JP2020089928A - 工作機械及び工作方法 - Google Patents

Abstract

【課題】効果的に切屑を除去できる工作機械及び工作方法を提供する。【解決手段】ワーク２の加工面２ａと工具３の刃先３ａとを相対的に振動させながら送り方向に移動させる振動送り動作を生じさせる駆動部４と、刃先３ａに流体ｆを噴射する流体噴射部７と、振動送り動作により切削時間ｔ１と非切削時間ｔ２とが所定の周期Ｔで繰り返されるように駆動部４を制御するとともに、所定の周期Ｔと同期して流体ｆの噴射条件の変化を生じさせるように流体噴射部７を制御する制御部８と、を有することを特徴とする工作機械１。【選択図】図１

Description

本発明は、工作機械及び工作方法に関する。

ワークを工具で切削加工する、自動旋盤又はマシニングセンタ等の工作機械が知られている。このような工作機械は、ワークの加工面と工具の刃先とを相対的に送り方向に移動させることで加工面を切削加工することができる。切削加工時には、通常、クーラント液又は空気などの流体が刃先に噴射され、これにより、刃先が冷却されるとともに刃先から切屑が除去される。

また、このような工作機械として、ワークの加工面と工具の刃先とを相対的に送り方向に振動させながら送り方向に移動させる振動送り動作を、切削時間と非切削時間とが所定の周期で繰り返されるように生じさせる振動切削を行うものが知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１８−５４２３号公報

上記のような振動切削を行う工作機械によれば、切削加工時に所定の周期で非切削時間を生じさせるたびに切屑が分断されるので、刃先に噴射された流体によって切屑を比較的容易に除去することができる。しかし、より効果的な切屑の除去ができれば都合が良い。

本発明の目的は、効果的に切屑を除去できる工作機械及び工作方法を提供することにある。

本発明の工作機械は、ワークの加工面と工具の刃先とを相対的に振動させながら送り方向に移動させる振動送り動作を生じさせる駆動部と、前記刃先に流体を噴射する流体噴射部と、前記振動送り動作により切削時間と非切削時間とが所定の周期で繰り返されるように前記駆動部を制御するとともに、前記所定の周期と同期して前記流体の噴射条件の変化を生じさせるように前記流体噴射部を制御する制御部と、を有することを特徴とする。

本発明に係る工作機械は、上記構成において、前記噴射条件が変化する周期が、前記所定の周期のｎ倍であり、前記ｎが、前記所定の周期の大きさに応じて設定される正の整数であるのが好ましい。

本発明に係る工作機械は、上記構成において、前記噴射条件が変化する周期が、前記所定の周期のｎ倍であり、前記ｎが、工具情報及び被削材情報の少なくとも一方から算出される切屑の流出方向に応じて設定される正の整数であるのが好ましい。

本発明に係る工作機械は、上記構成において、前記ｎが、前記所定の周期が小さいほど大きいのが好ましい。

本発明に係る工作機械は、上記構成において、前記噴射条件が、噴射量、噴射方向及び前記流体の成分の少なくとも１つを含むのが好ましい。

本発明に係る工作機械は、上記構成において、前記流体が、クーラント液と気体とから構成され、前記噴射条件の前記変化が、前記切削時間から前記非切削時間に変わるタイミングで、前記刃先における前記流体中の前記気体の比率が増加することで生じるのが好ましい。

本発明に係る工作機械は、上記構成において、前記制御部が、前記振動送り動作を生じさせるために設定された刃先経路情報に基づいて前記所定の周期を算出し、この算出された前記所定の周期に基づいて、前記噴射条件の前記変化を生じさせるのが好ましい。

本発明に係る工作機械は、上記構成において、前記制御部が、予備運転により検出されたセンサ情報に基づいて前記所定の周期を検知し、この検知された前記所定の周期に基づいて、前記噴射条件の前記変化を生じさせるのが好ましい。

本発明の工作方法は、ワークの加工面と工具の刃先とを相対的に振動させながら送り方向に移動させる振動送り動作を、切削時間と非切削時間とが所定の周期で繰り返されるように生じさせる振動切削工程を有し、前記振動切削工程において、前記刃先に流体を噴射するとともに、前記所定の周期と同期して前記流体の噴射条件の変化を生じさせることを特徴とする。

本発明によれば、効果的に切屑を除去できる工作機械及び工作方法を提供することができる。

本発明の一実施の形態である工作機械の構成を概略で示す図である。 図１に示す工作機械の切削加工中の様子を概略で示す部分拡大図である。 図１に示す工作機械において設定された刃先経路情報の一例を示す図である。 図１に示す工作機械において予備運転により検出された切削抵抗の一例を示す図である。 図１に示す工作機械において工具情報及び被削材情報の少なくとも一方から算出される切屑流出方向に応じた噴射制御の一例を示す図である。 本発明の一実施の形態である工作方法を示すフローチャートである。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しつつ詳細に例示説明する。

まず、本発明の実施の形態の工作機械について、図１〜図５を参照しつつ詳細に例示説明する。図１、図２に示す本発明の一実施の形態の工作機械１は、ワーク２の加工面２ａを工具３の刃先３ａで切削加工するために、ワーク２の加工面２ａと工具３の刃先３ａとを相対的に移動させる駆動部４を有している。

工作機械１は、本実施の形態では自動旋盤として構成されている。工作機械１は、架台５に回転自在に支持された主軸６を有しており、ワーク２が主軸６に把持されている。主軸６は、駆動部４により回転駆動され、ワーク２とともに回転軸線Ｏを中心として回転することができる。工具３は、駆動部４により主軸６に対して相対的に移動することができる。すなわち、駆動部４は、本実施の形態では、主軸６を回転駆動する図示しない電動モータ等の駆動源と、工具３を主軸６に対して相対的に移動させる図示しない工具移動機構と、を有している。駆動部４は、主軸６を工具３に対して相対的に移動させる主軸移動機構を有していてもよい。

工具移動機構は、本実施の形態では、工具３を搭載する刃物台と、刃物台を移動させるボールネジ機構（送りネジ機構とも称される）と、で構成されている。ボールネジ機構は、本実施の形態では、駆動源であるサーボモータと、サーボモータにより駆動されて回転するネジ軸と、ネジ軸にネジ結合するとともに刃物台に固定されるナットと、で構成されている。なお、工具移動機構の構成は、これに限られない。

駆動部４により、主軸６とともに回転するワーク２の加工面２ａと工具３の刃先３ａとを相対的に送り方向（図２に示す場合では、二点鎖線の矢印で示す方向）に移動させる送り動作を生じさせ、この送り動作により、ワーク２の加工面２ａをこの加工面２ａに押し付けた工具３の刃先３ａにより切削加工することができる。

このとき、駆動部４は、サーボモータの回転の制御により、ワーク２の加工面２ａと工具３の刃先３ａとを相対的に送り方向に振動させながら送り方向に移動させる振動送り動作を生じさせることができる。また、送り方向と垂直方向に振動させることでさまざまな形状の加工で振動送り動作を生じさせることができる。例えば、垂直、テーパー、円弧、ドリル、ねじ切り加工などが挙げられる。

工作機械１は、工具３の刃先３ａに流体ｆを噴射する流体噴射部７を有している。流体噴射部７は、本実施の形態では、２つの噴射ノズル７ａを有している。各噴射ノズル７ａは、噴射口の断面積を可動シャッターによって所望の大きさに変化させることができるシャッター式や、電磁弁開閉式や、ノズル径・形状可変式などの噴射量調整機構を備えていることが好ましい。なお、噴射ノズル７ａの数は適宜増減が可能である。流体噴射部７は、ワーク２の加工面２ａの切削によって生じた切屑に当たるように流体ｆを工具３の刃先３ａに噴射するように構成されている。

流体ｆは、本実施の形態では、クーラント液と気体とから構成されている。クーラント液は、油又は他の液体であってよい。気体は、空気又は他の気体であってよい。なお、流体ｆは、クーラント液と気体とから構成される替わりに、クーラント液から構成されてもよいし、気体から構成されてもよい。

本実施の形態では、２つの噴射ノズル７ａのうちの一方が、クーラント液を工具３の刃先３ａに噴射するように構成され、２つの噴射ノズル７ａのうちの他方が、気体を工具３の刃先３ａに噴射するように構成されている。

工作機械１は、制御部８を有している。制御部８は、ＣＰＵ（中央演算処理装置）やメモリ等を備えたマイクロコンピュータとして構成されている。制御部８は、駆動部４と、流体噴射部７と、図示しない入力部（入力キー及びディスプレイ等を有する操作盤等のマン・マシンインターフェース）と、に接続されている。制御部８は、入力部によって入力された切削条件を読み込み、メモリに格納された加工プログラムを実行して、入力部に入力された切削条件で工具３によるワーク２の切削加工が実施されるように、駆動部４と、流体噴射部７とを含む工作機械１の各部を制御するように構成されている。なお、入力部を設けずに、機械学習等により、切削条件を自動で設定する構成としてもよい。切削条件は、振動送り動作を生じさせるための図３に示すような刃先経路情報を含んでいてよい。

制御部８は、図３、図４に示されるように、振動送り動作により切削時間ｔ１と非切削時間ｔ２とが所定の周期Ｔ（Ｔ＝ｔ１＋ｔ２）で繰り返されるように駆動部４を制御するように構成されている。切削時間ｔ１は、ワーク２の加工面２ａが工具３の刃先３ａで切削される時間である。非切削時間ｔ２は、ワーク２の加工面２ａが工具３の刃先３ａで切削されない時間である。

また、制御部８は、所定の周期Ｔと同期して流体ｆの噴射条件の変化を生じさせるように流体噴射部７を制御するように構成されている。流体ｆの噴射条件の変化は、入力部への入力によって設定されてもよいし、機械学習等により自動的に設定されてもよい。

制御部８は、図３に示すような刃先経路情報に基づいて、所定の周期Ｔを算出し、この算出された所定の周期Ｔに基づいて、流体ｆの噴射条件の変化を生じさせるように構成されてよい。なお、図３において、横軸は、主軸６の回転角度に対応し、縦軸は、刃先３ａの送り方向への原点からの移動距離に対応している。Ｎ周目の刃先３ａの移動距離を示す波形と、Ｎ＋１周目の刃先３ａの移動距離を示す波形との交点から、切削時間ｔ１、非切削時間ｔ２及び所定の周期Ｔを算出することができる。

また、制御部８は、実際の切削加工の前に行われる予備運転により振動切削中にセンサによって検出されたセンサ情報に基づいて、所定の周期Ｔを検知し、この検知された所定の周期Ｔに基づいて、流体ｆの噴射条件の変化を生じさせるように構成されてもよい。センサ情報は、図４に示すような、動力計等のセンサによって検出される切削抵抗を含んでよい。なお、図４において、横軸は、時間に対応し、縦軸は、センサによって検出された切削抵抗に対応している。切削抵抗の増減を示す波形から、切削時間ｔ１、非切削時間ｔ２及び所定の周期Ｔを検知することができる。センサ情報は、振動センサによって振動切削中に検出された振動データを含んでもよい。センサ情報は、１軸又は複数軸のデータの平均値等であってもよい。

流体ｆの噴射条件は、噴射量（噴射速度）、噴射方向及び流体ｆの成分の少なくとも１つを含んでいてよい。本実施の形態では、流体ｆの噴射条件の変化は、切削時間ｔ１から非切削時間ｔ２に変わるタイミングで、工具３の刃先３ａにおける流体ｆ中の気体の比率が増加することで生じるようにされている。これにより、切削による熱が生じる切削時間ｔ１には、多いクーラント液で刃先３ａの良好な冷却がなされるとともに、そのような熱が生じず且つ切屑が分断される非切削時間ｔ２には、クーラント液の消費を減らしつつ気体で刃先３ａから切屑を吹き飛ばして効果的に除去することができる。

なお、流体ｆの噴射条件は、このような流体ｆの成分（本実施の形態では、クーラント液及び気体）を含んでいなくてもよく、流体ｆとしてクーラント液のみを用いてもよいし、流体ｆとして気体のみを用いてもよい。刃先３ａから切屑を効果的に除去するために、切削時間ｔ１から非切削時間ｔ２に変わるタイミングで、噴射量を増加させてもよい。流体噴射部７を、冷却に適した噴射方向となる位置に配置した噴射ノズル７ａ（第１噴射ノズル）と、切屑の除去に適した噴射方向となる位置に配置した噴射ノズル７ａ（第２噴射ノズル）と、で構成しておき、切削時間ｔ１から非切削時間ｔ２に変わるタイミングで、第１噴射ノズルによる噴射から第２噴射ノズルによる噴射に切り替えるように構成してもよい。

流体ｆの噴射条件が変化する周期は、ｎを正の整数とすると、所定の周期Ｔのｎ倍であってよい。すなわち、非切削時間ｔ２に１回切り替わるたびに流体ｆの噴射条件を１回変化させてもよいし、例えば、非切削時間ｔ２に１０回切り替わるたびに流体ｆの噴射条件を１回変化させてもよい。また、ｎを所定の周期Ｔの大きさに応じて設定するようにしてもよい。例えば、ｎを、所定の周期Ｔが小さいほど、大きく設定してもよい。このような設定によれば、分断される切屑のサイズに応じて、より多数の切屑を、１回の噴射条件の変化によってまとめて除去することができる。また、ｎを、加工形状と所定の周期Ｔの大きさとに応じて設定するようにしてもよい。ねじ切り加工や凹形状の加工などのように切屑が堆積しやすい形状に被削材を加工する場合には、非切削時間ｔ２に１回切り替わるたびに流体ｆの噴射条件を１回変化させるのが好ましい。しかし、この場合も、ｎを、所定の周期Ｔが小さいほど、大きく設定してもよい。さらに、すくい角や切れ刃角などの工具情報及び被削材の形状や材質などの被削材情報の少なくとも一方から算出される切屑の流出方向と、所定の周期Ｔの大きさとに応じてｎを設定するようにしてもよい。図５に示すように切屑９の流出方向（破線矢印の方向）が切削送り方向（二点鎖線矢印の方向）と同じ方向の場合は、非切削時間ｔ２に１回切り替わるたびに流体ｆの噴射条件を１回変化させるのが好ましい。しかし、この場合も、ｎを、所定の周期Ｔが小さいほど、大きく設定してもよい。

本実施の形態の工作機械１によれば、振動送り動作を切削時間ｔ１と非切削時間ｔ２とが所定の周期Ｔで繰り返されるように生じさせる振動切削を行う際に、刃先３ａに流体ｆを噴射するとともに、所定の周期Ｔと同期して流体ｆの噴射条件の変化を生じさせることができる。したがって、振動切削の所定の周期Ｔと同期した噴射条件の変化により、刃先３ａから切屑を効果的に除去することができる。

次に、本発明の実施の形態の工作方法について、主に図６を参照しつつ詳細に例示説明する。なお、本実施の形態の工作方法は、図１〜図５を参照して説明した工作機械１を用いているが、他の構成の工作機械を用いる場合にも適用することができる。

図６に示すように、本実施の形態の工作方法は、切削経路情報を設定するステップＳ１と、所定の周期Ｔを算出するステップＳ２と、噴射条件を設定するステップＳ３と、振動切削を行うステップ（振動切削工程）Ｓ４と、を有している。

本実施の形態の工作方法においては、まず、ステップＳ１が行われる。ステップＳ１においては、切削時間ｔ１と非切削時間ｔ２とが所定の周期Ｔで繰り返される振動送り動作を規定する切削経路情報（図３参照）が設定される。切削経路情報は、入力部への入力によって設定されてもよいし、機械学習等により自動的に設定されてもよい。

ステップＳ１が終了すると、次に、ステップＳ２が行われる。ステップＳ２においては、制御部８により、振動送り動作の所定の周期Ｔが切削経路情報に基づいて算出される。

ステップＳ２が終了すると、次に、ステップＳ３が行われる。ステップＳ３においては、所定の周期Ｔと同期して生じさせる流体ｆの噴射条件の変化が設定される。噴射条件の変化は、入力部への入力によって設定されてもよいし、機械学習等により自動的に設定されてもよい。噴射条件の変化は、前述した要領で適切に設定することができる。

ステップＳ３が終了すると、次に、ステップＳ４が行われる。ステップＳ４においては、ステップＳ１で設定された切削経路情報によって規定される振動送り動作により、振動切削が行われる。制御部８は、このような振動切削が行われるように、駆動部４を制御する。また、このとき、制御部８は、流体噴射部７を制御することにより、刃先３ａに流体ｆを噴射するとともに、ステップＳ２で算出された所定の周期Ｔと同期して、ステップＳ３で設定された流体ｆの噴射条件の変化を生じさせる。

本実施の形態の工作方法によれば、振動切削の所定の周期Ｔと同期した噴射条件の変化により、刃先３ａから切屑を効果的に除去することができる。なお、本実施の形態においては、ステップＳ２において、振動送り動作を生じさせるために設定された刃先経路情報に基づいて所定の周期Ｔを算出しているが、このような算出の替わりに、予備運転により検出された切削抵抗（図４参照）や振動データなどのセンサ情報に基づいて所定の周期Ｔを検知するようにしてもよい。この場合、ステップＳ４においては、この検知された所定の周期Ｔに基づいて、噴射条件の変化を生じさせればよい。

本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。

１ 工作機械
２ ワーク
２ａ 加工面
３ 工具
３ａ 刃先
４ 駆動部
５ 架台
６ 主軸
７ 流体噴射部
７ａ 噴射ノズル
８ 制御部
９ 切屑
Ｏ 回転軸線
ｆ 流体
ｔ１ 切削時間
ｔ２ 非切削時間
Ｔ 所定の周期

Claims (9)

1. ワークの加工面と工具の刃先とを相対的に振動させながら送り方向に移動させる振動送り動作を生じさせる駆動部と、
   前記刃先に流体を噴射する流体噴射部と、
   前記振動送り動作により切削時間と非切削時間とが所定の周期で繰り返されるように前記駆動部を制御するとともに、前記所定の周期と同期して前記流体の噴射条件の変化を生じさせるように前記流体噴射部を制御する制御部と、
   を有することを特徴とする工作機械。
2. 前記噴射条件が変化する周期が、前記所定の周期のｎ倍であり、
   前記ｎが、前記所定の周期の大きさに応じて設定される正の整数である、請求項１に記載の工作機械。
3. 前記噴射条件が変化する周期が、前記所定の周期のｎ倍であり、
   前記ｎが、工具情報及び被削材情報の少なくとも一方から算出される切屑の流出方向に応じて設定される正の整数である、請求項１に記載の工作機械。
4. 前記ｎが、前記所定の周期が小さいほど大きい、請求項２又は３に記載の工作機械。
5. 前記噴射条件が、噴射量、噴射方向及び前記流体の成分の少なくとも１つを含む、請求項１〜４の何れか１項に記載の工作機械。
6. 前記流体が、クーラント液と気体とから構成され、
   前記噴射条件の前記変化が、前記切削時間から前記非切削時間に変わるタイミングで、前記刃先における前記流体中の前記気体の比率が増加することで生じる、請求項１〜５の何れか１項に記載の工作機械。
7. 前記制御部が、前記振動送り動作を生じさせるために設定された刃先経路情報に基づいて前記所定の周期を算出し、この算出された前記所定の周期に基づいて、前記噴射条件の前記変化を生じさせる、請求項１〜６の何れか１項に記載の工作機械。
8. 前記制御部が、予備運転により検出されたセンサ情報に基づいて前記所定の周期を検知し、この検知された前記所定の周期に基づいて、前記噴射条件の前記変化を生じさせる、請求項１〜６の何れか１項に記載の工作機械。
9. ワークの加工面と工具の刃先とを相対的に振動させながら送り方向に移動させる振動送り動作を、切削時間と非切削時間とが所定の周期で繰り返されるように生じさせる振動切削工程を有し、
   前記振動切削工程において、前記刃先に流体を噴射するとともに、前記所定の周期と同期して前記流体の噴射条件の変化を生じさせることを特徴とする工作方法。

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