JP2007015081A - 複合加工機及びこれを用いた加工方法 - Google Patents

Abstract

【課題】単機能の加工機の刃具を効率よく組合せて各種ワークを効率よく加工し、汎用性が高い複合加工機及びこれを用いた加工方法を提供する。
【解決手段】先端に刃部１４を有する棒状の第１刃具１１と、先端面及び周囲側面が切削面となる円筒状の刃部１５を有し該円筒状刃部１５の中心軸Ｃ２廻りに回転可能な第２刃具１２と、外周面に刃部１６を有する円板状刃具であって円板の中心軸Ｃ３廻りに回転可能な第３刃具１３とを有する複合加工機であって、前記第１刃具は、その刃部が、ワーク３の回転軸となる主軸Ｃ１を含む主軸面に対し直角方向に進退可能で且つ該進退方向を含む面内で該進退方向と直角な方向に移動可能であり、前記第２刃具は、その中心軸に沿って進退可能で且つ該進退方向を含む面内で該進退方向と直角な方向に移動可能であり、前記第３刃具は、その中心軸が前記主軸Ｃ１と平行で且つ主軸Ｃ１に対し進退可能である。
【選択図】図１

Description

本発明は、加工形態の異なる複数の刃具を有する複合加工機及びこれを用いた内燃機関のクランク軸及びカム軸の加工方法に関する。

従来、内燃機関のクランク軸を丸棒素材から加工成形する場合、図１４〜図１６に示すような３種類の加工用の刃具が用いられていた。

図１４は、先端に刃部１を有する棒状の固定小幅刃具（バイト）２を示す。この小幅刃具２は、旋盤あるいはこれに類する工作機械に装着される。ワーク（被加工物）であるクランク軸３は、回転中心となるジャーナル４と、このジャーナル４と同心円のクランクウェブ５（図はクランクウェブの加工途中段階の形状を示す）と、クランクウェブ５間を連結するクランクピン６により構成される。両側のジャーナル４の端部が主軸台（不図示）にチャックされセットされる。ジャーナルの中心軸が主軸Ｃ１と一致してクランク軸３は主軸Ｃ１廻りに矢印Ａのように回転する。

ここで、主軸Ｃ１方向をＸ方向、これに直角方向をＹ方向、高さ方向をＺ方向として小幅刃具２の動作を説明する。刃具２は、主軸Ｃ１を含む主軸面（ＺＸ面）に直角な方向（Ｙ方向）に矢印Ｐのように進退可能であるとともに、この進退方向に直角な方向（Ｚ方向）に矢印Ｑのように移動可能である。また、刃物台の移動により主軸Ｃ１に沿ってＸ方向に移動可能である。

この刃具（バイト）２は、ジャーナル４及びクランクピン６の外周面を切削可能である。
ジャーナル４の外周面を切削する場合には、ジャーナル４の中心軸を主軸Ｃ１と一致させてセットした状態で切削する。

クランクピン６の外周面を切削する場合には、クランクピン６の中心軸を主軸Ｃ１に一致させてクランク軸３をセットして研削する。あるいは、ジャーナル４の中心軸を主軸Ｃ１に一致させてクランクピン６を偏芯回転させ、この偏芯回転に追従するように刃具２を移動制御しながらクランクピン６の外周面を切削する。いずれにしても、セッティングや偏芯回転への追従制御が面倒であり、生産効率は低い。

図１５は、先端に、フライス又はエンドミルあるいはドリル等これに類似した円筒状の刃部７を有する小口径回転刃具８を示す。刃部７は、円筒の中心軸Ｃ２廻りに矢印Ｂのように回転可能である。この刃部７の周囲側面及び先端面に刃が備わる。この回転刃具８は、フライス盤あるいはこれに類似した工作機械に装着される。ワークであるクランク軸３は、前述の図１４の例と同じである。

この回転刃具８は、ジャーナル４及びクランクピン６の外周面を切削可能である。また、この回転刃具８は、クランクウェブ５のウェブ面（斜線部）を加工可能である。
ジャーナル４の外周面を切削する場合には、ジャーナル４の中心軸を主軸Ｃ１と一致させてセットした状態で刃部７の先端面で切削加工する。

クランクピン６の外周面を切削する場合には、クランクピン６の中心軸を主軸Ｃ１に一致させてクランク軸３をセットして切削する。あるいは、ジャーナル４の中心軸を主軸Ｃ１に一致させてクランクピン６を偏芯回転させ、この偏芯回転に追従するように回転刃具８を移動制御しながら刃部７の先端面でクランクピン６の外周面を切削する。いずれにしても、セッティングや偏芯回転への追従制御が面倒であり、また刃部７の先端面でしか加工できないので生産効率は低い。
クランクウェブ５のウェブ面は、回転刃具８の刃部７の側面により切削する。

図１６は、外周面に刃部９を有する円板状の大口径回転刃具１０を示す。この回転刃具１０は、円板の中心軸Ｃ３廻りに矢印Ｃのように回転可能である。この回転中心軸Ｃ３は主軸Ｃ１と平行であるとともに、主軸Ｃに対し矢印ＲのようにＹ方向に進退可能である。

このような回転刃具１０は、通常クランクピンを加工するピンミラーに装着される。この回転刃具１０を、主軸Ｃ１廻りに偏芯回転するクランク軸３のクランクピン６に追従して位置制御しながらクランクピン６の外周面を加工する。しかし、このようなピンミラーは単機能であり、丸棒素材から偏芯回転するクランクピンを加工する場合には効率的に加工でき生産性も向上するが、クランクピンの加工を優先するために高価なイニシャルコスト及び設置場所を必要とし、他の工作物を考慮した場合、全体として稼動率が低下し生産数量の変動に効率よく対応できず結局生産性の低下を来たす。

本発明は上記従来技術を考慮したものであって、単機能の加工機の刃具を効率よく組合せて各種ワークを効率よく加工し、汎用性が高く、特にクランク軸のような偏芯回転するクランクピンを有するワークやカム軸のような非円形のカムを有するワークに対し１台の加工機で効率よくワークを加工し、稼働率及び生産性を高めることができる複合加工機の提供を目的とする。

請求項１の発明は、先端に刃部を有する棒状の第１刃具と、先端面及び周囲側面が切削面となる円筒状の刃部を有し該円筒状刃部の中心軸廻りに回転可能な第２刃具と、外周面に刃部を有する円板状刃具であって円板の中心軸廻りに回転可能な第３刃具とを有する複合加工機であって、前記第１刃具は、その刃部が、ワークの回転軸となる主軸を含む主軸面に対し直角方向に進退可能で且つ該進退方向を含む面内で該進退方向と直角な方向に移動可能であり、前記第２刃具は、その中心軸に沿って進退可能で且つ該進退方向を含む面内で該進退方向と直角な方向に移動可能であり、前記第３刃具は、その中心軸が前記主軸と平行で且つ主軸に対し進退可能であることを特徴とする複合加工機を提供する。

請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記第２刃具は、その中心軸が前記主軸に対し直角な位置及び傾斜した位置に配置可能であることを特徴とする。

請求項３の発明は、請求項１又は２の複合加工機を用いた加工方法であって、前記ワークは内燃機関のクランク軸であり、丸棒素材を主軸上にセットし、該素材に対し前記第１刃具で、クランクウェブ間のジャーナルを形成し、次に、素材をセットしたまま、前記第３刃具で、クランクピン及びクランクウェブを荒加工し、次に、素材をセットしたまま、前記第２刃具で、前記クランクウェブの仕上げ加工を施すことを特徴とするクランク軸の加工方法を提供する。

請求項４の発明は、請求項１又は２の複合加工機を用いた加工方法であって、前記ワークはカムを有するカム軸であり、前記第３刃具を用いてカムプロフィルの荒加工を行うことを特徴とするカム軸の加工方法を提供する。

請求項１の発明によれば、１台の複合加工機が機能の異なる３種類の刃具を備えるため、複雑な形状で、表面切削や孔明け及び偏芯した軸加工など複数の加工プロセスを必要とするワークに対し、ワークをセットしたまま効率よく連続的に加工することができ、ワークに対する汎用性が高まるとともに生産性が向上する。特に内燃機関のクランク軸を加工形成する場合に、偏芯したクランクピンの加工が効率よくできるため、丸棒素材からクランク軸を加工形成するときの生産効率が高まり、少量の製品の加工要求に対し作業性や生産性の点だけでなく、コスト的にも充分に対応できる複合加工機が実現され、あらゆる需要に対処して産業の発達に寄与できる。

請求項２の発明によれば、小口径の第２回転刃具の回転中心軸が、ワークをセットする主軸に対し、直角な位置と傾斜した位置のいずれかの位置に選択的に配置することができるため、必要に応じてワークに対し直交する孔や傾斜する孔を適宜形成することができる。

請求項３の発明によれば、丸棒素材からクランク軸を加工形成する場合に、素材をセットしたまま加工プロセスごとに主軸位置を変えることなく、第１〜第３刃具を適宜用いて効率よくクランク軸を加工形成できる。特に偏芯したクランクピンを大口径の第３回転刃具を用いて短時間で効率よく加工できるため、生産性が向上する。

請求項４の発明によれば、丸棒素材からカム軸を加工形成する場合に、素材をセットしたまま加工プロセスごとに主軸位置を変えることなく、第１〜第３刃具を適宜用いて効率よくカム軸を加工形成できる。特に非円形のカムを大口径の第３回転刃具を用いて短時間で効率よく加工できるため、生産性が向上する。

図１は、本発明に係る複合加工機の基本構成図である。この実施例は、先端に刃部１４を有する棒状の第１刃具（バイト）１１と、先端面及び周囲側面が切削面となる円筒状の刃部１５を有し該円筒状刃部１５の中心軸Ｃ２廻りに回転可能な第２刃具１２と、外周面に刃部１６を有する円板状刃具であって円板の中心軸Ｃ３廻りに回転可能な第３刃具１３とを有する複合加工機である。記第１刃具１１は、その刃部１４が、ワークの回転軸となる主軸Ｃ１を含む主軸面（ＺＸ面）に対し直角方向（Ｙ方向）に矢印Ｐ１のように進退可能で且つ該進退方向を含む面内で該進退方向と直角な方向（Ｚ方向）に矢印Ｑ１のように移動可能である。

第２刃具１２は、その中心軸Ｃ２に沿って矢印Ｑ２のように進退可能で且つ該進退方向を含む面内（Ｃ２を垂直配置したときはＹＺ面内）で該進退方向Ｑ２と直角な方向に矢印Ｐ２のように移動可能である。この第２刃具１２の回転中心軸Ｃ２は、主軸Ｃ１を含む面内（ＺＸ面内）で主軸Ｃ１に対し直角方向だけでなく、斜め方向に移動できる。これにより、主軸上のワークに対し直角方向の孔及び傾斜した孔を形成できる。

第３刃具１３は、その中心軸Ｃ３が主軸Ｃ１と平行で且つ主軸Ｃ１に対し矢印Ｒのように進退可能である。

第１刃具１１の刃幅は通常のクランク軸のクランクウェブ間のクランクピンを加工できる程度の小幅であり、通常はほぼウェブ間隔未満である。同様に第２刃具１２の刃部１５の径についてもクランクピンを加工できる程度に小口径であり、通常はほぼウェブ間隔未満である。第３刃具１３の円板の外径は、丸棒素材から効率よくクランクピンを切削できるような大口径であり、直径約４００ｍｍ以上が好ましい。

図２は本発明に係る複合加工機の外観図である。
この実施例の複合加工機１７は、第１主軸台１８と、第２主軸台１９と、第１刃物台２０と、第２刃物台２１とを共通のベッド２２上に備える。主軸台１８，１９及び刃物台２０，２１はベッド２２上で矢印ＪのようにＸ方向に移動可能である。

第１及び第２主軸台１８，１９は、チャック２３によりワーク（不図示）を掴む。チャック２３は矢印Ｄのように主軸Ｃ１廻りに回転可能である。
第１刃物台２０は、ヘッド２４を有し、このヘッド２４に刃具２５（前述の図１の第１刃具１１又は第２刃具１２）が装着される。ヘッド２４は、自動刃具交換装置（Automatic Tool Changer）からなり、第１刃具１１及び第２刃具１２はこの自動刃具交換装置２４により自動的に交換される。刃具２５は、主軸Ｃ１方向に向けて矢印Ｆのように進退可能であるとともに、これと直角方向に矢印Ｇのように移動可能である。さらにヘッド２４は、刃具２５の進退方向Ｆと直角方向の回転軸Ｃ４廻りに矢印Ｅのように回転可能である。これにより、刃具２５の進退方向Ｆを主軸Ｃ１に対し傾斜させることができる。

第２刃物台２１は、前述の図１で説明したとおり大口径の円板状の第３刃具１３を備える。この第３刃具１３は、Ｘ，Ｙ，Ｚ方向に移動制御可能である。

図３は、本発明に係る複合加工機を用いて丸棒素材からクランク軸を加工形成するプロセスを示すフローチャートである。また、図４〜図１２は、プロセスの各ステップでのワークの加工形状を示す図である。

ステップＳ１：
図４に示すように、丸棒素材のワーク２６を適当な長さに切断する。これは従来と同様に鋸盤などを用いて行う。

ステップＳ２：
クランク軸の全長を設定し、制御装置（不図示）に入力して切削のプログラムに書き込む。図５に示すように、丸棒素材のワーク２６の両端にセンター２７を形成し、一方の端部につかみ代２８を形成する。本工程は従来と同様に、センタリングマシン又は横型マシニングセンターなどを用いて行う。

ステップＳ３：
図６に示すように、ワーク２６の端部２９及び素材ほぼ全長を荒加工する。これは、ワーク２６の一方の端部のつかみ代２８をチャックした状態で他方の端部２９及びワーク全長の外周面を第１刃具１１で加工するものである。

ステップＳ４：
図７に示すように、ワークの端部にフランジ付端部３０を形成するとともに、ワーク中間部にジャーナル３１を形成する。これは、ステップＳ３で荒加工した端部２９をチャックして、クランク軸のフロント側（図では左側）を切削するものである。すなわち、端部２９の反対側の端部にフランジ付端部３０を形成するとともに、中間のジャーナル３１を形成する。この切削加工は第１刃具１１で行う。

ステップＳ５：
図８に示すように、フランジ付端部３０のフランジ３０ａに位相基準３４を切欠き形成する。この切削加工は第２刃具１２で行う。

ステップＳ６：
図９（Ａ）（Ｃ）に示すように、クランクウェブ５間を削り込んで偏芯したクランクピン６を加工形成するとともに、同図（Ｂ）（Ｄ）に示すように、クランクウェブ５の外形を荒加工する。これらの加工は第３刃具１３で行う。

ステップＳ７：
図１０に示すように、クランクウェブ５の外形を仕上げ加工する。これは、前述の図９（Ｄ）で示したように大口径の第３刃具１３で概略形状に荒加工したクランクウェブ５を、小口径の第２刃具１２で正確な形状に仕上げるものである。このように、同一ベッド上に備わる第３刃具１３と第２刃具１２を順番に用いて、ワークを装着したまま、クランクウェブ側面及び外周面を切削することにより、クランク軸の加工形成が効率よくできる。
ステップＳ８
焼入れ、焼戻しの熱処理により素材の硬度や材質をクランク軸として適正なものに調整する。

ステップＳ９：
図１１に示すように、真直ぐなオイル通路が必要になるジャーナル３１及びクランクピン６に、主軸Ｃ１に直角方向の直油孔３２を形成する。この孔加工は第２刃具１２で行う。

ステップＳ１０：
図１２に示すように、斜めのオイル通路が必要になるジャーナル３１及びクランクピン６に、主軸Ｃ１に対し斜め方向の斜め油孔３３を形成する。この孔加工は第２刃具１２で行う。

ステップＳ１１：
図１３に示すように、ワーク２６の両端部２９，３０の端面に部材取付け用の孔３５を形成する。この孔加工は第２刃具１２で行う。
なお、本複合加工機には、ワーク全長の適当な位置に、着脱又は移動可能な振れ止めが刃物台を含むベッド上に設けてある。

ステップＳ１２：
ジャーナル研削仕上げを行う。これは、従来と同様にジャーナル用の研磨機を用いて行う。

ステップＳ１３：
ピン研削仕上げを行う。これは、従来と同様にクランクピン用の研磨機を用いて行う。

ステップＳ１４：
熱処理により表面を窒化して硬度を高める。
ステップＳ１５：
熱処理により生じた歪をプレスにより除去する。

ステップＳ１６：
従来と同じバランス加工機を用いてクランクウェブを加工して重量バランスを調整する。
ステップＳ１７：
クランクピンをラップ仕上げする。

ステップＳ１８：
ジャーナルをラップ仕上げする。
ステップＳ１９：
ワーク各部の寸法を測って寸法データを記録する。

ステップＳ２０：
必要な寸法データをワークに刻印する。
ステップＳ２１：
ワークの検査及び防錆処理を行う。
ステップＳ２２：
完成したクランク軸を出荷する。

なお、上記実施例はクランク軸の加工について説明したが、非円形（卵形等）のカムを軸上に有するカム軸の加工についても適用可能である。この場合、特に大口径の第３刃具を用いてカムプロフィル（カム形状）を形成することにより生産性が高まる。

本発明は、同一ベッド上に、大口径の円板状回転刃具とともに、バイトに類する小幅刃具及びフライスあるいはエンドミルに類する小口径回転刃具を備え、これらを用いて、ワークを回転させながら切削する複合加工機として利用できる。特に、内燃機関のクランク軸やカム軸を丸棒素材から加工形成する場合に効果的に利用可能である。

本発明の基本構成説明図。 本発明の実施例の外観図。 本発明によるクランク軸作成手順のフローチャート。 クランク軸作成用の丸棒素材の形状図。 図３のフローチャートの途中ステップのワーク形状図。 図３のフローチャートの別のステップのワーク形状図。 図３のフローチャートのさらに別のステップのワーク形状図。 図３のフローチャートのさらに別のステップのワーク形状図。 図３のフローチャートのさらに別のステップのワーク形状図。 図３のフローチャートのさらに別のステップのワーク形状図。 図３のフローチャートのさらに別のステップのワーク形状図。 図３のフローチャートのさらに別のステップのワーク形状図。 図３のフローチャートのさらに別のステップのワーク形状図。 従来の加工機の刃具の一例の形状図。 従来の加工機の刃具の別の例の形状図。 従来の加工機の刃具のさらに別の例の形状図。

符号の説明

１：刃部、２：小幅刃具、３：クランク軸、４：ジャーナル、５：クランクウェブ、６：クランクピン、７：刃部、８：小口径回転刃具、９：刃部、１０：大口径回転刃具、１１：第１刃具、１２：第２刃具、１３：第３刃具、１４：刃部、１５：刃部、１６：刃部、１７：複合加工機、１８：第１主軸台、１９：第２主軸台、２０：第１刃物台、２１：第２刃物台、２２：ベッド、２３：チャック、２４：ヘッド、２５：刃具、２６：ワーク、２７：センター、２８：つかみ代、２９：端部、３０：フランジ付端部、３０ａ：フランジ、３１：ジャーナル、３２：直油孔、３３：斜め油孔、３４：位相基準、３５：孔。

Claims (4)

1. 先端に刃部を有する棒状の第１刃具と、先端面及び周囲側面が切削面となる円筒状の刃部を有し該円筒状刃部の中心軸廻りに回転可能な第２刃具と、外周面に刃部を有する円板状刃具であって円板の中心軸廻りに回転可能な第３刃具とを有する複合加工機であって、
   前記第１刃具は、その刃部が、ワークの回転軸となる主軸を含む主軸面に対し直角方向に進退可能で且つ該進退方向を含む面内で該進退方向と直角な方向に移動可能であり、
   前記第２刃具は、その中心軸に沿って進退可能で且つ該進退方向を含む面内で該進退方向と直角な方向に移動可能であり、
   前記第３刃具は、その中心軸が前記主軸と平行で且つ主軸に対し進退可能であることを特徴とする複合加工機。
2. 前記第２刃具は、その中心軸が前記主軸に対し直角な位置及び傾斜した位置に配置可能であることを特徴とする請求項１に記載の複合加工機。
3. 前記ワークは内燃機関のクランク軸であり、
   丸棒素材を主軸上にセットし、
   該素材に対し前記第１刃具で、クランクウェブ間のジャーナルを形成し、
   次に、素材をセットしたまま、前記第３刃具で、クランクピン及びクランクウェブを荒加工し、
   次に、素材をセットしたまま、前記第２刃具で、前記クランクウェブの仕上げ加工を施すことを特徴とする請求項１又は２に記載の複合加工機を用いたクランク軸の加工方法。
4. 前記ワークはカムを有するカム軸であり、前記第３刃具を用いてカムプロフィルの荒加工を行うことを特徴とする請求項１又は２に記載の複合加工機を用いたカム軸の加工方法。
   

Images