JP6203864B2

JP6203864B2 - インサート交換式切削工具を使用する自動切削方法

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Application number: JP2015550256A
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Inventors: 顕二西川; 一平河野; 幸治内海
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Filing date: 2013-11-27
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Description

本発明は自動切削システムに係り、特にインサート交換式切削工具を使用する自動切削システムに関する。

切削加工を自動化するためには、工具の摩耗を目視またはセンサ等が検出して、手動または自動で工具の切削位置の調整や工具の交換を実行する必要がある。また、工具を最適な切削条件で使用することにより、被削材の複数の切削工程の自動化が必要である。そのため、工具の摩耗の検出と交換が重要になっている。

特許文献１では、工具の摩耗を実際に検出する代わりに、低速切削領域から高速切削領域まで、工具摩耗量を加工前に精度よく予測することが記載されている。そのため、被削材中の硬質介在物によるアブレッシブ摩耗に影響を示す項と、被削材中の硬質介在物による熱的拡散摩耗に影響を示す項を有する予測式から、工具摩耗量を予測している。これにより低中速切削領域で主に発生するアブレッシブ摩耗と、高速切削領域で主に発生する熱的拡散摩耗の双方の影響を考慮して工具寿命を決定できる。

また特許文献２にはＮＣ自動加工システムに用いる丸型切削インサートを、自動回転させる自動回転装置が記載されている。この公報では、丸型切削インサートの回転位置の調整を容易かつ正確に行うために、工作機械の移動範囲内に、切削工具に形成されたねじ孔を締め付ける／緩める六角レンチを備えたねじ部回転手段と、六角穴を緩めた後に丸型切削インサートを所定角度回転させるインサート回転手段とを設けている。

特開２００８−２２１４５４号公報特開２０１２―６１１９号公報

上記特許文献１に記載の工具摩耗の予測方法においては、予め定めた加工条件から選定した工具の摩耗を予測するだけである。そのため、使用する工具がインサート交換可能な切削工具であって、摩耗量に応じて自動でインサートを交換することにより、切削加工における工数低減については開示されていない。すなわち、マシニングセンタ等の多機能な加工機を用いた切削システムでは、複数の加工工程を一連の作業として自動で実行できるようにし、全体の自動化による工数や作業時間の低減を図るが、この特許文献１ではそのような自動化については考慮されていない。

また、前記特許文献２に記載の自動回転装置では、自動回転装置用制御部からインサートを回転させる当設部の回転量を適宜設定して摩耗したインサートを回転させて、新たな加工位置を設定している。しかしながらこの特許文献２の自動回転装置では、回転量の設定は適宜であり、摩耗の発生した位置の検出については何ら開示が無い。したがって、インサートを回転させる時期および角度が必ずしも最適になるとは限らず、作業者がインサートの監視を怠ると被削材を摩耗した工具で加工して不良を生ずる恐れがある。また、インサートの摩耗が進んでインサートが破損し飛散する恐れも生ずる。さらに複数の切削加工工程を自動で連続して実行することも困難である。

本発明は、上記従来技術の不具合に鑑みなされたものであり、その目的は、インサートの切刃の摩耗状況を加工前に予測し、その予測に基づいてインサートの工程に応じた量だけの回転または交換を自動で実行することにより、複数の工程を含む切削工程を自動化することにある。これにより、切削工程の短縮を可能にすることも目的とする。

上記目的を達成する本発明の特徴は、インサート交換式切削工具を使用する自動切削システムが、加工プログラムが読み込まれる制御手段と、寿命試験データおよび工具データを格納するデータベースと、前記インサートを前記切削工具に保持するねじを緩めるインサートねじ緩め機構および前記インサートを回転させるインサート回転機構ならびに前記インサートねじ緩め機構と前記インサート回転機構を制御する制御装置を有するインサート自動回転装置とを備え、前記制御手段は前記データベースに格納された前記寿命試験データおよび前記工具データとから、前記インサートの回転角度と回転時期または前記インサートの交換時期を決定し、前記制御装置は、決定された前記インサートの回転角度と回転時期、前記インサートの交換時期に基づいて、前記インサート自動回転装置を駆動することにある。

上記目的を達成する本発明の他の特徴は、インサート交換式切削工具を使用する自動切削システムが、加工プログラムを読み込むステップと、読み込んだ前記加工プログラムから加工条件を抽出するステップと、寿命試験データおよび工具データを格納するデータベースを参照し前記インサートの回転角度と工具寿命とを演算するステップと、演算した前記回転角度だけ前記インサートを回転させたときに未使用の切刃部分が残るか否かを判断するステップと、前記未使用の切刃部分で加工するステップと、加工後にインサートを自動回転または自動交換するかを判断するステップを有することにある。

本発明によれば、加工工程に応じた加工条件を事前に取得し、この取得した加工条件を用いて工具寿命を予測し、インサートの切刃部の回転量を加工工程に応じた量だけとしたので、インサートの切刃部の摩耗に応じてインサートを自動で回転または交換可能になり、複数の工程を含む切削工程が自動化できる。また、切削工程の短縮化も実現できる。

本発明に係る自動切削システムを用いた自動切削動作を説明するフローチャートである。インサート交換式切削工具の一実施例の正面図である。図２Ａに示した切削工具を用いた切削加工状態を示す斜視図である。図２Ａに示した切削工具が有するインサートの拡大正面図である。インサートの逃げ面摩耗幅と工具寿命の関係を示す図である。切削速度とインサートの工具寿命の関係を示す図である。図１におけるインサート自動回転動作を説明するフローチャートである。従来のインサートの使用状態を説明するインサートの底面図である。本発明に係るインサートの使用状態を説明するインサートの底面図である。インサートにおける摩耗状態を説明する側面展開図である。本発明に係る自動切削システムが備えるインサート自動回転装置の一実施例の斜視図である。図８Ａに示したインサート自動回転装置を有する自動切削システムの一実施例の斜視図である。本発明に係るインサート自動回転装置を構成するインサート回転機構の一実施例の拡大斜視図である。図９Ａに示したインサート回転機構の縦断面図である。インサート回転機構を用いたインサートの自動回転を説明する斜視図である。本発明に係るインサート自動回転装置を構成するインサートねじ緩め機構の一実施例の拡大斜視図である。図１０Ａに示したインサートねじ緩め機構の縦断面図の例である。インサート自動回転装置の動作を説明するフローチャートである。

以下、本発明に係る自動切削システムのいくつかの実施例を、図面を用いて説明する。以下の説明においては、自動切削システムとしてマシニングセンタを例にとり説明するが、自動切削システムはマシニングセンタに限るものではなく、自動フライス盤やＮＣ旋盤等の各種自動加工機にも適用できる。

初めに、図８Ｂを用いて、自動切削システム１００の概要を説明する。図８Ｂは、本発明に係るインサート自動回転装置５０を備える自動切削システム１００の一実施例の斜視図である。

図８Ｂに示すように本実施例の自動切削システム１００は、横型のマシニングセンタであり、水平方向に延びるベッド８３上には、被削物を載置するテーブル２０がベッド８３の長手方向に移動可能に設置されている。ベッド８３を跨ぐように門型のコラム８１が配置されている。コラム８１の上辺であって、ベッド８３の短辺方向に延びる部分には、切削工具が取り付けられる主軸部７３が配置されている。主軸部７３は、そのベース部がベッド８３の短辺方向に移動可能であり、主軸部７３の切削工具保持部は、上下方向に移動可能である。

門型に形成されたコラム８１の一方の側面には、ＡＴＣ(自動工具交換装置)７０が取り付けられている。自動工具交換装置７０は、コラムの側面を形成する平板部と、この平板部に形成され、交換用工具７１を保持・移動させるためのチェーン７２とを有している。チェーン７２は曲折のある閉路を形成し、下辺部分で後述するインサート自動回転装置５０に接続している。なお、インサート自動回転装置５０の一端部には、このインサート自動回転装置５０を制御するための制御装置が取り付けられている。

次に、図１を用いて本発明に係る自動切削システム１００の動作を説明する。図１は、自動切削システム１００を用いた切削加工のフローチャートである。自動切削システム１００が起動されると、ステップＳ１において、この自動切削システムが備える図示しない制御手段が、ＣＡＭや工作機械、外部コンピュータ等から、今回の加工に必要なＮＣプログラムを読み込む。

次いで、制御手段はステップＳ２において、読み込んだＮＣプログラムから加工条件を抽出する。本自動切削システム１００では、交換可能な丸型のインサート３を有する切削工具１を使用するので、加工条件には、軸切込みａｐ(ｍｍ)、インサート３の回転速度である切削速度Ｖｃ(ｍ／ｍｉｎ)、回転している工具において１刃当たりの工具加工方向進行速度である一刃送り量(ｍｍ/ｔｏｏｔｈ)等が含まれ、被削材４の材質等も加工条件となる。

ここで、図２Ａ、図２Ｂを用いて、インサート交換式の切削工具１による切削加工の状態を説明する。図２Ａは、自動切削システムで使用するインサート交換式の切削工具１の正面図、図２Ｂはインサート交換式の切削工具１の斜視図である。基本的なインサート交換式の切削工具１は、自動切削システム１００の主軸部に装着されるボディ１と、ボディ１の先端部に位置する複数個のインサート３と、インサート３をボディ１に保持するためのインサート留め具２と、このインサート留め具２をボディ１に固定するための止めねじ５を有している。

ボディ１が工具回転軸６回りに回転することにより、ボディ１の先端部に取り付けられた複数のインサート３が周速で被削材４を切り込み深さａｐだけ、被削材４の厚さ方向に切削加工する。それとともに、被削材４の幅方向には径切込みｄｒだけ、被削材４を切削加工する。

図１に戻り、加工条件が求められたので、ステップＳ３においてインサート３を回転させる際の回転角度βと工具寿命Ｌｔを決定する。切削加工を継続した結果、インサート３が摩耗して所定量以上の摩耗が見られたら、丸型のインサート３ではインサート３を宴の中心軸周りに回転させることにより、新規な切削面を提供する。このインサート３の回転について、図３を用いて説明する。図３は、ボディ１の先端部を拡大して示した正面図である。

工具回転軸６の周りにボディ１が回転すると、丸型のインサート３の円周の一部が、被削材４と接触部７を形成する。この接触部７の大きさは、切り込み深さａｐとインサート３の半径ｒとで決定され、接触部７の中心角はβとなる。インサート７は角度βの範囲だけ被削材４と接触し、その他の範囲(３６０°-β)では接触しない。そこで、インサート３の摩耗が進行したら、接触していた部分の角度βだけ、インサート３をその中心周りに回転させる。この角度を回転角度βiと呼ぶ。

すなわち、インサート３の切刃の一部が加工によって摩耗し使用に適さなくなったら、インサート３を未使用部が切削する位置まで回転させる。さらに摩耗が進行して回転させた部分も使用に適さなくなると、次の未使用部分まで回転させる。この回転を順次実行し、インサート３の全周において未使用部分がなくなったら使用を停止する。

ステップＳ３では、インサート３が摩耗した結果、インサート３を回転させる場合において、回転後に摩耗部分による切削が生じない範囲を演算する。つまり、被削材４に摩耗部分(これまでの加工における接触範囲)が当たらない位置となる、インサート３の回転角度βiを算出する。

自動切削システム１００は、データベースＳ４を備えている。データベースＳ４には、事前に取得した寿命試験データと使用する切削工具１の型式が保存されており、上記ステップ３の処理においては、データベースＳ４を参照している。そして、参照したデータベースＳ４のデータを用いて、ステップＳ２で読み取った加工条件下での工具寿命Ｌｔを演算する。また、切削工具１の型式から、切削工具１の直径Ｄｔｏｏｌ(ｍｍ)、刃数ｔｏｏｔｈ、インサート３の半径ｒを得る。

一方、切削工具１の回転角度βiを、データベースＳ４から読み取ったインサート３の半径ｒおよびステップＳ２で抽出した軸切込みａｐ５から決定する。例えば図３に示す切削工具１を用いる場合には、インサート３の摩耗は被削材４と接触する部分７で進行する。このときの回転角度βiは、下記（１）式で求まる。
βi＝ｃｏｓ^−１（（ｒ−ａｐ）/ｒ）・・・（１）

汎用のＮＣ加工機のＮＣプログラムには、切削工具１の１分間当たりの回転数Ｓ(１／ｍｉｎ)と１分間当たりの切削工具１の送り量(ｍｍ／ｍｉｎ)が明示されている。しかし、工具寿命Ｌｔは加工条件に応じて変化するので、各加工作業に応じて加工条件から予測する必要がある。工具寿命Ｌｔの評価パラメータは、切削速度Ｖｃ(ｍ／ｍｉｎ)であり、回転数Ｓ(１／ｍｉｎ)と工具の型式から、（２）式で求められる。
Ｖｃ＝π・Ｄ_ｔｏｏｌ・Ｓ/１０００・・・（２）
ここで、Ｄ_ｔｏｏｌは、図２Ａに示す切削工具３の直径（ｍｍ）である。

切削工具１の寿命を予測するためにデータベースＳ４に格納する寿命試験データとしては、例えば工具寿命Ｌｔとインサート３の逃げ面摩耗幅Ｗｗ(図７Ｃ参照)の関係、および工具寿命Ｌｔと切削速度Ｖｃの関係がある。また、工具寿命Ｌｔの判定方法の一つとして、インサート３の逃げ面摩耗幅Ｗｗが予め定めた幅を超えたら、寿命と判断する手法がある。

図４及び図５に、データベースＳ４に格納するデータ例を示す。図４は、材料除去体積Ｖｓと逃げ面摩耗幅Ｗｗの関係を、切削速度Ｖｃをパラメータにして示した試験データの一例を示すグラフである。工具径２ｒ＝３２ｍｍ、軸切込みａｐ＝１.０ｍｍ、径切込みｄｒ＝１５.５ｍｍ、一刃送り量＝０．０８ｍｍ/ｔｏｏｔｈ、切削速度Ｖｃ＝１１００〜１５００ｍ／ｍｉｎとしている。クーラントなしのドライの条件で、でセラミックス材のインサート３によりダウンカットした場合である。被削材４はＮｉ合金である。

例えば、インサート３の逃げ面摩耗ＷｗがＷｗ≧２ｍｍになったら工具寿命Ｌｔであると設定する。逃げ面摩耗幅ＷｗがＷｗ＝２ｍｍにおける材料除去体積Ｖｓ(ｃｍ^３)と、単位時間当たりの切削量(＝切削速度Ｖｃ×径切込みｄｒ×軸切込みａｐ)から、工具寿命Ｌｔが容易に求められる。

図５は、切削速度Ｖｃ(ｍ／ｍｉｎ)と工具寿命時間Ｌｔ(ｍｉｎ)との関係を、試験的に求めた結果のグラフである。図５に示すように、切削速度Ｖｃと工具寿命Ｌｔはほぼ反比例の関係にある。したがって、ステップＳ２で示したＮＣプログラムから読み取る加工条件中の工具寿命を、図４および図５に示したデータから予測できる。異なる軸切込みａｐや送り量、被削材４の材質の条件で同様に加工試験をし、その結果をデータベースＳ４に蓄積すれば、より広範囲に寿命を予測することができる。

ＮＣプログラムから読み取った加工条件のデータがデータベースＳ４にない場合には、読み取った加工条件のデータに最も近く、切削速度Ｖｃ、送り量Ｆｓおよび軸切込みａｐの少なくともいずれかが上記加工条件よりも厳しいデータを選択する。このような選択方法を採用しても所望の加工条件が得られない場合には、コンピュータまたは工作機械の画面上等にアラートを発生する。そして、より低い切削速度Ｖｃ、送り量Ｆｓおよび軸切込みａｐで加工するように、作業者に知らせるようにするのがよい。

ステップＳ５では、加工に使用する切削工具１のインサート３について、使用可能部があるか否かを判断する。すなわち、インサート３の未使用部分だけが被削材４を加工する位置に正しく回転設置されているか確認する。確認方法として、自動切削システム１００が備える図示しないカメラが、インサート３の画像をキャプチャし、摩耗部分を画像処理して判断する方法等を適用できる。

インサート３に未使用部分があり、以降の加工に使用できる状態であれば、ステップ６に進む。このステップ６では、以降の被削材４の加工工程が複数の工程を含む場合に、インサート３の未使用分を各工程に割り当てる。以降の工程が、１個の工程しかない場合には、その工程で使用する未使用部分を割り当てる。

本実施例では、加工条件や加工工程に応じてインサート３の回転角度βiを異ならせている。そこで、インサート３の交換時に未使用の部分がないようにするため、いくつかの回転角度βiの総和がインサート３の切刃の全周角度である３６０°に最も近くて３６０°以下になるように設定する。

ステップＳ５において、インサート３の摩耗が進行して、その状態で継続して使用するのに適さない位置にインサート３が設定されていると判断されたときは、ステップＳ１０に進む。そして切削工具１を交換する、またはインサート３を所定角度βiだけ回転させる。その後、ステップＳ６に進む。

インサート３の使用部分の割り当てが済み、インサート３を未使用部分で使用するよう切削工具１を自動切削システム１００に設定したら、ステップＳ７に進み、ステップＳ１で読み込んだＮＣプログラムに基づいて切削加工を実施する。切削加工をＮＣプログラム通りに実行して、インサート３の上記割り当て位置の変更時期に達したら、ステップＳ８進む。

ステップＳ８では、工具寿命Ｌｔに達したインサート３を回転する。このときの工具寿命Ｌｔおよび回転角度βiは、ステップＳ３で導出した値である。ここで、工具寿命Ｌｔに達せずに加工工程が終了した場合には、次の加工工程で工具寿命Ｌｔに達するまで使用するようにしてもよい。その場合、加工条件が異なるときには厳しい方の加工条件で加工したとして工具寿命Ｌｔを求める。そして、求めた工具寿命Ｌｔでインサート３を交換または回転させるようにすることで、常に加工に適したインサート３の摩耗状態で加工可能になる。

１つの加工工程が終了すると、ステップＳ９では、その加工工程の終了により全ての加工工程が終了したことになるのか否かを、ＮＣプログラム上で確認する。まだ残っている加工工程がある場合には、ステップＳ７に戻り、残りの加工工程を実行する。

本実施例では、インサート３の逃げ面摩耗幅Ｗｗを用いた寿命試験データから工具寿命Ｌｔを予測しているが、工具寿命Ｌｔの予測方法はこれに限るものではない。例えば被削材の加工面の面粗さ等から工具寿命を予測することも可能である。また、本実施例では、丸型のインサートを有する切削工具について説明したが、工具は必ずしもそれに限定されるものではなく、旋削工具とうであっても同様に適用できる。

次に、上記ステップＳ３〜Ｓ９における、自動切削システム１００を用いたインサート３の自動回転方法の詳細例を、図６及び図７Ａ〜７Ｃを用いて説明する。図６は、インサート３を自動回転させる方法の一例を示すフローチャートである。図７Ａ、図７Ｂは、インサート３の側面図であり、図７Ａは従来のインサート３の切削面割り当てを説明する図、図７Ｂは本発明に係るインサート３の切削面割り当てを説明する図である。図７Ｃは、インサート３の周面の展開図であり、図７ＢのＡ矢視展開図である。

初めにステップＳ１１において、各条件を読込む。読込む内容は、インサート３の切刃における使用可能な部分および使用する切削工具１の本数、インサート３を自動回転するのに要する時間、摩耗したインサート３を切刃部が未使用のインサート３に交換するのに要するインサート交換時間、切削工具１の交換時間である。

ここで切削工具１の交換時間は、マシニングセンタ１００に標準で付属している自動工具交換装置(ＡＴＣ)７０を用いて切削工具１を交換する時間、または上記ＡＴＣ７０に準じた装置で切削工具１を交換するのに要する時間である。なお、切削工具１の交換のみを手動で実行する場合には、作業者が切削工具１を交換するために要する時間を入力する。

次にステップＳ１２において、使用可能なインサート３の切刃に、各加工工程で加工する部分を割り当てる。このとき、使用するインサート１の切刃の周方向の摩耗幅から、インサート１を回転させる回転角度βiを決定する。図７Ａ、図７Ｂを用いて、回転角度の割当方法を説明する。インサート３は周囲部に切刃８を有し、この切刃８の部分を用いて切削加工する。切削加工を継続することにより切刃８が摩耗し、切刃８部に摩耗部分９が形成される。そこで、インサート３を所定角度(回転角度)βiだけ回転させる。

従来の回転角度βiの割当て方法は、図７Ａに示すように、一定の回転角度β_０ずつインサート３を回転させるようにしている。これは、作業者が目視で回転角度βiを決め、作業者が手動でインサート３を回転させるためである。つまり、加工条件にかかわらず、例えば１個のインサート３の切刃８に対して３回ないし４回だけ使用するようにして、回転角度βiを一定値に予め指定する。その結果、全ての切刃８の部分を使い切らずに回転または交換するので、インサート３の使用個数が増加し、工具費用が増加する。

一方工具寿命Ｌｔを延ばそうとすると、インサート３を交換または回転させるタイミングを、毎回作業者が指定する必要が生ずる。そして、各工程に適応した工具寿命Ｌｔを指定すると、作業者が切削工具１の監視や工程ごとに工具寿命Ｌｔを把握をする必要があり、作業者への負担が増大する。

上記不具合を解消するため、加工条件に関係なく、全ての工程において、等しいタイミングで切削工具１を交換するようにすると、本来の工具寿命まで使い切らずにインサート３を交換することになり、インサート３の切刃８の回転回数や交換回数が増加する。そのため、消費するインサート３が増加する。または、インサート３の使用限界を超えた摩耗量で加工することにより、加工の不具合を発生する場合もある。これらの理由から、従来のインサート３の交換方法を、インサート３の自動交換に適用することは困難である。

一方、図７Ｂに示すインサート３では、インサート３の摩耗部分９だけ回転角度βiを調整している。インサート３の周方向の摩耗幅は、図３に示した軸切込みａｐおよびインサート３の半径ｒから決定される。回転角度βiは式（１）から求められる。ここで、軸切込みａｐは、図１のステップＳ１におけるＮＣプログラムの読み込み時に、読み込まれる。一方、インサート３の半径ｒは、図１データベースＳ４に記憶されている。これらの値を用いて、自動でインサート３の回転角度βiが計算される。

回転角度βiの割当は、例えばインサート３の切刃８の部分が、周方向３６０°全て使用に適した状態では、各工程における回転角度β_１、β_２、…、βｎの和が３６０度以下であって３６０°に最も近くなる組み合わせを選び出す。そして、インサート３の交換および切削工具１の交換の時間を含めて、最も効率的に加工できる順番で割当る。これにより、インサート３を無駄なくほぼ全ての切刃８の部分を活用することができる。

インサート３の使用限度を決定する工具寿命Ｌｔは、図１のデータベースＳ４に格納されているので、全ての工程において適切な工具寿命Ｌｔで加工することができる。これにより、毎回作業者がインサート３の回転や交換をする必要が無く、さらに工具寿命Ｌｔが自動で決定されているので、安定した無人加工が可能になる。

図６のステップＳ１３においては、インサート３の回転角度βiからインサート３の交換回数を読込む。そして、インサート３を回転させるかまたは交換するか、もしくは切削工具１を交換するか、等の交換のタイミングを設定する。ステップＳ１１において、予めインサート３の回転時間とインサート３の交換時間、工具１の交換の時間、工具１の本数を設定されているので、上記交換及び回転に要する時間から、最も加工リードタイムが短くなる加工工程を設定する。

例えば、同じ切削工具１を複数備えるときに、インサート３の回転時間が工具１の交換時間より長い場合には、工具１の交換をインサート３の回転よりも優先的に実行する。すなわち、インサート３が摩耗して工具寿命Ｌｔに達した時にインサート３を回転するのではなく、自動工具交換装置(ＡＴＣ)７０などを用いて切削工具１を交換する。そして摩耗したインサート３を備えた切削工具１を自動工具交換装置(ＡＴＣ)７０の図示しないパレットに退避させ、新しい切削工具１で加工中に摩耗したインサート３を有する切削工具１の摩耗部を回転させる。

これより、丸型のインサート３を有する切削工具１を用いた加工において、加工時間にロスがなく、効率的に加工を実施することができる。なお、本実施例では、切削工具１の本数やインサート３の回転時間、インサート３の交換時間、切削工具１の交換時間を考慮して複数の加工工程を設定したので、加工リードタイムが短くなり、高効率で加工ができる。

次にステップＳ１４においては、ステップＳ１３で設定された加工工程に基づいて、加工を実施する。さらにステップＳ１５において、工具寿命Ｌｔを考慮したタイミングまで加工を実行する。加工を停止する指定されたタイミングに到達したら、ステップＳ１６において、インサート３を自動回転または自動交換する、もしくは切削工具１を自動交換する、か否かを判断する。

インサート３を自動回転または自動交換した場合には、ステップＳ１４に戻り再び加工を実施する。インサート３の摩耗がまだ工具寿命Ｌｔに達しておらず、インサート３の自動回転または自動交換もしくは切削工具１の交換が必要でなければ、ステップＳ１７に進み、設定された加工が終了したか否かを判断する。

ステップＳ１７において、設定された全ての加工工程が終了したと判断したら、加工を終了する。設定された全ての加工工程がまだ終了していないと判断したら、ステップＳ１４に戻り、工具寿命に達するまで加工を実施する。

本実施例では、丸型のインサート３の回転角度βiを用いてインサート３の切刃位置を摩耗していない位置に変更する例を示している。しかしながら、例えば予めインサート３に凹凸があり、その凹凸の間隔単位でしか回転できないインサート３を使用する場合もある。このような場合には、凹凸の間隔の倍数で回転角度βiを指定するようにすればよく、本発明を丸型のインサート以外にも適用することが可能となる。

図８Ａないし図１１を用いて、本発明に係る他の実施例を説明する。本実施例は、インサート３を自動で回転する自動回転装置５０に関するものである。図８Ａは、インサート自動回転装置５０の斜視図である。インサート自動回転装置５０は、Ｘ軸方向に駆動軸を持つＸ軸テーブル１３と、Ｘ軸に直交する方向であるＹ軸方向に駆動軸を持つＹ軸テーブル１２と、Ｘ軸及びＹ軸の双方に直交し、垂直方向に延びる複数(本実施例では２本)のＺ軸(支柱)１４を有する。Ｘテーブル１３の一方端側には、このインサート自動回転装置５０を制御する制御装置６０が設けられている。

一方のＺ軸１４には、インサート３を回転させるインサート回転機構１５が取り付けられており、他方のＺ軸には、切削工具１に止めねじ５でねじ止めされているインサート３の止めねじ５を緩めるためのねじ緩め装置１６が取り付けられている。各Ｚ軸１４はＸ軸テーブル１３に形成された溝に嵌合するベース部１４ｂと、ベース部１４ｂから垂直に上方に延びる支柱部とを有し、支柱部には上下方向に延びる溝部１４ｃが形成されている。インサート回転機構１５及びねじ緩め装置１６は、図示しない固定手段でＺ軸１４の溝部１４ｃを利用して固定されている。

制御装置６０は、Ｙテーブル１２およびＸテーブル１３とＺ軸１４を駆動制御し、ネジ緩め装置１６およびインサート回転機構１５を、図８Ｂに示すように自動工具交換装置７０のチェーン７２の底辺部に移動させる。そして、切削工具１の交換用または回転用インサート３が運ばれている位置にＺ軸１４を位置決めする。

切削工具１の位置を、図示しない複数のセンサで認識する。センサは少なくとも切削工具１の位置とインサート３の位置とを認識できれば良く、例えばカメラで撮像した映像を画像処理する方法等を用いる。なお、センサをインサート自動回転装置５０上の任意の位置に設置することもできる。工作機械自体でインサート３を自動回転させる場合には、工作機械側に切削工具１およびインサート３の位置決め手段を設けても良い。

図９Ａ〜９Ｃは、本実施例３におけるインサート自動回転機構１５を説明する図である。図９Ａはインサート自動回転機構１５の斜視図であり、図９Ｂは図９Ａの縦断面図であるまた、図９Ｃは、インサート３の回転を説明するための斜視図である。

インサート自動回転機構１５は、ハウジング１７を備えている。ハウジング１７の一端側には、Ｚ軸１４に当接する矩形状の取付板部１７ａが形成されており、取付板部１７ａには円柱形部が連続している。円柱形部には、上下に平行にＸ軸方向に延びる溝部１７_ｂ１、１７_ｂ２が形成されている。溝部１７_ｂ１、１７_ｂ２は、ハウジング１７の円柱形部の奥側まで延びている。

ハウジング１７の円柱形部の奥側には、互いに噛み合うギヤ２１とピニオン２０が配置されており、ピニオン２０にはラック１９ａが、ギヤ２１にはラック１９ｂがそれぞれ噛み合っている。ラック１９ａにはインサート回転ロッド１８ａが取り付けられており、ラック１９ｂには、インサート回転ロッド１８ｂが取り付けられている。インサート回転ロッド１８ａ、１８ｂは、ハウジング１７に形成された溝部１７_ｂ１、１７_ｂ２内にそれぞれ保持され、端部はハウジング１７から突出している。さらに、インサート回転ロッド１８ａ、１８ｂの突出側端部には、接触性向上材２４が取り付けられている。

ハウジング１７の取付板部１７ａの背面側には、サーボモータ２２が取り付けられており、サーボモータ２２の回転軸はハウジング１７内まで延びている。そして、ピニオン２０の回転軸と接続している。サーボモータ２２の回転軸には、エンコーダ２３が取り付けられている。

この様に構成したインサート自動回転機構１５では、サーボモータ２２を駆動することにより、２本のインサート回転ロッド１８ａ、１８ｂが図９Ｃに示すように、Ｘ方向に互い違いに並進し、インサート３をθ方向に回転させる。すなわち、サーボモータ２２を駆動すると、このサーボモータ２２に接続されたピニオン２０が回転駆動され、ピニオン２０に噛み合うギヤ２１がピニオン２０と反対方向に回転駆動される。ピニオン２０とギヤ２１が回転駆動されると、それぞれと噛み合うラック１９ａ、１９ｂが互いにＸ軸の反対方向に移動し、ラック１９ａ、１９ｂに取り付けられたインサート回転ロッド１８ａ、１８ｂも互いに反対方向に併進移動する。

ここで、サーボモータ２２の回転量はエンコーダ２３により検出され、個のエンコーダの検出値を用いて、サーボモータ２２の回転角度、すなわち２本のインサート回転ロッド１８ａ、１８ｂの併進移動量が制御される。インサート回転ロッド１８ａ、１８ｂの先端に取り付けた接触性向上材２４は、インサート３との摩擦を向上させ、接触性を向上させるために設けられており、ゴムなどを使用する。

図１０Ａ及び図１０Ｂは、本実施例３におけるインサートのねじ緩め機構１６を説明する図である。図１０Ａはねじ緩め機構１６の斜視図であり、図１０Ｂはねじ緩め機構１６の縦断面図である。

ねじ緩め機構１６は、インサート回転機構１５と似た外形形状となっている。すなわち、Ｚ軸に当接する矩形状の取付板部２６ｂと、この取付板部２６ｂに連続する円筒部２６ａとからなるハウジング２６を有し、取付板部２６ｂの背面側には、回転軸にエンコーダ２８が取り付けられたサーボモータ２８が配置されている。ハウジング２６の円筒部２６ａの内部には、円柱状の回転部材３０が配設されており、回転部材３０の取付板部２６ｂ側には、サーボモータ２７の回転軸２７ａが接続されている。

一方、回転部材３０の周囲部には、ほぼ等間隔で複数のレンチ回転用モータ２９ａ〜２９ｄが取り付けられており、このレンチ回転用モータ２９ａ〜２９ｄの出力軸にはレンチアダプター３１ａ〜３１ｄが取り付けられている。レンチアダプター３１ａ〜３１ｄは、棒状のレンチ２５ａ〜２５ｄの一端側が嵌合する形状に形成されている。棒状のレンチ２５ａ〜２５ｄの他端側は、ハウジング２６の開放側から(−)Ｙ軸方向に突き出ている。なお、複数準備されたレンチ２５ａ〜２５ｄは、互いにその呼びサイズを異ならせているか、使用頻度の多いものを複数本設けるようにする。

図２Ａに示すように、切削工具１に取り付けたインサート３は、止めねじ５により固定されている。そこで、ねじ緩め機構１６を用いて、インサート３を固定している止めねじ５を緩める。切削工具の種類に応じて、インサート３を固定する止めねじ５の形状やサイズが異なる。そこで、図１０に示すようにレンチ２５ａ〜２５ｄを回転部材３０の周囲に複数本配置している。

ねじ緩め機構１６では、止めねじ５に適合したレンチ２５ａ〜２５ｄを選択する必要があるので、レンチ２５ａ〜２５ｄの位置決めのために、回転部材３０をサーボモータ２７で回転させて、使用するレンチ２５ａを選び出す。また、レンチ２５ａ〜２５ｄの取り換えを容易にするため、レンチアダプター３１ａ〜３１ｄにレンチ２５ａ〜２５ｄを嵌合させている。レンチ２５ａ〜２５ｄによる止めねじ５の緩めまたは締め付け時には、レンチ２５ａ〜２５ｄの根元に設置したモータ２９ａ〜２９ｄを駆動する。

なお、インサート３の止めねじ５を緩めるときに、選択したレンチ２５ａ以外のレンチ２５ｂ〜２５ｄが切削工具１に干渉しない場合には、回転部材３０を回転させる必要はない。その場合、サーボモータ２７およびエンコーダ２８、回転部材３０を省略することができる。また、レンチ２５ａ〜２５ｄを取り換える必要がなく、常に同一のレンチ２５ａ〜２５ｄを使用するときは、レンチアダプター３１ａ〜３１ｄを省いて、直接サーボモータ軸にレンチ２５ａ〜２５ｄを接続するようにしてもよい。レンチ２５ａ〜２５ｄとしては、六角レンチや四角レンチ、六角ボックスレンチ等を使用するのが良い。

図１１に、インサート自動回転装置５０を用いたインサート３の回転動作を、フローチャートで示す。ステップＳ１８において、図示しないセンサが切削工具１およびインサート３の位置を確認する。次いでステップＳ１９で、自動工具交換装置７０の交換及び回転位置に保持された切削工具１の位置に、インサート自動回転装置５０のねじ緩め機構１６を移動させ、止めねじ５の位置にインサートねじ緩め機構１６を位置決めする。

ステップＳ２０において、使用するレンチ２５ａを止めねじ２１に係合させ、固定する。次いでステップ２１において、レンチ回転用モータ２９ａを回転駆動して、インサート３を固定している止めねじ５をレンチ２５ａが緩める。

ステップＳ２２に進み、止めねじ５が緩んでいるか否かを図示しない確認手段で確認する。確認方法としては、例えばレンチ回転用モータ２９ａの出力である負荷トルクが所定値以下となったら止めねじ５が緩んだと判断する。止めねじ５が緩んだことが確認されたら、ステップＳ２３に進み、インサート自動回転装置５０のＸ軸テーブル１３、Ｙ軸テーブル１２、Ｚ軸１４を制御装置６０が駆動し、ねじ緩め機構１６を次の加工工程の邪魔にならない位置まで退避させる。なお、止めねじ５が緩んでいない場合には、ステップＳ２０に戻り、再度止めねじ５を緩める動作を実行する。

止めねじ５が緩んだので、ステップＳ２４に進む。インサート自動回転装置５０の制御装置６０が、Ｘ軸テーブル１３およびＹ軸テーブル１２、Ｚ軸１４を駆動制御し、インサート回転機構１５を自動工具交換装置７０の交換及び回転位置に保持された切削工具１のインサート３の位置に移動させる。

次にステップＳ２５に進み、図１のステップＳ３で指定した回転角度βiだけインサート３を回転させる。インサート３を回転させたので、ステップＳ２６においてインサート３が所定量だけ回転しているかを、図示しないカメラ等の撮像情報を画像処理して確認する。

インサート３が所定量だけ回転されているのを確認できれば、ステップＳ２７に進み制御装置６０がＸ軸テーブル１３およびＹ軸テーブル１２、Ｚ軸１４を駆動制御して、インサート回転機構１５を加工工程等の邪魔にならない位置まで退避させる。インサート３の退避が完了すれば、インサート３の自動回転動作が終了する。ステップＳ２６において、インサート３が所定量だけ回転していると確認できなければ、ステップＳ２５に戻り、再度インサート３を所定回転量となるまで回転させる。

上記各実施例によれば、切削工具に使用するインサートの一部が摩耗等で加工に適さなくなったとき、摩耗していない未使用部までのインサートの回転角度を加工条件から算出し、算出した角度に基づいてインサートを回転させるので、適切な条件で切削加工が可能になる。また、切刃の未使用部を切削される位置まで自動的に回転させる、インサート自動回転システムを実現できる。そして、加工条件が逐次変化しても、インサート外周の切刃を無駄なく全て使い切ることができる。さらに、インサートを人手を介さずに全て自動回転させることができるので、作業者の経験の差により生ずる回転量の相違がなくなり、切削システムの自動化が可能になる。

なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が可能である。ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることも可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。さらに、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることも可能である。したがって、本発明の真の精神及び範囲内に存在する変形例は、全て請求の範囲に含まれる。

１…切削工具(ボディ)、２…インサート留め具、３…インサート、４…被削材、５…止めねじ、６…工具回転軸、７…接触部、８…インサート切刃、９…摩耗部分、１２…Ｙ軸テーブル、１３…Ｘ軸テーブル、１４…Ｚ軸(支柱)、１４ｂ…ベース部、１４ｃ…溝部、１５…インサート回転機構、１６…インサートネジ緩め機構、１７…ハウジング、１７ａ…取付け板部、１７_ｂ１、１７_ｂ２…溝部、１８ａ、１８ｂ…インサート回転ロッド、１９ａ、１９ｂ…ラック、２０…ピニオン、２１…ギヤ、２２…サーボモータ、２３…エンコーダ、２４…接触性向上材(当接部)、２５ａ〜２５ｄ…レンチ、２６…ハウジング、２６ａ…円筒部、２６ｂ…取付け板部、２７…サーボモータ、２７ａ…サーボモータ軸、２８…エンコーダ、２９ａ〜２９ｄ…レンチ回転用モータ、３０…回転部材、３１ａ〜３１ｄ…レンチアダプター、５０…インサート自動回転装置、６０…制御装置、７０…ＡＴＣ（自動工具交換装置）、７１…工具、７２…チェーン、７３…主軸部、８１…コラム、８２…テーブル、８３…ベッド、１００…自動切削システム(マシニングセンタ)、ａｐ…軸切込み(切込み深さ)、ｄｒ…径切込み、Ｄ_ｔｏｏｌ…工具直径、Ｌ_Ｔ…工具寿命時間、ｒ…インサート半径、Ｖｃ…切削速度、Ｖｓ…材料除去体積、Ｗ…インサート幅、Ｗｗ…逃げ面摩耗幅、β…接触角、β_０〜β_i…回転角。

Claims

インサート交換式切削工具を使用する自動切削方法であって、
加工プログラムを読み込むステップと、
読み込んだ前記加工プログラムから加工条件を抽出するステップと、
寿命試験データおよび工具データを格納するデータベースを参照し前記インサートの回転角度と工具寿命とを演算するステップと、
演算した前記回転角度だけ前記インサートを回転させたときに未使用の切刃部分が残るか否かを判断するステップと、
前記未使用の切刃部分で加工するステップと、加工後にインサートを自動回転または自動交換するかを判断するステップを有し、
前記インサートとして、丸型のインサートを使用し、
前記インサートの回転角度を、前記インサート半径および軸切込みの関係から定まる前記インサートの円周角としたことを特徴とするインサート交換式切削工具を使用する自動切削方法。
前記加工プログラムは複数の加工工程を含んでおり、各加工工程に応じて前記回転角度を変化させることを特徴とする請求項１に記載のインサート交換式切削工具を使用する自動切削方法。