JP7086674B2

JP7086674B2 - 工作機械

Info

Publication number: JP7086674B2
Application number: JP2018068001A
Authority: JP
Inventors: 昌弘矢島; 優希家住; 哲也中村; 幸太郎高橋
Original assignee: MITSUISEIKI KOGYO KABUSHIKI KAISHA
Current assignee: MITSUISEIKI KOGYO KABUSHIKI KAISHA
Priority date: 2018-03-30
Filing date: 2018-03-30
Publication date: 2022-06-20
Anticipated expiration: 2038-03-30
Also published as: JP2019177448A

Description

本発明は、高電流加工が可能な工作機械に関し、特に、高電流加工に対応した工作機械における主軸及びテーブルの回転並びに絶縁のための構造に関する。

近年、チタン及びニッケルの超合金等の先進的な金属材料が、航空機、自動車、並びに工具及び金型の製造業等において使用される機会が増加している。これらの先進的な材料は、多くの所望の特性を示すが、加工処理が困難な場合がある。例えば、チタン合金などの特殊化された材料については、伝統的な機械加工および鋳造処理では不十分であることが多い。このためチタン及びニッケルの超合金等の先進的な材料を加工するために、多くの技術が開発されている。放電加工（ＥＤＭ）は、主に硬質金属、すなわち従来の技術では機械加工が不可能な金属に対して用いられている機械加工方法である。この技術は、エネルギーが付与された電場の存在下で、電極（切削工具）と被加工物との間で急速に繰り返される電気アーク放電によって行われる。ＥＤＭ切削工具は、被加工物の非常に近くの所望の経路に沿って導かれるが、被加工物に接触することはない。この技術は、「電食」と呼ばれることがある。電解加工（ＥＣＭ）、電解研削（ＥＣＧ）、および電解放電加工（ＥＣＤＭ）を含む他の電気機械加工技術も当該技術分野において公知である（例えば、特許文献１参照）。

米国特許出願公開第２０１３／００４８６１２号明細書

一方、上記した様々な電気機械加工技術を従来の工具による５軸制御加工が可能なマシニングセンタ等において切削等の工具による加工に代えて使用し、或いは切削等の工具による加工と併用したいという要求もあり、そのための応用技術の開発も待たれている。しかしながら、テーブルに載置した工作物を工具により加工する従来構成の工作機械とは、その主軸装置、テーブル等の構造も異ならざるを得ず、工作機械において回転する主軸（スピンドル）や回転乃至は搖動可能なテーブル等の従来の構成要素を高電流加工に合わせてどのように設計していくか多くの課題があるが、未だ有効な提案が充分にはなされていないのが実情である。

本発明は上述のような事情から為されたものであり、その目的は、高電流加工が可能な工作機械において、主軸装置及びテーブル構造体がそれぞれ回転動作可能な上に、必要な絶縁性を確保することが可能な技術を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明の工作機械は、少なくとも主軸装置及びテーブル構造体を備え、前記主軸装置及び／又はテーブル構造体が回転動作しながら前記主軸装置から前記テーブル構造体側に向けて高電流を流すことにより前記テーブル構造体のテーブル上に載置したワークを放電加工する工作機械において、前記主軸装置は、前記ワークに対してＸ－Ｙ－Ｚ３軸方向に接近又は離反可能であり、前記テーブル構造体に載置されたワークは、Ａ－Ｃ２軸廻りに回転可能であり、前記主軸装置は、筒型に構成される前記主軸装置の基端側の内部に導電管を有し、該導電管に間隔を置いて環状に囲む導電性を有する第１の摺動部品から高電流が供給される一方、前記主軸装置の先端側の内部にはシャフトを環状に囲む絶縁軸受を有し、前記絶縁軸受により前記シャフトを回転可能に支持しつつ通電不可の部分とは絶縁すると共に、テーブル構造体は、絶縁板から成るテーブル、導電板、第２の摺動部品、環状固定レールを有し、前記テーブルは、導電管路を介して前記導電板と連結され、前記導電管路の先端側には前記第２の摺動部品が連結され、該第２の摺動部品の先端側に環状に設けられた摺動部が前記環状固定レール上を回転・摺動することにより前記テーブル構造体が回転可能に構成されていることを特徴とする。
かかる構成によれば、放電加工のための主軸装置及びテーブルがそれぞれ回転動作可能な上に、放電時にも必要な絶縁性を確保することが可能である。また、前記主軸装置は、前記ワークに対してＸ－Ｙ－Ｚ３軸方向に接近又は離反可能であり、前記テーブル構造体に載置されたワークは、Ａ－Ｃ２軸廻りに回転可能であることから、５軸制御の工作機械において、主軸装置及びテーブル構造体がそれぞれ回転動作可能な上に、必要な絶縁性を確保することが可能である。

本発明によれば、高電流加工が可能な工作機械において、テーブルに載置したワークを加工するために主軸装置からテーブル構造体に高電流が流れても、主軸装置及びテーブル構造体がそれぞれ回転動作可能な上に、必要な絶縁性を確保することが可能である。

本発明の実施形態に係る５軸制御工作機械の構成を示す第１の図であり、(A)は、５軸制御工作機械全体の平面図、(B)は、その加工部の側面図であり、Ａ軸が－１１０度の位置まで回転した状態を示す。本発明の実施形態に係る５軸制御工作機械の構成を示す第２の図であり、(A)は、５軸制御工作機械全体の側面図、(B)は、その加工部の側面図であり、Ａ軸が－９０度の位置まで回転した状態を示す。本発明の実施形態に係る５軸制御工作機械の構成を示す第３の図であり、(A)は、その加工部の平面図、(B)は、その加工部の側面図であり、共にＡ軸が－９０度の位置まで回転した状態を示す。本発明の実施形態に係る５軸制御工作機械の要部を示す図であり、主軸装置（スピンドル）とテーブル（構造体）の対応関係を説明するための図であり、(A)は、主軸装置（スピンドル）の断面図、(B)は、テーブル構造体の断面図である。本発明の実施形態に係る５軸制御工作機械におけるテーブルの上面図である。

まず、図１乃至図３を参照して、本発明の要部としての主軸装置（スピンドル）やテーブル構造体が用いられる５軸制御工作機械の全体構成について述べる。図１は、本実施形態に係る５軸制御工作機械の構成を示す第１の図であり、(A)は、工作機械全体の平面図、(B)は、その加工部の側面図であり、Ａ軸廻りが－１１０度の位置まで回転した状態を示す。図２(A)は、工作機械全体の側面図、(B)は、その加工部の側面図であり、Ａ軸廻りが－９０度の位置まで回転した状態を示す。図３(A)は、その加工部の平面図、(B)は、その加工部の側面図であり、共にＡ軸廻りが－９０度の位置まで回転した状態を示す。なお、図１（Ａ）における２点鎖線は、コラム３０、主軸装置１００等の可動部の移動軌跡を表している。

図１乃至図３に示す５軸制御工作機械１０は、基礎であるベッド２０と、そのベッド２０に対してＸ軸方向に摺動可能なＸ軸移動体（コラム）３０と、そのＸ軸移動体３０に対してＹ軸方向に摺動可能なＹ軸移動体（ヘッド）４０と、そのＹ軸移動体４０に対してＺ軸方向に摺動可能なＺ軸移動体５０とを備えている。また、Ｚ軸移動体５０の片側には、Ｚ軸と同方向の回転軸を有する主軸９０が配置され、その主軸９０には、主軸装置（スピンドル）１００が取付けられている。その主軸装置１００は、Ｚ軸方向に移動可能となっている。主軸装置１００は、主軸９０に連結された主軸モータ（図示せず）により主軸周りに回転可能となる。ここで、Ｘ軸移動体３０、Ｙ軸移動体４０、及びＺ軸移動体５０は、それぞれ、Ｘ軸駆動モータ（図示せず）、Ｙ軸駆動モータ（図示せず）、及びＺ軸駆動モータ（図示せず）により駆動されて、それぞれの軸方向に移動する。以上の構造により、主軸モータにより回転状態にある主軸装置１００が、ベッド２０に対して３次元的に相対移動が可能となり、この動作により、後述するワークに対する３次元的な接近／離反動作を実現している。

次に、Ａ軸及びＢ軸動作にも係るＡ軸回転体２００について説明する。ここで、Ａ軸は、図１及び図２に示すように、Ｘ軸に平行な軸であり、Ｂ軸は、図４に示すように、Ａ軸に対して直交する軸であると共にＺ軸に平行な軸であり、後述するように、円盤状のテーブル２５０の中心に位置し、その回転軸となるので、テーブル２５０を平面内で回動可能とする軸である。そこで、図１乃至図３に示すように、ベッド２０内の加工部ＭＳに、側面が略台形状であり、その略台形の頂上部がＡ軸周りに回転可能に枢支されたＡ軸回転体２００が備わっている。Ａ軸回転体２００は、図示しないＡ軸回転駆動モータにより回転駆動される。一方、後述するように、Ｂ軸回転駆動体２１０を回転させると、テーブル２５０も回転するので、テーブル２５０上に載置されたワークがＢ軸周りに回転することになる。従って、Ｂ軸回転駆動体２１０がＢ軸回転し、かつ、Ａ軸回転体２００がＡ軸回転駆動モータによりＡ軸について回転すると、ワークは、Ｂ軸について自転しつつ、Ａ軸について回転するような動作となる。このワークの、Ｂ軸及びＡ軸に関する回転によるベッド２０に対する相対動作と、主軸装置１００のＸ軸、Ｙ軸、及びＺ軸に関する移動によるベッド２０に対する相対動作により、主軸装置１００によるワークへの５軸制御加工が実現できる。なお、図２（Ａ）におけるＡ軸回転体２００の２つの外形線は、Ａ軸回転体２００が０度から－９０度までＡ軸回転した前後の位置を表している。このように５軸制御工作機械１０にあっては、ワークのベッド２０に対する相対的Ａ軸回転を実現する部材を、Ａ軸方向両端でベッド２０に対して枢支するように構成している。

また、５軸制御工作機械１０は、多数個のワークを連続して自動運転により加工するために、ワークをパレットに積載し、テーブル２５０上から加工済みのワークを積載したパレットを搬出し、代わりに準備ステーション６２にある未加工ワークを積載したパレットをテーブル２５０上に搬入するための自動パレット交換装置（以下、「ＡＰＣ」という。）６０を備え、そのパレット把持交換機構６４が、パレットを把持、移動し、テーブル２５０上に配置すると共に、加工後のワークを載せたパレットを撤退させることが可能となっている。また、５軸制御工作機械１０は、主軸装置（スピンドル）１００の先端のシャフト電極１００Ｓ（後述する）の自動交換装置（以下、「ＡＴＣ」という）７０を備えており、その把持交換機構７２が、複数のシャフト電極から所望のシャフト電極を選択して、把持、移動し、主軸装置１００に取り付けると共に、加工後にそのシャフト電極を撤退させることが可能となっている。また、上述及び後述の機械的動作の制御は、ＮＣ（ＮｕｍｅｒｉｃａｌＣｏｎｔｒｏｌ）制御部（図示せず）により行われる。更に、５軸制御工作機械１０は、図示しない操作／表示パネルを備えている。

次に、図４及び図５を参照して、本発明の要部としての主軸装置及びテーブル（構造体）の構成と絶縁構造について説明する。図４は、本実施形態の工作機械の要部を示す図であり、主軸装置（スピンドル）１００とＡ軸回転体２００（テーブル構造体２１０）の対応関係を説明するための図であり、(A)は、主軸装置（スピンドル）の断面図、(B)は、テーブル構造体の断面図である。図５は、そのテーブルの上面図である。即ち、本実施形態の工作機械は、高電流加工に対応するために、主軸装置１００やテーブル２５０に電気を流すことになるが、回転する主軸装置１００からテーブル２５０の回転中に電気を流すことで同時５軸制御の放電加工を可能にするものである。このため、回転する主軸装置１００やテーブル２５０をどのような構造で絶縁しつつ回転可能とするか、どのような径路で電流を流すか、が重要であり、本実施形態の工作機械では、この課題を以下のように解決している。即ち、図４に示すように、主軸装置１００とテーブル２５０の回転軸（Ｂ軸）に通電のための導電性部品１１０が取付けられ、導電性を有する摺動部品１２０によって主軸装置１００からテーブル２５０に放電させることで、回転しながら放電加工を行うことを可能とする装置を実現している。通電不可の部分とは絶縁部品１３０、２３０によって絶縁される。これにより、加工中であっても外部に漏電することが無い。

まず、主軸装置１００の構成について説明する。図４に示すように、主軸装置１００は、導電管１１０、摺動部品１２０、絶縁軸受１３０を有している。導電管１１０には、図示しない導電径路を介して主軸装置１００の基端側部１１０Ａから導電管１１０を介して高電流が供給され、主軸装置１００の先端側部１００Ｂ内のシャフト電極１００Ｓの先端から放電する。また、先端側部１００Ｂ内の絶縁軸受１３０により主軸（スピンドル）を回転可能にしながらも、放電加工も可能にしている。

次に、テーブル構造体２１０の構成について説明する。図４及び図５に示すように、テーブル構造体２１０は、絶縁板（テーブル）２５０、導電板２１５、摺動部品２２０を有している。絶縁板（テーブル）２５０は、導電管路２４０を介して導電板２１５と連結され、導電管路２４０の先端側には摺動部品２２０が連結されている。この摺動部品２２０の先端側に設けられた摺動部２２０aが環状固定レール２６０上を回転・摺動することで、テーブル構造体２１０が回転可能になっている。尚、図５に示す絶縁板（テーブル）２５０において、２５０aは、エポキシ樹脂から成る絶縁板部、２５０bは、その絶縁板部をテーブルに固定するボルト、２５０cは、タップ用の穴である。

本発明の実施形態の放電加工方法の一例を説明する。工作機械１０を用いて、チタン系材料で形成された被加工物（ワーク）を放電加工するには、まず、電源により電極および被加工物に電力を供給すると共に、スピンドル１００内に収容された導電性電極（シャフト電極１００Ｓ）を、チタン系被加工物に対して予め選択された距離および位置に提供する。続いて、工作機械の少なくとも２つの経路を通って流体電解質を循環させる。即ち、第１の経路は、スピンドル１００内の内部導管を通る径路、第２の経路がスピンドル１００の外側であって、少なくとも部分的に電極と被加工物との間のギャップ内にある外部導管を通る径路等である。そして、プランジング運動で電極を被加工物に対して動かして、高速電食（ＨＳＥＥ）処理を用いて、比較的高速で被加工物から材料を除去する。

別の方法としては、チタン系構成部品を機械加工する方法であり、構成部品に対して、導電性電極がプランジングしてポケットホールを形成する運動で制御可能に動き回転する高速電食（ＨＳＥＥ）処理を用いて、構成部品の選択領域から材料が除去され、電極内の内部経路および電極の外側であって電極と構成部品との間のギャップ内にある外部経路の両方を通って、流体電解質が循環するようにすることもできる。本方法では、循環する電解質流体の全圧力値および電極の回転速度は、自動機構によって同時に制御され、構成部品からのチタンの除去効率を最大にするようにしても良い。

以上のように、主軸装置１００とテーブル２５０の回転軸（Ｂ軸）に通電のための導電性部品１１０が取付けられ、導電性を有する摺動部品１２０によって主軸装置１００からテーブル２５０に放電させることで、回転しながら放電加工を行うことを可能とする装置を実現している。通電不可の部分とは絶縁部品１３０、２３０によって絶縁される。これにより、加工中であっても外部に漏電することが無い。

以上に述べた実施形態では、本発明を横型の５軸制御工作機械に適用したが、縦型の５軸制御工作機械に適用できるのは、勿論である。また、高電流加工が可能な工作機械であれば、５軸制御まで可能である必要はない。更に、上記実施形態では、主軸装置とテーブル構造体により放電加工のみを行うようにしたが、主軸に工具を装着することで、通常の工具による加工を併用できるようにしても良い。尚、高電流加工の方法や態様は問わない。

本発明は、主軸装置（スピンドル）からテーブル構造体に高電流が流れる構造の工作機械に広く適用することができる。

１０５軸制御工作機械、２０ベッド、３０Ｘ軸移動体（コラム）、
４０Ｙ軸移動体（ヘッド）、５０Ｚ軸移動体、６０自動パレット交換装置、
６２準備ステーション、６４パレット把持交換機構、ＭＳ加工部、
７０シャフト電極の自動交換装置、７２把持交換機構、９０主軸、
１００主軸装置（スピンドル）、１００Ｂ先端側部、１００Ｓシャフト電極、
１１０導電性部品（導電管）、１１０Ａ基端側部、１２０摺動部品、
１３０絶縁部品（絶縁軸受）、２００Ａ軸回転体、
２１０Ｂ軸回転駆動体（テーブル構造体）、２１５導電板、２２０摺動部品、
２２０a 摺動部、２３０絶縁部品、２４０導電管路、
２５０絶縁板（テーブル）、２５０a エポキシ樹脂から成る絶縁板部、
２５０b ボルト、２５０c タップ用の穴、２６０環状固定レール

Claims

少なくとも主軸装置及びテーブル構造体を備え、前記主軸装置及び／又はテーブル構造体が回転動作しながら前記主軸装置から前記テーブル構造体側に向けて高電流を流すことにより前記テーブル構造体のテーブル上に載置したワークを放電加工する工作機械において、
前記主軸装置は、前記ワークに対してＸ－Ｙ－Ｚ３軸方向に接近又は離反可能であり、前記テーブル構造体に載置されたワークは、Ａ－Ｃ２軸廻りに回転可能であり、
前記主軸装置は、筒型に構成される前記主軸装置の基端側の内部に導電管を有し、該導電管に間隔を置いて環状に囲む導電性を有する第１の摺動部品から高電流が供給される一方、前記主軸装置の先端側の内部にはシャフトを環状に囲む絶縁軸受を有し、前記絶縁軸受により前記シャフトを回転可能に支持しつつ通電不可の部分とは絶縁すると共に、
テーブル構造体は、絶縁板から成るテーブル、導電板、第２の摺動部品、環状固定レールを有し、前記テーブルは、導電管路を介して前記導電板と連結され、前記導電管路の先端側には前記第２の摺動部品が連結され、該第２の摺動部品の先端側に環状に設けられた摺動部が前記環状固定レール上を回転・摺動することにより前記テーブル構造体が回転可能に構成されていることを特徴とする工作機械。
請求項１に記載の工作機械において、前記導電性を有する第１の摺動部品は、分割された複数の部品から成り、該複数の部品が導電管の周囲に間隔を置いて環状に配置されることにより通電可能に構成されることを特徴とする工作機械。