JP5561024B2

JP5561024B2 - 切削方法およびｎｃデータ作成装置

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Publication number: JP5561024B2
Application number: JP2010188170A
Authority: JP
Inventors: 尚大谷; 浩之中野; 文昭中村
Original assignee: JTEKT Corp
Current assignee: JTEKT Corp
Priority date: 2010-08-25
Filing date: 2010-08-25
Publication date: 2014-07-30
Anticipated expiration: 2030-08-25
Also published as: JP2012045647A

Description

本発明は、多軸加工機の切削作動の制御に関するものであり、詳しくはエンドミルを用いた側面切削の切削作用刃数の制御をする切削方法およびＮＣデータ作成装置に関するものである。

ねじれ刃の付いたエンドミルの側面を用いた同一幅の平面切削を行うと、エンドミルの回転位相により同時に工作物と接触する同時作用刃数が１刃分増減し、切削力が変動し振動が発生することがある。この影響を低減するために切削幅をエンドミルの軸線方向の切刃のピッチの整数倍として同時作用刃数を一定とする従来技術（特許文献１参照）がある。

特開平８−１９９１２号公報

従来技術は、加工部幅が切刃のピッチの整数倍以外のときは同時作用刃数が増減して振動が発生する。多くの工作物では加工幅が切刃のピッチの整数倍になることは少ないため、従来技術を適用でき同時作用刃数を一定にできる加工は少ない。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、加工部幅に係らず同時作用刃数が一定となり切削力が変動しない切削方法及びそのような切削が可能なＮＣデータを作成するＮＣデータ作成装置を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するため、請求項１に係る発明の特徴は、工具回転軸と工作物を相対的に移動させる移動手段と、前記工具回転軸と前記工作物を相対旋廻させる旋廻軸を備えた加工機を用いた、ねじれ刃付きのエンドミルの側面を用いた加工において、前記エンドミルの回転軸心を前記工作物と前記工具回転軸を相対移動させる方向に対して所定の傾斜角度で傾斜させることで第１の切削作用長さを前記エンドミルの刃ピッチの１以上の整数倍の値とし、前記第１の切削作用長さが前記エンドミルの回転軸心に平行な方向における同時に加工する長さであり、前記刃ピッチが前記エンドミルの側面の前記エンドミルの回転軸心に平行な方向における隣接する前記ねじれ刃の刃先の間隔とすることである。

請求項２に係る発明の特徴は、請求項１に係る発明において、前記第１の切削作用長さに所定の許容幅を加算または減算した値を第２の許容切削作用長さとし、許容幅の最大値をＨａとし、前記エンドミル１回転当りの前記ねじれ刃の進む距離であるリードをＬとし、加工部の前記エンドミルの前記工作物に対する切込み深さをｔとし、前記エンドミルの半径をｒとし、エンドミルの切刃接触角をα＝ｃｏｓ^−１（１−ｔ／ｒ）としたとき、許容幅の最大値をＨａ＝Ｌ・α／（２π）として算出し、前記第１の切削作用長さに代えて前記第２の許容切削作用長さを用いることである。

請求項３に係る発明の特徴は、ねじれ刃付きのエンドミルの側面を用いた加工を行うＮＣデータを作成するＮＣデータ作成装置において、工作物及びエンドミルの形状を示すデータを入力する入力手段と、切削作用長さを前記エンドミルの回転軸心に平行な方向における同時に加工する長さとし、刃ピッチを前記エンドミルの側面の前記エンドミルの回転軸心に平行な方向における隣接する前記ねじれ刃の刃先の間隔とし、リードを前記ねじれ刃の前記エンドミル１回転当りに進む距離としたとき、前記エンドミル回転軸心を前記エンドミル送り方向に対して所定の傾斜角度で傾斜させて前記エンドミルと前記工作物加工部が接触するように配置した条件で、前記切削作用長さを前記刃ピッチの１以上の整数倍の値として演算する切削作用長さ演算手段と、前記工作物の形状データから得られる工作物加工部幅が前記切削作用長さで切削された工作物加工幅の合計値と等しくなるように所定のステップ数に分割する加工ステップ数演算手段と、前記切削作用長さ演算手段により演算された前記切削作用長さと前記加工ステップ数演算手段により演算された前記ステップ数に基づいて前記エンドミルを用いた加工を行うためのＮＣデータを作成するＮＣデータ作成手段と、を備えたことである。

請求項１に係る発明によれば、工具回転軸と工作物を工具回転軸心を含む面内で相対旋廻する旋廻軸を備えた加工機を用いて、前記エンドミルの回転軸心を前記工作物と前記工具軸を相対移動させる方向と所定の角度傾斜させることで、工作物の加工部幅に関わらず切削作用長さを刃ピッチの１以上の整数倍の値に設定できる。切削に作用する刃数が常に一定となるため、切削力の変動が無いため振動が少なく高精度な加工面を得ることが容易である。また、振動に伴う工具消耗が少ないので工具寿命が長くなる。

請求項２に係る発明によれば、加工力変動を所望の許容値以内とする条件で、許容幅を持った切削作用長さを算出でき、自由度の大きな切削作用長さと加工ステップの組み合せが可能となり加工ステップ数を最小とした加工が可能となる。

請求項３に係る発明によれば、工具回転軸と工作物を工具回転軸心を含む面内で相対旋廻する旋廻軸を備えた加工機を用いて、前記エンドミル回転軸心を前記エンドミル送り方向に対して所定の角度傾斜させて工作物と工具軸を相対移動させることで、工作物の加工部幅に関わらず切削作用長さを刃ピッチの１以上の整数倍の値に設定できる。切削に作用する刃数が常に一定となるため、切削力の変動が無く高精度な加工面を得ることが容易で、振動に伴う工具消耗が少なく工具寿命が長い加工が可能なＮＣデータを作成できるＮＣデータ作成装置を実現できる。

本実施形態の５軸横型マシニングセンタの全体構成を示す概略図である。機械制御装置をしめす概略図である。ＮＣデータ作成装置のブロック図である。ねじれ刃付きエンドミルの外観図である。図２のＡ矢視図である。工具回転軸を傾斜させた加工時の工作物とエンドミルの配置を示す概略図である。図６のＢ矢視図である。エンドミル回転角度と刃先の接触状態を示す概念図である。エンドミル回転角度と刃先の接触状態を示す概念図である。ＮＣデータ作成手順を示すフローチャートである。

（５軸横型マシニングセンタの構成）
５軸横型マシニングセンタ１の構成について、図１を参照して説明する。図１は、５軸横型マシニングセンタ１の外観を示す斜視図である。図１に示すように、５軸横型マシニングセンタ１は、ベッド２と、コラム３と、主軸頭４と、主軸５と、サドル６と、チルトテーブル７と、回転パレット８と、ワークテーブル９と、機械制御装置４０（図２に示す）とから構成される。

ベッド２は、略Ｔ字型に形成された基台２１と、２つのＺ軸ガイド２２と、Ｚ軸駆動用ボールねじ（図示せず）と、Ｚ軸駆動用モータ２３と、Ｘ軸ガイド（図示せず）と、２本のＸ軸駆動用ボールねじ（図示せず）と、２つのＸ軸駆動用モータ２４を有する。Ｚ軸ガイド２２及びＸ軸ガイドは、基台２１上にＺ軸方向及びＸ軸方向にそれぞれ平行に配設されている。Ｚ軸駆動用ボールねじは、Ｚ軸ガイド２２のほぼ中央に、Ｚ軸ガイド２２に平行に配設されている。２本のＸ軸駆動用ボールねじは、Ｘ軸ガイドのほぼ中央に、Ｘ軸ガイドに平行に配設されている。これらのＺ軸駆動用ボールねじ及びＸ軸駆動用ボールねじには、それぞれの軸方向に移動可能なボールねじナットが取り付けられている。Ｚ軸駆動用モータ２３及びＸ軸駆動用モータ２４は、それぞれＺ軸駆動用ボールねじの端側及びＸ軸駆動用ボールねじの端側に配設され、それぞれＺ軸駆動用ボールねじ及びＸ軸駆動用ボールねじを回転駆動する。

コラム３は、ベッド２上に立設されている。具体的には、コラム３の下方側が、Ｚ軸ガイド２２に摺動可能に嵌合されると共に、Ｚ軸駆動用ボールねじのボールねじナットに連結されている。すなわち、コラム３は、Ｚ軸駆動用ボールねじの回転駆動に伴い、Ｚ軸ガイド２２に沿ってＺ軸方向に摺動する。そして、コラム３は、Ｙ軸ガイド（図示せず）と、２本のＹ軸駆動用ボールねじ（図示せず）と、２つのＹ軸駆動用モータ３１とを有する。Ｙ軸ガイドは、コラム３のほぼ中央にＹ軸方向に平行に配設されている。Ｙ軸駆動用ボールねじは、Ｙ軸ガイドのほぼ中央に、Ｙ軸ガイドに平行に配設されている。このＹ軸駆動用ボールねじには、軸方向に移動可能なボールねじナットが取り付けられている。そして、Ｙ軸駆動用モータ３１は、Ｙ軸駆動用ボールねじの端側に配設され、Ｙ軸駆動用ボールねじを回転駆動する。

主軸頭４は、コラム３の中央に配設されている。具体的には、主軸頭４は、Ｙ軸ガイドに摺動可能に嵌合されると共に、Ｙ軸駆動用ボールねじのボールねじナットに連結されている。すなわち、主軸頭４は、Ｙ軸駆動用ボールねじの回転駆動に伴い、Ｙ軸ガイドに沿ってＹ軸方向に摺動する。主軸５は、主軸頭４に回動可能に枢支されている。すなわち、主軸５は、Ｚ軸周り（Ｃ軸）に回動可能となる。そして、主軸５の先端側には、工具が装着可能となっている。

サドル６は、ベッド２上に配設されている。このサドル６は、後述するチルトテーブル７を支持する一対の支持部６１をＸ軸方向両端側に有する。さらに、この支持部６１の一方側には、チルトテーブル７を回転可能とするＡ軸回転用モータ（図示せず）が配設されている。さらに、サドル６の下方側が、Ｘ軸ガイドに摺動可能に嵌合されると共に、Ｘ軸駆動用ボールねじのボールねじナットに連結されている。すなわち、サドル６は、Ｘ軸駆動用ボールねじの回転駆動に伴い、Ｘ軸ガイドに沿ってＸ軸方向に摺動する。

チルトテーブル７は、略コの字型形状からなり、両端側がサドル６の一対の支持部６１に回転可能に軸支されている。このチルトテーブル７の回転軸は、Ｘ軸に平行な軸（Ａ軸）となる。なお、チルトテーブル７は、サドル６の支持部６１に配設されているＡ軸回転用モータの駆動により、Ａ軸回転を行う。さらに、チルトテーブル７の下面側には、回転パレット８を回転可能とするＢ軸回転用モータ（図示せず）が配設されている。

回転パレット８は、チルトテーブル７上に載置され、チルトテーブル７の載置面に垂直な方向に回転可能に支持されている。すなわち、チルトテーブル７が図１に示す状態の場合には、回転パレット８の回転軸は、Ｙ軸に平行な軸（Ｂ軸）となる。なお、回転パレット８は、チルトテーブル７の下面側に配設されているＢ軸回転用モータの駆動により、Ｂ軸回転を行う。

ワークテーブル９は、回転パレット８の上に配設され、ワーク（被加工物）を載置可能である。従って、ワークテーブル９は、主軸５に対して、回転パレット８のＢ軸回転によりＢ軸回転が可能となり、チルトテーブル７のＡ軸回転によりＡ軸回転が可能となる。なお、図１に示す状態が、Ａ軸及びＢ軸の回転角０°と定義される。

機械制御装置４０は図２に示すように、内部にＮＣデータ記憶装置４０１、Ｘ軸制御装置４０２、Ｙ軸制御装置４０３、Ｚ軸制御装置４０４、Ａ軸制御装置４０５、Ｂ軸制御装置４０６、主軸制御装置４０７を備えており、入力されるＮＣデータに基づき、Ｘ軸駆動用モータ２４、Ｙ軸駆動用モータ３１、Ｚ軸駆動用モータ２３、Ａ軸回転用モータ、Ｂ軸回転用モータ及び、主軸回転用モータを制御する。

ＮＣデータ作成装置５０は図３に示すように、内部にデータ入力部５０１、切削作用長さ演算部５０２、加工ステップ演算部、ＮＣデータ作成部５０４を備えており、入力されたデータに基づき所定のプログラムを起動することで所定のＮＣデータを作成する。

（ねじれ刃付きエンドミルの構造）
ねじれ刃付きエンドミル７０の構造について図４、図５に基づき説明する。
本事例のエンドミル７０は、図５に示すように刃Ｔ_１〜Ｔ_６の６枚のねじれ刃を備え、図４に示すようにねじれ刃のねじれ角がφで、刃先外径はＤである。刃先外径位置におけるエンドミル回転軸に平行な方向の、隣合う切刃の間隔である刃ピッチをＰとする。ねじれ刃に添って１回転したときにエンドミル回転軸に平行な方向に進む距離であるリードをＬとする。
リードＬはＬ＝π・Ｄ／ｔａｎφで算出でき、刃ピッチＰは刃数をｎとするとＰ＝Ｌ／ｎとなり本事例ではｎ＝６なので、刃ピッチＰはＰ＝Ｌ／６＝π・Ｄ／（６・ｔａｎφ）で算出できる。

本事例の切削方法について図６〜図９に基づき説明する。図６に示すように工作物の加工部幅をＷとし、エンドミルの回転軸を送り方向に対してθ傾斜させて工作物に接触させる１ステップで切削する切削作用長さをＨとし、エンドミル７０の工作物への切りこみ量を図７に示すｔとする。ここで、Ｈの値がエンドミル７０の刃ピッチＰの２倍の場合の、エンドミル７０の回転に伴う切刃と工作物の接触状態の変動を平面に展開した図を図８、図９示す。図８に示すように、接触部が０度から６０度の間のａ、ｂ、ｃにおいては、エンドミル７０の回転に伴い接触位置は図の上方に移動するが、接触している刃はＴ_１とＴ_２で接触角度の全幅で接触し、切刃接触長さの合計は最大切刃接触長さの２倍である。さらにエンドミル７０が回転した状態を図９に示す、接触部が６０度位置に到達したｄにおいてはＴ_１、Ｔ_２、Ｔ_３の３枚の刃が接触している、Ｔ_２は全接触角度で接触しているが、Ｔ_１とＴ_３は一部の接触角度で接触している、Ｔ_１とＴ_３の切刃接触長さの合計は最大切刃接触長さと等しいから、切刃接触長さの総合計は最大切刃接触長さの２倍である。接触部が６０度から１２０度の間のｅにおいてはＴ_２とＴ_３の２枚の刃が接触角度の全幅で接触しており、切刃接触長さの合計は最大切刃接触長さの２倍である。このように切削作用長さＨを刃ピッチの２倍に設定した場合の切刃接触長さの合計は最大切刃接触長さの２倍で常に一定となる。このため、切削力も一定となる。

ここで、傾斜角度θと切削作用長さＨにはＨ＝Ｗ／ｓｉｎθの関係が有り、適切なθを選ぶことで切削作用長さＨを刃ピッチＰの整数倍に設定できる。Ｈを刃ピッチＰの２倍に設定する場合はＨ＝２・Ｐであるから２・Ｐ＝Ｗ／ｓｉｎθとなりθ＝ｓｉｎ^−１（Ｗ／（２・Ｐ））を満足するθを選定すれば常に切刃数が２枚で接触する切削を実現できる。同時接触切刃数がｎの場合はθ＝ｓｉｎ^−１（Ｗ／（ｎ・Ｐ））を満足するθを選定すれば常に切刃数がｎ枚で接触する切削を実現できる。

以下に具体的なＮＣデータ作成手順を図１０のフローチャートに基づき説明する。
工作物の加工部幅Ｗ、エンドミルの刃ピッチＰ、同時に切削可能な最大刃数である許容切刃数Ｎａのデータを読み込む（ＳＴＰ１）。Ｗ／Ｐを計算しその値を切上げて整数としたＮを算出し、θ＝ｓｉｎ−１（Ｗ／（Ｎ・Ｐ））でエンドミルの送り方向に対する傾斜角度θを算出する（ＳＴＰ２）。工作物の加工部幅Ｗを許容切刃数Ｎａで何ステップ切削するかを計算する、Ｎ／Ｎａの整数部であるＳをステップ数とする（ＳＴＰ３）。切削作用長さＨを算出する、最大切削作用長さＨ１をＨ１＝Ｎａ・Ｐとし、残りの１ステップの切削作用長さＨ２を＝Ｎ・Ｐ−Ｓ・Ｎａとして算出する（ＳＴＰ４）。エンドミルの傾斜角度θ、切削作用長さＨ１でＳステップ切削、その後切削作用長さＨ２で１ステップ切削するＮＣデータを作成する（ＳＴＰ５）。

上記の実施形態では、加工部幅が一定の例について説明したが、加工部幅が変化する場合は、幅の変化に応じて傾斜角度を変更しながら切削してもよい。

＜本実施形態の変形態様＞
上記の実施形態では、切削作用長さＨを刃ピッチＰの整数倍としたが、刃数変動に所定の許容値を設けてその値を越えないように同時に作用する刃数を制御しながら切削してもよい。このときの、エンドミルのリードをＬとし、加工部のエンドミルの工作物に対する切込み深さをｔとし、エンドミルの半径をｒとし、エンドミルの切刃接触角をα＝ｃｏｓ^−１（１−ｔ／ｒ）としたとき、許容値の最大値ＨａをＨａ＝Ｌ・α／（２π）として算出する。こうすれば、刃数変動の最大値は０．５枚となる。

１：５軸横型マシニングセンタ４０：機械制御装置５０：ＮＣデータ作成装置７０：エンドミル

Claims

工具回転軸と工作物を相対的に移動させる移動手段と、前記工具回転軸と前記工作物を相対旋廻させる旋廻軸を備えた加工機を用いた、ねじれ刃付きのエンドミルの側面を用いた加工において、前記エンドミルの回転軸心を前記工作物と前記工具回転軸を相対移動させる方向に対して所定の傾斜角度で傾斜させることで第１の切削作用長さを前記エンドミルの刃ピッチの１以上の整数倍の値とし、前記第１の切削作用長さが前記エンドミルの回転軸心に平行な方向における同時に加工する長さであり、前記刃ピッチが前記エンドミルの側面の前記エンドミルの回転軸心に平行な方向における隣接する前記ねじれ刃の刃先の間隔とする切削方法。
前記第１の切削作用長さに所定の許容幅を加算または減算した値を第２の許容切削作用長さとし、許容幅の最大値をＨａとし、前記エンドミル１回転当りの前記ねじれ刃の進む距離であるリードをＬとし、加工部の前記エンドミルの前記工作物に対する切込み深さをｔとし、前記エンドミルの半径をｒとし、エンドミルの切刃接触角をα＝ｃｏｓ−１（１−ｔ／ｒ）としたとき、許容幅の最大値をＨａ＝Ｌ・α／（２π）として算出し、前記第１の切削作用長さに代えて前記第２の許容切削作用長さを用いる、請求項１に記載の切削方法。
ねじれ刃付きのエンドミルの側面を用いた加工を行うＮＣデータを作成するＮＣデータ作成装置において、工作物及びエンドミルの形状を示すデータを入力する入力手段と、切削作用長さを前記エンドミルの回転軸心に平行な方向における同時に加工する長さとし、刃ピッチを前記エンドミルの側面の前記エンドミルの回転軸心に平行な方向における隣接する前記ねじれ刃の刃先の間隔とし、リードを前記ねじれ刃の前記エンドミル１回転当りに進む距離としたとき、前記エンドミル回転軸心を前記エンドミル送り方向に対して所定の傾斜角度で傾斜させて前記エンドミルと前記工作物加工部が接触するように配置した条件で、前記切削作用長さを前記刃ピッチの１以上の整数倍の値として演算する切削作用長さ演算手段と、前記工作物の形状データから得られる工作物加工部幅が前記切削作用長さで切削された工作物加工幅の合計値と等しくなるように所定のステップ数に分割する加工ステップ数演算手段と、前記切削作用長さ演算手段により演算された前記切削作用長さと前記加工ステップ数演算手段により演算された前記ステップ数に基づいて前記エンドミルを用いた加工を行うためのＮＣデータを作成するＮＣデータ作成手段と、を備えたＮＣデータ作成装置。