JPH0976135A - 円筒体の加工装置およびその加工方法と支持方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 特に剛性の小さいワークの表面加工精度の向
上と真直度の保持を図りつつ加工時間の短縮、加工コス
トの低減に貢献できる円筒体の加工装置およびその加工
方法と支持方法。 【解決手段】 円筒体（ワーク）の両端部を芯出し固定
支持する支持手段と、加工具を保持し、円筒体外周面周
りを回転しつつ、外周面の加工を行う主軸部材と、支持
手段を軸方向に相対移動させる手段とを有し、主軸部材
の加工具近傍に、円筒体の真直度測定による曲りのみを
許容し、加工外乱による変位を禁止する挾持手段を設け
ることにより、その加工中に発生するびびりを抑制す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、円筒体の加工装置
およびその加工方法と支持方法に関し、詳しくは円筒状
工作物の外周部を切削加工する加工装置およびその加工
方法と円筒状工作物の加工装置への支持方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、外形が細く薄肉の円筒体工作物
（以下ではワークという）外周部を切削加工する加工装
置としては、ワークの振れ回りが無く、高い加工精度が
得られ、しかもワークの交換に際して切削工具を回転保
持する主軸をそのために停止させなくて済む工具回転方
式によるものが主流をなしている。

【０００３】図５にかかる工具回転方式による従来の加
工装置の一例を示す。ここで、１は切削工具として例え
ばバイト２をその一方の側面に固定した状態で切削のた
めに回転する主軸、３はベース４上に固定され主軸１を
回転自在に支承する主軸コラム、５は加工対称となる薄
肉円筒体のワーク、６Ａおよび６Ｂはワーク５の両端部
をそれぞれチャックポスト７Ａおよび７Ｂに固定支持さ
せるためのチャック部材である。なお、チャックポスト
７Ａはチャック部材６Ａと共にワーク５の交換時にワー
ク５と共に図に示すセッティング位置から左方に移動可
能に構成されており、８はその移動のための補助スライ
ダである。この補助スライダ８はメインスライダ９上の
補助スライダ用レール９Ａに沿って紙面と平行する方向
に移動する。

【０００４】従って、セッティング状態ではレール９Ａ
上に補助スライダ８を介してワーク５を固定保持するチ
ャック部材６Ａおよびチャックポスト７Ａを位置決め固
定し、他方のチャック部材６Ｂとの間のワーク５を芯出
しした状態に位置決め保持することができる。また、４
Ａはベース４上に敷設されているメインスライダ９用の
レールであり、上述のようにワーク５をチャック部材６
Ａ，６Ｂ間に芯出し位置決めした状態でメインスライダ
９をレール４Ａに沿って紙面と平行する方向に移動さ
せ、その間に主軸１をバイト２と共に回転させてワーク
５外周面の切削加工が行われる。１０はワーク５の動剛
性を高めるためにその内周部に装填される防振部材であ
り、かかる防振部材１０の装填により、薄肉円筒状のワ
ーク５の外周面を切削化刻する時に切削面とバイト２の
刃先との間に発生しがちな「びびり」による振動を抑制
するようにしている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の円筒体の加工装置ではその加工精度を保持すべくび
びり振動を抑制するために防振部材１０をワーク５の内
周部に装填してはいるものの、加工時間の短縮を図ろう
として主軸１の回転数をあげようとすると、加工に際し
てワーク５に作用する外乱の周波数（振動数）がワーク
５自体の有する固有振動数に近づくことによって共振が
発生する。そのためにびびり振動が発生する。図４はワ
ークの中央部において切削加工時に加わる切削抵抗のう
ち、上下方向の伝達特性をコンプライアンス（剛性の逆
数に相当する物質の特性、変位／力）として縦軸に（ｄ
Ｂ）で表し、横軸にワークの回転数に基づいて発生する
加工中の外乱周波数をＫＨｚで表して、その共振周波数
の発生を示したものである。ここで、コンプライアンス
が大きいということは、同じ外力に対して剛性が小さく
振動し易いことを示している。

【０００６】いま、外径が約１２ｍｍ、肉厚が１ｍｍの
ワーク５について主軸１の回転数（つまりワーク５の切
削加工のための回転数）を１００００ｒｐｍにすると、
コンプライアンスと周波数との間には図４で曲線Ｃ_A と
して示す関係がある。すなわち、外乱周波数が１６７Ｈ
ｚあたりまではコンプライアンス値はあまり変化しない
が２００Ｈｚあたりからコンプライアンス値が高まり始
め、びびり振動が出はじめてａ点において共振が発生す
る。また、他に加工時間を短縮する方法として、主軸１
の回転数は上げずにおき１回転当たりのワークの送り量
を多くすることが考えられるが、送り量を多くすること
によって切削抵抗の増加を招くため、同じ外乱周波数で
も振動し易くなり、結果的には加工表面の粗さが増し、
劣化を招く。

【０００７】以上に述べたように、剛性の小さなワーク
を加工する場合、従来の防振対策では主軸回転数の増加
あるいは送り速度の増加に対応できない。そこで、ワー
クの振動を抑制するには、ワークを加工点近傍で剛に支
持すればよいが、それだけでは未加工状態のワーク自体
に曲がりがあると、ワークを弾性変形させながら加工す
ることになり、加工後に高い真直度が得られない。この
ように、従来の加工装置およびその加工方法では加工時
間の短縮すなわち加工コストの低減と高精度加工との双
方を両立させることが難しかった。

【０００８】本発明の目的は、このような従来の問題点
に着目し、その解決を図るべく、特に剛性の小さいワー
クの表面加工精度の向上を図りつつ、しかも加工時間の
短縮、加工コストの低減に貢献できる円筒体の加工装置
およびその加工方法と支持方法を提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】かかる目的を達成するた
めに、本発明は、円筒体の両端部を固定支持する支持手
段と、加工具を保持し、前記円筒体の外周面の周りを回
転しつつ前記加工具により前記外周面の加工を行う主軸
部材と、該主軸部材に対し、前記円筒体を前記支持手段
と共に軸方向に相対移動させる移動手段とを有し、前記
加工具近傍に、前記円筒体の前記相対移動による加工
中、該円筒体の真直度測定による曲りのみを許容し、加
工外乱による変位を禁止する挾持手段を設けたことを特
徴とするものである。

【００１０】本発明によれば、円筒体の軸方向の移動を
自在に保ちつつ、防振具を挿入しなくても加工位置での
剛性が高められるので、加工外乱に対しても円筒体のび
びり振動を抑制することが可能となる。なお未加工状態
で円筒体の真直度が悪いような場合でも、予めその直線
からの狂い量を測定しておき、円筒体の最も曲がってい
る狂い方向に円筒体を挾持し、円筒体を支持手段により
固定支持し、円筒体の軸方向位置に応じた曲がり量だけ
支持手段を変位させるよう圧電素子に印加する電圧を変
化させることによって円筒体の変形を防止することがで
きる。

【００１１】また、以上のような挾持手段を、本発明加
工装置の主軸加工具近傍に配置し、円筒体の未加工部分
を挟み込むように構成することにより、主軸回転数ある
いは主軸１回転当たりの送りを高めることができると共
に真直度の劣化が防止できる。そこで、この状態で主軸
端に、例えばダイヤモンドバイトを取り付けると共に円
筒体両端をチャックして主軸の軸芯に円筒体を位置決め
し、主軸を回転させつつ円筒体を軸方向に相対移動させ
ることにより、円筒体の表面を高精度の加工状態に保ち
つつ、その真直度を劣化させることなく、しかも加工時
間を短縮し、加工コストを低減できる。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下に、図面に基づいて本発明の
実施例を詳細かつ具体的に説明する。

【００１３】図１は本発明円筒体加工装置による振動抑
制手段（以下では振動抑制機構という）の構成例を示
す。振動抑制機構１１はその固定枠１２を介して図２に
示すように主軸コラム３側に固定されるもので、１３
Ａ，１３Ｂ，１３Ｃはその固定板である。このように振
動抑制機構１１は、主軸１のバイト２取付側近傍でワー
ク５（本例の場合、その外径が１２ｍｍ程度のアルミニ
ウム管）の外周面にその未加工位置で接するようにして
固定されている。１４は４枚の板ばね１５を介して固定
枠１２に弾性支持される支持枠、１６Ａおよび１６Ｂは
板ばね１５を固定枠１２側および支持枠１４側に固定す
るためのばね抑え、１７はその固定ボルトである。

【００１４】１８Ａおよび１８Ｂは支持枠１４の内側に
取付けたベアリング支持部材、１９Ａおよび１９Ｂは本
例の場合径が１０ｍｍのベアリング（ローラベアリング
またはボールベアリング）２０Ａおよび２０Ｂをそれぞ
れベアリング支持部材１８Ａおよび１８Ｂに軸支する径
が約３ｍｍのベアリング軸である。なお、一方のベアリ
ング支持部材１８Ｂは上下方向の長孔１９を介してボル
ト２０により支持枠１４に固定されており、これらの長
孔１９およびボルト２０によりベアリング支持部材１８
Ｂの上下方向の位置を微調整することができる。また、
２１は固定枠１２と支持枠１４との間に介装された圧電
素子、２２は後述するようにして圧電素子２１の駆動制
御に関わる増幅器である。

【００１５】なお、ここでワーク５の直径は個々にある
いは切削位置によって異なるために、ベアリング２０Ａ
と２０Ｂとの間の隙間を寸法精度の下限値より例えば２
０μｍ前後小さく設定し、ワーク５とベアリング２０Ａ
および２０Ｂとの間に隙間がないようにする。例えば、
ワーク５の寸法精度が外径で１２ｍｍ±２０μｍであれ
ば、ベアリング隙間を１１．９６ｍｍとする。このこと
は、ワーク５のつぶし代が大きすぎると送り抵抗が大き
くなり、つぶし代が小さすぎるとワーク５とこれを支持
する支持枠１４との動きが一体でなくなり、防振効果が
得られないことになる。そこで隙間調整には、ベアリン
グ２０Ａと２０Ｂとの間に上記の状態が得られるように
所定の厚さのブロックゲージを挟み込み押し当てた状態
で行う。

【００１６】また支持枠１４は上下左右４枚の板ばね１
５と板ばね抑え１６Ａ，１６Ｂとで、上下方向に変位し
易く、かつ左右方向には変位しないように固定されてい
る。なお、板ばね１５はワーク５の左右方向に対する剛
性を高めるため、その軸方向の動きを規制する必要があ
り、以下のようにして求める。

【００１７】いま、加工時間短縮のために、主軸回転数
を従来の１００００ｒｐｍから２００００ｒｐｍにする
と、加工外乱周波数は１６７Ｈｚから３３３Ｈｚになる
が、この周波数でのびびり振動を避けるためには、最低
次の共振周波数を１ｋＨｚ程度にする必要がある。ちな
みに、１自由度のばね，マス系の共振周波数を簡略に求
める式として、

【００１８】

【数１】＝（ｋ／ｍ）^0.5 ／（２π） を用い、ここで質量ｍとしてチャック部材６Ａ，６Ｂと
支持枠１４とを足した重量０．６ｋｇを代入すると、ｋ
＝２４Ｎ／μｍを得る。

【００１９】なお、本例の場合、４枚の板ばね１５を使
用しているため、１枚当たりに要求されるばね定数ｋと
しては６Ｎ／μｍとなる。かかる定数は板ばね長さが１
０ｍｍのばね鋼を使用するものとして、厚さが０．２ｍ
ｍ，幅が１０ｍｍ程度で十分に得られる。一方、圧電素
子２１の軸方向の剛性としては板ばね１５と同等のもの
が要求されるが、断面５×５ｍｍで変位量３０μｍの圧
電素子で有れば十分な剛性が得られる。また、ワーク５
の真直度も２０μｍ以下なので、上記の変位量で十分満
足できる。

【００２０】続いて、図３によりワーク５を本発明によ
る円筒体加工装置に保持させる前に、ワークの曲がり
量、すなわち真直度を測定する装置について説明する。

【００２１】ワーク５の両端部は３個ずつのローラ３１
Ａ，３１Ｂ，３１Ｃと３１Ｄ，３１Ｅ，３１Ｆとからな
るローラ支持部によって支持され、モータ３２によりワ
ーク５が回転させられる。そして、ワーク５の軸方向中
央部下方に配設した静電容量型あるいは渦電流型等の非
接触型変位検知センサ３３によりワーク５の振れ回り量
を測定するもので、３４はセンサ３３からの信号を増幅
するアンプである。３５は回転位置制御装置であり、制
御装置３５ではモータ３３に回転指令を出すと共にセン
サ３３からの変位信号を取り込み、センサ出力が最大の
位置、すなわちワーク５の曲がり位置が最下点にきた時
点で回転を停止する。ついで、この姿勢を保たせたま
ま、図示しないオートハンドによりワーク５を加工装置
に搬送しチャック部材６Ａ，６Ｂを介して位置決め保持
されるようにする。また、回転位置制御装置３５は、ワ
ーク５の軸芯を含む鉛直面内において軸方向をＸ、垂直
方向をＹとしてワーク５の軸方向中心をＸ＝０，Ｙ＝０
とする座標の元に、ワーク５の曲がりをＹ＝ＡＸ² ＋Ｂ
とする２次関数式で近似的に表し、両端でのＹの値が振
れ回り量の１／２になるものとして係数Ａ，Ｂを算出す
る。

【００２２】図２は本発明による振動抑制機構１１を装
着した加工装置に上記ワーク５を位置決めして加工しつ
つある状態を示す。なお、ワーク５の未加工部分は回転
ベアリング２０Ａ，２０Ｂ間に挾持されていて、その両
端部はチャック部材６Ａ，６Ｂによって主軸１の軸芯に
合わせて位置決めされている。また支持枠１４は、加工
制御装置３６の指令に従って圧電素子駆動アンプ２２を
介して圧電素子２１に印加される所定の電圧により上下
に変位する。すなわち、加工制御装置３６は回転位置制
御装置３５からのワーク５の１本毎に求められた２次関
数の係数値Ａ，Ｂを読み込み、ワーク５のＸ方向の位置
に応じたＹ方向の曲がり量を近似計算する。そして加工
時には、不図示のスライダ用モータエンコーダからの信
号に基づいてワーク５のＸ方向の加工位置を認識し、こ
れに同期したＹ方向位置制御指令を圧電素子駆動アンプ
２２を介して圧電素子２１に与え、支持枠１４を上下方
向に変位させてワーク５の支持状態を抑制する。

【００２３】例えば、１５０Ｖで３０μｍ変位する圧電
素子を使用して２０μｍの曲がりに追従させる場合に
は、ワーク５の両端で最大の１５０Ｖ、中央で最小の５
０Ｖ、その間では２次関数で近似した変位に対応する電
圧がかけられる。なお、振動抑制機構１１とバイト２と
のＸ方向の距離は短いほうが切削抵抗に対する振動抑制
効果が高いが、加工点でオイルミストをかけ、切り粉を
排出するスペースが必要であるため、例えば２０ｍｍ程
度は離してある。このような状態で例えばダイヤモンド
バイト２を主軸１に取り付けて回転させ、ワーク５を保
持するメインスライダ９を図５に示すように右から左方
に移動させることによりワーク５の外径切削加工ができ
る。この状態でのワーク５の中央部での上下方向伝達特
性を図４にＣ_B として示す。

【００２４】この図に示すように主軸回転数を現行の２
倍の２００００ｒｐｍにすると外乱周波数は３３３Ｈｚ
で、従来のカーブＣ_A での特性ではこの周波数近傍に共
振点が存在するため、びびり振動が発生し、良好な上面
粗さが得られなかったのに対し、カーブＣ_B での特性で
は、６００Ｈｚ近傍までコンプライアンス値をフラット
の状態に保つことができ、またコンプライアンスのレベ
ルを全体的に下げることができる。すなわち、板ばね１
５の軸方向でも同様な特性が得られ、高い外乱周波数あ
るいは大きな切削抵抗に対し振動しにくいことがわか
る。例えば、従来１００００ｒｐｍ、１回転当たりの送
り量が０．１ｍｍ／ｒｅｖ、バイト２の先端Ｒ１ｍｍで
長さ２５０ｍｍワーク５を加工するのに約１５ｓｅｃか
かったのが、本実施例によるカーブＣ_B で分るように２
００００ｒｐｍ、０．１５ｍｍ／ｒｅｖ、バイトＲ３ｍ
ｍの条件の元で約５ｓｅｃで加工でき、従来と同様のＲ
ｍａｘ１μｍ前後の表面粗さを得ることができた。ま
た、ワーク５内部に図５に示したような従来の防振具１
０を挿入せずに加工できるため、防振具の重量の影響に
よるワーク５の曲げ変形が数μｍなくなるため、加工後
のワーク５の真直度を５０％程度改善することができ
た。

【００２５】以上の実施例では、支持枠１４の支持に省
スペースのため板ばね１５を使用したが、転がり、ある
いは滑りタイプのリニアガイドでもかまわない。また圧
電素子２１もコンパクト化のため使用したが、電磁石、
ダイアフラム等１μｍレベルの変位分解能をもつ駆動ユ
ニットならどのような形式でもよい。また以上の装置お
よび方法はワーク５の曲がり状態に支持枠１４を追従さ
れるものであるが、加工前にワーク５の曲がりを測定す
る時点で、センサ２１からの出力が最大最小の中間値と
なる状態、すなわち水平方向に曲がった状態にセット
し、その姿勢のままオートハンドにより移動させて加工
装置に位置決め固定し、ベアリング２０Ａ，２０Ｂによ
りワーク５の中央部を上下方向に嵌め込めば位置決め時
に支持枠１４をワーク５の曲がりに追従させなくてもす
む。つまり、水平方向において曲がった状態のまま上下
方向にベアリング２０Ａ，２０Ｂで平行に挟むため、ワ
ーク５が軸方向に移動してもワーク５を変形させる力は
発生せず、加工点近傍の剛性を増加させることができ
る。この構成では、支持枠１４を上下移動可能に保持す
る手段やワーク保持のための駆動装置の必要はないがベ
アリング２０Ａ，２０Ｂの隙間の中心を主軸１の軸芯に
位置合わせする際に、上下移動機構がないため振動抑制
手段全体の位置調整をする必要がある。

【００２６】

【発明の効果】以上説明してきたように、本発明によれ
ば、加工具近傍に、前記円筒体の前記相対移動による加
工中、該円筒体の真直度測定による曲りのみを許容し、
加工外乱による変位を禁止する挾持手段を設けたので、
加工中のびびり振動の発生を抑制し、例えば実施例で述
べたように２００００ｒｐｍでの加工では、円筒体の加
工点における動剛性を１０倍程度高くすることができ
る。また、びびりが発生して加工不能であった円筒体で
も、その表面粗さＲｍａｘ１μｍ前後の良好な状態に加
工することが可能となった。しかも、その加工にあた
り、円筒体の真直度をほとんど劣化させることなく、さ
らに、従来より主軸１回転当たりの円筒体の送り速度を
１．５倍程度に高めることが可能となり加工時間を１／
３程度に短縮することができて加工コストの低減に貢献
する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明にかかる振動抑制機構の構成を示す説明
図である。

【図２】本発明にかかる振動抑制機構を装着した加工装
置の主軸周りの構成を示す断面図である。

【図３】本発明にかかる円筒体の曲がり測定状態を示す
説明図である。

【図４】円筒体の振動特性を従来例と本発明実施例とで
比較して示す特性曲線図である。

【図５】従来の加工装置として円筒外径切削機の構成の
一例を示す説明図である。

【符号の説明】

１ 主軸 ２ バイト ３ 主軸コラム ４ ベース ５ ワーク（円筒体、工作物） ６Ａ，６Ｂ チャック部材 ７Ａ，７Ｂ チャックポスト ８ 補助スライダ ９ メインスライダ １１ 振動抑制機構 １２ 固定枠 １３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃ 固定板 １４ 支持枠 １５ 板ばね １８Ａ，１８Ｂ ベアリング支持部材 ２０Ａ，２０Ｂ （ローラまたはボール）ベアリング ２１ 圧電素子 ３１Ａ〜３１Ｆ ローラ ３２ モータ ３３ （非接触型変位検知）センサ ３５ 回転位置制御装置 ３６ 加工制御装置

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 円筒体の両端部を固定支持する支持手段
   と、加工具を保持し、前記円筒体の外周面の周りを回転
   しつつ前記加工具により前記外周面の加工を行う主軸部
   材と、該主軸部材に対し、前記円筒体を前記支持手段と
   共に軸方向に相対移動させる移動手段とを有し、 前記加工具近傍に、前記円筒体の前記相対移動による加
   工中、該円筒体の真直度測定による曲りのみを許容し、
   加工外乱による変位を禁止する挾持手段を設けたことを
   特徴とする円筒体の加工装置。
2. 【請求項２】 円筒体の真直度を測定して該円筒体の両
   端部を支持手段により支持し、該支持手段により支持さ
   れる前記円筒体を前記支持手段と共に支持方向に相対移
   動させつつ、加工具を保持する主軸部材を前記円筒体の
   外周面の周りに回転させ、前記加工具の近傍で前記真直
   度の測定によって求められた曲りのみを許容し、加工外
   乱による変位は禁止するように前記円筒体を挾持して加
   工することを特徴とする円筒体の加工方法。
3. 【請求項３】 円筒体の両端部を支持手段により支持し
   て加工するにあたり、該円筒体の真直度を測定し、該円
   筒体の曲りのみを許容し、加工外乱による変位は禁止す
   る挾持手段により加工具近傍を挾持させた状態で支持す
   ることを特徴とする円筒体の支持方法。