JP2018008331A

JP2018008331A - 工作機械の変位量確認用加工方法及び変位量確認用工作物

Info

Publication number: JP2018008331A
Application number: JP2016137836A
Authority: JP
Inventors: 祐司溝口; Yuji Mizoguchi
Original assignee: Okuma Corp; Okuma Machinery Works Ltd
Current assignee: Okuma Corp
Priority date: 2016-07-12
Filing date: 2016-07-12
Publication date: 2018-01-18

Abstract

【課題】たとえば旋盤等といった被加工物を回転させて加工するタイプの工作機械において実行することができる工作機械の変位量確認用加工方法を提供する。
【解決手段】回転軸方向に直交する断面において、回転中心から周面までの距離が中心角度に応じて異なる被加工物に対し、その周面への工具の切込量を一定として加工するといった工程を、所定時間毎に回転軸方向での位置をずらしながら繰り返し行い、試験加工部２２が設けられた変位量確認用工作物２０を得る。そして、試験加工部２２に残された切削跡の長さにより、工作機械の変位の時間変化及び各時刻での変位量を確認する。
【選択図】図５

Description

本発明は、加工時における工作機械の変位量を容易に確認する加工方法、及びこの加工方法により得られる変位量確認用工作物に関するものである。

工作機械で加工を行うと、工作機械自体での機械発熱や設置環境の温度変化等の影響により、工作機械の各部に熱変形が生じる。そして、その熱変形は、工具とワークとの相対位置を変化させることになるため、加工精度を低下させる要因となる。したがって、工作機械に生じる変位量を正確且つ簡易に評価する方法が必要とされている。

一方、工作機械における熱変位測定方法は、従来より日本工業規格ＪＩＳ等で規定されており、広く実施されている。この従来周知の熱変位測定方法の一例であり、マシニングセンタでの熱変位測定方法について、図１にもとづき簡略に説明する。
１は熱変位計取付具であって、図示しないマシニングセンタのテーブル上に固定されている。この熱変位計取付具１には、Ｘ方向に上下２箇所、Ｙ方向に上下２箇所、及びＺ方向に１箇所の合計５箇所に変位計３〜７が取り付けられている。また、図示しないマシニングセンタの主軸には、テストバー２を装着する。そして、テストバー２と変位計３〜７との相対変位を測定することにより、マシニングセンタに生じた熱変位を測定することになる。なお、同様の熱変位計取付具１を刃物台に、テストバー２を主軸に夫々取り付けることで、マシニングセンタではなく、旋盤においても熱変位を測定することができる。

しかしながら、上記従来周知の熱変位測定方法では、測定データを元に作成されたグラフデータしか得ることができず、工作機械の変位量を直接表現することができない。また、変位計の温度ドリフト等といった測定誤差の問題も考えられる。そこで、本件出願人は、実際に加工を行うことによって得られる工作物によって工作機械の変位量を直接調べることができる変位量確認用加工方法を提案した（特許文献１）。

ここで、特許文献１に記載の変位量確認用加工方法について、図２にもとづき簡略に説明する。図２の上側は、工作物１０のＸ−Ｙ平面を示した説明図であり、図２の下側は列ｔ０における加工部分の断面説明図である。
特許文献１に記載の変位量確認用加工方法では、回転工具軸に直交する平面（Ｘ−Ｙ平面）を有する被加工物を準備し、この平面に対し、まず時刻ｔ０において切込量を所定ピッチ（ここでは１μｍ）で変えながら、そのピッチ毎に加工箇所を右側へ移動させて複数回実施する列加工を行う。また、機械発熱や室温等が異なる時刻ｔ１〜時刻ｔ６においても、同様に切込量を所定ピッチで変えながら、そのピッチ毎に加工箇所を右側へ移動させて複数回実施する列加工を行う。これにより、加工跡として溝８、８・・が残ったり、点線の四角９、９・・で示すように加工跡が残らなかったりする工作物１０が得られるため、その工作物１０から工作機械の変位量を直接確認することができることになる。

特許第４１２８９２９号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載の変位量確認用加工方法は、たとえばフライス盤やマシニングセンタ、複合加工旋盤等といった工具を回転させて加工するタイプの工作機械のみが適用対象となり、たとえば旋盤等といった被加工物を回転させて加工するタイプの工作機械へ適用することができないといった問題がある。

そこで、本発明は、上記問題に鑑みなされたものであって、たとえば旋盤等といった被加工物を回転させて加工するタイプの工作機械において実行することができる工作機械の変位量確認用加工方法、及びこの加工方法により得られる変位量確認用工作物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、所定の軸周りで回転可能に設置された被加工物に対し、その周面から工具を切り込ませて切削加工する工作機械において、前記工作機械の変位量を確認するための変位量確認用加工方法であって、前記被加工物が、回転軸方向に直交する断面において、回転中心から周面までの距離が中心角度に応じて異なるものであり、当該被加工物を回転可能に設置する第１工程と、前記被加工物の周面への前記工具の切込量を一定として加工する第２工程と、前記第２工程を所定時間毎に前記回転軸方向での位置をずらしながら繰り返す第３工程とを実行することを特徴とする。
また、上記目的を達成するために、本発明のうち請求項２に記載の発明は、所定の軸周りで回転可能に設置された被加工物に対し、その周面から工具を切り込ませて切削加工する工作機械において、前記工作機械の変位量を確認するための変位量確認用加工方法であって、前記被加工物が、その回転軸方向に直交する断面が、回転軸を中心とした円形とされたものであり、当該被加工物を回転可能に設置する第１工程と、前記被加工物の周面に対し、回転中心から被加工面までの距離が中心角度に応じて異なるような加工を行う第２工程と、前記第２工程を所定時間毎に前記回転軸方向での位置をずらしながら繰り返す第３工程とを実行することを特徴とする。
また、上記目的を達成するために、本発明のうち請求項３に記載の発明は、変位量確認用工作物であって、請求項１又は２に記載の変位量確認用加工方法により得られることを特徴とする。

本発明によれば、回転軸方向に直交する断面において、回転中心から周面までの距離が中心角度に応じて異なる被加工物に対し、その周面への工具の切込量を一定として加工するといった工程（請求項１）や、回転軸方向に直交する断面が、回転軸を中心とした円形とされた被加工物の周面に対し、回転中心から被加工面までの距離が中心角度に応じて異なるような加工を行うといった工程（請求項２）を、所定時間毎に回転軸方向での位置をずらしながら繰り返す。したがって、たとえば旋盤等といった被加工物を回転させて加工するタイプの工作機械であるにも拘わらず、得られた工作物から工作機械の変位の時間変化及び各時刻での変位量を直接的に、且つ、容易に確認することができる。

工作機械における一般的な熱変位測定方法を示した説明図である。従来の変位量確認用加工方法に得られた変位量確認用工作物を示した説明図である。断面が楕円形状とされた被加工物に対する一定の切込量での加工を説明した図である。断面が円形とされた被加工物に対する刃先の軌跡が楕円形状を描く切削パターンでの加工を説明した図である。本発明に係る変位量確認用工作物を示した説明図である。本発明に係る変位量確認用工作物における工作機械の変位量と切削跡の長さとの関係を表したグラフである。

以下、本発明の一実施形態となる工作機械の変位量確認用加工方法及び変位量確認用工作物について、図面にもとづき詳細に説明する。

（第１実施例）
まず、回転軸方向に直交する断面において、回転中心から周面までの距離が中心角度に応じて異なるような被加工物に対し、工具の切込量を一定として加工する（すなわち、工具先端の被加工物に対する相対的な加工軌跡が、回転軸を中心とした円形を描く加工となる）ことにより、工作機械の変位量を確認する方法について説明する。

そして、上記被加工物としては、図３に示すように断面が長軸半径ａ_１、短軸半径ｂ_１の楕円形とされたものを採用し、楕円の中心を回転中心に一致させた状態で工作機械の主軸に装着する（第１工程）一方、この被加工物に対して、工具の刃先が回転中心（主軸中心）から半径ｒの位置まで切り込ませるとする。すると、被加工物の表面に、Ｐ_ｓ１からＰ_ｆ１にかけて太線で示されるような切削跡が残される。そこで、このときの切削跡の長さについて検討する。主軸中心を原点とすると、被加工物の表面形状は、下記式（１）で表される。

一方、工作機械にｘ軸方向へΔｘの変位が生じていたとすると、工具の刃先の軌跡は、下記式（２）で表される。

そこで、上記式（１）と式（２）とから交点、すなわち削り始めとなるＰ_ｓ１と削り終わりとなるＰ_ｆ１との座標（ｘ、ｙ）を求めると、夫々下記式（３）、式（４）となる。

さらに、削り始めＰ_ｓ１から削り終わりＰ_ｆ１までの角度を２θ_１とすると、切削跡の長さＬ（Δｘ）は、下記式（５）となり、工作機械の変位Δｘの関数になる。

ただし、被加工物における楕円の形状は、被加工物そのものの大きさや想定される工作機械の最大変位等を考慮して設定する必要がある。つまり、この設定が適切でないと、たとえば被加工物の表面に切削跡が残らなくなってしまったり、反対に被加工物の全周にわたって切削跡が残ってしまうような事態が起こり得る。そこで、想定される工作機械の最大の変位幅をΔｘ_ｍｉｎ〜Δｘ_ｍａｘとすると、下記式（６）の条件を満たす必要がある。

そして、上述したようにして得られる切削跡をもとに工作機械の変位量を確認するにあたっては、まず、たとえば工作機械を試験的に動作させる直前等、工作機械が基準となる状態にある状況において、切込量を段階的に変化させつつ上述したような切削加工を繰り返し行う。つまり、図５に示す例で説明すると、基準となる切込量に対して、−０．０４ｍｍから切削を開始し、−０．０４ｍｍ、−０．０３ｍ、・・・、０ｍｍ、＋０．０１ｍｍ、・・・、＋０．０４ｍｍと、０．０１ｍｍ毎に切込量を変化させながら、軸方向に一定幅ずつ回転軸方向へずらして切削していき、被加工物の表面に基準加工部２１を得る。なお、この切削加工は、熱変位等の影響を受けないよう短時間のうちに行ってしまう。また、本実施例では、切込量が基準となる切込量そのもの（すなわち、基準となる切込量との差が０ｍｍ）での切削に関しては、連続して２回行っているが、当然１回であってもよい。

次に、工作機械を試験的に動作させている合間において、基準となる切込量で被加工物へ切り込ませて一定幅にわたり切削するといった加工（第２工程）を、所定時間毎に切り込み位置を回転軸方向でずらしながら繰り返し行い（第３工程）、被加工物の表面で基準加工部２１の隣となる位置に試験加工部２２を得る。この試験加工部２２での切削に関しては、工作機械が設置されている環境の室温変化、主軸回転や送り軸動作の発熱による熱変位等の影響により工作機械に変位が生じていると考えられる。そして、その変位量も切削する時刻毎に異なることから、同じ切込量で切削するにも拘わらず、図５に示すように切削した時刻に応じて長さの異なる切削跡Ｌ_ｔ１、Ｌ_ｔ２、Ｌ_ｔ３・・が残ることになる。したがって、この試験加工部２２における切削跡と基準加工部２１における切削跡とを比較することにより、工作機械の変位の時間変化及び各時刻での変位量を確認することができる。なお、室温変化等の比較的緩やかな変化にもとづく工作機械の変位量については、たとえば３０分〜１時間程度の比較的長い間隔で試験加工部２２への切削を行えばよい。一方、主軸回転数を変化させるような場合には、たとえば数分毎といったように比較的短い間隔で試験加工部２２への切削を行った方が精度の高いデータを得ることができる。そして、本実施例では、基準加工部２１及び試験加工部２２を設けられた被加工物が、変位量確認用工作物２０ということになる。

以上のような工程を実行する工作機械の変位量確認用加工方法及び変位量確認用工作物２０によれば、回転軸方向に直交する断面において、回転中心から周面までの距離が中心角度に応じて異なる被加工物に対し、その周面への工具の切込量を一定として加工するといった工程を、所定時間毎に回転軸方向での位置をずらしながら繰り返し行い、試験加工部２２が設けられた変位量確認用工作物２０を得る。そして、試験加工部２２に残された切削跡の長さにより、工作機械の変位の時間変化及び各時刻での変位量を確認することになる。したがって、たとえば旋盤等といった被加工物を回転させて加工するタイプの工作機械であるにも拘わらず、得られた変位量確認用工作物２０から工作機械の変位の時間変化及び各時刻での変位量を直接的に、且つ、容易に確認することができる。

また、工作機械が基準となる状態にある状況において、切込量を段階的に変化させつつ上述したような切削加工を短時間で繰り返し行うことにより、被加工物の表面で、試験加工部２２の隣に基準加工部２１を設ける。したがって、この試験加工部２２における切削跡と基準加工部２１における切削跡とを比較することにより、工作機械の変位の時間変化及び各時刻での変位量をより容易に、且つ、精度高く確認することができる。

（第２実施例）
上記第１実施例では、回転中心から周面までの距離が中心角度に応じて異なるような被加工物に対し、工具の切込量を一定として加工するとしているが、反対に、回転軸方向に直交する断面が、回転軸を中心とした円形とされた被加工物に対し、回転中心から被加工面までの距離が中心角度に応じて異なるような加工（すなわち、工具先端の被加工物に対する相対的な加工軌跡が、回転軸を中心とした楕円形を描くような加工）を行うことによっても、第１実施例同様に工作機械の変位量を確認することができる。

たとえば、図４に示すように、断面が半径ｒの円形とされた被加工物に対し、工具の刃先の軌跡が主軸の中心から短軸半径ａ_２、長軸半径ｂ_２の楕円を描くような加工を実行する。このとき、工作機械にΔｘの変位が生じていたとすると、短軸半径はａ_２＋Δｘとなり、長軸半径はｂ_２＋Δｘとなる。すると、この場合の削り始めＰ_ｓ２から削り終わりＰ_ｆ２までの切削跡の長さＬ（Δｘ）は、下記式（７）、式（８）となり、第１実施例同様、工作機械の変位Δｘの関数になる。

なお、この加工を行うにあたっての刃先が描く楕円の形状についても、被加工物の大きさや想定される工作機械の最大変位等を考慮して設定する必要がある。そこで、想定される工作機械の最大の変位幅をΔｘ_ｍｉｎ〜Δｘ_ｍａｘとすると、下記式（９）の条件を満たさなければならないことになる。

そして、第２実施例においても、第１実施例同様、たとえば工作機械を試験的に動作させる直前等、工作機械が基準となる状態にある状況において、基準となる切削パターンを中心に、短軸半径ａ_２を段階的に変化させながら軸方向に一定幅ずつ切削していき、被加工物の表面に基準加工部を短時間で得る。また、工作機械を試験的に動作させている合間において、基準となる切削パターンで一定幅にわたり切削するといった加工を、所定時間毎に切り込み位置を回転軸方向でずらしながら繰り返し行い、被加工物の表面で基準加工部の隣となる位置に試験加工部を得ればよい。すると、基準加工部と試験加工部とが軸方向に並設された変位量確認用工作物が得られるため、この試験加工部における切削跡と基準加工部における切削跡とを比較することにより、工作機械の変位の時間変化及び各時刻での変位量を確認することができる。

以上のような工程を実行する工作機械の変位量確認用加工方法及び変位量確認用工作物によれば、回転軸方向に直交する断面が、回転軸を中心とした円形とされた被加工物の周面に対し、回転中心から被加工面までの距離が中心角度に応じて異なるような加工を行うといった工程を、所定時間毎に回転軸方向での位置をずらしながら繰り返し行い、試験加工部が設けられた変位量確認用工作物を得る。そして、試験加工部に残された切削跡の長さにより、工作機械の変位の時間変化及び各時刻での変位量を確認することになる。したがって、第１実施例同様、たとえば旋盤等といった被加工物を回転させて加工するタイプの工作機械であるにも拘わらず、得られた変位量確認用工作物から工作機械の変位の時間変化及び各時刻での変位量を直接的に、且つ、容易に確認することができる。

また、工作機械が基準となる状態にある状況において、基準となる切削パターンを中心に、短軸半径ａ_２を段階的に変化させながら軸方向に一定幅ずつ切削することにより、被加工物の表面で、試験加工部の隣に基準加工部を設ける。したがって、この試験加工部における切削跡と基準加工部における切削跡とを比較することにより、工作機械の変位の時間変化及び各時刻での変位量をより容易に、且つ、精度高く確認することができる。

なお、本発明に係る工作機械の変位量確認用加工方法及び変位量確認用工作物は、上記実施形態の態様に何ら限定されるものではなく、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、上記実施形態では変位量確認用加工方法として、被加工物に基準加工部を設ける工程を実行しているが、基準加工部に関しては設けず、試験加工部での切削跡を実測するとともに、式（５）や式（７）、式（８）で算出される値とを比較することにより、変位量を確認するとしてもよい。

また、上記第１実施例では、回転中心から周面までの距離が中心角度に応じて異なるような被加工物として、断面が楕円形のものを採用しているが、そのような楕円形状のものに限らず、たとえばカムのような非円形の断面をもつもの、主軸への装着時に回転中心と断面の中心とが偏心するようなもの等を採用することも可能である。同様に、第２実施例では、回転中心から被加工面までの距離が中心角度に応じて異なるような加工として、工具の刃先の軌跡が楕円を描くような加工を行うとしているが、たとえば刃先の軌跡がカムのような非円形を描くような加工等、別の加工により実現することも可能である。

さらに、被加工物の表面に塗装、めっき、微細な凹凸をつける等の表面処理を予め施すといった工程を実行することで、切削跡と未加工部分とを容易に識別できるようにすることも可能である。

加えて、上記第１実施例及び第２実施例における式（６）、式（９）は、楕円の形状について最低限満たさなければならない条件であるが、可能な限り円に近い楕円を採用することで、切削跡の長さにもとづく工作機械の変位量の確認に関する精度をより高めることができる。たとえば図６は、楕円形状の被加工物に対して、加工径が直径１００ｍｍとなるような切込量で加工した場合における工作機械の変位量と切削跡の長さとの関係を表したグラフである。そして、被加工物として長軸半径ａ_１＝５０．１ｍｍ、短軸半径ｂ_１＝４９．９ｍｍの楕円状のものを採用した場合を線３１で、長軸半径ａ_１＝５１ｍｍ、短軸半径ｂ_１＝４９ｍｍの楕円状のものを採用した場合を線３２で夫々示す。すると、線３１と線３２との比較から明らかなように、より円に近い楕円を採用した場合の方が傾きが急となる。すなわち、わずかな工作機械の変位に対して、切削跡の長さがより大きく変化することになる。したがって、より円に近い楕円を採用することで、より正確に工作機械の変位量を確認することができる。

２０・・変位量確認用工作物、２１・・基準加工部、２２・・試験加工部。

Claims

所定の軸周りで回転可能に設置された被加工物に対し、その周面から工具を切り込ませて切削加工する工作機械において、前記工作機械の変位量を確認するための変位量確認用加工方法であって、
前記被加工物が、回転軸方向に直交する断面において、回転中心から周面までの距離が中心角度に応じて異なるものであり、当該被加工物を回転可能に設置する第１工程と、
前記被加工物の周面への前記工具の切込量を一定として加工する第２工程と、
前記第２工程を所定時間毎に前記回転軸方向での位置をずらしながら繰り返す第３工程と
を実行することを特徴とする工作機械の変位量確認用加工方法。
所定の軸周りで回転可能に設置された被加工物に対し、その周面から工具を切り込ませて切削加工する工作機械において、前記工作機械の変位量を確認するための変位量確認用加工方法であって、
前記被加工物が、その回転軸方向に直交する断面が、回転軸を中心とした円形とされたものであり、当該被加工物を回転可能に設置する第１工程と、
前記被加工物の周面に対し、回転中心から被加工面までの距離が中心角度に応じて異なるような加工を行う第２工程と、
前記第２工程を所定時間毎に前記回転軸方向での位置をずらしながら繰り返す第３工程と
を実行することを特徴とする工作機械の変位量確認用加工方法。
請求項１又は２に記載の変位量確認用加工方法により得られる変位量確認用工作物。