JP2010012563A - 加工方法及び加工装置 - Google Patents

Abstract

【課題】単位時間当たりの除去量が変化する加工工程において、除去量の変化に応じて工具の熱変位を補正することで加工精度を向上させる。
【解決手段】端面旋削加工を行う加工装置の、加工プログラム入力装置７に入力された加工プログラムによる加工条件と工具１の刃先形状から、除去量算出器８で単位時間当たりの除去量を算出する。算出した単位時間当たりの除去量より、発熱量算出器９、温度変化演算器１０、熱変位演算器１１において、加工による発熱量、工具１の温度変化、工具１の熱変位量を算出する。加工プログラム補正装置１２で熱変位量を補正した指令値を作成し、ＮＣ装置１３からＸＹテーブル３に出力することにより、切削熱による工具１の熱変位を補正する。
【選択図】図１

Description

本発明は、高精度に切削加工等を行う加工装置において、加工中の切削熱等による工具の熱変位を補正する加工方法及び加工装置に関するものである。

加工機械の加工精度を悪化させる要因として、環境温度の変化、主軸やモーターによる機械自身の発熱、及び加工中の切削熱等による機械各部の熱変位がある。工具の熱変位対策としては、例えば、特許文献１に開示されたように、加工中の工具に高圧クーラントを噴射して冷却を行う方法がある。また、特許文献２に開示されたように、工具を低熱膨張材で形成する方法があり、特許文献３には、工具に温度センサを設けて、工具の熱変位量を推定し、補正を行う方法が提案されている。

特開平６−１３４６４８号公報 特開平５−３１８２７５号公報 特開昭６３−２６４５号公報

しかしながら、上記従来例のように工具を冷却する方法では、加工中に切削熱の変化がある場合に工具の温度が一定とならず熱変位してしまうという問題点があった。実際の加工時における工具温度を測定すると、例えば、図４に示すようなグラフが得られる。図４は、半径１５ｍｍの被加工物を切り込み量１０μｍ、主軸の回転速度３８００ｒｐｍ、走査速度５０μｍ／ｓで被加工物の外側から中心に向けて端面旋削加工を行った時の工具の温度測定結果を示すグラフである。このグラフより、加工開始から工具の温度が上昇した後、被加工物の中心に向かうにつれて工具の温度が下がっており、工具を冷却する方法では温度を一定に保てないことが分かる。

また、工具を低熱膨張材で形成する方法では、コストが高くなるという問題点があった。

温度センサを用いる方法では、加工時に用いる切削油が温度センサに付着するために測定精度が悪化するという問題点や、工具交換のたびに温度センサを設置する段取りを要するという問題点があった。

本発明は、特殊な工具や温度センサを用いることなく加工中の切削熱等による工具の熱変位を補正し、加工精度を向上させることができる加工方法及び加工装置を提供することを目的とするものである。

上記目的を達成するため、本発明の加工方法は、加工プログラムに従って駆動される工具によって被加工物を加工する加工方法において、前記加工プログラムに基づいて、単位時間当たりの除去量を算出する第１工程と、前記除去量より加工中の前記工具の温度変化を算出する第２工程と、前記温度変化から前記工具の熱変位量を推定する第３工程と、前記工具の熱変位量を相殺するように前記加工プログラムの指令値を補正する第４工程と、を有することを特徴とする。

本発明の加工装置は、加工プログラムに従って被加工物を回転させ、工具を切り込み方向と走査方向に駆動して端面旋削加工を行う加工装置において、前記加工プログラムに基づいて、単位時間当たりの除去量を算出する手段と、前記除去量より前記工具の熱変位量を演算する手段と、前記工具の熱変位量を相殺するように前記加工プログラムの指令値を補正する手段と、を有することを特徴とする。

加工プログラムに基づいて単位時間当たりの除去量を求めて、切削熱による工具の熱変位を推定するので、特殊な工具やセンサを用いることなく加工中の工具の熱変位の補正を行うことができ、低コストで高精度な加工を可能にする。

本発明を実施するための最良の形態を図面に基づいて説明する。

図１に示すように、工具１によって端面旋削加工を行う加工装置は、加工プログラム入力装置７、除去量算出器８、発熱量算出器９、温度変化演算器１０、熱変位演算器１１、加工プログラム補正装置１２、ＮＣ装置１３等を備える。加工プログラム入力装置７に入力された回転速度、送り速度（走査速度）、切り込み量からなる加工条件と工具の刃先形状から除去量算出器８で単位時間当たりの除去量を算出する。算出した単位時間当たりの除去量より、発熱量算出器９、温度変化演算器１０、熱変位演算器１１において、加工による発熱量、工具の温度変化、工具の熱変位量を推定（演算）する。加工プログラム補正装置１２は、熱変位量を相殺するように補正した指令値を作成し、ＮＣ装置１３から加工装置に出力する。このようにして、切削熱による工具１の熱変位を補正する。

あるいは、図２に示すように、除去量算出器８の出力を温度変化演算器１０に導入し、工具形状、工具材質、被加工物４の材質によって決まる定数を用いた計算式によって工具１の温度変化を求める構成でもよい。

図１に示すように、本実施例による端面旋削加工のための加工装置は、工具１と、工具１を固定する工具ホルダー２と、工具ホルダー２を保持し、端面旋削加工における切り込み方向（Ｙ方向）と走査方向（Ｘ方向）に駆動するＸＹテーブル３と、を有する。また、被加工物４を保持し、Ｙ軸中心に高速回転する主軸５は、定盤６に支持される。

制御系は、加工プログラム入力装置７と、除去量算出器８と、発熱量算出器９と、温度変化演算器１０と、熱変位演算器１１と、加工プログラムを補正する加工プログラム補正装置１２と、ＮＣ装置１３等を備え、矢印はデータの流れを示している。

まず、加工プログラム入力装置７に、ＸＹテーブル３による切り込み量と走査速度、主軸５の回転速度、工具１の刃先形状を入力する。このように加工プログラムに入力された情報より、切削による単位時間当たりの除去量を除去量演算器８で算出する。加工プログラムに基づく除去量の算出は、以下の方法によって行う。

図３（ａ）は、端面旋削加工における工具１と被加工物４の位置関係を示したものである。同図において、工具１の被加工物４への切り込み量Ｍ１、工具１の走査方向Ｒ１、主軸５に固定されている被加工物４の回転方向Ｒ２、１回転当たりの工具１の移動量Ｍ２、除去面積Ｍ３とする。また、主軸５の回転中心Ｏ、主軸５の回転中心Ｏから工具１までの半径方向距離Ｄ、１回転前の工具位置１ａとすると、１回転当たりの工具１の移動量Ｍ２は、工具走査速度を被加工物４の回転速度で割ることにより求められる。求められた１回転当たりの工具１の移動量Ｍ２と切り込み量Ｍ１、工具１の刃先形状により工具１が被加工物４に接する除去面積Ｍ３が算出される。また、被加工物４の回転速度と回転中心Ｏからの半径方向距離Ｄより単位時間当たりの円周方向の除去長さが求まり、除去長さと除去面積Ｍ３より単位時間当たりの除去量が算出される。ここで、半径方向距離Ｄが加工時間により変わるので除去量は時間により変化している。

次に、発熱量算出器９で加工による単位時間当たりの発熱量を単位時間当たりの除去量と被加工物４の材質より算出する。発熱量を求める第１の方法として、切削理論に基づいて算出する方法がある。発熱量を求める第２の方法として、単位時間当たりの除去量及び被加工物４の材質に応じた切削による単位時間当たりの発熱量のデータベースを事前に作っておき、このデータベースより読み取る（求める）方法がある。例えば、図４に示す温度測定時における単位時間当たりの除去量は図５のように求められ、図４及び図５から単位時間当たりの除去量に対する発熱量を求めることができる。このような基礎実験を複数の加工条件で行うことにより発熱量のデータベースを作成しておくことができる。

温度変化演算器１０では、加工中の工具１の温度変化を有限要素法による非定常熱解析により算出する。解析の境界条件は、求められている切削による発熱量、加工時の切削油が付着した状態の工具の熱伝達率、加工雰囲気の温度、工具の材質及び形状である。ここで、前記熱伝達率は、切削油を使用している状態で工具の温度を測定することにより同定しておく。

熱変位演算器１１は、工具の熱変位量を、温度変化で作成した有限要素モデルより構造解析を行うことにより算出する。

加工プログラム補正装置１２は、加工プログラム入力装置７に入力されている加工プログラムから、熱変位演算器１１で推定された工具１の熱変位量を相殺するように補正した指令値を作成する。ＮＣ装置１３は、このように工具１の熱変位量を補正した加工プログラムによる指令値を出し、ＸＹテーブル３を駆動する。

単位時間当たりの除去量から切削熱による工具の熱変位を推定するので、特殊な工具やセンサを用いることなく高精度に切削熱による工具の熱変位の補正を行うことができる。

なお、本実施例は、上記の端面旋削加工に限定されることなく、加工中に単位時間当たりの除去量が変化する他の加工に対しても同様に適用できる。

図２は、実施例２による加工装置を示す。これは端面旋削加工のための加工装置であり、工具１と、工具１を固定する工具ホルダー２と、工具ホルダー２を保持し、端面旋削加工における切り込み方向（Ｙ方向）と走査方向（Ｘ方向）に駆動するＸＹテーブル３と、を有する。また、被加工物４を保持し、Ｙ軸中心に高速回転する主軸５は、定盤６に支持される。

制御系は、加工プログラム入力装置７と、除去量算出器８と、温度変化演算器１０と、熱変位演算器１１と、加工プログラム補正装置１２と、ＮＣ装置１３等を備え、矢印はデータの流れを示している。

まず、加工プログラム入力装置７に、ＸＹテーブル３による切り込み量と走査速度、主軸５の回転速度、工具１の刃先形状を入力する。入力された情報より、切削による単位時間当たりの除去量を除去量演算器８で算出する。この除去量の算出は、以下の方法によって行う。

図３（ａ）は、端面旋削加工における工具１と被加工物４の位置関係を示したものである。同図において、工具１の被加工物４への切り込み量Ｍ１、工具１の走査方向Ｒ１、主軸５に固定されている被加工物４の回転方向Ｒ２、１回転当たりの工具１の移動量Ｍ２、除去面積Ｍ３とする。また、主軸５の回転中心Ｏ、主軸５の回転中心Ｏから工具１までの半径方向距離Ｄ、１回転前の工具位置１ａとすると、１回転当たりの工具１の移動量Ｍ２は、工具走査速度を被加工物４の回転速度で割ることにより求められる。求められた１回転当たりの工具１の移動量Ｍ２と切り込み量Ｍ１、工具１の刃先形状により工具１が被加工物４に接する除去面積Ｍ３が算出される。また、被加工物４の回転速度と回転中心Ｏからの半径方向距離Ｄより単位時間当たりの円周方向の除去長さが求まり、除去長さと除去面積Ｍ３より単位時間当たりの除去量が算出される。ここで、半径方向距離Ｄが加工時間により変わるので除去量は時間により変化している。

次に、温度変化演算器１０で単位時間当たりの除去量より工具１の温度変化を算出する。この工具１の温度変化を算出するのに用いる計算式を、以下に示す。

上式において、ΔＴ（ｔ）は温度変化量、Ｖ（ｔ）は単位時間当たりの除去量、ｔは加工開始からの時間である。Ａ、Ｂ、Ｃは、工具１の形状及び材質、加工環境、被加工物４の材質により決まる定数であり、実際に工具１の温度を測定しながら除去量が変化する加工を行うことによって同定する。例えば、図４に示す温度測定時における単位時間当たりの除去量は加工プログラムにより図５のように求められ、図４及び図５から以下のように同定を行うことができる。

Ａは、図４のグラフにおいて加工開始から時間が経過し工具の温度変化が一定となっているａからｂの範囲における傾きと、図５のグラフにおいて、図４のグラフのａからｂの範囲と同時間であるｃからｄの範囲における傾きより求められる。

Ｂは、上式に図４におけるｔ＝０の値ｃ、図５におけるｔ＝０の値ｆ、先に求めたＡを代入し、ｔ＝０を計算することにより求められる。

Ｃは、図４のｃからａまでの遅れ時間であり、上式が図４に一致するように繰り返し調整することにより定まる。

このようにして、Ａ、Ｂ、Ｃを求めることで、単位時間当たりの除去量より工具の温度変化を算出できる。

温度変化演算器１０で算出した工具１の温度変化から、熱変位演算器１１で以下の式を用いて熱変位量を算出する。

ここで、ΔＬ（ｔ）は熱変位量、Ｄは工具１の材質により決まる熱膨張係数、ΔＴ（ｔ）は温度変化量である。図３（ｂ）は、工具１の工具ホルダー２による固定方法を示すもので、イモネジ１４によって工具１を工具ホルダー２に固定している。Ｌは、図３（ｂ）に示すように、工具１をイモネジ１４により固定している場所から工具先端までの長さである。

加工プログラム補正装置１２は、加工プログラム入力装置７に入力されている加工プログラムから、熱変位演算器１１で推定された工具の熱変位量を補正した指令値を作成する。ＮＣ装置１３は、このように工具の熱変位量を補正した加工プログラムによる指令値を出し、ＸＹテーブル３を駆動する。

単位時間当たりの除去量から切削熱による工具の熱変位を推定するので、特殊な工具やセンサを用いることなく高精度に切削熱による工具の熱変位の補正を行うことができる。

なお、本実施例は、上記の端面旋削加工に限定されることなく、加工中に単位時間当たりの除去量が変化する他の加工に対しても同様に適用できる。

実施例１を説明する説明図である。 実施例２を説明する説明図である。 実施例１，２において単位時間当たりの除去量を算出する方法と、工具の熱変位を説明する説明図である。 端面旋削加工を行った時の工具の温度変化を示すグラフである。 端面旋削加工を行った時の除去量の変化を示すグラフである。

符号の説明

１ 工具
２ 工具ホルダー
３ ＸＹテーブル
４ 被加工物
５ 主軸
６ 定盤
７ 加工プログラム入力装置
８ 除去量算出器
９ 発熱量算出器
１０ 温度変化演算器
１１ 熱変位演算器
１２ 加工プログラム補正装置
１３ ＮＣ装置

Claims (6)

1. 加工プログラムに従って駆動される工具によって被加工物を加工する加工方法において、
   前記加工プログラムに基づいて、単位時間当たりの除去量を算出する第１工程と、
   前記除去量より加工中の前記工具の温度変化を算出する第２工程と、
   前記温度変化から前記工具の熱変位量を推定する第３工程と、
   前記工具の熱変位量を相殺するように前記加工プログラムの指令値を補正する第４工程と、を有することを特徴とする加工方法。
2. 前記第３工程において、前記温度変化と前記工具の材質及び形状から前記工具の熱変位量を算出することを特徴とする請求項１に記載の加工方法。
3. 前記第２工程において、単位時間当たりの除去量と被加工物の材質から加工中の前記工具の温度変化を算出することを特徴とする請求項１又は２に記載の加工方法。
4. 前記第２工程において、単位時間当たりの除去量と被加工物の材質に応じて事前に作成された単位時間当たりの発熱量のデータベースから加工中の発熱量を求めて、前記発熱量と前記工具の材質及び形状から加工中の前記工具の温度変化を算出することを特徴とする請求項１又は２に記載の加工方法。
5. 前記第２工程において、前記工具の温度変化は以下の式によって求めることを特徴とする請求項３に記載の加工方法。
   

   

   ここで、ΔＴ（ｔ）：温度変化量
   Ｖ（ｔ）：単位時間当たりの除去量
   Ａ、Ｂ、Ｃ：被加工物の材質、工具の材質及び形状によって決まる定数
6. 加工プログラムに従って被加工物を回転させ、工具を切り込み方向と走査方向に駆動して端面旋削加工を行う加工装置において、
   前記加工プログラムに基づいて、単位時間当たりの除去量を算出する手段と、
   前記除去量より前記工具の熱変位量を演算する手段と、
   前記工具の熱変位量を相殺するように前記加工プログラムの指令値を補正する手段と、を有することを特徴とする加工装置。

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