KR20160093712A - 절삭 가공에 있어서의 절삭 조건의 설계 방법 - Google Patents

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Abstract

절삭 가공구(1)의 이송 속도(f)와 축심 방향의 절입량(da)과 직경 방향의 절입량(dr)과 절삭 속도(v)를 포함하는 설계 파라미터를 사용하여 절삭 가공구(1)의 휨량(α)을 산출한다. 휨량(α)과 소정의 역치(β)를 기초로 절삭 가공구(1)의 채터링 진동이 발생하는지 여부를 판정하여, 그 판정 결과를 기초로 최대 절취 두께(Ctmax)를 산출한다. 최대 절취 두께(Ctmax)와 절삭 속도(v)로부터 절삭 온도(t)를 산출하고, 절삭 온도(t)와 소정의 역치(γ)를 기초로 공구 수명이 충족되는지 여부를 판정한다. 그 판정 결과를 기초로 절삭 효율(e)을 산출하고, 산출한 절삭 효율(e)과 미리 보존되어 있는 절삭 효율의 데이터를 비교하여, 산출한 절삭 효율(e)이 데이터 내의 최댓값인 경우에, 상기 설계 파라미터를 절삭 조건으로 한다.

Description

절삭 가공에 있어서의 절삭 조건의 설계 방법 {METHOD FOR DESIGNING CUTTING CONDITIONS FOR CUTTING}
본 발명은 절삭 가공에 있어서의 절삭 조건의 설계 방법에 관한 것이다.
종래부터 강재 등의 피가공재에 대해, 엔드밀, 밀링 커터 등의 절삭 가공구를 사용하여, 선삭 가공이나 밀링 커터 가공 등 절삭 가공을 행할 때에는, 절삭 가공구의 이송 속도, 절삭 가공구의 절입량, 절삭 가공구의 절삭 속도, 절삭 가공구의 형상 등의 「절삭 조건」을 적절한 것으로 한 후, 절삭 가공이 행해져 왔다.
그런데, 엔드밀이나 밀링 커터를 사용하여 절삭 가공을 행할 때에는, 절삭 가공구의 형상에 의해, 절삭 가공 중에 채터링 진동이 발생하거나, 절삭 가공구의 형상이 변형되는 경우가 있다. 이와 같은 채터링 진동이 발생하면, 가공 정밀도나 피가공재의 가공면 성상에 관한 중대한 문제가 발생한다. 그로 인해, 절삭 가공의 절삭 조건을 설계하는 오퍼레이터는 상기한 문제가 발생하지 않도록, 절삭 가공구의 이송 속도나 절입량을 저감시켜 저부하가 되도록 「절삭 조건」을 설정하게 된다.
또한, 절삭 가공구의 공구 수명에 관해서도, 적절한 절삭 조건 하에서 절삭 가공을 행하지 않은 경우, 공구 수명이 극단적으로 짧아지는 등의 문제가 발생한다. 그러나, 공구 수명을 연장시키기 위한 절삭 조건을 정확하게 산출하는 것은 어렵고, 많은 경우, 절삭 조건(특히 절삭 가공구의 절삭 속도)에 여유를 갖게 한 설계를 행하고 있다.
그런데, 상기한 바와 같은 여유를 갖게 한 절삭 조건은 절삭 비용이 더 들어 버릴 우려가 있다. 예를 들어, 절삭 가공구의 공구 수명에 도달하기 전에 교환되거나, 저부하의 절삭 조건이기 때문에, 절삭 시간이 걸린다는 문제가 있다.
이와 같은 상황을 개선하기 위해, 최적의 절삭 조건을 설계하는 기술이 개발되고 있다. 절삭 조건을 적절하게 설계하는 기술로서는, 예를 들어 비특허문헌 1 및 비특허문헌 2에 개시되어 있는 바와 같은 것이 있다.
비특허문헌 1은 오프라인에서, 절삭 가공 후의 피가공재의 형상을 측정하고, 그 실측값과 미리 지시한 절삭 가공의 지시값을 기초로, 절삭 조건의 최적화를 행하고, 이어서 온라인에서, 절삭 가공구의 공구 수명 시험을 행하고, 손실 함수에 의해 공구 수명과 가공 능률을 손실로 변환하여 동차원으로서 평가를 하고, 그리고 공구 수명과 가공 능률의 관계로부터 적절한 절삭 조건을 설계하고 있다.
비특허문헌 2는 절삭 가공에 있어서의 절삭 조건의 최적화를 비선형 목표 계획법에 의해 정식화하고, 그 정식에 기초하여 적절한 절삭 조건을 설계하고 있다.
「엔드밀에 의한 켄칭 강 절삭 조건의 선정 방법」, 와고 켄, 와카츠키 마사아키 외, 이와테현 공업 기술 센터 연구 보고, 제6호(1999) 「절삭 조건의 다목표 최적화에 대한 비선형 목표 계획법의 응용」, 히토미 가츠토, 나카무라 노부히토 외, 일본 기계 학회 논문집(C편), 46권 409호(소55-9)
그런데, 절삭 가공에 종사하는 오퍼레이터가, 경험에 기초하여 절삭 조건을 설계하는 작업을 행하는 경우, 오퍼레이터의 절삭 가공의 경험 차에 의해 절삭 조건이 달라져 버려, 적절하게 절삭 조건을 설계하는 것이 어렵다. 또한, 경험이 적은 오퍼레이터가 절삭 조건을 설계하는 경우, 경험 부족에 기인하여 여유를 지나치게 갖게 한 절삭 조건, 즉 제조 비용이 높은 절삭 조건을 설계해 버릴 우려가 있다.
상기의 문제를 해소하기 위해, 비특허문헌 1 및 비특허문헌 2를 사용하여, 적절한 절삭 조건을 설계하는 것을 생각해 본다.
비특허문헌 1은 단일적인 형상의 피가공재의 절삭 데이터를 통계적으로 취급하고 절삭 조건을 최적화하여 절삭 조건을 설계하는 기술이다. 그러나, 실제로 절삭 가공되는 피가공재의 형상은 복잡한 것이 많으므로, 실제의 절삭 가공 공정에 적용하는 것은 곤란하다. 가령, 비특허문헌 1을 사용하여 절삭 조건을 설계해도, 절삭 가공의 가공 정밀도나 피가공재의 가공면 성상에 관하여 문제가 발생하는 것이 명확하다.
또한, 비특허문헌 2는 품질 공학(비선형 목표 계획법)을 사용하여, 적절한 절삭 조건을 설계하는 기술이다. 그러나, 절삭 조건을 설계할 때의 계산량이나 조건 항목이 많고, 절삭 조건을 구하는 데 수고가 많이 들어 현실적이지 않다.
통합하면, 비특허문헌 1 및 비특허문헌 2의 기술을 사용하여, 실제의 절삭 가공 공정에 있어서의 적절한 절삭 조건을 설계하는 것은 실용적이지 않다.
본 발명은 상술한 문제를 감안하여 이루어진 것으로, 절삭 가공의 진동 방지, 공구 수명, 절삭 효율을 양립시키고, 또한 용이하게 절삭 조건을 설계할 수 있는 절삭 가공에 있어서의 절삭 조건의 설계 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 있어서는 이하의 기술적 수단을 강구하였다.
본 발명에 관한 절삭 가공에 있어서의 절삭 조건의 설계 방법은 절삭 가공구를 사용하고, 피가공재를 절삭할 때에 필요해지는 절삭 조건을 설계할 때에는, 상기 절삭 가공구의 이송 속도 f와, 상기 절삭 가공구의 축심 방향의 절입량 da와, 상기 절삭 가공구의 직경 방향의 절입량 dr과, 상기 절삭 가공구의 절삭 속도 v를 설계 파라미터로 하고, 상기 설계 파라미터 중, 상기 절삭 가공구의 이송 속도 f와, 상기 절삭 가공구의 축심 방향의 절입량 da와, 상기 절삭 가공구의 직경 방향의 절입량 dr을 사용하여, 상기 절삭 가공구의 휨량 α를 산출하고, 산출된 상기 절삭 가공구의 휨량 α와 소정의 역치 β를 기초로, 당해 절삭 가공구의 「채터링 진동」이 절삭 가공 시에 발생하는지 여부를 판정하고, 상기 절삭 가공구의 「채터링 진동」이 발생하지 않는다고 판정된 경우, 상기 절삭 가공구의 이송 속도 f와, 상기 절삭 가공구의 직경 방향의 절입량 dr로부터, 상기 피가공재에 대해 허용되는 절취 가능한 절삭 가공구의 최대 절취 두께 Ctmax를 산출하고, 산출된 상기 최대 절취 두께 Ctmax와, 상기 절삭 가공구의 절삭 속도 v로부터, 상기 절삭 가공구의 절삭 온도 t를 산출하고, 산출된 상기 절삭 가공구의 절삭 온도 t와 소정의 역치 γ를 기초로, 절삭 가공 시에 있어서의 상기 절삭 가공구의 공구 수명이 충족되는지 여부를 판정하고, 상기 절삭 가공구의 공구 수명이 충족되는 경우, 절삭 가공 시에 허용되는 상기 절삭 가공구의 절삭 속도의 최댓값 vmax와, 상기 절삭 가공구의 이송 속도 f와, 상기 절삭 가공구의 축심 방향의 절입량 da와, 상기 절삭 가공구의 직경 방향의 절입량 dr로부터, 절삭 가공 시에 있어서의 상기 절삭 가공구의 절삭 효율 e를 산출하고, 산출된 상기 절삭 가공구의 절삭 효율 e와, 미리 보존되어 있는 절삭 효율 e의 데이터를 비교하여, 산출된 상기 절삭 가공구의 절삭 효율 e가, 상기 절삭 효율 e의 데이터 내의 최댓값인 경우, 상기 절삭 가공구의 이송 속도 f와, 상기 절삭 가공구의 축심 방향의 절입량 da와, 상기 절삭 가공구의 직경 방향의 절입량 dr과, 상기 절삭 가공구의 절삭 속도 v를, 상기 절삭 조건으로 하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 설계 파라미터로서, 상기 절삭 가공구의 형상의 파라미터를 갖고 있으면 된다.
바람직하게는, 상기 절삭 가공구의 휨량 α를 하기 식으로 산출하면 된다.
α＝Fbave/G
α:휨량(m)
Fbave: 절삭 가공구의 진동 방향에 있어서의 절삭 저항의 평균값(N)
G: 절삭 가공구의 진동 방향의 굽힘 강성(N/m)
바람직하게는, 상기 절삭 가공구의 최대 절취 두께 Ctmax를 하기 식으로 산출하면 된다.
Ctmax＝fㆍsinθ1
Ctmax: 절삭 가공구의 최대 절취 두께(㎜)
f: 절삭 가공구의 이송 속도(㎜/날)
θ1＝acos((r-dr)/r)
r: 절삭 가공구의 반경(㎜)
dr: 절삭 가공구의 직경 방향의 절입량(㎜)
본 발명의 절삭 가공에 있어서의 절삭 조건의 설계 방법에 의하면, 절삭 가공구의 진동 방지, 공구 수명, 절삭 효율을 양립시키고, 또한 용이하게 절삭 조건을 설계할 수 있다.
도 1은 절삭 가공을 모식적으로 도시한 개략도이다.
도 2는 본 발명에 따른 절삭 가공 있어서의 절삭 조건의 설계 방법을 나타낸 흐름도이다.
도 3은 절삭 가공구의 휨량과 불량의 유무의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 4는 절삭 속도와 최대 절취 두께가 변화된 경우에 있어서의, 공구 온도와 공구 수명의 변화를 나타낸 그래프이다.
이하, 본 발명에 따른 절삭 가공에 있어서의 절삭 조건의 설계 방법에 대해, 도면에 기초하여 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 절삭 조건의 설계 방법으로 설계된 절삭 조건을 기초로, 절삭 가공구(1)를 사용하여, 피가공재(2)에 대해 절삭 가공하는 모습을 모식적으로 도시한 도면이다. 도 2는 본 발명의 절삭 가공에 있어서의 절삭 조건의 설계 방법의 과정을 도시한 도면이다.
도 1에 도시한 바와 같이, 밀링 커터 가공 등의 절삭 가공 공정은 엔드밀이나 밀링 커터 등 회전하는 절삭 가공구(1)를 사용하여, 프라이즈반의 테이블에 고정된 피가공재(2)(강재 등)를 목표의 형상이나 치수로 가공하는 공정이다.
이와 같은 절삭 가공의 공정에서 필요해지는 것은, 적합한 절삭 조건[절삭 가공구(1)의 이송 속도 v나 절입량 d 등]을 설계하는 것이다. 절삭 조건이 적합해지도록 설계하지 않으면, 예를 들어 절삭 가공 중에 절삭 가공구(1)의 휨에 의한 「채터링 진동」이 발생하고, 그것에 의해 절삭 가공의 가공 정밀도나 피가공재(2)의 가공면 성상에 관한 문제가 발생하는 경우가 있다.
따라서, 본원 발명자들은 적합한 절삭 조건을 설계하는 방법을 발견하기 위해, 다른 형상의 절삭 가공구(1)를 사용하면서 다양한 절삭 조건으로 절삭을 행하고, 절삭 가공 중의 채터링 진동의 유무나 가공면 성상을 조사하여 예의 연구를 거듭하였. 그 연구를 행하였을 때의 실험 조건의 일례를, 표 1에 나타내고, 그 실험 조건으로 실험한 결과, 즉 절삭 가공구(1)의 휨량과 불량의 유무의 관계를 도 3에 도시한다.
Figure pct00001
연구의 결과, 절삭 가공구(1)에 작용하는 절삭 저항에 관하여, 절삭 가공구(1)가 진동하는 방향(엔드밀 공구의 경우는 직경 방향)의 절삭 저항의 평균값인 평균 절삭 저항 Fbave가 있는 상한값을 초과한 경우에, 절삭 가공의 가공면 성상이나 가공 정밀도가 악화되는 것을 발견하였다.
즉, 이 절삭 저항의 평균값 Fbave의 상한값은 절삭 가공구(1)의 진동 방향의 굽힘 강성 G에 의해 변화된다. 그로 인해, 절삭 가공구(1)의 굽힘 강성 G가 커짐에 따라, 절삭 저항의 평균값 Fbave의 상한값은 커진다. 절삭 저항의 평균값 Fbave의 상한값과 굽힘 강성 G의 관계가 정비례이므로, 이 절삭 저항의 평균값 Fbave와 굽힘 강성 G의 관계의 비, 즉 절삭 가공구(1)의 휨량 α를 생각하면, 이 휨량 α가 어느 상한값을 초과한 경우에, 절삭 가공의 가공면 성상이나 가공 정밀도가 악화된다고 생각할 수 있다.
이와 같은 지견을 기초로 도 3을 참조하면, 휨량 α가 0.02㎜를 초과하면, 가공 품질에 문제가 발생하는 것을 알 수 있다. 또한, 휨량 α가 0.015㎜를 초과하면, 가공면 불량이 발생하기 쉬워지는 것을 알 수 있다.
즉, 본원 발명자들은 절삭 가공구(1)의 휨량 α를 0.015㎜보다 작게 함(휨량 α를 제어함)으로써, 적합한 절삭 조건을 설계하는 것이 가능한 것을 발견하였다.
이와 같은 지견을 기초로 하여, 본판 발명자들은 절삭 조건의 설계 방법에 상도하는 데 이르렀다.
본 실시 형태의 절삭 조건의 설계 방법은 절삭 가공구(1)의 이송 속도 f, 절삭 가공구(1)의 절입량 d 등의 설계 파라미터를 사용하여, 절삭 가공구(1)의 휨량 α를 산출하고, 그 휨량 α로부터 절삭 가공구(1)의 「채터링 진동」이 발생하는지 여부를 판정하는 것이다. 그 후, 설계 방법은 설계 파라미터를 사용하여 절삭 가공구(1)의 절삭 온도 t를 산출하고, 절삭 온도 t로부터 공구 수명이 충족되는지 여부를 판정하고, 공구 수명의 판정 결과와 「채터링 진동」의 판정 결과를 기초로, 가장 효율적인 절삭 효율 e를 산출하고, 그 산출 결과가 속하는 설계 파라미터를 절삭 조건으로 하여 설계하는 것이다.
본 실시 형태의 절삭 조건의 설계 방법에서 사용하는 설계 파라미터는 스텝 1에 나타낸 바와 같이, 절삭 가공구(1)의 이송 속도 f, 절삭 가공구(1)의 축심 방향의 절입량 da, 절삭 가공구(1)의 직경 방향의 절입량 dr로 한다. 설계 파라미터는 이들로 한정되지 않고, 절삭 가공구(1)의 절삭 속도 v나 절삭 가공구(1)의 형상을 채용해도 된다.
도 2에는 본 발명에 따른 절삭 가공 있어서의 절삭 조건의 설계 방법을 나타낸 흐름도가 나타나 있다.
도 2에 도시한 바와 같이, 절삭 조건의 설계 방법에 있어서는, 먼저 절삭 가공구(1)의 「채터링 진동」이 발생하는지 여부를 판정한다. 「채터링 진동」의 판정에 있어서는, 스텝 1(S1)에 있어서, 절삭 가공구(1)의 이송 속도 f와, 절삭 가공구(1)의 축심 방향의 절입량 da와, 절삭 가공구(1)의 직경 방향의 절입량 dr의 각 설계 파라미터를 설정한다.
이때, 절삭 가공구(1)의 이송 속도 f, 절삭 가공구(1)의 축심 방향의 절입량 da, 절삭 가공구(1)의 직경 방향의 절입량 dr 중 어느 하나가, 다른 조건(예를 들어, 절삭 공구의 성능 등)으로부터 결정되는 경우에는, 고정값으로서 설정한다. 또한, 고정값 이외의 설계 파라미터는 단계적으로 변화되는 것으로 한다.
상기 설정된 각 설계 파라미터를 사용하여, 스텝 2에 있어서, 절삭 가공구(1)의 휨량 α를 식 1에 의해 산출한다.
<식 1>
α＝Fbave/G
α:휨량(m)
Fbave: 절삭 가공구의 진동 방향에 있어서의 절삭 저항의 평균값(N)
G: 절삭 가공구의 진동 방향의 굽힘 강성(N/m)
여기서, 휨량 α를 식 1로 산출하는 구체적인 방법에 대해 설명한다.
스텝 2(S2)에서 절삭 저항의 평균값 Fbave를 구하는 데 있어서, 먼저 절삭 가공구(1)의 절취 두께 Ct를 식 2로 산출한다.
<식 2>
Ct＝fㆍsinθ
Ct: 절삭 가공구의 절취 두께(㎜)
f: 절삭 가공구의 이송 속도(㎜/날)
θ: 절삭 가공구의 회전 각도
그리고, 산출된 절취 두께 Ct를 식 3에 대입하고, 절삭 가공구(1)가 진동하는 방향의 절삭 저항값 Fb를 산출한다. 여기서, 절삭 가공구(1)의 진동 방향(직경 방향)의 비절삭 저항 Kr은 피가공재(2)의 재질 등에 의해 미리 결정되어 있는 것이다.
<식 3>
Fb＝CtㆍdaㆍKr
Fb: 절삭 가공구의 진동 방향의 절삭 저항(N)
Ct: 절삭 가공구의 절취 두께(㎜)
da: 절삭 가공구의 축방향의 절입량(㎜)
Kr: 절삭 가공구의 진동 방향(직경 방향)의 비절삭 저항(N/㎟)
그리고, 산출된 절삭 가공구(1)가 진동하는 방향의 절삭 저항값 Fb를 식 1에 대입하고, 휨량 α를 산출한다.
이상과 같은 계산을, 절삭 가공구(1)의 이송 속도 f, 절삭 가공구(1)의 직경 방향의 절입량 dr, 절삭 가공구(1)의 축방향의 절입량 da를 단계적으로 변화시켜, 절삭 가공구(1)의 진동 방향의 평균 절삭 저항 Fbave를 구하고, 그 평균 절삭 저항 Fbave를 사용하여 절삭 가공구(1)의 휨량 α를 산출한다. 이와 같이, 휨량 α가 산출되면, 스텝 3(S3)으로 이행한다.
스텝 3(S3)에서는, 산출된 절삭 가공구(1)의 휨량 α와 소정의 역치 β를 기초로, 당해 절삭 가공구(1)의 「채터링 진동」이 절삭 가공 시에 발생하는지 여부를 판정한다. 여기서, 소정의 역치 β를, 절삭 가공구(1)의 「채터링 진동」의 기준값으로 하고, 도 3의 결과로부터 구한 0.015㎜(휨량)로 설정한다.
산출된 휨량 α가, 기준값이 되는 소정의 역치 β보다 작은(α<β＝0.015㎜) 경우, 절삭 가공구(1)의 「채터링 진동」이 발생하지 않는다고 판정한다. 또한, 절삭 가공구(1)의 「채터링 진동」이 발생한다고 판정된 경우, 이들 설정 파라미터는 부적합이 되어 방기된다.
그리고, 절삭 가공구(1)의 「채터링 진동」이 발생하지 않는다고 판정된 경우, 스텝 4(S4)로 이행한다.
스텝 4(S4)에서는 절삭 가공구(1)의 이송 속도 f와, 절삭 가공구(1)의 직경 방향의 절입량 dr을 사용하여, 피가공재(2)에 대해 허용되는 절취 가능한 절삭 가공구(1)의 최대 절취 두께 Ctmax를 식 4에 의해 산출한다. 이와 같이, 최대 절취 두께 Ctmax가 산출되면, 스텝 5(S5)로 이행한다.
<식 4>
Ctmax＝fㆍsinθ1
Ctmax: 절삭 가공구의 최대 절취 두께(㎜)
f: 절삭 가공구의 이송 속도(㎜/날)
θ1＝acos((r-dr)/r)
r: 절삭 가공구의 반경(㎜)
dr: 절삭 가공구의 직경 방향의 절입량(㎜)
스텝 5(S5)에서는, 산출된 절삭 가공구(1)의 최대 절취 두께 Ctmax와, 절삭 가공구(1)의 절삭 속도 v로부터, 절삭 가공구(1)의 절삭 온도 t를 산출한다. 산출된 절삭 가공구(1)의 최대 절취 두께 Ctmax에 있어서, 절삭 가공구(1)의 절삭 속도 v를 단계적으로 변화시켜, 절삭 가공구(1)의 절삭 온도 t를 산출한다.
여기서, 본 발명의 특징인 절삭 가공구(1)의 절삭 온도 t를 산출하는 것에 대해, 설명한다.
절삭 가공 중에 있어서의 절삭 가공구(1)의 절삭 온도 t, 즉 공구의 날끝 온도는 절삭 가공구(1)의 공구 수명[절삭 가공구(1)의 마모 정도]에 매우 영향을 미친다. 그로 인해, 미리 소정의 절삭 시간을 얻을(공구 수명을 만족시킬) 수 있는 절삭 가공구(1)의 절삭 온도의 최댓값 γ를 구해 둘 필요가 있다. 구한 절삭 가공구(1)의 절삭 온도의 최댓값 γ와, 절삭 가공 중에 있어서의 절삭 가공구(1)의 절삭 온도 t를 사용하여, 절삭 조건을 설계한다.
이 절삭 가공구(1)의 절삭 온도 t를 산출하는 방법은 상기한 절삭 가공구(1)의 최대 절취 두께 Ctmax와, 절삭 가공구(1)의 절삭 속도 v(밀링 커터의 경우, 공구 회전수)로부터 산출하는 것이고, 예를 들어 절삭 가공 중의 절삭 온도 t를 실제로 측정하거나, 유한 요소법 등 절삭 온도 시뮬레이션에 의해 구하는 방법 등을 들 수 있다.
본 실시 형태에서는, 유한 요소법 등 절삭 온도 시뮬레이션을 사용하여, 절삭 가공구(1)의 최대 절취 두께 Ctmax와, 그 최대 절취 두께 Ctmax에 대응하도록 단계적으로 변화시킨 절삭 가공구(1)의 절삭 속도 v로부터, 절삭 가공구(1)의 절삭 온도 t를 산출하고 있다. 도 4는 산출된 절삭 온도 t의 분포를 나타낸 것이다.
도 4에 도시한 바와 같이, 예를 들어 절삭 속도 v＝200m/min, 최대 절취 두께 Ctmax＝0.2㎜인 경우, 절삭 온도 t＝625℃(바꿔 말하면, 공구 수명이 1시간)가 산출된다. 이와 같이, 절삭 온도 t가 산출되면, 스텝 6(S6)으로 이행한다.
스텝 6(S6)에서는 절삭 가공구(1)의 절삭 온도 t의 전체 계산 데이터(전체 조건의 조합)에 있어서, 절삭 효율 e가 최대가 되는 조건으로부터, 절삭 가공구(1)의 절삭 온도의 최댓값 γ를 탐색한다. 그리고, 다음의 스텝 6(S6)으로 이행한다.
스텝 7(S7)에서는 도 4를 기초로 산출된 절삭 가공구(1)의 절삭 온도 t가, 소정의 역치 γ[절삭 가공구(1)의 절삭 온도의 최댓값] 이하가 되는지, 바꿔 말하면, 절삭 가공 시에 있어서의 절삭 가공구(1)의 공구 수명이 충족되는지 여부를 판정한다.
또한, 산출된 절삭 가공구(1)의 절삭 온도 t가, 절삭 가공구(1)의 절삭 온도의 최댓값 γ보다 큰, 즉 절삭 가공구(1)의 공구 수명이 충족되지 않는 경우, 이들 설정 파라미터는 부적합이 되어 방기된다.
산출된 절삭 가공구(1)의 절삭 온도 t가, 절삭 가공구(1)의 절삭 온도의 최댓값 γ 이하, 즉 절삭 가공구(1)의 공구 수명이 충족되는 경우, 스텝 8(S8)로 이행한다.
스텝 8(S8)에서는 절삭 가공 시에 허용되는 절삭 가공구(1)의 절삭 속도의 최댓값 vmax와, 절삭 가공구(1)의 이송 속도 f와, 절삭 가공구(1)의 축심 방향의 절입량 da와, 절삭 가공구(1)의 직경 방향의 절입량 dr로부터, 절삭 가공 시에 있어서의 절삭 가공구(1)의 절삭 효율 e를 산출한다. 이와 같이, 절삭 효율 e가 산출되면, 스텝 9(S9)로 이행한다.
스텝 9(S9)에서는, 산출된 절삭 가공구(1)의 절삭 효율 e와, 미리 보존되어 있는 절삭 효율 e의 데이터를 비교하여, 산출된 절삭 가공구(1)의 절삭 효율 e가, 절삭 효율 e의 데이터 내의 최댓값인 경우, 절삭 가공구(1)의 이송 속도 f와, 절삭 가공구(1)의 축심 방향의 절입량 da와, 절삭 가공구(1)의 직경 방향의 절입량 dr을 절삭 조건으로 한다.
이상으로부터, 피가공재(2)의 가공 품질 및 절삭 가공구(1)의 공구 수명을 만족시키는 설계 파라미터(이송 속도 f, 직경 방향의 절입량 dr, 축방향의 절입량 da)의 조합이 구해진다. 그리고, 이송 속도 f, 직경 방향의 절입량 dr, 축방향의 절입량 da를 조금씩 변화시켜 계산을 반복해서 행하고, 피가공재(2)의 가공 품질 및 절삭 가공구(1)의 공구 수명이 만족되는 설계 파라미터의 전체 조합을 구한다. 구한 설계 파라미터의 전체 조합 중에서 가장 절삭 효율 e가 큰 조건을, 스텝 10(S10)에서, 적합한 절삭 조건으로 하여 출력한다.
한편, 절삭 가공구(1)의 절삭 효율 e와, 미리 보존되어 있는 절삭 효율 e의 데이터를 비교하여, 절삭 가공구(1)의 절삭 효율 e가, 절삭 효율 e의 데이터 내의 최댓값이 아닌(절삭 효율 e가 양호하지 않음) 경우, 설계 파라미터의 설정(초기의 스텝 1의 단계)으로 돌아가, 절삭 조건을 다시 설계한다.
요약하면, 본 발명의 절삭 가공에 있어서의 절삭 조건의 설계 방법은 「채터링 진동」이 발생하지 않도록 절삭 가공구(1)의 휨량 α를 산출하고, 원하는 공구 수명이 되도록 절삭 가공구(1)의 절삭 온도 t를 산출하고, 가공 효율이 최대가 되도록 절삭 가공구(1)의 절삭 효율 e를 산출하고, 산출한 결과로부터 설계 파라미터를 설계하고, 그 설계 파라미터를 적합한 절삭 조건으로 하여 출력하는, 즉 절삭 조건의 최적화를 행하는 것이다.
[실험예]
이어서, 본 발명의 절삭 가공에 있어서의 절삭 조건의 설계 방법을 사용하여, 절삭 가공의 절삭 조건을 설계한 실험 결과에 대해 설명한다.
이 실험에 사용하는 절삭 가공구(1)로서, 공구 직경이 30㎜, 노즈가 R 0.8㎜, 날수가 4매, 돌출 길이가 150㎜인 엔드밀 공구를 준비하고, 피가공재(2)로서, S45C 탄소강[기계 구조용 탄소강: JIS G 4051(1979)]을 준비했다. 그리고, 상기한 엔드밀 공구(1)를 사용하여, 피가공재(2)인 S45C 탄소강으로 절삭 가공할 때의 절삭 조건의 설계, 절삭 조건의 최적화의 실험을 행하였다.
절삭 조건의 설계 방법을 적용한 결과, 엔드밀 공구(1)의 이송 속도 f가 197㎜/min, 직경 방향의 절입량 dr이 7.5㎜, 축방향의 절입량 da가 102㎜, 공구 회전수가 4918rpm, 비틀림각이 60도로 산출되었다.
산출된 절삭 조건을 기초로 엔드밀 공구(1)를 작성하고, 그 엔드밀 공구(1)를 사용하여 절삭 가공 실험을 실시하였다. 그 절삭 가공의 결과, 피가공재(2)의 가공면 성상, 가공 정밀도가 양호한 것이 되었다. 또한, 최적화된 절삭 조건은 실제의 절삭 가공에 있어서, 엔드밀 공구(1)의 절삭 온도 t의 상한값의 데이터(도 4 참조)에 나타난 공구 수명 1시간(절삭 가공의 허용 시간)을 만족시키는 것을 알 수 있었다.
이상의 실험 결과로부터, 본 발명의 절삭 가공에 있어서의 절삭 조건의 설계 방법을 사용함으로써, 절삭 가공구(1)의 「채터링 진동」을 억제할 수 있음과 함께, 공구 수명에 도달하기 직전까지 절삭 가공구(1)를 사용할 수 있고, 절삭 효율이 가장 효율적이 되는 적합한 절삭 조건을 더 설계하는 것이 가능해진다.
또한, 금회 개시된 실시 형태는 모든 점에서 예시이며 제한적인 것은 아니라고 생각되어야 한다.
예를 들어, 본 발명의 절삭 가공에 있어서의 절삭 조건의 설계 방법은 밀링 커터 가공 등 고정된 피가공재(2)에 대해, 회전하고 있는 절삭 가공구(1)로 절삭 가공하는 절삭 가공 방법을 사용하여 설명하였지만, 선반 등 회전하는 피가공재(2)에 대해 고정된 절삭 가공구(1)로 절삭 가공하는 절삭 가공 방법에 사용해도 된다.
특히, 금회 개시된 실시 형태에 있어서, 명시적으로 개시되어 있지 않은 사항, 예를 들어 운전 조건이나 조업 조건, 각종 파라미터, 구성물의 치수, 중량, 체적 등은 당업자가 통상 실시하는 범위를 일탈하는 것이 아니라, 통상의 당업자라면 용이하게 상정하는 것이 가능한 값을 채용하고 있다.
본 출원은 2014년 1월 8일 출원의 일본 특허 출원(일본 특허 출원 제2014-1644)에 기초하는 것이고, 그 내용은 여기에 참조로서 포함된다.
1 : 절삭 가공구
2 : 피가공재

Claims (4)

  1. 절삭 가공구를 사용하여 피가공재를 절삭할 때에 필요해지는 절삭 조건을 설계하는 절삭 조건의 설계 방법이며,
    상기 절삭 가공구의 이송 속도와, 상기 절삭 가공구의 축심 방향의 절입량과, 상기 절삭 가공구의 직경 방향의 절입량과, 상기 절삭 가공구의 절삭 속도를 포함하는 설계 파라미터를 사용하여, 상기 절삭 가공구의 휨량을 산출하고,
    산출된 상기 절삭 가공구의 휨량과 소정의 역치를 기초로, 당해 절삭 가공구의 「채터링 진동」이 절삭 가공 시에 발생하는지 여부를 판정하고,
    상기 절삭 가공구의 「채터링 진동」이 발생하지 않는다고 판정된 경우, 상기 절삭 가공구의 이송 속도와, 상기 절삭 가공구의 직경 방향의 절입량으로부터, 상기 피가공재에 대해 허용되는 절취 가능한 절삭 가공구의 최대 절취 두께를 산출하고,
    산출된 상기 최대 절취 두께와, 상기 절삭 가공구의 절삭 속도로부터, 상기 절삭 가공구의 절삭 온도를 산출하고,
    산출된 상기 절삭 가공구의 절삭 온도와 소정의 역치를 기초로, 절삭 가공 시에 있어서의 상기 절삭 가공구의 공구 수명이 충족되는지 여부를 판정하고,
    상기 절삭 가공구의 공구 수명이 충족되는 경우, 절삭 가공 시에 허용되는 상기 절삭 가공구의 절삭 속도의 최댓값과, 상기 절삭 가공구의 이송 속도와, 상기 절삭 가공구의 축심 방향의 절입량과, 상기 절삭 가공구의 직경 방향의 절입량으로부터, 절삭 가공 시에 있어서의 상기 절삭 가공구의 절삭 효율을 산출하고,
    산출된 상기 절삭 가공구의 절삭 효율과, 미리 보존되어 있는 절삭 효율의 데이터를 비교하여, 산출된 상기 절삭 가공구의 절삭 효율이, 상기 절삭 효율의 데이터 내의 최댓값인 경우, 상기 절삭 가공구의 이송 속도와, 상기 절삭 가공구의 축심 방향의 절입량과, 상기 절삭 가공구의 직경 방향의 절입량과, 상기 절삭 가공구의 절삭 속도를, 상기 절삭 조건으로 하는 것을 특징으로 하는, 절삭 가공에 있어서의 절삭 조건의 설계 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 설계 파라미터로서, 상기 절삭 가공구의 형상의 파라미터를 갖고 있는 것을 특징으로 하는, 절삭 가공에 있어서의 절삭 조건의 설계 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 절삭 가공구의 휨량을 하기 식으로 산출하는 것을 특징으로 하는, 절삭 가공에 있어서의 절삭 조건의 설계 방법.
    α＝Fbave/G
    α:휨량(m)
    Fbave: 절삭 가공구의 진동 방향에 있어서의 절삭 저항의 평균값(N)
    G: 절삭 가공구의 진동 방향의 굽힘 강성(N/m)
  4. 제1항에 있어서, 상기 절삭 가공구의 최대 절취 두께를 하기 식으로 산출하는 것을 특징으로 하는, 절삭 가공에 있어서의 절삭 조건의 설계 방법.
    Ctmax ＝fㆍsinθ1
    Ctmax: 절삭 가공구의 최대 절취 두께(㎜)
    f: 절삭 가공구의 이송 속도(㎜/날)
    θ1＝acos((r-dr)/r)
    r: 절삭 가공구의 반경(㎜)
    dr: 절삭 가공구의 직경 방향의 절입량(㎜)
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