JP6938664B2 - 加工装置および加工方法 - Google Patents

Description

本発明は、例えば航空機の大型部品のように変形しやすいワークを加工する加工装置および加工方法に関する。

一般に、機械加工部品の精度は、加工機上での加工精度だけでなく、加工後にクランプを外したフリー状態での精度までを考慮する必要がある。特に、長尺かつ低剛性である航空機フレームの様な部品では、組立時の精度が重要である。近年、治具基準の組立から製品精度を基準にした組立が広がっており、フリー状態での部品精度の重要性は一層高まっている。

ここで、部品精度の構成要素として、加工精度と加工歪がある。
加工精度は、機械上でクランプされた状態での精度を意味する。主に加工機の精度、工程間誤差、加工負荷による振動や変形、温度変化の影響を受ける。
加工歪は、クランプを開放した後の精度を意味する。主に、素材の残留応力の解放、加工硬化、クランプの影響を受ける。

特許文献１には、薄肉板状ワークを裏面からサポートすることでクランプ時の変形を少なくするクランプ装置が開示されている。

特許第３７８５７１７号公報

しかし、上記特許文献１は、ワークが薄板とされているものの厚さ方向の変形が考慮されていないため、クランプ時に厚さ方向にワークが矯正されてしまい、加工後にクランプを解放するとワークに歪が残ってしまう。

このように、加工時のクランプは主にワークの固定とサポートが目的になっており、クランプ解放後の精度が考慮されていない。特に長尺部品は低剛性となるため、加工歪の影響が大きい。

本開示は、加工歪を可及的に小さくすることができる加工装置および加工方法を提供することを目的とする。

本発明の一態様に係る加工装置は、幅方向の外形状が略仕上げ形状とされたワークの厚さ方向に切削加工を行う工具と、前記ワークの厚さ方向をクランプせずに、該ワークの幅方向をクランプするクランプ固定具と、を備えている。

エンドミル等の工具によってワークを厚さ方向に切削加工する。ワークの幅方向の外形状は略仕上げ形状とされているので、ワークの幅方向には歪がほとんど残っていない。一方、ワークの厚さ方向は切削加工前なので歪みが残っている。そこで、ワークの厚さ方向をクランプせずにワークの幅方向をクランプするようにした。これにより、歪みが残っているワークの厚さ方向を拘束することなく加工ができるので、厚さ方向の歪みを解放することで加工歪を可及的に小さくすることができる。
ワークの幅方向の外形状は略仕上げ形状とされている。これは追加の切削加工を行う必要がない程度に仕上げ形状となっていることを意味し、表面仕上げ等の僅かな加工を排除するものではない。

さらに、本発明の一態様に係る加工装置では、前記クランプ固定具は、前記ワークをクランプする前後において前記幅方向に沿う面内で該ワークの位置を変更しないようにする位置調整機構を備えている。

クランプ固定具は、ワークをクランプする前後で幅方向に沿う面内（厚さ方向をｚ方向とするとｘｙ面内）でワークの位置を変更しないようにする位置調整機構を備えている。これにより、ワークをクランプする際にワークを幅方向に沿うｘｙ面内で変形させた状態でクランプすることが無いので、ｘｙ面内の歪みを解放することができる。
位置調整機構としては、ワークをクランプした後にワーク固定具を磁気等によって浮上させ、再度ワーク固定部をベースに対して固定する機構や、ワークをクランプする際にワークが変位した変位量を計測し、クランプ後に変位量分だけワークの位置を戻す機構や、クランプ方向にワークを固定した後にワークをクランプする機構などが挙げられる。

さらに、本発明の一態様に係る加工装置では、荒加工位置で加工を行う荒加工用工具と、仕上げ加工位置で加工を行う仕上げ加工用工具と、前記荒加工用工具による加工と前記仕上げ加工用工具による加工との間に前記位置調整機構を動作させる制御部と、を備えている。

荒加工は仕上げ加工に比べて加工量が多いので、荒加工を行うとワークの残留歪が除去される。そこで、荒加工を行った後に位置調整機構を動作させてｘｙ面内の歪みを解放し、仕上げ加工時の精度を上げることとした。

本発明の一態様に係る加工方法は、幅方向の外形状が略仕上げ形状とされたワークの厚さ方向をクランプせずに、該ワークの幅方向をクランプするクランプ工程と、前記ワークの厚さ方向を切削加工する加工工程と、を備えている。

さらに、本発明の一態様に係る加工方法では、前記ワークをクランプする前後において前記幅方向に沿う面内で該ワークの位置を変更しないようにする位置調整工程を備えている。

さらに、本発明の一態様に係る加工方法では、荒加工位置で加工を行う荒加工工程と、仕上げ加工位置で加工を行う仕上げ加工工程と、前記荒加工工程と前記仕上げ加工工程との間に前記位置調整工程を行う。

加工歪を可及的に小さくすることができる。

パレットを示した斜視図である。 図１Ａのパレットにワークを設置した状態を示した斜視図である。 フレキシブルバイスを示した斜視図である。 加工工程を示したフローチャートである。 ワークの加工方法を示したフローチャートである。 クランプ固定具の変形例を示した斜視図である。 クランプ固定具の変形例を示した斜視図である。

以下に、加工装置および加工方法の一実施形態について説明する。
本実施形態では、航空機の大型部品のように変形しやすいワークを切削加工する。ワークは、アルミ合金等の金属製であり、航空機構造のフレーム等の形状に加工される。ワークの長さは、例えば、長さが数ｍ（４〜５ｍ）とされた長尺形状であり、種々のポケット加工等が施され、加工後の板厚が数ｍｍ（１〜２ｍｍ）とされる。

図１Ａには、ワークＷを加工する加工装置に用いられるパレットＰが示されている。パレットＰは、テーブル３と、テーブル３上に固定されたサブベース４と、サブベース４上に固定された第１治具ベース５Ａ及び第２治具ベース５Ｂとを備えている。

第１治具ベース５Ａには、ワークＷの表面の荒加工を行う第１加工位置Ａ１と、ワークＷの裏面の荒加工及び仕上げ加工を行う第２加工位置Ａ２が設けられている。図１Ｂに示すように、第１加工位置Ａ１及び第２加工位置Ａ２には、それぞれ、ワークＷが設置される。

各加工位置Ａ１，Ａ２には、ワークＷの幅方向外側からクランプするフレキシブルバイス（クランプ固定具）７が複数設けられている。フレキシブルバイス７の間隔は、例えば８００ｍｍ以上とされる。複数のフレキシブルバイス７の内の１つが基準位置として選定される。この基準位置となるフレキシブルバイス７でワークＷをクランプした後に、隣のフレキシブルバイス７から順番にクランプするようにする。

図２には、フレキシブルバイス７が示されている。フレキシブルバイス７は、ワークＷの幅方向である矢印ＡＲ１方向にレール８上を基台１０がスライド可能となっている。スライド方向には、スライド固定具によってフレキシブルバイス７が固定されるようになっている。フレキシブルバイス７の上面すなわち基台１０上には、それぞれが鉛直軸線Ｏ１回りに回転可能とされた３つのジョー１１が設けられている。ジョー１１は、円筒形状とされており、外筒面がワークＷに接触することによってワークＷをクランプするようになっている。また、フレキシブルバイス７の全体が鉛直軸線Ｏ２回りに回転可能となっており、ワークＷの形状に応じてワークＷをクランプできるようになっている。そして、各ジョー１１は、ｘｙ面内（第１治具ベース５Ａの延在方向）でワークＷをクランプするようになっており、ｚ方向（即ちワークＷの厚さ方向）にはクランプしないようになっている。したがって、ワークＷが厚さ方向に変形して載置面に対して浮いている場合であっても、その状態のままクランプするようになっている。

フレキシブルバイス７は、第１治具ベース５Ａに対してｘｙ面方向の位置を調整できる位置調整機構を備えている。具体的には、第１治具ベース５Ａに固定されたレール８対して、基台１０が浮上可能なように構成されている。浮上方式としては、磁気やエアを用いた方式が用いられる。制御部によって基台１０の浮上が制御され、ワークＷを各ジョー１１でクランプした後に、基台１０を浮上させ、クランプ前のワークＷの位置に戻すようにｘｙ面内の位置が制御される。

なお、第２加工位置Ａ２では、第１加工位置Ａ１においてワークＷの表面の荒加工が終わっているので、ワークＷのポケット部の内側から外方に荷重をかけてクランプする内形クランプを採用することもできる。

図１Ａに示すように、フレキシブルバイス７間には、第１治具ベース５Ａから上方に突出したジャッキ１３が複数設けられている。ジャッキ１３は、円筒形とされ、高さが調整可能とされている。ジャッキ１３の頂部でワークＷを下方から点支持するようになっている。

第２治具ベース５Ｂには、ワークＷの表面の最終仕上げ加工を行う第３加工位置Ｂ１が設けられている。図１Ｂに示すように、第３加工位置Ｂ１には、ワークＷが設置される。

第３加工位置Ｂ１には、デテール（支持部材）１７が固定されている。デテール１７は、ワークＷと同様に長尺形状とされており、表面には、ワークＷの裏面（対向面）の仕上げ加工後の形状に応じた形状となっている。これにより、ワークＷの裏面がデテール１７の表面に略隙間なく面状に接触するようになっている。

デテール１７の両側方には、第２治具ベース５Ｂ上に、所定間隔を有してクイッククランプ（ピン固定具）２０が設けられている。クイッククランプ２０は、ピンをクランプするユニットとされ、ワークＷに固定されたピンの先端を収容するとともにピン先端の外周をジョーで掴んで固定するピン固定部材とを備えている。クイッククランプ２０は、空圧で動作する。クイッククランプ２０は、例えば５００ｍｍ以上の間隔で設置される。

クイッククランプ２０は、ワークＷに設けたタブに固定したピンを着脱可能に固定する。ピンは、第２加工位置Ａ２でワークＷの裏面の仕上げ加工が終わった後に取り付けられる。具体的には、タブにタップ加工を施し、ネジ付きのピンを螺合して固定する。タブは、ワークＷの最終仕上げ加工が終わった後に除去される。

加工装置は、各種動作を制御する制御部を備えている。制御部は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、及びコンピュータ読み取り可能な記憶媒体等から構成されている。そして、各種機能を実現するための一連の処理は、一例として、プログラムの形式で記憶媒体等に記憶されており、このプログラムをＣＰＵがＲＡＭ等に読み出して、情報の加工・演算処理を実行することにより、各種機能が実現される。なお、プログラムは、ＲＯＭやその他の記憶媒体に予めインストールしておく形態や、コンピュータ読み取り可能な記憶媒体に記憶された状態で提供される形態、有線又は無線による通信手段を介して配信される形態等が適用されてもよい。コンピュータ読み取り可能な記憶媒体とは、磁気ディスク、光磁気ディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−ＲＯＭ、半導体メモリ等である。

次に、図３を用いて、上述の加工装置を用いた加工方法について説明する。なお、以下の工程は、制御部の指令によって行われる。

先ず、ステップＳ１１で次に加工を行うアイテムを選定し、治具ベースと素材（未加工のワークＷ）を準備する（ステップＳ１２）。
そして、加工機にて加工を終えたパレットＰを搬出し（ステップＳ１３）、第３加工位置Ｂ１にて加工を終えたワークＷを取り出す（ステップＳ１４）。
そして、第３加工位置Ｂ１における第２治具ベース５Ｂとデテール１７を交換する（ステップＳ１５）。
ステップＳ１６では、第２加工位置Ａ２にてワークＷの裏面の仕上げ加工後にタブに穴開け加工を施した穴にピンを挿入する。
次に、搬送ロボットによって、第２加工位置Ａ２におけるワークＷの表裏を反転し、第３加工位置Ｂ１にワークＷをセットする（ステップＳ１７）。
ステップＳ１８では、搬送ロボットによって、第１加工位置Ａ１にてワークＷの表面の荒加工を終えたワークＷを反転して第２加工位置Ａ２にワークＷをセットする。

ステップＳ１９では、搬送ロボットによって、荒加工前のワークＷである素材を第１加工位置Ａ１にセットする。
以上のように各加工位置Ａ１，Ａ２，Ｂ１にてワークＷのセットが完了した後に、同時に、機内にパレットＰを搬入し（ステップＳ２０）、第１加工位置Ａ１にてワークＷの表面の荒加工をエンドミル等の荒加工用工具を用いて行い（ステップＳ２１）、第２加工位置Ａ２にてワークＷの裏面の荒加工及びエンドミル等の仕上げ加工用工具を用いて仕上げ加工（図中では「途中工程」と表記）を行い（ステップＳ２２）、第３加工位置Ｂ１にてエンドミル等の最終仕上げ加工用工具を用いてワークＷの表面の最終仕上げ加工を行う（ステップＳ２３）。

そして、機内をエアブロー等によって清掃し（ステップＳ２４）、次のアイテムの準備を行う（ステップＳ２５）。

以上のステップを繰り返すことによって、各加工位置Ａ１，Ａ２，Ｂ１を用いて効率的に加工を行うことができる。

次に、図４を用いて、図３を用いて説明した各工程におけるワークＷの加工方法について説明する。
図４では、図３と異なり、第１加工位置Ａ１における加工、第２加工位置Ａ２における加工、第３加工位置Ｂ１における加工の順に説明する。

ステップＳ３１では、第１加工位置Ａ１での加工前に、治具の段取りを行う。具体的には、第１治具ベース５Ａやフレキシブルバイス７の設置等が行われる。

そして、第１加工位置Ａ１にワークＷを取り付ける（ステップＳ３２）。具体的には、フレキシブルバイス７の各ジョー１１及びスライド固定具を緩めた状態でワークＷを基台１０上に載置し、ジョー１１をワークＷの側面に当接させて固定する。そして、位置調整機構によって基台１０をレール８に対して浮上させた後に、レール８に対する基台１０の位置を決め、レール８をスライド固定具によって固定する。このようにして、ワークＷをｘｙ面内で歪みを加えずに固定するとともに、ｚ方向（ワークＷの厚さ方向）にも歪みを加えずに固定する。

次に、ステップＳ３３にて、ワークＷの表面を荒加工する。この荒加工によって、ワークＷに残留する歪の一部分が除去される。

次に、ステップＳ３４にて、ワークＷの段取りを行う。具体的には、フレキシブルバイス７を緩めてワークＷを第１加工位置Ａ１から取り外し、ワークＷを第２加工位置Ａ２に設置する。ワークＷの固定は、ステップＳ３２と同様に、フレキシブルバイス７の位置調整機構を用いてｘｙ面内だけでなくｚ方向にも歪みを加えずに固定する。

そして、ステップＳ３５にて、ワークＷの裏面を荒加工する。その後、ステップＳ３６にて、歪抜きを行う。具体的には、第２加工位置Ａ２にてフレキシブルバイス７の各ジョー１１及びスライド固定具を緩めた後に、再びジョー１１をワークＷの側面に当接させて固定する。そして、位置調整機構によって基台１０をレール８に対して浮上させた後に、レール８に対する基台１０の位置を決め、レール８をスライド固定具によって固定する。このようにして、ワークＷをｘｙ面内で歪みを加えずに固定するとともに、ｚ方向にも歪みを加えずに固定する。これにより、ワークＷに残っている歪が解放される。

そして、ステップＳ３７にて、ワークＷの裏面の仕上げ加工を行う。その後、ステップＳ３８にて、ワークＷの段取りを行う。具体的には、フレキシブルバイス７を緩めてワークＷを第２加工位置Ａ２から取り外し、ワークＷを第３加工位置Ｂ１に設置する。ワークＷの固定は、ワークＷに設けたタブに固定したピンをクイッククランプ２０に対して固定する。

そして、ステップＳ３９にて、ワークＷの表面の最終仕上げ加工を行い、ワークＷを取り外す（ステップＳ４０）。

本実施形態によれば、以下の作用効果を奏する。
ワークＷの表面の荒加工（ステップＳ３３）の前では、ワークＷの幅方向の外形状は略仕上げ形状とされているので、ワークＷの幅方向には歪がほとんど残っていない。一方、ワークＷの厚さ方向（ｚ方向）は切削加工前なので歪みが残っている。そこで、ワークＷの厚さ方向をクランプせずにワークＷの幅方向をクランプするようにした。これにより、歪みが残っているワークＷの厚さ方向を拘束することなく加工ができるので、厚さ方向の歪みを解放することで加工歪を可及的に小さくすることができる。

フレキシブルバイス７は、ワークＷをクランプする前後で幅方向に沿うｘｙ面内でワークＷの位置を変更しないようにする位置調整機構を備えている。これにより、ワークＷをクランプする際にワークＷをｘｙ面内で変形させた状態でクランプすることが無いので、ｘｙ面内の歪みを解放することができる。

荒加工は仕上げ加工に比べて加工量が多いので、荒加工を行うとワークＷの残留歪が除去される。そこで、荒加工を行った後に位置調整機構を動作させてｘｙ面内の歪みを解放することによって（ステップＳ３６）、仕上げ加工時の精度を上げることができる。

なお、本実施形態では、ワークＷをクランプするワーク固定具としてフレキシブルバイス７を用い、磁気や空圧を用いて浮上させる位置調整機構を採用することとしたが、本発明はこれに限定されるものではない。

例えば、図５に示すように、ワークＷをクランプする際にワークＷがｘｙ面内で変位した量を計測する変位計２３を用い、クランプ固定具２４で固定した後に変位量分だけ制御部の指令によってワークＷの位置を戻す機構としても良い。

あるいは、図６に示すように、クランプ固定具２５でクランプする方向にワーク押え具２６でワークＷを変位しないように固定した後に、ワークＷをクランプ固定具２５でクランプする機構としても良い。

３ テーブル
４ サブベース
５Ａ 第１治具ベース
５Ｂ 第２治具ベース
７ フレキシブルバイス（クランプ固定具）
８ レール
１０ 基台
１１ ジョー
１３ ジャッキ
１７ デテール（支持部材）
２０ クイッククランプ（ピン固定部）
２３ 変位計
２４，２５ クランプ固定具
Ａ１ 第１加工位置
Ａ２ 第２加工位置
Ｂ１ 第３加工位置
Ｐ パレット
Ｗ ワーク

Claims (6)

1. ワークの厚さ方向に切削加工を行う工具と、
   前記ワークの厚さ方向をクランプせずに、該ワークの幅方向をクランプするクランプ固定具と、
   を備え、
   前記クランプ固定具は、前記ワークをクランプする際の前記ワークの前記幅方向に沿う面内での歪みを解放する位置調整機構を備え、
   前記位置調整機構は、前記ワークをクランプした後に前記クランプ固定具を浮上させてクランプ前の前記ワークの位置に戻す加工装置。
2. ワークの厚さ方向に切削加工を行う工具と、
   前記ワークの厚さ方向をクランプせずに、該ワークの幅方向をクランプするクランプ固定具と、
   前記ワークをクランプする際に前記ワークが前記幅方向に沿う面内で変位した量を計測する変位計と、
   を備え、
   前記クランプ固定具は、前記ワークをクランプする際の前記ワークの前記幅方向に沿う面内での歪みを解放する位置調整機構を備え、
   前記位置調整機構は、前記変位計によって前記ワークをクランプする際に前記ワークが前記幅方向に沿う面内で変位した変位量を計測し、前記ワークをクランプした後に前記変位量分だけ前記ワークの位置を戻す加工装置。
3. 荒加工位置で加工を行う荒加工用工具と、
   仕上げ加工位置で加工を行う仕上げ加工用工具と、
   前記荒加工用工具による加工と前記仕上げ加工用工具による加工との間に前記位置調整機構を動作させる制御部と、
   を備えている請求項１又は２に記載の加工装置。
4. クランプ固定具によって、幅方向の外形状が略仕上げ形状とされたワークの厚さ方向をクランプせずに、該ワークの幅方向をクランプするクランプ工程と、
   前記ワークの厚さ方向を切削加工する加工工程と、
   前記ワークをクランプする際の前記ワークの前記幅方向に沿う面内での歪みを解放する位置調整工程と、
   を備え、
   前記位置調整工程において、前記ワークをクランプした後に前記クランプ固定具を浮上させてクランプ前の前記ワークの位置に戻す加工方法。
5. 幅方向の外形状が略仕上げ形状とされたワークの厚さ方向をクランプせずに、該ワークの幅方向をクランプするクランプ工程と、
   前記ワークの厚さ方向を切削加工する加工工程と、
   前記ワークをクランプする際の前記ワークの前記幅方向に沿う面内での歪みを解放する位置調整工程を備え、
   前記位置調整工程において、前記ワークをクランプする際に前記ワークが前記幅方向に沿う面内で変位した変位量を計測し、前記ワークをクランプした後に前記変位量分だけ前記ワークの位置を戻す加工方法。
6. 荒加工位置で加工を行う荒加工工程と、
   仕上げ加工位置で加工を行う仕上げ加工工程と、
   前記荒加工工程と前記仕上げ加工工程との間に前記位置調整工程を行う請求項４又は５に記載の加工方法。

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