JP4073895B2 - 軸心から偏心した位置に孔を有する工作物の孔加工装置 - Google Patents

Description

本発明は軸心から偏心した位置にピン孔があるクランクシャフトなどの工作物に好適な孔加工装置に関する。

軸心から偏心した位置にピン孔があるクランクシャフトなどの工作物に好適な孔加工装置は、先に本発明者らが提案した発明が知られている（例えば、特許文献１参照。）。
特開２００３−１３６３７７公報（図１）

特許文献１を以下の図に基づいて説明する。
図１１は従来の技術の基本構成を説明する図であり、孔加工装置１１０は、工作機ベース１１１と、軸心１１２から偏心した位置に孔１１３を有する工作物１１４をクランプした状態で軸心回りに回転可能に工作機ベース１１１に取付けた回転体１１６と、この回転体１１６を回すために工作機ベース１１１に取付けた回転手段１１７と、軸心１１２に直交する直交軸に沿って移動可能に回転体１１６に取付けたスライド部材１１８と、このスライド部材１１８を所定位置までスライドさせる移動手段１１９と、外径円に対して内径円を偏心させた偏心断面で構成するとともに、スライド部材１１８に相対回転可能に収納した第１偏心筒１２１と、この第１偏心筒１２１を空転させないために、第１偏心筒１２１を工作機ベース１１１に繋ぎ止めるアンカー手段１２２と、外径円に対して内径円を偏心させた偏心断面で構成するとともに第１偏心筒１２１に相対回転可能に且つ軸方向移動可能に収納した第２偏心筒１２３と、この第２偏心筒１２３に収納したスピンドル軸回転手段１２４と、このスピンドル軸回転手段１２４のスピンドル軸１２５に取付けた工具１２６と、からなる。

１４１は第２偏心筒位置決め手段である。この第２偏心筒位置決め手段１４１は、工具１２６の切込み量の設定などの際に作動させる。

１４２はスライドブロック、１４３はアーム、１４４は送りねじ、１４５は送りモータであり、送りモータ１４５で送りねじ１４４を正回転させることで、スライドブロック１４２を前進させ、スピンドル軸回転手段１２４及び自在軸継手１４６を介して第２偏心筒１２３を前進させ、工具１２６を孔１１３に挿入することができる。すなわち、図は工具１２６が待機位置にある。
さらに、１４７，１４８はベアリングであり、相対回転や相対軸移動を円滑にする。

孔加工装置１１０の作用は、後述の「発明を実施するための最良の形態の項」で説明するが、工作物１１４を、軸心１１２回りに回転させながら、孔１１３を工具１２６で研削することができる。工作物１１４は軸心１１２回りに回転させながら軸の外径加工などを行うこともできるため、複数種類の加工を、工作物１１４をセット替えすることなく、実施できることを特徴とする。

しかし、孔加工装置１１０で孔１１３の加工を行ったところ、次に述べる改善すべき項目が見つかった。
図１２は従来技術に基づく真円度の計測データ図であり、目標とする真円１５１に対して現実の孔１１３は、ハート形の歪な円であった。なお、図面は歪を強調した。
真円度は、現実の孔１１３を二つの同心円１５２、１５３で挟んだときの同心円１５２、１５３の間隔ｆで定義される。
孔１１３の径が３０ｍｍのときに、真円度ｆは数十μｍであることが判明した。加工精度を向上させ、真円度を十μｍ以下にすることが望まれる。

本発明は、軸心から偏心した位置に孔を有する工作物の孔加工装置において、加工精度を向上させることのできる技術を提供することを課題とする。

本発明者らは、従来の孔がハート形になることに着目した。図１０において、第１偏心筒１２１はアンカー手段１２２のアンカー作用で回転しない。第２偏心筒１２３も加工中は自在軸継手１４６のアンカー作用で回転しない。理論的には孔１１３が歪になることはないはずである。しかし、現実には、スライド部材１１８と第１偏心筒１２１との間には不可避的な隙間が存在する。隙間が存在すれば、第１偏心筒１２１はアンカー手段１２２を支点にして左右に揺れることが予想される。第１偏心筒１２１が揺れれば、第２偏心筒１２３及び工具１２６が揺れて、孔１１３がハート形の歪な円になることが考えられる。
そこで、アンカー手段１２２の構造を工夫し、第１偏心筒１２１に偏った外力を加えないようにし、実験を繰り返したところ、真円度を格段に高めることができた。

以上の知見から、請求項１に係る発明は、工作機ベース（１１）と、
軸心（１２）から偏心した位置に孔（１３）を有する工作物（１４）をクランプした状態で前記軸心（１２）回りに回転可能に前記工作機ベース（１１）に取付けた回転体（１６）と、
この回転体（１６）を回すために工作機ベース（１１）に取付けた回転手段（１７）と、
前記軸心（１２）に直交する直交軸に沿って移動可能に前記回転体（１６）に取付けたスライド部材（１８）と、
このスライド部材（１８）を所定位置までスライドさせる移動手段（１９）と、
外径円に対して内径円を偏心させた偏心断面で構成するとともに、前記スライド部材（１９）に相対回転可能に収納した第１偏心筒（２１）と、
この第１偏心筒（２１）を空転させないために、第１偏心筒（２１）を前記工作機ベース（１１）に繋ぎ止めるアンカー手段（６０）と、
外径円に対して内径円を偏心させた偏心断面で構成するとともに、前記第１偏心筒（２１）に相対回転可能に且つ軸方向移動可能に収納した第２偏心筒（２３）と、
この第２偏心筒（２３）に収納したスピンドル軸回転手段（２４）と、
このスピンドル軸回転手段（２４）のスピンドル軸（２５）に取付けた工具（２６）と、
から構成した、軸心から偏心した位置に孔を有する工作物の孔加工装置において、
前記第２偏心筒（２３）を回転させる第２偏心筒位置決め手段（４１）を、ほぼ前記軸心（１２）上にて工作機ベース（１１）に設けると共に、第２偏心筒位置決め手段（４１）と第２偏心筒（２３）とを自在軸継手（４６）で連結し、
前記アンカー手段（６０）は、前記自在軸継手（４６）を囲う筒形自在継手（６０）とし、この筒形自在継手（６０）の一端を前記軸心（１２）上にて工作機ベース（１１）に繋ぐとともに、他端を第１偏心筒（２１）に繋いだことを特徴とする。

請求項１に係る発明では、アンカー手段を筒形自在継手とした。筒形にすることで第１偏心筒を満遍なく支えることができ、工具の揺れを抑制することができ、真円度を大幅に改善することができた。

本発明を実施するための最良の形態を添付図に基づいて以下に説明する。なお、図面は符号の向きに見るものとする。
図１は本発明に係る孔加工装置の断面図であり、孔加工装置１０は、工作機ベース１１と、軸心１２から偏心した位置に孔１３を有する工作物１４をクランプした状態で軸心回りに回転可能に工作機ベース１１に取付けた回転体１６と、この回転体１６を回すために工作機ベース１１に取付けた回転手段１７と、軸心１２に直交する直交軸に沿って移動可能に回転体１６に取付けたスライド部材１８と、このスライド部材１８を所定位置までスライドさせる移動手段１９と、外径円に対して内径円（図３で説明する。）を偏心させた偏心断面で構成するとともに、スライド部材１８に相対回転可能に収納した第１偏心筒２１と、この第１偏心筒２１を空転させないために、第１偏心筒２１を工作機ベース１１に繋ぎ止めるアンカー手段６０と、外径円に対して内径円（図３で説明する。）を偏心させた偏心断面で構成するとともに第１偏心筒２１に相対回転可能に且つ軸方向移動可能に収納した第２偏心筒２３と、この第２偏心筒２３に収納したスピンドル軸回転手段２４と、このスピンドル軸回転手段２４のスピンドル軸２５に取付けた工具２６と、からなる。

そして、アンカー手段６０に、自在軸継手４６を囲う筒形自在継手を採用したことを特徴とする。アンカー手段としての筒形自在継手６０の詳細構造は後述する。

次に、上記主要構成の補足説明をする。
工作機ベース１１は工作機械のベッドに相当する固定若しくは非可動部材である。
工作物１４は、例えば圧入組立型クランクシャフトに用いるクランク軸半体である。

回転体１６は軸受２７・・・（・・・は複数個を示す。以下同じ）にて工作機ベースに取付けた回転筒であり、前面に回転主軸２９及びクランプ手段３１，３２を備える。クランプ手段３１，３２は油圧シリンダ、メカニカルシリンダ、ボルトの何れでもよく、要は回転主軸２９に心合せした工作物１４が横ずれしないように固定する手段であれば形式、構造は問わない。

回転手段１７は、回転体１６を回す手段であり、例えばモータ３３、ギヤ３４及びギヤ３５からなる。
移動手段１９は、例えば回転体１６に設けたナット３６と、このナット３６に捩じ込んだボルト３７とから構成する。ボルト３７の操作のために回転体１６に凹部３８を設け、ボルト３７の先端を逃すために工作機ベース１１に凹溝３９を設けた。ボルト３７は、工作機ベース１１に開けた穴（図示せず）を通じて回転操作することができる。

スピンドル軸回転手段２４は、いわゆるビルトインモータが好適である。
また、４１は第２偏心筒位置決め手段（ステッピングモータ、シンクロモータ、サーボモータが好適）である。この第２偏心筒位置決め手段４１は、工具２６の切込み量の設定などの際に作動させる。

なお、第２偏心筒位置決め手段４１の中心は、軸心１２よりｅだけ上へ変位させる。
仮に、第２偏心筒位置決め手段４１の中心を軸心１２に合せると、孔加工の際に第１偏心筒２１の偏心の影響を受けて、工具２６が僅かに前後する。
前記ｅだけ変位させることで、工具２６の前後移動を解消することができる。

４２はスライドブロック、４３はアーム、４４は送りねじ、４５は送りモータであり、送りモータ４５で送りねじ４４を正回転させることで、スライドブロック４２を前進させ、スピンドル軸回転手段２４及び自在軸継手４６を介して第２偏心筒２３を前進させ、工具２６を孔１３に挿入することができる。すなわち、図は工具２６が待機位置にある。
さらに、４７，４８はベアリングであり、相対回転や相対軸移動を円滑にする。

図２は図１の２矢視図であり、回転体１６に長円断面の孔４９を開けて、この孔４９にスライド部材１８を、図上下移動可能に取付け、このスライド部材１８にベアリング４７を介して第１偏心筒２１を収納し、この第１偏心筒２１にベアリング４８を介して第２偏心筒２３を収納し、この第２偏心筒２３にスピンドル軸回転手段２４を収納し、このスピンドル軸回転手段２４に設けた工具２６を工作物１４の孔１３に臨ませた状態を示す。

図３は図２から工作物を除いた図であり、第１偏心筒２１は外径円２１ａに対して内径円２１ｂを偏心させた偏心断面、すなわち、下部が幅広で上部が幅狭な偏心断面の筒である。この第１偏心筒２１は非回転部材であるから、幅広の部位が常に下位に、幅狭の部位が常に上位にある。
ボルト３７を回すことによって、第１偏心筒２１などを、孔４９の長円に沿って上下に移動させることができる。

この様な第１偏心筒２１に収納する第２偏心筒２３も、外径円２３ａに対して内径円２３ｂを偏心させた偏心断面の第２偏心筒２３である。第２偏心筒２３は回転させるため、常に図の様に上部が幅広で下部が幅狭であるとは限らない。

図４（ａ）〜（ｃ）は本発明に係る第２偏心筒の作用図である。
（ａ）において、工具２６を囲う２つの円のうち、実線の円は仕上げ加工直前の孔であり、これを下孔５１と呼ぶ。想像線の円は仕上げ加工後の孔であり、これを仕上り孔５２と呼ぶことにする。今、下孔５１の中央に工具２６があるため、この状態で工具２６を回しても加工は始まらない。

図１において、第２偏心筒２３の中心２３ｇからスピンドル軸２５、即ち工具２６の中心２６ｇをＦだけ変位させる。そして、第１偏心筒２１は静止している。第２偏心筒２３は第１偏心筒２１内である角度回転させる。すると、工具２６の中心２６ｇの軌跡は第２偏心筒２３の中心２３ｇを基準にして半径Ｆの円を描く。
図４（ａ）に、工具２６の中心２６ｇ、第２偏心筒２３の中心２３ｇ、半径Ｆの円を描いた。

図３で第２偏心筒２３のみを反時計回りに回すと、工具の中心２６ｇは半径Ｆの円上を移動し、工具２６は左上へ移動する。
この移動により、図４（ｂ）に示す通りに、工具２６を下孔５１に接触させることができる。工具２６を高速で回転させつつ、図３の第２偏心筒２３をさらに反時計回りに回すと、工具２６は更に左上へ移動し、図４（ｃ）に示す通りに仕上り孔５２に達する。
すなわち、第２偏心筒２３の中心２３ｇから工具２６の中心２６ｇをＦだけ偏心させたので、第２偏心筒２３を適当角度回すことにより、切込み量を決定することができる。

以上の構成からなる孔加工装置の作用を次に説明する。
図５（ａ），（ｂ）は本発明の孔加工装置の作用説明図である。
（ａ）は図２と図４（ｂ）とを合成した図面であり、便宜上、回転体１６に目印として白丸５３を付し、工具２６の接触点に目印としての黒点５４を付した。この状態で、工具２６を高速回転させつつ、回転体１６を図時計回りに回し始める。すると、回転体１６とともに、工作物１４及びスライド部材１８は同期して時計回りに回り始める。一方、第１偏心筒２１及びスピンドル軸回転手段２４は回転せずに図面の上下、左右、斜めにのみ移動し得る。

（ｂ）は白丸５３の位置で明らかなように、回転体１６などが９０゜回転し、工作物１４も９０゜回転したことを示す。一方、工具２６の黒点５４は方位が変化しない。
このことは、高速回転する工具２６の回りを工作物１４が９０゜だけ旋回し、結果、孔１３の１／４周（９０゜分）が加工できたことになる。

図６（ａ），（ｂ）は図５に続く本発明の孔加工装置の作用説明図である。
（ａ）は白丸５３の位置で明らかなように、回転体１６などが１８０゜回転し、工作物１４も１８０゜回転したことを示す。一方、工具２６の黒点５４は方位が変化しない。
このことは、高速回転する工具２６の回りを工作物１４が１８０゜だけ旋回し、結果、孔１３の１／２周（１８０゜分）が加工できたことになる。

（ｂ）は白丸５３の位置で明らかなように、回転体１６などが２７０゜回転し、工作物１４も２７０゜回転したことを示す。一方、工具２６の黒点５４は方位が変化しない。
このことは、高速回転する工具２６の回りを工作物１４が２７０゜だけ旋回し、結果、孔１３の３／４周（２７０゜分）が加工できたことになる。

図５（ａ），（ｂ）と図６（ａ），（ｂ）とを繰り返す間に、図４（ｂ），（ｃ）の要領で、工具の切込み量を制御すれば、下孔５１を仕上り孔５２に仕上げることができる。

図７（ａ），（ｂ）は本発明に係る孔及び軸部加工説明図である。
（ａ）は孔加工図であり、工作物１４を回転主軸２９に心合せし、クランプ手段３１，３２でクランプした上で、工作物１４を回しつつ工具２６で孔１３を加工する（図５，図６参照）。このときには、砥石５６は待機させておく。
（ｂ）は軸部加工図であり、工作物１４はそのままで工具２６を待機させる。次に、工作物１４を高速で回転させつつ砥石５６を当てることにより、軸部５７の加工を実施する。

以上の説明から明らかなように、本発明によれば、孔加工装置に工作物を１度セットするだけで、孔加工と軸部加工とを順に実施することができる。従来は、異なる工作機械でピン孔加工や軸部加工を個別に加工していたので、段取り工数が嵩む。この点、本発明によれば段取り工数を大幅に低減することができる。

図８は本発明に係る筒形自在継手の要部断面図であり、アンカー手段としての筒形自在継手６０は、工作機ベース１１（又は第１偏心筒２１）からほぼ水平に延ばした筒６１に上下一対のベアリング６２、６２を介してリング６３を取付け、中間筒６４からの延ばした一対の腕部６５（手前の腕部６５は不図示）を、ベアリング６２に対し９０°回した位置でリング６３に取付けてなる関節部６６を備えたことを特徴とする。

腕部６５をリング６３に揺動可能に取付けることで、中間筒６４の傾斜角度を自由に変更することができる。この変更に伴って中間筒６４が図面表裏方向へも傾動するときにはベアリング６２、６２の作用でリング６３が傾むいて傾動を可能にする。
従って、中間筒６４の両端に関節部６６、６６を配置することにより、中間軸６４の傾斜角を自由に変更することができる。

図９は本発明に係る筒型自在継手の全体図であり、筒型自在継手６０は、工作機ベース１１側及び第１偏心筒２１側に各々設けた関節部６６、６６と、これらの関節部６６、６６に介在させた中間筒６４とからなるフレキシブル軸ジョイントである。６７、６８は中間筒６４の軽量化を目的とした穴である。６９は次に述べる自在軸継手４６の防塵を目的とした筒形カバーである。

自在軸継手４６は、ユニバーサルジョイントであって、一対のジョイント部４６ａ、４６ｂと中間軸４６ｃとからなる。ジョイント部４６ａ、４６ｂは人の関節に近似する作用を発揮する。一方、中間軸４６ｃは、ジョイント部４６ａとジョイント部４６ｂとの距離を確保する部材であり、変形はしない。

図１に戻って、孔加工装置１０を運転状態にすると、第１偏心筒２１は筒形自在継手６０で満遍なく係止したため、第１偏心筒２１が係止点を中心に揺れることは殆どない。

図１０は本発明に基づく真円度の計測データ図であり、目標とする真円７７に対して現実の孔１３は、歪みの少ない円であった。孔１３の径が３０ｍｍのときに、真円度は数μｍであることが判明した。従来の装置と比較して加工精度（真円度）が１０倍良くなったと言える。

尚、本発明の筒形自在継手は、金属ベローズと称する金属製可撓筒であっても良い。

本発明の孔加工装置は、軸心から偏心した位置に孔を有する工作物の孔加工装置に好適である。

本発明に係る孔加工装置の断面図である。 図１の２矢視図である。 図２から工作物を除いた図である。 本発明に係る第２偏心筒の作用図である。 本発明の孔加工装置の作用説明図である。 図５に続く本発明の孔加工装置の作用説明図である。 図６に続く本発明の孔加工装置の作用説明図である。 本発明に係る筒形自在継手の要部断面図である。 本発明に係る筒型自在継手の全体図である。 本発明に基づく真円度の計測データ図である。 従来の技術の基本構成を説明する図である。 従来技術に基づく真円度の計測データ図である。

符号の説明

１０…孔加工装置（軸心から偏心した位置に孔を有する工作物の孔加工装置）、１１…工作機ベース、１２…軸心、１３…孔、１４…工作物、１６…回転体、１７…回転手段、１８…スライド部材、１９…移動手段、２１…第１偏心筒、２３…第２偏心筒、２４…スピンドル軸回転手段、２５…スピンドル軸、２６…工具、２９…回転主軸、３１，３２…クランプ手段、４１…第２偏心筒位置決め手段、４６…自在軸継手、６０…アンカー手段としての筒形自在継手、６４…中間筒、６６…関節部。

Claims (1)

1. 工作機ベース（１１）と、
   軸心（１２）から偏心した位置に孔（１３）を有する工作物（１４）をクランプした状態で前記軸心（１２）回りに回転可能に前記工作機ベース（１１）に取付けた回転体（１６）と、
   この回転体（１６）を回すために工作機ベース（１１）に取付けた回転手段（１７）と、
   前記軸心（１２）に直交する直交軸に沿って移動可能に前記回転体（１６）に取付けたスライド部材（１８）と、
   このスライド部材（１８）を所定位置までスライドさせる移動手段（１９）と、
   外径円に対して内径円を偏心させた偏心断面で構成するとともに、前記スライド部材（１９）に相対回転可能に収納した第１偏心筒（２１）と、
   この第１偏心筒（２１）を空転させないために、第１偏心筒（２１）を前記工作機ベース（１１）に繋ぎ止めるアンカー手段（６０）と、
   外径円に対して内径円を偏心させた偏心断面で構成するとともに、前記第１偏心筒（２１）に相対回転可能に且つ軸方向移動可能に収納した第２偏心筒（２３）と、
   この第２偏心筒（２３）に収納したスピンドル軸回転手段（２４）と、
   このスピンドル軸回転手段（２４）のスピンドル軸（２５）に取付けた工具（２６）と、
   から構成した、軸心から偏心した位置に孔を有する工作物の孔加工装置において、
   前記第２偏心筒（２３）を回転させる第２偏心筒位置決め手段（４１）を、ほぼ前記軸心（１２）上にて工作機ベース（１１）に設けると共に、第２偏心筒位置決め手段（４１）と第２偏心筒（２３）とを自在軸継手（４６）で連結し、
   前記アンカー手段（６０）は、前記自在軸継手（４６）を囲う筒形自在継手（６０）とし、この筒形自在継手（６０）の一端を前記軸心（１２）上にて工作機ベース（１１）に繋ぐとともに、他端を第１偏心筒（２１）に繋いだことを特徴とする軸心から偏心した位置に孔を有する工作物の孔加工装置。
   

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