JP2005074568A - 多軸加工機、ワークの加工方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 びびり振動を回避し、高精度でしかも効率のよい加工を行うことができる多軸加工機、ワークの加工方法を提供することを目的とする。
【解決手段】 加工ツールやワークにびびり振動が生じているか否かを振動検出センサで検出し、びびり振動が生じている場合には、まず加工ツールの回転数を上昇させ、それでもびびり振動が治まらない場合には、加工ツールの１回転あたりの切込み量を減少させることで、加工中に発生したびびり振動を抑制するようにした。
【選択図】図５

Description

本発明は、マシニングセンタ等の多軸加工機、ワークの加工方法に関する。

従来より、各種部品の加工に、ＮＣ制御のマシニングセンタが多用されている。このようなマシニングセンタでは、加工工具と、加工対象となるワークをセットするワーク台とが、相対的に３軸方向に移動する、いわゆる３軸加工機が一般的となっている。
しかしながら、このような３軸加工機では、例えばタービンのブレードや金型等、３次元曲面を有する部品の加工を行えないため、近年では、４軸、５軸の加工機が実用化されつつある。
このような多軸の加工機においては、ワークの加工精度は、加工ツールとワーク台にセットされるワークとの相対位置関係の精度によって決まる。
このため、ワーク台や加工ツールを保持するチャック部をはじめとし、加工機全体が非常に高剛性となっているのは周知の通りである。

ところで、このような加工機では、使用する工具の固有振動数により、特定の周波数（工具回転数）において工具が共振してびびり振動が生じることがある。びびり振動が生じると、工具の短寿命化を招いたり、ワーク表面の加工精度に悪影響を及ぼすため、作動中の工具（加工機）の振動を測定し、びびり振動が生じている場合には運転条件を変更することが行われている（例えば、特許文献１参照。）。

特許第３１１７８８７号公報（請求項１）

しかしながら、上記したような従来の技術には以下に示すような問題が存在する。
上記したような加工機において、例えばタービンブレードの切削加工を行うことがあるが、近年、タービンの性能向上に伴い、タービンブレードは３次元的に捩れた形状となり、しかも薄肉化が進んでいる。しかも、タービンブレードは、このような加工機で加工するワークとしては大型であり、ワークをセットするワーク台からのオーバーハング寸法が非常に大きくなっている。
このようなタービンブレードを加工する場合、工具のみならず、加工対象となるタービンブレード自体にもびびり振動が生じやすく、これにより、ワーク表面の加工精度に悪影響を及ぼしたり、加工効率の低下を招く原因となる。

このため、びびり振動が生じないような加工条件を見出す必要があるが、これには、加工条件を様々に設定して試作を繰り返す、いわゆるトライアンドエラーの必要があり、加工条件の設定までに時間を要し、試作コストの上昇を招くことになる。しかも、このようなトライアンドエラーには、経験に基づく勘のようなものも要求され、経験が乏しい場合には、上記問題はさらに顕著なものとなってしまう。

本発明は、このような技術的課題に基づいてなされたもので、びびり振動を回避し、高精度でしかも効率のよい加工を行うことができる多軸加工機、ワークの加工方法を提供することを目的とする。

かかる目的のもと、本発明の多軸加工機は、複数の作動軸を有する多軸加工機であって
、加工すべきワークを保持するワーク保持部と、ワーク保持部に保持されたワークを加工するための加工ツールを保持する加工ツール保持部と、ワーク保持部で保持したワークに生じたびびり振動を検出する振動検出部と、振動検出部でびびり振動が検出されたときに、加工ツール保持部で保持した加工ツールによるワークに対する加工条件を変更するコントローラと、を備えることを特徴とする。
具体的には、コントローラでは、振動検出部でびびり振動が検出されたときに、加工ツールの回転数を上昇させるのが良い。これにより、加工効率を低下させることなく、むしろ向上させてびびり振動を回避できる。そして、加工ツールの回転数を上昇させた後にも振動検出部でびびり振動が検出されたとき、加工ツールの１回転当りの切り込み量を減少させれば良い。
振動検出部は、ワークだけでなく、さらに加工ツールに生じたびびり振動を検出し、コントローラは、ワークまたは加工ツールに対応した所定周波数帯域に所定強度以上の振動が検出されたときに、振動検出部でびびり振動を検出したと判定し、加工ツールによるワークに対する加工条件を変更することができる。このとき、ワークに対応した周波数帯域は、ワークの設計データに基づき、数値構造解析法（有限要素法）による解析を行うことで設定することができる。

また、このような多軸加工機では、加工ツール保持部で、加工が完了したワークを加振する加振部材を保持できるようにしておき、加振部材でワークを加振したときの振動を振動検出部で検出することで、ワークの固有振動数を得ることもできる。これによりこの多軸加工機は、加工後のワークの固有振動数検査機能を具備することができる。

また、本発明は、複数の作動軸を有する多軸加工機でワークを加工する方法として捉えることもできる。この場合、この方法は、複数の作動軸を作動させて加工ツールを相対移動させることでワークを加工するステップと、ワーク、加工ツールの少なくとも一方にびびり振動が検出されたときに、加工ツールの回転数を上昇させるステップと、を含むことを特徴とする。
さらに、加工ツールの回転数を上昇させた後にもびびり振動が検出されたとき、加工ツールの１回転当りの切り込み量を減少させるステップをさらに含むこともできる。

本発明によれば、びびり振動を回避し、高精度でしかも効率のよい加工を行うことが可能となる。

以下、添付図面に示す実施の形態に基づいてこの発明を詳細に説明する。
図１、図２に示すように、５軸加工機(多軸加工機)１０は、ワークベンチ２０と、加工ヘッド３０と、これらワークベンチ２０および加工ヘッド３０の動作を制御するコントローラ４０とから構成されている。
ワークベンチ２０は、ベース２上に、テーブル４を鉛直軸Ｐｖ回りに回動させる回転機構３を有している。これによりテーブル４は、鉛直軸Ｐｖ回り、つまり水平面内で回動可能(図２中Ａ方向)となっている。このテーブル４上には、その回転軸からオフセットした位置に、上方に延びるブロック５が一体に設けられている。このブロック５には、テーブル４の中心部側に臨むよう、ワークＷを保持するワーク保持部７が備えられている。このワーク保持部７は、ブロック５に備えられた回転機構６により、水平軸回り、つまり鉛直面内で回動可能(図２中Ｂ方向)となっている。

加工ヘッド３０は、ワーク保持部７に保持されるワークＷに対向するよう、加工ツール保持部８が配設され、この加工ツール保持部８は、図示しない駆動機構により、例えばＸ、Ｙ、Ｚの３軸方向に移動可能となっている。この加工ツール保持部８は、いわゆるスピ
ンドルであり、保持した加工ツールＴをその軸線回りに回転させることができるようになっている。
これにより５軸加工機１０は、加工ツール保持部８がＸ、Ｙ、Ｚの３軸方向に移動可能で、ワーク保持部７がＡ方向およびＢ方向に回動可能であり、これによって、加工ツール保持部８に保持される加工ツールＴとワーク保持部７に保持されるワークＷとの間で、合計５軸の動作が可能となっている。

ところで、図１、図２の例では、加工ヘッド３０側がＸ、Ｙ、Ｚの３軸方向に移動可能で、ワークベンチ２０側がＡ方向およびＢ方向に回動可能な構成としたが、例えばＸ、Ｙ、Ｚの３軸方向のうちの１軸方向の移動について、加工ヘッド３０側ではなく、ワークベンチ２０側が動作する構成とすることも可能である。

さて、このような５軸加工機１０は、予めコントローラ４０に入力されたＮＣプログラムに基づき、コントローラ４０で、加工ツール保持部８のＸ、Ｙ、Ｚの３軸方向への動作と、回転機構３、６によるワーク保持部７のＡ方向、Ｂ方向の回動を制御することで、加工ツールＴでワークＷを所定形状、所定寸法に加工する。
このようなＮＣプログラムは、加工ツール保持部８のＸ、Ｙ、Ｚの３軸方向への動作と、回転機構３、６によるワーク保持部７のＡ方向、Ｂ方向の回動を制御するための位置座標を定義するＮＣパスと、加工ツールＴによる加工条件（加工ツールＴの回転速度と加工ツールＴの切り込み量）とを含むものである。このＮＣプログラムは、ワークＷの設計に用いるＣＡＤ（Computer-Aided Design）／ＣＡＭ（Computer-Aided Manufacturing）シ
ステムによって生成され、予め、５軸加工機１０のコントローラ４０に入力される。

さらに、図３に示すように、この５軸加工機１０は、加工に際して加工ツールＴやワークＷに生じるびびり振動を検出するため、加速度計または歪みセンサからなる振動検出センサ５０を備えている。
振動検出センサ５０は、ワークＷの基部の、ワーク保持部７に保持されて加工が施されない部分に対し、着脱自在な状態でセットされる。
振動検出センサ５０から出力される検出信号は、アンプ５１で増幅された後にＦＦＴ（Fast Fourier Transform ）アナライザ５２に入力される。ＦＦＴアナライザ５２では、
振動検出センサ５０から出力される検出信号を周波数解析することでモニタリングする。これら振動検出センサ５０、アンプ５１、ＦＦＴアナライザ５２により、振動検出部が構成される。

ここで、ワークＷを加工ツールＴで加工する際には、加工ツールＴが回転しながら、加工ツールＴのビット部がワークＷに当たって切削する度に、ワークＷに振動が生じる。加工ツールＴの回転速度は、予め設定された加工条件で決められているため、図４に示すように、振動検出センサ５０では、周期的な振動Ｖ０が検出されることになる。
これに対し、加工ツールＴや、ワークＷにびびり振動が生じた場合には、上記の周期的な振動Ｖ０とは異なる振動Ｖ１、Ｖ２等が発生するので、振動検出センサ５０でこれらの振動Ｖ１、Ｖ２も検出し、その検出信号を出力する。

ＦＦＴアナライザ５２では、振動検出センサ５０から出力される検出信号をモニタリングし、振動Ｖ０とは異なる振動Ｖ１、Ｖ２が検出されると、これを示す旨の信号をコントローラ４０に出力する。
このとき、加工ツールＴや、ワークＷの固有振動数が既知であれば、ＦＦＴアナライザ５２では、加工ツールＴや、ワークＷの固有振動数近傍の所定の領域Ａ１、Ａ２のみをモニタリングし、その領域Ａ１、Ａ２に所定強度以上の検出信号が検出した場合に、加工ツールＴやワークＷにびびり振動が生じている、と判定することができる。
これには、外部のＣＡＭ（Computer-Aided Manufacturing）端末等において、例えば、
ＭＳＣ．Ｐａｔｒａｎ（商品名：エムエスシーソフトウェア株式会社製）、ＭＳＣ．Ｎａｓｔｒａｎ（商品名：エムエスシーソフトウェア株式会社製）やＡＮＳＹＳ（商品名：アンシスジャパン株式会社取り扱い）といった解析ソフトウェアを用い、ワークＷの設計データに基づき、有限要素法解析を行うことで、ワークＷにびびり振動が発生する周波数帯域を得ることができる。この際、ワークＷを、ブロック状の母材から粗切削した後、中仕上げ、最終仕上げといった複数段階で加工するのであれば、粗切削する状態でのワークＷ、粗切削が完了した状態から中仕上げするときのワークＷ、中仕上げが完了した状態から最終仕上げするときのワークＷ、のそれぞれについて解析を行い、びびり振動が発生する周波数帯域を得るのが好ましい。
加工ツールＴについても、ワークＷと同様に有限要素法解析を行うことで加工ツールＴにびびり振動が発生する周波数帯域を得ることはできるが、加工ツールＴの場合、加工時に既に実存するものであるため、ハンマー等で加振して、びびり振動が生じる周波数帯域を直接計測することもできる。

コントローラ４０では、ＦＦＴアナライザ５２から、加工ツールＴやワークＷにびびり振動が生じていることを示す信号を受け取ると、加工ツールＴによる加工条件を変更する処理を実行する。
以下に、コントローラ４０での処理の流れを示す。
コントローラ４０では、加工を開始すると、予め入力されたＮＣプログラムに基づき、加工ツール保持部８のＸ、Ｙ、Ｚの３軸方向への動作と、回転機構３、６によるワーク保持部７のＡ方向、Ｂ方向の回動を制御しつつ、加工ツールＴでワークＷを加工していく。
図５に示すように、加工の開始後、コントローラ４０では、ＦＦＴアナライザ５２から、加工ツールＴやワークＷにびびり振動が生じていることを検出した信号を受け取ったか否かをチェックする（ステップＳ１０１）。
その結果、びびり振動が生じていることを検出した信号を受け取っていない場合、ＮＣプログラムにおいて、加工が最終ステップまで終了したか否かをチェックし（ステップＳ１０２）、終了していない限り、ステップＳ１０１に戻って処理を繰り返す。

一方、ステップＳ１０１において、びびり振動が生じていることを検出した信号を受け取っていた場合は、まず、加工ツールＴの回転数を、予め設定した所定量だけ上昇させる（ステップＳ１０３）。

その後、ＦＦＴアナライザ５２から、加工ツールＴやワークＷにびびり振動が生じていることを検出した信号が出力されているか否かを再度チェックする（ステップＳ１０４）。
その結果、びびり振動が生じていることを検出した信号が出力されていなければ、ステップＳ１０１に戻って処理を繰り返す。
一方、びびり振動が生じていることを検出した信号が出力されている場合、つまり、加工ツールＴまたはワークＷのびびり振動が治まっていない場合には、加工ツールＴの１回転当りの切り込み量を、予め設定した所定量だけ減少させる(ステップＳ１０５)。この場合、減少させた切り込み量によって生じる加工進度の遅れを補償するため、ＮＣプログラムにおいて、加工工程を追加（延長）させる処理を行う（ステップＳ１０６）。

このようにして、加工ツールＴやワークＷにびびり振動が生じているか否かを振動検出センサ５０で検出し、びびり振動が生じている場合には、まず加工ツールＴの回転数を上昇させ、それでもびびり振動が治まらない場合には、加工ツールＴの１回転あたりの切り込み量を減少させるようにした。

ここで、加工ツールＴの共振が発生する周波数の整数分の１毎に、切り込み量の限界（これをびびり振動限界と称する）が高くなることが既に知られている（例えば、Y. Altin
tas, E. Shamoto et al. "Analytical Prediction of Stability Lobes in Ball End Milling" Journal of Manufacturing Science and Engineering, American Society of Mechanical Engineers, November 1999, Vol.121, PP. 586-592参照。）。
これは、加工対象となるワークＷについても、同様のことが言える。この、加工ツールＴやワークＷにおける安定限界は、図６に示すような、加工ツールＴの回転数と、ワークＷに対する加工ツールＴの１回転あたりの切り込み量との関係で示すびびり振動限界チャートにおいて、びびり振動限界線Ｃ１、Ｃ２で表される。
図６に示すように、加工ツールＴの動剛性に基づく加工ツールＴのびびり振動限界線Ｃ１と、ワークＷの動剛性に基づくワークＷのびびり振動限界線Ｃ２は、加工ツールＴとワークＷの動剛性が異なることから互いにずれている。そして、このびびり振動限界チャートにおいて、びびり振動限界線Ｃ１、Ｃ２を重ね合わせた部分よりも上側が、不安定、つまりびびり振動が発生する領域であり、下側（図６の斜線範囲）が、安定、つまりびびり振動が発生しない領域である。したがって、ワークＷを加工する際には、加工ツールＴの回転数と、ワークＷに対する加工ツールＴの１回転あたりの切り込み量が、びびり振動限界線Ｃ１、Ｃ２よりも下側となるような加工条件である必要がある。

例えば、上記した処理において、加工ツールＴやワークＷにびびり振動が生じていることを検出した時点での加工条件が、図６において、符号（イ）に示すような位置にあった場合、ステップＳ１０３で加工ツールＴの回転数を所定量だけ上昇させると、変更後の加工条件の位置（ロ）は、びびり振動限界線Ｃ１、Ｃ２よりも下側の、びびり振動が発生しない安定な領域に変わる。つまり、びびり振動は治まることになる。
これに対し、加工ツールＴやワークＷにびびり振動が生じていることを検出した時点での加工条件が、図６において、符号（ハ）に示すような位置にあった場合、ステップＳ１０３で加工ツールＴの回転数を所定量だけ上昇させても、変更後の加工条件の位置（ニ）は、びびり振動限界線Ｃ１、Ｃ２よりも上側の、びびり振動が発生する不安定な領域に留まっており、つまり、びびり振動は治まらない。そこで、ステップＳ１０５にて、切り込み量を所定量だけ減少させると、変更後の加工条件の位置（ホ）は、びびり振動限界線Ｃ１、Ｃ２よりも下側の、びびり振動が発生しない安定な領域に変わる。つまり、びびり振動は治まることになる。
加工ツールＴの回転数の上昇と、切り込み量の低減を１度行っただけで、びびり振動が治まらなくても、上記処理を繰り返していくうちに、加工条件の位置は、いずれ、びびり振動限界線Ｃ１、Ｃ２よりも下側の、びびり振動が発生しない安定な領域に移行していく。

このようにして、加工ツールＴやワークＷにびびり振動が生じているか否かを振動検出センサ５０で検出し、びびり振動が生じている場合には、まず加工ツールＴの回転数を上昇させ、それでもびびり振動が治まらない場合には、加工ツールＴの１回転あたりの切り込み量を減少させることで、加工中に発生したびびり振動を抑制することができる。
これにより、タービンブレードのように、びびり振動が生じやすい、加工が困難なワークＷであっても、確実に高精度な加工が行える。
しかも、びびり振動が発生していた場合には、まず加工ツールＴの回転数を上昇させるようにしている。これは、加工効率を上昇させる方向の加工条件変更であるため、加工効率をむやみに下降させることもない。

さて、上記図５に示したような処理を繰り返し、最終的に、ステップＳ１０２にて、ＮＣプログラムにおいて、加工が最終ステップまで終了したと判定された時点で、ワークＷの加工が完了する。

ところで、ワークＷが、高回転で回転するタービンブレード等である場合、その仕上がり寸法はもちろんのこと、さらに固有振動数が、予め設定された公差内に収まっている必
要がある。
このため、通常は、完成したワークＷを、ハンマー等で叩き、その固有振動数を調べているのであるが、本実施の形態の５軸加工機１０では、加工が完了したワークＷの固有振動数を自動的に検査する機能も備えている。
以下、この機能について説明する。
５軸加工機１０には、加工ヘッド３０の近傍に、ＡＴＣ（Auto Tool Changer：図示無
し）が備えられている。このＡＴＣでは、多数種の加工ツールＴを保持しており、必要に応じ、加工ツール保持部８にセットする加工ツールＴを自動的に交換する。
本実施の形態では、このＡＴＣに、固有振動数を検査するためにワークＷに振動を加える（叩く）加振部材６１を保持しておく。この加振部材６１は、例えば円柱状とすることができる。

図７に示すように、ワークＷの加工が完了した時点で、コントローラ４０は、加工ツール保持部８にセットされている加工ツールＴを、加振部材６１に交換する。
そして、加振部材６１を保持した加工ツール保持部８を、所定速度、例えば５軸加工機１０の最大作動速度で、所定の方向に移動させ、加振部材６１でワークＷの先端部等に振動を加える。
このときに生じた振動を振動検出センサ５０で検出し、ＦＦＴアナライザ５２で解析することで、ワークＷの固有振動数を得るのである。
さらに、コントローラ４０では、得られた固有振動数が、予め設定された公差内にあるか否かを判定し、その判定結果を、ランプ、アラーム、表示等の出力手段により出力することもできる。

このようにして、５軸加工機１０では、加工が完了したワークＷの固有振動数の検査までを自動的に行うことも可能となっている。
ここで、加工ツールＴから加振部材６１への交換は、ＡＴＣによって行うので非常に高速で行うことができ、また、加工時に既に装着されている振動検出センサ５０を用いるので、固有振動数の検査を非常に迅速に行うことが可能となる。

なお、上記実施の形態では、ワークＷとして、タービンブレードを例に挙げたが、その加工対象は、他のいかなるものであってもよい。
また、５軸加工機１０についても、その構成はいかなるものであってもよいし、さらに、例えば４軸の加工機にも本発明を適用することができる。
これ以外にも、本発明の主旨を逸脱しない限り、上記実施の形態で挙げた構成を取捨選択したり、他の構成に適宜変更することが可能である。

本実施の形態における多軸加工機の構成を示す正面図である。 多軸加工機の斜視図である。 多軸加工機における振動検出に関わる構成を示す図である。 ワークの加工時に生じる振動と、ワークおよび加工ツールに生じるびびり振動を示す図である。 びびり振動を検出したときの処理の流れを示す図である。 びびり振動を検出したときに加工条件を変更した例を示す図である。 ワークの固有振動数を検査するための構成を示す図である。

符号の説明

７…ワーク保持部、８…加工ツール保持部、１０…５軸加工機（多軸加工機）、２０…ワークベンチ、３０…加工ヘッド、４０…コントローラ、５０…振動検出センサ、５２…ＦＦＴアナライザ、６１…加振部材、Ｔ…加工ツール、Ｗ…ワーク

Claims (7)

1. 複数の作動軸を有する多軸加工機であって、
   加工すべきワークを保持するワーク保持部と、
   前記ワーク保持部に保持された前記ワークを加工するための加工ツールを保持する加工ツール保持部と、
   前記ワーク保持部で保持した前記ワークに生じたびびり振動を検出する振動検出部と、
   前記振動検出部でびびり振動が検出されたときに、前記加工ツール保持部で保持した前記加工ツールによる前記ワークに対する加工条件を変更するコントローラと、
   を備えることを特徴とする多軸加工機。
2. 前記コントローラは、前記振動検出部でびびり振動が検出されたときに、前記加工ツールの回転数を上昇させることを特徴とする請求項１に記載の多軸加工機。
3. 前記コントローラは、前記加工ツールの回転数を上昇させた後にも前記振動検出部でびびり振動が検出されたとき、前記加工ツールの１回転当りの切込み量を減少させることを特徴とする請求項２に記載の多軸加工機。
4. 前記振動検出部は、さらに前記加工ツールに生じたびびり振動を検出し、
   前記ワークまたは前記加工ツールに対応した所定周波数帯域に所定強度以上の振動が検出されたときに、前記振動検出部でびびり振動を検出したと判定することを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の多軸加工機。
5. 前記加工ツール保持部は、加工が完了した前記ワークを加振する加振部材を保持可能であり、
   前記加振部材で前記ワークを加振したときの振動を前記振動検出部で検出することで、前記ワークの固有振動数を得ることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の多軸加工機。
6. 複数の作動軸を有する多軸加工機でワークを加工する方法であって、
   前記複数の作動軸を作動させて前記ワークに対し加工ツールを相対移動させることで、前記ワークを前記加工ツールで加工するステップと、
   前記ワーク、前記加工ツールの少なくとも一方にびびり振動が検出されたときに、前記加工ツールの回転数を上昇させるステップと、
   を含むことを特徴とするワークの加工方法。
7. 前記加工ツールの回転数を上昇させた後にもびびり振動が検出されたとき、前記加工ツールの１回転当りの切込み量を減少させるステップをさらに含むことを特徴とする請求項６に記載のワークの加工方法。

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