JP5540352B2 - スクリューロータ加工方法 - Google Patents

Description

本発明は、スクリューロータ加工方法に関し、特に、不等リード不等傾斜角を有するスクリューロータを加工するスクリューロータ加工方法に関する。

一般に、スクリュー型真空ポンプとして、互いに噛み合う雌雄一対のスクリューロータと、両スクリューロータを収納するステータとにより気体作動室を構成し、この作動室の一端部および他端に連通するように気体の吸気口および吐出口とを設けたものが知られている。

スクリュー型真空ポンプに用いられるスクリューロータとして、ねじれ角が、当該ねじれの進行に伴って連続的に変化するように不等リード不等傾斜角としたものが、注目されている。

そして、このような不等リード不等傾斜角を有するスクリューロータを備えたスクリュー型真空ポンプの安価かつ大量の供給が求められているが、従来は、エンドミル等の回転工具を用いて切削加工していたので、１本のロータを加工するのに約７日間も必要としていた。

しかも、このようなエンドミル等の回転工具を用いた切削加工では、削りカスが除去し難い、工具が折れやすく消耗が激しく、加工精度が不安定になる等の問題もあり、安価に製造するのが難しかった。

また、従来の等リード等傾斜角のスクリューロータの加工装置として、ワークの主軸を回転駆動する主軸駆動装置と、このワークを加工する刃具を取り付ける刃物台と、この刃物台をワークの主軸に直角な方向に駆動する刃物台駆動装置と、主軸駆動装置と前記刃物台駆動装置とを制御する数値制御装置とを備え、主軸駆動装置と切り換え可能に作動し、ワークの主軸を回転駆動する第２の主軸駆動装置を設けた加工装置が知られている（例えば、特許文献１参照。）。

また、不等リード不等傾斜角を有するスクリューロータを加工する従来のスクリュー加工機として、回転刃がスクリューリードに接しうる位置で回転刃を回転させる刃物軸と、刃物軸を設置した刃物台と、スクリュー創成材料である被加工物を回転させるω軸と、被加工物の中心から法線方向に刃物台と被加工物とを相対移動させるＹ軸と、被加工物の軸方向に刃物台と被加工物とを相対移動させるＸ軸と、刃物軸を設置した刃物台を回してスクリューリード角を変えるθ軸と、を有し、少なくともω軸およびＸ軸を同時に制御できるスクリュー加工機が知られている（例えば、特許文献２参照。）。

このスクリュー加工機を用いた具体的な加工方法では、それぞれ異なる刃物を用いた２つの加工段階、すなわち、スクリューロータの溝断面とほぼ同形状を有する総形回転刃物（砥石）による粗加工と、厚さの薄い回転刃物（砥石）による仕上げ加工の２つの加工段階でスクリューロータを加工している。

また、不等リード不等傾斜角を有するスクリューロータを備えた従来のスクリュー型真空ポンプとして、軸に対し垂直断面の形状が同一であり、軸方向に沿って吸入エンドから吐出エンドまで同一径である多数巻のスクリューを備え、スクリューは、吸入エンドから吐出エンド側に向けて漸次リードが密となる不等リードの吸入エンド側スクリュー部と、吸入エンド側スクリュー部に対しリードが密な等リードの吐出エンド側スクリュー部とを備え、これら別体で形成された吸入エンド側スクリュー部と吐出エンド側スクリュー部とを相互に結合してなるスクリュー型真空ポンプが知られている（例えば、特許文献３参照。）。

特開平８−１９７３３１号公報 特開平１０−３１１２８８号公報 特開平１１−２７０４８５号公報

ところが、特許文献１に記載された従来のスクリューロータの加工装置では、等リード等傾斜角のスクリューロータを加工する際には問題を生じないが、刃具とワークとの間のすくい角の調整手段を有していないため、不等リード不等傾斜角を有するスクリューロータを加工する際に、適切なすくい角でワークに対して刃具を当接させることができず、不等リード不等傾斜角を有するスクリューロータを高精度に加工するのが難しいという問題があった。

また、特許文献２に記載された従来のスクリュー加工機では、刃物軸を設置した刃物台を回してスクリューリード角を変えるθ軸を有していることにより、このθ軸を中心として刃物台を旋回させることで、不等リード不等傾斜角を有するスクリューロータの大まかな外形を形成することは可能であるものの、単一の回転刃（フライス）を用いてスクリューロータのスクリュー歯の捻れを高精度には加工することができず、スクリューロータを高精度に加工するためには、荒加工と仕上げ加工との２つの加工段階を必要とし、多大な加工負担および加工時間を要するという問題があった。

また、特許文献３に記載された従来のスクリュー型真空ポンプは、リードの粗い吸入エンド側スクリュー部とリードの密な吐出エンド側スクリュー部を夫々に適した刃物で別体に機械加工してこれらを結合することで、不等リード不等傾斜角を有するスクリューロータの機械加工の困難さを克服しているが、この場合でもやはり、吸入エンド側スクリュー部と吐出エンド側スクリュー部との結合作業に多大な労力を必要とするという問題があり、また、ねじれの進行に伴って連続的に変化する不等リード不等傾斜角を有するスクリューロータの加工方法としては、何らの解決手段を提示するものではなかった。

そこで、本発明は、従来の問題を解決するものであって、すなわち、本発明の目的は、多大な加工負担を必要とすることなく、低コストで短時間にて高精度な不等リード不等傾斜角を有するスクリューロータを大量に加工することが可能であり、スクリュー型真空ポンプを安価にかつ大量に供給することを可能にするスクリューロータ加工方法を提供することである。

本発明のスクリューロータ加工方法は、主軸台にＣ軸を中心に回転可能に支持された主軸に被加工物を取り付ける一方、前記Ｃ軸に平行なＺ軸、前記被加工物に対する切り込み方向を規定するためのＸ軸、及び前記Ｘ軸及びＺ軸に直交するＹ軸に沿って移動可能にした工具台に、切削加工用の工具を、前記Ｘ軸に平行なＡ軸を中心として回転可能に取り付け、前記被加工物をＣ軸を中心に回転させる一方、前記工具の、前記Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸に沿った位置、並びにＡ軸を中心とした回転角を数値制御して、前記被加工物から不等リード不等傾斜角を有するスクリューロータを加工することにより、前述した課題を解決したものである。

本発明によれば、多大な加工負担を必要とすることなく、低コストで短時間にて高精度な不等リード不等傾斜角を有するスクリューロータを大量に加工することができ、スクリュー型真空ポンプを安価にかつ大量に供給することができる。

本発明の一実施例であるスクリュー型真空ポンプを示す縦断上面図である。 スクリュー型真空ポンプを示す縦断正面図である。 雌雄一対のスクリューロータの噛み合い状態を示す斜視図である。 スクリューロータを示す斜視図である。 雌雄一対のスクリューロータの噛み合い状態を示す平面図である。 スクリューロータの歯筋形状を示す説明図である。 スクリューロータ加工用工作機械を示す全体斜視図である。 スクリューロータ加工用工作機械のケーシングを点線で示す全体斜視図である。 工具を被加工物に当接させた状態を示す斜視図である。 三次元測定手段を中心にスクリューロータ加工用工作機械を示す部分拡大図である。 本発明の変形例であるスクリューロータを示す斜視図である。 本発明の変形例であるスクリューロータの歯筋形状を示す説明図である。

以下、本発明の一実施例を図面に基づいて説明する。

まず、スクリュー型真空ポンプ１００は、図１および図２に示すように、吐出口１１１および吸気口１１２を有するステータ１１０と、このステータ１１０内に相互に噛み合った状態で配置される雌雄一対のスクリューロータ１２０ａ、１２０ｂと、ステータ１１０に取り付けられてスクリューロータ１２０のロータ回転軸１２１の両端を軸受する軸受部１３０と、ロータ回転軸１２１の一端部に取り付けられて一対のスクリューロータ１２０の回転を同期させるタイミングギア１４０と、タイミングギア１４０および軸受部１３０に供給された潤滑油の気体作動室内への侵入を阻止する軸封部１５０とを備えている。

各スクリューロータ１２０ａ、１２０ｂは、図３乃至図６に示すように、ステータ１１０の吐出口１１１側に配置された等リード部１２２と、ステータ１１０の吸気口１１２側に配置された不等リード部１２３とからそれぞれ構成されている。

等リード部１２２は、図６などに示すように、等リード等傾斜角で形成されて、直線の歯筋を有している。

また、不等リード部１２３は、図６などに示すように、吸気口１１２側から吐出口１１１側に向けてリードおよび傾斜角が漸次小さくなるように形成されて、曲線の歯筋を有している。

そして、これら等リード部１２２と不等リード部１２３の歯筋は、図６などに示すように、接線状に繋がっている。

また、不等リード部１２３では、軸直角断面形状も変化している。

このように、各スクリューロータ１２０ａ、１２０ｂは、吸気口１１２側の取込みコンダクタンスを大きくすることにより分子量の大小に関係無く大きな排気速度を得るように設計されている。

そして、これら雌雄一対のスクリューロータ１２０ａ、１２０ｂのスクリュー歯１２４ａ、１２４ｂの相互間隔、すなわち、噛合隙間は、図３および図５に示すように、スクリューロータ１２０のリードおよび傾斜角の変化に関わりなく、吸気口１１２側から吐出口１１１側にかけて常に一定になるように形成されている。

スクリューロータ加工用工作機械２００は、図７乃至図９に示すように、被加工物Ｗを保持する主軸２１１と、主軸２１１を回転自在に支持する主軸台２１０と、主軸台２１０および主軸２１１に対して移動自在な工具台２２０と、工具台２２０により支持される工具２２１と、主軸台２１０に対して主軸２１１を回転させるＣ軸と、Ｃ軸に直交して被加工物Ｗに対する工具２２１の切り込み方向を規定するＸ軸と、Ｘ軸に直交してＣ軸に対して平行に工具台２２０を移動させるＺ軸と、Ｘ軸およびＺ軸に直交して工具２２１をＣ軸に交差する線上に移動させるＹ軸と、工具台２２０および工具２２１を旋回させてスクリューロータ１２０の軸直角断面にアンダーカットを形成する場合のＢ軸と、スクリューロータ１２０のリード角に応じて工具台２２０に対して工具２２１を回転させて被加工物Ｗに対する工具２２１のすくい角を調節するＡ軸と、主軸２１１の回転および工具台２２０の移動および工具２２１の回転を数値制御して同期させる数値制御手段２３０とを備えている。

すなわち、主軸２１１は、図７乃至図９に示すように、主軸台２１０に対して主軸２１１の軸線に一致するＣ軸を中心に回転するように設計されている。

また、工具台２２０は、図７乃至図９に示すように、Ｘ軸とＹ軸とＺ軸に沿って移動自在に設計されているとともに、Ｙ軸を中心としてＢ軸を旋回自在に設計されている。

そして、工具２２１は、図７乃至図９に示すように、工具２２１の軸線に一致するＸ軸を中心として、工具台２２０に対して回転するようにＡ軸が設計されている。

そして、スクリューロータ加工用工作機械２００は、図８および図１０に示すように、スクリューロータ１２０の加工中または加工終了後の形状を計測して測定値を生成する測定プローブからなる三次元測定手段２４０と、測定値とスクリューロータの三次元モデルとを比較して修正値を生成する数値比較手段２５０と、修正値を数値制御手段２３０に出力する修正値出力手段２６０とを含む制御システムを更に備えている。

本実施例では、数値比較手段２５０と修正値出力手段２６０は、図８に示すように、スクリューロータ加工用工作機械２００にＬＡＮ接続されたパソコン端末により構成されているが、スクリューロータ加工用工作機械２００自体に数値比較手段２５０および修正値出力手段２６０を設けても何ら構わない。

つぎに、スクリューロータ加工用工作機械２００を用いてスクリューロータ１２０を加工するスクリューロータ加工方法を説明する。

まず、スクリューロータ１２０の等リード等傾斜角で形成された等リード部１２２を加工する際には、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸、Ｃ軸、および、Ｂ軸を利用し、すなわち、Ｘ軸およびＹ軸およびＺ軸に沿って工具台２２０および工具２２１を移動させる第１の工具移動工程と、Ｃ軸を中心に主軸２１１を回転させる第１の主軸回転工程と、Ｂ軸を中心に工具台２２０および工具２２１を旋回させてスクリューロータ１２０の軸直角断面にアンダーカットを形成する場合の第１のアンダーカット形成工程とを数値制御手段２３０により数値制御して実行する。

これら第１の工具移動工程、第１の主軸回転工程、および、第１のアンダーカットを形成する場合の形成工程は、等リード部１２２の形状に応じて、同時または個別に実行される。

つぎに、スクリューロータ１２０の不等リード不等傾斜角で形成された不等リード部１２３を加工する際には、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸、Ｃ軸、Ｂ軸、および、Ａ軸を利用し、すなわち、Ｘ軸およびＹ軸およびＺ軸に沿って工具台２２０および工具２２１を移動させる第２の工具移動工程と、Ｃ軸を中心に主軸２１１を回転させる第２の主軸回転工程と、Ｂ軸を中心に工具台２２０および工具２２１を旋回させてスクリューロータ１２０の軸直角断面にアンダーカットを形成する場合の第２のアンダーカット形成工程と、スクリューロータ１２０のリード角に応じて工具台２２０に対して工具２２１をＸ軸を中心にＡ軸を回転させて被加工物Ｗに対する工具２２１のすくい角を調節する角度調整工程とを数値制御手段２３０により数値制御して実行する。

これら第２の工具移動工程、第２の主軸回転工程、第２のアンダーカットを形成する場合の形成工程、および、角度調整工程は、不等リード部１２３の形状に応じて、同時または個別に実行される。

スクリューロータ１２０の歯面１２５を切削する際には、工具２２１と被加工物Ｗのすくい面（加工面）との間のすくい角、逃げ角、刃物角等を計算し、被加工物Ｗに対して工具１２１を適切なすくい角で当接させる。

また、スクリューロータ１２０の歯底１２６を切削する際には、Ｃ軸に対して工具２２１の歯先２２１ａを平行にして、被加工物Ｗに対して当接させる。

そして、スクリューロータ１２０の加工中または加工終了後に、測定プローブからなる三次元測定手段２４０を用いて加工中または加工終了後の形状を計測して測定値を生成する測定工程と、この測定値とスクリューロータ１２０の三次元モデルとを比較して修正値を数値比較手段２５０を用いて生成する比較工程と、修正値を修正値出力手段２６０を用いて数値制御手段２３０に出力する出力工程とを更に実行する。

これらの工程をスクリューロータ１２０の加工中または加工終了後に１回または複数回行うことにより、スクリューロータ１２０の加工精度を向上させることができる。

このようにして得られた本実施例では、工具台２２０および工具２２１を旋回させてスクリューロータ１２０の軸直角断面にアンダーカットを形成するＢ軸と、スクリューロータ１２０のリード角に応じて工具台２２０に対して工具２２１を回転させて被加工物Ｗに対する工具２２１のすくい角を調節するＡ軸とを備えていることにより、加工途中における工具交換などを必要とすることなく、低コストで短時間にて高精度な不等リード不等傾斜角を有するスクリューロータ１２０を大量に加工することができ、スクリュー型真空ポンプ１００を安価にかつ大量に供給することができる。

そして、このように、スクリューロータ１２０を高精度に加工することにより、このスクリューロータ１２０を雌雄一対でスクリュー型真空ポンプ１００内に配置した際に、スクリュー歯１２４の噛合隙間が吸気口１１２側から吐出口１１１側にかけて常に一定になるため、スクリュー型真空ポンプ１００の圧縮比を著しく向上できる。

つぎに、スクリューロータの一変形例について、図１１および図１２に基づいて説明する。

ここで、本変形例のスクリューロータ３２０以外の構成、すなわち、スクリュー型真空ポンプ１００およびスクリューロータ加工用工作機械２００の構成に関しては、前述した実施例と全く同じであり、図１乃至図１０に示したスクリュー型真空ポンプ１００およびスクリューロータ加工用工作機械２００と同様の構成を有している。

そのため、スクリュー型真空ポンプ１００およびスクリューロータ加工用工作機械２００には、同一の参照符号を付し、これらの説明は省略する。

本変形例のスクリューロータ３２０は、スクリュー型真空ポンプ１００のステータ１１０内に雌雄一対で設置されるものである。

各スクリューロータ３２０は、図１１に示すように、ステータ１１０の吐出口１１１側に配置される等リード部３２２と、ステータ１１０の吸気口１１２側に配置される等リード部３２７と、これら等リード部３２２と等リード部３２７との間に配置される不等リード部３２３とから構成されている。

図１１および図１２に示すように、等リード部３２７のリードおよび傾斜角は、等リード部３２２のリードおよび傾斜角より、大きく設定されている。

等リード部３２２は、図１１および図１２に示すように、等リード等傾斜角で形成されて、直線の歯筋を有している。

また、不等リード部３２３は、図１１および図１２などに示すように、吸気口１１２側から吐出口１１１側に向けてリードおよび傾斜角が漸次小さくなるように形成されて、曲線の歯筋を有している。

また、等リード部３２７は、図１１および図１２に示すように、等リード等傾斜角で形成されて、直線の歯筋を有している。

そして、これら等リード部３２２と不等リード部３２３と等リード部３２７の歯筋は、図１１および図１２に示すように、接線状に繋がっている。

また、不等リード部３２３では、軸直角断面形状も変化している。

このように、スクリューロータ３２０は、吸気口１１２側の取込みコンダクタンスを大きくすることにより分子量の大小に関係無く大きな排気速度を得るように設計されている。

そして、雌雄一対のスクリューロータ３２０のスクリュー歯３２４の相互間隔、すなわち、噛合隙間は、スクリューロータ３２０のリードおよび傾斜角の変化に関わりなく、吸気口１１２側から吐出口１１１側にかけて常に一定になるように形成されている。

次に、本変形例のスクリューロータ３２０の加工方法について説明する。

ここで、本変形例であるスクリューロータ３２０の等リード部３２２および不等リード部３２３の加工方法については、前述したスクリューロータ１２０の等リード部１２２および不等リード部１２３の加工方法と同様であるため、その説明を省略する。

以下では、スクリューロータ３２０とスクリューロータ１２０との相違点である等リード部３２７に関する加工方法のみ説明する。

本変形例のスクリューロータ３２０の等リード部３２７の加工方法は、そのリードおよび傾斜角を除けば、等リード部３２２と同様である。

すなわち、等リード等傾斜角で形成された等リード部３２７を加工する際には、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸、Ｃ軸、および、Ｂ軸を利用し、Ｘ軸およびＹ軸およびＺ軸に沿って工具台２２０および工具２２１を移動させる第１の工具移動工程と、Ｃ軸を中心に主軸２１１を回転させる第１の主軸回転工程と、Ｂ軸を中心に工具台２２０および工具２２１を旋回させてスクリューロータ１２０の軸直角断面にアンダーカットを形成する場合の第１のアンダーカット形成工程とを数値制御手段２３０により数値制御して実行する。

これら第１の工具移動工程、第１の主軸回転工程、および、第１のアンダーカットを形成する場合の形成工程は、等リード部３２７の形状に応じて、同時または個別に実行される。

１００ ・・・ スクリュー型真空ポンプ
１１０ ・・・ ステータ
１１１ ・・・ 吐出口
１１２ ・・・ 吸気口
１２０、３２０ ・・・ スクリューロータ
１２１ ・・・ ロータ回転軸
１２２、３２２ ・・・ 等リード部
１２３、３２３ ・・・ 不等リード部
１２４、３２４ ・・・ スクリュー歯
１２５ ・・・ 歯面
１２６、３２６ ・・・ 歯底
３２７ ・・・ 等リード部
１３０ ・・・ 軸受部
１４０ ・・・ タイミングギア
１５０ ・・・ 軸封部
２００ ・・・ スクリューロータ加工用工作機械
２１０ ・・・ 主軸台
２１１ ・・・ 主軸
２２０ ・・・ 工具台
２２１ ・・・ 工具
２３０ ・・・ 数値制御手段
２４０ ・・・ 三次元測定手段
２５０ ・・・ 数値比較手段
２６０ ・・・ 修正値出力手段
Ｗ ・・・ 被加工物

Claims (2)

1. 主軸台にＣ軸を中心に回転可能に支持された主軸に被加工物を取り付ける一方、
   前記Ｃ軸に平行なＺ軸、前記被加工物に対する切り込み方向を規定するためのＸ軸、及び前記Ｘ軸及びＺ軸に直交するＹ軸に沿って移動可能にした工具台に、切削加工用の工具を、前記Ｘ軸に平行なＡ軸を中心として回転可能に取り付け、
   前記被加工物をＣ軸を中心に回転させる一方、前記工具の、前記Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸に沿った位置、並びにＡ軸を中心とした回転角を数値制御して、前記被加工物から不等リード不等傾斜角を有するスクリューロータを加工するスクリューロータ加工方法であって、
   前記工具台を、更に前記Ｙ軸を中心に旋回可能に構成し、前記工具の、前記Ｙ軸を中心とした旋回角を数値制御することを特徴とするスクリューロータ加工方法。
2. 加工中または加工後の前記被加工物の加工形状を計測して測定値を生成し、当該測定値を、加工すべきスクリューロータの三次元モデルデータと比較して修正値を生成し、当該修正値を基に前記工具台の移動及び工具の回転を数値制御することを特徴とする請求項１に記載のスクリューロータ加工方法。

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