JP2021111026A

JP2021111026A - 工作機械の加工制御方法

Info

Publication number: JP2021111026A
Application number: JP2020000991A
Authority: JP
Inventors: 昌洋成松; Akihiro Narimatsu
Original assignee: Okuma Corp; Okuma Machinery Works Ltd
Current assignee: Okuma Corp
Priority date: 2020-01-07
Filing date: 2020-01-07
Publication date: 2021-08-02

Abstract

【課題】切込量を入力することなく適正な角度補正を可能とする。【解決手段】Ｓ１で、工具の切れ刃の各位置とその振れ量を測定して外部入力装置を介して演算装置に入力し、演算装置において、所定の計算式を使用して同期タイミングを計算する。次に、Ｓ２で、予め設定した角度補正量θＡを呼び出す。次に、Ｓ３で、演算装置は、Ｓ２で呼び出した角度補正量θＡを各切れ刃における同期タイミングに加算する。次に、Ｓ４で、ミーリング加工での側面切削において、数値制御装置は、制御の位置（工具回転角度）を角度補正量θＡで補正した送り軸指令値に基づいて各送り軸を制御して加工を実施する。【選択図】図３

Description

本発明は、工作機械による、特にチタン合金といった難削材の重切削加工において、工具チッピングが生じるような切削加工に適用する加工制御方法に関する。

加工コスト低減のためにスローアウェイチップと呼ばれる脱着式の切れ刃を装着するタイプの工具を使用するが、工具本体の切れ刃の取付座面や切れ刃自身の加工精度の影響で、装着した刃に刃振れ量（各刃間の相対取付け誤差）が生じる。この値は小さくないため、刃振れ量の大きな切れ刃から工具チッピングが生じて工具寿命が短くなるといった問題があった。この対策として、工具の刃振れ量を予め測定し、その工具の回転に同期して、加工進行方向と逆方向に刃振れ量だけ制御することでその影響を抑制するといった加工方法がある。特許文献１には、測定した刃振れ量を各軸方向に分配して補正値を求め、この補正値を送り軸に重畳して工具を強制振動させて振れ量の影響を抑制するようにした発明が開示されている。
このような加工法は、加工進行方向と逆方向に刃振れ量分だけ制御するので溝切削では十分な効果を発揮する。しかし、側面切削においては径方向の切込み量によって切削の開始角度が変わるため、最適な制御とならず十分な工具寿命を得ることができなかった。この対策として、特許文献２には、予め入力した切込み量と工具半径とから切削の開始角度を計算し、その分だけ主軸と送り軸との同期タイミング（加工逆方向に送り軸を制御する工具回転角度）を遅らせる角度補正を行う制御方法が開示されている。

特開２０１３−２４０８３７号公報特開２０１６−１６１９７１号公報

しかし、特許文献２における角度補正は、切込み量が変わると適切な同期タイミングも変わるため、その都度切込み量の値を入力する必要があり、作業が繁雑で手間が掛かっていた。

そこで、本発明は、工具を回転させると共に送り軸に対して微小変位による制御を重畳して加工する工作機械において、切込み量を入力することなく適正な角度補正を行うことができる加工制御方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、同心円上に複数配置される切れ刃を装着してなる工具を回転させて前記工具の径方向へ切り込み、送り軸によって所定の加工進行方向へ移動させながら被加工物を加工する側面切削が可能な工作機械において、前記側面切削を行う際には、予め測定した前記切れ刃の振れ量に基づいて、前記加工進行方向に対して工具回転方向側へ各前記切れ刃が所定の角度回転した同期タイミングで、前記送り軸を加工逆方向に微小変位させる制御を重畳する加工制御方法であって、
前記所定の角度に対する角度補正量を予め設定しておき、前記同期タイミングを前記角度補正量を用いて補正することを特徴とする。
請求項２に記載の発明は、上記構成において、前記角度補正量は、以下の計算式で算出されることを特徴とする。
角度補正量θ_Ａ＝２０±α（°）
但し、αは１０°未満
請求項３に記載の発明は、上記構成において、前記工具の径方向への切込み量は、前記工具の半径の半分以上であることを特徴とする。

本発明によれば、工具と送り軸との同期タイミングを最適化する角度補正量を予め設定しておくことで、切込み量を入力することなく適正な角度補正を行うことができる。よって、切込み量にかかわらず、各切れ刃に生じる切削力が均一な状態で加工が行え、工具寿命の向上に繋がる。

工作機械の制御構成を示した説明図である。本加工制御方法を含む、種々の加工切削力の測定結果である。本加工制御方法を示したフローチャートである。ミーリング工具による側面切削の説明図である。刃数４で切れ刃を１段使用して加工することを想定した場合の各刃振れ量測定結果例と同期タイミングとの計算結果である。角度補正量を加えた同期タイミングである。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本発明に係る加工制御方法を実施する工作機械の一例を示す構成図である。この工作機械は、ベッド１と、ベッド１上に立設されるコラム２とを有する。コラム２の前面には、主軸頭３が、Ｘ軸制御ユニット４及びＺ軸制御ユニット５によってＸ軸方向及びＺ軸方向へ移動制御可能に設けられて、主軸頭３の下部で下向きに設けた主軸６に、工具７が装着されている。一方、ベッド１上には、Ｙ軸制御ユニット８によってＹ軸方向へ移動制御可能なテーブル９が設けられて、テーブル９上に被加工物１０が固定可能となっている。

工作機械の制御系は、主軸６の回転速度を制御する主軸回転制御装置１１と、送り軸（各制御ユニット４，５，８）の制御量を演算する演算装置１２と、各送り軸（制御ユニット）を制御する数値制御装置１３と、図示しない記憶装置と、を含んでなり、演算装置１２には、外部入力装置１４によって後述する工具７の切れ刃の振れ量や径方向の切込み量ae、工具半径等が入力可能となっている。

ここでは、演算装置１２が、各軸のＮＣプログラム指令の軸送り量に対して制御量を計算し、数値制御装置１３がその制御量を重畳させる。例えばＸ−Ｙ平面における加工であれば、加工進行方向に対して計算した制御量をＸ軸、Ｙ軸方向に分配して加工逆方向に送り軸を制御する。この制御を行うためには予め切れ刃の各位置とその刃振れ量とを測定し、主軸６と送り軸との同期タイミング（工具回転角度）を計算しておく必要がある。
しかし、ミーリング加工の側面切削では、切込み量aeによって切削の開始位置が変わるため、その位置で制御を行わなければならない。そのため、作業者が切込み量aeを適宜入力する必要があったが、その作業は非常に煩雑であった。そこで、演算装置１２には、切込み量aeを入力せずとも工具寿命向上効果が得られる角度補正量θ_Ａを予め設定している。

この角度補正量θ_Ａは、以下のようにして設定される。
まず、角度補正量をパラメータとし、種々の切込み量aeで切削力を測定しながら切削を行う。その結果から切削力が均一になったものを最適な角度補正量としてθ_Ａに使用する。但し、切込み量aeは、小さくしすぎると切削力も小さくなり工具寿命に与える影響は少ないので、工具半径の半分以上を対象とする。
切れ刃の各位置と工具本体との位相関係は、例えば、主軸６に接続されているエンコーダにて把握する。
図２が種々の角度補正量における切削力の測定結果である。直径φ４０ｍｍインサートタイプのミーリング工具にて、６−４チタン合金加工を実施した。切削速度Ｖ_Ｃ＝４０ｍ／ｍｉｎ、１刃あたりの送り量ｆ_Ｚ＝０．１ｍｍ／刃、軸方向の切込み量ap＝８ｍｍ、径方向の切込み量ae＝２０ｍｍ、刃数Ｚ＝４の側面切削といった切削条件である。
この条件で角度補正量を１０°、２０°、３０°で加工した結果、実線で示す２０°で最も切削力が均一となった。
したがって、角度補正量θ_Ａは２０°に設定すれば良いといえる。そして、他の切込み量aeで加工を行った場合も、角度補正量θ_Ａを２０°にした場合、切削力が最も均一になっていた。

よって、演算装置１２では、主軸６と送り軸との同期タイミングを、以下の値を使用して補正するようになっている。
角度補正量θ_Ａ＝２０±α（°）
但し、αは１０°未満とする。１０°未満とすることで、切削力のばらつきが抑えられる。

次に、上記角度補正量を用いた加工制御方法を、図３のフローチャートに基づいて詳述する。なお、ここでの工具７は、４枚の切れ刃を９０°間隔で同心円上に設けてなる段を、軸方向へ複数段備えている。但し、側面加工では先端の１段のみを使用する。
まず、Ｓ（ステップ）１において、工具７の切れ刃の各位置とその振れ量を測定して外部入力装置１４を介して演算装置１２に入力し、演算装置１２において、所定の計算式を使用して同期タイミングを計算する。
次に、Ｓ２で、予め設定した角度補正量θ_Ａを呼び出す。
そして、Ｓ３で、演算装置１２は、Ｓ２で呼び出した角度補正量θ_Ａを各切れ刃における同期タイミングに加算する。

よって、Ｓ４では、図４に示すミーリング加工での側面切削において、数値制御装置１３は、制御の位置（工具回転角度）を角度補正量θ_Ａで補正した送り軸指令値に基づいて各送り軸を制御して加工を実施する。なお、図４において、矢印Ａは加工進行方向、矢印Ｂは工具回転方向を示している。例えばＸ−Ｙ平面における加工であれば、加工進行方向に対して計算した制御量をＸ軸、Ｙ軸方向に分配して加工逆方向に送り軸を制御する。このＳ３，４の処理は、Ｓ５で加工終了となるまで繰り返される。
図５は、切れ刃を１段使用して加工する場合の各刃振れ量測定結果と同期タイミングの計算結果を示し、図６は、角度補正量θ_Ａを加えた場合（それぞれ２０°加えた場合）の同期タイミングを示している。

この制御により、送り動作に対して微小な強制振動が重畳されるが、この強制振動は、工具７の振れに等しい振動数となるため、主軸６の１回転内における工具７の振れ量を抑制するように送り軸に振動を重畳でき、工具振れ量の影響をキャンセルするよう作用させることができる。その結果、各切れ刃に作用する最大切削力を削減して工具チッピングの発生割合を低減することができる。また、最大切削力の削減によってびびり振動の抑制にも繋がる。

このように、上記形態の工作機械の加工制御方法によれば、工具７と送り軸との同期タイミングとなる工具回転角度に対する角度補正量θ_Ａを予め設定しておき、同期タイミングを角度補正量θ_Ａを用いて補正するので、切込み量aeを入力することなく適正な角度補正を行うことができる。よって、切込み量aeにかかわらず、各切れ刃に生じる切削力が均一な状態で加工が行え、工具寿命の向上に繋がる。

なお、角度補正量は、上記形態の２０±α（°）に限らず、他の数値も設定可能である。
また、工具は、同心円上に配置される複数の切れ刃の段を１段のみ備えたものであってもよい。
さらに、本発明を適用する工作機械も上記形態に限定されない。

１・・ベッド、２・・コラム、３・・主軸頭、４・・Ｘ軸制御ユニット、５・・Ｚ軸制御ユニット、６・・主軸、７・・工具、８・・Ｙ軸制御ユニット、９・・テーブル、１０・・被加工物、１１・・主軸回転制御装置、１２・・演算装置、１３・・数値制御装置、１４・・外部入力装置。

Claims

同心円上に複数配置される切れ刃を装着してなる工具を回転させて前記工具の径方向へ切り込み、送り軸によって所定の加工進行方向へ移動させながら被加工物を加工する側面切削が可能な工作機械において、前記側面切削を行う際には、予め測定した前記切れ刃の振れ量に基づいて、前記加工進行方向に対して工具回転方向側へ各前記切れ刃が所定の角度回転した同期タイミングで、前記送り軸を加工逆方向に微小変位させる制御を重畳する加工制御方法であって、
前記所定の角度に対する角度補正量を予め設定しておき、前記同期タイミングを前記角度補正量を用いて補正することを特徴とする工作機械の加工制御方法。
前記角度補正量は、以下の計算式で算出されることを特徴とする請求項１に記載の工作機械の加工制御方法。
角度補正量θ_Ａ＝２０±α（°）
但し、αは１０°未満
前記工具の径方向への切込み量は、前記工具の半径の半分以上であることを特徴とする請求項１又は２に記載の工作機械の加工制御方法。