JP5752217B2

JP5752217B2 - 穴加工方法

Info

Publication number: JP5752217B2
Application number: JP2013248471A
Authority: JP
Inventors: 前田　淳一; 淳一前田; 司陽植草
Original assignee: Makino Milling Machine Co Ltd
Current assignee: Makino Milling Machine Co Ltd
Priority date: 2013-11-29
Filing date: 2013-11-29
Publication date: 2015-07-22
Anticipated expiration: 2033-11-29
Also published as: JP2015104784A

Description

本発明は、貫通穴の基端側から工具を挿入して、貫通穴の先端側（裏側）に穴の直径が大きくなる大径部を形成する穴加工方法に関する。

例えば、歯車ポンプのケーシングに歯車と歯車の軸を回転可能に支持する軸受とを受容するために、軸を通す貫通穴の両側に大径部を形成するなど、ワークを反転させて所謂座ぐり加工や中ぐり加工を両側に行うことは従来から公知となっている。また、特許文献１には、偏心した工具を直動送りによって貫通穴に挿通させ、裏座ぐり加工を行う切削工具が記載されている。また、特許文献２には、カルダン継手を介して工具を取付頸軸に取り付け、穴加工の最終段階で工具を傾斜させて、穴の最奥部において穴の直径を広げるアンダーカットドリルが記載されている。

特開昭６１−０６５７０６号公報特表平０１−５０３６１５号公報

ワークを反転させて貫通穴の両側に座ぐり加工や中ぐり加工を行うと、反転する際に同軸度が悪くなりやすい。そのため、特許文献１のような裏座ぐり加工を行う切削工具が考案されている。

然しながら、特許文献１の切削工具では、工具を貫通穴の軸線に沿って真っ直ぐに挿通させて裏座ぐり加工するので、工具の中心軸線に垂直方向の刃部の長さを大きくすることができず、座ぐりの直径は比較的小さくならざるを得ない。一方、特許文献２のアンダーカットドリルでは、工具を傾斜させるためにカルダン継手（自在継手）を用いているので、工具の剛性が低く加工精度が著しく低くなる。

本発明は、こうした従来技術の問題を解決することを技術課題としており、座ぐりや中ぐり等、貫通穴の裏側で穴の直径が大きくなる形状の加工において、ワークの反転を行わずに、高効率で高精度の加工を行う穴加工方法を提供することを目的としている。

上述した本発明の目的を達成するために、本発明によれば少なくとも２つの直動送り軸と、１つの回転送り軸とを有し、回転工具とワークを相対的に移動させてワークの貫通穴の裏側を加工する工作機械を用いた穴加工方法において、前記回転工具は、中心軸線に沿って延びるシャンクと、該シャンクの先端部において前記中心軸線に対して略半径方向に突出し先端部に切刃を有した刃部とを有して略Ｌ字形に形成されており、前記刃部は、すくい面を形成する上面と、該上面の反対側の下面とで形成されており、前記直動送り軸２軸と回転送り軸１軸の動作を複数回行うまたは同時３軸制御で行って、前記回転工具の中心軸線と直交する方向の直動送り軸方向に見た前記貫通穴の開口部の高さが、前記刃部の高さよりも高くなるまで前記回転送り軸を回転させ、前記回転工具の刃部を前記貫通穴の裏側まで通し、前記回転工具を回転させて前記貫通穴の裏側の加工を行うようにした穴加工方法が提供される。

本発明によれば、ワークを反転させることなく工具側から見て貫通穴の裏側を貫通穴の直径より刃部の長さが長い工具で加工可能となる。これによって、高効率、高精度に穴加工を行うことが可能となる。

本発明の穴加工方法を実施するための工作機械の一例を示す側面図である。本発明の穴加工方法で用いる回転工具の一例を示す側面図である。図２Ａの回転工具の正面図である。本発明の穴加工方法により加工するワークの一例を示す平面図である。図３Ａの矢視線B-Bに沿うワークの断面図である。図３Ｂの円Ｃで示す部分の拡大断面図である。図２Ａ、２Ｂに示した回転工具を用いて本発明の穴加工方法により図３Ａ〜図３Ｃに示したワークに行う穴加工を説明するための図である。図２Ａ、２Ｂに示した回転工具を用いて本発明の穴加工方法により図３Ａ〜図３Ｃに示したワークに行う穴加工を説明するための図である。図２Ａ、２Ｂに示した回転工具を用いて本発明の穴加工方法により図３Ａ〜図３Ｃに示したワークに行う穴加工を説明するための図である。図２Ａ、２Ｂに示した回転工具を用いて本発明の穴加工方法により図３Ａ〜図３Ｃに示したワークに行う穴加工を説明するための図である。図２Ａ、２Ｂに示した回転工具を用いて本発明の穴加工方法により図３Ａ〜図３Ｃに示したワークに行う穴加工を説明するための図である。工具をワークの貫通穴に導入する直前の状態を示す部分拡大図である。本発明の穴加工方法を適用しない場合に用いられる図２Ａと同様の回転工具の側面図である。図５Ａの回転工具の正面図である。

以下、添付図面を参照して、本発明の好ましい実施の形態を説明する。
図１を参照すると、本発明を適用する工作機械の一例が示されている。図１において、本発明の好ましい実施の形態による工作機械１０は、横形マシニングセンタを構成しており、工場の床面に固定された基台としてのベッド１２、該ベッド１２の後端側（図１では右側）の上面で左右方向またはＸ軸方向（図１では紙面に垂直な方向）に移動可能に設けられたコラム１４、該コラム１４の前面で上下方向またはＹ軸方向に移動可能に設けられたヘッドストック１６、該ヘッドストック１６に取り付けられ主軸２０を回転可能に支持する主軸頭１８、ベッド１２の前方部分（図１では左側）の上面で前後方向またはＺ軸方向（図１では左右方向）に移動可能に設けられロータリーワークヘッド２４を介してワーク４０を取り付けるテーブル２２を具備している。

ロータリーワークヘッド２４は、上面がワーク４０を固定するワーク面となっており、該ワーク面の反対側の底面において、テーブル２２の上面に固定される。ロータリーワークヘッド２４は、前記ワーク面を鉛直軸線周りのＢ軸方向に回転送りするためのＢ軸サーボモータ（図示せず）と、Ｂ軸方向の前記上面の回転位置を検知するロータリーエンコーダのような回転センサより成るＢ軸回転位置センサ（図示せず）とを有している。

テーブル２２は、ベッド１２の上面において水平なＺ軸方向（図１の左右方向）に延設された一対のＺ軸案内レール（図示せず）に沿って往復動可能に設けられており、ベッド１２には、テーブル２２をＺ軸案内レールに沿って往復駆動するＺ軸送り装置として、Ｚ軸方向に延設されたボールねじ（図示せず）と、該ボールねじの一端に連結されたＺ軸サーボモータ（図示せず）が設けられており、テーブル２２には、前記ボールねじに係合するナット（図示せず）が取り付けられている。ベッド１２には、また、テーブル２２のＺ軸方向の座標位置を測定するＺ軸スケール（図示せず）が取り付けられている。

コラム１４は、ベッド１２の上面において水平なＸ軸方向（図１の紙面に垂直な方向）に延設された一対のＸ軸案内レール（図示せず）に沿って往復動可能に設けられており、ベッド１２には、コラム１４をＸ軸案内レールに沿って往復駆動するＸ軸送り装置として、Ｘ軸方向に延設されたボールねじ（図示せず）と、該ボールねじの一端に連結されたＸ軸サーボモータ（図示せず）が設けられており、コラム１４には、前記ボールねじに係合するナット（図示せず）が取り付けられている。ベッド１２には、更に、コラム１４のＸ軸方向の座標位置を測定するＸ軸スケール（図示せず）が取り付けられている。

ヘッドストック１６はコラム１４の前面においてＹ軸方向（図１では上下方向）に延設された一対のＹ軸案内レールに沿って往復動可能に設けられている。コラム１４には、ヘッドストック１６をＹ軸案内レールに沿って往復駆動するＹ軸送り装置として、Ｙ軸方向に延設されたボールねじ（図示せず）と、該ボールねじの一端に連結されたＹ軸サーボモータ（図示せず）が設けられており、ヘッドストック１６には、前記ボールねじに係合するナット（図示せず）が取り付けられている。コラム１４には、また、ヘッドストック１６のＹ軸方向の座標位置を測定するＹ軸スケール（図示せず）が取り付けられている。

ヘッドストック１６には、また、主軸２０をＺ軸方向の回転軸線Ｏを中心に回転可能に支持する主軸頭１８が取り付けられている。主軸頭１８は、主軸２０を回転駆動するスピンドルサーボモータ（図示せず）と、回転軸線Ｏ周りの主軸２０の回転位置を検知するロータリーエンコーダのような回転センサより成る主軸回転位置センサ（図示せず）とを有している。

Ｘ軸サーボモータ、Ｙ軸サーボモータ、Ｚ軸サーボモータおよびスピンドルサーボモータ、並びに、Ｘ軸スケール、Ｙ軸スケール、Ｚ軸スケール、Ｂ軸回転位置センサおよび主軸回転位置センサはＮＣ装置２６に接続されている。該ＮＣ装置２６によって、夫々のサーボモータへ供給される電力（電流値）が制御される。

図２Ａ、２Ｂを参照すると、本実施形態で使用する工具３０の一例が示されている。工具３０は、中心軸線Ｏ_tに沿って延び主軸２０の工具装着孔（図示せず）または工具ホルダ（図示せず）の工具装着孔に嵌合させるシャンク３２、および、頸部３４を介してシャンク３２の先端部に結合されている刃部３６を備えて、全体的に略Ｌ形に形成されている。刃部３６は、すくい面を形成する上面３６ｂ、上面３６ｂの反対側の下面３６ｃ、上面３６ｂと下面３６ｃとの間に延在し逃げ面を形成する先端面３６ｄ、上面３６ｂと先端面３６ｄとの間に形成された切刃３６ａを有している。刃部３６の基端部において、頸部３４と下面３６ｃとの間は中心軸線Ｏ_tに対して斜めに傾斜した斜面によって切り欠かれた欠切部３８となっている。欠切部３８を形成する斜面は、例えば中心軸線略Ｏ_tに対して４５°の角度で傾斜させることができる。

図３Ａ〜図３Ｃを参照すると、本発明を適用して加工されるワーク４０の一例が示されている。一例として、ワーク４０は歯車ポンプのケーシングであって、平板状の底壁４２および底壁４２の外周に沿って延在する側壁４４を備え、底壁４２と側壁４４とによって、歯車ポンプの歯車（図示せず）を受け入れる受容部５０が画成され、側壁４４の内側の円弧部４４ａ、４４ｂに歯車の歯先が内接するように形成される。底壁４２には歯車ポンプの歯車の軸を通すための第１と第２の貫通穴４６、４８が、底壁４２の受容部５０側の内面から反対側の外面へ形成されている。第１と第２の貫通穴４６、４８の各々の中心軸線Ｏ₁、Ｏ₂は、底壁４２の内面または外面に平行な方向に延びるワーク４０の中心軸線Ａc上に配置されている。

特に、図３Ｃを参照すると、第１と第２の貫通穴４６（４８）は、歯車の軸を回転支持するための軸受（図示せず）を受容する大径部４６ａ（４８ａ）と、歯車の軸を通すための小径部４６ｂ（４８ｂ）とを有し、大径部４６ａ（４８ａ）と小径部４６ｂ（４８ｂ）との間には逃げ部４６ｃが形成されている。逃げ部４６ｃには、シール部材（図示せず）を配置することができる。また、歯車ポンプの設計上は、大径部４６ａ（４８ａ）と小径部４６ｂ（４８ｂ）と円弧部４４ａ（４４ｂ）との各々の中心軸線は一致しているが、既述したように、そのように加工、特に仕上げ加工することは難しかった。

以下、本実施形態の作用を説明する。
先ず、ワーク４０が、第１と第２の貫通穴４６、４８の中心軸線Ｏ₁、Ｏ₂が工作機械１０のＸ−Ｚ平面に平行となるように、ロータリーワークヘッド２４に取り付けられ、荒加工によってワーク４０の側壁４４の内周面、底壁４２の内面、第１と第２の貫通穴４６、４８の大径部４６ａ、４８ａおよび小径部４６ｂ、４８ｂが形成される。荒加工工程では、第１と第２の貫通穴４６、４８の大径部４６ａ、４８ａを形成する際に、Ｂ軸を１８０°回転送りすることによってワーク４０を反転し、ワーク４０の外面から座ぐり加工によって大径部４６ａ、４８ａが加工される。

次いで、ロータリーワークヘッド２４によってワーク４０をＢ軸方向に回転送りし、ワーク４０の底壁４２の内面が主軸２０先端部に取り付けられる工具３０に対面し、かつ、第１と第２の貫通穴４６、４８の中心軸線Ｏ₁、Ｏ₂がＺ軸に平行となるようにワーク４０が配向される。この状態で、工具３０が仕上げ加工用の例えばスクエアエンドミルに交換され、ワーク４０の側壁４４の内周面および底壁４２の内面が仕上げ加工される。

次いで、工具３０が、仕上げ加工用の例えば中ぐり工具に交換され、小径部４６ｂ、４８ｂの内周面が仕上げ加工される。このときの工具３０は、工具の中心軸線Ｏ_tと切刃３６ａとの間の距離が、仕上げ加工された小径部４６ｂ、４８ｂの半径に一致している。従って、小径部４６ｂ、４８ｂ加工用の工具３０は、半径方向に少なくとも仕上げ加工代に相当する長さをもって、その中心軸線Ｏ_tを第１と第２の貫通穴４６、４８の中心軸線Ｏ₁、Ｏ₂に一致させることによって、容易に小径部４６ｂ、４８ｂを通して刃部３６を裏側（大径部側）に配置することができる。

小径部４６ｂ、４８ｂの内周面の仕上げ加工が完了すると、小径部４６ｂ、４８ｂ加工用の工具３０が大径部４６ａ、４８ａを仕上げ加工するための工具と交換される。この大径部４６ａ、４８ａ加工用の工具３０は、工具の中心軸線Ｏ_tと切刃３６ａとの間の長さＬ_cが、仕上げ加工された大径部４６ａ、４８ａの半径に一致している、つまり1/2Ｄ₁＝Ｌ_c（Ｄ₁：大径部４６ａ、４８ａの直径）である。

また、大径部４６ａ、４８ａ加工用の工具３０において、頸部３４の直径をｄとしたときに、長さＬ_cに工具３０の半径を加えた長さ（刃部の長さ）が小径部４６ｂ、４８ｂの直径Ｄ₂よりも大きい場合、つまり
Ｄ₂≦1/2ｄ+Ｌ_c＝1/2（ｄ+Ｄ₁）…（１）
の場合には、該工具３０をＺ軸方向に配向した状態でワーク４０に対してＺ軸方向に移動させても、刃部３６は小径部４６ｂ、４８ｂを通過できない。従って、大径部４６ａ、４８ａと小径部４６ｂ、４８ｂの半径の差が大きくなると、工具３０をワーク４０に対してＺ軸方向に相対移動させて刃部３６を小径部４６ｂ、４８ｂに通すためには、通常、図５Ｂに示すように、頸部３４の直径ｄを細くしなければならない。

そうした場合でも、後述する本発明の穴加工方法によれば、小径部４６ｂ、４８ｂと大径部４６ａ、４８ａの直径が不等式（１）を満たす場合であっても、工具３０の頸部３４の直径ｄを細くすることなく、小径部４６ｂ、４８ｂを通して刃部３６を裏側に配置することが可能となる。以下、図４Ａ〜図４Ｆを参照して、本実施形態の作用を更に説明する。なお、以下の説明では、第１の貫通穴４６についてのみ説明するが、第２の貫通穴４８についても同様であることは理解されよう。

先ず、刃部３６がＸ軸上において第２の貫通穴４８側に配置されるように、工具３０がその中心軸線Ｏ_t周りに割出し、回転位置決めされる。次いで、Ｚ軸およびＸ軸方向に工具３０とワーク４０とを相対移動させて、工具３０の刃部３６が第１の貫通穴４６の小径部４６ｂの近接位置に配置される（図４Ａ）。次いで、第１の貫通穴４６の中心軸線Ｏ₁が工具３０の中心軸線Ｏ_tまたはＺ軸に対して所定の角度θ（図４Ｆ）となるまで、第２の貫通穴４８が工具３０に接近する方向に、ロータリーワークヘッド２４によってワーク４０をＢ軸方向に回転送りする。つまり、本発明による穴加工方法では、大径部と小径部とを有した複数の貫通穴が所定の軸線に沿って並設されているワークにおいて、小径部側から大径部を仕上げ加工する場合に、ワークを前記所定の軸線および回転工具の中心軸線に対して垂直な軸線を中心として、当該穴加工すべき貫通穴以外の貫通穴が工具に接近する方向に回転送りするようにしている。

このように、工具３０の刃部３６を小径部４６ｂ内に導入するためにＢ軸方向にワーク４０を回転送りする角度θは、第１の貫通穴４６の小径部４６ｂをＸ軸方向に見たときの開口高さＨ_oが刃部３６の高さＨ_cよりも大きくなるような角度であって、第１の貫通穴４６の中心軸線Ｏ₁方向の小径部４６ｂの長さをＬ_oとしたときに、以下の不等式を満たす角度とすることができる。
Ｈ_c＜Ｈ_o＝Ｄ₂・sinθ−Ｌ_ocosθ…（２）

ワーク４０をＢ軸方向に回転送りした後、Ｚ軸およびＸ軸方向に工具３０とワーク４０とを相対移動させて、工具３０の刃部３６を第１の貫通穴４６の小径部４６ｂに導入する（図４Ｂ）。次いで、Ｘ軸、Ｚ軸およびＢ軸を同時に制御することによって、工具３０の刃部３６を小径部４６ｂから大径部４６ａ内へ導入し（図４Ｃ）、更に、頸部３４が小径部４６ｂ内に挿通可能な配置（図４Ｄ）に、工具３０とワーク４０とを相対移動させる。図４Ｃ、４Ｄに示す工程では、工具３０に欠切部３８を形成することによって、刃部３６の長さＬ_c（図５参照）が比較的長い工具３０を用いても、小径部４６ｂから大径部４６ａへ刃部３６を通すことが可能となる。

更に、工具３０の刃部３６が大径部４６ａの外に配置され、中心軸線Ｏ_tと、第１の貫通穴４６の中心軸線Ｏ₁が一致するように、Ｘ軸、Ｚ軸およびＢ軸が同時に制御される（図４Ｅ）。次いで、主軸２０を所定の回転速度で回転させつつ、テーブル２２をＺ軸方向へ送ることによって、大径部４６ａの内周面が加工される。

第２の貫通穴４８の大径部４８ａについも、第１の貫通穴４６の大径部４６ａと同様に仕上げ加工できるが、最初に工具３０を中心軸線Ｏ_t周りに回転位置決めする際に、刃部３６がＸ軸上において第１の貫通穴４６側に配置されるように割り出される。本実施形態では、工具３０をこのように割り出すことによって、工具３０とワーク４０の側壁４４との干渉を避けて、ワーク４０をＢ軸方向に大きく回転送り可能となり、不等式（２）を満たすθの範囲を大きくすることができる。

このように、本実施形態による穴加工方法によれば、ワーク４０をＢ軸方向に１８０°回転させることなく、工具３０から見てワーク４０の底壁４２の反対側の表面に大径部４６ａ、４８ａを形成することが可能である。もちろん、ワーク４０をＢ軸方向に１８０°回転して、底壁４２の外面を工具３０に対面させることによって、大径部４６ａ、４８ａを簡単に仕上げ加工することはできるが、そのようにして大径部４６ａ、４８ａを仕上げ加工すると、大径部４６ａ、４８ａの中心軸線と小径部４６ｂ、４８ｂの中心軸線との位置ズレ、特にＢ軸の鉛直軸線に垂直なＸ軸方向の位置ズレが大きくなる。つまり、Ｂ軸を１８０°回転して大径部４６ａ、４８ａの仕上げ加工を行うと、Ｘ軸方向の加工誤差が倍加してしまう。これに対して本実施形態によれば、ワーク４０をＢ軸方向に１８０°回転させることなく、底壁４２の内面側から大径部４６ａ、４８ａを仕上げ加工するために、大径部４６ａ、４８ａの中心軸線と小径部４６ｂ、４８ｂの中心軸線と円弧部４４ａ、４４ｂの中心軸線のズレを最小限とすることができる。

１０工作機械
３０工具
３２シャンク
３４頸部
３６刃部
４０ワーク
４６第１の貫通穴
４６ａ大径部
４６ｂ小径部
４８第２の貫通穴
４８ａ大径部
４８ｂ小径部

Claims

少なくとも２つの直動送り軸と、１つの回転送り軸とを有し、回転工具とワークを相対的に移動させてワークの貫通穴の裏側を加工する工作機械を用いた穴加工方法において、
前記回転工具は、中心軸線（Ｏ _t ）に沿って延びるシャンク（３２）と、該シャンク（３２）の先端部において前記中心軸線（Ｏ _t ）に対して略半径方向に突出し先端部に切刃を有した刃部（３６）とを有して略Ｌ字形に形成されており、
前記刃部（３６）は、すくい面を形成する上面（３６ｂ）と、該上面の反対側の下面（３６ｃ）とで形成されており、前記直動送り軸２軸と回転送り軸１軸の動作を複数回行うまたは同時３軸制御で行って、前記回転工具の中心軸線（Ｏ _t ）と直交する方向の直動送り軸方向に見た前記貫通穴の開口部の高さ（Ｈ _o ）が、前記刃部（３６）の高さ（Ｈ _c ）よりも高くなるまで前記回転送り軸を回転させ、前記回転工具の刃部（３６）を前記貫通穴の裏側まで通し、
前記回転工具を回転させて前記貫通穴の裏側の加工を行うことを特徴とした穴加工方法。
前記ワークは、前記貫通穴の軸線（Ｏ ₁ 、Ｏ ₂ ）が前記２つの直動送り軸で構成される平面と平行に、かつ、前記回転送り軸の軸線に垂直に前記工作機械に取り付けるようにした請求項１に記載の穴加工方法。
前記回転工具の刃部（３６）を前記貫通穴の裏側まで通す動作は、前記回転工具の略Ｌ字形の先端部を最初に前記貫通穴に進入させ、前記貫通穴を通過するように、前記２つの直動送り軸および１つの回転送り軸を制御する請求項１または２に記載の穴加工方法。