JP5161042B2 - エンドミル加工方法及びこれを用いた加工プログラム作成方法、加工プログラム作成装置 - Google Patents

Description

本発明は、薄板状の被加工物をテーパエンドミルにより切削加工する場合、被加工物が切削時の負荷により発生するびびり振動の防止技術に関する。

インペラやスクリュに代表される様な薄板状の被加工物を、テーパ状の首部を有するテーパエンドミル（テーパネックエンドミルとも言う）により切削加工する場合、被加工物が切削時の加工負荷によりびびり振動を発生させることがある。この様な振動は、被加工物が低剛性の薄板状金属であればより顕著に発生する傾向がある。

そして、このびびり振動が発生した場合、切削加工による仕上げ面性状を劣化させるだけでなく、工具の破損を招くことがある。このため、びびり振動が発生しない様に加工負荷を低減させることが必要となるが、加工負荷の低減は同時に加工効率の低減につながる。そこで、この様な薄板状の被加工物の加工において、加工効率を損なうことなくびびり振動を抑制する加工技術が求められている。

従来より、この様なびびり振動の抑制には、工具の切込み量を低減することにより加工負荷を抑制することが一般的に行われている。一方、びびり振動の抑制可能な従来例に係る防振工具ホルダにつき、以下添付図８を参照しながら説明する。図８は従来例に係る一実施形態になる工具ホルダの縦断面を示す図である。

この従来例に係る防振工具ホルダは、工具を取り付ける先端部を有する本体１１と、この本体１１内に形成された中空部１３と、この中空部１３内に配置され重金属からなる防振用の錘１２とを備えた防振工具ホルダであって、前記本体の中空部１３は、前記先端部側ほど大きくなる様に断面積が軸方向に連続的に変化する形状となっており、前記錘１２は、重心がこの錘１２の軸方向の中心よりも前記工具の先端側に存在している（特許文献１参照）。また、同様な防振工具ホルダとして、図は省略するが、本体内部に、錘、弾性支持機構及び減衰機構を備え、前記本体の一部を繊維強化プラスチックで形成したものも提案されている（特許文献２参照）。

しかしながら、上記従来例に係る防振工具ホルダの如く、工具に錘や減衰機構を付与したとしても、被加工物が振動し易い薄板状のものや低剛性のものであれば、びびり振動抑制の効果は期待できない。

一方、インペラやスクリュ等の複雑な傾斜曲面を持つ被加工物の加工に用いられる加工プログラム（ＮＣプログラム）は、通常ＣＡＭ（Computer Aided Manufacturing）と呼ばれるソフトウェアにより作成される。ＣＡＭでは、被加工物の加工前の形状と加工後の仕上げ形状と必要な加工情報（工具形状や切削条件等）から加工プログラムが作成される。

従来例に係るこの様なＣＡＭにおいて、治工具や必要としない被加工物の部位との干渉を予め検証しながら干渉を生じない加工プログラムを作成したり、加工体積から切削抵抗を予測しながら、最適な加工負荷になる様な加工プログラムを作成する等、様々な機能を有するＣＡＭが提案されている（特許文献３〜７参照）。しかしながら、従来例に係るこの様な加工プログラムの作成方法や作成装置において、びびり振動の抑制に対する効果的な機能を有するものは見当たらない。

特開２００５−１８６２４０号公報 特開２００５−１９９３９１号公報 特開平５−８１４８号公報 特開平１０−１１８８８９号公報 特開２００６−２４４０６７号公報 特開２００７−２１６６６号公報 特開２００８−１４６２９７号公報

従って、本発明の目的は、薄板状の被加工物をテーパエンドミルにより切削加工する場合、被加工物が切削時の負荷により発生するびびり振動を防止可能なエンドミル加工方法及びこれを用いた加工プログラム作成方法、加工プログラム作成装置を提供することにある。

即ち、上記目的を達成するために、本発明の請求項１に係るエンドミル加工方法が採用した手段は、テーパエンドミル工具により薄板状被加工物を上向き削りで肩削り加工するエンドミル加工方法において、前記テーパエンドミル工具のテーパ半角θ［度］に応じて、次式（１）または（２）から算出される工具傾斜角度Ａ［度］により加工することを特徴とするものである。
１．８３θ−９．４≦Ａ≦１．８３θ−２９．４ （θ≦７．８７度） （１）
Ａ＝−５ （θ＞７．８７度） （２）
但し、
Ａ：垂線より工具送り方向に対して逆方向に傾ける方向を正とする
工具傾斜角度［度］

本発明の請求項２に係るエンドミル加工方法が採用した手段は、テーパエンドミル工具により薄板状被加工物を下向き削りで肩削り加工するエンドミル加工方法において、前記テーパエンドミル工具のテーパ半角θ［度］に応じて、次式（３）から算出される工具傾斜角度Ａ［度］により加工することを特徴とするものである。
２．１０θ＋６．１≦Ａ≦２．１０θ＋２６．１ （３）

本発明の請求項３に係る加工プログラム作成方法が採用した手段は、前記請求項１または２に記載のエンドミル加工方法を用いて薄板状被加工物を肩削り加工する数値制御式加工機の加工プログラム作成方法において、加工に使用する治工具や被加工物との干渉を生じない工具姿勢を制約条件として、この制約条件を満足する範囲で、上向き削りで肩削り加工する場合は前式（１）または（２）から、下向き削りで肩削り加工する場合は前式（３）から、切り込み量が最大となる工具傾斜角度Ａ［度］を選択する様プログラム作成することを特徴とするものである。

本発明の請求項４に係る加工プログラム作成装置が採用した手段は、前記請求項１または２に記載のエンドミル加工方法を用いて薄板状被加工物を肩削り加工する数値制御式加工機の加工プログラム作成装置において、加工に使用する治工具や被加工物との干渉を生じない工具姿勢を制約条件として、この制約条件を満足する範囲で、上向き削りで肩削り加工する場合は前式（１）または（２）から、下向き削りで肩削り加工する場合は前式（３）から、切り込み量が最大となる工具傾斜角度Ａ［度］を選択する様プログラム作成することを特徴とするものである。

本発明の請求項１に係るエンドミル加工方法によれば、テーパエンドミル工具により薄板状被加工物を上向き削りで肩削り加工するエンドミル加工方法において、前記テーパエンドミル工具のテーパ半角θ［度］に応じて、前式（１）または（２）から算出される工具傾斜角度Ａ［度］により加工するので、最大臨界切込み量によって上向き削りの肩削り加工を行うことが可能となり、びびり振動の発生を伴うことなく最良の加工効率を実現できる。

また、本発明の請求項２に係るエンドミル加工方法によれば、テーパエンドミル工具により薄板状被加工物を下向き削りで肩削り加工するエンドミル加工方法において、前記テーパエンドミル工具のテーパ半角θ［度］に応じて、前式（３）から算出される工具傾斜角度Ａ［度］により加工するので、最大臨界切込み量によって下向き削りの肩削り加工を行うことが可能となり、上記同様びびり振動の発生を伴うことなく最良の加工効率を実現できる。

更に、本発明の請求項３に係る加工プログラム作成方法によれば、前記請求項１または２に記載のエンドミル加工方法を用いて薄板状被加工物を肩削り加工する数値制御式加工機の加工プログラム作成方法において、加工に使用する治工具や被加工物との干渉を生じない工具姿勢を制約条件として、この制約条件を満足する範囲で、上向き削りで肩削り加工する場合は前式（１）または（２）から、下向き削りで肩削り加工する場合は前式（３）から、切り込み量が最大となる工具傾斜角度Ａ［度］を選択する様プログラム作成するので、実加工においてびびり振動を抑制し、かつ加工効率の最良な加工プログラムを作成することが可能となる。

また更に、本発明の請求項４に係る数値制御式加工機によれば、前記請求項１または２に記載のエンドミル加工方法を用いて薄板状被加工物を肩削り加工する数値制御式加工機の加工プログラム作成装置において、加工に使用する治工具や被加工物との干渉を生じない工具姿勢を制約条件として、この制約条件を満足する範囲で、上向き削りで肩削り加工する場合は前式（１）または（２）から、下向き削りで肩削り加工する場合は前式（３）から、切り込み量が最大となる工具傾斜角度Ａ［度］を選択する様プログラム作成するので、実加工においてびびり振動を抑制し、かつ加工効率の最良な加工プログラム作成装置を提供可能となる。

先ず、本発明の実施の形態に係るエンドミル加工方法の前提条件につき、以下添付図１〜３を参照しながら説明する。図１は本発明の実施の形態に係るエンドミル加工方法を説明するためのテーパエンドミルの外形図、図２は本発明の実施の形態に係るエンドミルによる肩削り加工方法を説明するための模式図であって、同図（ａ）はその正面図、同図（ｂ）は図（ａ）の側面図、図３は本発明の実施の形態に係るエンドミルによる肩削り加工方法を説明するための模式図であって、同図（ａ）は上向き削りを示す概念図、同図（ｂ）は下向き削りを示す概念図である。

本発明の実施の形態に係るエンドミル加工方法に用いられるテーパエンドミル１は、図１に示す如く、外周に切れ刃２ａが形成された刃部２とシャンク部３との間の首部にテーパ半角θをなしてテーパ部４が形成されている。

この様なテーパエンドミル１による被加工物Ｗの肩削り加工において、被加工物Ｗに対し設定可能な工具傾斜角度としては、図２（ａ）に示す如く、垂線Ｌより工具送り方向に平行な方向に負荷抵抗を軽減するため傾ける工具傾斜角度Ａと、図２（ｂ）に示す如く、垂線Ｌより工具送り方向に直角な方向に切込み量を確保するため傾ける工具傾斜角度Ｂとが挙げられる。しかしながら、前記工具傾斜角度Ｂは、工具のテーパ半角θと工具傾斜角度Ａとにより一意的に決まるため、実際には工具のテーパ半角θと工具傾斜角度Ａが選択可能な変数となる。

そこで本発明者等は、前記テーパ半角θと工具傾斜角度Ａの組合せにより、幾何学的に加工中に発生する切削抵抗の大きさや方向が変化することを知見し、これらの角度の様々な組合せにおいて切削実験を行うことにより、びびり振動の抑制効果が高い角度の組合せを調査した。

切削実験では、薄板状被加工物Ｗとして厚さ３ｍｍの中炭素鋼Ｓ４５Ｃ製の低剛性鋼板を、加工機のバイスから突出させて長さ５０ｍｍとなる様に片持支持した。その後、表１に示すテーパエンドミル工具と加工条件の組合せによって、被加工物Ｗ上端の肩削り加工を上向き削りと下向き削りにより切削加工した。ここで、前記上向き削りとは、図３（ａ）に示す如く、被加工物Ｗの送り方向と対向する工具回転方向で削り加工する方法、前記下向き削りとは、図３（ｂ）に示す如く、被加工物Ｗの送り方向と同方向の工具回転方向で削り加工する方法を言う。

そして先ず、テーパエンドミル１のテーパ半角θと工具傾斜角度Ａの種々の組合せにおいて、前記工具１の被加工物Ｗに対する切込み量（図２（ｂ）参照）を変化させて加工を行い、びびり振動の発生する直前の臨界切込み量を明らかにした。テーパ半角θ［度］をパラメータとして、工具傾斜角度Ａに対する臨界切込み量の関係を図４，５に示す。図４は本発明の実施の形態に係り、上向き削りの場合の工具傾斜角度Ａに対する臨界切込み量の関係を示す図、図５は本発明の実施の形態に係り、下向き削りの場合の工具傾斜角度Ａに対する臨界切込み量の関係を示す図である。ここで、前記工具傾斜角度Ａの傾斜方向は、工具送り方向に対して反対側に傾斜している場合（即ち、図２（ａ）に示す場合）を正とした。

図４，５から、テーパ半角θと工具傾斜角度Ａの組合せにより、臨界切込み量は大きく変化することが分かる。そこで、これら図４，５から、工具のテーパ半角θ毎に最も臨界切込み量の大きくなる工具傾斜角度Ａを読み取ると、図６，７の様に表せる。図６は本発明の実施の形態に係り、上向き削りの場合のテーパ半角θに対し最も臨界切込み量の大きくなる工具傾斜角度Ａを示す図、図７は本発明の実施の形態に係り、下向き削りの場合のテーパ半角θに対し最も臨界切込み量の大きくなる工具傾斜角度Ａを示す図である。

この様にして求められた図６から、本発明の実施の形態に係るエンドミル加工方法は、テーパエンドミル工具により薄板状被加工物を上向き削りで肩削り加工するエンドミル加工方法において、前記テーパエンドミル工具のテーパ半角θ［度］に応じて、次式（１）または（２）により算出される工具傾斜角度Ａ［度］により加工するものである。
１．８３θ−９．４≦Ａ≦１．８３θ−２９．４ （θ≦７．８７度） （１）
Ａ＝−５ （θ＞７．８７度） （２）

但し、
Ａ：垂線より工具送り方向に対して逆方向に傾ける方向を正とする
工具傾斜角度［度］
である。また、前記薄板状被加工物とは、インペラやスクリュ等に代表される様な、加工前または加工後の厚さが２〜４ｍｍ程度の金属製被加工物を言う。

一方、図７から、下向き削りで肩削り加工する場合は、前記テーパエンドミル工具のテーパ半角θ［度］に応じて、次式（３）から算出される工具傾斜角度Ａ［度］により加工する。
２．１０θ＋６．１≦Ａ≦２．１０θ＋２６．１ （３）

即ち、上記の如く、本発明の実施の形態に係るエンドミル加工方法は、上向き削りで肩削り加工する場合は式（１）または（２）から算出される工具傾斜角度Ａ［度］に、下向き削りで肩削り加工する場合は式（３）から算出される工具傾斜角度Ａ［度］にテーパエンドミルを設定することによって、びびり振動の発生を伴うことなく最大臨界切込み加工を行うことが可能となり、最良の加工効率を得ることができるのである。前式（１），（３）に示す通り、最大臨界切込み量の±１０度は十分に高い切込み量を実現することができる。

一方、この様な被加工物の加工に用いられる加工プログラム（ＮＣプログラム）は、前述した通り通常ＣＡＭにより作成される。そして、本発明の実施の形態に係る加工プログラム作成方法は、前記ＣＡＭによる加工プログラムの作成において、被加工物の加工前の形状と加工後の仕上げ形状と必要な加工情報に加え、上述した様なエンドミル加工方法を用いて薄板状被加工物を肩削り加工する数値制御式加工機用の加工プログラムを作成する方法である。

即ち、加工に使用する治工具や被加工物との干渉を生じない工具姿勢を制約条件として、この制約条件を満足する範囲で、上向き削りで肩削り加工する場合は前式（１）または（２）から、下向き削りで肩削り加工する場合は前式（３）から、切り込み量が最大となる工具傾斜角度Ａ［度］を選択する様プログラム作成する方法である。その結果、実加工においてびびり振動を抑制し、かつ加工効率を最良にすることが可能な加工プログムラが得られる。

更に、本発明の実施の形態に係る加工プログラム作成装置は、前記ＣＡＭ等の加工プログラムの作成装置において、被加工物の加工前の形状と加工後の仕上げ形状と必要な加工情報に加え、上述した様なエンドミル加工方法を用いて薄板状被加工物を肩削り加工する数値制御式加工機用の加工プログラムを作成する装置である。

即ち、加工に使用する治工具や被加工物との干渉を生じない工具姿勢を制約条件として、この制約条件を満足する範囲で、上向き削りで肩削り加工する場合は前式（１）または（２）から、下向き削りで肩削り加工する場合は前式（３）から、切り込み量が最大となる工具傾斜角度Ａ［度］を選択する様プログラム作成する装置である。そのため、実加工においてびびり振動を抑制し、かつ加工効率の最良な加工プログラム作成装置を提供可能となる。

以上の通り、本発明に係るエンドミル加工方法によれば、テーパエンドミル工具により薄板状被加工物を上向き削りで肩削り加工するエンドミル加工の場合は、前記テーパエンドミル工具のテーパ半角θ［度］に応じて、前式（１）または（２）により算出される工具傾斜角度Ａ［度］により、また下向き削りで肩削り加工するエンドミル加工の場合は、前式（３）から算出される工具傾斜角度Ａ［度］により加工するので、最大臨界切込み量による肩削り加工を行うことが可能となり、びびり振動の発生を伴うことなく最良の加工効率を実現できる。

本発明の実施の形態に係るエンドミル加工方法を説明するためのテーパエンドミルの外形図である。 本発明の実施の形態に係るエンドミルによる肩削り加工方法を説明するための模式図であって、同図（ａ）はその正面図、同図（ｂ）は図（ａ）の側面図である。 本発明の実施の形態に係るエンドミルによる肩削り加工方法を説明するための模式図であって、同図（ａ）は上向き削りを示す概念図、同図（ｂ）は下向き削りを示す概念図である。 本発明の実施の形態に係り、上向き削りの場合の工具傾斜角度Ａに対する臨界切込み量の関係を示す図である。 本発明の実施の形態に係り、下向き削りの場合の工具傾斜角度Ａに対する臨界切込み量の関係を示す図である。 本発明の実施の形態に係り、上向き削りの場合のテーパ半角θに対し最も臨界切込み量の大きくなる工具傾斜角度Ａを示す図である。 本発明の実施の形態に係り、下向き削りの場合のテーパ半角θに対し最も臨界切込み量の大きくなる工具傾斜角度Ａを示す図である。 従来例に係る一実施形態になる工具ホルダの縦断面を示す図である。

符号の説明

Ａ：垂線Ｌより工具送り方向に平行な方向に傾ける工具傾斜角度，
Ｂ：垂線Ｌより工具送り方向に直角な方向に傾ける工具傾斜角度，
Ｌ：垂線， Ｗ：被加工物， θ：テーパ半角，
１：テーパエンドミル，
２：刃部， ２ａ：切れ刃
３：シャンク部，
４：テーパ部

Claims (4)

1. テーパエンドミル工具により薄板状被加工物を上向き削りで肩削り加工するエンドミル加工方法において、前記テーパエンドミル工具のテーパ半角θ［度］に応じて、次式（１）または（２）から算出される工具傾斜角度Ａ［度］により加工することを特徴とするエンドミル加工方法。
   １．８３θ−９．４≦Ａ≦１．８３θ−２９．４ （θ≦７．８７度） （１）
   Ａ＝−５ （θ＞７．８７度） （２）
   但し、
   Ａ：垂線より工具送り方向に対して逆方向に傾ける方向を正とする
   工具傾斜角度［度］
2. テーパエンドミル工具により薄板状被加工物を下向き削りで肩削り加工するエンドミル加工方法において、前記テーパエンドミル工具のテーパ半角θ［度］に応じて、次式（３）から算出される工具傾斜角度Ａ［度］により加工することを特徴とするエンドミル加工方法。
   ２．１０θ＋６．１≦Ａ≦２．１０θ＋２６．１ （３）
3. 前記請求項１または２に記載のエンドミル加工方法を用いて薄板状被加工物を肩削り加工する数値制御式加工機の加工プログラム作成方法において、加工に使用する治工具や被加工物との干渉を生じない工具姿勢を制約条件として、この制約条件を満足する範囲で、上向き削りで肩削り加工する場合は前式（１）または（２）から、下向き削りで肩削り加工する場合は前式（３）から、切り込み量が最大となる工具傾斜角度Ａ［度］を選択する様プログラム作成することを特徴とする加工プログラム作成方法。
4. 前記請求項１または２に記載のエンドミル加工方法を用いて薄板状被加工物を肩削り加工する数値制御式加工機の加工プログラム作成装置において、加工に使用する治工具や被加工物との干渉を生じない工具姿勢を制約条件として、この制約条件を満足する範囲で、上向き削りで肩削り加工する場合は前式（１）または（２）から、下向き削りで肩削り加工する場合は前式（３）から、切り込み量が最大となる工具傾斜角度Ａ［度］を選択する様プログラム作成することを特徴とする加工プログラム作成装置。

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