JP7142123B1 - ベルト加工装置 - Google Patents

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    • B24B47/14Drives or gearings; Equipment therefor for rotating or reciprocating working-spindles carrying grinding wheels or workpieces by liquid or gas pressure

Abstract

【課題】複雑な構造を付加することなく、通常の加工ベルトを簡単にセットするだけで効率的に良好な加工面が得られるベルト加工装置を提供すること。【解決手段】ワークに対して加工ベルト34を相対的に移動させてワークを加工するベルト加工装置10において、加工ローラである第1のローラ40と、従動ローラである第2のローラ32と、第1のローラと第2のローラによって支持される加工ベルトと、第1のローラまたは第2のローラを回転させる空圧モータ60と、第1のローラの外周に取り付けられる弾性リングと、弾性リングに取り付けられ、弾性リングよりも弾性率が大きい膨張防止部材とを備える。【選択図】図2

Description

本発明は、複数のローラ間に張架された無端の加工ベルトによってワーク表面を加工するベルト加工装置に関する。
例えばプラスチック射出成形に用いられる金型の表面や、真空チャンバ等に設けられる精密なシール面には、機能上あるいは美観の向上のため、通常は、切削加工後に研磨加工が実施される。こうした研磨加工を既存の工作機械で行うために、工作機械の主軸に装着可能なベルト研磨工具が用いられることがある。
特許文献1には、本体部と、本体部に結合されたホルダ部と、動力発生部と、無端の研磨ベルトと、研磨ベルトを回転可能に支持するとともに、動力発生部より受けた回転動力を研磨ベルトに伝達する駆動ローラと、研磨ベルトを回転可能に支持する第1の従動ローラと、研磨ベルトを回転可能に支持するとともに、研磨時にワークに接触する研磨ベルトの部分を支持する第2の従動ローラである加工ローラとを備えるベルト研磨工具が記載されている。
特開2020-163552号公報
特許文献1のベルト研磨工具では、加工ローラの回転軸線に直交する回動軸線まわりに加工ローラを回動可能に支持することによって、研磨ベルトの姿勢を加工面(被研磨面)の形状変化に追従させるようになっているが、加工ローラの取付アライメント不良によりベルト幅全面が研磨出来ない場合がある。また、平面加工が施されたワークであっても、ワークの取付アライメントに起因して、加工面にベルトの研磨残しが発生することがある。加工面の微妙な起伏に合わせて、加工面に倣って加工ベルトが走行するようなプログラムをその都度作成することはできない。
本発明は、こうした従来技術の問題を解決することを技術課題としており、複雑な構造を付加することなく、通常の加工ベルトを簡単にセットするだけで効率的に良好な加工面(研磨面)が得られるベルト加工装置を提供することを目的としている。
上述の目的を達成するために、本発明によれば、ワークに対して加工ベルトを相対的に移動させて前記ワークを加工するベルト加工装置において、加工ローラである第1のローラと、第2のローラと、前記第1のローラと前記第2のローラによって支持される加工ベルトと、前記第1のローラまたは第2のローラを回転させる回転動力発生部と、前記第1のローラの外周に取り付けられ、外周面から所定深さで形成されるスリットを有する環状の弾性体と、前記弾性体のスリット内に取り付けられ、前記弾性体よりも弾性率が大きく、前記弾性体の外径より小さな外径を有する環状の膨張防止部材とを備えるベルト加工装置が提供される。
本発明によれば、加工ローラの表面に弾性体を取り付けることによって、加工時(ベルト研磨時)の加工ローラのアライメント、ワークの取付アライメント、加工ベルトの継ぎ目の段差、またはワークの加工面のうねり形状等を弾性体にて吸収することで、良好な加工面を得ることが可能となる。また、膨張防止部材によって、加工ローラの回転中に遠心力によって弾性体が半径方向に膨張、変形することを防止している。
本発明のベルト加工装置を装着可能な工作機械の一例の側面図である。 本発明の1つの実施形態によるベルト加工装置の側面図である。 図2のベルト加工装置の斜視図である。 図2のベルト加工装置の断面図である。 1つの実施形態による第1のローラの断面図である。 弾性リングの断面図である。 第1のローラの変形例を示す断面図である。
以下、添付図面を参照して、本発明の好ましい実施形態を説明する。
図1は、一般的な立形マシニングセンタである工作機械100と、それに装着された本発明の実施形態によるベルト加工装置10を示す側面図である。図1の工作機械100は、工場の床面に固定された基台としてのベッド102、ベッド102の上面でY軸方向または前後方向(図1では左右方向)に移動可能に設けられ、上面にワークWを固定するテーブル104、ベッド102の後方部分において、上面から立設されたコラム108、コラム108の前面でX軸方向または左右方向(図1では紙面に垂直な方向)に移動可能に設けられたX軸スライダ110、X軸スライダ110の前面で該X軸スライダ110に対してZ軸方向または上下方向に移動可能に設けられ、主軸114を鉛直な回転軸線Oを中心として回転可能に支持する主軸頭112を具備する。
また、工作機械100は、X軸スライダ110をX軸方向に往復移動するX軸送り装置(図示せず)、テーブル104をY軸方向に往復移動するY軸送り装置(図示せず)および主軸頭112をZ軸方向に往復移動するZ軸送り装置(図示せず)を具備している。工作機械100は、更に、主軸114を回転駆動する主軸モータ(図示せず)を具備する。主軸モータは、主軸頭112のハウジング(図示せず)の外部または内部に配置することができる。主軸モータは、そのトルクによって主軸114を回転軸線O周りの所定の角度位置に保持できるものが好ましい。工作機械100は、更に、主軸モータおよびX軸、Y軸、Z軸の直交3軸の送り装置を制御するNC装置(図示せず)を具備する。
工作機械100は、更に、主軸114の先端部に装着される工具(図示せず)を交換する自動工具交換装置(図示せず)を具備することが好ましい。こうして工作機械100は立形マシニングセンタを形成し、主軸114は、ワークWに対してX軸、Y軸、Z軸の直交3軸方向に相対的に移動及び位置決め、ならびに回転軸線O周りの角度位置決めが可能である。
工作機械100の主軸114の先端部には、工具(図示せず)を装着するテーパ穴(図示せず)が形成されている。また、主軸114には、回転軸線Oに沿って中心穴(図示せず)が貫通するように形成されている。主軸114の中心穴には、テーパ穴に装着される工具を固定するドローバー(図示せず)のような工具クランプ装置が配設されている。本実施形態では、工具クランプ装置は、二面拘束の一タイプであるHSK型のホルダを主軸114のテーパ穴に固定するように構成されている。
ベルト加工装置10は、工作機械100の主軸114のテーパ穴に装着するようになっている。ベルト加工装置10は、図2~図4に示すように、本体部20と、工作機械100の主軸114のテーパ穴に嵌合するホルダ部12とを具備する。テーパ穴は、HSK規格(DIN69893)に準拠する工具ホルダ(図示せず)を装着するテーパ穴とすることができる。テーパ穴は、他のシャンク形状、例えば7/24テーパのシャンク形状のテーパ部に嵌合するようにしてもよい。
ホルダ部12は、工作機械100の主軸114のテーパ穴の内周面に密着可能なテーパ部14と、本体部20に結合される円筒状の延長部16と、延長部16とホルダ部12との間のフランジ部18とを具備する。フランジ部18には、工作機械100に付属する自動工具交換装置の交換アーム(図示せず)に係合するように形成された周方向に延びるV溝18aが形成されている。本実施形態では、ホルダ部12、特にテーパ部14およびフランジ部18は、HSK規格(DIN69893)に準拠するように形成されている。ホルダ部12は、図4に示すように、HSK規格(DIN69893)に準拠する市販の工具ホルダを用いてもよい。この場合、ホルダ部12の内部には、中心軸線O1に沿って中心穴12aおよび工具装着穴16aを形成することができる。
ホルダ部12が、HSK規格(DIN69893)に準拠する形状を有する場合、主軸114には、ホルダ部12を主軸114のテーパ穴内にクランプするために、中空の主軸114は、その中空の内部空間で回転軸線Oに沿って延設されたドローバー(図示せず)と、テーパ穴内でドローバーを中心として周方向に等角度間隔に配置された複数のコレット(図示せず)と、主軸の内部空間内でドローバーを中心として配置された複数の皿ばね(図示せず)とを備えたクランプ装置が配設されている。
クランプ装置のドローバーは中空部材であって、内部を加圧空気のような気体またはクーラントのような液体が流通する流体通路を形成する。流体通路は、流体源(図示せず)に接続されている。流体源は、供給する流体が加圧空気の場合、空気を圧縮するコンプレッサ(図示せず)、加圧空気を貯留するタンク(図示せず)、タンクの出口に配設され供給する加圧空気の圧力を所定の圧力に調節する圧力調整弁(図示せず)等を含むことができる。供給する流体がクーラントのような液体の場合、流体源は、液体を加圧するポンプ(図示せず)、ポンプ出口に配設され供給する液体の圧力を所定の圧力に調節する圧力調整弁(図示せず)等を含むことができる。流体源として、工作機械100が設置される工場のサービスエアシステムや、工作機械100に付属するクーラント供給装置(図示せず)を用いることができる。
本体部20は、ベルト駆動部30、回転動力発生部60および動力伝達部70を主要な構成要素として具備している。ベルト駆動部30、回転動力発生部60および動力伝達部70はフレーム22に取り付けられている。フレーム22は、少なくともベース部24およびベース部24から垂直に延びる側壁部26を有している。側壁部26は、図1に示すように、ベルト加工装置10を工作機械100の主軸114の先端部に装着したときに、テーブル104およびテーブル104に固定されているワークWに接近する方向に延びている。本実施形態では、ベース部24と側壁部26は別部材であり、ボルト24aによって互いに締結されているが、ベース部24と側壁部26とを一体に形成してもよい。
ホルダ部12として市販の工具ホルダを用いる場合、ベルト加工装置10の本体部20は、フレーム22に結合された結合部28を備えている。結合部28は、ベース部24の上面から側壁部26とは反対側に突出する。本実施形態では、結合部28は、複数のボルト24bにより、ベース部24に締結されている。ホルダ部12として市販の工具ホルダを用いない場合、ボルト等の締結手段を用いて、ホルダ部12の延長部16をベース部24に結合するようにできる。
結合部28は、ホルダ部12の工具装着穴16aに嵌合する嵌合部28aと、嵌合部28aの下端部に一体的に結合されているフランジ部28bとを有し、中心軸線O2に沿って延びる中心穴28cが形成されている。嵌合部28aをホルダ部12の工具装着穴16aに嵌合させると、ホルダ部12の中心軸線O1と、結合部28の中心軸線O2は一致する。図4の実施形態では、ホルダ部12と結合部28は別部材から形成されており、ホルダ部12の中心穴12aは工具装着穴16aに開口するように形成されている。本実施形態では、ホルダ部12の工具装着穴16aに嵌合部28aを嵌合させると、ホルダ部12の中心穴12aと結合部28の中心穴28cとが連通して、1本の流体供給通路が形成される。
ホルダ部12と結合部28を一体に形成する場合には、ホルダ部12の中心穴12aは、中心軸線O1に沿って、ホルダ部12を貫通するように形成される。この場合には、ホルダ部12の中心穴12aが流体供給通路を形成する。該流体供給通路は、ホルダ部12が主軸114のテーパ穴内にクランプされたときに、クランプ装置のドローバーに形成されている流体通路に連通する。
フレーム22の側壁部26にはベルト駆動部30が取り付けられている。ベルト駆動部30は第1のローラ40と第2のローラ32を具備し、第1のローラ40と第2のローラ32の間に加工ベルト34が張架されている。加工ベルト34は、研磨材を接着した布のような基材の両端を接合して無端状に形成されている。実施する研磨加工または研削加工で要求される表面粗さに応じて、接着する研磨材の粒度は適宜決定することができる。
第1のローラ40は、側壁部26および側壁部26に取り付けられているブラケット36に回転可能に支持されている。より詳細には、第1のローラ40は、軸受36a、36bにより、側壁部26およびブラケット36に回転可能に支持されている回転軸38に取り付けられている。第1のローラ40と回転軸38との間に第1のローラ40の内周面および回転軸38の外周面に係合するキー38aを配設して、第1のローラ40が回転軸38に対して相対的に回転しないようにできる。第1のローラ40を側壁部26およびブラケット36に取り付けたときに、第1のローラ40の外周面は中心軸線O1方向に側壁部26よりも突出する。
第1のローラ40は、円筒状のローラ本体42と、ローラ本体42の外周面に嵌合する弾性体としての少なくとも1つの弾性リング44と、エンドプレート48とを含む。ローラ本体42は、回転軸38を通す中心穴42aを有している。ローラ本体42の内周面には、キー38aを通すための軸方向に延びる溝42bを形成することができる。ローラ本体42の一方の端部には、弾性リング44の脱離を防止する半径方向に突出するフランジ部42cが設けられている。ローラ本体42の他方の端部には、エンドプレート48を受容する凹部42dが形成されている。
弾性リング44は、ローラ本体42の外周面に取り付けられる発泡ゴム、例えばフッ素ゴムスポンジのような弾性材料から形成される環状部材である。弾性リング44は周方向に延びるスリット44aと、ローラ本体42の外周面に密着する内周面44bとを有している。スリット44aは、弾性リング44の外周面から半径方向に所定深さ、軸方向に所定の幅(軸方向寸法)で形成されている。スリット44aは、外周面から半径方向に所定深さで切り込んだ単なる切込みであってもよい。
スリット44aには、第1のローラ40が回転したときの遠心力で、弾性リング44が半径方向に膨張、変形することを防止する膨張防止部材46が嵌入される。膨張防止部材46は、弾性体としての弾性リング44よりも弾性率が大きい材料、例えば、樹脂製薄板よりなる環状部材とすることができる。或いは、膨張防止部材46は、上記環状部材を直径に沿って2分割した2つの弓形部材または中心角が120°となるように3分割した3つの弓形部材としてもよい。なお、膨張防止部材46が加工ベルト34と接触すると加工ベルト34の張架に悪影響を及ぼすことから、膨張防止部材46の外径は、加工時にも非加工時にも弾性リング44の外径よりも小さいことが好ましい。
エンドプレート48は、円筒状の本体部分48aと、該本体部分48aの一方の端部において半径方向に突出するフランジ部48bとを有している。エンドプレート48は、回転軸38を通す中心穴48cが形成されている。エンドプレート48を、ローラ本体42の凹部42dに嵌合すると、ローラ本体42の外周面に嵌合されている弾性リング44は、ローラ本体42のフランジ部42cとエンドプレート48のフランジ部48bの間に挟持される。これにより、弾性リング44がローラ本体42に対して軸方向に移動して脱離することが防止される。
第2のローラ32は、コの字型のクレードル50に回転可能に支持されている回転軸52に取り付けられている。クレードル50は、ガイド59に沿って矢印Aで示す方向に移動可能に設けられている。スタッド54は、ブラケット36に固定され、クレードル50の穴(図示しない)に間隙を有しつつ貫入されており、スタッド54の周囲には、コイルばね56が配設されている。クレードル50は、コイルばね56により、ブラケット36から離反する方向に付勢される。クレードル50は、固定機構であるピン58により、ブラケット36から任意距離離間した状態で固定することができる。具体的には、ピン58はクレードル50に貫通螺合しつつ、ピン58の先端がクレードル50内部に貫入されているスタッド54の外周に当接する構造とすることで、ピン58を回転動作させると、クレードル50の位置を固定することができる。加工ベルトの交換作業において、加工ベルトを取り外す場合には、まずピン58の固定を解除し、クレードル50をガイド59に沿ってブラケット36に接近させ、ピン58を固定して、加工ベルト34の張架状態を解除した状態としてから、第1のローラ40と第2のローラ32から加工ベルト34を取外すことができる。また、加工ベルト34の取り付けをおこなう場合には、上述の加工ベルト34を取り外した状態において、新しく取り付ける加工ベルト34を第1のローラ40と第2のローラ32に取り付け、ピン58の固定を解除すると、コイルばね56の弾性力によってクレードル50がブラケット36から離間し加工ベルト34が張架状態となるので、さらにピン58によってクレードル50の位置を固定することで、加工ベルト34の取り付けが完了する。これらの構造と作業手順によって、作業者の熟練度によらず、ベルトの交換作業をおこないつつ、加工ベルト34の張力を設定することができる。
回転動力発生部60は回転モータを具備する。回転モータは、電動モータでもよいが、流体モータ、特にタービン(図示せず)を備えた空圧モータが好ましい。回転動力発生部60としての空圧モータは、タービンを回転可能に収容する車室64および車室64に連通する流体入口ポート66を形成するタービンハウジング62を有している。流体入口ポート66は流体供給通路に連通している。本実施形態では、流体入口ポート66は、ホルダ部12および結合部28の中心穴12a、28cに連通している。
動力伝達部70は、第1のプーリ72と、第2のプーリ74と、第1のプーリ72と第2のプーリ74の間に張架された駆動ベルト76と、テンショナ78とを具備する。第1のプーリ72は、回転動力発生部60としての空圧モータの出力軸68と共に回転するように出力軸68に取り付けられており、入力プーリを形成する。第2のプーリ74は、第1のローラ40のための回転軸38と共に回転するように回転軸38に取り付けられている。駆動ベルト76は、歯付ベルトまたはコグベルトとすることができる。駆動ベルト76が歯付ベルトまたはコグベルトの場合、第1のプーリ72と第2のプーリ74は駆動ベルト76の歯に係合する複数の歯を有した歯付プーリにより形成される。駆動ベルト76は、第1のプーリ72と第2のプーリ74の間で、駆動ベルト76の背面に係合する遊動ローラ78aを有したテンショナ78により一定の張力が印加される。
ベルト加工装置10を工作機械100の主軸114のテーパ穴内にクランプすると、流体供給通路12a、28cが、クランプ装置のドローバーの流体通路に連通する。流体供給源から流体、例えば加圧空気またはクーラントが、主軸の工具クランプ装置のドローバーの流体通路、ベルト加工装置10の流体供給通路12a、28cおよび回転動力発生部60としての流体モータの流体入口ポート66を通じて車室64に供給され、該車室64内に配設されているタービンを回転させる。
この回転は、流体モータの出力軸68に取り付けられている第1のプーリ72、駆動ベルト76および第2のプーリ74を通じて回転軸38に伝達され、従って、加工ローラである第1のローラ40が回転し、第1のローラ40と第2のローラ32の間に張架されている加工ベルト34が駆動される。この間、第1のローラ40が駆動ローラとして、そして第2のローラ32が従動ローラとして作用する。こうして、加工ベルト34を第1のローラ40と第2のローラ32の間で循環するように駆動されている間、加工ベルト34を間に挟んで第1のローラ40をワークWの表面に押し付けつつ、主軸114とテーブル104とを相対移動させることによって、ワークWの表面が加工(研磨または研削)される。
加工ローラである第1のローラ40の外周部に弾性体である弾性リング44を配設することによって、加工時に問題となる加工ローラの取付アライメント不良や、加工対象となるワーク表面のうねり形状等を、弾性体によって吸収することができ、特段のプログラムを作成することなく、設計形状に合わせた加工プログラム(NCプログラム)に従ってワークWの加工すべき表面に沿ってベルト加工装置を走行させるだけで、良好な加工面を得ることが可能となる。また弾性リング44には、膨張防止部材46が埋設されており、第1のローラ40の回転中に、弾性リング44が遠心力にて半径方向に膨張、変形することが防止される。つまり、加工ベルト34に意図しない張力が加えられてワークWへの加工に悪影響を及ぼす課題や、加工ベルト34と係合していない部分において弾性リング44が膨張して本体部20の各所と干渉する課題を、膨張防止部材46によって解決できるのである。
上述の実施形態では、膨張防止部材46は、弾性リング44の各々の外周面から半径方向に所定深さ、軸方向に所定の幅(軸方向寸法)で形成され周方向に延びるスリット44a内に配設された、例えば樹脂製薄板よりなる環状部材、2つの弓形部材または3つの弓形部材であったが、本発明はこれに限定されない。本発明において、膨張防止部材は、加工ローラの外周部に配設されている弾性体が加工ローラの回転中に遠心力によって半径方向に膨張、変形することを防止できればよい。
図7に加工ローラの変形例である第1のローラ120を示す。本実施形態の第1のローラ120は、弾性体としての弾性リングおよび膨張防止部材が上述の実施形態における膨張防止部材46と異なっている点を除き、上述の実施形態における第1のローラ40と概ね同様に構成されている。
図7において、弾性リング124は、周方向に延びるスリット124aを有している。スリット124aは、弾性リング124の軸方向に反対側の2つの側面から所定の深さ、半径方向に所定の幅(半径方向寸法)で形成されている。スリット124aには、第1のローラ120の回転による遠心力で、弾性リング124が半径方向に膨張、変形することを防止する膨張防止部材126a、126bが嵌入される。
膨張防止部材126a、126bは、例えば、樹脂製薄板よりなる環状部材とすることができる。或いは、膨張防止部材126a、126bは、上記環状部材を直径に沿って2分割した2つの弓形部材または中心角が120°となるように3分割した3つの弓形部材としてもよい。膨張防止部材126aは、エンドプレート128のフランジ部128bのスリット128dおよび該スリット128dに対面する弾性リング124の側面に形成されたスリット124aに配設され、膨張防止部材126bは、2つの弾性リング124の対面する側面のスリット124aに配設され、膨張防止部材126cは、ローラ本体122のフランジ部122cのスリット122eおよび該スリット122eに対面する弾性リング124の側面に形成されたスリット124a内に配設される。
図7の第1のローラ120も上述の実施形態の第1のローラ40と同様に作用する。
主軸114は、ワークWに対してX軸、Y軸、Z軸の直交3軸方向に相対的に移動及び位置決め、ならびに回転軸線O周りの角度位置決めが可能であるので、工作機械100とベルト加工装置10によれば、ワークWに対して、真空チャンバ等に設けられる精密なシール面に好適な工具送り方向と平行な研磨痕または研削痕を有する研磨仕上げ面または研削仕上げ面を形成するベルト加工をおこなうことができる。また、工作機械100が工具交換装置を具備することによって、ベルト加工装置10でおこなう研磨または研削以外の加工工程を工作機械100でおこなう加工工程に集約できる。さらに、回転モータに流体モータや空圧モータを適用することで、工作機械100が潤滑や冷却のために元より備えているクーラントや加圧空気などを供給する流体供給源によってベルト加工装置10を駆動することが可能となるので、ベルト加工装置10のために新たに駆動源を設ける必要が無い。
上述した内容においては、1つの弾性リングに1つ又は2つの膨張防止部材が装着される実施形態を説明したが、遠心力による弾性リングの膨張をより強力に防止したい場合など、必要に応じてさらに多くの膨張防止部材を装着できる構造にしてもよい。
10 ベルト加工装置
12 ホルダ部
20 本体部
30 ベルト駆動部
32 第2のローラ
34 加工ベルト
40 第1のローラ
44 弾性リング
46 膨張防止部材
58 ピン
60 回転動力発生部
70 動力伝達部
100 工作機械

Claims (5)

  1. ワークに対して加工ベルトを相対的に移動させて前記ワークを加工するベルト加工装置において、
    加工ローラである第1のローラと、
    第2のローラと、
    前記第1のローラと前記第2のローラによって支持される加工ベルトと、
    前記第1のローラまたは前記第2のローラを回転させる回転動力発生部と、
    前記第1のローラの外周に取り付けられ、外周面から所定深さで形成されるスリットを有する環状の弾性体と、
    前記弾性体のスリット内に取り付けられ、前記弾性体よりも弾性率が大きく、前記弾性体の外径より小さな外径を有する環状の膨張防止部材と、
    を備えることを特徴としたベルト加工装置。
  2. 前記加工ベルトにおいて前記第1のローラに係合する部分がワークの表面に接触して、該ワークの表面を加工する請求項1に記載のベルト加工装置。
  3. 前記回転動力発生部は流体モータを具備する請求項1または2に記載のベルト加工装置。
  4. 前記流体モータは空圧モータである請求項3に記載のベルト加工装置。
  5. 主軸と、該主軸に対面するように配置されワークを固定するテーブルと、前記主軸と前記テーブルとを相対移動させる送り装置とを具備する工作機械の前記主軸先端部に装着可能なホルダ部を更に具備する請求項1に記載のベルト加工装置。
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