JP6577861B2 - 工作機械 - Google Patents

Description

本発明は、主軸の回転数を制御しながら材料を加工する工作機械に関する。

従来、自動旋盤等の工作機械では、主軸で保持した材料を工具で加工する際に、材料の先端付近の加工時に微小な振動（びびり振動）が生じることがあり、びびり振動を抑制するため、主軸の回転数を増減する技術（特許文献１）や、主軸の回転数及び主軸と材料とを相対移動させる送り軸の送り速度を変化させる技術（特許文献２）が開示されている。

特開昭４９−１０５２７７号公報 特開平１１−１２９１４４号（特許第３５５８５０８号）公報

しかしながら、特許文献１に記載の従来技術では、主軸の回転数を微小量ずつ連続的に増減させているため、主軸の駆動系の制御が容易ではなかった。また、特許文献２に記載の従来技術では、びびり振動が発生又は増大したときに、主軸の回転数及び送り軸の送り速度を５０％まで低下させて加工しているため、材料の加工に時間がかかり、加工生産性が低下するという問題があった。

本発明は上記事情に鑑みなされたものであり、材料の加工時のびびり振動の抑制を簡易に行うとともに、材料の加工生産率を向上させることが可能な工作機械を提供することを目的とするものである。

本発明に係る工作機械は、材料を保持する主軸と、該主軸を回転駆動する回転駆動部と、前記回転駆動部を制御して前記主軸の回転を調節する回転調節部と、を備え、前記材料の加工状態に応じて前記回転調節部によって前記主軸の回転を調節し、前記材料の軸線方向に沿って、該材料の切削加工を行う工作機械において、前記材料は、所定の突出長さが前記主軸から突出した状態で前記主軸に把持されており、前記主軸から突出した前記材料の先端から軸線方向に予め定められた所定の切削長さだけ加工するときに、前記回転調節部が、前記主軸の回転数を、前記切削加工の進行に伴って、前記切削長さから、切削加工済みの長さを減算した加工残長に応じて連続的に変更して調節するように構成されたことを特徴とする。

本発明に係る工作機械によれば、材料の加工残長に応じて主軸の回転数を調節することで、加工時のびびり振動を抑制しつつ、加工速度を向上させることができる。したがって、材料の加工時のびびり振動の抑制を簡易に行うとともに、材料の加工生産率を向上させることが可能な工作機械を提供することができる。

本発明の一実施形態に係る工作機械の全体構成の概略を示す平面図である。 主軸から突出した棒材と工具付近の拡大図であり、（ａ）は加工開始前で棒材の加工残長が最も長い状態を示し、（ｂ）は加工中の状態を示す。 加工残長と主軸の回転数との関係の一例を示すグラフである。

以下、本発明に係る工作機械である自動旋盤の一実施形態について、図面を参照して説明する。図１に示されるように、本実施形態の自動旋盤１００は、主軸１０を備えている。主軸１０は、チャックを介して加工対象となる材料を把持（保持）することができる。本実施例では、加工用の材料として、主軸１０の後端から従来公知のバーフィーダ等によって長尺の棒材５０が主軸１０に供給される。棒材５０は、図２（ａ）に示すように、所定の突出長さＬが主軸１０から突出した状態で主軸１０に把持される。

主軸１０は、主軸台１１に回転自在に支持され、回転駆動部としての主軸モータ１２によって回転駆動される。主軸台１１は、自動旋盤１００のベッド１上に固定設置されている。

主軸１０の軸線方向となるＺ軸方向に延出するＺ軸レール２２ａが主軸台１１に並設されている。Ｚ軸レール２２ａには、Ｚ軸レール２２ａに沿ってスライドするＺ軸スライダ２２ｂが装着されている。Ｚ軸スライダ２２ｂは、Ｚ軸レール２２ａ側に設けられたＺ軸モータ２２ｃによって、Ｚ軸方向にスライド駆動される。

Ｚ軸スライダ２２ｂ上にＺ軸方向に直交するＸ軸方向に延出するＸ軸レール２１ａが一体的に設けられている。Ｘ軸レール２１ａには、Ｘ軸レール２１ａに沿ってスライドするＸ軸スライダ２１ｂが装着されている。Ｘ軸スライダ２１ｂは、Ｘ軸レール２１ａ側に設けられたＸ軸モータ２１ｃによって、Ｘ軸方向にスライド駆動される。

主軸１０に対応して、刃物台としてのタレット２０がＸ軸スライダ２１ｂに設けられている。タレット２０は、Ｚ軸方向を軸線として旋回自在に支持され、タレット旋回モータ２４によって旋回駆動される。タレット２０の周面には、所定の割り出し角度毎に工具装着部２３が設けられている。工具装着部２３には、主軸１０が把持する棒材５０を切削加工するバイト、ドリル等の工具３０が装着される。

タレット２０と主軸１０とは、ベッド１上に並列に設置（並設）されている。タレット２０は、Ｘ軸レール２１ａ、Ｘ軸スライダ２１ｂ、Ｘ軸モータ２１ｃ等からなるＸ軸タレットスライド機構２１及び、Ｚ軸レール２２ａ、Ｚ軸スライダ２２ｂ、Ｚ軸モータ２２ｃ等からなるＺ軸タレットスライド機構２２を介して、Ｘ軸方向及びＺ軸方向へ移動可能にベッド１上に搭載されている。

タレット２０を旋回駆動することによって、所定の工具装着部２３を主軸１０に対して割り出し、割り出された工具装着部２３の工具３０を選択することができる。Ｘ軸タレットスライド機構２１及びＺ軸タレットスライド機構２２によるタレット２０のスライド移動により、前記選択された工具３０によって、主軸１０が把持する棒材５０の加工が行われる。

自動旋盤１００は、主軸１０の回転や、タレット２０の旋回及び移動を含め、自動旋盤１００全体の動作を制御する制御部４０を備えている。制御部４０は、予め記憶されている加工プログラムやアプリケーションソフト（プログラム）にしたがって、自動運転を含む自動旋盤１００全体の作動制御を行うことができる。

制御部４０は、主軸モータ１２の駆動を制御して、主軸１０の回転数を調節する回転調節部４１を備えている。回転調節部４１は、工具３０をＺ軸方向に移動させて加工を行う場合、Ｚ線方向の加工の残り長さ（以下「加工残長」と称す）に応じて、主軸１０の回転数を調節可能に構成されている。

本実施形態では、回転調節部４１は、棒材５０の加工残長に反比例して主軸１０の回転数を増加させることによって、主軸１０の回転数を、棒材５０の加工残長の減少に応じて増加させるように構成されている。具体的には、加工開始時の周速をＳ１（ｍ／ｍｉｎ）とすると、１０００×Ｓ１／３．１４を比例定数として、主軸１０の回転数Ｒ（ｍｉｎ ^-1 ）と加工残長Ｌ２（ｍｍ）とが反比例し、以下の式を満たすように、回転数Ｒが加工残長Ｌ２に応じて設定されるように構成されている。

Ｒ＝（１０００・Ｓ１）／（３．１４・Ｌ２）

上述のような構成の本実施形態の自動旋盤１００で、図２（ａ）に示すように、棒材５０を、先端から所定の径に、Ｚ軸方向に切削長さＬ１だけ切削する場合、図２（ａ）の工具３０の初期位置から、タレット２０をＺ軸方向において、切削長さＬ１に対応する座標位置に移動させる。この移動により、図２（ｂ）に示すように、工具３０がＺ軸方向に沿って移動し、棒材５０を切削加工する。

切削加工が進むに従って、加工残長Ｌ２は次第に短くなる。回転調節部４１は、１０００・Ｓ１／３．１４を比例定数として、加工残長Ｌ２に反比例して主軸１０の回転数Ｒを増加させる。棒材５０の主軸１０での把持位置から比較的離れた先端付近を加工する際、びびり振動が生じ易い。回転調節部４１の制御により、加工開始の際の回転数Ｒを、びびり振動が発生しないような低回転とすることによって、加工開始の際のびびり振動を抑制しつつ、回転数Ｒを次第に増加して、加工速度を上げて加工を行うことができる。そのため、棒材５０の加工を、びびり振動に基づく加工精度の低下や、切削面の仕上りへの悪影響、駆動系への負荷等を抑制して、高精度で、且つより高速に行うことができる。

なお、加工残長Ｌ２が０に近付くと、主軸１０の回転数Ｒを無限大になることを防止するために、回転調節部４１に、予め主軸１０の最大回転数を設定することができるように構成することができる。この場合、回転調節部４１は、主軸１０の回転数Ｒが、最大回転数に達したときは、その後は加工残長Ｌ２が短くなっても、それ以上の回転数Ｒの増加は行なうことなく主軸１０を最大回転数で回転させる。これにより、加工残長Ｌ２が短くなったときの主軸１０の過大な高速回転を抑制すること等ができる。

棒材５０を１００ｍｍ加工するときの加工残長と主軸１０の回転数との関係の一例を示す図３では、最大回転数を４０００ｍｉｎ^-1（ｒｐｍ）に設定している。加工開始（加工残長＝１００ｍｍ）の際には、回転調節部４１は約３００ｍｉｎ^-1で主軸１０を回転させる。加工が進んで加工残長が短くなると、回転調節部４１は、加工残長に反比例して、主軸１０の回転数を増加させる。また回転調節部４１は、主軸１０の回転数が最大回転数４０００ｍｉｎ^-1に到達したら、回転数を増加させず、その後は４０００ｍｉｎ^-1で主軸１０を回転させる。図３の例では、加工残長が約８ｍｍとなったところで最大回転数４０００ｍｉｎ^-1に達するため、加工残長が約８ｍｍ以降の切削加工は、主軸１０の回転数を４０００ｍｉｎ^-1に維持して行われる。

主軸１０による加工が終了すると、棒材５０から部品１個分の領域が切り離され、従来公知のアンローダ等によって搬出される。なお、第２の主軸を設け、主軸１０で加工済みの部品を第２の主軸に把持させ、２次加工等を行うこともできる。

以上のように、本実施形態の自動旋盤１００では、主軸１０の回転数を、棒材５０の加工残長の減少に応じて増加させるため、切削点が主軸１０から離反する棒材５０の先端部分での加工の際のびびり振動を、主軸１０を比較的低回転数で回転させることによって抑制するとともに、徐々に切削点が主軸１０の先端に近付くに伴い、主軸１０を高回転数で回転させることよって、びびり振動を抑制しつつ、加工速度を次第に上げることができる。特に本実施形態のように、棒材５０の加工残長に反比例して主軸１０の回転数を増加させることによって、主軸１０の回転数制御を簡単に行うことができ、且つ、前記棒材５０の先端側での主軸１０の回転数の増大が抑制され、びびり振動の防止を向上させることができる他、びびり振動が容易に発生しないような棒材５０の把持位置近傍では主軸１０を可及的に高速回転させることで、加工速度の低下抑制を効率よく行うことが可能となり、その結果、棒材５０の加工生産性も向上させることができる。

本実施形態の主軸台固定型の自動旋盤１００は工作機械の一例であるが、主軸１０を軸線方向に移動可能とした主軸台移動型の自動旋盤であってもよい。また、本発明に係る工作機械は、自動旋盤に限定されるものではなく、旋盤装置以外の工作機械（特に数値制御のもの）であってもよい。

また、本実施形態では、棒材５０の周面をバイトからなる工具３０で切削加工している例を説明したが、これに限定されることはない。棒材５０の内周を中グリバイトで切削加工する中グリ加工や、ドリル等を用いた加工においても、材料の加工残長に応じて主軸１０の回転数を調節することで、同様の作用効果を得ることができる。また、材料が棒材５０のような長尺なものに限定されることもなく、素形材等の短尺なものを加工することもできる。例えば、主軸１０で加工済みの短尺な材料を加工する第２の主軸等、複数の主軸を設けた場合、材料の加工残長に応じて各主軸の回転数を増加させることで、同様の作用効果を得ることができる。

以上、本発明の実施形態を図面により詳述してきたが、上記実施形態は本発明の例示にしか過ぎないものであり、本発明は上記実施形態の構成にのみ限定されるものではない。本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計の変更等があっても、本発明に含まれる。

１０ 主軸 １２ 主軸モータ（回転駆動部） ４１ 回転調節部
５０ 棒材（材料） １００ 自動旋盤（工作機械） Ｌ２ 加工残長

Claims (3)

1. 材料を保持する主軸と、該主軸を回転駆動する回転駆動部と、前記回転駆動部を制御して前記主軸の回転を調節する回転調節部と、を備え、前記材料の加工状態に応じて前記回転調節部によって前記主軸の回転を調節し、前記材料の軸線方向に沿って、該材料の切削加工を行う工作機械において、
   前記材料は、所定の突出長さが前記主軸から突出した状態で前記主軸に把持されており、前記主軸から突出した前記材料の先端から軸線方向に予め定められた所定の切削長さだけ加工するときに、
   前記回転調節部が、前記主軸の回転数を、前記切削加工の進行に伴って、前記切削長さから、切削加工済みの長さを減算した加工残長に応じて連続的に変更して調節するように構成されたことを特徴とする工作機械。
2. 前記回転調節部は、前記主軸の回転数を、前記材料の加工残長の減少に応じて増加させるように構成されたことを特徴とする請求項１に記載の工作機械。
3. 前記回転調節部は、前記主軸の回転数を、前記材料の加工残長に反比例して増加させるように構成されたことを特徴とする請求項１または２に記載の工作機械。