JP6821297B2 - 切削工具のびびり振動抑制装置 - Google Patents

Description

本発明はエンドミル等の、回転しつつ送られる切削工具のびびり振動を抑制するびびり振動抑制装置に関するものである。

切削加工時におけるこの種の切削工具のびびり振動は、周期的な切削力の変動による強制びびり振動と周期的な切屑厚の変動による再生びびり振動が主要なものである。特許文献１に示されたびびり振動抑制装置では、びびり振動の種類を判定して、いずれの振動であるかによって専ら切削工具の回転数を異なる関係式で変更することでびびり振動を抑制している。

特開２００７−４４８５２

しかし、上記従来の振動抑制装置では、切削工具の送りは考慮されているものの、びびり振動の種類を判定する際に付随的に考慮されているだけであるため、切削効率が大きく低下したり、びびり振動の抑制が未だ不十分であるという問題があった。

そこで、本発明はこのような課題を解決するもので、切削効率の大幅な低下を防止できるとともに、びびり振動の発生を効果的に抑制できる切削工具のびびり振動抑制装置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、本発明では、回転しつつ送られる切削工具（２）の、加速度計で検出された振動信号をＦＦＴ解析して振動加速度の最大値が強制びびり振動および再生びびり振動について予め定めた各上限閾値以下であるか否かによってびびり振動の有無を判定する手段(ステップ１０３)と、びびり振動が無い場合には、前記振動加速度の最大値が前記各上限閾値を超えるまでは前記切削工具の送り速度をその上限値に向けて一定量づつ増大させる手段（ステップ１０４）と、びびり振動が有る場合でかつ前記振動加速度のピークが現れる振動数が、前記切削工具の回転数および刃数から定まる切削基本振動数の整数倍に一致している場合に当該びびり振動を強制びびり振動であると判定する手段（ステップ１０７）と、びびり振動が強制びびり振動と判定された場合に前記切削工具（２）の送り速度をその下限値に向けて低下させるとともに（ステップ１０９）、当該送り速度が下限値に至った場合には前記切削工具（２）の回転数を、前記切削工具ないしワークの固有振動数から定まる回転数に一致させないように変更する手段（ステップ１１１）と、びびり振動が有る場合でかつ前記振動加速度のピークが現れる振動数が前記切削基本振動数の整数倍と一致していない場合に当該びびり振動を再生びびり振動であると判定する手段（ステップ１０８）と、びびり振動が再生びびり振動と判定された場合に、１刃１回転当りの前記切削工具（２）の送り量を一定に維持しつつ前記切削工具（２）の回転数を、当該切削工具（２）ないしワークの固有振動数から定まる回転数に一致させるように変更する手段（ステップ１１２）とを具備している。

本発明においては、びびり振動が発生していない場合には切削工具の送り速度を上昇させているから切削効率の低下が避けられる。また本発明においてはびびり振動が強制びびり振動と判定された場合には、切削工具の回転数を変更する前に当該切削工具の送り速度を減少させており、これによって強制びびり振動を効果的に抑制することができる。送り速度が下限値に至った後に切削工具の回転数を、固有振動数から定まる回転数に一致させないように減少変更すれば強制びびり振動をさらに効果的に抑制することができる。一方、切削工具の回転数を固有振動数から定まる回転数に一致させないように増加変更すれば、再生びびり振動を抑制しつつ切削効率の大幅な低下を防止することができる。さらに本発明において、びびり振動が再生びびり振動と判定された場合に、切削工具の回転数を、固有振動数から定まる回転数に一致させて減少変更すれば再生びびり振動をさらに効果的に抑制することができる。一方、切削工具の回転数を固有振動数から定まる回転数に一致させて増加変更すれば、再生びびり振動を抑制しつつ切削効率の大幅な低下を防止することができる。

上記カッコ内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を参考的に示すものである。

以上のように、本発明の切削工具のびびり振動抑制装置によれば、切削効率の大幅な低下を防止し、びびり振動の発生を効果的に抑制することができる。

びびり振動抑制装置の装置構成を示すブロック図である。 びびり振動抑制装置のコンピュータによって実行される処理フローチャートである。 びびり振動が発生していない場合の工具送り速度の変更を示すグラフである。 強制びびり振動が発生している場合の工具送り速度および工具回転数の変更を示すグラフである。 再生びびり振動が発生している場合の工具回転数の変更を示すグラフである。

なお、以下に説明する実施形態はあくまで一例であり、本発明の要旨を逸脱しない範囲で当業者が行う種々の設計的改良も本発明の範囲に含まれる。

図１には全体の装置構成を示す。びびり振動抑制装置１はコンピュータを内蔵しており、切削工具２は本実施例では回転しつつ送られるエンドミルである。びびり振動抑制装置１はセンサ３によって検出された切削工具２の振動信号３ａを入力して、以下に説明する手順でその出力信号１ａ，１ｂによって切削工具２の回転数と送り速度をそれぞれ変更する。

図２には、びびり振動抑制装置１のコンピュータによって実行される処理フローチャートを示す。図２のステップ１０１では、センサ３から切削工具２の振動信号２ａを入力する。なお、上記センサ３としては加速度計や、切削工具２から発せられる振動音を検出するマイクロフォンが使用できる。

ステップ１０２では、入力した振動信号をＦＦＴ解析して、振動加速度の大きさ（あるいは音圧）とその振動数を調べる。続くステップ１０３で、振動加速度の最大値が強制びびり振動および再生びびり振動の、予め設定された各上限閾値以下である場合には、いずれのびびり振動も生じていないと判定する。

ステップ１０３でびびり振動が発生していないと判定された場合には、図３（１）に示すように、最大振動加速度は上述したように再生びびり振動および強制びびり振動のいずれの上限閾値Ｃ１，Ｃ２も下回っており、この場合には図３（２）に示すように、最大振動加速度が各びびり振動の上限閾値Ｃ１，Ｃ２を越えるまでは送り速度をその上限値Ｆ１と下限値Ｆ２の間で一定量ΔＦ1づつ増大させていく（ステップ１０４，１０５）。ここで、一定量ΔＦ1は実験的に最適値を設定する。

このように、びびり振動が発生していない場合には切削工具２の送り速度を漸次上昇させることによって、切削効率が低下しないようにしている。なお、本実施形態では同図に示すように再生びびり振動および強制びびり振動についてそれぞれ下限閾値Ｃ３，Ｃ４を設定している。これは切削工具の空回転時に送り速度を上げないようにするためのものである。

ステップ１０３でびびり振動が発生していると判定され、振動加速度のピークが現れる振動数が下式（１）で得られる切削基本振動数Ｒｏの整数倍に一致している場合には、切削工具２で生じている振動は強制びびり振動であると判定される（ステップ１０６，１０７）。振動加速度のピークが現れる振動数が切削基本振動数Ｒｏの整数倍と一致していない場合には、切削工具２で生じている振動は再生びびり振動であると判定される（ステップ１０６，１０８）。
Ｒｏ＝Ｎ×ｎ／６０…（１）
ここで、Ｎは工具回転数（ｒｐｍ）、ｎは刃数である。

ステップ１０７で、強制びびり振動が発生していると判定された場合には、その最大振動加速度は図４（１）に示すように強制びびり振動の上限閾値Ｃ２を上回っている。そこで、ステップ１０９で切削工具２の送り速度を一定量（ΔＦ2））づつ減少させる（図４（２））。ここで、一定量ΔＦ2は実験的に最適値を設定する。強制びびり振動に対して最初に切削工具の送り速度を減少させたのは、切削工具の回転数を一定にしてその送り速度を減少させると、強制びびり振動の振動変位が単純に小さくなる傾向が認められるからである。

送り速度をその下限値まで低下させても強制びびり振動がその上限閾値以下にならない場合には（ステップ１０９，１１０）、図４（３）に示すように切削工具２の回転数を下式（２）で算出される回転数Ｐｎに一致させないようにＰｎとＰｎ-1の間、あるいはＰｎとＰｎ+1の間にとって上限値Ｐ１と下限値Ｐ２の間で段階的に変更する（ステップ１１１）。なお、この変更は増減いずれでも良い。
Ｐｎ＝Ｒｃ×６０／Ｎ×Ｉｎ…（２）
ここで、Ｒｃは切削工具２（あるいはワーク）の固有振動数、Ｎはエンドミルの刃数である。Ｉｎは整数で、切削工具２の回転数を減少させる場合にはＩｎを１づつ減らし、増加させる場合にはＩｎを１づつ増やす。

このようにして、切削工具２の回転数を変更する前に当該切削工具２の送り速度を減少させているから、強制びびり振動を効果的に抑制することができる。この場合、切削工具２の回転数を段階的に増加させるようにすれば、切削効率の大幅な低下を防止することができる。

ステップ１０８で、再生びびり振動が発生していると判定された場合には、その最大振動加速度は図５（１）に示すように再生びびり振動の上限閾値Ｃ１を上回っている。そこで、この場合は、ステップ１１２で切削工具２の回転数を、上式（２）で算出される回転数Ｐｎに一致させるようにその上限値Ｐ１と下限値Ｐ２の間で段階的に変更する。なお、この変更は増減いずれでも良いが、図５に示す例では、切削工具２の回転数を段階的に減少させている。この際、下式（３）で算出される１刃１回転当たりの切削工具２の送り量ｆは一定に維持するようにする。
ｆ＝Ｆ／Ｐｎ×Ｎ…（３）
ここで、Ｆは切削工具２の送り速度である。

このようにして、切削工具２の回転数を段階的に減少させることによって、再生びびり振動を効果的に抑制することができる。この場合、切削工具２の回転数を段階的に増加させるようにすれば、切削効率の大幅な低下を防止することができる。そして、以上のステップ１０１〜１１２は、新たな別の切削対象箇所で繰り返される。なお、上記実施形態で使用した最大振動加速度（ｍ／ｓ2）の数値パラメータを算出する際に、振動速度、振動変位等の諸影響を考慮した係数要素も反映させることができる。

１…びびり振動抑制装置、２…切削工具、３…センサ。

Claims (1)

1. 回転しつつ送られる切削工具の、加速度計で検出された振動信号をＦＦＴ解析して振動加速度の最大値が強制びびり振動および再生びびり振動について予め定めた各上限閾値以下であるか否かによってびびり振動の有無を判定する手段と、
   びびり振動が無い場合には、前記振動加速度の最大値が前記各上限閾値を超えるまでは前記切削工具の送り速度をその上限値に向けて一定量づつ増大させる手段と、
   びびり振動が有る場合でかつ前記振動加速度のピークが現れる振動数が、前記切削工具の回転数および刃数から定まる切削基本振動数の整数倍に一致している場合に当該びびり振動を強制びびり振動であると判定する手段と、びびり振動が強制びびり振動と判定された場合に前記切削工具の送り速度をその下限値に向けて低下させるとともに、当該送り速度が下限値に至った場合には前記切削工具の回転数を、前記切削工具ないしワークの固有振動数から定まる回転数に一致させないように変更する手段と、
   びびり振動が有る場合でかつ前記振動加速度のピークが現れる振動数が前記切削基本振動数の整数倍と一致していない場合に当該びびり振動を再生びびり振動であると判定する手段と、びびり振動が再生びびり振動と判定された場合に、１刃１回転当りの前記切削工具の送り量を一定に維持しつつ前記切削工具の回転数を、当該切削工具ないしワークの固有振動数から定まる回転数に一致させるように変更する手段とを具備する切削工具のびびり振動抑制装置。

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