JP2015052927A - 穴加工方法および数値制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】加工時間が長くならず、装置が複雑化、大型化することなく、既設の工作機械へも適用可能な、切りくずを細かく分断できる穴加工方法を提供する。【解決手段】回転工具（Ｔ）とワーク（Ｗ）とを相対移動させ、ワーク（Ｗ）に穴を加工する穴加工方法において、回転工具（Ｔ）の中心軸線方向への送り速度を、送りの方向が変化しない範囲で周期的に増減するようにした。【選択図】図２

Description

本発明は、工作機械による穴加工方法および該穴加工方法を実施するための数値制御装置に関する。

ドリル加工や中ぐり加工のような穴加工に際して発生する連続的な切りくずによって、工具が損傷したり、切りくずによって加工面が損傷したり、加工機から切りくずを排出する切りくず処理装置に切りくずが詰まる等の障害が生じることが従来から問題となっている。

この問題を解決するために、従来から、穴加工中にドリルを軸方向に後退させて切りくずを加工中の穴から排出し、その後再びドリルを軸方向に前進させ、これを繰り返して、所望深さまで穴を穿設するステップフィード加工法がある。例えば、特許文献１には、カムを用いてドリルユニットを軸方向に正弦波状に往復移動させるようにした穴加工装置が開示されている。

また、特許文献２には、深穴加工中のスピンドルに作用する実負荷が、スピンドルの初期負荷に所定値を乗じた値を超えたときに、Ｚ軸を後退させるようにした深穴ドリルサイクル制御方法が開示されている。特許文献２の発明では、ドリルサイクル自体はJIS B6314、国際規格ISO 1056、米国規格 EIA RS-274といった規格によるものであることが記載されている。

更に、特許文献３には、ベース台上にリニアモータを配置し、該リニアモータ上に配置されたスピンドル台と、該スピンドル台に配置されスピンドルとを備え、リニアモータによってスピンドル台を送り方向に往復移動させるようにした穴加工機が開示されている。特許文献３の発明では、リニアモータによってスピンドル台と共にスピンドルを往復移動させるので、往復移動速度および往復移動の距離を容易に変更することができる。

特開平２ー３６００９号公報 特開昭６２ー２４６４０８号公報 特開２００４−２６１９２８号公報

特許文献１の発明では、カムを用いてドリルユニットを軸方向に往復移動させているため、移動速度および往復距離（振幅）は常に固定された値となり、様々な加工条件に最適に適合させることが難しい問題がある。また、ドリルユニットの往復動作中に工具の先端が加工中の穴から露出するまで、ドリルユニットを後退させるため、往復動作に時間を要し、加工時間が長くなる。更に、ドリルユニットの往復動作に際して、ドリル先端がワークから離反してしまうので、再びドリルの先端がワークに衝触したときに、刃先が欠けたり、衝触に伴う騒音が生じたりする問題がある。なお、衝触とは衝撃のある接触のことである。

特許文献２の発明では、スピンドルに作用する負荷が高くなったときに、Ｚ軸を後退させるようにしているので、スピンドルに作用する負荷が高くなるまで切りくずは破断することなく、従って連続した切りくずが発生し易く、切りくずによって加工面に傷が生じ易い問題がある。更に、特許文献２の発明では、Ｚ軸を後退させるときに、ドリル先端がワークから離反してしまうので、特許文献１と同様の刃先の欠けや、衝触に伴う騒音の発生という問題がある。更に、特許文献２の発明では、国際規格等で決められた従来技術のドリルサイクルでは加工時間が長くなる問題を挙げて、Ｚ軸を後退させる回数を減らす対応をしているが、回数を減らしただけでＺ軸を後退する動作は残っているため、改善の余地がある。

特許文献３の発明では、リニアモータによってスピンドル台と共にスピンドルを軸方向に微小振動させるようになっているため、マシニングセンタのような汎用機には応用することが難しく、特に既設の工作機械には適用することができない。

本発明は、こうした従来技術の問題を解決することを技術課題としており、加工時間が長くならず、装置が複雑化、大型化することなく、既設の工作機械へも適用可能な、穴加工に際して発生する切りくずを細かく分断可能な穴加工方法および該穴加工方法を実施するための数値制御装置を提供することを目的としている。

更に、本発明は、穴加工に際して工具の折損や刃先の欠けのような工具損傷を防止した穴加工方法および該穴加工方法を実施するための数値制御装置を提供することを目的としている。

上述の目的を達成するために、本発明によれば、回転工具とワークとを相対移動させ、ワークに穴を加工する穴加工方法において、前記回転工具の中心軸線方向への送り速度を、送りの方向が変化しない範囲で周期的に増減するようにした穴加工方法が提供される。

本発明の他の特徴によれば、回転工具とワークとを相対移動させ、ワークに穴を加工する工作機械のための数値制御装置において、加工プログラムを読み取り、解釈して、前記回転工具の中心軸線方向への一定速度の送り動作指令を出力する読取解釈部と、加工条件に従って周期的に変化する往復動作指令を選択するためのデータベースを備えた記憶部と、前記読取解釈部が出力した一定速度の送り動作指令と、前記記憶部が出力した往復動作指令とを重畳し、前記回転工具の中心軸線方向への周期的に変化する動作指令を生成する重畳部と、前記周期的に変化する動作指令を補間演算して位置指令を生成する補間部と、前記位置指令に基づいて前記回転工具を中心軸線方向に送る送り軸を駆動するための電流値を生成するサーボ制御部とを具備する数値制御装置が提供される。

このように本実施形態によれば、送り速度を周期的に変化させながら回転工具をワークに対して中心軸線方向に相対的に送ることによってワークに穴を加工するので、加工に際して発生する切りくずの厚さが周期的に変化し、切りくずが分断され易くなる。これによって、加工した穴から切りくずが排出され易くなると共に、回転工具に切りくずが絡みつくことがなくなり、加工領域（穴）内での発熱が低減され、更に、切りくずによってワークの表面や加工された穴の内面が傷つくことが防止される。これによって、更に、高圧クーラントを加工領域に供給する必要がなくなり、従来と比べ、高圧クーラント用のポンプを駆動するための電力消費を削減することが可能となる。

また、本発明によれば、回転工具の相対的な軸方向の送り速度は、送りの方向が変化しない範囲で周期的に増減するように制御される。つまり、回転工具は軸方向に後退することはなく、該回転工具の先端は常にワークに接触し続けワークＷから離反することはない。従って、従来技術のように、工具がワークに対して衝触、離反することによって生じていた刃先の欠けや騒音の発生が防止される。

更に、本発明によれば、穴加工に際して、回転工具はワークに対して送りの方向が変化しないようにその中心軸線方向へ相対的に送られるので、その送り軸、通常はＺ軸を構成するボールねじが反転することがない。従って、Ｚ軸が停止または後退する動作をしないため、従来技術のドリルサイクルの問題である加工時間が長くなるという現象が発生しない。

本発明を適用する工作機械の一例を示す側面図である。 本発明の穴加工方法を実施するための数値制御装置の一例を示すブロック図である。 Ｚ軸動作指令（送り量）を示すグラフである。 Ｚ軸動作指令（送り速度）を示すグラフである。 他の例による図３と同様のグラフである。 更に他の例による図３と同様のグラフである。

以下、添付図面を参照して、本発明の好ましい実施の形態を説明する。
図１を参照すると、本発明を適用する工作機械の一例が示されている。図１において、本発明の好ましい実施の形態による工作機械１００は、立形マシニングセンタを構成しており、工場の床面に固定された基台としてのベッド１０２、ベッド１０２の前方部分（図１では左側）の上面で前後方向またはＹ軸方向（図１では左右方向）に移動可能に設けられワークＷが固定されるテーブル１０６、ベッド１０２の後端側（図１では右側）で同ベッド１０２の上面に立設、固定されたコラム１０４、該コラム１０４の前面で左右方向またはＸ軸方向（図１では紙面に垂直な方向）に移動可能に設けられたＸ軸スライダ１０８、Ｘ軸スライダ１０８の前面で上下方向またはＺ軸方向に移動可能に取り付けられ主軸１１２を回転可能に支持する主軸頭１１０を具備している。

テーブル１０６は、ベッド１０２の上面において水平なＹ軸方向（図１の左右方向）に延設された一対のＹ軸案内レール（図示せず）に沿って往復動可能に設けられており、ベッド１０２には、テーブル１０６をＹ軸案内レールに沿って往復駆動するＹ軸送り装置として、Ｙ軸方向に延設されたボールねじ（図示せず）と、該ボールねじの一端に連結されたＹ軸サーボモータ１１６が設けられており、テーブル１０６には、前記ボールねじに係合するナット（図示せず）が取り付けられている。テーブル１０６には、また、Ｙ軸方向のテーブル１０６のＹ軸方向の座標位置を測定するＹ軸スケール（図示せず）が取り付けられている。

主軸頭１１０は、Ｚ軸に平行な鉛直方向に延びる中心軸線Ｏ周りに回転可能に主軸１１２を支持している。主軸１１２は、テーブル１０６に対面する先端部に回転工具Ｔを装着するための工具装着穴（図示せず）が形成されている。主軸頭１１０は主軸１１２を回転駆動するサーボモータ（図示せず）を有している。該サーボモータは、主軸頭１１０のハウジングの外側に取り付けるようにできるが、主軸頭１１０のハウジング内面にステーターコイル（図示せず）を設け、そして主軸１１２にローターコイル（図示せず）を配設して所謂ビルトインモータとしてもよい。

Ｘ軸スライダ１０８は、コラム１０４の上方部分の前面においてＸ軸方向に延設された一対のＸ軸案内レール（図示せず）に沿って往復動可能に設けられている。コラム１０４には、Ｘ軸スライダ１０８をＸ軸案内レールに沿って往復駆動するＸ軸送り装置として、Ｘ軸方向に延設されたボールねじ（図示せず）と、該ボールねじの一端に連結されたＸ軸サーボモータ１１４が設けられており、Ｘ軸スライダ１０８には、前記ボールねじに係合するナット（図示せず）が取り付けられている。コラム１０４には、また、Ｘ軸スライダ１０８のＸ軸方向の座標位置を測定するＸ軸スケール（図示せず）が取り付けられている。

主軸頭１１０は、Ｘ軸スライダ１０８の前面においてＺ軸方向（図１では上下方向）に延設された一対のＺ軸案内レールに沿って往復動可能に設けられている。Ｘ軸スライダ１０８には、主軸頭１１０をＺ軸案内レールに沿って往復駆動するＺ軸送り装置として、Ｚ軸方向に延設されたボールねじ（図示せず）と、該ボールねじの一端に連結されたＺ軸サーボモータ１１８が設けられており、主軸頭１１０には、前記ボールねじに係合するナット（図示せず）が取り付けられている。Ｘ軸スライダ１０８には、また、主軸頭１１０のＺ軸方向の座標位置を測定するＺ軸スケール（図示せず）取り付けられている。回転工具ＴはＺ軸送り装置によって、その中心軸線に沿って送られる。

Ｘ軸サーボモータ１１４、Ｙ軸サーボモータ１１６、Ｚ軸サーボモータ１１８およびＸ軸スケール、Ｙ軸スケール、Ｚ軸スケールは、工作機械１００を制御する数値制御装置１０に接続されている。数値制御装置１０によって、Ｘ軸サーボモータ１１４、Ｙ軸サーボモータ１１６、Ｚ軸サーボモータ１１８へ供給される電力（電流値）が制御される。

本発明の穴加工方法を実施するための数値制御装置の一例を示すブロック図である図２を参照すると、数値制御装置１０は、読取解釈部１２、重畳部１４、補間部１６、サーボ制御部１８、記憶部２０を具備している。読取解釈部１２は、ＣＡＭシステム３０からの加工プログラムを読取り解釈して動作指令をを出力する。この動作指令は、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸方向の送り量と送り速度を含んでいる。読取解釈部１２が出力した動作指令は重畳部１４へ送出される。なお、ＣＡＭ(Computer Aided Manufacturing)システム３０は、加工モデル、加工条件を入力して自動的に加工プログラムを生成する装置である。

記憶部２０は、種々の穴加工に対する往復動作、つまり一定振幅のＺ軸方向の周期的に変動する送り量を格納したデータベースを有している。記憶部２０は、数値制御装置１０に通常設けられているタッチパネルのような入力部３２から入力される穴加工に関する条件（往復動作条件）に基づいてデータベースを参照して往復動指令を重畳部１４に出力する。往復動作条件としては、ワークの材料、加工すべき穴の直径、深さ、工具の送り速度、工具（主軸）の回転速度、刃数、ドリルや座ぐり工具といった工具の種類等が含まれる。記憶部２０は、過去の往復動作条件を累積的にデータベースに格納するようにしてもよい。

重畳部１４は、読取解釈部１２から出力されるＺ軸動作指令に、記憶部２０から出力された往復動作指令を重ね合わせる。往復動作指令を重畳したＺ軸動作指令は、読取解釈部１２が生成したＸ軸およびＹ軸送り動作指令と共に補間部１６に出力される。

補間部１６は、受け取ったＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸動作指令を補間演算し、補間関数、送り速度に合った位置指令（パルス位置指令）をサーボ制御部１８に出力する。サーボ制御部１８は、受け取ったＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の各位置指令から工作機械１００のＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の各送り軸を駆動するための電流値を出力し、これがＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸のサーボモータ１１４、１１６、１１８に送出される。

Ｚ軸動作指令（送り量）を示すグラフである図３を参照すると、読取解釈部１２から重畳部１４へ出力されるＺ軸動作指令（送り量）の一例が破線で示されている。図３において、縦軸は送り量、つまりＺ座標であり、横軸は時間である。図３の例では、読取解釈部１２から重畳部１４へ出力される動作指令は、回転工具ＴをＺ軸方向に一定速度で送る動作指令であることが理解されよう。また、図３には、記憶部２０から重畳部１４へ出力される往復動作指令の一例が一点鎖線で示されている。図３の例では、往復動作指令は、時間に対してＺ軸方向の送り量（Ｚ座標）が一定の周期、一定の振幅で変化する送り動作指令となっている。更に、重畳部１４において、読取解釈部１２から重畳部１４へ出力されるＺ軸動作指令と、記憶部２０から重畳部１４へ出力される往復動作指令とを重畳または合成した動作指令であって、重畳部１４から補間部１６へ出力されるＺ軸方向の送り動作指令が実線で示されている。

Ｚ軸動作指令（送り速度）の一例を図４に示す。図４において、縦軸は送り速度、横軸は時間であり、破線は読取解釈部１２から重畳部１４へ出力されるＺ軸動作指令を示し、一点鎖線は記憶部２０から重畳部１４へ出力される往復動作指令を示し、実線は、重畳部１４から補間部１６へ出力される重畳または合成後の動作指令を示している。読取解釈部１２から重畳部１４へ出力されるＺ軸動作指令は一定の送り速度となっている。記憶部２０から補間部１６へ出力されるＺ軸方向の送り動作指令（送り速度）は、一定の振幅（絶対値が等しい）で符号（±）が一定の周期で入れ替わる矩形波となっている。なお、記憶部２０から重畳部１４へ出力される往復動作指令は矩形波ではなく、他の曲線、例えば正弦波であってもよい。

本実施形態では、読取解釈部１２から重畳部１４へ出力されるＺ軸動作指令と、重畳部１４から補間部１６へ出力されるＺ軸方向の送り動作指令（送り速度）とを合成または重畳すると、読取解釈部１２から重畳部１４へ出力される一定の送り速度を中心とした矩形波となる。この矩形波は正の範囲で一定の周期、振幅で変化し、回転工具ＴのＺ軸方向の送り速度は負の値とはならない。

既述したように、本実施形態によれば、穴加工に際して、回転工具Ｔは送りの方向が変化しないようにＺ軸方向へ送られる。図３の例では、回転工具Ｔは、常に読取解釈部１２から重畳部１４へ出力されるＺ軸送り量よりも大きな送り量でＺ軸方向に送られる、つまり図３において実線が常に破線の上側となるように送られている。然しながら、図５に示すように、読取解釈部１２から重畳部１４へ出力されるＺ軸送り量よりも小さな送り量でＺ軸方向に送るようにしたり、図６に示すように、読取解釈部１２から重畳部１４へ出力されるＺ軸送り量を中心として送り量が増減するような送り量でＺ軸軸方向に送るようにしてもよい。要は、送り量の傾きが常に零または正の値となればよい。つまり送り量の時間微分が負にならなければよい。

発明者等は、ワークＷの材質をステンレス鋼(SUS403)、ダクタイル鋳鉄(FCD450)およびアルミニウム(A5052)と変えて、送り速度または送り量を周期的に変化させながら直径５ｍｍの穴加工（ドリル加工）を実際に行い、送り速度または送り量を変化させずに加工した場合とで比較した。更に、上記のドリル加工に加え、アルミニウム(A5052)のワークに直径３０ｍｍのボーリング加工と、直径６ｍｍの座ぐり加工を送り速度または送り量を周期的に変化させながら行い、送り速度または送り量を変化させずに加工した場合とで比較した。Ｚ軸方向への送り量の変化（振幅）および周波数は表１に示す通りである。何れの場合も、送り速度を周期的に変化させることによって、切りくずが分断され、高圧のクーラントを供給しなくとも、送り速度を変化させずに加工した場合よりも良好に穴を加工可能となることが確認された。

このように本実施形態によれば、送り速度を周期的に変化させながら回転工具ＴをＺ軸方向に送ることによってワークＷに穴を加工するので、加工に際して発生する切りくずの厚さが周期的に変化し、切りくずが分断され易くなる。これによって、加工した穴から切りくずが排出され易くなると共に、回転工具Ｔに切りくずが絡みつくことがなくなり、加工領域（穴）内での発熱が低減され、更に、切りくずによってワークＷの表面や加工された穴の内面が傷つくことが防止される。これによって、更に、高圧クーラントを加工領域に供給する必要がなくなり、従来の高圧クーラント用のポンプを駆動するための電力消費を削減することが可能となる。

また、回転工具ＴのＺ軸方向の送り速度は負の値とはならないので、回転工具ＴのＺ軸方向の送りは、その方向が変化する或いは後退することはなく、回転工具Ｔの先端は常にワークＷに接触し続けワークＷから離反することはない。従って、Ｚ軸が停止または後退する動作をしないため、従来技術のドリルサイクルの問題である加工時間が長くなるという現象が発生しない。

また、既述のように、本実施形態によれば、穴加工に際して、回転工具Ｔは送りの方向が変化しないようにＺ軸方向へ送られ、Ｚ軸ボールねじが反転することがない。従って、Ｚ軸が停止または後退する動作をしないため、従来技術のドリルサイクルの問題である加工時間が長くなるという現象が発生しない。

なお、既述した実施形態では、読取解釈部１２から重畳部１４へ出力される一定速度のＺ軸動作指令に、記憶部２０から重畳部１４へ出力される周期的に変化する往復動作指令を重畳するようになっているが、本発明はこれに限定されず、ＮＣプログラム中において、Ｚ軸の送り速度を送りの方向が変化しない範囲で周期的に増減するように座標を直接記述するようにしてもよい。但し、既述したように、一定速度のＺ軸動作指令に周期的に変化する往復動作指令を重畳する方が容易かつ確実である。

１０ 数値制御装置
１２ 読取解釈部
１４ 重畳部
１６ 補間部
１８ サーボ制御部
２０ 記憶部
３０ ＣＡＭシステム
３２ 入力部
１００ 工作機械
１０２ ベッド
１０４ コラム
１０６ テーブル
１０８ Ｘ軸スライダ
１１０ 主軸頭
１１２ 主軸
１１４ Ｘ軸サーボモータ
１１６ Ｙ軸サーボモータ
１１８ Ｚ軸サーボモータ

上述の目的を達成するために、本発明によれば、ドリル、中ぐりカッタまたは座ぐりカッタの回転工具とワークとを相対移動させ、ワークに穴を加工する穴加工方法において、前記回転工具の中心軸線方向への送り速度を、該回転工具がその中心軸線方向に後退しない範囲で増減を繰り返すように変化させて前記ワークに穴を加工するようにした穴加工方法が提供される。

本発明の他の特徴によれば、ドリル、中ぐりカッタまたは座ぐりカッタの回転工具とワークとを相対移動させ、ワークに穴を加工する工作機械のための数値制御装置において、加工プログラムを読み取り、解釈して、前記回転工具の中心軸線方向への一定速度の送り動作指令を出力する読取解釈部と、加工条件に従って前記回転工具の中心軸線方向への送り速度を、該回転工具がその中心軸線方向に後退しない範囲で増減を繰り返すように変化させる往復動作指令を選択するためのデータベースを備えた記憶部と、前記読取解釈部が出力した一定速度の送り動作指令と、前記記憶部が出力した往復動作指令とを重畳し、前記回転工具の中心軸線方向への動作指令を生成する重畳部と、前記重畳部から出力される動作指令を補間演算して位置指令を生成する補間部と、前記位置指令に基づいて前記回転工具を中心軸線方向に送る送り軸を駆動するための電流値を生成するサーボ制御部とを具備する数値制御装置が提供される。

Claims (3)

1. 回転工具とワークとを相対移動させ、ワークに穴を加工する穴加工方法において、
   前記回転工具の中心軸線方向への送り速度を、送りの方向が変化しない範囲で周期的に増減することを特徴とした穴加工方法。
2. 前記回転工具の中心軸線方向への一定速度の送り指令を生成し、該一定速度の送り指令に周期的に変化する送り速度指令を重畳させることによって、前記回転工具の中心軸線方向への送り速度を周期的に増減するようにした請求項１に記載の穴加工方法。
3. 回転工具とワークとを相対移動させ、ワークに穴を加工する工作機械のための数値制御装置において、
   加工プログラムを読み取り、解釈して、前記回転工具の中心軸線方向への一定速度の送り動作指令を出力する読取解釈部と、
   加工条件に従って周期的に変化する往復動作指令を選択するためのデータベースを備えた記憶部と、
   前記読取解釈部が出力した一定速度の送り動作指令と、前記記憶部が出力した往復動作指令とを重畳し、前記回転工具の中心軸線方向への周期的に変化する動作指令を生成する重畳部と、
   前記周期的に変化する動作指令を補間演算して位置指令を生成する補間部と、
   前記位置指令に基づいて前記回転工具を中心軸線方向に送る送り軸を駆動するための電流値を生成するサーボ制御部と、
   を具備することを特徴とした数値制御装置。

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