JP2016028844A - 軸方向機械加工装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ドリル加工装置、詳細には、例えば、機体又は翼部品のような大きな寸法の航空機加工物を機械加工するための装置を更に改善する必要性がある。
【解決手段】ハウジング（２）内で回転可能なツールキャリアスピンドル（３）を備え、ハウジングが、ハウジング（２）に対してスピンドルを自動的に前進させる伝達システム（２）を収容し、伝達システム（５）が送り歯車（１５）を含む、軸方向機械加工装置（１）を提供し、スピンドル（３）の前進方向（Ａ）とは反対の第１の軸方向で送り歯車（１５）を付勢する弾性戻り部材（４０）を含み、軸方向構成要素を有する起伏のある軌道路上で転動し、これにより送り歯車（１５）を周期的に付勢して第１の方向とは反対の第２の方向で移動させ、スピンドル（３）の回転が軸方向振動運動に付随して起こるようになる転動部材（５１）を有する第１の転動軸受（５０）を含む。
【選択図】図２

Description

本発明は、ドリル加工、ボーリング加工、及びミル加工などの軸方向機械加工に関し、より詳細には、工具（例えば、ドリルビット）に対して前進及び送り移動を加える手段を組み込んだ小型装置に関する。

出願人ＳＥＴＩ ＴＥＣによる特許出願ＦＲ２８８１３６６号では、ビットキャリアスピンドルを回転駆動するための駆動歯車と、ネジ接続によりビットキャリアスピンドルに接続された送り歯車とを含むドリル加工装置を記述している。

同様の装置が図１に示されている。この図において、参照符号は、同一又は同様の構成要素を参照するために以下で使用されるものと同じである。

振動ドリル加工装置はまた、以下の公報：ＷＯ２００８／０００９３５Ａ１、ＤＥ１０２００５００２４６２Ｂ４、ＵＳ７５１００２４Ｂ２、ＦＲ２９０７６９５、及びＵＳ２００７／２０９８１３から公知である。

振動による支援は、切り屑の細分化並びに詰まりのリスクを排除することによる穿孔の品質向上、工具の長寿命化、及び本方法の信頼性の向上に役立つ。

公報ＦＲ２９０７６９５、ＵＳ７５１００２４、及びＵＳ２００７／２０９８１３において、周期的振動は、転動部材なしでカムによって発生する。これは、カムに対する摩擦を生じさせ、これにより熱及び異音が発生する。加えて、振動周波数は、送り歯車とスピンドル又はハウジングとの間の回転速度の差の整数倍であり、この差がカムの周期点振動数に直接関連するので、切り屑の良好な細分化に最適な振動周波数が常に得られるとは限らない。

特許ＤＥ１０２００５／００２４６２では、軸方向振動を生じさせる目的でドリルビットの進行方向に波状になった軌道路を含む転動軸受に対してバネが戻り力を作用させる。ドリルビットへの軸方向圧力が大きい場合には、転動部材が波状になった軌道路上で転動を停止させ、ビットが周期的振動を停止させる可能性がある。このような欠点を回避するために、バネは極めて大きな剛性を持たねばならず、寸法が過大な軸受をもたらす可能性がある。これは、コスト及びサイズの増加を生じさせる。

更に、装置は、スピンドルの端部に取り付けられ、前進システムでは、これにより全体のサイズが付加され、より複雑なものとなる。

仏国特許第２８８１３６６号公報 国際公開第２００８／０００９３５号 独国特許第１０２００５００２４６２号 米国特許第７５１００２４号明細書 仏国特許第２９０７６９５号公報 米国特許出願公開第２００７／２０９８１３号明細書 独国特許出願公開第１０２００５／００２４６２号

ドリル加工装置、詳細には、例えば、機体又は翼部品のような大きな寸法の航空機加工物を機械加工するための装置を更に改善する必要性がある。

従って、本発明は、ハウジング内で回転可能なツールキャリアスピンドルを備えた軸方向機械加工装置を提供し、ハウジングは、回転駆動されるツールキャリアスピンドルの作用によりハウジングに対してスピンドルを自動的に前進させる伝達システムを収容し、該伝達システムは、スピンドル上にネジで結合された送り歯車を含む。

本装置は、好ましくはスピンドルの前進方向（すなわち、機械加工中の移動方向）とは反対の第１の軸方向に送り歯車を付勢する弾性戻り部材を含む。本装置は、起伏のある（波状になった）軸方向構成要素を有する起伏軌道路上で転動し、これにより送り歯車を周期的に付勢して第１の方向とは反対の第２の方向で移動させて、スピンドルの回転が軸方向振動運動に付随して起こるように転動部材を有する第１の転動軸受を含む。

本発明の装置は、振動運動をもたらす手段がハウジング内部で一体化されるので小型である。転動部材により摩擦も大きく低減される。

更に、本発明は、回転歯車の回転速度に関連付けられた周波数の軸方向振動を発生させることができ、従って、事前設定とは関係なく回転当たりの周期的振動数を一定に維持することができる。本発明の変形形態において、第１の軸受が送り歯車に直接当接し、従って、軸方向振動周波数が回転歯車の回転速度と直接関連付けられて、ツールキャリアスピンドルの回転速度とは関連付けられていない場合、この特定の利点は失われるが、別の利点は依然としてある。

戻り部材がスピンドルの前進方向とは反対の方向に送り歯車を付勢することは有利である。これは、第１の転動軸受を用いてスピンドルの前進方向に軸方向力を作用させることが可能になる。従って、ドリルビットが軸方向に過負荷である場合でも、ドリルビットは振動運動に引き続き曝される。更に、戻り部材も第１の転動軸受もどちらも過大寸法にされる必要はない。従って、本装置は、スピンドル伝達及び前進システムを収容するハウジング内で容易に一体化した状態のままにされる。

ローラーはボールよりも大きな力に耐えることができるので、第１の転動軸受はローラーを有するのが有利である。

起伏軌道路は、ステップダウン歯車装置として作用し且つ回転当たりの周期的振動数を低減する遊星歯車装置のように転動部材と協働する。従って、第１の軸受は、遊星歯車装置によって摩擦の低減及び振動運動の低減の両方の役割を果たす。

起伏軌道路は、ツールキャリアスピンドルの整数ではない無理数の回転当たりの振動周期を生成するよう構成することができる。ツールキャリアスピンドルの回転当たりの振動周期の数は、例えば、１と３の間（端値は含まず）とすることができ、詳細には約１．５又は２．５に等しいとすることができる。起伏軌道路は、奇数の起伏、例えば、回転当たりに正弦曲線の起伏を有することができる。例えば、起伏軌道路上の３つの起伏は、転動部材の回転の場合、スピンドルの回転当たりに約１・¹/₂の周期的振動を発生することができる。非整数であることは、ドリル加工中の刃先が追従する平行なパスを回避することができ、これにより切り屑が細分化される有効性が向上する。

起伏軌道路は、ツールキャリアスピンドルの回転当たりの非整数及び無理数の振動周期を生成するのが好ましい。

第１の転動軸受は、平坦リングと起伏リングとを有することができ、転動部材がこれらの間で回転し、これらのリングは装置内では固定又は可動である。起伏リングは起伏軌道路を定める。

平坦リングと起伏リングとの間の転動部材の数は、起伏リングにおける起伏数に等しい。

リングの１つが起伏しているので、経路及びその後に続くリングの転動部材は、２次元（２Ｄ）円ではなく、３次元（３Ｄ）正弦波である。従って、リングの寸法が同じであっても平坦リング上及び起伏リング上の経路の長さは異なる。

Ｗｉｌｌｉｓの式を本発明に適用することができる。従って、起伏リング上の現在点の経路は、以下のように記述することができる。

上式で、Ｒ１はリング上の経路半径、θは現在点によって形成される角度、Ｎは起伏数、Ａはこれらの起伏の振幅である。

この式を微分すると、以下の式が得られる。

この式の絶対値又は「ノルム」は、曲線横軸の微分関数、すなわち、起伏リングの経路ｓ₁の長さを得るのに役立つ。

上式を積分すると、曲線横座標ｓ１を計算するのに役立つ。

上式で、上記の積分は、第２種不完全楕円積分である。平坦リング上では、経路ｓ₂の長さは、単に円周として記述することができる。

上式で、Ｒ２はリング半径である。

移動リング又は固定リングそれぞれに対する遊星歯車装置の減速比ｒ₁及びｒ₂は、以下のように記述することができる。

この計算は、多数のパラメータを必要とし、その性質上、以下の実施例で説明するように、無理数の回転当たりの周期的振動数を生じる。

平坦及び起伏リングを等しい半径にし、すなわち、Ｒ１＝Ｒ２＝２０ミリメートル（ｍｍ）、これらの振幅をＡ＝０．５ｍｍとすることによって、遊星歯車装置の減速比は、ｒ₁＝０．５００３５１、ｒ₂＝０．４９９６４９にほぼ等しく、これにより起伏リングが固定である場合にスピンドルの回転当たりに１．５０１０５の振動周期、平坦リングが固定である場合にはスピンドルの回転当たりに１．４９８９５の振動周期が得られる。

異なる値の半径、すなわちＲ１＝２２ｍｍ及びＲ２＝２０ｍｍを用いて、同じ起伏数に対してＡ＝０．１ｍｍとすると、遊星歯車装置の減速比は、ｒ₁＝０．５２３８２１、ｒ₂＝０．４７６１７９にほぼ等しく、固定起伏リングにおいてスピンドルの回転当たりに１．５７１４６の振動周期、固定平坦リングにおいてスピンドルの回転当たりに１．４２８５４の振動周期が得られる。

スピンドルの回転当たりの周期的振動が無理数であることにより、自続振動又はチャタリングのリスクを回避することができる。

特に本装置を用いてカウンターシンク（穴面付け）及びカウンターボーリング（座ぐり）加工作業を実施する際には、回転当たりの非整数及び無理数の周期的振動を有することは特に有利である。回転当たりの無理数の周期的振動により、特にその期間中に前進が無い数秒間のストローク終了の中断があるときに、作業終了時の形状欠陥を排除することが可能となる。規定の回転数のストロークの終わりで前進が終了した場合には、回転当たりの非整数及び無理数の周期的振動を用いると、結果として生じる面（例えば、円錐又は平面とすることができる）は、ある１つの場所で恒久的にあらゆる局所的な周期的振動を受けることがなく、よって形状欠陥が存在する場合でも許容可能である。各周期的振動のピークは、先導の周期的振動に対して僅かに角度方向でオフセットされている。

伝達システムは、ツールキャリアスピンドルを回転駆動する役割を果たし、且つハウジングに対して軸方向への移動を可能にしてハウジング内に配置される回転歯車を含むことができる。第１の転動軸受は、回転歯車に直接当接することができる。

回転歯車は、送り歯車と第１の転動軸受との間に位置付けることができるが、変形形態では、送り歯車は、回転歯車と第１の転動軸受との間に位置付けることもできる。

本装置は、送り歯車と回転歯車の間に配置される第２の転動軸受を有することができる。

送り歯車は、第３の転動軸受、詳細にはニードル軸受内で回転することができる。ニードル軸受は、送り歯車の軸方向移動の対応がボール軸受よりもより容易になる。

弾性戻り部材は、バネワッシャを備えることができ、ここをツールキャリアスピンドルが貫通する。バネワッシャは、ツールキャリアスピンドルが貫通する第４の転動軸受の半径方向内側リングに支持され、例えば、転動軸受が２つの列のボールを有し、これにより誘導精度を向上させることが可能となる。

本発明はまた、上記で定義されたように装置を使用する軸方向機械加工方法を提供する。

本発明は、本発明の非限定的な実施形態に関する以下の詳細な説明を読み、且つ添付図面を精査すると更に深く理解することができる。

従来技術の装置の一例の長手方向断面図である。 本発明に従って形成されたドリル加工装置の一例を示す、図１と同様の図である。 変形実施形態を示す、図２と同様の図である。 起伏軌道路の一例を示す斜視図である。 本発明に従って形成された例示的な装置の運動学的又は透視図である。 本発明の総地温種々の実施形態の運動力学的図である。 本発明の総地温種々の実施形態の運動力学的図である。

図２に示す本発明による機械加工装置、詳細にはドリル加工装置は、ツールキャリアスピンドル３の一部を収容するハウジング２と、スピンドル３を自動的に駆動し前進させるシステム５とを備える。システム５は、図５及び７に示す駆動モータ１１２に結合され、該モータは、例えば、空気モータとすることができる。スピンドル３は、ドリルビット又はカッター（図示せず）を駆動し、例えば、ドリル加工などの軸方向機械加工を実施するようにする。

例証として、システム５は、特許出願ＦＲ２８８１３６６に記載されたものと同様であり、スピンドル３と共に回転すると同時に、これ対して軸方向に移動可能にする回転歯車１０を備え、回転歯車１０とスピンドル３との間の接続は滑動接続であり、例えば、スピンドル３は、回転歯車１０の対応するスプラインが係合する起伏を有することができる。

回転歯車１０は、モータに結合された駆動ホイール１１によって軸線Ｘの周りで回転駆動される。

システム５はまた、軸線Ｘに沿ってハウジング２内部で軸方向に移動可能であり、且つスピンドル３のネジ付き部分上にネジで結合されたネジ部１６を含む送り歯車１５を有し、スピンドル３に対する送り歯車１５を転回させることにより、スピンドルが軸方向に移動するようになる。例証として、スピンドルは、該スピンドルのおよそ１回転につき約０．１ｍｍ前進することができる。スピンドルの回転速度は、例えば、３００〜５００毎分回転数（ｒｐｍ）の範囲にあることができる。

送り歯車１５は、回転歯車１０に対して回転することができ、図示のように、ボールなどの転動部材を有する転動軸受１７がこれらの間で軸方向に配置される。

送り歯車１５は、下部誘導転動軸受１８内で回転することができ、該下部誘導転動軸受１８は、ハウジング２に対する一定の上向き軸方向ストロークを送り歯車１５が有することができるようにしながら回転誘導する機能を果たす。

バネワッシャ４０などの弾性戻り部材４０は、送り歯車１５と軸受１８との間に配置される。バネワッシャ４０は、軸受１８の内側リングに対して軸方向で当接する。

回転歯車１０は、軸線Ｘに沿ってハウジング２内部で移動可能であり、送り歯車１５及び軸受１７を介してバネワッシャ４０により上向きに移動するよう付勢される。

転動軸受５０は、送り歯車１５から遠隔にあり、ハウジング２と回転歯車１０との間に配置される。従って、回転歯車１０は、バネワッシャ４０により軸受５０に当接するよう付勢される。

軸受５０は、図示の実施例においては、ケージ５４内に挿入されたローラーであり、且つ上部転動軸受５５に支持されて回転歯車１０を誘導する円滑上部軸受リング５２と、回転歯車１０の肩部８８上に載って起伏軌道路を定める起伏下部リング５３との間で回転する転動部材５１を提示する。軸方向構成要素を備えた起伏軌道路１００の一例が図４に示される。この図は、上述のような、リングの半径Ｒ１と、スピンドルの回転当たりの振動期間数を計算する際に用いられる角度θとを示している。

各転動部材５１の回転軸は、図示のように軸線Ｘに垂直とすることができる。

例証として、上部軸受５１は、ボール軸受であるが、他の何れかのタイプの軸受であってもよい。

起伏軌道路により、ローラー５１が回転中に軸方向に移動するようになる。この軸方向移動の最大振幅は、例えば、０．２ｍｍ〜０．４ｍｍの範囲とすることができる。このような軸方向移動は、回転歯車１０を介して送り歯車１５に、及びひいてはツールキャリアスピンドル３に伝達される・

起伏軌道路は、好ましくは、回転当たりに奇数の起伏を有し、回転周波数の非整数倍、詳細には無理数倍の振動周波数を得るようにする。

システム５は、送り歯車１５を駆動するための駆動ホイール６０を含み、該駆動ホイールは、ドッグクラッチによりホイール１１に結合され、スピンドルを引き上げることができるようにスピンドル３の下向きストロークの終わりに自動的に駆動ホイール１１から結合解除することができる。

ホイール６０は、回転歯車１０の回転速度とは僅かに異なる回転速度で送り歯車１５を駆動し、既知の方法で前進方向Ａのスピンドル３に望ましい前進移動を生成するようにする。

スピンドル３の前進移動の終わりに、スピンドル３によって支持される当接部９０は、回転歯車１０の末端面に当接するようになり、これにより駆動ホイール６０が駆動ホイール１１から離れて移動するようになる。

駆動ホイール６０は、シールリング９２を支持するピストン７０を下向きに引き寄せる。駆動ホイール６０が駆動ホイール１１に結合されると、シールリングは、加圧空気入口９４からピストン上部に位置するチャンバ７２を隔離する。ピストン７０が下向きに移動されると、シールリング９２は、密閉状態の支持を中断し、チャンバ７２上に存在する圧力がピストン７０を下向きに駆動する。次いで、駆動ホイール１１及び６０は、完全に結合解除され、スピンドルが上向き移動を実施することができる。上向き移動の終わりにスピンドル３によりバルブ９６が作動され、これによりチャンバ７２を大気圧にし、ピストン７０が戻りバネ７３の作用下で引き上げることができるようになる。駆動ホイール１１及び６０は繰り返し共に結合することができる。

伝達システムは、特許出願ＦＲ２８８１３６６に記載されたものと同様とすることができる。

図３に示す変形実施形態は、特に下部軸受１８が軌道路間での軸方向移動をより容易に対応するニードル軸受と置き換えられている点で図２の実施形態とは異なっている。スピンドル３は、２列のボールを有し軸受９９によって下端部で誘導される。

ニードル軸受１００はまた、回転歯車１０の回転を誘導する上部軸受５５を置き換えるのにも使用される。

スピンドル３の上部は、ボール軸受１０１により回転して誘導される。バネワッシャ４０は、２列のボールを有する軸受９９の下部リングに支持される。

図５は、本発明に従って構成された装置の一例の概略図である。

この図は、上述の装置の主要要素間の接続を示している。伝達システム５が駆動ホイール１１により結合されたモータ１１２もまた見ることができる。

図６及び７の変形形態では、システム５は、送り歯車と伝達歯車とが入れ替えられた構成で組み込まれている。戻り手段４０の位置は、図６と図７の実施形態とで異なっている。

当然のことながら、本発明は図示の実施例に限定されない。詳細には、伝達及び前進システム５を別の方式で形成することができる。

用語「備える」は、「少なくとも１つを備える」ことと同義であると理解されたい。

２ ハウジング
３ ツールキャリアスピンドル
５ システム
１０ 回転歯車
１５ 歯車
４０ 弾性戻り部材、バネワッシャ
５０ 転動軸受
５１ 転動部材
６０ 駆動ホイール
７０ ピストン

Claims (16)

1. ハウジング（２）内で回転可能なツールキャリアスピンドル（３）を備え、前記ハウジングが、回転駆動される前記ツールキャリアスピンドルの作用により前記ハウジングに対してスピンドルを自動的に前進させる伝達システム（２）を収容し、前記伝達システムが前記スピンドル上にネジで結合された送り歯車（１５）を含む、軸方向機械加工装置（１）であって、
   前記スピンドルの前進方向（Ａ）とは反対の第１の軸方向に前記送り歯車を付勢する弾性戻り部材（４０）と、
   軸方向構成要素を有する起伏のある軌道路上で転動し、これにより前記送り歯車（１５）を周期的に付勢して第１の方向とは反対の第２の方向に移動させ、前記スピンドルの回転が軸方向振動運動に付随して起こるようになる転動部材（５１）を有する第１の転動軸受（５０）と、を含む、ことを特徴とする装置。
2. 前記第１の転動軸受（５０）がローラー（５１）を有する、請求項１に記載の装置。
3. 前記起伏軌道路が、前記ツールキャリアスピンドルの回転当たりの非整数の振動周期を提示する、請求項１又は２の何れかに記載の装置。
4. 前記起伏軌道路が、前記スピンドルの回転当たりの無理数の振動周期を生成する、請求項３に記載の装置。
5. 前記伝達システム（５）が、前記ツールキャリアスピンドル（３）を回転駆動する機能を果たし且つ前記ハウジングに対して軸方向への移動を可能にして前記ハウジング（２）内に配置される回転歯車（１０）を含む、請求項１から４の何れかに記載の装置。
6. 前記回転歯車（１０）が、前記送り歯車（１５）と前記第１の転動軸受（５０）との間に位置する、請求項５に記載の装置。
7. 前記送り歯車（１５）と前記回転歯車（１０）との間に配置された第２の転動軸受（１７）を含む、請求項５又は６の何れかに記載の装置。
8. 前記送り歯車（１５）が、第３の転動軸受、詳細にはニードル軸受（９８）内で回転する、請求項１から７の何れかに記載の装置。
9. 前記弾性戻り部材（４０）が、前記ツールキャリアスピンドル（３）を貫通させるバネワッシャを備える、請求項１から８の何れかに記載の装置。
10. 前記バネワッシャが、前記ツールキャリアスピンドル（３）が通過する第４の転動軸受、詳細には２列のボールを有する軸受（９９）の半径方向内側リングに当接している、請求項９に記載の装置。
11. 前記第１の方向が前記スピンドルの前進方向（Ａ）とは反対である、請求項１から９の何れかに記載の装置。
12. 前記起伏軌道路が奇数の起伏を有する、請求項１から１１の何れかに記載の装置。
13. 前記第１の転動軸受（５０）は、平坦リング（５２）と起伏リング（５３）とを有し、転動部材（５１）がこれらの間で回転し、前記起伏リング（５３）は、起伏軌道路を定め、前記平坦リング（５２）または前記起伏リング（５３）は、前記装置内で固定である、請求項１から請求項１１の何れかに記載の装置。
14. 前記ツールキャリアスピンドルの回転当たりの振動周期の数は、１と３の間にある、請求項３または請求項４に記載の装置。
15. 請求項１から１４の何れかにおいて定義された装置（１）を使用する、加工物において軸方向機械加工を実施する方法。
16. カウンターシンク又はカウンターボーリング加工作業に適用される、請求項１５に記載の方法。

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