JP7358182B2 - ホーニング加工機及びそれを用いた加工方法 - Google Patents

Description

本発明は、ワークの被加工孔の内径面の軸線方向に往復移動可能且つ軸線周りに回転可能な回転主軸と、この回転主軸の先端に着脱可能に装着され、径方向に突出及び退入可能なホーニング砥石を有するホーニングツールとを備えたホーニング加工機及びそれを用いた加工方法に関する。

従来、この種のホーニング加工機に用いられるホーニングツールの外径は、その長さに比べて極めて小さく、非常に撓み安い構造となっている。ホーニング砥石に捩れが発生し、この捩れを起点として曲がりを起こしてくると、加工精度の不良が発生する。

そこで、例えば、特許文献１に示すように、ホーニングツールの下端を、基板に設けた案内軸受に回転可能に支持させた状態で、基板上のケーシングに回転可能に支持した板体上の工作物の貫通孔を研削することが知られている。

また、特許文献２では、ホーニングツールの傾きについて述べているが、その傾きはフローティング支持機械により許容されている。

特開昭５９－３０６６２号公報 特開平７－２７６２２３号公報（特に段落００２４）

しかしながら、特許文献２のようなフローティング支持機械を用いても、ホーニングツールの傾き自体を十分に解消できないので、達成できる加工精度には限りがあるという問題がある。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、ホーニングツールの傾きを積極的に抑制することで加工精度を向上させることにある。

上記の目的を達成するために、この発明では、ホーニングツールの下端部を回転可能に保持する捩れ防止装置を設けた。

具体的には、第１の発明では、ワークの被加工孔の内径面の軸線方向に往復移動可能且つ軸線周りに回転可能な回転主軸と、
該回転主軸の先端に着脱可能に装着され、径方向に突出及び退入可能なホーニング砥石を有するホーニングツールと、
該ホーニングツールの下端部を回転可能に保持する捩れ防止装置とを備えたホーニング加工機を対象とする。

そして、上記捩れ防止装置は、
上記ホーニングツールの下端部を第１内輪で回転可能に保持する第１軸受と、
上記第１軸受の下方に配置され、該第１軸受の第１内輪と共に第２内輪が連れ回りする第２軸受と、
上記第２軸受の第２内輪に回転一体に保持され、上端が上記第１軸受の第１内輪に接続された複数の伸縮可能な伸縮部材を有する連れ回り部材と、
上記第１軸受の第１外輪及び上記第２軸受の第２外輪を固定し、上記連れ回り部材を収容する治具本体とを備え、
複数の上記伸縮部材を上記ホーニングツールに加わる変動する円周方向の荷重に合わせて伸縮させ、該ホーニングツールを傾けるように制御する制御部を備えている。

上記の構成によると、第１軸受でホーニングツールを回転可能に支持するので、ホーニングツールの回転を阻害することなく、ホーニングツールの回転が安定する。さらに、制御部で、第１軸受と連れ回りする第２軸受に設けた連れ回り部材が有する、複数の伸縮部材をホーニングツールに加わる変動する円周方向の荷重に合わせて伸縮させ、ホーニングツールを意図的に傾けるように制御するので、ホーニングツールの傾きを積極的に防ぐことができる。

第２の発明では、第１の発明の構成に加え、
上記捩れ防止装置は、
上記ホーニングツールに加わる加工負荷を計測する動力計と、
上記ホーニングツールの変形量を計測する変形量測定部とを有し、
上記制御部は、上記ホーニングツールで研削する際の上記動力計と上記変形量測定部との値を元に複数の上記伸縮部材を伸縮させるタイミングを計算し、その計算値を元に上記伸縮部材を伸縮制御するよう、正確な変動力の取り出し処理装置と、修正を可能とする演算処理装置と、修正を正確且つ迅速に行う修正装置の３つの機構を備えている。

上記の構成によると、ホーニングツールで研削を行う際に実際に生じる加工負荷及び変形量を実測することで、ホーニングツールの加工位置ごとの傾斜の傾向を学習し、実際の研削時には、その傾斜と反対向きに第１軸受を介してホーニングツールを傾けるように力を加えることで、ホーニングツールの傾きが最小限となる。

第３の発明では、第１の発明に加え、
上記ホーニングツールの下端には、上下に延びる径方向外側に突出した突条が設けられ、
上記第１内輪には、上記突条が嵌まり込む係合溝が形成されることで位相保持して同期する機構が設けられている。

上記の構成によると、正確な位相保持して同期することができる。これにより、第１内輪からの力が確実にホーニングツールの下端に伝達される。

第４の発明では、ワークの被加工孔の内径面の軸線方向に往復移動可能且つ軸線周りに回転可能な回転主軸と、該回転主軸の先端に着脱可能に装着され、径方向に突出及び退入可能なホーニング砥石を有するホーニングツールと、該ホーニングツールの下端部を回転可能に保持する捩れ防止装置とを備えたホーニング加工機を用いた加工方法において、
上記捩れ防止装置に、
上記ホーニングツールの下端部を第１内輪で回転可能に保持する第１軸受と、
上記第１軸受の下方に配置され、該第１軸受の第１内輪と共に第２内輪が連れ回りする第２軸受と、
上記第２軸受の第２内輪に回転一体に保持され、上端が上記第１軸受の第１内輪に接続された複数の伸縮可能な伸縮部材を有する連れ回り部材と、
上記第１軸受の第１外輪及び上記第２軸受の第２外輪を固定し、上記連れ回り部材を収容する治具本体とを設ける準備工程と、
上記第１軸受に上記ホーニングツールの下端部を回転一体に接続した状態でワークを研削したときに上記ホーニングツールに加わる荷重と、該ホーニングツールの変形量とを実測して記憶する実測工程と、
上記実測工程で記憶した実測データを元に、上記ワークを研削する際に、上記ホーニングツールが負荷を受けて傾く方向に対して反対側に傾くように上記伸縮部材を伸縮させる伸縮部材制御工程とを含み、
上記実測工程と上記伸縮部材制御工程とを融合する構成とする。

上記の構成によると、第１軸受でホーニングツールを回転可能に支持するので、ホーニングツールの回転を阻害することなく、ホーニングツールの回転が安定する。さらに、実測したデータを元に、第１軸受と連れ回りする第２軸受に設けた連れ回り部材が有する複数の伸縮部材をホーニングツールに加わる変動する円周方向の荷重に合わせて伸縮させ、ホーニングツールを意図的に反対方向に傾けるように制御するので、ホーニングツールの傾きを積極的に防ぐことができる。

以上説明したように、本発明によれば、複数の伸縮部材をホーニングツールに加わる変動する円周方向の荷重に合わせて伸縮させ、ホーニングツールを、ホーニングツールが傾こうとする方向と反対側に傾けるように制御するようにしたので、ホーニングツールの傾きを積極的に抑制することにより、加工精度を向上させることができる。

本発明の実施形態に係るホーニングツール及び捩れ防止装置を示す断面図である。 本発明の実施形態に係るホーニングツール及び捩れ防止装置を含むホーニング加工機の概要を示す斜視図である。 本発明の実施形態に係るホーニングツールを差し込む前のホーニングツール、治具本体及びその周辺を示す斜視図である。 本発明の実施形態に係る供回り部材、伸縮部材及びその周辺を示す斜視図である。 加工中にホーニングツールの砥石に加わる荷重を示し、（ａ）が平面図で、（ｂ）が正面図である。 加工中にホーニングツールに加わる変動する円周方向の荷重を示し、（ａ）が平面図で、（ｂ）が正面図である。 加工中にホーニングツールの変形する様子を示す平面図で、（ａ）がホーニングツールの上側を示し、（ｂ）が下側を示す。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

図２Ａは、本発明の実施形態のホーニング加工機１（全体は図示せず）を示し、このホーニング加工機１は、ワーク５０の被加工孔５０ａの内径面の軸線方向に往復移動可能且つ軸線周りに回転可能な回転主軸２を備えている。この回転主軸２は、電動機などの駆動モータ３によって駆動されるようになっている。駆動モータ３などホーニング加工機１の全体は、制御部４によって制御されるように構成されている。

そして、回転主軸２の先端（下端）には、径方向に突出及び退入可能なホーニング砥石６を有するホーニングツール５が着脱可能に装着されている。本実施形態では、例えば、内径２０ｍｍ程度の被加工孔５０ａを加工する外径に比べて長さが長いホーニングツール５について説明する。ホーニングツール５は、ある程度剛性が低い方がむしろ応答性が上がり、その傾き制御は容易となる。図１に示すように、ホーニングツール５の下端部５ａは、ホーニング砥石６よりも下方に延長されており、例えば、ホーニング砥石６と径方向反対側には、上下に延びる径方向外側に突出した突条５ｂが設けられている。

図１、図２Ｂ及び図３にも示すように、ホーニングツール５の下端部５ａは、捩れ防止装置１０によって回転可能に保持されている。具体的には、捩れ防止装置１０は、ホーニングツール５の下端部５ａを第１内輪１１ａで回転可能に保持する第１軸受１１と、この第１軸受１１の下方に配置され、第１軸受１１の第１内輪１１ａと共に第２内輪１２ａが連れ回りする第２軸受１２とを備えている。第１内輪１１ａには、上記突条５ｂが嵌まり込む係合溝１１ｃが形成されている。

そして、捩れ防止装置１０は、この第２軸受１２の第２内輪１２ａに回転一体に保持され、上端（ロッド部１３ａ）が第１軸受１１の第１内輪１１ａに接続された複数の伸縮可能な伸縮部材１３を有する連れ回り部材１４と、第１軸受１１の第１外輪１１ｂ及び第２軸受１２の第２外輪１２ｂを固定し、連れ回り部材１４を収容する治具本体１５とを備えている。本実施形態では、第１軸受１１及び第２軸受１２が玉軸受の例を図示しているが、軸受の種類は特に限定されないが、特に第１軸受１１は、第１内輪１１ａが第１外輪１１ｂに対してある程度傾くのを許容する構成である必要がある。治具本体１５は、ネジ１５ａ等により、ホーニング加工機１の台等に固定されている。

制御部４は、複数の伸縮部材１３をホーニングツール５に加わる変動する円周方向の荷重に合わせて伸縮させ、ホーニングツール５を傾けるように制御するように構成されている。具体的には、伸縮部材１３は、例えば、３つのエアシリンダよりなり、それぞれが図２Ａに示す制御バルブ１６に配管１３ｂを介して接続されている。各伸縮部材１３は、制御部４が制御バルブ１６に指示を出し、ホーニング砥石６の状況に合わせてそれぞれ伸縮するようになっている。伸縮部材１３は、エアシリンダではなく油圧シリンダであってもよい。本実施形態では、伸縮部材１３のロッド部１３ａは、第１内輪１１ａに当接して第１内輪１１ａを押し上げるような状態で第１内輪１１ａに接続されているが、第１内輪１１ａに連結されて、第１内輪１１ａを引き下げることもできるように構成してもよい。

そして、図２Ａに示すように、捩れ防止装置１０は、正確な変動力の取り出しを行う変動力取出処理装置としての、ホーニングツール５に加わる加工負荷を計測する動力計１７と、ホーニングツール５の変形量を計測する変形量測定部１８とを有する。具体的には、動力計１７は、例えば、切削動力計であり、駆動モータ３等のトルクを検出することで切削動力を検出するようになっている。変形量測定部１８は、ホーニングツール５の変形量を測定できればよく、例えば、公知の変位計を利用して実際の変形量を測定する。

そして、演算処理装置としての制御部４は、実際にホーニングツール５でワーク５０の被加工孔５０ａを研削する際の動力計１７と変形量測定部１８との値を元に複数の伸縮部材１３を伸縮させるタイミングを計算する。また、修正装置としての制御部４は、計算値を元に制御バルブ１６を制御して伸縮部材１３を伸縮制御するように構成されている。

－ホーニング加工機の制御方法－
次に、本実施形態に係るホーニング加工機１の制御方法について説明する。

まず、準備工程で上記ホーニング加工機１を準備する。

次いで、実測工程において、第１軸受１１にホーニングツール５の下端部５ａを回転一体に接続した状態でワーク５０を研削したときにホーニングツール５に変動する円周方向の加わる荷重と、ホーニングツール５の変形量とを実測して記憶する。具体的には、図１に示す状態から、ホーニングツール５をワーク５０の被加工孔５０ａに挿通して下方へ移動させ、図２Ａに示すように、その下端部５ａを第１軸受１１まで進め、その上下に延びる突条５ｂを第１内輪１１ａの係合溝１１ｃに対して回転一体に挿入する。このとき、ホーニングツール５が撓むと、第１内輪１１ａは、第１外輪１１ｂに対して傾くようにしておく。次いで、伸縮部材１３はフリーの状態としておき、ワークの被加工孔５０ａを通常の研削工程通りに研削しながら、動力計１７及び変形量測定部１８での計測値を実測して制御部４が記憶しておく。ホーニングツール５の剛性は、この変形量測定部１８による実測値を用いる。ホーニングツール５の応答として、荷重を受けたときから変形までの時間も同時に測定しておく。これにより、ホーニングツール５が応答できる加減速時定数を設定する。三方向の加工負荷の取得値から合力位置に策定処理を行う。

ここで、ホーニング砥石６及びホーニングツール５に加わる変動する円周方向の荷重について説明する。ホーニングツール５は、ホーニング砥石６を半径方向外側に突出させた状態で、回転主軸２を中心に回転しながら被加工孔５０ａの内面を研削していく。

このとき、ホーニング砥石６が被加工孔５０ａに対して上下方向に移動したり、周方向に移動したりしながら研削が行われる。図４に示すように、ホーニング砥石６には、ホーニングツール５の回転により起こる力Ｆ１と、切り込みにより起こる力Ｆ２と、送りにより起こる力Ｆ３とが発生する。

すると、結果として図５に示すように、ホーニングツール５には、これらの合力として抵抗を受けることになる。ホーニング砥石６の先端側には、送りと回転による上方へ傾いた合力Ｆ４が発生する。また、切り込みによるホーニングツール５の軸心に向かう力も発生している。これらの合力により、ホーニングツール５の下端部５ａには、回転方向とは逆の上向きの力と、軸心に向かう力とが発生し、この力をホーニングツール５が受け、斜め後方上側に変形してくることになる。

ホーニングツール５の上側と下側とでホーニングツール５の変形する状態を図６の（ａ）及び（ｂ）にそれぞれ示す。ホーニングツール５は、上下送り（ストローク）と、ホーニング砥石６の位置的な仕事率の違いから、それぞれの位置において、ホーニングツール５にやや異なった傾きを生じさせる。但し、図６（ａ）と図６（ｂ）とでは、上ストローク時Ｂと下ストローク時Ａとで変位の方向は逆の関係を示す。これらの変形は、上端と下端に来たときに、ストローク速度の減速、停止、加速に合わせて変化を起こす傾向にある。

次いで、伸縮部材制御工程において、実測工程で記憶した実測データを元に、ワーク５０を研削する際に、ホーニングツール５が負荷を受けて傾く方向に対して反対側に強制的に傾くように伸縮部材１３を伸縮させる。したがって、ホーニングツール５の変形を抑える逆向きの力をストローク速度に応じて変化させながら、ホーニングツール５に加えていくことで、ホーニングツール５の変形を抑えることができる。具体的には、実測工程で割り出した力と位置から３つの伸縮部材１３に荷重を与えることで、ホーニングツール５に負荷を与える。ホーニングツール５の剛性が低いほどその応答性が上がって制御が容易になる。ストロークの速度とストロークの方向が変化するとき、速度に応じて荷重を変化させ、また、ストロークの方向により荷重位置を変化させる。突条５ｂを係合溝１１ｃに嵌め込んでいるので、第１内輪１１ａからの力が確実にホーニングツール５の下端部５ａに伝達される。

このように本実施形態では、第１軸受１１でホーニングツール５を回転可能に支持するので、ホーニングツール５の回転を阻害することなく、ホーニングツール５の回転が安定する。さらに、実測したデータを元に複数の伸縮部材１３をホーニングツール５に加わる変動する円周方向の荷重に合わせて伸縮させ、ホーニングツール５を意図的に反対方向に傾けるように制御するので、ホーニングツール５の傾きを積極的に防ぐことができる。

本実施形態では、ホーニングツール５で研削を行う際に実際に生じる加工負荷及び変形量を実測することで、ホーニングツール５の加工位置ごとの傾斜の傾向を学習し、実際の研削時には、その傾斜と反対向きに第１軸受１１を介してホーニングツール５を傾けるように力を加えることで、ホーニングツール５の傾きが最小限となる。

したがって、本実施形態に係るホーニング加工機１によると、ホーニングツール５の傾きを積極的に抑制することにより加工精度を向上させることができる。

なお、以上の実施形態は、本質的に好ましい例示であって、本発明、その適用物や用途の範囲を制限することを意図するものではない。

例えば、上記実施形態では、伸縮部材１３は３本設けているが、４本以上設けてもよい。

１ ホーニング加工機
２ 回転主軸
３ 駆動モータ
４ 制御部（演算処理装置、修正装置）
５ ホーニングツール
５ａ 下端部
６ ホーニング砥石
１０ 防止装置
１１ 第１軸受
１１ａ 第１内輪
１１ｂ 第１外輪
１１ｃ 係合溝
１２ 第２軸受
１２ａ 第２内輪
１２ｂ 第２外輪
１３ 伸縮部材
１３ａ ロッド部
１３ｂ 配管
１４ 連れ回り部材
１５ 治具本体
１６ 制御バルブ
１７ 動力計（変動力取出処理装置）
１８ 変形量測定部（変動力取出処理装置）
５０ ワーク
５０ａ 被加工孔

Claims (4)

1. ワークの被加工孔の内径面の軸線方向に往復移動可能且つ軸線周りに回転可能な回転主軸と、
   該回転主軸の先端に着脱可能に装着され、径方向に突出及び退入可能なホーニング砥石を有するホーニングツールと、
   該ホーニングツールの下端部を回転可能に保持する捩れ防止装置とを備えたホーニング加工機であって、
   上記捩れ防止装置は、
   上記ホーニングツールの下端部を第１内輪で回転可能に保持する第１軸受と、
   上記第１軸受の下方に配置され、該第１軸受の第１内輪と共に第２内輪が連れ回りする第２軸受と、
   上記第２軸受の第２内輪に回転一体に保持され、上端が上記第１軸受の第１内輪に接続された複数の伸縮可能な伸縮部材を有する連れ回り部材と、
   上記第１軸受の第１外輪及び上記第２軸受の第２外輪を固定し、上記連れ回り部材を収容する治具本体とを備え、
   複数の上記伸縮部材を上記ホーニングツールに加わる変動する円周方向の荷重に合わせて伸縮させ、該ホーニングツールを傾けるように制御する制御部を備えている
   ことを特徴とするホーニング加工機。
2. ワークの被加工孔の内径面の軸線方向に往復移動可能且つ軸線周りに回転可能な回転主軸と、
   該回転主軸の先端に着脱可能に装着され、径方向に突出及び退入可能なホーニング砥石を有するホーニングツールと、
   該ホーニングツールの下端部を回転可能に保持する捩れ防止装置とを備えたホーニング加工機であって、
   上記捩れ防止装置は、
   上記ホーニングツールの下端部を第１内輪で回転可能に保持する第１軸受と、
   上記第１軸受の下方に配置され、該第１軸受の第１内輪と共に第２内輪が連れ回りする第２軸受と、
   上記第２軸受の第２内輪に回転一体に保持され、上端が上記第１軸受の第１内輪に接続された複数の伸縮可能な伸縮部材を有する連れ回り部材と、
   上記第１軸受の第１外輪及び上記第２軸受の第２外輪を固定し、上記連れ回り部材を収容する治具本体とを備え、
   複数の上記伸縮部材を上記ホーニングツールに加わる変動する円周方向の荷重に合わせて伸縮させ、該ホーニングツールを傾けるように制御する制御部を備えており、
   上記捩れ防止装置は、
   上記ホーニングツールに加わる加工負荷を計測する動力計と、
   上記ホーニングツールの変形量を計測する変形量測定部とを有し、
   上記制御部は、上記ホーニングツールで研削する際の上記動力計と上記変形量測定部との値を元に複数の上記伸縮部材を伸縮させるタイミングを計算し、その計算値を元に上記伸縮部材を伸縮制御するよう、正確な変動力の取り出し処理装置と、修正を可能とする演算処理装置と、修正を正確且つ迅速に行う修正装置の３つの機構を備えている
   ことを特徴とするホーニング加工機。
3. ワークの被加工孔の内径面の軸線方向に往復移動可能且つ軸線周りに回転可能な回転主軸と、
   該回転主軸の先端に着脱可能に装着され、径方向に突出及び退入可能なホーニング砥石を有するホーニングツールと、
   該ホーニングツールの下端部を回転可能に保持する捩れ防止装置とを備えたホーニング加工機であって、
   上記捩れ防止装置は、
   上記ホーニングツールの下端部を第１内輪で回転可能に保持する第１軸受と、
   上記第１軸受の下方に配置され、該第１軸受の第１内輪と共に第２内輪が連れ回りする第２軸受と、
   上記第２軸受の第２内輪に回転一体に保持され、上端が上記第１軸受の第１内輪に接続された複数の伸縮可能な伸縮部材を有する連れ回り部材と、
   上記第１軸受の第１外輪及び上記第２軸受の第２外輪を固定し、上記連れ回り部材を収容する治具本体とを備え、
   複数の上記伸縮部材を上記ホーニングツールに加わる変動する円周方向の荷重に合わせて伸縮させ、該ホーニングツールを傾けるように制御する制御部を備えており、
   上記ホーニングツールの下端には、上下に延びる径方向外側に突出した突条が設けられ、
   上記第１内輪には、上記突条が嵌まり込む係合溝が形成されることで位相保持して同期する機構が設けられている
   ことを特徴とするホーニング加工機。
4. ワークの被加工孔の内径面の軸線方向に往復移動可能且つ軸線周りに回転可能な回転主軸と、該回転主軸の先端に着脱可能に装着され、径方向に突出及び退入可能なホーニング砥石を有するホーニングツールと、該ホーニングツールの下端部を回転可能に保持する捩れ防止装置とを備えたホーニング加工機を用いた加工方法において、
   上記捩れ防止装置に、
   上記ホーニングツールの下端部を第１内輪で回転可能に保持する第１軸受と、
   上記第１軸受の下方に配置され、該第１軸受の第１内輪と共に第２内輪が連れ回りする第２軸受と、
   上記第２軸受の第２内輪に回転一体に保持され、上端が上記第１軸受の第１内輪に接続された複数の伸縮可能な伸縮部材を有する連れ回り部材と、
   上記第１軸受の第１外輪及び上記第２軸受の第２外輪を固定し、上記連れ回り部材を収容する治具本体とを設ける準備工程と、
   上記第１軸受に上記ホーニングツールの下端部を回転一体に接続した状態でワークを研削したときに上記ホーニングツールに加わる荷重と、該ホーニングツールの変形量とを実測して記憶する実測工程と、
   上記実測工程で記憶した実測データを元に、上記ワークを研削する際に、上記ホーニングツールが負荷を受けて傾く方向に対して反対側に傾くように上記伸縮部材を伸縮させる伸縮部材制御工程とを含む
   ことを特徴とするホーニング加工機を用いた加工方法。

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