WO2013151064A1 - 工作機械の加工方法、工作機械および移動式動吸振器 - Google Patents

工作機械の加工方法、工作機械および移動式動吸振器 Download PDF

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WO2013151064A1
WO2013151064A1 PCT/JP2013/060122 JP2013060122W WO2013151064A1 WO 2013151064 A1 WO2013151064 A1 WO 2013151064A1 JP 2013060122 W JP2013060122 W JP 2013060122W WO 2013151064 A1 WO2013151064 A1 WO 2013151064A1
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dynamic vibration
vibration absorber
tool
workpiece
machine tool
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PCT/JP2013/060122
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一平 河野
正憲 川上
敬行 宮本
幸治 内海
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株式会社日立製作所
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23Q—DETAILS, COMPONENTS, OR ACCESSORIES FOR MACHINE TOOLS, e.g. ARRANGEMENTS FOR COPYING OR CONTROLLING; MACHINE TOOLS IN GENERAL CHARACTERISED BY THE CONSTRUCTION OF PARTICULAR DETAILS OR COMPONENTS; COMBINATIONS OR ASSOCIATIONS OF METAL-WORKING MACHINES, NOT DIRECTED TO A PARTICULAR RESULT
    • B23Q11/00—Accessories fitted to machine tools for keeping tools or parts of the machine in good working condition or for cooling work; Safety devices specially combined with or arranged in, or specially adapted for use in connection with, machine tools
    • B23Q11/0032—Arrangements for preventing or isolating vibrations in parts of the machine
    • B23Q11/0035—Arrangements for preventing or isolating vibrations in parts of the machine by adding or adjusting a mass, e.g. counterweights
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23Q—DETAILS, COMPONENTS, OR ACCESSORIES FOR MACHINE TOOLS, e.g. ARRANGEMENTS FOR COPYING OR CONTROLLING; MACHINE TOOLS IN GENERAL CHARACTERISED BY THE CONSTRUCTION OF PARTICULAR DETAILS OR COMPONENTS; COMBINATIONS OR ASSOCIATIONS OF METAL-WORKING MACHINES, NOT DIRECTED TO A PARTICULAR RESULT
    • B23Q15/00—Automatic control or regulation of feed movement, cutting velocity or position of tool or work
    • B23Q15/007—Automatic control or regulation of feed movement, cutting velocity or position of tool or work while the tool acts upon the workpiece
    • B23Q15/12—Adaptive control, i.e. adjusting itself to have a performance which is optimum according to a preassigned criterion
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B2219/00—Program-control systems
    • G05B2219/30—Nc systems
    • G05B2219/49—Nc machine tool, till multiple
    • G05B2219/49054—Active damping of tool vibration

Definitions

  • the present invention relates to a processing method, a machine tool, and a dynamic vibration absorber for processing a workpiece, and, for example, a processing method that enables high-accuracy processing by suppressing vibration generated during milling and turning.
  • the present invention relates to a movable dynamic vibration absorber and a fixed dynamic vibration absorber used in this processing method.
  • This workpiece turning device is located at a position facing the workpiece turning point with a workpiece wall interposed between the turning tool for turning the inner or outer diameter surface of a cylindrical workpiece and the workpiece turning point of the turning tool. And a backup member that presses the workpiece between the workpiece turning points, and is configured to synchronously drive the turning tool and the backup member in the workpiece axis direction.
  • Patent Document 1 describes a method of machining while suppressing vibration of a workpiece using a dynamic vibration absorber when the dynamic rigidity of the workpiece is low in cutting.
  • the dynamic vibration absorber of Patent Document 1 is fixed to a certain position of the workpiece, and cannot move relative to the workpiece.
  • the vibration suppression effect is small at a position away from the dynamic vibration absorber, and it may be difficult to suppress the vibration over the entire processing region. is there.
  • Patent Document 2 describes a processing method that suppresses vibration by pressing a workpiece with a backup member provided at a position facing the cutting tool across the workpiece wall.
  • the backup member is rigidly supported in the method of Patent Document 2
  • the workpiece and the backup member are separated due to deformation of the workpiece due to vibration or cutting force. If the workpiece and the backup member are separated from each other, a sufficient vibration suppressing effect cannot be obtained.
  • the surface roughness or flatness of the installation surface is poor, or when the installation surface is inclined or stepped, the workpiece may be deformed due to excessive push-in, or on the contrary, it will be separated from the workpiece and the vibration suppressing effect will disappear. There is.
  • the workpiece turning device is for turning an inner diameter surface or an outer diameter surface of a cylindrical workpiece and cannot process a workpiece other than a cylindrical workpiece.
  • the present invention has been made in view of such a problem, and the object of the present invention is to suppress vibration over the entire processing region of the workpiece (workpiece) and to perform high-precision and high-efficiency processing.
  • the present invention provides a machining method for a machine tool, a machine tool, and a movable dynamic vibration absorber.
  • a machining method for a machine tool that can move a dynamic vibration absorber to the surface of a workpiece facing the machining area when the machining area is long and needs to be processed beyond the range where vibration of the dynamic vibration absorber can be suppressed,
  • a machine tool and a mobile dynamic vibration absorber are provided.
  • a machining method for a machine tool is a machining method for a machine tool for machining a workpiece using a tool and a dynamic vibration absorber, wherein the tool and the dynamic vibration absorber are It arrange
  • the dynamic vibration absorber preferably includes a weight, a spring member, and damping means, and has a function of suppressing vibration generated when the workpiece is processed by the tool.
  • the workpiece and the dynamic vibration absorber are sandwiched between the surfaces facing the machining area of the workpiece. Since the workpiece is machined by synchronously moving the tool and the dynamic vibration absorber, the vibration of the tool that occurs during machining can be suppressed by the dynamic vibration absorber, and machining accuracy can be improved. While being able to raise, processing efficiency can be improved.
  • FIG. 3 is a structural diagram of an adjustable dynamic vibration absorber using a viscoelastic body.
  • the flowchart which shows the processing method using the vibration suppression apparatus used in FIG.
  • the frequency response characteristic figure which shows the self-compliance analysis result of the thin-plate part edge part of a workpiece.
  • the frequency response characteristic figure which shows the self-compliance analysis result of the thin-plate part edge part at the time of installing a dynamic vibration absorber in the both ends of a workpiece.
  • the frequency response characteristic figure which shows the self-compliance analysis result of the thin-plate part center part when a dynamic vibration absorber is installed in the both ends of a workpiece.
  • the frequency response characteristic figure which shows the self-compliance analysis result in the installation position at the time of installing a dynamic vibration absorber in one place with a workpiece.
  • the schematic block diagram which shows the dynamic vibration damper used in Example 2 of the processing method which concerns on this invention.
  • the flowchart which shows the processing method using the dynamic vibration damper of FIG.
  • the model figure explaining the structure of the dynamic vibration damper used in FIG. The schematic block diagram of the adjustable dynamic vibration damper using a viscoelastic body.
  • the schematic perspective view which shows the structure of Example 4 of the processing method of the machine tool which concerns on this invention.
  • the model figure explaining the structure of the fixed dynamic vibration damper used in FIG. 15 in a mass system model.
  • the amplitude characteristic figure which shows the self-compliance analysis result of the thin-plate part at the time of installing a plurality of (7) fixed dynamic vibration dampers in a workpiece.
  • Example 1 a first embodiment of a machining method for a machine tool according to the present invention and a mobile dynamic vibration absorber used in the machining method will be described in detail with reference to the drawings.
  • a machining area of a workpiece (workpiece) is arranged to face each other with a tool and a dynamic vibration absorber in the cutting process, and the workpiece is processed while the tool and the dynamic vibration absorber are moved synchronously.
  • An example of a machining method for a machine tool will be described.
  • FIG. 1 is a schematic perspective view showing a configuration for carrying out the machining method of the machine tool of the first embodiment.
  • the machine tool 1 is a machine tool such as a milling machine.
  • the cutting tool 2 attached to the spindle 11 is used to move the cutting tool 2 linearly so that the lower surface of the horizontal thin plate portion 31 of the workpiece 3 is longitudinally moved. It is to be cut.
  • the workpiece 3 is, for example, a long component, and is provided with a thin plate portion 31 having low rigidity in the longitudinal direction.
  • the workpiece 3 is processed using a tool 2 attached to the spindle 11 of the machine tool 1.
  • a dynamic vibration absorber 41 constituting the vibration suppressing device 4 is in contact with the upper surface of the thin plate portion 31, and the tool 2 is in contact with the lower surface of the thin plate portion 31, and the thin plate portion 31 is composed of the tool 2 and the dynamic vibration absorber 41.
  • the tool 2 and the dynamic vibration absorber 41 are moved synchronously to process the workpiece 3.
  • the tool 2 is a cutting tool such as an end mill, for example, and cuts the vertical lower side surface of the thin plate portion 31 of the workpiece 3. The same applies to the case where the tool 2 is an end mill or a side cutter and the thin plate portion 31 is formed between the surface of the workpiece 3 or the groove.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating a configuration of the vibration suppressing device 4 for suppressing vibration over the entire processing region of the thin plate portion 31 of the workpiece 3 in the processing method of the first embodiment.
  • shaft 11 is shown.
  • the vibration suppression device 4 includes a movable dynamic vibration absorber 41, a drive unit 42, a position detection unit 43, and a control unit 44.
  • the movable dynamic vibration absorber 41 is generated when the workpiece 3 is processed with the tool 2. A function of suppressing vibration of the workpiece to be processed.
  • the movable dynamic vibration absorber 41 includes a weight 411, a spring 412, an attenuator 413, and a moving portion 414, and has a function of suppressing vibration of the thin plate portion 31 of the workpiece 3 that is generated when the workpiece 2 is machined.
  • the spring 412 is, for example, a viscoelastic body, a spring, a leaf spring, or the like.
  • the attenuator 413 is, for example, a viscoelastic body, an oil damper, an air damper, a magnetic damper, or the like. Moreover, you may serve as the spring 412 and the attenuator 413 using viscoelastic bodies, such as rubber
  • the moving unit 414 has a function of moving the dynamic vibration absorber 41 relative to the workpiece 3 while keeping the dynamic vibration absorber 41 in contact with the surface of the thin plate portion 31 of the workpiece 3 facing the processing region.
  • the moving unit 414 is, for example, a carriage or a wheel.
  • the moving part 414 may serve as a spring 412 and an attenuator 413 as a viscoelastic body wheel composed of a core material having a high Young's modulus such as metal and a tire made of a viscoelastic material having a low Young's modulus such as rubber or polyurethane.
  • the driving unit 42 has a function of applying a driving force for moving the dynamic vibration absorber 41 relative to the workpiece 3 from the outside.
  • the drive unit 42 includes, for example, a cable 45 such as a wire connected to the dynamic vibration absorber 41 and a pulling unit that pulls the dynamic vibration absorber 41 by applying tension to the cable, and rotationally drives the wheels of the moving unit 414.
  • a cable 45 such as a wire connected to the dynamic vibration absorber 41
  • a pulling unit that pulls the dynamic vibration absorber 41 by applying tension to the cable, and rotationally drives the wheels of the moving unit 414.
  • the force of a vibration direction acts with respect to the dynamic vibration absorber 41, the vibration of the dynamic vibration absorber 41 may be disturbed and the vibration suppression effect may fall. For this reason, it is desirable to use a flexible cable as the cable 45 to be connected.
  • the position detector 43 has a function of detecting the positions of the dynamic vibration absorber 41 and the tool 2.
  • the position detection unit 43 includes, for example, an encoder for detecting the amount of movement of the dynamic vibration absorber 41 and a communication unit for acquiring the position of the tool 2 by communicating with the machine tool 1. From the position information of the tool 2 and the dynamic vibration absorber 41 acquired from the position detection unit 43, the control unit 44 synchronizes with the tool 2 on the surface where the dynamic vibration absorber 41 faces the processing region of the thin plate portion 31 of the workpiece 3. Thus, the drive unit 42 is controlled so as to move.
  • FIG. 3 is a model diagram in which the processing region of the thin plate portion 31 of the workpiece 3 and the dynamic vibration absorber 41 are modeled in a mass system.
  • the mass is m1
  • the spring constant k1 is modeled in a mass system
  • the dynamic vibration absorber 41 is mass m2, the spring constant k2, and the damping ratio ⁇ 2.
  • a dynamic vibration absorber includes a spring, an attenuator, and a weight, and is connected to a vibration suppression target via the spring and the attenuator.
  • the principle of vibration suppression by the dynamic vibration absorber is that the vibration of the vibration suppression target is transmitted to the weight of the dynamic vibration absorber, and the weight vibrates instead of the vibration suppression target, thereby suppressing the vibration of the vibration suppression target.
  • the weight of the dynamic vibration absorber In the dynamic vibration absorber, the weight of the dynamic vibration absorber must vibrate. Therefore, when the dynamic vibration absorber is fixed to the rail like the backup member of Patent Document 2, the vibration of the weight is inhibited and the vibration suppressing effect is reduced.
  • the backup member of Patent Document 2 requires a certain degree of rigidity to suppress vibration.
  • the backup member is separated from the installation surface due to unevenness or inclination of the installation surface, and the vibration suppression effect is lost, or conversely, the pushing force increases to increase the reaction force of the backup member and deform the workpiece. As a result, the processing accuracy may deteriorate.
  • a certain size of structure is required to ensure rigidity.
  • the mobile dynamic vibration absorber according to the present invention only needs to contact the workpiece, and a large vibration suppressing effect can be obtained even with a small weight. For this reason, a dynamic vibration absorber does not leave
  • k2 ⁇ / (1 + ⁇ ) 2 ⁇ ⁇ k1 (1)
  • ⁇ 2 3 ⁇ / ⁇ 8 (1 + ⁇ ) 3 ⁇ (2)
  • the spring constant k2 and the damping ratio ⁇ 2 may be designed to be close to the theoretical optimum value by appropriately selecting the spring 412 and the attenuator 413.
  • the dynamic vibration absorber 41 is in contact with the workpiece 3 through the wheel 46 of the moving unit 414, and the moving unit 414 transmits vibration in the processing region of the workpiece 3 to the weight 411 through the spring 412 and the attenuator 413.
  • the weight 411 vibrates in an approximately opposite phase to the vibration in the machining area of the workpiece 3 and suppresses the vibration in the machining area of the workpiece 3.
  • a part of the vibration energy is converted into thermal energy by the attenuator 413 to suppress vibration.
  • the dynamic vibration absorber 41 is placed on the surface of the workpiece 3 that faces the processing area, and it is not necessary to rigidly fix it to the guide or the like. For this reason, even if the installation surface of the dynamic vibration absorber 41 is inclined or bent in the plane of the movement direction and the vibration direction, it moves relative to the installation surface, so that the workpiece 3 is deformed to deteriorate the processing accuracy. There is no.
  • the viscoelastic wheel 46 that also serves as the spring 412 and the attenuator 413 as the moving part 414, it becomes less susceptible to unevenness such as surface roughness of the installation surface, and high vibration suppression even when installed on the uneven surface. An effect can be obtained.
  • FIG. 4 shows a structural example of a dynamic vibration absorber 41 using a viscoelastic body 412a and capable of adjusting a vibration suppressing function.
  • the viscoelastic body 412a also serves as the spring 412 and the attenuator 413.
  • the spring constant k2 and the damping ratio ⁇ 2 are generally determined by the type and shape of the viscoelastic body 412a. Further, the viscoelastic body 412a can be deformed by adjusting the thicknesses of the lower plate 414a and the upper plate 414b, which are a part of the moving part 414, with the bolts 415 and the like, and the spring constant k2 and the damping ratio ⁇ 2 can be finely adjusted. .
  • the bolts are driven by a motor or the like (not shown) to adjust the thicknesses of the lower plate 414a and the upper plate 414b during machining, so that the viscoelastic body 412a is By deforming, the dynamic vibration absorber 41 can be optimized and the vibration suppressing effect can be enhanced. Further, the thicknesses of the lower plate 414a and the upper plate 414b may be adjusted by hydraulic pressure or pneumatic pressure instead of the bolt 415.
  • the dynamic vibration absorber 41 is installed on the surface (the surface opposite to the processing surface with which the tool 2 comes into contact) facing the processing start position of the workpiece 3 (step S101).
  • the processing of the workpiece 3 is started by the tool 2 attached to the spindle 11 of the machine tool 1 (step S102).
  • the communication unit of the position detection unit 43 communicates with the machine tool 1 to detect the position of the tool 2 (step S103).
  • step S104 It is determined whether or not the position of the tool 2 is within a predetermined range in which vibration is suppressed by the dynamic vibration absorber 41 (step S104). If the position of the tool 2 is within the vibration suppression target range, the encoder of the position detector 43 is used. The position of the dynamic vibration absorber 41 is acquired (step S105). The control unit 44 controls the drive unit 42 based on the positional information of the dynamic vibration absorber 41 and the tool 2 to move the dynamic vibration absorber 41 to the surface of the workpiece 3 facing the tool 2 (Step S106). When the position of the tool 2 is outside the vibration suppression target range in step S104, the control unit 44 stops the dynamic vibration absorber 41 in step S107. By repeating the above steps S103 to S106 until the end of processing, it is possible to perform processing while suppressing vibration over the entire processing region.
  • FIG. 6 is a frequency response characteristic diagram showing the result of calculation of the self-compliance size at the end of the thin plate portion of the workpiece 3 by structural analysis by the finite element method.
  • the self-compliance at a certain point A is a frequency response function of the displacement response at the point A when a sinusoidal excitation force with a unit amplitude of 1 N is applied to the point A, and is the reciprocal of the dynamic stiffness.
  • the magnitude of self-compliance indicates the amplitude of the displacement response. Therefore, the smaller the self-compliance, the less the vibration and the higher the dynamic rigidity.
  • the aspect ratio of the cross section of the thin plate portion (ratio of the height w2 to the width w1 of the thin plate portion 31 in FIG. 1) is large as in the workpiece 3 of the first embodiment, the self compliance of the thin plate portion is large. Since it becomes larger and the dynamic rigidity decreases, chatter vibration occurs in the processing of the thin plate portion. When chatter vibration occurs, the surface roughness of the machined surface deteriorates, the chipping or abnormal wear occurs, and machining accuracy deteriorates. Further, in order to avoid chatter vibration, it is necessary to perform machining under low-efficiency machining conditions, and the machining efficiency is lowered.
  • FIG. 7 shows the magnitude of self-compliance at the end of the thin plate when a dynamic vibration absorber (weight 0.8 kg, spring constant 7.5 ⁇ 10 6 N / m, damping ratio 10%) is installed at both ends of the thin plate portion 31. It is an example of the result calculated
  • FIG. 8 is a frequency response characteristic diagram showing the result of analyzing the self-compliance at the central portion of the thin plate when dynamic vibration absorbers are installed at both ends of the thin plate portion 31.
  • the maximum self-compliance value of the thin plate portion is large and the vibration suppressing effect is low. This indicates that there is little vibration suppression at a position away from the dynamic vibration absorber. Accordingly, chatter vibration does not occur in the vicinity of the position where the dynamic vibration absorber is installed when machining is performed under a certain processing condition, but chatter vibration may occur in a position away from the dynamic vibration absorber.
  • the maximum self-compliance value will increase at the intermediate portion between the dynamic vibration absorber and the dynamic vibration absorber. If a large number of dynamic vibration absorbers are installed, the distance between the dynamic vibration absorbers will be shortened, so the maximum value of self-compliance will be small, but in the case of long members, a very large number of dynamic vibration absorbers will be required. There is.
  • the conventional dynamic vibration absorber is a dynamic vibration absorber.
  • the vibration suppressing effect is not sufficient, and chatter vibration may occur. Therefore, in order to avoid chatter vibration, it is necessary to perform machining under a condition in which chatter vibration does not occur in a portion having the lowest dynamic rigidity in the entire machining region, and the machining efficiency is lowered.
  • the dynamic vibration absorber 41 moves in synchronization with the tool 2 and can always process the vicinity of the dynamic vibration absorber.
  • FIG. 9 shows the result of self-compliance analysis at the position where the dynamic vibration absorber is installed when only one dynamic vibration absorber 41 having the same vibration characteristics as that of the fixed dynamic vibration absorber is installed at one position of the thin plate portion 31. It is a frequency response characteristic figure shown. However, the example of the result of having analyzed at the position of 1000 mm, 2000 mm, and 3000 mm from the edge of a thin plate part, respectively is shown.
  • FIG. 9 shows that the maximum value of self-compliance is small at each position, and a high vibration suppression effect is obtained. For this reason, by using the method in which the dynamic vibration absorber 41 shown in the first embodiment moves in synchronization with the tool 2, a high vibration suppression effect can be exhibited over the entire processing region of the workpiece 3. In addition, the effect of suppressing chatter vibration can be increased, and the processing efficiency and processing accuracy can be improved.
  • the analysis results of FIGS. 6 to 9 are the thickness (w2) 200 mm of the thin plate portion 31, the width (w1) 50 mm of the thin plate portion, and the length of the thin plate portion 7000 mm.
  • the material properties are Young's modulus 200 GPa, Poisson's ratio 0. 3 and a density of 7900 kg / m 3 and an attenuation ratio of 0.5%.
  • the dynamic vibration absorber 5 includes a weight 411, a spring 412, an attenuator 413, a moving unit 414, a drive unit 53, a position detection unit 54, and a control unit 55.
  • the driving unit 53 has a function of applying a driving force for moving the dynamic vibration absorber 5 relative to the workpiece 3.
  • the drive unit 53 is a motor, and the wheels of the moving unit 414 can be rotated to relatively move the dynamic vibration absorber 5.
  • the position detector 54 has a function of detecting the relative position between the dynamic vibration absorber 5 and the tool 2.
  • the position detection unit 54 includes a receiver 541 and a calculation unit 542, and the receiver 541 detects a signal from the transmitter 111 attached to the spindle 11 of the machine tool 1.
  • the calculation unit 542 calculates the relative position between the dynamic vibration absorber 5 and the tool 2 from the signal intensity of the receiver 541.
  • the calculation unit 542 calculates the relative position between the dynamic vibration absorber 5 and the tool 2 from the peak position of the signal intensity of the receiver 541.
  • the signal strength of the receiver 541 is equal to or less than a predetermined value, the calculation unit 542 determines that it is outside the vibration suppression range.
  • the transmitter 111 and the receiver 541 constitute a communication means.
  • the receiver 541 is a light receiver, a magnetic sensor, or the like, and detects a signal such as a laser or a magnetic field transmitted from the transmitter 111 attached to the main shaft.
  • the receiver 541 may be a piezoelectric or energized touch sensor, and the relative position between the tool 2 and the dynamic vibration absorber 5 may be detected by contact with a bar or wire fixed to the spindle of the machine tool 1.
  • the control unit 55 has a function of controlling the drive unit 53 from the relative position information acquired from the position detection unit 54 so that the tool 2 and the dynamic vibration absorber 5 move in synchronization with the opposing positions.
  • the vibration suppression effect of the dynamic vibration absorber 5 increases as the mass of the weight 411 increases, it is desirable to install the drive unit 53, the position detection unit 54, and the control unit 55 on the weight 411. However, some or all of these may be installed in a portion other than the weight 411 such as the moving unit 414.
  • the other configurations have the same functions as the configurations denoted by the same reference numerals shown in FIG. 2 and have not been described.
  • the dynamic vibration absorber 5 is installed on the surface of the thin plate portion 31 of the workpiece 3 that faces the processing start position (step S201).
  • machining of the workpiece 3 is started by the tool 2 attached to the spindle 11 of the machine tool 1 (step S202).
  • a signal such as a laser is transmitted from the transmitter 111 installed on the spindle 11 (S203).
  • the calculation unit 542 determines whether the signal strength received by the receiver 541 is greater than or equal to a predetermined value (S204). If the signal strength is greater than or equal to the predetermined value, based on the position of the dynamic vibration absorber acquired in step S205. The calculation unit 542 calculates the relative position between the dynamic vibration absorber 5 and the tool 2 (S206). The control unit 55 controls the drive unit 53 based on the relative position information between the dynamic vibration absorber 5 and the tool 2 to move the dynamic vibration absorber 5 to the surface of the workpiece 3 facing the tool 2 (step S207). If the signal strength is not greater than or equal to the predetermined value in step S204, the control unit 55 stops the dynamic vibration absorber 5 in step S208. By repeating the above steps S203 to S207 until the end of processing, it is possible to perform processing while suppressing vibration over the entire processing region.
  • the vibration suppressing effect of the second embodiment has the same effect as that of FIG.
  • the dynamic vibration absorber 5 can be moved relative to the workpiece 3 without applying external force to the dynamic vibration absorber 5 from other than the workpiece 3.
  • the vibration suppressing effect of the vibration absorber 5 can be increased.
  • the dynamic vibration absorber 5 can be moved in synchronization with the tool 2 even in a closed region such as a pocket where it is difficult to pull the dynamic vibration absorber with a cable or the like.
  • FIG. 12 is a perspective view of a main part showing a schematic configuration for carrying out the machining method of the machine tool of the third embodiment.
  • the workpiece 3 has a plurality of grooves, and has thin plate portions 31, 31 between two adjacent grooves.
  • a dynamic vibration absorber 6 is provided on the surface of the thin plate portion 31 including the processed wall surface that faces the processing region. is set up.
  • FIG. 13 is a model diagram for explaining the configuration of the dynamic vibration absorber 6.
  • the dynamic vibration absorber 6 includes at least one or more weights 411, two or more springs 412, two or more attenuators 413, and two or more moving parts 414. At least one of the moving parts 414 is in contact with the surface facing the processing region with the thin plate part 31 interposed therebetween, and transmits the vibration of the thin plate part 31 to the weight 411 via the spring 412 and the attenuator 413. In addition, at least one of the moving parts 414 different from the above is in contact with the surface of the adjacent thin plate part 32 across the groove where the dynamic vibration absorber 6 is installed. As a result, even when the dynamic vibration absorber 6 is installed on the vertical lower side surface of the thin plate portion 31 to be processed, the moving portion 414 in contact with the adjacent thin plate portion 32 supports the dynamic vibration absorber 6 and drops due to gravity. To prevent.
  • the dynamic vibration absorber 6 may have the same configuration as the drive unit 53, the position detection unit 54, and the control unit 55 of the dynamic vibration absorber 5 in the second embodiment. Moreover, since the structure which attached
  • the dynamic vibration absorber 6 it is desirable to adjust so that the combined spring constant of all the springs 412 becomes the optimum spring constant obtained by the equation (1). Also, the attenuation ratio is desirably adjusted so that the attenuation ratio corresponding to the combined attenuation coefficient of all the attenuators 413 becomes the optimum attenuation ratio obtained by Expression (2).
  • FIG. 14 is a schematic configuration diagram of a dynamic vibration absorber 6 using a viscoelastic body 412a and capable of adjusting a vibration suppressing function.
  • the width of the weight 411 vertical width in FIG. 14
  • the gap between the weight 411 and the moving part 414 is adjusted, and the viscoelastic body 412a is deformed to make a dynamic vibration absorber. 6 spring constant k2 and damping ratio ⁇ 2 can be adjusted.
  • the bolt and nut 410 is driven by a motor or the like (not shown), the gap between the weight 411 and the moving part 414 is adjusted, and the viscoelastic body 412a is deformed.
  • the dynamic vibration absorber 6 can be optimized to enhance the vibration suppressing effect.
  • the gap between the weight 411 and the moving part 414 may be adjusted by hydraulic pressure or pneumatic pressure instead of bolts and nuts.
  • a machine tool 1 according to the present invention is a machine tool that processes a workpiece (work) 3 using a tool 2 and dynamic vibration absorbers 41, 5, 6, and includes the tool 2 and dynamic vibration absorbers 41, 5, 5. 6 are arranged opposite to each other with the workpiece 3 interposed therebetween, and the dynamic vibration absorbers 41, 5, 6 are provided with drive units 42, 53 that synchronously move the tool 2 and the dynamic vibration absorber.
  • vibration generated when the tool 2 processes the workpiece 3 is suppressed by the dynamic vibration absorber, so that chatter vibration or the like is suppressed and machining accuracy can be improved.
  • FIG. 15 is a schematic perspective view showing a schematic configuration for carrying out the machining method of the machine tool of the fourth embodiment.
  • the workpiece 3 is provided with a thin plate portion 31 having low rigidity.
  • the workpiece 3 is processed using a tool 2 attached to the spindle 11 of the machine tool 1.
  • the tool 2 is in contact with one surface of the thin plate portion 31, and at least two or more dynamic vibration absorbers 7 are fixed to the other surface of the thin plate portion 31, and the dynamic vibration absorber 7 does not move.
  • the workpiece 3 is processed by moving the tool 2.
  • the dynamic vibration absorber 7 includes a weight 411, a spring 412, an attenuator 413, and a fixed portion 74, and has a function of suppressing vibration of the thin plate portion 31 of the workpiece 3 that is generated when the workpiece 2 is processed with the tool 2.
  • the fixing portion 74 has a function of fixing the dynamic vibration absorber 7 to the thin plate portion 31 and prevents the dynamic vibration absorber 7 from being displaced due to vibration or inclination of the thin plate portion 31 or falling due to gravity.
  • the fixing portion 7 is, for example, an adhesive portion or a screw fastening portion by an adhesive or welding, an adsorption portion by a magnet or a vacuum chuck.
  • a magnet holder that can be easily attached and removed and has a strong attractive force is desirable. Since the configurations denoted by the same reference numerals shown in FIG. 2 of the first embodiment and FIG. 10 of the second embodiment have the same functions as described above, the description thereof will be omitted.
  • FIG. 16 is a model diagram in which the processing region of the thin plate portion 31 of the workpiece 3 and the dynamic vibration absorber 7 are modeled in a mass system.
  • the mass is m1
  • the dynamic vibration absorber 7 is mass m3, the spring constant k3, and the damping ratio ⁇ 3.
  • the number of the dynamic vibration absorbers 7 in contact with the thin plate portion 31 is N (N ⁇ 2).
  • values obtained by using the equations (3) and (4) are set as optimum values.
  • the mass ratio ⁇ m3 / m1.
  • the spring constant k3 and the damping ratio ⁇ 3 of the N dynamic vibration absorbers 7 may be designed to be close to the theoretical optimum values by appropriately selecting the springs 412 and the dampers 413 of the respective dynamic vibration absorbers 7.
  • the adjacent arrangement interval of the N dynamic vibration absorbers 7 is based on a position obtained by equally dividing both ends and (N ⁇ 2) between them with respect to the longitudinal direction of the workpiece 3. It is desirable to install so that the space
  • FIG. 17 shows an example of a result obtained by analyzing the amplitude of the entire processing region of the thin plate portion 31 at a frequency having the largest amplitude when seven dynamic vibration absorbers 7 are installed in the thin plate portion 31.
  • the height (w2) of the thin plate portion 31 is 200 mm
  • the width (w1) of the thin plate portion is 50 mm
  • the length of the thin plate portion is 7000 mm.
  • the material properties are Young's modulus 200 GPa, Poisson's ratio 0.3, density 7900 kg / m 3 , damping Analysis was performed with a ratio of 0.5%.
  • the dynamic vibration absorbers 7 using the spring constant k3 obtained by the equation (3) and the damping ratio ⁇ 3 obtained by the equation (4) are arranged at equal intervals (0, 1167, 2333, 3500, 4667, 5b, the position of 7000 mm), and (b) shows the dynamic vibration absorbers 7 using the spring constant k3 obtained by the equation (3) and the damping ratio ⁇ 3 obtained by the equation (4) at equal intervals.
  • (C) is an arrangement of the dynamic vibration absorber 7 using the spring constant k3 obtained by the equation (3) and the damping ratio ⁇ 3 obtained by the equation (4) closer to the center (0, 1350, 2550). 3500, 4450, 5650, 7000 mm).
  • FIG. 17 (B) has a smaller amplitude and a higher vibration suppressing effect than FIG. 17 (a).
  • the spring constant obtained by the equation (1) and the damping ratio obtained by the equation (2) are optimum values. This is because when there are a plurality of dynamic vibration absorbers 7 in contact with each other, the respective dynamic vibration absorbers interact with each other, and the values obtained by the equations (1) and (2) are not optimal values. For this reason, the vibration suppression effect can be enhanced by adjusting all the dynamic vibration absorbers 7 with the spring constant obtained by the equation (3) and the damping ratio obtained by the equation (4) as target values. Also, in FIG.
  • (c) has a smaller amplitude and a higher vibration suppressing effect, and the vibration suppressing effect is higher when the dynamic vibration absorber 7 is arranged closer to the center.
  • the vibration will increase, so it is desirable to set the widest interval to be twice or less the narrowest interval.
  • the vibration suppression effect By increasing the vibration suppression effect, the number of the dynamic vibration absorbers 7 in contact with the thin plate portion 31 can be reduced, and the installation time and cost can be reduced.
  • adjustment time and installation time can be shortened as compared with the case where they are individually adjusted. .
  • control lines and information lines indicate what is considered necessary for the explanation, and not all the control lines and information lines on the product are necessarily shown. Actually, it may be considered that almost all the components are connected to each other.
  • chatter vibration generated during processing can be suppressed and accurate processing can be performed, and various tools can be attached for cutting, grinding, It can also be applied to various processing applications such as polishing.

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Abstract

工具２と動吸振器４１とをワーク３の加工領域である薄板部３１を挟んで対向して配置し、工具２と動吸振器４１とを同期移動させてワーク（被加工材）３を加工する工作機械１の加工方法であって、動吸振器４１は、錘４１１と、ばね部材４１２と、減衰器４１３とを備えて、工具２でワーク３を加工するとき発生する振動を抑制する機能を有し、動吸振器４１は、少なくとも一部が粘弾性体で構成された車輪４６を有する移動部４１４を備えて、その位置と工具２の位置を位置検出部４３で検出し、その位置に基づいて制御部４４を介して動吸振器４１を駆動部４２で移動して、ワークの加工領域全域に渡って振動を抑制することができる工作機械の加工方法および移動式動吸振器。

Description

工作機械の加工方法、工作機械および移動式動吸振器
　本発明は、被加工物を加工する加工方法、工作機械および動吸振器に係り、例えば、フライス加工や旋削加工の際に発生する振動を抑制して高精度な加工を可能とする加工方法と、この加工方法で使用する移動式動吸振器および固定式動吸振器に関する。
　本技術分野の背景技術として、特許文献１に記載の自励振動抑制用動吸振器がある。この技術は、三次元形状の羽根面を持つインペラの加工において、羽根面をフライス加工する際に発生する自励振動を抑制するためにインペラ羽根先端部に動吸振器を取付けて、高能率で羽根面形状を加工する方法であり、動吸振器は羽根先端部から片持状に突き出たネジ状のバネ棒と、このネジ状のバネ棒に取付ける錘と、錘内部に埋め込まれた制振ゴムから構成されるバネ棒のたわみと制振ゴムによる減衰作用により羽根振動を減衰するものである。
　また、特許文献２に記載のワーク旋削装置がある。このワーク旋削装置は、円筒状ワークの内径面もしくは外径面を旋削加工する旋削工具と、この旋削工具のワーク旋削点との間でワーク壁部を挟んで前記ワーク旋削点に対向する位置に配置され、そのワーク旋削点との間で前記ワークを押さえるバックアップ部材とを備え、旋削工具とバックアップ部材とをワーク軸方向に同期駆動するように構成したものである。
特開２００８－１８５１０号公報 特開２００５-１６９６０１号公報
　前記特許文献１には、切削加工において被加工材の動剛性が低い場合に動吸振器を用いて被加工材の振動を抑制しながら加工する方法が記載されている。しかし、特許文献１の動吸振器は、被加工材のある一箇所に固定されており、被加工材に対して相対移動することができない。このような動吸振器では、例えば被加工材が長尺部品である場合は動吸振器から離れた位置では振動抑制効果が少なく、加工領域全域に渡って振動を抑制することが困難な場合がある。
　また、前記特許文献２には、被加工材壁部を挟んで切削工具と相対する位置に設けたバックアップ部材により被加工材を押えて振動を抑制する加工方法が記載されている。しかし、特許文献２の方法ではバックアップ部材を剛に支持しているため、振動や切削力による被加工材の変形により被加工材とバックアップ部材が離れる場合が考えられる。被加工材とバックアップ部材が離れると十分な振動抑制効果が得られない。さらに、設置面の表面粗さや平面度が悪い場合あるいは設置面が傾斜面や段付きの場合には、押し込み過多による被加工材の変形や、逆に被加工材から離れ振動抑制効果が無くなる場合がある。また、これを抑制するために与圧をかけると被加工材の変形により高精度化が困難になる場合がある。前記のワーク旋削装置は、円筒状ワークの内径面もしくは外径面を旋削加工するものであり、円筒状以外のワークの加工はできない。
　本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、被加工材（ワーク）の加工領域全域に渡って振動を抑制し、高精度かつ高能率な加工を可能とする工作機械の加工方法、工作機械および移動式動吸振器を提供することにある。例えば、加工領域が長く動吸振器の振動抑制可能な範囲を超えて加工が必要な場合に、動吸振器を加工領域に相対する被加工材表面に移動することができる工作機械の加工方法、工作機械および移動式動吸振器を提供する。
　前記目的を達成すべく、本発明に係る工作機械の加工方法は、工具と動吸振器とを用いてワークを加工する工作機械の加工方法であって、前記工具と前記動吸振器とを前記ワークを挟んで対向して配置し、前記工具と前記動吸振器とを同期移動させて前記ワークを加工することを特徴とする。そして、前記動吸振器は、錘と、ばね部材と、減衰手段とを備え、前記工具で前記ワークを加工するとき発生する振動を抑制する機能を有するものが好ましい。
　前記のごとく構成された本発明の工作機械の加工方法では、例えば、切削工具を移動させワークを切削加工する際に、ワークの加工領域に相対する表面に工具と動吸振器とをワークを挟んで対向して配置し、工具と動吸振器とを同期移動させてワークを加工するようにしているため、加工中に発生する工具の振動を動吸振器で抑制することができ、加工精度を高めることができると共に、加工能率を向上させることができる。
　本明細書は本願の優先権の基礎である日本国特許出願２０１２－０８６５４３号、及びそれを基礎とする日本国特許出願２０１３－０３８４９０号の明細書および／または図面に記載される内容を包含する。
　本発明によれば、ワークの加工領域全域に渡って振動を抑制することを可能とする加工方法、工作機械の加工装置、工作機械および移動式動吸振器を提供することができる。上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。
本発明に係る工作機械の加工方法の実施例１の構成を示す概略斜視図。 図１で使用する振動抑制装置の構成を示す図。 質点系モデルにおける動吸振器の構成を説明するモデル図。 粘弾性体を用いた調整可能な動吸振器の構造図。 図１で使用する振動抑制装置を用いた加工方法を示すフローチャート。 被加工材の薄板部端部の自己コンプライアンス解析結果を示す周波数応答特性図。 被加工材の両端に動吸振器を設置した場合の薄板部端部の自己コンプライアンス解析結果を示す周波数応答特性図。 被加工材の両端に動吸振器を設置した場合の薄板部中央部の自己コンプライアンス解析結果を示す周波数応答特性図。 被加工材のある一箇所に動吸振器を設置した場合の設置位置における自己コンプライアンス解析結果を示す周波数応答特性図。 本発明に係る加工方法の実施例２で使用する動吸振器を示す概略構成図。 図１０の動吸振器を用いた加工方法を示すフローチャート。 本発明に係る加工方法の実施例３を説明するための要部斜視図。 図１２で使用する動吸振器の構成を説明するモデル図。 粘弾性体を用いた調整可能な動吸振器の概略構成図。 本発明に係る工作機械の加工方法の実施例４の構成を示す概略斜視図。 質点系モデルにおける図１５で使用する固定式動吸振器の構成を説明するモデル図。 被加工材に固定式動吸振器を複数個（７個）設置した場合の薄板部の自己コンプライアンス解析結果を示す振幅の特性図。
[実施例１]
　以下、本発明に係る工作機械の加工方法の実施例１と、この加工方法で使用する移動式動吸振器を図面に基づき詳細に説明する。本実施例１では、切削加工において被加工材（ワーク）の加工領域を、工具と動吸振器で挟んで対向して配置し、工具と動吸振器とを同期移動させながら被加工材を加工する工作機械の加工方法の例を説明する。
　図１は、本実施例１の工作機械の加工方法を実施するための構成を示す概略斜視図である。工作機械１はフライス盤等の工作機械であり、主軸１１に取付けられた切削工具２を用い、切削工具２を直線移動させて被加工材（ワーク）３の水平な薄板部３１の下面を長手方向に切削加工するものである。
　被加工材３は例えば長尺部品であり、長手方向に剛性の低い薄板部３１が設けられている。この被加工材３を工作機械１の主軸１１に取付けられた工具２を用いて加工する。薄板部３１の上面には振動抑制装置４を構成する動吸振器４１が接触しており、薄板部３１の下面には工具２が接触しており、工具２と動吸振器４１で薄板部３１を挟んで対向して配置され、工具２と動吸振器４１とは同期して移動され、被加工材３を加工するように構成されている。工具２は例えばエンドミル等の切削工具であり、被加工材３の薄板部３１の鉛直下側面を切削加工する。なお、工具２がエンドミルやサイドカッタであり、被加工材３の表面あるいは溝との間に薄板部３１を形成していくような加工の場合も同様である。
　図２は、本実施例１の加工方法において、被加工材３の薄板部３１の加工領域全域に渡って振動を抑制するための振動抑制装置４の構成を示す図であり、図１の振動抑制装置４を主軸１１の方向から見た状態を示している。振動抑制装置４は、移動式動吸振器４１と駆動部４２と位置検出部４３と制御部４４とを備え、移動式動吸振器４１は、被加工材３を工具２で加工する際に発生する被加工材の振動を抑制する機能を有する。
　移動式動吸振器４１は錘４１１とばね４１２と減衰器４１３と移動部４１４を備え、工具２で被加工材を加工するとき発生する被加工材３の薄板部３１の振動を抑制する機能を有する。ばね４１２は例えば粘弾性体、スプリング、板ばね等である。また、減衰器４１３は例えば粘弾性体、オイルダンパ、エアーダンパ、磁気ダンパ等である。また、ゴムやポリウレタン等の粘弾性体を用いて、ばね４１２と減衰器４１３を兼ねてもよい。
　移動部４１４は、動吸振器４１を被加工材３の薄板部３１の加工領域に相対する表面上に接触させたまま被加工材３に対し相対移動する機能を有する。移動部４１４は例えば台車や車輪である。特に、移動部４１４を金属等のヤング率の大きい心材とゴムやポリウレタン等のヤング率の小さい粘弾性材料のタイヤで構成される粘弾性体車輪として、ばね４１２および減衰器４１３を兼ねてもよい。また、動吸振器４１の移動部４１４を構成する車輪４６の少なくとも一部を粘弾性体で構成すると好適である。
　駆動部４２は、外部から動吸振器４１を被加工材３に対し相対移動させる駆動力を与える機能を有する。駆動部４２は、例えば動吸振器４１に連結された針金等のケーブル４５とそのケーブルに張力を与えて動吸振器４１を牽引する牽引部で構成され、移動部４１４の車輪を回転駆動させる。なお、動吸振器４１に対し振動方向の力が作用すると動吸振器４１の振動を妨害し、振動抑制効果が低下する場合がある。このため、連結するケーブル４５はフレキシブルなケーブルを用いることが望ましい。
　位置検出部４３は、動吸振器４１と工具２との位置を検出する機能を有する。位置検出部４３は、例えば動吸振器４１の移動量を検出するためのエンコーダと工作機械１と通信して工具２の位置を取得するための通信部で構成される。制御部４４は、位置検出部４３から取得した工具２と動吸振器４１の位置情報から、動吸振器４１が被加工材３の薄板部３１の加工領域の相対する表面に、工具２と同期して移動するように駆動部４２を制御する機能を有する。
　図３は被加工材３の薄板部３１の加工領域と動吸振器４１とを質点系でモデル化したモデル図である。被加工材３の加工領域における固有振動ピーク特性を質点系でモデル化したときの質量ｍ１、バネ定数ｋ１、減衰比ζ１とし、動吸振器４１を質量ｍ２、バネ定数ｋ２、減衰比ζ２とする。一般に動吸振器は、ばねと減衰器および錘から構成され、制振対象に前記ばねおよび前記減衰器を介して接続される。
　動吸振器による振動抑制原理は、制振対象の振動が動吸振器の錘に伝わり、前記錘が制振対象の代わりに振動することで制振対象の振動を抑制するものである。なお、動吸振器では、動吸振器の錘が振動しなければならないため、前記特許文献２のバックアップ部材のようにレールに固定すると、錘の振動を阻害し、振動抑制効果が低下する。また、前記特許文献２のバックアップ部材は振動抑制のためにある程度の剛性が必要である。このため、設置面の凹凸や傾斜等でバックアップ部材と設置面が離れ、振動抑制効果が無くなる場合や、逆に押し込み量が大きくなることでバックアップ部材の反力が増加し、被加工材が変形して加工精度が悪化する場合がある。また、剛性を確保するためにある程度大きな構成が必要となる。
　一方、本発明に係る移動式動吸振器は被加工材と接触するだけでよく、小さな錘でも大きな振動抑制効果が得られる。このため、動吸振器が被加工材３の設置面（工具２が接触する加工面と反対面）から離れることや、押し込み過多で被加工材を変形させることはない。また、設置面が溝等の狭隘部にあっても振動抑制効果の高い動吸振器を設置することができる。
　一般に、動吸振器の振動抑制効果は質量比μ＝ｍ２／ｍ１が大きいほど高いため、動吸振器４１の錘４１１の質量ｍ２が大きいほど、被加工材３に対する振動抑制効果は高くなる。また、動吸振器４１のバネ定数ｋ２および減衰比ζ２については最適値を定点理論からそれぞれ式（１）および式（２）を用いて求めることができる。
　ｋ２＝｛μ／（１＋μ）２｝×ｋ１・・・（１）
　ζ２＝３μ／｛８（１＋μ）３｝・・・（２）
　これを基に被加工材３の振動特性に応じて、動吸振器４１のばね定数ｋ２および減衰比ζ２を調整する必要がある。なお、長尺部品には主要な固有振動ピークが多数存在する場合があるが、この場合には主要な固有振動ピークの中で最も固有周波数の低いピークに対してばね定数を最適化し、減衰比を少なくとも式（２）で求めた値よりも大きくとることが望ましい。これによって、より高周波の固有振動ピークに対しても高い振動抑制効果を得ることができる。ばね定数ｋ２および減衰比ζ２は、ばね４１２および減衰器４１３を適切に選択することで理論最適値に近い設計をすればよい。
　動吸振器４１は、移動部４１４の車輪４６を介して被加工材３と接触しており、移動部４１４は被加工材３の加工領域における振動をばね４１２および減衰器４１３を介して錘４１１に伝える。このとき、ばね４１２と減衰器４１３が適切に調整されていれば、錘４１１が被加工材３の加工領域における振動に対しほぼ逆位相に振動し、被加工材３の加工領域における振動を抑制する。また、振動エネルギーの一部は減衰器４１３で熱エネルギーへ変換され振動を抑制する。
　このため、動吸振器４１は被加工材３の加工領域に相対する表面上に載せておけばよく、ガイド等に剛に固定する必要はない。このため、動吸振器４１の設置面が移動方向と振動方向の面内で傾斜あるいは曲がっていても設置面に倣って相対移動するため、被加工材３を変形させて加工精度を劣化させることがない。また、移動部４１４をばね４１２および減衰器４１３を兼ねた粘弾性体車輪４６とすることで、設置面の表面粗さ等の凹凸の影響を受けにくくなり、凹凸面への設置でも高い振動抑制効果を得ることができる。
　図４は粘弾性体４１２ａを用いた、振動抑制機能を調整可能な動吸振器４１の構造例を示す。粘弾性体４１２ａは、ばね４１２および減衰器４１３を兼ねる。ばね定数ｋ２および減衰比ζ２は、粘弾性体４１２ａの種類および形状で概ね決定する。さらにボルト４１５等で移動部４１４の一部である下側板４１４ａと上側板４１４ｂの厚さを調整することで粘弾性体４１２ａを変形させ、ばね定数ｋ２および減衰比ζ２を微調整することができる。なお、被加工材３の振動特性が加工位置によって異なる場合にも、ボルトを図示しないモータ等で駆動し下側板４１４ａと上側板４１４ｂの厚さを加工中に調整して、粘弾性体４１２ａを変形させることで動吸振器４１を最適化し、振動抑制効果を高めることもできる。また、ボルト４１５ではなく、油圧や空圧により下側板４１４ａと上側板４１４ｂの厚さを調整しても良い。
　つぎに、図５のフローチャートに基づいて、振動抑制装置４を用いて加工領域全域に渡って振動を抑制しながら加工する工作機械１の動作を説明する。まず初めに、動吸振器４１を被加工材３の加工開始位置に相対する表面（工具２の接触する加工面と反対面）に設置する(ステップＳ１０１)。次に、工作機械１の主軸１１に取付けられた工具２により被加工材３の加工を開始する（ステップＳ１０２）。次に、位置検出部４３の通信部が工作機械１と通信して工具２の位置を検出する（ステップＳ１０３）。
　工具２の位置が動吸振器４１で振動を抑制する所定の範囲にあるかどうか判断し（ステップＳ１０４）、工具２の位置が振動抑制の対象範囲内であれば、位置検出部４３のエンコーダで動吸振器４１の位置を取得する（ステップＳ１０５）。制御部４４は動吸振器４１と工具２との位置情報に基づいて駆動部４２を制御し、動吸振器４１を工具２と相対する被加工材３の表面に移動させる（ステップＳ１０６）。なお、ステップＳ１０４で、工具２の位置が振動抑制の対象範囲外の場合は、ステップＳ１０７で、制御部４４は動吸振器４１を停止させる。前記のステップＳ１０３～Ｓ１０６を加工終了まで繰り返すことで、加工領域全域に渡って振動を抑制して加工することが可能である。
　図６は被加工材３の薄板部端部の自己コンプライアンスの大きさを有限要素法による構造解析により計算した結果を示す周波数応答特性図である。なお、ある点Ａにおける自己コンプライアンスは点Ａに単位振幅１Ｎの正弦波加振力を与えた場合の点Ａの変位応答の周波数応答関数であり、動剛性の逆数である。自己コンプライアンスの大きさは変位応答の振幅を示す。したがって、自己コンプライアンスが小さい方が振動しにくく、動剛性が高い。
　本実施例１の被加工材３のように薄板部断面のアスペクト比（図１の薄板部３１の幅ｗ１に対する高さｗ２の比）が大きい場合には、薄板部の自己コンプライアンスの大きさが大きくなり、動剛性が低下するため、薄板部の加工においてびびり振動が発生する。びびり振動が発生すると加工面の表面粗さが劣化し、工具に欠損や異常摩耗が発生し、加工精度が悪化する。また、びびり振動を回避するためには、低能率な加工条件で加工する必要があり、加工能率が低下する。
　図７は薄板部３１の両端に動吸振器（錘０．８ｋｇ、ばね定数７．５×１０６Ｎ／ｍ、減衰比１０％）を設置した場合の薄板端部の自己コンプライアンスの大きさを解析により求めた結果の例である。図６と比較して、図７では自己コンプライアンスの最大値が小さくなっており、設置した動吸振器４１により振動が抑制されていることが示された。
　一方、図８は薄板部３１の両端に動吸振器を設置した場合の薄板中央部の自己コンプライアンスを解析した結果を示す周波数応答特性図である。図８では薄板部の自己コンプライアンス最大値は大きく、振動抑制効果が低いことが分かる。これは、動吸振器から離れた位置では振動抑制が少ないことを示している。したがって、ある加工条件で加工した場合に動吸振器を設置した位置近傍ではびびり振動は発生しないが、動吸振器から離れた位置ではびびり振動が発生する場合がある。
　また、これを補うためさらに薄板中央部に動吸振器を設置すると、動吸振器と動吸振器の中間部で自己コンプライアンス最大値は大きくなる。さらに多数の動吸振器を取付ければ、動吸振器同士の間隔が短くなるため自己コンプライアンスの最大値は小さくなるが、長尺部材の場合には非常に多くの動吸振器が必要になる場合がある。
　本実施例１で対象とする被加工材３の加工では、工具２が動剛性の低い薄板部３１の長手方向に移動しながら加工するため、従来技術である固定式の動吸振器では動吸振器近傍以外を加工する際に振動抑制効果が十分でなく、びびり振動が発生する場合がある。したがって、びびり振動を回避するには、加工領域全域の中で最も動剛性の低い部分においてびびり振動が発生しない条件で加工する必要があり、加工能率が低下する。
　一方、本実施例１の加工方法では、動吸振器４１は工具２と同期して移動し、常に動吸振器近傍を加工することができる。図９は薄板部３１のある一箇所に前記固定式動吸振器と同じ振動特性を持った動吸振器４１を一つだけ設置した場合の前記動吸振器を設置した位置における自己コンプライアンス解析結果を示す周波数応答特性図である。ただし、薄板部の端から１０００ｍｍ、２０００ｍｍ、３０００ｍｍの位置でそれぞれ解析した結果の例を示す。
　図９では、それぞれの位置において自己コンプライアンスの最大値が小さくなっており、高い振動抑制効果が得られることが分かる。このため、本実施例１で示した動吸振器４１が工具２と同期して移動する方法を用いることで、被加工材３の加工領域全域に渡って高い振動抑制効果を発揮することができ、びびり振動の抑制効果を高くすることができ、加工能率および加工精度を向上できる。
　なお、図６～図９の解析結果は薄板部３１の高さ（ｗ２）２００ｍｍ、薄板部の幅（ｗ１）５０ｍｍ、薄板部の長さ７０００ｍｍとし、材料特性はヤング率２００ＧＰａ、ポアソン比０．３、密度７９００ｋｇ／ｍ３、減衰比０．５％として解析した。
[実施例２]
　本実施例２では、駆動手段と位置検出手段と制御手段とを備えた動吸振器を用いた加工方法の例について、図１０，１１を参照して説明する。図１０に示す動吸振器５と、工作機械１の構成図において、動吸振器５は、錘４１１とばね４１２と減衰器４１３と移動部４１４と駆動部５３と位置検出部５４と制御部５５とを備える。駆動部５３は、被加工材３に対し動吸振器５を相対移動させる駆動力を与える機能を有する。例えば、駆動部５３はモータであり、移動部４１４の車輪を回転させ動吸振器５を相対移動させることができる。
　位置検出部５４は動吸振器５と工具２との相対位置を検出する機能を有する。位置検出部５４は受信器５４１と演算部５４２とを備え、受信器５４１は工作機械１の主軸１１に取付けられた発信器１１１からの信号を検出する。演算部５４２は受信器５４１の信号強度から動吸振器５と工具２との相対位置を演算する。或いは演算部５４２は受信器５４１の信号強度のピーク位置から動吸振器５と工具２との相対位置を演算する。また、演算部５４２は受信器５４１の信号強度が所定の値以下の場合には、振動抑制範囲外であると判断する。発信機１１１と受信機５４１で通信手段を構成する。
　受信器５４１は、受光器、磁気センサ等であり、主軸に取付けられた発信器１１１から発信されるレーザ、磁場等の信号を検出する。なお、受信器５４１を圧電式や通電式のタッチセンサとして、工作機械１の主軸に固定されたバーあるいは針金等の接触で工具２と動吸振器５との相対位置を検出しても良い。制御部５５は、位置検出部５４から取得した相対位置情報から、工具２と動吸振器５が相対する位置に同期して移動するように駆動部５３を制御する機能を有する。
　なお、錘４１１の質量が大きいほど、動吸振器５の振動抑制効果は大きくなるため、駆動部５３と位置検出部５４と制御部５５は錘４１１に設置することが望ましい。ただし、これらの一部または全てを移動部４１４等の錘４１１以外の部分に設置しても良い。その他の構成は、既に説明した図２に示された同一の符号を付された構成と、同一の機能を有するので、説明は省略する。
　図１１に示すフローチャートを用いて、動吸振器５を用いた工作機械の加工方法の動作について説明する。まず初めに、動吸振器５を被加工材３の薄板部３１の加工開始位置に相対する表面に設置する（ステップＳ２０１）。次に、工作機械１の主軸１１に取付けられた工具２により被加工材３の加工を開始する（ステップＳ２０２）。また、主軸１１に設置された発信器１１１からレーザ等の信号を発信する（Ｓ２０３）。
　受信器５４１の受信する信号強度が所定の値以上であるか演算部５４２で判断し（Ｓ２０４）、信号強度が所定の値以上の場合は、ステップＳ２０５で取得した動吸振器の位置に基づいて、演算部５４２が動吸振器５と工具２との相対位置を演算する（Ｓ２０６）。制御部５５は動吸振器５と工具２との相対位置情報に基づいて駆動部５３を制御し、動吸振器５を工具２と相対する被加工材３の表面に移動させる（ステップＳ２０７）。ステップＳ２０４で、信号強度が所定の値以上でない場合は、ステップＳ２０８で、制御部５５は動吸振器５を停止させる。前記のステップＳ２０３～Ｓ２０７を加工終了まで繰り返すことで、加工領域全域に渡って振動を抑制して加工することが可能である。本実施例２の振動抑制効果は、既に説明した図９と同一の効果を有するため、説明は省略する。
　なお、本実施例２の加工方法では、動吸振器５に被加工材３以外からの外力を及ぼすことなく、動吸振器５を被加工材３に対して相対移動させることができるため、動吸振器５の振動抑制効果を高くすることができる。また、ケーブル等により動吸振器を牽引することが困難なポケットなどの閉領域でも動吸振器５を工具２と同期して移動させることが可能である。
[実施例３]
　本実施例３では、図１２，１３を参照して動吸振器の設置面が鉛直下向きの場合について説明する。図１２は、本実施例３の工作機械の加工方法を実施するための概略構成を示す要部斜視図である。被加工材３は複数の溝を有しており、２つの隣り合う溝の間に薄板部３１，３１を有する。ある溝の片方あるいは両側の壁面を、工作機械１の主軸１１に固定した工具２で加工する場合に、加工される壁面を含む薄板部３１において加工領域に相対する表面には動吸振器６が設置されている。
　図１３は動吸振器６の構成を説明するためのモデル図である。動吸振器６は少なくとも１つ以上の錘４１１と２つ以上のばね４１２と、２つ以上の減衰器４１３と、２つ以上の移動部４１４とを備える。移動部４１４の少なくとも１つは、薄板部３１を挟んで加工領域に相対する表面に接触しており、ばね４１２と減衰器４１３を介して薄板部３１の振動を錘４１１に伝える。また、移動部４１４の前記とは別の少なくとも１つは、動吸振器６が設置された溝を挟んで隣の薄板部３２の表面に接触している。これにより、加工される薄板部３１の鉛直下側面に動吸振器６を設置する場合にも隣の薄板部３２に接触している移動部４１４が動吸振器６を支持し、重力による落下を防止する。
　なお、動吸振器６は、前記実施例２における動吸振器５の駆動部５３と位置検出部５４と制御部５５と同様の構成を備えても良い。また、既に説明した実施例１の図２および実施例２の図１０に示された同一の符号を付された構成は前記と同一の機能を有するので、説明は省略する。
　動吸振器６の調整については、全てのばね４１２の合成ばね定数が式（１）で求めた最適なバネ定数となるよう調整することが望ましい。また、減衰比についても、全ての減衰器４１３の合成減衰係数に対応する減衰比が式（２）で求めた最適な減衰比となるように調整することが望ましい。
　図１４は粘弾性体４１２ａを用いた、振動抑制機能を調整可能な動吸振器６の概略構成図である。ボルトナット４１０等で錘４１１の幅（図１４で上下方向の幅）を調整可能とすることで、錘４１１と移動部４１４のギャップを調整し、粘弾性体４１２ａを変形させることで動吸振器６のバネ定数ｋ２および減衰比ζ２を調整できる。また、被加工材３の振動特性が加工位置によって異なる場合にも、ボルトナット４１０を図示しないモータ等で駆動し、錘４１１と移動部４１４のギャップを調整し、粘弾性体４１２ａを変形させることで動吸振器６を最適化し、振動抑制効果を高めることもできる。また、ボルトナットではなく、油圧や空圧により錘４１１と移動部４１４のギャップを調整しても良い。
　本発明に係る工作機械１は、工具２と動吸振器４１，５，６とを用いて被加工材（ワーク）３を加工する工作機械であって、工具２と動吸振器４１，５，６とを被加工材３を挟んで対向して配置し、動吸振器４１，５，６は、工具２と動吸振器とを同期移動させる駆動部４２，５３を備えるものである。この工作機械１では、工具２が被加工材３を加工する際に発生する振動が前記の動吸振器で抑制されるため、びびり振動等が抑制されて加工精度を向上させることができる。
[実施例４]
　本実施例４では、図１５を参照して、複数の移動しない固定式動吸振器を用いる場合について説明する。図１５は本実施例４の工作機械の加工方法を実施するための概略構成を示す概略斜視図である。被加工材３は剛性の低い薄板部３１が設けられている。この被加工材３を工作機械１の主軸１１に取付けられた工具２を用いて加工する。薄板部３１の片方の面には工具２が接触しており、薄板部３１のもう一方の面には少なくとも２つ以上の動吸振器７が固定されており、動吸振器７は移動せず、工具２が移動することで被加工材３を加工するように構成されている。
　動吸振器７は錘４１１とばね４１２と減衰器４１３と固定部７４を備え、工具２で被加工材を加工するとき発生する被加工材３の薄板部３１の振動を抑制する機能を有する。
　固定部７４は動吸振器７を薄板部３１に固定する機能を有しており、薄板部３１の振動や傾斜による動吸振器７の位置ずれ、または重力による落下を防止する。固定部７は、例えば接着剤や溶接による接着部やネジ締結部、マグネットや真空チャックによる吸着部である。特に、付け外しが容易で吸着力の強いマグネットホルダが望ましい。既に説明した実施例１の図２および実施例２の図１０に示された同一の符号を付された構成は前記と同一の機能を有するので、説明は省略する。
　図１６は被加工材３の薄板部３１の加工領域と動吸振器７とを質点系でモデル化したモデル図である。被加工材３の加工領域における固有振動ピーク特性を質点系でモデル化したときの質量ｍ１、バネ定数ｋ１、減衰比ζ１とし、動吸振器７を質量ｍ３、バネ定数ｋ３、減衰比ζ３とし、薄板部３１に接触する動吸振器７の数をＮ個（Ｎ≧２）とする。動吸振器７のバネ定数ｋ３および減衰比ζ３について、式（３）および式（４）を用いて求めた値を最適値とする。ただし、質量比μ＝ｍ３／ｍ１とする。
　ｋ３＝｛Ｎ×μ／（１＋Ｎ×μ）２｝×ｋ１／Ｎ・・・（３）
　ζ３＝３Ｎ×μ／｛８（１＋Ｎ×μ）３｝・・・（４）
　これを基に被加工材３の振動特性に応じて、動吸振器７のばね定数ｋ３および減衰比ζ３を調整する必要がある。なお、長尺部品は位置によって固有振動ピーク特性が異なる場合があるが、固有振動ピークが最も大きい位置における固有振動ピークの中で最も固有周波数の低いピークに対してばね定数を最適化し、減衰比を少なくとも式（４）で求めた値よりも大きくとることが望ましい。これによって、より高周波の固有振動ピークに対しても高い振動抑制効果を得ることができ、被加工材３の加工領域全体に渡って振動を抑制することができる。Ｎ個の動吸振器７のばね定数ｋ３および減衰比ζ３は、各動吸振器７のばね４１２および減衰器４１３を適切に選択することで理論最適値に近い設計をすればよい。
　Ｎ個の動吸振器７の隣り合う配置間隔は、被加工材３の長手方向に対し、両端部およびその間を（Ｎ－２）等分した位置を基準とするが、被加工材３の薄板部３１の長手方向中央に行くほど隣り合う動吸振器７の間隔を狭くなるように設置することが望ましい。
　図１７は薄板部３１に７個の動吸振器７を設置した場合の最も振幅が大きい周波数における薄板部３１の加工領域全域の振幅を解析により求めた結果の例である。ただし、薄板部３１の高さ（ｗ２）２００ｍｍ、薄板部の幅（ｗ１）５０ｍｍ、薄板部の長さ７０００ｍｍとし、材料特性はヤング率２００ＧＰａ、ポアソン比０．３、密度７９００ｋｇ／ｍ３、減衰比０．５％として解析した。図１７（ａ）は式（３）で求めたバネ定数ｋ３と式（４）で求めた減衰比ζ３を用いた動吸振器７を等間隔に配置（０、１１６７、２３３３、３５００、４６６７、５８３３、７０００ｍｍの位置）した場合の振幅であり、（ｂ）は式（３）で求めたバネ定数ｋ３と式（４）で求めた減衰比ζ３を用いた動吸振器７を等間隔に配置した場合の振幅であり、（ｃ）は式（３）で求めたバネ定数ｋ３と式（４）で求めた減衰比ζ３を用いた動吸振器７を中央寄りに配置（０、１３５０、２５５０、３５００、４４５０、５６５０、７０００ｍｍの位置）した場合の振幅である。
　図１７（ａ）より（ｂ）の方が振幅が小さく振動抑制効果が高くなる。薄板部３１に接触する動吸振器７が１個である場合には、式（１）で求めたバネ定数、および式（２）で求めた減衰比が最適値であるが、薄板部３１に接触する動吸振器７が複数個ある場合には、各動吸振器が相互に作用し、式（１）および（２）で求めた値は最適値ではなくなるためである。このため、式（３）で求めたバネ定数、および式（４）で求めた減衰比を目標値として全ての動吸振器７を調整することで、振動抑制効果を高めることができる。また図１７（ｂ）より（ｃ）の方が振幅が小さく振動抑制効果が高くなり、動吸振器７を中央寄りに配置した方が振動抑制効果が高くなる。ただし、隣り合う動吸振器の間隔が広すぎると振動が大きくなってしまうため、最も広い間隔が最も狭い間隔の２倍以下となるように設定することが望ましい。振動抑制効果を高めることで薄板部３１に接触する動吸振器７の数を少なくすることができ、設置時間やコストを削減することができる。またＮ個の動吸振器７のバネ定数ｋ３と減衰比ζ３を全て同じ理論最適値を目標に調整することで、個別に調整する場合と比較して調整時間および設置時間の短縮が可能である。
　以上、本発明の実施形態について詳述したが、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の精神を逸脱しない範囲で、種々の設計変更を行うことができるものである。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
　また、制御線や情報線は説明上必要と考えられるものを示しており、製品上必ずしも全ての制御線や情報線を示しているとは限らない。実際には殆ど全ての構成が相互に接続されていると考えてもよい。
　本発明の活用例として、この加工方法および移動式動吸振器を用いて、加工時に発生するびびり振動を抑制して精度のよい加工を行うことができ、各種の工具を取付けて切削、研削、研磨等の各種の加工の用途にも適用できる。
１…工作機械
１１…工作機械主軸
１１１…発信器（位置信号発信手段、通信手段）
２…工具
３…被加工材（ワーク）
３１…薄板部
４…振動抑制装置
４１…動吸振器
４１１…錘
４１２…ばね（ばね部材）
４１２ａ…粘弾性体
４１３…減衰器（減衰手段）
４１４…移動部
４２…駆動部（駆動手段）
４３…位置検出部
４４…制御部
４５…ケーブル
４６…車輪（粘弾性体車輪）
５…動吸振器
５３…駆動部
５４…位置検出部（位置信号検出手段）
５４１…受信器（位置信号受信手段、通信手段）
５４２…演算部
５５…制御部（制御手段）
６…溝用動吸振器
７…動吸振器
７４…固定部
　本明細書で引用した全ての刊行物、特許および特許出願をそのまま参考として本明細書にとり入れるものとする。

Claims (17)

  1. 　工具と動吸振器とを用いてワークを加工する工作機械の加工方法であって、
    　前記工具と前記動吸振器とを前記ワークを挟んで対向して配置し、前記工具と前記動吸振器とを同期移動させて前記ワークを加工することを特徴とする工作機械の加工方法。
  2. 　前記動吸振器は、錘と、ばね部材と、減衰手段とを備え、前記工具で前記ワークを加工するとき発生する振動を抑制する機能を有することを特徴とする請求項１に記載の工作機械の加工方法。
  3. 　前記動吸振器は、少なくとも一部が粘弾性体で構成された車輪を有することを特徴とする請求項１に記載の工作機械の加工方法。
  4. 　前記動吸振器は、フレキシブルなケーブルにより牽引され、前記ワークの加工領域を移動されることを特徴とする請求項１～３のいずれかに記載の工作機械の加工方法。
  5. 　前記工具は、エンドミル等の切削工具であり、前記加工は、切削加工であることを特徴とする請求項１～４のいずれかに記載の工作機械の加工方法。
  6. 　前記工作機械は、前記工具の位置を検出する位置検出手段を有し、
    　前記動吸振器は、その位置を検出する位置検出手段を有し、
    　前記動吸振器は、検出された前記工具の位置と、該動吸振器の位置に基づいて移動することを特徴とする請求項１～５のいずれかに記載の工作機械の加工方法。
  7. 　前記工作機械は、前記工具の位置を通信する通信手段を有し、前記動吸振器は、前記工具の位置を前記工作機械と通信する通信手段により取得することを特徴とする請求項６に記載の工作機械の加工方法。
  8. 　前記工作機械は、前記工具の位置信号を発信する位置信号発信手段を備え、前記動吸振器は、前記工具の位置を受信する位置信号受信手段を備え、受信した前記工具の位置信号と前記動吸振器の位置から、前記工具と前記動吸振器との相対位置を検出することを特徴とする請求項６に記載の工作機械の加工方法。
  9. 　前記位置信号発信手段はレーザ発信器であり、前記位置信号受信手段はレーザ受光器であることを特徴とする請求項８に記載の工作機械の加工方法。
  10. 　前記位置信号発信手段は磁気発信器であり、前記位置信号受信手段は磁気センサであることを特徴とする請求項８に記載の工作機械の加工方法。
  11. 　工具を用いてワークを加工する際に前記ワークの振動を抑制する移動式動吸振器であって、該移動式動吸振器は、少なくとも一部が粘弾性体で構成された車輪と、該車輪を駆動するための駆動手段と、前記工具と前記動吸振器の相対位置を検出する位置検出手段と、検出された前記相対位置の検出信号に基づいて前記駆動手段を制御する制御手段とを備えていることを特徴とする移動式動吸振器。
  12. 　工具と動吸振器とを用いてワークを加工する工作機械であって、
    　前記工具と前記動吸振器とを前記ワークを挟んで対向して配置し、前記動吸振器は、前記工具と該動吸振器とを同期移動させる駆動部を備えることを特徴とする工作機械。
  13. 　工具と動吸振器とを用いてワークを加工する工作機械の加工方法であって、前記工具で加工する面の反対の面に前記動吸振器を少なくとも２つ以上固定し、前記工具を移動させて前記ワークを加工することを特徴とする工作機械の加工方法。
  14. 　前記動吸振器は、それぞれ錘と、ばね部材と、減衰手段とを備え、前記工具で前記ワークを加工するとき発生する振動を抑制する機能を有することを特徴とする請求項１３に記載の工作機械の加工方法。
  15. 　前記動吸振器のばね部材のバネ定数ｋ３は、動吸振器の数Ｎ、動吸振器の錘の質量ｍ３として、ワークの被加工領域の自己コンプライアンスの振幅最大となる固有振動ピークのモード質量ｍ１と、質量比μ＝ｍ３／ｍ１、バネ定数ｋ１とを用いて、ｋ３＝｛Ｎ×μ／（１＋Ｎ×μ）２｝×ｋ１／Ｎとして調整されることを特徴とする請求項１４に記載の工作機械の加工方法。
  16. 　前記動吸振器の減衰手段の減衰比ζ３は、動吸振器の数Ｎ、動吸振器の錘の質量ｍ３として、ワークの被加工領域の自己コンプライアンスの振幅最大となる固有振動ピークのモード質量ｍ１を用いて、ζ３＝３Ｎ×μ／｛８（１＋Ｎ×μ）３｝より大きい値に調整されることを特徴とする請求項１４に記載の工作機械の加工方法。
  17. 　前記動吸振器のワーク長手方向の隣り合う配置間隔は、ワーク中央に近づくほど狭くなり、最も広い間隔が最も狭い間隔の２倍以下となることを特徴とする請求項１３に記載の工作機械の加工方法。
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