JP2006263904A - Surface processing control method and surface processing control program - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、数値制御工作機械を用いて金属加工物を加工する際に、加工面の機械的特性である表面あらさ、残留応力、表面硬さを予測して加工物の切削条件を決定する加工物の表面加工制御方法及びその制御プログラムに関する。 The present invention, when machining a metal workpiece using a numerically controlled machine tool, determines the cutting conditions of the workpiece by predicting the surface roughness, residual stress, and surface hardness, which are mechanical properties of the machining surface. The present invention relates to an object surface processing control method and a control program therefor.
近年、航空機産業、宇宙産業、金型産業などにおいて、高能率かつ高精度の金属表面の加工に対する要求が厳しくなっており、また、これまで３軸同時加工で充分対応可能であった産業の業種においても、更なる加工効率の改善を求める傾向にある。このため、一部の特殊形状に対してのみ採用されてきた多軸加工が注目されるようになり、多軸加工装置へのニーズが急激に高まってきている。例えば、５軸制御工作機械は、従来からの直進駆動３軸に回転駆動２軸を付加した工作機械であり、工作物に対して任意の工具姿勢を与えることができるため、複雑な形状の加工が可能となっている。 In recent years, in the aircraft industry, space industry, mold industry, etc., the demand for highly efficient and highly accurate metal surface machining has become strict, and the industry sector that has been able to cope with three-axis simultaneous machining so far However, there is a tendency to demand further improvement in processing efficiency. For this reason, multi-axis machining that has been adopted only for some special shapes has attracted attention, and the need for a multi-axis machining apparatus has been rapidly increased. For example, a 5-axis control machine tool is a machine tool in which two axes of rotational drive are added to three axes of conventional linear drive, and can give an arbitrary tool posture to a workpiece, so that a complicated shape is machined. Is possible.
この５軸制御工作機械は、様々な曲面を持つ金型の製作に使用されている。これまで５軸制御によるボールエンドミル加工については、工具経路の決定方法が主に研究されてきており、このための様々なアルゴリズムが提案されている。また、市販のＣＡＭ（Computer Aided Manufacturing:コンピュータ支援製造）システムも４軸以上のマシニングセンタに対応するようになり、比較的簡単に工具経路を作成することができるようになっている。しかし、これら従来のソフトウエア（アルゴリズム）による工具経路の決定方法は、工具と工作物とが干渉しないようにチェックすることに重きが置かれているのが現状であった。 This 5-axis control machine tool is used to manufacture dies having various curved surfaces. Up to now, for ball end milling by 5-axis control, tool path determination methods have been mainly studied, and various algorithms for this purpose have been proposed. In addition, a commercially available CAM (Computer Aided Manufacturing) system is compatible with a machining center having four or more axes, and a tool path can be created relatively easily. However, these conventional software (algorithm) determination methods for the tool path have been focused on checking so that the tool and the workpiece do not interfere with each other.
そこで、機械加工した表面のあらさ寸法精度を向上させる表面仕上げのために、通常、研磨や放電加工などの後処理工程が必要とされている。例えば、エンドミルを用いて金属を切削加工するエンドミル加工においては、仕上げ面の表面あらさを制御する方法として、外周刃にかかる切削抵抗を変動させずに、ほぼ一定に維持するようにして、切削抵抗の変動に起因して生じていた工具本体の倒れ量の変動が生じるのを抑制する方法が提案されている（例えば、特許文献１を参照。）。そして、この特許文献１に記載されているエンドミル加工方法によれば、加工面の形状精度が向上し、より高精度の切削加工を実現することができるとされている。 Therefore, post-processing steps such as polishing and electric discharge machining are usually required for surface finishing to improve the roughness accuracy of the machined surface. For example, in end milling where metal is machined using an end mill, as a method of controlling the surface roughness of the finished surface, the cutting resistance applied to the outer peripheral blade is kept almost constant without changing the cutting resistance. There has been proposed a method for suppressing the fluctuation of the amount of tilting of the tool body that has occurred due to the fluctuation of (see, for example, Patent Document 1). And according to the end mill processing method described in this patent document 1, it is said that the shape accuracy of a processing surface improves and it can implement | achieve more highly accurate cutting.
また、金属材料の表面加工方法において、加工面の残留応力を改善する方法として、加工面の表面の浸炭処理（切削加工した後で表面層の炭素量を増加させる処理）を行う浸炭処理法、あるいは、加工面に小さな硬質の金属球（例えば、粒径４０μｍ〜１．３ｍｍ程度の小球）を被加工部品に高速で衝突させるショットピーニングにより、高い圧縮残留応力を付与する方法が知られている（例えば、特許文献２参照。）。しかし、浸炭処理は、切削加工した後に、加工物の表面層のみを焼入硬化する処理工程が必要であり、また、ショットピーニングは、同じく切削加工した後に、加工物表面に金属球を衝突させるという処理工程が必要であり、いずれも、切削加工とは別の大掛かりな作業工程を必要とするという不都合があった。 Moreover, in the surface processing method of the metal material, as a method of improving the residual stress of the processed surface, a carburizing method of performing a carburizing process of the surface of the processed surface (a process of increasing the carbon content of the surface layer after cutting), Alternatively, a method of imparting a high compressive residual stress by shot peening in which a small hard metal sphere (for example, a small sphere having a particle size of about 40 μm to 1.3 mm) is made to collide with a workpiece at high speed is known. (For example, refer to Patent Document 2). However, the carburizing process requires a treatment process in which only the surface layer of the work piece is quenched and hardened after the cutting process, and the shot peening also causes the metal sphere to collide with the work piece surface after the cutting process. In any case, there is an inconvenience that a large work process different from the cutting process is required.
また、機械加工において、加工条件を制御して、加工面の圧縮残留応力を生成させる方法として、工具の切削速度を限定すると共に、工具軸方向と工具径方向の切り込み量を限定して圧縮残留応力を発生させる方法（例えば、特許文献２参照）や、先端部に切刃が形成された工具の該先端部で所定の被加工面層を切削加工する際に、前記被加工面層を塑性流動させながら切削することにより該被加工表面層に圧縮残留応力を生成する方法が提案されている。（例えば、特許文献３参照）
しかしながら、ボールエンドミルを用いて金型を切削加工する場合にあっては、直線部の加工よりも円弧部の加工の方がはるかに多く、この円弧部の加工では切削抵抗が直線部とは大きく変化するケースが多いのが通例であった。このため、円弧部面の切削加工において、加工面の表面あらさ、残留応力、表面硬さを予測して、この予測値にしたがって実際の機械切削加工を制御することは極めて重要なことであった。 However, when cutting a die using a ball end mill, the arc part is processed far more than the straight part, and the cutting resistance is larger than that of the straight part. It was usual that there were many cases that changed. For this reason, in cutting the arc surface, it is extremely important to predict the surface roughness, residual stress, and surface hardness of the processed surface, and to control the actual machining according to the predicted values. .
特に、加工面の残留応力は、加工物が機械部品として使用される際の疲労寿命に大きく関わっており、引張の残留応力ではなく圧縮の残留応力が生成されれば、表面の疲労強度が強くなって、耐磨耗性、耐応力腐食特性を向上させことができるとされている。このため、長期間の耐熱サイクル性が要求される金型や機械部品等の加工においては、機械加工により、円弧形状の加工面に圧縮の残留応力を生成させる方法が待望されていた。
また、薄い平面形状の加工物や長尺の加工物では、加工物の各部分で残留応力のアンバランスが生じるため、加工後に固定具からはずすとゆがみが生じてしまうという問題があり、加工後の修正が不可欠となっていた。
In particular, the residual stress on the machined surface is greatly related to the fatigue life when the workpiece is used as a machine part. If a compressive residual stress is generated instead of a tensile residual stress, the surface fatigue strength is increased. Thus, it is said that the wear resistance and stress corrosion resistance can be improved. For this reason, in the processing of dies and machine parts that require long-term heat cycle performance, a method of generating compressive residual stress on the arc-shaped processed surface by machining has been awaited.
In addition, in thin planar workpieces and long workpieces, there is a problem in that residual stresses are unbalanced in each part of the workpiece, so there is a problem that distortion occurs if it is removed from the fixture after processing. The correction of was indispensable.
また、金属材料はすべて多結晶からなっているが、この金属材料に応力が加わった場合、金属材料は力の方向に伸び、これと直角方向に縮む特性を有する。つまり、この圧縮と伸長に伴い、金属材料を構成する多結晶の原子間の距離（格子間距離）も伸びたり縮んだりする。例えば、鋼の場合、応力が“０”のときの格子定数が既知であるため、この格子間距離の変化量が残留応力となる。この残留応力は、この格子間距離の変化をＸ線回折によって測定し、金属加工面の表面をＸ線回折により調べることにより、表面から数十μｍの深さ範囲で測定することができる。 In addition, the metal material is all made of polycrystal, but when stress is applied to the metal material, the metal material has a property of extending in the direction of force and contracting in a direction perpendicular thereto. That is, with this compression and extension, the distance between the polycrystal atoms constituting the metal material (interstitial distance) also expands and contracts. For example, in the case of steel, since the lattice constant when the stress is “0” is known, the amount of change in the interstitial distance becomes the residual stress. This residual stress can be measured in a depth range of several tens of μm from the surface by measuring the change in the interstitial distance by X-ray diffraction and examining the surface of the metal processed surface by X-ray diffraction.
本発明は、以上の問題点と課題を踏まえてなされたものであり、数値制御工作機械を使用し、金属を加工する場合、さまざまな切削因子を選定することにより、金属加工面の表面あらさ、残留応力、表面硬さ等の機械的特性を予測し、この予測値に基づいて加工表面を所望する機械的特性（表面あらさ、残留応力、表面硬さ）をもつ表面に加工制御する方法及びそのための制御プログラムを提供するものである。 The present invention has been made in light of the above problems and problems.When machining a metal using a numerically controlled machine tool, by selecting various cutting factors, the surface roughness of the metal working surface, A method for predicting mechanical characteristics such as residual stress and surface hardness, and controlling the processing of the processed surface into a surface having desired mechanical characteristics (surface roughness, residual stress, surface hardness) based on the predicted value and the purpose thereof The control program is provided.
上記課題を解決し、本発明の目的を達成するため、本発明の表面加工制御方法は、工具の形状、工具の送り方向を定めるとともに、工具径、切り込み深さ、ピックフィード、一刃当たりの送り量、２方向の工具姿勢の各切削因子の組合せによる切削条件を定め、該切削条件と加工される物体表面の表面あらさ、残留応力、表面硬さの各機械的特性バランスとを関連付けた参照テーブルを作成し、該参照テーブルに基づいて、前記各機械的特性を必要とする加工面部位の加工時に、加工面の形状から工具経路を設定するとともに、目標とする加工面部位の機械的特性バランスが得られる切削条件を設定することを特徴としている。なお、ここで用いられる工具はボールエンドミルであり、残留応力は圧縮残留応力である。 In order to solve the above-mentioned problems and achieve the object of the present invention, the surface processing control method of the present invention determines the shape of the tool and the feed direction of the tool, as well as the tool diameter, the cutting depth, the pick feed, and the per-blade. A reference that defines cutting conditions based on a combination of feed factors and cutting factors of tool orientations in two directions, and associates the cutting conditions with the balance of mechanical properties of the surface roughness, residual stress, and surface hardness of the object to be processed. A table is created, and a tool path is set from the shape of the machined surface when machining a machined surface part that requires each mechanical characteristic based on the reference table, and the mechanical characteristic of the target machined surface part It is characterized by setting cutting conditions for obtaining a balance. The tool used here is a ball end mill, and the residual stress is compressive residual stress.
また、本発明の好ましい形態においては、前記切削因子の組み合せからなる切削条件と、加工物の表面あらさ、残留応力、表面硬さの機械的特性を関連付ける参照テーブルは、コンピュータシュミュレーションにより作成されるとともに、コンピュータシュミュレーションによって作成された加工物の加工面における表面あらさ、残留応力、表面硬さの各機械的特性の分布は、ディスプレイ上に色彩および色の濃淡で表示されるようになっている。 In a preferred embodiment of the present invention, a reference table associating the cutting conditions comprising the combination of the cutting factors with the mechanical properties of the surface roughness, residual stress, and surface hardness of the workpiece is created by computer simulation. In addition, the distribution of surface roughness, residual stress, and surface hardness mechanical properties on the processed surface of the workpiece created by computer simulation is displayed on the display in color and shade of color. .
また、本発明の表面加工制御プログラムは、コンピュータに、工具の形状、工具の送り方向、工具径、切り込み深さ、ピックフィード、一刃当たりの送り量、２方向の工具姿勢の各切削因子を入力し、該切削因子の組合せによる切削条件を定める機能と、該切削条件と加工される物体表面の表面あらさ、残留応力、表面硬さの各機械的特性バランスとを関連付けた参照テーブルを作成する機能と、加工物加工面の所望する表面あらさ、残留応力、表面硬さの各機械的特性を入力して、該参照テーブルに基づいて、前記各機械的特性を必要とする加工面部位の加工時に、前記加工面の形状から工具経路を設定するとともに、目標とする加工面部位の機械的特性バランスを得るための切削条件を設定する機能を実現させる制御プログラムである。 Further, the surface machining control program of the present invention stores the cutting factor of the tool shape, the tool feed direction, the tool diameter, the cutting depth, the pick feed, the feed amount per blade, and the tool orientation in two directions. Create a reference table that correlates the function to determine the cutting conditions by inputting and combining the cutting factors and the balance of the mechanical characteristics of the cutting conditions and the surface roughness, residual stress, and surface hardness of the object surface to be processed Enter the functions and the desired surface roughness, residual stress, and surface hardness of the work surface of the work piece, and process the machined surface portion that requires the mechanical properties based on the reference table. In some cases, the control program realizes a function of setting a tool path from the shape of the processed surface and setting a cutting condition for obtaining a balance of mechanical characteristics of a target processed surface portion.
本発明の表面加工制御方法及びその制御プログラムによれば、数値制御工作機械を使用し金属を加工する際に、被削物の加工面を切削する工具や、種々の切削条件に基づいて加工面の求める機械的特性（表面あらさ、残留応力、表面硬さ）を選定することにより、要求どおりの機械的特性を有する金属材料の表面加工を行うことが可能となる。 According to the surface machining control method and the control program of the present invention, when machining a metal using a numerically controlled machine tool, a tool that cuts the machined surface of the work piece and a machining surface based on various cutting conditions By selecting the mechanical properties (surface roughness, residual stress, surface hardness) required by the above, it becomes possible to perform surface processing of a metal material having the required mechanical properties.
また、本発明を実際の生産現場で応用する場合、加工品の目的と用途、および加工の能率と経済性を勘案しながら、加工部位によって要求が異なる機械的特性を満足する加工をすることができる。例えば、射出成形金型の加工に際しては、摩耗の激しい部分（例えばゲート部分）には、圧縮残留応力が高く、表面が硬くなる条件を採用し、一方で磨耗は激しくないが良好な表面あらさが求められる他の部分（例えばランナーやキャビティ部分）の加工に対しては圧縮残留応力が小さくても良いが表面あらさが小さくなる条件を採用するようにする。あるいは、インペラなど高速回転羽根の根本部分の加工では、圧縮残留応力が高くなることを第一優先に加工条件を設定し、その他の加工部分は加工能率を優先した条件を採用する等の使い分けをする。これにより、全体としての加工能率をあまり低下させずに，加工物の重要な部位には表面あらさ、残留応力、表面硬さの機械的特性を所望するバランスに設定して加工することができ、目的とする加工物を短時間で加工することできるようになる。 In addition, when the present invention is applied at an actual production site, it is possible to perform processing that satisfies the mechanical characteristics that require different conditions depending on the processing site while taking into account the purpose and application of the processed product, and the processing efficiency and economy. it can. For example, when processing an injection mold, a part with high wear (for example, a gate part) has a condition in which a compressive residual stress is high and the surface becomes hard. For the processing of other required parts (for example, runners and cavities), a condition that the compressive residual stress may be small but the surface roughness is small is adopted. Alternatively, in the processing of the root part of a high-speed rotary blade such as an impeller, the processing conditions are set with the highest priority on higher compressive residual stress, and the other processing parts should be used with the priority on the processing efficiency. To do. This makes it possible to set the desired balance of the mechanical properties of surface roughness, residual stress, and surface hardness at important parts of the workpiece without significantly reducing the overall processing efficiency. The target workpiece can be machined in a short time.
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態例について説明する。
本実施の形態例では、数値制御工作機械として、５軸制御工作機械を使用している。図１及び図２は、５軸制御工作機械の“５軸”の意味を説明するための模式図である。
すなわち、図１に示すように、５軸制御工作機械は、金型などの加工物を設置するための回転テーブル１を備えた不図示の基部と、先端にボールエンドミルの切れ刃を形成した切れ刃工具２を支持するための不図示の主軸頭部とを有して構成されている。そして、切れ刃工具２の回転軸をＺ軸とし、Ｚ軸に直交する軸の一つをＹ軸とし、Ｚ軸とＹ軸との両方に直交する軸をＸ軸とする。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
In this embodiment, a 5-axis control machine tool is used as the numerical control machine tool. 1 and 2 are schematic diagrams for explaining the meaning of “5-axis” of a 5-axis control machine tool.
That is, as shown in FIG. 1, a 5-axis control machine tool has a base portion (not shown) provided with a rotary table 1 for installing a workpiece such as a die, and a cutting end having a ball end mill cutting edge formed at the tip. A spindle head (not shown) for supporting the blade tool 2 is provided. The rotation axis of the cutting tool 2 is the Z axis, one of the axes orthogonal to the Z axis is the Y axis, and the axis orthogonal to both the Z axis and the Y axis is the X axis.
図１及び図２において、回転テーブル１がＸ軸方向に移動可能とされるとともに、切れ刃工具２を支持する主軸頭部がＹ軸及びＺ軸方向に移動可能に構成されている。さらに、回転テーブル１は、互いに直交するＹ軸とＺ軸で形成されるＹＺ平面３に垂直な軸を中心として回転可能とされ、またＺ軸とＸ軸とで構成されるＺＸ平面４に垂直な軸を中心として回転可能に構成されている。その結果、主軸頭部に支持された切れ刃工具２は、図１に示すＹＺ平面３内で自在に回転可能となり（α方向）、同様に、図２に示すＺＸ平面４内で自在に回転可能となる（γ方向）。これにより、回転テーブル１に設置された加工物に対してあらゆる方向から切れ刃工具２を当てることができるようになり、複雑な形状であっても、滑らかに切削加工することができるようになっている。ここで、フィード方向とは、切れ刃工具２が加工物の金属表面上を加工しつつ走査する方向であり、ピックフィード方向とは、フィード方向と直行する方向である。 1 and 2, the rotary table 1 is configured to be movable in the X-axis direction, and the spindle head that supports the cutting edge tool 2 is configured to be movable in the Y-axis and Z-axis directions. Further, the rotary table 1 is rotatable about an axis perpendicular to the YZ plane 3 formed by the Y axis and the Z axis orthogonal to each other, and perpendicular to the ZX plane 4 constituted by the Z axis and the X axis. It is configured to be rotatable around a simple axis. As a result, the cutting edge tool 2 supported by the spindle head can freely rotate in the YZ plane 3 shown in FIG. 1 (direction α), and similarly freely rotates in the ZX plane 4 shown in FIG. Possible (γ direction). As a result, the cutting edge tool 2 can be applied to the workpiece placed on the rotary table 1 from any direction, and even a complicated shape can be cut smoothly. ing. Here, the feed direction is a direction in which the cutting tool 2 scans while processing the metal surface of the workpiece, and the pick feed direction is a direction perpendicular to the feed direction.
本発明の実施の形態例の詳細を説明する前に、まず、本発明の実施形態例の表面加工制御方法及びそのプログラムに採用する統計的手法について説明しておく。
本発明の実施の形態例における加工物表面の加工条件（切削条件と同じ）としては、工具径、ピックフィード、送り速度、切り込み深さ、工具姿勢２方向の計６項目（以下、「切削因子」という。）を予測変数として採用している。なお、この予測変数は、従来の数値制御機械における数値制御プログラムには指示されていない、つまり備えられていないものである。そして、上記予測変数である６つの切削因子が加工表面の機械的特性に与える影響を調べるため、統計手法の一つである実験計画法を用いて、切削因子の組合せに対応する機械的特性（表面あらさ、残留応力、表面硬さ）を求める。
Before describing the details of the embodiment of the present invention, first, the surface processing control method of the embodiment of the present invention and the statistical method employed in the program will be described.
The processing conditions (same as the cutting conditions) on the surface of the workpiece in the embodiment of the present invention include a total of six items (hereinafter referred to as “cutting factor”) in the tool diameter, pick feed, feed speed, cutting depth, and tool orientation in two directions. Is used as a predictor. This predictor variable is not instructed, that is, not provided in the numerical control program in the conventional numerical control machine. Then, in order to investigate the influence of the six cutting factors, which are the predictive variables, on the mechanical properties of the machining surface, the mechanical properties corresponding to the combination of cutting factors (using experimental design, which is one of the statistical methods) ( Surface roughness, residual stress, surface hardness).
すなわち、特定の切削因子を組合せて加工実験を行い、これら切削因子が加工表面の機械的特性（表面あらさ、残留応力、表面硬さ）に対してどのような影響を与えるかを調べる。そして、その結果をマトリクス（直交表）としてテーブルに記憶し、コンピュータの記憶装置に保存する。このような実験計画は比較的少数の実験数でデータを取得し、この実験データを解析して、実験データと切削因子の関連付けを統計的手法により行う手法である。この統計的手法としては、品質工学分野におけるプロセス最適化に適用されている手法である応答曲面法がよく用いられている。この応答曲面法の代表的なものは、最小２乗法、実験計画法、最適化手法である。応答曲面とは、制御因子ｘｉと応答ｙとの関係を近似する曲面であり、応答曲面の関数形としては実験計画の観点から多項式近似をする場合が多い。例えば、最小２乗法の場合は２次多項式近似がなされる。 That is, a machining experiment is performed by combining specific cutting factors, and the influence of these cutting factors on the mechanical properties (surface roughness, residual stress, surface hardness) of the machining surface is investigated. The results are stored in a table as a matrix (orthogonal table) and stored in a storage device of the computer. Such an experimental design is a method of acquiring data with a relatively small number of experiments, analyzing the experimental data, and associating the experimental data with a cutting factor by a statistical method. As this statistical method, a response surface method, which is a method applied to process optimization in the field of quality engineering, is often used. Typical examples of the response surface method are a least square method, an experimental design method, and an optimization method. The response surface is a surface that approximates the relationship between the control factor x i and the response y, and the function shape of the response surface is often polynomial approximation from the viewpoint of experimental design. For example, in the case of the least square method, quadratic polynomial approximation is performed.
図３は、本発明の表面加工制御方法及びその制御プログラムを実行するための数値制御工作機械のシステム構成を示すブロック図である。
中央処理装置５は、内部記憶装置としての主記憶装置５とデータベースとしての機能を有する外部記憶装置７を備え、所定のプログラムに基づいてこれら記憶装置６，７と情報のやり取りが行われる。また、中央処理装置５は、入力装置であるキーボード１２と接続されると共に、表示装置としての３次元ＣＡＤモニター１１に接続されている。そして、キーボード１２からの各種の設定条件が中央処理装置５に入力されると、この入力情報と中央処理装置５に読み込まれたプログラムに基づいて、主記憶装置６あるいは外部記憶装置７からのデータが読み出され、演算された制御データがＮＣ（Numerical Control）制御装置８に供給される。
FIG. 3 is a block diagram showing a system configuration of a numerically controlled machine tool for executing the surface machining control method and the control program of the present invention.
The central processing unit 5 includes a main storage device 5 as an internal storage device and an external storage device 7 having a function as a database, and exchanges information with these storage devices 6 and 7 based on a predetermined program. The central processing unit 5 is connected to a keyboard 12 as an input device, and is connected to a three-dimensional CAD monitor 11 as a display device. When various setting conditions from the keyboard 12 are input to the central processing unit 5, data from the main storage device 6 or the external storage device 7 is based on the input information and a program read into the central processing unit 5. Is read and the calculated control data is supplied to an NC (Numerical Control) controller 8.
ＮＣ制御装置８は、この中央処理装置５から供給される制御データに基づいて、駆動回路９を作動させ、これによりサーボモータ１０が駆動される。なお、サーボモータ１０には、例えばボールエンドミルの切れ刃工具２（図１，２参照）を回転させる回転軸が接続されている。 The NC control device 8 operates the drive circuit 9 based on the control data supplied from the central processing unit 5, thereby driving the servo motor 10. The servo motor 10 is connected to a rotating shaft that rotates, for example, a cutting tool 2 (see FIGS. 1 and 2) of a ball end mill.
また、中央処理装置５は、キーボード１２から入力される工具径、ピックフィード、送り速度、切り込み深さ、工具姿勢２方向の各切削因子に対応して外部記憶装置７に記憶されているデータベースから、表面加工する加工物の表面あらさ、残留応力、表面硬さのそれぞれを予測し、これを色または濃淡によって識別して３次元カラーモニター１１に表示するようにしている。これにより、これから加工される加工物表面が色の変化または輝度の濃淡変化によって表示されるので、各切削因子を変化させて、加工物表面の状況をシュミュレーションしてから、本格的な表面加工の作業を開始することができる。 In addition, the central processing unit 5 uses a database stored in the external storage device 7 corresponding to each cutting factor in the tool diameter, pick feed, feed speed, cutting depth, and tool orientation 2 direction input from the keyboard 12. Each of the surface roughness, residual stress, and surface hardness of the workpiece to be surface-processed is predicted, and this is identified by color or shade and displayed on the three-dimensional color monitor 11. As a result, the surface of the workpiece to be processed will be displayed by color change or brightness shading change, so each cutting factor is changed to simulate the condition of the workpiece surface before full-scale surface processing. Work can begin.
ここで、この数値制御工作機械における加工状態を予測するために、機械座標系で指示された数値制御プログラムによる位置指令を、ワーク座標系での工具姿勢や送り速度に変換する必要が生じる。この座標系の変換処理は、数(１)で示す座標変換マトリクスにより行われる。ここで機械座標系（ｘＭ、ｙＭ、ｚＭ）は、図１に示すようなＸ軸、Ｙ軸、Ｘ軸からなる通常の３次元空間座標であるのに対して、ワーク作業系（ｘＷ、ｙＷ、ｚＷ）は加工物（工作物）を基準とした座標系である。すなわち、テーブル１（図１参照）の旋回がないときのテーブル１の上面中心を原点とし、ワーク座標系であるＡ軸、Ｃ軸が機械座標系のＸ軸、Ｚ軸に対するそれぞれの回転角を角度θ、Φで表している。数（１）式は、Ａ軸の回転中心はワーク座標系原点からＺ方向にΔＺ離れた位置にあるとして導出したものである。 Here, in order to predict the machining state in the numerically controlled machine tool, it is necessary to convert the position command by the numerical control program instructed in the machine coordinate system into the tool posture and the feed speed in the workpiece coordinate system. This coordinate system conversion process is performed by a coordinate conversion matrix represented by the number (1). Here, the machine coordinate system (x M , y M , z M ) is a normal three-dimensional space coordinate composed of an X axis, a Y axis, and an X axis as shown in FIG. x W , y W , and z W ) are coordinate systems based on the workpiece (workpiece). In other words, the center of the upper surface of the table 1 when the table 1 (see FIG. 1) is not turned is the origin, and the A axis and C axis as the work coordinate system are the respective rotation angles with respect to the X axis and Z axis of the machine coordinate system. The angles are represented by θ and Φ. Equation (1) is derived by assuming that the center of rotation of the A-axis is at a position away from the workpiece coordinate system origin in the Z direction by ΔZ.
ここで、加工面の機械的特性（表面あらさ、残留応力、表面硬さ）を予測するシミュレータに必要な上記６項目の予測変数（切削因子）のうち、予測に必要な、工具径、切り込み深さ、工具刃数については、ＮＣ制御装置８を動かす数値制御プログラムでは判断できないので、別途設定ファイルを用意する。また、ピックフィード、工具傾斜角は、数値制御プログラムから工具経路及び加工面ベクトルを求めることで算出できるようにする。 Here, among the above six prediction variables (cutting factors) necessary for the simulator that predicts the mechanical characteristics (surface roughness, residual stress, surface hardness) of the machined surface, the tool diameter and the cutting depth required for the prediction Since the number of tool blades cannot be determined by the numerical control program that moves the NC control device 8, a separate setting file is prepared. Further, the pick feed and the tool inclination angle can be calculated by obtaining a tool path and a machining surface vector from a numerical control program.
一般に、実験計画法は、実験点のパラメータを効率良く作る手法の一つであるが、この手法は、良い多項式（回帰式）を作成するためのパラメータを作ることと等価である。この多項式（回帰式）として最小２乗法を用いた方法が応答曲面法となる。応答曲面法（実験計画法）においては、連続した変数であってもすべての制御変数を水準と呼ばれるレベルに離散化した形で考えている。この制御変数を離散化することで組合せの数を減少させることが可能となるのである。 In general, the experimental design is one of the methods for efficiently creating the parameters of the experimental point, but this method is equivalent to creating the parameters for creating a good polynomial (regression equation). A method using the least square method as this polynomial (regression equation) is the response surface method. In response surface methodology (experimental design method), all control variables are considered to be discretized into levels called levels even if they are continuous variables. By discretizing this control variable, it is possible to reduce the number of combinations.
また、任意の因子について、その水準のすべての組合せが同数回現れるという性質をもつ実験を行うための割付表として直交表と呼ばれるものがある。この直交表の組合せでは、１つの列の各水準の中に、他の列の各水準がすべて同回数ずつ表れる。一般に多元配置の実験では、少なくとも因子の水準数の積の回数だけ、実験数が必要になり、因子数が多くなると実験回数は膨大な数になってしまう。ところが、求める相互作用が少なければ、他の因子の条件を色々変えた条件下で平均値を計算し、他の因子が変わっても一貫した結果をもつもののみが、主効果として推定される。このため、多くの因子に関する実験を少ない回数で行うことができる。 Further, there is an orthogonal table as an allocation table for performing an experiment having a property that all combinations of levels appear the same number of times for an arbitrary factor. In this orthogonal table combination, each level in another column appears the same number of times in each level in one column. In general, in a multi-way experiment, the number of experiments is required at least as many times as the product of the number of levels of factors, and the number of experiments becomes enormous as the number of factors increases. However, if there are few interactions to be obtained, the average value is calculated under conditions in which the conditions of other factors are variously changed, and only those having consistent results even if other factors change are estimated as the main effects. For this reason, the experiment regarding many factors can be performed in few times.
上述したように、応答曲面法とは、ｎ個の因子（ｘ１、ｘ２・・、ｘｎ）とその応答特性値ｙが、ともに連続的な場合にｎ個の因子（ｘ１、ｘ２・・、ｘｎ）とｙとの間の関係式 ｙ=β（ｘ１、ｘ２・・、ｘｎ）を実験データから推定し、その関係式を基に、ｙの最適値を与える因子の値（ｘ１、ｘ２・・、ｘｎ）を求める手法である。この手法は、なるべく少ない実験データから、上記関係式となる近似式を求め、この近似式から、因子ｘｉ（本発明では「切削因子」に相当する。）に対応する応答ｙ（本発明では、表面あらさ、残留応力、表面硬さの３つの「機械的特性」に相当する。）を求めようとするものである。この応答曲面法は、定量的評価基準を持っているためにコンピュータとなじみやすく、実験計画支援ソフトウエアの主流になっている。 As described above, the response surface method is a method in which n factors (x 1 , x 2 ..., X n ) and their response characteristic values y are continuous, and n factors (x 1 , x 2 ··, x n ) and y are estimated from experimental data y = β (x 1 , x 2 ··, x n ), and an optimum value of y is given based on the relationship This is a technique for obtaining factor values (x 1 , x 2 ..., X n ). In this method, an approximate expression that is the above relational expression is obtained from as little experimental data as possible, and a response y (in the present invention, corresponding to a factor x i (corresponding to “cutting factor” in the present invention)) is obtained from this approximate expression. , Which corresponds to three “mechanical characteristics” of surface roughness, residual stress, and surface hardness). This response surface method is easy to become familiar with computers because it has quantitative evaluation criteria, and has become the mainstream of experimental design support software.
このように、因子として切削因子を用い、特性値として加工表面の状態量である表面あらさ、残留応力、表面硬さの３つを用いて、応答曲面法によって最適解を求める。応答曲面法の中では、線形関数や線形化変換可能な関数として最小２乗法がよく用いられる。これは、関係式となる近似式の係数が最小２乗法により容易に求められ、ここで求まった関係式（近似式）を用いて表面の状態量（表面あらさ、残留応力、表面硬さ）と因子（切削因子）との関係付けの統計的評価が容易にできるからである。 Thus, the optimum solution is obtained by the response surface method using the cutting factor as the factor and the surface roughness, residual stress, and surface hardness, which are the state quantities of the machining surface, as the characteristic values. In the response surface method, the least square method is often used as a linear function or a function that can be linearized. This is because the coefficients of the approximate expression that is the relational expression can be easily obtained by the least square method, and using the relational expression (approximate expression) obtained here, the surface state quantity (surface roughness, residual stress, surface hardness) and This is because the statistical evaluation of the relationship with the factor (cutting factor) can be easily performed.
すなわち、ｎ個（例えば２個）の因子（ｘ１、ｘ２）を変化させ、それぞれの場合に対する応答特性ｙを得て、最小２乗法により応答ｙと因子の値との関係を２次多項式で近似する。そして、複数回の実験（ｎ個の因子ｘを選択してｙを求める実験）を繰り返し、この実験データから関係式（多項式）の係数を求める。これにより応答関数としての２次多項式が求められ、次に、この求められた２次多項式は、応答曲面を表し、例えば数（２）のようになる。 That is, n (for example, two) factors (x 1 , x 2 ) are changed to obtain response characteristics y for each case, and the relationship between the response y and the factor value is expressed by a quadratic polynomial by the least square method. Approximate. Then, a plurality of experiments (an experiment in which n factors x are selected and y is obtained) are repeated, and coefficients of a relational expression (polynomial) are obtained from the experimental data. As a result, a quadratic polynomial is obtained as a response function. Next, the obtained quadratic polynomial represents a response surface, for example, a number (2).
ここで、ｘｉ、ｘｊは６項目の切削因子であり、ｙは応答特性、すなわち表面あらさ、残留応力、表面硬さを表している。応答曲面の係数を求める場合は、正規化した変数が用いられる。この係数の大きさを単純に比較することにより、切削因子の重み付けをすることが可能となる。 Here, x i and x j are cutting factors of six items, and y represents response characteristics, that is, surface roughness, residual stress, and surface hardness. When obtaining the coefficient of the response surface, normalized variables are used. By simply comparing the magnitudes of the coefficients, it is possible to weight the cutting factors.
数（２）式のｘｉｘｊ＝ｘｉｊとおくことにより、数（２）式を数（３）式のような線形回帰モデル式で表すことができる。すなわち、実験点の数をｎ、加工変数の数をｋとすると、線形回帰モデルは数３のようになる。εは誤差を示す。 By setting x i x j = x ij in equation (2), equation (2) can be expressed by a linear regression model equation such as equation (3). That is, if the number of experimental points is n and the number of processing variables is k, the linear regression model is as shown in Equation 3. ε represents an error.
一般に回帰モデルの適否の判定は、決定係数Ｒ2を用いる。決定係数は、Ｒ２が１のとき回帰式と完全に一致し、残差が増えると１〜０の範囲で減少する。但し、変数の数が増えると残差が減少するため、決定係数は値が高くなる。そのため、一般的な回帰モデルの判定には、単位自由度あたりの残差を比較する自由度調整済み決定係数Ｒad ２（数４）によって評価し、０．７以上であれば強い相関関係にあるとされている。 In general, the determination coefficient R 2 is used to determine the suitability of the regression model. The coefficient of determination is completely consistent with the regression equation when R 2 is 1, and decreases in the range of 1 to 0 as the residual increases. However, since the residual decreases as the number of variables increases, the determination coefficient increases. For this reason, in general regression model determination, evaluation is performed by a degree-of-freedom-adjusted determination coefficient R ad 2 (equation 4) for comparing residuals per unit degree of freedom. It is said that there is.
ここで、ＳＳＥは、数(５)式で表されるように、実績値Ｙｉと回帰式ｙｉとの２乗和（残差平方和）であり、Ｓｙｙは、実測値の各値が平均からどの程度ばらついているかをあらわすものであり、数（６）式で示される。すなわち、Ｓｙｙは応答ｙの平均値まわりの変動を示すものである。 Here, SSE is the sum of squares (residual sum of squares) of the actual value Y i and the regression equation y i as expressed by the equation (5), and S yy is each value of the actual measurement value. This shows how much the value varies from the average, and is expressed by the equation (6). That is, S yy indicates the fluctuation around the average value of the response y.
次に、本発明を実際の加工物に適用して実施した第１の実施の形態例（実施例１）について説明する。
本実施例では、旋回テーブルを有する５軸制御工作機械を用い、２枚刃のソリッドボールエンドミルを使用し、切削材として炭素鋼Ｓ４５Ｃを使用している。そして、表１に示す工具径、切り込み深さ、ピックフィード、一刃当たりの送り量、工具傾斜角度の切削因子の条件を組合せて実験を行った。実験条件の組合せは、直交表を用い、実験回数を最小限の６４回で済むように実験計画を立てて実験を行った。直交表を用いたのは、切削条件の組合せをすべて実験すると、それら因子の水準数の積の回数だけ実験数が必要になり膨大な数になってしまうからである。
Next, a first embodiment (Example 1) implemented by applying the present invention to an actual workpiece will be described.
In this embodiment, a 5-axis control machine tool having a turning table is used, a two-blade solid ball end mill is used, and carbon steel S45C is used as a cutting material. And it experimented combining the conditions of the cutting factor of the tool diameter shown in Table 1, cutting depth, pick feed, feed amount per blade, and tool inclination angle. The experiment conditions were set using an orthogonal table, and an experiment was planned so that the number of experiments was a minimum of 64. The reason why the orthogonal table is used is that when all combinations of cutting conditions are tested, the number of experiments is required as many times as the product of the number of levels of those factors, which results in a huge number.
この実施例１では、加工方法は走査線加工とした。工具傾斜角度αは、図１に示したように、フィード方向をｙ方向としたときのＹＺ面内でのＺ軸からの角度を表わしている。また、工具傾斜角度γは、図２に示したように、ＺＸ面内のＺ軸からの角度を表わすものである。表１に示すように、この工具傾斜角度αと工具傾斜角度γをそれぞれ７段階に変えることにしたので、工具姿勢の自由度が高く、様々な加工条件を設定できる。 In Example 1, the processing method was scanning line processing. As shown in FIG. 1, the tool inclination angle α represents an angle from the Z axis in the YZ plane when the feed direction is the y direction. The tool inclination angle γ represents an angle from the Z axis in the ZX plane as shown in FIG. As shown in Table 1, since the tool inclination angle α and the tool inclination angle γ are changed in seven stages, the degree of freedom of the tool posture is high and various machining conditions can be set.
本実施の形態例における実験では、表２に示した切削因子の予測変数記号ｘｉとしたときの加工面の機械的特性ｙである表面あらさ、残留応力、表面硬さのそれぞれに対して応答曲面法を適用した。ここで、係数βｉはその加工条件の影響度合いを示すものであるが、相互の比較を容易にするために加工条件を正規化して応答曲面法を適用している。すなわち各条件の最大値が１、最小値が−１となるよう変換した後に応答曲面法を適用することにした。 In the experiments relating to the present embodiment, the surface roughness is a mechanical characteristic y of the processing surface when the predicted variable symbols x i of the cutting element shown in Table 2, responds to the residual stress, each of the surface hardness The surface method was applied. Here, the coefficient β i indicates the degree of influence of the machining conditions, but in order to facilitate the comparison, the response surface method is applied by normalizing the machining conditions. That is, the response surface method is applied after conversion so that the maximum value of each condition is 1 and the minimum value is -1.
次に、本発明の実施形態例の動作を図５に示したフロー図に基づいて説明する。切削因子である工具径、切り込み深さ、ピックフィード、一刃当たりの送り量、及び工具姿勢を選定する（ステップＳ１）。これらの切削因子は表１示される加工変数値の中から選択される。工具姿勢は工具傾斜角度αと工具傾斜角度γの２方向をそれぞれの６つの加工変数の中から選択する。
このように選択した切削因子に基づいて加工実験を行い（ステップＳ２）、加工表面の表面あらさ、残留応力、表面硬さの測定を測定する（ステップＳ３）。ここで、表面のあらさ、残留応力及び表面の硬さは、それぞれ表面あらさ形状測定器、微小部Ｘ線応力測定装置、及びマイクロビッカース硬さ試験機を使用して測定し、実験値を求める。
Next, the operation of the embodiment of the present invention will be described based on the flowchart shown in FIG. A tool diameter, a cutting depth, a pick feed, a feed amount per blade, and a tool posture, which are cutting factors, are selected (step S1). These cutting factors are selected from the machining variable values shown in Table 1. As the tool posture, two directions of a tool inclination angle α and a tool inclination angle γ are selected from each of six machining variables.
A machining experiment is performed based on the cutting factor thus selected (step S2), and measurement of the surface roughness, residual stress, and surface hardness of the machining surface is measured (step S3). Here, the surface roughness, the residual stress, and the surface hardness are measured using a surface roughness shape measuring instrument, a micro X-ray stress measuring device, and a micro Vickers hardness tester, respectively, and experimental values are obtained.
次に、実験により測定した表面あらさ、残留応力、表面硬さと、表２に示した加工条件である６つの切削因子との関係を、応答曲面法で正規化した変数を用いて、応答曲面の係数を求め、表２に示されるような参照表を作成する（ステップＳ４）。 Next, using the variables obtained by normalizing the relationship between the surface roughness, residual stress, and surface hardness measured by experiment and the six cutting factors, which are the machining conditions shown in Table 2, using the response surface methodology, The coefficient is obtained and a reference table as shown in Table 2 is created (step S4).
このように、実験によって得られた表２に示されるような係数の大きさを単純に比較することでどの切削因子が表面あらさ、残留応力等の機械的特性に影響を及ぼすか、あるいはどの切削因子とどの切削因子の相互作用が加工表面の機械的特性に大きな影響を与えるかを比較することができる。
これによって、表面あらさ、残留応力、表面硬さの加工表面の機械的特性に対する、切削因子の重み付けが分かる。そして、この結果を参照テーブルとして保存することにより、実際に加工物を加工する場合に、加工部での求める機械的特性がわかれば、それを実現するための切削因子の大凡の選択が可能となる。
In this way, by simply comparing the magnitudes of coefficients as shown in Table 2 obtained by experiments, which cutting factors affect the mechanical properties such as surface roughness and residual stress, or which cutting It is possible to compare the interaction between the factor and which cutting factor has a great influence on the mechanical properties of the machined surface.
As a result, the weighting of the cutting factor with respect to the mechanical properties of the processed surface such as surface roughness, residual stress, and surface hardness can be known. By saving this result as a reference table, if the mechanical properties required in the processed part are known when the workpiece is actually machined, it is possible to roughly select the cutting factors for realizing it. Become.
例えば、表２に示す１次の項（係数βｉ）では、切削因子の中の工具径、切り込み量、一刃当たりの送り量に対応する係数β１、β３、β４の絶対値が大きくなっている。また、工具径と一刃当たりの送り量の相互作用に対応する係数β１４及びピックフィードと一刃当たりの送り量の相互関係に対応する係数β２４が大きくなっている。
これにより、例えば、ピックフィード方向残留応力について、工具径、切り込み量、及び一刃当りの送り量が主に影響を及ぼしていると参照付けができる。
For example, in the first-order term (coefficient β i ) shown in Table 2, the absolute values of the coefficients β 1 , β 3 , and β 4 corresponding to the tool diameter, the cutting amount, and the feed amount per blade in the cutting factor are It is getting bigger. Further, the coefficient β 14 corresponding to the interaction between the tool diameter and the feed amount per blade and the coefficient β 24 corresponding to the correlation between the pick feed and the feed amount per blade are increased.
Thereby, for example, with respect to the residual stress in the pick feed direction, reference can be made if the tool diameter, the cutting amount, and the feed amount per blade are mainly affecting.
一般に、切削速度が増加すると、残留応力は引張りになる傾向があることが知られている。工具径、切込み量が大きく影響を及ぼしているのは切削速度に大きく関係している条件であるためだと考えられる。また、一刃当たりの送り量が増加すると加工が押しならしの状態に近くなると考えられる。
図４は、本発明の第１の実施形態例（第１実施例）における平面状の加工物の表面加工について説明するための図である。平面状の加工物１３は、ボールエンドミル１５によってフィード方向に加工され、加工表面１４が形成されていく。図４に示すように、フィード方向にボールエンドミルの切れ刃が移動しつつ走査されて切削が行われ、一走査が終了すると、ボールエンドミルがフィード方向と直角方向に所定値移動して、再びフィード方向に走査が開始される。このボールエンドミルで切削するフィード方向に対して直交する方向がピックフィード方向である。
In general, it is known that as the cutting speed increases, the residual stress tends to become tensile. The reason that the tool diameter and the cutting depth have a great influence is considered to be because the conditions are greatly related to the cutting speed. Further, it is considered that when the feed amount per blade increases, the processing becomes close to the state of smoothing.
FIG. 4 is a diagram for explaining the surface processing of a planar workpiece in the first embodiment (first example) of the present invention. The planar workpiece 13 is processed in the feed direction by a ball end mill 15 to form a processed surface 14. As shown in FIG. 4, the cutting end of the ball end mill is scanned while moving in the feed direction to perform cutting, and when one scan is completed, the ball end mill moves by a predetermined value in the direction perpendicular to the feed direction and feeds again. Scanning is started in the direction. The direction orthogonal to the feed direction cut by this ball end mill is the pick feed direction.
次に、図６のフロー図に基づいて、本発明の実施形態例における加工物の表面加工制御方法について説明する。
まず、工具の形状、工具の動き、加工面の形状を入力する（ステップＳ６）。続いて、加工面の求める機械的特性である表面あらさ、残留応力、表面硬さの３つを選定する(ステップＳ７)。
次に、表２の切削因子ごとの重み付けに基づいて作成した参照表より、目的とする機械的特性に対応する加工変数、すなわち工具径、切り込み深さ、ピックフィード、一刃当たり送り量、工具傾斜角度α及びγを選択する（ステップＳ８）。
Next, a surface processing control method for a workpiece in the embodiment of the present invention will be described based on the flowchart of FIG.
First, the shape of the tool, the movement of the tool, and the shape of the machining surface are input (step S6). Subsequently, three of the mechanical characteristics required for the machined surface are selected: surface roughness, residual stress, and surface hardness (step S7).
Next, from the reference table created based on the weighting for each cutting factor in Table 2, machining variables corresponding to the target mechanical characteristics, that is, tool diameter, cutting depth, pick feed, feed amount per blade, tool Inclination angles α and γ are selected (step S8).
そして、ＣＡＭ（Computer Aided Manufacture：コンピュータ支援製造ソフトウエア）の数値制御プログラムに基づいて、工具経路を算出し（ステップＳ９）、さらにそれぞれの工具経路における切削条件を抽出する。続いて、参照表データに基づいて、加工面の機械的特性のシミュレーションを行う（ステップＳ１０）。 Based on a numerical control program of CAM (Computer Aided Manufacture), a tool path is calculated (step S9), and further, cutting conditions in each tool path are extracted. Subsequently, based on the reference table data, the mechanical characteristics of the machined surface are simulated (step S10).
このシュミュレーションの結果は、加工面の機械的特性（表面あらさ、残留応力、表面硬さのそれぞれについて）を色の変化または濃淡の変化に置き換えて描画し、３次元ＣＡＤモニター１１（図３参照）に表示する（ステップＳ１１）。このモニター１１に表示された結果を見て、切削される加工面の機械的特性である表面あらさ、残留応力、表面硬さのそれぞれについて満足度を判断する（ステップＳ１２）。ここで、表示された結果に満足できない場合は、ステップＳ８に戻って再度の条件設定を行う。すなわち、再度参照表を見ながら、切削因子の加工変数を入替え、満足する加工面が得られる切削条件になるように設定する。 The simulation result is drawn by replacing the mechanical properties (surface roughness, residual stress, and surface hardness) of the machined surface with color changes or shade changes, and the three-dimensional CAD monitor 11 (see FIG. 3). ) (Step S11). By looking at the result displayed on the monitor 11, satisfaction is determined for each of the surface roughness, residual stress, and surface hardness, which are mechanical characteristics of the machined surface to be cut (step S 12). If the displayed result is not satisfactory, the process returns to step S8 and the condition is set again. That is, while looking at the reference table again, the machining variables of the cutting factor are changed and the cutting conditions are set so as to obtain a satisfactory machining surface.
次に、判断ステップＳ１２で、３次元ＣＡＤモニター１１の表示画面を見て、切削される加工面の機械的特性（表面あらさ、残留応力、表面硬さのそれぞれ）について満足である場合には、実際の加工工程に移行し、加工物の表面加工を行う（ステップＳ１３）。同時に、今回の加工形状が新しい形状のものであるか否かが判断される（ステップＳ１４）、その結果、新しい形状のものであれば、新形状としてデータベース（参照表）に記憶し、データとして保存する（ステップＳ１５）。ステップＳ１４で新形状ではないと判断されれば、記憶して保存する必要がないので、そのまま作業を終了する。 Next, in the judgment step S12, when the display screen of the three-dimensional CAD monitor 11 is viewed and the mechanical properties (surface roughness, residual stress, surface hardness) of the machined surface to be cut are satisfied, The process proceeds to an actual processing step, and the surface processing of the workpiece is performed (step S13). At the same time, it is determined whether or not the current machining shape is a new shape (step S14). As a result, if it is a new shape, the new shape is stored in the database (reference table) as data. Save (step S15). If it is determined in step S14 that the shape is not a new shape, it is not necessary to store and save the shape, and the operation is terminated as it is.
図７〜図９は、本発明の第１の実施形態例に基づいて、実験した結果を示した図であり、フィード方向の表面あらさ、ピックフィード方向残留応力、及び表面硬さの実験値と、応答曲面法による予測値との相関図を示したものである。この図７〜図９に示す結果と数（４）式に基づいて、自由度調整済み決定係数Ｒad ２を求めると、表３の示すようになる。 FIGS. 7 to 9 are diagrams showing experimental results based on the first embodiment of the present invention, and are experimental values of surface roughness in the feed direction, residual stress in the pick feed direction, and surface hardness. The correlation diagram with the predicted value by the response surface method is shown. Based on the results shown in FIGS. 7 to 9 and the equation (4), the degree-of-freedom-adjusted determination coefficient R ad 2 is obtained as shown in Table 3.
表３に示されるように、表面あらさ、残留応力、表面硬さのいずれも、自由度調整済み決定係数Ｒad ２は全て０．７以上であり、予測値と実験値は強い相関関係にあり、よく一致していることがわかる。 As shown in Table 3, all of the surface roughness, residual stress, and surface hardness have a degree of freedom-adjusted determination coefficient R ad 2 of 0.7 or more, and the predicted value and the experimental value have a strong correlation. , You can see that they match well.
表４は、工具を図１に示すＹＺ平面内でフィード方向と反対方向に６度傾斜させて平面を走査加工した場合の各設定値と算出値を示したものである。すなわち、表４には、ＣＡＭによる数値制御プログラム生成時のピックフィードなどの各設定値と、数値制御プログラムから上記手法により求めた算出値が対照的に記載してある。この結果からもわかるように、各切削因子のＮＣプログラムによる予測変数の算出値は、ＣＡＭによる設定値と等しく、かつ残留応力もＮＣプログラムによる算出値はＣＡＭによる設定値とほぼ等しいことが確認されている。 Table 4 shows setting values and calculated values when the plane is scanned by tilting the tool 6 degrees in the direction opposite to the feed direction in the YZ plane shown in FIG. That is, Table 4 contrasts each set value such as pick feed when the numerical control program is generated by the CAM and the calculated value obtained by the above method from the numerical control program. As can be seen from these results, it was confirmed that the calculated value of the predictive variable by the NC program of each cutting factor is equal to the set value by the CAM, and the residual stress is also substantially equal to the set value by the CAM. ing.
次に、図１０〜図１３に基づいて、本発明の第２の実施形態例（実施例２）に関して、曲面加工のシミュレーションの例を説明する。
ここでは直交３軸制御の曲面加工として説明する。すなわち、ＣＡＭ（コンピュータ支援製造ソフトウエア）により、工具軌跡上の加工位置での加工条件、工具傾斜角、ピックフィード、一刃あたりの送り量を抽出し、応答曲面法を利用して加工物表面の機械的特性を予測して、数値化する。この数値化した値は、加工物表面の機械的特性を目視により判断できるようにするため、ディスプレイ上に、色の変化、または白黒の濃淡でグラフィック表示させるようにする。
Next, an example of curved surface machining simulation will be described with reference to FIGS. 10 to 13 regarding the second embodiment (Example 2) of the present invention.
Here, description will be given as curved surface processing with orthogonal three-axis control. In other words, the machining conditions at the machining position on the tool trajectory, the tool tilt angle, the pick feed, and the feed amount per blade are extracted by CAM (computer-aided manufacturing software), and the surface of the workpiece is processed using the response surface method Predict the mechanical properties of the material and digitize it. The digitized value is displayed on the display as a graphic with a color change or black and white shading so that the mechanical characteristics of the workpiece surface can be visually determined.
図１０は、円筒形状をした加工面を有する被削材を、工具軸を垂直方向に固定した、ＸＹＺの３軸制御により、円筒面の円周方向への走査線加工を行う例を示す図である。走査線方向がフィード方向であり、それと直交する方向がピックフィード方向となる。
表５はこのときの加工条件を示したものである。表５に示す加工条件にしたがって、ボールエンドミル加工する場合には、加工面が円筒形をしているため、フィード方向の工具傾斜角αが−１５度から＋１５度まで変化する。この工具傾斜角αが変化することによって、加工面の表面あらさ、残留応力、表面硬さが変化するのである。図１１〜図１３は、この曲面加工の様子をシミュレーションした結果をディスプレイ（図３の３次元ＣＡＤモニター１１）に表示したものである。
FIG. 10 is a diagram showing an example of performing scanning line machining in the circumferential direction of a cylindrical surface by XYZ three-axis control with a tool axis fixed in a vertical direction on a work material having a cylindrical machining surface. It is. The scanning line direction is the feed direction, and the direction orthogonal thereto is the pick feed direction.
Table 5 shows the processing conditions at this time. When ball end milling is performed in accordance with the processing conditions shown in Table 5, the tool inclination angle α in the feed direction changes from −15 degrees to +15 degrees because the processing surface is cylindrical. As the tool inclination angle α changes, the surface roughness, residual stress, and surface hardness of the processed surface change. FIGS. 11 to 13 show the results of simulating the curved surface processing on a display (three-dimensional CAD monitor 11 in FIG. 3).
すなわち、図１１は表面あらさ、図１２は残留応力、図１３は表面硬さそれぞれの機械的特性を表示したものであり、加工面上での分布を色の変化（または濃淡の変化）で描画し、ディスプレイ上に表示している。図１１〜図１３のいずれの写真も、左側がフィード方向（走査方向）のもの、右側がピックフィード方向のもの（走査方向と垂直方向のもの）である。これらの図からわかるように、加工面が円筒形状であるために、工具傾斜角度αが加工面上の位置（走査位置）で変化することに起因して、加工面の機械特性（表面あらさ、残留応力、表面硬さ）も変化することがわかる。 That is, FIG. 11 shows the surface roughness, FIG. 12 shows the residual stress, and FIG. 13 shows the mechanical properties of the surface hardness. The distribution on the processed surface is drawn by color change (or change in shading). On the display. In all the photographs in FIGS. 11 to 13, the left side is the feed direction (scanning direction) and the right side is the pick feed direction (in the direction perpendicular to the scanning direction). As can be seen from these figures, since the machining surface is cylindrical, the tool inclination angle α varies depending on the position (scanning position) on the machining surface, so that the mechanical characteristics (surface roughness, It can be seen that the residual stress and surface hardness also change.
次に、本発明の第３の実施形態例（実施例３）として、図１４に示されるような上端部が球面状の被削物（加工物）を、表６に示す切削条件で表面加工する場合の例を説明する。
図１４に示される加工物の加工例は、直径４５ｍｍの円筒の上部に曲率半径８０ｍｍの球面上をした形状に加工する場合の例である。ここでは、工具軸を垂直方向に固定した、ＸＹＺの３軸制御により、ボールエンドミル加工する場合を示している。そして、球面上の各加工点の、機械的特性を応答曲面法により計算し、加工面のフィード方向の表面あらさ、フィード方向の表面の残留応力、及び表面の硬さ、の各々につきシミュレーションを行った。シミュレーション結果は、加工面の機械的特性（表面あらさ、残留応力、表面硬さ）の違いを色の変化（または濃淡の変化）で描画し、ディスプレイ上に表示させるようにする。
Next, as a third embodiment example (Example 3) of the present invention, a workpiece (workpiece) having a spherical upper end as shown in FIG. 14 is subjected to surface machining under the cutting conditions shown in Table 6. An example of the case will be described.
The example of processing of the workpiece shown in FIG. 14 is an example in the case of processing into a shape having a spherical surface with a curvature radius of 80 mm on the upper part of a cylinder with a diameter of 45 mm. Here, a case where ball end milling is performed by XYZ three-axis control with the tool axis fixed in the vertical direction is shown. The mechanical characteristics of each processing point on the spherical surface are calculated by the response surface method, and simulation is performed for each of the surface roughness of the processed surface in the feed direction, the residual stress in the surface in the feed direction, and the hardness of the surface. It was. The simulation result is such that the difference in mechanical properties (surface roughness, residual stress, surface hardness) of the processed surface is drawn by color change (or change in shading) and displayed on the display.
実際の加工物の加工では、図１５に示すように、フィード方向にボールエンドミルを走査することによりフィード方向の切削を行う。そして、１ラインの走査が終了すると、フィード方向と直角の方向（ピックフィード方向に）にボールエンドミルを移動させ、再びフィード方向の走査を行う。 In the actual processing of the workpiece, as shown in FIG. 15, cutting in the feed direction is performed by scanning the ball end mill in the feed direction. When the scanning of one line is completed, the ball end mill is moved in a direction perpendicular to the feed direction (in the pick feed direction), and scanning in the feed direction is performed again.
ここで、工具軸を５軸制御で垂直に固定して、図１５のピックフィード方向に切削を行うと、球面状の加工面に対する工具軸の角度は変化する。そして、加工点の機械的特性を応答曲面法により計算し、加工面の表面あらさ、残留応力、及び表面硬さ、の各々につきシミュレーションを行い、それらの値を加工面上に色の変化（または濃淡の変化）で描画してディスプレイ上に表示する。図１６〜図１８はこのシミュレーション結果をディスプレイ画面上に表示した写真を示したものであり、図１６は表面あらさ、図１７は残留応力、図１８は表面硬さを示している。
いずれの写真も、縞模様が表示されているが、この表示結果を見ると、現状の数値制御工作機械での切削加工において、曲面を有する被削物を切削加工する場合は、その加工面の機械的特性は、加工面全体として均一になっていないことが分かる。
Here, when the tool axis is fixed vertically by 5-axis control and cutting is performed in the pick feed direction of FIG. 15, the angle of the tool axis with respect to the spherical machining surface changes. Then, the mechanical characteristics of the machining point are calculated by the response surface method, the simulation is performed for each of the surface roughness, residual stress, and surface hardness of the machining surface, and those values are changed in color (or on the machining surface (or Draw and display on the display. 16 to 18 show photographs showing the simulation results on the display screen. FIG. 16 shows the surface roughness, FIG. 17 shows the residual stress, and FIG. 18 shows the surface hardness.
In all the pictures, a striped pattern is displayed, but looking at this display result, when cutting a workpiece with a curved surface in cutting with the current numerically controlled machine tool, It can be seen that the mechanical properties are not uniform over the entire processed surface.
次に、本発明の実施例３で取り扱った、図１４に示す上端部が球面状の被削物を、図１９（ａ）〜図１９（ｃ）に示すような３種類の工具経路を設定して加工する場合の比較結果について説明する。この加工の際には、工具角度を図２０（ａ）〜図２０（ｃ）に示すような角度に固定して行うようにする。つまり、図１９（ａ）走査線加工と図１９（ｂ）の等高線加工では、工具傾斜角は、図２０（ａ）と図２０（ｂ）に示されるように加工物に対して垂直方向に固定しているのに対し、図１９（ｃ）に示す等工具傾斜角条件の加工方法では、図２０（ｃ）に示されるように加工物の加工表面に対して工具軸が常に直角になるように切削作業が行われる。つまり、図１に示すＹＺ平面での工具傾斜角度αも、図２に示すＺＸ平面での工具傾斜角度γの何れも“０”となる状態で表面の加工が為されるようにする。 Next, a work piece having a spherical upper end shown in FIG. 14 handled in Example 3 of the present invention is set, and three types of tool paths as shown in FIGS. 19A to 19C are set. Then, the comparison result in the case of processing will be described. In this processing, the tool angle is fixed to an angle as shown in FIGS. 20 (a) to 20 (c). That is, in the scanning line machining in FIG. 19 (a) and the contour line machining in FIG. 19 (b), the tool inclination angle is perpendicular to the workpiece as shown in FIGS. 20 (a) and 20 (b). On the other hand, in the machining method under the equal tool inclination angle condition shown in FIG. 19C, the tool axis is always perpendicular to the machining surface of the workpiece as shown in FIG. 20C. The cutting work is performed as follows. That is, the surface machining is performed in such a state that the tool inclination angle α on the YZ plane shown in FIG. 1 and the tool inclination angle γ on the ZX plane shown in FIG. 2 are both “0”.
図２１（ａ）〜図２１（ｃ）は、ＣＡＭで数値制御プログラムを作成し、図１９（ａ）〜図１９（ｃ）に示す走査線加工、等高線加工および等工具傾斜角条件で加工したときの、加工表面のクロスフィード方向（工具の送り方向と直角な方向）の残留応力を色の変化（または濃淡の変化）によって表示したものである。また、図２２（ａ）〜図２２（ｃ）は、同様に、図１９（ａ）〜図１９（ｃ）に示す走査線加工、等高線加工および等工具傾斜角条件で加工したときの、加工表面のクロスフィード方向（工具の送り方向と直角な方向）の表面硬さを色の変化（または濃淡の変化）でディスプレイ上に表示したものである。 21 (a) to 21 (c), a numerical control program is created by CAM and processed under the scanning line processing, contour line processing, and equal tool tilt angle conditions shown in FIGS. 19 (a) to 19 (c). The residual stress in the cross feed direction (direction perpendicular to the feed direction of the tool) at the time of processing is displayed by a change in color (or change in shading). Further, FIGS. 22A to 22C are similarly processed when the scanning line processing, contour processing, and isotool tilt angle processing shown in FIGS. 19A to 19C are performed. The surface hardness in the cross feed direction (direction perpendicular to the feed direction of the tool) of the surface is displayed on the display with a change in color (or change in shading).
図２１（ａ）〜図２１（ｃ）及び図２２（ａ）〜図２２（ｃ）から分かるように、走査線加工（図１９（ａ）、図２０（ａ））では、加工表面の機械的特性（残留応力、表面硬さ）にバラツキがみられたが、等高線加工（図１９（ｂ）、図２０（ｂ））を行うことにより、図２１（ｂ）に示されるように、残留応力は加工面全面で均一に低くなることが分かった。また、等工具傾斜角条件による加工（図１９（ｃ）、図２０（ｃ））では、加工面の残留応力が周辺の方が中心部より低くなり、表面硬さも加工表面全体に亘って硬い表面となっていることが確認された。 As can be seen from FIGS. 21 (a) to 21 (c) and FIGS. 22 (a) to 22 (c), in the scanning line machining (FIGS. 19 (a) and 20 (a)), the machine of the machined surface is used. As shown in FIG. 21 (b), the contour characteristics (residual stress, surface hardness) vary, but by performing contour processing (FIG. 19 (b), FIG. 20 (b)) It was found that the stress was uniformly reduced over the entire processed surface. Further, in the machining under the equal tool tilt angle condition (FIGS. 19C and 20C), the residual stress on the machining surface is lower in the periphery than in the center, and the surface hardness is hard over the entire machining surface. The surface was confirmed.
この結果から分かるように、均一な機械的特性を保有する加工面を切削加工で達成するためには、加工面の形状に合わせて、数値制御工作機械の加工条件設定を行うことが必要であると言える。すなわち、切り込み深さ、ピックフィード、一刃当たりの送り量、加工面に対する工具傾斜角度、ボールエンドミルの半径といったそれぞれの切削因子において加工面の条件に見合った切削因子の値を選択して加工実験を行い、加工面の機械的特性（例えば、残留応力、表面硬さ）を測定する。そして、これら選定した切削因子である加工条件と加工面の機械的特性を、表２に示すように統計的に関連付けた後、加工面における機械的特性と切削因子の重み付けを行う。 As can be seen from this result, in order to achieve a machining surface with uniform mechanical properties by cutting, it is necessary to set the machining conditions of the numerically controlled machine tool according to the shape of the machining surface. It can be said. In other words, a cutting experiment is performed by selecting a cutting factor value that matches the cutting surface conditions for each cutting factor, such as the cutting depth, pick feed, feed amount per blade, tool tilt angle with respect to the cutting surface, and radius of the ball end mill. To measure mechanical properties (for example, residual stress, surface hardness) of the processed surface. Then, after the processing conditions which are the selected cutting factors and the mechanical properties of the processed surface are statistically correlated as shown in Table 2, the mechanical properties on the processed surface and the cutting factors are weighted.
その後、工具の形状、工具の動き、加工面の形状を入力し、最終的な加工条件を選定し、加工のシミュレーションを行い、加工面の機械的特性を色の違いでディスプレイ上に表示する。これにより、加工面の機械的特性が予測でき、所望の加工面の機械的特性が得られるまで、切削因子の加工変数の取捨選択を行い、満足する機械的特性をもつ加工面を、シミュレーションにより抽出することができる。 Thereafter, the shape of the tool, the movement of the tool, and the shape of the machining surface are input, the final machining conditions are selected, the machining simulation is performed, and the mechanical characteristics of the machining surface are displayed on the display with different colors. As a result, the mechanical characteristics of the machined surface can be predicted and the machining variables of the cutting factors are selected until the desired machined machine characteristic is obtained. Can be extracted.
このシミュレーションによって抽出された加工条件は、データベースに記憶され、次の異なる加工物曲面の加工実験に利用される。このように多くの加工実験を行うことにより、上記の切削因子の加工変数を設定した加工条件と加工面の機械的特性（表面あらさ、残留応力、表面硬さ）との参照が求められ、十分な参照パターンとしてのファイルがデータベースとして作成される。そして、このデータベースの作成により、加工部ごとの加工面の表面あらさ、残留応力、表面硬さの機械的特性を設定して切削加工に入ることができるので、被削材加工面の、表面あらさ、表面の残留応力、及び表面の硬さの機械的特性のいずれも満足できるレベルの表面に加工することが可能となる。 The machining conditions extracted by this simulation are stored in a database and used for the next machining experiment of different workpiece curved surfaces. By conducting many machining experiments in this way, it is necessary to refer to the machining conditions that set the machining variables for the above cutting factors and the mechanical properties (surface roughness, residual stress, surface hardness) of the machined surface. A file as a simple reference pattern is created as a database. By creating this database, it is possible to enter the cutting process by setting the surface roughness, residual stress, and surface hardness mechanical characteristics of each processed part. In addition, it is possible to process the surface to a level that satisfies both the residual stress of the surface and the mechanical properties of the surface hardness.
以上、本発明の実施形態例を説明したが、本発明は、上述した実施の形態例に限られるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨を逸脱しない限り、その他の実施形態を含むものであることは言うまでもない。 Although the embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and other implementations are possible without departing from the gist of the present invention described in the claims. Needless to say, it includes forms.
１・・・回転テーブル、２、１５・・・ボールエンドミル（工具切れ刃）、３・・・ＹＺ平面（αはＹＺ平面の工具傾斜角）、４・・・ＺＸ平面（γはＺＸ平面の工具傾斜角）、５・・・中央処理装置、６・・・主記憶装置、６・・・外部記憶装置、８・・・ＮＣ制御装置、９・・・駆動回路。１０・・・サーボモータ、１１・・・３次元ＣＡＤモニター（ディスプレイ）、１２・・・キーボード、１３・・・加工物、１４・・・加工表面
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Rotary table 2, 15 ... Ball end mill (tool cutting edge), 3 ... YZ plane ((alpha) is the tool inclination angle of a YZ plane), 4 ... ZX plane ((gamma) is a ZX plane) (Tool inclination angle), 5 ... central processing unit, 6 ... main storage device, 6 ... external storage device, 8 ... NC control device, 9 ... drive circuit. 10 ... Servo motor, 11 ... 3D CAD monitor (display), 12 ... Keyboard, 13 ... Workpiece, 14 ... Work surface
Claims (6)
前記参照テーブルに基づいて、前記各機械的特性を必要とする前記加工面部位の加工時に、前記加工面の形状から工具経路を設定するとともに、目標とする加工面部位の機械的特性バランスが得られる切削条件を設定する
ことを特徴とする表面加工制御方法。 A surface machining control method for machining the surface of a workpiece using a numerically controlled machine tool, which determines the shape of the tool and the feed direction of the tool, as well as the tool diameter, cutting depth, pick feed, and feed amount per blade. A reference table that defines cutting conditions based on combinations of cutting factors for two-way tool postures and associates the cutting conditions with the balance of mechanical properties of the surface roughness, residual stress, and surface hardness of the workpiece surface. make,
Based on the reference table, a tool path is set from the shape of the machined surface when machining the machined surface part that requires each mechanical characteristic, and a mechanical property balance of the target machined surface part is obtained. The surface processing control method characterized by setting the cutting conditions to be performed.
コンピュータに、
工具の形状、工具の送り方向、工具径、切り込み深さ、ピックフィード、一刃当たりの送り量、２方向の工具姿勢の各切削因子を入力し、前記切削因子の組合せによる切削条件を定める機能と、
前記切削条件と前記加工物加工面の表面あらさ、残留応力、表面硬さの各機械的特性バランスとを関連付けた参照テーブルを作成する機能と、
前記加工物加工面が所望する表面あらさ、残留応力、表面硬さの各機械的特性を入力して、前記参照テーブルに基づいて、前記各機械的特性を必要とする前記加工面部位の加工時に、前記加工物表面の形状から工具経路を設定するとともに、目標とする加工面部位の機械的特性バランスを得ることができる切削条件を設定する機能を
実現させることを特徴とする表面加工制御プログラム。
A surface processing control program for processing the surface of a workpiece using a numerically controlled machine tool,
On the computer,
A function that inputs cutting factors of tool shape, tool feeding direction, tool diameter, cutting depth, pick feed, feed amount per blade, and tool orientation in two directions, and determines cutting conditions based on the combination of the cutting factors. When,
A function of creating a reference table associating the cutting conditions with the balance of mechanical properties of the surface roughness, residual stress, and surface hardness of the workpiece processing surface;
Input the mechanical characteristics of the surface roughness, residual stress, and surface hardness desired by the workpiece processing surface, and when processing the processing surface portion that requires the mechanical characteristics based on the reference table A surface machining control program for realizing a function of setting a cutting condition capable of setting a tool path from the shape of the workpiece surface and obtaining a balance of mechanical characteristics of a target machining surface portion.
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| JP4461256B2 (en) | 2010-05-12 |
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