JP2008290187A - 旋削加工方法 - Google Patents

Abstract

【課題】「びびり振動」を抑制することができる上、加工面の仕上げ精度を損ねることがなく、汎用性の高い旋削加工方法を提供する。
【解決手段】切削工具５による現在の旋削位置が、主軸１回転前までの旋削によりワーク４旋削面上に残されている旋削跡と重ならないように、切削工具５の主軸１回転当たりの送り量を設定する第一工程と、切削工具５を軸方向へ送り量だけ送りながら加工を行う第二工程とを実施し、切削工具５による現在の旋削範囲が１回転前の旋削跡に重複しないようにする。また、第二工程の後、ワーク旋削面に対して再び旋削加工を実施するにあたっては、第二工程における主軸回転速度を避けて、今回の旋削加工における主軸回転速度を設定する。
【選択図】図１

Description

本発明は、旋削加工中に発生するびびり振動、特に再生びびり振動の抑制を図った旋削加工方法に関するものである。

回転可能な主軸にワークを把持させ、ワークを主軸とともに回転させるとともに切削工具を軸方向へ送ることによって行うワークの外径加工（旋削加工）において、ワークや切削工具の剛性、旋削条件（たとえば、切り込み量、送り速度、主軸回転数等）等に影響され、ワーク及び／又は切削工具が振動する「びびり振動」が発生する場合がある。該「びびり振動」の中でも自励振動である「再生びびり振動」は、ワーク加工面の仕上げ精度を悪化させるだけでなく、切削工具の欠損の要因でもあり、従来から問題となっている。

そこで、上述したような「びびり振動」を抑制すべく、たとえば特許文献１や特許文献２に記載されているような旋削加工方法が提案されている。
特許文献１に記載されている旋削加工方法は、ワークに旋削加工を施すにあたり、ワーク（すなわち、主軸）の回転速度を周期的に変動させて、「びびり振動」の抑制を図ったものである。また、特許文献２に記載されている旋削加工方法は、ワークを軸方向両側から引っ張って、ワークに引張力を与え、旋削時におけるワークの逃げを低減することにより、「びびり振動」の抑制を図ったものである。

特開昭４９−１０５２７７号公報 特開平９−２９０３０１号公報

しかしながら、特許文献１に記載の旋削加工方法では、加工中に主軸の回転速度を変動させるため、ワークの加工面に回転速度の変動に起因した筋目が残りやすく、仕上げ精度が悪化するといった問題がある。
また、特許文献２に記載の旋削加工方法では、ワークを軸方向両側から引っ張るための別途装置が必要になるため、コスト高、工程数の増加、装置全体の大型化といった問題がある上、ワーク側にも引っ張るための加工（たとえば、引っ張り装置に把持されるための把持部を設ける等）を施す必要がある、軸方向長さが比較的長いワークにしか適用できない等といった問題があり、汎用性に課題を有する。

そこで、本発明は、上記問題に鑑みなされたものであって、「びびり振動」を抑制することができる上、加工面の仕上げ精度を損ねることがなく、汎用性の高い旋削加工方法を提供しようとするものである。

上記目的を達成するために、本発明のうち請求項１に記載の発明は、回転可能な主軸に取り付けられたワークを回転させるとともに、切削工具を前記主軸の軸方向又は径方向へ送ることにより、前記ワークに対する旋削加工を行う旋削加工方法であって、前記切削工具による現在の旋削位置が、前記主軸１回転前までの旋削により前記ワーク旋削面上に残されている旋削跡と重ならないように、前記切削工具の前記主軸１回転当たりの送り量を設定する第一工程と、前記切削工具を軸方向又は径方向へ前記送り量だけ送りながら加工を行う第二工程とを実施することを特徴とする。
請求項２に記載の発明は、請求項１の発明において、第二工程の後、ワーク旋削面に対して再び旋削加工を実施するにあたり、前回の旋削加工における主軸回転速度を避けて、今回の旋削加工における主軸回転速度を設定する第三工程と、前記設定された主軸回転速度で主軸を回転させながら加工を行う第四工程とを実施することを特徴とする。
尚、本発明において、「前記切削工具による現在の旋削位置が、前記主軸１回転前までの旋削により前記ワーク旋削面上に残されている旋削跡と重ならない」とは、本発明が目的とする「再生びびり振動」の抑制といった効果の点において、許容される範囲での若干の旋削跡の重複を含む。

本発明に係る旋削加工方法によれば、切削工具による現在の旋削位置が、主軸１回転前までの旋削によりワーク旋削面上に残されている旋削跡と重ならないように、切削工具の主軸１回転当たりの送り量を設定する第一工程と、切削工具を軸方向又は径方向へ送り量だけ送りながら加工を行う第二工程とを実施するため、切削工具による現在の旋削範囲が１回転前の旋削跡と重複しない。したがって、１回転前の旋削時に削り残された起伏に起因して生じる「再生びびり振動」の発生を抑制することができ、ひいては仕上げ精度の向上、切削工具の欠損防止等といった効果を奏することができる。
また、旋削加工中に主軸回転速度を変動させるわけではないため、旋削加工面に主軸回転速度の変動による筋目等が残らず、従来の旋削加工方法と比較して、仕上げ精度の高い加工を実施することができる。加えて、ワークの引っ張り装置といった別途装置等を必要としないため、コスト高、工程数の増加、装置全体の大型化といった問題が生じることがない上、ワークの形状等に限定されるような加工方法ではないため、汎用性が高い。
さらに、請求項２に記載の旋削加工方法によれば、第二工程の後、ワーク旋削面に対して再び旋削加工を実施するにあたり、第二工程における主軸回転速度を避けて、今回の旋削加工における主軸回転速度を設定する第三工程と、設定された主軸回転速度で主軸を回転させながら加工を行う第四工程とを実施する。したがって、今回の旋削加工において、前回の旋削加工時に生じた起伏（振動）に起因した「再生びびり振動」の発生を抑制することができ、上記仕上げ精度の向上等といった効果の一層の向上を実現することができる。

以下、本発明の一実施形態となる旋削加工方法について図面をもとに説明する。

図１は、本発明に係る旋削加工方法における加工状況を示した説明図である。
まず、本発明に係る旋削加工方法が実施される主軸等の構成について説明する。１は、回転可能に設けられた主軸であって、爪３を備えたチャック２が取り付けられている。該チャック２には、爪３に把持された状態でワーク４が取り付けられる。そして、ワーク４に対する旋削加工（外径加工）は、チャック２に取り付けられたワーク４を主軸１とともに回転させる一方、ワーク４の外周面に切り込ませた切削工具５を主軸１の軸方向に沿って送ることにより行われる。尚、主軸１の回転動作及び切削工具５の送り動作は、図示しないＮＣ装置によって制御される。

ここで、「再生びびり振動」とは、１回転前の旋削時に削り残された起伏が現在の旋削時における旋削力に影響して、ワーク４が回転するたびに旋削力が変動し、その変動がフィードバックされてワーク４及び／又は切削工具５の振動が増加する現象である。

そこで、上述のようにして生じる「再生びびり振動」を抑制すべく、本発明に係る旋削加工方法では、現在の旋削範囲が１回転前の旋削跡と重複しないように切削工具５の軸方向送り量を設定する。つまり、切削工具５のコーナー角度α、切削工具５のコーナー半径Ｒ、横切れ刃角β、及び径方向切り込み量ｄをパラメータとして、下記の式（１）にもとづいて旋削跡の軸方向幅（送り方向幅）を算出する。そして、該旋削跡の軸方向幅を軸方向送り量Ａとして設定することにより、現在の旋削範囲が１回転前の旋削跡と重複しないようにする。
Ａ = Ｒ×｛１／sinβ＋１／sin(α＋β)｝
＋（ｄ−Ｒ）×｛１／tanβ−１／tan(α＋β)｝ ・・・（１）
たとえば、図１に示すように、コーナー角度α＝９０°でコーナー半径Ｒ［ｍｍ］の切削工具５を用いて、横切れ刃角β＝４５°、径方向切り込み量ｄ［ｍｍ］にて旋削加工を行う場合、切削工具５の軸方向送り量Ａ［ｍｍ］は、下記の式（２）にて算出された値となる。
Ａ ＝ ２×｛ｄ＋Ｒ（√２−１）｝ ・・・ （２）

以上のようにして設定される軸方向送り量Ａで旋削加工を行うことにより、現在の旋削範囲がそれまでの旋削跡に重複しないため、１回転前の旋削時に削り残された起伏に起因した「再生びびり振動」の発生を抑制することができる。

一方、ワーク４の外周面に上述したような方法により旋削加工を施した後、ワーク４の削り残しの部分６を削り取ったり、ワーク４の外周面（加工面）に切削工具５を更に切り込ませて旋削加工を行ったりするにあたっては、以下のような問題がある。
前回の旋削加工において、「再生びびり振動」の増大は抑制されていたものの、ワーク４及び／又は切削工具５のわずかな振動により、ワーク４の外周面に周期的な起伏が生じていることがある。このように、旋削加工による起伏（すなわち、半径方向への切り込み量の増減が一定でなく周期的に変動している箇所）の残ったワーク４の外周面に再び旋削加工を行う場合、上記起伏に起因して今回の旋削加工時に「再生びびり振動」が増大するおそれがある。そして、「再生びびり振動」の増大の原因となる上記起伏の周期、すなわちびびり振動周波数ｆｃ［Ｈｚ］と主軸回転速度ｎ［ｍｉｎ^-1］との間には、下記の式（３）のの関係があることが知られている。
（６０×ｆｃ）／ｎ ＝ Ｃ ・・・ （３）
尚、式（３）において、Ｃは実数値であり、加工面上に残された１周当たりの振動による起伏の数である。

そこで、上記式（３）におけるＣが一致しないように主軸回転速度ｎを設定する、つまり前回の旋削加工における主軸回転速度とは異なる主軸回転速度にて旋削加工を行えば、「再生びびり振動」のフィードバックループが成立しないため、前回の旋削加工における起伏に起因した「再生びびり振動」を抑制することができる。また、さらに旋削加工を繰り返して行う場合には、旋削加工を行う毎にそれまでに設定された主軸回転速度とは異なる新たな主軸回転速度を設定すればよい。
たとえば、前回、主軸回転速度１０００［ｍｉｎ^-1］で旋削加工を行い、わずかな振動が１００［Ｈｚ］で発生した（びびり振動周波数が１００［Ｈｚ］であった）場合、１周当たりの起伏の数（Ｃ）が６個となる。そこで、今回の旋削加工における主軸回転速度としては、１０００［ｍｉｎ^-1］を避けて、たとえば７００［ｍｉｎ^-1］を設定してやれば、１周当たりの起伏の数（Ｃ）が８．６個となり、Ｃの一致を避けることができ、結果として「再生びびり振動」の抑制された良好な加工を実施することができる。また、さらに旋削加工を行う場合には、たとえば１５００［ｍｉｎ^-1］を設定してやれば、１周当たりの起伏の数（Ｃ）は４個となり、これまで２回の旋削加工におけるいずれのＣとも一致を避けることができ、引き続き「再生びびり振動」の抑制された良好な加工を実施することができる。尚、本発明に係る旋削加工方法においては、上記式（３）におけるびびり振動周波数ｆｃの値を求める必要はない。また、該びびり振動周波数ｆｃは振動する系に固有のものであり、ここでは一定値とみなしてよい。

以上、本発明に係る旋削加工方法によれば、上記式（１）にて算出された軸方向送り量Ａで加工を行うため、切削工具５による現在の旋削範囲が１回転前の旋削跡と重複しない。したがって、１回転前の旋削時に削り残された起伏に起因して生じる「再生びびり振動」の発生を抑制することができ、ひいては仕上げ精度の向上、切削工具５の欠損防止等といった効果を奏することができる。

また、一度旋削加工を施したワーク４の外周面に再び旋削加工を施す場合には、前回の旋削加工における主軸回転速度を避けて、今回の主軸回転速度ｎを設定する。したがって、今回の旋削加工において、前回の旋削加工時に生じた起伏（振動）に起因した「再生びびり振動」の発生を抑制することができ、上記仕上げ精度の向上等といった効果の一層の向上を実現することができる。

さらに、本発明に係る旋削加工方法によれば、旋削加工中に主軸回転速度を変動させるわけではないため、旋削加工面に主軸回転速度の変動による筋目等が残らず、従来の旋削加工方法と比較して、仕上げ精度の高い加工を実施することができる。加えて、ワークの引っ張り装置といった別途装置等を必要としないため、コスト高、工程数の増加、装置全体の大型化といった問題が生じることがない上、ワークの形状等に限定されるような加工方法ではないため、汎用性が高い。

なお、本発明の旋削加工方法に係る構成は、上記実施形態の態様に何ら限定されるものではなく、適用する主軸等の構成や切削工具の種類、旋削条件等を、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、必要に応じて適宜変更することができる。

たとえば、上記実施形態では、旋削跡の送り方向幅を、切削工具のコーナー角度α、切削工具のコーナー半径Ｒ、横切れ刃角β、及び径方向切り込み量ｄをパラメータとして式（１）により算出して求めるようにしているが、他のパラメータを用いた別の演算式により求めてもよいし、可能であれば検出器等を用いて実測により求めても何ら問題はない。

また、上記式（１）や式（３）による演算を、旋削加工を実施する工作機械等のＮＣ装置にて自動的に行うように構成することは当然可能である。
さらに、上記実施形態では、外径旋削に対して適用した例について説明しているが、本発明に係る旋削加工方法は、内径旋削、端面旋削、及びテーパ面や曲面加工等に対しても効果的に適用することができる。

加えて、切削工具の軸方向送り量Ａに関し、「再生びびり振動」が発生しない範囲であるならば、１回転前の旋削跡との重複を若干許し、求められたＡよりも僅かに小さい値を軸方向送り量として設定しても良い。すなわち、上記式（１）等にて求められるＡを軸方向送り量として用いることで旋削跡の起伏に起因する「再生びびり振動」の発生を確実に回避することができるが、僅かな重複であれば「再生びびり振動」が発生しない場合もあるため、このような場合には求められるＡよりも僅かに小さい値を軸方向送り量として設定することができる。一方、求められるＡよりも大きい値を軸方向送り量として設定することも当然可能であり、この場合には、旋削跡の起伏に起因する「再生びびり振動」が発生することはない。

本発明に係る旋削加工方法における加工状況を示した説明図である。

符号の説明

１・・主軸、４・・ワーク、５・・切削工具、６・・削り残し部分、Ａ・・軸方向送り量、α・・コーナー角度、β・・横切れ刃角、Ｒ・・コーナー半径、ｄ・・径方向切り込み量、ｆｃ・・びびり振動周波数、ｎ・・主軸回転速度。

Claims (2)

1. 回転可能な主軸に取り付けられたワークを回転させるとともに、切削工具を前記主軸の軸方向又は径方向へ送ることにより、前記ワークに対する旋削加工を行う旋削加工方法であって、
   前記切削工具による現在の旋削位置が、前記主軸１回転前までの旋削により前記ワーク旋削面上に残されている旋削跡と重ならないように、前記切削工具の前記主軸１回転当たりの送り量を設定する第一工程と、
   前記切削工具を軸方向又は径方向へ前記送り量だけ送りながら加工を行う第二工程と
   を実施することを特徴とする旋削加工方法。
2. 第二工程の後、ワーク旋削面に対して再び旋削加工を実施するにあたり、
   前回の旋削加工における主軸回転速度を避けて、今回の旋削加工における主軸回転速度を設定する第三工程と、
   前記設定された主軸回転速度で主軸を回転させながら加工を行う第四工程と
   を実施することを特徴とする請求項１に記載の旋削加工方法。

Images