JP4185176B2 - 非円形中ぐり加工装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えばピストンにピストンピン穴を明ける場合のように、機械部品の円筒状内面の中ぐり加工において、軸直角断面を非円形形状に切削可能な中ぐり加工装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年の内燃機関用ピストンにおいては、そのピン穴にかかる圧力がますます増大する傾向にあり、従来の如くピン穴中心軸直角断面が真円のピン穴ではこの圧力に抗することができず、亀裂を生じることも稀ではなかった。
これを解決するため、最近では軸直角断面が非円形のピン穴が採用されるようになってきた。
【０００３】
而して、非円形の中ぐり加工を行うには、これまで、倣い加工方式、油圧サーボ方式、サーボモータ方式、ワーク揺動方式などの加工方式が用いられていた。これら各方式の概要と問題点を略記すれば以下の通りである。
【０００４】
倣い加工方式は、主軸と工具ホルダーとの間に弾性変形体を設け、バネ力等で弾性変形体を軸直角な一方向に変形させることにより、主軸の軸線に対して変形量だけ工具ホルダーの軸線をずらせるようになっている。また、工具ホルダーの軸線をずらす方向にスタイラスと工具（バイト）を設置する。
一方、加工したい非円形の円筒内面を有するマスタを、主軸と同心に工具ホルダー外周ベッド上に固定する。このとき、工具ホルダーに固定されたスタイラスを、弾性変形体に設けられたバネ力等によりマスタ内面に押し付けるようにする。
加工時は、ワークを主軸と同心に取り付けた後、弾性変形体の変形によりスタイラスがマスタ内面に押し付けられた状態で工具ホルダーが回転するので、マスタ内面に倣って工具ホルダー及び工具は主軸に対して半径方向に振動しながら回転する。その結果、ワーク内面は非円形形状に加工される。
【０００５】
このような倣い加工方式の問題点は、マスタや固定治具（ベッドへの）の製作及び段取り替えに多くの時間とコストがかかること、マスタへの倣いの追従性の点から、加工形状に制限（特定の長円のみ加工可能）があり、変化の大きい形状には対応できず、高速回転加工も困難であること、などである。
【０００６】
油圧サーボ方式は、主軸と工具ホルダーとの間に弾性変形体を設け、油圧により弾性変形体を軸直角な一方向に規定量変形させることにより、主軸の軸線に対して変形量だけ工具ホルダーの軸線をずらせるようになっている。また、工具ホルダーの軸線をずらす方向に工具を設置する。
この場合、倣い加工方式と異なり、非円形加工を行うには、軸方向の位置と回転角度毎の工具の変位量（弾性変形体の変形量）を記憶させ、その通り実行させるための油圧のコンピュータ制御が必要となる。
切削抵抗が加わった場合の実際の工具変位をより精度良く行うためには、工具変位量のフィードバック制御を行う。
【０００７】
このような油圧サーボ方式の問題点は、油圧制御による油圧シリンダの応答性が低いこと、油温の変化で油圧が変わり加工精度に影響するため油温の管理が必要となるが、この管理が難しいこと、そしてこれらの理由により高速回転加工が困難であること、などである。
【０００８】
サーボモータ方式は、油圧サーボ方式における弾性変形体の変形を、主軸に取り付けたサーボモータにより行うようにしたもので、その点を除き油圧サーボ方式と同様である。
このようなサーボモータ方式の問題点は、頻繁にモータの正逆転を行うため、モータの慣性力が増大し、ボールネジや送りテーブルに弾性変形が発生すること、そのため、工具変位量の正確な制御ができず、応答性も悪くなり、最終的には加工精度も悪くなること、である。
【０００９】
以上の３種の方式は、ワークを固定し、工具ホルダーを半径方向に全範囲にわたって振動させるのに対して、ワーク揺動方式はワークの方を振動（揺動）させるようにしたものである。ワークの揺動は、原理的には前記３方式と同様に、倣い、油圧、サーボモータ等の手段で行うことができる。
このようなワーク揺動方式の問題点は、原理的には全角度の揺動が可能であっても実際には難しく、一方向の揺動（振動）しかできないこと、そのため加工可能な形状が限定（特定の長円のみ加工可能）されること、ワークとその取付け治具の重量が大きくなり、揺動による慣性力も大きくなるので、主軸の高速回転に対応できないこと、などである。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記の問題点を解決するためなされたものであり、その目的とするところは、加工形状に応じたマスタや固定治具を作製する必要がなく、複雑な非円形の内面形状を高速かつ高精度に加工することが可能な非円形中ぐり加工装置を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記の課題は、主軸に、工具偏心振動装置を介して中ぐり工具を取り付け、主軸の回転に同期して中ぐり工具を偏心振動させることによりワークに非円形中ぐり加工を施す装置において、主軸に弾性変形体を介して工具ホルダーを取り付け、当該弾性変形体を圧電素子により中ぐり工具の取付け軸に直角な２軸方向に変形振動させることにより、中ぐり工具にその取付け軸に直角な２軸方向の偏心振動を行わせることを特徴とする上記の非円形中ぐり加工装置によって達成できる。
上記圧電素子に代えて磁歪素子により中ぐり工具の偏心振動を行わせるようにしてもよい。
また、上記弾性変形体の軸直角方向変位量を変位センサーにより検知してフィードバック制御を行うことが望ましい。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しつゝ本発明を具体的に説明する。
図１は、中ぐり工具に、その取付け軸に直角な１軸方向の偏心振動を加えるようにした非円形中ぐり加工装置の一実施例の概略図、図２は、その主軸先端部の構成を示す斜視図、図３は、図１に示した加工装置の制御系統図、図４は、中ぐり工具に、その取付け軸に直角な１軸方向の偏心振動を加えるようにした非円形中ぐり加工装置のもう１つの実施例の概略図、図５は、中ぐり工具に、その取付け軸に直角な２軸方向の偏心振動を加えるようにした本発明に係る非円形中ぐり加工装置の一実施例の主軸先端部の構成を示す斜視図、図６は、図５に示した実施例を主軸の先端側から見た拡大図、図７は、本発明に係る非円形中ぐり加工装置によるピストンピン穴の加工例を示すグラフである。
【００１３】
図１ないし図３中、１は加工装置の主軸、２は主軸の先端に取り付けた弾性変形体、３は弾性変形体の先端に取り付けた工具ホルダー、４は工具ホルダーに取り付けた中ぐり工具、５は弾性変形体２の内部に設けた圧電素子（又は磁歪素子）、６は弾性変形体２の軸直角方向変位量を検知する変位センサー、７は主軸回転用モータ、８は主軸の回転角検出用のロータリーエンコーダ、９は変位センサー６の出力を取り出すと共に、圧電素子５への駆動電流を供給するスリップリング、１１は加工送りその他の動作を制御するＮＣ装置、１２はＮＣ装置１１からの制御信号及び変位センサー６、ロータリーエンコーダ８からの出力信号に基づいて圧電素子５の動作を制御することにより、非円形中ぐり形状の加工を制御するコンピューター、１３はＤ／Ａコンバーター、１４はＡ／Ｄコンバーター、１５はコンピューター１２からの制御信号に基づいて圧電素子の動作を制御する圧電素子コントローラ、１６は圧電素子５へ駆動電流を供給する圧電素子ドライバ、２１は送りテーブル、２２は送りテーブルのＸ軸方向駆動用サーボモータ、２３はＹ軸方向駆動用サーボモータ、２４は中ぐり加工を施すべきワークである。
【００１４】
上記実施例において、主軸１に取り付けられた弾性変形体２に圧電素子又は磁歪素子５が組み付けられ、この圧電素子又は磁歪素子５に、ロータリーエンコーダ８で検知した主軸１の回転数及び回転角に同期するようスリップリング９を介して、所望の非円形軌跡に合わせて制御された出力電圧をかける。
これにより、弾性変形体２を軸直角方向の一方向（工具４の取付け方向）に加圧変形させ、弾性変形体と一体となった工具ホルダー３及び工具４を弾性変形体の変形量分だけ軸直角方向に変位させる。
即ち、図２及び図３に示すように、弾性変形体２の外壁面には凹溝２ａ及び２ｂが形成され、圧電素子５の伸縮振動によりこれらの溝より先端側が図中において上下方向へ変位し、これによって、主軸１の回転により工具ホルダー３が偏心回転する。
この軸直角方向の工具変位量を、ＮＣ装置１１及びコンピューター１２を用いて、軸方向位置と回転角毎にコントロールしながら主軸を回転させることによって、所望の非円形中ぐり加工を行うことができる。
ワーク２４は、例えば図３に示した例においてはピストンであり、これに断面が非円形のピン穴２４ａを中ぐり加工する様子を示している。
より精度のよい加工を行うため、弾性変形体２の軸直角方向変位量を変位センサー６によって検知し、フィードバック制御を行うことが望ましい。
【００１５】
この動作を、具体的加工工程により説明すると次の通りである。
(1)送りテーブル２１上にワーク２４をセットする。
(2)主軸回転用モーター７を回転させる。これにより主軸１に取り付けてある弾性変形体２及び工具ホルダー３も回転する。
(3)サーボモータ２２により送りテーブル２１を主軸側へ移動させる。
(4)ワーク２４が工具ホルダー３に取り付けた工具４の近くの所定位置に達した時、コンピューター１２から圧電素子コントローラ１５へ指令を送り、圧電素子ドライバ１６を動作させる。
(5)圧電素子ドライバ１６は、弾性変形体２の内部に設けた圧電素子５へスリップリング９を通じて駆動電流を供給する。
(6)圧電素子５はこの電流により変位し、弾性変形体２を変形させる。これにより、弾性変形体の先端面に取り付けてある工具ホルダー３及びこれに取り付けた工具４も変位する。
(7)主軸１に取り付けたロータリーエンコーダ８により主軸の回転角度位置を検出し、あらかじめコンピューター１２に記憶してある形状に基づき加工断面の分割角度位置に応じて圧電素子の変位量を変化させ、任意の形状を加工する。
(8)弾性変形体２が変位する量は、変位センサー６で検出し、その出力信号をスリップリング９を通じてコンピューター１２へ送って、圧電素子コントローラ１５の動作をフィードバック制御し、加工精度を向上させる。
【００１６】
図４に示した実施例においては、圧電素子５を弾性変形体２の外部に設けて、弾性変形体を変形させるように構成してある。
即ち、主軸１に支柱１ａを設け、工具ホルダー３の基部に取り付けたベアリング１０と支柱１ａの間に圧電素子５を挿入し、圧電素子の伸縮により工具ホルダー３をその軸直角方向に変位させるようになっている。
【００１７】
次に、図５及び図６に示した本発明に係る非円形中ぐり加工装置は、工具ホルダー３の軸に直角な２軸方向に圧電素子の振動を加えるようにしたものである。
即ち、主軸１に支柱１ａ及び１ｂを設け、工具ホルダー３の基部に取り付けたベアリング１０と支柱１ａ及び１ｂの間にそれぞれ圧電素子５Ａ及び５Ｂを挿入して、互いの出力方向が９０°になるように構成し、弾性変形体２を２軸方向に加圧変形させるようになっている。その変形量は、変位センサー６Ａ及び６Ｂで検知し、フィードバック制御を行いながら、工具の運動軌跡を２軸制御する。
この方法によれば、弾性変形体の駆動周波数の２倍の応答性が得られるため、１軸制御に比べ、より高速回転での安定した非円形中ぐり加工が可能となる。
【００１８】
図７は、本発明に係る非円形中ぐり加工装置を用いて、長径３６ｍｍの楕円形状のピストンピン穴Ｐを加工した例を示している。グラフ上、０°の位置がピストンの頭部側、１８０°の位置がスカート側である。
【００１９】
【発明の効果】
本発明による非円形中ぐり加工装置は、従来方式に比べて以下のような利点を有する。
（1)倣い加工方式に対して
▲１▼倣いマスタ等の製作が不要となり、段取り替え時間の短縮も含めて、コスト低減になる。
▲２▼変化の大きい形状も加工でき、高速回転加工も可能となる。
(2)油圧サーボ方式に対して
▲１▼油圧に比べて加圧の応答性がよい。
▲２▼油を使わないため、油温による影響がなく、正確な制御が可能となる。
▲３▼これら▲１▼▲２▼の理由から、変化の大きい形状でも加工でき、高速回転加工も可能となる。
▲４▼同じく▲１▼▲２▼の理由から、同一形状、同一回転加工の場合は特に加工精度が高い。
(3)サーボモータ方式に対して
▲１▼頻繁なモータの正逆回転がないので、モータの慣性力増大とボールネジ、送りテーブルの弾性変形もなく、正確な制御が可能となる。
▲２▼そのため、変化の大きい形状でも加工でき、高速回転加工も可能となる。また、同一形状、同一回転加工の場合の加工精度も高い。
(4)ワーク揺動方式に対して
▲１▼工具を３６０°全方向に自在に変位可能なため、加工可能形状が限定されず、さまざまな非円形の加工が可能である。
▲２▼重いワーク等の揺動に比べ、同一形状であれば、より高速での回転加工が可能となる。
【００２０】
以上の如く、本発明によるときは、加工形状に応じたマスタや固定治具を作製する必要がなく、複雑な非円形の内面形状を高速かつ高精度に加工することが可能であるなど、多くの利点を有する非円形中ぐり加工装置を提供し得るものである。
【００２１】
なお、本発明は上記実施例に限定されるものでなく、弾性変形体の形状や取付け方法、これに対する圧電素子又は磁歪素子の取付け形態等々は、必要に応じて適宜設計変更し得るものであり、従って、本発明はその目的の範囲内において上記の説明から当業者が容易に想到し得るすべての変更実施例を包摂するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】 中ぐり工具に、その取付け軸に直角な１軸方向の偏心振動を加えるようにした非円形中ぐり加工装置の一実施例の概略図である。
【図２】 その主軸先端部の構成を示す斜視図である。
【図３】 図１に示した加工装置の制御系統図である。
【図４】 中ぐり工具に、その取付け軸に直角な１軸方向の偏心振動を加えるようにした非円形中ぐり加工装置のもう１つの実施例の概略図である。
【図５】 中ぐり工具に、その取付け軸に直角な２軸方向の偏心振動を加えるようにした本発明に係る非円形中ぐり加工装置の一実施例の主軸先端部の構成を示す斜視図である。
【図６】 図５に示した実施例を主軸の先端側から見た拡大図である。
【図７】 本発明に係る非円形中ぐり加工装置によるピストンピン穴の加工例を示すグラフである。
【符号の説明】
１ 加工装置の主軸
１a,1b 支柱
２ 弾性変形体
２a,2b 凹溝
３ 工具ホルダー
４ 中ぐり工具
５ 圧電素子（又は磁歪素子）
６ 変位センサー
７ 主軸回転用モータ
８ 回転角検出用ロータリーエンコーダ
９ スリップリング
１０ ベアリング
１１ ＮＣ装置
１２ コンピューター
１３ Ｄ／Ａコンバーター
１４ Ａ／Ｄコンバーター
１５ 圧電素子コントローラ
１６ 圧電素子ドライバ
２１ 送りテーブル
２２ Ｘ軸方向駆動用サーボモータ
２３ Ｙ軸方向駆動用サーボモータ
２４ ワーク

Claims (3)

1. 主軸（１）に、工具偏心振動装置を介して中ぐり工具（４）を取り付け、主軸の回転に同期して中ぐり工具を偏心振動させることによりワークに非円形中ぐり加工を施す装置において、主軸（１）に弾性変形体（２）を介して工具ホルダー（３）を取り付け、当該弾性変形体（２）を圧電素子（５Ａ，５Ｂ）により中ぐり工具（４）の取付け軸に直角な２軸方向に変形振動させることにより、中ぐり工具（４）にその取付け軸に直角な２軸方向の偏心振動を行わせることを特徴とする上記の非円形中ぐり加工装置。
2. 上記圧電素子（５Ａ，５Ｂ）に代えて磁歪素子により中ぐり工具（４）の偏心振動を行わせることを特徴とする請求項１に記載の非円形中ぐり加工装置。
3. 上記弾性変形体（２）の軸直角方向変位量を変位センサー（６Ａ，６Ｂ）により検知してフィードバック制御を行うことを特徴とする請求項１に記載の非円形中ぐり加工装置。

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