JP2004181566A - 工作機械剛性簡易評価方法及び該方法に使用するテストピース - Google Patents
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Abstract
【課題】本発明は、工具によりテストピースを切削する際に切削力によって工具を含む機械系がたわむことによる削り残しを測定することにより工作機械の剛性を簡易に評価できる簡易評価方法を提供することを目的とする。
【解決手段】本発明による工作機械剛性簡易評価方法は、工具を用いてテストピースを切削したときの削り残し量を測定し、測定された削り残し量の値より機械剛性を評価することを特徴とする。
また、本発明のテストピースは、切削面が工具の切削刃に接する方向に段階的に変化する形状を有することを特徴とする。
また、本発明のテストピースは、切削面が工具の切削刃の切り込み方向に段階的に変化する形状を有することを特徴とする。
【選択図】 図１
【解決手段】本発明による工作機械剛性簡易評価方法は、工具を用いてテストピースを切削したときの削り残し量を測定し、測定された削り残し量の値より機械剛性を評価することを特徴とする。
また、本発明のテストピースは、切削面が工具の切削刃に接する方向に段階的に変化する形状を有することを特徴とする。
また、本発明のテストピースは、切削面が工具の切削刃の切り込み方向に段階的に変化する形状を有することを特徴とする。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、工作機械剛性の評価方法に関し、具体的には、テストピースを切削するだけで当該工作機械の剛性を簡単に評価できる評価方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
生産能率に大きい影響を与える切削条件を選定する際に、考慮しなければならないことのひとつに工作機械の剛性がある。このように、工作機械の静的及び動的剛性は重要であるにもかかわらずその測定方法は、ＪＩＳ等で定められていない。 各製造者や研究機関において、機械特性の試験方法として適宜定めて実施しているのが現状である。
一例としては、機械主軸とテーブルとの間で力を伝達する冶具を設けて両者間に力をかけ、その力と機械各部の変位との関係を測定器を用いて求めるというものがある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、工作機械の剛性は、工作機械の製造者、形式、使用状況により大きく変わるといわれており、ユーザーがそれを知る手だては現実的にはほとんど無いといってよい。各ユーザは、その機械を使用した経験から切削条件を選定せざるを得ず、工具メーカーの推奨条件が用いられない一因となっている。
また、上記の各製造者や研究機関が個々に実施しているものにあっては、冶具及び測定器が必要なばかりでなく、その作業自体が大変であり、さらに、厳密には各種の剛性データを比較することが困難であるという問題があった。
【０００４】
本発明は、工具によりテストピースを切削する際に切削力によって工具を含む機械系がたわむことによる削り残しを測定することにより工作機械の剛性を簡易に評価できる簡易評価方法を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明の原理は、切削力によって工具を含む機械系がたわむことにより削り残しが生じ、その量は切削にまつわる諸々の条件により変化するが、機械剛性以外の条件をできるだけ一定とし、切削幅を段階的に変化させたテストピースを切削したときの削り残し量を、結果の寸法値より求め、機械剛性に換算して評価するというものである。
上記目的を達成するため本発明の工作機械剛性簡易評価方法は、工具を用いてテストピースを切削したときの削り残し量を測定し、測定された削り残し量の値より機械剛性を評価することを特徴とする。
また、本発明のテストピースは、切削面が工具の切削刃に接する方向に段階的に変化する形状を有することを特徴とする。
また、本発明のテストピースは、切削面が工具の切削刃の切り込み方向に段階的に変化する形状を有することを特徴とする。
【０００６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明による実施の形態を実施例に基づき説明する。
〔実施の形態１〕
図１は実施の形態１に係るテストピース１の斜視図であり、該テストピース１は、例えば、材質がＳ５５Ｃ、寸法が約縦８０ｍｍ×横４５ｍｍ×高さ４０ｍｍの大きさを有し、上方の一側にリファレンス面２を、同他側に切削面３を有するように上方両側が水平に所定幅で突出した形状となっている。テストピース１の上面は、階段状に形成され、その側面に位置する切削面３の幅を段階的に変化させている。すなわち、階段状の第１面４、第２面５及び第３面６のそれぞれの側面に位置する切削面３の幅は、ｔ１、ｔ２、ｔ３と段階的に増加しており、また第４面７が形成する切削面３の幅はｔ１であり、第１面４の幅と等しく形成される。
この場合、例えば、ｔ１＝３ｍｍ、ｔ２＝６ｍｍ、ｔ３＝９ｍｍと設定する。なお、テストピース１の切削面３は、この例に限定されることなく切削面の幅が段階的に変化する複数の切削面から構成されていれば良い。
【０００７】
図２は、工作機械８のワークテーブル１１にテストピース１が取り付けられた状態を示しており、工作機械８の主軸９に装着された工具例えばエンドミル１０の刃面に標準テストピース１のリファレンス面２又は切削面３が対峙するように取り付けられる。
市販されているエンドミル１０は、通常、切削刃がスパイラル状に設けられているため切削時におけるたわみが鋭敏に出ないことから、できれば切削刃が斜めではなく工具軸と平行に設けられた標準の工具を用意することが望ましい。また、工具フレの影響を取り除くため、１枚刃のものが望まれる。
【０００８】
次に、操作手順について説明する。
（１）テストピース１のリファレンス面２を工具１０の刃面に対峙させ、適宜の切り込みと送りを与えながらリファレンス面２を切削する。この切削工程により、テストピース１のリファレンス面２は工具１０の送り方向と平行な平面となる。
（２）テストピース１の切削面３を工具１０の刃面に対峙させ、適宜の切り込み（例えば０．１ｍｍ）と送り（例えば、０．１ｍｍ／刃）を与えながら切削面３を切削する（予備切削）。この切削工程は、テストピース１の切削面３を工具１０の送り方向と平行な平面とするために行うものである。
（３）次に、適宜の切り込み（例えば０．３ｍｍ）と送り（例えば、０．２ｍｍ／刃）を与えながら切削面３を切削する（第１回目の切削）。
（４）再度、同じ条件で切削する（第２回目の切削）。２回の切削により。切削個所によって、切り込みが等量にそろえられる。
（５）テストピース１を工作機械８から取り外し、リファレンス面２と切削面３との距離をマイクロメータ等で測定する。測定点は、第１面４、第２面５、第３面６及び第４面７に対応する４箇所である。
【０００９】
上記のようにして測定されたリファレンス面２と切削面３との４箇所の測定結果に基づいて、第１面４、第２面５、第３面６及び第４面７に対応する４箇所の削り残し量を計算する。
マイクロメータで測定した削り残し量の一例をあげると、厚さが３ｍｍの切削面を基準（±０）にして、厚さ６ｍｍの切削面では＋２６μｍ、厚さ９ｍｍの切削面では＋５１μｍであった。
図３は、テストピース１の切削面３の断面曲線を示したものである。
【００１０】
この削り残し量は、テストピース材質、工具刃先形状、切削条件及び工作機械剛性によって変化しうるものであるが、テストピース、工具及び切削条件を一定にすれば、工作機械剛性によって変わるとみなされ、剛性の高い工作機械では小さく、また、剛性の低い工作機械では大きくなる性質を有している。
図２に示した工作機械においては、主として主軸９の横方向の剛性が影響するものであるが、実際には主軸９を含む機械、工具ホルダー及びワーク取り付け関係の全体の剛性が評価される。
一例として、厚さが６ｍｍ部の削り残し量２６μｍ、厚さが９ｍｍ部の削り残し量５１μｍをそれぞれ割り算した値、具体的には厚さ３ｍｍを基準にしているので切削厚さの増分で割り算した値、２６／（６−３）＝８．６６、５１／（９−３）＝８．３７または、これらの平均値である８．５２を評価係数として工作機械ごとに求めて評価することが考えられる。
【００１１】
〔実施の形態２〕
図４は、端面切削工具１８の端面でもってテストピース１３の上面を切削することにより工具１８を装着する回転主軸１９の縦方向の剛性を主とする機械全体の剛性を評価する場合を示した正面図である。なお、評価するための操作手順は上記実施の形態１と同様であるためその説明は省略する。
テストピース１３は、図に示すように、その厚さが階段状に増加する第１面１４、第２面１５及び第３面１６と、第１面１４と同じ厚さの第４面１７を有する形状となっている（ｔ１＜ｔ２＜ｔ３）。工具１８が回転しながら標準テストピース１３に対して矢印Ａ方向に送られると、テストピース１３の第１面１４、第２面１５及び第３面１６では、それぞれ切り込み量が相違するためそれぞれの面における削り残し量が相違する。すなわち、第１面１４を基準として第２面１５、第３面１６における削り残し量が増加する。
【００１２】
〔実施の形態３〕
図５は、旋盤の剛性を評価する場合を示した平面図である。なお、評価するための操作手順は上記実施の形態１と同様であるためその説明は省略する。
テストピース２０は、直径が階段状に増加する第１面２１、第２面２２及び第３面２３と、第１面２１と同じ直径の第４面２４を有する円柱体の形状をしており、回転主軸２６に装着されている（ｄ１＜ｄ２＜ｄ３）。
今、工具２５がテストピース２０に対して矢印Ｂ方向に送られると、テストピース２０の第１面２１、第２面２２及び第３面２３では、それぞれ切り込み量が相違するためそれぞれの面における削り残し量が相違する。すなわち、第１面２１を基準として第２面２２、第３面２３における削り残し量が増加する。
【００１３】
してがって、剛性を評価しようとする工作機械は、その形体に応じて上記実施の形態１ないし実施の形態３のテストピースを用いて所定の切削をすることにより、簡易にその剛性が評価できる。
なお、テストピースは、上記実施の形態１ないし実施の形態３の材質・形状・寸法に限定されることなく、工作機械の形体に応じて他の形状のものが考えられる。 また、削り残し量の測定も、マイクロメータに限定されることなく、他の測定手段を適用することが可能である。
【００１４】
【発明の効果】
本発明は、以下の効果を奏する。
（１）切削という普遍的な作業によって、特別な計測器等を必要とせずに、既存の工作機械を含めてそのユーザ自身が簡易にその剛性を評価できる。
（２）共通のテストピース及び工具を用いて切削することにより、複数の工作機械の剛性を客観的に評価することができる。
（３）テストピースは、試験に供する工作機械自身で製作可能である。
（４）工具は、メーカー、型式を指定すれば、誰でも入手可能である。
（５）従来は試行錯誤で行っていた切削条件の選定を能率良く実施することが可能になり、また、評価結果を機械設備の保守のための資料として利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１に係るテストピースを示す斜視図図である。
【図２】本発明の実施の形態１に係り工作機械にテストピースを取り付けられた状態を示す正面図である。
【図３】テストピースの切削面の断面曲線を示したものである。
【図４】本発明の実施の形態２に係るテストピース及び工作機械を示した正面図である。
【図５】本発明の実施の形態３に係るテストピース及び工作機械を示した正面図である。
【符号の説明】
１ テストピース
２ リファレンス面
３ 切削面
４ 第１面
５ 第２面
６ 第３面
７ 第４面
８ 工作機械
９ 主軸
１０ 工具（エンドミル）
１１ ワークテーブル
１３ テストピース
１４ 第１面
１５ 第２面
１６ 第３面
１７ 第４面
１８ 工具
１９ 主軸
２０ テストピース
２１ 第１面
２２ 第２面
２３ 第３面
２４ 第４面
２５ 工具
２６ 主軸
【発明の属する技術分野】
本発明は、工作機械剛性の評価方法に関し、具体的には、テストピースを切削するだけで当該工作機械の剛性を簡単に評価できる評価方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
生産能率に大きい影響を与える切削条件を選定する際に、考慮しなければならないことのひとつに工作機械の剛性がある。このように、工作機械の静的及び動的剛性は重要であるにもかかわらずその測定方法は、ＪＩＳ等で定められていない。 各製造者や研究機関において、機械特性の試験方法として適宜定めて実施しているのが現状である。
一例としては、機械主軸とテーブルとの間で力を伝達する冶具を設けて両者間に力をかけ、その力と機械各部の変位との関係を測定器を用いて求めるというものがある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、工作機械の剛性は、工作機械の製造者、形式、使用状況により大きく変わるといわれており、ユーザーがそれを知る手だては現実的にはほとんど無いといってよい。各ユーザは、その機械を使用した経験から切削条件を選定せざるを得ず、工具メーカーの推奨条件が用いられない一因となっている。
また、上記の各製造者や研究機関が個々に実施しているものにあっては、冶具及び測定器が必要なばかりでなく、その作業自体が大変であり、さらに、厳密には各種の剛性データを比較することが困難であるという問題があった。
【０００４】
本発明は、工具によりテストピースを切削する際に切削力によって工具を含む機械系がたわむことによる削り残しを測定することにより工作機械の剛性を簡易に評価できる簡易評価方法を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明の原理は、切削力によって工具を含む機械系がたわむことにより削り残しが生じ、その量は切削にまつわる諸々の条件により変化するが、機械剛性以外の条件をできるだけ一定とし、切削幅を段階的に変化させたテストピースを切削したときの削り残し量を、結果の寸法値より求め、機械剛性に換算して評価するというものである。
上記目的を達成するため本発明の工作機械剛性簡易評価方法は、工具を用いてテストピースを切削したときの削り残し量を測定し、測定された削り残し量の値より機械剛性を評価することを特徴とする。
また、本発明のテストピースは、切削面が工具の切削刃に接する方向に段階的に変化する形状を有することを特徴とする。
また、本発明のテストピースは、切削面が工具の切削刃の切り込み方向に段階的に変化する形状を有することを特徴とする。
【０００６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明による実施の形態を実施例に基づき説明する。
〔実施の形態１〕
図１は実施の形態１に係るテストピース１の斜視図であり、該テストピース１は、例えば、材質がＳ５５Ｃ、寸法が約縦８０ｍｍ×横４５ｍｍ×高さ４０ｍｍの大きさを有し、上方の一側にリファレンス面２を、同他側に切削面３を有するように上方両側が水平に所定幅で突出した形状となっている。テストピース１の上面は、階段状に形成され、その側面に位置する切削面３の幅を段階的に変化させている。すなわち、階段状の第１面４、第２面５及び第３面６のそれぞれの側面に位置する切削面３の幅は、ｔ１、ｔ２、ｔ３と段階的に増加しており、また第４面７が形成する切削面３の幅はｔ１であり、第１面４の幅と等しく形成される。
この場合、例えば、ｔ１＝３ｍｍ、ｔ２＝６ｍｍ、ｔ３＝９ｍｍと設定する。なお、テストピース１の切削面３は、この例に限定されることなく切削面の幅が段階的に変化する複数の切削面から構成されていれば良い。
【０００７】
図２は、工作機械８のワークテーブル１１にテストピース１が取り付けられた状態を示しており、工作機械８の主軸９に装着された工具例えばエンドミル１０の刃面に標準テストピース１のリファレンス面２又は切削面３が対峙するように取り付けられる。
市販されているエンドミル１０は、通常、切削刃がスパイラル状に設けられているため切削時におけるたわみが鋭敏に出ないことから、できれば切削刃が斜めではなく工具軸と平行に設けられた標準の工具を用意することが望ましい。また、工具フレの影響を取り除くため、１枚刃のものが望まれる。
【０００８】
次に、操作手順について説明する。
（１）テストピース１のリファレンス面２を工具１０の刃面に対峙させ、適宜の切り込みと送りを与えながらリファレンス面２を切削する。この切削工程により、テストピース１のリファレンス面２は工具１０の送り方向と平行な平面となる。
（２）テストピース１の切削面３を工具１０の刃面に対峙させ、適宜の切り込み（例えば０．１ｍｍ）と送り（例えば、０．１ｍｍ／刃）を与えながら切削面３を切削する（予備切削）。この切削工程は、テストピース１の切削面３を工具１０の送り方向と平行な平面とするために行うものである。
（３）次に、適宜の切り込み（例えば０．３ｍｍ）と送り（例えば、０．２ｍｍ／刃）を与えながら切削面３を切削する（第１回目の切削）。
（４）再度、同じ条件で切削する（第２回目の切削）。２回の切削により。切削個所によって、切り込みが等量にそろえられる。
（５）テストピース１を工作機械８から取り外し、リファレンス面２と切削面３との距離をマイクロメータ等で測定する。測定点は、第１面４、第２面５、第３面６及び第４面７に対応する４箇所である。
【０００９】
上記のようにして測定されたリファレンス面２と切削面３との４箇所の測定結果に基づいて、第１面４、第２面５、第３面６及び第４面７に対応する４箇所の削り残し量を計算する。
マイクロメータで測定した削り残し量の一例をあげると、厚さが３ｍｍの切削面を基準（±０）にして、厚さ６ｍｍの切削面では＋２６μｍ、厚さ９ｍｍの切削面では＋５１μｍであった。
図３は、テストピース１の切削面３の断面曲線を示したものである。
【００１０】
この削り残し量は、テストピース材質、工具刃先形状、切削条件及び工作機械剛性によって変化しうるものであるが、テストピース、工具及び切削条件を一定にすれば、工作機械剛性によって変わるとみなされ、剛性の高い工作機械では小さく、また、剛性の低い工作機械では大きくなる性質を有している。
図２に示した工作機械においては、主として主軸９の横方向の剛性が影響するものであるが、実際には主軸９を含む機械、工具ホルダー及びワーク取り付け関係の全体の剛性が評価される。
一例として、厚さが６ｍｍ部の削り残し量２６μｍ、厚さが９ｍｍ部の削り残し量５１μｍをそれぞれ割り算した値、具体的には厚さ３ｍｍを基準にしているので切削厚さの増分で割り算した値、２６／（６−３）＝８．６６、５１／（９−３）＝８．３７または、これらの平均値である８．５２を評価係数として工作機械ごとに求めて評価することが考えられる。
【００１１】
〔実施の形態２〕
図４は、端面切削工具１８の端面でもってテストピース１３の上面を切削することにより工具１８を装着する回転主軸１９の縦方向の剛性を主とする機械全体の剛性を評価する場合を示した正面図である。なお、評価するための操作手順は上記実施の形態１と同様であるためその説明は省略する。
テストピース１３は、図に示すように、その厚さが階段状に増加する第１面１４、第２面１５及び第３面１６と、第１面１４と同じ厚さの第４面１７を有する形状となっている（ｔ１＜ｔ２＜ｔ３）。工具１８が回転しながら標準テストピース１３に対して矢印Ａ方向に送られると、テストピース１３の第１面１４、第２面１５及び第３面１６では、それぞれ切り込み量が相違するためそれぞれの面における削り残し量が相違する。すなわち、第１面１４を基準として第２面１５、第３面１６における削り残し量が増加する。
【００１２】
〔実施の形態３〕
図５は、旋盤の剛性を評価する場合を示した平面図である。なお、評価するための操作手順は上記実施の形態１と同様であるためその説明は省略する。
テストピース２０は、直径が階段状に増加する第１面２１、第２面２２及び第３面２３と、第１面２１と同じ直径の第４面２４を有する円柱体の形状をしており、回転主軸２６に装着されている（ｄ１＜ｄ２＜ｄ３）。
今、工具２５がテストピース２０に対して矢印Ｂ方向に送られると、テストピース２０の第１面２１、第２面２２及び第３面２３では、それぞれ切り込み量が相違するためそれぞれの面における削り残し量が相違する。すなわち、第１面２１を基準として第２面２２、第３面２３における削り残し量が増加する。
【００１３】
してがって、剛性を評価しようとする工作機械は、その形体に応じて上記実施の形態１ないし実施の形態３のテストピースを用いて所定の切削をすることにより、簡易にその剛性が評価できる。
なお、テストピースは、上記実施の形態１ないし実施の形態３の材質・形状・寸法に限定されることなく、工作機械の形体に応じて他の形状のものが考えられる。 また、削り残し量の測定も、マイクロメータに限定されることなく、他の測定手段を適用することが可能である。
【００１４】
【発明の効果】
本発明は、以下の効果を奏する。
（１）切削という普遍的な作業によって、特別な計測器等を必要とせずに、既存の工作機械を含めてそのユーザ自身が簡易にその剛性を評価できる。
（２）共通のテストピース及び工具を用いて切削することにより、複数の工作機械の剛性を客観的に評価することができる。
（３）テストピースは、試験に供する工作機械自身で製作可能である。
（４）工具は、メーカー、型式を指定すれば、誰でも入手可能である。
（５）従来は試行錯誤で行っていた切削条件の選定を能率良く実施することが可能になり、また、評価結果を機械設備の保守のための資料として利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１に係るテストピースを示す斜視図図である。
【図２】本発明の実施の形態１に係り工作機械にテストピースを取り付けられた状態を示す正面図である。
【図３】テストピースの切削面の断面曲線を示したものである。
【図４】本発明の実施の形態２に係るテストピース及び工作機械を示した正面図である。
【図５】本発明の実施の形態３に係るテストピース及び工作機械を示した正面図である。
【符号の説明】
１ テストピース
２ リファレンス面
３ 切削面
４ 第１面
５ 第２面
６ 第３面
７ 第４面
８ 工作機械
９ 主軸
１０ 工具（エンドミル）
１１ ワークテーブル
１３ テストピース
１４ 第１面
１５ 第２面
１６ 第３面
１７ 第４面
１８ 工具
１９ 主軸
２０ テストピース
２１ 第１面
２２ 第２面
２３ 第３面
２４ 第４面
２５ 工具
２６ 主軸
Claims (3)
- 工具を用いてテストピースを切削したときの削り残し量を測定し、測定された削り残し量の値より機械剛性を評価することを特徴とする工作機械剛性簡易評価方法。
- 切削面が工具の切削刃に接する方向に段階的に変化する形状を有することを特徴とするテストピース。
- 切削面が工具の切削刃の切り込み方向に段階的に変化する形状を有することを特徴とするテストピース。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2002350603A JP3694746B2 (ja) | 2002-12-03 | 2002-12-03 | 工作機械剛性簡易評価方法及び該方法に使用するテストピース |
Applications Claiming Priority (1)
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|---|---|---|---|
| JP2002350603A JP3694746B2 (ja) | 2002-12-03 | 2002-12-03 | 工作機械剛性簡易評価方法及び該方法に使用するテストピース |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2004181566A true JP2004181566A (ja) | 2004-07-02 |
| JP3694746B2 JP3694746B2 (ja) | 2005-09-14 |
Family
ID=32752763
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2002350603A Expired - Lifetime JP3694746B2 (ja) | 2002-12-03 | 2002-12-03 | 工作機械剛性簡易評価方法及び該方法に使用するテストピース |
Country Status (1)
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|---|---|
| JP (1) | JP3694746B2 (ja) |
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-
2002
- 2002-12-03 JP JP2002350603A patent/JP3694746B2/ja not_active Expired - Lifetime
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