CN112449617B

CN112449617B - 加工装置和切削加工方法

Info

Publication number: CN112449617B
Application number: CN201980048586.XA
Authority: CN
Inventors: 早坂健宏; 南秀铉; 社本英二
Original assignee: National University Corp Donghai National University; Murata Machinery Ltd; Okuma Corp
Current assignee: National University Corp Donghai National University; Murata Machinery Ltd; Okuma Corp
Priority date: 2018-08-09
Filing date: 2019-07-08
Publication date: 2022-07-12
Anticipated expiration: 2039-07-08
Also published as: WO2020031582A1; US20210154746A1; JP6775237B2; DE112019003996B4; CN112449617A; DE112019003996T5; JPWO2020031582A1

Abstract

旋转机构(8)使安装有切削工具(10)或者被切削材料(6)的主轴(2a)旋转。旋转控制部(21)控制基于旋转机构(8)的主轴(2a)的旋转。进给机构(7)使切削工具(10)相对于被切削材料(6)移动。旋转控制部(21)交替执行使主轴的旋转加速而使作为同一旋转位置的当前的切削速度与一转前的切削速度之比的速度变化比成为大于1的第一值以上的加速控制和使主轴的旋转减速而使速度变化比成为小于1的第二值以下的减速控制。

Description

加工装置和切削加工方法

相关申请的交叉引用

本申请主张基于2018年8月9日申请的日本专利申请2018-149918号的优先权，并且该申请的所有内容以引用的方式并入本申请的说明书中。

技术领域

本公开涉及加工装置和切削加工方法。

背景技术

以往，存在如下的加工装置：即，将切削工具或者被切削材料安装于可旋转的主轴上，并在使主轴旋转的同时使被切削材料接触于切削工具而进行加工的加工装置。在该加工装置中，可能会产生被切削材料和/或切削工具振动的“再生颤振”。

“再生颤振”为这样的一种自激振动：在一转前(在多刃工具中为一刃前)切削时所产生的振动作为加工面的起伏而保留下来，而该振动在当前的切削中会作为切削厚度的变化而再生的自激振动。因此，构成为切削力发生变化而再次发生振动的闭合的回路(loop)，若该回路增益增大，则振动增大而成为强烈的颤振。“再生颤振”不仅会使加工面的精加工精度恶化，还可能会成为切削工具的缺损的因素。

若对主轴旋转速度、即切削速度进行控制而使某一旋转位置(旋转角度)上的一转前的切削速度与当前的切削速度具有足够的差异，则再生颤振便不会增强。专利文献1公开了一种在对被切削材料施加车削加工时，在将切削工具的进给速度保持为恒定的状态下，使主轴的旋转速度以短的周期进行变化，以此来抑制“颤振”的方法。

(现有技术文献)

(专利文献)

专利文献1：日本特开昭49-105277号公报

发明内容

(发明所要解决的问题)

若使主轴旋转速度以周期性变化的话，则在对旋转速度的增减进行切换的前后，当前的速度与一转前的速度之比会接近于1。以往，存在出于抑制再生颤振的目的而以三角波的变化模式(pattern)来使主轴旋转速度周期性变化的情况，但本申请人对三角波的变化模式进行解析的结果，查明了在旋转速度成为极大值的前后，存在发生再生颤振的可能性。本申请人对主轴旋转速度的周期性变化模式进行反复研究，确定了可有效抑制再生颤振的变化模式。

本申请是鉴于这种情况而提出的，其目的在于提供一种有效抑制再生颤振的切削加工技术。

(解决问题所采用的措施)

为了解决上述问题，本申请的某一方式的加工装置包括：旋转机构，其用于使安装有切削工具或者被切削材料的主轴旋转；旋转控制部，其用于控制基于旋转机构的主轴的旋转；以及进给机构，其用于使切削工具相对于被切削材料移动。旋转控制部交替执行使主轴的旋转加速而使作为同一旋转位置的当前的切削速度与一转前的切削速度之比的速度变化比成为大于1的第一值以上的加速控制和使主轴的旋转减速而使速度变化比成为小于1的第二值以下的减速控制。

本发明的另一方式为切削加工方法。该方法包括：旋转控制步骤，控制安装有切削工具或者被切削材料的主轴的旋转；以及加工步骤，在主轴旋转中使切削工具相对被切削材料移动而进行基于切削工具的加工。旋转控制步骤交替执行使主轴的旋转加速而使作为同一旋转位置的当前的切削速度与一转前的切削速度之比的速度变化比成为大于1的第一值以上的加速控制和使主轴的旋转减速而使速度变化比成为小于1的第二值以下的减速控制。

此外，以上构成要素的任意组合、将本申请的表现在方法、装置、***等之间进行转换都作为本公开的方式而有效。

附图说明

图1为示出实施方式的加工装置的结构的图。

图2中的(a)～(c)为示出以三角波的变化模式来对主轴旋转速度进行控制时的模拟结果的图。

图3中的(a)～(c)为示出以三角波的变化模式来对主轴旋转速度进行控制时的模拟结果的图。

图4中的(a)～(c)为示出以实施方式的变化模式来对主轴旋转速度进行控制时的模拟结果的图。

图5中的(a)～(c)为示出以变形例的变化模式来对主轴旋转速度进行控制时的模拟结果的图。

具体实施方式

图1示出实施方式的加工装置1的示意性结构。加工装置1是将切削工具10的刀尖接触于被切削材料6而进行车削加工的切削装置。加工装置1在机座5上具备以能够旋转的方式支撑被切削材料6的主轴箱2和尾座3、以及用于支撑切削工具10的刀架4。旋转机构8设置于主轴箱2的内部而使安装有被切削材料6的主轴2a旋转。进给机构7设置于机座5上，用于使切削工具10相对于被切削材料6移动。在该加工装置1中，进给机构7使刀架4在X轴、Y轴、Z轴方向上移动，由此使切削工具10相对于被切削材料6移动。在此，X轴方向为水平方向且与被切削材料6的轴向正交的切入方向，Y轴方向为作为铅直方向的切削方向，Z轴方向为与被切削材料6的轴向平行的进给方向。

控制部20具备：旋转控制部21，其对基于旋转机构8的主轴2a的旋转进行控制；以及移动控制部22，其在主轴2a的旋转过程中在进给机构7的作用下使切削工具10与被切削材料6接触而进行基于切削工具10的加工。加工装置1可以是NC(数控)机床。旋转机构8和进给机构7构成为分别具有电机等的驱动部，旋转控制部21和移动控制部22分别调整向驱动部的供电而控制旋转机构8和进给机构7各自的动作。

此外，虽然在实施方式的加工装置1中，被切削材料6安装于主轴2a而在旋转机构8的作用下旋转，但在其他示例中，也可以切削工具10安装于主轴2a而在旋转机构8的作用下旋转。此外，进给机构7只要使切削工具10相对于被切削材料6移动即可，只要具有使切削工具10或者被切削材料6中的至少一方移动的机构即可。

在这种加工装置1中，已知如下情况：若使某一旋转位置的当前的切削速度与一转前的切削速度具有充分的差异，则再生颤振便不会发展。本申请人着眼于当前的切削速度与一转前的切削速度之比而对抑制再生颤振的发展的主轴旋转速度的变化模式进行了研究。以下，将相同旋转位置的当前的切削速度与一转前的切削速度之比称为“速度变化比”。

在对实施方式所采用的变化模式进行说明之前，对以往的为了抑制再生颤振的发展而所使用的三角波的变化模式进行探讨。

图2的(a)示出主轴旋转速度的三角波的变化模式。该变化模式的周期为2秒，使速度在极小值为1400rpm且极大值为2600rpm的范围内以恒定的加速度、恒定的减速度变化。从极小值到极大值为止的加速期间与从极大值到极小值为止的减速期间相等，分别为1秒。

图2的(b)示出速度变化比的推移模式。如上所述，速度变化比由以下公式导出。

速度变化比＝(当前的切削速度/一转前的切削速度)

在图2的(a)所示的变化模式下，示出以下特性：在主轴旋转的加速期间内，速度变化比在超过了1的状态下徐徐减小，在主轴旋转的减速期间内，速度变化比在低于1的状态下徐徐减小。

图2的(c)示出颤振的加速度的变化。在该模拟结果中，示出从时间Ta到即将到达时间Tb之前为止，颤振的加速度增大，颤振发展的情况。在时间Tb，颤振的加速度开始下降，这表示在时间Tb开始获得颤振的抑制效果。本申请人对照图2的(b)示出的速度变化比的推移模式，查明了在从时间Ta到时间Tb之间的期间Ia-b，振动加速度增大的原因与速度变化比的值有关。

在图2的(b)中，时间Ta处的速度变化比为Tha(＞1)，时间Tb处的速度变化比为Thb(＜1)。由于颤振的加速度在时间Ta处开始增大，并在时间Tb处开始减小，因此Thb以上且Tha以下的速度变化比无法抑制颤振的发展。本申请人研究了Tha和Thb的关系，结果发现，从Tha减去1的值(Tha-1)与从1减去Thb的值(1-Thb)具有大致相等的关系。

对主轴旋转速度的极大值附近和极小值附近进行比较，再生颤振在主轴旋转速度的极大值附近产生，而在主轴旋转速度的极小值附近不产生。研究认为这是因为颤振的加速度开始增大之后，再生颤振的发展需要某种程度的时间，而在主轴旋转速度的极小值附近，由于速度变化比为Thb以上且Tha以下的期间短，因此不会产生再生颤振。

另一方面，在主轴旋转速度的极大值附近，从图2的(c)示出的振动加速度的模拟结果可推测速度变化比为Thb以上且Tha以下的期间Ia-b足够长，可以使再生颤振发展。由以上探讨可知，若以图2的(a)所示的三角波的变化模式来对主轴旋转速度进行控制，则在极大值附近，速度变化比为1左右的期间Ia-b变长，因此无法抑制再生颤振的产生。

以下，在图3和图4中，示出对三角波的变化模式和实施方式的变化模式进行比较的模拟结果。两者的变化模式的周期均为3秒。

图3的(a)示出主轴旋转速度的三角波的变化模式。该变化模式使从极小值到极大值的加速期间与从极大值到极小值的减速期间相等。

图3的(b)示出速度变化比的推移模式，图3的(c)示出颤振的振动量的变化。在主轴旋转速度的极大值附近，在速度变化比回落到Th_h(＞1)的定时(timing)，颤振开始增大，在速度变化比回落到Th_l(＜1)的定时(timing)，颤振开始收敛。图3的(c)示出在从速度变化比成为Th_h(＞1)的定时(timing)到速度变化比成为Th_l(＜1)的定时(timing)之间的期间Ih-l，颤振发展的情况。

图4的(a)示出的实施方式的主轴旋转速度的变化模式。实施方式的主轴旋转速度的变化模式具有从极小值到极大值的加速期间的长度与从极大值到极小值的减速期间的长度相等的波形模式。该变化模式将加速期间和减速期间分别设为1.5秒，并交替重复加速期间和减速期间。

图4的(b)示出实施方式的变化模式下的速度变化比的推移模式。旋转控制部21具有交替执行加速控制和减速控制的功能，其中，所述加速控制使主轴2a的旋转加速而使速度变化比成为大于1的第一值(V1)，所述减速控制使主轴2a的旋转减速而使速度变化比成为小于1的第二值(V2)。

旋转控制部21在主轴旋转的加速期间中的至少一部分将速度变化比维持在V1，在主轴旋转的减速期间中的至少一部分将主轴变化比维持在V2。实施方式的旋转控制部21在主轴旋转的加速期间中使速度变化比从V2变化至V1之后维持在V1，在主轴旋转的减速期间中使速度变化比从V1变化至V2之后维持在V2。优选为，加速期间中使速度变化比从V2变化至V1的时间与使速度变化比维持在V1的时间之比为1/7以下。同样地，优选为，减速期间中使速度变化比从V1变化至V2的时间与使速度变化比维持在V2的时间之比为1/7以下。为了使加速期间和减速期间的长度相等且成为连续的轮廓曲线(profile)，旋转控制部21可将V1、V2设定为使V1和V2的乘积为1。例如，若将V1设定为1.03，则可将V2设定为1/1.03，即V1的倒数。

在图4的(b)中，颤振可能在Th_l以上且Th_h以下的速度变化比下产生。作为阈值的Th_l、Th_h可通过模拟来计算，此外，也可以通过实验来导出。此外，参照图2的(a)～(c)所示的模拟结果，可导出开始获得颤振的抑制效果的时间Tb，由此能够唯一地导出此时的速度变化比Thb(Th_l)，此外，如上所述，由于(Tha(Th_h)-1)和(1-Thb(Th_l))具有相等的关系，因此若求得Thb(Th_l)，便也可求得Tha(Th_h)。如此，作为阈值的Th_l、Th_h能够从模拟结果中导出。旋转控制部21将加速控制中的第一值(V1)设定为比阈值Th_h高，将减速控制中的第二值(V2)设定为比阈值Th_l低。

同样地，在图4的(a)所示的变化模式下，速度变化比为Th_l以上且Th_h以下的期间发生在主轴旋转速度的极大值和极小值的附近。然而，旋转控制部21交替切换执行使主轴旋转的加速度连续增大而使速度变化比成为第一值(V1)的加速控制和使主轴旋转的加速度连续减小而使速度变化比成为第二值(V2)的减速控制，从而能够使速度变化比为Th_l以上且Th_h以下的期间非常短。若与三角波的变化模式下的期间Ih-l(参照图3的(b))进行比较，则可明显看出这种差异。

此外，旋转控制部21只要可交替切换执行加速控制和减速控制而能够使速度变化比为Th_l以上且Th_h以下的期间缩短至颤振无法发展的程度即可。例如，进行加速控制和减速控制，使得即使因电源电压的变化等而使速度变化比在加速期间中瞬间地小于V1，或者使速度变化比在减速期间中瞬间地大于V2，在加速期间中也维持速度变化比V1，且在减速期间中也维持速度变化比V2的加工装置1也包含于本申请的保护范围。

图4的(c)示出颤振的振动量的变化。实施方式的变化模式的模拟结果表明能够有效地抑制颤振的产生。旋转控制部21以速度变化比在主轴旋转轴线的整个一周的所有旋转位置都维持第一值(V1)的方式来执行加速控制，且以速度变化比在主轴旋转轴线的整个一周的所有旋转位置都维持第二值(V2)的方式来执行减速控制。因此在基于旋转控制部21的主轴旋转速度的加速控制中，在所有的旋转位置处当前的速度为一转前的速度的V1(＞Th_h)倍，由此便能够抑制再生颤振的产生。此外，在基于旋转控制部21的主轴旋转速度的减速控制中，在所有的旋转位置处当前的速度为一转前的速度的V2(＜Th_l)倍，由此便能够抑制再生颤振的产生。

如此，在加工装置1中，旋转控制部21交替切换执行主轴旋转速度的加速控制和减速控制，由此抑制再生颤振的产生。由此，能够实现对工具损耗的抑制、以及实现始终保留精加工面的情况下的精加工精度优异的加工。本申请人通过进行各种模拟而发现了在具有较长周期的变化模式下、例如具有1秒以上的周期的变化模式下，再生颤振的产生的抑制效果尤其高。

以上，基于实施方式对本申请进行了说明。本领域技术人员可以理解的是该实施方式是一个示例，各构件、各处理过程的组合可产生各种各样的变形例，并且这些变形例也属于本申请的范围。虽然在实施方式中，将加速期间和减速期间的长度设定为相等，但加速期间和减速期间的长度也可以不同。

在实施方式中，旋转控制部21交替执行以第一值(V1)的速度变化比来使主轴2a的旋转加速的加速控制和以第二值(V2)的速度变化比来使主轴2a的旋转减速的减速控制。在变形例中，旋转控制部21也可以交替执行使主轴2a的旋转加速而使速度变化比成为第一值(V1)以上的加速控制和使主轴2a的旋转减速而使速度变化比成为第二值(V2)以下的减速控制。在主轴旋转速度的加速控制中，当前的速度为一转前的速度的V1倍以上，因此能够抑制再生颤振的产生，此外，由于在减速控制中，当前的速度为一转前的速度的V2倍以下，因此也能够抑制再生颤振的产生。只要能够将速度变化比成为Th_l以上且Th_h以下的期间缩短，则在使速度变化比成为V1以上的加速控制和使速度变化比成为V2以下的减速控制之间存在其他的控制也可。

图5的(a)示出变形例的主轴旋转速度的变化模式。变形例的主轴旋转速度的变化模式具有从极小值到极大值的加速期间的长度与从极大值到极小值的减速期间的长度相等的波形模式。该变化模式将加速期间和减速期间分别设定为1秒，并交替重复加速期间和减速期间。与实施方式相同地，在变形例中，旋转控制部21执行使主轴旋转的加速期间的后半的平均加速度大于前半的平均加速度的加速控制，且执行使主轴旋转的减速期间的前半的平均减速度大于后半的平均减速度的减速控制。在此，前半、后半指的是，将期间恰好分成两半时的前半期间、后半期间。

如图5的(a)所示，旋转控制部21在加速期间中在时间Tc处使主轴旋转的加速度增大。此外，旋转控制部21在减速期间中在时间Td处使主轴旋转的减速度减小。因此，在加速期间中后半的平均加速度变得比前半的平均加速度大，在减速期间中前半的平均减速度变得比后半的平均减速度大。

本申请人获得了如下见解：若以图2的(a)所示的三角波的变化模式来对主轴旋转速度进行控制，则在极大值附近速度变化比为1左右的期间Ia-b变长，因此无法抑制再生颤振的产生。根据该见解，发现了能够通过使主轴旋转的加速期间的后半的平均加速度比前半的平均加速度大，使主轴旋转的减速期间的前半的平均减速度比后半的平均减速度大，能够缩短在极大值附近速度变化比为1左右的期间。

图5的(b)示出变形例的主轴旋转速度的变化模式下的速度变化比的推移模式。旋转控制部21通过如图5的(a)所示那样交替执行加速控制和减速控制来能够使在主轴旋转速度的极大值附近使速度变化比为1左右的期间非常短。如此在变形例中，旋转控制部21通过交替执行在主轴旋转的加速期间中使主轴旋转的加速度阶段性地增大一次以上的加速控制和在主轴旋转的减速期间中使主轴旋转的减速度阶段性地减小一次以上的减速控制，来有效地抑制切颤振的产生。在此，使加速度阶段性地增大是指，在一定的期间之后将加速度变更为更大的加速度的情况、即使加速度间歇性地增大的情况。此外，使减速度阶段性地减小是指，在一定的期间之后将减速度变更为更小的减速度的情况、即使减速度间歇性地减小的情况。

本申请的方式的概要如下。

本申请的某一方式的加工装置包括：旋转机构，其用于使安装有切削工具或者被切削材料的主轴旋转；旋转控制部，其用于控制基于旋转机构的主轴的旋转；以及进给机构，其用于使切削工具相对于被切削材料移动。旋转控制部交替执行使主轴的旋转加速而使作为同一旋转位置的当前的切削速度与一转前的切削速度之比的速度变化比成为大于1的第一值以上的加速控制和使主轴的旋转减速而使速度变化比成为小于1的第二值以下的减速控制。

根据该方式，旋转控制部基于速度变化比来对主轴旋转进行控制，由此，能够有效地抑制再生颤振的产生。旋转控制部可以执行使主轴旋转的加速期间的后半的平均加速度比前半的平均加速度变大的加速控制，执行使主轴旋转的减速期间的前半的平均减速度比后半的平均减速度变大的减速控制。

旋转控制部可以在主轴旋转的加速期间中的至少一部分中将速度变化比维持在第一值，在主轴旋转的减速期间中的至少一部分中将速度变化比维持在第二值。旋转控制部可以在主轴旋转的加速期间中使速度变化比从第二值变化成第一值之后将速度变化比维持在第一值，且在主轴旋转的减速期间中使速度变化比从第一值变化成第二值之后将速度变化比维持在第二值。

旋转控制部可以交替执行使主轴旋转的加速度连续增大的加速控制和使主轴旋转的减速度连续减小的减速控制。此外，旋转控制部可以交替执行在主轴旋转的加速期间中使主轴旋转的加速度阶段性地增大一次以上的加速控制和在主轴旋转的减速期间中使主轴旋转的减速度阶段性地减小一次以上的减速控制。

本申请的另一方式的切削加工方法包括：旋转控制步骤，控制安装有切削工具或者被切削材料的主轴的旋转；以及加工步骤，在主轴旋转中使切削工具相对于被切削材料移动而进行基于切削工具的加工。旋转控制步骤交替执行使主轴的旋转加速而使作为同一旋转位置的当前的切削速度与一转前的切削速度之比的速度变化比成为大于1的第一值以上的加速控制和使主轴的旋转减速而使速度变化比成为小于1的第二值以下的减速控制。

(产业上的可利用性)

本申请可应用于加工领域。

(附图标记的说明)

1：加工装置；2a：主轴；6：被切削材料；7：进给机构；8：旋转机构；

10：切削工具；20：控制部；21：旋转控制部；22：移动控制部

Claims

1.一种加工装置，包括：

旋转机构，其用于使安装有切削工具或者被切削材料的主轴旋转；

旋转控制部，其用于交替执行使基于所述旋转机构的主轴的旋转加速的加速控制和使基于所述旋转机构的主轴的旋转减速的减速控制；以及

进给机构，其用于使切削工具相对于被切削材料移动，

所述旋转控制部在主轴旋转的加速期间的至少一部分中将作为同一旋转位置的当前的切削速度与一转前的切削速度之比的速度变化比维持在大于1的第一值，在主轴旋转的减速期间的至少一部分中将速度变化比维持在小于1的第二值，从而抑制颤振的产生。

2.根据权利要求1所述的加工装置，其特征在于，

所述旋转控制部在主轴旋转的加速期间中使速度变化比从第二值变化成第一值之后将速度变化比维持在第一值，在主轴旋转的减速期间中使速度变化比从第一值变化成第二值之后将速度变化比维持在第二值。

3.根据权利要求1或2所述的加工装置，其特征在于，

所述旋转控制部交替执行使主轴旋转的加速度连续增大的加速控制和使主轴旋转的减速度连续减小的减速控制。

4.一种加工装置，包括：

进给机构，其用于使切削工具相对于被切削材料移动，

所述旋转控制部在主轴旋转的加速期间中使主轴旋转的加速度连续增大而使作为同一旋转位置的当前的切削速度与一转前的切削速度之比的速度变化比成为大于1的第一值以上，在主轴旋转的减速期间中使主轴旋转的减速度连续减小而使速度变化比成为小于1的第二值以下。

5.一种加工装置，包括：

进给机构，其用于使切削工具相对于被切削材料移动，

所述旋转控制部在主轴旋转的加速期间中使主轴旋转的加速度阶段性地继续地增大一次以上而使作为同一旋转位置的当前的切削速度与一转前的切削速度之比的速度变化比成为大于1的第一值以上，在主轴旋转的减速期间中使主轴旋转的减速度阶段性地继续地减小一次以上而使速度变化比成为小于1的第二值以下。

6.一种加工装置，包括：

旋转控制部，其用于控制基于所述旋转机构的主轴的旋转；以及

进给机构，其用于使切削工具相对于被切削材料移动，

在作为同一旋转位置的当前的切削速度与一转前的切削速度之比的速度变化比处于大于1的第一阈值以下且小于1的第二阈值以上的情况下可能会发生颤振的加工装置中，

所述旋转控制部交替执行使主轴的旋转加速而使速度变化比成为大于1的第一值以上的加速控制和使主轴的旋转减速而使速度变化比成为小于1的第二值以下的减速控制。

7.根据权利要求6所述的加工装置，其特征在于，

所述旋转控制部在主轴旋转的加速期间中使主轴旋转的加速度连续或阶段性地增大，在主轴旋转的减速期间中使主轴旋转的减速度连续或阶段性地减小。

8.一种切削加工方法，包括：

旋转控制步骤，交替执行使安装有切削工具或者被切削材料的主轴的旋转加速的加速控制和使主轴的旋转减速的减速控制；以及

加工步骤，在主轴旋转中使切削工具相对于被切削材料移动而进行基于切削工具的加工，

旋转控制步骤在主轴旋转的加速期间的至少一部分中将作为同一旋转位置的当前的切削速度与一转前的切削速度之比的速度变化比维持在大于1的第一值，在主轴旋转的减速期间的至少一部分中将速度变化比维持在小于1的第二值，从而抑制颤振的产生。