JP4845018B2 - 工具ホルダの運動制御機構及びそれを用いた放電・電解複合加工装置 - Google Patents

Description

本発明は、塑性加工用機械及び木工用機械を含む工作機械の工具ホルダの公転運動を制御する機構、特に、自転機構を備えた工具ホルダの公転運動を制御する機構及びそれを用いて穴内面等の内面を加工する放電・電解複合加工装置に関する。

従来、工具ホルダの公転運動を制御するものとして、ローラを公転駆動してスピニング加工を行うスピニング加工装置において、遊星歯車の軸に腕部材を固定し、腕部材の先端部にローラを回転可能に支持し、太陽歯車と内歯歯車との相対的な回転駆動による遊星歯車の自転に伴い、腕部材が揺動してローラの公転径を制御するようにしたスピニング加工装置が知られている（例えば、特許文献１参照。）。
また、放電加工液が注入された容器内に、水平面内において互いに直交するＸ，Ｙ軸方向に固定で上記Ｘ，Ｙ軸の両者に直交するＺ軸方向に移動可能な電極工具に対して、所定間隔をおいてワークを対向させ、上記ワークを陽極とし、上記電極工具を陰極として両極間に電圧を印加し、放電によって上記ワークに電極形状に応じた加工を施した後、上記容器内の放電加工液を電解液に入れ替え、上記電極工具と上記ワークの間に一定の電解電流を流し、上記ワークの放電加工面を電解によって研磨仕上げするようにした放電加工面の電解仕上げ方法が知られている（例えば、特許文献２参照。）。

上記した特許文献１に記載のスピニング加工装置では、工具部分には自転機能はなく、工具はワークとの摩擦力により回転するに過ぎないものである。さらに、工具部分の公転径の制御は太陽歯車と内歯歯車との相対的な回転駆動による遊星歯車の自転に伴うものであるため、径の小さな穴内面の加工における微小な公転径の制御には不適である。
また、上記特許文献２に記載の放電加工面を電解によって研磨仕上げするものにおいては、電極工具はワークの加工面に沿った方向には移動自在であるが、ワークの加工面に直交する方向には固定されている。
特開２００１−４７１６２号公報 特開２００２−２９２５２４号公報

加工される穴の内面の径よりも小さな径の工具で穴の内面を加工するような場合、工具を自転させるとともに公転させ、工具の公転径を制御することにより穴内面の径を精度良く仕上げる方法がある。
一方、工具の公転径を制御する手段として上記した特許文献１に記載のような太陽歯車と内歯歯車との相対的な回転駆動による遊星歯車の自転を利用したものが知られているが、このものでは、工具を自転させる駆動手段を備えていないため工具自転により穴内面を加工するものには用いることができないという問題を有している。また、径の小さな穴内面の加工における微小な公転径の制御には不適である。

他方、特許文献２記載の同一電極を用いて放電加工面を電解によって研磨仕上げするものにおいては、電極工具は自転する構造となっていない。また、電極工具はワークの加工面に直交する方向には固定されているため、加工される穴の径と電極工具の外径とは一定の関係を有する必要がある。さらに、穴内面と電極との距離を制御することができない。従って穴円周方向の加工量をコントロールすることができず，オーバーハングしている断面形状を持つ穴等は加工することができない，また加工穴径に合わせた電極をその都度作成しなければならないという問題も有している。

本発明は、自転機構を備えた工具ホルダの公転運動を精度良く制御できる機構及びそれを用いた放電・電解複合加工装置を提供することを目的とする。

（１）上記目的を達成するため本発明の工具ホルダの運動制御機構は、工具ホルダを支持する軸を自転させる自転用駆動機構を備えた工具ホルダの運動制御機構において、ケーシングに回転自在に支持された回転板を回転させる公転用駆動機構を設け、回転板には工具ホルダを支持する軸を回転自在に保持するアームをその回転中心が回転板の回転中心から偏心するようにして設け、アームを回転駆動する公転径制御用駆動機構を回転板に設けることにより工具ホルダの公転径を制御するようにしたことを特徴としている。

（２）また、上記（１）記載の工具ホルダの運動制御機構を用いた放電・電解複合加工装置は、工具である電極に電力を供給する加工用電源、加工電流・電圧モニター装置、ワークを保持するとともに加工液を収容する容器及び制御用コンピュータを備えることを特徴としている。
（３）また、上記（１）記載の工具ホルダの運動制御機構を用いた放電・電解複合加工装置は、上記（２）記載のものにおいて、加工液の循環ポンプ、切りくず除去装置、温度制御装置を備え、消耗した電極を再成形する電極成形ユニット及び工具ホルダの運動制御機構を移動する移動機構を備えることを特徴としている。

（１）本発明の工具ホルダの運動制御機構は、自転機構を備えた工具ホルダの公転径を、太陽歯車、内歯歯車と及び遊星歯車を備えた遊星歯車機構のような複雑な機構を用いることなく、簡単な構造で、サブミクロンの精度まで制御できる。（２）本発明の工具ホルダの運動制御機構を用いた放電・電解複合加工装置は、穴内面等の加工面を平滑に仕上げることができ、加工面の腐食を防止することができる。さらに同一電極で異なる直径の穴加工，オーバーハングしている断面形状を持つ穴の加工が可能となる．

本発明に係る工具ホルダの運動制御機構及びそれを用いた放電・電解複合加工装置の最良の形態を図面を参照して以下に説明する。

図１は、放電・電解複合加工装置の１例を示した概略説明図である。
放電・電解複合加工装置は、図示しない駆動源により回転駆動される回転テーブル１の上に被加工物であるワーク２を固定し、ワーク２の回転中心Ｏから距離ｄ偏心したＯ’を中心に図示しない駆動源により回転駆動される電極３を設け、電極３を移動させて偏心距離ｄを制御することにより、ワーク２の加工面の回転径（ワーク２と電極３の相対運動における公転径）を制御可能な構造となっている。

図２は、公転径を制御しなかった場合の加工結果と公転径を制御した場合の加工結果を示す顕微鏡写真であり、公転径を制御しなかった場合は、（ａ）に示すように加工された側面が黒ずんだ状態で腐食している。一方、公転径を制御した場合（０．２μｍ／ｓの速度で１０μｍの範囲で移動制御した場合）は、（ｂ）に示すように加工された側面が平滑で腐食されていない。
この結果から、公転径の制御をした方が良好な加工結果が得られることが確認できる。しかしながら、図１の放電・電解複合加工装置における公転径の制御システムは、ワークを保持、回転させる構造であるため、ワークの回転中心に関わる部分しか加工できず、例えば、ワークの回転中心との関係と独立して加工面の微小な凹凸に対応した工具（電極）の制御ができない。

図３は、ワークを回転させずに工具ホルダを自転させるとともに公転させるものにおいて、公転径を制御できるようにした工具ホルダの運動制御機構を説明する正面図である。
図３において、１０は工具ホルダであるところのコレットチャックであり、図示しない電極等の工具を保持するものである。
コレットチャック１０を自転運動させるとともにその公転運動を制御する運動制御機構は剛性のあるケーシング１１に保持されている。

該運動制御機構は、コレットチャック１０を自転させる自転用モータ１２、公転させる公転用モータ１３及びコレットチャック１０の公転径を制御する公転径制御モータ１４を備えている。
自転用モータ１２及び公転用モータ１３はケーシング１１に固定され、公転径制御モータ１４はケーシング１１の内側に突出した支持部材１５にベアリング１６を介して回転自在に支持された回転板１７に支持されている。
それぞれのモータには、図示しない電源から電力が供給されるようになっているが、回転板１７に支持された公転径制御モータ１４に電力を供給するため、ケーシング１１に通電用ブラシ１８を設け、通電用ブラシ１８に対峙して回転板１７側にスリップリング１９を設け、スリップリング１９と公転径制御モータ１４を導電ケーブルで接続している。

自転用モータ１２の回転力は出力軸２０、該出力軸２０に軸支された歯車２１、歯車２１と噛合する歯車２２、回転板１７に回転自在に支持され歯車２２を軸支する軸２３、軸２３に軸支された歯車２４、歯車２４と噛合する歯車２５、及び歯車２５を軸支する軸２６を介してコレットチャック１０に伝達される。

自転用モータ１２の回転中心２７を回転中心として回転自在にギアボックス２８が設けられている。
ギアボックス２８は、ケーシング１１にベアリング２９を介して回転支持され、かつ回転中心２７と同芯で出力軸２０を覆う上部円筒部３０と、歯車２１、歯車２２を収容して回転板１７に固定された下部ボックス部３１とよりなっており、上部円筒部３０には回転中心２７と同芯に歯車３３が固定されている。
公転用モータ１３の出力軸３４には歯車３５が固定され、歯車３５が歯車３３に噛合するように配置されている。
このように構成されているため、回転板１７は回転中心２７を中心にして回転する。

公転用モータ１３の回転力は出力軸３４、歯車３５、歯車３３及びギアボックス２８を介して回転板１７に伝達される。回転板１７が回転すると、回転板１７に支持された軸２３と共にコレットチャック１０は回転中心２７の回りを公転する。

回転板１７には公転径制御用モータ１４が装着されており、該公転径制御モータ１４の出力軸３６には歯車３７が固定され、歯車３７には軸２３の軸心回りに回転する歯車３８が噛合されている。
歯車３８には歯車２４及び歯車２５を収容し、かつ、コレットチャック１０を固定する軸２６を回転自在に支持しているギアボックス３９が固定されている。
このため、ギアボックス３９は歯車３８と一体的に軸２３の軸心を中心にして回転されるもので、コレットチャック１０は軸２３の軸心を中心にして軸２３と軸２６との距離ｄの長さのアーム長を半径として回動される。

公転径制御モータ１４の回転力は出力軸３６、歯車３７及び歯車３８を介してギアボックス３９に伝達され、ギアボックス３９に支持されたコレットチャック１０を軸２３の軸心を中心として回動する。
このため、回転板１７の回転中心２７からコレットチャック１０の中心までの距離がコレットチャック１０の公転径となる

図４は、図３に示す工具ホルダの運動制御機構を用いた放電・電解複合加工装置の全体説明図である。
放電・電解複合加工装置は、主として、工具ホルダであるコレットチャック１０の運動制御機構５０、運動制御機構５０の移動機構６１、電極５１に電力を供給する加工用電源５２、加工電流・電圧モニター装置５３、ワーク５４を保持し、かつ加工液５５を収容する容器５６、加工液循環ポンプ５７、切りくず除去装置５８、温度制御装置５９、電極成形ユニット６０、制御用コンピュータ６２及び装置の移動機構６３からなっている。
制御用コンピュータ６２は、制御用ケーブルにて、工具ホルダの運動制御機構５０、加工用電源５２、加工電流・電圧モニター装置５３、温度制御装置５９、電極成形ユニット６０及び移動機構６１と接続しており、また、加工用電源５２は電極５１、加工電流・電圧モニター装置５３、ワーク５４に電源ケーブルで接続している。容器５５に充填された加工液５５は、加工液循環ポンプ５７、切りくず除去装置５８、温度制御装置５９を経由して循環され、清浄化及び温度制御される。

次に、工具ホルダの運動制御機構５０を用いた放電・電解複合加工装置の作動を説明する。
（１）制御用コンピュータ６２または手動で加工用電源５２を放電加工条件、例えば、電極５１を陽極、ワーク５４を陰極にセットし、放電加工を行う。
必要に応じて、加工電流・電圧モニター装置５３からの情報を用いて制御用コンピュータ６２により工具ホルダの運動制御機構５０の位置、及び工具ホルダ１０の公転径、公転速度及び自転速度等の制御を行う。
工具ホルダ１０の自転速度は自転用モータ１２の回転数を制御することにより所望の速度に制御される。また、工具ホルダ１０の公転径は、公転径制御モータ１４を制御して回転板１７の回転中心２７から工具ホルダ１０の中心までの距離を制御することにより設定される。さらに、工具ホルダ１０の公転速度は、公転用モータ１３の回転を制御することにより制御される。
（２）放電加工で消耗した電極５１は電極成形ユニット６０で再成形する。
（３）ワーク５４の所望の形状が得られるまで上記工程（１）（２）を繰り返す。
（４）制御用コンピュータ６２または手動で加工用電源５２を電解加工用条件、例えば、電極５１を陰極、ワーク５４を陽極にセットし、電解加工を行う。
必要に応じて、加工電流・電圧モニター装置５３からの情報を用いて制御用コンピュータ６２により工具ホルダの運動制御機構５０の位置、工具ホルダ１０の公転径、公転速度及び自転速度等の制御を行う。

電極５１には銅、銅合金又はグラファイト等を用いる。また、加工液５５には絶縁性を持たない加工液、又は絶縁性を持たない加工液と絶縁性を持つ固体粉末の混合液を用いる。

図５は、工具ホルダの運動制御機構５０を用いた放電・電解複合加工装置により穴底面を加工した加工例を示す平面図である。
図５（ａ）は、上記（３）の放電加工後の加工例を示したものであり、電極に銅、加工液に水とアルミナの混合液を用いた。
図５（ｂ）は、上記（４）の電解加工後の加工例を示したものであり、電極に銅、加工液に水とアルミナの混合液を用いた。

図６は、工具ホルダの運動制御機構５０を用いた放電・電解複合加工装置により穴内面を加工した加工例を示したものである。
まず円柱形状の電極で貫通穴を加工する(図6(a))．電極成形ユニット60を用いて電極を加工(図6(b))後,工具ホルダの遊星運動機構50を用いて公転径の制御を行いながら加工穴径を拡張する(図6(c))．図6(d)に示すように前記工程を用いてオーバーハングしている断面形状を持つ穴の加工が可能となった．

放電・電解複合加工装置の１例を示した概略説明図である。 公転径を制御しなかった場合の加工結果と公転径を制御した場合の加工結果を示す顕微鏡写真であり、（ａ）は公転径を制御しなかった場合、（ｂ）は公転径を制御した場合である。 本発明の実施の形態に係る工具ホルダの運動制御機構を説明する正面図である。 図３に示す本発明の実施の形態に係る工具ホルダの運動制御機構を用いた放電・電解複合加工装置の全体説明図である。 本発明の実施の形態に係る工具ホルダの運動制御機構を用いた放電・電解複合加工装置により穴底面を加工した加工例を示す平面図である。 本発明の実施の形態に係る工具ホルダの運動制御機構を用いた放電・電解複合加工装置により穴内面を加工した加工例を示したものである。

符号の説明

１ 回転テーブル
２ ワーク
３ 電極
１０ 工具ホルダ（コレットチャック）
１１ ケーシング
１２ 自転用モータ
１３ 公転用モータ
１４ 公転径制御モータ
１５ 支持部材
１６ ベアリング
１７ 回転板
１８ 通電用ブラシ
１９ スリップリング
２０ 出力軸
２１ 歯車
２２ 歯車
２３ 軸
２４ 歯車
２５ 歯車
２６ 軸
２７ 回転中心
２８ ギアボックス
２９ ベアリング
３０ 上部円筒部
３１ 下部ボックス部
３３ 歯車
３４ 出力軸
３５ 歯車
３６ 出力軸
３７ 歯車
３８ 歯車
３９ ギアボックス
５０ 工具ホルダの運動制御機構
５１ 電極
５２ 加工用電源
５３ 加工電流・電圧モニター装置
５４ ワーク
５５ 加工液
５６ 容器
５７ 加工液循環ポンプ
５８ 切りくず除去装置
５９ 温度制御装置
６０ 電極成形ユニット
６１ 工具ホルダの運動制御機構の移動機構
６２ 制御用コンピュータ
６３ 装置の移動機構

Claims (3)

1. 工具ホルダを支持する軸を自転させる自転用駆動機構と工具ホルダを公転させる公転用駆動機構と工具ホルダの公転径を制御する公転径制御用駆動機構とを備えた工具ホルダの運動制御機構において、
   ケーシング（１１）に回転自在に支持された回転板（１７）を設け、回転板（１７）は前記公転用駆動機構により回転板の回転中心（２７）を中心にして回転駆動され、
   回転板（１７）には、回転板の回転中心（２７）から偏心した位置に軸（２３）が設けられており、該軸（２３）の軸心を中心に回転自在に支持されたギヤボックス（３９）が設けられており、ギヤボックス（３９）は前記公転径制御用駆動機構により軸（２３）の軸心を中心に回転駆動され、
   ギヤボックス（３９）には、前記軸（２３）の軸心から距離ｄの位置に工具ホルダを支持する軸（２６）が回転自在に保持されており、
   自転用駆動機構により工具ホルダを支持する軸（２６）を自転させるとともに、公転径制御用駆動機構によりギヤボックス（３９）を軸（２３）の軸心を中心にして回転駆動して、工具ホルダを支持する軸（２６）を軸（２３）の軸心の回りに距離ｄを半径として回動させることにより回転板の回転中心（２７）から工具ホルダを支持する軸（２６）の軸心までの距離、すなわち、公転径を制御し、公転用駆動機構により回転板（１７）を回転させることにより工具ホルダを支持する軸（２６）を回転板の回転中心（２７）の回りに公転するようにしたことを特徴とする工具ホルダの運動制御機構。
2. 工具である電極に電力を供給する加工用電源、加工電流・電圧モニター装置、ワークを保持するとともに加工液を収容する容器及び制御用コンピュータを備えることを特徴とする請求項１記載の工具ホルダの運動制御機構を用いた放電・電解複合加工装置。
3. 加工液の循環ポンプ、切りくず除去装置、温度制御装置を備え、消耗した電極を再成形する電極成形ユニット及び工具ホルダの運動制御機構を移動する移動機構を備えることを特徴とする請求項２記載の工具ホルダの運動制御機構を用いた放電・電解複合加工装置。