TWI677401B - 工具機及其控制裝置 - Google Patents

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TWI677401B
TWI677401B TW105108516A TW105108516A TWI677401B TW I677401 B TWI677401 B TW I677401B TW 105108516 A TW105108516 A TW 105108516A TW 105108516 A TW105108516 A TW 105108516A TW I677401 B TWI677401 B TW I677401B
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北風絢子
Ayako KITAKAZE
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日商西鐵城時計股份有限公司
Citizen Watch Co., Ltd.
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Abstract

本發明係提供一種工具機及該工具機之控制裝置，係除了將工件所產生的切屑依序確實的切斷外，提升完成工件的真圓度，且改善工件加工面的外表面之外觀或粗糙度。
該工具機及該工具機之控制裝置具備有一振動數設定手段，該振動數設定手段係將實行該工件加工時的每一次該相對旋轉的來回振動的振動數，設定為使該切削工具的振動前進與振動復位之間的軌跡的相交部分分散配置於該工件的周面。

Description

工具機及其控制裝置
本發明係關於一邊依次切斷切削加工時的切屑，一邊進行工件加工之工具機，及該工具機之控制裝置。
以往已知有一種工具機，該工具機具備保持工件之工件保持手段；將切削加工該工件之切削工具保持之車刀架；藉由該工件保持手段及該車刀架之相對移動，使切削工具對於工件係往規定之加工進給方向進給作動之進給手段；使該工件保持手段及車刀架相對地振動之振動手段，該振動手段使該切削工具一邊沿著前述加工進給方向來回振動一邊進給於加工進給方向；及使該工件及切削工具相對地旋轉之旋轉手段。
該工具機的控制裝置係驅動控制該旋轉手段、該進給手段、該振動手段，藉由該工件及該切削工具的相對旋轉，及該切削工具對於該工件之進給動作，該進給動作伴隨往該加工進給方向之該來回振動，於該工具機中實施該工件的加工。類似於該習用工具機的實施例請參照專利文獻1日本特許5033929號公報(特別參照段落0049、段落0053及第7圖)。
上述之習知的工具機中，使切削工具振動，以切削工具切斷切屑，惟，完成的工件具有真圓度或工件加工面的外表面之外觀或粗糙度不佳的問題。
因此，本發明係解決前述之先前技術的問題，亦即，本發明之目的係提供一種工具機及該工具機之控制裝置，依序確實的切斷由工件 所產生的切屑，並進一步提升完成之工件的真圓度，且可提升工件加工面的外表面之外觀或粗糙度。
本案申請專利範圍第1項之發明係一種工具機，該工具機具備一工件保持手段，係保持一工件；一車刀架，係保持一切削工具，該切削工具係將該工件切削加工；一進給手段，係藉由該工件保持手段及該車刀架之相對移動，使切削工具相對於工件係往規定之加工進給方向進給並作動；一振動手段，係使該工件保持手段與該車刀架進行相對地於該加工進給方向上的來回振動，該振動的振動前進的切削加工部分與振動復位時的切削加工部分重複；及一旋轉手段，係使該工件及切削工具相對地旋轉，藉由該工件及該切削工具之相對旋轉，及該切削工具對於該工件之進給動作，該進給動作伴隨往該加工進給方向之該來回振動，實行該工件之加工，其特徵在於，具備一振動數設定手段，該振動數設定手段係使對應該切削工具的振動前進與振動復位之間的軌跡所形成的工件表面之預定高度的凹部及凸部，各自分散配置於該工件各個不同相位的位置，並根據該凹部及該凸部之高度差來設定實行該工件加工時的每一次該相對旋轉的來回振動的振動數，藉以解決前述問題。此處，所謂「分散配置」係為第n次旋轉的切削工具軌跡與第n+1次旋轉的切削工具軌跡之間的相交部分，以及第n+2次旋轉的切削工具軌跡與第n+3次旋轉的切削工具軌跡之間的相交部分，於相對旋轉方向偏移配置。即，將相對旋轉方向中分佈的切削工具軌跡的相交部分不集中於特定相位而分散配置。
本案申請專利範圍第2項之發明係除了申請專利範圍第1項記載之工具機的構成以外，該振動數設定手段係為基於工件加工面的粗糙度的最大值及最小值間的差或是最大值，來設定該振動數之構成，藉此以解決前述問題。
本案申請專利範圍第3項之發明係除了申請專利範圍第1或 2項記載之工具機的構成以外，具備設定該來回振動的振幅之一振幅設定手段，解此以解決前述問題。
本案申請專利範圍第4項之發明係一種工具機的控制裝置，該工具機具備一工件保持手段，係保持一工件；一車刀架，係保持一切削工具，該切削工具係將該工件切削加工；一進給手段，係藉由該工件保持手段及該車刀架之相對移動，使切削工具相對於工件係往規定之加工進給方向進給並作動；一振動手段，係使該工件保持手段與該車刀架進行相對地於該加工進給方向上的來回振動，該振動的振動前進的切削加工部分與振動復位時的切削加工部分重複；及一旋轉手段，係使該工件及切削工具相對地旋轉，藉由該工件及該切削工具之相對旋轉，及該切削工具對於該工件之進給動作，該進給動作伴隨往該加工進給方向之該來回振動，實行該工件之加工，其特徵在於，該工具機的控制裝置具備一振動數設定手段，該振動數設定手段係使對應該切削工具的振動前進與振動復位之間的軌跡所形成的工件表面之預定高度的凹部及凸部，各自分散配置於該工件各個不同相位的位置，並根據該凹部及該凸部之高度差來設定實行該工件加工時的每一次該相對旋轉的來回振動的振動數，藉以解決前述問題。
根據本案申請專利範圍1之發明的工具機，切削工具的軌跡的相交部分係於相對旋轉方向中分散配置，且工件加工面的微小凹凸係於相對旋轉方向均一的分散配置，因此可提升完成工件的真圓度，且可提升工件加工面的外表面之外觀或粗糙度。
根據本案申請專利範圍2之發明的工具機，除了申請專利範圍第1項之發明所產生的功效之外，基於工件加工面的粗糙度，來設定振動數的值，因此可以避免經由振動數的變更之工件加工面的粗糙度超出使用者預期之外的惡化。
根據本案申請專利範圍3之發明的工具機，除了申請專利範 圍第1或2項之發明所產生的功效之外，於加工進給方向的切削工具軌跡的相交部分係分散配置，且工件加工面的微小凹凸係於加工進給方向均一分散配置，因此可以更加確實的提升工件加工面的外表面之外觀或粗糙度。
根據本案申請專利範圍4之發明的工具機的控制裝置，於工具機之控制裝置，可得到與申請專利範圍第1項之發明所產生的功效相同的功效。
100‧‧‧工具機
110‧‧‧主軸
110A‧‧‧主軸台
120‧‧‧夾頭
130‧‧‧切削工具
130A‧‧‧切削工具台
150‧‧‧X軸方向進給機構
151‧‧‧車台
152‧‧‧X軸方向導引滑軌
153‧‧‧X軸方向進給台
154‧‧‧X軸方向導件
155‧‧‧線性伺服電動機
155a‧‧‧動子
155b‧‧‧定子
160‧‧‧Z軸方向進給機構
161‧‧‧車台
162‧‧‧Z軸方向導引滑軌
163‧‧‧Z軸方向進給台
164‧‧‧Z軸方向導件
165‧‧‧線性伺服電動機
165a‧‧‧動子
165b‧‧‧定子
C‧‧‧控制裝置
C1‧‧‧控制部
C2‧‧‧數值設定部
W‧‧‧工件
CR‧‧‧工件與切削工具軌跡的相交部分
第1圖：表示本發明之實施例之工具機的概略圖。
第2圖：表示本發明之實施例之切削工具與工件之關係的概略圖。
第3圖：表示本發明之實施例之切削工具於Z軸方向的來回振動及位置之圖。
第4圖：振動數為1.5的情況之主軸第1次旋轉、第2次旋轉、第3次旋轉……之切削工具軌跡的關係圖。
第5a圖：第4圖所示之編號5A-5A處之截面圖。
第5b圖：第4圖所示之編號5B-5B處之截面圖。
第5c圖：第4圖所示之編號5C-5C處之截面圖。
第6圖：表示主軸每1次旋轉的來回振動的振動數所算出之工件外周面算數平均粗糙度Ra與振動數之間的關係圖。
第7圖：振動數為1.44，振幅進給比率為1.0的情況之主軸第1次旋轉、第2次旋轉、第3次旋轉……之切削工具軌跡的關係圖。
第8圖：振動數為1.44，振幅進給比率為2.0的情況之主軸第1次旋轉、第2次旋轉、第3次旋轉……之切削工具軌跡的關係圖。
為讓本發明之上述及其他目的、特徵及優點能更明顯易懂， 下文特舉本發明之實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：
本發明之工具機及該工具機之控制裝置，只要係藉由具備一振動數設定手段，該振動數設定手段係將實行該工件加工時的每一次相對旋轉的來回振動的振動數，設定為使切削工具的振動前進與振動復位之間的軌跡的相交部分分散配置於工件的周面，可以提升完成之工件的真圓度或工件加工面的外表面之外觀或粗糙度，則其具體的實施態樣為何皆可。
第1圖係表示本發明之實施例之具備控制裝置C的工具機100之概略圖。工具機100具備主軸110作為旋轉手段，及切削工具台130A作為車刀架。主軸110之前端設有夾頭120以作為工件保持手段。工件W係藉由夾頭120保持於主軸110。主軸110係被支持於主軸台110A，以藉由未圖示之主軸電動機之動力而旋轉驅動。
主軸台110A係於工具機100之床台側，藉由Z軸方向進給機構160而可自由移動地搭載於作為主軸110之軸線方向之Z軸方向上。主軸110係介著主軸台110A並藉由Z軸方向進給機構160而於前述Z軸方向移動。Z軸方向進給機構160係構成使主軸110於Z軸方向移動之主軸移動機構。
Z軸方向進給機構160係具備車台161及Z軸方向導引滑軌162，該車台161與前述床台等之Z軸方向進給機構160的固定側係為一體，該Z軸方向導引滑軌162係設置於車台161且於Z軸方向延伸。Z軸方向進給台163係介著Z軸方向導件164而可自由滑行地支持於Z軸方向導引滑軌162。Z軸方向進給台163側設置有線性伺服電動機165之動子165a，車台161側設置有線性伺服電動機165之定子165b。
Z軸方向進給台163上搭載有主軸台110A，並藉由線性伺服電動機165之驅動使Z軸方向進給台163於Z軸方向移動驅動。藉由Z軸方向進給台163之移動，主軸台110A係於Z軸方向移動，以進行主軸 110於Z軸方向之移動。
於切削工具台130A裝接有將工件W旋削加工之車刀等之切削工具130。切削工具台130A係於工具機100之床台側，藉由X軸方向進給機構150及未圖示之Y軸方向進給機構而可自由移動地設置於與前述Z軸方向正交之X軸方向、及與前述Z軸方向及X軸方向正交之Y軸方向。藉由X軸方向進給機構150及Y軸方向進給機構，構成使切削工具台130A相對於主軸110，於該X軸方向及Y軸方向移動之車刀架移動機構。
X軸方向進給機構150係具備車台151及X軸方向導引滑軌152，該車台151與X軸方向進給機構150的固定側係為一體，該X軸方向導引滑軌152係設置於車台151且於X軸方向延伸。X軸方向進給台153係介著X軸方向導件154而可自由滑行地支持於X軸方向導引滑軌152。
X軸方向進給台153側設置有線性伺服電動機155之動子155a，車台151側設置有線性伺服電動機155之定子155b。藉由線性伺服電動機155之驅動使X軸方向進給台153於X軸方向移動驅動。又，Y軸方向進給機構係為將X軸方向進給機構150配置於Y軸，與X軸方向進給機構150係相同構造，故省略關於構造之詳細說明。
第1圖中，將X軸方向進給機構150介著未圖示之Y軸方向進給機構搭載於前述床台側，且切削工具台130A搭載於X軸方向進給台153。切削工具台130A係藉由X軸方向進給台153之移動驅動而於X軸方向移動，並藉由Y軸方向進給機構對於Y軸方向進行與X軸方向進給機構150同樣的動作，以於Y軸方向移動。
又，亦可將未圖示之Y軸方向進給機構介著X軸方向進給機構150搭載於前述床台側，並於Y軸方向進給機構側搭載切削工具台130A，藉由Y軸方向進給機構及X軸方向進給機構150使切削工具台130A於X軸方向及Y軸方向移動之構造係屬習知，故省略詳細之說明及圖示。
該車刀架移動機構(X軸方向進給機構150及Y軸方向進給機構)及該主軸移動機構(Z軸方向進給機構160)係聯合作動，切削工具台130A藉由X軸方向進給機構150與Y軸方向進給機構於X軸方向及Y軸方向移動，及主軸台110A(主軸110)藉由Z軸方向進給機構160於Z軸方向移動，藉此使裝接於切削工具台130A之切削工具130相對於工件W係相對地進給至任意的加工進給方向。
藉由該主軸移動機構及該車刀架移動機構所構成之進給手段，使切削工具130相對於工件W係相對地進給至任意的加工進給方向，藉此則如第2圖所示，工件W係藉由該切削工具130被切削加工為任意的形狀。
又，本實施形態中，係構成使主軸台110A及切削工具台130A兩者移動，但亦可構成使主軸台110A固定於工具機100之床台側而不移動，並構成車刀架移動機構使切削工具台130A於X軸方向、Y軸方向、Z軸方向移動。此時，前述進給手段係由使切削工具台130A於X軸方向、Y軸方向、Z軸方向移動之車刀架移動機構所構成，藉由使切削工具台130A相對於固定地定位並旋轉驅動之主軸110移動，可使前述切削工具130對工件W進行加工進給動作。
又，亦可構成使切削工具台130A固定於工具機100之床台側而不移動，並使主軸台110A於X軸方向、Y軸方向、Z軸方向移動來構成主軸移動機構。此時，前述進給手段係由使主軸台110A於X軸方向、Y軸方向、Z軸方向移動之主軸台移動機構所構成，藉由使主軸台110A相對於固定地定位之切削工具台130A移動，可使前述切削工具130對工件W進行加工進給動作。又，本實施形態中，雖然構成使工件W相對於切削工具130旋轉，惟，亦可構成使切削工具130相對於工件W旋轉。
主軸110之旋轉、Z軸方向進給機構160、X軸方向進給機 構150、Y軸方向進給機構係藉由控制裝置C所具有之控制部C1驅動控制。控制部C1係預先設定為控制各進給機構作為振動手段，係沿著各自對應之移動方向一邊來回振動，一邊使主軸台110A或切削工具台130A於各自的方向移動。
各進給機構係藉由控制部C1之控制，如第3圖所示，將主軸110或切削工具台130A於1次來回振動中，僅在規定的前進量內前進(振動前進)移動後，僅在規定的後退量內後退(振動復位)，於該差之進行量內於各移動方向移動，並聯合作動使該切削工具130相對於工件W作為該加工進給方向，於Z軸方向進給。
工具機100係藉由Z軸方向進給機構160、X軸方向進給機構150、Y軸方向進給機構，使切削工具130沿著該加工進給方向一邊來回振動，一邊以主軸一次旋轉的份，也就是主軸相位從0度變化至360度之前述進行量之合計量來作為進給量，以進給至加工進給方向，藉此進行工件W之加工。
於工件W旋轉之狀態，主軸台110A(主軸110)或切削工具台130A(切削工具130)係一邊來回振動一邊移動，並經由切削工具130將工件W外形切削加工成規定之形狀時，工件W的周面如第4圖所示，切削成正弦曲線狀。且，通過正弦曲線狀的波谷的假想線中(一點鏈線)，將主軸相位從0度變化至360度時位置的變化量，顯示為該進給量。如第4圖所示，工件W的每一次旋轉之主軸台110A(主軸110)或切削工具台130A的振動數N係以1.5次(振動數N=1.5)為例來說明。
此時，相對於藉由第1次旋轉(第n次旋轉：n為1以上的整數)的切削工具130所旋削的形狀之相位波谷最低點(實線波形圖表的波峰頂點)，第2次旋轉的切削工具130所旋削的工件周面形狀之相位波谷最低點(作為藉由切削工具130於進給方向最被切削的點之虛線波形圖表 的波峰頂點)的位置係，於主軸相位方向(圖表橫軸方向)偏移。
藉此，切削工具130振動前進時的切削加工部分，與振動復位時的切削加工部分具有一部分重複，第n+1次旋轉工件周面的切削部分中包含第n次旋轉已切削完成的部分，並於振動切削時加工進給方向中切削工具130不切削工件W而產生所謂空振的動作。於切削加工時，工件W所產生的切屑藉由該空振動作依次切斷。工具機100係藉由沿著切削工具130的切削進給方向的該來回振動，可一邊切斷切屑一邊順暢的進行工件的外型切削加工。
藉由切削工具130的該來回振動來依序切斷切屑時，於工件周面第n+1次旋轉的切削部分中，包含第n次旋轉已切削完成的部分即可。換言之，工件周面第n+1次旋轉中(n為1以上的整數)振動復位時切削工具130的軌跡係到達工件周面第n次旋轉時切削工具130的軌跡即可。
如第4圖所示，振動數N=1.5的情況，工件W與切削工具130軌跡的相交部分CR係於加工進給方向上聚集於主軸相位的數個規定相位。第5a圖係為第4圖中5A-5A的截面，第5b圖係為第4圖中5B-5B的截面，第5c圖係為第4圖中5C-5C的截面，不管哪一個皆顯示工件W加工面的起伏。如第5a圖至第5c圖所示，切削工具130相對於工件W的徑向不進行振動，並於加工進給方向的Z軸方向進行振動的情況，工件W中，切削工具130的前端所通過的地方形成凹部(切削了工件W的表面之故)，切削工具130的軌跡彼此之間則形成凸部(工件W的表面切削處與切削處之間未被切削之故)。如第5a圖所示，相交部分CR所集中的規定相位中(第4圖的5A-5A)，切削工具130的軌跡彼此之間，與第5b圖及第5c圖相比還要寬，故凸部與凹部的差，與第5b圖及第5c圖相比還要大。
且，凸部的高度與第5b圖及第5c圖相比還要高。工件W加工面的表面粗糙度的主因之凹部與凸部係以不同的高度配置於主軸相位 方向。凹部與凸部的差並未均一配置，而是不均勻的配置。如第6圖所示，由振動數所算出的工件W加工面的一粗糙度規格之算數平均粗糙度Ra係對應於振動數而變化。
本實施例的工具機100中，控制裝置C的控制部C1以及數值設定部C2係構成設定主軸每一次旋轉之來回振動的振動數作為參數之設定手段，藉由使用者透過進給量、主軸旋轉數、振動數N、數值設定部C2等，來設定控制部C1。又，控制部C1係具備振動數設定手段，該振動數設定手段係藉由設定手段將設定的參數基於後述的振動切削規定條件來設定。
控制部C1係基於藉由設定手段所設定的參數等來做計算，並判定算數平均粗糙度Ra作為規定條件是否未滿規定的容許值。例如，判定算數平均粗糙度Ra的最大值與最小值之差是否未滿設定之第1規定容許值，且判定算數平均粗糙度Ra的最大值是否未滿設定之第2規定容許值。兩者之中任一個為規定容許值以上時，則控制部C1係構成為設定振動數N以使兩者未滿於規定容許值。
第6圖為將算數平均粗糙度Ra作為粗糙度的規格，以每一次旋轉的振動數作為橫軸來將工件加工面的粗糙度作圖之結果。作為一例，振動數N=1.5的情況，工件周面的Ra之中的最大值(Ra最大：實線)與最小值(Ra最大：虛線)之差增加。該振動數N=1.5之振動條件時的表示Ra最大值之處係為如第5a圖，凸部和凹部的差係為大之工件加工面之狀態。表示Ra最小值之處係為如第5c圖，凸部和凹部的差係為小之工件加工面之狀態。控制部C1係為，朝例如振動數N=1.5所得之算數平均粗糙度Ra的最大值與最小值之差為減小之側(例如第6圖中振動數N=1.5左側位置之稍小振動數)變更振動數，並設定振動數為該差值變為最小之值N=1.44。藉由控制部C1的振動數之設定，如第7圖所示，切削工具130 軌跡的相交部分CR係分散配置於主軸相位方向(也就是工件的周面)。即，切削工具130軌跡的相交部分CR係互相偏移的配置於主軸相位方向，切削工具130軌跡的相交部分CR之工件周面上的疏密分布係於主軸相位方向均一化。也就是，工件加工面的凸部與凹部的差異減小。藉由該振動數的設定，因為於振動數設定前後振動數N的值的變化量較小，可以改善工件加工面的粗糙度而不會引起大變化量的振動數N變更。
又，工件加工面的粗糙度係使用算數平均粗糙度Ra，惟，使用其他的粗糙度規格(最大粗糙度Rz等)亦可。
除了控制部C1的振動數之設定以外，藉由具備進行來回振動振幅的設定之振幅設定手段，如第8圖所示，切削工具130軌跡的相交部分CR亦分散配置於加工進給方向，切削工具130軌跡的疏密亦分散於加工進給方向。即，切削工具130軌跡的相交部分CR亦往加工進給方向偏移配置，並加上相交部分CR往主軸相位方向的疏密分布之均一化，可謀求往加工進給方向的疏密分布之均一化，可減小切削工具130於加工進給方向的軌跡的間隔差。具體上來說控制部C1根據以振幅除以進給量的值之振幅進給比率，來設定來回振動的振幅的情況，藉由變更振幅進給比率來變更來回振動的振幅。例如，將振幅進給比率由1.0變更到2.0亦可。藉此，切削工具130軌跡的相交部分CR被分散至主軸相位方向與加工進給方向之兩方向，於工件加工面上的規定方向(例如第8圖顯示的線L的方向)切削工具130軌跡的間隔之差減小，前述之凸部的高處部分減低，且分散凸部配置的疏密，故可更進一步改善工件加工面的粗糙度。
雖然本發明已利用上述實施例揭示，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者在不脫離本發明之精神和範圍之內，相對上述實施例進行各種更動與修改仍屬本發明所保護之技術範疇，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

Claims (4)

  1. 一種工具機，該工具機包含：一工件保持手段，係保持一工件；一車刀架，係保持一切削工具，該切削工具係將該工件切削加工；一進給手段，係藉由該工件保持手段及該車刀架之相對移動，使切削工具相對於工件係往規定之加工進給方向進給並作動；一振動手段，係使該工件保持手段與該車刀架進行相對地於該加工進給方向上的來回振動，該振動的振動前進的切削加工部分與振動復位時的切削加工部分重複；及一旋轉手段，係使該工件及切削工具相對地旋轉，藉由該工件及該切削工具之相對旋轉，及該切削工具對於該工件之進給動作，該進給動作伴隨往該加工進給方向之該來回振動，實行該工件之加工，其特徵在於，具備一振動數設定手段，該振動數設定手段係使對應該切削工具的振動前進與振動復位之間的軌跡所形成的工件表面之預定高度的凹部及凸部，各自分散配置於該工件各個不同相位的位置，並根據該凹部及該凸部之高度差來設定實行該工件加工時的每一次該相對旋轉的來回振動的振動數。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之工具機，其中，該振動數設定手段係為基於工件加工面的粗糙度的最大值及最小值間的差或是最大值，來設定該振動數。
  3. 如申請專利範圍第1或2項所述之工具機，其中，具備一振幅設定手段，該振幅設定手段係設定該來回振動的振幅。
  4. 一種工具機的控制裝置，該工具機具備：一工件保持手段，係保持一工件；一車刀架，係保持一切削工具，該切削工具係將該工件切削加工；一進給手段，係藉由該工件保持手段及該車刀架之相對移動，使切削工具相對於工件係往規定之加工進給方向進給並作動；一振動手段，係使該工件保持手段與該車刀架進行相對地於該加工進給方向上的來回振動，該振動的振動前進的切削加工部分與振動復位時的切削加工部分重複；及一旋轉手段，係使該工件及切削工具相對地旋轉，藉由該工件及該切削工具之相對旋轉，及該切削工具對於該工件之進給動作，該進給動作伴隨往該加工進給方向之該來回振動，實行該工件之加工，其特徵在於，該工具機的控制裝置具備一振動數設定手段，該振動數設定手段係使對應該切削工具的振動前進與振動復位之間的軌跡所形成的工件表面之預定高度的凹部及凸部，各自分散配置於該工件各個不同相位的位置，並根據該凹部及該凸部之高度差來設定實行該工件加工時的每一次該相對旋轉的來回振動的振動數。
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