JP2009125859A - 切削加工方法と切削加工装置 - Google Patents

Abstract

【課題】旋盤等の切削加工時に、加工誤差を可能な限り小さくする。
【解決手段】被加工物１を工具を用いて切削する切削加工方法において、切削工具２に発生するエッジフォースと、切削工具２、切削工具２を保持する切削加工機械及び被加工物１の剛性とを予め求めておき、エッジフォースと剛性とから切削加工誤差Ｅを算出し、算出された切削加工誤差Ｅに基づいて、切削工具２の切込み量を補正する。かかる切削加工方法を実現する切削加工機械は、予め求めた切削工具２に発生するエッジフォースと、予め求めた切削工具２、切削加工機械及び被加工物１の剛性とから切削加工誤差Ｅを算出して、算出された切削加工誤差Ｅに基づいて、切削工具２の切込み量の補正値を算出する誤差補正部と、誤差補正部が算出した切込み量の補正値を切削工具に適用する制御部とを備える。
【選択図】図５

Description

本発明は、総形バイト等の切削工具を用いて被加工物を切削する際に好適な切削加工方法、ならびにこの切削加工方法を適用可能な切削加工装置に関する。

複雑な外形を有する被加工物を切削加工により製作するにあたっては、従来より、総形バイトと呼ばれる「仕上げ形状と同じ形状をした切削工具」を用い、旋盤により削り出し加工していた。
しかしながら、総形バイトによる切削加工は寸法精度低く、かかる寸法精度を公差内に収めるためには、熟練した技能者が蓄積された加工データから切込み量の補正・微調整を行うことが多かった。この補正方法は、熟練を要する他、多くの加工データの蓄積が必要なため、新しい形状の部材を切削する際には適用が困難である。そのため、新しい形状の部材を作成するときには、総形バイトを使用せずに一般的なバイトを用いる方法や、試行錯誤しながら所定の公差内に形状を仕上げることが行われている。これらの方法は加工時間が長くなるといった問題を有している。

このような状況に対応するために、例えば、特許文献１のような技術が開発されている。
特許文献１の技術は、設定切込み量でワーク（被加工物）を切削したときにバイトの切込み方向に作用する切削抵抗（押圧力）を求め、この切削抵抗により生じるワークの撓み量を予め測定し、この撓み量に相当する過剰切込みを加えることにより、ワークの撓みによる切削加工誤差を解消して加工精度を向上させるものである。
特開平９−１５０３４８号公報

しかしながら、特許文献１の技術を実際の切削加工に適用した場合、以下のよう不都合が生じることが明らかとなっている。
例えば、切削抵抗の大きな総形バイトを用いた場合、その切削抵抗は、ワークの材質や送り速度等にもよるが、数千ニュートンにも及ぶ。バイトに加わる荷重と変形量とを予め求めた図６のグラフに、その切削抵抗値を適用すると、バイトの変位は１ｍｍオーダの大きな値となる。ところが、実際の切削加工での削り代（切取り厚さ）は数十μｍオーダであり、加工誤差はそれと同等かそれ以下のオーダとなる。

このことからわかるように、切削抵抗を用いた切削加工誤差の補正では、実切削時における誤差低減に寄与することは困難であると思われる。
そこで、本発明は、上記問題点を鑑み、実際の切削加工時において、切削加工誤差を可能な限り小さくすることのできる切削加工方法を提案することを目的とする。

前記目的を達成するため、本発明においては以下の技術的手段を講じた。
すなわち、本発明は、被加工物を切削工具を用いて切削する切削加工方法において、前記切削工具に発生するエッジフォースと、該切削工具、切削工具を保持する切削加工機械及び被加工物の剛性とを予め求めておき、前記エッジフォースと剛性とから切削加工誤差を算出し、算出された切削加工誤差に基づいて、前記切削工具の切込み量を補正することを特徴とする。
例えば、図１に示すように複雑な外形形状を有する部品の切削加工を行う際には、旋盤に被加工物を取り付け、総形バイトと呼ばれるワークの仕上げ形状と同じ形状をした切削工具を用いて、削り出し加工する。

その際には、図２に示す如く、被加工物の一回転当たりの切削工具送り量に相当する「切取り厚さ」を有する切りくずが生じると共に、切削工具を押し戻そうとする切削抵抗が発生する。その後、切削工具が所定の切込みまで送られると後、切削工具を後退させ、切削を終了することになる。
ところが、現実には切削工具が所定の切込みまで送られた瞬間に後退を開始するわけではなく、切込みが終了した状態で、被加工物が数回転から数十回転分空転していることになる。この空転の回数は被加工物の回転速度に左右されるが、かかる空転中に、切削抵抗により生じた切削工具、被加工物、切削加工機械の撓みによる加工精度不良は撓みの回復により修正されていくこととなる。

しかしながら、総形バイトでの切削時には、上述の撓みの回復が起こったとしても「切削加工誤差」は依然として大きいまま存在することが当業者間では知られている。このような状況は、総形バイトの場合に限らず、他のバイトを用いた溝加工や突切り加工でも同様である。
そこで、本願発明者らは、切削加工誤差の発生原因を明らかにすべく数々の実験を行い、切削加工時に生じる加工誤差は切削抵抗以外のものに起因するのことを知見した。すなわち、切削加工誤差は「エッジフォース」に起因する切削工具等の撓み等と大きな関係があることを明らかにした。エッジフォースとは、切削工具を被加工物の表面に押し込む際に発生する抵抗力のことである。

そこで、エッジフォースと切削加工誤差との関係を予め切削実験により定式化することにより、様々な状況下での切削加工誤差を求め、かかる切削加工誤差を基に、切削工具の切込みの補正量を決定することで精度の高い切削加工を実現可能とした。
また、本発明の切削加工装置は、被加工物を切削工具を用いて切削する切削加工機械と、予め求めた前記切削工具に発生するエッジフォースと、予め求めた前記切削工具、切削加工機械及び被加工物の剛性とから切削加工誤差を算出して、算出された切削加工誤差に基づいて、前記切削工具の切込み量の補正値を算出する誤差補正部と、前記誤差補正部が算出した切込み量の補正値を前記切削工具に適用する制御部と、を備えたことを特徴とする。

この切削加工装置を用いることで精度の高い切削加工が実現できる。

本発明に係る切削加工方法、切削加工装置を用いることで、実際の切削加工時において、切削加工誤差を可能な限り小さくすることができる。

以下、本発明に係る切削加工方法の実施の形態を図を基に説明する。
図１，図２に示すように、旋盤に被加工物１（以降、ワークと呼ぶこともある）を取り付け、総形バイトと呼ばれるワーク１の仕上げ形状と同じ形状をした切削工具２を用いて、削り出し加工する場合を考える。
本願発明は、かかる切削加工において、切削工具２に発生するエッジフォース（刃先力）と、切削工具２、切削工具２を保持する切削加工機械及び被加工物１の剛性とを予め求めておき、エッジフォースと剛性とから切削加工誤差Ｅを算出し、算出された切削加工誤差Ｅに基づいて、切削工具２の切込み量を補正するものである。

エッジフォースとは、図３に示すように、切取り厚さがゼロの状況で発生する抵抗力であり、現実的には丸みを持つ切削工具２の刃先が被加工物１に押し込まれた状態で発生する力である。エッジフォースはワーク１の塑性流動および摩擦により発生する力であると考えられる。
図４は、表１の実験条件（切削工具２：幅１０ｍｍ超硬平バイト、ワーク１：Ｓ５５Ｃ炭素鋼）での材料の切取り厚さと切削抵抗との関係を実験により明らかにした結果である。

この図より明らかなように、切取り厚を厚くするにしたがって切削工具２に加わる切削抵抗は大きくなる。その一方で、切取り厚さをゼロにした場合には切削抵抗はゼロにはならずある値を有している。この切削抵抗値が前述したエッジフォースである。
本願発明人らは、様々な実験を通して、かかるエッジフォースが、切削工具２の種類とワーク１の材質に大きく影響を受けることを明らかにしている。また、エッジフォースは切削工具２がワーク１表面に押し込まれ、切りくず生成が行われる直前に発生する力であるため、事前の切削実験により明らかとすることが可能である。

エッジフォース、及び切削工具２、ワーク１、切削加工機械の剛性が明らかとなれば、図５に示すそれぞれの方向への撓み量δ_v，δ_hは、式（１）により計算できる。

なお、切削工具２、ワーク１、切削加工機械の剛性は、実験や数値解析で事前に求めることが可能である。本実施形態においては、切削工具２、ワーク１、切削加工機械に静的に力を加え、その時の変形量（撓み量）を測定することで剛性を算出している。
式（１）で算出された撓み量δ_v，δ_hから、図５に示すワーク１の半径誤差Ｅ（切削加工誤差）が式（２）で計算できる。

半径誤差Ｅは切削工具２などの撓み、ワーク１の撓みを足し合わせた総加工誤差である。したがって、予め、半径誤差Ｅだけ、切削工具２の設定切込み量を増加又は減少させておけば、エッジフォースにより発生する加工誤差は発生せず加工精度が向上する。
これまでの実験結果から、直径又は半径の公差範囲に対してマイナス公差に対しては１００％以内、プラス公差に対しては７０％以内となるような範囲で切削工具２の切込み量を補正すれば、加工後の直径又は半径が公差内に入ることを確認している。
以上述べた本発明に係る切削加工方法を用いることで、実際の切削加工時において、切削加工誤差Ｅを可能な限り小さくすることができる。

なお、上述した切削加工方法を採用可能な切削加工装置としては、被加工物を切削工具を用いて切削する切削加工機械と、予め求めた前記切削工具に発生するエッジフォースと、予め求めた前記切削工具、切削加工機械及び被加工物の剛性とから切削加工誤差を算出して、算出された切削加工誤差に基づいて、前記切削工具の切込み量の補正値を算出する誤差補正部と、前記誤差補正部が算出した切込み量の補正値を前記切削工具に適用する制御部と、を備えたものが好ましい。
具体的には、切削加工機械としては、ＮＣ制御機能を有する旋盤や、パソコンやワークステーションによるバイトの送り制御が可能となっている旋盤などが採用できる。その場合、誤差制御部はＮＣ制御部内やパソコン内に搭載されたプログラムとして実現されており、前述のプログラム及びＮＣ制御旋盤のバイト送り機構が制御部に対応するものとなる。

本発明に係る切削加工方法の実施例（実験例）を述べる。
まず、直径３０ｍｍの丸棒材であるワーク１を切削する際のエッジフォースを求めた。ワーク１の材料はＳ５５Ｃ炭素鋼であり、使用した切削工具２は幅１０ｍｍ平バイトで、突切り加工を行い切削抵抗を測定した。切削加工条件は、表２に示す通りであり、被加工物１の一回転当たりの送り量（＝切取り厚さ）を変化させた。測定された切削抵抗の変化は図４に示すものとなった。

図４に示される如く、水平方向及び鉛直方向の切削抵抗は、それぞれ切取り厚さに比例するものの、切片となる値（切取り厚さ＝０での値）を持つことがわかる。この切片の値が、「平バイトを用いてＳ５５Ｃ炭素鋼を０．０５ｍｍ／ｒｅｖ」で切削した場合のエッジフォースである。本実施例では、単位刃幅当たりのエッジフォースは、Ｆｅ_v＝３９．３Ｎ／ｍｍ、Ｆｅ_h＝３５．６Ｎ／ｍｍである。なお、水平方向、鉛直方向は図２に示した通りである。
次に各部位（ワーク１、切削工具２、切削加工機械）の剛性値については、実際に荷重を与えることにより撓みを発生させて、その撓み量をダイヤルゲージにより測定した。また、与えた荷重の大きさはバネ秤により測定した。ワーク１、切削工具２、切削加工機械の全体での「荷重と撓みとの変化」は図６のようになり、荷重と撓み量の直線関係の傾きの逆数として剛性値が求められる。本実施例では、Ｋ_v＝５７００Ｎ／ｍｍ，Ｋ_h＝２９０００Ｎ／ｍｍとなった。

次に、実際にワーク１の切削加工を行い、加工精度の測定を行った。
直径３０ｍｍのワーク１を補正無しに切削し直径の誤差を測定したところ＋０．０２９ｍｍとなった。このように、切込み量に補正を与えない場合、＋０．０２９ｍｍもの直径の誤差が生じ、部品の寸法公差にもよるが、場合により許容公差を超えてしまう恐れがある。
一方、式（１）によりエッジフォースに起因する撓み量を求めた上、式（２）で半径誤差Ｅを算出して切込み量に補正を加えた。幅１０ｍｍ平バイトに加わるエッジフォースはＦｅ_v＝３９３Ｎ、Ｆｅ_h＝３５６Ｎであるため、式（１），式（２）から算出される半径誤差Ｅは＋０．０１２５ｍｍとなる。直径誤差２Ｅで考えると＋０．０２５ｍｍである。

今回のワーク１の直径公差は±０．０１０ｍｍであり、この公差範囲に対してマイナス公差に対しては１００％以内、プラス公差に対しては７０％以内となるような範囲、すなわち−０．０１０ｍｍ〜＋０．００７ｍｍの範囲に公差範囲を設定するならば、前述の直径誤差２Ｅを基にした補正量は、０．０３５ｍｍ〜０．０１８ｍｍとなる。すなわち、切削工具２に関し、当初の切込み設定量より０．０１７５ｍｍ〜０．００９ｍｍだけ多めに切り込むとよい。
そうすることで、表３の実験例６〜８のように、ワーク１の直径誤差（実際の直径−目標直径）を所定値内に収めることができると共に、ワーク１の直径を目標公差内に確実に収めることが可能となる。切り込み補正量Ｅを０．０１７５ｍｍ〜０．００９ｍｍを外れた値とする、すなわち、式（１），式（２）で求めた半径誤差Ｅを用いた補正を行わない場合、実験例９〜１１のように、ワーク１の直径誤差が大きなものとなる。

他の実施例（実験例１〜３，５，１３〜１８）でわかるように、式（１），式（２）で求めた半径誤差Ｅを用い、切削工具２の切込み量を補正すれば、ワーク１の直径を目標公差内に確実に収めることができる。
以上、本発明に係る切削加工方法は、上述した実施の形態に限定されるものではない。
本発明にかかる切削加工方法は、旋盤などに限らずフライス盤など切削加工機械全般に適用可能である。また、切削工具２は総形バイトや平バイトに限らず他形状の切削工具でもよく、フライスやドリルであっても、本発明の技術的思想を適用可能である。

また、式（２）により算出された半径誤差Ｅを基に、切削工具２の切込み量を補正するに際しては、「マイナス公差に対しては１００％以内、プラス公差に対しては７０％以内となる」ことを例示したが、それに限定されず、適宜変更可能である。例えば、プラス公差に対して８０％以内又は９０％以内としてもよい。
また、算出された半径誤差Ｅをそのままピンポイントで切込み補正量としてもよい。

切削工具（総形バイト）による切削加工の様子を示した模式図である。 切削加工の様子を示した模式図である。 エッジフォースを説明した図である。 切削抵抗を測定した結果である。 切削加工誤差の発生状況を示した模式図である。 切削工具に加わる荷重と変形量との関係を示した図である。

符号の説明

１ ワーク
２ 切削工具
Ｅ 切削加工誤差（半径誤差）

Claims (2)

1. 被加工物を切削工具を用いて切削する切削加工方法において、
   前記切削工具に発生するエッジフォースと、該切削工具、切削工具を保持する切削加工機械及び被加工物の剛性とを予め求めておき、
   前記エッジフォースと剛性とから切削加工誤差を算出し、
   算出された切削加工誤差に基づいて、前記切削工具の切込み量を補正することを特徴とする切削加工方法。
2. 被加工物を切削工具を用いて切削する切削加工機械と、
   予め求めた前記切削工具に発生するエッジフォースと、予め求めた前記切削工具、切削加工機械及び被加工物の剛性とから切削加工誤差を算出して、算出された切削加工誤差に基づいて、前記切削工具の切込み量の補正値を算出する誤差補正部と、
   前記誤差補正部が算出した切込み量の補正値を前記切削工具に適用する制御部と、
   を備えたことを特徴とする切削加工装置。