JPH0938814A

JPH0938814A - 穴加工方法及び装置

Info

Publication number: JPH0938814A
Application number: JP19459095A
Authority: JP
Inventors: Shizuka Yamazaki; 静山崎; Koji Nakamura; 幸治中村; Naoyuki Uchiyama; 尚行内山
Original assignee: NTN Corp; NTN Toyo Bearing Co Ltd
Current assignee: NTN Corp
Priority date: 1995-07-31
Filing date: 1995-07-31
Publication date: 1997-02-10

Abstract

(57)【要約】【課題】工作物への穴加工時に加わる工具の抵抗値が
過大になるのを抑制して、可能な限りの理想状態で能率
良く穴加工が行えるようにする。【解決手段】気体軸受スピンドル非接触支持された主
軸の先端部の工具を工作物に切り込み送りさせて穴開け
加工する方法で、穴加工時の工具抵抗を主軸のスラスト
方向の変位量で検出し、検出された抵抗値が予め設定さ
れた設定値以上になった時点で、主工具の回転を継続さ
せた状態で工作物から工具を一旦待避させてから、再度
の工作物への工具の切り込み送りを開始させ、この工具
の切り込み送りと待避動作を、工作物に穴が所定の深さ
に加工されるまで繰り返す。工具の待避で工具が過負荷
で折損することが回避され、待避時の工具空転で工具空
冷や切り屑除去が行われて、常に良好な加工条件で穴加
工が再開される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ドリル等の回転工
具による工作物の穴開け加工に関し、詳しくは、気体軸
受スピンドルの主軸（回転軸）の先端部に着脱自在に取
付けた工具による穴加工方法及び装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】穴加工機に使用される気体軸受スピンド
ルは、ハウジングに主軸を気体軸受でラジアル方向とス
ラスト方向に非接触支持した構造で、主軸の先端部にド
リル等の回転工具が同軸に取付けられる。この気体軸受
スピンドルは、主軸の高速回転が可能で、かつ、回転精
度に優れることから、特に、小径の穴加工に賞用されて
いる。

【０００３】気体軸受スピンドルを使用した穴加工機
は、接近離反移動可能な２つのテーブルの一方に気体軸
受スピンドルを固定し、他方に穴加工される工作物を固
定している。この穴加工機による穴開け加工は、スピン
ドル側のテーブルと工作物側のテーブルを予めプログラ
ムされた通りの加工送り速度で接近させて、気体軸受ス
ピンドルの回転する主軸に支持された工具を工作物に所
定の深さまで切り込み送りすることで行われている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記のように気体軸受
スピンドルの回転工具を工作物に予め決められたプログ
ラムに従って切り込ませる穴加工方法においては、穴加
工時に工具に加わる切削抵抗や研削抵抗に拘らずに工具
の連続加工送りが続けられるため、工具に過大な抵抗が
加わって工具が早期に摩耗して短寿命となったり、穴加
工時に工具が折損する可能性が高く、特に、小径の穴加
工時における工具の折損発生率が高くなっていた。

【０００５】また、工具の折損発生を抑制するため、穴
加工時における工具の切り込み送り速度を遅くすること
が行われているが、この場合は、１つの穴加工に要する
時間が長くなり、穴加工の作業能率が悪くなる不具合が
あった。

【０００６】更に、小径で深い大きな穴の加工において
は、深さによって工具に加わる抵抗が変化することがあ
るために、工具の最適送り速度の選定が大変困難とな
り、小径で深い穴加工が難しい問題もあった。

【０００７】本発明の目的とするところは、穴加工時に
加わる工具の抵抗値が過大になるのを抑制して、可能な
限りの理想状態で能率良く穴加工が行えるようにするこ
とにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明は、気体軸受スピンドルのハウジングに静圧
気体軸受でラジアル方向及びスラスト方向に非接触支持
された主軸を回転させ、この主軸の先端部に取付けた工
具を工作物に切り込み送りさせて穴開け加工する際の主
軸のハウジングに対するスラスト方向の変位量を、ハウ
ジングに取付けた非接触変位センサで検出し、この検出
変位量から穴加工時に工具に加わる抵抗値を検出して、
検出された抵抗値が予め設定された設定値以上になった
時点で、主軸と工具の回転を継続させた状態で気体軸受
スピンドルと工作物の一方を工具切り込み送り方向と反
対方向に工作物と工具が離隔する定位置まで一旦待避さ
せてから、再度の工作物への工具の切り込み送りを開始
させ、この工具の切り込み送りと待避動作を、工作物に
穴が所定の深さに加工されるまで繰り返すことを特徴と
する。

【０００９】ここで、気体軸受スピンドルの非接触変位
センサで検出された工具の抵抗値に対応させて予め設定
される設定値は、工具が過負荷で異常な摩耗をしたり折
損したりしせず、工具が常に機械的理想状態で工作物を
穴加工する実験結果から求められる数値で、工具の種
類、材質等で変わり、実験データに基づいて選定され
る。

【００１０】また、本発明においては、工具が摩耗して
切れ味が落ちてくると、１つの穴加工に要する時間や待
避回数が増加してくることから、工具が工作物に１つの
穴を加工する際の加工開始から加工終了までの時間や待
避回数の少なくとも一方の検出信号に基づいて工具の摩
耗等の異常判断を行い、工具の自動交換を行うようにす
ることが望ましい。

【００１１】この場合、１回の穴加工の時間や待避回数
が所定の時間や待避回数を超えたことを検知すること
で、工具が交換すべきところまで摩耗していることが検
知され、工具の自動交換が適切なタイミングで実施され
る。

【００１２】また、本発明においては、気体軸受スピン
ドルの主軸を非接触支持する静圧気体軸受における少な
くともスラスト方向の給気圧を、工具や工作物の加工条
件に応じて可変に調整することにより、工具に応じた気
体軸受剛性の調整、スラスト方向の変位量の調整が可能
となり、特に小径の穴加工を高精度で行う上で望まし
い。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、本発明を図１の動作フロー
と図２及び図３の具体的実施装置例を参照して説明す
る。

【００１４】図１は、図２の穴加工機を使用した本発明
方法の動作フローの一例を示す。図２の穴加工機は、図
３の気体軸受スピンドル３５を使用して工作物３８に穴
加工する装置であり、これの説明の前に図３の気体軸受
スピンドル３５の具体例を説明する。

【００１５】図３の気体軸受スピンドル３５は、特願平
６−３２７２５号に開示されているもので、次の構成を
成す。ハウジング１に回転自在に挿通された主軸２の外
径面は、静圧気体軸受の軸受スリーブ３、４の内径面と
ジャーナル軸受隙間を介して対向し、また、主軸２の後
端に設けられたスラスト板５の端面は、軸受スリーブ４
の端面及びスラスト軸受６の軸受面とスラスト軸受隙間
を介して対向する。

【００１６】ハウジング１に設けられた軸受給気口７か
ら圧縮気体（圧縮空気等）を供給すると、この圧縮気体
がハウジング１に設けられた給気通路８を介して軸受ス
リーブ３、４及びスラスト軸受６の絞り孔４ａ、３ａ、
及び、４ｂ、６ａからジャーナル軸受隙間及びスラスト
軸受隙間に流入して、主軸２をハウジング１に対しラジ
アル方向及びスラスト方向に非接触支持する。ジャーナ
ル軸受隙間及びスラスト軸受隙間から流出する軸受排気
は、ハウジング１に設けられた排気通路（図示せず）を
介してスピンドル外部に排出される。

【００１７】軸受給気口７からの圧縮気体の給気圧は、
工具１５の種類等に応じて所定圧に可変調整される。こ
の給気圧調整で、軸受スリーブ３、４の軸受剛性が可変
調整され、また、穴開け加工時における主軸２のスラス
ト方向の変位量が調整される。この主軸２のスラスト方
向の変位量調整の作用効果は後述する。尚、軸受給気口
７から軸受スリーブ３、４への給気経路とスラスト軸受
６への給気経路を分離して、スラスト軸受６だけへの給
気圧を調整可能としてもよい。

【００１８】主軸２は、その軸中心に貫通穴２ａを備え
た円筒状であり、貫通穴２ａの先端のテーパ穴部２ａ１
の内径にコレットチャック９が前後動可能に装着され
る。コレットチャック９の先端部は、その軸線に沿った
複数のスリット（図示せず）によって複数部分に分割さ
れており、また、その外径面はテーパ穴部２ａ１の内径
面に適合したテーパ面９ａになっている。そのため、コ
レットチャック９は後方に引き込まれるとテーパ穴部２
ａ１の内径面から圧迫されてその先端部が縮径し、テー
パ穴部２ａ１に沿って前方に押し出されるとその先端部
が拡径する。コレットチャック９は、常時はその後端に
連結されたドローバー１０を介して皿バネ等の弾性体１
１の弾性力によって後方に付勢され、テーパ穴部２ａ１
に引き込まれている。

【００１９】主軸２の貫通穴２ａの後端は開口してお
り、この開口を貫通してプッシュロッド１２の先端部が
貫通穴２ａ内に入る。プッシュロッド１２は、常時は圧
縮バネ１３の弾性力によって後方に付勢され、その先端
がドローバー１０の後端と接触しない定位置に保持され
る。ハウジング１の後端に設けられた給気口１４から圧
縮気体を供給すると、プッシュロッド１２が圧縮バネ１
３の弾性力に抗して前進してドローバー１０の後端に当
接し、更に、圧縮バネ１３及び弾性体１１の弾性力に抗
して前進することにより、ドローバー１０を介してコレ
ットチャック９を前方へ押し出す。これによりコレット
チャック９が拡径して、工具１５が開放される。給気口
１４からの圧縮気体の供給を止めると、プッシュロッド
１２は圧縮バネ１３の弾性力によってドローバー１０と
接触しない位置まで後退し、コレットチャック９が弾性
体１１の弾性力によってドローバー１０を介して後方に
引き込まれて縮径し、工具１５が握持される。

【００２０】主軸２にはかご形のロータ１６が一体に設
けられ、ハウジング１の内径にはロータ１６に対向して
ステータ１７が固定される。ステータ１７に電流を流す
ことで主軸２に回転力が付勢され、これによりコレット
チャック９、工具１５、ドローバー１０、弾性体１１が
主軸２と一体となって回転する。この場合、主軸２が非
接触支持されているため、主軸２は最高十数万回転まで
の高速回転が可能であり、工具１５の種類や加工穴の穴
径に合わせて最適な回転数が広範囲で選択できると共
に、高精度の回転精度と測定精度が維持できる。

【００２１】ハウジング１内に、主軸２のスラスト力に
よる変位を検出する非接触変位センサ２０が設置され
る。非接触変位センサ２０は、渦電流型や静電容量型、
光電型のものが適用され、図面では合成樹脂材等の絶縁
材料で形成された円筒状のセンサコア２０ａと、センサ
コア２０ａの外径に装着された導電材料のコイル２０ｂ
を備えた渦電流型が示される。この場合、センサコア２
０ａがハウジング１にビス等で固定される。非接触変位
センサ２０は、主軸２と同軸で、かつ、主軸２に設けら
れたスラスト板５の後端面と対向する定位置に配置され
る。コレットチャック９を前後動させるプッシュロッド
１２の先端は、非接触変位センサ２０の中空部を貫通し
て主軸２の貫通穴２ａに挿入される。

【００２２】非接触変位センサ２０を主軸２と同軸に配
置することにより、スラスト軸受６に対するスラスト板
５の傾き等の形状誤差や、主軸２の振れ等が非接触変位
センサ２０の出力に影響しなくなり、穴加工時における
工具１５に加わる抵抗値に対応したスラスト力による主
軸２のスラスト変位量を精度良く検出することができ
る。その結果、工具１５による穴加工時に、工具１５に
加わる抵抗値が非接触変位センサ２０からの出力信号で
もって高精度に検出でき、図１動作フローの本願発明方
法が安定した高精度で実行できるようになる。

【００２３】図１動作フローを実行する図２の穴加工機
を説明する。リニアガイド３２で案内され、モータ３１
とボールねじ３３で上下のＺ方向に駆動されるＺテーブ
ル３４に、気体軸受スピンドル３５が下向き配置で固定
部品３６にて固定される。気体軸受スピンドル３５の真
下に、前後左右のＸＹ方向に駆動されるＸＹテーブル４
０がベース４２に支持されて配置される。ＸＹテーブル
４０上の定盤３９に被穴開け加工物である工作物３８が
離脱可能に位置決め搭載される。

【００２４】ベース４２に沿って制御盤４４が配置さ
れ、その上にセンサボックス４３が設置される。センサ
ボックス４３は、穴加工時に非接触変位センサ２０から
の主軸スラスト変位量の出力信号が入力されると、この
信号の電気量を予め設定された設定値と比較し、その結
果を制御盤４４に出力する。制御盤４４は、センサボッ
クス４３からの出力信号に基づいて、Ｚテーブル３４等
の駆動を図１の動作フローに従って駆動制御する。

【００２５】図１の動作フローに示すように、ステップ
Ｓ₁₀で穴加工機の機械電源投入が行われると、ステップ
Ｓ₂₀に移行してＺテーブル３４の原点位置移動とＸＹテ
ーブル４０の加工位置移動が行われる。次に、ステップ
Ｓ₃₀で全体の所定時間の一時停止が行われてから、ステ
ップＳ₄₀に移行してＺテーブル３４が下方に早送りされ
て、気体軸受スピンドル３５の先端で回転する工具１５
が工作物３８に接触する。

【００２６】次に、ステップＳ₅₀でＺテーブル３４の切
り込み送りが開始されて、気体軸受スピンドル３５の回
転する工具１５で工作物３８への穴開け加工が開始され
る。この切り込み送りの速度は、工具１５に異常な過負
荷が掛から無いことを目安に所定値に設定される。ま
た、穴加工時の工具１５に加わる負荷で主軸２がスラス
ト方向に変位し、この変位量が非接触変位センサ２０で
検出されて、穴加工時の工具１５に加わる抵抗値が検出
される。

【００２７】穴加工が開始されるとステップＳ₆₀に移行
して、検出された抵抗値が予め設定された設定値を超え
るか否かが判定される。ここでの設定値は、工具１５が
異常な過負荷となって折損するような工具１５と工作物
３８の種類、材質等で予め計算で求められる数値、或い
は、実験データで求められた数値から安全を見た値であ
る。従って、検出抵抗値が設定値を超えないとき、工具
１５は概ね理想的な状態で穴加工をしていると判断され
る。

【００２８】ステップＳ₆₀での検出抵抗値が設定値を超
えないとき、ステップＳ₇₀に移行し、ここで加工された
穴が所定の深さまで切り込まれたか否かの判定が行われ
る。加工された穴の深さが所定値に達していないと判定
された場合は、ステップＳ₅₀に戻って切り込み送りが続
行され、穴加工が続行される。

【００２９】ステップＳ₆₀で検出抵抗値が設定値以上で
あると判定されると、設定値オーバ信号が出されてステ
ップＳ₇₁に移行し、工具１５が回転したままの状態が維
持されて、Ｚテーブル３４が切り込み以前の原点位置ま
で早送りされる。この原点送りで工具１５が工作物３８
から離れて待避し、空転を続ける。このようなステップ
Ｓ₇₁への移行で、工具１５に異常な過負荷が掛かる事態
が回避され、工具折損事故発生が無くなって、工具１５
の長寿命化が可能となり、また、工具１５が常に良好な
条件下で使用できて、加工時間の短縮化が可能となる。

【００３０】尚、工具１５を工作物３８から離す待避動
作は、ＸＹテーブル４０を下降させて工作物３８を工具
１５から離すようにしてもよい。

【００３１】ステップＳ₇₁で工具１５の待避が完了する
とステップＳ₃₀に戻り、一定時間動作停止後、ステップ
Ｓ₅₀に移行して切り込み送りが再開される。ステップＳ
₇₁とステップＳ₃₀の時間帯で工具１５は空転を継続し、
この工具空転で工具１５が空冷され、又はクーラントに
よる冷却が行なわれ、更には工具１５に付着した切り屑
が飛散し、また、工作物３８の加工途中の穴の切り屑が
工具１５と共に排出されて、次に再開される穴加工の諸
条件が改善される。この改善で、再開される次の穴加工
の能率が向上することになる。また、工具１５の待避動
作に並行させて、工作物３８の加工途中の穴に加工液を
積極的に供給することも可能であり、このようにするこ
とで尚更に次に再開される穴加工条件が改善される。

【００３２】ステップＳ₅₀で切り込み送りが再開され、
ステップＳ₆₀で検出抵抗値が設定値以上であると判定さ
れると、再びステップＳ₇₁に移行して工具１５の待避動
作が繰り返し行われる。このような待避動作とステップ
Ｓ₅₀の切り込み送りが繰り返し行われて、工作物３８の
穴加工が継続して行われる。ここで工作物３８の加工穴
が深くなって、工具１５に加わる抵抗が大きく変化して
も、ステップＳ₇₁の工具待避で工具１５に異常な過負荷
が掛からない。その結果、アスペクト比の大きな穴加工
でも、常に最適な切り込み送り速度でもって穴加工が実
行できるようになる。

【００３３】そして、ステップＳ₇₀に移行し、加工穴の
深さが所定値になったと判定されるとステップＳ₈₀に移
行する。ステップＳ₈₀では、加工した穴の数が所定値に
達して穴加工が完了したか否かが判定される。ここで加
工完了と判定されると、ステップＳ₉₀に移行して、Ｚテ
ーブル３４とＸＹテーブル４０の原点位置への移動が行
われ、最後にステップＳ₁₀₀ で穴加工機の運転停止が行
われる。

【００３４】ステップＳ₈₀で加工完了で無いと判定がな
されると、ステップＳ₇₁に移行してＺテーブル３４が次
の穴加工のために原点位置まで早送りされて、ステップ
Ｓ₇₂に移行する。ステップＳ₇₂でＸＹテーブル４０が次
の穴加工のための加工位置に移動してから、ステップＳ
₃₀に移行して次の穴加工の動作に移る。

【００３５】１つの工具１５で工作物３８の何箇所にも
穴加工をすると、工具１５が摩耗して切れ味が落ち、１
つの穴加工に要する時間やステップＳ₇₁での工具待避回
数が増加し、穴加工の能率が悪くなってくる。さらに進
むと工具折損も生ずることもある。この能率低下を回避
するため、本発明においては、ステップＳ₅₀からステッ
プＳ₇₀の間の１つの穴加工に要する時間、工具待避回数
の一方或いは両方を検知し監視して、得られた監視デー
タから工具１５の摩耗等の異常判断を行い、工具１５の
自動交換データとする。

【００３６】即ち、１つの穴加工に要する時間を計測
し、その計測値が予め設定された所定値を超えると、工
具１５の摩耗が交換時期になる程度まで進行していると
判断されて、穴加工終了後に自動交換される。このよう
な工具自動交換のための工具摩耗の進行状況の判定は、
１つの穴加工での工具待避回数の計測ででも可能であ
り、また、１つの穴加工の時間や工具待避回数の増加率
の変化を検知することでも可能であり、これらの判定手
段は工具１５の種類等に基づいて選定される。

【００３７】以上のように、１つの穴加工の時間、工具
待避回数の計測データに基づいて工具自動交換を行うよ
うにすると、工具１５の摩耗状態を検査機器類で直接に
検査すること無く、比較回路等の安価な電気回路を使用
するだけで、従って、能率的に最適なタイミングで工具
自動交換ができるようになり、穴加工機の稼働率改善が
図れる。

【００３８】また、本発明においては、工具１５の種類
によって図３の気体軸受スピンドル３５における少なく
ともスラスト軸受６への給気圧を調整しておいて、上記
の穴加工動作を実行するようにする。例えば、工具１５
が小径の穴加工用のものであれば、これに応じてスラス
ト軸受６への給気圧を下げるようにする。このようにす
ると、工具１５を支持する主軸２がスラスト方向に変位
し易くなり、穴加工時に工具１５に微細な抵抗が加わっ
ても、この抵抗値が高精度で検出し易くなって、小径の
穴加工の能率、精度が上がる。

【００３９】

【発明の効果】請求項１及び請求項４の発明によれば、
穴加工時に工具に異常な過負荷が掛かる前に工具と工作
物が離脱する待避動作をしてから、空転する工具が再度
工作物に切り込み送りされて穴加工が続行されるので、
工具の折損が無くなり、特にアスペクト比の大きな穴加
工も容易になると共に、工具の長寿命化が図れる。ま
た、工具の待避時に工具の空冷や切り屑除去が自動的に
行われて加工条件が改善されるので、工具を常に理想に
近い状態で穴加工に使用できて、穴加工の能率改善が可
能となる。

【００４０】請求項２記載の発明によれば、１つの穴加
工の時間、工具待避回数の計測データに基づいて工具を
自動交換するようにしたので、工具の摩耗状態を検査機
器類で直接に検査すること無く、電気信号の処理だけで
安価に、高能率で、而も、常に最適なタイミングで工具
自動交換ができるようになり、複数の工具を装備する工
作機械、穴加工機の稼働率の改善が図れる。

【００４１】請求項３記載の発明によれば、気体軸受ス
ピンドルの少なくともスラスト軸受への給気圧を工具等
に対応させて調整することで、穴加工時に検出される工
具抵抗の検出感度が工具に対応させて可変調整でき、こ
れにより小径の穴加工用工具の抵抗値も高精度で検出で
きて、小径の穴加工においてもその加工能率、加工精度
を上げることが容易に可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明方法を実施する穴加工機の動作フローの
一例を示す図。

【図２】本発明方法を実施する穴加工機の一実施例の正
面図。

【図３】図２の穴加工機における気体軸受スピンドルの
一実施例を示す断面図。

【符号の説明】

１ハウジング２主軸３、４静圧気体軸受（ジャーナル軸受）６静圧気体軸受（スラスト軸受）１５工具２０非接触変位センサ３５気体軸受スピンドル３８工作物

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】気体軸受スピンドルのハウジングに静圧
気体軸受でラジアル方向及びスラスト方向に非接触支持
された主軸を回転させ、この主軸の先端部に取付けた工
具を工作物に切り込み送りさせて穴開け加工する際の主
軸のハウジングに対するスラスト方向の変位量を、ハウ
ジングに取付けた非接触変位センサで検出し、この検出
変位量から穴加工時に工具に加わる抵抗値を検出して、
検出された抵抗値が予め設定された設定値以上になった
時点で、主軸と工具の回転を継続させた状態で気体軸受
スピンドルと工作物の一方を工具切り込み送り方向と反
対方向に工作物と工具が離隔する定位置まで一旦待避さ
せてから、再度の工作物への工具の切り込み送りを開始
させ、この工具の切り込み送りと待避動作を工作物に穴
が所定の深さに加工されるまで繰り返すことを特徴とす
る穴加工方法。
【請求項２】上記気体軸受スピンドルの工具が工作物
に１つの穴を加工する際の、加工開始から加工終了まで
の時間及び又は待避回数の検出信号に基づいて工具の摩
耗の異常判断を行い、工具の自動交換を行うことを特徴
とする請求項１記載の穴加工方法。
【請求項３】上記気体軸受スピンドルの主軸を非接触
支持する静圧気体軸受における少なくともスラスト方向
の給気圧を、工具による穴加工条件に応じて可変に調整
してから、穴加工動作を行うようにしたことを特徴とす
る請求項１または２記載の穴加工方法。
【請求項４】気体軸受スピンドルのハウジングに静圧
気体軸受でラジアル方向及びスラスト方向に非接触支持
された主軸を回転させ、この主軸の先端部に取付けた工
具を工作物に切り込み送りさせて穴開け加工する際の主
軸のハウジングに対するスラスト方向の変位量を、ハウ
ジングに取付けた非接触変位センサで検出し、この検出
変位量から穴加工時に工具に加わる抵抗値を検出して、
検出された抵抗値が予め設定された設定値以上になった
時点で、主軸と工具の回転を継続させた状態で気体軸受
スピンドルと工作物の一方を工具切り込み送り方向と反
対方向に工作物と工具が離隔する定位置まで一旦待避さ
せてから、再度の工作物への工具の切り込み送りを開始
させ、この工具の切り込み送りと待避動作を工作物に穴
が所定の深さに加工されるまで繰り返すことを特徴とす
る穴加工装置。