【手続補正書】
【提出日】平成20年9月12日(2008.9.12)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】発明の詳細な説明
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、工具、工具ホルダ、工作機械およびこれを用いた加工方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
マシニングセンタは、面削り、穴あけ、中ぐり、タッピング等の様々な加工を複合的に行うことができる複合工作機械である。
マシニングセンタにおけるワークの加工は、たとえば、主軸に装着された回転工具と可動テーブルに固定されたワークとを相対移動させることにより行われる。
たとえば、基板や耐熱用鋼板等のワークへ直径が１ｍｍ以下のような小径の穴を加工する場合には、回転する主軸の先端に装着されたドリル等の刃具のワークへの切り込みとワークからの退避を繰り返し行って穴あけすることが知られている。
このように、刃具の切り込みと退避を繰り返すことにより、刃具の発熱による折損を抑制するとともに、加工される穴内から切削屑を効果的に排出することができる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記したような刃具の切り込みと退避を繰り返し行うためには、主軸を繰り返し往復動作させる必要がある。
一方、穴あけ加工を効率良く行うためには、主軸の往復動作を高速に行う必要がある。主軸の往復動作を高速に繰り返し行うとマシニングセンタにかかる衝撃が大きく、マシニングセンタの性能や寿命に悪影響を及ぼす可能性がある。
また、上記したような刃具の切り込みと退避を繰り返し行いながら穴あけ加工するための加工プログラムを作成するには、かなりの労力を必要とするという不利益も存在した。
【０００４】
本発明は、上述の問題に鑑みて成されたものであって、その目的は、マシニングセンタ等の工作機械による加工において、工作機械への負担を軽減させることが可能な工具を提供することにある。
また、本発明の他の目的は、比較的小径の穴あけ加工に用いられるドリル等の加工具の折損を抑制可能な工具および加工方法を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明の工具は、工作機械の主軸に着脱可能に装着される工具であって、前記主軸に装着される装着部と、ワークを加工する加工具と、前記加工具を回転させる駆動モータと、前記装着部から伝達される回転力を利用して前記加工具に所定の運動をさせる変換手段とを有する。
【０００６】
好適には、前記変換手段は、前記加工具を当該加工具の回転軸方向に所定のストロークで往復動させるカム機構である。
【０００７】
また、本発明の工具は、前記加工具を保持し、前記装着部からの回転が伝達され、かつ、当該装着部に対して当該加工具の回転軸方向に移動自在に設けられた可動部と、前記工作機械の非回転部分に接続され、かつ、前記装着部を回転自在に保持する非回転部とをさらに有し、前記カム機構は、前記非回転部と前記可動部との間に設けられている。
【０００８】
さらに好適には、前記駆動モータは、前記主軸および前記装着部の内部に形成された管路を通じて供給される圧縮空気により駆動されるエアモータである。
【０００９】
本発明の工具ホルダは、ワークを加工する加工具を回転自在に保持し、工作機械本体の主軸に着脱可能に装着される工具ホルダであって、前記主軸に装着される装着部と、ワークを加工する加工具を保持し、前記装着部に対して移動可能に設けられた可動部と、前記装着部から伝達される回転力を利用して前記可動部に所定の運動をさせる変換手段とを有する。
【００１０】
本発明の工作機械は、主軸と、前記主軸を駆動する駆動手段と、前記主軸とワークとの相対位置を変更する少なくとも一の制御軸とを備える工作機械本体と、前記駆動手段および制御軸を加工プログラムにしたがって駆動制御する制御装置と、前記工作機械本体の主軸に着脱可能に装着される工具と、を有し、前記工具は、前記主軸に装着される装着部と、ワークを加工する加工具と、前記加工具を回転させる駆動モータと、前記装着部から伝達される回転力を利用して前記加工具に所定の運動をさせる変換手段とを有する。
【００１１】
本発明の加工方法は、工作機械の主軸に着脱可能に装着される装着部と、ワークを加工する加工具と、前記加工具を回転させる駆動モータとを前記装着部から伝達される回転力を利用して前記加工具を当該加工具の回転軸方向に往復運動をさせるカム機構とを有する工具を工作機械の主軸に装着し、前記主軸および前記駆動モータを駆動させ、回転する前記加工具をワークに対して切り込みながら当該加工具を往復運動させてワークに穴あけ加工する。
【００１２】
好適には、前記主軸の回転数を制御することにより、回転する前記加工具の往復運動の速度を制御する。
【００１３】
本発明では、加工具は駆動モータによって回転されるとともに、変換手段によって所定の運動が与えられる。このため、加工具に当該所定の運動を与えるために主軸やワークを保持するテーブルを移動させる必要がなく、工作機械の負担が軽減される。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
図１は、本発明が適用される工作機械の一例としてのマシニングセンタの構成図である。なお、マシニングセンタはいわゆる複合加工の可能な数値制御工作機械である。
【００１５】
図１においてマシニングセンタ１は、門型のコラム３８の各軸によって両端部を移動可能に支持されたクロスレール３７を備えており、このクロスレール３７上を移動可能に支持されたサドル４４を介してラム４５が鉛直方向（Ｚ軸方向）に移動可能に設けられている。
【００１６】
サドル４４には、水平方向にクロスレール３７内を通じて図示しないねじ部が形成されており、これに外周にねじ部が形成された送り軸４１が螺合している。
送り軸４１の一端部には、サーボモータ１９が接続されており、送り軸４１はサーボモータ１９によって回転駆動される。
【００１７】
送り軸４１の回転駆動によって、サドル４４はＹ軸方向に移動可能となり、これによってラム４５のＹ軸方向の移動および位置決めが行われる。
さらに、サドル４４には、鉛直方向に図示しないねじ部が形成されており、これに外周にねじ部が形成された送り軸４２がねじ込まれている。送り軸４２の端部には、サーボモータ２０が接続されている。
【００１８】
サーボモータ２０によって送り軸４２が回転駆動され、これによりサドル４４に移動可能に設けられたラム４５のＺ軸方向の移動および位置決めが行われる。  ラム４５内には、主軸モータ３１が内蔵され、この主軸モータ３１はラム４５に回転自在に保持された主軸４６を回転駆動する。
主軸４６の先端には、エンドミルなどの工具Ｔが装着され主軸４６の回転によって工具Ｔが駆動される。
【００１９】
ラム４５の下方には、テーブル３５がＸ軸方向に移動可能に設けられている。テーブル３５には、図示しないねじ部が形成されており、これにＸ軸方向に沿って設けられた図示しない送り軸が螺合しており、この図示しない送り軸にサーボモータ１８が接続されている。
【００２０】
テーブル３５は、サーボモータ１８の回転駆動によってＸ軸方向の移動および位置決めが行われる。
また、２本の門型コラム３８には、図示しないねじ部がそれぞれ形成されており、これに螺合する送り軸３２ａをクロスレール昇降用モータ３２によって回転駆動することによりクロスレール３７は昇降する。
【００２１】
自動工具交換装置（ＡＴＣ）３９は、主軸４６に対して各種工具Ｔを自動交換する。
この自動工具交換装置３９は、たとえば、図示しないマガジンに工具ホルダによって保持された各種工具Ｔを収納しており、主軸４６に装着された工具Ｔを図示しない工具交換アームによってマガジンに収納し、必要な工具Ｔを主軸４６に工具交換アームによって装着する。
【００２２】
数値制御（ＮＣ）装置２５０は、上記のサーボモータ１８，１９，２０、クロスレール昇降用モータ３２および主軸モータ３１の駆動制御を行う。
ＮＣ装置２５０は、具体的には、予め加工プログラムで規定されたワークの加工手順にしたがって、サーボモータ１８，１９，２０による工具Ｔとワークとの間の位置および速度制御を行う。また、ＮＣ装置２５０は、加工プログラムにおいて、たとえば、Ｓコードで規定された主軸モータ３１の回転数を解読することにより主軸４６の回転数の制御を行う。
【００２３】
さらに、ＮＣ装置２５０は、加工プログラムにおいて、たとえば、Ｍコードで規定された工具Ｔの交換動作を解読することにより、各種工具Ｔの自動交換を実行する。
【００２４】
エア源３００は、主軸４６の内部に形成された圧縮空気を供給するための管路に接続されており、主軸４６内の管路を通じて後述する工具に内蔵されているエアモータに圧縮空気を供給する。
【００２５】
図２は、本発明の一実施形態に係る工具の構成を示す正面図である。図３は、図２に示す工具のＡ−Ａ線方向の断面図である。なお、本実施形態に係る工具６０は、たとえば、穴あけ加工に使用される。
【００２６】
図２に示すように、工具６０は、刃具１００と、この刃具１００を保持する工具ホルダ６１とから構成される。なお、刃具１００は本発明の加工具の一実施態様である。なお、刃具１００は、たとえば、ドリルである。
【００２７】
工具ホルダ６１は、装着部材６２と、非回転部材６６と、保持部材７０と、カム部材１０１を備えている。
【００２８】
装着部材６２は、図２に示すように、把持される把持部６２ａと、上記の主軸４６の先端部に形成されたテーパスリーブ４６ａに装着されるテーパシャンク６２ｂと、このテーパシャンク６２ｂの先端部に形成されたプルスタッド６２ｃとを備えている。
【００２９】
装着部材６２の把持部６２ａは、上記した自動工具交換装置３９の工具交換アームによって、自動工具交換装置３９のマガジンから主軸４６に装着される際および主軸４６から自動工具交換装置３９のマガジンへ搬送される際に把持される。
装着部材６２のテーパシャンク６２ｂは、主軸４６のテーパスリーブ４６ａに装着されることによって、中心軸が主軸４６の中心軸と同心になる。
装着部材６２のプルスタッド６２ｃは、装着部材６２が主軸４６のテーパスリーブ４６ａに装着されると、主軸４６に内蔵された図示しないクランプ機構のコレットによってクランプされる。なお、主軸４６に内蔵されたクランプ機構は周知技術であるので詳細については省略する。
【００３０】
また、装着部材６２は、図３に示すように、中心部に管路６２ｄが形成されている。この管路６２ｄに連通するように管路６２ｄの内径よりも拡径された接続孔６２ｅが形成されている。さらに、装着部材６２内には、接続孔６２ｅから下端部に向かって挿入穴６２ｆが形成されている。
管路６２ｄには、上記した主軸４６の内部に形成された管路４６ｂを通じてエア源３００から供給される圧縮空気ＣＡが供給される。
さらに、装着部材６２は、環状の非回転部材６６の内周に軸受６７を介して回転自在に保持されている。
【００３１】
非回転部材６６は、図２に示すように、主軸４６側の側面に当該主軸４６側に向かって突出するように固定された回り止めピン６９を備えている。
この回り止めピン６９は、装着部材６２が主軸４６のテーパスリーブ４６ａに装着されることにより、主軸４６側の、たとえば、ラム４５等の非回転部４７に形成された嵌合穴４７ａに挿入される。この回り止めピン６９が嵌合穴４７ａに挿入されることにより、非回転部材６６は主軸４６の回転に関わらず回転が規制される。
【００３２】
保持部材７０は、円筒状の部材からなり、内部に収容孔７０ａを備えている。この収容孔７０ａに、エアモータ８０が挿入されている。エアモータ８０は、保持部材７０に固定されている。
保持部材７０は、外周面が上記した装着部材６２に形成された挿入穴６２ｆの内周に嵌合している。
保持部材７０の外周部には、キー７１が軸方向に沿って固定されており、このキー７１は装着部材６２の挿入穴６２ｆの内周に軸方向に沿って形成された一条のキー溝６２ｇに嵌合している。
このため、保持部材７０は、装着部材６２に対して図２に示す回転軸方向Ａ１およびＡ２に移動自在となっており、かつ、装着部材６２に対して回転が規制されている。したがって、装着部材６２が回転すると、保持部材７０も装着部材６２とともに回転する。
【００３３】
保持部材７０の下端部側には、収容孔７０ａと連通するように支持孔７０ｂが形成されている。この支持孔７０ｂは、保持部材７０の下端部側で開口している。支持孔７０ｂの内周には、軸受９２を介してエアモータ８０の駆動軸８１が回転自在に支持されている。
【００３４】
エアモータ８０は、上端側に接続管８２を備え、この接続管８２は、装着部材６２の接続孔６２ｅに嵌合しており、接続管８２が接続孔６２ｅ内を軸方向に移動可能となっている。また、接続管８２と接続孔６２ｅとの間には、ＯリングＯＲが設けられており、このＯリングＯＲは接続管８２と接続孔６２ｅとの間をシールしている。
エアモータ８０は、管路６２ｄを通じて供給される圧縮空気ＣＡの圧力に応じた回転数で駆動軸８１を駆動する。
駆動軸８１の先端には、チャッキング部材９５が設けられており、このチャッキング部材９５にドリル等の刃具１００が着脱される。
【００３５】
カム部材１０１は、円筒状の部材からなり、保持部材７０の外周に嵌合し、保持部材７０に固定されている。
カム部材１０１の外周には、所定形状のカム溝１０２が形成されている。このカム溝１０２に、案内ローラ１２１が嵌合している。
案内ローラ１２１は、上記した非回転部材６６の下面側に固定された連結部材１２０の先端部に回転自在に保持されている。
【００３６】
カム溝１０２は、案内ローラ１２１が嵌合し、かつ、保持部材７０が回転することにより、保持部材７０を回転軸方向Ａ１およびＡ２に所定のストロークで往復動作させるように形成されている。カム溝１０２の形状は特に限定されないが、本実施形態では、保持部材７０の一回転毎に保持部材７０が回転軸方向Ａ１およびＡ２に２往復するようになっている。
【００３７】
次に、上記構成の工具６０の動作の一例について説明する。
まず、図２に示したように、主軸４６に工具６０を装着し、エア源３００から所望の圧力に調整された圧縮空気ＣＡを主軸４６内の管路４６ｂに供給する。管路４６ｂを通じて、工具６０内のエアモータ８０には圧縮空気ＣＡが供給され、駆動軸８１が回転する。これによって、刃具１００は、図２に示す矢印Ｒ２の向きに、たとえば、数万ｒｐｍで回転する。
【００３８】
一方、図２に示したように、主軸４６を矢印Ｒ１の向きに回転させる。主軸４６の回転は、そのまま保持部材７０に伝達され、カム溝１０２が案内ローラ１２１に対して移動する。これにより、保持部材７０とともに刃具１００も回転軸方向Ａ１およびＡ２の向きに往復運動する。
【００３９】
たとえば、図２に示した状態において、カム溝１０２と案内ローラ１２１との関係が、保持部材７０を装着部材６２に対して最下点に位置させる関係にあるとする。
図４は、カム溝１０２と案内ローラ１２１との関係が、保持部材７０を装着部材６２に対して最上点に位置させる関係に変化した状態を示す図であり、図５は図４に示す状態におけるＡ−Ａ線方向の断面図である。
図４に示すように、刃具１００が最下点からストロークＳＴだけ上昇すると、工具６０の内部では、図５に示すよう保持部材７０およびエアモータ８０も装着部材６２に向かって移動する。
【００４０】
主軸４６が連続的に回転すると、刃具１００はストロークＳＴの往復運動を繰り返す。
カム部材１０１のカム溝１０２は、ストロークＳＴの往復運動が主軸４６の１回転あたり２回発生するように形成されているため、たとえば、主軸４６の回転数が１０００ｒｐｍである場合には、刃具１００は１分間あたり２０００往復する。
【００４１】
次に、上記構成の工具６０を使用した穴あけ加工の一例について説明する。
工具６０に使用する刃具１００に、たとえば、直径０．１ｍｍのドリルを使用し、工具６０における刃具１００が往復するストロークＳＴを１ｍｍとし、ワークとして板厚１０ｍｍの耐熱用鋼板に貫通孔を加工する場合を例に挙げて説明する。
まず、テーブル上にワークを固定し、さらに、工具６０を自動工具交換装置３９によって、マシニングセンタ１の主軸４６に装着する。
次いで、圧縮空気ＣＡを工具６０に供給して、刃具１００を、たとえば、４００００ｒｐｍで回転させる。
【００４２】
次いで、回転する刃具１００をワークＷの上方の所定の位置に位置決めしたのち、主軸４６を所定の回転数、たとえば、５００ｒｐｍで回転させる。これにより、主軸４６の回転数に応じた速度で刃具１００が１分間当たり１０００回の往復運動を開始する。
【００４３】
次いで、主軸４６をＺ軸方向に所定の速度、たとえば、２００ｍｍ／ｍｉｎの速度で下降させる。
これにより、刃具１００は、１ｍｍのストロークＳＴで往復運動を繰り返しながら、徐々にＺ軸方向に下降し、ワークに切り込む。
ワークに切り込んだ刃具１００は、繰り返し往復運動を行うため、切削屑は加工された穴から効率良く排出される。
また、切り込み動作と退避動作が繰り返されるため、刃具１００の発熱による折損を抑制することができる。
【００４４】
本実施形態では、刃具１００をワークに対して切り込んでいく際に、たとえば、図６に示すように、ワークＷの板厚Ｈの方向を３つの領域に分けて、各領域毎に刃具１００の往復速度をコントロールしながら穴あけ加工を行う。
【００４５】
具体的には、図６（ａ）に示すワークＷの表面付近の加工領域（１）と、図６（ｂ）に示すワークＷの内部である加工領域（２）と、図６（ｃ）に示すワークＷの裏面付近の加工領域（３）に分ける。
加工領域（１）の深さは、板厚Ｈが１０ｍｍの場合、たとえば、１ｍｍ程度とする。加工領域（２）の深さは、たとえば、８ｍｍ程度とし、残りを加工領域（３）とする。
【００４６】
加工領域（１）は、刃具１００がワークＷに食いつきを開始する領域であり、加工領域（３）は刃具１００がワークＷを貫通する領域であり、これらの領域はドリルが折損しやすい領域である。
【００４７】
たとえば、加工領域（１）においては、主軸４６の回転数を５００ｒｐｍにし、加工領域（１）の加工が完了したのち、主軸４６の回転数を１０００ｒｐｍに上昇させて加工領域（２）の加工を行い、加工領域（２）の加工が完了したのち、再び主軸４６の回転数を５００ｒｐｍに減速して加工領域（３）の加工を行う。
このように、加工領域（１）および（３）においては、刃具１００の往復速度を比較的小さな値にし、加工領域（２）においては加工領域（１）および（３）よりも大きな値になるようにコントロールすることにより、刃具１００の折損を抑制することができるとともに、効率のよい穴あけ加工を行うことが可能となる。
【００４８】
以上のように、本実施形態によれば、工具６０を用いて穴あけ加工を行う際に、刃具１００を工具６０に内蔵したエアモータ８０で回転させるとともに、主軸４６の回転を利用して刃具１００を回転軸方向に往復運動させながら主軸４６をワークに対して所定の送り速度で下降させて穴あけ加工を行う。
たとえば、刃具１００の下降および往復動作の双方を主軸４６の移動のみで行なった場合には、マシニングセンタ１に大きな負担がかかるが、本実施形態では、往復動作を主軸４６の回転を利用してカム部材１０１によって行わせるため、マシニングセンタ１の負担を大幅に軽減することができる。
また、エアモータ８０を使用して主軸４６を通じて圧縮空気を供給する構成とすることにより、電源供給のための配線等が不要となるため、工具６０の自動工具交換装置３９による交換が可能となる。
【００４９】
本発明は上述した実施形態に限定されない。
上述した実施形態では、エアモータ８０により刃具１００を回転させる構成としたが、たとえば、工具６０内に発電機および電動モータを内蔵させて刃具１００を回転させる構成とすることも可能である。
この場合には、主軸の回転力をカム機構および発電機の双方に伝達する構成とし、発電機の発生する電力によって電動モータを回転させ、この電動モータの回転によって刃具１００を回転させる構成とすればよい。
また、上述した実施形態では、加工具としてドリル等の刃具１００の場合について説明したが、たとえば、研削、研磨砥石等の他の加工具にも本発明は適用可能である。
さらに、上述した実施形態では、カム機構によって刃具１００を往復運動させる場合について説明したが、往復運動に限らず、たとえば、旋回運動等の他の運動を行わせることも可能である。
また、上述した実施形態では、刃具１００の運動をカム機構によって生成したが、カム機構に限らず他の機構を用いて主軸４６の回転を利用して所定の運動をさせることも可能である。
【００５０】
【発明の効果】
本発明によれば、マシニングセンタ等の工作機械による加工において、工作機械への負担を軽減させることが可能となる。
【手続補正２】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図２】
2003094276.tif 000001