JP2016194860A - 振動切削加工装置および振動切削加工方法 - Google Patents

Abstract

【課題】専用の振動発生機構なしに振動切削が行えるとともに、振動波形を任意の波形にできる振動切削加工装置および振動切削加工方法を提供する。【解決手段】振動切削加工装置１は、工具によりワークを切削加工する工作機械１０と、工作機械１０を制御する制御装置２０とを有し、工作機械１０は制御装置２０で制御されて前記工具を前記ワークに対して相対移動させるＺ軸駆動機構１３を有する。Ｚ軸駆動機構１３を制御するＺ軸制御部２３は位置フィードバックを有し、前記工具を前記ワークに対して振動させるために、制御装置２０は位置フィードバックに振動波形信号を重畳する振動制御部４０を有する。【選択図】図３

Description

本発明は、振動を伴う切削加工を行う振動切削加工装置および振動切削加工方法に関する。

従来、ワークを切削して所定形状に加工する切削加工が多用されている。
切削加工としては、回転主軸に切削工具を装着して実行される回転切削が多用されている。回転切削としては、フライスを用いた平面切削、エンドミルを用いた平面加工や段差加工あるいは溝加工があるほか、ドリルによる孔開け等がある。
このような切削加工においては、その作業性および加工品質を改善するために、振動を伴う切削加工が開発されている。

振動加工を行うために、工具を支持するホルダ部分に、工具を振動させる振動発生機構を有する、専用の工作機械が用いられている（特許文献１）。
このような専用の工作機械では、振動発生機構が追加される分、構造の複雑化が避けられず、製造コストの上昇も避けられない。
また、主軸ヘッド周辺に振動発生機構を追加する必要があり、周囲との干渉が問題になるほか、既存の工作機械に後付けすることが困難という問題もあった。

このような専用の工作機械に対し、専用装置を用いない振動発生、具体的には工具の送り機構の制御を利用して、工具に振動を発生させる技術が提案されている（特許文献２）。
特許文献２では、振動切削情報格納部に、複数軸方向（Ｘ軸，Ｚ軸）の同期送り動作により切削工具を低周波振動させるデータが格納され、このデータに基づいてモータ制御部が、サーボアンプを介して駆動モータを制御している（段落００３２〜００３３参照）。

つまり、特許文献２では、工具およびワークの送り駆動モータの制御で振動を発生させており、専用の振動発生機構なしに振動切削を行うことができる。
なお、特許文献２においては、振動発生のための制御が、駆動モータのサーボ系において行われ、振動パターンは低周波（例えば振動周波数２５Ｈｚ）の正弦波とされている（段落００３４，００３５参照）。

登録実用新案第３１８１１９０号公報 特開２０１４−５４６８８号公報

前述した特許文献２では、送り駆動制御を利用してワークに対して工具を振動させている。従って、特許文献１のような専用の振動発生機構なしに振動切削を行うことができる。
しかし、特許文献２においては、以下のような不都合が避けられなかった。

特許文献２においては、振動発生のための制御が、駆動モータのサーボ系によって行われており、トルク制御となるため高精度を得ることが難しいという問題がある。
すなわち、トルク制御の結果として工具の振動が得られるが、モータで駆動される部分（工具を含む制御対象の駆動機構の可動側部分）の慣性等で、制御目標として入力される振動波形のとおりには振動しない。
このため、入出力の波形に乖離が生じにくい正弦波が専ら利用されるとともに、その他の任意の波形を利用することが難しい。

特許文献２においては、前述した精度および振動波形の制約に関連して、振動切削によって得られるワークの加工面品質を十分に向上できないという問題がある。
例えば、ワークの側面をエンドミルの側面刃で平面切削する際に、加工面に送り方向の縞模様パターンが生じることがある。このような縞模様を抑制するために、エンドミルを送り方向と交差方向（エンドミルの回転軸線方向）に振動させることが有効である。しかし、振動波形が正弦波であると、波形の極大極小部位で振動変位が緩やかになり、振動による効果が十分でなくなり、縞が十分に消せなくなる可能性がある。

あるいは、ワークにエンドミルで溝加工する際に、エンドミルの底刃と溝の底面との接触を一時的に緩和することで、エンドミルに対する送り方向の抵抗を減らすことができ、エンドミルの折損防止に有効である。しかし、エンドミルの底刃と溝の底面とが離れる時間が長いと、溝の底面が平滑に加工できなくなる可能性がある。
このようなことから、振動切削を行う際に、正弦波に限定されず、任意の振動波形での振動切削が行えるようにすることが要望されていた。

本発明の目的は、専用の振動発生機構なしに振動切削が行えるとともに、振動波形を任意の波形にできる振動切削加工装置および振動切削加工方法を提供することにある。

本発明の振動切削加工装置は、工具によりワークを切削加工する工作機械と、前記工作機械を制御する制御装置とを有し、前記工作機械は前記制御装置で制御されて前記工具を前記ワークに対して相対移動させる送り駆動機構を有し、かつ前記送り駆動機構を前記制御装置で制御されて前記工具を前記ワークに対して振動させる振動切削加工装置であって、前記送り駆動機構は、前記工具の位置に関する位置フィードバックを有し、前記制御装置は、前記位置フィードバックに振動波形信号を重畳する振動制御部を有することを特徴とする。

このような本発明では、切削加工の際に、送り駆動機構により工具がワークに対して送り駆動され、所期の切削加工が実行される。
この際、振動制御部により、送り駆動機構の位置フィードバックに振動波形信号が重畳され、送り駆動機構に戻される。その結果、送り駆動機構は、所期の加工動作に加えて、重畳された振動波形信号に基づいて工具を振動させる。そして、工作機械において、所期の振動切削が実行される。
これにより、工作機械において、専用の振動発生機構なしに、振動切削を行うことができる。

本発明では、振動波形信号は位置フィードバックに対して重畳されるため、工具の振動は、重畳された振動波形信号に応じた正確な振動とされる。
そして、送り駆動機構の速度フィードバックあるいは駆動モータのトルク制御のような、位置フィードバックのいわゆる内側のフィードバックループに対する振動信号付与のような慣性による振動波形の変形を回避することができる。
その結果、本発明によれば、任意波形での振動切削が可能となり、品質向上のための機能に即した振動付与が実現できる。

本発明の振動切削加工装置において、前記振動制御部は、複数の波形パターンを記憶する波形パターンメモリと、前記波形パターンに基づいて前記振動波形信号を生成する振動波形信号生成部とを有することが好ましい。

このような本発明では、複数の波形パターンのいずれかを外部からの指定信号などで選択することができ、選択した波形パターンの振動波形信号を生成することで、この信号を位置フィードバックに重畳することができる。
これにより、任意の波形パターンでの振動切削を行うことができ、加工内容に応じた適切な振動波形を選択することができる。
なお、振動波形信号生成部において、振動波形信号の生成を外部からの指定信号などで断続切り替え可能としてもよく、振動切削モードと振動なしの通常切削モードとの選択を容易に行うことができる。

本発明の振動切削加工装置において、前記振動波形信号の波形は、三角波、鋸波、矩形波のいずれかであることが好ましい。

このような本発明では、三角波または鋸波とすることで、振動の最大値と最小値との間で変化率が一定の振動切削を行うことができる。また、矩形波とすることで、最大値と最小値との二値が切り替わるような振動を伴う切削とすることができる。矩形波とする際には、いわゆるパルスのデューティ比の設定により、最大値と最小値との継続時間を調整することができる。

本発明の振動切削加工方法は、工具によりワークを切削加工する工作機械と、前記工作機械を制御する制御装置とを有し、前記工作機械は前記制御装置で制御されて前記工具を前記ワークに対して相対移動させる送り駆動機構を有する切削加工装置を用い、前記送り駆動機構を前記制御装置で制御して前記工具を前記ワークに対して振動させる振動切削加工方法であって、前記送り機構は、前記工具の位置に関する位置フィードバックを有し、前記位置フィードバックに振動波形信号を重畳することを特徴とする。

このような本発明によれば、前述した本発明の振動切削加工装置で説明した作用効果と同様な作用効果を得ることができる。

本発明によれば、専用の振動発生機構なしに振動切削が行えるとともに、振動波形を任意の波形にできる振動切削加工装置および振動切削加工方法を提供することができる。

本発明の一実施形態の切削加工装置全体を示す側面図。 前記実施形態の制御系を示すブロック図。 前記実施形態で振動付与されるＺ軸駆動機構を示すブロック図。 前記実施形態の振動制御部を示すブロック図。 前記実施形態の工具における振動付与を示す斜視図。 前記実施形態の振動切削の一例を示す図であり、（Ａ）部は切削状態を示す斜視図、（Ｂ）部は振動波形を示すグラフ。 前記実施形態の振動切削の他の例を示す図であり、（Ａ）部は切削状態を示す側面図、（Ｂ）部は振動波形を示すグラフ、（Ｃ）部は工具を持ち上げた状態を示す側面図。 前記実施形態の振動切削のさらに他の例を示す図であり、（Ａ）部は送り動作を示すグラフ、（Ｂ）部は振動波形を示すグラフ、（Ｃ）部は振動切削動作を示すグラフ。

以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。
図１において、振動切削加工装置１は、工具２によりワーク３を切削加工する工作機械１０と、この工作機械１０を制御する制御装置２０とを有する。

工作機械１０は、ワーク３を固定するテーブル４を有し、その上方にはクロスレール５が掛け渡されている。クロスレール５には主軸ヘッド６が支持され、主軸ヘッド６に支持された主軸７の先端にはエンドミルなどの工具２が装着されている。

工作機械１０は、工具２をワーク３に対して相対移動させる送り駆動機構として、テーブル４をＸ軸方向へ移動させるＸ軸駆動機構１１と、クロスレール５に沿って主軸ヘッド６を水平移動させるＹ軸駆動機構１２と、主軸ヘッド６をクロスレール５に対して昇降移動させるＺ軸駆動機構１３とを備えている。
さらに、主軸ヘッド６には、主軸７を回転駆動する主軸駆動機構１４が設置されている。

制御装置２０は、工作機械１０に接続され、Ｘ軸駆動機構１１、Ｙ軸駆動機構１２、Ｚ軸駆動機構１３および主軸駆動機構１４を制御することで、工具２をワーク３に対して相対移動させ、所期の切削加工を実行する。この際、制御装置２０は、工具２をワーク３に対して振動させることで、振動切削加工が実行される。

図２において、制御装置２０は、操作盤３０、ＮＣ制御部３１およびプログラムメモリ３２を有する。
操作盤３０は、オペレータの外部操作を受け付けるとともに、制御装置２０の各部状態を表示する等の機能を有する。
ＮＣ制御部３１は、プログラムメモリ３２に格納されているＮＣプログラムに基づいて、制御装置２０の各部ないし工作機械１０の各部を制御する。

工作機械１０のＸ軸駆動機構１１、Ｙ軸駆動機構１２、Ｚ軸駆動機構１３および主軸駆動機構１４を制御するために、制御装置２０にはＸ軸制御部２１、Ｙ軸制御部２２、Ｚ軸制御部２３および主軸制御部２４が設けられている。

これらのＸ軸制御部２１ないし主軸制御部２４は、それぞれ対応するＸ軸駆動機構１１ないし主軸駆動機構１４との間にフィードバック制御ループを構成し、ＮＣ制御部３１から与えられる目標値に基づいて各軸駆動機構１１〜１４を制御する。

図３には、Ｚ軸の制御ループが示されている。
Ｚ軸制御部２３はサーボアンプ２３１を有し、サーボアンプ２３１はＮＣ制御部３１からのＺ軸目標値に応じた指令信号を、工作機械１０のＺ軸駆動機構１３に送る。
Ｚ軸駆動機構１３はサーボモータ１３１を有し、サーボモータ１３１はサーボアンプ２３１からの指令信号に応じて作動し、Ｚ軸移動部分１３２を移動させる。

Ｚ軸駆動機構１３は、サーボモータ１３１の動作状態を検出するパルスジェネレータ１３３と、Ｚ軸移動部分１３２の移動位置を検出するＺ軸位置検出器１３４とを備えている。
パルスジェネレータ１３３の出力は、速度フィードバックとして、サーボアンプ２３１の入力側に戻されている。
Ｚ軸位置検出器１３４の出力は、位置フィードバックとして、サーボアンプ２３１の入力側に戻されている。

図２および図３において、本実施形態の制御装置２０には、本発明に基づいて、振動制御部４０が設けられている。
振動制御部４０は、ＮＣ制御部３１の制御のもとで、各軸の位置フィードバックに振動波形を加算し、重畳することで、Ｘ、Ｙ，Ｚ各軸の動作に振動を加えることができる。

図４において、振動制御部４０は、波形パターンメモリ４１と、振動波形信号生成部４２とを備えている。
波形パターンメモリ４１は、複数の波形パターン４１１を記憶しており、ＮＣ制御部３１からの波形指定に基づいて複数の波形パターン４１１のうちいずれかを出力可能である。

波形パターン４１１としては、三角波、鋸波、矩形波のうちいずれかである。同じ三角波あるいは矩形波でも、デューティ比などが異なる複数の波形が記憶されていてもよい。これらの波形パターン４１１は、波形そのものを記憶したものであってもよく、パラメータで規定される波形であってもよい。

振動波形信号生成部４２は、波形パターンメモリ４１から出力された波形パターン４１１に基づいて振動波形信号を生成し、位置フィードバックへと出力する。
振動波形信号生成部４２における振動波形信号の生成ないし出力は、ＮＣ制御部３１からの指令に基づいて断続が切り替えられる。
このような振動波形信号生成部４２の動作の断続により、振動制御部４０による振動加算の断続切り替えが行われる。

次に、本実施形態の振動切削加工装置１を用いた振動切削加工について説明する。
図５において、工具２であるエンドミル２０１は、Ｚ軸方向を回転中心としてＣ方向に回転駆動される。そして、ワーク３に対して、Ｘ軸方向に送られ、エンドミル２０１の側面刃で切削加工を行う。
このような切削動作においては、エンドミル２０１をＺ軸方向（送り方向であるＸ軸方向と交差する方向）に振動させることで、加工面の加工縞の解消を図ることができる。

図６（Ａ）において、ワーク３のＸ軸方向に延びる側壁面３０１をエンドミル２０１で平面切削する場合、エンドミル２０１をＣ方向に回転させつつ、Ｘ軸方向に送る。この際、Ｚ軸方向の振動を与えない場合（Ｚ軸方向は一定位置）、側壁面３０１には送り方向に沿った加工縞が生じる。

これに対し、図６（Ｂ）のような三角波の振動波形を用いて、エンドミル２０１をＺ軸方向に振動させることで、図６（Ａ）のように加工縞が振動波形に応じた波目状となる。従って、この振動波形を細かくすることで、加工縞として目立たなくすることができ、側壁面３０１の加工面としての品質を向上することができる。

図７（Ａ）において、工具２であるエンドミル２０１でワーク３の溝加工を行う場合、エンドミル２０１の底刃が溝底面３０３との摩擦抵抗を受け、エンドミル２０１の先端が送り方向であるＸ軸方向に向かうように曲げを受けることがある。このような曲げを受けて、エンドミル２０１が折損することもある。

これに対し、図７（Ｂ）のようなパルス波形を、Ｘ軸方向と交差するＺ軸方向に加えることで、エンドミル２０１の曲げを解消することができる。
図７（Ｃ）に示すように、エンドミル２０１の底刃が溝底面３０３との摩擦抵抗を受け、曲げられた状態で、エンドミル２０１がＺ軸方向に持ち上げられることで、底刃と溝底面３０３との接触が一時的に解消され、エンドミル２０１の曲げを解消することができる。
このような曲げ解消を一定時間毎に行うことで、エンドミル２０１の折損を未然に防止することができる。

前述した図６および図７では、送り方向がＸ軸方向のとき、交差するＺ軸方向に振動を加えていたが、送り方向であるＸ軸方向に振動を重畳させてもよい。
図８（Ａ）のような送り動作を行う際に、図８（Ｂ）のような三角波の振動を加えることで、図８（Ｃ）のように進退しつつ送る動作を行うことができる。
このように、本実施形態においては、送り方向と振動方向は任意に設定することができるとともに、振動の波形も任意に選択することができる。

以上に述べたように、本実施形態の振動切削加工装置１によれば、Ｘ，Ｙ，Ｚの各軸駆動機構１１〜１３により工具２がワーク３に対して送り駆動され、所期の切削加工が実行される。
この際、振動制御部４０により、各軸駆動機構１１〜１３を制御する各軸制御部２１〜２３の位置フィードバックに振動波形信号が重畳され、各軸駆動機構１１〜１３に戻される。
その結果、各軸駆動機構１１〜１３において、所期の加工動作に加えて、重畳された振動波形信号に基づいて工具２を振動させることができる。その結果、工作機械１０において、所期の振動切削が実行される。これにより、工作機械１０において、専用の振動発生機構なしに、振動切削を行うことができる。

本実施形態では、振動波形信号は各軸駆動機構１１〜１３を制御する各軸制御部２１〜２３の位置フィードバックに対して重畳される。このため、工具２の振動は、重畳された振動波形信号に応じた正確な振動とされる。
そして、各軸駆動機構１１〜１３を制御する各軸制御部２１〜２３の速度フィードバックあるいは駆動モータのトルク制御のような、位置フィードバックの内側のフィードバックループに対する振動信号付与のような慣性による振動波形の変形を回避することができる。
その結果、本実施形態の振動切削加工装置１によれば、任意波形での振動切削が可能となり、品質向上のための機能に即した振動付与が実現できる。

本実施形態の振動切削加工装置１において、振動制御部４０は、複数の波形パターン４１１を記憶する波形パターンメモリ４１と、波形パターン４１１に基づいて振動波形信号を生成する振動波形信号生成部４２とを有するものとした。
このため、振動制御部４０では、複数の波形パターン４１１のいずれかを、ＮＣ制御部３１からの波形指定で選択することができ、選択した波形パターン４１１の振動波形信号を生成することで、この信号を位置フィードバックに重畳することができる。

これにより、本実施形態の振動切削加工装置１によれば、任意の波形パターンでの振動切削を行うことができ、加工内容に応じた適切な振動波形を選択することができる。
さらに、振動波形信号生成部４２において、ＮＣ制御部３１からの断続指定で振動波形信号の生成を断続切り替えるようにしたので、振動切削モードと振動なしの通常切削モードとの選択を容易に行うことができる。

本実施形態の振動切削加工装置１において、信号波形信号の波形は、三角波、鋸波、矩形波のいずれかとし、それぞれ波形パターン４１１として波形パターンメモリ４１に記憶していた。
振動波形を、三角波または鋸波とすることで、図６あるいは図８のように、振動の最大値と最小値との間で変化率が一定の振動切削を行うことができる。
また、振動波形を矩形波とすることで、最大値と最小値との二値が切り替わるような振動を伴う切削とすることができる。図７のように、矩形波とする際には、いわゆるパルスのデューティ比の設定により、最大値と最小値との継続時間を調整することができる。

なお、本発明は、前述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形などは、本発明に含まれる。
前記実施形態において、工作機械１０は、クロスレール５を用いた門型マシニングセンタ形式としたが、立て型あるいは横型など、他の形式のマシニングセンタなどであってもよい。
前記実施形態において、工具２としてエンドミル２０１を例示したが、正面フライス、タップ切り工具、ドリルあるいはその他の切削工具であってもよい。

前記実施形態において、主にＸ軸方向を送り駆動方向とし、交差するＺ軸方向の振動あるいは送り駆動と同じＸ軸方向の振動を加えるとしたが、これらはＹ軸方向を含めて任意の組み合わせが可能であり、加工内容に応じて適宜選択すればよい。
さらに、振動の周期あるいは振幅についても、加工内容に応じて適宜選択すればよい。

本発明は、振動を伴う切削加工を行う振動切削加工装置および振動切削加工方法として利用できる。

１…振動切削加工装置、１０…工作機械、１１…送り駆動機構であるＸ軸駆動機構、１２…送り駆動機構であるＹ軸駆動機構、１３…送り駆動機構であるＺ軸駆動機構、１３１…サーボモータ、１３２…Ｚ軸移動部分、１３３…パルスジェネレータ、１３４…Ｚ軸位置検出器、１４…主軸駆動機構、２…工具、２０…制御装置、２０１…エンドミル、２１…位置フィードバックループを有するＸ軸制御部、２２…位置フィードバックループを有するＹ軸制御部、２３…位置フィードバックループを有するＺ軸制御部、２３１…サーボアンプ、２４…主軸制御部、３…ワーク、３０…操作盤、３０１…側壁面、３０３…溝底面、３１…ＮＣ制御部、３２…プログラムメモリ、４…テーブル、４０…振動制御部、４１…波形パターンメモリ、４１１…波形パターン、４２…振動波形信号生成部、５…クロスレール、６…主軸ヘッド、７…主軸。

Claims (4)

1. 工具によりワークを切削加工する工作機械と、前記工作機械を制御する制御装置とを有し、前記工作機械は前記制御装置で制御されて前記工具を前記ワークに対して相対移動させる送り駆動機構を有し、かつ前記送り駆動機構を前記制御装置で制御されて前記工具を前記ワークに対して振動させる振動切削加工装置であって、
   前記送り駆動機構は、前記工具の位置に関する位置フィードバックを有し、
   前記制御装置は、前記位置フィードバックに振動波形信号を重畳する振動制御部を有することを特徴とする振動切削加工装置。
2. 請求項１に記載した振動切削加工装置において、
   前記振動制御部は、複数の波形パターンを記憶する波形パターンメモリと、前記波形パターンに基づいて前記振動波形信号を生成する振動波形信号生成部とを有することを特徴とする振動切削加工装置。
3. 請求項１または請求項２に記載した振動切削加工装置において、
   前記振動波形信号の波形は、三角波、鋸波、矩形波のいずれかであることを特徴とする振動切削加工装置。
4. 工具によりワークを切削加工する工作機械と、前記工作機械を制御する制御装置とを有し、前記工作機械は前記制御装置で制御されて前記工具を前記ワークに対して相対移動させる送り駆動機構を有する切削加工装置を用い、前記送り駆動機構を前記制御装置で制御して前記工具を前記ワークに対して振動させる振動切削加工方法であって、
   前記送り機構は、前記工具の位置に関する位置フィードバックを有し、
   前記位置フィードバックに振動波形信号を重畳することを特徴とする振動切削加工方法。

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