JP2017030065A - 切削加工装置及び切削加工方法 - Google Patents

Abstract

【課題】加工形状の複雑さに拘わらず、簡易な構成で切削工具の摩耗や欠損が検出可能な切削加工装置及び切削加工方法を提供する。
【解決手段】被加工物１５を切削加工する切削工具１３と、前記被加工物に隣接して設けられた試料片１６と、該試料片の加工状態を計測するセンサ１９と、制御部とを具備し、前記センサにより前記切削工具で切削加工した前記試料片の加工状態が計測され、前記センサの計測結果を基に前記制御部が前記切削工具の摩耗や欠損を検出する。
【選択図】図２

Description

本発明は、被加工物に溝加工等の切削加工を行う切削加工装置、特に切削工具の摩耗や欠損を検出可能な切削加工装置及び切削加工方法に関するものである。

従来、旋削やフライス加工等を行う切削工具の摩耗や欠損をインプロセスで検出する方法としては、主軸トルクの変化、切削抵抗の変化、ＡＥ（Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｅｍｉｓｓｉｏｎ）信号等を検出し、利用するものがある。従来の方法の場合、素材の固さやバラツキ、送り速度や切込み量等の切削条件の変化や、その他の外乱ノイズの影響を受け易い為、切削工具の正確な摩耗や欠損を検出するのは困難である。

又、加工後の被加工物の加工面には、切削工具の刃先の状態が転写されることから、切削工具ではなく加工後の被加工物の加工面を表面粗さ測定器により計測し、計測された加工面の表面粗さ表面形状を基に、切削工具の摩耗や欠損を検出するものもある。

尚、特許文献１には、切削加工状態にある被加工物に対し、該被加工物の直径より広い幅のレーザ光を照射すると共にレーザ光を受光し、受光値の最大値と最小値との差を基にして前記被加工物の表面切削肌粗さをインラインで測定し、該表面切削肌粗さが所定値以上となったときに切削加工ラインを自動的に停止するインライン切削肌粗さ測定方法が開示されている。

又、特許文献２には、切削後の被加工物の表面形状を測定して表面形状データを取得し、該表面形状データをフーリエ変換した上でバンドパスフィルタにより工具摩耗と関係のある特定周波数帯域のパーシャルオーバオール値を算出し、求めた値と予め設定された判定基準値とを比較して工具の摩耗の限界を判定する切削工具の摩耗検出方法が開示されている。

特開平６−３２８３４９号公報 特開平６−３４４２４６号公報

然し乍ら、複雑で深い溝加工を行う切削加工の場合、加工後の被加工物の加工面を、例えば表面粗さ測定器で計測する為には、測定器の接触探触子を切削工具と同様に移動可能とする必要があり、装置構成が複雑となり、製造コストも増大する。

本発明は、加工形状の複雑さに拘わらず、簡易な構成で切削工具の摩耗や欠損が検出可能な切削加工装置及び切削加工方法を提供するものである。

本発明は、被加工物を切削加工する切削工具と、前記被加工物に隣接して設けられた試料片と、該試料片の加工状態を計測するセンサと、制御部とを具備し、前記センサにより前記切削工具で切削加工した前記試料片の加工状態が計測され、前記センサの計測結果を基に前記制御部が前記切削工具の摩耗や欠損を検出する切削加工装置に係るものである。

又本発明は、前記センサは、前記試料片の表面粗さ、表面形状を計測可能であり、前記制御部は前記センサにより計測された交換直後の前記切削工具により切削加工された前記試料片の表面粗さ又は表面形状と、切削加工進行後の前記切削工具により切削加工された前記試料片の表面粗さ又は表面形状とを基に、前記切削工具の摩耗や欠損を検出する切削加工装置に係るものである。

又本発明は、前記センサは、切削加工時の振動、切削抵抗を検出可能であり、前記制御部は前記センサにより検出された交換直後の前記切削工具により切削加工された際の前記試料片の振動又は切削抵抗と、切削加工進行後の前記切削工具により切削加工された際の前記試料片の振動又は切削抵抗とを基に、前記切削工具の摩耗や欠損を検出する切削加工装置に係るものである。

更に又本発明は、交換直後の切削工具により試料片を切削加工する工程と、交換直後の前記切削工具による前記試料片の加工状態を計測する工程と、前記切削工具により被加工物を切削加工する工程と、切削加工進行後の前記切削工具による前記試料片の加工状態を計測する工程と、切削加工進行前後の計測結果を基に前記切削工具の摩耗や欠損を検出する工程とを有する切削加工方法に係るものである。

本発明によれば、前記被加工物の加工状態に拘わらず、前記センサにより前記試料片の状態を計測するだけでよいので、前記センサに前記切削工具と同様の動きをさせる必要がなく、装置構成を簡易化できると共に製造コストの低減を図ることができるという優れた効果を発揮する。

本発明の第１の実施例に係る切削加工装置を示す斜視図である。 （Ａ）〜（Ｃ）は、本発明の第１の実施例に係る摩耗欠損検出処理を説明する説明図である。 本発明の第１の実施例に係る摩耗欠損検出処理を説明するフローチャートである。 本発明の第２の実施例に係る摩耗欠損検出処理を説明する説明図である。

以下、図面を参照しつつ本発明の実施例を説明する。

先ず、図１に於いて、本発明の第１の実施例に係る切削加工装置について説明する。

切削加工装置１は、図１中Ｙ軸方向に延出するベース２を有し、該ベース２にＹ軸方向に移動可能なスライドテーブル２ａが設けられている。又、門型フレーム３が前記ベース２を挾む様該ベース２上に設けられている。前記門型フレーム３には昇降ユニット４が設けられ、該昇降ユニット４は昇降ガイド（図示せず）を介して昇降モータ５，５により図１中Ｚ軸方向に昇降可能となっている。

尚、前記昇降ユニット４の上下には、前記昇降ガイドを覆う蛇腹状の保護部材６，６が設けられている。該保護部材６，６は、前記昇降ユニット４の上面及び下面に取付けられ、該昇降ユニット４の昇降に伴い伸縮する。前記保護部材６，６が伸縮することにより、前記昇降ユニット４の上下位置に拘わらず前記昇降ガイドが外部に露出するのを防止し、該昇降ガイドに切粉等が侵入するのを防止している。

前記昇降ユニット４には横行ユニット７が設けられ、該横行ユニット７はガイドシャフト（図示せず）を介して横行モータ８により図１中Ｘ軸方向に移動可能となっている。前記ガイドシャフトは、蛇腹状の保護部材９で覆われ、該保護部材９は前記横行ユニット７の移動に伴い伸縮する様になっている。

該横行ユニット７にはホルダ保持ユニット１１が設けられ、該ホルダ保持ユニット１１は図１中Ａ軸方向に回転可能となっている。又、該ホルダ保持ユニット１１に工具ホルダ１２が保持され、該工具ホルダ１２にテーパエンドミル等の切削工具１３が保持されている。

該切削工具１３は、前記ホルダ保持ユニット１１を介してＡ軸方向に回転可能であり、前記横行ユニット７を介してＸ軸方向に移動可能であると共に、前記昇降ユニット４を介してＺ軸方向に昇降可能となっている。

前記スライドテーブル２ａ上には、回転テーブル１４が設けられている。該回転テーブル１４は図１中Ｃ軸方向に回転可能となっている。該回転テーブル１４上には、溝加工を行う被加工物１５（図２（Ａ）〜図２（Ｃ）参照）が保持されると共に、該被加工物１５に隣接して試料片１６（図２（Ａ）〜図２（Ｃ）参照）が保持される。

尚、該試料片１６は、前記被加工物１５と同材質としてもよいし、快削鋼や快削黄銅の様に加工性がよく前記切削工具１３の刃先の状態が転写され易い材質のものを用いてもよい。

前記ベース２に隣接してセンサユニット１７が固定的に設けられている。又、該センサユニット１７は、前記ベース２の上方迄延出するアーム部１８を有し、該アーム部１８の先端部の下面に前記試料片１６の表面形状を計測する為のセンサ１９が設けられている。該センサ１９は、前記スライドテーブル２ａ、前記回転テーブル１４の可動範囲内に位置している。前記センサ１９は、前記試料片１６の表面粗さや表面形状（加工状態）を計測可能なセンサ、例えばレーザセンサであり、該試料片１６にレーザ光を照射した際の反射状態を検出して該試料片１６の表面粗さや表面形状を計測可能となっている。

又、前記切削加工装置１は、ＰＣ等の制御部２１を有している。該制御部２１は、前記スライドテーブル２ａ、前記昇降ユニット４、前記横行ユニット７、前記ホルダ保持ユニット１１、前記工具ホルダ１２、前記回転テーブル１４にそれぞれ設けられた駆動モータ（図示せず）に接続され、前記制御部２１により各駆動モータが制御されることで、前記スライドテーブル２ａ、前記昇降ユニット４、前記横行ユニット７、前記ホルダ保持ユニット１１、前記工具ホルダ１２、前記回転テーブル１４の駆動が制御され、前記被加工物１５に対して５軸制御の切削加工が行われる様になっている。

又、前記制御部２１は、前記センサ１９に接続され、該センサ１９に前記試料片１６の表面粗さや表面形状の計測を行わせると共に、計測結果がフィードバックされる様になっている。

更に、前記制御部２１はＨＤＤやメモリ等の記憶部２２を有している。該記憶部２２には、各駆動モータの駆動を制御する為の駆動制御プログラム、後述する前記被加工物１５に対する加工処理を行う為のシーケンスプログラム、前記センサ１９により計測された前記試料片１６の表面形状データを基に前記切削工具１３の交換が必要かどうかを判断する為の表面形状評価プログラム等のプログラムが格納されると共に、前記センサ１９により計測された前記試料片１６の表面形状データや前記切削工具１３の交換が必要かどうかを判断する為の閾値等が格納される様になっている。

次に、図２（Ａ）〜図２（Ｃ）及び図３のフローチャートを用い、第１の実施例に於ける前記被加工物１５に対する切削加工処理について説明する。

ＳＴＥＰ：０１ 先ず始めに、交換直後で摩耗のない前記切削工具１３を前記工具ホルダ１２に取付け、前記制御部２１が前記スライドテーブル２ａ及び前記回転テーブル１４の駆動モータを駆動させ、該回転テーブル１４を前記切削工具１３の下方へと移動させ、交換直後の前記切削工具１３により前記試料片１６の表面に対して切削加工を行う（図２（Ｂ）参照）。切削加工は単純加工、例えば所要量の切込みで前記試料片１６を直進移動させる。尚、該試料片１６に対する加工量は、前記切削工具１３の刃先の状態が転写される程度でよい。

ＳＴＥＰ：０２ 前記試料片１６の切削加工が終了すると、次に前記制御部２１により前記スライドテーブル２ａ及び前記回転テーブル１４の駆動モータが駆動され、該回転テーブル１４が前記センサ１９の下方へと移動され、該センサ１９により切削加工された前記試料片１６の例えば表面形状が計測される（図２（Ｃ）参照）。この時の前記センサ１９による計測結果は、前記記憶部２２に格納される。

ＳＴＥＰ：０３ 前記試料片１６の表面形状計測が終了すると、前記制御部２１により前記被加工物１５を前記切削工具１３の下方へと移動させた後、前記被加工物１５に対する溝加工等の切削加工が所定時間行われる（図２（Ａ）参照）。尚、該被加工物１５に対する切削加工を行う時間や距離は、該被加工物１５の材質や溝形状等の種々の条件により適宜設定される。

ＳＴＥＰ：０４ 該被加工物１５に対して所定時間切削加工が行われた後、前記制御部２１により前記切削工具１３の刃先の状態を検査するかどうかが判断される。尚、検査するかどうかの判断は、前記被加工物１５の材質や溝形状等の種々の条件により予め決定しておいてもよいし、プログラムで適時判断してもよい。予め決定する方法としては、例えば一定の加工距離毎に検査を行う様にする方法がある。プログラムで適時判断する方法としては、例えば前記切削工具１３交換後の累積加工距離をプログラムで計算して、予め設定しておいた加工距離の閾値を超えた場合は検査を行う様にする方法がある。

ＳＴＥＰ：０５ ＳＴＥＰ：０４にて前記切削工具１３の検査を行わないと判断されると、前記制御部２１により前記被加工物１５の切削加工が終了したかどうかが判断される。前記制御部２１が切削加工が終了したと判断すると、切削加工処理を終了し、切削加工が終了していないと判断すると、再度ＳＴＥＰ：０３の前記被加工物１５の切削加工が行われる。

ＳＴＥＰ：０６ ＳＴＥＰ：０４にて前記切削工具１３の検査を行うと判断されると、前記制御部２１により摩耗欠損検出処理が行われる。該制御部２１は、前記回転テーブル１４を前記切削工具１３の下方へと移動させ、切削加工進行後の前記切削工具１３により前記試料片１６の表面に対して切削加工を行わせる（図２（Ｂ）参照）。この場合の該試料片１６の加工は、ＳＴＥＰ：０１と同様の切削条件で行われる。

ＳＴＥＰ：０７ 該試料片１６の切削加工が完了すると、前記制御部２１は前記回転テーブル１４を前記センサ１９の下方へと移動させ、該センサ１９によりＳＴＥＰ：０６で切削加工された前記試料片１６の表面形状を計測させる（図２（Ｃ）参照）。この時の前記センサ１９による計測結果は、前記記憶部２２に格納される。

ＳＴＥＰ：０８ 次に、前記制御部２１は、前記記憶部２２に格納された交換直後の前記切削工具１３により切削加工された前記試料片１６の表面形状計測結果と、切削加工進行後の前記切削工具１３により切削加工された前記試料片１６の表面形状計測結果を基に、前記切削工具１３の刃先の状態、即ち摩耗や欠損がないかを評価する。評価方法としては、例えば２つの表面形状計測結果の相関係数を演算し、相関係数により評価する。

ＳＴＥＰ：０９ 前記制御部２１は、ＳＴＥＰ：０８での評価結果を、予め設定された閾値と比較し、前記切削工具１３の交換が必要であるかを判断する。該切削工具１３の交換が不要であると判断されると、摩耗欠損検出処理を終了し、再度ＳＴＥＰ：０３の前記被加工物１５の切削加工が行われる。

ＳＴＥＰ：１０ ＳＴＥＰ：０９にて前記切削工具１３の交換が必要であると判断されると、該切削工具１３を新しい切削工具１３と交換した後、摩耗欠損検出処理を終了し、再度ＳＴＥＰ：０３の前記被加工物１５の切削加工が行われる。

上記したＳＴＥＰ：０１〜ＳＴＥＰ：１０を繰返すことで、前記切削加工装置１による前記被加工物１５に対する切削加工処理が完了し、所望の形状の溝加工等を行うことができる。

上述の様に、第１の実施例では、前記被加工物１５に隣接して前記回転テーブル１４上に前記試料片１６を設け、交換直後の前記切削工具１３と切削加工進行後の該切削工具１３でそれぞれ前記試料片１６の表面を切削加工して前記切削工具１３の刃先の状態を転写し、前記試料片１６の表面形状を前記センサ１９で計測し、計測結果を基に前記切削工具１３の摩耗や欠損を検出している。

従って、該切削工具１３による加工後の前記試料片１６の加工面の表面形状計測は、前記被加工物１５の溝形状に拘わらず、前記回転テーブル１４を前記センサ１９の下方へと移動させるだけでよいので、該センサ１９を前記切削工具１３と同様の多軸制御可能な構造とする必要がなく、前記センサ１９を固定的に設けることができる。従って、前記切削加工装置１の装置構成を簡易化させることができ、製造コストの低減を図ることができる。

又、前記切削工具１３による加工後の前記試料片１６の加工面の表面形状計測は、前記センサ１９を前記切削工具１３と同様に移動させる必要がなく、前記回転テーブル１４の移動と前記センサ１９への計測指示だけで行えるので、表面形状計測を行なう際の制御の簡易化を図ることができる。

又、第１の実施例は、前記ベース２に隣接して前記センサユニット１７、前記アーム部１８、前記センサ１９を設けると共に、前記回転テーブル１４上に前記試料片１６を保持するだけでよいので、既存の切削加工装置に対して別途機構を追加することなく容易に適用可能であり、汎用性を高めることができる。

尚、前記スライドテーブル２ａを有さず、前記回転テーブル１４がＹ軸方向に移動できない場合には、前記センサユニット１７をＹ軸方向に移動可能な構成とすればよい。この場合に於いても、前記センサ１９に対して１軸のみの駆動機構を設けるだけでよいので、装置構成を簡易化でき、製造コストの低減を図ることができる。

又、該センサ１９として接触探触子を有する表面粗さ測定器を用いる場合も、接触探触子により前記試料片１６の加工面の表面粗さを計測するだけでよいので、装置構成を簡易にすることができる。

次に、図４に於いて、本発明の第２の実施例について説明する。尚、図４中、図２（Ａ）〜図２（Ｃ）中と同等のものには同符号を付し、その説明を省略する。

第２の実施例では、回転テーブル１４上に被加工物１５と隣接してセンサ２３を保持し、該センサ２３上に試料片１６を保持している。

前記センサ２３は、前記試料片１６の加工状態を検出可能なセンサ、例えば該試料片１６の振動周波数や振幅を検出可能な加速度センサや、切削抵抗（荷重）を検出可能なロードセル等が用いられる。尚、前記試料片１６の材質は、前記被加工物１５と同材質であってもよいし、快削鋼や快削黄銅等、加工性がよく切削工具１３の刃先の状態が転写され易い材質を用いてもよい。

第２の実施例に於ける摩耗欠損検出処理は、先ず交換直後の前記切削工具１３により前記試料片１６の表面を切削加工し、その時の前記センサ２３の検出値（交換時検出値）を記憶部２２（図１参照）に格納すると共に、前記交換時検出値を基に閾値を設定する。

又、前記被加工物１５を所定時間切削加工し、切削加工進行後の前記切削工具１３により前記試料片１６の表面を切削加工し、その時の前記センサ２３の検出値（進行後検出値）を前記記憶部２２に格納する。

前記交換時検出値と前記進行後検出値との差と前記閾値とが制御部２１（図１参照）により比較されることで、前記切削工具１３の摩耗や欠損が検出され、該切削工具１３の交換が必要であるかが判断される。

第２の実施例に於いても、前記被加工物１５に隣接して前記回転テーブル１４上に前記センサ２３を保持し、該センサ２３上に前記試料片１６を保持するだけでよいので、装置構成が簡易であり、製造コストの低減を図ることができると共に、既存の切削加工装置に対して別途検出機構を設けることなく容易に適用可能である。

又、第２の実施例では、前記センサ２３上に前記試料片１６を保持している。前記センサ２３に加速度計が用いられた場合、該試料片１６は軽量で小さな金属片でよいので、重量による計測可能な周波数範囲が制限されることがなく、広い周波数範囲での計測が可能となり、前記切削工具１３の摩耗や欠損の検出精度を向上させることができる。

又、前記交換時検出値と前記進行後検出値との差を基に前記切削工具１３の摩耗や欠損を検出するので、前記被加工物１５の切削加工と前記試料片１６の切削加工とで加工条件を一致させる必要がない。従って、例えば前記切削工具１３の回転数を少なくする等、前記試料片１６の切削加工を前記センサ２３にて高精度に計測可能な周波数範囲で行うことができ、前記切削工具１３の摩耗や欠損を高精度に検出することができる。

更に、快削鋼や快削黄銅を前記試料片１６として用いることで、計測を行なう際の外乱ノイズの大きな要因の１つであるクーラントを使用することなく切削加工を行うことが可能となり、前記切削工具１３の摩耗や欠損をより高精度に検出することができる。

尚、第２の実施例では、前記センサ２３として加速度センサやロードセルを例示しているが、ＡＥセンサを前記センサ２３として用いてもよく、前記切削工具１３の主軸トルクの計測結果を基に該切削工具１３の摩耗や欠損を検出してもよい。

又、第１の実施例、第２の実施例では、テーパエンドミルにより溝加工を行う場合について説明したが、旋盤加工、フライス加工、平削り、ドリル加工等を行う場合にも、前記試料片１６の表面形状を計測して前記切削工具１３の摩耗や欠損の検出が可能であるのは言う迄もない。更に、第１の実施例と第２の実施例とを組合わせてもよい。

１ 切削加工装置 １３ 切削工具
１４ 回転テーブル １５ 被加工物
１６ 試料片 １９ センサ
２１ 制御部 ２３ センサ

Claims (4)

1. 被加工物を切削加工する切削工具と、前記被加工物に隣接して設けられた試料片と、該試料片の加工状態を計測するセンサと、制御部とを具備し、前記センサにより前記切削工具で切削加工した前記試料片の加工状態が計測され、前記センサの計測結果を基に前記制御部が前記切削工具の摩耗や欠損を検出する切削加工装置。
2. 前記センサは、前記試料片の表面粗さ、表面形状を計測可能であり、前記制御部は前記センサにより計測された交換直後の前記切削工具により切削加工された前記試料片の表面粗さ又は表面形状と、切削加工進行後の前記切削工具により切削加工された前記試料片の表面粗さ又は表面形状とを基に、前記切削工具の摩耗や欠損を検出する請求項１に記載の切削加工装置。
3. 前記センサは、切削加工時の振動、切削抵抗を検出可能であり、前記制御部は前記センサにより検出された交換直後の前記切削工具により切削加工された際の前記試料片の振動又は切削抵抗と、切削加工進行後の前記切削工具により切削加工された際の前記試料片の振動又は切削抵抗とを基に、前記切削工具の摩耗や欠損を検出する請求項１に記載の切削加工装置。
4. 交換直後の切削工具により試料片を切削加工する工程と、交換直後の前記切削工具による前記試料片の加工状態を計測する工程と、前記切削工具により被加工物を切削加工する工程と、切削加工進行後の前記切削工具による前記試料片の加工状態を計測する工程と、切削加工進行前後の計測結果を基に前記切削工具の摩耗や欠損を検出する工程とを有する切削加工方法。

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