JP2019181628A - 工作機械、切削方法、および切削プログラム - Google Patents
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Abstract
Description
図1を参照して、工作機械100の構成について説明する。図1は、工作機械100の一例を示す図である。
工作機械100でワークを加工する際、工具32の刃先が微小に振動する再生びびり振動が生じることがある。再生びびり振動は、工具32の振動周波数と工具32によるワークの切込み幅との関係が所定の条件を満たしたときに生じる振動である。
k=60・fc/(n0・N)・・・(1)
式(1)に示される「k」は、工具32の第1の刃がワークに接触してから第2の刃がワークに接触するまでの間に工具32の振動によって生じる切削面の波数を表わす。「fc」は、主軸22の振動周波数を表わす。「N」は、工具32の刃数を表わす。「n0」は、主軸22の回転数を表わす。ここでいう回転数とは、単位時間辺り(たとえば、一分間辺り)における主軸22の回転数を意味し、回転速度と同義である。工具32は、主軸22に連動するため、主軸22の回転数は、工具32の回転数と等しい。そのため、主軸22の回転数は、工具32の回転数と同義である。
発明者らは、工具32によるワークWの切削方向に応じて安定ローブ60に規定される安定範囲が変化することを実証するために、切削方向ごとに再生びびり振動が生じる条件が変化することを実験で確認した。以下では、図7〜図10を参照して、発明者らが行った実験内容について説明する。
上述のように、再生びびり振動が生じる切削条件は、切削方向によって異なる。そこで、本実施の形態に従う工作機械100の制御装置101(図17参照)は、切込み幅と主軸回転数との切削条件の関係において再生びびり振動が生じない切削条件の範囲を規定した安定範囲(安定ローブ)を、ワークWに対する工具32の切削方向ごとに対応付けて準備しておく。そして、制御装置101は、現在の切削方向に対応する安定ローブの安定範囲に切込み幅と主軸回転数との切削条件が収まるように、切込み幅と主軸回転数との少なくとも一方に関する制御パラメータを設定する。これにより、工作機械100は、切削方向に関わらず再生びびり振動の発生を抑制することができる。
まず、図11を参照して、制御パラメータの調整処理の具体例1について説明する。図11は、具体例1に従う切削態様を示す図である。図11には、+X方向に対応した安定ローブ61と、+Y方向に対応した安定ローブ63とが示されている。
次に、図12を参照して、制御パラメータの調整処理の具体例2について説明する。図12は、具体例2に従う切削態様を示す図である。図12には、+X方向に対応した安定ローブ61と、+Y方向に対応した安定ローブ63とが示されている。
次に、図13を参照して、制御パラメータの調整処理の具体例3について説明する。図13は、具体例3に従う切削態様を示す図である。図13には、+X方向に対応した安定ローブ61と、−X方向に対応した安定ローブ62と、+Y方向に対応した安定ローブ63と、−Y方向に対応した安定ローブ64とが示されている。
図14〜図16を参照して、工作機械100の制御構造について説明する。工作機械100が実行する工程は、各切削方向に対応した安定ローブを生成する工程と、生成された安定ローブを用いた切削工程とに分けられる。
まず、図14を参照して、各切削方向に対応した安定ローブの生成処理の制御フローについて説明する。
x”+2Gxωxx’+ωx 2x=Fx/mx ・・・(2)
(数3)
y”+2Gyωyy’+ωy 2y=Fy/my ・・・(3)
上記式に示される「ωx」は、工具32のX方向の固有振動数[rad/sec]を表わす。「ωy」は、工具32のY方向の固有振動数[rad/sec]を表わす。「Gx」は、X方向の減衰比[%]を表わす。「Gy」は、Y方向の減衰比[%]を表わす。「mx」は、X方向の等価質量[kg]を表わす。「my」は、Y方向の等価質量[kg]を表わす。「Fx」は、工具32に作用するX方向の切削動力[N]を表わす。「Fy」は、工具32に作用するY方向の切削動力[N]を表わす。「x”」および「y”」は、それぞれ時間の二階微分を表わす。「x’」および「y’」は、それぞれ時間の一階微分を表わす。
Fx=−Ktaph(φ)cos(φ)−KrKtaph(φ)sin(φ)・・・(4)
(数5)
Fy=+Ktaph(φ)sin(φ)−KrKtaph(φ)cos(φ)・・・(5)
上記式に示される「h(φ)」は、工具32の刃がワークWを切り取る厚さ[m2]を表わす。「ap」は、軸方向の切込み幅[mm]を表わす。「Kt」は、主分力の比切削抵抗[N/m2]を表わす。「Kr」は、主分力と背分力との比[%]を表わす。
Λ=−(a1±(a1 2−4a0)1/2)/2a0・・・(6)
(数7)
a0=Φxx(iωc)Φyy(iωc)(αxxαyy−αxyαyx)・・・(7)
(数8)
a1=αxxΦxx(iωc)+αyyΦyy(iωc)・・・(8)
(数9)
Φxx(iωc)=1/(mx(−ωc 2+2iGxωcωx+ωx 2))・・・(9)
(数10)
Φyy(iωc)=1/(my(−ωc 2+2iGyωcωy+ωy 2))・・・(10)
(数11)
αxx=[(cos2φe−2Krφe+Krsin2φe)−(cos2φs−2Krφs+Krsin2φs)]/2・・・(11)
(数12)
αxy=[(−sin2φe−2φe+Krcos2φe)−(−sin2φs−2φs+Krcos2φs)]/2・・・(12)
(数13)
αyx=[(−sin2φe+2φe+Krcos2φe)−(−sin2φs+2φs+Krcos2φs)]/2・・・(13)
(数14)
αyy=[(−cos2φe−2Krφe−Krsin2φe)−(cos2φs−2Krφs−Krsin2φs)]/2・・・(14)
次に、固有値「Λ」の実部を「ΛR」、虚部を「ΛI」とすると、安定限界における軸方向の切込み幅aplim、および主軸回転速度nlimは、それぞれ、下記式(15),式(16)によって表される。
aplim=2πΛR(1+(ΛI/ΛR)2)/(NKt)・・・(15)
(数16)
nlim=60ωc/(N(2kπ+π−2tan−1(ΛI/ΛR)))・・・(16)
工作機械100は、上記数式(15),(16)に示される「ωc」および「k」の値を任意に変化させながら限界切込み幅「aplim」および主軸回転速度「nlim」を順次算出することで安定ローブを生成する。このような安定ローブの生成が、ステップS54で記憶された切削条件に基づいて切削方向ごとに行われることで、各切削方向に対応した安定ローブが生成される。
次に、図15を参照して、上述の図14に示される生成工程で生成された切削方向ごとの安定ローブに基づいた切削工程の具体例1について説明する。図15には、上述の「D1.制御パラメータの調整処理の具体例1」で説明した切削工程が示されている。
次に、図16を参照して、上述の図14に示される生成工程で生成された安定ローブに基づいた切削工程の具体例2について説明する。図16には、上述の「D2.制御パラメータの調整処理の具体例2」で説明した切削工程が示されている。
図17を参照して、工作機械100のハードウェア構成の一例について説明する。図17は、工作機械100の主要なハードウェア構成を示すブロック図である。
以上のようにして、工作機械100は、各切削方向に対応した複数の安定ローブに基づいて、主軸回転数およびワークの切込み幅が現在の切削方向に対応する安定ローブの安定範囲内に収まるように、主軸回転数と切込み幅との少なくとも一方に関する制御パラメータを制御する。これにより、工作機械100は、切削方向に関わらず再生びびり振動の発生を抑制することができる。
Claims (8)
- ワークを切削するための工具と、
前記ワークまたは前記工具を回転するための主軸と、
前記主軸を駆動するための駆動部と、
前記工具による前記ワークの切込み幅と前記主軸の回転数との切削条件の関係においてびびり振動が生じない切削条件の範囲を規定した安定範囲を、前記ワークに対する前記工具の切削方向ごとに対応付けて格納するための記憶装置と、
前記駆動部による前記主軸の駆動方向を制御することで、前記ワークに対する前記工具の切削方向を制御するための制御装置とを備え、前記制御装置は、現在の切削方向に対応する前記安定範囲に前記切削条件が収まるように、前記工具による前記ワークの切込み幅と、前記主軸の回転数との少なくとも一方に関する制御パラメータを設定する、工作機械。 - 前記制御装置は、前記記憶装置に格納されている複数の安定範囲の重複範囲に前記切削条件が収まるように、前記制御パラメータを設定する、請求項1に記載の工作機械。
- 前記制御装置は、前記ワークに対する前記工具の切削方向に合わせて、前記制御パラメータを変えない、請求項2に記載の工作機械。
- 前記制御装置は、前記ワークに対する前記工具の切削方向を変える度に、前記記憶装置に格納されている複数の安定範囲の内から、変更後の切削方向に対応する安定範囲を選択し、当該安定範囲に収まるように前記制御パラメータを設定する、請求項1に記載の工作機械。
- 前記制御装置は、前記選択された安定範囲内で前記切込み幅が最大となるように前記制御パラメータを制御する、請求項4に記載の工作機械。
- 前記制御装置は、前記ワークに対する前記工具の切削方向を変えたことに基づいて、前記記憶装置に格納されている複数の安定範囲の内から、変更後の切削方向に対応する所定数の安定範囲を選択し、当該選択された所定数の安定範囲の重複範囲に収まるように前記制御パラメータを設定する、請求項1に記載の工作機械。
- 工作機械による切削方法であって、
前記工作機械は、
ワークを切削するための工具と、
前記ワークまたは前記工具を回転するための主軸と、
前記主軸を駆動するための駆動部とを備え、
前記切削方法は、
前記工具による前記ワークの切込み幅と前記主軸の回転数との切削条件の関係においてびびり振動が生じない切削条件の範囲を規定した複数の安定範囲を取得するステップを備え、前記複数の安定範囲は、それぞれ、前記ワークに対する前記工具の切削方向ごとに対応付けられており、
前記切削方法は、さらに、
前記駆動部による前記主軸の駆動方向を制御することで、前記ワークに対する前記工具の切削方向を制御するステップと、
前記複数の安定範囲の内の現在の切削方向に対応する安定範囲に前記切削条件が収まるように、前記工具による前記ワークの切込み幅と、前記主軸の回転数との少なくとも一方に関する制御パラメータを設定するステップを備える、切削方法。 - 工作機械で実行される切削プログラムであって、
前記工作機械は、
ワークを切削するための工具と、
前記ワークまたは前記工具を回転するための主軸と、
前記主軸を駆動するための駆動部とを備え、
前記切削プログラムは、前記工作機械に、
前記工具による前記ワークの切込み幅と前記主軸の回転数との切削条件の関係においてびびり振動が生じない切削条件の範囲を規定した複数の安定範囲を取得するステップを実行させ、前記複数の安定範囲は、それぞれ、前記ワークに対する前記工具の切削方向ごとに対応付けられており、
前記切削プログラムは、前記工作機械に、さらに、
前記駆動部による前記主軸の駆動方向を制御することで、前記ワークに対する前記工具の切削方向を制御するステップと、
前記複数の安定範囲の内の現在の切削方向に対応する安定範囲に前記切削条件が収まるように、前記工具による前記ワークの切込み幅と、前記主軸の回転数との少なくとも一方に関する制御パラメータを設定するステップを実行させる、切削プログラム。
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中野 寛,外1名: "エンドミル加工中に発生するびびり振動の動的安定性解析", DYNAMICS & DESIGN CONFERENCE, JPN6020008378, 2 September 2008 (2008-09-02), ISSN: 0004228614 * |
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