JP7100491B2 - 加工負荷再現治具および工作機械の加工負荷測定方法 - Google Patents

Description

本発明は、加工負荷を一定程度再現させる加工負荷再現治具および工作機械の加工負荷測定方法に関する。

旋盤などの工作機械は、工具が加工軸方向に移動し、ワークに当てられることにより切削加工などが行われる。そのため、工作機械には工具を加工軸方向に移動させる駆動装置が設けられ、その駆動装置は、例えば各加工軸方向の駆動モータを有し、その回転出力がボールネジ機構を介してスライドの直進運動に変換されるよう構成されている。こうした工作機械は、精度の高い加工が要求されるが、長期間の使用によって摺動部に摩耗が生じるなど、各部が劣化することにより加工精度が低下してしまう。そこで、工作機械に関しては、保証期間における加工精度の確保など、製品寿命を検証するための加速劣化試験が行われる。その加速劣化試験は、各加工軸方向のスライドを長時間高速で往復動作させるなど、長期にわたって起こる劣化を、過酷な条件の下で短時間に発生させるようにして行われる。

特開２０００－１０７９８５号公報

しかし、従来の加速劣化試験は、各スライドを移動可能な範囲内で往復移動させるだけであり実際の加工は行われない。そのため、試験中の工作機械に生じる負荷は、動作対象となる各部の重量や慣性力によって作用するものだけであり、ワークの切削などによって生じる加工負荷は含まれていなかった。加速劣化試験は、駆動部を高速で動作させることにより効率よく行うものであるので、ワークを実際に加工しながら行う試験は時間がかかってしまう他、切屑の排出やワーク交換が必要になってしまい適切ではないからである。そのため、加工負荷は加工劣化試験において劣化要因として無視されてきた。この点について上記特許文献１には、加工中の特定の振動状態を比較的簡単に再現する、加工動力再現装置が開示されている。

この加工動力再現装置は、切削工具に代えて工具台に取り付けられ、装置本体に設けた圧電素子が伸縮するものである。つまり、圧電素子の伸縮によってワークを加振した擬似的な振動状態が作り出され、実際の切削加工状態により近くなるというものである。しかし、こうした加工動力再現装置は、構造が複雑であるほか、重量もあるため、工具台の移動に際して余分な荷重が作用することになる。また、圧電素子やロードセルを構成要素としているため、ケーブルを接続しなければならず、工具台を高速移動させる加速劣化試験には適していない。

そこで、本発明は、かかる課題を解決すべく、工具による加工負荷を一定程度再現させる加工負荷再現治具および工作機械の加工負荷測定方法を提供することを目的とする。

本発明に係る加工負荷再現治具は、工作機械の工具台に対して工具と同様に着脱可能な非加工部材であり、先端部に所定の角度で形成された押圧面を有する工具側治具と、工作機械のワーク保持部のチャック機構によって把持され、前記押圧面が押し当てられる回転体が組み付けられたワーク側治具とを有する。

また、本発明に係る工作機械の加工負荷測定方法は、先端部に所定の角度で形成された押圧面を有する非加工部材の工具側治具が、工作機械の工具台に対して工具と同様に取り付けられ、回転体が組み付けられたワーク側治具が、工作機械のワーク保持部のチャック機構によって把持され、前記工具台が可能な範囲で往復移動し、その移動範囲内において前記工具側治具の押圧面が前記ワーク側治具の回転体に対して押し当てられる。

前記構成によれば、工具台を可能な範囲で往復移動させる加速劣化試験において、チャック機構に把持されたワーク側治具の回転体に対し、移動範囲内において工具台に取り付けられた工具側治具を押し当てることにより、工具による加工負荷を一定程度再現することができる。

工作機械の内部構造の一例を示した側面図である。 Ｚ軸駆動装置によるＺ軸方向の移動動作を示した図である。 Ｘ軸駆動装置によるＸ軸方向の移動動作を示した図である。 工作機械の加工負荷測定方法に使用される加工負荷再現治具の第１実施形態を示した斜視図である。 工作機械の加工負荷測定方法に使用される加工負荷再現治具の第２実施形態を示した斜視図である。 ワークの旋削加工を示した図である。 ワーク切削時の切削抵抗を示した図である。

次に、本発明に係る加工負荷再現治具および工作機械の加工負荷測定方法の一実施形態について、図面を参照しながら以下に説明する。先ず、測定対象である工作機械について説明する。図１は、工作機械の内部構造の一例を示した側面図である。この工作機械１は、ベース２に搭載するモジュール化されたものであり、ベース２の上にはレールが敷設され、そのレール上を移動可能な走行ベッド１８に組み付けられている。本実施形態の工作機械１は、幅寸法が小さく設計され、主軸と平行な水平方向であるＺ軸方向と、それに直交する機体上下方向のＸ軸方向を加工軸とする２軸旋盤である。

工作機械１は、ワークＷを掴んで保持する主軸チャック１６を備えた主軸装置１１、工具３２を備えたタレット装置１２、そのタレット装置１２をＺ軸方向やＸ軸方向に移動させるＺ軸駆動装置１３およびＸ軸駆動装置１４、そして各駆動装置を制御するための制御装置１５などによって構成されている。工作機械１の主軸装置１１は、主軸が回転自在に支持され、その主軸に対してワークＷを把持する主軸チャック１６が一体に形成されている。その主軸には主軸用スピンドルモータ２１の出力がタイミングベルトを介して伝達され、加工時のワークＷに回転が与えられるよう構成されている。

タレット装置１２は、複数の工具の着脱が可能な工具台３１を有し、その工具台３１がＸ軸方向の回転軸を中心にして旋回可能に構成されている。走行ベッド１８には主軸装置１１に隣接してコラム２６が立設され、タレット装置１２は、そのコラム２６に組み付けられた駆動装置によって移動するよう構成されている。具体的には、Ｚ軸駆動装置１３のＺ軸スライド２３にタレット装置１２が取り付けられ、さらにＺ軸駆動装置１３とともにＸ軸駆動装置１４のＸ軸スライド２７に搭載されている。

Ｚ軸駆動装置１３は、Ｚ軸ガイド２４に対してＺ軸スライド２３が摺動可能に組み付けられており、Ｚ軸ガイド２４に固定された支持フレームには軸受を介してネジ軸２５が軸支されている。そのネジ軸２５とＺ軸スライド２３内の非回転ナットによってボールネジ機構が構成され、Ｚ軸用サーボモータ２２の回転出力がＺ軸スライド２３の直進運動に変換されるようになっている。

Ｘ軸駆動装置１４は、コラム２６のガイドに対してＸ軸スライド２７が摺動可能に組み付けられており、また、そのコラム２６には鉛直方向に配置されたネジ軸２８が軸受を介して回転可能に軸支されている。そのネジ軸２８とＸ軸スライド２７内の非回転ナットによってボールネジ機構が構成され、Ｘ軸用サーボモータ２９の回転出力がＸ軸スライド２７の直進運動に変換されるようになっている。

次に、工作機械１によって行われるワークＷの加工は、先ず主軸装置１１の主軸チャック１６にワークＷが把持され、タレット装置１２では、旋回割出しによって工具台３１に取り付けられた複数の工具３２から該当するものが選択される。そして、主軸用スピンドルモータ２１の駆動によりワークＷに回転が与えられ、Ｚ軸駆動装置１３およびＸ軸駆動装置１４の駆動により、工具３２に対するＺ軸方向およびＸ軸方向の移動による加工位置への移動が行われる。そこで、回転するワークＷに工具３２が当てられ、旋削や中ぐりなど所定の加工が行われる。

ところで、工作機械１は、繰り返し行われるワークＷの加工に際して、タレット装置１２（工具３２）が、図示する退避位置（タレット装置１２の旋回割出し位置）とワークＷに対する加工位置との間を、Ｚ軸スライド２３およびＸ軸スライド２７が繰り返し摺動する。そして、そのような摺動部は摩耗による劣化が生じることとなる。工作機械１のような各種加工機は、長期間の使用によって各部が劣化することにより能力が低下してしまう。そこで、製品寿命を検証するため加速劣化試験が行われる。

工作機械１に対する加速劣化試験では、図２に示すＺ軸駆動装置１３によるＺ軸方向の移動動作と、図３に示すＸ軸駆動装置１４によるＸ軸方向の移動動作とが高速で繰り返し行われる。そのＺ軸方向の移動では、タレット装置１２を搭載したＺ軸スライド２３がＺ軸方向に往復移動し、Ｘ軸方向の移動では、タレット装置１２およびＺ軸駆動装置１３を搭載したＸ軸スライド２７がＸ軸方向に往復移動する。このとき摺動部を摩耗させる劣化要因は、動作対象であるＺ軸スライド２３やＸ軸スライド２７によって作用する重量や慣性力である。また、実際にはワークを加工する際の加工負荷も劣化要因として影響するはずである。そこで、本実施形態では、加工劣化試験において加工負荷を一定程度再現させる加工負荷測定方法が採用される。

図４は、工作機械の加工負荷測定方法に使用される加工負荷再現治具の第１実施形態を示した斜視図である。特に、主軸チャック１６に把持されたワーク側治具５と、工具台３１に取り付けられた工具側治具６とが示されている。これは、図６に示すワークＷの旋削加工を再現させるものである。旋削加工では、円柱形状のワークＷが主軸チャック１６のチャック爪１６１によって把持され、工具台３１に工具ブロック３３を介して工具３２が取り付けられている。そして、Ｘ軸方向およびＺ軸方向の移動により、回転するワークＷに対して工具３２の刃先が当てられ、ワークＷの旋削加工が行われる。

その際、ワークＷに押し当てられた工具３２には、図７に示すように、ワークＷからの押し戻そうとする切削抵抗Ｆが生じる。そして、その切削抵抗Ｆは、ワークＷの切削によって生じる主分力Ｆａと、工具３２をワークＷから引き離そうとする背分力Ｆｂと、ワークＷの中心線Ｏに平行な送り方向に作用する送り分力Ｆｃとに分解される。例えば、図示する旋削加工では、主分力ＦａがＹ軸方向に、背分力ＦｂがＸ軸方向に、さらに送り分力ＦｃがＺ軸方向にそれぞれ作用する。そして、こうした切削抵抗Ｆの３分力は、主分力Ｆａや背分力Ｆｂに比べて送り分力Ｆｃの値が小さい。

図４に示す加工負荷再現治具は、工具３２が受ける切削抵抗Ｆの分力を考慮し、特に本実施形態では、加速劣化試験における動作を単純化させつつ加工負荷を作用させるため、主分力Ｆａと背分力Ｆｂに絞った構成となっている。ワーク側治具５は、中心に貫通孔が形成された円柱形状の把持用ブロック３５と、その把持用ブロック３５に対してシャフト部を貫通孔に差し込んで固定したカムフォロア３６により構成されている。図示するように、把持用ブロック３５がチャック爪１６１によって把持されることにより、主軸チャック１６とカムフォロア３６の回転軸が中心線Ｏに重なることとなる。

一方、工具側治具６は、工具３２と同様に工具ブロック３３に着脱可能なシャンク部を有し、その先端部にカムフォロア３６の円筒外輪３６１に接する押圧面４１が形成されている。工具台３１に取り付けられた工具側治具６の押圧面４１は、図示するようにタレット装置１２による旋回割出しが行われた状態では、Ｘ軸およびＹ軸と交差し、Ｚ軸とは平行になる面である。そうした押圧面４１の角度は、工具側治具６をＸ軸方向に押し当てた場合の反力Ｆ１が、主分力Ｆａと背分力Ｆｂとの比に対応する分力Ｆ１ａ，Ｆ１ｂとなるように設計されている。

ところで、加工負荷の再現時には、ワーク側治具５のカムフォロア３６に対して工具側治具６の押圧面４１がＸ軸方向に押し当てられるが、加速劣化試験において結果を正しく評価するためには、どの程度の荷重で押し当てが行われているかを把握している必要がある。しかし、加速劣化試験中に計測器を用いて荷重を測定するわけにはいかない。そこで、本実施形態では、荷重測定を行い、Ｘ軸用サーボモータ２９のトルク制御値または移動制御値に基づいて荷重値を管理するようにした。

荷重測定では、主軸チャック１６に測定治具を把持させ、Ｘ軸方向に荷重をかけた時のその荷重値と同方向に生じる撓み量の関係を調べた。その結果、荷重値は測定治具の撓み量つまりＸ軸スライド２７の移動量とほぼ比例し、またＸ軸用サーボモータ２９のトルク値との間でも一定の関係を示すことが分かった。よって、加工負荷測定方法を使用した本実施形態の加速劣化試験では、前述したように、Ｘ軸用サーボモータ２９によるトルク制御値または移動制御値に基づいて荷重値の管理を行うこととした。

加速劣化試験では、工作機械１を過酷な条件下において劣化を促進させるため、主軸用スピンドルモータ２１、Ｚ軸用サーボモータ２２およびＸ軸用サーボモータ２９などは高出力による駆動が行われる。そして、その試験内において実行される加工負荷測定方法に関しては、加工負荷を再現する所定の荷重値に基づいてＸ軸用サーボモータ２９の出力トルクが設定される。そこで、加速劣化試験では、ワーク側治具５を把持した主軸チャック１６は高速で回転し、タレット装置１２において工具側治具６について旋回割出しが行われ、Ｚ軸駆動装置１３およびＸ軸駆動装置１４の駆動により、図２及び図３に示すようにＺ軸方向及びＸ軸方向に移動して工具側治具６の位置決めが行われる。

工具側治具６は、図４に示すようにＸ軸方向に下降し、その押圧面４１がカムフォロア３６の円筒外輪３６１に所定の荷重で一定時間押し当てられる。このとき、ワーク側治具５は、主軸チャック１６に把持された把持用ブロック３５が高速で回転しているが、カムフォロア３６は、把持用ブロック３５に固定されたシャフト部との間のベアリングにより、押圧面４１から抵抗を受けた円筒外輪３６１は非回転である。加速劣化試験では、こうした主軸チャック１６に対する回転と、タレット装置１２に対するＺ軸方向およびＸ軸方向の移動、そしてワーク側治具５に対する工具側治具６の押圧など、工作機械１の所定の動作が長時間繰り返される。

以上、本実施形態によれば、ワーク側治具５に対して工具側治具６を押し当てる加工負荷測定方法により、旋削加工による加工負荷を一定程度再現することができ、工作機械１について加工負荷を劣化の要因として加えた加速劣化試験を行うことが可能になる。加工負荷は、これまで無視されてきた劣化要因であるが、長期の使用によって工作機械１の劣化に影響を生じさせるものである。この点で、本実施形態によれば、より有効な加速劣化試験の実行が可能になる。

また、加工負荷測定方法に使用される加工負荷再現治具は、ワーク側治具５がワークＷと同様に主軸チャック１６に把持され、工具側治具６が工具３２と同様に工具台３１に取り付けられるものである。そのため、工作機械１にそのまま使用でき、加速劣化試験の劣化要因として影響を与えることもない。更に、ワーク側治具５および工具側治具６は、ともに簡単な構造であり低コストで上記効果が得られるとともに、その取り扱いも非常に簡単である。

続いて、図５は、工作機械の加工負荷測定方法に使用される加工負荷再現治具の第２実施形態を示した斜視図である。この加工負荷再現治具も、主軸チャック１６に把持されたワーク側治具７と、工具台３１に取り付けられた工具側治具８とから構成される。ただし、本実施形態では、図７に示す切削抵抗Ｆの３分力である主分力Ｆａ、背分力Ｆｂおよび送り分力Ｆｃを発生させる構成となっている。そのワーク側治具７は、中心に貫通孔が形成された円柱形状の把持用ブロック３７と、その把持用ブロック３７に対してシャフト部を貫通孔に差し込んで固定したカムフォロア３８により構成されている。

本実施形態のカムフォロア３８は、ベアリング部に対して図示するような球面ブロック３８１が形成されている。ワーク側治具７は、把持用ブロック３７がチャック爪１６１によって把持されることにより、主軸チャック１６とカムフォロア３８の回転軸（球面ブロック３８１の頂点）が中心線Ｏに重なることとなる。一方、工具側治具８は、工具３２と同様に工具ブロック３３に着脱可能なシャンク部を有し、その先端部に球面ブロック３８１と接する押圧面４２が形成されている。

工具台３１に取り付けられた工具側治具８の押圧面４２は、図示するようにタレット装置１２による旋回割出しが行われた状態では、Ｘ軸、Ｙ軸およびＺ軸に交差する面である。そうした押圧面４２の角度は、工具側治具８をＸ軸方向に押し当てた場合の反力Ｆ２が、主分力Ｆａ、背分力Ｆｂ、送り分力Ｆｃとの比に対応する分力Ｆ２ａ，Ｆ２ｂ，Ｆ２ｃとなるように設計されている。

そこで、前記第１実施形態の場合と同様に、工作機械１について加工負荷測定方法を利用した加速劣化試験が行われる。すなわち、工作機械１を過酷な条件下において劣化を促進させるため、主軸用スピンドルモータ２１、Ｚ軸用サーボモータ２２およびＸ軸用サーボモータ２９などは高出力による駆動が行われる。また、ワーク側治具７および工具側治具８を使用した加工負荷測定方法でも、加工負荷を再現する所定の荷重値に基づいてＸ軸用サーボモータ２９の出力トルクが設定される。

工具側治具６は、図５に示すようにＸ軸方向に下降し、その押圧面４２がカムフォロア３８の球面ブロック３８１に所定の荷重で一定時間押し当てられる。このとき、主軸チャック１６は高速で回転しているが、押圧面４１が押し当てられたカムフォロア３８の球面ブロック３８１は非回転である。加速劣化試験では、こうした主軸チャック１６に対する回転と、タレット装置１２に対するＺ軸方向およびＸ軸方向の移動、そしてワーク側治具７に対する工具側治具８の押圧など、工作機械１の所定動作が長時間繰り返される。

よって、本実施形態によれば、ワーク側治具７に対して工具側治具８を押し当てる加工負荷測定方法により、旋削加工による加工負荷を一定程度再現することができ、工作機械１について加工負荷を劣化の要因として加えた加速劣化試験を行うことが可能になる。加工負荷は、これまで無視されてきた劣化要因であるが、長期の使用によって工作機械１の劣化に影響を生じさせるものである。特に、本実施形態では、送り分力Ｆｃに対応する分力Ｆ２ｃも作用するため、より有効な加速劣化試験の実行が可能になる。

加工負荷測定方法に使用される加工負荷再現治具は、ワーク側治具７がワークＷと同様に主軸チャック１６に把持され、工具側治具８が工具３２と同様に工具台３１と取り付けられるものである。そのため、工作機械１にそのまま使用でき、加速劣化試験の劣化要因として影響を与えることもない。また、ワーク側治具７および工具側治具８は、ともに簡単な構造であり低コストで上記効果が得られるとともに、その取りか使いも非常に簡単である。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されることなく、その趣旨を逸脱しない範囲で様々な変更が可能である。
例えば、前記実施形態では、旋盤である工作機械１を例に挙げて説明したが、加工負荷再現治具および加工負荷測定方法は、マシニングセンタなど他の工作機械の加速劣化試験などに使用するようにしてもよい。

１…工作機械 ５…ワーク側治具 ６…工具側治具 １１…主軸装置 １２…タレット装置 １３…Ｚ軸駆動装置 １４…Ｘ軸駆動装置 １５…制御装置 １６…主軸チャック ２１…主軸用スピンドルモータ ２２…Ｚ軸用サーボモータ ２３…Ｚ軸スライド ２４…Ｚ軸ガイド ２７…Ｘ軸スライド ２９…Ｘ軸用サーボモータ ３１…工具台 ３２…工具 ３３…工具ブロック ３５…把持用ブロック ３６…カムフォロア ４１…押圧面

Claims (4)

1. 工作機械の工具台に対して工具と同様に着脱可能な非加工部材であり、先端部に所定の角度で形成された押圧面を有する工具側治具と、
   工作機械のワーク保持部のチャック機構によって把持され、前記押圧面が押し当てられる回転体が組み付けられたワーク側治具とを有する加工負荷再現治具。
2. 前記ワーク側治具の回転体は、前記工具側治具の押圧面との接触面が円周状の面又は球状の面である請求項１に記載する加工負荷再現治具。
3. 先端部に所定の角度で形成された押圧面を有する非加工部材の工具側治具が、工作機械の工具台に対して工具と同様に取り付けられ、
   回転体が組み付けられたワーク側治具が、工作機械のワーク保持部のチャック機構によって把持され、
   前記工具台が可能な範囲で往復移動し、その移動範囲内において前記工具側治具の押圧面が前記ワーク側治具の回転体に対して押し当てられる工作機械の加工負荷測定方法。
4. 前記工作機械のワーク保持部に回転が与えられ、チャック機構により把持された前記ワーク側治具が回転した状態で、前記ワーク側治具の回転体に対して前記工具側治具の押圧面が押し当てられる請求項３に記載する工作機械の加工負荷測定方法。

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