JP6980536B2

JP6980536B2 - 切削装置及びその制御方法

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Publication number: JP6980536B2
Application number: JP2018002219A
Authority: JP
Inventors: 賢次野口
Original assignee: Citizen Watch Co Ltd
Current assignee: Citizen Watch Co Ltd
Priority date: 2018-01-10
Filing date: 2018-01-10
Publication date: 2021-12-15
Anticipated expiration: 2038-01-10
Also published as: JP2019121290A

Description

本発明は、軸線周りに回転する被加工材に工具の刃先を押し当てて被加工材を切削加工する切削装置及びその制御方法に関する。

自動旋盤やマシニングセンタ等の工作機械を切削装置として使用し、主軸で固定保持した丸棒材などの被加工材（ワーク）をその軸線の周りに回転させながら送り方向に送り動作させた工具の刃先を被加工材に押し当てることで、被加工材を切削加工して種々の製品を製造することが、部品製造業などにおいて広く行われている。

このような切削装置を用いた切削加工では、被加工材が工具により連続して切削加工されるので、連続した長い切屑（切粉）が生じ、切屑が工具や被加工材に絡み付いて切削加工の障害となるなどの問題が生じる場合がある。

このような問題を解決する切削装置として、従来、工具を送り方向に沿って所定の振動数で振動（往復動）させながら送り動作させるようにした、いわゆる振動切削を行うものが知られている（例えば特許文献１参照）。このような構成の切削装置によれば、切削加工時に工具により被加工材が切削されない空振り期間を生じさせることができるので、切屑が順次分断されるようにして切屑の処理性を高めることができる。

国際公開第２０１５／１４６９４５号

しかし、上記従来の切削装置のように、工具を送り方向に沿って所定の振動数で振動させながら送り動作させることで切屑を順次分断させるようにした構成ないし方法では、工具の送り速度が増減しながら切削加工が行われることになるので、被加工材の加工面における工具の挽き目にムラが生じて加工後の製品の面粗さや真円度などが悪化するなど、その加工精度が低下しまうという問題点があった。

本発明は、このような問題点を解決することを課題とするものであり、その目的は、加工精度を低下させることなく切屑の処理性を高めることができる切削装置及びその制御方法を提供することにある。

本発明の切削装置は、軸線周りに回転する被加工材に工具の刃先を押し当てて該被加工材を切削加工する切削装置であって、前記被加工材を前記軸線の周りに回転させる主軸と、前記工具を、送り方向に送り動作させる送り手段と、前記工具を、前記刃先の円弧状のノーズの中心を揺動軸として前記送り方向に平行な面に沿って揺動させる揺動手段と、前記工具を、前記ノーズの中心を揺動軸として前記送り方向に平行な面に沿って所定の振動数で揺動させながら所定の送り速度で送り動作させるとともに、前記被加工材の１回転毎に前記揺動の位相がずれるように、前記送り手段及び前記揺動手段の作動を制御する制御手段と、を有することを特徴とする。

本発明の切削装置は、上記構成おいて、前記制御手段が、前記被加工材の１回転毎に、前記揺動の位相を１８０度ずらすとともに、前記被加工材の外周面に対応した位置における前記工具の前記揺動による振動の幅が、前記被加工材の１回転当たりの前記工具の前記送り方向への送り量よりも大きくなるように、前記送り手段及び前記揺動手段の作動を制御するのが好ましい。

本発明の切削装置の制御方法は、軸線周りに回転する被加工材に工具の刃先を押し当てて該被加工材を切削加工する切削装置の制御方法であって、前記工具を、前記刃先の円弧状のノーズの中心を揺動軸として送り方向に平行な面に沿って所定の振動数で揺動させながら前記送り方向に所定の送り速度で送り動作させるとともに、前記被加工材の１回転毎に前記揺動の位相をずらすことを特徴とする。

本発明の切削装置の制御方法は、上記構成おいて、前記被加工材の１回転毎に、前記揺動の位相を１８０度ずらすとともに、前記被加工材の外周面に対応した位置における前記工具の前記揺動による振動の幅が、前記被加工材の１回転当たりの前記工具の前記送り方向への送り量よりも大きくなるように、前記工具を揺動させるのが好ましい。

本発明によれば、工具を、その刃先の円弧状のノーズの中心を揺動軸として揺動させることで、切削加工で生じた切屑に厚みの薄い部分ないし切れ目を生じさせて切屑を分断され易いものとするようにしたので、切屑の処理性を高めつつ、被加工材の加工面における工具の挽き目を一定として工具を送り方向に振動させずに送り動作させた場合と同様の高い精度で切削加工を行なうことができる。
したがって、本発明によれば、加工精度を低下させることなく切屑の処理性を高めることができる切削装置及びその制御方法を提供することができる。

本発明の一実施の形態の切削装置の構成を概略で示す図である。工具により被加工材を切削加工している様子を示す図である。被加工材を切削加工している工具の刃先を拡大して示す図である。工具を円弧状のノーズの中心を揺動軸として揺動させる際の回動テーブルの回動とその回動中心軸の移動方向とを説明するための図である。切削加工により生じた切屑の一部を示す図である。揺動手段の変形例を示す図である。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しつつ詳細に例示説明する。

図１に示す本発明の一実施の形態の切削装置１は、自動旋盤として構成されたものであり、装置本体である加工部２と制御手段としての制御部３とを有している。

加工部２は、ベッド４に搭載された主軸台（不図示）に回転自在に支持された主軸１０を有している。主軸１０は、その回転中心軸がＺ軸方向に沿って延びる姿勢で配置されている。詳細は図示しないが、主軸台には主軸モータを駆動源とした主軸駆動機構が設けられており、主軸１０は主軸駆動機構により駆動されて回転する。

主軸駆動機構としては、例えば、主軸台の内部に主軸１０を囲うように配置されるビルトイン型の電動モータを駆動源とした構成のものを採用することができる。

主軸１０の先端にはチャック１１が設けられており、チャック１１を用いて主軸１０に被加工材（ワーク）１２を固定保持させることができる。被加工材１２としては、例えば円柱形状の金属製の丸棒材を用いることができる。被加工材１２は、その軸線Ｌを主軸１０の回転中心軸と一致させた姿勢でチャック１１により主軸１０に固定保持される。被加工材１２を固定保持ないし支持した状態で主軸１０を回転させることで、被加工材１２を、その軸線Ｌの周りに回転させることができる。

加工部２は、被加工材１２を切削加工するための工具（刃物）１３を有している。工具１３は、例えば断面矩形の棒状とされる工具本体（シャンク）１３ａと、工具本体１３ａの先端に設けられた刃先１３ｂとを備えている。本実施の形態では、工具１３として、刃先１３ｂが工具本体１３ａに着脱自在に固定される交換式のチップとして構成されたものを示すが、工具１３として工具本体１３ａに刃先１３ｂが一体に設けられた構成のものを用いることもできる。

工具１３は、工具本体１３ａにおいて工具台１４に固定保持されている。工具１３は、刃先１３ｂを主軸１０の回転中心軸の側（軸線Ｌの側）に向けた姿勢とされ、刃先１３ｂは工具台１４の外周縁よりも外側に突出している。

工具台１４は工具移動体１５に搭載され、工具移動体１５はＸ−Ｚステージ１６に搭載されている。

Ｘ−Ｚステージ１６にはＸ軸駆動機構１６ａが設けられている。Ｘ軸駆動機構１６ａは工具移動体１５をＸ軸方向に駆動することで、工具移動体１５及び工具台１４とともに工具１３を軸線Ｌに接近・離反する方向（Ｘ軸方向）に移動させることができる。

Ｘ−Ｚステージ１６にはＺ軸駆動機構１６ｂが設けられている。Ｚ軸駆動機構１６ｂは工具移動体１５をＺ軸方向に駆動することで、工具移動体１５及び工具台１４とともに工具１３を軸線Ｌに沿う方向（Ｚ軸方向）に移動させることができる。すなわち、本実施の形態では、Ｚ軸駆動機構１６ｂは、工具１３を軸線Ｌに沿う送り方向に送り動作させる送り手段に相当するものである。

Ｘ軸駆動機構１６ａ及びＺ軸駆動機構１６ｂとしては、例えば、Ｚ軸方向ないしＸ軸方向に沿って配置されたボールネジ機構と、当該ボールネジ機構を駆動するパルスモータやステッピングモータ等の駆動源とを備えた構成のものを採用することができる。

切削装置１は、工具１３をＸ軸方向及びＺ軸方向に移動させることで、主軸１０により駆動されて軸線Ｌの周りに回転する被加工材１２に工具１３の刃先１３ｂを押し当てて、被加工材１２を切削加工する。より具体的には、切削装置１は、図２に示すように、被加工材１２を主軸１０とともに軸線Ｌの周りに回転させた状態で、Ｘ軸駆動機構１６ａにより工具１３をＸ軸方向に移動させて被加工材１２に対する刃先１３ｂの切込み深さを設定し、次いで、Ｚ軸駆動機構１６ｂにより工具１３を軸線Ｌに沿った送り方向に所定の速度で送り動作させることで、軸線Ｌの周りに回転する被加工材１２に軸線方向から工具１３の刃先１３ｂを押し当てて被加工材１２を切削加工（旋削加工）する。

切削装置１は、工具１３を、その刃先１３ｂの円弧状のノーズ１３ｃの中心を揺動軸として送り方向に平行な面（本実施の形態では、Ｘ軸及びＺ軸の両方に平行な面）に沿って揺動させつつ、軸線Ｌに沿って送り動作させることで、切削加工時に生じる切屑の処理性を高めるようにしている。そのため、切削装置１は、工具１３を、円弧状のノーズ１３ｃの中心を揺動軸として揺動させるための揺動手段を有している。

ここで、図３に示すように、工具１３の刃先１３ｂの最も軸線Ｌの側に突出する部分であるノーズ１３ｃは、Ｙ軸方向から見て半径がＲの円弧状となっている。ノーズ１３ｃの中心とは、円弧状のノーズ１３ｃの半径Ｒの起点となる中心位置のことであり、当該中心位置が揺動軸Ｓとなる。刃先１３ｂのノーズ１３ｃに連なるとともに送り方向の前方側を向く部分は直線状の切刃部１３ｄとなっており、ノーズ１３ｃと切刃部１３ｄとにより被加工材１２が切削加工される。刃先１３ｂの、ノーズ１３ｃに連なるとともに刃先１３ｂの送り方向とは反対側を向く部分は背面部１３ｅとなっており、背面部１３ｅは切削加工時に被加工材１２に接触しないようにＺ軸方向に対して所定の逃げ角を有して設けられている。

本実施の形態では、揺動手段は、Ｘ軸駆動機構１６ａ、Ｚ軸駆動機構１６ｂ及び回動機構１７により構成されている。

図１に示すように、工具台１４は、Ｘ軸及びＺ軸の両方に垂直なＹ軸に沿って延びる回動中心軸Ｏを中心として工具移動体１５に回動自在に支持されている。回動機構１７は、工具台１４を旋回方向に駆動することで、回動中心軸Ｏを中心として所定の角度範囲及び所定の振動数で工具１３を揺動させる。回動機構１７の駆動源としては、例えばパルスモータやステッピングモータ等を用いることができる。

本実施の形態では、工具１３は、その刃先１３ｂのノーズ１３ｃの中心が回動中心軸Ｏからずれて工具台１４に固定保持されているので、回動中心軸Ｏを中心として工具１３を回動させるだけでは、刃先１３ｂのノーズ１３ｃの位置がＸ軸方向及びＺ軸方向の両方にずれてしまい、工具１３を、その刃先１３ｂのノーズ１３ｃの中心を揺動軸Ｓとして送り方向に平行な面に沿って揺動させることはできない。そこで、本実施の形態の切削装置１では、図４に示すように、工具１３を、切刃部１３ｄが送り方向（Ｚ軸方向）に対して垂直となる姿勢から回動中心軸Ｏを中心として図４中で時計回り方向に角度θだけ回動させるとともに、ノーズ１３ｃの中心を原点とする回動中心軸Ｏの座標Ｐ１（ｘ１、ｚ１）が座標Ｐ２（ｘ２、ｚ２）となるようにＸ軸方向及びＺ軸方向に移動させることで、工具１３を、その刃先１３ｂのノーズ１３ｃの中心を揺動軸Ｓとして送り方向に平行な面に沿って揺動させるようにしている。

ここで、回動中心軸Ｏの移動後の座標Ｐ２（ｘ２、ｚ２）は、座標Ｐ１（ｘ１、ｚ１）、工具台１４の回動中心軸Ｏを中心とした回動の角度θ、ノーズ１３ｃの半径Ｒを用いて、次の式によって算出することができる。

（ｘ２、ｚ２）＝（ｘ１・ｃｏｓθ＋ｚ１・ｓiｎθ＋Ｒ（１−ｃｏｓθ−ｓiｎθ）、ｘ１・ｓiｎθ＋ｚ１・ｃｏｓθ＋Ｒ（１−ｃｏｓθ−ｓiｎθ））

この式に基づき、工具１３を、回動中心軸Ｏを中心として角度θだけ回動させつつ、Ｘ軸方向の座標の差である（ｘ２−ｘ１）だけ回動中心軸ＯをＸ軸方向へ移動させるとともに、Ｚ軸方向の座標の差である（ｚ２−ｚ１）だけ回動中心軸ＯをＺ軸方向へ移動させることで、工具１３を、揺動軸Ｓを中心として送り方向に平行な面に沿って回動させることができる。

このとき、工具１３は、揺動手段によって揺動軸Ｓを中心として揺動されるだけでなく、送り手段であるＺ軸駆動機構１６ｂによって工具台１４とともに所定の送り量で軸線Ｌに沿う送り方向に送り動作されるので、当該送り動作によるＺ軸方向への移動量を加味して、移動後の座標Ｐ２（ｘ２、ｚ２）の位置が設定される。

そして、上記とは逆の制御を行うことで、工具１３を、揺動軸Ｓを中心として元の位置にまで回動させることができ、当該回動を繰り返し行うことで、工具１３を、揺動軸Ｓを中心として送り方向に平行な面に沿って揺動させることができる。

制御部３は、例えばＣＰＵを備えたマイクロコンピュータとして構成される。制御部３には、切削加工を行う前に、例えばタッチパネル式のディスプレイ、キーボード等の図示しない入力手段を用いて、予め、主軸１０の回転数、切込み深さＤ、送り速度などの切削条件に加えて、ノーズ１３ｃの半径Ｒの値、ノーズ１３ｃの位置、工具１３の揺動軸Ｓを中心とした揺動の角度θ及び振動数などの工具情報が入力される。

制御部３は、上記情報を用いて、主軸１０の回転（主軸モータの作動）、工具移動体１５の移動（Ｘ軸駆動機構１６ａ及びＺ軸駆動機構１６ｂの作動）及び工具台１４の回動（回動機構１７の作動）を統合的に制御して、工具１３を、ノーズ１３ｃの中心を揺動軸Ｓとして送り方向に平行な面に沿って所定の振動数で揺動させながら所定の送り速度で送り動作させて、被加工材１２の切削加工を実行させる。すなわち、切削装置１は、軸線周りに回転する被加工材１２に工具１３の刃先１３ｂを押し当てて被加工材１２を切削加工するにあたり、工具１３が、刃先１３ｂの円弧状のノーズ１３ｃの中心を揺動軸Ｓとして軸線Ｌに沿う送り方向に平行な面に沿って所定の振動数で揺動しながら送り方向に所定の送り速度で送り動作されるように制御部３によって制御される。

ここで、工具１３の揺動軸Ｓを中心とした揺動が、切削加工時において所定の振動数で継続的に行われるように制御される。当該振動数は、切削条件等に応じて適宜設定することができるが、数ヘルツ〜数１００ヘルツ程度の範囲で設定するのが好ましい。また、何れの場合においても、工具１３の揺動軸Ｓを中心とした揺動の振動数は、主軸１０ないし被加工材１２が１回転する毎に、当該揺動の位相がずれるように設定される。

以上の通り、本実施の形態の切削装置１では、工具１３を、ノーズ１３ｃの中心を揺動軸Ｓとして所定の振動数で揺動させながら送り動作させるとともに、被加工材１２の１回転毎に当該揺動の位相がずれるようにしたことにより、切刃部１３ｄの被加工材１２に対する送り方向への切り込み量を変化させて、工具１３により切削加工されて被加工材１２から生じる切屑を、厚みの薄い部分を有する分断され易いものとすることができる。これにより、排出された切屑が、当該厚みの薄い部分において容易に分断されるようにして、切屑の処理性を高めることができる。また、工具１３を、ノーズ１３ｃの中心を揺動軸Ｓとして所定の振動数で揺動させることで切屑の処理性を高めるようにしたので、当該揺動によってはノーズ１３ｃに送り方向へ向けた位置ずれが生じないようにして、ノーズ１３ｃを一定の送り速度で送り動作させて切削加工を行うことができる。したがって、被加工材１２の加工面における工具１３の挽き目を一定として、工具１３を揺動させずに一定の速度で送り動作させた場合と同様の高い精度で被加工材１２の切削加工を行うことができる。このように、本実施の形態の切削装置１によれば、工具１３による被加工材１２の加工精度を低下させることなく切屑を分断され易いものとして、その処理性を高めることができる。

上記構成においては、制御部３は、工具１３の揺動軸Ｓを中心とした揺動の振動数を、主軸１０ないし被加工材１２が１回転する毎に、揺動の位相が１８０度ずれるとともに、被加工材１２の外周面に対応した位置（図３において被加工材１２への切込み深さＤに対応した位置）における工具１３の揺動による振動の幅Ｗが、被加工材１２の１回転当たりの工具１３の送り方向への送り量よりも大きくなるように、主軸１０の回転、工具移動体１５の移動及び工具台１４の回動を制御するのが好ましい。このような構成により、工具１３の切刃部１３ｄが１周前の加工部分に接触しない空振り期間が生じるようにして、図５に示すように、切屑２０を切れ目が入ったものとすることができる。この場合においても、刃先１３ｂのノーズ１３ｃの部分には揺動による振幅が生じないので、切屑２０は幅方向の一方側で繋がった状態となるが、切れ目があることによって切屑２０をさらに折れ曲がれ易く、分断がされ易いものとして、その処理性を高めることができる。

なお、被加工材１２の外周面に対応した位置における工具１３の揺動による振動の幅Ｗは、切込み深さをＤ、ノーズ１３ｃの半径をＲ、揺動の角度をθとすると、Ｗ＝（Ｄ−Ｒ）×ｔａｎθ−Ｒ（１−１／ｃｏｓθ）で算出される。

切れ目の大きさないし隣り合う切れ目の間隔などは、工具１３の揺動の角度θないし振動の幅Ｗ、揺動の振動数、被加工材１２の１回転毎の揺動の位相のずれ等を調整することで変更することができる。例えば、被加工材１２の１回転毎の揺動の位相のずれが小さくても、工具１３の揺動の角度θないし振動の幅Ｗを大きく設定することで、切屑２０を切れ目が入ったものとすることができる。また、工具１３の揺動の角度θないし振動の幅Ｗは、工具１３の被加工材１２の１回転当たりの送り量及び切込み深さＤに基づいて、切屑２０に適度な切れ目が生じるように適宜設定することができる。

工具１３の揺動軸Ｓを中心とした揺動範囲は、図４中において、切刃部１３ｄが送り方向（Ｚ軸方向）に対して垂直となる姿勢に対して回動中心軸Ｏを中心とした時計回り方向の側に限らず、切刃部１３ｄが送り方向（Ｚ軸方向）に対して垂直となる姿勢に対して回動中心軸Ｏを中心とした反時計回り方向の側に達するように設定することもできる。この場合、刃先１３ｂの背面部１３ｅが被加工材１２の加工面に当接しない範囲で揺動の角度が設定される。

図６は、揺動手段の変形例を示す図である。図６においては、前述した部材に対応する部材には同一の符号を付してある。

図１に示す場合では、揺動手段を、Ｘ軸駆動機構１６ａ、Ｚ軸駆動機構１６ｂ及び回動機構１７により構成されるものとし、工具１３を、回動機構１７により回動させつつＸ軸駆動機構１６ａ及びＺ軸駆動機構１６ｂによりＸ軸方向及びＺ軸方向に移動させることで揺動軸Ｓを中心として揺動させるようにしている。これに対し、図６に示す変形例では、工具台１４を工具移動体１５に回動自在に支持させる回動中心軸Ｏを揺動軸Ｓと一致させる構成としている。図６に示す変形例の構成によれば、工具移動体１５をＸ軸方向及びＺ軸方向に移動させることなく、工具１３を工具台１４とともに回動中心軸Ｏを中心として揺動させることで、工具１３を、そのノーズ１３ｃの中心を揺動軸Ｓとして揺動させることができる。この場合、スペーサ１４ａを介して工具１３を工具台１４に固定保持させて工具１３の刃先１３ｂと工具台１４との間に間隔を設け、当該間隔に被加工材１２が配置されるようにすることで、工具台１４を被加工材１２に接触させることなく当該構成を構築することができる。上記変形例の構成によれば、切削装置１の構成を簡素化して、そのコストを低減することができる。

本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。

例えば、工具１３を、送り方向に送り動作させる送り手段としては、上記した構成に限らず、種々の構成のものを用いることができる。同様に、工具１３を、刃先１３ｂの円弧状のノーズ１３ｃの中心を揺動軸Ｓとして送り方向に平行な面に沿って揺動させる揺動手段としても、上記した構成に限らず、種々の構成のものを用いることができる。

また、工具１３の刃先１３ｂのノーズ１３ｃの半径Ｒは、例えば数十μｍから数百μｍ程度とするなど種々変更が可能であるが、ノーズ１３ｃの半径Ｒを０とすることもできる。この場合、工具１３は、刃先１３ｂの切刃部１３ｄと背面部１３ｅとが交差する尖った先端部分を中心として揺動することになるが、当該構成によって、上記したのと同様の効果を得ることができる。

さらに、前記実施の形態においては、送り手段による工具１３の送り方向を、主軸１０ないし被加工材１２の軸線Ｌに沿う方向としているが、これに限らず、工具１３の送り方向は、例えば軸線Ｌに対して傾斜する方向とするなど、種々変更可能である。

１切削装置
２加工部
３制御部
４ベッド
１０主軸
１１チャック
１２被加工材
１３工具
１３ａ工具本体
１３ｂ刃先
１３ｃノーズ
１３ｄ切刃部
１３ｅ背面部
１４工具台
１４ａスペーサ
１５工具移動体
１６Ｘ−Ｚステージ
１６ａＸ軸駆動機構
１６ｂＺ軸駆動機構
１７回動機構
２０切屑
Ｌ軸線
Ｓ揺動軸
Ｏ回動中心軸
Ｄ切込み深さ
Ｒノーズの半径
Ｗ振動の幅

Claims

軸線周りに回転する被加工材に工具の刃先を押し当てて該被加工材を切削加工する切削装置であって、
前記被加工材を前記軸線の周りに回転させる主軸と、
前記工具を、送り方向に送り動作させる送り手段と、
前記工具を、前記刃先の円弧状のノーズの中心を揺動軸として前記送り方向に平行な面に沿って揺動させる揺動手段と、
前記工具を、前記ノーズの中心を揺動軸として前記送り方向に平行な面に沿って所定の振動数で揺動させながら所定の送り速度で送り動作させるとともに、前記被加工材の１回転毎に前記揺動の位相がずれるように、前記送り手段及び前記揺動手段の作動を制御する制御手段と、を有することを特徴とする切削装置。
前記制御手段が、
前記被加工材の１回転毎に、前記揺動の位相を１８０度ずらすとともに、
前記被加工材の外周面に対応した位置における前記工具の前記揺動による振動の幅が、前記被加工材の１回転当たりの前記工具の前記送り方向への送り量よりも大きくなるように、前記送り手段及び前記揺動手段の作動を制御する、請求項１に記載の切削装置。
軸線周りに回転する被加工材に工具の刃先を押し当てて該被加工材を切削加工する切削装置の制御方法であって、
前記工具を、前記刃先の円弧状のノーズの中心を揺動軸として送り方向に平行な面に沿って所定の振動数で揺動させながら前記送り方向に所定の送り速度で送り動作させるとともに、前記被加工材の１回転毎に前記揺動の位相をずらすことを特徴とする切削装置の制御方法。
前記被加工材の１回転毎に、前記揺動の位相を１８０度ずらすとともに、
前記被加工材の外周面に対応した位置における前記工具の前記揺動による振動の幅が、前記被加工材の１回転当たりの前記工具の前記送り方向への送り量よりも大きくなるように、前記工具を揺動させる、請求項３に記載の切削装置の制御方法。