JP4077089B2 - 切削加工方法及びそれに用いる切削加工ユニット - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、中ぐり盤等の加工機に不動に固定したワークを切削刃の旋回により加工する切削加工方法と、該方法を実施する切削加工ユニットに関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、旋盤を加工機とする周面旋削加工では、ワークを主軸側のチャックにクランプして回転させながら、刃物台側で切削刃に送りをかけることでワークの加工が行われる。また、フライス盤を加工機とする端面切削加工では、ワークをテーブル上に固定し、主軸頭側に取付けられて回転するフライスに対してワークを固定したテーブルを縦横に送ることでワーク端面の加工が行われる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、ワークが複雑な形状である場合や、ワークの中心軸と加工する内径面や端面の中心軸が偏心している場合、こうしたワークの例として、例えば、オイルポンプボディがあるが、ワークの重心を主軸の中心に合わせることができないため、ワークを回転させる旋盤加工によると、ワークをクランプした主軸の回転アンバランス量が大きくなり、内径面や端面の加工精度保証ができないという問題点があった。
【０００４】
そこで、上記に例示のオイルポンプボディを加工する場合、内径面の加工に突当て加工が用いられる。この加工方法は、図５に示すように、ワークＷを内径面の中心を回転軸として回転させながら、端面に切削刃Ｃ１を突当てて切り込んで行くことで、ギヤ室の内径面Ｆ１を加工し、同様に切削刃Ｃ２により切り込むことでクレセントの外径面Ｆ２を加工し、ワークＷをクレセントの内径面の中心を回転軸として回転させながら、同様に切削刃Ｃ３により切り込むことでクレセントの内径面Ｆ３を加工する３段階の加工で各周面を切削している。しかしながら、こうした加工方法では、各切削刃の切込み方向の位置の誤差が生じるのを避けることはできない。したがって、加工端面に段差ができてしまい、オイル漏れを防ぐために高い端面精度を要求されるオイルポンプボディのような精密部品の精度保証ができない。
【０００５】
また、ワーク端面の加工方法として、フェーシング加工がある。この加工方法は、図６に示すように、固定したワークＷに対して、主軸頭側の切削刃Ｃを主軸回りに回転させながらワーク端面の半径方向に送りをかけて加工するものである。しかしながら、この方法では、主軸頭側に主軸と共に回転して切削刃Ｃを半径方向に移動させるためのスライド機構を設ける必要があり、その分だけ主軸の重量が増し、回転アンバランス量が大きくなるため、高い加工精度を保証することができない。また、主軸の重量が重いと、軸の支持ベアリングなどにかかる負荷も大きくなり、装置の耐久性や寿命を保つ上で不利となる。
【０００６】
そこで本発明は、ワークを不動に固定した状態で、高精度の端面切削加工が可能な切削加工方法及びそれに用いる軽量かつコンパクトな切削加工ユニットを提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため、本発明の切削加工方法は、連続回転するスピンドル軸と、軸心をスピンドル軸の軸心に対し偏心させてスピンドル軸に回転自在に支持されワークを加工する切削刃が先端角部に固定された偏心軸とを備える切削加工ユニットを用いた切削加工方法であって、スピンドル軸の回転と共にスピンドル軸に対して公転する偏心軸の自転を送りとし、その送りにより切削刃をスピンドル軸の径方向へ移動させながらスピンドルの回転によりワークの端面を加工することを特徴とする。
【０００８】
そして、偏心軸の自転は、スピンドル軸の回転を、同軸型の減速機構を介しかつ該減速機構の制御により変速させて偏心軸に伝達することによりなされるのが有効である。
【０００９】
更に、上記の加工方法で内径の加工も併せて行うには、偏心軸を自転させることなく、スピンドル軸の回転と共に偏心軸をスピンドル軸に対して公転させながら、偏心軸にスピンドル軸線方向の送りをかけることでワークの内径面を加工し、偏心軸の公転を維持したまま上記の加工方法で（偏心軸を自転させて）ワークの端面を加工するのが有効である。この切削加工方法は、自動変速機用のオイルポンプのギヤ室の加工に用いられてもよい。
【００１０】
次に、上記切削加工を行うための装置として、本発明の切削加工ユニットは、基体と、基体に回転自在に支持されたスピンドル軸と、基体に支持されスピンドル軸を連続回転させるスピンドル駆動手段と、軸心をスピンドル軸の軸心に対し偏心させてスピンドル軸に回転自在に支持され、ワークを加工する切削刃が先端角部に固定された偏心軸と、偏心軸を自転させて前記切削刃を送り駆動する偏心軸駆動手段とを備えることを特徴とする。
【００１１】
そして、特にスピンドル軸の負荷を軽減するには、スピンドル軸と偏心軸は、所定のギヤ比の歯車機構、および、その所定のギヤ比とは逆の速度比のハーモニックドライブ機構を介して連結され、偏心軸駆動手段は、ハーモニックドライブ機構に連結され、スピンドル駆動手段と共通の基体に支持される構成を採るのが有効である。
【００１２】
【発明の作用及び効果】
このような構成を採る請求項１に記載の本発明によると、ワークを回転させずに、スピンドル軸と共に公転する偏心軸の自転による切削刃の偏心移動を送りとして加工が行われ、ワーク端面をその外径側から内径側まで単一の切削刃による１回の切込みで加工することができる。したがって、この方法によると、異なる複数の切削刃で端面を加工するフライス加工のような加工方法に比べて、切削刃相互の取付け位置の誤差の影響をうけるこたがなくなるため、加工精度を向上させることができる。また、切削刃の送りが偏心軸の自転による偏心移動のみでなされるため、慣性力による行き過ぎを生じることもない。
【００１３】
次に、請求項２に記載の構成によると、同軸型の減速機構の使用により、軽量、コンパクトな機構でスピンドル軸の回転を利用して偏心軸を公転させながら減速機構を制御することで、偏心軸を任意の自転速度で位相変化させることができ、それにより偏心軸の公転速度とは独立に切削刃に所望とする送り速度を与えることができる。
【００１４】
更に、請求項３に記載の構成によると、ワークの内径面及び端面を切削刃の付け換えなしの一工程で加工できるため、段取り換え等の手間を不要にすることができる。また、上記の理由で切削刃の付け換えによる加工誤差を生じることがないので、両加工面個々の加工精度の向上のみならず、それら面相互の位置精度をも向上させることができる。更に、切削刃の固定位置を径方向内方又は外方の任意の位置に設定可能なため、内径が異なるワークに対しても、切削刃の位置を変更するのみで対応させた内径加工が可能である。
【００１５】
次に、請求項４に記載の装置によると、切削刃を連続回転させならがワークの径方向に送る操作を、スピンドル軸の連続回転手段と、偏心軸を自転させる機構により実現できるため、切削刃を支持する軸頭の回転部分を軽量、コンパクト化して慣性力の小さなものとすることができ、スピンドル軸支持負荷の低減により、切削刃の旋転軌跡を安定させて、加工精度を向上させることができる。
【００１６】
そして、請求項５に記載の装置によると、スピンドル駆動手段によるスピンドルの回転時に、偏心軸駆動手段を停止させておくことで、ハーモニックドライブ機構部で、偏心軸駆動手段を固定の反力要素とし、偏心軸に減速回転を出力する駆動状態が生じるため、増速ギヤによる増速回転との相殺で、偏心軸がスピンドル軸と同期回転する偏心軸の公転駆動状態が生じる。そして、同じ状態で偏心軸駆動手段を作動させることで、ハーモニックドライブ機構部で、スピンドル軸の回転に対して微小な相対回転が偏心軸に出力される駆動状態が生じる。したがって、偏心軸をスピンドル軸と共に公転させる内径切削のための駆動状態と、偏心変位させる端面切削のための駆動状態との切り換えが、装置基体に固定の偏心軸駆動手段の非駆動・駆動のみで可能となるため、スピンドル軸にその重量を増加させる要因となる偏心軸駆動手段を配置する必要がなくなり、それによるスピンドル軸支持部の負荷の軽減で一層加工精度を向上させることができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、図面に沿い、本発明の実施形態について説明する。先ず、本発明の切削加工ユニット（以下、軸頭という）の概略的な概念から説明する。図１は軸頭を概略的に断面図で示す。この軸頭は、中ぐり盤等の加工機をベースとして、それに取り付けて使用されるもので、基体１と、基体１に回転自在に支持されたスピンドル軸２と、基体１に支持され、スピンドル軸２を連続回転させるスピンドル駆動手段３と、軸心Ｙをスピンドル軸２の軸心Ｘに対し偏心させてスピンドル軸２に回転自在に支持され、ワークを加工する切削刃４が固定された偏心軸５と、偏心軸５を回転させる偏心軸駆動手段６とを備える。
【００１８】
スピンドル軸２と偏心軸５は、所定の増速ギヤ比のギヤ２１，２２と、所定のギヤ比とは逆の減速速度比のハーモニックドライブ機構７とを介して連結され、偏心軸駆動手段６は、ハーモニックドライブ機構７に連結され、スピンドル駆動手段３と共通の基体１に支持した連続回転駆動手段とされている。
【００１９】
更に詳述すると、基体１は、中ぐり盤等の加工機のベッドに適宜の軸方向送り機構を介して固定するものとされ、スピンドル軸２を支持する筒状部１１と、その後端で両側に広がるギヤボックス部１２とから構成されている。
【００２０】
スピンドル軸２は、中空軸とされ、基体１に設けた軸穴に嵌挿固定されたスリーブ１３にベアリング１４とベアリング１５を介して回転自在に支持され、その後端外周にキー止めされた歯車２０への動力伝達により連続回転駆動可能とされている。更に、スピンドル軸２の最後端外周には、ベアリング１６を介して歯車２０と同様のピッチ径と歯数の歯車２３が回転自在に支持されている。
【００２１】
スピンドル駆動手段３は、ギヤボックス部１２の後端に固定された全閉外扇型モータとされ、その出力軸に固定された駆動歯車３１を備える。出力軸とスピンドル軸２との間には、ギヤボックス部１２に支持してカウンタ軸３２が設けられ、出力軸に固定の歯車３１とスピンドル軸２に固定の歯車２０は、カウンタ軸３２にキー止め固定されたカウンタリダクション歯車を介して駆動連結されている。
【００２２】
偏心軸５は、スピンドル軸２に前後一対のベアリング２１，２２を介して支持され、更に、スピンドル軸２の前端に配設されたベアリング２３により軸方向不動に位置決め支持されている。偏心軸５の後端外周には、ギヤボックス部１２内に位置させて外歯５１が形成されており、この外歯５１は、スピンドル軸２の最後端外周の歯車２３の外端にボルト止め固定されたリングギヤ２４の内歯に噛合している。
【００２３】
偏心軸駆動手段６は、ギヤボックス部１２の後端に固定されたサーボモータとされ、その出力軸上には、同軸型の減速機構としてのハーモニックドライブ機構７とスピンドル軸２上の歯車２０と歯車２３にそれぞれ噛合する歯車２１と歯車２２が配置され、歯車２１はハーモニックドライブ機構７のフレックススプライン７１に連結され、歯車２２はサーキュラスプライン７２に連結され、ウェーブジェネレータ７０がサーボモータ６の出力軸にフレキシブル継手６１を介して連結されている。
【００２４】
ここで、各ギヤの歯数の関係について説明する。スピンドル軸２上の歯車については、歯車２０と歯車２３はピッチ径及び歯数が同一とされ、ハーモニックドライブ機構軸上の歯車は、歯車２１と歯車２２とは、ピッチ径が同一で、歯数が異なるものとされ、この歯数比は、ハーモニックドライブ機構７のフレックススプライン７１入力でサーキュラスプライン７２出力の際の速度比の逆数とされている。例えば、歯車２０と歯車２３の歯数は共に７３、歯車２１と歯車２２の歯数は５０対５１、ハーモニックドライブ機構７のフレックススプライン７１入力でサーキュラスプライン７２出力の際の速度比は５１／５０とされ、リングギヤ２４と外歯５１の歯数比は３３／２３とされている。
【００２５】
図２に拡大して詳細を示すように、切削刃４は、偏心軸５の先端に取付けられている。この形態では、切削刃４は外刃４１と、本発明の趣旨から若干ずれるが、加工能率を上げる面から内刃４２とで構成され、外刃４１は偏心軸５の先端角部に、偏心軸５の外周面及び端面より刃先が若干外径方向及び軸方向に突出した状態に固定され、内刃４２は偏心軸５の先端外周面より内側で、端面より刃先が若干軸方向に突出した状態に固定されている。
【００２６】
こうした構成からなる軸頭は、モータ駆動によりカウンタリダクション歯車を介した動力が歯車２０に伝達されて、スピンドル軸２が連続回転駆動される。この駆動により、歯車２１も駆動され、それに連結されたハーモニックドライブ機構７のフレックススプライン７１も回転し、停止状態のサーボモータ６の出力軸に連結されたウェーブジェネレータ７０に反力支持された噛合部で噛合したままサーキュラスプライン７２も減速回転する。このサーキュラスプライン７２の回転は、歯車２２に伝達され、歯車２３との噛み合い部で上記減速回転を相殺する分だけ増速されて、この回転がそのままリングギヤ２４に伝達される。したがって、歯車２０が固定されたスピンドル軸２と、リングギヤ２４に外歯５１で噛み合う偏心軸５は、スピンドル軸２の軸心回りに同期回転する。
【００２７】
このように、サーボモータ６を停止させたまま、モータ３のみを回転させることで、スピンドル軸２と偏心軸５の一体回転状態が得られ、偏心軸５の先端に取付けられている外刃４１と内刃４２は、スピンドル軸２の回転数で回転する。したがって、この状態で基体１に所望の切込み速度に合わせた軸方向の送りをかけることで両刃４１，４２は回転しながら前進し、外刃４１によるワーク内径面切削状態が得られる。このとき、内刃４２はワークＷとは接触せずに空転している。この場合のスピンドル軸２と偏心軸５の速度比は、ハーモニックドライブの速度比５０／５１と、ギヤ比５１／５０により１：１となり、切削刃４の回転数は、スピンドル軸回転数を１４００ｒｐｍとしたとき、それと同速となる。
【００２８】
次に、モータ３を回転させたまま、サーボモータ６を回転させると、ハーモニックドライブ機構７のフレックススプライン７１とサーキュラスプライン７２との噛み合い部はウェーブジェネレータ７０の回転に連れて移動する。これにより、それらに連結された両歯車２０，２３間に回転数差が生じ、スピンドル軸２に対してリングギヤ２４が微小相対回転を生じる。この結果、偏心軸５はスピンドル軸２に対し自転する。したがって、このとき、基体１にかけていた軸方向送りをなくすことで、切削刃４は回転しながら前進を停止し、外刃４１が内径方向移動を、また内刃４２が外径方向移動を始め、ワーク端面切削状態が得られる。この場合のスピンドル軸２に対する偏心軸５の自転による位相の変化、すなわち端面加工における送り速度は、サーボモータ６の出力軸回転を独立して制御することにより決まるため、切削刃４の回転速度とは関係なく、自由に設定可能である。
【００２９】
次に、この軸頭による具体的な切削加工方法について説明する。先ず、加工に先立つ段取りとしては、図２に示すように、主軸側の位置決め治具８に、鋳造、鍛造等で予めほぼ所定の製品形状に成形されたワークＷを固定する。この例では、ワークＷは図３に示すようなオイルポンプボディとされ、それに嵌め込まれる図示しない環状のアウタギヤとそれに偏心状態で噛み合うインナギヤとを内蔵するギヤ室の内径面Ｆｉと端面Ｆｅ（図に斜線を施して面形状を示す）とを加工する場合を示す。このワークＷでは、ギヤ室の中心（インナギヤの中心）ＯｇはワークＷの中心（アウタギヤの中心）Ｏｗに対して所定量Ｓだけ偏心している。そこで、ギヤ室の中心Ｏｇを主軸の軸心に合わせて治具８に固定し、主軸の軸心と軸頭のスピンドル軸２の軸心Ｘを合わせて設定し、加工を開始する。
【００３０】
内径面加工時には、図４に示すように、外刃４１はスピンドル軸２の軸心Ｘ（ギヤ室中心）を回転中心として、図に示す実線で示す径方向位置で回転しながら前進してワーク内径面Ｆｉを直径Ｄ_{4 1} に加工する切削を行う。そして、所定量の送りを完了したところで、送りを止め、外刃４１の外径方向への移動と内刃４２の外径方向への移動を開始させる。この操作により外刃４１は、ワーク端面を切削しながら図に２点鎖線で示す軌跡４１₂ 〜４１_{1 0} を辿って次第に内径方向へ移動する。一方、内刃４２は、同じく端面を切削しながら図に２点鎖線で示す軌跡４２₂ 〜４２_{1 0} を辿って次第に外径方向へ移動する。この外刃４１の移動により切削される端面の領域は、外径面Ｆｉにつながる角部から図に二重の同心円を２点鎖線で示す内側の半径Ｒ_{4 1} の位置までとなり、内刃４２の移動により切削される端面の領域は、図に二重の同心円を２点鎖線で示す外側の半径Ｒ_{4 2} の位置までとなる。なお、この例では、スピンドル軸２に対する偏心軸５の自転を、加工精度を下げる要素となる前記ラップ量を必要最小限に止めるべく、半回転以下の１２３°に制限しているため、上記の切削領域となるが、原理的には、偏心軸５を最大１８０°まで自転させることで、偏心量Ｓの最大２倍の径方向幅まで切削可能となる。
【００３１】
以上詳述したように、この成形方法によると、ワークＷの加工面は、内径面Ｆｉ、端面Ｆｅともに外刃４１の一回の切込みにより切削されるため、両加工面自体の精度とそれら相互の位置精度を高く保つことができる。しかも、スピンドル軸２と共に回転する部材は、該軸自体及び偏心軸５並びにスピンドル軸２上の各歯車２０，２３，２４のみであり、サーボモータ６及びハーモニックドライブ機構７並びにハーモニックドライブ機構軸上の各歯車２１，２２は、重量的にギヤボックス部に支持される部材となる。したがって、スピンドル軸２の重量を必要最小限のものとすることができ、それによりスピンドル軸２の回転支持部にかかる負荷を軽減し、加工精度を向上させることができる。
【００３２】
以上、本発明をオイルポンプボディの加工に適用した一実施形態に基づき詳説したが、本発明は上記実施形態の開示内容のみに限定されることなく、他の一般的なワークの加工に適用可能なものである。また、各部の具体的構成についても、特許請求の範囲に記載の事項の範囲内で種々に変更して実施可能なものであることはいうまでもない。例えば、上記実施形態では、サイクルタイムを考慮して、外刃４１を内径方向に移動させると共に、内刃４２を外径方向に移動させ、両刃４１，４２の切削領域を一部ラップさせることで、端面全体を加工する方法を採ったが、本発明の技術思想を最も忠実に実現するには、スピンドル軸２に対する偏心軸５の偏心量を大きく設定して、スピンドル軸２に対する偏心軸５の自転角度１８０°以内の範囲で外刃４１を端面の最内径側まで達するようにし、全ての加工面を単一刃による一回の切削で仕上げるようにすることで、更に加工精度を向上させることもできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の切削加工に用いる切削加工ユニットの一実施形態を示す断面図である。
【図２】上記切削加工ユニットと治具に保持されたワークの位置関係を示す断面図である。
【図３】本発明の切削加工が適用されるワークの一例としのオイルポンプボディを示す平面図である。
【図４】上記実施形態の加工方法による切削刃の移動軌跡を示す説明図である。
【図５】従来の突当て加工による内径面加工を示す説明図である。
【図６】従来のフェーシング加工による端面加工を示す説明図である。
【符号の説明】
１ 基体
２ スピンドル軸
３ 全閉外扇型モータ（スピンドル駆動手段）
４ 切削刃
５ 偏心軸
６ サーボモータ（偏心軸駆動手段）
７ ハーモニックドライブ機構（減速機構）
２１，２２ 歯車
Ｗ ワーク
Ｘ スピンドル軸の軸心
Ｙ 偏心軸の軸心

Claims (6)

1. 連続回転するスピンドル軸と、軸心を前記スピンドル軸の軸心に対し偏心させて前記スピンドル軸に回転自在に支持されワークを加工する切削刃が先端角部に固定された偏心軸とを備える切削加工ユニットを用いた切削加工方法であって、
   前記スピンドル軸の回転と共に前記スピンドル軸に対して公転する前記偏心軸の自転を送りとし、前記送りにより前記切削刃を前記スピンドル軸の径方向へ移動させながら前記スピンドルの回転によりワークの端面を加工することを特徴とする切削加工方法。
2. 前記偏心軸の自転は、前記スピンドル軸の回転を、同軸型の減速機構を介しかつ前記減速機構の制御により変速させて前記偏心軸に伝達することによりなされる請求項１記載の切削加工方法。
3. 前記偏心軸を自転させることなく、前記スピンドル軸の回転と共に前記偏心軸を前記スピンドル軸に対して公転させながら、前記偏心軸にスピンドル軸線方向の送りをかけることでワークの内径面を加工し、前記偏心軸の公転を維持したまま前記偏心軸を自転させてワークの端面を加工する請求項１又は２記載の切削加工方法。
4. 基体と、
   前記基体に回転自在に支持されたスピンドル軸と、
   前記基体に支持され前記スピンドル軸を連続回転させるスピンドル駆動手段と、
   軸心を前記スピンドル軸の軸心に対し偏心させて前記スピンドル軸に回転自在に支持され、ワークを加工する切削刃が先端角部に固定された偏心軸と、
   前記偏心軸を自転させて前記切削刃を送り駆動する偏心軸駆動手段と、
   を備えることを特徴とする切削加工ユニット。
5. 前記スピンドル軸と前記偏心軸は、所定のギヤ比の歯車機構、および、前記所定のギヤ比とは逆の速度比のハーモニックドライブ機構を介して連結され、
   前記偏心軸駆動手段は、前記ハーモニックドライブ機構に連結され、前記スピンドル駆動手段と共通の基体に支持される請求項４記載の切削加工ユニット。
6. 自動変速機用のオイルポンプのギヤ室の加工に用いられる請求項３に記載の切削加工方法。

Images