JP2006102843A

JP2006102843A - 最適加工装置及び最適加工方法

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Publication number: JP2006102843A
Application number: JP2004290661A
Authority: JP
Inventors: Daijiro Fukuda; 大二郎福田; Akira Tanaka; 明田中; Kazutoshi Takaishi; 和年高石
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2004-10-01
Filing date: 2004-10-01
Publication date: 2006-04-20

Abstract

【課題】機械加工の高効率化、低コスト化、高品質化を図ることにある。
【解決手段】加工前の被削材状態及び要求値を入力する入力部１、試験、検査、観察、解析データを格納するデータベース２、入力部で得られた加工前の被削材状態、要求値及びデータベースに格納されたデータに基いて、工具条件、加工条件、加工後の被削材状態の値を最適化する最適化計算部３、最適化計算部で最適化された工具条件、加工条件、加工後の被削材状態の値を出力する出力部４、出力部より得られた工具条件、加工条件、加工後の被削材状態の値について採用可否を判定する判定部５、判定部で採用された工具条件、加工条件、加工後の被削材状態の値に基いて加工を行う加工部６、加工部により加工中の工具の状態、加工条件、加工後の被削材の状態計測結果と判定部によって採用された工具条件、加工条件、加工後の被削材状態の値を比較する比較部８、比較部で比較された計測値と採用値の差が小さくなるように加工条件を調整する調整部９から構成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、機械加工に係り、特に工具条件、加工条件、加工後の被削材状態を最適化する加工装置及び加工方法に関する。

現在、様々な製品を機械加工するにあたっては、製品の加工に対応した工作機械、工具、加工方法等が種々開発されている。

このような工作機械、工具、加工方法の多様化の背景は、製品の加工精度の向上、加工工数の削減、工具寿命の向上、被削材のダメージ低減等のニーズを反映したものである。特に、機械加工における製品へのダメージは残留応力や残留ひずみ等として存在し、応力腐食割れ現象はこの残留応力や残留ひずみに起因していることは広く認知されている。

ところで、従来の機械加工において、最適な加工方法としては、
（１）応答解析シミュレーションにより動特性モデルの応答変位を求めることで加工精度や工具寿命などの制約条件に近付くように工具形状、加工条件、治具構成を最適化するようにしたもの（例えば、特許文献１）
（２）加工条件から予測した加工状況を基準値として実測値と比較し、加工中に基準値に近付くように加工条件を変更するようにしたもの（例えば、特許文献２）
（３）被切削材の加工形状やその経時変動に対応して、任意の最適形状を修正しながら加工するようにしたもの（例えば、特許文献３）
（４）複数の加工条件の候補から加工結果を予測して良否判定を行い、その繰返しにより加工条件を決定するようにしたもの（例えば、特許文献４）
がある。
特開２００１−４７３４０号公報特開平１１−１９７９９６号公報特開平１１−２３５６５８号公報特開平６−３２０３８９号公報

上記（１）〜（４）のいずれの加工方法も最適な加工条件を提供することを目的としているが、いずれも対象は加工精度の向上、加工工数の削減、工具寿命の向上が主であり、加工効率を重視したものである。

一方、製品のダメージ低減については機械加工による変形が主体となっており、機械加工による加工硬化、残留応力、残留ひずみなどは考慮されていない。

また、被削材に発生する特性やそれに対するクライテリアは製品によって様々であるため、多様化する製品に対応するためには加工効率と加工品の品質の両方を考慮した最適な加工条件を提供できる装置が必要であるが、現状ではこれらを満たす最適な加工装置が存在していないのが実情である。

本発明は、上記のような事情に鑑みてなされたもので、機械加工の効率化、工具摩耗寿命の延長、被削材のダメージの低減を同時に行うことにより、機械加工の高効率化、低コスト化、高品質化を図ることができる最適加工装置及び最適加工方法を提供することを目的とする。

本発明は上記の目的を達成するため、次のような手段により最適加工装置を校正するものである。

請求項１に対応する発明は、工具条件、加工条件及び加工後の被削材状態を最適化するための最適加工装置において、加工前の被削材状態及び要求する工具条件、加工条件、加工後の被削材状態を入力する入力手段と、この入力手段によって得られた加工前の被削材状態及び要求する工具条件、加工条件、加工後の被削材状態に基づいて、工具条件、加工条件、加工後の被削材状態の値を最適化する最適化演算手段と、この最適化演算手段によって得られた工具条件、加工条件、加工後の被削材状態の値を出力する出力手段と、この出力手段によって得られた工具条件、加工条件、加工後の被削材状態の値について採用可否を判定する判定手段と、この判定手段によって採用された工具条件、加工条件、加工後の被削材状態の値に基づいて加工を行う加工手段と、この加工手段によって加工中の工具の状態、加工条件、加工後の被削材の状態を計測する計測手段と、この計測手段による計測結果と前記判定手段によって採用された工具条件、加工条件、加工後の被削材状態の値を比較する比較手段と、この比較手段によって得られた計測値と採用値の差を小さくするために加工条件を調整する調整手段とを備える。

請求項２に対応する発明は、請求項１に対応する発明の最適加工装置において、前記入力手段より前記最適化演算手段に入力される加工前の被削材状態は、事前に試験又は検査或いは観察もしくは解析を基に得られたデータもしくは成績書の値である。

請求項３に対応する発明は、請求項１に対応する発明の最適加工装置において、前記入力手段より前記最適化演算手段に入力される加工前の被削材状態は、加工直前に非破壊検査の結果を基に得られたデータである。

請求項４に対応する発明は、請求項１に対応する発明の最適加工装置において、前記入力手段より前記最適化演算手段に入力される加工前の被削材状態は、材質、材料特性、機械的特性、表面粗さ、残留応力、残留ひずみ、温度、形状、寸法、変位、固有値のいずれか、もしくはこれらの複数の組合せである。

請求項５に対応する発明は、請求項１に対応する発明の最適加工装置において、前記入力手段より前記最適化演算手段に入力される要求する工具条件は、材質、材料特性、機械的特性、形状、コーティング、摩耗特性、寿命、温度、寸法、固有値、拘束方法、拘束位置、拘束荷重のいずれか、もしくはこれらの複数の組合せである。

請求項６に対応する発明は、請求項１に対応する発明の最適加工装置において、前記入力手段より前記最適化演算手段に入力される要求する加工条件は、加工方法、加工量、加工速度、送り速度、送り量、送り速度、切込量、切込速度、冷却媒体、冷却速度、冷却量のいずれか、もしくはこれらの複数の組合せである。

請求項７に対応する発明は、請求項１に対応する発明の最適加工装置において、前記入力手段より前記最適化演算手段に入力される要求する加工後の被削材状態は、材質、材料特性、機械的特性、表面粗さ、残留応力、残留ひずみ、温度、形状、寸法、変位、振動数のいずれか、もしくはこれらの複数の組合せである。

請求項８に対応する発明は、請求項１に対応する発明の最適加工装置において、前記最適化演算手段は、試験、検査、観察、解析のいずれか、もしくはこれらの複数の組合せによって得られたデータベースを基に、要求する工具条件、加工条件、加工後の被削材状態を満足する工具条件、加工条件、加工後の被削材状態のいずれか、もしくはこれらの複数の組合せを計算する。

請求項９に対応する発明は、請求項１に対応する発明の最適加工装置において、前記出力手段は、材質、材料特性、機械的特性、形状、コーティング、摩耗特性、寿命、温度、寸法、固有値、拘束方法、拘束位置、拘束荷重のいずれか、もしくはこれらの複数の組合せを出力する。

請求項１０に対応する発明は、請求項１に対応する発明の最適加工装置において、前記出力手段は、加工方法、加工量、加工速度、送り速度、送り量、送り速度、切込量、切込速度、冷却媒体、冷却速度、冷却量のいずれか、もしくは複数の組合せを出力する。

請求項１１に対応する発明は、請求項１に対応する発明の最適加工装置において、前記出力手段は、材質、材料特性、機械的特性、表面粗さ、残留応力、残留ひずみ、温度、形状、寸法、変位、振動数のいずれか、もしくはこれらの複数の組合せを出力する。

請求項１２に対応する発明は、請求項１に対応する発明の最適加工装置において、前記計測手段は、工具の温度、工具の摩耗量、工具の抵抗力、切削速度、送り速度、送り量、切込速度、切込量、冷却速度、冷却量、被削材の温度、被削材の表面粗さ、被削材の残留応力、被削材の残留ひずみ、被削材の形状、被削材の寸法、被削材の変位、加工による工具および被削材振動のいずれか、もしくはこれらの複数の組合せを計測する。

請求項１３に対応する発明は、請求項１に対応する発明の最適加工装置において、前記比較手段は、工具の温度、工具の摩耗量、工具の抵抗力、切削速度、送り速度、送り量、切込速度、切込量、冷却速度、冷却量、被削材の温度、被削材の表面粗さ、被削材の残留応力、被削材の残留ひずみ、被削材の形状、被削材の寸法、被削材の変位、加工による工具および被削材振動のいずれか、もしくはこれらの複数の組合せのいずれかを比較する。

請求項１４に対応する発明は、請求項１に対応する発明の最適加工装置において、前記調整手段は、切削速度、送り速度、送り量、切込速度、切込量、冷却速度、冷却量のいずれかを調整する。

請求項１５に対応する発明は、被削材の表面粗さ、表面硬さ、引張り強さ、残留応力、残留ひずみ等の被削材データ及び加工に対する要求値を入力して得られる材料データと、データベースに格納された機械加工に必要なシミュレーションデータを基に最適化計算を実行し、要求値を満足する加工条件、工具形状、加工後の加工面の残留応力、ひずみ、硬さ、表面粗さ等の被削材状態を求めて機械加工を行い、この機械加工中に被削材の状態を計測し、その計測値が要求値に近付けるように加工条件を調整する。

本発明による最適加工装置及び最適加工方法は、機械加工の効率化、工具摩耗の寿命延長と同時に、被削材のダメージを低減させることで、機械加工の高効率化、低コスト化、高品質化を図ることができる。

以下本発明の実施形態について図面を参照して説明する。

図１は本発明による最適加工装置の実施形態の全体構成を示すブロック図である。

本実施形態の最適加工装置は、図１に示すように加工前の被削材状態及び要求値を入力する入力部１、試験、検査、観察、解析データを格納するデータベース２、この入力部１によって得られた加工前の被削材状態及び要求値及びデータベース２に格納されたデータに基づいて、工具条件、加工条件、加工後の被削材状態の値を最適化する最適化計算部３、この最適化計算部３によって得られた工具条件、加工条件、加工後の被削材状態の値を出力する出力部４、この出力部４によって得られた工具条件、加工条件、加工後の被削材状態の値について採用可否を判定する判定部５、この判定部５によって採用された工具条件、加工条件、加工後の被削材状態の値に基づいて加工を行う加工部６、この加工部６によって加工中の工具の状態、加工条件、加工後の被削材の状態を計測する計測部７、この計測部７による計測結果と判定部５によって採用された工具条件、加工条件、加工後の被削材状態の値とを比較する比較部８、この比較部８によって得られた計測値と採用値の差を小さくするために加工条件を調整する調整部９から構成されている。

次に上記構成の各部の機能について詳細に説明するに、ここでは加工機により例えば図２に示すように被削材２１に対して片刃バイト２２を用いて施削を行う場合について述べる。

上記入力部１は、加工前の被削材の状態を入力するもので、この加工前の被削材の状態としては、事前に試験、検査、観察、解析等の調査で得られるデータもしくは成績書である。

ここで、上記試験は被削材と同じ材料を用いて行なわれ、引張試験、圧縮試験、衝撃試験、破壊靭性試験、疲労試験、クリープ試験、加振試験などにより耐力、引張強さ、衝撃値、吸収エネルギ、靭性、脆性、破壊靭性値、疲労寿命、クリープ速度、固有値などが測定される。

検査は硬さ測定、分極測定、成分解析などにより、硬さ、脆化度、化学成分量（例えば炭素量）などが測定される。

観察は組織観察、表面粗さ観察などにより、組織形態、欠陥、表面粗さなどが確認される。

解析は弾性解析、弾塑性解析、熱伝導解析、衝撃解析、接触解析、クリープ解析、固有値解析、応答解析、切削シミュレーション、溶接施工シミュレーション、塑性加工シミュレーションなどにより、前段階の施工を解析して初期応力、初期ひずみ、形状、寸法、表面粗さ、固有値などが求められる。

成績書の記載内容は材質、材料特性、機械的特性、表面粗さ、残留応力、残留ひずみなどである。

また、入力部１から入力される加工前の被削材の状態としては、被削材そのものの非破壊検査等により得られる材質、材料特性、機械的特性、表面粗さ、残留応力、残留ひずみ等のデータである。この場合、加工直前の被削材の状態を加工以外で変化させることは品質上の問題があるため、検査による影響がなければ非破壊検査以外でもよい。

本実施形態では、例えば超音波による硬度計により被削材の表面硬さを測定した非破壊検査以外のデータが入力される。

さらに、入力部１からは要求値（設計値、制限値）が入力される。この要求値としては、例えば工具寿命を１００時間から１６０時間に延伸したいという設計値に対して、１回当たりの加工時間が１６分より長くならないように制限値が課せられる。また、効率を向上させるため、例えば１回当たりの加工時間を１０分から７分にしたいという設計値に対して、被削材の表面硬さが３００ＨＶ以上にならないという制限値が課せられる。

ここで、要求値としては、上記以外に送り量、切込速度、切込量、冷却媒体、冷却速度、冷却量、振動、表面粗さ、残留応力、残留ひずみ、形状、寸法、変位などのいずれでも良い。

このように入力部２より入力される前述した加工前にとも材を用いて試験、検査、観察、解析によって得られたデータは、データベース２に蓄積される。

上記最適化計算部３は、入力部２より入力される前述した加工前の被削材の状態、ここでは被削材の表面硬さと要求値及びデータベース２に蓄積されたデータを基に工具条件、加工条件、加工後の被削材の最適化演算を実行する。

この最適化計算部３で最適化する対象としては、上記費削材の表面硬さ以外に工具形状、工具寸法、工具材料、工具コーティング材料、工具コーティング厚さ、工具寿命等の工具条件、切削速度、送り速度、送り量、切込速度、切込量、冷却媒体、冷却速度、冷却量、振動、表面粗さ、残留応力、残留ひずみ、形状、寸法、変位などのいずれでも良い。

ここで、被削材の施削の場合を例にとると、切削条件として切削速度、切込、工具形状として逃げ角、すくい角などの解析データをデータベース２から取込んで図３に示すように被削材の硬さと切込速度、切込量との関係と、被削材の硬さと逃げ角、すくい角との関係及び要求値とから切削条件及び切込条件がそれぞれ決定され、加工後の被削材の表面硬さに対して最適化された切削条件及び切込条件が出力される。

このように最適化計算部３で最適化された工具条件、加工条件、加工後の被削材の状態は出力部４より出力される。

この場合、出力部４より出力される対象としては、被削材の表面硬さ以外に工具形状、工具寸法、工具材料、工具コーティング厚さ、工具寿命等の工具条件、切削速度、送り速度、送り量、切込速度、切込量、冷却媒体、冷却速度、冷却量等の加工条件、表面粗さ、残留応力、残留ひずみなどのいずれでも良い。

上記出力部４より出力された工具条件、加工条件、加工後の被削材の状態は判定部５で加工採用可否を判定する。この判定部５での判定は、操作技術者による判定、又は予め設定してある要求値の裕度の範囲内であれば自動採用する方法でもよい。また、不採用の場合には加工前の被削材の状態又は要求値を再入力することができる。

このように判定部５で採用された採用値をオンラインで加工機の加工部６に受渡すか、一旦記憶媒体に記憶させた後、加工機の加工部６に読込ませることで加工を行う。

加工部６で加工中の工具の状態、加工条件、被切削状態は、例えば図４に示すように被削材２１を切削する片刃バイト２２に取付けられた熱電対２３等の計測部７で計測される。

この場合、切削抵抗は切削距離に応じて大きくなり、また被削材の表面温度は切削し始めてからある切削距離に達するまで高くなるが、その後は一定の温度になる。

上記では熱電対により工具、ここでは片刃バイト２２の温度を計測したが、計測対象としては、工具の摩耗量、工具の抵抗力、切削速度、送り速度、送り量、切込速度、切込量、冷却速度、冷却量、被削材の温度、被削材の表面粗さ、被削材の残留応力、被削材の残留ひずみ、被削材の硬さのいずれであっても良い。

また、計測機器としては、加工中の工具や被削材に影響を与えない方法であれば、光学式や、超音波式などであっても良い。

このように計測部７で計測された計測値は、比較部８により判定部５で採用された採用値と比較され、例えば図５に示すように被削材の表面硬さと温度との関係において、計測値と採用値が異なる場合、又は計測値と採用値との差が大きい場合に加工条件調整部９で加工条件を調整し、計測値と採用値との差を小さくする。

調整する加工条件は、機械加工に関わるものであれば、切削速度、送り速度、送り量、切込速度、切込量、冷却速度、冷却量のいずれでも良い。

このように本実施形態によれば、機械加工の効率化、工具摩耗寿命の延長、被削材のダメージの低減を同時に行うことにより、機械加工の高効率化、低コスト化、高品質化を図ることができる。

なお、上記実施形態では、片刃バイトを用いた施削を行う場合を例にしたが、加工部６で行う加工は工具を用いる機械加工であれば、切削、穴明け、平面切削などいずれの加工に対しても同様に実施できるものである。

本発明による最適加工装置の実施形態の全体構成を示すブロック図。加工機により被削材に対して片刃バイトを用いて施削を行う場合を示す斜視図。同実施形態において、被削材の硬さと切込速度、切込量との関係と、被削材の硬さと逃げ角、すくい角との関係をそれぞれ示すグラフ。同実施形態において、計測部で熱電対を用いて被削材を施削するときの温度を計測する状態を示す図。同実施形態において、比較部で被削材の表面硬さと温度との関係において、計測値と採用値との比較例を示すグラフ。

符号の説明

１…入力部、２…データベース、３…最適化計算部、４…出力部、５…判定部、６…加工部、７…計測部、８…比較部、９…加工条件調整部。

Claims

工具条件、加工条件及び加工後の被削材状態を最適化するための最適加工装置において、加工前の被削材状態及び要求する工具条件、加工条件、加工後の被削材状態を入力する入力手段と、この入力手段によって得られた加工前の被削材状態及び要求する工具条件、加工条件、加工後の被削材状態に基づいて、工具条件、加工条件、加工後の被削材状態の値を最適化演算する最適化演算手段と、この最適化演算手段によって得られた工具条件、加工条件、加工後の被削材状態の値を出力する出力手段と、この出力手段によって得られた工具条件、加工条件、加工後の被削材状態の値について採用可否を判定する判定手段と、この判定手段によって採用された工具条件、加工条件、加工後の被削材状態の値に基づいて加工を行う加工手段と、この加工手段によって加工中の工具の状態、加工条件、加工後の被削材の状態を計測する計測手段と、この計測手段による計測結果と前記判定手段によって採用された工具条件、加工条件、加工後の被削材状態の値を比較する比較手段と、この比較手段によって得られた計測値と採用値の差を小さくするために加工条件を調整する調整手段とを備えたことを特徴とする最適加工装置。
前記入力手段より前記最適化演算手段に入力される加工前の被削材状態は、事前に試験又は検査或いは観察もしくは解析を基に得られたデータもしくは成績書の値であることを特徴とする請求項１記載の最適加工装置。
前記入力手段より前記最適化演算手段に入力される加工前の被削材状態は、加工直前に非破壊検査の結果を基に得られたデータであることを特徴とする請求項１記載の最適加工装置。
前記入力手段より前記最適化演算手段に入力される加工前の被削材状態は、材質、材料特性、機械的特性、表面粗さ、残留応力、残留ひずみ、温度、形状、寸法、変位、固有値のいずれか、もしくはこれらの複数の組合せであることを特徴とする請求項１記載の最適加工装置。
前記入力手段より前記最適化演算手段に入力される要求する工具条件は、材質、材料特性、機械的特性、形状、コーティング、摩耗特性、寿命、温度、寸法、固有値、拘束方法、拘束位置、拘束荷重のいずれか、もしくはこれらの複数の組合せであることを特徴とする請求項１記載の最適加工装置。
前記入力手段より前記最適化演算手段に入力される要求する工具条件は、加工方法、加工量、加工速度、送り速度、送り量、送り速度、切込量、切込速度、冷却媒体、冷却速度、冷却量のいずれか、もしくはこれらの複数の組合せであることを特徴とする請求項１記載の最適加工装置。
前記入力手段より前記最適化演算手段に入力される要求する加工後の被削材状態は、材質、材料特性、機械的特性、表面粗さ、残留応力、残留ひずみ、温度、形状、寸法、変位、振動数のいずれか、もしくはこれらの複数の組合せであることを特徴とする請求項１記載の最適加工装置。
前記最適化演算手段は、試験、検査、観察、解析のいずれか、もしくはこれらの複数の組合せによって得られたデータベースを基に、要求する工具条件、加工条件、加工後の被削材状態を満足する工具条件、加工条件、加工後の被削材状態のいずれか、もしくはこれらの複数の組合せを計算することを特徴とする請求項１記載の最適加工装置。
前記出力手段は、材質、材料特性、機械的特性、形状、コーティング、摩耗特性、寿命、温度、寸法、固有値、拘束方法、拘束位置、拘束荷重のいずれか、もしくはこれらの複数の組合せを出力することを特徴とする請求項１記載の最適加工装置。
前記出力手段は、加工方法、加工量、加工速度、送り速度、送り速度、切込量、切込速度、冷却媒体、冷却速度、冷却量のいずれか、もしくはこれらの複数の組合せを出力することを特徴とする請求項１記載の最適加工装置。
前記出力手段は、材質、材料特性、機械的特性、表面粗さ、残留応力、残留ひずみ、温度、形状、寸法、変位、振動数のいずれか、もしくはこれらの複数の組合せを出力することを特徴とする請求項１記載の最適加工装置。
前記計測手段は、工具の温度、工具の摩耗量、工具の抵抗力、切削速度、送り速度、送り量、切込速度、切込量、冷却速度、冷却量、被削材の温度、被削材の表面粗さ、被削材の残留応力、被削材の残留ひずみ、被削材の形状、被削材の寸法、被削材の変位、加工による工具および被削材の振動のいずれか、もしくはこれらの複数の組合せを計測することを特徴とする請求項１記載の最適加工装置。
前記比較手段は、工具の温度、工具の摩耗量、工具の抵抗力、切削速度、送り速度、送り量、切込速度、切込量、冷却速度、冷却量、被削材の温度、被削材の表面粗さ、被削材の残留応力、被削材の残留ひずみ、被削材の形状、被削材の寸法、被削材の変位、加工による工具および被削材の振動のいずれか、もしくはこれらの複数の組合せを比較することを特徴とする請求項１記載の最適加工装置。
前記調整手段は、切削速度、送り速度、送り量、切込速度、切込量、冷却速度、冷却量のいずれかを調整することを特徴とする請求項１記載の最適加工装置。
被削材の表面粗さ、表面硬さ、引張り強さ、残留応力、残留ひずみ等の被削材データ及び加工に対する要求値を入力して得られる材料データと、データベースに格納された機械加工に必要なシミュレーションデータを基に最適化計算を実行し、要求値を満足する加工条件、工具形状、加工後の加工面の残留応力、ひずみ、硬さ、表面粗さ等の被削材状態を求めて機械加工を行い、この機械加工中に被削材の状態を計測し、その計測値が要求値に近付けるように加工条件を調整することを特徴とする最適加工方法。