JP6566594B2 - エンドミル加工装置およびcam装置およびncプログラムおよび加工方法 - Google Patents
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Description
(a)強制振動
(b)自励振動
(b−1)再生型の自励振動
(b−2)モードカップリング型の自励振動
I:2次元の単位行列
a:軸方向切込み深さ
Kt:比切削抵抗
A0:切削力係数行列の直流成分
G(iωc):びびり周波数時の伝達関数
ωc:びびり周波数
を満たす解が、軸方向切込み深さaを無限大まで大きくした場合にも現れなかったときの角度である。
1.エンドミル加工装置
図1は、本実施形態のエンドミル加工装置100を示す図である。エンドミル加工装置100は、エンドミル10と、加工ユニット130と、筐体101と、X軸モーター111と、Y軸モーター112と、Z軸モーター113と、X軸センサ121と、Y軸センサ122と、Z軸センサ123と、X軸送りテーブル141と、Y軸送りテーブル142と、制御部150と、を有している。
エンドミル10は、従来のエンドミルに比べて非常に細長い形状を有している。エンドミル10は、エンドミル10の径D、エンドミル10の突出し長さL、を備えている。エンドミル10の径Dに対するエンドミル10の突出し長さLの比(L/D)は、5以上50以下である。また、エンドミル10の径Dに対するエンドミル10の突出し長さLの比(L/D)が、10以上50以下の場合に、本実施形態の加工方法は適している。
本実施形態の制御系を図3に示す。図3に示すように、制御部150は、NCプログラム格納部161と、プログラム解析部162と、モーター制御部170と、その他の制御部180と、を有している。
ここで、本実施形態のエンドミル加工装置100の加工方法について説明する。この加工方法においては、NCプログラムに基づいて、制御部150が、加工を制御する。本実施形態では、エンドミル加工装置100の制御部150は、被削材M1に対してトロコイド軌跡を描くようにエンドミル10を制御する。
5−1.臨界接触角度θlim
ここで、臨界接触角度θlim について説明する。接触角度は、エンドミル10の刃部11が被削材M1に接触している角度である。臨界接触角度θlim は、モードカップリング型の自励振動を生じない最大の接触角度のことである。つまり、臨界接触角度θlim 以下の接触角度でエンドミル10が被削材M1に接触している状態でトロコイド加工をする場合には、自励振動は発生しない。臨界接触角度θlim より大きい接触角度でエンドミル10が被削材M1に接触している状態でトロコイド加工をする場合には、自励振動が発生しうる。
一般に、再生型の自励振動およびモードカップリング型の自励振動に対する安定性を支配する臨界方程式は、次式で与えられる。
a:軸方向切込み深さ
Kt:比切削抵抗
ωc :びびり周波数
T:1刃間の遅れ時間
A0 :切削力係数行列の直流成分
G(iωc ):びびり周波数時の伝達関数
kr:切削力分力比
θst:各刃の切削開始角度
θed:各刃の切削終了角度
上記の式(3)、(4)の条件の下で、切削力分力比krと臨界接触角度θlim との間の関係について解析を行った。解析にあたって、比切削抵抗Ktとして2406(Mpa)を用いた。また、次の伝達関数G1、G2を用いた。
mxx=7.7108×10-3(kg)
cxx=1.9844(N・s/m)
kxx=0.5905×106 (N/m)
myy=7.5263×10-3(kg)
cyy=2.1023(N・s/m)
kyy=0.4958×106 (N/m)
mxx=45.5×10-3(kg)
cxx=13.6315(N・s/m)
kxx=4.8633×106 (N/m)
myy=42.4×10-3(kg)
cyy=15.0255(N・s/m)
kyy=4.5432×106 (N/m)
本実施形態のエンドミル加工装置100は、不等リードの細長いエンドミル10を有するとともに、エンドミル10をトロコイド軌跡を描くようにして被削材M1を加工する。そのため、不等リードのエンドミル10が(b−1)再生型の自励振動を抑制する。また、トロコイド軌跡の加工方法が、(b−2)モードカップリング型の自励振動を抑制する。このように、狭く深い溝を加工する場合に、本実施形態のエンドミル加工装置100は、(b−1)再生型の自励振動と、(b−2)モードカップリング型の自励振動と、の両方を抑制することができる。
7−1.トロコイド軌跡
本実施形態のエンドミル加工装置100では、エンドミル10は、被削材M1に対してトロコイド軌跡を描くように移動する。トロコイド軌跡は、円運動と並進運動とを重ね合わせた運動の軌跡である。本実施形態では、エンドミル10は、X軸方向、Y軸方向に対して移動せず、被削材M1のみがX軸方向、Y軸方向に対して移動する。しかし、エンドミル10について、X軸方向、Y軸方向に対して移動させてもよい。例えば、エンドミル10について円運動をさせつつ、被削材M1を並進運動させる。この場合においても、エンドミル10は、被削材M1に対してトロコイド軌跡を描くように移動できる。
本実施形態のエンドミル加工装置100は、不等リードのエンドミル10の代わりに不等ピッチ等リードのエンドミルを用いてもよい。その場合であっても、(b−1)再生型の自励振動を抑制することができる。
制御部150は、びびり振動周波数検知部と、算出部と、を有しているとよい。びびり振動周波数検知部は、エンドミル10のびびり振動周波数を検知する機能を有している。そして算出部は、上記のびびり振動周波数と、上記の刃部の情報および被削材M1の材料情報に基づいて、自励振動を適切に抑制することのできる主軸の回転数およびトロコイド軌跡を算出する。
本実施形態では、エンドミル10のX軸、Y軸、Z軸座標、すなわち、被削材M1に対する相対位置を、エンドミル加工装置100のように調整することとした。しかし、もちろん、エンドミル10の被削材M1に対する相対位置をアクチュエーターにより調整する方法は、他にもある。本実施形態は、その一例を示したにすぎず、この場合に限定するものではない。
もちろん、上記の各変形例を自由に組み合わせて用いてよい。
本実施形態のエンドミル加工装置100は、不等リードの細長いエンドミル10を有するとともに、エンドミル10をトロコイド軌跡を描くようにして被削材M1を加工する。そのため、狭く深い溝を加工する場合に、本実施形態のエンドミル加工装置100は、(b−1)再生型の自励振動と、(b−2)モードカップリング型の自励振動と、を抑制することができる。その結果、エンドミル加工装置100は、従来のエンドミル加工装置に比べて、狭く深い溝を容易に加工することができる。
第2の実施形態について説明する。本実施形態では、第1の実施形態で説明したエンドミル加工装置を有する加工システムについて説明する。
本実施形態の全体の構成を図8に示す。図8に示すように、加工システム1は、CAD/CAM装置A1と、NCプログラム作成装置A2と、エンドミル加工装置100と、を有している。
CAD/CAM装置A1では、エンドミル10の形状を考慮してトロコイド軌跡を決定する。そして、エンドミル10の径Dおよび突出し長さL等に基づいて、後述する解析結果の安定領域の軸方向の切込み深さおよびエンドミル10の回転数を決定する。つまり、CAD/CAM装置A1は、種々のエンドミル10の径Dおよび突出し長さLの組み合わせについて、後述する解析結果の加工の安定領域のデータを所有している。
または、NCプログラムが、エンドミル10の形状情報および被削材M1の材料情報に基づいて、エンドミル加工装置100を動作させる。具体的には、エンドミル10の径Dおよび突出し長さLに対する安定領域のデータおよび被削材M1のデータに基づいて、安定領域の軸方向の切込み深さおよびエンドミル10の回転数を決定してもよい。
4−1.加工形状
これまで説明したエンドミル加工装置100は、もちろん、溝形状だけでなく、その他の3次元形状の加工を行うことができる。
第3の実施形態について説明する。本実施形態では、第1の実施形態のトロコイド軌跡とは異なる軌跡について説明する。エンドミル10と被削材M1との間の接触角度が、臨界接触角度θlim 以下であれば、以下に説明する軌跡を採用してもよい。
図9は、楕円運動と並進運動とを重ね合わせた運動の軌跡をエンドミル10の軌跡とした場合を示す図である。図9に示すように、楕円運動と並進運動とを重ね合わせた運動の軌跡をエンドミル10の軌跡として用いた場合であっても、エンドミル10と被削材M1との間の接触角度を臨界接触角度θlim 以下とすることができる。この場合にも、モードカップリング型の自励振動を抑制できる。
図10は、三角回転運動と並進運動とを重ね合わせた運動の軌跡をエンドミル10の軌跡とした場合を示す図である。図10に示すように、三角形に近い形状の回転運動と並進運動とを重ね合わせた運動の軌跡をエンドミル10の軌跡として用いた場合であっても、エンドミル10と被削材M1との間の接触角度を臨界接触角度θlim 以下とすることができる。この場合にも、モードカップリング型の自励振動を抑制できる。
このように、任意の閉曲線運動と並進運動とを重ね合わせた運動の軌跡を用いた場合であっても、エンドミル10と被削材M1との間の接触角度を臨界接触角度θlim 以下とすることができる。また、並進運動の代わりに任意の曲線運動を採用してもよい。このとき、制御部150は、被削材M1に対して、直線運動または曲線運動と、閉曲線運動と、を重ね合わせた運動の軌跡を描くようにエンドミル10を制御する。
上記の結果に基づいて、加工の安定性について実施した解析について説明する。本解析では、次の4通りの場合についてシミュレーションを行った。
(C1)等ピッチ等リードエンドミルを用いてスロッティング加工を行った場合
(C2)不等リードエンドミルを用いてスロッティング加工を行った場合
(C3)等ピッチ等リードエンドミルを用いて加工を行った場合
(C4)不等リードエンドミルを用いて加工を行った場合
種類 直径 刃数 ねじれ角β1 β2
等ピッチ等リード 6mm 2枚 30° 30°
不等リード 6mm 2枚 27.05° 32.79°
1.項目1
エンドミルと、前記エンドミルを制御する制御部と、を有するエンドミル加工装置において、前記エンドミルの径に対する前記エンドミルの突出し長さの比が5以上50以下である。前記エンドミルは、不等ピッチ等リードまたは不等リードを有する。前記制御部は、加工時において前記エンドミルが被削材に接触している角度範囲である接触角度を臨界接触角度θlim以下とする。前記臨界接触角度θlimは、次式
I:2次元の単位行列
a:軸方向切込み深さ
Kt:比切削抵抗
A0:切削力係数行列の直流成分
G(iωc):びびり周波数時の伝達関数
ωc:びびり周波数
を満たす解が、軸方向切込み深さaを無限大まで大きくした場合にも現れなかったときの角度である。
このエンドミル加工装置は、再生型の自励振動およびモードカップリング型の自励振動の発生を抑制することができる。このため、エンドミルが破損するおそれがほとんどない。また、振動が増大することにより加工精度が低下するおそれもほとんどない。そのため、このエンドミル装置は、狭く深い溝の加工に好適である。
2.項目2
項目1に記載のエンドミル加工装置において、前記制御部は、被削材に対して、直線運動または曲線運動と、閉曲線運動と、を重ね合わせた運動の軌跡を描くように前記エンドミルを制御する。
3.項目3
項目2に記載のエンドミル加工装置において、前記制御部は、被削材に対してトロコイド軌跡を描くように前記エンドミルを制御する。
4.項目4
項目1から項目3までのいずれか1項に記載のエンドミル加工装置において、前記エンドミルの軸方向切込み深さが、前記エンドミルの径の1/6以上である。
5.項目5
項目1から項目4までのいずれか1項に記載のエンドミル加工装置において、前記エンドミルの回転方向と、前記トロコイド軌跡の回転方向とは、逆向きの方向である。
6.項目6
項目1から項目5までのいずれか1項に記載のエンドミル加工装置を支援するCAM装置において、前記エンドミルの刃具情報および前記被削材の材料情報を用いて、工程設計もしくは作業設計の支援を行うものである。
7.項目7
項目1から項目5までのいずれか1項に記載のエンドミル加工装置を動作させるためのNCプログラムであって、前記エンドミルの刃具情報および前記被削材の材料情報に基づいて、前記エンドミル加工装置を動作させるものである。
8.項目8
エンドミルを用いて被削材を加工する加工方法において、前記エンドミルとして、不等ピッチ等リードまたは不等リードを有するとともに前記エンドミルの径に対する前記エンドミルの突出し長さの比が5以上50以下のものを用いる。加工時において前記エンドミルが前記被削材に接触している角度範囲である接触角度を臨界接触角度θlim以下として前記被削材を加工する。前記臨界接触角度θlimは、次式
I:2次元の単位行列
a:軸方向切込み深さ
Kt:比切削抵抗
A0:切削力係数行列の直流成分
G(iωc):びびり周波数時の伝達関数
ωc:びびり周波数
を満たす解が、軸方向切込み深さaを無限大まで大きくした場合にも現れなかったときの角度である。
9.項目9
項目8に記載の加工方法において、前記エンドミルを前記被削材に対してトロコイド軌跡を描くように移動させることにより、前記被削材を加工する。
10…エンドミル
11…刃部
12…非刃部
150…制御部
Claims (9)
- エンドミルと、
前記エンドミルを制御する制御部と、
を有するエンドミル加工装置において、
前記エンドミルの径に対する前記エンドミルの突出し長さの比が5以上50以下であり、
前記エンドミルは、
不等ピッチ等リードまたは不等リードを有し、
前記制御部は、
加工時において前記エンドミルが被削材に接触している角度範囲である接触角度を臨界接触角度θlim以下とし、
前記臨界接触角度θlimは、次式
I:2次元の単位行列
a:軸方向切込み深さ
Kt:比切削抵抗
A0:切削力係数行列の直流成分
G(iωc):びびり周波数時の伝達関数
ωc:びびり周波数
を満たす解が、軸方向切込み深さaを無限大まで大きくした場合にも現れなかったときの角度であること
を特徴とするエンドミル加工装置。 - 請求項1に記載のエンドミル加工装置において、
前記制御部は、
前記被削材に対して、直線運動または曲線運動と、閉曲線運動と、を重ね合わせた運動の軌跡を描くように前記エンドミルを制御すること
を特徴とするエンドミル加工装置。 - 請求項2に記載のエンドミル加工装置において、
前記制御部は、
前記被削材に対してトロコイド軌跡を描くように前記エンドミルを制御すること
を特徴とするエンドミル加工装置。 - 請求項1から請求項3までのいずれか1項に記載のエンドミル加工装置において、
前記エンドミルの軸方向切込み深さが、
前記エンドミルの径の1/6以上であること
を特徴とするエンドミル加工装置。 - 請求項1から請求項4までのいずれか1項に記載のエンドミル加工装置において、
前記エンドミルの回転方向と、
前記トロコイド軌跡の回転方向とは、
逆向きの方向であること
を特徴とするエンドミル加工装置。 - 請求項1から請求項5までのいずれか1項に記載のエンドミル加工装置を支援するCAM装置において、
前記エンドミルの刃具情報および前記被削材の材料情報を用いて、工程設計もしくは作業設計の支援を行うものであること
を特徴とするCAM装置。 - 請求項1から請求項5までのいずれか1項に記載のエンドミル加工装置を動作させるためのNCプログラムであって、
前記エンドミルの刃具情報および前記被削材の材料情報に基づいて、前記エンドミル加工装置を動作させるものであること
を特徴とするNCプログラム。 - エンドミルを用いて被削材を加工する加工方法において、
前記エンドミルとして、不等ピッチ等リードまたは不等リードを有するとともに前記エンドミルの径に対する前記エンドミルの突出し長さの比が5以上50以下のものを用い、
加工時において前記エンドミルが前記被削材に接触している角度範囲である接触角度を臨界接触角度θlim以下として前記被削材を加工し、
前記臨界接触角度θlimは、次式
I:2次元の単位行列
a:軸方向切込み深さ
Kt:比切削抵抗
A0:切削力係数行列の直流成分
G(iωc):びびり周波数時の伝達関数
ωc:びびり周波数
を満たす解が、軸方向切込み深さaを無限大まで大きくした場合にも現れなかったときの角度であること
を特徴とする加工方法。 - 請求項8に記載の加工方法において、
前記エンドミルを前記被削材に対してトロコイド軌跡を描くように移動させることにより、前記被削材を加工すること
を特徴とする加工方法。
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