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  • 特開-タップ加工方法及びタップ加工装置 図1
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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2024173562
(43)【公開日】2024-12-12
(54)【発明の名称】タップ加工方法及びタップ加工装置
(51)【国際特許分類】
   B23G 1/16 20060101AFI20241205BHJP
   B23Q 17/09 20060101ALI20241205BHJP
【FI】
B23G1/16 A
B23Q17/09 A
B23Q17/09 H
【審査請求】未請求
【請求項の数】4
【出願形態】OL
(21)【出願番号】P 2023128720
(22)【出願日】2023-08-07
(31)【優先権主張番号】P 2023090387
(32)【優先日】2023-05-31
(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP
(71)【出願人】
【識別番号】000149066
【氏名又は名称】オークマ株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100078721
【弁理士】
【氏名又は名称】石田 喜樹
(74)【代理人】
【識別番号】100121142
【弁理士】
【氏名又は名称】上田 恭一
(72)【発明者】
【氏名】吉野 清
【テーマコード(参考)】
3C029
【Fターム(参考)】
3C029CC07
(57)【要約】
【課題】高い汎用性を有すると共に、タップの折損を防止しながら高い精度で雌ねじを加工可能なタップ加工方法及びタップ加工装置を提供することを目的とする。
【解決手段】先端部に取り付けられた工具ホルダによりタップを保持し回転動作する主軸の回転位相と、主軸の回転軸方向におけるタップにより加工される被削材と主軸との位置とを同期させて、切削により雌ねじを成形するタップ加工方法であって、同期の際に、切削速度に応じて生じるタップのねじれ変形の角度量θを、主軸の回転位相に加算、又は減算する。
さらに、タップのねじれ変形の角度量θは、予め、材料力学に基づく計算、有限要素法、又は実測の少なくとも何れかにより求められるタップのねじれ変形の角度量と切削速度との関係から算出される。
【選択図】図6
【特許請求の範囲】
【請求項1】
先端部に取り付けられた工具ホルダによりタップを保持し回転動作する主軸の回転位相と、前記主軸の回転軸方向における前記タップにより加工される被削材と前記主軸との位置とを同期させて、切削により雌ねじを成形するタップ加工方法であって、
前記同期の際に、切削速度に応じて生じる前記タップのねじれ変形の角度量を、前期主軸の回転位相に加算、又は減算することを特徴とするタップ加工方法。
【請求項2】
前記タップの前記ねじれ変形の角度量は、予め、材料力学に基づく計算、有限要素法、又は実測の少なくとも何れかにより求められる前記タップの前記ねじれ変形の角度量と前記切削速度との関係から算出されることを特徴とする請求項1に記載のタップ加工方法。
【請求項3】
先端部に取り付けられた工具ホルダによりタップを保持し回転動作する主軸の回転位相と、前記主軸の回転軸方向における前記タップにより加工される被削材と前記主軸との位置とを同期させて、切削により雌ねじを成形するタップ加工装置であって、
前記同期の際に、切削速度に応じて生じる前記タップのねじれ変形の角度量を、前期主軸の回転位相に加算、又は減算することを特徴とするタップ加工装置。
【請求項4】
前記タップの前記ねじれ変形の角度量は、予め、材料力学に基づく計算、有限要素法、又は実測の少なくとも何れかにより求められる前記タップの前記ねじれ変形の角度量と前記切削速度との関係から算出されることを特徴とする請求項3に記載のタップ加工装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、工作機械によるタップ加工に用いられるタップ加工方法及び当該方法を実行可能なタップ加工装置に関する。
【背景技術】
【0002】
雌ねじ加工を行う工具であるタップを用いてNC工作機械で被加工物に雌ねじを成形するタップ加工は、主軸の回転位相と、主軸の回転軸方向における主軸と被加工物との位置との同期を取り、加工を実行するものである。しかし、加工がねじ底付近まで進んだときにタップが折損する事例が、しばしば見られる。この原因は、タップを抜き取るために、ねじ底でタップを反転動作させた際に、主軸回転位相と回転軸方向の位置との同期が不十分になるためと考えられている。
そこで、例えば特許文献1では、タップを把持するホルダを、ホルダ内に弾性体を含むことで弾性を有する構造とし、同期の不十分さを吸収することで折損を防止する技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【特許文献1】特開2012-011474号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
しかし、特許文献1に開示された方法は、機械的要因である弾性構造に依るものであるため、経年変化により弾性体の剛性が変化した場合、精度が悪化することが考えられる。また、当該方法を実施するためには、弾性体を備える特殊なホルダを用いる必要があり、タップのサイズ毎に異なるホルダを準備しなくてはならない。従って、当該方法は、継続的な精度の確保、汎用性に課題が残っている。
【0005】
そこで、本開示は、上記問題に鑑みなされたものであって、高い汎用性を有すると共に、タップの折損を防止しながら継続的に高い精度で雌ねじを加工可能なタップ加工方法及びタップ加工装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0006】
上記目的を達成するために、本開示の第1の構成は、先端部に取り付けられた工具ホルダによりタップを保持し回転動作する主軸の回転位相と、主軸の回転軸方向におけるタップにより加工される被削材と主軸との位置とを同期させて、切削により雌ねじを成形するタップ加工方法であって、同期の際に、切削速度に応じて生じるタップのねじれ変形の角度量を、主軸の回転位相に加算、又は減算することを特徴とする。
本開示の第1の構成の別の態様は、上記構成において、タップのねじれ変形の角度量は、予め、材料力学に基づく計算、有限要素法、又は実測の少なくとも何れかにより求められるタップのねじれ変形の角度量と切削速度との関係から算出されることを特徴とする。
上記目的を達成するために、本開示の第2の構成は、先端部に取り付けられた工具ホルダによりタップを保持し回転動作する主軸の回転位相と、主軸の回転軸方向におけるタップにより加工される被削材と主軸との位置とを同期させて、切削により雌ねじを成形するタップ加工装置であって、同期の際に、切削速度に応じて生じるタップのねじれ変形の角度量を、主軸の回転位相に加算、又は減算することを特徴とする。
本開示の第2の構成の別の態様は、上記構成において、タップのねじれ変形の角度量は、予め、材料力学に基づく計算、有限要素法、又は実測の少なくとも何れかにより求められるタップのねじれ変形の角度量と切削速度との関係から算出されることを特徴とする。
【発明の効果】
【0007】
本開示は、機械的な要因に依らず、機械による制御をもってタップの折損を防止できるため、継続的に高い精度で雌ねじを成形可能である。また、特殊な設計を具備していない汎用的な工具ホルダの利用が可能となるため、汎用性が高い。
【図面の簡単な説明】
【0008】
図1】実施例の工作機械の構成図である。
図2】一般的なタップを示す説明図である。
図3】ねじの谷の切削断面におけるタップによる切削の様子を示す説明図である。
図4】ねじれ変形が生じたタップにおける不完全ねじ部によるねじの谷の切削断面を示す図である。
図5】ねじれ変形が生じたタップにおける完全ねじ部によるねじの谷の切削断面を示す図である。
図6】切削速度とタップのねじれ変形の角度量との関係を模式的に示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【0009】
以下、本開示の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図1は、実施例の工作機械の構成図である。図1では、奥行き方向をX軸方向とし、上方向をY軸方向、右方向をZ軸方向とする。また、図1に示す工作機械では、カバー及びその他の設備を省略しているが、実際には、図示を省略したカバー及びその他の設備を備えるものである。
【0010】
タップ加工装置として稼働可能な工作機械であるマシニングセンタMは、図1に示すように、ベッド7に、X軸方向に移動可能なコラム6が配置される。また、コラム6に対してY軸方向に移動可能な主軸頭1が配置されている。主軸頭1は、図示しない主軸モータにより動力を得て回転可能な主軸2を具備している。主軸2は、先端部に、工具ホルダ3を介して、タップ4が取り付けられている。一方、主軸2の後端には、主軸2の回転位相を検出する図示しない検出器が設置されている。ベッド7に、Z軸方向に移動可能なテーブル8が配置され、テーブル8の上に、被削材5が固定されている。テーブル8は、図示しないZ軸モータの動力によりZ軸に沿って移動し、Z軸モータに取り付けられた図示しないエンコーダによりZ軸方向の位置が検出される。テーブル8と同様に、コラム6及び主軸頭1も、それぞれ図示しないX軸モータ及びY軸モータの動力、または既知の別の動力によってX軸及びY軸に沿って移動し、図示しないエンコーダによりそれぞれの位置が検出される。
【0011】
マシニングセンタMの動作は、図示しない制御装置により制御される。加えて、制御装置は、検出器、エンコーダをはじめとするマシニングセンタMに付帯するセンサ類により取得された情報の記憶、処理を行う。制御装置は、種々の処理を可能とするために、CPU及びCPUに接続されたメモリ、並びに所定の情報を入力、出力可能な所定の装置等により構成される。
【0012】
上述した一般的なタップ加工と同様に、本開示のマシニングセンタMによるタップ加工においても、主軸2の回転位相と、主軸2の回転軸方向における主軸2と被削材5との位置とを同期させて加工が行われる。本開示において、主軸2の回転軸方向は、Z軸方向である。従って、マシニングセンタMにおいて、主軸2の回転軸方向における主軸2と被削材5との位置は、テーブル8のZ軸方向の位置として検出される。タップ加工中、マシニングセンタMは、図示しない制御装置により、主軸2の検出器と、テーブル8の位置、すなわちZ軸モータのエンコーダの値が同期するようにコントロールする。これにより、マシニングセンタMは、タップ4を用いた切削加工により、被削材5に雌ねじを形成する。
【0013】
図2は、一般的なタップを示す説明図である。図3は、ねじの谷の切削断面における切削の様子を示す説明図である。
タップ4は、一般的なタップと同様の形状を具備している。従って、図2に示すように、タップ4には、山とも呼ばれる複数の刃が一定のピッチで設けられている。また、タップ4の先端側には、先細りする不完全ねじ部41が形成されている。タップ4の後端側には、タップ4により形成する所望の雌ねじの有効径を具備し、ガイドとしても機能する完全ねじ部42が形成されている。さらに、加工時に被削材5の切屑を排出するために、軸方向と平行に延びる溝が切られている。
被削材5のタップ加工中は、図3に示すように、タップ4における不完全ねじ部41の各刃が、ねじの谷が徐々に深くなるように、AからEの順に前の刃が削った溝を切削していく。
【0014】
ここで、タップの折損原理について検討する。
上述のように、マシニングセンタMにおいてタップ加工は、主軸2の回転位相と、テーブル8のZ軸方向の位置とを同期させて行われる。タップ加工が進行し、タップ4がねじ底に近づくと、マシニングセンタMは、主軸2の回転位相と、テーブル8のZ軸方向の位置との同期をとりながら主軸2の回転速度とテーブル8の送り速度とを低下させていく。そして、ねじ底において、主軸2の回転速度とテーブル8の送り速度とが0とされる。その後、主軸2の回転位相と、テーブル8のZ軸方向の位置との同期を保ったまま、主軸2の回転方向とテーブル8の送り方向とを反転させ、タップ4の抜き動作が行われる。
【0015】
既に説明した通り、従来より、タップ加工がねじ底付近まで進んだときにタップが折損する原因は、タップを抜き取るため、ねじ底でタップを反転動作させることで、主軸の回転位相と、主軸の回転軸方向における主軸と被加工物の位置との同期が不十分になるためと考えられている。
そこで、出願人は、マシニングセンタMにおいて、ねじ底付近における速度低下や反転動作が行われる範囲で、主軸2の回転位相とテーブル8のZ軸方向の位置との関係の調査を行った。その結果、主軸2の検出器とZ軸モータのエンコーダの値は、十分に同期が取れていることが確認できた。従って、ねじ底付近で、主軸の回転位相と、主軸の回転軸方向における主軸と被加工物の位置との同期が不十分になることでタップが折損するという、従来から説明されてきた折損原理では、ねじ底付近でのタップの折損を説明できないことが分かった。
【0016】
ここで、出願人は、一定速度でタップ加工をしているとき、タップ4は、被削材5の切削抵抗を受けて一定のねじれ変形を生じている点に着目した。一般に切削抵抗は、切削速度が遅い方が高いため、ねじ底付近で切削速度が低下すると、被削材5による切削抵抗が増加し、タップ4のねじれ変形量が増加する。そこで、出願人は、ねじ底付近でのタップの折損原因は、切削速度の変化によるタップのねじれ角度量の変化であると考えた。
【0017】
図4は、ねじれ変形が生じたタップにおける不完全ねじ部41によるねじの谷の切削断面を示す図である。図5は、ねじれ変形が生じたタップにおける完全ねじ部42によるねじの谷の切削断面を示す図である。
上述のように、タップ加工において、通常、タップ4は、被削材5のねじの谷が徐々に深くなるように切削していく。しかし、タップ4のねじれ変形量が増加すると、擬似的に主軸2の回転位相が遅れた状態になる。その結果、マシニングセンタMの制御値の上では同期が取れていても、例えば、本来、図4において細線及び二点鎖線で示す図3におけるCの切削断面を形成するはずのタップ4の刃のZ軸方向での位置が、図4に太線で示すようにずれることになる。そして、Z軸方向へ切削断面、すなわちタップ4の刃の位置がずれることで、タップ4は、図4に斜線として示すように、ねじの谷の深さ方向に加えて、ねじの谷のZ軸方向の面であるねじの谷の側面も削ることになる。つまり、タップ4のねじれ変形量の増加により、主軸2と被削材5とのZ軸方向の位置がずれることで、不完全ねじ部41において、切削面積が増加する。
【0018】
このような切削面積が増加する現象は、全ての刃に生じ得る。タップ4のねじれ変形量の増加により、通常は図5で二点鎖線で示す位置でガイドとして機能している完全ねじ部42の刃も、図5に太線で示すように、Z軸方向へ位置がずれる。その結果、完全ねじ部42の刃は、図5に斜線として示す、ねじの谷の側面の切削を担うことになる。
【0019】
上述のようにして生じるZ軸方向における切削面積の増加は、タップ4の各刃にかかる切削負荷を増大させる。そして、それぞれの刃で生じた切削面積の増加に起因する切削負荷の合計は、本来想定されるタップ4の切削負荷に付加される。その結果、タップ4は、許容負荷を越え、折損に至ると考えられる。
【0020】
そこで、本開示では、切削速度に応じて生じるタップ4のねじれ変形の角度量を、主軸2の回転位相に加味することで、テーブル8のZ軸方向の位置と同期させる。以下、具体的に説明する。
図6は、切削速度とタップのねじれ変形の角度量との関係を模式的に示すグラフである。
マシニングセンタMを用いてタップ4により被削材5をタップ加工する際、予め、切削速度とねじれ変形の角度量との関係を、材料力学に基づく計算、有限要素法(FEMとも言われる)、又は実測の少なくとも何れかにより求める。図6に示すように、切削速度Vaを基準とした場合の、切削速度Vbにおけるタップ4のねじれ変形の角度量増加分はθである。なお、増加分θは、切削速度により一意に決まるものである。従って、主軸2の回転速度の低下中において、増加分θは、切削速度の変化に合わせて常に変化する。
【0021】
例えば、速度Vaで切削速度を一定に保った状態でタップ加工を行った後、ねじ底付近で主軸2の回転速度及びテーブル8の送り速度が低下し、切削速度がVbになったとする。このとき、マシニングセンタMは、切削速度がVaからVbに変化した場合のタップ4のねじれ変形の角度量の増加分であるθを、主軸2の回転位相に加算し、タップ4のねじれ変形の角度量の増加分θが加算された主軸2の回転位相と、テーブル8のZ軸位置とが同期するよう制御を行う。
【0022】
このように、タップ4のねじれ変形の角度量の増加分θを加えた主軸2の回転位相と、テーブル8のZ軸位置との同期を取ることで、タップ4にねじれ変形が生じても、Z軸方向へ切削断面の位置がずれることはない。つまり、実際に加工を行っているタップ4の刃は、前の刃が削った被削材5のねじの谷が深くなるようにのみ切削することが可能となる。従って、タップ4に負荷は加算されないため、タップ4の折損を防止できる。加えて、本開示は、特許文献1のような弾性構造を持たない工具ホルダ3で実現できるため、持続的に精度の高い加工が可能となる。また、本開示は、マシニングセンタMの制御により実現可能であるため、タップ4の折損防止のための特別なホルダを準備する必要がなく汎用性が高い。
【0023】
上述のように構成されるタップ加工方法及びマシニングセンタMは、先端部に取り付けられた工具ホルダ3によりタップ4を保持し回転動作する主軸2の回転位相と、主軸2の回転軸方向におけるタップ4により加工される被削材5と主軸2との位置とを同期させて、切削により雌ねじを成形するものであって、同期の際に、切削速度に応じて生じるタップ4のねじれ変形の角度量θを、主軸2の回転位相に加算する。
さらに、タップ4のねじれ変形の角度量θは、予め、材料力学に基づく計算、有限要素法、又は実測の少なくとも何れかにより求められるタップ4のねじれ変形の角度量θと切削速度との関係から算出される。
よって、機械的な要因に依らず、機械による制御をもってタップ4の折損を防止できるため、継続的に高い精度で雌ねじを成形可能である。また、特殊な設計を具備していない汎用的な工具ホルダ3の利用が可能となるため、汎用性が高い。
【0024】
以上は、本開示を図示例に基づいて説明したものであり、その技術範囲はこれに限定されるものではない。例えば、工具ホルダは、タップの保持が可能であれば、既知のホルダから任意に選択可能である。
また、所定の構成の各軸方向の移動は、例えば、同様の移動が可能であれば、コラムが3軸方向に移動可能とされる等しても良い。位置の検出についても、エンコーダ以外の検出手段が利用されても良い。
【0025】
さらに、ねじれ変形の角度量の増加分に関し、基準となる切削速度は任意に設定可能である。例えば、非加工中、すなわち切削速度がゼロの、ねじれのない状態を基準にし、一定速度で加工しているときも、ねじれ変形の角度量の増加分を加算する制御としてもよい。
加えて、被削材の種類により、切削速度の低下に伴って切削抵抗が低下する場合がある。その場合、ねじ底付近において切削速度を低下させた際に、タップのねじれ変形が減少する。従って、上述のような被削材のタップ加工を実施する場合、主軸の回転位相からねじれ変形量の減少分を減算することで、実施の形態と同様の効果を得ることができる。
【符号の説明】
【0026】
1・・主軸頭、2・・主軸、3・・工具ホルダ、4・・タップ、5・・被削材、6・・コラム、7・・ベッド、8・・テーブル、M・・マシニングセンタ(タップ加工装置)。
図1
図2
図3
図4
図5
図6