JP7682086B2 - 切削加工装置及び切削加工方法 - Google Patents

Description

本開示は、びびり振動が発生し難く、精度の高い切削加工が可能な切削加工装置及び切削加工方法に関する。

工具又はワークを装着してモータ駆動する主軸を備えた工作機械（切削加工装置）により切削加工を行った場合に、ワークまたは切削工具の動剛性が低いといわゆる「びびり振動」が発生することがある。びびり振動が発生すると、工具が欠損したり、ワークの表面精度を悪化させるなどの問題が生じる。
このびびり振動を抑制する技術として、たとえば特許文献１では、ワークの回転速度、即ち、主軸の回転速度を周期的に変動させてびびり振動を抑制することを提案している。
しかし、特許文献１に記載の方法は、加工中に主軸の回転速度を変動させるため、ワークの加工面に回転速度の変動に起因した筋目が残りやすく、仕上げ精度が悪化するという課題があった。この課題に対して特許文献２では、ワークの振動しやすさであるワーク動剛性の異方性に着目し、切削加工時にワークの回転中心に向かって切り込む角度が、ワーク動剛性が高い方向となるようにして、びびり振動を抑制することを提案している。

特開昭４９－１０５２７７号公報 特開２０１０－１７８０１号公報

しかしながら、びびり振動が小さくなる切り込み方向とワーク動剛性が高い方向とは必ずしも一致しない。そのため、特許文献２の方法では、びびり振動を十分に抑制できない問題があった。

そこで、本開示は、上記問題に鑑みなされたものであって、びびり振動を十分抑制可能な切削加工装置及び切削加工方法を提供することを目的としたものである。

上記目的を達成するために、本開示の第１の構成は、ワーク軸線に直交する方向から前記ワーク軸線に向けて切削工具を配置し、前記ワークと前記切削工具の少なくともどちらか一方が回転して前記ワークを切削する切削加工装置であって、
前記ワーク軸線に向かって前記切削工具を切り込む角度であるワーク切り込み角度を変更する角度変更手段と、
前記ワークから前記切削工具までのループ動剛性を取得するループ動剛性取得手段と、
切削力の方向を取得する切削力方向取得手段と、
前記ループ動剛性と前記切削力の方向とを用いてびびり抑制角度を予測するびびり抑制角度予測手段と、
前記ワーク切り込み角度が前記びびり抑制角度となるように前記角度変更手段を制御する角度制御手段と、
前記角度制御手段により制御された前記ワーク切り込み角度を維持して、前記切削工具により前記ワークを切削する切削制御手段と、を有することを特徴とする。
本開示の第１の構成の別の態様は、上記構成において、前記切削力方向取得手段は、前記切削工具の刃先情報を取得する刃先情報取得手段と、切削条件を取得する切削条件取得手段と、を含み、
前記切削力方向取得手段は、前記刃先情報と前記切削条件とをもとに前記切削力の方向を取得することを特徴とする
本開示の第１の構成の別の態様は、上記構成において、前記ループ動剛性取得手段は、ワーク情報を取得するワーク情報取得手段と、切削工具情報を取得する切削工具情報取得手段と、を含み、
前記ループ動剛性取得手段は、前記ワーク情報と前記切削工具情報とをもとに前記ループ動剛性を取得することを特徴とする。
本開示の第１の構成の別の態様は、上記構成において、前記ワーク切り込み角度と機械座標系との相対位置関係を視覚的に確認可能とする位置関係表示手段をさらに備えることを特徴とする。
本開示の第１の構成の別の態様は、上記構成において、前記ワークと前記切削工具とが接触する切削加工点を撮影する加工点撮影手段と、撮影された前記切削加工点を表示する加工点表示手段とをさらに備えることを特徴とする。
上記目的を達成するために、本開示の第２の構成は、ワーク軸線に直交する方向から前記ワーク軸線に向けて切削工具を配置し、前記ワーク軸線に向かって前記切削工具を切り込む角度であるワーク切り込み角度を変更する角度変更手段と、前記角度変更手段を制御する角度制御手段と、を備え、前記ワークと前記切削工具の少なくともどちらか一方が回転して前記ワークを切削する切削加工方法であって、
前記ワークから前記切削工具までのループ動剛性を取得するループ動剛性取得ステップと、
切削力の方向を取得する切削力方向取得ステップと、
前記ループ動剛性と前記切削力の方向とを用いてびびり抑制角度を予測するびびり抑制角度予測ステップと、
前記ワーク切り込み角度を、前記びびり抑制角度になるよう前記角度制御手段により前記角度変更手段を調整する切り込み角度制御ステップと、
前記角度制御手段により制御されたワーク切り込み角度を維持して、前記切削工具により前記ワークを切削する切削ステップと、を実行することを特徴とする。
本開示の第２の構成の別の態様は、上記構成において、前記切削力方向取得ステップでは、前記切削工具の刃先情報と切削条件とを取得して、前記刃先情報と前記切削条件とをもとに前記切削力の方向を取得することを特徴とする。
本開示の第２の構成の別の態様は、上記構成において、前記ループ動剛性取得ステップでは、ワーク情報と切削工具情報とを取得して、前記ワーク情報と前記切削工具情報とをもとに前記ループ動剛性を取得することを特徴とする。

本開示によれば、ループ動剛性に加えて切削力の方向を考慮してびびり抑制角度を予測するため、ワークの回転中心に向かって切り込む角度をびびり振動を十分抑制し得る角度に決定して加工することが可能となる。よって、びびり振動の発生を抑え、仕上げ面精度の高い加工を実施することができる。

切削加工装置の実施形態を示す平面説明図である。 図１の側面説明図である。 切削加工装置の制御装置のブロック図である。 びびり抑制角度予測方法のフローチャートである。 ワーク切り込み角度とびびり安定性との関係を示す予測図である。 モニタによる位置関係表示を示す説明図である。

以下、本開示の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１～３は本開示に係る切削加工装置（例えばＮＣ旋盤等の工作機械）の一例を示す説明図であり、図１はＹ軸方向から見た平面図、図２はワークの軸線方向から見た側面図を示している。
図１，図２において、１は切削加工装置の主軸台、２は主軸台１に回転可能に支持された主軸、３はワーク５を把持するための爪４を備えて主軸２の先端に設置されたチャック、６は切削工具、７は切削工具６を取り付ける工具主軸、８は工具主軸７をＹ軸方向に並進移動させるＹ軸移動機構部、９は切削加工装置の図示しない基台上に設置されて工具主軸７のＸ軸方向への移動を可能とするサドル、１０はサドル９をＸ軸方向へ並進移動させるＸ軸移動機構部である。

Ｙ軸移動機構部８及びＸ軸移動機構部１０は、ボールねじ機構で構成され、Ｙ軸移動機構部８は、サドル９に設置されたＹ軸モータ８ａにより駆動され、Ｘ軸移動機構部１０は、基台に設置されたＸ軸モータ１０ａにより駆動される。尚、Ｍ１はワークの回転中心であるワーク軸線、Ｍ２は工具主軸軸線、Ｍ３は工具軸線を示し、ワーク軸線Ｍ１に垂直な平面をＸＹ平面としている。そして、工具主軸７は、その先端部に、工具主軸軸線Ｍ２と工具軸線Ｍ３とが交差する形で回転割り出し可能に切削工具６を保持し、切削工具６のワーク切り込み角度の変更を可能とするための工具主軸回動部Ｌを備えている。尚、角度変更装置２０は、工具主軸７、Ｙ軸移動機構部８、サドル９、Ｘ軸移動機構部１０で構成される。

図３は、この切削加工装置を制御する制御装置を示している。この図３に示すように、制御装置は、各種モータを制御するための数値制御装置４０、びびり振動の発生し難いびびり抑制角度を予測するびびり抑制角度予測装置５０を備えている。尚、２ａは主軸２を回転させる主軸モータ、７ａは工具主軸回動部Ｌを駆動する工具主軸モータである。
そして、数値制御装置４０は、ワーク加工プログラムを記憶するプログラム記憶部４１、加工プログラムを解析するプログラム解析部４２、各種モータを制御する駆動制御部４３を備えている。
びびり抑制角度予測装置５０は、切削力の方向を取得する切削力方向取得部５１、ワーク５から切削工具６までのループ動剛性を取得するループ動剛性取得部５２、ループ動剛性と切削力の方向とからびびり安定性が最大となるびびり抑制角度を算出する演算部５３を備えている。

さらに、切削力方向取得部５１は、切削力の方向のデータベースを記憶する切削力方向記憶部５４、切削力の方向に影響する切削工具６の刃先情報を取得する刃先情報取得部５５、切削力の方向に影響する切削条件を取得する切削条件取得部５６を備えている。
ループ動剛性取得部５２は、ループ動剛性のデータベースを記憶するループ動剛性記憶部５７、ワーク５の動剛性に影響するワーク情報を取得するワーク情報取得部５８、切削工具６の動剛性に影響する切削工具情報を取得する切削工具情報取得部５９を備えている。
演算部５３により予測されたびびり抑制角度は、駆動制御部４３に送られ、駆動制御部４３では通常の加工プログラムを解析して生成された制御指令と合成し、モータ駆動信号を生成して各モータを制御する。

このように構成された切削加工装置による切削加工方法は、以下のように実施される。
まず、切削力の方向を取得すると共に（切削力方向取得ステップ）、ワーク５から切削工具６までのループ動剛性を取得する（ループ動剛性取得ステップ）。
次に、取得した切削力の方向とループ動剛性とに基づいて、びびり安定性が最大となる角度（θ）を予測する（びびり抑制角度予測ステップ）。ここまでのステップの詳細については後述する。
次に、この予測結果から、びびり安定性の高い方向がＸ軸方向からθの角度である場合、数値制御装置４０により工具主軸７の工具主軸回動部Ｌを制御して、ワーク軸線Ｍ１に向かって、即ち、回転中心に向かって切り込む角度をθとする（図２に示した状態：切り込み角度制御ステップ）。
その後、数値制御装置４０により、Ｘ軸モータ１０ａ及びＹ軸モータ８ａを制御して、ワーク切り込み角度θにおいて切削工具６の工具軸線Ｍ３がワーク軸線Ｍ１に交差する状態を維持して、切削工具６をワーク軸線Ｍ１に向かって切り込ませる切削制御（旋削制御）を行う（切削ステップ）。

ワーク５に対する外径切削加工は、ワーク５を主軸２とともに回転させながら、切削工具６のワーク切り込み角度θを一定に保つと共に、工具軸線Ｍ３をワーク軸線Ｍ１に交差させた状態を維持させて切削工具６を並進移動させて行われる。即ち、切削工具６をワーク５に対してワーク軸線Ｍ１に向かって切り込んで切削される。切削工具６の並進操作は、Ｘ軸モータ１０ａとＹ軸モータ８ａとを協調動作させて工具主軸７を移動させることで実施され、こうしてワーク５の外周面が切り込まれる。ついで、ワーク軸線Ｍ１に沿って工具主軸７を送ることにより外径切削加工が行われる。
尚、ワーク外周に溝入れ加工を行う場合も同様であり、外径切削加工と同様に切削工具６の角度を割り出し、Ｘ、Ｙ軸の合成による移動動作で工具軸線Ｍ３に沿って工具主軸７を送り、切削加工が実施される。

ここで、びびり抑制角度予測装置５０によるびびり抑制角度の予測方法を図４のフローチャートで詳細に説明する。
まず、操作者が、刃先情報取得部５５に、切削力の方向に影響する切削工具６の刃先情報として、すくい面形状、逃げ角、ノーズＲ、工具頂角、切込角、刃先先端形状などを入力し、切削条件取得部５６に、切削力の方向に影響する切削条件として、ワーク回転方向、送り方向、送り量、切込み量（外径切削加工時）または切削幅（溝入れ加工時）、切削液の有無および種類などを入力する（Ｓ１）。
つぎに、切削力方向取得部５１にて、入力された刃先情報と切削条件とに基づいて、切削力方向記憶部５４より切削力の方向を取得する（Ｓ２：切削力方向取得ステップ）。

つぎに、操作者が、ワーク情報取得部５８に、ワーク５の、動剛性に影響する情報として、材質、形状、固定方法などを入力し、切削工具情報取得部５９に、切削工具６の、動剛性に影響する情報として、材質、形状、固定方法などを入力する（Ｓ３）。
つぎに、ループ動剛性取得部５２にて、入力されたワーク情報と切削工具情報とに基づいて、ループ動剛性記憶部５７よりループ動剛性を取得する（Ｓ４：ループ動剛性取得ステップ）。
つぎに、演算部５３にて、ループ動剛性と切削力の方向とに基づいて、ワーク切り込み角度毎にびびり安定性を算出する（Ｓ５：びびり抑制角度予測ステップ）。たとえば、溝入れ加工の場合、動剛性の逆数である動コンプライアンスと、切削力の主分力に対する背分力の比率、即ち、切削力の方向を示す切削分力比と、で算出される合成コンプライアンスの最大負実部を用いて、次式によりびびり振動が発生するか否かの臨界条件であるびびり安定限界切削幅を算出することができる。

合成コンプライアンスは、図２のようにワーク回転方向が正のときは数２、ワーク回転方向が負のときは数３で算出できる。

図５は、溝入れ加工におけるワーク切り込み角度毎のびびり安定限界切削幅の一例を示している。この図から、角度＋３０°方向はびびり安定性が高く（大きな切削幅でもびびり振動が発生しにくく）、－２５°方向はびびり安定性が低く（小さな切削幅でもびびり振動が発生しやすく）なっていることがわかる。このように、びびり安定性には通常異方性があり、角度により値が変化する。これは、ワーク５自体が円柱形状で等方的であっても同様であり、主軸台１に内在している異方性の影響を受けるためである。よって、この例では、びびり抑制角度を＋３０°方向と予測して出力する（Ｓ６：びびり抑制角度予測ステップ）。

このように、上記形態の切削加工装置は、ワーク軸線Ｍ１に向かって切削工具６を切り込む角度であるワーク切り込み角度θを変更する角度変更装置２０と、ワーク５から切削工具６までのループ動剛性を取得するループ動剛性取得部５２と、切削力の方向を取得する切削力方向取得部５１と、ループ動剛性と切削力の方向とを用いてびびり抑制角度を予測するびびり抑制角度予測装置５０と、ワーク切り込み角度θがびびり抑制角度となるように角度変更装置２０を制御すると共に、制御されたワーク切り込み角度θを維持して、切削工具６によりワーク５を切削する駆動制御部４３と、を備えて上記切削加工方法を実行する。
この構成によれば、ループ動剛性に加えて切削力の方向を考慮してびびり抑制角度を予測するため、ワーク５の回転中心に向かって切り込む角度をびびり振動を十分抑制し得る角度に決定して加工することが可能となる。よって、びびり振動の発生を抑え、仕上げ面精度の高い加工を実施することができる。

尚、数値制御装置４０に、図６に示すように、ワークへの切り込み角度と機械座標系との相対位置関係を表示するモニタ（位置関係表示手段）を設けてもよい。このように相対位置関係を視覚的に確認可能とすることで、切削工具６が操作者の理解と異なる方向からワーク５へ切り込むことを防ぐことができる。
その他、数値制御装置４０に、切削加工装置に取り付けられたカメラ等（加工点撮影手段）によって撮影された切削加工点の映像を表示する図示しないモニタ（加工点表示手段）を設けてもよい。これらの手段を切削加工中に加工点が目視できない場合の代替確認手段とすることで、目視できないところで加工不具合が生じるかもしれないという、操作者の心理的ストレスを軽減することができる。

尚、本開示の切削加工装置及び切削加工方法に係る構成は、上記実施の形態に記載した態様に何ら限定されるものではなく、本開示の趣旨を逸脱しない範囲で必要に応じて適宜変更することができる。
たとえば、工具主軸モータ７ａにより工具主軸回動部Ｌを駆動して切削工具６の割り出しを行っているが、工具主軸モータ７ａを備えず、操作者が手動にて切削工具６を割り出してボルト固定してもよい。
また、切削加工装置が所有する情報を抽出して、刃先情報、切削条件、ワーク情報、切削工具情報を取得する図示しない抽出部を設け、取得した情報を操作者に代わって制御装置が自動で、刃先情報取得部、切削条件取得部、ワーク情報取得部、切削工具情報へ入力してもよい。
また、図４に示す処理において、刃先情報、切削条件の入力（Ｓ１）および切削力の方向の取得（Ｓ２）よりも先に、ワーク情報、切削工具情報の入力（Ｓ３）およびループ動剛性の取得（Ｓ４）を行ってもよい。

また、切削力方向取得部５１にて、刃先情報と切削条件に基づいて、切削力方向記憶部５４に記憶されたデータベースから切削力方向を取得しているが、シミュレーション等を用いて取得してもよい。
また、ループ動剛性取得部５２にて、ワーク情報と切削工具情報に基づいて、ループ動剛性記憶部５７に記憶されたデータベースからループ動剛性を取得しているが、シミュレーション等を用いて取得してもよい。
また、操作者は、刃先情報取得部５５及び切削条件取得部５６を用いずに、別途測定やシミュレーションにより求めた切削力の方向を、切削力方向取得部５１に直接入力してもよい。
また、操作者は、ワーク情報取得部５８及び切削工具情報取得部５９を用いずに、別途測定やシミュレーションにより求めたループ動剛性を、ループ動剛性取得部５２に直接入力してもよい。

１・・主軸台、２・・主軸、２ａ・・主軸モータ、３・・チャック、４・・爪、５・・ワーク、６・・切削工具、７・・工具主軸、７ａ・・工具主軸モータ、８・・Ｙ軸移動機構部、８ａ・・Ｙ軸モータ、９・・サドル、１０・・Ｘ軸移動機構部、１０ａ・・Ｘ軸モータ、２０・・角度変更装置（角度変更手段）、４０・・数値制御装置、４１・・プログラム記憶部、４２・・プログラム解析部、４３・・駆動制御部（角度制御手段、切削制御手段）、５０・・びびり抑制角度予測装置（びびり抑制角度予測手段）、５１・・切削力方向取得部（切削力方向取得手段）、５２・・ループ動剛性取得部（ループ動剛性取得手段）、５３・・演算部、５４・・切削力方向記憶部、５５・・刃先情報取得部（刃先情報取得手段）、５６・・切削条件取得部（切削条件取得手段）、５７・・ループ動剛性記憶部、５８・・ワーク情報取得部（ワーク情報取得手段）、５９・・切削工具情報取得部（切削工具情報取得手段）、Ｍ１・・ワーク軸線、Ｍ２・・工具主軸軸線、Ｍ３・・工具軸線、Ｌ・・工具主軸回動部。

Claims (8)

1. ワーク軸線に直交する方向から前記ワーク軸線に向けて切削工具を配置し、前記ワークと前記切削工具の少なくともどちらか一方が回転して前記ワークを切削する切削加工装置であって、
   前記ワーク軸線に向かって前記切削工具を切り込む角度であるワーク切り込み角度を変更する角度変更手段と、
   前記ワークから前記切削工具までのループ動剛性を取得するループ動剛性取得手段と、
   切削力の方向を取得する切削力方向取得手段と、
   前記ループ動剛性と前記切削力の方向とを用いてびびり抑制角度を予測するびびり抑制角度予測手段と、
   前記ワーク切り込み角度が前記びびり抑制角度となるように前記角度変更手段を制御する角度制御手段と、
   前記角度制御手段により制御された前記ワーク切り込み角度を維持して、前記切削工具により前記ワークを切削する切削制御手段と、
   を有することを特徴とする切削加工装置。
2. 前記切削力方向取得手段は、前記切削工具の刃先情報を取得する刃先情報取得手段と、切削条件を取得する切削条件取得手段と、を含み、
   前記切削力方向取得手段は、前記刃先情報と前記切削条件とをもとに前記切削力の方向を取得することを特徴とする請求項１に記載の切削加工装置。
3. 前記ループ動剛性取得手段は、ワーク情報を取得するワーク情報取得手段と、切削工具情報を取得する切削工具情報取得手段と、を含み。
   前記ループ動剛性取得手段は、前記ワーク情報と前記切削工具情報とをもとに前記ループ動剛性を取得することを特徴とする請求項１又は２に記載の切削加工装置。
4. 前記ワーク切り込み角度と機械座標系との相対位置関係を視覚的に確認可能とする位置関係表示手段をさらに備えることを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載の切削加工装置。
5. 前記ワークと前記切削工具とが接触する切削加工点を撮影する加工点撮影手段と、撮影された前記切削加工点を表示する加工点表示手段とをさらに備えることを特徴とする請求項１乃至４の何れかに記載の切削加工装置。
6. ワーク軸線に直交する方向から前記ワーク軸線に向けて切削工具を配置し、前記ワーク軸線に向かって前記切削工具を切り込む角度であるワーク切り込み角度を変更する角度変更手段と、前記角度変更手段を制御する角度制御手段と、を備え、前記ワークと前記切削工具の少なくともどちらか一方が回転して前記ワークを切削する切削加工方法であって、
   前記ワークから前記切削工具までのループ動剛性を取得するループ動剛性取得ステップと、
   切削力の方向を取得する切削力方向取得ステップと、
   前記ループ動剛性と前記切削力の方向とを用いてびびり抑制角度を予測するびびり抑制角度予測ステップと、
   前記ワーク切り込み角度を、前記びびり抑制角度になるよう前記角度制御手段により前記角度変更手段を調整する切り込み角度制御ステップと、
   前記角度制御手段により制御されたワーク切り込み角度を維持して、前記切削工具により前記ワークを切削する切削ステップと、
   を実行することを特徴とする切削加工方法。
7. 前記切削力方向取得ステップでは、前記切削工具の刃先情報と切削条件とを取得して、前記刃先情報と前記切削条件とをもとに前記切削力の方向を取得することを特徴とする請求項６に記載の切削加工方法。
8. 前記ループ動剛性取得ステップでは、ワーク情報と切削工具情報とを取得して、前記ワーク情報と前記切削工具情報とをもとに前記ループ動剛性を取得することを特徴とする請求項６又は７に記載の切削加工方法。

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