JP6490060B2 - アクティブ磁気軸受を有する工具軸 - Google Patents

Description

本発明は、請求項１の序文による工具軸及びそれと対応する請求項１２による加工工具に関する。

工具を伴うワーク加工機が、機械工学の分野及び加工工具と呼ばれる物を作製する工具の分野として知られている。より狭い解釈によると、この用語は、本来、接合、形成及び別々の製造プロセスの関連において用いられ、最近では、特に、切削、加工、及び標準ＤＩＮ８５８０及びそれに続くページ、並びにＤＩＮ６９６５１（第１部）の意味の減算的製造プロセスにおいて用いられる。このより限定された定義は、今や、以下の説明をも根拠として用いられている。

ワークを形成する目的で、汎用の加工工具は、該工具とワークとに相対的な動きを生み、この相対的な動きは、伸出し部品又は送込み部品と主部品とを機能的に分割可能とする。現代の加工工具の最も重要な構造的部品は、ダイレクトドライブの場合において、通常、統合された工具インタフェースを持つ心棒（シャフト）に正確に取り付けられる。この構造的部品は、モータ軸として当業者によく知られている。

上述の工具とワークとの相対的な動きは、２つの要素のいずれか一方の回転によって原理的にもたらされるが、従来の穿孔機、研磨機及び粉砕機は、通常、次の文章に工具軸が示された工具送りモータ軸を備えている。独国特許発明第１０１３７４３７号明細書は、例えば、ピストンのピン孔又はコネクティングロッドのコネクティングロッド孔のような孔を開けるための、このような穿孔軸に基づいた加工プロセスが記載されている。また、このような状況において、ピン孔又はコネクティングロッド孔は加工装置の穿孔軸で加工され、該穿孔軸は加工操作中に孔の理論的中心に関してずれて配置され、ピストン又はコネクティングロッドは、加工操作中に前進方向に直線的な動きをする。

特に、非円筒形の孔、例えば球形孔と呼ばれるものは、ここでは、問題が多いことが分かる。このような孔の形成を意図する精密穿孔機が、例えば、独国特許出願公開第４４４２２１８号明細書に記載されている。この提案によると、当該精密穿孔機は、高回転速度で商用の非円筒形孔を形成するために、穿孔軸上にドリルビット（刃先）と加工対象のワークとを装着している。この目的のため、ワーク用のホルダは、少なくとも一方の並進動作において、ドリルビットの特定の回転速度によって決定される周波数と、形成対象とする孔の形状によって決定される誤差とによって振動する。

独国特許出願公開第１０２００８０６３９４５号明細書には、また、非円筒形の孔形状の形成プロセスが言及されており、この場合、軸受ブシュを収容することを意図した、内燃エンジンにおけるピストンのピン孔の場合に集中している。回転と、ピン孔を通して案内され、且つ固定された中心点と移動可能な中心点との間で支えられる直線的に置換可能な穿孔棒と、関連する切削工具とによって、加工はこのプロセス中に起こる。移動可能な中心点は、この場合、大鉈に似たヘッドを持つ電子的なロッカアームに割り当てられる。穿孔棒は、ロッカアームを介して往復するように、及び／又は加工中に、ピン孔の形状が幾何学的に異なって形成されることがない範囲で旋回可能となるように移動可能である。

独国特許出願公開第１０２００５０２０５０１号明細書には、回転し且つ直線的に置換可能な穿孔棒によって、内燃エンジンのピストンに非円筒形のピン孔を導入する同様のプロセスが記載されている。この取り組みによると、穿孔棒は、固定された中心位置と移動可能な中心位置との間に取り付けられるようになっており、また、導入対象の非円筒形状は、ロッカレバーによってスキャンされ、且つ、穿孔棒に伝達されるようになっている。

独国特許発明第１０３０８４４２号明細書によると、対照的に、減算的加工によって適合した孔を作製するために、工具は、回転駆動が可能で磁気的に取り付けられた軸によって駆動される。該工具は、径方向で磁気的に取り付けられた対向主軸によって軸から離れたワークの側面に取り付けられる。軸における径方向の位置、軸の位置及び角度の位置は、径方向センサ、軸センサ及び角度位置エンコーダによって検出され、また、調整システムを介して、プログラム可能な設定値に調整される。

最後に、国際公開第２０１１／００５４９８号は、また、認められるべきであり、該文書は、ピン孔のさらなる形成プロセス及び対応する穿孔システムを提案している。この場合、プロセス及び装置は、滑り部によって支持されたホルダにピストンを締結する構成を含む。同時に、切削エレメントは、ホルダと共に第１軸及び滑り部に関して回転し、切削エレメント方向において第１軸に沿って動くと共に、ピストンを切削エレメントと接した状態で切削する。さらに、当該ホルダは、各々が第１軸を横切って延びると共に、切削エレメントがピストンにおける所望のピン孔の輪郭を生じさせる第２軸及び第３軸にそって動く。

しかしながら、これらの公知の取り組みには、工具軸によって送られる穿孔工具に振動が生じる可能性を有している。これは、主に、小さく且つ深い孔を加工する際の危険要素となる。この範囲で、従来技術によって生じる工具軸の誤差は、工具を支持し且つ円筒形の孔の場合の付加的な支持に存する問題なしに、使用可能なスリーブの使用を困難にする。よって、本発明は、操作中の穿孔工具における過度の振動を防ぐ工具軸を提供することを目的とする。さらに、本発明は、対応する加工工具を創造することを目的とする。

これらの目的は、請求項１の特徴を有する工具軸によって、また、請求項１２の特徴を有する加工工具によって実現される。

従って、本発明は、チャック内に支えられる穿孔工具と共に、駆動軸がその位置決め皿穴において、穿孔工具の遠端で中心に位置する固定点に関して旋回可能であるという程度に、上記の誤差を修正するという基本的な考えに基づいている。このように、工具チップは、開始位置に関して回転軸の方向が顕著に変化し得るにも拘わらず、駆動軸が旋回する際ですら、本来の空間位置に留まる。

端面の位置決め皿穴に形成される、このような穿孔工具の固定点は、今や、この位置決め皿穴に噛み合うスリーブを可能にし、工具軸に関して穿孔工具を支持する工具軸方向に向けられる。このようにして、工具軸を実質的に安定化する。この安定化効果は、また、上述したように、工具軸が旋回する場合に、該工具軸の操作中に維持され得る。これは、スリーブの取り付け位置として役立つ固定ポイントが、この用途でさえ、実質的にその位置を変化し得ず、一般に、位置決め皿穴から外へのスリーブの望まないずり落ちを避けることができるからである。従って、非円筒形又は球形の小さくて深い孔が、本発明に係る工具軸によって可能となる。また、スリーブの配置により、工具の過度の振動を同時に防ぐことができる。

駆動軸の軸取り付けは、この配置において、ある特定の難題を示す。この範囲で、把持用シャンクから相当な距離にある固定点には、対応する端部同士の間に配置された穿孔工具の切削エッジの領域において所望以下の誤差を得られるように、駆動軸の一部に明瞭な角度変化が求められる。従来のアキシャル軸受は、これら所定の力学のある特定の状況下でその幾何学的な制限に到達してしまい、且つ、相当な範囲で所望の旋回動作を妨害する。

この背景に対し、本発明は、軸取り付け（アキシャルマウント）の形状、特に、駆動軸の一部におけるアキシャル軸受の同等の表面に対する本質的な重要性を認識する。このため、好ましい実施形態においては、上記の同等の表面は、アキシャル軸受を径方向に囲むリングによって形成されている。設計の多くの変形例は、当該リングの幾何学的な特徴に利用することができる。

まず、リングの形状として実質的に平面的の実施形態が考慮に入れられる。対応する工具軸においても、支持することに加えて、本発明により提供された旋回動作の効果を有している。また、回転軸に対して垂直な方向の穿孔工具の単なる並進動作は、既に従来技術に相当する。さらに、工具軸を固定点で旋回させるために、アキシャル軸受に関してリングにおける軸受との適当な隙間を設けることは、この場合には好適であり、該リングの十分に自由な動きを確保するために、通常は必要でさえある。

好ましい実施形態においては、これとは対照的に、リングは平面だけでなく固定点の方向に湾曲している。所定の旋回軸（駆動軸及び穿孔工具の共通の回転軸に対して垂直な固定点を通って延びる）を実現するために、固定点に関しての仮想円弧において一致する旋回面と交差するように、リングに、軸取り付けに役立つ表面を形成することは、この場合適切である。

しかしながら、旋回動作にある程度の自由度が要求されることから、配置が特徴的な固定点によって再度形成された中心である、球形のキャップ状にリング表面を設計することが推奨される。

ピストン、ハブ、コネクティングロッド又はカムに特に適した、約１００μｍの誤差を有する工具軸に把持された穿孔工具における振動する旋回動作は、ここでは極めて有利である。このような振動の振る舞いは、例えば、この端部がアクティブ磁気軸受として具体化されたラジアル軸受に電気的に接続された、従来の制御器（コントローラ）によって、引き起こされ得る。

磁気軸受としての実施形態は、アキシャル軸受の場合でさえもかなりの程度の効果を有している。維持費を低減できるという結果を伴う、摩滅がない、従って回転操作中の埃がない、また、アキシャル軸受の損傷をも減じることができるという効果を考えられる。アキシャル軸受の潤滑は、この取り組みにおいて、それなしで済ますことができる。さらに今度は、潤滑油の蒸発又は化学反応を排除することができる。さらに、摩擦損失が低いことは、駆動軸の一部に、特に高回転速度域を達成させる。アキシャル軸受とリングとの機械的な分離の肯定的な結果は、これらの熱的及び電気的な絶縁によって補われる。結局、アクティブ磁気軸受として具体化された場合に、工具軸の操作中において、望まない振動、不均衡及び変動する硬さをも、目標とする減衰にまで到達する可能性が開ける。

これに代えて、例えば、その軸方向において駆動軸における流体静力学的及び空気静力学的な取り付けは、これにより特徴付けられる、構造的な複雑さが低減し、要求されるスペースがより小さく、且つ補助パワーが要求される一方、潜在的に増大する力密度を持つことにより、磁気的な実施形態と比べて適切である。

さらに、本発明の重要な特徴及び効果は、従属請求項、図面及び該図面を参照する図の関連した記載から収集され得る。

上記した特徴及び以下に説明される特徴は、各々の場合に示された組み合わせに限らず、本発明の範囲から逸脱しない範囲の他の組み合わせ又はそれ自体を単体で用いることができる。

本発明の好ましい例示的実施形態は、図面に示され、また、以下の記述により、より詳細に説明される。ここで、同一の参照符号は、同一又は類似又は機能的に同一の部品を表している。

図１は第１の実施形態に係る工具軸受を示す長軸方向の断面図である。 図２は第２の実施形態に係る工具軸受を示す長軸方向の断面図である。 図３は第３の実施形態に係る工具軸受を示す長軸方向の断面図である。 図４は第４の実施形態に係る工具軸受を示す長軸方向の断面図である。

図１は、本発明の第１の実施形態に係る、穿孔工具（ドリルツール）２を備えた比較的に簡単な加工工具１５の基本構造を表している。穿孔工具、ドリル又はドリルビットは、この状況において、加工対象のワークに孔を開けるのに、原理上適当な工具として理解されるべきである。図１に示す穿孔工具２は、種々の切削工具を取り付け可能な穿孔棒である。ここで、穿孔工具２の材料には、適当な硬金属（ハードメタル）を用いることができる。

穿孔工具２の位置決め用に配設された位置決め皿穴４は、図１の延伸する穿孔工具２の端部に形成することができる。この状況により、用語「位置決め皿穴」は、例えば、大きく異なった円錐形若しくは円筒形の穴、又は他の窪みを含み得る。当該位置決め皿穴４は、穿孔工具２を支持するために、スリーブ１７との幾何学的な噛み合いを、心押し台、又は互いに相補な形状を持つ他の位置決め点とする。

穿孔工具２の長軸方向における位置決め皿穴４の反対側の端部領域においては、該反対側の端部領域は、モーステーパ形状で且つ円筒形又は六角形状の把持用シャンク３を有しており、これにより、加工工具１５における穿孔工具２を送る、本発明に係る工具軸（ツールスピンドル）１に該穿孔工具２が把持される。加工工具１５は、上記のスリーブ１７と、反対側の端部領域に配置された工具軸１とに加え、ほぼ長方形状の外形を持つ最終的な収容軸ハウジング１６を含む。ここで、工具軸１は、スリーブ１７と対向する面において、収容軸ハウジング１６の中央の開口部から外に突き出している。この領域において、工具軸１は、クイックリリース把持装置の一部として、穿孔工具２の把持用シャンク３のための容器として役立つ、チャック７を有している。このような把持装置は、手動で素早く開放及び把持を行うことができ、典型的には特別な工具を要せず、例えば、ＨＳＫクイックリリースとしても、当業者に知られている。

穿孔工具２における回転軸６の延長線上において、該回転軸６は、チャック７の方向によって、実質的に既に定義されている。収容軸ハウジング１６の主たる容積は、チャック７を送る駆動軸５によって行き来される。その一部である駆動軸５は、同様に収容軸ハウジング１６内に収容された電動モータ１４のロータ又はステータと機械的に連結されており、回転軸６で回転するように取り付けられている。ここで、径方向の取り付けは、アクティブ磁気軸受として具体化されると共に、収容軸ハウジング１６内で両側面の方向に駆動軸５を囲むラジアル軸受８によってなされている。このことは、安定化（レギュレーテッド）電磁石の目的により、駆動軸５上で径方向に働く軸受力を生む。ここで、ラジアル軸受８と電気的に接続され且つ図示されない電子制御器は、フィードバックを通して駆動軸５の安定性を確実にする。

しかしながら、径方向の取り付けのために、駆動軸５と一体に形成され、且つ、ラジアル軸受８と駆動軸５におけるチャック７の反対側の端部側に配置された電動モータ１４との間に、駆動軸５を径方向に取り囲む中実のリング１１が設けられている。このリング１１は、図１による加工工具１５における第１の実施形態において、駆動軸５の大きさのほぼ２倍の外径を有する実質的に平板で中空のシリンダ形状を有している。また、リング１１は、ラジアル軸受８に対して垂直なアキシャル軸受１２によってその外周領域の両面を導かれる。ここで、リング１１とアキシャル軸受１２との製造上の許容誤差は、それらの相互に作用する対照物の表面同士の所定の軸受隙間１３を許容する。

図２及び図３による加工工具１５における第２及び第３の実施形態は、図１によるこの第１の実施形態とは工具軸１の設計を通して異なり、収容軸ハウジング１６は、その設計に起因する形状要因が異なる。この範囲で、図２に示す工具軸１は、駆動軸５の（チャック７から離れた）端部領域に第２ラジアル軸受９を有している。しかるに、駆動軸５はこの目的に対応して、第１の実施形態と比べて長くなるように形成されている。電動モータ１４は、今や、駆動軸５における第１ラジアル軸受８とリング１１との間に位置する中心部に配置されている。

これと対照的に、図２による実施形態と図１による実施形態との実質的な差異は、リング１１自体の形状にあり、この場合、その外径は相当小さくなるように選択されている。従って、図２における工具軸１のリング１１は、穿孔工具２における位置決め皿穴４の固定点１０の方向に明らかに湾曲しており、また、図１の軸受空隙１３と比べて十分に薄い、単なる空隙によって、その両側を囲むアキシャル軸受１２から分離されている。加えて、アキシャル軸受１２は、駆動軸５自体の外周部にかなり接近して配置されてもおり、位置決め皿穴４で噛み合うスリーブ１７によって回転軸方向６に発揮される機械的な軸−スリーブ力に対して、少なからぬアキシャル軸受力の設定が可能である。この軸−スリーブ力は、穿孔工具２から駆動軸５、該駆動軸５を取り巻くリング１１を介して伝達される。空隙の寸法は、この場合、リング１１の特定の形状の結果として、回転軸６に対して垂直に延びる旋回軸における駆動軸５の旋回動作の場合においてさえ、実質的に不変のままである。それ故、例えば、リング１１とアキシャル軸受１２との間の適当な圧縮機による噴射エアの一定の体積流量を損なうことなく、図２による加工工具１５における第２の実施形態に、空気静力学的な軸受として実施され得る。

具体的に、リング１１の両面上のアキシャル軸受１２と対向する表面は、上述した固定点１０に関して（互いにわずかに異なる半径を持つ）球形のキャップを持つ。中央の固定点１０に関し、個々の表面上の全ての点同士の間の実質的に同一の隙間によって区別される、このような空間幾何学は、ときに、球形の頭蓋帽（スカルキャップ）又は球形の弧としても記述される。駆動軸５における回転軸６及び、従って固定点１０をも含む各旋回面のために、このリング１１の形状は、固定点１０に関する円弧において上記の空間面を横断する両表面を保証する。

より短軸に具現化された駆動軸５によって特徴付けられるとはいえ、類似の設計の変形例が、本発明に係る加工工具１５の第３の実施形態を通して図３に説明される。この筋書きにおいて、工具軸１の駆動軸５を取り巻くリング１１は、図１と比較可能なより大きい外径を再度有しており、球形キャップにおける、類似し且つ拡大された開口角と一致するこの外径が、リング１１を描く。図２の第２ラジアル軸受９は、図２と比べて図１のよりコンパクトな設計に再度帰着し、その代わりとして、ここでは不要となる。

最後に、本発明に係る工具軸１の現状最も効果が高いと考えられる実施形態について、図４を参照しながら説明する。本実施形態は、（図１〜図３に相当するように把持される）穿孔工具の再現をその詳細の大部分で不要とする。代わりに、外径がほぼ一様の中空軸に形成された駆動軸５の形状は、より明らかであり、その壁面の厚さは、この外径のほぼ３分の１に相当する。また、当該の工具軸１は、単一のラジアル軸受８のみを含み、該ラジアル軸受８は、この場合、チャック７から離れた軸端部をぴったりと支える。工具軸１は、また、チャック７の方向にラジアル軸受８と隣接し、且つより長い部分に延びる電動モータ１４に当てられる。駆動軸５の（今や、チャック７を含む「前部」領域に配置された）軸取り付けは、本実施形態においては、再度、特徴的であることが分かる。ここで、当該軸取り付けは、電動モータ１４から十分な軸距離をおいて取り付けられ、著しく強化されたアキシャル軸受１２によって左右される。

Claims (11)

1. 延伸する穿孔工具（２）を把持する端部側の把持用シャンク（３）と、長軸方向の前記把持用シャンク（３）の反対側に配置され、前記穿孔工具（２）を位置決めする位置決め皿穴（４）とを備えた、前記穿孔工具（２）のための工具軸（１）であって、
   前記穿孔工具（２）を駆動する駆動軸（５）と、
   前記駆動軸（５）に関し、その長軸方向に向けられた回転軸（６）に沿って前記駆動軸（５）を固定して連結し、前記把持用シャンク（３）を収容するチャック（７）と、
   少なくとも部分的に前記駆動軸（５）を径方向に囲み、前記回転軸（６）に関して回転可能で且つ前記駆動軸（５）を取り付けるように構成され、前記駆動軸（５）を径方向に取り付ける少なくとも１つのラジアル軸受（８、９）とを備え、
   前記ラジアル軸受（８、９）は、アクティブ磁気軸受であり、且つ、固定点（１０）を通して前記回転軸（６）に対して垂直に延びる少なくとも１つの旋回軸に関して旋回可能なように、前記駆動軸（５）をさらに取り付けるように構成されており、
   前記固定点（１０）は、前記穿孔工具（２）が前記工具軸（１）に把持される際に、前記位置決め皿穴（４）に位置しており、
   前記駆動軸（５）を径方向に囲み、且つ前記駆動軸（５）に固く連結されたリング（１１）と、
   前記リング（１１）を少なくとも部分的に囲むと共に、前記駆動軸（５）を軸方向に取り付けるアキシャル軸受（１２）とを有し、
   前記リング（１１）は、前記固定点（１０）の方向に湾曲していることを特徴とする工具軸。
2. 請求項１に記載の工具軸において、
   前記リング（１１）は、平板であり、且つ前記アキシャル軸受（１２）に関して所定の軸受空隙（１３）を有していることを特徴とする工具軸。
3. 請求項１に記載の工具軸において、
   前記リング（１１）の少なくとも１つの表面は、前記旋回軸に対して垂直に延びる旋回面を横断し、且つ前記固定点（１０）に関する円弧に前記固定点（１０）を含むことを特徴とする工具軸。
4. 請求項３に記載の工具軸において、
   前記表面は、前記固定点（１０）に関する球形のキャップであることを特徴とする工具軸。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の工具軸において、
   前記アキシャル軸受（１２）は、磁性的、流体静力学的、又は空気静力学的軸受であることを特徴とする工具軸。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の工具軸において、
   前記ラジアル軸受（８、９）と電気的に接続され、前記穿孔工具（２）が前記工具軸（１）に把持されると共に、前記工具軸（１）が操作中である際に、前記ラジアル軸受（８、９）が前記駆動軸（５）を介して１００μｍの誤差内に設定可能となるように構成され、前記工具軸（１）を制御する制御器を有していることを特徴とする工具軸。
7. 請求項１〜６のいずれか１項に記載の工具軸において、
   前記駆動軸（５）と機械的に連結され、前記工具軸（１）を回転する電動モータ（１４）を有していることを特徴とする工具軸。
8. 請求項１〜７のいずれか１項に記載の工具軸において、
   前記駆動軸（５）は、連続する減算仕上げ処理による焼結法により作製されることを特徴とする工具軸。
9. 請求項８に記載の工具軸において、
   焼結材料は、硬化可能であり、且つ少なくともＴｉＣａを２２重量％含むことを特徴とする工具軸。
10. 前記穿孔工具（２）を送るための請求項１〜９のいずれか１項に記載の工具軸（１）と、
    少なくとも部分的に前記工具軸（１）を囲むと共に、前記工具軸（１）を収容する軸ハウジング（１６）と、
    前記工具軸（１）の方向に前記軸ハウジング（１６）の外側に配置されると共に、前記穿孔工具（２）の端面位置決め皿穴（４）において噛み合うように形成され、前記工具軸（１）に関して前記穿孔工具（２）を支持するスリーブ（１７）とを備えている加工工具（１５）。
11. 請求項１〜１０のいずれか１項に記載の工具軸によって作製された非円筒形の孔を有する、内燃機関のためのピストン、コネクティングロッド、又はカム。

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