圆柱形构件及其制造方法

本发明涉及用于电照相复印机、激光打印机、传真机、印刷机等 成像装置的诸如电照相光敏鼓或显影套筒一类圆柱形构件，以及制 造这类圆柱形构件的方法和装置。

一般地说，其表面精加工到预定表面粗糙度的一种圆柱形构件 用作电照相复印机、激光打印机、传真机、印刷机等成像装置的电照 相光敏鼓或显影套筒。这种电照相光敏鼓是在已精加工到预定表面 粗糙度的鼓基体表面形成一层光敏膜而制成的。如果鼓基体表面精 度或尺寸精度很低，则光敏膜不均匀，这就导致在成像装置形成的图 像中产生缺陷。因此，为了得到精确的成像装置，要求加工鼓基体具 有高的精度，即预定的表面粗糙度。同时，尺寸精度，包括平直度和 圆度，也必须极高。

为了在潜像载体上形成一种潜像，显影套筒携带并传递显影剂 到潜像载体上，通过电照相或静电记录在该潜像载体上形成潜像。 为在单组分或双组分显影剂，磁性或非磁性显影剂，绝缘或电介质显 影剂等情况下，都能携带显影剂并真实地显示潜像，这种显影套筒必 须具有高的精度，例如：好的表面粗糙度，平直度和圆度。

一般地说，作为诸如光敏鼓基体或显影套筒这类圆柱体构件的 材料，可以使用纯度99.5％或更高的Al，含0.05％-0.20％Cu的 Cu-Al合金，含0.05％-0.20％Cu和1.0％-1.5％Mn的 Cu-Mn-Al合金，含0.20％-0.60％Si和0.45％-0.90％Mg的 Si-Mg-Al合金或其他类似合金。

发展了下面两种方法作为制造这类圆柱体构件的方法。在一种 方法中，具有高表面精度和尺寸精度的管形料是经预成形挤压、拉 拔、及精确校正弯曲而成形的，并切割至所需要的长度，再切削该切 割管的两个端部。另一个方法〔日本专利申请公开号2-110570(相 应的美国专利号5003851)〕示于图11A-11C。如图11A所示，管形 工件101是由挤压、拉拔和切割成所需长度的管形料的成形而制成 的。然后，如图11B所示，工件101的两端部切削加工在分别临近两 个端面101a和101b处形成大的内径段101c和101d。每个大的内径 段101c和101d由示于图11c的套爪夹盘120夹住，其外周面由一 种刀具切削加工得到具有预定表面粗糙度的圆柱形表面。

在套爪夹盘120的结构中，其圆柱形主体121的夹盘121a经由 狭缝121b可以在径向弹性扩大。就是说，主体121的夹盘121a插 入到工件101的大内径段101c(101d)。拉出沿轴向对着弹簧122a的 偏压力偏压主体121中的锥形件122的拉杆123。因此，弹簧122a 的偏压力使锥形件122的锥形面压靠在夹头121a的内表面上。夹头 121a可沿径向向外弹性扩大，压靠在工件101大的内径段101c (101d)的内壁上。

在以上两种方法中，前一种方法是具有高表面精度和高尺寸精 度的管形料经挤压、拉拨成形，校正弯曲，切割成所需长度，切削该 切管的两个端部，这种方法在校正弯曲步骤中要求高精度控制。这 种方法是没有实用价值的，因为管料本身制造成本很高。因此，希望 采用后一种方法，其中经挤压和拉拨成形的低成本管料切削成具有 所需长度的工件，切削工件的两端形成大的内径段，每个大的内径段 由套爪夹盘夹住，切削工件的外周表面得到具有高的形状精度(表面 精度，圆度，平直度)的圆柱形表面。

然而，在上述现有技术中，在精加工工件的圆柱形表面这个步骤 中，要把套爪夹盘的夹盘插入工件，沿径向扩大夹盘把夹盘压靠在 工件大内径端的内周表面，由而夹住工件。在这种状态，工件的圆柱 形表面由车床上的刀具切削。另一方案是：固定工件，工件的圆柱面 由绕工件旋转的刀具切削。因此，如果大内径段壁厚不均匀，如果灰 尘粘附在套爪夹盘的夹盘上，如果夹盘被磨损，如果套爪夹盘与其驱 动装置之间有装配误差，则套爪夹盘夹持的工件是弯的，这就很难精 加工具有高精度的圆柱形工件表面。

因此，为加工工件的圆柱形表面使其具有高的圆度和高的平直 度，切削的工件必须保持平直以便与预定轴线共轴。然而，光敏鼓和 显影套筒是一种直径小、长而薄的圆柱形构件，极易弯曲。例如，如图 12A-12C所示，即便由于夹盘之间的装配误差，在夹持工件102两 端的套爪夹盘131和132之间产生一个小的倾斜角α，也会如图12 所示那样在工件102中形成一个弯曲B。

作为一个例子，用于印刷A4纸的一个小型显影套筒总长度 246mm，直径12mm，厚度0.8mm。如果在套爪夹盘131和132之间 出现0.01°的倾斜，则工件102弯曲引起的变形达30μm，因此降低 了平直度。

如果在这种状态如图12B所示用刀具A切削工件102的圆柱 形表面，则在工件102的弯曲B处被切削的厚度偏差很大。如图12C 所示，在切削后从套爪夹盘131和132中松开以后，工件102回到初 始形态。结果在工件102圆柱形表面出现大的不均匀处C，损害了表 面平直度和圆度。

如果套爪夹盘131和132的夹盘沾染灰尘，或由于磨损尺寸发 生变化，则工件102如上所述发生弯曲。如果工件102壁厚不均匀， 同样会发生弯曲。

为把套爪夹盘的装配误差减至最小，则必须提高套爪夹盘的零 件精度，这就将导致要用昂贵的切削设备。同时，由于要经常监测套 爪夹盘的污染和磨损情况，其维修成本也将提高。而且，工件的大内 径段必须是精密加工以使工件有均匀的壁厚，这导致工件高的制造 成本。所有这些问题尚未解决，且导致圆柱形构件成本的提高。

发展了另一种方法替代用套爪夹盘夹持工件两端的方法，套爪 夹盘只夹持工件的一端，具有一个中心孔的一个夹具连到工件的另 一端，一个锥形件，例如车床尾座的一个旋转中心紧靠在这个夹具的 中心孔上。然而，即便套爪夹具只用于工件的一端，上述麻烦仍不可 避免。同时，在这个方法中，夹具要求高的形状精度和高的装配精 度，这也类似于上述方法。因此，这个方法不能得到满意的结果。

本发明要解决上述现有技术未解决的问题。本发明的目的是提 供一种其圆柱形表面具有极高形状精度的，且因精加工工件圆柱形 表面的切削装置的安装成本和制造成本很低而可以大幅度降低工件 制造成本的圆柱形构件，以及制造这类圆柱形构件的方法和装置。

为实现本发明上述目的，按照本发明的一种圆柱形构件包括一 个具有预定形状精度的圆柱形表面，它是这样形成的：制造至少在工 件一端具有环形脊棱的圆柱形工件，把工件夹持装置的夹具表面沿 轴向压靠在工件脊棱段而夹持工件，切削工件外周面。

按本发明制造一个圆柱形构件的方法包括下列步骤：制造至少 在工件一端具有环形脊棱的圆柱形工件，通过把工件夹持装置的夹 具表面沿轴向压靠在工件脊棱段而夹持工件，切削工件外周面。

工件夹持装置的夹具表面最好是锥形表面。

按本发明制造一种圆柱形构件的装置包括沿预定轴夹持圆柱形 工件的工件夹持装置和用绕预定轴旋转的刀具切削工件外周表面的 切削装置，其中，工件夹持装置有一个夹具表面，该夹具表面压靠在 至少在工件一端形成的环形脊棱上。

工件夹持装置最好包括一个可用径向压力夹住工件的夹盘。

利用工件夹持装置的夹具表面压靠在工件环形脊棱上产生的轴 向压力沿轴向夹持圆柱形工件。工件的外周表面用绕工件旋转的刀 具切削达到预定的表面粗糙度。

为使圆柱形表面具有高的形状精度(圆度和平直度)，重要的是 稳定夹持工件使之与预定轴共轴。如在工件夹持装置与工件之间存 在灰尘，则工件弯曲，可降低圆柱形表面圆度和平直度。然而，由于 工件夹持装置的夹具表面和脊棱段的接触面积极小，他们之间不太 可能夹有灰尘。因此，不必严格监控夹具表面的沾污物。同时，由于 只有工件的脊棱段必须加工具有高的精度，因此，工件的制造成本是 低的。

就是说，降低了工件夹持装置的维修成本和工件制造成本，这就 大幅度降低了诸如显影套管一类圆柱形构件的制造成本。

如果脊棱段与工件中心轴同轴形成，则工件可精确定位，经把工 件夹持装置的夹具表面与预定的轴同轴安装可只沿预定轴夹持。与 用径向压力夹持工件的套爪夹盘不同，不必精确控制工件夹持装置 的装配误差，因此，切削装置的安装成本可大幅度降低。因此，可进 一步降低显影套筒一类圆柱形构件的制造成本。

同时，如果工件夹持装置具有能用径向压力夹持工件的夹盘，则 当工件装到切削装置和从切削装置卸下时，可避免把工件从夹持装 置中卸下。

下面通过附图及实施例详细说明本发明，附图中：

图1A和图1B是解释按本发明一个实施例制造圆柱形构件的 一个方法的视图，图1A是表示工件的剖视图，图1B是表示切削装 置的正视图；

图2A和2B是解释一种改型的视图，图2B是图2A中锥形部 分的放大视图；

图3A和3B是解释另一种改型的视图，图3B是图2A中锥形 部分的放大视图；

图4A和4B仍是解释另一种改型的视图；

图5A和5B是解释用示于图1A和1B的切削装置切削工件的 步骤的视图；

图6是表示由示于图1A和1B的切削装置切削工件状态的透 视图；

图7A和7B仍是解释另一种改型的视图；

图8A和8B是解释工件在车床上切削情况的视图，图8A是表 示车床的正视图，图8B是仅表示右工件夹持器的局部剖视图；

图9是表示测量切削力的一个装置的视图；

图10A-10E是表示制造具有安装件的显影套筒的步骤的视 图；

图11A，11B和11C是解释一个现有技术的视图；

图12A，12B和12C是解释现有技术中工件弯曲情况的视图。

下面将参照附图叙述本发明的一个实施例。

图1A和1B是解释按照这个实施例制造圆柱形构件的一个方 法的视图。如图1A所示，由人们熟知的挤压和拉拨工艺制造的铝合 金管形料切割成预定长度，靠近切割的管料(下面称为“工件”)端面 1a和1b的端部内表面被切削形成大的内径段1c和1d。工件1的外 周面由图1B中的切削装置M切削，因此，制造了作为电照相圆柱 件的，表面粗糙度Rmax≤2μm的一个显影套筒。切削装置M包括 一个门柱21，一个环形刀夹(切削工具夹)23，刀夹23夹持的刀具 24和25，一个工作台26，右工件夹具27和左工件夹具28。门柱21 固定在床身20的上表面21a上，床身20固定在例如地板上。刀夹 23与由安装在门柱21内的轴承22支承的可转动的空心轴成为一 体。工作台可滑动地支承在与床身20成为一体的工作台支架21b 上。右工件夹27由碳化物或铁构成，固定在工作台上的，如图1B所 示的右侧的上表面的右支柱27a上。左工件夹28固定工作台26上 的，如图1B所示左侧的上表面的，通过滑块支架28a和滑块28b支 持的左支柱28c上。滑块28b可滑动地支持在滑块支架28a的上表 面上，可以在滑块支架28a上，如图1B所示左和右两端之间来回移 动。因此，左工件夹28相对于右工件夹27前后移动。

右工件夹27和左工件夹28构成一个工件夹持装置，分别有锥 形夹具27e和28e。当这些夹具27e和28e插入到工件1的大内径段 1c和1d时，作为右工件夹27夹头27e的夹持面的一个锥形面从右 侧靠在作为工件右侧端面1a和大的内径段1c之间周向脊棱的环形 脊棱上，在这里端面1a和大内径段1c相互相交。同样，作为左工件 夹28的夹头28e的夹持面的锥形面从左侧靠在作为工件左侧端面 1b和大内径段1d之间周向脊棱的环形脊棱上。

右工件夹27的夹具27e靠在工件1右侧的端面1a和大内径段 1c之间的环形脊棱上，滑块驱动器28d驱使左工件夹28向右工件 夹27移动，因此，压着左工件夹28的夹具28e靠在工件1左侧的端 面1b与大内径段1d之间的环形脊棱部分。因此，工件1由轴向压 力P保持在右工件夹27和左工件夹28之间。用这种方法夹持工件 1，由绕工件1转动的刀具24和25切削工件1的圆柱形表面。

当刀具24和25绕工件1转动时，必须防止工件1与刀具一起 转动，即防止所谓的空转，以便稳定夹持工件1。为此，由压力P产生 的每个右工件夹27和左工件夹28的夹持力Fp的力矩必须大于刀 具24和25及作用在工件1周向的切削力(侧向分力)Fn产生的力 矩，即：

Fn×r1＜Fp×r2    (1) 式中r1：工件1圆柱表面的半径；

r2：工件1的端面1a(1b)和大的内径段1c(1d)之间环形脊棱部 分的半径。 同时，Fp＝μ×P          (2) 式中μ：工件1和右工件夹27或左工件夹28的锥形面之间的摩擦 系数。 由表达式(1)和(2)，

Fn×r1＜μ×P×r2    (3)

如果工件壁是薄的，则可能r1≌r2。因此，最好控制压力P和切 削力F，以便建立下式取代(3)式：

P＞Fn/μ    (4) 式中Fn是由切削状态决定的力，即：工件材料类型，切削量，进刀 速率，工件与刀具的相对速率。例如，当以金刚石刀具，以切削量 50μm，进刀速率5mm/s和相对转速3000rpm(每分转数)条件切削 外径为20mm，由A6063合金(日本工业标准JIS：0.20-0.60％Si， 0.35％Fe，0.10％Mn，0.45％-0.9％Mg，0.10％Cu，0.10％Zr，余 为Al)制的工件时，发现Fn≌0.5kgf。假定与其外径相比，工件壁很 薄，且静摩擦系数是0.3，则把上述值代入式(4)，可用下面关系式求 得压力P：

P＞1.67kgf

由于Fn可随切屑排放情况和切削滑油供应情况而变化，确定 的压力P应有比必须的压力大几倍的安全余量。例如，要使用满足 表达式(4)的压力P的最小值乘以一个2-10的安全系数所得到的 值。在确定压力P时应慎重考虑，因为，如果压力P太大，则工件的 环形脊棱会产生塑性变形。

安全系数要根据工件尺寸选择。实验发现，当如表1所示选择安 全系数时，在上述切削状态经改变工件尺寸制造的4个样件A-D 获得了好的结果。

                                表1       A       B        C       D 工件尺寸，mm (直径：长度：厚度) 安全系数 压力，kg    12：246：       0.8       2.4       4.0   16：248：     0.8      6     10.0     20：331：       0.8        6      10.0    20：331：      2.0       9     15.0

样件A中，压力P很小，这是由于这个工件外径小易于塑性变 形，如果压力P如其他样件那样增加到大约10kg，则外径偏斜，明 显降低其精度。

在样件D中，因为工件厚度大不易产生塑性变形，故压力P可 以增加。

如果工件1圆柱形表面切削量大，或者，圆柱形表面以高速切 削，则切削力Fn增加，这就要求压力P增加。然而，如果压力P增 加，则工件的环形脊棱如上所述发生塑性变形，当这种圆柱形构件 作为一种产品装配到其他零件上时，则会产生极大的装配误差。因 此，如果情况是这样，如图2A和图2B所示，工件1的端面1a和1b 的内边缘被倒角，右工件夹27和左工件夹28的夹具27e和28e分 别靠在倒角1e和1f以及端面1a和1b之间形成的环形脊棱上。另 一方案，如图3A和3B所示，右工件夹27和左工件夹28的夹具27e 和28e分别靠在倒角1e和1f以及和大内径段1c和1d之间形成的 环形脊棱上。

同时，如图4A和4B所示，在把安装件10a和10b连到工件1 的两端以后切削工件1的圆柱形表面时，放置安装件10a和10b的 凸头的凹坑27f和28f是右工件夹27和左工件夹28的夹具27e和 28e构成的，这些凹坑的端面是锥形的。如图4A所示，工件1的两 个端面1a和1b的外边缘是倒角的，右工件夹27和左工件夹28的 夹具27e和28e的锥形表面分别靠在倒角1g和1h的内边缘形成的 环形脊棱上。另一方案，如图4B所示，安装件10a和10b的外边缘 倒角，右工件夹27和左工件夹28的夹具27e和28e的锥形表面分 别靠在倒角10c和10d内边缘形成的环形脊棱上。

当工件1如图1A所示没有倒角时，希望右工件夹27和28的 夹具27e和28e的锥形角θ1定在30-120°。如果锥形角小于30°，则 工件夹的直径降低，这将弱化夹持力强度。如果锥形角大于120°，则 将难于与工件对齐。当工件1如图2A-3B所示有倒角时，倒角θ2定 在60-120°。当右工件夹27和左工件夹28的夹头27e和28e靠在 如图2A和2B的倒角的内边缘时，锥形角θ1定为(θ2+30°)-60°。 当工件夹27和28的夹具27e和28e靠在图3A和3B所示倒角外边 缘时，锥形角θ1定为(θ2-30°)-60°。当如图4A和4B所示安装件 10A和10B倒角时，倒角θ2定为60°-120°，工件夹27和28的夹具 27e和28e的锥形角定为(θ2+30°)-60°。

在这个实施例中，右工件夹27和左工件夹28的夹具27e和 28e靠在工件1两端的环形脊棱上，工件1由轴向压力夹持。因此， 如果环形脊棱与工件1中心轴同轴成形，则仅通过把右和左工件夹 27和28的夹具27e和28e与切削装置M的转轴0对齐，就可使工 件1与切削装置M的刀具24和25的转轴0同轴固定。

仅通过在工件两端加工有高精度的环形脊棱，即便工件1的大 内径段的横截面的壁厚或多或少不均匀，这个工件1也不会弯曲。 因此，这个工件的加工成本比把工件1的整个大内径段1c和1d都 加工成具有高的精度时要低。同时，只有工件1的环形脊棱与右和左 工件夹27和28接触，夹具27e和28e线性接触这些脊棱。因此，这 些夹具27e和28e的沾污和磨损不会立即引起工件1弯曲，这就使 维修成本低。

而且，因为右和左工件夹27和28的机构很简单，夹具27e和 28e的形状也很简单，切削装置M的成本也很低。

就是说，工件的圆柱形表面可以精加工到具有极高的形状精度 (平直度和圆度)而不提高工件制造成本，工件夹维修成本，和切削 装置安装成本。这就大幅度降低了诸如显影套筒和光敏鼓基体一类 圆柱形构件的制造成本。

用切削装置M切削工件1的圆柱形表面的步骤叙述如下：

如图5A所示，在工作台26移到工作台支架21b右侧以后，工 件1在左和右工件夹28和27之间加载荷。工件1的右端靠在右工 件夹27的夹具27e上，一个恒压驱动机构驱使滑块28b移动。因此， 左工件夹28的夹具28e在预定压力P的作用下接近并靠在工件1 上，因此，这个压力夹持工件1。在这个步骤中，刀具24和25保持转 动而不妨碍以前的切削操作。因此，如图5B所示，工作台移到左边 继续用刀具24和25切削工件1的圆柱形表面。当工件1在整个长 度完全切削时，工作台26停止，滑块28b反向移动到左。结果，其圆 柱形表面完全切削的工件1从机器上松开并卸载。

注意，如图6所示，两个刀具24和25安排在与转轴0垂直的一 个直径上，相对这个转轴0前后移动这些刀具可以调节切削深度。

在完成切削以后，在把左工件夹28反向移动释放压力P时，工 件1可能落下。为防止这种情况，如图7A所示，在左工件夹27中形 成一个空心段，构成一个人们熟知的可以自由从夹具28e伸向工件 1的球夹盘28g。另一方案，如图7B所示，可以形成与左工件夹28的 夹具28e成为一体的一种开口式套爪型夹盘的弹性扩大部分28h， 它由锥形件28i扩大。

具有高形状精度的圆柱形构件可以使用类似于本实施例所用的 工件夹制造，即便在工件转动，刀具不转动的普通型车床中。

如图8A所示，为了构成支持在普通车床N尾麻37a的从动心 轴上的右工件夹37的夹具37e的一个锥形面，从动心轴暂时固定 以不转动，用于切削右工件夹37的夹具的刀具连接在一个主心轴 32上。然后主心轴32转动，尾座37a沿主心轴32的方向移动，即移 向图8A的左侧。按这种方法，使右工件夹37的夹头形成锥面。

因此，左工件夹38连在主心轴32上，并经转动主心轴32而转 动。刀架34上支承的刀具随车架40平行于心轴移动，同时沿切削方 向移动，因此在左工件夹38的夹具38e上形成锥形面。经过上述切 削，右和左工件夹37和38的夹具37e和38e的锥形面最好与主心 轴旋转中心同轴。在用商业上可取得的精密车床进行的一个实验中， 右和左工件夹37和38的夹具37e和38e与主心轴的对准度呈现很 好的值：2μm或更小。因此，工件(图中未示出)在右和左工件夹37 和38之间精确定位，尾座37a在主心轴32方向移动，从图8A所示 的右端压住工件。结果，工件被右和左工件夹37和38的夹具37e和 38e夹持住。

这时的压力由前后移动尾座心轴的手柄37b上的扭矩确定。另 一方案，如图8B所示，在右工件夹37设有一个具有压缩弹簧37C 的压力固定机构。这样很容易确定压力。

压力值的确定根据前述的表达式(4)计算。进行了一个实验：一 个外径12mm、壁厚0.8mm、总长度250mm的铝合金工件用4kgf 的压力夹持，工件的外周表面在工件转速3000rpm(转/分)、刀具每 转进刀量0.1mm/rev(毫米/转)、径向切削量60μm条件下切削。因 此，工件被稳定地夹住，没有在切削力作用下转动，即：主心轴和工 件转速保持相同，可以高精度切削。同时，圆柱形构件的圆柱形表面 挠曲精度是10μm或更小，两端大内径段与被加工表面的对准度是 10μm或更小。

作为参照，下面将叙述测量表达式(1)-(4)中的切削力Fn的 一种方法。如图9所示，在工件1转动的一个通用型车床中，一个切 削力测力计T2安排在装有刀具的刀架T1上，刀具T3连接在这个刀 架T1上，测力计T2能够测量切削力的三个分力，即：在工件1切向 作用于工件1的一个力Fn(主分力)，在工件1法向作用的一个力 Ft(侧分力)，在工件进给方向作用的一个力Ff(进给分力)。

工件1在与实际切削状态相同或相当状态切削，测量主分力 Fn。相当状态即工件每转切削量和进刀量与实际切削状态相同。众 所周知，在相当状态下，工件转动时的切削力几乎与刀具转动时的 切削力相同。

图10A-10E是解释制造用于成像装置的具有一个安装件的显 影套筒的步骤的一个视图。一个圆柱形工件如图10A所示构成，与 安装件压配合的第一端部是用第一转动刀具S1(图10B)进行加工。 即：安装件51要压入其中的大内径段50a进行加工，大内径段50a 的端部进行倒角。安装件51压入工件50，因此可以加工(图10C)， 用第二和第三转动刀具S2和S3在工件50的两端进行二次端部加 工。

在二次端部加工中，安装件51的轴51a的外径和安装件端面 51b进行精加工，工件50的外周边用第二转动刀具S2倒角。同时， 工件50另一端的大内径段50b用第三转动刀具S3加工和倒角。

具有锥形夹具表面67a和68a的工件夹67和68压靠在按上述 完成加工其端部的工件50的两端，因此，夹持住工件50(图10E)。 工件50的外周表面用绕工件50转动的刀具切削使具有预定的形状 精度。

本发明有上述的设计，因而实现了下述效益。

可以制造出包括有极高形状精度圆柱形表面的圆柱形构件。 此外，可以降低精加工圆柱形表面的切削装置的安装成本和维修成 本，以及工件制造成本。这就大幅度降低了圆柱形构件的制造成本。

作为光敏鼓基体和显影套筒使用的这种圆柱体构件使成像装置 有高性能及低成本。