JP7486115B2 - 低靱性加工物切削装置、低靱性加工物製造方法および低靱性加工物製造プログラム - Google Patents

低靱性加工物切削装置、低靱性加工物製造方法および低靱性加工物製造プログラム Download PDF

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Description

本発明は低靱性加工物を切削する低靱性加工物切削装置と、低靱性加工物を製造する低靱性加工物製造方法と、低靱性加工物を製造するために実行する低靱性加工物製造プログラムとに関する。
航空宇宙製品の分野では、製品性能要求の高まりから、高温時比強度が高い金属間化合物の導入が進んでいる。金属間化合物は、靱性が低く、言い換えれば脆性を有しており、したがって切削加工が非常に難しい。このような材料を、低靱性材または脆性材と呼ぶ。低靱性材の他の例としては、ガラス、セラミックスなどが挙げられる。ここでは、一例として、破壊靱性値が３０ＭＰａ・ｍ１／２以下である材料を総称して、低靱性材または脆性材と呼ぶ。
低靱性材の中でも、特に金属間化合物は、高温時比強度が比較的高いため、加工性が悪い難削材でもある。このように、金属間化合物は、低靱性材であり、かつ、難削材でもあることから、切削加工時に欠損が比較的生じ易い。
金属材料を切削する方法として、フライス加工が知られている。フライス加工では、エンドミルなどの工具を適宜な回転速度で回転させ、かつ、工具に対して加工物を適宜な送り量で相対的に移動させることによって、加工物を切削する。金属間化合物をフライス加工によって切削する際には、送り量が増加すると、切削力が増加する一方で、欠損の可能性が高まる。しかし、送り量が低減すると、切削の加工能率（以下、「切削能率」とも記す）が低下する。
上記に関連して、特許文献１（特開平０９－２６４８１５号公報）には、脆弱な粒子を含む複合材料の強度測定方法に係る記載がある。この強度測定方法は、脆弱な粒子の含有率及び粒径並びにマトリックスの破壊靱性値から実物の試験片と同質な仮想試験片を発生させることを特徴としている。
特開平０９－２６４８１５号公報
低靱性材を切削加工する前に欠損の発生および／または不発生を予測するための低靱性加工物切削装置、低靱性加工物製造方法および低靱性加工物製造プログラムを提供する。その他の課題と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。
以下に、（発明を実施するための形態）で使用される番号を用いて、課題を解決するための手段を説明する。これらの番号は、（特許請求の範囲）の記載と（発明を実施するための形態）との対応関係を明らかにするために付加されたものである。ただし、それらの番号を、（特許請求の範囲）に記載されている発明の技術的範囲の解釈に用いてはならない。
一実施の形態によれば、欠損予測装置（３０）は、記憶装置（３４）と、演算装置（３３）と、インタフェース（３２）とを備える。記憶装置（３４）は、工具（２３）の物性および形状を表す工具データと、工具（２３）を用いて加工物（５）に対して行う切削のパラメータ群を表す切削データと、加工物（５）の物性および形状を表す材料データとを格納する。演算装置（３３）は、工具データ、切削データおよび材料データに基づいて、切削力に伴う前記加工物（５）の変形の解析と、前記変形に伴う破壊の解析とを行い、切削による加工物（５）の欠損の発生および／または不発生を予測する。インタフェース（３２）は、予測の結果を出力する。
一実施形態によれば、欠損予測方法は、工具（２３）の物性および形状を表す工具データと、工具（２３）を用いて加工物（５）に対して行う切削のパラメータ群を表す切削データと、加工物（５）の物性および形状を表す材料データとを用意することと、工具データ、切削データおよび材料データに基づいて、切削力に伴う前記加工物（５）の変形の解析（Ｓ０４、Ｓ１１）と、前記変形に伴う破壊の解析（Ｓ０５、Ｓ１２）とを行い、切削による加工物（５）の欠損の発生および／または不発生を予測すること（Ｓ０６、Ｓ１２）と、予測の結果を出力することとを含む。
一実施形態によれば、低靱性加工物製造プログラムは、工具（２３）の物性および形状を表す工具データと、工具（２３）を用いて加工物（５）に対して行う切削のパラメータ群を表す切削データと、加工物（５）の物性および形状を表す材料データとを用意することと、工具データ、切削データおよび材料データに基づいて、切削力に伴う前記加工物（５）の変形の解析（Ｓ０４、Ｓ１１）と、前記変形に伴う破壊の解析（Ｓ０５、Ｓ１２）とを行い、切削による加工物（５）の欠損の発生および／または不発生を予測すること（Ｓ０６、Ｓ１２）と、予測の結果を出力することとを含む。低靱性加工物製造プログラムの各工程は、コンピュータによって実行される。
前記一実施の形態によれば、低靱性材を切削加工する前に欠損の発生および／または不発生を予測することが出来る。
図１は、一実施形態による低靭性加工物切削装置の一構成例を示すブロック回路図である。 図２Ａは、一実施形態による加工装置の一構成例を示すブロック図である。 図２Ｂは、一実施形態による加工装置のうち、テーブル、工具および加工物の位置関係の一例を示す俯瞰図である。 図２Ｃは、一実施形態による工具が加工物を切削する際に生じる切削力について説明するための部分断面図である。 図２Ｄは、加工物に対して働く切削力の算出方法について説明するための、加工物の部分断面図である。 図２Ｅは、工具の移動と、加工物のひずみエネルギーとについて説明するための、加工物の部分断面図である。 図３は、一実施形態による欠損予測装置の一構成例を示すブロック回路図である。 図４は、一実施形態による低靱性加工物製造方法の一構成例を示すフローチャートである。 図５は、図３の欠損予測装置の一構成例を、機能ブロックの観点から示すブロック回路図である。 図６Ａは、一実施形態による低靱性加工物の製造方法における、切削データに含まれるパラメータ群の一例を示す上面図である。 図６Ｂは、一実施形態による低靱性加工物の製造方法における、切削データに含まれるパラメータ群の一例を示す側面図である。 図７は、パス角度および送り量の組み合わせに対応する応力拡大係数の一例を示す俯瞰棒グラフである。 図８は、一実施形態による低靱性加工物製造方法の一構成例を示すフローチャートである。 図９は、図３の欠損予測装置の一構成例を、機能ブロックの観点から示すブロック回路図である。
添付図面を参照して、本発明による低靱性加工物切削装置、低靱性加工物製造方法および低靱性加工物製造プログラムを実施するための形態を以下に説明する。
一実施形態では、複数のパラメータを組み合わせた条件下で低靱性材を切削加工する際に、所望しない欠損が発生するかどうかを、この切削加工を実施する前に、コンピュータシミュレーションによって予測する。
より詳細には、破壊力学の観点では、加工物に初期亀裂などの欠陥が内在すると想定した上で、以下のように考える。まず、この亀裂が進展するためには、加工物の表面エネルギーが増大することが必要となる。次に、このような亀裂が進展することによって、加工物の弾性ひずみエネルギー（以降「ひずみエネルギー」ともいう）が解放されて減少する。ここで、表面エネルギーの増分と、ひずみエネルギーの減少分とを比較して、後者が前者を上回ることによって欠損が発生すると考えることができ、言い換えれば、後者が前者を下回っている限りは欠損が発生しないとの予想が成り立つことに発明者は注目した。
また、破壊力学の別の観点では、加工物にはその物性値として破壊靱性値Ｋ１Ｃが定義される。破壊靱性値Ｋ１Ｃとは、その材料の破壊に対する粘り強さの特性を示す値である。さらに、加工物を工具によって切削する際に、この切削に係る諸パラメータに基づく応力拡大係数Ｋが定義される。応力拡大係数Ｋは、破壊力学の分野などにおいて、亀裂や欠陥が存在する材料の強度評価に用いられる物理量であって、亀裂や欠陥の先端付近の応力分布の強さを表す。ここで、応力拡大係数Ｋおよび破壊靱性値Ｋ１Ｃを比較して、前者が後者を上回ることによって欠損が発生すると考えることができ、言い換えれば、応力拡大係数Ｋが、破壊靱性値Ｋ１Ｃを下回っている限りは、欠損が発生しないとの予想が成り立つことに発明者は注目した。
表面エネルギーの増分およびひずみエネルギーの減少分を比較して欠損の発生を予測することと、破壊靱性値および応力拡大係数を比較して欠損の発生を予測することは、本質的には同じことである。しかしながら、これら２つの予測では、実際に取られる手法が異なる。そこで、前者の手法については第１の実施形態として、後者の手法については第２の実施形態として、それぞれ説明する。
（第１の実施形態）
図１は、一実施形態による低靱性加工物切削装置１の一構成例を示すブロック回路図である。
図１の低靱性加工物切削装置１の構成について説明する。低靱性加工物切削装置１は、加工装置２と、制御装置３とを備える。加工装置２は、制御装置３の制御下で、切削を含む加工を低靱性加工物に対して行えるように構成されている。加工装置２は、例えば、ＣＮＣ（Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ Ｃｏｎｔｒｏｌ：コンピュータ数値制御）フライス盤である。制御装置３は、図示しない記憶装置に格納された所望のプログラムを、図示しない演算装置が実行して所望の制御信号を生成することによって、加工装置２を制御できるように構成されている。制御装置３は、欠損予測装置３０と、インタフェース３００とを備える。欠損予測装置３０は、加工装置２が所定の条件下で行う加工によって加工物に欠損が発生するか否かを、この加工を開始する前に予測する。制御装置３は、この予測の結果に基づいて、欠損が発生しないような制御信号を生成することが好ましい。この制御信号は、加工装置２を動作させるための切削プログラムであってもよいし、この切削プログラムに含まれるパラメータの集合であってもよい。インタフェース３００は、この制御信号を出力する。加工装置２と、制御装置３とは、制御信号を送受信できるように接続されていることが好ましい。
図１の加工装置２の一構成例について説明する。図２Ａは、一実施形態による加工装置２の一構成例を示すブロック図である。本実施形態による加工装置２は、例えば、ニー（ひざ）型のＣＮＣフライス盤である。加工装置２は、本体２１と、テーブル２２と、テーブル移動機構２２１と、主軸２３１と、主軸移動機構２３２と、制御回路２４と、インタフェース回路２４１とを備える。一実施形態では、本体２１は、一方では地上に設置されており、他方では主軸移動機構２３２およびテーブル移動機構２２１を支持している。テーブル２２は、一方では加工物固定機構２２２を用いて加工物を固定するように構成されており、他方ではテーブル移動機構２２１を介して本体２１に対して所定の範囲内で移動可能に接続されている。テーブル移動機構２２１は、制御回路２４の制御下でテーブル２２の位置を制御する。主軸２３１は、一方では図示しないバイスなどによって工具２３を交換可能に保持し、他方では本体２１に固定された主軸移動機構２３２に対して回転可能に接続されている。主軸２３１は、さらに、主軸移動機構２３２に対して所定の範囲内で移動可能に接続されていてもよい。主軸移動機構２３２は、制御回路２４の制御下で主軸２３１を回転することによって、主軸２３１に接続された工具２３に回転動力を伝達する。主軸移動機構２３２は、さらに、制御回路２４の制御下で、主軸２３１を所定の範囲内で移動してもよい。制御回路２４は、インタフェース回路２４１を介して制御装置３から制御信号を受信し、この制御信号に応じてテーブル移動機構２２１および主軸移動機構２３２を制御するように構成されている。なお、テーブル２２は、制御回路２４による制御とは別に、使用者の手動制御によって動作可能であってもよい。また、主軸移動機構２３２は、制御回路２４による制御とは別に、使用者の手動制御によって動作可能であってもよい。
図２Ａの加工装置２の一動作例について説明する。図２Ｂは、一実施形態によるテーブル２２、工具２３および加工物５の位置関係の一例を示す俯瞰図である。一実施形態において、工具２３は、エンドミルである。エンドミルは、切削などの加工に用いられる工具であり、略円筒形の形状を有し、その側面および底面に対応する部位に１枚または複数枚の刃を備える。エンドミルは、回転軸６１を中心に所定の回転方向６２に回転する際に、加工物５のうち、エンドミルの刃に触れる部分を切削する。エンドミルおよび加工物５のうち、片方または両方が移動することで、エンドミルは加工物５を連続的に切削することができる。このとき、加工物５を基準としてエンドミルの回転軸６１が移動する方向を、送り方向５１と呼ぶ。図２Ｂの例では、直交座標ＸＹＺのＺ軸および回転軸６１は平行であり、平面ＸＹおよびテーブル２２の表面は平行であり、Ｙ方向および送り方向５１は平行である。
図２Ｃは、一実施形態による工具２３が加工物５を切削する際に生じる切削力７について説明するための部分断面図である。図２Ｃの部分断面図では、エンドミルの刃の先端が加工物５の入隅表面に接触する様子の一例を示している。このとき、エンドミルの回転エネルギーと、エンドミルおよび加工物５が相対的に移動する運動エネルギーとが、エンドミルおよび加工物５が接触する部分に集中することで、切削力７が発生する。図２Ｃの例では、切削力７はエンドミルから加工物５に向かう方向に働いている。ただし、より正確には、切削力７は、必ずしも同一平面内に分布していなくてもよい。
（第１エネルギー量の定義）
加工物５に切削力７が加わることにより、加工物５の一部が加工物５から分離されて切粉８となり、加工物５の表面には所望の形状が形成される。この加工物５に印加される切削力７は、加工物５、工具２３および切削条件に係る諸パラメータを入力したコンピュータシミュレーションによって算出可能である。また、切削力７が変形を生じさせる領域にて、工具２３の加工物５に対する相対位置を変化させることなく亀裂を進展させることで減少するひずみエネルギーの減少分を、コンピュータシミュレーションによって算出可能である。なお、この領域におけるひずみの分布と、この領域に蓄えられているひずみエネルギーは、例えば、有限要素法によって解析することもできる。このように切削力７から計算されるひずみエネルギーの減少分を、以降、第１エネルギー量と呼ぶ。
図２Ｄおよび図２Ｅを参照して、第１エネルギー量を算出する別の方法の一例について説明する。図２Ｄは、加工物５に対して働く切削力７の算出方法について説明するための、加工物５の部分断面図である。図２Ｅは、工具２３の移動と、加工物５のひずみエネルギーとについて説明するための、加工物５の部分断面図である。
図２Ｄでは、図２Ｃから加工物５を抜き出して図示している。言い換えれば、図２Ｄでは工具２３の図示を省略している。工具２３および加工物５が相対的に移動し、加工物５の一部が切粉８として変形する際、加工物５から工具２３に対して、比切削抵抗Ｋｃ（ベクトル）と呼ばれる力と、エッジフォースＦｅ（ベクトル）と呼ばれる力とが働く。ここで、本来はベクトルとして表記すべき符号については、直後に続けて「（ベクトル）」と記載する。比切削抵抗Ｋｃ（ベクトル）は単位面積あたりの切削抵抗である。切削抵抗は加工物５が切削される際に工具２３を押し戻そうとする力であり、切り取り厚さｈおよび削り幅ｂに比例する。エッジフォースＦｅ（ベクトル）は、工具２３の刃先の丸みに起因する力であり、切粉８の削り幅ｂに比例する。なお、図２Ｄの例では、削り幅ｂの方向は紙面に直交する軸に対して平行であるので、図示を省略している。図２Ｄの例では、削り幅ｂの方向をＪ軸と記し、図示が省略されている工具２３の移動方向をＩ軸と記し、Ｉ軸およびＪ軸の双方に直交する方向をＫ軸と記している。
このように、工具２３で加工物５を切削しようとする際に、加工物５から工具２３に向けて働く力は、比切削抵抗Ｋｃ（ベクトル）、エッジフォースＦｅ（ベクトル）、削り幅ｂおよび切り取り厚さｈで定義することができる。この力は、工具２３から加工物５に向けて働く合成切削力Ｒ（ベクトル）と釣り合っている。したがって、以下の式が成り立つ。
Figure 0007486115000001
図２Ｅでも、図２Ｄの場合と同様に、図２Ｃから加工物５を抜き出して図示している。ここで、以下のような３つの状態を考える。まず、第１の状態（瞬間）において、工具２３の刃先は加工物５を切削しており、刃先の先端には加工物５に初めから内在する亀裂（一ヶ所の亀裂進展も許さない場合には、最も危険な方向に最も大きい亀裂を仮定）が存在する。工具２３から加工物５に向かう合成切削力はＲ（ベクトル）であり、加工物５内部の弾性ひずみエネルギーはＵ１であるとする。ここで、この第１の状態から、切削運動を急停止し、工具２３と加工物５の間に加えている合成切削力Ｒ（ベクトル）をゼロになるまで減少する（除荷する）ことを考える。この時、工具２３の刃先は加工物５の表面に接しているが、力は作用していない。これを第０状態とし、この時の工具２３の加工物５に対する相対位置を、便宜上、原点と呼ぶ。この第０状態から再び工具２３と加工物５の間に合成切削力Ｒ（ベクトル）の方向に力を加え、その大きさがＲになるまで増大させると、相対位置は原点から位置λ１（ベクトル）まで移動し、状態１に戻る。この間、力は移動距離に比例して増大する。したがって、第１の状態における弾性ひずみエネルギーＵ１は、以下の式で算出できる。
Figure 0007486115000002
次に、第１の状態（瞬間）において、同じ合成切削力Ｒ（ベクトル）を保ったまま、微小な亀裂進展が発生したと仮定する。この状態を第２状態とする。この亀裂進展に伴い、工具２３の加工物５に対する相対位置ベクトルは位置λ１（ベクトル）から位置λ２（ベクトル）まで微小変位Δλ（ベクトル）だけ移動している。したがって、第２の状態におけるひずみエネルギーＵ２は、第１の状態の場合と同様に、以下の式で算出できる。
Figure 0007486115000003
このとき、合成切削力Ｒ（ベクトル）がＲ（ベクトル）・Δλ（ベクトル）の仕事を行うのに対して、弾性ひずみエネルギーはＵ１からＵ２に変化することから、弾性ひずみエネルギーの解放量ΔＵは、以下の式によって算出できる。
Figure 0007486115000004
（第２エネルギー量の定義）
仮定した微小な亀裂進展で生まれる新しい表面の表面エネルギーを、亀裂進展エネルギー、または単に第２エネルギー量と呼ぶ。上記第１エネルギー量がこの第２エネルギー量を上回れば、弾性変形のエネルギーを消費して亀裂が進展し得る。言い換えれば、弾性ひずみエネルギーの解放量がこの亀裂進展エネルギーを上回った場合に、所望しない欠損が発生することが予想される（グリフィスの条件）。
この第２エネルギー量は、亀裂進展量の仮定から直接的に数値化することも可能である。すなわち、この第２エネルギー量は、仮定した亀裂進展によって加工物５に生まれる新しい表面の、表面エネルギーである。したがって、加工物５が有する単位面積当たりの表面エネルギーに、仮定した亀裂進展の表面積を乗算することで、第２エネルギー量を算出することができる。あえて言い換えれば、この亀裂進展エネルギーまたは第２エネルギー量は、加工物５に係る諸パラメータを入力した演算またはコンピュータシミュレーションなどによっても算出可能である。
なお、一般的な脆性材料において、脆性破壊が発生する際に、これに伴って塑性変形も発生する場合がある。この場合は、第２エネルギー量の定義において、単位面積当たりの表面エネルギーを、単位面積当たりの有効表面エネルギーに置き換えてもよい。ここで、単位面積当たりの有効表面エネルギーは、単位面積当たりの表面エネルギーと、単位面積当たりの塑性ひずみエネルギーとの和である。この場合は、仮定した亀裂進展によるひずみエネルギーの減少分が、その亀裂進展による有効表面エネルギーの増分を超えるときに、その亀裂進展が生じる（グリフィス・オロワン・アーウィンの条件）。
本実施形態では、第１エネルギー量および第２エネルギー量を、工具２３および加工物５に係るパラメータに基づいてそれぞれ算出して比較することで、実際の切削加工を開始する前に欠損の発生を予測し、欠損が発生しないように諸パラメータの変更を検討することができる。
図３の欠損予測装置３０の一構成例について説明する。図３は、一実施形態による欠損予測装置３０の一構成例を示すブロック回路図である。本実施形態による欠損予測装置３０は、バス３１と、インタフェース３２と、演算装置３３と、記憶装置３４とを備えている。バス３１は、インタフェース３２、演算装置３３および記憶装置３４のそれぞれと電気的に接続されており、インタフェース３２、演算装置３３および記憶装置３４が相互に通信できるように構成されている。インタフェース３２は、制御装置３のインタフェース３００および加工装置２のインタフェース回路２４１との間で電気的に接続されており、欠損予測装置３０、制御装置３および加工装置２の間の通信を行う。インタフェース３２は、さらに他の入出力装置と通信可能に接続されていてもよい。その他の入出力装置には、例えば、表示装置やプリンタなどの出力装置、キーボードやマウスなどの入力装置などが含まれていてもよい。演算装置３３は、記憶装置３４に格納されているプログラム３５を読み出して実行し、このプログラム規定された演算を行うように構成されている。記憶装置３４は、演算装置３３が実行するプログラム３５を読み出し可能に格納するように構成されている。記憶装置３４は、さらに、演算装置３３による演算結果を格納するように構成されていてもよい。プログラム３５は、記録媒体４から読み出されて記憶装置３４に格納されてもよい。
本実施形態による低靱性加工物切削装置１の一動作、すなわち本実施形態による低靱性加工物製造方法と、低靱性加工物製造プログラムとについて説明する。図４は、一実施形態による低靱性加工物製造方法および低靱性加工物製造プログラムの一構成例を示すフローチャートである。
図４のフローチャートについて説明する。図４のフローチャートは、第１ステップＳ０１～第７ステップＳ０７からなる合計７のステップを含んでいる。図４のフローチャートが開始すると、第１ステップＳ０１が実行される。
第１ステップＳ０１では、欠損予測装置３０に工具データの設定が行われる。工具データに係る情報は記憶装置３４に格納されており、演算装置３３がこの情報を記憶装置３４から読み出すことで、後述する第１エネルギー量の予測を演算装置３３が行う際に工具データを適用可能となる。
工具データについて説明する。工具データには、工具２３を構成する材質の物性を表す工具物性データや、工具２３の形状を定義する工具形状データなどが含まれる。一例として、工具２３が略円筒形のエンドミルである場合には、工具２３の形状は、エンドミルの刃の部分の直径、刃の部分の回転軸方向の長さ、刃数、刃のリード角、刃先角、すくい角および逃げ角、などで定義される。ただし、工具データはこれらの例に限定されない。第１ステップＳ０１の次には、第２ステップＳ０２が実行される。
第２ステップＳ０２では、欠損予測装置３０に材料データの設定が行われる。第１ステップＳ０１の工具データの場合と同様に、材料データの情報も記憶装置３４に格納されており、演算装置３３がこの情報を記憶装置３４から読み出すことで、材料データが欠損予測装置３０に設定される。
材料データについて説明する。材料データには、加工物５を構成する材質の物性を表す材料物性データや、加工物５の形状を定義する材料形状データなどが含まれる。
材料物性データについて説明する。一例として、加工物５は、その全体または一部が、低靱性材で構成されている。低靱性材とは、靱性が低く、脆性を有しており、切削方法によっては切削加工の途中で所望しない部分が欠損する場合がある。このような意味において低靱性材で構成された加工物５を切削する加工は非常に難しい。そこで、本実施形態では、破壊力学の観点から、加工物５の内部に、初期欠陥がランダムに存在すると仮定する。つまり、様々な規模および方向で定義される複数の初期欠陥が、所定の確率分布で加工物５に内在すると仮定する。このように仮定される複数の初期欠陥のうち、欠損の発生を抑制する観点から最も条件が悪い初期欠陥が、加工物５のうち、工具２３による切削力７が及ぶ領域に存在する場合について考える。ここで、最も条件が悪い初期欠陥とは、例えば、仮定された全ての初期欠陥の中でその規模が最も大きい初期欠陥であってもよいし、切削力７によって亀裂進展が発生しやすそうな方向に最も近い方向を向いている初期欠陥であってもよいし、規模の大きさおよび方向の近さに所定の重み付け演算をした結果が最大となる初期欠陥であってもよい。もし、最も条件が悪い初期欠陥が存在する領域においても、切削力７で亀裂進展が発生しないなら、すなわち欠損が発生しないなら、その他の初期欠陥が存在する領域でも同じ切削力７によって欠損は発生しない、と推定できる。
低靱性材の物性を表すパラメータには、切削力７の計算に関連するものとして、例えば、比切削抵抗、エッジフォース、せん断強さ、工具２３および切粉８の間の摩擦係数、密度、ヤング率、ポアソン比などのうち、少なくとも一部が含まれていることが好ましい。また、低靱性材の物性を表すパラメータには、亀裂進展に関連するものとして、上記に加えて、特に、加工物５を構成する低靱性材の体積弾性率、せん断弾性係数、破壊靱性値Ｋ１Ｃなどが含まれていることが好ましい。
材料形状データについて説明する。工具２３から加工物５に印加される切削力７は、加工物５の形状によって変化する場合がある。加工物５の形状は、切削加工の工程が進むにつれて変化し続けるので、各タイミングにおける加工物５の形状を必要に応じて把握できることが好ましい。一例として、材料形状として設定される情報には、切削開始前における加工物５の形状と、テーブル２２に対する加工物５の位置とを表す情報が含まれる。材料形状として設定される情報には、切削を含む加工が切削データに基づく制御信号に応じて実行された場合に、この加工の開始直前から終了直後まで形状が変化し続ける加工物５の、切削途中における形状を表す情報がさらに含まれてもよい。
第３ステップＳ０３では、欠損予測装置３０に切削データの設定が行われる。切削データの設定に係る情報も、記憶装置３４に格納されている。演算装置３３がこの情報を記憶装置３４から読み出すことで、切削データが欠損予測装置３０に設定される。
切削データについて説明する。切削データは、制御装置３が加工装置２を制御するために用いられるパラメータ群を含む。より詳細な具体例としては、切削データには、制御装置３の制御下で加工装置２のテーブル２２および工具２３を動かすタイミング、方向、速度、距離などを含む複数のパラメータで規定される複数の工程を定義する情報と、これら複数の工程を実行するタイミングおよび順序などを規定する情報とが含まれている。切削データには、切削パスを定義するための情報が含まれている。切削パスは、工具２３が加工物５を切削しながら加工物５に対して相対的に移動する経路である。ただし、切削データの内容は、これらの例に限定されない。
なお、第１ステップＳ０１～第３ステップＳ０３は、それぞれ独立に実行可能であり、したがって実行する順番は変更可能であり、また、その一部または全てを並列に実行しても良い。第１ステップＳ０１～第３ステップＳ０３の全てが完了すると、次に第４ステップＳ０４が実行される。
第４ステップＳ０４では、演算装置３３が第１エネルギー量予測プログラムを実行して、工具２３から加工物５に印加される切削力７に基づいて第１エネルギー量を算出する。より詳細には、第１ステップＳ０１～第３ステップＳ０３で設定された工具データ、材料データおよび切削データに基づいて、工具２３による加工物５への切削加工の様子をコンピュータシミュレーションで予測することによって、工具２３が加工物５に印加すると予測される切削力７が算出される。切削力７は、例えば、前述した合成切削力Ｒの場合と同様に算出することが可能である。そして、予測された切削力７に基づいて、加工物５のひずみエネルギーの減少分が算出され、すなわち第１エネルギー量が算出される。第１エネルギー量は、例えば、前述した弾性ひずみエネルギーの解放量ΔＵの場合と同様に算出することが可能である。
第５ステップＳ０５では、第２エネルギー量予測プログラムが実行されて第２エネルギー量が算出される。より詳細には、第２ステップＳ０２で設定された材料物性値に基づいて、仮定した亀裂進展によって加工物５に生まれる新しい表面の表面エネルギーをコンピュータシミュレーションで予測することによって、加工物５に亀裂が存在していた場合にこの亀裂が進展するために必要と予測される第２エネルギー量が算出される。
なお、第４ステップＳ０４および第５ステップＳ０５は、それぞれ独立に実行可能であり、したがって実行する順番は変更可能であり、また、その一部または全てを並列に実行してもよい。第４ステップＳ０４および第５ステップＳ０５が完了すると、第６ステップＳ０６が実行される。
第６ステップＳ０６では、欠損の発生および／または不発生の予測が行われる。具体的には、第４ステップＳ０４で算出された第１エネルギー量と、第５ステップＳ０５で算出された第２エネルギー量との比較を行う。その結果、第１エネルギー量が第２エネルギー量以上である場合には、切削加工によって加工物５に欠損が発生するとの予想が成立するので、欠損予測装置３０は欠損の発生を予測する。言い換えれば、第１エネルギー量が第２エネルギー量未満であれば、切削加工によって加工物５に欠損は発生しないとの予想が成立するので、欠損予測装置３０は欠損の不発生を予測する。
欠損が発生する（ＹＥＳ）と予測された場合は、第６ステップＳ０６の次に第１ステップＳ０１～第６ステップＳ０６が再度実行される。このとき、後述する変更演算部３３４が工具データ、材料データおよび切削データのうちのいずれか１つあるいは複数の各種パラメータを見直して変更する。パラメータの見直しは、例えば、変更演算部３３４が所定のプログラムを実行して自動的に行ってもよいし、変更演算部３３４がＡＩ（Ａｒｔｉｆｉｃｉａｌ Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｃｅ：人工知能）を用いて自動的に行ってもよいし、利用者が手動で行ってもよい。いずれの場合も、パラメータを見直した結果を変更演算部３３４が記憶装置３４に格納することが好ましい。一例として、変更の対象となるパラメータのそれぞれについて、使用可能な上限値および下限値を予め記憶装置３４に格納しておき、所定のプログラムによってそれぞれのパラメータを対応する範囲の中で自動的に増加または減少してもよいし、それぞれのパラメータを対応する範囲の中からランダムに自動的に選択してもよい。また、別の一例として、複数のパラメータの間で見直しを行う優先順位を予め記憶装置３４に格納しておき、優先順位が高いパラメータから順に見直しを行い、その間に他のパラメータは固定してもよいし、複数のパラメータを同時に見直してもよい。さらに別の一例として、複数のパラメータの組み合わせおよび／または複数のパラメータの変更の組み合わせと、欠損の発生または不発生との間の関係性について行った機械学習の結果を予め記憶装置３４に格納しておき、変更演算部３３４が実現する推論エンジンが欠損の不発生が見込まれるパラメータの組み合わせを探索してもよい。反対に、欠損が発生しない（ＮＯ）と予測された場合は、第６ステップＳ０６の次に第７ステップＳ０７が実行される。
第７ステップＳ０７では、欠損が発生しないと予測されたパラメータの組み合わせを用いて、切削を含む加工を行う。具体的には、制御装置３の図示しない演算装置が所定のプログラムを実行することによって所望の制御信号を生成し、この制御信号に応じて加工装置２が加工物５を加工することによって加工物５は欠損を発生させずに切削される。第７ステップＳ０７が終了すると、図４のフローチャートも終了する。
図３の欠損予測装置３０の一構成例を、図４のフローチャートに含まれるステップの観点から説明する。図５は、図３の欠損予測装置３０の一構成例を、機能ブロックの観点から示すブロック回路図である。図５の欠損予測装置３０は、図３に示したとおり、バス３１と、インタフェース３２と、演算装置３３と、記憶装置３４とを備えている。図５の欠損予測装置３０は、データ設定部３３０と、第１エネルギー量予測演算部３３１と、第２エネルギー量予測演算部３３２と、欠損予測演算部３３３と、変更演算部３３４とを備えている。データ設定部３３０は、図４のフローチャートのうち、第１ステップＳ０１～第３ステップＳ０３を実行する仮想的な機能ブロックである。第１エネルギー量予測演算部３３１は、図４のフローチャートのうち、第４ステップＳ０４を実行する仮想的な機能ブロックである。第２エネルギー量予測演算部３３２は、図４のフローチャートのうち、第５ステップＳ０５を実行する仮想的な機能ブロックである。欠損予測演算部３３３は、図４のフローチャートのうち、第６ステップＳ０６を実行する仮想的な機能ブロックである。変更演算部３３４は、図４のフローチャートのうち、第６ステップＳ０６の一部を実行する仮想的な機能ブロックである。図５に示した他の構成については、図３に示した構成と同様であるので、さらなる詳細な説明を省略する。
なお、ここでは加工装置２がニー（ひざ）型のＣＮＣフライス盤である場合について説明したが、本実施形態はこの例に限定されず、切削を含むあらゆる加工に適用されてもよい。
本実施形態によれば、低靱性材の切削加工において欠損が発生するかどうかを、切削データ、工具データおよび材料データに基づいて、切削加工を実施する前に、コンピュータシミュレーションによって予測することができる。また、切削加工によって欠損が発生することが予測された場合は、欠損が発生しないと予測されるようになるまで、切削加工に係る各種パラメータを見直すことができる。すなわち、切削加工の実施前に、欠損が発生しないと予測される各種パラメータを予測結果として出力させ、この条件を用いて切削加工を行うことで、欠損の発生を予め抑えて切削加工を行うことができる。また欠損が発生しないと予測される各種パラメータを欠損予測装置３０に複数表示させて切削の加工能率をより高く設定するための条件を選定することができる。あるいは、欠損予測装置３０に切削能率をより高く設定するための条件を表示させることもできる。その結果、高い切削能率を満足しつつ低靱性材の切削加工における歩留まりの向上が期待される。
（第２の実施形態）
本実施形態でも、工具データ、切削データおよび材料データに係る各種パラメータを組み合わせた所定の切削条件下で低靱性材を切削加工する際に、所望しない欠損が発生するかどうかを、この切削加工を実施する前に、コンピュータシミュレーションによって予測する。ただし、本実施形態では、この予測は、応力拡大係数Ｋが、破壊靱性値Ｋ１Ｃを上回れば、低靱性材に所望しない欠損が発生し得る、という判定基準に基づいて行われる。この判定基準は、言い換えれば、応力拡大係数Ｋが、破壊靱性値Ｋ１Ｃを下回っている限りは、欠損が発生しないことを意味する。ここで、本実施形態で応力拡大係数Ｋおよび破壊靱性値Ｋ１Ｃを比較した結果に基づいて欠損の発生について判定することは、第１の実施形態で第１エネルギー量および第２エネルギー量を比較した結果に基づいて欠損の発生について判定することと、本質的には同じことであるが、そのために行われる計算手法が異なる。なお、本実施形態ではさらに、この切削条件下における、切削の加工能率を予測することも出来る。
本実施形態で用いられる低靱性加工物切削装置１は、第１実施形態で用いられたそれと同じ構成であるので、さらなる詳細な説明を省略する。同様に、本実施形態で用いられる加工装置２および制御装置３についても、第１実施形態で用いられたそれと同じ構成であるので、さらなる詳細な説明を省略する。
応力拡大係数Ｋについて説明する。応力拡大係数Ｋは、破壊力学の分野などにおいて、亀裂や欠陥が存在する材料の強度評価に用いられる物理量であって、亀裂や欠陥の先端付近の応力分布の強さを表す。応力拡大係数Ｋは、制御装置３の制御下で加工装置２が加工物５に対して行う加工の切削条件に含まれる複数のパラメータに基づいて算出される。これら複数のパラメータには、工具２３を構成する材料の種類、工具２３の刃の逃げ角、工具２３の加工物５に対する相対的な送り量、切り込み量、パス角度、リード角などが含まれる。
工具２３のパス角度について説明する。図６Ａは、一実施形態による低靱性加工物の製造方法における、切削データに含まれるパラメータ群の一例を示す上面図である。図６Ａの例では、加工物５は直方体の形状を有しており、その各辺は直交座標のＸ軸、Ｙ軸またはＺ軸のいずれかに対して平行であるように配置されている。ここで、Ｚ軸は、例えば鉛直方向に対して平行であり、工具２３の回転軸６１は、Ｚ軸に対してほぼ平行である。また、Ｙ軸は、Ｚ軸に直交しており、後述するように、基準となる工具２３の送り方向５１Ａに対して平行である。Ｘ軸は、Ｙ軸およびＺ軸の双方に直交している。工具２３の回転軸６１およびＺ軸の間のリード角については後述する。
図６Ａの例では、工具２３が加工物５に対して相対的に移動する方向として、３つの送り方向５１Ａ～５１Ｃが示されている。第１の送り方向５１Ａは、Ｙ軸に対して平行である。言い換えれば、工具２３が、加工物５に対して相対的に、送り方向５１Ａに沿って移動して切削が開始する際に加工物５に初めて接触する面５０Ａは、送り方向５１Ａに対して直交している。また、工具２３が、加工物５に対して相対的に、送り方向５１Ａに沿って移動して切削が終了する際に加工物５から最後に離れる面５０Ｂも、送り方向５１Ａに対して直交している。ここでは、この送り方向５１Ａを基準として、パス角度を定義する。言い換えれば、送り方向５１Ａのパス角度は０度である。
図６Ａの例では、第２の送り方向５１Ｂは、第１の送り方向５１Ａに対して、工具２３から見て反時計回りの方向に、角度５２Ｂだけ離れている。この角度５２Ｂを、送り方向５１Ｂに対応するパス角度５２Ｂと呼ぶ。反対に、第３の送り方向５１Ｃは、第１の送り方向５１Ａに対して、時計回りの方向に、角度５２Ｃだけ離れている。この角度５２Ｃを、送り方向５１Ｃに対応するパス角度５２Ｃと呼ぶ。以降、送り方向５１Ａ～５１Ｃを区別しない場合に、単に送り方向５１と呼ぶ場合がある。同様に、パス角度５２Ｂ、５２Ｃを区別しない場合に、単にパス角度５２と呼ぶ場合がある。
応力拡大係数Ｋは、加工物５の工具２３の刃が接触する部位の周辺の形状や、この部位において工具２３から加工物５に印加される力の方向などにも依存する。図６Ａの例において、＋Ｚ方向から見て時計回りの回転方向６２で回転する工具２３が加工物５を切削する際に、加工物５から見て工具２３がいずれかの送り方向５１に沿って面５０Ａから入り面５０Ｂから離脱するように移動する場合について考える。それまで加工物５から離れていた工具２３が回転しながら送り方向５１に沿って移動して工具２３の刃が加工物５の面５０Ａに入るとき、面５０Ａおよび送り方向５１の間の角度が鋭角である場合には欠損がより発生し易く（例えば、鋭角部５３Ａ）、反対にこの角度が鈍角である場合には欠損がより発生し難い（例えば、鈍角部５４Ｃ）。同様に、それまで加工物５を切削していた工具２３が回転しながら送り方向５１に沿って移動して加工物５の面５０Ｂから離脱して工具２３の刃が加工物５の外側から面５０Ｂに最後に接触するとき、面５０Ｂおよび送り方向５１の間の角度が鋭角になる場合には欠損がより発生し易く（例えば、鋭角部５４Ｂ）、反対にこの角度が鈍角になる部位では欠損がより発生し難い（例えば、鈍角部５３Ｄ）。同様に、それまで加工物５を切削していた工具２３が回転しながら移動して加工物５の内側から面５０Ａまたは面５０Ｂに接触するとき、面５０Ａまたは面５０Ｂと、送り方向５１との間の角度が鋭角である場合には欠損がより発生しやすく（例えば、鋭角部５３Ｃ、５４Ｄ）、反対にこの角度が鈍角になる場合には欠損がより発生し難い（例えば、鈍角部５４Ａ、５３Ｂ）。これらの角度は、送り方向５１に対応するパス角度５２などによって変動する。また、鋭角部５３Ａにおいて工具２３の刃が鋭角部５３Ａを押す向きの切削力７よりも、鋭角部５３Ｃにおいて工具２３の刃が鋭角部５３Ｃを引く向きの切削力７の方が、他の諸パラメータが同じであれば、欠損を発生させやすい。
工具２３のリード角について説明する。図６Ｂは、一実施形態による低靱性加工物の製造方法における、切削データに含まれるパラメータの一例を示す側面図である。図６Ｂの例では、工具２３の回転軸６１が、送り方向５１に垂直な面に対して、所定の角度だけ傾いている。この角度を、リード角６３と呼ぶ。また、図には示さないが、送り方向５１に垂直な面内で、ピックフィード方向に垂直な方向に対して回転軸６１が傾く角度をティルト角と呼ぶ。これらのリード角及びティルト角を変化すると、切削終了時において、若干、刃先部での切り取り厚さや、加工物５の端面と加工面（刃先と切削方向を含む面）がなす角度が変化する。このため、リード角６３およびティルト角も、応力拡大係数Ｋを変動させる切削条件のパラメータである。
なお、エンドミルの刃のねじれ角、すなわち刃の稜線とエンドミルの回転軸６１の間の角度を「リード角」と呼ぶ場合もあるので、区別に留意されたい。なお、切削時にエンドミルの刃の端部が描く曲線は、例えば、リード角（図６Ｂに示すリード角）６３がゼロ度である場合にはトロコイド曲線であって、リード角６３がゼロ度以外の角度である場合にはトロコイド曲線および螺旋の中間的な曲線であっても良い。
切削加工の各パラメータから算出された応力拡大係数Ｋと、加工物５を構成する低靱性材の破壊靱性値Ｋ１Ｃを比較することについて説明する。ここで、説明を簡単にするために、応力拡大係数Ｋに係る各種パラメータのうち、パス角度および送り量だけを変動させて、それぞれの場合における応力拡大係数Ｋを算出する場合について説明する。ただし、実際には、異なる切削条件ごとに応力拡大係数Ｋを算出するために、切削条件に含まれる他の２つのパラメータを変動させる場合もあるし、２つより多くのパラメータを変動させる場合もある。
図７は、パス角度および送り量の組み合わせに対応する応力拡大係数Ｋの一例を示す俯瞰棒グラフである。図７には、５行４列に配置された合計２０本の棒グラフが描かれている。これらの棒グラフは、５種類のパス角度と、４種類の送り量とをそれぞれ組み合わせた場合にそれぞれ生じると予測される２０種類の応力拡大係数Ｋの値を、棒の高さで表している。
パス角度の座標軸には、パス角度１～パス角度５の値が示されている。パス角度１～パス角度５は、添えられた数字が大きいほど、対応するパス角度が大きいが、必ずしもこれらの数字に比例しない。送り量の座標軸に示されている送り量１～送り量４の値についても同様である。
図７に示された２０本の棒グラフのうち、一部の棒グラフは、２色に塗り分けられている。塗り分けられている棒グラフとは、送り量が送り量３または送り量４である１０本の棒グラフと、送り量が送り量２に等しく、かつ、パス角度がパス角度１に等しい１本の棒グラフの、合計１１本の棒グラフである。塗り分けられている１１本の棒グラフの全てにおいて、２色の塗り分け位置は、応力拡大係数Ｋの同じ値に対応している。この値は、低靱性材が欠ける条件の閾値に等しい。言い換えれば、これら１１本の棒グラフは、その長さが示す応力拡大係数Ｋが、破壊靱性値Ｋ１Ｃを上回っていることを示している。反対に、残る９本の棒グラフは、その長さが示す応力拡大係数Ｋが、破壊靱性値Ｋ１Ｃを下回っていることを示している。
本実施形態では、対応する応力拡大係数Ｋが破壊靱性値Ｋ１Ｃを下回る範囲で、複数のパラメータの組み合わせを、切削条件の候補として選択する。本実施形態では、さらに、これらの候補の中から最も切削能率が高い組み合わせを、切削条件として選択することが好ましい。この切削能率が高い組み合わせを選択するための基準の一例としては、まず、加工に必要な時間がなるべく短く切削条件を選択することが考えられる。図７の例では、応力拡大係数Ｋが破壊靱性値Ｋ１Ｃを下回るためには、送り量１～４のうち、送り量１および２が選択可能である。ここで、加工に必要な時間は、送り量１の場合よりも、送り量２の場合の方が短くなるので、切削能率を高くする観点からは送り量２を選択することが好ましい。次に、加工に必要な時間が同じであれば、欠損を抑制する観点などから安全率がより高い切削条件を選択することが考えられる。図７の例では、送り量２を選択した上で応力拡大係数Ｋが破壊靱性値Ｋ１Ｃを下回るためには、パス角度１～５のうち、パス角度２～５が選択可能である。ここで、応力拡大係数Ｋが最小となるパス角度はパス角度５である。したがって、図７の例では、送り量２およびパス角度５の組み合わせを選択することが好ましい。ただし、実際には、図７に示した送り量およびパス角度以外にも、切り取り厚さ、削り幅など多数のパラメータが切削条件に含まれることが考えられるので、本実施形態によるパラメータの組み合わせの選択基準は上記の例に限定されない。
本実施形態による低靱性加工物切削装置１の動作、すなわち本実施形態による低靱性加工物製造方法と、低靱性加工物製造プログラムとについて説明する。図８は、一実施形態による低靱性加工物製造方法および低靱性加工物製造プログラムの一構成例を示すフローチャートである。
図８のフローチャートについて説明する。図８のフローチャートは、第１ステップＳ１１～第５ステップＳ１５からなる合計５のステップを含んでいる。図８のフローチャートが開始すると、第１ステップＳ１１が実行される。
第１ステップＳ１１では、欠損予測装置３０が、工具データ、切削データおよび材料データに含まれる複数のパラメータの組み合わせに基づいて、応力拡大係数Ｋを算出する。第１ステップＳ１１の次には、第２ステップＳ１２が実行される。
第２ステップＳ１２では、欠損予測装置３０が、工具データ、切削データおよび材料データに含まれる複数のパラメータの、第１ステップＳ１１と同じ組み合わせに基づいて、破壊靱性値Ｋ１Ｃおよび応力拡大係数Ｋを比較する。第２ステップＳ１２の次には、第３ステップＳ１３が実行される。
第３ステップＳ１３では、欠損予測装置３０が、工具データ、切削データおよび材料データに含まれる複数のパラメータの、第１ステップＳ１１および第２ステップＳ１２と同じ複数の組み合わせのそれぞれについて、切削能率を算出する。第３ステップＳ１３の次には、第４ステップＳ１４が実行される。
なお、第１ステップＳ１１～第３ステップＳ１３は、それぞれ独立に実行可能であり、したがって実行する順番は変更可能であり、また、その一部または全てを並列に実行しても良い。第１ステップＳ１１～第３ステップＳ１３の全てが完了すると、次に第４ステップＳ１４が実行される。
第４ステップＳ１４では、欠損予測装置３０が、第１ステップＳ１１～第３ステップＳ１３で得られた結果に基づいて、切削加工を行うための切削条件を判定し、この判定の結果が所定の条件を満足する場合には切削条件を決定する。このとき、欠損予測装置３０は、対応する応力拡大係数Ｋが破壊靱性値Ｋ１Ｃを下回る範囲で、複数のパラメータの組み合わせの中から、最も切削能率が高い組み合わせを、切削条件として選択して決定する。第４ステップＳ１４の次には、第５ステップＳ１５が実行される。
第５ステップＳ１５では、欠損が発生しないと予測されたパラメータの組み合わせを用いて、切削を含む加工を行う。具体的には、制御装置３の図示しない演算装置が所定のプログラムを実行することによって所望の制御信号を生成し、この制御信号に応じて加工装置２が加工物５を加工することによって加工物５は欠損を発生させずに切削される。第５ステップＳ１５が終了すると、図８のフローチャートも終了する。
図３の欠損予測装置３０の一構成例を、図８のフローチャートに含まれるステップの観点から説明する。図９は、図３の欠損予測装置３０の一構成例を、機能ブロックの観点から示すブロック回路図である。図９の欠損予測装置３０は、図３に示したとおり、バス３１と、インタフェース３２と、演算装置３３と、記憶装置３４とを備えている。図９の欠損予測装置３０は、応力拡大係数算出部３３５と、比較部３３６と、切削能率算出部３３７と、切削条件決定部３３８と、切削加工実行部３３９とを備えている。記憶装置３４は、破壊靱性値データベース３４１を備えている。破壊靱性値データベース３４１は、低靱性材などの破壊靱性値Ｋ１Ｃを読み出し可能に格納している。応力拡大係数算出部３３５は、図８のフローチャートのうち、第１ステップＳ１１を実行する仮想的な機能ブロックである。比較部３３６は、図８のフローチャートのうち、第２ステップＳ１２を実行する仮想的な機能ブロックである。ここで、比較部３３６は、加工物５の材料に対応する破壊靱性値Ｋ１Ｃを、破壊靱性値データベース３４１から読み出してもよい。切削能率算出部３３７は、図８のフローチャートのうち、第３ステップＳ１３を実行する仮想的な機能ブロックである。切削条件決定部３３８は、図８のフローチャートのうち、第４ステップＳ１４を実行する仮想的な機能ブロックである。切削加工実行部３３９は、図８のフローチャートのうち、第５ステップＳ１５を実行する仮想的な機能ブロックである。図９に示した他の構成については、図３に示した構成と同様であるので、さらなる詳細な説明を省略する。
本実施形態によれば、切削加工によって所望しない欠陥が発生しない範囲内で、切削能率が最大または最大に準ずる値となるような、各種パラメータの組み合わせを選択することによって、歩留まりおよび切削能率を同時に向上することが期待される。例えば、欠陥を発生させないための安全性を考慮して、各種パラメータの組み合わせの中から、応力拡大係数Ｋが破壊靱性値Ｋ１Ｃを上回らない範囲から所定の安全マージンを除いた所定の範囲内で切削能率が最大となる組み合わせを選択しても良い。
以上、発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。また、前記実施の形態に説明したそれぞれの特徴は、技術的に矛盾しない範囲で自由に組み合わせることが可能である。
１ 低靱性加工物切削装置
２ 加工装置
２１ 本体
２２ テーブル
２２０ テーブル面
２２１ テーブル移動機構
２２２ 加工物固定機構
２３ 工具
２３１ 主軸
２３２ 主軸移動機構
２４ 制御回路
２４１ インタフェース回路
３ 制御装置
３０ 欠損予測装置
３００ インタフェース
３１ バス
３２ インタフェース
３３ 演算装置
３３０ データ設定部
３３１ 第１エネルギー量予測演算部
３３２ 第２エネルギー量予測演算部
３３３ 欠損予測演算部
３３４ 変更演算部
３３５ 応力拡大係数算出部
３３６ 比較部
３３７ 切削能率算出部
３３８ 切削条件決定部
３３９ 切削加工実行部
３４ 記憶装置
３４１ 破壊靱性値データベース
３５ プログラム
４ 記録媒体
５ 加工物
５０Ａ、５０Ｂ 面
５１、５１Ａ、５１Ｂ、５１Ｃ 送り方向
５２、５２Ｂ、５２Ｃ パス角度
５３Ａ、５３Ｃ、５４Ｂ、５４Ｄ 鋭角部
５３Ｂ、５３Ｄ、５４Ａ、５４Ｃ 鈍角部
６１ 回転軸
６２ 回転方向
６３ リード角
７ 切削力
８ 切粉

Claims (17)

  1. 工具の物性および形状を表す工具データと、前記工具を用いて加工物に対して行う切削のパラメータ群を表す切削データと、前記加工物の物性および形状を表す材料データとを格納する記憶装置と、
    前記工具データ、前記切削データおよび前記材料データに基づいて、切削力に伴う前記加工物の変形の解析と、前記変形に伴う破壊の解析とを行い、前記切削による前記加工物の欠損の発生および／または不発生を予測する演算装置と、
    前記予測の結果を出力するインタフェースと
    を備える
    欠損予測装置。
  2. 請求項１に記載の欠損予測装置において、
    前記工具データ、前記切削データおよび前記材料データに含まれるパラメータの複数の組み合わせに基づいて応力拡大係数を算出する応力拡大係数算出部と、
    前記複数の組み合わせに基づいて、前記加工物の材料に対応する破壊靱性値と、前記応力拡大係数とを比較する比較部と、
    前記複数の組み合わせに基づいて前記切削の加工能率を算出する切削能率算出部と、
    前記複数の組み合わせの中から、前記応力拡大係数が前記破壊靱性値を上回らない所定の範囲内で前記加工能率が最大となる組み合わせを選択して切削条件として決定する切削条件決定部と
    を備える
    欠損予測装置。
  3. 請求項１に記載の欠損予測装置において、
    前記演算装置は、
    前記工具データ、前記切削データおよび前記材料データに基づいて、前記切削によって前記工具が前記加工物に印加する切削力を予測し、前記切削力の下で、前記加工物の亀裂進展によって解放される前記加工物の弾性ひずみエネルギー量である第１エネルギー量を予測する第１エネルギー量予測演算部と、
    少なくとも前記材料データに基づいて、前記加工物の亀裂進展によって生まれる前記加工物の新しい表面の表面エネルギーである第２エネルギー量を予測する第２エネルギー量予測演算部と、
    前記第１エネルギー量および前記第２エネルギー量を比較して、前記欠損の発生および／または前記不発生を予測する欠損予測演算部と
    を備える
    欠損予測装置。
  4. 請求項３に記載の欠損予測装置において、
    前記演算装置は、前記欠損の発生を予測した場合に、前記工具データおよび前記切削データのうち少なくとも一方に変更を加えて前記欠損の発生および／または前記不発生を改めて予測する
    欠損予測装置。
  5. 請求項４に記載の欠損予測装置において、
    前記演算装置は、
    前記工具データおよび前記切削データのうち少なくとも一方に、前記欠損が発生しないように変更を加える変更演算部
    をさらに備える
    欠損予測装置。
  6. 請求項１～５のいずれか１項に記載の欠損予測装置と、
    前記欠損予測装置が予測した結果に基づいて、前記工具を用いて前記切削を含む加工を前記加工物に対して行う外部の加工装置を制御するための制御信号を生成する演算装置と、
    前記制御信号を出力するインタフェースと
    を備える
    制御装置。
  7. 請求項６に記載の制御装置と、
    前記制御信号に基づいて前記加工を行う前記加工装置と
    を備える
    低靱性加工物切削装置。
  8. 工具の物性および形状を表す工具データと、前記工具を用いて加工物に対して行う切削のパラメータ群を表す切削データと、前記加工物の物性および形状を表す材料データとを用意することと、
    前記工具データ、前記切削データおよび前記材料データに基づいて、切削力に伴う前記加工物の変形の解析と、前記変形に伴う破壊の解析とを行い、前記切削による前記加工物の欠損の発生および／または不発生を予測することと、
    前記予測の結果を出力することと
    を含む
    欠損予測方法。
  9. 請求項８に記載の欠損予測方法において、
    前記工具データ、前記切削データおよび前記材料データに含まれるパラメータの複数の組み合わせに基づいて応力拡大係数を算出することと、
    前記複数の組み合わせに基づいて、前記加工物の材料に対応する破壊靱性値と、前記応力拡大係数とを比較することと、
    前記複数の組み合わせに基づいて前記切削の加工能率を算出することと、
    前記複数の組み合わせの中から、前記応力拡大係数が前記破壊靱性値を上回らない所定の範囲内で前記加工能率が最大となる組み合わせを選択して切削条件として決定することと
    を含む
    欠損予測方法。
  10. 請求項８に記載の欠損予測方法において、
    前記工具データ、前記切削データおよび前記材料データに基づいて、前記切削によって前記工具が前記加工物に印加する切削力を予測し、前記切削力の下で、前記加工物の亀裂進展によって解放される、前記加工物の弾性ひずみエネルギー量である第１エネルギー量を予測することと、
    前記切削データおよび前記材料データに基づいて、前記加工物の亀裂進展によって生まれる前記加工物の新しい表面の表面エネルギーである第２エネルギー量を予測することと、
    前記第１エネルギー量および前記第２エネルギー量を比較して、前記欠損の発生および／または前記不発生を予測することと
    をさらに含む
    欠損予測方法。
  11. 請求項８～１０のいずれか１項に記載の欠損予測方法の各工程と、
    前記欠損の発生および／または不発生を予測した結果に基づいて、前記工具を用いて前記切削を含む加工を前記加工物に対して行う加工装置を制御するための制御信号を生成することと、
    前記制御信号を出力することと
    を含む
    加工装置制御方法。
  12. 請求項１１に記載の加工装置制御方法の各工程と、
    前記制御信号に基づいて前記加工を行うことと
    を含む
    低靱性加工物製造方法。
  13. 工具の物性および形状を表す工具データと、前記工具を用いて加工物に対して行う切削のパラメータ群を表す切削データと、前記加工物の物性および形状を表す材料データとを用意することと、
    前記工具データ、前記切削データおよび前記材料データに基づいて、切削力に伴う前記加工物の変形の解析と、前記変形に伴う破壊の解析とを行い、前記切削による前記加工物の欠損の発生および／または不発生を予測することと、
    前記予測の結果を出力することと
    を、コンピュータに実行させるように含む
    欠損予測プログラム。
  14. 請求項１３に記載の欠損予測プログラムにおいて、
    前記工具データ、前記切削データおよび前記材料データに含まれるパラメータの複数の組み合わせに基づいて応力拡大係数を算出することと、
    前記複数の組み合わせに基づいて、前記加工物の材料に対応する破壊靱性値と、前記応力拡大係数とを比較することと、
    前記複数の組み合わせに基づいて前記切削の加工能率を算出することと、
    前記複数の組み合わせの中から、前記応力拡大係数が前記破壊靱性値を上回らない所定の範囲内で前記加工能率が最大となる組み合わせを選択して切削条件として決定することと
    を含む
    欠損予測プログラム。
  15. 請求項１３に記載の欠損予測プログラムにおいて、
    前記工具データ、前記切削データおよび前記材料データに基づいて、前記切削によって前記工具が前記加工物に印加する切削力を予測し、前記切削力の下で、前記加工物の亀裂進展によって解放される、前記加工物の弾性ひずみエネルギー量である第１エネルギー量を予測することと、
    前記切削データおよび前記材料データに基づいて、前記加工物の亀裂進展によって生まれる前記加工物の新しい表面の表面エネルギーである第２エネルギー量を予測することと、
    前記第１エネルギー量および前記第２エネルギー量を比較して、前記欠損の発生および／または前記不発生を予測することと
    をさらに含む
    欠損予測プログラム。
  16. 請求項１３～１５のいずれか１項に記載の欠損予測プログラムの各工程と、
    前記欠損の発生および／または不発生を予測した結果に基づいて、前記工具を用いて前記切削を含む加工を前記加工物に対して行う加工装置を制御するための制御信号を生成することと、
    前記制御信号を出力することと
    を、コンピュータに実行させるように含む
    加工装置制御プログラム。
  17. 請求項１６に記載の加工装置制御プログラムの各工程と、
    前記制御信号に基づいて前記加工を行うことと
    を、コンピュータに実行させるように含む
    低靱性加工物製造プログラム。
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