JP7689484B2 - 工作機械及び加工方法 - Google Patents
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Description
本開示は、びびり振動を抑制しつつ、ワークを歯車等の所望の形状に加工可能な工作機械と、当該工作機械を用いた加工方法とに関する。
切削加工において、びびり振動は、工作機械、工具、ワークの動特性と切削過程とがある条件を満たしたときに発生するため、主軸回転速度を変動させたり、変更したりすることで、びびり振動が抑制できることが知られている。
例えば、歯車加工におけるびびり振動を抑制する加工方法として、特許文献１では、ワークとカッタとの同期回転速度を変動させることにより、びびり振動を抑制する発明が提案されている。また、特許文献２では、びびり振動が発生すると、びびり振動が発生した時よりも大きな切込み量で、歯切り工具の回転速度を加速又は減速しながら切削加工を行ってびびり振動を発生させた状態で加工を行い、歯切り工具の周波数の変動量が所定量を超えると、その回転速度で切削加工を再度行うことで、最終的に良品を得る発明が提案されている。
例えば、歯車加工におけるびびり振動を抑制する加工方法として、特許文献１では、ワークとカッタとの同期回転速度を変動させることにより、びびり振動を抑制する発明が提案されている。また、特許文献２では、びびり振動が発生すると、びびり振動が発生した時よりも大きな切込み量で、歯切り工具の回転速度を加速又は減速しながら切削加工を行ってびびり振動を発生させた状態で加工を行い、歯切り工具の周波数の変動量が所定量を超えると、その回転速度で切削加工を再度行うことで、最終的に良品を得る発明が提案されている。
しかし、特許文献１の発明の場合、ワークとカッタとの同期回転速度を変動させるため、同期回転の誤差が大きくなって加工面がうねり、加工精度が劣化するおそれがある。
特許文献２の発明の場合、びびり振動を抑制するため、敢えてびびり振動を発生させて最適回転速度を探索する必要があり、切削工具にダメージが生じるおそれがある。
特許文献２の発明の場合、びびり振動を抑制するため、敢えてびびり振動を発生させて最適回転速度を探索する必要があり、切削工具にダメージが生じるおそれがある。
そこで、本開示は、加工精度を劣化させたり工具にダメージを与えたりすることなくびびり振動の抑制が可能な工作機械及び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、回転駆動する主軸にワークを保持させると共に、外周に複数の刃を有して回転駆動する工具を、主軸軸線に対して工具軸線が傾斜するように配置して、前記ワーク及び前記工具を同期回転させながら前記工具を前記主軸軸線の方向に移動させて前記ワークを歯車に加工可能な工作機械であって、
前記工具又は前記工具を支持する支持部に、加工前又は加工中に固有振動数を変更可能な固有振動数変更手段が設けられており、
前記固有振動数変更手段は、前記工具において、前記工具軸線と直交する断面方向での剛性に異方性を持たせることで加工前に固有振動数を変更するものであ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、前記剛性の異方性は、前記工具内に互いに平行な複数の板バネ部を形成することで付与されると共に、前記工具の刃数又は前記異方性のモード数は、前記ワークに加工する歯数と前記工具の刃数との比が前記異方性のモード数にならないように設定されてい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、前記固有振動数変更手段は、前記支持部内で前記工具が取り付けられる回転軸を支持する軸受への予圧を加工中に変更して前記回転軸の剛性を変化させることで前記固有振動数を変更するものであ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、前記固有振動数変更手段は、前記工具内に設けた圧力室への圧力を加工中に変更して前記工具の剛性を変化させることで前記固有振動数を変更するものであ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、回転駆動する主軸にワークを保持させると共に、外周に複数の刃を有して回転駆動する工具を、主軸軸線に対して工具軸線が傾斜するように配置して、前記ワーク及び前記工具を同期回転させながら前記工具を前記主軸軸線の方向に移動させる工作機械を用いて、前記ワークを歯車に加工する方法であって、
前記工具において、前記工具軸線と直交する断面方向での剛性に異方性を持たせることで加工前に前記工具の固有振動数を変更して加工を行うことを特徴とする。
前記工具又は前記工具を支持する支持部に、加工前又は加工中に固有振動数を変更可能な固有振動数変更手段が設けられており、
前記固有振動数変更手段は、前記工具において、前記工具軸線と直交する断面方向での剛性に異方性を持たせることで加工前に固有振動数を変更するものであ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、前記剛性の異方性は、前記工具内に互いに平行な複数の板バネ部を形成することで付与されると共に、前記工具の刃数又は前記異方性のモード数は、前記ワークに加工する歯数と前記工具の刃数との比が前記異方性のモード数にならないように設定されてい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、前記固有振動数変更手段は、前記支持部内で前記工具が取り付けられる回転軸を支持する軸受への予圧を加工中に変更して前記回転軸の剛性を変化させることで前記固有振動数を変更するものであ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、前記固有振動数変更手段は、前記工具内に設けた圧力室への圧力を加工中に変更して前記工具の剛性を変化させることで前記固有振動数を変更するものであ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、回転駆動する主軸にワークを保持させると共に、外周に複数の刃を有して回転駆動する工具を、主軸軸線に対して工具軸線が傾斜するように配置して、前記ワーク及び前記工具を同期回転させながら前記工具を前記主軸軸線の方向に移動させる工作機械を用いて、前記ワークを歯車に加工する方法であって、
前記工具において、前記工具軸線と直交する断面方向での剛性に異方性を持たせることで加工前に前記工具の固有振動数を変更して加工を行うことを特徴とする。
本開示によれば、工具及び／又は工具を支持する支持部の固有振動数を変更することで、びびり振動を抑制することができる。また、ワークと工具との同期回転速度を変動させることがないので、同期回転の誤差は小さくなり、加工精度は劣化しない。さらに、びびり振動を発生させる必要がないため、工具にダメージが生じない。
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は、本開示に係る工作機械の一例である複合加工機による歯車加工の構成を示した説明図である。複合加工機１は、回転駆動する主軸２に、ワークＷを保持するためのチャック３を有している。カッタ６は、アーバ５を介して刃物台４へ回転駆動可能に固定されている。アーバ５及びカッタ６が本開示の工具となる。
図２は、カッタ６に剛性の異方性を持たせる構造を示す。図２（Ａ）のように市販のアーバ５（以下、区別するために「５Ａ」と表記する。）は、Ａ－Ａ線断面形状がＩ方向およびII方向で同じであるため、剛性が同じである。一方で、図２（Ｂ）に示すアーバ５（以下、区別するために「５Ｂ」と表記する。）では、シャンク部の一部に平行板バネ構造５０が設けられている。この平行板バネ構造５０は、II方向に貫通する貫通孔５２を挟んで互いに平行な一対の板バネ部５１，５１を設けてなる。各板バネ部５１のＩ方向の外側には、凹部５３がそれぞれ形成されている。こうして平行板バネ構造５０が設けられることで、アーバ５Ｂは、Ｂ－Ｂ線断面形状がＩ方向およびII方向で異なり、剛性が異なる。
図１は、本開示に係る工作機械の一例である複合加工機による歯車加工の構成を示した説明図である。複合加工機１は、回転駆動する主軸２に、ワークＷを保持するためのチャック３を有している。カッタ６は、アーバ５を介して刃物台４へ回転駆動可能に固定されている。アーバ５及びカッタ６が本開示の工具となる。
図２は、カッタ６に剛性の異方性を持たせる構造を示す。図２（Ａ）のように市販のアーバ５（以下、区別するために「５Ａ」と表記する。）は、Ａ－Ａ線断面形状がＩ方向およびII方向で同じであるため、剛性が同じである。一方で、図２（Ｂ）に示すアーバ５（以下、区別するために「５Ｂ」と表記する。）では、シャンク部の一部に平行板バネ構造５０が設けられている。この平行板バネ構造５０は、II方向に貫通する貫通孔５２を挟んで互いに平行な一対の板バネ部５１，５１を設けてなる。各板バネ部５１のＩ方向の外側には、凹部５３がそれぞれ形成されている。こうして平行板バネ構造５０が設けられることで、アーバ５Ｂは、Ｂ－Ｂ線断面形状がＩ方向およびII方向で異なり、剛性が異なる。
図３は、カッタ６の伝達関数を示す図である。図２（Ａ）のアーバ５Ａに固定されるカッタ６の伝達関数１１（点線で示す）は、Ｉ方向およびII方向で剛性が同じであるため、固有振動数は１つである。一方で、図２（Ｂ）のアーバ５Ｂに固定されるカッタ６の伝達関数１２（実線で示す）は、Ｉ方向およびII方向で剛性が異なるため、固有振動数はＩ方向およびII方向の２つを有することになる。
図４は、ワークＷとカッタ６との位相関係を示す図である。図２（Ｂ）の平行板バネ構造５０を付与したカッタ６で歯車加工した場合、図４（Ａ）のようにワークＷが１回転前の加工点（黒丸）ではカッタ６のＩ方向で加工している。しかし、ワークＷが図４（Ａ）から１回転後の図４（Ｂ）の場合、加工点（黒丸）ではカッタ６のII方向で加工している。
図４は、ワークＷとカッタ６との位相関係を示す図である。図２（Ｂ）の平行板バネ構造５０を付与したカッタ６で歯車加工した場合、図４（Ａ）のようにワークＷが１回転前の加工点（黒丸）ではカッタ６のＩ方向で加工している。しかし、ワークＷが図４（Ａ）から１回転後の図４（Ｂ）の場合、加工点（黒丸）ではカッタ６のII方向で加工している。
図５は、複合加工機１におけるびびり振動抑制の加工理論を示す図である。図５は、カッタ６が歯車を加工する様子を横から見た図であり、歯底面２２から歯先面２１に向かってカッタ刃先６１が加工している状況である。また、二点鎖線で示す１回転前の加工面２３と、実線で示す現在の加工面２４との距離が切取り厚さ２５である。図２（Ａ）のような市販のアーバ５Ａのカッタ６で加工すると、図５（Ａ）のようにカッタ６の固有振動数が変化しないため、１回転前の加工面２３と現在の加工面２４とは同じ周波数の凹凸であるため、切取り厚さ２５が周期的に変化し、びびり振動が発生する。一方で、図２（Ｂ）のような平行板バネ構造５０が付与されたアーバ５Ｂのカッタ６で加工すると、図５（Ｂ）のようにカッタ６の固有振動数が変化するため、１回転前の加工面２３と現在の加工面２４とは異なった周波数の凹凸であるため、切取り厚さ２５が不規則となり、びびり振動が抑制される。
上記平行板バネ構造５０を採用した場合、びびり振動の抑制効果を高めるために、ワークＷの歯数とカッタ６の刃数との比が異方性のモード数にならないようにカッタ６の刃数または異方性のモード数を決定するのが望ましい。図６は、カッタ６の刃数またはカッタ剛性の異方性のモード数を決定するフローチャートである。
まず、ステップ（以下「Ｓ」と表記する。）１では、ワークＷの歯数を取得する。Ｓ２では、カッタ６の刃数または異方性のモード数を決定する。Ｓ３では、ワークＷの歯数とカッタ６の刃数との比と異方性のモード数とを比較する。両者がイコール（略イコールの場合も含む）であればＳ２に戻りカッタ６の刃数または異方性のモード数を再設定し、両者がイコールでなければ終了する。
まず、ステップ（以下「Ｓ」と表記する。）１では、ワークＷの歯数を取得する。Ｓ２では、カッタ６の刃数または異方性のモード数を決定する。Ｓ３では、ワークＷの歯数とカッタ６の刃数との比と異方性のモード数とを比較する。両者がイコール（略イコールの場合も含む）であればＳ２に戻りカッタ６の刃数または異方性のモード数を再設定し、両者がイコールでなければ終了する。
このように、上記形態の複合加工機１及び加工方法によれば、アーバ５Ｂとカッタ６とからなる工具及びワークＷを回転させてワークＷを加工可能なものにおいて、カッタ６のアーバ５Ｂに、加工前に固有振動数を変更可能な平行板バネ構造５０（固有振動数変更手段）が設けられていることで、加工精度を劣化させたり工具にダメージを与えたりすることなくびびり振動の抑制が可能となる。
特に、固有振動数変更手段は、アーバ５Ｂにおいて、工具軸線と直交する断面方向での剛性に異方性を持たせることで加工前に固有振動数を変更するものとしているので、アーバ５Ｂを利用して固有振動数の変更が容易に行える。
また、剛性の異方性は、アーバ５Ｂ内に互いに平行な板バネ部５１，５１を形成することで付与しているので、板バネ部５１，５１の形成によって異方性が簡単に付与できる。
特に、固有振動数変更手段は、アーバ５Ｂにおいて、工具軸線と直交する断面方向での剛性に異方性を持たせることで加工前に固有振動数を変更するものとしているので、アーバ５Ｂを利用して固有振動数の変更が容易に行える。
また、剛性の異方性は、アーバ５Ｂ内に互いに平行な板バネ部５１，５１を形成することで付与しているので、板バネ部５１，５１の形成によって異方性が簡単に付与できる。
以下、本開示の変更例について説明する。
図７は、複合加工機１において、アーバ５が取り付けられる支持部となる刃物台４に固有振動数変更手段を設けた構造を示す。ここでは刃物台４における回転軸４ａ部分に油圧室７を設け、油圧ユニット８により油圧室７を加圧したり、減圧したりして転がり軸受１０の予圧を変更することで、加工中に回転軸４ａの剛性を変化させて固有振動数を変更可能としている。固有振動数の変更は、工具回転速度制御部９からの回転速度指令をもとに、加圧および減圧の周期を算出し油圧ユニット８を制御することで行われる。
図８は、アーバ５に固有振動数変更手段を設けた構造を示す。ここではアーバ５のシャンク部に油圧室７を設け、油圧ユニット８により油圧室７を加圧したり、減圧したりすることで、加工中にカッタ６において剛性の異方性のモード数を変更することで固有振動数を変更可能としている。固有振動数の変更は、工具回転速度制御部９からの回転速度指令をもとに、加圧および減圧の周期を算出し油圧ユニット８を制御することで行われる。
図７は、複合加工機１において、アーバ５が取り付けられる支持部となる刃物台４に固有振動数変更手段を設けた構造を示す。ここでは刃物台４における回転軸４ａ部分に油圧室７を設け、油圧ユニット８により油圧室７を加圧したり、減圧したりして転がり軸受１０の予圧を変更することで、加工中に回転軸４ａの剛性を変化させて固有振動数を変更可能としている。固有振動数の変更は、工具回転速度制御部９からの回転速度指令をもとに、加圧および減圧の周期を算出し油圧ユニット８を制御することで行われる。
図８は、アーバ５に固有振動数変更手段を設けた構造を示す。ここではアーバ５のシャンク部に油圧室７を設け、油圧ユニット８により油圧室７を加圧したり、減圧したりすることで、加工中にカッタ６において剛性の異方性のモード数を変更することで固有振動数を変更可能としている。固有振動数の変更は、工具回転速度制御部９からの回転速度指令をもとに、加圧および減圧の周期を算出し油圧ユニット８を制御することで行われる。
また、本開示は、上記形態のように工具及びワークを共に回転させる加工に限らない。
図９は、工具であるエンドミルに固有振動数変更手段を設けた構造を示す。図９（Ａ）のように市販のエンドミル７０（以下、区別するために「７０Ａ」と表記する。）は、Ａ－Ａ断面形状がＩ方向およびII方向で同じであるため、剛性が同じである。一方で、図９（Ｂ）のようにエンドミル７０（以下、区別するために「７０Ｂ」と表記する。）のシャンク部の一部に、アーバ５Ｂと同様の平行板バネ構造５０を付与させることにより、Ｂ－Ｂ断面形状がＩ方向およびII方向で異なるため、剛性が異なる。
図１０は、ミリング加工のびびり振動抑制の加工理論を示す図である。図１０は、エンドミルがワークＷの側面を加工する様子を上から見た図であり、仕上げ面２０２から素材面２０１に向かって工具刃先６０１がアップカット（ダウンカットも）している状況である。また、二点鎖線で示す１刃前の加工面２０３と、実線で示す現在の加工面２０４との距離が切取り厚さ２０５である。
エンドミル７０Ａで加工すると、エンドミル７０Ａの固有振動数が変化しないため、図１０（Ａ）に示すように、１刃前の加工面２０３と現在の加工面２０４とは同じ周波数の凹凸であるため、切取り厚さ２０５が周期的に変化し、びびり振動が発生する。一方で、平行板バネ構造５０が付与されたエンドミル７０Ｂで加工すると、剛性に異方性が付与されてエンドミル７０Ｂの固有振動数が変化する。よって、図１０（Ｂ）に示すように、１刃前の加工面２０３と現在の加工面２０４とは異なった周波数の凹凸となるため、切取り厚さ２０５が不規則となり、びびり振動が抑制される。
図９は、工具であるエンドミルに固有振動数変更手段を設けた構造を示す。図９（Ａ）のように市販のエンドミル７０（以下、区別するために「７０Ａ」と表記する。）は、Ａ－Ａ断面形状がＩ方向およびII方向で同じであるため、剛性が同じである。一方で、図９（Ｂ）のようにエンドミル７０（以下、区別するために「７０Ｂ」と表記する。）のシャンク部の一部に、アーバ５Ｂと同様の平行板バネ構造５０を付与させることにより、Ｂ－Ｂ断面形状がＩ方向およびII方向で異なるため、剛性が異なる。
図１０は、ミリング加工のびびり振動抑制の加工理論を示す図である。図１０は、エンドミルがワークＷの側面を加工する様子を上から見た図であり、仕上げ面２０２から素材面２０１に向かって工具刃先６０１がアップカット（ダウンカットも）している状況である。また、二点鎖線で示す１刃前の加工面２０３と、実線で示す現在の加工面２０４との距離が切取り厚さ２０５である。
エンドミル７０Ａで加工すると、エンドミル７０Ａの固有振動数が変化しないため、図１０（Ａ）に示すように、１刃前の加工面２０３と現在の加工面２０４とは同じ周波数の凹凸であるため、切取り厚さ２０５が周期的に変化し、びびり振動が発生する。一方で、平行板バネ構造５０が付与されたエンドミル７０Ｂで加工すると、剛性に異方性が付与されてエンドミル７０Ｂの固有振動数が変化する。よって、図１０（Ｂ）に示すように、１刃前の加工面２０３と現在の加工面２０４とは異なった周波数の凹凸となるため、切取り厚さ２０５が不規則となり、びびり振動が抑制される。
なお、上記形態のアーバ５Ｂ及びエンドミル７０Ｂにおいて、平行板バネ構造は上記構造に限らない。例えば、板バネ部は一対でなく３つ以上あってもよいし、外側の凹部はなくてもよい。
また、上記形態では、工具及びワークを回転させて加工を行う例と、工具を回転させてワークの加工を行う例とを挙げているが、回転軸にワークを固定し、工具を回転させずに加工を行うものであっても本開示は適用できる。よって、ワークは歯車に限らない。
固有振動数変更手段は、複数採用することもできる。例えば、工具に平行板バネ構造や油圧室を設けて剛性の異方性を付与可能としつつ、刃物台に軸受の予圧を変更する油圧室を設けるといった組み合わせも考えられる。
また、上記形態では、工具及びワークを回転させて加工を行う例と、工具を回転させてワークの加工を行う例とを挙げているが、回転軸にワークを固定し、工具を回転させずに加工を行うものであっても本開示は適用できる。よって、ワークは歯車に限らない。
固有振動数変更手段は、複数採用することもできる。例えば、工具に平行板バネ構造や油圧室を設けて剛性の異方性を付与可能としつつ、刃物台に軸受の予圧を変更する油圧室を設けるといった組み合わせも考えられる。
１・・複合加工機、２・・主軸、３・・チャック、４・・刃物台、４ａ・・回転軸、５・・アーバ、６・・カッタ、７・・油圧室、８・・油圧ユニット、９・・工具回転速度制御部、１０・・転がり軸受、５０・・平行板バネ構造、５１・・板バネ部、５２・・貫通孔、５３・・凹部、７０・・エンドミル、６０１・・工具刃先、Ｗ・・ワーク。
Claims (5)
- 回転駆動する主軸にワークを保持させると共に、外周に複数の刃を有して回転駆動する工具を、主軸軸線に対して工具軸線が傾斜するように配置して、前記ワーク及び前記工具を同期回転させながら前記工具を前記主軸軸線の方向に移動させて前記ワークを歯車に加工可能な工作機械であって、
前記工具又は前記工具を支持する支持部に、加工前又は加工中に固有振動数を変更可能な固有振動数変更手段が設けられており、
前記固有振動数変更手段は、前記工具において、前記工具軸線と直交する断面方向での剛性に異方性を持たせることで加工前に固有振動数を変更するものであることを特徴とする工作機械。 - 前記剛性の異方性は、前記工具内に互いに平行な複数の板バネ部を形成することで付与されると共に、前記工具の刃数又は前記異方性のモード数は、前記ワークに加工する歯数と前記工具の刃数との比が前記異方性のモード数にならないように設定されていることを特徴とする請求項１に記載の工作機械。
- 前記固有振動数変更手段は、前記支持部内で前記工具が取り付けられる回転軸を支持する軸受への予圧を加工中に変更して前記回転軸の剛性を変化させることで前記固有振動数を変更するものであることを特徴とする請求項１又は２に記載の工作機械。
- 前記固有振動数変更手段は、前記工具内に設けた圧力室への圧力を加工中に変更して前記工具の剛性を変化させることで前記固有振動数を変更するものであることを特徴とする請求項１又は２に記載の工作機械。
- 回転駆動する主軸にワークを保持させると共に、外周に複数の刃を有して回転駆動する工具を、主軸軸線に対して工具軸線が傾斜するように配置して、前記ワーク及び前記工具を同期回転させながら前記工具を前記主軸軸線の方向に移動させる工作機械を用いて、前記ワークを歯車に加工する方法であって、
前記工具において、前記工具軸線と直交する断面方向での剛性に異方性を持たせることで加工前に前記工具の固有振動数を変更して加工を行うことを特徴とする加工方法。
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