WO2013021999A1 - 加工装置及び加工方法 - Google Patents

Abstract

　被切削対象を容易に加工することができ、精度の高い超伝導加速空洞を形成することが可能な加工装置及び加工方法を提供することを目的とする。加工装置は、一端側が大径部（１１）であり、他端側が小径部（１２）である中空状のワーク（１０Ａ）を加工して、ハーフセル（１０）を形成する加工装置であって、ワーク（１０Ａ）を固定する固定治具（１）と、固定治具（１）を回転させる回転駆動部と、ワーク（１０Ａ）を切削する切削工具（４）とを備え、固定治具（１）は、複数の部材からなり、ワーク（１０Ａ）において第１の被切削部分を切削するとき、複数の部材は、第１の被切削部分が露出するように第１のパターンで組み合わされ、ワーク（１０Ａ）において第２の被切削部分を切削するとき、複数の部材は、第２の被切削部分が露出するように第２のパターンで組み合わされ、ワーク（１０Ａ）を取り外さずに、第１のパターンから第２のパターンへ複数の部材の組み合わせが変更される。

Description

加工装置及び加工方法

　本発明は、被切削対象を加工して超伝導加速空洞部材を形成する加工装置及び加工方法に関するものである。

　超伝導加速システムは、荷電粒子に運動エネルギーを与える装置であり、中空状の超伝導加速空洞を備える。超伝導加速空洞は、大径部と小径部が長手方向に交互に繰り返された形状であり、純ニオブ製の素材板をプレス成形かつ切削加工した後にそれらを溶接して形成される。

　特許文献１及び２では、空洞本体１を形成するため、一端が大径であり他端が小径である半割りセル１１が複数個長手方向に連結される。特許文献３では、超伝導空洞１を形成するため、中央部の周りを凹ませたダンベル形状のダンベルセルと、椀形状のハーフセルが組み合わされて、長手方向に連結される。

特開２００３－３６９９９号公報 特開２００３－３７０００号公報 特開２００６－３１８８９０号公報

　超伝導加速空洞を形成するため、加速空洞部品であるハーフセル（半割り部材）の大径部、小径部、及び大径部と小径部の中間部に切削加工が施される。ところで、超伝導加速空洞は、使用時の性能を確保するため、高精度の組立てが要求される。そのため、ハーフセルの両端面の平行度が、例えば0.1mm以下に抑えられることが求められる場合がある。また、ハーフセルは、純ニオブ製であるため、高延性で柔らかい。更に、ハーフセルは、プレス成形品であることから、形状精度にばらつきがある。

　したがって、被切削部分が複数個所あって、ハーフセルの被切削部分を変更する場合、一の被切削部分の切削が完了したのち、他の被切削部分の切削を開始する前に、被切削対象の位置ずれが生じないことが望ましい。

　特許文献３では、ダンベル形状のダンベルセルを形成するために、金型を使用して円筒状の部材の中央部分を凹ませる。しかし、凹状の中央部分では、切削加工などの機械加工が困難であり、精度の高い超伝導加速空洞を形成することができなかった。

　本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、被切削対象を容易に加工することができ、精度の高い超伝導加速空洞を形成することが可能な加工装置及び加工方法を提供することを目的とする。

　上記課題を解決するために、本発明の加工装置及び加工方法は以下の手段を採用する。
　すなわち、本発明の一態様に係る加工装置は、一端側が大径部であり、他端側が小径部である中空状の被切削対象を加工して、加速空洞部材を形成する加工装置であって、被切削対象を固定する固定治具と、固定治具を回転させる回転駆動部と、被切削対象を切削する切削工具とを備え、固定治具は、複数の部材からなり、被切削対象において第１の被切削部分を切削するとき、複数の部材は、第１の被切削部分が露出するように第１のパターンで組み合わされ、被切削対象において第２の被切削部分を切削するとき、複数の部材は、第２の被切削部分が露出するように第１のパターンと異なる第２のパターンで組み合わされ、被切削対象を取り外さずに、第１のパターンから第２のパターンへ複数の部材の組み合わせが変更される。

　上記態様によれば、被切削対象が固定治具によって固定され、回転駆動部によって固定治具に固定された被切削対象が回転する。回転する被切削対象に対して切削工具を用いることによって、被切削対象が加工されて加速空洞部材が形成される。このとき、複数の被切削部分が存在する被切削対象を加工する際、被切削部分に応じて、固定治具の複数の部材が異なるパターンで組み合わされる。被切削部分が露出するように固定治具が被切削対象を固定することから、複数の部材を適切に組み合わせることによって、被切削部分を切削しつつ、被切削対象を確実に固定できる。被切削対象を取り外さずに複数の部材の組み合わせを変更できるため、被切削対象の位置を変更せずに複数の被切削部分を切削でき、形状精度と加工効率を向上させることができる。

　本発明の一態様に係る加工装置は、一端側が大径部であり、他端側が小径部である中空状の被切削対象を加工して、加速空洞部の半割り部材を形成する加工装置であって、被切削対象の被切削部分が露出するように、被切削対象の内面を吸引して被切削対象を固定する固定治具と、固定治具を回転させる回転駆動部と、被切削対象を切削する切削工具とを備える。

　上記態様によれば、被切削対象が内面を吸引されて固定治具に固定され、回転駆動部によって固定治具に固定された被切削対象が回転する。被切削部分が露出していることから、回転する被切削対象に対して切削工具を用いることによって、被切削対象が加工されて加速空洞部材が形成される。被切削対象は、内面側で支持されていることから、被切削対象を取り外さずに、被切削対象の位置を固定したまま複数の被切削部分を切削でき、形状精度と加工効率を向上させることができる。

　本発明の一態様に係る加工方法は、一端側が大径部であり、他端側が小径部である中空状の被切削対象を加工して、加速空洞部材を形成する加工装置を用いた加工方法であって、複数の部材からなる固定治具が、被切削対象を固定するステップと、回転駆動部が、固定治具を回転させるステップと、切削工具が、被切削対象を切削するステップとを備え、被切削対象を固定するステップは、被切削対象において第１の被切削部分を切削するとき、複数の部材を、第１の被切削部分が露出するように第１のパターンで組み合わせるステップと、被切削対象において第２の被切削部分を切削するとき、複数の部材を、第２の被切削部分が露出するように第１のパターンと異なる第２のパターンで組み合わせるステップとを有し、被切削対象を取り外さずに、第１のパターンから第２のパターンへ複数の部材の組み合わせが変更される。

　本発明の一態様に係る加工方法は、一端側が大径部であり、他端側が小径部である中空状の被切削対象を加工して、加速空洞部の半割り部材を形成する加工装置を用いた加工方法であって、固定治具が、被切削対象の被切削部分が露出するように、被切削対象の内面を吸引して被切削対象を固定するステップと、回転駆動部が、固定治具を回転させるステップと、切削工具が、被切削対象を切削するステップとを備える。

　上記態様によれば、被切削対象を容易に加工することができ、精度の高い超伝導加速空洞を形成することができる。

超伝導加速空洞を示す断面図である。 超伝導加速空洞部材のハーフセルを示す縦断面図である。 超伝導加速空洞部材のハーフセルを示す正面図である。 ハーフセルの大径部を示す部分拡大断面図である。 ハーフセルの小径部を示す部分拡大断面図である。 ハーフセルの強め輪固定部を示す部分拡大断面図である。 ハーフセルの大径部を示す部分拡大断面図である。 ハーフセルの小径部を示す部分拡大断面図である。 本発明の第１実施形態に係る固定治具を示す縦断面図である。 同実施形態に係る固定治具を示す縦断面図である。 同実施形態に係る固定治具を示す縦断面図である。 本発明の第２実施形態に係る固定治具を示す縦断面図である。 同実施形態に係る固定治具を示す背面図である。 同実施形態に係る固定治具を示す正面図である。 同実施形態に係る固定治具のＯリング溝を示す正面図である。

　以下に、本発明に係る実施形態について、図面を参照して説明する。
［第１実施形態］
　以下、本発明の第１実施形態について、説明する。
　まず、超伝導加速システムに用いられる超伝導加速空洞２０について説明する。超伝導加速システムは、荷電粒子に運動エネルギーを与える装置であり、図１に示すような中空管状の超伝導加速空洞２０を備える。超伝導加速空洞２０は、大径部１１（赤道部）と小径部１２（アイリス部）が長手方向に交互に繰り返された形状であり、図２及び図３に示すハーフセル１０が複数組み合わされて形成される。

　ハーフセル１０は、純ニオブ製の素材板をプレス成形して形成される。ハーフセル１０は、一端１０ａに大径部１１を有し、他端１０ｂに小径部１２を有する。大径部１１には、開口１７が形成され、小径部１２には、開口１８が形成される。大径部１１と小径部１２の中間は、曲面形状を有し、中間部分に強め輪固定部１３を有する。

　互いに隣接する二つのハーフセル１０は、大径部１１同士又は小径部１２同士が溶接されて、超伝導加速空洞２０を形成する。また、二つのハーフセル１０間には、強め輪２１が挿入されて、ハーフセル１０の形状が維持される。強め輪２１は、強め輪固定部１３に溶接される。大径部１１及び小径部１２は、インロー（嵌め合い構造）が形成されて、隣接するハーフセル１０の大径部１１及び小径部１２に対して半径方向へ移動すること無く固定される。

　例えば、大径部１１は、図４及び図７に示す組み合わせのように、一方のハーフセル１０の大径部１１から設けた突起の先端を、他方のハーフセル１０の大径部１１に設けた溝に挿入することで組み立てられる。小径部１２についても、図５及び図８に示す組み合わせにより、組み立てられる。

　強め輪固定部１３は、図６に示すように、曲面形状のハーフセル１０の外面に形成された段差形状を有し、強め輪２１が溶接される。

　大径部１１及び小径部１２の突起や溝、強め輪固定部１３の段差形状等は、切削工具による切削加工によって、形成される。以下、ハーフセル１０の切削加工に用いる固定治具１について説明する。

　固定治具１は、図９に示すように、旋盤の爪３に固定されて、回転駆動部（図示せず。）によって軸線周りに回転する。固定治具１には、加工後にハーフセル１０となるワーク１０Ａ（被切削対象）が固定される。そして、切削工具４が、回転するワーク１０Ａを切削する。

　固定治具１は、図９～図１１に示すように、複数の部材から構成される。上述したハーフセル１０のように、大径部１１、小径部１２及び強め輪固定部１３といった複数の被切削部分が存在するワーク１０Ａを加工する場合、被切削部分に応じて、固定治具１の複数の部材が異なるパターンで組み合わされる。被切削部分が露出するように固定治具１がワーク１０Ａを固定することから、複数の部材を適切に組み合わせることによって、被切削部分を切削しつつ、ワーク１０Ａを確実に固定できる。ワーク１０Ａを取り外さずに複数の部材の組み合わせを変更できるため、同一位置のワーク１０Ａに対して複数の被切削部分を切削でき、形状精度と加工効率が向上する。

　固定治具１は、雄型３１と、雌型３２と、第１大径側金具３３と、第２大径側金具３４と、第１小径側金具３５と、第２小径側金具３６と、第３小径側金具３７から構成される。

　図９に示すように、第２大径側金具３４が旋盤の爪３によって挟持され、固定治具１が旋盤に対して固定される。第２大径側金具３４は、軸方向に長い部材である。第２大径側金具３４のうち爪３に挟持される端部側に対して反対側の端部には、雄型３１が固定される。雄型３１の外表面は、ワーク１０Ａの内面１５の形状に沿った曲面を有する。雄型３１の外表面にワーク１０Ａが設置されると、ワーク１０Ａの外面１６に雌型３２が固定される。ワーク１０Ａは、雄型３１と雌型３２によって挟み込まれる。雌型３２の内表面は、ワーク１０Ａの外面の形状に沿った曲面を有する。

　雄型３１のワーク１０Ａと接触する面は、ワーク１０Ａの素材である純ニオブよりも柔らかい材料、例えばＭＣナイロン（登録商標）、純アルミニウム、アルミニウム合金等が用いられる。これにより、固定治具１にワーク１０Ａが固定されたときに、ワーク１０Ａの内面１５が傷つくことを防止できる。

　固定治具１によるワーク１０Ａの固定方法は、上記雄型３１と雌型３２の組み合わせを基本とし、以下、大径部１１、小径部１２、強め輪固定部１３それぞれを加工する場合の固定治具１の組み合わせパターンについて説明する。

　まず、図９を参照して、大径部１１を加工する場合の第１組み合わせパターンについて説明する。大径部１１を加工する場合、固定治具１は、大径部１１が露出するようにワーク１０Ａを固定する。

　雌型３２よりもワーク１０Ａの小径部１２側かつワーク１０Ａの外面１６に、第１小径側金具３５が設置される。第１小径側金具３５は、ワーク１０Ａの小径部１２が露出するように中央部分が凹状に形成されている。また、第３小径側金具３７が、小径部１２を覆うように、第１小径金具３５のうち雌型３２と接する側の面に対して反対側の面と接するように設置される。

　ボルト４２によって、第１小径側金具３５と第３小径側金具３７が雄型３１に固定され、ボルト４３によって第１小径側金具３５が雌型３２に固定される。

　上記第１組み合わせパターンによって、ワーク１０Ａは、固定治具１に固定されつつ大径部１１が露出するため、ワーク１０Ａの形状が維持されつつ、大径部１１の切削が可能になる。この組み合わせパターンにおいて、次の組み合わせパターンへ移行するときに、雄型３１を第２大径側金具３４から取り外さないで、第１小径側金具３３をワーク１０Ａ側へ固定できるように、第１小径側金具３３は、旋盤の爪３側へ退避され、ボルト４１によって第２大径側金具３４に対して固定される。

　次に、図１１を参照して、小径部１２を加工する場合の第２組み合わせパターンについて説明する。小径部１２を加工する場合、固定治具１は、小径部１２が露出するようにワーク１０Ａを固定する。

　雄型３１よりもワーク１０Ａの大径部１１側に、第１大径側金具３３が大径部１１を覆うように設置される。第１大径側金具３３は、ボルト４４によって雄型３１に対して固定される。そして、雌型３２が、第１組み合わせパターンの位置を維持したまま、第１大径側金具３３に対してボルト４６によって固定される。

　第１組み合わせパターンにおける第３小径側金具３７は、雄型３１から取り外される。第３小径側金具３７が取り外されることによって、小径部１２が雄型３１と第１小径側金具３５の間から露出し、小径部１２の加工が可能になる。

　上記第２組み合わせパターンによって、ワーク１０Ａは、固定治具１に固定されつつ小径部１２が露出するため、ワーク１０Ａの形状が維持されつつ、小径部１２の切削が可能になる。

　次に、図１０を参照して、強め輪固定部１３を加工する場合の第３組み合わせパターンについて説明する。強め輪固定部１３を加工する場合、固定治具１は、強め輪固定部１３が露出するようにワーク１０Ａを固定する。

　上記第２組み合わせパターンにおける第１小径側金具３５が、雌型３２から取り外される。このとき、雌型３２が、第２組み合わせパターンの位置を維持したまま、第１大径側金具３３に対してボルト４６によって固定される。第１大径側金具３３は、第２組み合わせパターンの位置を維持したまま、雄型３１に対してボルト４４によって固定される。

　第３組み合わせパターンでは、第２小径側金具３６が小径部１２を覆うように小径部１２側に設置される。第２小径側金具３６は、強め輪固定部１３が露出するように、雌型３２から離隔して設けられ、ボルト４５によって雄型３１に対して固定される。

　上記第３組み合わせパターンによって、ワーク１０Ａは、固定治具１に固定されつつ強め輪固定部１３が露出するため、ワーク１０Ａの形状が維持されつつ、強め輪固定部１３の切削が可能になる。

　以上、本実施形態によれば、ワーク１０Ａを加工する場合において、大径部１１、小径部１２、強め輪固定部１３のように複数の被切削部分がある場合、ワーク１０Ａを被切削部分ごとに取り外したり再度固定したりと段取り替えすることなく、ワーク１０Ａを固定したまま複数の被切削部分を切削できる。その結果、ワーク１０Ａから超伝導加速空洞１０を形成する際の形状精度を向上させつつ、加工能率を高めることができる。

　上記第１実施形態において、組み合わせパターンは、第１、第２、第３組み合わせパターンの順で移行する場合について説明したが、本発明はこの例に限定されない。雄型３１及び雌型３２がワーク１０Ａを固定維持したままであれば、組み合わせパターンの移行の順番は任意である。

［第２実施形態］
　次に、本発明の第２実施形態に係る固定治具２について説明する。
　固定治具２は、図１２に示すように、旋盤の爪３に固定されて、回転駆動部（図示せず。）によって軸線周りに回転する。固定治具２には、加工後にハーフセル１０となるワーク１０Ａ（被切削対象）が吸引固定される。そして、切削工具４が、回転するワーク１０Ａを切削する。図１３は、本実施形態に係る固定治具を示す背面図であり、図１４は、本実施形態に係る固定治具を示す正面図である。図１２は、図１３のＡ－Ａ線で切断した断面図である。

　固定治具２は、第１実施形態の固定治具１と異なり、ワーク１０Ａの内面１５側からのみワーク１０Ａを固定し、ワーク１０Ａの外面１６にはワーク１０Ａを固定する金具等が設置されることはない。そのため、被切削部分である大径部１１、小径部１２及び強め輪固定部１３は、加工時に常時露出している。

　固定治具２は、例えば第１部材５１と、第２部材５２と、第３部材５３のように複数の部材から構成される。それぞれの部材は互いにボルトによって固定される。各部材の内部には、ワーク１０Ａ側から空気を吸引して外部へ空気を排出するための吸引路５６が設けられる。

　第１部材５１の外表面は、ワーク１０Ａの内面１５に沿った曲面を有する。第１部材５１のワーク１０Ａと接触する外表面は、ワーク１０Ａの素材である純ニオブよりも柔らかい材料、例えばＭＣナイロン（登録商標）、純アルミニウム、アルミニウム合金等が用いられる。これにより、固定治具２がワーク１０Ａを吸着固定したときに、ワーク１０Ａの内面１５が傷つくことを防止できる。

　第１部材５１の外表面は、吸引路５６と接続された開口部５４及び開口部５５が形成される。図１２及び図１４に示すように、開口部５４、５５それぞれに直結したＯリング溝５７、５９が、第１部材５１の外表面に形成される。開口部５４、５５とＯリング溝５７、５９が接続されることによって、Ｏリング溝５７、５９内の空気が吸引されて、外部へ排出される。Ｏリング溝５７、５９内には、Ｏリング５８、６０が設置される。図１５は、Ｏリング溝５９内にＯリング６０を設置する場合の一例を示している。

　開口部５４は、ワーク１０Ａの小径部１２側に設けられ、Ｏリング溝５７は、開口部５４よりも小径部１２側に形成される。開口部５５は、ワーク１０Ａの大径部１１側に設けられ、Ｏリング溝５８は、開口部５５よりも大径部１１側に形成される。Ｏリング溝５７、５９が設けられる位置は、可能な限りワーク１０Ａの端部１０ａ、１０ｂに近いことが望ましい。これにより、Ｏリング５８、６０からワーク１０Ａの端部１０ａ、１０ｂまで片持ち状態になる距離が短くなり、切削加工時の振動による加工誤差の発生を抑制できる。

　開口部５４、５５の近傍にＯリング溝５７、５９が形成されることが望ましい。これにより、ワーク１０Ａと第１部材５１との間の空間の空気が吸引される前に、Ｏリング溝５７、５９内のＯリング５８、６０が変形する。その結果、ワーク１０Ａと第１部材５１との間に閉空間が確実に形成され、ワーク１０Ａと第１部材５１との間を負圧にしやすくすることができる。

　吸引路５６の接続先は、真空ユニット（例えばFuji Engineering社の真空チャックユニットMarkIIIなど）であり、真空ユニットは、ワーク１０Ａと第１部材５１との間を負圧にし、ワーク１０Ａを第１部材５１に対して固定する。

　固定治具２を用いてワーク１０Ａを加工する場合、真空ユニットを駆動し、ワーク１０Ａと第１部材５１との間に存在する空気を吸引して、ワーク１０Ａと第１部材５１との間を負圧にする。これにより、ワーク１０Ａが第１部材５１に対して固定される。そして、固定治具２を回転駆動部によって回転させて、ワーク１０Ａを軸線周りに回転させる。回転しているワーク１０Ａに対して切削工具４を用いることによって、ワーク１０Ａが加工されてハーフセル１０が形成される。

　真空吸着によって、ワーク１０Ａと第１部材５１が密着することから、加工時にワーク１０Ａが位置ずれすることを防止できる。被切削部分である大径部１１、小径部１２及び強め輪固定部１３は、加工時に常時露出していることから、段取り替えすることなく、全ての被切削部分を切削できる。したがって、ワーク１０Ａからハーフセル１０を形成する際の形状精度を向上させつつ、加工能率を高めることができる。

１，２　固定治具
３　爪
４　切削工具
１０　ハーフセル
１０Ａ　ワーク
１１　大径部
１２　小径部
１３　強め輪固定部
２０　超伝導加速空洞
２１　強め輪
３１　雄型
３２　雌型
３３　第１大径側金具
３４　第２大径側金具
３５　第１小径側金具
３６　第２小径側金具
３７　第３小径側金具
５１　第１部材
５２　第２部材
５３　第３部材
５４，５５　開口部
５６　吸引路
５７，５９　Ｏリング溝
５８，６０　Ｏリング

Claims (4)

1. 　一端側が大径部であり、他端側が小径部である中空状の被切削対象を加工して、加速空洞部材を形成する加工装置であって、
   　前記被切削対象を固定する固定治具と、
   　前記固定治具を回転させる回転駆動部と、
   　前記被切削対象を切削する切削工具と、
   を備え、
   　前記固定治具は、複数の部材からなり、
   　前記被切削対象において第１の被切削部分を切削するとき、前記複数の部材は、前記第１の被切削部分が露出するように第１のパターンで組み合わされ、前記被切削対象において第２の被切削部分を切削するとき、前記複数の部材は、前記第２の被切削部分が露出するように前記第１のパターンと異なる第２のパターンで組み合わされ、
   　前記被切削対象を取り外さずに、前記第１のパターンから前記第２のパターンへ前記複数の部材の組み合わせが変更される加工装置。
2. 　一端側が大径部であり、他端側が小径部である中空状の被切削対象を加工して、加速空洞部の半割り部材を形成する加工装置であって、
   　前記被切削対象の被切削部分が露出するように、前記被切削対象の内面を吸引して前記被切削対象を固定する固定治具と、
   　前記固定治具を回転させる回転駆動部と、
   　前記被切削対象を切削する切削工具と、
   を備える加工装置。
3. 　一端側が大径部であり、他端側が小径部である中空状の被切削対象を加工して、加速空洞部材を形成する加工装置を用いた加工方法であって、
   　複数の部材からなる固定治具が、前記被切削対象を固定するステップと、
   　回転駆動部が、前記固定治具を回転させるステップと、
   　切削工具が、前記被切削対象を切削するステップと、
   を備え、
   　前記被切削対象を固定するステップは、
   　前記被切削対象において第１の被切削部分を切削するとき、前記複数の部材を、前記第１の被切削部分が露出するように第１のパターンで組み合わせるステップと、
   　前記被切削対象において第２の被切削部分を切削するとき、前記複数の部材を、前記第２の被切削部分が露出するように前記第１のパターンと異なる第２のパターンで組み合わせるステップと、
   を有し、
   　前記被切削対象を取り外さずに、前記第１のパターンから前記第２のパターンへ前記複数の部材の組み合わせが変更される加工方法。
4. 　一端側が大径部であり、他端側が小径部である中空状の被切削対象を加工して、加速空洞部の半割り部材を形成する加工装置を用いた加工方法であって、
   　固定治具が、前記被切削対象の被切削部分が露出するように、前記被切削対象の内面を吸引して前記被切削対象を固定するステップと、
   　回転駆動部が、前記固定治具を回転させるステップと、
   　切削工具が、前記被切削対象を切削するステップと、
   を備える加工方法。

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