JP2015128809A - 切削加工における切削条件の設計方法 - Google Patents

Abstract

【課題】切削加工の振動防止、工具寿命、切削効率を両立させ、且つ容易に切削条件を設計することができる切削加工における切削条件の設計方法を提供する。
【解決手段】本発明の切削加工における切削条件の設計方法は、切削加工具１の送り速度ｆと軸心方向の切込み量ｄａと径方向の切込み量ｄｒと切削速度ｖとを設計パラメータとし、設計パラメータを用いて切削加工具１のたわみ量αを算出し、たわみ量αと閾値βとを基に切削加工具１のびびり振動が発生するか否かを判定し、その判定結果を基に最大切り取り厚さＣｔ_ｍａｘを算出し、最大切り取り厚さＣｔ_ｍａｘと切削速度ｖとから切削温度ｔを算出し、切削温度ｔと閾値γとを基に工具寿命が満たされる否かを判定し、その判定結果を基に切削効率ｅを算出し、切削効率ｅと予め保存されている切削効率ｅのデータとを比較して算出した切削効率ｅがデータ内の最大値である場合、設計パラメータを切削条件とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、エンドミル、フライス等の切削加工具を用いて被加工材を切削する際に、好適な切削条件を設計することができる切削条件の設計方法に関するものである。

従来より、鋼材などの被加工材に対して、エンドミル、フライス等の切削加工具を用いて、旋削加工やフライス加工など切削加工を行う際には、切削加工具の送り速度、切削加工具の切込み量、切削加工具の切削速度、切削加工具の形状などの「切削条件」を適切なものにした上で、切削加工が行われてきた。
ところで、エンドミルやフライスを用いて切削加工を行う際には、切削加工具の形状によって、切削加工中にびびり振動が発生したり、切削加工具の形状が変形したりすることがある。このようなびびり振動が発生すると、加工精度や被加工材の加工面性状に関しての重大な問題が発生する。そのため、切削加工の切削条件を設計するオペレータは、上記した問題が発生しないように、切削加工具の送り速度や切込み量を低減させ低負荷になるように「切削条件」を設定することとなる。

また、切削加工具の工具寿命に関しても、適切な切削条件のもとで切削加工を行わない場合、工具寿命が極端に短くなるなどの問題が発生する。とはいえ、工具寿命を延ばすための切削条件を正確に割り出すことは難しく、多くの場合、切削条件（特に切削加工具の切削速度）に余裕を持たせた設計を行っている。
しかしながら、上記したような余裕を持たせた切削条件は、切削コストがかかってしまう虞がある。例えば、切削加工具の工具寿命に到達する前に交換されたり、低負荷の切削条件であるため、切削時間がかかったりするという問題がある。

このような状況を改善すべく、最適な切削条件を設計する技術が開発されている。切削条件を適切に設計する技術としては、例えば、非特許文献１及び非特許文献２に開示されているようなものがある。
非特許文献１は、オフラインにて、切削加工後の被加工材の形状を測定し、その実測値と予め指示した切削加工の指示値とを基に、切削条件の最適化を行い、次に、オンラインにて、切削加工具の工具寿命試験を行って、損失関数により工具寿命と加工能率を損失に変換し同次元として評価をし、そして工具寿命と加工能率の関係から適切な切削条件を設計している。

非特許文献２は、切削加工における切削条件の最適化を非線形目標計画法によって定式化し、その定式に基づいて適切な切削条件を設計している。

「エンドミルによる焼入鋼切削条件の選定方法」，和合健，若槻正明ら，岩手県工業技術センター研究報告，第６号（１９９９） 「切削条件の多目標最適化に対する非線形目標計画法の応用」，人見勝人，中村信人ら，日本機械学会論文集（Ｃ編），４６巻４０９号（昭５５−９）

ところで、切削加工に携わるオペレータが、経験に基づいて切削条件を設計する作業を行う場合、オペレータの切削加工の経験差によって切削条件が異なってしまい、適切に切削条件を設計することが難しい。また、経験の浅いオペレータが切削条件を設計する場合、経験不足に起因して、余裕を持たせすぎた切削条件すなわち製造コストが高い切削条件を設計してしまう虞がある。

上記の問題を解消するために、非特許文献１及び非特許文献２を用いて、適切な切削条件を設計することを考えてみる。
非特許文献１は、単一的な形状の被加工材の切削データを統計的に扱って切削条件を最適化して切削条件を設計する技術である。しかしながら、実際に切削加工される被加工材の形状は、複雑であるものが多いため、実際の切削加工工程に適用することは困難である。例え、非特許文献１を用いて切削条件を設計しても、切削加工の加工精度や被加工材の加工面性状に関して問題が発生することが明らかである。

また、非特許文献２は、品質工学（非線形目標計画法）を使用して、適切な切削条件を設計する技術である。しかしながら、切削条件を設計する際の計算量や条件項目が多く、切削条件を求めるのに手間がかかり現実的ではない。
まとめると、非特許文献１及び非特許文献２の技術を用いて、実際の切削加工工程における適切な切削条件を設計することは、実用的ではない。

本発明は、上述の問題に鑑みてなされたものであり、切削加工の振動防止、工具寿命、切削効率を両立させ、且つ容易に切削条件を設計することができる切削加工における切削条件の設計方法を提供することを目的とする。

上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。
本発明に係る切削加工における切削条件の設計方法は、切削加工具を用いて、被加工材を切削する際に必要となる切削条件を設計するに際しては、前記切削加工具の送り速度ｆと、前記切削加工具の軸心方向の切込み量ｄａと、前記切削加工具の径方向の切込み量ｄｒと、前記切削加工具の切削速度ｖとを設計パラメータとし、前記設計パラメータのうち、前記切削加工具の送り速度ｆと、前記切削加工具の軸心方向の切込み量ｄａと、前記切削加工具の径方向の切込み量ｄｒを用いて、前記切削加工具のたわみ量αを算出し、算出された前記切削加工具のたわみ量αと所定の閾値βとを基に、当該切削加工具の「びびり振動」が切削加工時に発生するか否かを判定し、前記切削加工具の「びびり振動」が発生しないと判定された場合、前記切削加工具の送り速度ｆと、前記切削加工具の径方向の切込み量ｄｒとから、前記被加工材に対して許容される切り取り可能な切削加工具の最大切り取り厚さＣｔ_ｍａｘを算出し、算出された前記最大切り取り厚さＣｔ_ｍａｘと、前記切削加工具の切削速度ｖとから、前記切削加工具の切削温度ｔを算出し、算出された前記切削加工具の切削温度ｔと所定の閾値γとを基に、切削加工時における前記切削加工具の工具寿命が満たされる否かを判定し、前記切削加工具の工具寿命が満たされる場合、切削加工時に許容される前記切削加工具の切削速度の最大値ｖ_ｍａｘと、前記切削加工具の送り速度ｆと、前記切削加工具の軸心方向の切込み量ｄａと、前記切削加工具の径方向の切込み量ｄｒとから、切削加工時における前記切削加工具の切削効率ｅを算出し、算出された前記切削加工具の切削効率ｅと、予め保存されている切削効率ｅのデータとを比較して、算出された前記切削加工具の切削効率ｅが、前記切削効率ｅのデータ内の最大値である場合、前記切削加工具の送り速度ｆと、前記切削加工具の軸心方向の切込み量ｄａと、前記切削加工具の径方向の切込み量ｄｒと、前記切削加工具の切削速度ｖとを、前記切削条件とすることを特徴とする。

好ましくは、前記設計パラメータとして、前記切削加工具の形状を有しているとよい。
好ましくは、前記切削加工具のたわみ量αを下式で算出するとよい。

好ましくは、前記切削加工具の最大切り取り厚さＣｔ_ｍａｘを下式で算出することを特徴とするとよい。

本発明の切削加工における切削条件の設計方法によれば、切削加工具の振動防止、工具寿命、切削効率を両立させ、且つ容易に切削条件を設計することができる。

切削加工を模式的に示した概略図である。 本発明に係る切削加工おける切削条件の設計方法を示したフローチャートである。 切削加工具のたわみ量と不良の有無との関係を示した図である。 切削速度と最大切り取り厚さとが変化した場合における、工具温度と工具寿命との変化を示した図である。

以下、本発明に係る切削加工における切削条件の設計方法について、図に基づいて説明する。
図１は、本発明に係る切削条件の設計方法で設計された切削条件を基に、切削加工具１を用いて、被加工材２に対して切削加工する様子を模式的に示した図である。また、図２は、本発明の切削加工における切削条件の設計方法の過程を示した図である。

図１に示すように、フライス加工などの切削加工工程は、エンドミルやフライスなど回転する切削加工具１を用いて、フライス盤のテーブルに固定された被加工材２（鋼材など）を目標の形状や寸法に加工する工程である。
このような切削加工の工程で必要となってくるのは、好適な切削条件（切削加工具１の送り速度ｖや切込み量ｄなど）を設計することである。切削条件が好適となるように設計しなければ、例えば、切削加工中に切削加工具１のたわみによる「びびり振動」が発生し、そのことにより切削加工の加工精度や被加工材２の加工面性状に関しての問題が発生することがある。

そこで、本願発明者らは、好適な切削条件を設計する方法を見出すために、異なる形状の切削加工具１を用いつつ様々な切削条件で切削を行い、切削加工中のびびり振動の有無や加工面性状を調査して鋭意研究を重ねた。その研究を行ったときの実験条件の一例を、表１に示し、その実験条件で実験した結果、すなわち切削加工具１のたわみ量と不良の有無との関係を図３に示す。

研究の結果、切削加工具１に作用する切削抵抗に関して、切削加工具１が振動する方向（エンドミル工具の場合は径方向）の切削抵抗の平均値Ｆｂ_ａｖｅがある上限値を超えた場合に、切削加工の加工面性状や加工精度が悪化することを見出した。
つまり、この切削抵抗の平均値Ｆｂ_ａｖｅの上限値は、切削加工具１の振動方向の曲げ剛性Ｇにより変化する。それゆえ、切削加工具１の曲げ剛性Ｇが大きくなるにつれて、切削抵抗の平均値Ｆｂ_ａｖｅの上限値は大きくなる。切削抵抗の平均値Ｆｂ_ａｖｅの上限値と曲げ剛性Ｇの関係が正比例であるため、この切削抵抗の平均値Ｆｂ_ａｖｅと曲げ剛性Ｇとの関係を比、すなわち切削加工具１のたわみ量αを考えると、このたわみ量αがある上限値を超えた場合に、切削加工の加工面性状や加工精度が悪化すると考えることができる。

このような知見を以て図３を参照すると、たわみ量αが０．０２ｍｍを超えると、加工品質に問題が発生することわかる。さらに、たわみ量αが０．０１５ｍｍを超えると、加工面不良が発生しやすくなることがわかる。
すなわち、本願発明者らは、切削加工具１のたわみ量αを０．０１５ｍｍより小さくする（たわみ量αを制御する）ことで、好適な切削条件を設計することが可能であることを見出した。

このような知見を基にして、本版発明者らは、切削条件の設計方法に想到するに至った。
すなわち、本実施形態の切削条件の設計方法は、切削加工具１の送り速度ｆ、切削加工具１の切込み量ｄなどの設計パラメータを用いて、切削加工具１のたわみ量αを算出して、そのたわみ量αから切削加工具１の「びびり振動」が発生するか否かを判定するものである。その上で、設計方法は、設計パラメータを用いて切削加工具１の切削温度ｔを算出して、切削温度ｔから工具寿命が満たすか否かを判定し、工具寿命の判定結果と「びびり振動」の判定結果とを基に、最も効率的な切削効率ｅを算出し、その算出結果の属する設計パラメータを切削条件として設計するものである。

なお、本実施形態の切削条件の設計方法で用いる設計パラメータは、ステップ１に示すように、切削加工具１の送り速度ｆ、切削加工具１の軸心方向の切込み量ｄａ、切削加工具１の径方向の切込み量ｄｒとする。とはいえ、設計パラメータはこれらに限定されず、切削加工具１の切削速度ｖや切削加工具１の形状を採用してもよい。
図２には、本発明に係る切削加工おける切削条件の設計方法を示したフローチャートが示してある。

図２に示すように、切削条件の設計方法においては、まず切削加工具１の「びびり振動」が発生するか否かを判定する。「びびり振動」の判定にあたっては、設計パラメータのうち、ステップ１に示す、切削加工具１の送り速度ｆと、切削加工具１の軸心方向の切込み量ｄａと、切削加工具１の径方向の切込み量ｄｒを用いて、切削加工具１のたわみ量αを式（１）で算出する。この算出はステップ２において行われる。

このとき、切削加工具１の送り速度ｆ、切削加工具１の軸心方向の切込み量ｄａ、切削加工具１の径方向の切込み量ｄｒのいずれかが、他の条件（例えば、切削工具の性能など）から決定される場合には、固定値として設定する。また、固定値以外の設計パラメータは、段階的に変化するものとする。

ここで、たわみ量αを式（１）で算出する具体的な方法について、述べる。
ステップ２にて切削抵抗の平均値Ｆｂ_ａｖｅを求めるにあたり、まず切削加工具１の切り取り厚さＣｔを式（２）で算出する。

そして、算出された切り取り厚さＣｔを式（３）に代入して、切削加工具１が振動する方向の切削抵抗値Ｆｂを算出する。ここで、切削加工具１の振動方向（径方向）の比切削抵抗Ｋｒは、被加工材２の材質などにより予め決まっているものである。

そして、算出された切削加工具１が振動する方向の切削抵抗値Ｆｂを式（１）に代入して、たわみ量αを算出する。
以上のような計算を、切削加工具１の送り速度ｆ、切削加工具１の径方向の切込み量ｄｒ、切削加工具１の軸方向の切込み量ｄａを段階的に変化させて、切削加工具１の振動方向の平均切削抵抗Ｆｂ_ａｖｅを求め、その平均切削抵抗Ｆｂ_ａｖｅを用いて切削加工具１のたわみ量αを算出する。このように、たわみ量αが算出されると、ステップ３に移行する。

ステップ３では、算出された切削加工具１のたわみ量αと所定の閾値βとを基に、当該切削加工具１の「びびり振動」が切削加工時に発生するか否かを判定する。ここで、所定の閾値βを、切削加工具１の「びびり振動」の基準値とし、図３の結果より求めた０．０１５ｍｍ（たわみ量）に設定する。
算出されたたわみ量αが基準値βより小さい（α＜β＝０．０１５ｍｍ）場合、切削加工具１の「びびり振動」が発生しないと判定する。なお、切削加工具１の「びびり振動」が発生すると判定された場合、これら設定パラメータは不適合とされ放棄される。

そして、切削加工具１の「びびり振動」が発生しないと判定された場合、ステップ４に移行する。
ステップ４では、切削加工具１の送り速度ｆと、切削加工具１の径方向の切込み量ｄｒとを用いて、被加工材２に対して許容される切り取り可能な切削加工具１の最大切り取り厚さＣｔ_ｍａｘを式（４）で算出する。このように、最大切り取り厚さＣｔ_ｍａｘが算出されると、ステップ５に移行する。

ステップ５では、算出された切削加工具１の最大切り取り厚さＣｔ_ｍａｘと、切削加工具１の切削速度ｖとから、切削加工具１の切削温度ｔを算出する。算出された切削加工具１の最大切り取り厚さＣｔ_ｍａｘにおいて、切削加工具１の切削速度ｖを段階的に変化させて、切削加工具１の切削温度ｔを算出する。
ここで、本発明の特徴である切削加工具１の切削温度ｔを算出することについて、説明する。

切削加工中における切削加工具１の切削温度ｔ、すなわち工具の刃先温度は、切削加工具１の工具寿命（切削加工具１の摩耗度合い）に非常に影響を与える。そのため、予め所定の切削時間を得る（工具寿命を満足する）ことができる切削加工具１の切削温度の最大値γを、求めておく必要がある。求めた切削加工具１の切削温度の最大値γと、切削加工中における切削加工具１の切削温度ｔを用いて、切削条件を設計する。

この切削加工具１の切削温度ｔを算出する方法は、上記した切削加工具１の最大切り取り厚さＣｔ_ｍａｘと、切削加工具１の切削速度ｖ（フライスの場合、工具回転数）とから算出するものであり、例えば、切削加工中の切削温度ｔを実際に測定したり、有限要素法など切削温度シミュレーションにより求めたりする方法などが挙げられる。
本実施形態では、有限要素法など切削温度シミュレーションを用いて、切削加工具１の最大切り取り厚さＣｔ_ｍａｘと、その最大切り取り厚さＣｔ_ｍａｘに対応するように段階的に変化させた切削加工具１の切削速度ｖとから、切削加工具１の切削温度ｔを算出している。図４は、算出された切削温度ｔの分布を示したものである。

図４に示すように、例えば、切削速度ｖ＝２００ｍ／ｍｉｎ、最大切り取り厚さＣｔ_ｍａｘ＝０．２ｍｍの場合、切削温度ｔ＝６２５℃（言い換えれば、工具寿命が１時間）が算出される。このように、切削温度ｔが算出されると、ステップ６に移行する。
ステップ６では、図４をもとに算出された切削加工具１の切削温度ｔが、所定の閾値γ（切削加工具１の切削温度の最大値）以下になるか、言い換えれば、切削加工時における切削加工具１の工具寿命が満たされる否かを判定する。この切削加工具１の切削温度の最大値γは、ステップ７にて、全計算データ（全条件の組み合わせ）において、切削効率ｅが最大となる条件から探索しておく。

なお、算出された切削加工具１の切削温度ｔが、切削加工具１の切削温度の最大値γより大きい、すなわち切削加工具１の工具寿命が満たされない場合、これら設定パラメータは不適合とされ放棄される。
そして、算出された切削加工具１の切削温度ｔが、切削加工具１の切削温度の最大値γ以下、すなわち切削加工具１の工具寿命が満たされる場合、ステップ８に移行する。

ステップ８では、切削加工時に許容される切削加工具１の切削速度の最大値ｖ_ｍａｘと、切削加工具１の送り速度ｆと、切削加工具１の軸心方向の切込み量ｄａと、切削加工具１の径方向の切込み量ｄｒとから、切削加工時における切削加工具１の切削効率ｅを算出する。このように、切削効率ｅが算出されると、ステップ９に移行する。
ステップ９では、算出された切削加工具１の切削効率ｅと、予め保存されている切削効率ｅのデータとを比較して、算出された切削加工具１の切削効率ｅが、切削効率ｅのデータ内の最大値である場合、切削加工具１の送り速度ｆと、切削加工具１の軸心方向の切込み量ｄａと、切削加工具１の径方向の切込み量ｄｒを切削条件とする。

以上より、被加工材２の加工品質、及び切削加工具１の工具寿命を満足する設計パラメータ（送り速度ｆ、径方向の切込み量ｄｒ、軸方向の切込み量ｄａ）の組み合わせ求まる。そして、送り速度ｆ、径方向の切込み量ｄｒ、軸方向の切込み量ｄａを少しずつ変化させて計算を繰り返し行い、被加工材２の加工品質、及び切削加工具１の工具寿命が満足する設計パラメータの全組み合わせを求める。求めた設計パラメータの全組み合わせの中から、最も加工効率ｅの大きい条件を好適な切削条件として出力する。

一方で、切削加工具１の切削効率ｅと、予め保存されている切削効率ｅのデータとを比較して、切削加工具１の切削効率ｅが、切削効率ｅのデータ内の最大値ではない（切削効率ｅがよくない）場合、設計パラメータの設定（初期の段階）に戻って、切削条件を設計し直す。
まとめると、本発明の切削加工における切削条件の設計方法は、「びびり振動」が発生しないように切削加工具１のたわみ量αを算出し、所望の工具寿命となるように切削加工具１の切削温度ｔを算出し、加工効率が最大になるように切削加工具１の切削効率ｅを算出して、算出した結果から設計パラメータを設計し、その設計パラメータを好適な切削条件として出力する、すなわち切削条件の最適化を行うものである。
［実験例］
次に、本発明の切削加工における切削条件の設計方法を用いて、切削加工の切削条件を設計した実験結果について、説明する。

この実験に用いる切削加工具１として、工具直径が３０ｍｍ、ノーズがＲ０．８ｍｍ、刃数が４枚、突き出し長さが１５０ｍｍのエンドミル工具を用意し、被加工材２として、Ｓ４５Ｃ炭素鋼を用意した。
そして、上記したエンドミル工具１を用いて、Ｓ４５Ｃ炭素鋼２に切削加工する際の切削条件の設計、切削条件の最適化の実験を行った。

切削条件の設計方法を適用した結果、エンドミル工具１の送り速度ｆが１９７ｍｍ／ｍｉｎ、径方向の切込み量ｄｒが７．５ｍｍ、軸方向の切込み量ｄａが１０２ｍｍ、工具回転数が４９１８ｒｐｍ、ねじれ角が６０度と算出された。
算出された切削条件を基にエンドミル工具１を作成し、そのエンドミル工具１を用いて切削加工実験を実施した。その切削加工の結果、被加工材２の加工面性状、加工精度が良好なものとなった。また、最適化された切削条件は、実際の切削加工において、エンドミル工具１の切削温度ｔの上限値のデータ（図４参照）に示された工具寿命１時間（切削加工の許容時間）を満足することがわかった。

以上の実験結果より、本発明の切削加工における切削条件の設計方法を用いることで、切削加工具１の「びびり振動」を抑制することができると共に、工具寿命に到達する直前まで切削加工具１を使用することができ、さらに切削効率が最も効率的となる好適な切削条件を設計することが可能となる。
なお、今回開示された実施形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。

例えば、本発明の切削加工における切削条件の設計方法は、フライス加工など固定された被加工材２に対して、回転している切削加工具１で切削加工する切削加工方法を用いて説明したが、旋盤など回転する被加工材２に対して、固定された切削加工具１で切削加工する切削加工方法に用いてもよい。
特に、今回開示された実施形態において、明示的に開示されていない事項、例えば、運転条件や操業条件、各種パラメータ、構成物の寸法、重量、体積などは、当業者が通常実施する範囲を逸脱するものではなく、通常の当業者であれば、容易に想定することが可能な値を採用している。

１ 切削加工具
２ 被加工材

Claims (4)

1. 切削加工具を用いて、被加工材を切削する際に必要となる切削条件を設計するに際しては、
   前記切削加工具の送り速度と、前記切削加工具の軸心方向の切込み量と、前記切削加工具の径方向の切込み量と、前記切削加工具の切削速度とを設計パラメータとし、
   前記設計パラメータのうち、前記切削加工具の送り速度と、前記切削加工具の軸心方向の切込み量と、前記切削加工具の径方向の切込み量を用いて、前記切削加工具のたわみ量を算出し、
   算出された前記切削加工具のたわみ量と所定の閾値とを基に、当該切削加工具の「びびり振動」が切削加工時に発生するか否かを判定し、
   前記切削加工具の「びびり振動」が発生しないと判定された場合、前記切削加工具の送り速度と、前記切削加工具の径方向の切込み量とから、前記被加工材に対して許容される切り取り可能な切削加工具の最大切り取り厚さを算出し、
   算出された前記最大切り取り厚さと、前記切削加工具の切削速度とから、前記切削加工具の切削温度を算出し、
   算出された前記切削加工具の切削温度と所定の閾値とを基に、切削加工時における前記切削加工具の工具寿命が満たされる否かを判定し、
   前記切削加工具の工具寿命が満たされる場合、切削加工時に許容される前記切削加工具の切削速度の最大値と、前記切削加工具の送り速度と、前記切削加工具の軸心方向の切込み量と、前記切削加工具の径方向の切込み量とから、切削加工時における前記切削加工具の切削効率を算出し、
   算出された前記切削加工具の切削効率と、予め保存されている切削効率のデータとを比較して、算出された前記切削加工具の切削効率が、前記切削効率のデータ内の最大値である場合、前記切削加工具の送り速度と、前記切削加工具の軸心方向の切込み量と、前記切削加工具の径方向の切込み量と、前記切削加工具の切削速度とを、前記切削条件とする
   ことを特徴とする切削加工における切削条件の設計方法。
2. 前記設計パラメータとして、前記切削加工具の形状を有していることを特徴とする請求項１に記載の切削加工における切削条件の設計方法。
3. 前記切削加工具のたわみ量を下式で算出することを特徴とする請求項１に記載の切削加工における切削条件の設計方法。
   
4. 前記切削加工具の最大切り取り厚さを下式で算出することを特徴とする請求項１に記載の切削加工における切削条件の設計方法。