JPH05277817A

JPH05277817A - 切削加工装置

Info

Publication number: JPH05277817A
Application number: JP10351492A
Authority: JP
Inventors: Shuji Ohira; 修司大平; Ryuji Takada; 龍二高田
Original assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Current assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Priority date: 1992-03-30
Filing date: 1992-03-30
Publication date: 1993-10-26

Abstract

(57)【要約】【目的】切削条件に対応した最適な送り量を設定し、
作業能率を向上させる共に、良好な切削加工が行える切
削加工装置を提供することを目的とする。【構成】ドリルが被切削材を切削し始めると、切削力
検出器２がドリルに作用する切削力をリアルタイムで検
出する。ハイパスフィルタ１８は検出されたトルクやス
ラストの変動成分を抽出する。ＣＰＵ１１は、該変動成
分と所定の閾値とを比較し、この比較結果に基づいてＮ
Ｃ装置１を制御してドリルの送りを制御する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、穴あけ等の切削加工を
行うマシニングセンタ、旋盤及びフライス盤等の切削加
工装置に関し、特にステップフィード方式で穴あけを行
う切削加工装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、この種の技術分野に関するものと
して、例えば、被切削材（ワーク）切削用のドリル、タ
ップ、エンドミル等の回転工具と、その回転工具を回転
駆動させる回転駆動手段と、前記回転工具に作用する切
削力を検出する検出手段と、検出された切削力からその
変動成分を取り出す変動成分抽出手段と、その変動成分
と所定の閾値とを比較する比較手段とを備え、その比較
手段の比較結果に応じて異常信号を出力することによ
り、回転工具の折損、欠損、磨耗等を未然に防ぐように
しているものがある。このような装置によりワークを切
削して穴あけする場合、安定した切削を行えるようにス
テップフィード方式が多く採用されている。

【０００３】従来のステップフィード方式では、ワーク
の穴あけのため、ドリルで切削を開始後、ある所定の距
離を穴あけした時点でドリル送りを、停止、後退させ、
切り粉を排出して再び穴あけを行う。この方式は、一般
にプログラムで穴あけを行なえるマシニングセンタ等
の、ＮＣコントローラを装着した工作機械を使用して実
施される。

【０００４】前述の穴あけ作業における一回の穴あけ深
さ、すなわち一回のドリルの送り量は、被切削材やドリ
ルの材質、ドリル径やその他の切削条件によってまった
く違ったものとなり、通常、実際の作業現場で繰り返し
切削を行ない、その実験値から決定する。作業現場では
切削加工時間を可能な限り短縮するため、前記送り量を
大きく設定したものの、折損した場合のワークの不良や
ドリル交換の手間を考慮すれば安全率を大きめに見込む
必要がある。この点、小径ドリルの場合は、ドリル強度
にばらつきが大きく、突発的な折損が生じるため、かな
り大きめの安全率をとっている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
たステップフィード方式では次のような課題があった。

【０００６】（１）１回の送り量を決定する場合、十分
すぎる安全率を見込んでいるため、ドリルを後退させる
回数が多くなり、切削時間が限界まで短縮できない。

【０００７】（２）切削条件が変わる毎に、実験的に求
めた前記送り量を設定しなおす必要があり作業効率が悪
い。

【０００８】（３）上述のように設定された送り量で穴
あけ作業を行う際に、摩耗しているドリルを使用した場
合、負荷が大きくなり、良好な切削が得られないばかり
か、ドリルが折損する恐れがあった。

【０００９】本発明は上記従来の問題点に鑑み、作業能
率を向上させる共に、良好な切削加工が行える切削加工
装置を提供することを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明は上記目的を達成
するために、被切削材を切削するための回転工具と、該
回転工具を回転駆動させる回転駆動手段と、前記回転工
具に作用する切削力を検出する検出手段と、前記切削力
からその変動成分を取り出す変動成分抽出手段と、前記
変動成分と所定の閾値とを比較する比較手段とを備えた
切削加工装置において、前記比較手段の比較結果に応じ
て前記回転工具を送り制御する送り制御手段とを設けた
ことを特徴とする。

【００１１】前記送り制御手段は、前記送り制御をステ
ップフィード方式で行う構成にしてもよい。

【００１２】

【作用】本発明は、上記構成により、駆動手段で駆動さ
れる回転工具が被切削材を切削し始めると、検出手段が
回転工具に作用する切削力、例えばトルクやスラストを
リアルタイムで検出する。検出されたトルクやスラスト
は、変動成分抽出手段によって該トルクやスラストから
その変動成分を取り出される。取り出された変動成分
は、比較手段によって所定の閾値と比較され、例えば変
動成分の方が大きい場合は、切り粉の排出が悪化したと
して送り制御手段が回転駆動手段へ指令を出して回転工
具の送りを制御して、例えば回転工具の減速、停止、後
退等を行う。これにより、切削条件に対応した送り量可
変のステップフィード方式が行える。したがって、前記
課題を解決できるのである。

【００１３】

【実施例】図１は、本発明に係る穴加工装置の一実施例
の概略構成を示すブロック図である。

【００１４】ＮＣ装置１の主軸には切削力検出器２が取
り付けられている。復調器４が切削力検出器２からのＦ
Ｍ変調されたトルク，スラストを示すトルク・スラスト
信号（切削力信号）をアンテナ３を介して受信するよう
に配されている。復調器４の出力側にはローパスフィル
タ１０が接続されており、該ローパスフィルタ１０の出
力端子には、Ａ／Ｄ変換器５及びハイパスフィルタ１８
が並列に接続されている。ハイパスフィルタ１８の出力
端子にはＡ／Ｄ変換器１９が接続されている。

【００１５】積分手段、閾値設定手段及び比較手段とし
ての作用を果たすＣＰＵ１１には、共通バス１２を介し
て前記Ａ／Ｄ変換器５，１９の他、ＲＡＭ１３，表示器
１４，外部出力用入出力部（Ｉ／Ｏ）１５，キーボード
２０及び警報用入出力部（Ｉ／Ｏ）１６が接続され、警
報用入出力部（Ｉ／Ｏ）１６には警報器１７が接続され
ている。

【００１６】図２に示した切削力検出器は、筒状部材１
１０の筒部にスラスト検知部−トルク検知部−スラスト
検知部−トルク検知部といった機能の異なる二種の検知
部を円周方向に交互に配設するようにしたものである。
この筒状部材１１０の筒部は９０°の位相差をもって設
けた四つの縦分割溝１１１により四分割され、対向する
二つの筒部には上下両端面に開口するスリット１１２を
円周方向に穿設し、その両側に放射状に配設したトルク
検知用のバネ状弾性支持構造個所Ａ，Ａと、残りの対向
する二つの筒部には左右の縦分割溝１１１，１１１端面
に開口するスリット１１３を長手方向に穿設し、その両
側にスラスト検知用の平行バネ状弾性支持構造個所Ｂ，
Ｂを形成している。筒状部材１１０の上下の端部にはそ
れぞれ以下のようにしてフランジ１１４，１１５を螺着
するのであるが、フランジ１１４に内ネジ１１６を設
け、内ネジ１１６と螺合するネジ１１８は上記したトル
ク検知部の上方側面にだけ切り、スラスト検知部の上方
側面にはそのようなネジを欠如さす。一方、フランジ１
１５の内ネジ１１７と螺合するネジ１１９はスラスト検
知部の下方側面にだけ切り、トルク検知部の下方側面に
はそのようなネジを欠如さす。何れのネジ螺合個所もあ
とで溶接によりしっかりと固定するのが望ましい。フラ
ンジ１１５はＮＣ装置１の主軸等の回転軸に固定する。

【００１７】いま回転軸に固定したフランジ１１５とは
反対側に当るフランジ１１４側に、矢印Ｔで示したトル
クと矢印Ｐで示したスラストが負荷されたとすると、ト
ルクＴはネジ１１６，１１８部を経てトルク検知部の弾
性支持構造個所Ａのうちスリット１１２に対して外側に
当る部分に伝達されて内側に当る部分との間で歪を生ず
る。またスラストＰは筒状部材１１０の内側部分を介し
スラスト検知部の弾性支持構造個所Ｂのうちスリット１
１３に対して内側に当る部分に伝達されて、固定したネ
ジ１１９，１１７部で受け止めている外側もに当る部分
との間で歪を生ずる。何れの歪も該歪部に固着したスト
レーンゲージにより電気信号として取り出され、切削力
検出器２内のＦＭ発信器から切削力信号として出力され
る。なお、勿論、ポテンショメータ，作動変圧器，磁気
エンコーダの原理を利用したり、また圧電素子で前記歪
を取り出すことも可能である。

【００１８】図３は、切削力検出器２例であり、トルク
検知部とスラスト検知部とを同心状に配置し、回転工具
（ドリル）から伝えられたスラストＰ及びトルクＴは弾
性支持構造個所Ａ及び弾性支持構造個所Ｂを介して図示
しない外フランジ部に伝わる。この際、弾性支持構造個
所Ａはトルクの作用に対して剛性が低いため大きくひず
み、また弾性支持構造個所Ｂはスラストの作用に対し剛
性が低いため大きくひずむ。そこでこの弾性支持構造個
所上の適当な位置に歪を検出する手段、たとえば歪ゲー
ジを配置することにより回転工具に作用するトルク，ス
ラストを検出できる。

【００１９】次に作用について説明する。切削力検出器
２は、上述の如く、トルク・スラストを示すトルク・ス
ラスト信号をＦＭ変調してアンテナ３，復調器４に送
る。ＦＭ変調信号は、復調器４で復調され、ローパスフ
ィルタ１０でノイズ等の高周波が分離され、上記トルク
・スラスト信号が得られる。またローパスフィルタ１０
通過後にハイパスフィルタ１８を通過させた信号は切削
力変動成分だけとなる。

【００２０】ここで、これらトルク・スラスト信号例と
その変動成分を図４〜図６に示す。この図４〜図６は、
同一のドリル（直径１．５ｍｍ）を使用し、鋼Ｓ４５Ｃ
調質材に深さ約８ｍｍの穴を複数個、あけた場合のトル
ク・スラスト信号とその変動成分の特性図を示す図であ
る。なお、この時のドリル回転数は例えば１８００ｒ．
ｐ．ｍとし、送り量は０．０５ｍｍ／ｒｅｖとする。

【００２１】図４（ａ）は、新品のドリルを使用して１
個目の穴あけを行った場合のスラスト信号の特性図、図
４（ｂ）は該スラスト信号の変動成分の特性図、図４
（ｃ）は同時に検出したトルク信号の特性図、及び図４
（ｄ）は該トルク信号の変動成分の特性図である。

【００２２】新品のドリルを使用して１個目の穴あけを
行った場合、図４（ａ）〜（ｄ）の（Ｉ）に示す切削開
始直後の良好な切削状態では、切削力もその切削力変動
成分も安定している。ところが、図４（ａ）〜（ｄ）の
（ＩＩ）に示すように、切削が進み穴が深くなると、ト
ルクＴ及びスラストＰの絶対値が増加すると共に、切削
力変動成分が大きくなり始める。この切削が進んだ時期
に切削力変動成分が大きくなるのは、切削中に切り粉が
スムーズに排出されず、ドリルに切り粉が絡まったり、
外れたりしてドリルにかかる負荷が変動することが一因
であると一般に考えられる。この切削力変動成分の大き
な状態（ＩＩ）では、ドリルにかかる負荷が大きくなっ
ているので、ドリル折損の危険が高まっているばかりで
なく、切削面の仕上がりも悪くなるため、直ちに切削を
中止すべき状態にある。

【００２３】図５（ａ）〜（ｄ）は、前記１個目の穴あ
けを行った後、同一のドリルを用いて、２個目の穴あけ
を実施したときに得られた切削力の特性図であり、同図
（ａ）はスラスト信号の特性図、同図（ｂ）は該スラス
ト信号の変動成分の特性図、同図（ｃ）はトルク信号の
特性図、及び同図（ｄ）は該トルク信号の変動成分の特
性図である。

【００２４】同一の材質のワークに同一のドリルを使用
して２個目の穴あけを実施した場合、図５（ａ）〜
（ｄ）の（Ｉ）に示すように切削開始直後では前述の図
４の（Ｉ）に示すような安定した切削状態となるもの
の、切削が進み穴が深くなる図５（ａ）〜（ｄ）の（Ｉ
Ｉ）の状態になると、前述の新品のドリルを使用した場
合と比較して切削力変動成分が大きくなる時期（図５の
（ＩＩ））がかなり早くなっていることが分かる。これ
は、上述の１個目の穴あけによりドリルの刃が磨耗し、
そのため、所定の送り量だけの切削が得られず、スラス
トが増大すると共に、その反動等により切削が所定量よ
り大きくなってトルクが増大する等が原因と考えられ
る。

【００２５】図６（ａ）〜（ｄ）は、前記２個目の穴あ
けを行った後、同一のドリルを用いて、さらに複数個の
穴あけを繰り返して該ドリルが折損した時の特性図であ
り、同図（ａ）はスラスト信号の特性図、同図（ｂ）は
該スラスト信号の変動成分の特性図、同図（ｃ）はトル
ク信号の特性図、及び同図（ｄ）は該トルク信号の変動
成分の特性図である。

【００２６】２個目の穴あけを行った後、さらに複数個
の穴あけを繰り返した場合、ドリルの磨耗がかなり進
み、図６（ｂ），（ｄ）から明らかなように切削開始
後、短時間で切削力変動成分が大きくなる時期（ＩＩ）
が到来し、その後、ドリルが折損している。

【００２７】図７（ａ）〜（ｄ）は、前記図６（ａ）〜
（ｄ）に示したドリル折損時の特性例とは別のドリル折
損の特性例を示す図であり、同図（ａ）はスラスト信号
の特性図、同図（ｂ）は該スラスト信号の変動成分の特
性図、同図（ｃ）はトルク信号の特性図、及び同図
（ｄ）は該トルク信号の変動成分の特性図である。

【００２８】この図７（ａ）〜（ｄ）示すドリル折損例
は、５個目の穴あけによって折損した例である。これに
よると、トルクＴ、及びスラストＰの絶対値が増加した
だけで、切削力変動成分が大きくなる時期（ＩＩ）がほ
とんどなく折損している。これは、ドリルの磨耗がかな
り進み、良好な切削ができないため、切削穴が深くなる
と、切り粉の目づまりがドリルの被削材へのくいこみに
よって、ドリルの負荷が過大となり折損に至ったものと
考えられる。

【００２９】このような特性を有するトルク・スラスト
信号と切削力変動成分は、Ａ／Ｄ変換器５，１９により
それぞれデジタル信号に変換されてＣＰＵ１１に取り込
まれ、そのトルク・スラスト信号値とＣＰＵ１１により
設定される所定の閾値とが比較される。そして、該トル
ク・スラスト信号値及び切削力変動成分が所定の閾値を
越えた時、Ｉ／Ｏ１５よりＮＣ装置１に切削の中止、後
退等の指令を出力することにより、本実施例のステップ
フィード方式が実行される。

【００３０】以下、ＣＰＵＣ１１の指令で行われる本実
施例のステップフィード方式のアルゴリズムを図８を参
照しつつ説明する。

【００３１】ステップＳ１では、ＮＣ装置１を制御し、
ＮＣ装置１の回転軸に取り付けられたドリルをワークの
所定位置に設定して切削を開始する。続くステップＳ２
において、ＣＰＵ１１は、切削力検出器２で検出された
ドリルから伝えられるその時の切削力、つまりトルクＴ
及びスラストＰをトルク・スラスト信号として取り入
れ、その変動成分ΔＴも取り入れる。ステップＳ３で
は、取り入れたトルク及びスラスト値が予め設定された
閾値ＴＳ１よりも大きいか否かを判別し、その答が否定
（ＮＯ）、すなわちトルク及びスラスト値が閾値ＴＳ１
よりも小さいときは、ステップＳ４に進み、前記変動成
分ΔＴが閾値ＴＳ２よりも大きいか否かを判別する。そ
の答が否定（ＮＯ）、すなわち変動成分ΔＴが閾値ＴＳ
２よりも小さいときステップＳ５に進み、所定の穴あけ
切削加工が終了したか否かを判別する。その答が肯定
（ＹＥＳ）のときは、ステップＳ６でドリルの回転及び
送り動作を停止する。このステップＳ５で、切削加工が
終了していないと判別された場合、ステップＳ２に戻
り、同一ルーチンを繰り返す。

【００３２】前記ステップＳ３でその答が肯定（ＹＥ
Ｓ）、すなわちトルク及びスラスト値が閾値ＴＳ１より
も大きいときは、例えば摩耗したドリルを使用している
ためにドリルに過負荷がかかって折損直前であると判断
してステップＳ７で警報器１７を作動してアラームを鳴
動させ、ステップＳ６でドリルの回転駆動を停止する。
また、前記ステップＳ４でその答が肯定（ＹＥＳ）、す
なわち前記変動成分ΔＴが閾値ＴＳ２よりも大きいと
き、図４及び図５（ａ）〜（ｄ）の（ＩＩ）に示す状態
のときのように切り粉の排出がスムーズでないと判断
し、ステップＳ８へ進んで、一旦、ドリルを切削中の穴
から引き抜き、その後、ステップＳ１から再スタートす
る。

【００３３】このように本実施例では、切削力が閾値Ｔ
Ｓ１を越えた時に、ドリルの回転駆動を停止するので、
摩耗したドリルを使用しても無理な深さまで切削を継続
することがなく、小径ドリルのように特性にばらつきが
大きいドリルを使用しても、安全に切削が行える。さら
に、変動成分ΔＴが閾値ＴＳ２を越えた時に、すなわち
切り粉の排出が悪化した時だけ、一旦、ドリルを引き抜
いて再スタートさせるステップフィード動作を行うの
で、従来のように、送り量を設定するに際して過度の安
全率を見込んで設定したため、切り粉の排出が悪化しな
くてもステップフィード動作を行うというように、ステ
ップフィード動作を必要以上に行わなくともよくなり、
切削時間を短縮できる。

【００３４】

【発明の効果】以上に説明したように、本発明によれ
ば、被切削材を切削するための回転工具と、該回転工具
を回転駆動させる回転駆動手段と、前記回転工具に作用
する切削力を検出する検出手段と、前記切削力からその
変動成分を取り出す変動成分抽出手段と、前記変動成分
と所定の閾値とを比較する比較手段とを備えた切削加工
装置において、前記比較手段の比較結果に応じて前記回
転工具を送り制御する送り制御手段とを設けたので、切
削条件に対応した最適な送り量が設定できる。これによ
り、切削時間を短縮でき、作業能率が向上し、しかも良
好な切削加工が行える。

【００３５】また、前記送り制御手段は、前記送り制御
をステップフィード方式で行う構成にしたので、簡易的
確に回転工具の送り制御が行える。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る切削加工装置の一実施例の概略構
成を示すブロック図である。

【図２】上記実施例における切削力検出器の概略の構造
図である。

【図３】上記実施例における切削力検出器の他の構造図
である。

【図４】上記実施例におけるトルク・スラスト信号とそ
の変動成分の特性図を示す図である。

【図５】上記実施例におけるトルク・スラスト信号とそ
の変動成分の他の特性図を示す図である。

【図６】上記実施例におけるトルク・スラスト信号とそ
の変動成分の他の特性図を示す図である。

【図７】上記実施例におけるトルク・スラスト信号とそ
の変動成分の他の特性図を示す図である。

【図８】本実施例のアルゴリズムを示すフローチャート
である。

【符号の説明】

１ＮＣ装置（回転工具、回転駆動手段）２切削力検出器（検出手段）４復調器１０ローパスフィルタ１１ＣＰＵ（比較手段、送り制御手段）１８ハイパスフィルタ（変動成分抽出手段）

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】被切削材を切削するための回転工具と、
該回転工具を回転駆動させる回転駆動手段と、前記回転
工具に作用する切削力を検出する検出手段と、前記切削
力からその変動成分を取り出す変動成分抽出手段と、前
記変動成分と所定の閾値とを比較する比較手段とを備え
た切削加工装置において、前記比較手段の比較結果に応じて前記回転工具を送り制
御する送り制御手段とを設けたことを特徴とする切削加
工装置。
【請求項２】前記送り制御手段は、前記送り制御をス
テップフィード方式で行う構成にしたことを特徴とする
請求項２記載の切削加工装置。