワイヤ２０が撓むことはない。

図６の（ｂ）は滑車１０が右回りの旋回の限界位置にある状態を示している。図示した旋回の限界位置よりさらに右回りに旋回すると、第四ガイドローラ５３ｄと上方ガイドローラ１６間の固定砥粒ワイヤ２０が工具軸１２ａに干渉するため、これ以上旋回することができなくなる。この状態になったなら、旋回手段（図示せず）は、旋回モータの回転を反転させ、左回りの旋回に切り替える。

左回りの旋回では、図５、図６の状態を逆回転して戻り、図４の（ｂ）の状態を経て、図７の状態まで旋回する。図７は滑車１０が左回りの旋回の限界位置にある状態を示している。図示した旋回の限界位置よりさらに左回りに旋回すると、第四ガイドローラ５３ｄと上方ガイドローラ１６間の固定砥粒ワイヤ２０が工具軸１２ａに干渉するため、これ以上旋回することができなくなる。この状態になったなら、旋回手段（図示せず）は、旋回モータの回転を反転させ、右回りの旋回に切り替える。

以上のように、穿孔加工用工具１ａでは、滑車１０は３６０度弱の範囲で旋回を行うことができるので、旋回手段によって、３６０度弱のピッチで旋回方向の反転を繰り返し行うことで穿孔加工を行う。滑車１０の旋回方向の切り替えは、旋回手段のＮＣ装置（数値制御装置）で旋回モータの正逆回転を制御することで行う。

本実施形態の穿孔加工用工具１ａによれば、第一実施形態の穿孔加工用工具１と同様の作用効果を得られる他に、旋回部分の部品点数が少なく軽量化が図れるので、旋回モータの小型化を図ることができるという作用効果を得られる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は前記実施形態に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜設計変更が可能であるのは勿論である。例えば、前記実施形態で示したワイヤ送り手段３０，５０の形状は一例であって、ボビンやガイドローラの位置や個数は適宜変更可能である。

１ 穿孔加工用工具
１ａ 穿孔加工用工具
３ 旋回ユニット
１０ 滑車
１１ 回転軸
１２ 工具軸
１２ａ 工具軸
２０ 固定砥粒ワイヤ
３０ ワイヤ送り手段
３２ 第一ボビン
３３ 第二ボビン
３４ ガイドローラ
５０ ワイヤ送り手段
５１ 第一ボビン
５２ 第二ボビン
５３ ガイドローラ

Claims (2)

1. 工具軸の軸心回りに旋回して穿孔加工を行う切削工具であって、
   工具先端部で前記工具軸に直交する回転軸の軸心回りに回転可能に設けられた滑車と、前記滑車に巻き掛けられる固定砥粒ワイヤと、前記固定砥粒ワイヤを前記滑車に送り出すワイヤ送り手段と、前記滑車を前記工具軸の軸心回りに旋回させる旋回手段とを備えた
   ことを特徴とする穿孔加工用工具。
2. 前記滑車と前記固定砥粒ワイヤと前記ワイヤ送り手段とで、旋回ユニットが形成されており、
   前記旋回ユニットは前記旋回手段によって一体として旋回される
   ことを特徴とする請求項１に記載の穿孔加工用工具。

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