WO2008001735A1 - Appareil de forage à grande profondeur - Google Patents

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hole machining
tool mark
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Rimpei Kawashita
Kazuo Hirota
Hitoshi Kaguchi
Yoshitake Kasubata
Akio Kambe
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Mitsubishi Heavy Industries, Ltd.
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Definitions

  • the present invention relates to a deep hole machining apparatus for preventing the progress of tool marks during machining.
  • a tool used for such deep hole machining has a small diameter and a long length according to a desired hole shape to be machined into a workpiece. However, if the tool is long in this way, radial deflection may occur at the tip of the tool, and deep hole machining may not be performed with high accuracy.
  • Patent Document 1 Japanese Patent Laid-Open No. 7-51992
  • Patent Document 2 Japanese Patent Laid-Open No. 2003-159607
  • Patent Document 3 Japanese Patent No. 3026555
  • the present invention solves the above-described problems, and an object thereof is to provide a deep hole machining apparatus that can prevent the progress of tool marks.
  • a deep hole machining apparatus for solving the above-mentioned problems is as follows.
  • Vibration detecting means for detecting vibration of the tool during deep hole machining
  • a tool mark judging means for judging that a tool mark has occurred in the deep hole
  • Control means for controlling the rotational speed and feed rate of the tool based on the determination of the tool mark determination means
  • a deep hole machining apparatus for solving the above-mentioned problems is as follows.
  • the tool mark determination means determines that a tool mark has occurred in the deep hole only when the overall value exceeds a threshold value for a predetermined time continuously.
  • a deep hole machining apparatus for solving the above-mentioned problem is as follows.
  • the tool mark determination means starts determination when the rotational speed of the tool reaches a rated rotational speed.
  • a deep hole machining apparatus for solving the above-mentioned problems is as follows.
  • the tool mark determination means starts determination when the motor current for rotationally driving the tool reaches a rated current.
  • a deep hole machining apparatus for solving the above-mentioned problem is as follows.
  • the tool mark determination means starts determination when a thrust load caused by contact of the tool with a workpiece reaches a rated thrust load.
  • a deep hole machining apparatus for solving the above-mentioned problems is as follows.
  • the tool mark determination means determines whether a tool mark has occurred in the deep hole. If it is determined by the tool mark determination means that a tool mark has occurred in the deep hole, the overall frequency value obtained at this time is stored.
  • a deep hole machining apparatus for solving the above-mentioned problems is as follows.
  • the overall Multiply the control value by the desired safety factor to obtain a new threshold value, and use the new threshold value for the next machining condition.
  • a tool that rotates to machine a deep hole in the workpiece, and a vibration detection that detects vibration of the tool during the deep hole machining. And the vibration detected by the vibration detection means are frequency-analyzed, and the overall value of the frequency in the frequency region other than the frequency of the torsional natural frequency that is always generated during deep hole machining is preset.
  • a tool mark determining means for determining that a tool mark has occurred in the deep hole when a threshold value is exceeded, and a control means for controlling the rotational speed and feed speed of the tool based on the determination of the tool mark determining means.
  • the tool mark determination means has an overall value continuously exceeding a threshold value for a predetermined time.
  • the tool mark determination means is configured such that the rotation speed of the tool reaches a rated rotation speed.
  • the tool mark determination means has a rated motor current for rotationally driving the tool.
  • the deep hole machining apparatus according to the fifth invention, the deep hole machining according to the first or second invention.
  • the tool mark determination means starts the determination when the thrust load caused by the contact of the tool with the workpiece reaches the rated thrust load, thereby aligning the workpiece with the tool at the machining start time. Even if the vibration increases and exceeds the threshold value at all frequencies due to the collision caused by, erroneous determination can be prevented.
  • a tool mark is generated in the deep hole by the tool mark determination means. If the frequency analysis data is the same as the previous frequency analysis data, the saved frequency domain is automatically set by saving the frequency domain from which the overall value was obtained. Therefore, even if the frequency range for which the overall value is calculated changes depending on the machining conditions such as workpiece material and tool shape, it can be handled immediately.
  • the threshold value for each time can be obtained. Can be determined. It is also possible to automatically cope with changes in acceleration level due to changes in machining conditions such as workpiece materials and tool shapes.
  • FIG. 1 is a schematic view of a deep hole machining apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a diagram showing the result of acceleration frequency analysis.
  • FIG. 3 is a diagram showing a frequency analysis result of acceleration when a tool mark is generated.
  • FIG. 4 is a diagram showing the temporal variation of the overall value.
  • FIG. 5 is a diagram showing another threshold setting method.
  • FIG. 6 is a schematic view of a deep hole machining apparatus according to another embodiment of the present invention.
  • Fig. 1 is a schematic diagram of a deep hole machining apparatus according to an embodiment of the present invention
  • Fig. 2 is a diagram showing the result of frequency analysis of acceleration
  • Fig. 3 is a result of frequency analysis of acceleration when a tool mark is generated.
  • Fig. 4 is a diagram showing temporal variation of the overall value
  • Fig. 5 is a diagram showing another threshold setting method
  • Fig. 6 is a schematic diagram of a deep hole machining apparatus according to another embodiment of the present invention. is there.
  • a 5-axis BTA (Boring and Trepanning Association) Caloe machine 1 which is a deep hole machining apparatus shown in Fig. 1 performs deep hole machining on a workpiece (workpiece) W.
  • the five-axis BTA processing machine 1 is provided with five hollow boring bars 11, and a tool 12 is provided at the tip of the boring bar 11.
  • the boring bar 11 is supported by the support member 13 in a penetrating manner.
  • a cylindrical pressure head 15 is passed through the support member 13, and a sliding bearing (not shown) is provided in the pressure head 15. That is, the boring bar 11 is supported so as to be rotatable and movable in the axial direction.
  • the 5-axis BTA processing machine 1 is provided with a servo motor 16 for rotationally driving the boring bar 11 and a ball screw mechanism 17 for moving the boring bar 11 in the axial direction.
  • An NC (numerical control) device 18 is connected to the ball screw mechanism 17.
  • An accelerometer (vibration detecting means) 19 is provided on the tip slope of the pressure head 15, and an NC device 18 is connected to the accelerometer 19 via a monitoring device (tool mark determining means) 20. .
  • the 5-axis BTA force gauge 1 is arranged so as to press the tip of the pressure head 15 to a predetermined position of the workpiece W. Then, the servo motor 16 and the ball screw mechanism 17 are driven to give a predetermined rotational speed and feed speed to the tool 12 through the boring bar 11. Thereby, the deep hole Wa having a desired hole depth and hole diameter can be covered with the work W. Further, when the deep hole Wa is caulked, cutting oil is also supplied to the tip of the tool 12 by an oil supply device force (not shown), and chips and cutting oil scraped by the tool 12 are The tool 12 is discharged through the hollow space of the boring bar 11.
  • vibration generated in each boring bar 11 is detected as acceleration by the accelerometer 19 via the corresponding pressure head 15. Then, the detected acceleration signal is sent to the monitoring device 20.
  • the monitoring device 20 analyzes the frequency of the acceleration signal using Fourier transform, and outputs the frequency analysis of the acceleration corresponding to each boring bar 11 as shown in FIG.
  • torsional vibration since cutting resistance is applied to the boring bar 11 (tool 12) during machining, torsional vibration always occurs in the boring bar 11.
  • the acceleration changes drastically at frequencies near the frequency f and near the frequency 2f, and it is known that the components at these frequencies are vibration components due to torsional vibration.
  • the peak of the torsional natural frequency is one, but as shown in Fig. 2, the peak of the component modulated by the rotational speed (torsional natural frequency, earth speed) is generated, or the waveform is distorted.
  • a peak occurs at a frequency twice that of the torsional natural frequency.
  • the torsional natural frequencies around the frequency f and around the frequency 2f are referred to as T component and 2T component below.
  • the whirling vibration component increases in the frequency region below the T component.
  • the vibration component in the frequency region between the T component and the 2T component also increases due to the vibration component modulated by the vibration component caused by the torsional natural vibration.
  • accelerometers can detect vibrations more sensitively in the high-frequency region, so it is necessary to avoid peaks in the frequency region below the T component.
  • the peak in the frequency domain between the T and 2T components is often larger.
  • a threshold value (indicated by a two-dot chain line in the figure) for the overall value is set in the monitoring device 20 in advance, and the monitoring device 20 is calculated. It is determined whether the overall value exceeds a threshold value. Here, if the overall value does not exceed the threshold value, deep hole drilling is continued. On the other hand, if the overall value exceeds the threshold value ⁇ , it is determined whether a ball mark has occurred in the deep hole Wa corresponding to the boring bar 11 of V or deviation, and then an alert is sent from the monitoring device 20 to the NC device 18. Is sent.
  • the NC device 18 to which the alarm signal is input sends a stop signal to the servo motor 16 and the ball screw mechanism 17, and sequentially stops the rotation and feed of all the boring bars 11 (tool 12).
  • the boring bar 11 stops driving the tool 12 corresponding to the deep hole Wa in which the tool mark is generated is replaced with a new one by the operator, and deep hole machining is performed again at the same rotation speed and feed speed.
  • the deep hole machining apparatus of the present invention after determining the occurrence of a tool mark, the tool mark is prevented from progressing immediately by changing to a condition in which the tool mark is unlikely to occur. can do.
  • the T component and 2T of the torsional natural frequency that are always generated during machining are compared to the case where analysis is performed using the time history waveform of vibration. This makes it easy to discriminate between the component and the vibration component caused by the swinging natural frequency that occurs only when the tool mark is formed. Also, since the overall value in the frequency region between the T component and 2T component is obtained, it occurs regardless of the presence or absence of tool mark formation. The T component and 2T component are not affected. As a result, tool mark occurrence can be easily determined.
  • frequency analysis is performed using wavelet transform, which is not Fourier transform. As a result, both time information and frequency information can be analyzed simultaneously, so that the tool mark can be easily determined.
  • the frequency to be subjected to tool mark determination is to be the entire frequency region between the ⁇ component and the 2 ⁇ component. Narrow down only to the vicinity of the frequency, and determine the occurrence of tool marks. As a result, it is possible to accurately detect the whirling vibration caused by the occurrence of the tool mark.
  • the motor current also increases as the rotational torque of the servo motor 16 increases, so the overall value exceeds the threshold value and the servo motor It may be determined that a tool mark has occurred when 16 is the rated current value.
  • the boring through the tool 12 Because a larger thrust load is applied to the bar 11 than during machining, a tool mark is generated when the overall value exceeds the threshold value ⁇ and the thrust load applied to the boring bar 11 is the rated thrust load. You may make it determine.
  • the maximum overall value after a predetermined time from the start of machining is obtained from the acceleration level when machining can be performed without generating tool marks, and the safety factor is calculated for each maximum value. Save the value multiplied by (for example, 1.5) as the threshold value / 3 (indicated by a two-dot chain line in the figure).
  • the stored threshold value is automatically set. As a result, it is possible to make a highly accurate determination by obtaining a threshold value for each time. In addition, even when the acceleration level changes due to changes in machining conditions such as workpiece materials and tool shapes, it can be automatically handled.
  • the NC device 18 to which the alarm signal is input causes the servo motor 16 to reduce the rotational speed.
  • the swinging natural frequency and the bending natural frequency can be shifted, so that the vibration of the boring bar 11 can be reduced and the progress of the tool mark can be prevented.
  • the NC device 18 to which the alarm signal is input makes the feed speed of the ball screw mechanism 17 slow. Thereby, the self-excited vibration of the boring bar 11 due to the tool mark is eliminated, and the progress of the tool mark can be prevented.
  • the NC device 18 to which the alarm signal has been input applies high-frequency vibration in the axial direction of the boring bar 11 by an electromagnetic vibrator or the like (not shown).
  • an electromagnetic vibrator or the like not shown.
  • An accelerometer 19 may be provided on the tool 12 as in the 5-axis BTA force machine 2 shown in FIG.
  • the accelerometer 19 is connected to the telemeter 21 provided on the boring bar 11 and the cable 2
  • the telemeter 21 transmits the acceleration signal by radio. Thereby, vibration can be detected with high accuracy.
  • a slip ring may be provided instead of the telemeter 21 to reduce noise.
  • a strain gauge is provided in place of the accelerometer 19 for detecting the vibration of the boring bar 11, and the occurrence of the tool mark is determined from the level of response.
  • a displacement sensor is provided instead of the accelerometer 19 so that tool mark occurrence is determined in a frequency region lower than the frequency region between the T component and 2T component of the torsional natural frequency.
  • an encoder for detecting the rotation speed of the boring bar 11 and an electromagnetic pickup using a gear are provided so that the occurrence of a roll mark is determined from the change in the rotation speed of the boring bar 11.
  • a microphone for measuring the cutting sound is provided, and the occurrence of the tool mark is determined from the change in the cutting sound.
  • the present invention is applicable when deep hole machining is performed using an NC machine tool.

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Description

深穴加工装置
技術分野
[0001] 本発明は、加工中におけるツールマークの進展を防止する深穴加工装置に関する 背景技術
[0002] 一般に、ワーク (被加工物）に穴開け加工を行う場合には、ドリル等の工具をチヤッ ク等の工具保持部材に装着し、その工具を回転させながら開孔を行う方法が多く用 レ、られている。近年、様々な製品において小型化が図られており、この製品を構成す る各部品にも小型化が要求されている。そして、これらの部品に行われる穴開け加工 も、小型化に伴って、小径で、且つ、深穴となることが多ぐ高精度であることが要求さ れている。
[0003] 特に、（穴深さ/穴径）の比が大きい穴開け加工は深穴加工と称せられており、この 深穴加工においては、従来力ら、ガンドリルシステムや BTA (Boring and Trepanning Association)システム等の加工方法が知られている。このような深穴加工に用いられ る工具は、ワークに加工する所望の穴形状に応じて小径で、且つ、長尺に形成され ている。し力 ながら、このように工具が長尺になると、工具先端に径方向の振れが発 生してしまい、高精度に深穴加工を行うことができないことがあった。
[0004] そこで、従来から、深穴加工時において工具の振れを低減し、精度よく深穴を加工 するための深穴加工装置が提供されている。このような、従来の深穴加工装置は、例 えば、特許文献 1乃至 3に開示されている。
[0005] 特許文献 1 :特開平 7— 51992号公報
特許文献 2 :特開 2003— 159607号公報
特許文献 3：特許第 3026555号公報
発明の開示
発明が解決しょうとする課題
[0006] ここで、深穴加工中においては、ツールマークと称されるらせん状の傷が発生する こと力 Sある。このツールマークは工具先端の振れ回り振動によって深穴の内周面に形 成されるものである。
[0007] 工具では、その長さに応じた曲げ固有振動数が存在し、この曲げ固有振動数と、回 転数の X倍で加わる励振力の周波数とがー致したときに、振れ回り振動が起こり易い 状態となる。一旦、振れ回り振動が発生してツールマークが生じると、このツールマー クの影響により更に振れ回り振動が発散してレ、く現象（自励振動）が起こり、ツールマ ークは進展していく。
[0008] また、深穴加工では、工具の突出量が大きく変化し、それに伴い工具の振れ回り振 動の振動数も広く変化する。従って、振れ回り振動の原因となる曲げ振動の曲げ固 有振動数と、励振力となる回転数の X倍の周波数成分とは、加工中に一度は一致す ることになる力 、ツールマークの発生を防止することは困難であると考えられる。
[0009] そこで、ツールマークに対しては、ツールマーク発生後直ぐに検出し、ツールマーク が発生しない加工条件に変更することが得策であると考えられる。し力しながら、従来 の深穴加工装置においては、ツールマーク発生に関し、何ら対策を講じてはいなか つに。
[0010] 従って、本発明は上記課題を解決するものであって、ツールマークの進展を防止す ることができる深穴加工装置を提供することを目的とする。
課題を解決するための手段
[0011] 上記課題を解決する第 1の発明に係る深穴加工装置は、
回転駆動して被カ卩ェ物に深穴をカ卩ェする工具と、
深穴加工中に前記工具の振動を検出する振動検出手段と、
前記振動検出手段が検出した振動を周波数分析し、深穴加工中に常に発生する ねじり固有振動数の周波数以外の周波数領域における振動数のオーバオール値が 、予め設定された閾値を超えると、前記深穴にツールマークが発生したと判定するッ ールマーク判定手段と、
前記ツールマーク判定手段の判定に基づいて前記工具の回転数及び送り速度を 制御する制御手段とを備える
ことを特徴とする。 [0012] 上記課題を解決する第 2の発明に係る深穴加工装置は、
第 1の発明に係る深穴加工装置において、
前記ツールマーク判定手段は、オーバオール値が所定時間連続して閾値を超えた 場合のみ前記深穴にツールマークが発生したと判定する
ことを特徴とする。
[0013] 上記課題を解決する第 3の発明に係る深穴加工装置は、
第 1または第 2の発明に係る深穴加工装置において、
前記ツールマーク判定手段は、前記工具の回転数が定格回転数になると判定を開 始する
ことを特徴とする。
[0014] 上記課題を解決する第 4の発明に係る深穴加工装置は、
第 1または第 2の発明に係る深穴加工装置において、
前記ツールマーク判定手段は、前記工具を回転駆動させるモータ電流が定格電流 になると判定を開始する
ことを特徴とする。
[0015] 上記課題を解決する第 5の発明に係る深穴加工装置は、
第 1または第 2の発明に係る深穴加工装置において、
前記ツールマーク判定手段は、前記工具の被加工物との接触によるスラスト荷重が 定格スラスト荷重になると判定を開始する
ことを特徴とする。
[0016] 上記課題を解決する第 6の発明に係る深穴加工装置は、
第 1乃至第 5のレ、ずれかの発明に係る深穴加工装置にぉレ、て、
前記ツールマーク判定手段により前記深穴にツールマークが発生したと判定される と、このときのオーバオール値を求めた周波数領域を保存する
ことを特徴とする。
[0017] 上記課題を解決する第 7の発明に係る深穴加工装置は、
第 1の発明に係る深穴加工装置において、
オーバオール値が閾値を超えないまま深穴加工が終了した場合には、該オーバォ ール値に所望の安全率を乗じて新たな閾値を求め、次回の同じ加工条件のときに該 新たな閾値を用レ、て判定する
ことを特徴とする。
発明の効果
[0018] 第 1の発明に係る深穴加工装置によれば、回転駆動して被カ卩ェ物に深穴を加工す る工具と、深穴加工中に前記工具の振動を検出する振動検出手段と、前記振動検 出手段が検出した振動を周波数分析し、深穴加工中に常に発生するねじり固有振 動数の周波数以外の周波数領域における振動数のオーバオール値が、予め設定さ れた閾値を超えると、前記深穴にツールマークが発生したと判定するツールマーク判 定手段と、前記ツールマーク判定手段の判定に基づいて前記工具の回転数及び送 り速度を制御する制御手段とを備えることにより、検出した振動を周波数分析してッ ールマーク発生を判定した後、直ちに、このツールマークが発生しにくい条件に変更 することにより、ツールマークの進展を防止することができる。
[0019] 第 2の発明に係る深穴加工装置によれば、第 1の発明に係る深穴加工装置におい て、前記ツールマーク判定手段は、オーバオール値が所定時間連続して閾値を超え た場合のみ前記深穴にツールマークが発生したと判定することにより、外乱等により 瞬時に振動が増加する場合があっても、誤判定を防止することができる。
[0020] 第 3の発明に係る深穴加工装置によれば、第 1または第 2の発明に係る深穴加工 装置において、前記ツールマーク判定手段は、前記工具の回転数が定格回転数に なると判定を開始することにより、加工開始時期における被加工物と前記工具との位 置合わせによる衝突によって、全ての周波数において振動が増加して閾値を超えて も、誤判定を防止することができる。
[0021] 第 4の発明に係る深穴加工装置によれば、第 1または第 2の発明に係る深穴加工 装置において、前記ツールマーク判定手段は、前記工具を回転駆動させるモータ電 流が定格電流になると判定を開始することにより、加工開始時期における被カ卩ェ物と 前記工具との位置合わせによる衝突によって、全ての周波数において振動が増加し て閾値を超えても、誤判定を防止することができる。
[0022] 第 5の発明に係る深穴加工装置によれば、第 1または第 2の発明に係る深穴加工 装置において、前記ツールマーク判定手段は、前記工具の被加工物との接触による スラスト荷重が定格スラスト荷重になると判定を開始することにより、加工開始時期に おける被加工物と前記工具との位置合わせによる衝突によって、全ての周波数にお レ、て振動が増加して閾値を超えても、誤判定を防止することができる。
[0023] 第 6の発明に係る深穴加工装置によれば、第 1乃至第 5のいずれかの発明に係る 深穴加工装置において、前記ツールマーク判定手段により前記深穴にツールマーク が発生したと判定されると、このときのオーバオール値を求めた周波数領域を保存す ることにより、前回と同じ周波数分析データであった場合には、保存していた前記周 波数領域を自動設定することができるので、ワーク材料や工具形状等の加工条件に 応じてオーバオール値を求める周波数領域が変化しても即座に対応することができ る。
[0024] 第 7の発明に係る深穴加工装置によれば、第 1の発明に係る深穴加工装置におい て、オーバオール値が閾値を超えないまま深穴加工が終了した場合には、該オーバ オール値に所望の安全率を乗じて新たな閾値を求め、次回の同じ加工条件のときに 該新たな閾値を用いて判定することにより、時間ごとの閾値が求めることができるので 、高精度の判定をすることができる。また、ワーク材料や工具形状等の加工条件の変 更によつて加速度レベルが変化した場合にも自動的に対応することができる。
図面の簡単な説明
[0025] [図 1]本発明の一実施例に係る深穴加工装置の概略図である。
[図 2]加速度の周波数分析結果を示した図である。
[図 3]ツールマークが発生したときの加速度の周波数分析結果を示した図である。
[図 4]オーバオール値の時間変動を示した図である。
[図 5]他の閾値の設定方法を示した図である。
[図 6]本発明の他の実施例に係る深穴加工装置の概略図である。
符号の説明
[0026] 1 , 2 5軸 BTAカ卩ェ機、 11 ボーリングバー、 12 工具、 13 支持部材、 15 プレツシャヘッド、 16 サーボモータ、 17 ボールスクリュー機構、 18 NC装 置、 19 加速度計、 20 モニタリング装置、 21 テレメータ、 22 ケーブル、 W ワーク、 Wa 深穴
発明を実施するための最良の形態
[0027] 以下、本発明に係る深穴加工装置について図面を用いて詳細に説明する。図 1は 本発明の一実施例に係る深穴加工装置の概略図、図 2は加速度の周波数分析結果 を示した図、図 3はツールマークが発生したときの加速度の周波数分析結果を示した 図、図 4はオーバオール値の時間変動を示した図、図 5は他の閾値の設定方法を示 した図、図 6は本発明の他の実施例に係る深穴加工装置の概略図である。
[0028] 図 1に示す深穴加工装置である 5軸 BTA (Boring and Trepanning Association)カロ ェ機 1はワーク（被加工物） Wに深穴加工を行うものである。 5軸 BTA加工機 1には 5 本の中空状のボーリングバー 11が設けられており、このボーリングバー 11の先端に は工具 12が設けられている。そして、ボーリングバー 11は支持部材 13に貫通支持さ れている。支持部材 13内には筒状のプレツシャヘッド 15が貫通されており、このプレ ッシャヘッド 15内には図示しないすベり軸受けが設けられている。即ち、ボーリングバ 一 11は回転可能で、且つ、軸方向に移動可能に支持されている。
[0029] また、 5軸 BTA加工機 1には、ボーリングバー 11を回転駆動させるサーボモータ 16 と、ボーリングバー 11を軸方向に移動させるボールスクリュー機構 17とが設けられて おり、このサーボモータ 16及びボールスクリュー機構 17には NC (数値制御）装置 18 が接続されている。そして、プレツシャヘッド 15の先端斜面には加速度計 (振動検出 手段） 19が設けられており、この加速度計 19にはモニタリング装置 (ツールマーク判 定手段） 20を介して NC装置 18が接続されている。
[0030] 従って、ワーク Wに深穴加工を行う場合には、先ず、ワーク Wの所定位置にプレツ シャヘッド 15の先端を押し付けるように 5軸 BTA力卩ェ機 1を配置させる。そして、サー ボモータ 16及びボールスクリュー機構 17を駆動させ、ボーリングバー 11を介してェ 具 12に所定の回転数及び送り速度を与える。これにより、ワーク Wに所望の穴深さ及 び穴径を有する深穴 Waをカ卩ェすることができる。また、深穴 Waをカ卩ェする際には、 図示しない油供給装置力も工具 12の先端に向けて切削油が供給されており、このェ 具 12により削り取られた切りくずや切削油は、工具 12内からボーリングバー 11の中 空部分を通り排出されるようになっている。 [0031] ここで、深穴 Waを削り進めて送り量が大きくなると、ボーリングバー 11のプレツシャ ヘッド 15からの突き出し量が大きくなり、曲げ固有振動数が変化する。そして、この曲 げ固有振動数が回転数の X倍の成分と一致したときに、振れ回り振動が起こりやすい 条件となる。これにより、深穴 Waの内周面にらせん状の傷であるツールマークが発 生するおそれがある。
[0032] そこで、ワーク Wの深穴加工時において、モニタリング装置 20内における加工中に 発生したツールマークの判定方法について説明する。
[0033] 先ず、各ボーリングバー 11に発生する振動を、それらに対応するプレツシャヘッド 1 5を介して加速度計 19により加速度として検出する。そして、その検出された加速度 信号はモニタリング装置 20に送られる。モニタリング装置 20ではその加速度信号を フーリエ変換を用レ、て周波数分析し、図 2に示すような、加速度の周波数分析を各ボ 一リングバー 11ごとに対応して出力する。
[0034] ここで、加工中におけるボーリングバー 11 (工具 12)には切削抵抗が付与されてい ることから、ボーリングバー 11には常にねじり振動が発生する。図 2では、周波数 f付 近及び周波数 2f付近の周波数おいて加速度が急激に大きく変化しており、これらの 周波数における成分がねじり振動に起因する振動成分であることがわかっている。通 常、ねじり固有振動数のピークは 1つであるが、図 2に示すように、回転数により変調 された成分 (ねじり固有振動数土回転数)のピークが発生したり、波形のゆがみにより ねじり固有振動数の 2倍の周波数でピークが発生したりする。なお、周波数 f付近及 び周波数 2f付近におけるねじり固有振動数を、以下、 T成分及び 2T成分と記す。
[0035] 次いで、ボーリングバー 11の送り量が大きくなると、プレツシャヘッド 15からの突出 量が大きくなり、次第にボーリングバー 11に振れ回り振動及び曲げ振動が発生し、 深穴 Waにツールマークが発生し易い状態となる。
[0036] 即ち、図 3に示すように、ツールマークが発生すると、 T成分以下の周波数領域に おいて振れ回り振動成分が大きくなる。また、この振れ回り振動成分がねじり固有振 動に起因する振動成分の変調を受けることにより、 T成分と 2T成分との間の周波数 領域の振動成分も大きくなる。なお、一般的に、加速度計は高周波領域においてより 敏感に振動を捉えることができることから、 T成分以下の周波数領域におけるピークよ りも、 T成分と 2T成分との間の周波数領域におけるピークの方が大きくなることが多 レ、。
[0037] 上述したように、ツールマークが発生すると、 Τ成分と 2Τ成分との間における周波 数領域において大きな加速度変化が生じることがわかることから、この周波数領域に おける加速度 (振れ回り固有振動数及び曲げ固有振動数）の時間ごとのオーバォー ル値（平均値）求め、図 4の実線で示すような、オーバオール値の時間変動を各ボー リングバー 11ごとに対応して出力する。なお、図 4に示す一点鎖線はサーボモータ 1 6の回転数を示しており、 Sは加工開始時期、 Εは加工終了時を示している。
[0038] また、図 4に示すように、モニタリング装置 20内には、予めオーバオール値に対す る閾値ひ（図中、 2点鎖線で示す）が設定されており、モニタリング装置 20は算出され たオーバオール値が閾値ひを超えているか否かの判定を行う。ここで、オーバォー ル値が閾値ひを超えていなければ、深穴加工は続けられる。一方、オーバオール値 が閾値 αを超えた場合には、 V、ずれかのボーリングバー 11に対応した深穴 Waにッ ールマークが発生したかを判定した後、モニタリング装置 20から NC装置 18にアラー ム信号が送られる。
[0039] 次いで、アラーム信号が入力された NC装置 18は、サーボモータ 16及びボールス クリュー機構 17に停止信号を送り、全てのボーリングバー 11 (工具 12)の回転及び 送りを順次停止させる。そして、ボーリングバー 11が駆動停止すると、ツールマーク が発生した深穴 Waに対応する工具 12は作業者により新しいものと交換され、再度、 同じ回転数及び送り速度で深穴加工が行われる。
[0040] 従って、本発明に係る深穴加工装置によれば、ツールマーク発生を判定した後、直 ちに、このツールマークが発生しにくい条件に変更することにより、ツールマークの進 展を防止することができる。
[0041] そして、ボーリングバー 11に発生する振動を周波数分析しているので、振動の時刻 歴波形を用いて分析する場合と比べて、加工中に常に発生するねじり固有振動数の T成分及び 2T成分と、ツールマーク形成時にしか発生しない振れ回り固有振動数に 起因する振動成分とが判別し易くなる。また、 T成分と 2T成分との間の周波数領域に おけるオーバオール値を求めているので、ツールマーク形成の有無に関わらず発生 する T成分及び 2T成分の影響を受けることがない。この結果、ツールマーク発生の 判定を容易に行うことができる。
[0042] また、本発明に係る深穴加工装置では、以下に示すような構成においてもツールマ ーク発生の判定をすることができる。
[0043] モニタリング装置 20において、フーリエ変換ではなぐウェーブレット変換を用いて 周波数分析を行うようにする。これにより、時間情報と周波数情報との両方を同時に 分析することができるので、ツールマークの判定が容易に行うことができる。
[0044] 振れ回り固有振動数の発生する周波数が予めわ力、つている場合には、ツールマー ク判定の対象となる周波数を Τ成分と 2Τ成分との間の周波数領域の全域とするので はなぐその周波数付近のみに絞り、ツールマーク発生の判定を行うようにする。これ により、ツールマーク発生に最も起因する振れ回り振動を精度よく検出することができ る。
[0045] オーバオール値が閾値 αを連続して超えた場合、即ち、図 4に示すように、オーバ オール値が閾値 αを超えてから t秒後にツールマークが発生したと判定するようにす る。これにより、加工中のノイズ等の外乱、加工開始時期 Sにおけるワーク Wと工具 1 2との位置合わせによる急増オーバオール値 Ps、加工終了時期 Eにおける工具 12 力 Sワーク Wから離脱するときの急増オーバオール値 Pe等により、瞬時に加速度が増 加する場合があっても、誤判定を防止することができる。
[0046] 加工開始時期 Sの低速回転時においては、上述したように、ワーク Wと工具 12との 位置合わせによる衝突によって、全ての周波数において加速度が増加してしまい、 図 4に示すように、急増オーバオール値 Psが閾値 αを超えてしまう。この結果、ツー ルマークが発生していないにも関わらず誤判定するおそれがあるので、オーバォー ル値が閾値ひを超え、且つ、サーボモータ 16が定格回転数 Rであるときにツールマ ークが発生したと判定するようにする。これにより、誤判定を防止することができる。
[0047] なお、ワーク Wと工具 12との衝突時には、サーボモータ 16の回転トルクが大きくな るに伴って、モータ電流も高くなることから、オーバオール値が閾値ひを超え、且つ、 サーボモータ 16が定格電流値であるときにツールマークが発生したと判定するように しても構わなレ、。また、ワーク Wと工具 12との衝突時には、工具 12を介してボーリン グバー 11に加工中よりも大きなスラスト荷重が加わることから、オーバオール値が閾 値 αを超え、且つ、ボーリングバー 11に付与されるスラスト荷重が定格スラスト荷重で あるときにツールマークが発生したと判定するようにしても構わない。
[0048] ツールマーク発生時の周波数分析データからオーバオール値を求めた周波数領 域を保存しておき、前回と同じ周波数分析データであった場合には、保存していた前 記周波数領域を自動設定するようにする。これにより、ワーク材料や工具形状等の加 ェ条件に応じてオーバオール値を求める周波数領域が変化しても即座に対応するこ とができる。
[0049] 図 5に示すように、ツールマークが発生することなく加工できた場合の加速度レベル から、加工開始から所定時間後のオーバオール値の最大値を求め、それぞれの最 大値に安全率 (例えば、 1. 5)を掛けた値を閾値 /3 (図中、 2点鎖線で示す）として保 存しておく。そして、前回と同じ加速度レベルが検出された場合には、保存していた 前記閾値を自動設定するようにする。これにより、時間ごとの閾値が求められることに より、高精度の判定をすることができる。また、ワーク材料や工具形状等の加工条件 の変更によって加速度レベルが変化した場合にも自動的に対応することができる。
[0050] アラーム信号が入力された NC装置 18はサーボモータ 16の回転数を下げるように する。これにより、振れ回り固有振動数と曲げ固有振動数とをずらすことができるので 、ボーリングバー 11の振動が低減され、ツールマークの進展を防止することができる
[0051] また、アラーム信号が入力された NC装置 18はボールスクリュー機構 17の送り速度 が遅くなるようにする。これにより、ツールマークによるボーリングバー 11の自励振動 がなくなり、ツールマークの進展を防止することができる。
[0052] 更に、アラーム信号が入力された NC装置 18は図示しない電磁加振機等によりボ 一リングバー 11の軸方向に高周波振動を与えるようにする。これにより、工具 12と深 穴 Waとの接触時間が少なくなるので、切削抵抗の低減に伴って、ねじり振動を低減 させること力できる。
[0053] 図 6に示す 5軸 BTA力卩ェ機 2のように、加速度計 19を工具 12に設けても構わない 。この場合、加速度計 19はボーリングバー 11に設けられるテレメータ 21とケーブル 2 2で接続されており、テレメータ 21は無線により加速度の信号を送信するようになって いる。これにより、振動を精度よく検出することができる。また、テレメータ 21の替わり にスリップリングを設け、ノイズの低減を図るようにしてもよい。
[0054] ボーリングバー 11の振動の検出に加速度計 19に替えてひずみゲージを設け、応 カレベルからツールマーク発生の判定を行うようにする。また、加速度計 19に替えて 変位センサを設け、ねじり固有振動数の T成分と 2T成分との間の周波数領域よりも 低い周波数領域にいてツールマーク発生の判定を行うようにする。
[0055] 更に、加速度計 19に替えて、ボーリングバー 11の回転数を検出するエンコーダや 歯車を用いた電磁ピックアップ等を設け、ボーリングバー 11の回転数の変化からッ ールマーク発生の判定を行うようにする。また、加速度計 19に替えて、切削音を計測 するマイクを設け、切削音の変化からツールマーク発生の判定を行うようにする。 産業上の利用可能性
[0056] NC工作機械を用いて深穴加工を行う場合に適用可能である。

Claims

請求の範囲
[1] 回転駆動して被加工物に深穴を加工する工具と、
深穴加工中に前記工具の振動を検出する振動検出手段と、
前記振動検出手段が検出した振動を周波数分析し、深穴加工中に常に発生する ねじり固有振動の周波数以外の周波数領域における振動数のオーバオール値が、 予め設定された閾値を超えると、前記深穴にツールマークが発生したと判定するツー ルマーク判定手段と、
前記ツールマーク判定手段の判定に基づいて前記工具の回転数及び送り速度を 制御する制御手段とを備える
ことを特徴とする深穴加工装置。
[2] 請求項 1に記載の深穴加工装置において、
前記ツールマーク判定手段は、オーバオール値が所定時間連続して閾値を超えた 場合のみ前記深穴にツールマークが発生したと判定する
ことを特徴とする深穴加工装置。
[3] 請求項 1または 2に記載の深穴加工装置において、
前記ツールマーク判定手段は、前記工具の回転数が定格回転数になると判定を開 始する
ことを特徴とする深穴加工装置。
[4] 請求項 1または 2に記載の深穴加工装置において、
前記ツールマーク判定手段は、前記工具を回転駆動させるモータ電流が定格電流 になると判定を開始する
ことを特徴とする深穴加工装置。
[5] 請求項 1または 2に記載の深穴加工装置において、
前記ツールマーク判定手段は、前記工具の被加工物との接触によるスラスト荷重が 定格スラスト荷重になると判定を開始する
ことを特徴とする深穴加工装置。
[6] 請求項 1乃至 5のいずれかに記載の深穴加工装置において、
前記ツールマーク判定手段により前記深穴にツールマークが発生したと判定される と、このときのオーバオール値を求めた周波数領域を保存する ことを特徴とする深穴加工装置。
請求項 1に記載の深穴加工装置にぉレ、て、
オーバオール値が閾値を超えないまま深穴加工が終了した場合には、該オーバォ ール値に所望の安全率を乗じて新たな閾値を求め、次回の同じ加工条件のときに該 新たな閾値を用いて判定する
ことを特徴とする深穴加工装置。
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