JP6011353B2 - 加工条件予測装置および加工条件予測方法 - Google Patents

Description

本発明は、多軸加工機を用いた曲面加工における工具摩耗を抑制可能な加工条件を予測する加工条件予測装置および加工条件予測方法に関する。

本技術分野の背景技術として、例えば特開２００８−２２１４５４号公報（特許文献１）がある。この公報には、「低速切削領域から高速切削領域までにおいて工具摩耗量を加工前に精度よく予測できる工具磨耗の予測方法を提供する。被削材中の硬質介在物によるアブレッシブ磨耗に影響を示す項と、被削材中の硬質介在物による熱的拡散磨耗に影響を示す項と、を有する予測式から工具磨耗量を予測するので、低速切削領域または中速切削領域で主に発生するアブレッシブ磨耗と、高速切削領域で主に発生する熱的拡散磨耗とを考慮した工具の磨耗量を精度よく予測する。」と記載されている（要約参照）。前記特許文献１によれば、数種類の加工条件にて工具摩耗試験を行い、前記特許文献１の数３に必要なデータを収集することで工具摩耗量を予測し、工具摩耗を抑制可能な加工条件を予測可能である。

また、近年では工作機械およびデータ収集装置の発展に伴い、切削加工中に工作機械から得られる工作機械主軸の使用電流などから加工負荷をリアルタイムで監視し、切削加工中の工具寿命判定を行う検出装置が発明されている。本事例として特開２０１１−２３０２０６号公報（特許文献２）がある。この公報には、「工具寿命到達を精度良く検出することが可能な工具寿命検出方法および工具寿命検出装置を提供する。今回加工予定の被加工物について事前に測定された比切削抵抗に係る数値情報と、それ以前に加工された被加工物について既に測定済みの加工負荷値およびこれに対応する比切削抵抗に係る数値情報とを用いて、今回加工予定の被加工物を加工する際に発生すると予測される加工負荷値を予測負荷値として演算し、この予測負荷値を工具寿命の判断基準となる基準負荷値と比較し、上記予測負荷値が上記基準負荷値を超えている場合には上記工具は寿命に達しているものとして検出する。」と記載されている。前記特許文献２では、工具寿命到達時に予測される工作機械の主軸負荷の閾値を予め算出しておき、実際の加工において検出される主軸負荷値と前記閾値を対比させて、前記閾値を超えた場合は工具寿命に達しているものとして検出する方法である。

特開２００８−２２１４５４号公報 特開２０１１−２３０２０６号公報

切削加工による製品製造では、工具摩耗から工具寿命を予測し、適切な加工条件を設定することで生産性を向上させるとともに、使用する工具本数の低減による生産コスト低減は、重要な課題のひとつである。工具摩耗には一般にいくつかの摩耗形態があるが、特にNi基合金などの耐熱合金を、例えば図２に示すように、工具１に取り付けられた刃先２を用いて被削材４を転削加工する場合、工具の刃先エッジ部である刃先稜６と被削材４とが接触する接触角７の範囲で、刃先２の側面側の境界部３における境界摩耗５の進行が課題となる場合が多く、前記Ni基合金は難削材であることから工具摩耗が鋼材等の切削時よりも極端に進行し、工具寿命が短く、工具摩耗予測と前記予測に基づく長寿命な加工条件の選定が課題である。

上記課題を克服するため、前記特許文献１のような発明がされているが、前記特許文献１に記載されている工具寿命予測式に基づき工具寿命を製品加工前に算出するためには、事前に多くのデータベースが必要となる。具体的には、データベース構築の際には複数の切削試験を行い、工具摩耗量を測定し、切削温度を測定あるいは解析により求め、寿命予測式の係数を算出する必要があり、これら一連の作業を行うには多くの手間が発生する。加えて、被削材や工具刃先の種類が変わった場合、前記被削材と工具刃先材種の組み合わせ毎に前記データベースを取得し直す必要があり、製造現場の限られた時間と設備では、前記データベース構築を前記工具と被削材の組合せ毎に構築し直すことは、大変な労力とコストを要する。更に、５軸加工機械械を用いた曲面加工へ前記特許文献１を適用しようとした場合、曲面加工では工具と被削材の接触状態が多様に変化し、工具摩耗量に影響することから、前記接触状態のすべて、もしくは一部のパターンについて前記データベースを構築することは大変な時間を要し実用的でない。

また、前記特許文献２のように加工中の切削負荷から工具寿命を監視し、加工途中の工具欠損に伴う製品不良によるロスコスト低減方法も発明されているが、前記特許文献２の方法では事前に長寿命な加工条件を予測することはできない。

一方、製造現場の切削加工で用いられる切削加工条件は、一般に工具メーカにより被削材や工具材質に合せて、ある程度の範囲を持って推奨加工条件が決められているため、製造現場では前記範囲内で加工条件を検討する場合が多い。上記理由により工具摩耗の絶対値を事前に評価するには多大な労力がかかり、特に５軸加工機械械を用いた工具と被削材が複雑に接触するような加工形態においては絶対値の予測は困難である。このため、特に５軸加工機械械による曲面加工において、工具と被削材との接触状態が工具摩耗に影響を及ぼすことから、前記データベースを構築することなく、前記複数ある加工条件の選択肢の中で相対的に工具摩耗の主要因の一つである境界摩耗が少ない長寿命な加工条件を事前に予測し、加工条件を選定できるようにしたいという課題がある。

上記課題を解決するために本発明では、工作機械で切削加工を行なう場合の工具の摩耗量を抑制する加工条件を予測する加工条件予測装置を、解析対象とする工具、および被削材の形状を表わす解析モデルと、並びに工具と被削材との相対位置に係わる各種加工条件パラメータを定義する解析モデルデータ定義部と、前記加工条件パラメータの解析用初期値、変化量を解析パラメータとして設定する解析パラメータ設定部と、前記設定された解析パラメータの組合せごとに、解析モデルの工具と被削材が接触する座標Ｇ、および被削材の中心座標Ｐを算出し、Ｎ個に分割された刃先稜上の点ｉごとに、前記切削加工に伴い前記工具が移動する際に前記点ｉの位置を角度表示したγｉと前記被削材とが接触する接触長さＬｃｉを算出する工具／被削材接触幾何学計算部と、前記計算した各位置γｉに対応した接触長さＬｃｉを、横軸をγｉとし、縦軸をＬｃｉとする図上にプロットして分布波形を作成して、γｉが変化するに従い接触長さＬｃｉが緩やかに変化する領域の接触長さＬｂと最も接触長さが長い点ｉにおける最大接触長さＬｔとの比を表わす境界移動率Ｌｒ、および工具刃先が被削材と接触する最大の幅を表わす角度と所定の刃先角度との割合を示す接触率γｒを算出して、記憶部に記憶する接触状態計算部と、全ての解析パラメータの組合せに対して計算した前記境界移動率Ｌｒ、および接触率γｒの中より、前記境界移動率Ｌｒが最大となる解析パラメータが表わす加工条件、または前記接触率γｒが最大となる解析パラメータが表わす加工条件を探索する加工条件探索部と、探索された加工条件を出力する予測結果出力部とを備えて構成した。

また、上記課題を解決するために本発明では、工作機械で切削加工を行なう場合の工具の摩耗量を抑制する加工条件を予測するにおいて、解析対象とする工具、および被削材の形状を表わす解析モデルと、並びに工具と被削材との相対位置に係わる各種加工条件パラメータを定義する工程と、前記加工条件パラメータの解析用初期値、変化量を解析パラメータとして設定する工程と、前記設定された解析パラメータの組合せごとに、解析モデルの工具と被削材が接触する座標Ｇ、および被削材の中心座標Ｐを算出し、Ｎ個に分割された刃先稜上の点ｉごとに、前記切削加工に伴い前記工具が移動する際に前記点ｉの位置γｉと前記被削材とが接触する接触長さＬｃｉを算出する工程と、前記計算した各位置γｉに対応した接触長さＬｃｉを、横軸をγｉとし、縦軸をＬｃｉとする図上にプロットして分布波形を作成して、γｉが変化するに従い接触長さＬｃｉが緩やかに変化する領域の接触長さＬｂと最も接触長さが長い点ｉにおける最大接触長さＬｔとの比を表わす境界移動率Ｌｒ、および工具刃先が被削材と接触する最大の幅を表わす角度と所定の刃先角度との割合を示す接触率γｒを算出して、記憶部に記憶する工程と、全ての解析パラメータの組合せに対して計算した前記境界移動率Ｌｒ、および接触率γｒの中より、前記境界移動率Ｌｒが最大となる解析パラメータが表わす加工条件、または前記接触率γｒが最大となる解析パラメータが表わす加工条件を探索する工程と、探索された加工条件を出力する工程とを有することを特徴とする。

本願の発明によれば、例えば５軸加工機械による円筒曲面加工において、ある加工条件の範囲内で相対的に境界摩耗を抑制可能な加工条件を、データベースを用いることなく事前に予測することで、長寿命な加工方法を容易に予測する手法を提供できる。

実施形態１の本発明の加工条件予測装置の構成図である。 工具刃先における境界摩耗の例を示す斜視図である。 ５軸加工機械による円筒曲面加工の例を説明する概略図である。 本発明の加工条件予測処理のフローチャートである。 図３の５軸加工機械による円筒曲面加工の解析モデルを説明する概略図である。 図５の解析モデルにおける工具刃先部拡大図である。 被削材の半径Ｒｗの円と、工具の最外周断面位置をｚ軸方向から見たときの楕円とが接触するときの幾何学モデル図である。 刃先の刃先稜上の点ｉの位置γｉと接触長さＬｃｉをプロットして刃先稜と被削材とが接触する分布波形を作成して、境界部移動長さＬｂが最大接触長さＬｔに対してどの程度の割合かを評価するための境界移動率Ｌｒと工具刃先が被削材と接触する幅の割合を示す接触率γｒを計算する過程を説明する図である。 記憶部の解析結果データ記憶領域のデータ項目構成例を説明する図である。 解析パラメータの組合せごとに、刃先の刃先稜上の点ｉの接触状態のプロットを説明する図である。 各解析パラメータごとに算出した境界移動率Ｌｒ、および接触率γｒを、接触率γｒと境界移動率Ｌｒを両座標軸とする分布図上にプロットして表示した例を示す図である。

以下、実施例について図面を用いて説明する。

本実施例では、工作機械で使用する工具の境界摩耗を抑制して、工具寿命を延ばす加工条件を予測する図１に示す加工条件予測装置１０を説明する。
加工条件予測装置１０は、入力部２０と、出力部３０と、演算部４０と、記憶部５０と、通信部６０とを備える。通信部６０は、ネットワーク９０を介して、例えば工作機械７０、ＮＣ制御装置７１、３次元ＣＡＤ８０、３次元ＣＡＭ８１等と接続する。

演算部４０は、解析対象の工作機械に取り付けられる工具と、被削材のモデルデータ、および加工条件の初期値・設定範囲をユーザが定義するためのユーザインタフェースを提供する解析モデルデータ定義部４１と、加工条件予測処理を実行する場合の各加工条件の設定値である解析パラメータをユーザが定義することを受付ける解析パラメータ設定部４２と、工具と被削材との接点、接触長さなどを幾何学計算に基づいて算出する工具/被削材接触幾何学計算部４３と、工具刃先と被削材の境界が移動していると認められる領域の長さが最大接触長さに対する割合である境界移動率(後述)、工具刃先が被削材と接触する幅の割合を示す接触率(後述)を計算する接触状態計算部４４と、各解析パラメータにおいて加工条件予測処理を実行して、境界移動率が最大となる解析パラメータ、または接触率が最大となる解析パラメータを探索する加工条件探索部４５と、前記探索された解析パラメータ、およびユーザの指定に従って加工条件予測処理結果を出力する予測結果出力部４６とを備える。

記憶部５０は、演算部へロードして各処理を実行する解析プログラム、および各プログラムに設定する初期データを記憶する記憶領域５１と、解析対象である解析モデルデータを記憶する記憶領域５２と、各解析パラメータにおいて、工具/被削材接触幾何学計算、接触状態計算を行った結果を、解析結果データテーブルに記憶する記憶領域５３と、前記加工条件探索処理により境界摩耗が抑制可能な加工条件を探索した結果を記憶する加工条件予測結果記憶領域５４とを備える。

解析モデルデータ定義部４１で定義する解析モデルの例を説明する。
図３には、ターンテーブル(図示せず)上に載置された被削材４を回転する工具１により旋削加工をする５軸加工機械において、被削材４と工具１の関係を定義する解析モデルの例を示している。

円筒状の被削材４を丸駒形状の刃先２が取り付けられた工具１を工具傾斜角Ｂだけ傾け、かつ被削材４の鉛直方向中心軸と工具１の中心軸との水平方向のずれ量であるオフセット量Ｅだけずれた位置に工具１を設定して、軸切込み量Ａｐ、径切込み量Ａｅにて被削材４および工具１を回転させながら送り方向Ｆに沿って、被削材４の外周を転削加工する加工形態の解析モデルである。

一般的に、前記発明が解決しようとする課題の欄で挙げた図２(b)に示す境界摩耗５は、工具１と被削材４の境界部３が、常に一定の位置にある場合に大きく進行する。このため、例えば図３に示す５軸加工機械で旋削加工をする解析モデルのように、複数の移動自由度を有する加工機を用いた円筒曲面の切削加工では、前記境界摩耗５を抑制する手段の一つとして、工具１と被削材４の前記境界部３が常に移動するような加工条件、即ち工具傾斜角Ｂ、オフセット量Ｅ、軸切込み量Ａｐ、径切込み量Ａｅから幾何学的な計算により算出される工具１と被削材４の接触状態に基づき、境界部３の移動状態を評価すればよい。

本実施例の加工条件予測装置１０では、ユーザが解析モデルデータ定義部４１が提供するユーザインタフェースを介して、解析モデルを指示する。この指示に従って、例えば３次元ＣＡＤ８０から素材ＣＡＤデータが入力され、３次元ＣＡＭ８１から工具データが入力される。入力されたデータに基づき、ユーザが工具および被削材形状ならびに加工パラメータを定義して解析モデルを定義する。また、ユーザは解析パラメータ設定部４２により各加工パラメータをどのような値に設定、または離散的に変化させるかを解析パラメータとして設定する。その後、工具/被削材接触幾何学計算部４３が工具の刃先２と被削材４との接触領域を幾何学的に計算し、接触状態計算部４４、および加工条件探索部４５が前記幾何学計算結果から工具１と被削材４の境界部３が最も移動し、または工具１と被削材４とが接触する幅が最大となる加工条件を算出することで、境界摩耗が抑制可能な加工条件を予測可能である。

以下、本実施形態の具体的な解析方法について、図４に示す本発明の解析フローチャートを用いて説明する。

ステップＳ１０１では、解析モデルデータ定義部４１が提供するユーザインタフェース(図示せず)を介して、ユーザがどの工作機械において、どの工具を使用して、如何なる素材の加工を解析するのか指示を入力する。該当する素材ＣＡＤデータ、工具の仕様を表わす工具データを、例えば３次元ＣＡＤ８０、３次元ＣＡＭ８１より、必要に応じて読み出して入力する。または、事前にデータテーブルを登録しておいて、そこから選択することでもよい。
本実施形態では、図３に示す解析モデル例、および更に詳細に図５に示す解析モデルの通り、工具半径Ｒｔ、工具刃先の半径Ｒｉ、被削材(仕上げ)半径Ｒｗ、などを定義する。

ステップＳ１０２では、ユーザは続いて解析モデルデータ定義部４１が提供するユーザインタフェース(図示せず)に対して、被削材４の回転中心軸に対して工具の傾きを表す工具傾斜角Ｂの範囲（Ｂ0〜Ｂm）、被削材４の中心軸から工具１の中心軸への水平面上のずれ量を表すオフセット量Ｅの範囲（Ｅ0〜Ｅl）、工具軸方向に工具が被削材に切り込む量を表す切込み量Ａｐの範囲（Ａｐ0〜Ａｐｋ）、工具軸と直行方向に工具１が被削材４に切り込む量を表す径切込み量Ａｅで表される加工条件パラメータを入力する。なお、前記Ｂ，Ｅ，ＡｐおよびＡｅは、それぞれ独立したパラメータである。以上、定義・入力された解析モデルデータは、解析モデルデータ記憶領域５２に記憶される。

ステップＳ１０３では、解析パラメータ設定部４２が提供するユーザインタフェース(図示せず)を介して、ユーザが、各加工条件パラメータを具体的に如何なる値に設定して、またステップＳ１０２において設定した加工条件パラメータの値の範囲内で、如何なる幅の離散値(変化量)を設定して解析を行うかを指定・入力する。例えば、ある加工条件パラメータの値の範囲内では、値の範囲をｎ等分した離散値(変化量)を解析パラメータとして設定し、また他の加工条件パラメータの値の範囲内では、過去の経験より全ての値の範囲内を調べる必要が無ければ、範囲内の一部の領域を細かな離散値(変化量)を設定することでも良い。または、特定の指定値１つに決めてもよい。
ユーザが指定・入力した各加工条件パラメータの具体的な設定値を解析パラメータと呼び、解析モデルデータ記憶領域５２に記憶する。以後のステップＳ１０４〜Ｓ１０７の各処理は、解析パラメータの全ての値の組合せに対して実行される。

ステップＳ１０４では、工具/被削材接触幾何学計算部４３が、解析パラメータの１つの組合せにより決まる加工条件において、すなわち工具傾斜角Ｂ、オフセット量Ｅ、切込み量Ａｐ、径切込み量Ａｅ(本実施例では１つの固定値を設定)に１組の解析パラメータを入力し、図５の工具中心の原点Ｏに対して、工具１と被削材４が接触する座標Ｇ（ｐ、ｑ）、および被削材４の中心座標Ｐ（ｃ、ｄ）を算出するとともに、図５の刃先２を拡大した図６において、Ｎ個に分割された刃先稜６上の点ｉごとに、工具１が一回転する間に前記刃先稜６上の点ｉと被削材４とが接触する接触長さＬｃｉ、および点ｉの位置を角度で表したγｉを計算する。

ここで被削材４と工具１が接する接点Ｇ（ｐ、ｑ）および被削材４の中心座標Ｐ（ｃ、ｄ）の算出方法について説明する。
図７は被削材４の半径Ｒｗの円と、工具の最外周断面位置８をｚ軸方向から見たときの楕円９とが接触するときの幾何学モデル図である。ここで、被削材４の円と楕円９は、工具中心の原点Ｏに定めた座標系ｘ’−ｙ’−ｚ’に対してそれぞれ次の式で表される。
（数１） （ｘ’−ｃ’）²+（ｙ’−ｄ’）²＝Ｒｗ² ：（円）
（数２） ｘ’²/ａｘ²+ｙ’²/ｂｙ²＝１ ：（楕円）
ただし、ａｘ、ｂｙは楕円９の長手方向および短尺方向の半径をそれぞれ意味しており、以下の式で決定する。
（数３） ａｘ＝Ｒｉ+（Ｒｔ−Ｒｉ）・ｃｏｓ(Ｂ)
（数４） ｂｙ＝Ｒｔ
計算では、まず、楕円９に沿って仮の座標ｑ’を数２に入力し、座標ｐ’を算出し、仮の接点Ｇ’を求める。ここで、前記仮の接点Ｇ’を通り、かつ楕円９に接する接線１１が以下の式で定義される。
（数５） （ｐ’/ａｘ²）ｘ’+（ｑ’/ｂｙ²）ｙ’＝１
一方、接線１１と直交する単位ベクトルＣ(ｇ,ｈ)を用いて、接線１１を別の表現として、
（数６） ｍ＝ｇ・ｘ’＋ｈ・ｙ’
とすると、単位ベクトルＣ（ｇ、ｈ）は、
（数７） ｇ＝（ｐ’/ａｘ^２）・ｍ
（数８） ｈ＝（ｑ’/ｂｙ^２）・ｍ
（数９） ｍ＝√（ｇ・ａｘ）^２＋（ｈ・ｂｙ）^２
で表される。

上記数式（７）〜（８）より、（ｇ、ｈ）を用いて被削材４の円の中心座標Ｐ’（ｃ’,ｄ’）は以下の式で表される。
（数１０） ｃ’＝Ｒｗ・ｇ＋（ｇ・ａｘ^２／ｍ）
（数１１） ｄ’＝Ｒｗ・ｈ＋（ｈ・ｂｙ^２／ｍ）
上記計算をｑ’=０〜Ｒｔの間で繰り返し、ｄ’が前記設定したオフセット量Ｅと等しくなる被削材４の中心座標Ｐ’および接点Ｇ’を数値計算にて求め、計算後にＰ’，Ｇ’を元の座標系Ｐ，Ｇに変換し、被削材４の中心座標Ｐと接点Ｇとを算出する。

そして、接触長さＬｃｉの計算方法について詳細を説明する。図５の工具刃先２を拡大した図６において、高さｄｚでＮ個に分割された工具１の刃先稜６上の点ｉが一回転する間に、点ｉが被削材４と接触する角度φｉと、点ｉにおける工具中心軸からの半径Ｒｔｉを求め、前記φｉと前記Ｒｔｉを用いて、工具が一回転する間に被削材４と接触する長さである刃先接触長さＬｃｉを、各点ｉごとに数１２を用いて算出する。
（数１２） Ｌｃｉ＝Ｒｔｉ×φｉ
ステップＳ１０５では、接触状態計算部４４が、前記接触長さＬｃｉの前記点ｉの位置γｉに対する分布をプロットし、図６の境界部３が工具の回転に従い、どのように刃先稜６上を移動するか、境界移動率Ｌｒおよび接触率γｒを計算し評価し、前記境界移動率Ｌｒおよび接触率γｒを、前記Ｂ，Ｅ，Ａｐごとに図９に示す記憶部５０の解析結果データ記憶領域５３に記録する。

接触状態計算部４４の処理について詳細を説明する。図８に示すように、前記ステップＳ１０４で算出された刃先２の刃先稜６上の点ｉにおける接触長さＬｃｉと点ｉの位置γｉを用いて、計算機上で横軸にγｉ、縦軸にＬｃｉをとり、各点ｉごとＬｃｉとγｉをプロットしていき、刃先稜６と被削材４とが接触する分布波形２００を作成する。同図において、γｉが変化するに従い接触長さＬｃｉが緩やかに変化する領域２０１では、工具１が回転するとともに被削材４との境界部３が緩やかに移動する領域であり境界摩耗が小さくなる領域である。逆に、点ｉの位置γｉが同一位置において接触長さＬｃｉが異なるプロット点が複数に及ぶ領域２０２は同じ刃先稜の位置が常に境界部３の領域であるため、境界摩耗が大きくなる領域を表している。また、Ｌｔは工具が一回転する間に最も接触長さが長い点ｉにおける最大接触長さ、Ｌｂは前記領域２０１における最大長さを表す境界部移動長さ、γｂは工具１が被削材４と接触する最大接触角をそれぞれ表している。ここで、工具刃先と被削材の境界部３は同図の波形２００の線上を移動し、前記領域２０１と２０２を通過することから、接触状態計算部４４で作成される同図の波形を用いて、工具と被削材との境界部３の移動状態を評価することができる。

具体的には、接触状態計算部４４において、前記Ｌｔ、Ｌｂを用いて、境界が移動する領域２０１の長さである前記境界部移動長さＬｂが、前記最大接触長さＬｔに対してどの程度の割合かを評価するための境界移動率Ｌｒと、前記γｂを用いて、工具刃先が被削材と接触する幅の割合を示す接触率γｒを、数１３、および数１４を用いてそれぞれ計算する。
（数１３） Ｌｒ＝Ｌｂ/Ｌｔ
（数１４） γｒ＝γｂ/１８０゜
Ｌｒ、γｒはともに無次元量であり、被削材半径Ｒｗや工具半径Ｒｔが異なる加工条件でも同様な評価尺度にて評価できる。また、Ｌｒおよびγｒが大きい値であるほど、境界が移動している、もしくは接触幅が広いことを意味し、工具摩耗抑制に繋がる。

なお、前記Ｌｒを数１３で定義したが、境界移動を表すほかの表現方法として、例えば図８の分布波形２００を用いて、接触している総面積Ｓｔ(分布波形２００と接触長さＬｃ＝０の座標軸とで囲まれる領域の面積)と境界移動部のみの面積Ｓｂを用いて数１５にて評価しても良い。
（数１５） Ｌｒ＝Ｓｂ/Ｓｔ
また、γｒは分母を１８０゜としているが、基準となる角度は角度の単位であればどのような値でも良いが、丸駒工具の場合、工具の半分以上が被削材と接触することは殆どないため、本実施例では一例として１８０゜を用いている。また、γｒは角度だけではなく、例えば、図８に示す刃先２と被削材４とが接触する接触弧長Ｌarcに対する工具半周分の長さＬｍを用いて、数１６のように長さに対して無次元化した評価指標を用いても良い。
（数１６） γｒ＝Ｌarc/Ｌｍ
ステップＳ１０５における計算結果は、記憶部５０の解析結果データ記憶領域５３に記憶する。図９に解析結果データ記憶領域５３の例を示す。本実施例では、工具傾斜角Ｂ、オフセット量Ｅ、切込み量Ａｐの加工条件を変化させて解析パラメータを構成しているので、１組の解析パラメータ(Ｂ，Ｅ，Ａｐ)に対応させて、境界移動率Ｌｒ、接触率γｒの計算結果を格納し、さらにステップＳ１０４において計算したＮ個に分割された刃先稜６上の点ｉごとに、点ｉの位置を角度で表したγｉ、および工具１が一回転する間の接触長さＬｃｉのプロット座標値を全て記憶する。

ステップＳ１０６では、解析パラメータを、一度も選択していない新たな組合せの１つが存在すれば選択して、解析パラメータを更新する。

ステップＳ１０７では、解析パラメータの新たな組合せが存在すれば、処理をステップＳ１０４へ移して、繰り返す。もし、新たな組合せが無くなり全ての解析パラメータの解析処理が終了した場合は、処理をステップＳ１０８へ移す。

ステップＳ１０８では、記憶部５０の解析結果データ記憶領域５３に記録された各解析パラメータごとの前記境界移動率Ｌｒ、接触率γｒを読み出して、計算機上にγｒ(横軸)に対するＬｒ(縦軸)をプロットする。そして、前記Ｌｒ若しくはγｒが最大となる加工条件(解析パラメータ)を探索する。

図１０は、図５の本実施形態の解析モデルにおいて、例えば工具半径Ｒｔ＝３１．５ｍｍ、丸駒刃先径Ｒｉ＝６ｍｍ、被削材径Ｒｗ＝３００ｍｍ、径切込み量Ａｅ＝１５ｍｍ、軸切込み量Ａｐ＝１ｍｍで固定し、工具傾斜角Ｂ＝５，３０，４５，６０，７５゜の解析パラメータとして設定して、工具/被削材接触幾何学計算部４３、および接触状態計算部４４にて最大接触長さＬｔ、境界部移動長さＬｂ、接触角γｂを算出・評価した結果である。この結果から、境界移動率Ｌｒおよび接触率γｒを、各解析パラメータ(加工条件)ごとにプロットした本実施例を図１１に示す。本実施例ではＢ＝７５゜において境界移動率Ｌｒが最大であり、Ｂ＝５゜において接触率γｒが最大となるため、工具摩耗が小さくなる加工条件はＢ＝５゜若しくはＢ＝７５゜と予測される。

実際に、Ｎｉ基合金を図３の本実施例の加工形態にて加工試験を実施し、測定した境界摩耗量ＶＢをそれぞれ表すと、(Ｂ＝５゜，ＶＢ＝０．７４mm)、(Ｂ＝３０゜，ＶＢ＝２．４mm)、(Ｂ＝４５゜，ＶＢ＝４．７mm)、(Ｂ＝６０゜，ＶＢ＝２．８mm)、(Ｂ＝７５゜，ＶＢ＝１．２mm)となった。この結果は、本発明により予測した通り、Ｂ＝５゜、若しくはＢ＝７５゜にて境界摩耗量が小さくなり、境界摩耗が最も大きいＢ＝４５゜の加工条件に対して、半分以下に工具摩耗量を抑制することができ、長寿命な加工条件を算出できることが分かった。

ステップＳ１０９では、前ステップＳ１０８で算出した前記境界移動率Ｌｒ、若しくは前記接触率γｒが最大となる加工条件(解析パラメータ)を工具摩耗量を抑制することができる加工条件予測結果として、加工条件予測結果記憶領域５４に記憶し、出力部３０に出力して表示する。
出力部３０には、図１１に示す接触率γｒと境界移動率Ｌｒの分布図、および前記Ｌｒ若しくはγｒが最大となる工具傾斜角Ｂopt、オフセット量Ｅopt、切込み量Ａｐoptを表示する。また、ユーザの表示指定により、図１０に示すような各解析パラメータに対応した横軸に点ｉの位置γｉ、縦軸に接触長さＬｃｉをとり、各点ｉごとのＬｃｉとγｉをプロットした図を、解析結果データ記憶領域５３の(刃先位置、接触長さ)欄５３ｇよりデータを読み出して作図することもできる。

加工条件予測結果記憶領域５４に記憶された加工条件データは、その後、機械加工を実施する場合、またはＮＣプログラムを作成する場合に、工作機械７０、ＮＣ制御装置７１、３次元ＣＡＭ８１へダウンロードされて使用される。
以上が加工条件予測装置１０において実行される解析処理全体の流れである。

前記解析および実験結果から、本発明の加工条件予測装置１０を用いることで、５軸加工機械による曲面加工において、工具寿命の絶対値を計算するための基礎データベースを取得することなく、工具、被削材形状や加工条件から、境界移動率と接触率を評価することで容易に工具摩耗を低減し、長寿命な加工条件を予測することができる。

本実施例の加工条件予測装置１０の各機能は、図１に示すように単独の装置上に構成する場合だけではなく、例えば３次元ＣＡＭ８１、工作機械７０又はＮＣ制御装置７１内において実現する構成も考えられる。

１…工具、 ２…刃先、 ３…境界部、 ４…被削材、 ５…境界摩耗、 ６…刃先稜、７…接触角、 ８…工具の最外周断面位置、 ９…工具の最外周断面位置をｚ軸方向から見たときの楕円、 １０…加工条件予測装置、 １１…楕円９に接する接線、 ２０…入力部、 ３０…出力部、 ４０…演算部、 ４１…解析モデルデータ定義部、 ４２…解析パラメータ設定部、 ４３…工具/被削材接触幾何学計算部、 ４４…接触状態計算部、 ４５…加工条件探索部、 ４６…予測結果出力部、 ５０…記憶部、 ５１…解析プログラム・初期データ記憶領域、 ５２…解析モデルデータ記憶領域、 ５３…解析結果データテーブル記憶領域、 ５４…加工条件予測結果記憶領域、 ６０…通信部、 ７０…工作機械、 ７１…ＮＣ制御装置、 ８０…３次元ＣＡＤ、 ８１…３次元ＣＡＭ、 ９０…ネットワーク

Claims (10)

1. 工作機械で切削加工を行なう場合の工具の摩耗量を抑制する加工条件を予測する加工条件予測装置であって、
   解析対象とする工具、および被削材の形状を表わす解析モデルと、並びに工具と被削材との相対位置に係わる各種加工条件パラメータを定義する解析モデルデータ定義部と、
   前記加工条件パラメータの解析用初期値、変化量を解析パラメータとして設定する解析パラメータ設定部と、
   前記設定された解析パラメータの組合せごとに、解析モデルの工具と被削材が接触する座標Ｇ、および被削材の中心座標Ｐを算出し、Ｎ個に分割された刃先稜上の点ｉごとに、
   前記切削加工に伴い前記工具が移動する際に前記点ｉと前記被削材とが接触する接触長さＬｃｉ、及び前記点ｉの位置を角度表示したγｉを算出する工具／被削材接触幾何学計算部と、
   前記計算した各位置γｉに対応した接触長さＬｃｉを、横軸をγｉとし、縦軸をＬｃｉとする図上にプロットして分布波形を作成して、γｉが変化するに従い接触長さＬｃｉが緩やかに変化する領域の接触長さＬｂと最も接触長さが長い点ｉにおける最大接触長さＬｔとの比を表わす境界移動率Ｌｒ、および工具刃先が被削材と接触する最大の幅を表わす角度と所定の刃先角度との割合を示す接触率γｒを算出して、記憶部に記憶する接触状態計算部と、
   全ての解析パラメータの組合せに対して計算した前記境界移動率Ｌｒ、および接触率γｒの中より、前記境界移動率Ｌｒが最大となる解析パラメータが表わす加工条件、または前記接触率γｒが最大となる解析パラメータが表わす加工条件を探索する加工条件探索部と、
   探索された加工条件を出力する予測結果出力部とを備えたことを特徴とする加工条件予測装置。
2. 前記解析モデルデータ定義部が定義する加工条件パラメータは、被削材の回転中心軸に対する工具傾斜角Ｂ、被削材の中心軸と工具の中心軸とのオフセット量Ｅ、軸切込み量Ａｐ、および径切込み量Ａｅであることを特徴とする請求項１に記載の加工条件予測装置。
3. 前記予測結果出力部は、各解析パラメータごとに算出した前記境界移動率Ｌｒ、および前記接触率γｒを、接触率γｒと境界移動率Ｌｒを両座標軸とする分布図上にプロットして表示することを特徴とする請求項１に記載の加工条件予測装置。
4. 前記予測結果出力部は、ユーザより表示を指定された解析パラメータに対応して、点ｉの位置γｉ、接触長さＬｃｉを両座標軸とする分布図上に、各点ｉごとのＬｃｉ、γｉをプロットした分布波形を表示することを特徴とする請求項１に記載の加工条件予測装置。
5. 前記接触状態計算部にて算出する接触率γｒは、前記刃先の半周分の角度に対する、前記刃先と前記被削材とが接触する角度の比を取り無次元量で算出することを特徴とする請求項１に記載の加工条件予測装置。
6. 工作機械で切削加工を行なう場合の工具の摩耗量を抑制する加工条件を予測する加工条件予測方法であって、
   解析対象とする工具、および被削材の形状を表わす解析モデルと、並びに工具と被削材との相対位置に係わる各種加工条件パラメータを定義する工程と、
   前記加工条件パラメータの解析用初期値、変化量を解析パラメータとして設定する工程と、
   前記設定された解析パラメータの組合せごとに、解析モデルの工具と被削材が接触する座標Ｇ、および被削材の中心座標Ｐを算出し、Ｎ個に分割された刃先稜上の点ｉごとに、前記切削加工に伴い前記工具が移動する際に前記点ｉと前記被削材とが接触する接触長さＬｃｉ、及び前記点ｉの位置を角度表示したγｉを算出する工程と、
   前記計算した各位置γｉに対応した接触長さＬｃｉを、横軸をγｉとし、縦軸をＬｃｉとする図上にプロットして分布波形を作成して、γｉが変化するに従い接触長さＬｃｉが緩やかに変化する領域の接触長さＬｂと最も接触長さが長い点ｉにおける最大接触長さＬｔとの比を表わす境界移動率Ｌｒ、および工具刃先が被削材と接触する最大の幅を表わす角度と所定の刃先角度との割合を示す接触率γｒを算出して、記憶部に記憶する工程と、
   全ての解析パラメータの組合せに対して計算した前記境界移動率Ｌｒ、および接触率γｒの中より、前記境界移動率Ｌｒが最大となる解析パラメータが表わす加工条件、または前記接触率γｒが最大となる解析パラメータが表わす加工条件を探索する工程と、
   探索された加工条件を出力する工程とを備えたことを特徴とする加工条件予測方法。
7. 前記加工条件パラメータは、被削材の回転中心軸に対する工具傾斜角Ｂ、被削材の中心軸と工具の中心軸とのオフセット量Ｅ、軸切込み量Ａｐ、および径切込み量Ａｅであることを特徴とする請求項６に記載の加工条件予測方法。
8. 前記探索された加工条件を出力する工程において、各解析パラメータごとに算出した前記境界移動率Ｌｒ、および前記接触率γｒを、接触率γｒと境界移動率Ｌｒを両座標軸とする分布図上にプロットして表示することを特徴とする請求項６に記載の加工条件予測方法。
9. 前記探索された加工条件を出力する工程において、ユーザより表示を指定された解析パラメータに対応して、点ｉの位置γｉ、接触長さＬｃｉを両座標軸とする分布図上に、各点ｉごとのＬｃｉ、γｉをプロットした分布波形を表示することを特徴とする請求項６に記載の加工条件予測方法。
10. 前記接触率γｒを算出する工程において、前記接触率γｒは、前記刃先の半周分の角度に対する、前記刃先と前記被削材とが接触する角度の比を取り無次元量で算出することを特徴とする請求項６に記載の加工条件予測方法。

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