JP2007044815A - 磁性流体を用いた加工装置及び加工方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 回転工具による加工中の自励振動（びびり振動）の発生を抑制する。
【解決手段】
磁性流体２１が封入された流体封入部２０を主軸１０の内部に配置する。主軸台１５には、主軸１０の内部の流体封入部２０に磁場を及ぼすように配列された複数のコイルを有する磁場発生部３０を設ける。複数のコイルで励磁位置、励磁強度及び励磁周期の制御を行うことにより、流体封入部２０内における磁性流体２１の質量分布を変化させ、主軸１０を所定の周期、位相及び振幅で振動させる。そして、振動しつつ回転する回転工具１３を用いて加工材料に対する切削を行う。
【選択図】図１

Description

本発明は、回転駆動される主軸に保持された回転工具によって加工材料に対する加工を行う磁性流体を用いた加工装置及び加工方法に関するものである。

エンドミル等の回転工具を用いて加工材料に対する加工を行う加工装置において、加工精度を向上させるためには、主軸及び回転工具の総合的な質量バランスを適正に維持することが不可欠である。特に、総合的な質量バランスが適正に維持されていない状態で主軸が高速回転する場合には、その遠心力に起因する回転工具の強制振動が発生することにより回転工具の折損や短寿命化、加工精度の低下等の問題が発生することが知られている。そこで、加工装置の主軸のアンバランスを効率よく修正可能なアンバランス修正装置が開発されている（例えば、特許文献１参照）。このアンバランス修正装置では、回転する主軸の角度と振れとが検出され、その検出結果から算出された修正位置及び修正量に基づいて主軸のバランスが修正される。
特開平５−６５９４２号公報

このように、あらゆる条件下において、総合的な質量バランスを適正に維持可能な加工装置の開発が望まれており、従来は、質量バランスの不正に起因する強制振動の抑制を達成するために、主軸の振動を抑えるための技術が研究されてきた。しかしながら、加工装置における主軸の振動を抑えるためには、強制振動はもちろんのこと、自励振動（びびり振動）の制振が重要であるにもかかわらず、従来の方法では本質的に自励振動（びびり振動）の制振ができないという問題がある。

課題を解決するための手段および発明の効果

そこで、本発明者は、上記課題を解消するために研究を重ねてきた結果、回転工具を保持する主軸の質量バランスを適正に維持して主軸の振動を抑えるだけでなく、回転工具を保持する主軸の質量バランスを適正に乱して主軸に所定の振動を与えることによって、強制振動はもちろんのこと、自励振動（びびり振動）に起因する問題が発生するのを抑制できることを見出した。

つまり、本発明の磁性流体を用いた加工装置は、回転工具を保持し且つ前記回転工具と共に回転可能に支持された主軸と、前記主軸を回転駆動する回転駆動手段と、前記主軸に固定されており、磁性流体が封入された流体封入部と、前記流体封入部の少なくとも一部を含む領域において磁場を発生する磁場発生手段と、前記磁場発生手段を制御する制御手段とを備えており、前記制御手段は、前記流体封入部内における磁性流体の質量分布を変化させることにより前記主軸が振動するように、前記磁場発生手段を制御するものである。

本発明の磁性流体を用いた加工方法は、回転工具を保持し且つ前記回転工具と共に回転可能に支持された主軸を回転駆動する第１の工程と、前記主軸に固定された流体封入部内における磁性流体の質量分布を変化させることにより前記主軸が振動するように、前記流体封入部の少なくとも一部を含む領域において磁場を発生させる第２の工程と、振動しつつ回転する前記主軸に保持された回転工具によって加工材料を加工する第３の工程とを備えたものである。

この構成によると、主軸に固定された流体封入部内における磁性流体の質量分布を変化させることにより主軸を振動させることができる。そのため、振動しつつ回転する回転工具を用いて加工材料に対する加工が可能になり、加工材料の動的切り込み量がほぼ一定になって、自励振動（びびり振動）に起因する回転工具の折損や短寿命化、加工精度の低下等の問題が発生するのを抑制できる。

また、本発明の磁性流体を用いた加工装置において、前記磁場発生手段は、前記流体封入部の周囲において前記流体封入部に磁場を及ぼすように環状に配列された複数のコイルと、前記複数のコイルの一部に対して電流を供給する電流供給手段とを有していてもよい。

この構成によると、主軸の内部に配置された流体封入部内における磁性流体の質量分布を容易に変化させることができる。さらに、１つのコイルを励磁したり複数のコイルを同時に励磁したりして、流体封入部に及ぼす磁場を細やかに制御することが可能になり、磁性流体を所望の質量分布に変化させることができる。

また、本発明の磁性流体を用いた加工装置において、前記制御手段は、前記主軸の振動状態が所定の周期、位相及び振幅の振動状態になるように、前記磁場発生手段を制御してもよい。

また、本発明の磁性流体を用いた加工方法において、前記第２の工程では、前記主軸の振動状態は所定の周期、位相及び振幅の振動状態になっていてもよい。

この構成によると、加工材料の動的切り込み量が一定になって、自励振動（びびり振動）に起因する回転工具の折損や短寿命化、加工精度の低下等の問題が発生するのを確実に抑制できる。

以下、本発明の好適な実施の形態について、図面を参照しつつ説明する。図１は、本発明の第１の実施の形態に係る加工装置の主軸周辺の概略構成を示す図である。図２は、図１のII-II線における断面図である。図３は、図１のIII-III線における断面図である。図４は、加工装置の制御装置の構成を示す図である。

図１に示す加工装置１は、主軸台１５に設けられた軸受１６により回転可能に支持された主軸１０を備えている。主軸１０の一端部（図１では下端部）には、回転工具１３を着脱可能なツーリング１１が固定されている。また、主軸１０の他端部（図１では上端部）は、制御装置５０に接続された回転駆動部１８（図４参照）に連結されている。そのため、主軸１０が回転駆動部１８により回転駆動されると、ツーリング１１及び回転工具１３は、主軸１０と一体となり回転する。本実施の形態では、主軸１０は、毎分５千〜５万回転の高速で回転駆動される。

また、主軸１０の内部には、磁性流体２１が移動可能に封入された流体封入部２０が固定されている。流体封入部２０は、図２（ａ）に示すように、主軸１０と同軸の環状になっている。従って、磁性流体２１は、流体封入部２０の環状の領域内で移動可能である。また、流体封入部２０の外周面は主軸１０の内周面と近接している。なお、図１及び図２（ａ）では、主軸１０の回転に伴う遠心力によって、磁性流体２１が流体封入部２０の外周面近傍に配置されている状態が図示されている。

そして、主軸台１５の端部近傍には、主軸１０の内部の流体封入部２０に対応した位置に配置された磁場発生部３０が設けられている。磁場発生部３０は、図２（ａ）に示すように、主軸１０の内部の流体封入部２０を囲むように環状に配列された複数のコイル３１を有している。複数のコイル３１は、制御装置５０に接続された電流供給部３５にそれぞれ接続されている。従って、電流供給部３５は、複数のコイル３１のそれぞれに別々に電流を供給可能である。

ここで、電流供給部３５から複数のコイル３１のなかの１個のコイル３１ａに電流が供給された場合には、図２（ｂ）に示すように、コイル３１ａの周辺に磁場が発生し、流体封入部２０内の磁性流体２１の大部分がコイル３１ａに引き寄せられる。すると、主軸１０内の磁性流体２１の質量分布が変化する。その後、電流供給部３５からコイル３１ａに電流が供給されなくなり、電流供給部３５からコイル３１ｂに電流が供給された場合には、コイル３１ａの周辺に磁場が発生しなくなり、コイル３１ｂの周辺に磁場が発生する。そのため、流体封入部２０内の磁性流体２１の大部分が、コイル３１ａに引き寄せられた状態からコイル３１ｂに引き寄せられた状態（図２（ｂ）では破線で図示されている状態）に変化する。すると、再度、主軸１０内の磁性流体２１の質量分布が変化する。このように、電流供給部３５から電流が供給されるコイル３１が変更されることにより、それに伴って、主軸１０内の磁性流体２１の質量分布が変化する。

また、主軸台１５の端部近傍には、主軸１０の振動状態を検出可能な４個の振動検出センサ４０が配置されている。４個の振動検出センサ４０は、図３に示すように、主軸１０を囲むように９０度おきに配置されており、各センサの先端と主軸１０との間の距離を検出することができる。そして、４個の振動検出センサ４０は、図４に示すように、制御装置５０に接続されており、その検出結果を制御装置５０に送信する。

制御装置５０は、質量アンバランス算出部５１と、制御部５２とを有している。質量アンバランス算出部５１は、振動検出センサ４０から送信された検出結果に基づいて、主軸１０の質量アンバランス発生位置及び発生量を算出する。制御部５２は、回転駆動部１８及び電流供給部４０を制御する。

次に、回転工具１３のびびり振動が抑制される場合の動作手順について、図５及び図６を参照して説明する。図５は、回転工具の再生びびり振動を説明する図である。図６は、回転工具のびびり振動が抑制される場合の動作手順を示すフローチャートである。

ここでは、図５（ａ）に示すように、４個の切れ刃を有する回転工具１３が回転駆動されることによって加工材料が切削される場合を考える。ここで、４個の切れ刃のうちの任意の切れ刃をｉ番目の切れ刃１３（ｉ）とし、回転工具１３の回転に伴ってｉ番目の切れ刃１３（ｉ）の次に、加工材料を切削する切れ刃をｉ＋１番目の切れ刃１３（ｉ＋１）とする。図５（ａ）では、ｉ番目の切れ刃１３（ｉ）による加工面が実線で図示され、ｉ＋１番目の切れ刃１３（ｉ＋１）による加工面が破線で図示されている。

そして、回転工具１３がびびり振動している場合には、ｉ番目の切れ刃による加工面と、ｉ＋１番目の切れ刃による加工面との間に形成される動的切り込み量が、図５（ｂ）に示すように、一定にならないことがある。そこで、加工材料が切削される場合の回転工具１３の再生びびり振動を抑制するためには、図５（ｃ）に示すように、動的切り込み量を一定にする必要がある。つまり、本実施の形態の加工装置１では、上述の動的切り込み量が一定になるように、主軸１０内の磁性流体２１の質量分布が制御され、主軸１０に加振力が加えられ、動的切り込み量が一定に保たれる。

まず、振動検出センサ４０により、主軸１０の異常振動が検出される（ステップＳ１０１）。すると、質量アンバランス算出部５１では、質量アンバランスの発生位置及び発生量が算出される（ステップＳ１０２）。その後、質量アンバランス算出部５１での算出結果に基づいて、異常振動と同じ周期で位相と振幅とが変化するように励磁位置のスイッチングが行われ、励磁位置、励磁強度及び励磁周期の制御が行われる（ステップＳ１０３）。すると、電流供給部３５から複数のコイル３１の一部に電流が供給されることにより、主軸１０内の磁性流体２１の質量分布が変化し、主軸１０に加振力が加えられ、主軸１０の振動が制御される（ステップＳ１０４）。そして、振動しつつ回転する回転工具１３によって加工材料に対する切削が行われる（ステップＳ１０５）。なお、本実施の形態では、主軸１０の１回転前（前回）の工具回転時の振動が再現されるように、主軸１０の加振力が制御されるので、動的切り込み量が一定になる。

次に、振動ミリング加工が行われる場合の動作手順について、図７及び図８を参照して説明する。図７は、振動ミリング加工が行われる場合の動作を説明する図である。図８は、振動ミリング加工が行われる場合の動作手順を示すフローチャートである。

ここでは、４個の切れ刃を有する回転工具１３が回転駆動されることによって加工材料に対する振動ミリング加工が行われる場合を考える。振動ミリング加工では、回転工具１３を加工材料に対して相対的に振動させながら切削方向に移動させて切削が行われる。本実施の形態では、図７に示すように、回転工具１３が回転すると共に、各切れ刃が回転工具１３の回転軸と垂直な面内で楕円状に振動した状態で、回転工具１３が切削方向に送られる。

まず、主軸１０の回転及びそれに畳重した高調波振動に基づいて工具振動軌跡が算出される（ステップＳ２０１）。すると、質量アンバランス算出部５１では、質量アンバランスの発生量が算出される（ステップＳ２０２）。その後、質量アンバランス算出部５１での算出結果に基づいて、所定の周期、位相及び振幅での振動が発生されるように、励磁位置のスイッチングが行われる（ステップＳ２０３）。すると、電流供給部３５から複数のコイル３１の一部に電流が供給されることにより、主軸１０内の磁性流体２１の質量分布が変化し、主軸１０に加振力が加えられ、主軸１０の振動が制御される（ステップＳ２０４）。そして、振動しつつ回転する回転工具１３によって加工材料に対する切削が行われる。

以上説明したように、本実施の形態に係る加工装置１では、主軸１０の内部に配置された流体封入部２０内における磁性流体２１の質量分布を変化させることにより主軸１０を振動させることができる。そのため、振動しつつ回転する回転工具１３を用いて加工材料に対する切削が可能になる。そのため、加工材料の動的切り込み量がほぼ一定になって、びびり振動に起因する回転工具１３の折損や短寿命化、加工精度の低下等の問題が発生するのを抑制できる。

また、磁場発生部３０が主軸１０の内部の流体封入部２０に磁場を及ぼすように配列された複数のコイル３１を有しているので、主軸１０の内部に配置された流体封入部２０内における磁性流体２１の質量分布を容易に変化させることができる。

また、主軸１０の振動状態が所定の周期、位相及び振幅の振動状態で加工材料に対する切削が行われるので、加工材料の動的切り込み量が一定になって、びびり振動に起因する回転工具の折損や短寿命化、加工精度の低下等の問題が発生するのを確実に抑制できる。

次に、本実施の形態の加工装置１において回転工具１３のびびり振動が抑制される場合のその他の制御方法について、図９を参照して説明する。

この制御方法が上述の制御方法と異なる点は、上述の制御方法では、電流供給部３５から複数のコイル３１のなかの１個のコイル３１に電流が供給され、そのコイル３１に流体封入部２０内の磁性流体２１の大部分が引き寄せられることによって、主軸１０内の磁性流体２１の質量分布が変化するのに対し、この制御方法では、電流供給部３５から複数のコイル３１のなかの３個のコイル３１に電流が同時に供給され、その３個のコイル３１に流体封入部２０内の磁性流体２１がそれぞれ引き寄せられることによって、主軸１０内の磁性流体２１の質量分布が変化する点である。

つまり、電流供給部３５から複数のコイル３１のなかの３個のコイル３１ｃに電流が供給された場合には、図９に示すように、３個のコイル３１ｃのそれぞれの周辺に磁場が発生し、流体封入部２０内の磁性流体２１が３個のコイル３１ｃにそれぞれ引き寄せられる。すると、主軸１０内の磁性流体２１の質量分布が変化する。その後、電流供給部３５から３個のコイル３１ｃに電流が供給されなくなり、電流供給部３５から３個のコイル３１ｄに電流が供給された場合には、３個のコイル３１ｃの周辺に磁場が発生しなくなり、３個のコイル３１ｄの周辺に磁場が発生する。そのため、流体封入部２０内の磁性流体２１が、３個のコイル３１ｃにそれぞれ引き寄せられた状態から３個のコイル３１ｄにそれぞれ引き寄せられた状態（図９では破線で図示されている状態）に変化する。すると、再度、主軸１０内の磁性流体２１の質量分布が変化する。このように、電流供給部３５から電流が供給される３個のコイル３１が変更されることにより、それに伴って、主軸１０内の磁性流体２１の質量分布が変化する。

ここで、図９では、３個のコイル３１ｃに供給される電流の大きさが全て同じである場合が図示されているが、３個のコイル３１ｃに供給される電流の大きさは互いに異なってもよい。つまり、３個のコイル３１ｃに供給される電流の大きさが互いに異なる場合には、３個のコイル３１ｃにそれぞれ引き寄せられる流体封入部２０内の磁性流体２１の量も互いに異なる。そのため、３個のコイル３１ｃに供給される電流の大きさを適正に制御することによって、流体封入部２０に及ぼす磁場を細やかに制御することが可能になり、磁性流体２１を所望の質量分布に変化させることができる。

また、この制御補法では、１２０度おきに配置された３個のコイル３１に同時に電流が供給されているが、同時に電流が供給されるコイルの数は変更可能であると共に、複数のコイルは等角度に配置されていなくてもよい。また、同時に電流が供給されるコイルの数を時間経過と共に変更してもよい。

次に、磁性流体２１が移動可能に封入された流体封入部の変形例について、図１０を参照して説明する。

この流体封入部１２０が上述の流体封入部２０と異なる点は、流体封入部２０では、１つの環状の領域が連続しているのに対し、流体封入部１２０では、１つの環状の領域が複数に仕切られている点である。

つまり、流体封入部１２０では、その内部の環状の領域が複数のコイル３１のそれぞれに対応するような複数のスリット１２０ａに仕切られている。そして、流体封入部１２０内の磁性流体２１は、各スリット１２０ａ毎に所定量だけ封入されている。各スリット１２０ａ内の磁性流体２１は、隣のスリット１２０ａ内に移動することなく、そのスリット１２０ａ内において移動可能である。従って、主軸１０内の磁性流体２１の質量分布が各スリット１２０ａ毎に変化する。

ここで、流体封入部１２０において、１個のコイル３１毎に電流が供給されてもよいし、複数のコイル３１に同時に電流が供給されてもよい。また、複数のコイル３１に供給される電流の大きさは互いに異なってもよい。また、流体封入部１２０の内部の環状の領域が複数のコイル３１のそれぞれに対応するような複数のスリット１２０ａに仕切られてないでもよく、環状の領域を仕切るスリットの数及び幅は変更してもよい。

次に、第２の実施の形態に係る加工装置について、図１１を参照して説明する。図１１は、本発明の第２の実施の形態に係る加工装置の主軸周辺の概略構成を示す図である。

本実施の形態の加工装置２０１が、第１の実施の形態の加工装置１と大きく異なる点は、加工装置１では、流体封入部２０が主軸１０の内部に配置されているのに対し、加工装置２０１では、流体封入部２２０が主軸１０の外部に配置されている点である。

加工装置２０１では、環状の流体封入部２２０が主軸１０の周囲に固定されており、流体封入部２２０内には磁性流体２１が封入されている。そして、主軸台１５の端部近傍には、主軸１０の外部の流体封入部２２０に対応した位置に配置された磁場発生部３０が設けられている。磁場発生部３０は、主軸１０の外部の流体封入部２０に近接して環状に配列された複数のコイル３１を有している。磁場発生部３０の構成は、第１の実施の形態と同様である。ここで、流体封入部２２０の少なくとも磁場発生部３０側の側面は非磁性部材で形成されていることが好ましい。

以上、本発明の好適な実施の形態について説明したが、本発明は上述の実施の形態に限られるものではなく、特許請求の範囲に記載した限りにおいて様々な設計変更が可能なものである。例えば、上述の第１の実施の形態では、磁場発生部３０が流体封入部２０を囲むように配列された複数のコイル３１を有しており、上述の第２の実施の形態では、磁場発生部３０が流体封入部２０に近接して配列された複数のコイル３１を有しているが、流体封入部の少なくとも一部を含む領域において磁場を発生可能であれば、磁場発生部３０の構成は変更できる。

また、上述の実施の形態では、主軸１０の振動状態が所定の周期、位相及び振幅の振動状態で加工材料に対する切削が行われているが、主軸の振動状態は所定の周期、位相及び振幅でない振動状態で加工材料に対する切削が行われてもよい。

本発明の第１の実施の形態に係る加工装置の主軸周辺の概略構成を示す図である。 図１のII-II線における断面図である。 図１のIII-III線における断面図である。 加工装置の制御装置の構成を示す図である。 回転工具の再生びびり振動を説明する図である。 回転工具のびびり振動が抑制される場合の動作手順を示すフローチャートである。 振動ミリング加工が行われる場合の動作を説明する図である。 振動ミリング加工が行われる場合の動作手順を示すフローチャートである。 加工装置におけるその他の制御方法を説明するための図である。 加工装置の流体封入部の変形例示す図である。 本発明の第２の実施の形態に係る加工装置の主軸周辺の概略構成を示す図である。

符号の説明

１、２０１ 加工装置
１０ 主軸
１８ 回転駆動部
２０、１２０、２２０ 流体封入部
２１ 磁性流体
３０ 磁場発生部
３１ コイル
３５ 電流供給部

Claims (5)

1. 回転工具を保持し且つ前記回転工具と共に回転可能に支持された主軸と、
   前記主軸を回転駆動する回転駆動手段と、
   前記主軸に固定されており、磁性流体が封入された流体封入部と、
   前記流体封入部の少なくとも一部を含む領域において磁場を発生する磁場発生手段と、
   前記磁場発生手段を制御する制御手段とを備えており、
   前記制御手段は、前記流体封入部内における磁性流体の質量分布を変化させることにより前記主軸が振動するように、前記磁場発生手段を制御することを特徴とする磁性流体を用いた加工装置。
2. 前記磁場発生手段は、
   前記流体封入部の周囲において前記流体封入部に磁場を及ぼすように環状に配列された複数のコイルと、
   前記複数のコイルの一部に対して電流を供給する電流供給手段とを有していることを特徴とする請求項１に記載の磁性流体を用いた加工装置。
3. 前記制御手段は、前記主軸の振動状態が所定の周期、位相及び振幅の振動状態になるように、前記磁場発生手段を制御することを特徴とする請求項１または２に記載の磁性流体を用いた加工装置。
4. 回転工具を保持し且つ前記回転工具と共に回転可能に支持された主軸を回転駆動する第１の工程と、
   前記主軸に固定された流体封入部内における磁性流体の質量分布を変化させることにより前記主軸が振動するように、前記流体封入部の少なくとも一部を含む領域において磁場を発生させる第２の工程と、
   振動しつつ回転する前記主軸に保持された回転工具によって加工材料を加工する第３の工程とを備えたことを特徴とする磁性流体を用いた加工方法。
5. 前記第２の工程では、前記主軸の振動状態は所定の周期、位相及び振幅の振動状態になっていることを特徴とする請求項４に記載の磁性流体を用いた加工方法。

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