JP6953545B2 - エンドミル仕様設定方法、加工条件設定方法および加工方法 - Google Patents

Description

本発明は、エンドミル仕様設定方法、加工条件設定方法および加工方法に関する。

近年の航空機構造部品は一体型が進み部品形状複雑になると共に、製品の高さも増して、Ｌ／Ｄ（突出し長さ／直径）＝５を超える突出しの長い工具による形状加工の必要性が増している。そのような部品は一次構造部材として結合部となることが多いため、加工面性状も重要である。しかし突出しの長い工具では、工具側の再生びびり振動が問題となり、加工面不良や加工時間が長くなるという問題がある。

一般に剛性は突出し量の３乗に比例するため、長い工具で加工する際は再生びびり振動を回避できる回転数領域となる安定ポケットを利用し、さらにできるだけ負荷を落とすることになる。そのために加工時間が非常に長くなるだけでなく、１つの面を複数パスで加工するため、パス間のミスマッチが発生し、加工後の手仕上げが必要になる。また安定ポケットは固有振動数の整数分の一のため、剛性が低く（固有振動が小さく）なるほど回転数が落ちて能率が下がる。

この問題に対処するために、側面仕上げでは１回の工程で仕上げる１発仕上げという加工法が最近取り組まれている。しかし、この加工も以下の問題を含んでいる。
・軸方向切り込みを大きくかけるため大きな振動が発生する
・突出し長さが長い工具は減衰性が低いため、安定領域が狭く不安定となる
・剛性が弱いので０．１ｍｍ以上倒れてしまうため送りが速くできない

また、深いポケットの底面仕上げの場合、工具全径での加工となるため、びびり振動発生しやすく、径方向切込みや送りを落として削るのが一般的である。

このような状況に対して、振動し難い工具として、刃形状に関する発明と製品がいくつか提供されている。しかし、従来の工具メーカーには振動特性の観点が不足している。そのため、専用工具は適用条件が狭く、ユーザーでの１発仕上げは非常に不安定で使いづらい。

特許文献１には、振動特性に着目したエンドミルの加工方法が開示されている。すなわち、低速切削において加工中に工具とワークが接触して減衰する効果（プロセスダンピング）を用いることが開示されている。

米国特許第８８７５３６７号明細書

しかし、特許文献１は、工具の質量軽量化によって固有振動数を上げ、低速域のプロセスダンピングを中速域で利用するものであり、さらに高速域を用いることには限界がある。

このような問題に鑑み、本開示では、高速で安定的にエンドミルによる加工を行うことを目的とする。

本発明の一態様に係るエンドミル仕様設定方法は、エンドミルが取り付けられる主軸の１分間あたりの最大回転数をＳｍａｘ、前記エンドミルの刃数をＮ、前記エンドミルの外径をＤａ、前記エンドミルの先端における振動が最大となる固有振動数をω１、前記エンドミルの径方向切込み量をＲｄとしたとき、
ｉ）ＲｄがＤａの４％以上の場合には、
ω１×６０／Ｎ×６ ＜ Ｓｍａｘ、
ii）ＲｄがＤａの４％未満の場合には、
ω１×６０／Ｎ×３ ＜ Ｓｍａｘ、
となるようにω１及び／又はＮを設定する。

エンドミルが再生びびり振動を発生せずに安定して切削加工できる安定回転数は、ω１×６０／Ｎ／ｎとされる（ｎは自然数）。本発明者が検討したところ、上記のｎを１とした第１安定回転数よりも大きな回転数にも広い安定領域があることを見出した。そして、この安定領域はエンドミルの径方向切込み量Ｒｄによって変化する。
そこで、
ｉ）ＲｄがＤａの４％以上の場合には、
ω１×６０／Ｎ×６ ＜ Ｓｍａｘ
ii）ＲｄがＤａの４％未満の場合には、
ω１×６０／Ｎ×３ ＜ Ｓｍａｘ
となるようにω１及び／又はＮを設定することとした。
これにより、主軸の最大回転数Ｓｍａｘに近い主軸回転数まで増大することができ、高速で安定的な切削加工を行うことができる。
例えば、エンドミルの突出し量を大きくして固有振動数ω１を小さくし、刃数Ｎを増大することによって第１安定回転数を小さくし、第１安定回転数よりも大きな回転数とされた安定領域を広く使えるようにする。

本発明の一態様に係るエンドミル仕様設定方法では、前記ｉ）の場合には底面加工とし、前記ii）の場合には側面加工とする。

ｉ）の場合には、径方向切込み量がii）に比べて大きいので、ポケット加工における底面加工、特に深いポケット加工における底面仕上げに適している。
ii）の場合には、径方向切込み量がｉ）に比べて小さいので、側面加工、特にエンドミルの軸方向に深い切込みでの１回の仕上げ加工に適している。

本発明の一態様に係る加工条件設定方法は、エンドミルが取り付けられる主軸の１分間あたりの最大回転数をＳｍａｘ、前記エンドミルの刃数をＮ、前記エンドミルの外径をＤａ、前記エンドミルの先端における振動が最大となる固有振動数をω１、前記エンドミルの径方向切込み量をＲｄとしたとき、ｉ）ＲｄがＤａの４％以上の場合には、ω１×６０／Ｎ×６以上かつＳｍａｘ以下、ii）ＲｄがＤａの４％未満の場合には、ω１×６０／Ｎ×３以上かつＳｍａｘ以下、となるように前記主軸の回転数を設定する。

エンドミルが再生びびり振動を発生せずに安定して切削加工できる安定回転数は、ω１×６０／Ｎ／ｎとされる（ｎは自然数）。本発明者が検討したところ、上記のｎを１とした第１安定回転数よりも大きな回転数にも広い安定領域があることを見出した。そして、この安定領域はエンドミルの径方向切込み量Ｒｄによって変化する。
そこで、
ｉ）ＲｄがＤａの４％以上の場合には、
ω１×６０／Ｎ×６以上かつＳｍａｘ以下
ii）ＲｄがＤａの４％未満の場合には、
ω１×６０／Ｎ×３以上かつＳｍａｘ以下
となるように主軸の回転数を設定することとした。
これにより、第１安定回転数よりも大きい回転数で加工することができ、高速で安定的な切削加工を行うことができる。

本発明の一態様に係る加工条件設定方法は、前記ｉ）の場合には底面加工とし、前記ii）の場合には側面加工とする。

ｉ）の場合には、径方向切込み量がii）に比べて大きいので、ポケット加工における底面加工、特に深いポケット加工における底面仕上げに適している。
ii）の場合には、径方向切込み量がｉ）に比べて小さいので、側面加工、特にエンドミルの軸方向に深い切込みでの１回の仕上げ加工に適している。

本発明の一態様に係る加工条件設定方法は、前記エンドミルの先端における振動が最大となる前記固有振動数であるω１よりも高い周波数で、ω１から独立した振動のピークを有し、振動のピーク値がω１のピーク値の１／１０以上とされた固有振動数をω’としたとき、前記主軸の回転数は、ω’×６０／Ｎ／（ｍ−０．５）を避けた回転数（ｍは自然数）とされている。

エンドミルの先端における振動が最大となる固有振動数であるω１よりも高い周波数で、ω１から独立した振動のピークを有し、振動のピーク値がω１のピーク値の１／１０以上とされた固有振動をω’としたとき、このω’に対しても安定回転数がω’×６０／Ｎ／ｎと設定される（ｎは自然数）。ω’は、ω１よりも高い周波数を有するため、ω’の安定回転数はω１よりも高い周波数で現れるものがある。一方、隣り合う安定回転数の間（例えばｍ＝１と２の間など）には再生びびり振動が現れる。
そこで、ω’の隣り合う安定回転数の間の不安定領域となり得る中央値は、ω’×６０／Ｎ／（ｍ−０．５）で表すことができる。この中央値を避けるように主軸の回転数を設定することで、より安定した加工を行うことができる。

本発明の一態様に係る加工方法は、上記のいずれかに記載の加工条件設定方法を用い、被加工物の切削加工を行う。

上記の加工条件設定方法を用いることで、高速で安定した加工を行うことができる。
例えば、底面仕上げの場合には、軸方向切込み量は１ｍｍ以下、１刃あたり送り量は０．１ｍｍ／ｔｏｏｔｈ以下とされる。側面仕上げの場合には、１刃あたり送り量は０．０３以上０．０５ｍｍ／ｔｏｏｔｈとされ、軸方向切込み量はエンドミルの突出し量に相当する長さだけとされる。このため、種々の深さの加工に対して１つの工具で対応することができる。
なお、上記の切込み量や送り量は、例示であり、シミュレーションや加工テストから得ることができる。

高速で安定的にエンドミルによる加工を行うことができる。

本発明の一実施形態に係るエンドミルを示した概略構成図である。 安定ポケットを示したグラフである。 図２の安定ポケットよりも高回転数側に存在する安定領域を示したグラフである。 径方向切込み量に対する各安定回転数の比を示したグラフである。 エンドミルの先端の振動応答特性を示したグラフである。 ２つの振動ピークに対して安定領域を示したグラフである。

図１に示すように、エンドミル１０は、軸方向に延在するシャフト１４と、シャフト１４の外周に設けられた複数枚の刃１５とを有する。
エンドミル１０の一端は、チャック等の固定具を用いて主軸５に対して取り付けられている。主軸５は、図示しない工作機械の回転軸に接続されており、制御部から指示される所定の回転数で回転する。主軸５の最大回転数Ｓｍａｘは、工作機械の容量によって決まるが、例えば１００００以上４００００（ｒｐｍ）以下とされる。

主軸５からエンドミル１０の先端までの長さが突出し長さＬとされる。この突出し長さＬは、加工条件に応じて設定が変更されるようになっている。
エンドミル１０は、主としてアルミ合金の加工に用いられ、例えば厚さが１００ｍｍ以上５００ｍｍ以下とされた部材のポケット加工等に用いられる。具体的な加工対象としては、例えば航空機構造部品（キールビームや主翼のセンタービーム等）が挙げられる。エンドミル１０の外径Ｄａに対する突出し長さＬの比であるＬ／Ｄａは、５以上とされる。

エンドミル１０の外径Ｄａは１６ｍｍ以上２５ｍｍ以下とされ、刃数Ｎは１０以上２５以下とされる。

エンドミル１０による切削加工では、エンドミル１０が再生びびり振動を発生せずに安定して切削加工できる安定回転数Ｓｎが下式のように定められる。
Ｓｎ＝ω１×６０／Ｎ／ｎ ［ｒｐｍ］ ・・・（１）
ω１はエンドミル１０の先端の固有振動数、Ｎは刃数、ｎは自然数である。固有振動数ω１は、例えば主軸５に取り付けられたエンドミル１０に対してタッピングを行うことによって得ることができ、最も大きな振動ピークを示す振動数である。

安定回転数Ｓｎを中心とする所定範囲の回転数領域が安定ポケットとなり、この安定ポケット内で主軸５を回転させれば再生びびり振動を回避することができる。

図２には、複数の安定ポケットが示されている。同図において横軸は主軸回転数［ｒｐｍ］、縦軸は軸方向切込み量［ｍｍ］を示す。安定領域は、曲線よりも下であり、曲線よりも上は再生びびり振動が発生する不安定領域となる。

同図には、上式（１）においてｎ＝１とした第１安定回転数Ｓ１における第１安定ポケットＳＰ１、ｎ＝２とした第２安定回転数Ｓ２における第２安定ポケットＳＰ２、ｎ＝３とした第３安定回転数Ｓ３における第３安定ポケットＳＰ３が示されている。各安定ポケットは、第１安定ポケットＳＰ１のｎ分の１となっている（式（１）参照）。

図２に示した安定ポケットＳＰを用いる場合には、次のような問題がある。
Ｌ／Ｄａが５以上となるエンドミル１０では、突出し長さＬが長いため固有振動数ω１が小さくなり安定ポケットＳＰが現れる主軸回転数が小さくなる。このため、高速回転での切削加工が困難となる。また、安定ポケットＳＰの回転数幅が小さくなるため、回転数調整が困難となる。また、固有振動数ω１が小さいほど安定ポケットＳＰは固有振動数ω１に近くなるため、強制振動が発生しやすい。

これに対して、本発明者は、図３に示すように、第１安定ポケットＳＰ１を超え、さらに固有振動数ω１を超えた領域に再生びびり振動が生じない安定ポケットがあることを見出した。横軸は主軸回転数［ｒｐｍ］、縦軸は軸方向切込み量［ｍｍ］を示す。安定領域は、曲線よりも下であり、曲線よりも上は再生びびり振動が発生する不安定領域となる。

同図に示したものは、エンドミル１０の刃数Ｎが１９、外径Ｄａが２５ｍｍ、突出し長さＬが１７０に対してシミュレーションを行ったものである。このシミュレーションは、上記工具ジオメトリおよびその周波数特性を基に、エンドミル加工における再生型びびり振動の安定限界解析を用いて行った。

同図から分かるように、第１安定ポケットＳＰ１を大きく超えた６０００［ｒｐｍ］以上１００００［ｒｐｍ］以下の第１高速安定ポケットＳＰ１’や、１８０００［ｒｐｍ］以上の領域に大きな第２高速安定ポケットＳＰ２’が存在する。本実施形態では、これらの高速安定ポケットＳＰ１’，ＳＰ２’を用いる。

さらに、本発明者は、図３に示した各安定ポケットＳＰの形状は、エンドミル１０の固有振動数ω１、径方向切込み量Ｒｄ［ｍｍ］に依存して変化することを見出した。そこで、種々のエンドミル１０に対して固有振動数ω１と径方向切込み量Ｒｄを変化させてシミュレーションを行ったところ、図４のように第１安定回転数Ｓ１と、第１高速安定回転数Ｓ１’との間に所定の関係があることを見出した。

図４において、横軸はエンドミル１０の外径Ｄａに対する径方向切込み量Ｒｄの百分率であるＲｄ／Ｄａ［％］であり、縦軸は第１安定回転数Ｓ１に対する第１高速安定回転数Ｓ１’の比である。同図から分かるように、Ｒｄ／Ｄａが４％未満の場合にはＳ１’／Ｓ１が３程度となり、Ｒｄ／Ｄａが４％以上の場合にはＳ１’／Ｓ１が６程度となる。すなわち、Ｒｄ／Ｄａが４％未満の場合には、第１高速安定回転数Ｓ１’は、第１安定回転数Ｓ１の３倍のあたりに存在し、Ｒｄ／Ｄａが４％以上の場合には第１高速安定回転数Ｓ１’は、第１安定回転数Ｓ１の６倍のあたりに存在することを意味する。この第１高速安定回転数Ｓ１’を含む第１高速安定ポケットＳＰ１’を用いれば、エンドミル１０を用いて高速でかつ安定して切削加工することができる。

次に、図５及び図６を用いて、固有振動数ω１よりも高い周波数におけるエンドミル１０の振動ピークについての影響を検討する。上述した固有振動数ω１は、エンドミル１０の先端の周波数解析をした場合に、最も大きな振動ピークを示す振動数であり、この固有振動数ω１よりも高い周波数において独立した振動ピークを示す振動数が存在する場合がある。具体的には、図５に示すように、１番目の振動ピークである固有振動数ω１よりも高周波数側に独立した振動ピークが第２ピーク振動数ω２として認められる場合がある。この第２ピーク振動数ω２についても、式（１）で示したように安定回転数が存在するとともに、安定回転数でない領域には不安定領域が存在する。そこで、第２ピーク振動数ω２についての安定領域及び不安定領域を検討したものが図６である。

図６において、横軸は主軸回転数［ｒｐｍ］、縦軸は軸方向切込み量［ｍｍ］を示す。同図では、固有振動数ω１に対応する安定領域を示す曲線Ｌ１と、第２ピーク振動数ω２に対応する安定領域を示す曲線Ｌ２と、これら曲線Ｌ１とＬ２を重ね合わせた曲線Ｌ３とが示されている。同図から分かるように、線分Ｌ４で示した１４０００［ｒｐｍ］あたりにＬ３が大きく下方に凹んでいる領域がある。これは、第２ピーク振動数ω２の曲線Ｌ２による影響である。この線分Ｌ４で示した回転数領域は、不安定領域となるので避けることが好ましい。そこで、以下のように主軸回転数を制限する。

エンドミル１０の先端における振動が最大となる固有振動数ω１よりも高い周波数で、かつ、固有振動数ω１から独立した振動のピークを有し、かつ、振動のピーク値がω１のピーク値の１／１０以上とされた固有振動をω’とする。ω’はｍ個存在するものとする（ｍは自然数）。
このとき、ω’×６０／Ｎ／（ｍ−０．５）
を避けた回転数となるように主軸５の回転数を設定する。これにより、隣り合う安定ポケット間の中央回転数を避けることができる。

［エンドミル仕様設定方法］
次に、上述した考え方に基づいて用いられるエンドミル仕様設定方法について説明する。なお、Ｓｍａｘは主軸５の最大回転数である。
ｉ）径方向切込み量Ｒｄが外径Ｄａの４％以上の場合には、
ω１×６０／Ｎ×６ ＜ Ｓｍａｘ
ii）径方向切込み量Ｒｄが外径Ｄａの４％未満の場合には、
ω１×６０／Ｎ×３ ＜ Ｓｍａｘ
となるようにω１及び／又はＮを設定する。

これにより、主軸５の最大回転数Ｓｍａｘに近い主軸回転数まで増大することができ、高速で安定的な切削加工を行うことができる。
例えば、エンドミルの突出し量を大きくして固有振動数ω１を小さくし、刃数Ｎを増大することによって第１安定回転数Ｓ１を小さくし、第１安定回転数Ｓ１よりも大きな回転数とされた第１高速安定ポケットＳＰ１’を広く使えるようにする。

このとき、上記ｉ）の場合には底面加工とし、上記ii）の場合には側面加工とすることが好ましい。

ｉ）の場合には、径方向切込み量Ｒｄがii）に比べて大きいので、ポケット加工における底面加工、特に深いポケット加工における底面仕上げに適している。
ii）の場合には、径方向切込み量Ｒｄがｉ）に比べて小さいので、側面加工、特にエンドミルの軸方向に深い切込みでの１回の仕上げ加工に適している。

［加工条件設定方法］
次に、上述した考え方に基づいて用いられる加工条件設定方法について説明する。なお、Ｓｍａｘは主軸５の最大回転数である。
ｉ）径方向切込み量Ｒｄが外径Ｄａの４％以上の場合には、
ω１×６０／Ｎ×６以上かつＳｍａｘ以下
ii）径方向切込み量Ｒｄが外径Ｄａの４％未満の場合には、
ω１×６０／Ｎ×３以上かつＳｍａｘ以下
となるように主軸５の回転数を設定する。

上記条件で加工条件を設定することにより、第１安定回転数Ｓ１よりも大きい回転数となる第１高速安定ポケットＳＰ１’で加工することができ、高速で安定的な切削加工を行うことができる。

このとき、上記ｉ）の場合には底面加工とし、上記ii）の場合には側面加工とすることが好ましい。

ｉ）の場合には、径方向切込み量Ｒｄがii）に比べて大きいので、ポケット加工における底面加工、特に深いポケット加工における底面仕上げに適している。
ii）の場合には、径方向切込み量Ｒｄがｉ）に比べて小さいので、側面加工、特にエンドミルの軸方向に深い切込みでの１回の仕上げ加工に適している。

さらに、加工条件設定の際には、以下の条件を加えることが好ましい。
エンドミル１０の先端における振動が最大となる固有振動数ω１よりも高い周波数で、ω１から独立した振動のピークを有し、振動のピーク値がω１のピーク値の１／１０以上とされた固有振動数をω’としたとき、
主軸５の回転数は、
ω’×６０／Ｎ／（ｍ−０．５）
を避けた回転数（ｍは自然数）とされている。

ω’は、ω１よりも高い周波数を有するため、ω’の安定回転数はω１よりも高い周波数で現れるものがある。一方、隣り合う安定回転数の間（例えばｍ＝１と２の間など）には再生びびり振動が現れる（図６参照）。
そこで、ω’の隣り合う安定回転数の間の不安定領域となり得る中央値は、ω’×６０／Ｎ／（ｍ−０．５）で表すことができる。この中央値を避けるように主軸５の回転数を設定することで、より安定した加工を行うことができる。

［加工方法］
次に、上述した考え方に基づいて用いられる加工方法について説明する。加工方法としては、上述した加工条件設定方法の条件の下でエンドミル１０を用いて切削加工を行う。このとき、上述したエンドミル仕様設定方法に基づいて得られたエンドミル１０が用いられる。これにより、高速で安定した加工を行うことができる。

例えば、底面仕上げの場合には、軸方向切込み量は１ｍｍ以下、１刃あたり送り量は０．１ｍｍ／ｔｏｏｔｈ以下とされる。側面仕上げの場合には、１刃あたり送り量は０．０３以上０．０５ｍｍ／ｔｏｏｔｈとされ、軸方向切込み量はエンドミルの突出し量に相当する長さだけとされる。このため、種々の深さの加工に対して１つの工具で対応することができる。
なお、上記の切込み量や送り量は、例示であり、シミュレーションや加工テストから得ることができる。

５ 主軸
１０ エンドミル
１４ シャフト
１５ 刃
Ｄａ （エンドミルの）外径
Ｌ （エンドミルの）突出し長さ
Ｓｍａｘ （主軸の）最大回転数
Ｒｄ 径方向切込み量
ω１ （エンドミル先端の）固有振動数
Ｓ１ 第１安定回転数
Ｓ１’ 第１高速安定回転数
ＳＰ，ＳＰ１，ＳＰ２，ＳＰ３ 安定ポケット
ＳＰ１’ 第１高速安定ポケット
ＳＰ２’ 第２高速安定ポケット

Claims (6)

1. エンドミルが取り付けられる主軸の１分間あたりの最大回転数をＳｍａｘ、
   前記エンドミルの刃数をＮ、
   前記エンドミルの外径をＤａ、
   前記エンドミルの先端における振動が最大となる固有振動数をω１、
   前記エンドミルの径方向切込み量をＲｄとしたとき、
   ｉ）ＲｄがＤａの４％以上の場合には、
   ω１×６０／Ｎ×６ ＜ Ｓｍａｘ
   ii）ＲｄがＤａの４％未満の場合には、
   ω１×６０／Ｎ×３ ＜ Ｓｍａｘ
   となるようにω１及び／又はＮを設定するエンドミル仕様設定方法。
2. 前記ｉ）の場合には底面加工とし、
   前記ii）の場合には側面加工とする請求項１に記載のエンドミル仕様設定方法。
3. エンドミルが取り付けられる主軸の１分間あたりの最大回転数をＳｍａｘ、
   前記エンドミルの刃数をＮ、
   前記エンドミルの外径をＤａ、
   前記エンドミルの先端における振動が最大となる固有振動数をω１、
   前記エンドミルの径方向切込み量をＲｄとしたとき、
   ｉ）ＲｄがＤａの４％以上の場合には、
   ω１×６０／Ｎ×６以上かつＳｍａｘ以下
   ii）ＲｄがＤａの４％未満の場合には、
   ω１×６０／Ｎ×３以上かつＳｍａｘ以下
   となるように前記主軸の回転数を設定する加工条件設定方法。
4. 前記ｉ）の場合には底面加工とし、
   前記ii）の場合には側面加工とする請求項３に記載の加工条件設定方法。
5. 前記エンドミルの先端における振動が最大となる前記固有振動数であるω１よりも高い周波数で、ω１から独立した振動のピークを有し、振動のピーク値がω１のピーク値の１／１０以上とされた固有振動数をω’としたとき、
   前記主軸の回転数は、
   ω’×６０／Ｎ／（ｍ−０．５）
   を避けた回転数（ｍは自然数）とされている請求項３又は４に記載の加工条件設定方法。
6. 請求項３から５のいずれかに記載の加工条件設定方法を用い、被加工物の切削加工を行う加工方法。

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