JP2014087887A

JP2014087887A - 工作機械

Info

Publication number: JP2014087887A
Application number: JP2012239362A
Authority: JP
Inventors: Kohei Nishimura; 浩平西村; Kiyoshi Yoshino; 清吉野; Shigeki Ueno; 茂樹上野; Eiji Shamoto; 英二社本
Original assignee: Nagoya University NUC; Okuma Corp; Okuma Machinery Works Ltd
Current assignee: Nagoya University NUC; Okuma Corp
Priority date: 2012-10-30
Filing date: 2012-10-30
Publication date: 2014-05-15
Anticipated expiration: 2032-10-30
Also published as: JP5984183B2; US20140121817A1; DE102013221874A1; CN103785905B; ITMI20131738A1; CN103785905A; US9690283B2

Abstract

【課題】作業者が切削モード等に応じて同一回転速度切削パス数を都度判断する必要のない工作機械を提供する。
【解決手段】同一回転速度切削パス数を決定する同一回転速度切削パス数演算部１４を備え、設定された加工プログラム等からねじ切り加工の切削モードを判別し、切削モードに応じて最適な同一回転速度切削パス数を自動的に決定するようにした。したがって、熟練していない作業者であってもびびり振動の抑制を容易に図ることができ、使い勝手が良い。
【選択図】図１

Description

本発明は、たとえばねじ切り加工が可能な旋盤等の工作機械に関するものである。

工作機械を用いて加工を行う際（特に低剛性のワークに対して加工を行ったり、低剛性の工具により加工を行う際）、加工中にびびり振動と呼ばれる激しい振動がしばしば発生し、加工面に所謂びびりマークが生じてしまったり、工具が欠損してしまう等、従来問題となっている。そこで、たとえば特許文献１に開示されているように、ねじ切り加工サイクル中に主軸回転速度を変更することにより、上述したようなびびり振動を抑制しようとする技術が考案されている。また、出願人は、本件出願に先立って、ねじ切り加工サイクル中に主軸回転速度をパス単位で変更するにあたり、全てのパスにおけるねじ切り上げ角度を等しくすることで切削負荷の増大抑制を可能とする技術を考案した（特願２０１２−１２１１０７）。

特開２００４−２０９５５８号公報

しかしながら、上記従来の技術では、主軸回転速度を変更する方法の例として、主軸回転速度を変動させる方法と、仕上げ加工の場合に主軸回転速度を変更する方法と、１パス毎に主軸回転速度を変更する方法とが挙げられているものの、適切な変更方法については明らかにされていない。そのため、たとえば工具パスの切込様式（以下、切削モードと称す）を所謂千鳥切削モードとすると、今回の切削時に大きく影響を及ぼす要因は２パス前の切削面であることから、１パス前の切削に応じて変更した主軸回転速度では、必ずしもびびり振動の効果的な抑制が期待できないという場合があった。したがって、主軸回転速度を変更するにあたり、同一の主軸回転速度で継続して切削するパス数（以下、同一回転速度切削パス数と称す）をどのように設定するか、切削モード等に応じて都度判断しなければならず、熟練していない作業者にとっては使い勝手が悪いという問題がある。

そこで、本発明は、上記問題に鑑みなされたものであって、作業者が切削モード等に応じて同一回転速度切削パス数を都度判断する必要のない工作機械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、軸状のワークを装着する把持装置と、前記ワークに対してその径方向及び軸方向へ移動可能な工具と、前記ワークと前記工具とを相対的に前記ワークの軸線周りに回転させながら、前記ワークに対して前記工具を径方向へ切り込ませて前記軸方向へ移動させた後、前記工具を径方向へ逃がすといった工具パスを繰り返してねじ切り加工を行う加工制御手段と、前記回転速度を工具パス単位で変更可能な回転速度制御手段と、前記工具パス毎の前記ワークと前記工具との相対的な回転速度を演算する回転速度演算部とを備えた工作機械であって、前記加工制御手段が、前記工具の切込様式の異なる複数種類の切削モードで前記ねじ切り加工可能である一方、前記切削モードを判別し、前記回転速度を何回の前記工具パス毎に変更するかを前記切削モードに応じて決定する同一回転速度切削パス数演算部を備えたことを特徴とする。
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、回転軸方向及び切り込み方向へ生じる振動を検出するための振動検出手段と、検出された振動から振動しやすい方向を判定する振動方向判定部と、前記複数種類の切削モードから１つの切削モードを決定する切削モード決定部とを備えており、前記切削モード決定部が、前記振動しやすい方向に応じて１つの切削モードを決定し、前記加工制御手段は、前記切削モード決定部により決定された切削モードにて加工を行うことを特徴とする。
請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の発明において、前記切削モードとして、両刃切削モード、片刃切削モード、及び千鳥切削モードが設定されていることを特徴とする。

本発明によれば、切削モードを判別し、回転速度を何回の工具パス毎に変更するかを切削モードに応じて決定する同一回転速度切削パス数演算部を備えているため、設定された加工プログラム等からねじ切り加工の切削モードを判別し、たとえば両刃切削モードであると１パス毎に変更すると決定する一方、千鳥切削モードであると２パス毎に変更すると決定する等、切削モードに応じて最適な同一回転速度切削パス数を自動的に決定するようになっている。したがって、熟練していない作業者であってもびびり振動の抑制を容易に図ることができ、使い勝手が良い。
また、請求項２に記載の発明によれば、振動しやすい方向に応じてびびり振動が生じにくい切削モードを決定し、当該切削モードにて加工を行うため、びびり振動の一層の抑制を図ることができる。

旋盤の全体的な構成を示した説明図である。旋盤でのねじ切り加工サイクルにおける工具パスの一例について示した説明図である。ねじ切りサイクル加工中に主軸回転速度を変更する様子の一態様を示した説明図である。両刃切削モード、片刃切削モード、及び千鳥切削モードの３種類の切削モードにおけるそれぞれの工具パス、及び前加工面から影響を受ける幅を示した説明図である。最終の工具パスにおける切削が高速回転速度での切削となる主軸回転速度の変更態様を示した説明図である。変更実施形態となる旋盤の全体的な構成を示した説明図である。

以下、本発明の一実施形態となる工作機械について、図面にもとづき詳細に説明する。

まず旋盤１の全体的な構成について図１にもとづき説明すると、旋盤１は、主軸２の先端に爪４を有するチャック３を備えてなり、該チャック３によって軸状のワーク５を把持可能となっている。また、主軸２を回転可能に支持する主軸台８内には、主軸２を回転させるためのモータ７、及び主軸２の主軸回転速度を検出するためのエンコーダ６が内臓されている。

一方、９は、エンコーダ６によって主軸２の主軸回転速度を監視しつつ主軸２の主軸回転速度を制御するための主軸制御部である。また、１０は、旋盤１全体の挙動を制御する旋盤制御部であって、上記主軸制御部９、切削モードを設定したり主軸回転速度の変更を指示したりするための入力手段１１、加工プログラム等を記憶する記憶部１２、主軸回転速度を演算する回転速度演算部１３、同一回転速度切削パス数（すなわち同一の主軸回転速度で継続して切削するパス数）を決定する同一回転速度切削パス数演算部１４、及び最終の工具パスにおける切削が高速回転速度での切削となるように最初のパス（１回目のパス）における主軸回転速度を演算するための１パス目の回転速度演算部１５と接続されている。そして、旋盤１では、主軸制御部９を介してワーク５の回転速度（すなわち主軸回転速度）を制御する他、工具１９を回転中のワーク５の周面へ切り込ませるとともに、ワーク５や工具１９を回転軸方向及び径方向へ送るといった加工動作についても周知の構成により制御するようになっている。

次に、旋盤１による加工の一形態であるねじ切り加工サイクルにおける工具パスの一例について、図２にもとづき説明する。
上記旋盤１では、記憶部１２に記憶されている加工プログラムにしたがい、主軸制御部９による制御のもとモータ７へ電力が供給されて主軸２を所定の主軸回転速度で回転させてワーク５を軸線周りで回転させるとともに、旋盤制御部１０の制御のもと、刃物台２０に固定した工具１９をワーク５の径方向に切り込ませ、長手方向（回転軸方向）に送ってねじ部Ａの加工を行った後に、工具１９を径方向へ逃がすという工具パス（図２において矢印で示す）を１サイクルとして複数回繰り返すことにより、ねじを加工するようになっている。

また、旋盤１によるねじ切りサイクル加工中には、主軸回転速度を低速としたり又は高速としたり所定の周期で変更している。そこで、ねじ切りサイクル加工中に主軸回転速度を変更する様子の一態様を図３に示すとともに簡略に説明する。
図３において、Ｓ０は基準回転速度、Ｗは主軸回転速度変更幅であり、入力手段１１により作業者が予め入力するものである。そして、回転速度演算部１３は、それらのパラメータをもとに下記式（１）で高速回転速度ＳＨと低速回転速度ＳＬとを算出し、主軸回転速度を１パス毎に高速回転速度ＳＨ又は低速回転速度ＳＬの何れかに変更するようになっている。これにより、全てのパスを一定の主軸回転速度で切削する場合に比べ、びびり振動の成長を抑制することができる。

ここで、同一回転速度切削パス数演算部１４による同一回転速度切削パス数の決定について説明する。なお、旋盤１では、切削モード（すなわち工具パスの切込様式）の実施形態である両刃切削モード、片刃切削モード、及び千鳥切削モードの３種類の切削モードが設定可能であるとする。また、図４は、上記３種の切削モードにおけるそれぞれの工具パス、及び前加工面から影響を受ける幅（以下、再生幅と称す）を示した説明図である。
図４（ａ）に示す両刃切削モードは、工具１９の刃先における左右両側（図２における左右両側）の切れ刃で切削する切削モードであって、図４（ａ）中における最も小さなｖ字面が１パス目の工具パスとなり、加工が進むにつれて工具パスは徐々に大きなｖ字面へと移行し、最も大きなｖ字面が１０パス目の工具パスとなる。したがって、両刃切削モードにおけるｎパス目の加工はｎ−１パス目の加工面にのみ影響を受けることになり、１０パス目の加工における１パス前の再生幅は、図４（ａ）中のｂｄ１ａとなる。

また、図４（ｂ）に示す片刃切削モードは、工具１９の刃先における左側の切れ刃で切削する切削モードであって、図４（ｂ）中における最も右側の小さなｖ字が１パス目の工具パスとなり、加工が進むについて工具パスは徐々に左側の傾斜面を含んだｖ字面へ移行し、最も左側の傾斜面を含んだ大きなｖ字が１０パス目の工具パスとなる。したがって、片刃切削モードにおけるｎパス目の加工についてもｎ−１パス目の加工面にのみ影響を受けることになり、１０パス目の加工における１パス前の再生幅は、図４（ｂ）中のｂｄ１ｂとなる。

一方、図４（ｃ）に示す千鳥切削モードは、工具１９の左右の切れ刃を１パス毎に交互に利用して切削する切削モードであって、図４（ｃ）中における最も小さなｖ字面が１パス目の工具パスとなり、加工が進むにつれて工具パスは交互に左右の傾斜面を含んだｖ字面へと移行し、左右最も大きな傾斜面を含んだｖ字面が１０パス目の工具パスとなる。したがって、千鳥切削モードにおけるｎパス目の加工はｎ−１パス目の加工面及びｎ−２パス目の加工面の影響を受けることになり、１０パス目の加工における１パス前の再生幅は図４（ｃ）中のｂｄ１ｃ、２パス前の再生幅は図４（ｃ）中のｂｄ２ｃとなる。ここで、再生幅とびびり振動との関係を考えると、再生幅が大きいほど前加工面の影響を受けてびびり振動が発生しやすい。そのため、千鳥旋削モードでは、２パス前の再生幅の方が１パス前の再生幅よりも大きいため、２パス前の加工面の影響によりびびり振動が発生しやすいと言える。

以上を鑑み、旋盤１では、同一回転速度切削パス数演算部１４が、設定された加工プログラム等からねじ切り加工の切削モードを判別し、切削モードとして千鳥切削モードが設定されていると同一回転速度切削パス数を「２」とする一方、両刃切削モード及び片刃切削モード（すなわち千鳥切削モード以外の切削モード）が設定されていると同一回転速度切削パス数を「１」とするようになっている。

次に、１パス目の回転速度演算部１５による１パス目の主軸回転速度の算出について説明する。図５は、最終の工具パスにおける切削が高速回転速度での切削となる主軸回転速度の変更態様を示した説明図である。
図５中のＣは同一回転速度切削パス数であり、Ｎは総切り込み回数であって、図５に示す加工ではＣ＝２、Ｎ＝６となっている。また、図５中のＰは主軸回転速度の変更周期であり、（ｎ）はＰ内の切削パスの順序を表し、ｓ（ｎ）（ｎ＝１、２・・、Ｐ）はＰ内で切削を行うパスでの主軸回転速度である。ここで、ｓ（１）〜ｓ（Ｃ）では高速回転速度ＳＨで主軸２を回転させる一方、ｓ（Ｃ＋１）〜ｓ（Ｐ）では低速回転速度ＳＬで主軸２を回転させるものとする。すると、１パス目の回転速度演算部１５では、下記式（２）〜（４）で１パス目の主軸回転速度ｓｓを算出する。すなわち、ｓ（１）〜ｓ（Ｃ）における高速回転速度ＳＨと、ｓ（Ｃ＋１）〜ｓ（Ｐ）における低速回転速度ＳＬとのどちらを１パス目の主軸回転速度ｓｓとするかを決定する。
Ｐ＝２×Ｃ・・・（２）
ｎｍ＝（Ｎ−１）ｍｏｄＰ・・・（３）
ｓｓ＝ｓ（Ｐ−ｎｍ＋１）・・・（４）
なお、総切り込み回数Ｎについては、総切り込み量を１パスあたりの切り込み量で除することにより算出することができる。

以上のような旋盤１によれば、同一回転速度切削パス数を決定する同一回転速度切削パス数演算部１４を備えており、設定された加工プログラム等からねじ切り加工の切削モードを判別し、切削モードに応じて最適な同一回転速度切削パス数を自動的に決定するようになっている。したがって、熟練していない作業者であってもびびり振動の抑制を容易に図ることができ、使い勝手が良い。
また、１パス目の回転速度演算部１５を備えており、最終の工具パスにおける切削を高速回転速度での切削とするには、１パス目における主軸回転速度を高速回転速度ＳＨとすればよいのか、それとも、低速回転速度ＳＬとすればよいのか自動的に決定するようになっている。したがって、最終の工具パスにおける切削が低速回転速度で行われてしまうような事態を確実に防止することができる。

なお、本発明に係る工作機械は、上記実施形態の態様に何ら限定されるものではなく、工作機械の全体的な構成は勿論、主軸回転速度の変更態様等について、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、上記実施形態の旋盤１では、切削モードを手動により設定するとしているが、主軸に生じる振動を検出することにより、振動を抑制しやすい切削モードを自動で設定するように構成することも可能である。以下、そのような変更実施形態となる旋盤２１について、図６にもとづき説明する。なお、図６において、図１に記載の旋盤１と同じ構成要素については同じ符号を付している。
旋盤２１は、旋盤１と同様の構成を有した上で、更に主軸台８内における主軸２の近傍に、主軸２に生じる振動を検出する振動センサ１８を内蔵してなる。また、旋盤２１の全体の挙動を制御する旋盤制御部２２には、振動センサ１８からの出力に応じて振動しやすい方向を判定する振動方向判定部１６、及び振動しやすい方向にもとづいて切削モードを決定する切削モード決定部１７が接続されている。

上記旋盤２１では、両刃切削モードを自動的に選択して加工を開始した後、振動センサ１８によって主軸２に生じる切り込み方向における振動と軸方向における振動とを検出し、振動方向判定部１６において振動の大きい方向を振動しやすい方向として判断する。そして、切り込み方向に振動しやすい場合、切削モード決定部１７は、両刃切削モードに比べて切り込み方向に見た切削幅が小さくなるために切削断面積が変動しにくく、さらに合成切削力に占める切り込み方向成分（背分力）の割合が小さくなる片刃切削モード又は千鳥切削モードを選択し、切削モードを両刃切削モードから片刃切削モード又は千鳥切削モードへと変更し加工を継続する。一方、軸方向に振動しやすい場合、切削モード決定部１７は、切削モードのうち、片刃切削モードや千鳥切削モードと比べて、軸方向で見た切削幅が小さくなるために切削断面積が変動しにくく、さらに合成切削力にしめる軸方向成分（送り方向分力）の割合が小さくなる両刃切削モードを選択し、切削モードを変更することなく加工を継続する。また、切削モードを変更した場合、１パス目の回転速度演算部１５では、総切り込み回数に代えて残りの切り込み回数をＮに代入し、上記式（２）〜（４）で切削モード変更後の１パス目の主軸回転速度ｓｓを算出する。なお、切削モードを変更するに際して片刃切削モードと千鳥切削モードとのいずれの切削モードを選択するかについては、予め作業者が設定するようにしてもよいし、加工プログラム等にもとづいて自動的に決定するようにしてもよい。

以上のような旋盤２１によっても、熟練していない作業者であってもびびり振動の抑制を容易に図ることができる、最終の工具パスにおける切削が低速回転速度で行われてしまうような事態を確実に防止することができる等といった旋盤１と同様の効果を期待することができる。
さらに、主軸２に生じる振動を検出する振動センサ１８が設けられているとともに、振動しやすい方向を判定する振動方向判定部１６、及び振動しやすい方向にもとづいて切削モードを決定する切削モード決定部１７が備えられており、振動しやすい方向に応じてびびり振動が生じにくい切削モードを決定し、当該切削モードにて加工を行うため、びびり振動の一層の抑制を図ることができる。

また、他の変更例としては、たとえば上記実施形態及び変更実施形態では、最終の工具パスにおける切削が高速回転速度での切削となるようにしているが、びびり振動が発生しやすい等の理由から、最終の工具パスではなく特定回数目の工具パスにおける切削が高速回転速度での切削となるように構成することも可能であり、高速回転速度で切削したいパス（若しくは当該パスまでの残りの切り込み回数）をＮとして、上記式（２）〜（４）により１パス目（若しくは切削モード変更後における１パス目）の主軸回転速度ｓｓを算出すればよい。

また、上記実施形態及び変更実施形態のねじ切り加工に係る制御は、外径のねじ切り加工のみならず、筒状部等における内径のねじ切り加工についても採用可能である。
さらに、上記実施形態及び変更実施形態では、切削モードとして両刃切削モード、片刃切削モード、及び千鳥切削モードの３種類の切削モードを設定可能としているが、更に別の切削モードを設定可能としてもよいし、逆に千鳥切削モードを含む２種類しか設定できないとしても何ら問題はない。

さらにまた、上記変更実施形態において切削モードを手動でも入力可能とし、手動で入力されている場合には、両刃切削モードではなく入力された切削モードにより加工を開始したり、切削モードの変更を行わないようにしたりすることも可能である。
またさらに、上記変更実施形態では振動センサ１８を主軸台８に内蔵しているが、振動センサ１８を刃物台２０に設置し、ワーク５に生じる振動を検出するように構成しても何ら問題はない。
加えて、上記実施形態及び変更実施形態では、工作機械の一実施形態であるワークを回転させる旋盤について説明しているが、主軸の回転に変えて送り軸で工具とワークを相対的に回転させることにより同様の加工を行うマシニングセンタ等といった他の工作機械であってもよい。

１、２１・・旋盤（工作機械）、２・・主軸（回転軸）、３・・チャック（把持装置）、４・・爪、５・・ワーク、６・・エンコーダ、７・・モータ、９・・主軸制御部（回転速度制御手段）、１０、２２・・旋盤制御部（加工制御手段）、１１・・入力手段、１２・・記憶部、１３・・回転速度演算部、１４・・同一回転速度切削パス数演算部、１５・・１パス目の回転速度演算部（特定回転速度演算部）、１６・・振動方向判定部、１７・・切削モード決定部、１８・・振動センサ（振動検出手段）、１９・・工具、２０・・刃物台。

Claims

軸状のワークを装着する把持装置と、前記ワークに対してその径方向及び軸方向へ移動可能な工具と、前記ワークと前記工具とを相対的に前記ワークの軸線周りに回転させながら、前記ワークに対して前記工具を径方向へ切り込ませて前記軸方向へ移動させた後、前記工具を径方向へ逃がすといった工具パスを繰り返してねじ切り加工を行う加工制御手段と、前記回転速度を工具パス単位で変更可能な回転速度制御手段と、前記工具パス毎の前記ワークと前記工具との相対的な回転速度を演算する回転速度演算部とを備えた工作機械であって、
前記加工制御手段が、前記工具の切込様式の異なる複数種類の切削モードで前記ねじ切り加工可能である一方、
前記切削モードを判別し、前記回転速度を何回の前記工具パス毎に変更するかを前記切削モードに応じて決定する同一回転速度切削パス数演算部を備えたことを特徴とする工作機械。
回転軸方向及び切り込み方向へ生じる振動を検出するための振動検出手段と、検出された振動から振動しやすい方向を判定する振動方向判定部と、前記複数種類の切削モードから１つの切削モードを決定する切削モード決定部とを備えており、
前記切削モード決定部が、前記振動しやすい方向に応じて１つの切削モードを決定し、前記加工制御手段は、前記切削モード決定部により決定された切削モードにて加工を行うことを特徴とする請求項１に記載の工作機械。
前記切削モードとして、両刃切削モード、片刃切削モード、及び千鳥切削モードが設定されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の工作機械。