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技術 切削工具の固有振動数導出方法及び安定限界曲線作成方法、並びに切削工具の固有振動数導出装置

出願人 DMG森精機株式会社
発明者 河合謙吾大野勝彦西川静雄
出願日 2015年11月26日 (4年2ヶ月経過) 出願番号 2015-230466
公開日 2017年6月1日 (2年8ヶ月経過) 公開番号 2017-094463
状態 特許登録済
技術分野 機械部品、その他の構造物または装置の試験 工作機械の検出装置
主要キーワード 各区画間 ノイズ処理後 検出台 各固有振動数 導出装置 アッパーカット インパクトハンマー 選定作業
関連する未来課題
重要な関連分野

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図面 (15)

課題

人為的なバラツキがなく、煩わしい作業や特殊な技能を要しないで、切削工具のより正確な固有振動数導出できる装置等を提供する。

解決手段

工作機械20の主軸回転速度を段階的に変化させながら、各回転速度において予め定めた距離又は時間だけ被加工物を加工する動作を実行させる加工実行部2と、加工中の工具位置変位を検出する変位検出部5と、工具に作用する切削動力を検出する切削動力検出部6aと、主軸回転速度毎に得られた変位データ及び切削動力データをそれぞれ周波数解析して、変位及び切削動力スペクトルを得る周波数解析部3と、得られた変位スペクトルを切削動力スペクトルで除したコンプライアンススペクトルを主軸回転速度毎に算出した後、各コンプライアンススペクトルを重畳した統合コンプライアンススペクトルを算出し、その最大のコンプライアンス値を示す周波数を固有振動数として導出する固有振動数導出部とを備える。

概要

背景

工作機械を用いてワークを加工する際に、びびり振動によって加工精度(特に表面精度)が悪化することは旧来より良く知られている。このようなびびり振動は、強制びびり振動と自励びびり振動に大別され、強制びびり振動は過大な外力が作用すること、或いは外力の周波数と振動系の共振周波数が同期することによって発生すると考えられている。一方、自励びびり振動には、再生型のびびり振動(再生びびり振動)とモードカップリング型のびびり振動があり、再生びびり振動は、切削抵抗周期的変動切り取り厚さの周期的変動の相互作用が互いに強め合う切削を継続すること(所謂再生効果)によって引き起こされると考えられており、モードカップリング型のびびり振動は、2方向の振動モードが近い共振周波数を有する場合に、それらが連成して生じるものと考えられている。

従来、前記びびり振動の内、再生びびり振動を抑制する方法として、安定限界曲線主軸回転速度に対する安定限界の切り込み深さを示した線図)を求め、主軸回転速度が安定領域に位置するように、これを調整するといった手法が提案されている(下記特許文献1参照)。

そして、このような安定限界曲線を作成するためには、工具固有振動数加工系減衰比等価質量、切削剛性及び比切削剛性といったデータが必要とされている。前記減衰比及び等価質量は、工具の固有振動数から算出することができ、このため、工具の固有振動数が得られれば、減衰比及び等価質量を併せて算出することができるが、この工具の固有振動数を導出する方法としては、従来、インパクトハンマーを用いて工具の先端部を打撃し、そのときに得られる工具の自由振動に係るデータと、インパクトハンマーの打撃力に係るデータとから前記固有振動数を導出する方法が一般的に知られている(下記特許文献2参照)。

また、前記切削剛性及び比切削剛性は、例えば、当該工具を用いて実際に加工し、そのときに主軸モータに流れる電流値から算出することができる。

概要

人為的なバラツキがなく、煩わしい作業や特殊な技能を要しないで、切削工具のより正確な固有振動数を導出できる装置等を提供する。工作機械20の主軸回転速度を段階的に変化させながら、各回転速度において予め定めた距離又は時間だけ被加工物を加工する動作を実行させる加工実行部2と、加工中の工具の位置変位を検出する変位検出部5と、工具に作用する切削動力を検出する切削動力検出部6aと、主軸回転速度毎に得られた変位データ及び切削動力データをそれぞれ周波数解析して、変位及び切削動力スペクトルを得る周波数解析部3と、得られた変位スペクトルを切削動力スペクトルで除したコンプライアンススペクトルを主軸回転速度毎に算出した後、各コンプライアンススペクトルを重畳した統合コンプライアンススペクトルを算出し、その最大のコンプライアンス値を示す周波数を固有振動数として導出する固有振動数導出部とを備える。

目的

本発明は、以上の実情に鑑みなされたものであって、人為的なバラツキを生じることなく、また、煩わしい作業や特殊な技能を要することなく、切削工具のより正確な固有振動数を導出することができる方法及びその装置、並びに安定限界曲線を作成する方法の提供を、その目的とする

効果

実績

技術文献被引用数
1件
牽制数
0件

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請求項1

工作機械により被加工物を加工する際に使用される切削工具固有振動数導出する方法であって、前記切削工具を用い、前記工作機械の主軸の回転速度を段階的に変化させながら、それぞれの回転速度において予め定めた距離又は時間だけ前記被加工物を加工する実加工工程と、前記実加工工程中に、前記切削工具に生じる位置の変位を検出するとともに、前記切削工具に作用する切削動力を検出する検出工程と、前記検出工程において、前記主軸の回転速度毎に得られた変位データ及び切削動力データをそれぞれ周波数解析して、変位及び切削動力のスペクトルを得る解析工程と、前記解析工程において、前記主軸の回転速度毎に得られた変位スペクトルと切削動力スペクトルとを基に、前記変位スペクトルを前記切削動力スペクトルで除したスペクトルであるコンプライアンススペクトルを前記回転速度毎に算出した後、得られた各コンプライアンススペクトルを重畳した統合コンプライアンススペクトルを算出し、得られた統合コンプライアンススペクトルから最大のコンプライアンス値を示す周波数を、前記切削工具の固有振動数として導出する導出工程とを含んで構成されることを特徴とする切削工具の固有振動数導出方法

請求項2

前記実加工工程は、前記主軸の回転速度を段階的に変化させながら、前記主軸と直交し、且つ相互に直交する2つの送り軸である第1軸及び第2軸の各単独動作又はこれらの複合動作により、それぞれの回転速度において予め定めた距離又は時間だけ、前記第1軸及び第2軸方向の送り成分を含むように、前記被加工物に対し前記切削工具を相対的に移動させて前記被加工物を加工するように構成され、前記検出工程は、前記回転速度毎に、前記第1軸及び第2軸の各送り方向について前記切削工具に生じる位置の変位をそれぞれ検出するとともに、そのときに前記切削工具に作用する切削動力をそれぞれ検出するように構成され、前記解析工程は、前記各送り方向毎、及び前記回転速度毎に得られた変位データ及び切削動力データをそれぞれ周波数解析して、変位及び切削動力のスペクトルを得るように構成され、前記導出工程は、前記各送り方向について、前記回転速度毎に得られた変位スペクトルを切削動力スペクトルで除したコンプライアンススペクトルを算出した後、得られた各コンプライアンススペクトルを重畳した統合コンプライアンススペクトルをそれぞれ算出し、得られた各統合コンプライアンススペクトルから最大のコンプライアンス値を示す周波数をそれぞれ検出し、検出された2つの周波数を前記切削工具の前記各送り方向における固有振動数として導出するように構成されていることを特徴とする請求項1記載の切削工具の固有振動数導出方法。

請求項3

請求項1記載の各工程を含み、更に、前記導出工程において得られた統合コンプライアンススペクトル、及び前記切削工具の固有振動数を基に、少なくとも前記切削工具及び被加工物を含む加工系における減衰比及び等価質量を算出し、得られた減衰比及び等価質量、並びに前記固有振動数を基に、前記切削工具の再生びびりに関する安定限界曲線を作成する曲線作成工程を含んでいることを特徴とする安定限界曲線作成方法

請求項4

請求項1記載の各工程を含み、前記導出工程は、得られた統合コンプライアンススペクトルを基に、大きい順に少なくとも2つの極大のコンプライアンス値を示す周波数を、それぞれ前記切削工具の固有振動数として導出するように構成され、更に、前記導出工程において得られた統合コンプライアンススペクトル、及び前記切削工具の各固有振動数を基に、少なくとも前記切削工具及び被加工物を含む加工系における減衰比及び等価質量であって、前記各固有振動数に対応する減衰比及び等価質量を算出し、得られた減衰比及び等価質量、並びに前記各固有振動数を基に、前記切削工具の再生びびりに関する安定限界曲線であって、前記各固有振動数に対応した安定限界曲線を作成する曲線作成工程を含んでいることを特徴とする安定限界曲線作成方法。

請求項5

請求項2記載の各工程を含み、更に、前記導出工程において、前記各送り方向について得られた統合コンプライアンススペクトル、及び前記切削工具の固有振動数を基に、少なくとも前記切削工具及び被加工物を含む加工系における減衰比及び等価質量であって、前記各送り方向についての減衰比及び等価質量をそれぞれ算出し、得られた前記各送り方向についての減衰比及び等価質量、並びに前記固有振動数を基に、前記切削工具の再生びびりに関する安定限界曲線を作成する曲線作成工程を含んでいることを特徴とする安定限界曲線作成方法。

請求項6

請求項2記載の各工程を含み、前記導出工程は、前記各送り方向について得られた統合コンプライアンススペクトルを基に、それぞれ大きい順に少なくとも2つの極大のコンプライアンス値を示す周波数を、それぞれ前記切削工具の固有振動数として前記各送り方向毎に導出するように構成され、更に、前記導出工程において、前記各送り方向について得られた統合コンプライアンススペクトル、及び前記各送り方向についての前記切削工具の各固有振動数を基に、少なくとも前記切削工具及び被加工物を含む加工系における減衰比及び等価質量であって、前記各送り方向についての各固有振動数に対応する減衰比及び等価質量を算出し、得られた減衰比及び等価質量、並びに前記各固有振動数を基に、前記切削工具の再生びびりに関する安定限界曲線であって、前記各固有振動数に対応した安定限界曲線を作成する曲線作成工程を含んでいることを特徴とする安定限界曲線作成方法。

請求項7

請求項2記載の各工程を含み、更に、前記導出工程において、前記各送り方向について得られた統合コンプライアンススペクトル、及び前記切削工具の固有振動数を基に、少なくとも前記切削工具及び被加工物を含む加工系における減衰比及び等価質量であって、前記各送り方向についての減衰比及び等価質量をそれぞれ算出し、得られた前記各送り方向についての減衰比及び等価質量、並びに前記固有振動数を基に、予め定められた送り方向における、前記切削工具の再生びびりに関する安定限界曲線を作成する曲線作成工程を含んでいることを特徴とする安定限界曲線作成方法。

請求項8

工作機械により被加工物を加工する際に使用される切削工具の固有振動数を導出する装置であって、前記工作機械の主軸の回転速度を段階的に変化させながら、それぞれの回転速度において予め定めた距離又は時間だけ前記被加工物を加工する動作を前記工作機械に実行させる加工実行部と、前記工作機械の加工中に、前記切削工具に生じる位置の変位を検出する変位検出部、及び前記切削工具に作用する切削動力を検出する切削動力検出部と、前記変位検出部及び切削動力検出部によって、前記主軸の回転速度毎に得られた変位データ及び切削動力データをそれぞれ周波数解析して、変位及び切削動力のスペクトルを得る周波数解析部と、前記周波数解析部において、前記主軸の回転速度毎に得られた変位スペクトルと切削動力スペクトルとを基に、前記変位スペクトルを前記切削動力スペクトルで除したスペクトルであるコンプライアンススペクトルを前記回転速度毎に算出した後、得られた各コンプライアンススペクトルを重畳した統合コンプライアンススペクトルを算出し、得られた統合コンプライアンススペクトルから最大のコンプライアンス値を示す周波数を、前記切削工具の固有振動数として導出する固有振動数導出部とを備えていることを特徴とする切削工具の固有振動数導出装置

請求項9

前記加工実行部は、前記主軸の回転速度を段階的に変化させながら、前記主軸と直交し、且つ相互に直交する2つの送り軸である第1軸及び第2軸の各単独動作又はこれらの複合動作により、それぞれの回転速度において予め定めた距離又は時間だけ、前記第1軸及び第2軸方向の送り成分を含むように前記切削工具を移動させて前記被加工物を加工するように構成され、前記変位検出部は、前記回転速度毎に、前記第1軸及び第2軸の各送り方向について前記切削工具に生じる位置の変位をそれぞれ検出するように構成されるとともに、前記切削動力検出部は、そのときに前記切削工具に作用する切削動力をそれぞれ検出するように構成され、前記周波数解析部は、前記各送り方向毎、及び前記回転速度毎に得られた変位データ及び切削動力データをそれぞれ周波数解析して、変位及び切削動力のスペクトルを得るように構成され、前記固有振動数導出部は、前記各送り方向について、前記回転速度毎に得られた変位スペクトルを切削動力スペクトルで除したコンプライアンススペクトルを算出した後、得られた各コンプライアンススペクトルを重畳した統合コンプライアンススペクトルをそれぞれ算出し、得られた各統合コンプライアンススペクトルから最大のコンプライアンス値を示す周波数をそれぞれ検出し、検出された2つの周波数から前記切削工具の固有振動数を導出するように構成されていることを特徴とする請求項8記載の切削工具の固有振動数導出装置。

技術分野

0001

本発明は、工作機械により被加工物(ワーク)を加工する際に使用される切削工具固有振動数導出する方法、及び当該切削工具の再生びびりに関する安定限界曲線を作成する方法、並びに当該切削工具の固有振動数を導出する装置に関する。

背景技術

0002

工作機械を用いてワークを加工する際に、びびり振動によって加工精度(特に表面精度)が悪化することは旧来より良く知られている。このようなびびり振動は、強制びびり振動と自励びびり振動に大別され、強制びびり振動は過大な外力が作用すること、或いは外力の周波数と振動系の共振周波数が同期することによって発生すると考えられている。一方、自励びびり振動には、再生型のびびり振動(再生びびり振動)とモードカップリング型のびびり振動があり、再生びびり振動は、切削抵抗周期的変動切り取り厚さの周期的変動の相互作用が互いに強め合う切削を継続すること(所謂再生効果)によって引き起こされると考えられており、モードカップリング型のびびり振動は、2方向の振動モードが近い共振周波数を有する場合に、それらが連成して生じるものと考えられている。

0003

従来、前記びびり振動の内、再生びびり振動を抑制する方法として、安定限界曲線(主軸回転速度に対する安定限界の切り込み深さを示した線図)を求め、主軸回転速度が安定領域に位置するように、これを調整するといった手法が提案されている(下記特許文献1参照)。

0004

そして、このような安定限界曲線を作成するためには、工具の固有振動数、加工系減衰比等価質量、切削剛性及び比切削剛性といったデータが必要とされている。前記減衰比及び等価質量は、工具の固有振動数から算出することができ、このため、工具の固有振動数が得られれば、減衰比及び等価質量を併せて算出することができるが、この工具の固有振動数を導出する方法としては、従来、インパクトハンマーを用いて工具の先端部を打撃し、そのときに得られる工具の自由振動に係るデータと、インパクトハンマーの打撃力に係るデータとから前記固有振動数を導出する方法が一般的に知られている(下記特許文献2参照)。

0005

また、前記切削剛性及び比切削剛性は、例えば、当該工具を用いて実際に加工し、そのときに主軸モータに流れる電流値から算出することができる。

先行技術

0006

特開2012−213830号公報
特開2014−14882号公報

発明が解決しようとする課題

0007

ところが、インパクトハンマーを用いて切削工具の固有振動数を導出する従来の方法では、インパクトハンマーを用いた打撃を人が行うものであるため、人為的なバラツキを生じ易く、このため、切削工具の正確な固有振動数を得難いという問題があり、また、適切なデータを得るためには、打撃自体に技能を要するという問題があった。

0008

更に、インパクトハンマーの打撃部に取り付けるハンマーチップについては、測定したい振動周波数周期(周波数の逆数)を計算し、ハンマーの接触時間が、その周期の0.3倍〜1倍程度の範囲に入るように、試行錯誤によってハンマーチップを選定しなければならず、その選定作業が極めて煩わしいという問題もある。

0009

また、本発明者等の知見によれば、切削工具の固有振動数は、実際にワークを加工している加工時と、ワークを加工していないときの自由時とでは、その値が微妙に異なっているものと考えられる。したがって、実際の加工状態から当該切削工具の固有振動数を導出することができれば、ワークの影響を加味したより正確な固有振動数を導出することができる。

0010

本発明は、以上の実情に鑑みなされたものであって、人為的なバラツキを生じることなく、また、煩わしい作業や特殊な技能を要することなく、切削工具のより正確な固有振動数を導出することができる方法及びその装置、並びに安定限界曲線を作成する方法の提供を、その目的とする。

課題を解決するための手段

0011

上記課題を解決するための本発明は、工作機械により被加工物を加工する際に使用される切削工具の固有振動数を導出する方法であって、
前記切削工具を用い、前記工作機械の主軸の回転速度を段階的に変化させながら、それぞれの回転速度において予め定めた距離又は時間だけ前記被加工物を加工する実加工工程と、
前記実加工工程中に、前記切削工具に生じる位置の変位を検出するとともに、前記切削工具に作用する切削動力を検出する検出工程と、
前記検出工程において、前記主軸の回転速度毎に得られた変位データ及び切削動力データをそれぞれ周波数解析して、変位及び切削動力のスペクトルを得る解析工程と、
前記解析工程において、前記主軸の回転速度毎に得られた変位スペクトルと切削動力スペクトルとを基に、前記変位スペクトルを前記切削動力スペクトルで除したスペクトルであるコンプライアンススペクトルを前記回転速度毎に算出した後、得られた各コンプライアンススペクトルを重畳した統合コンプライアンススペクトルを算出し、得られた統合コンプライアンススペクトルから最大のコンプライアンス値を示す周波数を、前記切削工具の固有振動数として導出する導出工程とを含む切削工具の固有振動数導出方法に係る。

0012

そして、この固有振動数導出方法は、工作機械により被加工物を加工する際に使用される切削工具の固有振動数を導出する装置であって、
前記工作機械の主軸の回転速度を段階的に変化させながら、それぞれの回転速度において予め定めた距離又は時間だけ前記被加工物を加工する動作を前記工作機械に実行させる加工実行部と、
前記工作機械の加工中に、前記切削工具に生じる位置の変位を検出する変位検出部、及び前記切削工具に作用する切削動力を検出する切削動力検出部と、
前記変位検出部及び切削動力検出部によって、前記主軸の回転速度毎に得られた変位データ及び切削動力データをそれぞれ周波数解析して、変位及び切削動力のスペクトルを得る周波数解析部と、
前記周波数解析部において、前記主軸の回転速度毎に得られた変位スペクトルと切削動力スペクトルとを基に、前記変位スペクトルを前記切削動力スペクトルで除したスペクトルであるコンプライアンススペクトルを前記回転速度毎に算出した後、得られた各コンプライアンススペクトルを重畳した統合コンプライアンススペクトルを算出し、得られた統合コンプライアンススペクトルから最大のコンプライアンス値を示す周波数を、前記切削工具の固有振動数として導出する固有振動数導出部とを備えた、切削工具の固有振動数導出装置によって、好適に実施することができる。

0013

本発明に係る切削工具の固有振動数導出方法及び装置によれば、まず、前記加工実行部により前記工作機械を動作させて、前記切削工具を用い、前記工作機械の主軸の回転速度を段階的に変化させながら、それぞれの回転速度において予め定めた距離又は時間だけ前記被加工物を加工する(実加工工程)。そして、実加工が行われている間に、前記切削工具に生じる位置の変位を前記変位検出部によって検出するとともに、前記切削工具に作用する切削動力を前記切削動力検出部によって検出する(検出工程)。尚、前記主軸回転速度の段階的な変化とは、主軸回転速度をパルス的又は階段状(ステップ状)に変化させることを意味しており、予め定めた距離又は時間だけ被加工物を加工する間は主軸回転速度は一定である。また、主軸回転速度の段階的な変化量については特に制限があるものではなく、データ取得の正確性や効率を考慮して適宜設定される。

0014

次に、前記変位検出部及び切削動力検出部によって得られた前記主軸の回転速度毎の変位データ及び切削動力データを、前記周波数解析部によりそれぞれ周波数解析(FFT)して、変位及び切削動力についてのスペクトル(波形)を算出する(解析工程)。尚、得られた変位スペクトル及び切削動力スペクトルは前記主軸の回転速度に応じてそれぞれ異なった特性、即ち、ピーク周波数を示す。

0015

次に、前記回転速度毎に得られた変位スペクトルと切削動力スペクトルとを基に、前記固有振動数導出部において、まず、前記回転速度毎に、前記変位スペクトルを前記切削動力スペクトルで除したスペクトルであるコンプライアンススペクトルを算出した後、得られた前記回転速度毎のコンプライアンススペクトルを全て重畳した統合コンプライアンススペクトルを算出する(導出工程)。尚、ここで言うコンプライアンスは、切削動力を入力とし、この入力と、これに対する出力である変位との比をとったものであり、入力と出力との間の伝達関数と定義される。

0016

ついで、前記固有振動数導出部は、算出した統合コンプライアンススペクトルを基に、これを解析して、最大のコンプライアンス値を示す周波数を当該切削工具の固有振動数として導出する(導出工程)。上述したように、コンプライアンスは、[変位(=出力)/切削動力(=入力)]を示すものである。したがって、コンプライアンスが最も大きな値をとる周波数、即ち、入力に対して出力が最も大きくなる周波数を当該切削工具の固有振動数と認定することができる。

0017

斯くして、本発明によれば、固有振動数を導出すべき切削工具を用いて実際に被加工物を加工し、そのときに検出される当該切削工具の変位、及び当該切削工具に作用する切削動力を基に、当該切削工具の固有振動数を導出するようにしているので、実際の加工時に受ける被加工物の影響を加味したより正確な固有振動数を導出することができる。

0018

また、従来法のようなインパクトハンマーを用いていないので、切削工具の固有振動数を導出するにあたり、人為的なバラツキの問題を生じることがなく、また、適切なデータを得るために技能を要するということもなく、更に、ハンマーチップを選定するという煩わしい作業も必要ない。

0019

また、本発明は、上述した固有振動数を導出するための各工程を含み、
更に、前記導出工程において得られた統合コンプライアンススペクトル、及び前記切削工具の固有振動数を基に、少なくとも前記切削工具及び被加工物を含む加工系における減衰比及び等価質量を算出し、得られた減衰比及び等価質量、並びに前記固有振動数を基に、前記切削工具の再生びびりに関する安定限界曲線を作成する曲線作成工程を含んだ安定限界曲線作成方法に係る。

0020

この安定限界曲線作成方法によれば、上述したように、実際の加工時に受ける被加工物の影響など、加工の実態に即したより正確な固有振動数を導出することができるので、このような固有振動数を基にして作成される安定限界曲線は、より加工の実態に即した正確なものとなる。

0021

また、この安定限界曲線作成方法において、前記導出工程は、前記統合コンプライアンススペクトルを基に、大きい順に少なくとも2つの極大のコンプライアンス値を示す周波数を、それぞれ前記切削工具の固有振動数として導出するように構成され、
更に、前記曲線作成工程は、前記導出工程において得られた統合コンプライアンススペクトル、及び前記切削工具の各固有振動数を基に、少なくとも前記切削工具及び被加工物を含む加工系における減衰比及び等価質量であって、前記各固有振動数に対応する減衰比及び等価質量を算出し、得られた減衰比及び等価質量、並びに前記各固有振動数を基に、前記切削工具の再生びびりに関する安定限界曲線であって、前記各固有振動数に対応した安定限界曲線を作成するように構成されていても良い。

0022

このようにすれば、切削工具の想定し得る複数の固有振動数について、それぞれ安定限界曲線が作成され、このような安定限界曲線を参照して、実際の加工条件を設定することで、より再生びびりの生じ難い、より安定した加工を実現することができる。

0023

また、本発明に係る前記固有振動数導出装置及び固有振動数導出方法において、前記加工実行部は、前記実加工工程において、前記主軸の回転速度を段階的に変化させながら、前記主軸と直交し、且つ相互に直交する2つの送り軸である第1軸及び第2軸の各単独動作又はこれらの複合動作により、それぞれの回転速度において予め定めた距離又は時間だけ、前記第1軸及び第2軸方向の送り成分を含むように、前記被加工物に対し前記切削工具を相対的に移動させて前記被加工物を加工するように構成され、
前記検出工程において、前記変位検出部は、前記回転速度毎に、前記第1軸及び第2軸の各送り方向について前記切削工具に生じる位置の変位をそれぞれ検出するように構成されるとともに、前記切削動力検出部は、そのときに前記切削工具に作用する切削動力をそれぞれ検出するように構成され、
前記周波数解析部は、前記解析工程において、前記各送り方向毎、及び前記回転速度毎に得られた変位データ及び切削動力データをそれぞれ周波数解析して、変位及び切削動力のスペクトルを得るように構成され、
前記固有振動数導出部は、前記導出工程において、前記各送り方向について、前記回転速度毎に得られた変位スペクトルを切削動力スペクトルで除したコンプライアンススペクトルを算出した後、得られた各コンプライアンススペクトルを重畳した統合コンプライアンススペクトルをそれぞれ算出し、得られた各統合コンプライアンススペクトルから最大のコンプライアンス値を示す周波数をそれぞれ検出し、検出された2つの周波数を前記切削工具の前記各送り方向における固有振動数として導出するように構成されていても良い。

0024

この構成によれば、上述のように、前記加工実行部により、前記第1軸及び第2軸方向の送り成分を含むように、前記被加工物に対し前記切削工具を相対的に移動させて当該被加工物を加工する。尚、被加工物と切削工具との相対的な移動の態様には、前記主軸回転速度を段階的に変化させながら、まず、一方の送り方向に相対移動させた後、同様に、主軸回転速度を段階的に変化させながら、他方の送り方向に相対移動させる態様が含まれ、また、前記主軸回転速度を段階的に変化させながら、前記第1軸及び第2軸の複合動作により、2つの送り方向を合成した方向に相対移動させる態様などが含まれる。

0025

そして、前記変位検出部は、前記各送り方向について切削工具に生じる変位をそれぞれ検出し、前記切削動力検出部は、そのときに切削工具に作用する切削動力をそれぞれ検出し、前記周波数解析部では、前記各送り方向毎に得られた回転速度毎の変位データ及び切削動力データをそれぞれ周波数解析して、変位スペクトル及び切削動力スペクトルを算出する。

0026

また、前記固有振動数導出部は、前記各送り方向について、それぞれ統合コンプライアンススペクトルをそれぞれ算出し、得られた各統合コンプライアンススペクトルから最大のコンプライアンス値を示す周波数をそれぞれ検出し、検出された2つの周波数を前記切削工具の前記各送り方向における固有振動数として導出する。

0027

斯くして、この構成によれば、工作機械が、主軸と直交し、且つ相互に直交する2つの送り軸である第1軸及び第2軸を備える場合に、切削工具の各送り方向における固有振動数を導出することができ、当該切削工具の固有振動数に関し、より加工の実態に応じた固有振動数を導出することができる。

0028

また、本発明に係る安定限界曲線作成方法は、この固有振動数導出方法に係る各工程を含み、
更に、前記導出工程において、前記各送り方向について得られた統合コンプライアンススペクトル、及び前記切削工具の固有振動数を基に、少なくとも前記切削工具及び被加工物を含む加工系における減衰比及び等価質量であって、前記各送り方向についての減衰比及び等価質量をそれぞれ算出し、得られた前記各送り方向についての減衰比及び等価質量、並びに前記固有振動数を基に、前記切削工具の再生びびりに関する安定限界曲線を作成する曲線作成工程を含んで構成される。

0029

この構成の安定限界曲線作成方法によれば、主軸と直交し、且つ相互に直交する2つの送り軸である第1軸及び第2軸を備える工作機械に対応した安定限界曲線を作成することができる。

0030

また、この安定限界曲線作成方法において、
前記導出工程は、前記各送り方向について得られた統合コンプライアンススペクトルを基に、それぞれ大きい順に少なくとも2つの極大のコンプライアンス値を示す周波数を、それぞれ前記切削工具の固有振動数として前記各送り方向毎に導出するように構成され、
更に、前記曲線作成工程は、前記導出工程で前記各送り方向について得られた統合コンプライアンススペクトル、及び前記各送り方向についての前記切削工具の各固有振動数を基に、少なくとも前記切削工具及び被加工物を含む加工系における減衰比及び等価質量であって、前記各送り方向についての各固有振動数に対応する減衰比及び等価質量を算出し、得られた減衰比及び等価質量、並びに前記各固有振動数を基に、前記切削工具の再生びびりに関する安定限界曲線であって、前記各固有振動数に対応した安定限界曲線を作成するように構成されていても良い。

0031

このようにすれば、切削工具の想定し得る複数の固有振動数について、それぞれ安定限界曲線が作成され、このような安定限界曲線を参照して、実際の加工条件を設定することで、より再生びびりの生じ難い、より安定した加工を実現することができる。

0032

また、上記の安定限界曲線作成方法において、
前記曲線作成工程は、前記導出工程において、前記各送り方向について得られた統合コンプライアンススペクトル、及び前記切削工具の固有振動数を基に、少なくとも前記切削工具及び被加工物を含む加工系における減衰比及び等価質量であって、前記各送り方向についての減衰比及び等価質量をそれぞれ算出し、得られた前記各送り方向についての減衰比及び等価質量、並びに前記固有振動数を基に、予め定められた送り方向における、前記切削工具の再生びびりに関する安定限界曲線を作成するように構成されていても良い。

発明の効果

0033

以上のように、本発明によれば、固有振動数を導出すべき切削工具を用いて実際に被加工物を加工し、そのときに検出される当該切削工具の変位、及び当該切削工具に作用する切削動力を基に、当該切削工具の固有振動数を導出するようにしているので、実際の加工時に受ける被加工物の影響を加味したより正確な固有振動数を導出することができる。

0034

また、従来法のようなインパクトハンマーを用いていないので、切削工具の固有振動数を導出するにあたり、人為的なバラツキの問題を生じることがなく、また、適切なデータを得るために技能を要するということもなく、更に、ハンマーチップを選定するという煩わしい作業も必要ない。

0035

そして、このようにして得られた固有振動数を基にして安定限界曲線を作成することで、当該安定限界曲線を、より加工の実態に即した正確なものとすることができる。

図面の簡単な説明

0036

本発明の一実施形態に係る工作機械を示した斜視図である。
本実施形態に係る固有振動数導出装置の概略構成を示したブロック図である。
本実施形態に係る検出加工実行部において実行される加工態様を示した説明図である。
Y軸方向の変位スペクトルを示したスペクトル波形図である。
Y軸方向の切削動力スペクトルを示したスペクトル波形図である。
フィルタ処理後のY軸方向の変位スペクトルを示したスペクトル波形図である。
フィルタ処理後のY軸方向の切削動力スペクトルを示したスペクトル波形図である。
Y軸方向のコンプライアンススペクトルを示したスペクトル波形図である。
Y軸方向の重畳コンプライアンススペクトルを示したスペクトル波形図である。
Y軸方向の統合コンプライアンススペクトルを示したスペクトル波形図である。
X軸方向の統合コンプライアンススペクトルを示したスペクトル波形図である。
自由度系の切削モデルを示した説明図である。
減衰比の算出を説明するための説明図である。
安定限界曲線を示した線図である。

実施例

0037

以下、本発明の具体的な実施の形態について、図面を参照しながら説明する。図1は、本実施形態において使用する工作機械を示した斜視図であり、図2は、本実施形態に係る固有振動数導出装置等を示したブロック図である。

0038

[工作機械の概略構成]
まず、工作機械20の概略について説明する。この工作機械20は、ベッド21と、このベッド21上に立設されたコラム22と、このコラム22の前面(加工領域側の面)に矢示Z軸方向に移動自在に設けられた主軸頭23と、軸中心に回転自在に前記主軸頭23に保持された主軸24と、前記主軸頭23より下方の前記ベッド21上に矢示Y軸方向に移動自在に設けられたサドル25と、サドル25上に矢示X軸方向に移動自在に配設されたテーブル26と、このテーブル26を前記X軸(第1軸)方向に移動させるX軸送り機構29と、前記サドル25を前記Y軸(第2軸)方向に移動させるY軸送り機構28と、前記主軸頭23を前記Z軸(第3軸)方向に移動させるZ軸送り機構27と、前記主軸24を回転させる主軸モータ(図示せず)とを備えている。尚、前記X軸、Y軸及びZ軸は、相互に直交する送り軸である。

0039

尚、前記X軸送り機構29,Y軸送り機構28,Z軸送り機構27及び主軸モータ(図示せず)等は、図2に示した制御装置10によってその作動が制御される。具体的には、制御装置10内に格納されたNCプログラムが適宜実行され、このNCプログラムに従った制御信号の下で、動作制御部11により前記X軸送り機構29,Y軸送り機構28,Z軸送り機構27及び主軸モータ(図示せず)等が制御される。

0040

斯くして、この工作機械20では、制御装置10による制御の下で、前記X軸送り機構29,Y軸送り機構28,Z軸送り機構27及び主軸モータ(図示せず)等が駆動されて、主軸24がその軸中心に回転するとともに、当該主軸24とテーブル26とが3次元空間内で相対的に移動し、制御装置10が、内蔵されるNCプログラムに従って、前記X軸送り機構29,Y軸送り機構28,Z軸送り機構27及び主軸モータ(図示せず)等を駆動することで、テーブル26上に載置,固定されたワークWが、主軸24に装着された工具Tによって、適宜加工される。尚、本例の工具Tにはエンドミルを用いている。

0041

また、制御装置10には、ディスプレイを有する表示装置12が接続されており、制御装置10内のデータ等を表示装置12のディスプレイに表示することができるようになっている。

0042

[固有振動数導出装置]
次に、本例の固有振動数導出装置1について説明する。本例の固有振動数導出装置1は、図1及び図2に示すように、前記主軸頭23の下端部の外周面に貼着された加速度計5と、前記テーブル26上に固設された動力検出台6と、前記制御装置10内に組み込まれた検出加工実行部2、周波数解析部3及び固有振動数導出部4とから構成される。

0043

前記加速度計5は、主軸頭23の下端部の加速度言い換えれば、主軸24に装着された切削工具T(以下、工具Tという)から伝達される加速度を検出するものである。回転する工具Tによって前記ワークWを切削加工すると、その切削抵抗によって工具Tに振動が生じるが、加速度計5は、この工具Tから主軸5を介して主軸頭23に伝わる振動(工具Tに起因した振動)を検出して、当該振動に応じた信号を出力する。尚、この加速度計5は、前記X軸方向及びY軸方向の2方向の成分を出力することができる。また、加速度を二階積分することによって変位を検出することができるため、加速度計5からの出力信号は工具Tの変位を検出していると見做すことができる。

0044

前記動力検出台6は、作用する外力を検出して、当該外力に応じた信号を出力する動力センサ6aが内蔵されており、前記テーブル26上に固設されている。そして、この動力検出台6上に前記ワークWが取り付けられる。斯くして、この状態で、前記工具Tによって前記ワークWを切削加工すると、工具TによってワークWに加えられる切削動力、言い換えれば、その反力として工具Tに作用する切削動力が前記動力センサ6aによって検出され、切削動力に応じた信号が出力される。

0045

前記検出加工実行部2は、前記動作制御部11に制御信号を送信し、この動作制御部11により前記工作機械20を制御して、工具Tの固有振動数を導出するため加工動作を当該工作機械20に実行させる処理部である。具体的には、検出加工実行部2は、図3に示した加工動作を行わせるためのNCプログラムを内蔵しており、このNCプログラムに従った制御信号を前記動作制御部11に制御信号を送信して工作機械20を動作させる。

0046

図3に示した加工動作は、例えば工具Tとしてエンドミルを用い、主軸24を適宜設定される最初の回転速度(例えば、3300[min−1])で矢示方向に回転させ、切り込み深さをびびりが発生しない切り込み深さ(例えば1[mm])に設定するとともに、切り込み幅Ae及び送り量(mm/刃)を適宜設定して、工具TとワークWとを、X軸方向に相対的に移動させ、まず、P1の位置まで移動させた後、P2の位置まで移動させて、当該工具TによりワークWをダウンカットにより加工する。

0047

その際、P1からP2までの距離を、x1からxnのn個の区画に均等に分割し、各区画では、順次段階的に主軸24の回転速度を増加させるようにする。例えば、各区画間で回転速度を10[min−1]ずつ増加させるとし、区画x1での回転速度を3300[min−1]とすると、区画x2での回転速度は3310[min−1]に設定され、区画x3での回転速度は3320[min−1]に設定されるというように、区画xnまで回転速度を10[min−1]ずつ段階的に増加させる。尚、送り速度が一定であるとすると、前記各区画の加工時間は同じであり、したがって、所定の加工時間毎に回転速度を増加させるようにしていると観念することもできる。

0048

上記のようにして、X軸方向に移動させた加工を終えると、次に、工具TとワークWとを、Y軸方向に相対的に移動させ、まず、P3の位置まで移動させた後、P4の位置まで移動させて、当該工具TによりワークWをダウンカットにより加工する。

0049

その際、上記と同様にして、P3からP4までの距離を、y1からyiのi個の区画に均等に分割し、各区画では、順次段階的に主軸24の回転速度を増加させるようにする。例えば、各区画間で回転速度を10[min−1]ずつ増加させるとし、区画y1での回転速度を3300[min−1]とすると、区画y2での回転速度は3310[min−1]に設定され、区画y3での回転速度は3320[min−1]に設定されるというように、区画yiまで回転速度を10[min−1]ずつ段階的に増加させる。

0050

前記検出加工実行部2は、前記工作機械20に対して以上の加工動作を実行させる。

0051

前記周波数解析部3は、前記検出加工実行部2による制御の下で、前記工作機械20による上述した加工が行われている間に、前記加速度計5及び動力センサ6aから出力される信号をそれぞれ受信して、各区間毎(即ち、主軸24の回転速度毎。以下、同じ)の加速度信号及び動力信号を処理する。

0052

即ち、前記周波数解析部3は、区間x1からxnの各区間毎の加速度信号の内、Y軸方向の振動成分をFFTにより周波数解析した後、2階積分して各区間毎の変位スペクトルに変換する。このようにして得られる或る区間のY軸方向の変位スペクトルを図4に示す。

0053

また、周波数解析部3は、同じく区間x1からxnの各区間毎の動力信号の内、Y軸方向の成分をFFTにより周波数解析して、各区間毎の切削動力スペクトルを算出する。このようにして得られる或る区間のY軸方向の切削動力スペクトルを図5に示す。

0054

同様にして、周波数解析部3は、区間y1からyiの各区間毎の加速度信号の内、X軸方向の振動成分をFFTにより周波数解析した後、2階積分して各区間毎の変位スペクトルに変換する。また、周波数解析部3は、同じく区間y1からyiの各区間毎の動力信号の内、X軸方向の成分をFFTにより周波数解析して、各区間毎の切削動力スペクトルを算出する。

0055

尚、区間x1からxnについてY軸方向の変位スペクトル及び切削動力スペクトルを求めるのは、X軸方向を送り方向としたダウンカットでは、Y軸方向に大きく変位し、また、Y軸方向の切削動力が大きいからである。同様に、区間y1からyiについてY軸方向の変位スペクトル及び切削動力スペクトルを求めるのは、Y軸方向を送り方向としたダウンカットでは、X軸方向に大きく変位し、また、X軸方向の切削動力が大きいからである。

0056

前記周波数解析部3は、以上のようにして、x1からxnの各区間についてY軸方向の変位スペクトル及び切削動力スペクトルを算出するとともに、y1からyiの各区間についてX軸方向の変位スペクトル及び切削動力スペクトルを算出する。

0057

前記固有振動数導出部4は、前記周波数解析部3の処理によって得られた変位スペクトル及び切削動力スペクトルを用いて、工具Tの固有振動数を導出する処理を行う。

0058

具体的には、固有振動数導出部4は、まず、周波数解析部3によって算出された、x1からxnの各区間についてのY軸方向の変位スペクトル及び切削動力スペクトル、並びにy1からyiの各区間についてのX軸方向の変位スペクトル及び切削動力スペクトルをフィルタリング処理してノイズを除去する。前記変位スペクトル及び切削動力スペクトルにおいて、ピークを示す周波数は、工具Tの切れ刃がワークWと接触する周波数(これを、「切れ刃通過周波数」という)の整数倍であることが分かっている。したがって、フィルタリング処理によって、この切れ刃通過周波数の整数倍に相当する所定幅の周波数成分のみを抽出することで、ノイズ成分を除去することができる。図4に示したY軸方向の変位スペクトルからノイズ成分を除去したものを図6に示し、図5に示したY軸方向の切削動力スペクトルからノイズ成分を除去したものを図7に示す。尚、切れ刃通過周波数は次式により算出することができる。
切れ刃通過周波数[Hz]=(主軸24の回転速度[min‐1]×刃数)/60[sec]

0059

次に、固有振動数導出部4は、ノイズ除去後のx1からxnの各区間に係るY軸方向の変位スペクトル及び切削動力スペクトル、並びに、y1からyiの各区間に係るX軸方向の変位スペクトル及び切削動力スペクトルを基に、x1からxnの各区間、及びy1からyiの各区間のそれぞれについて、変位スペクトルを切削動力スペクトルで除したコンプライアンススペクトルをそれぞれ算出する。尚、コンプライアンスは、切削動力を入力とし、この入力と、これに対する出力である工具Tの変位との比をとったものであり、入力と出力との間の伝達関数と定義されるものである。このようにして得られるコンプライアンススペクトルの一例を図8に示す。図8は、x1からxnの或る区間におけるY軸方向のコンプライアンススペクトルを示している。

0060

次いで、固有振動数導出部4は、得られたx1からxnの各区間に係るY軸方向のコンプライアンススペクトルを統合的に重畳して、Y軸方向の統合コンプライアンススペクトルを算出するとともに、y1からyiの各区間に係るX軸方向のコンプライアンススペクトルを統合的に重畳して、X軸方向の統合コンプライアンススペクトルを算出する。図9に、一例として、主軸24の回転速度が3600[min−1]に設定される区間、4000[min−1]に設定される区間、及び4300[min−1]に設定される区間のY軸方向のコンプライアンススペクトルを重畳したものを示している。また、図10には、x1からxnの各区間に係るY軸方向のコンプライアンススペクトルを統合的に重畳し、そのピークをトレースした波形(Y軸方向統合コンプライアンススペクトル)を示している。同様に、図11には、y1からyiの各区間に係るX軸方向のコンプライアンススペクトルを統合的に重畳し、そのピークをトレースした波形(X軸方向統合コンプライアンススペクトル)を示している。

0061

次に、前記固有振動数導出部4は、算出したY軸統合コンプライアンススペクトル及びX軸統合コンプライアンススペクトルを基に、これらをそれぞれ解析して、最大のコンプライアンス値を示す周波数を当該工具Tの固有振動数として導出する。上述したように、コンプライアンスは、[変位(=出力)/切削動力(=入力)]を示すものである。したがって、コンプライアンスが最も大きな値をとる周波数、即ち、入力に対して出力が最も大きくなる周波数を当該工具Tの固有振動数と認定することができる。

0062

尚、前記周波数解析部3によって算出されるX軸方向及びY軸方向の各変位スペクトル及び各切削動力スペクトルは、これを前記表示装置12のディスプレイに表示することができ、また、同様に、固有振動数導出部4によって算出される、ノイズ処理後のX軸方向及びY軸方向の各変位スペクトル及び各切削動力スペクトル、X軸方向及びY軸方向の各コンプライアンススペクトル、並びにX軸方向及びY軸方向の各統合コンプライアンススペクトルは、これらをそれぞれ前記表示装置12のディスプレイに表示することができる。

0063

以上の構成を備えた本例の固有振動数導出装置1によれば、まず、前記検出加工実行部2により前記工作機械20を動作させ、前記工具Tを用いてワークWを切削加工する。その際、工具TとワークWとをX軸方向に移動させる際には、x1からxnの各区画において、順次段階的に主軸24の回転速度を増加させるようにし、同様に、工具TとワークWとをY軸方向に移動させる際には、y1からyiの各区画において、順次段階的に主軸24の回転速度を増加させるようにする。

0064

そして、このようにして、検出加工実行部2による制御の下で加工が行われている間に、周波数解析部3において、前記加速度計5及び動力センサ6aから出力される信号を基に、x1からxnの各区間毎に、Y軸方向の変位スペクトル及び切削動力スペクトルが算出され、また、y1からyiの各区間毎に、X軸方向の変位スペクトル及び切削動力スペクトルが算出される。

0065

そして、固有振動数導出部4では、周波数解析部3によって算出されたx1からxnの各区間についてのY軸方向の変位スペクトル及び切削動力スペクトル、並びにy1からyiの各区間についてのX軸方向の変位スペクトル及び切削動力スペクトルを基に、x1からxnの各区間、及びy1からyiの各区間のそれぞれについて、変位スペクトルを切削動力スペクトルで除したコンプライアンススペクトルがそれぞれ算出され、ついで、得られたY軸方向のコンプライアンススペクトルを統合的に重畳して、Y軸方向の統合コンプライアンススペクトルが算出されるとともに、X軸方向のコンプライアンススペクトルを統合的に重畳して、X軸方向の統合コンプライアンススペクトルが算出される。そして、算出されたY軸統合コンプライアンススペクトル及びX軸統合コンプライアンススペクトルを基に、これらがそれぞれ解析され、最大のコンプライアンス値を示す周波数が当該工具Tの固有振動数として導出される。

0066

斯くして、この固有振動数導出装置1によれば、固有振動数を導出すべき実際の工具Tを用いてワークWを加工し、そのときに検出される当該工具Tの変位、及び当該工具Tに作用する切削動力を基に、当該工具Tの固有振動数を導出するようにしているので、実際の加工時に受けるワークWの影響を加味したより正確な固有振動数を導出することができる。

0067

また、従来法のようなインパクトハンマーを用いていないので、工具Tの固有振動数を導出するにあたり、人為的なバラツキの問題を生じることがなく、また、適切なデータを得るために技能を要するということもなく、更に、ハンマーチップを選定するという煩わしい作業も必要ない。

0068

また、工具Tの各送り方向における固有振動数を導出するようにしているので、当該工具Tの固有振動数に関し、より加工の実態に応じた固有振動数を導出することができる。

0069

[安定限界曲線の作成]
次に、上記のようにして導出された工具Tの固有振動数を用いて安定限界曲線を作成するその態様について説明する。

0070

まず、安定限界曲線を作成するための基本的な原理について説明する。図12に示したモデルは、図1に示した工作機械20のように、工具TとワークWとを2つの送り軸方向に相対移動させるように構成された2自由度系の物理モデルである。このモデルから、再生びびり振動の発生する条件を、Y・Altintasの考案した解析方法を用いて求める。

0071

このモデルにおいて、工具Tの運動方程式は、それぞれ以下の数式1及び数式2で表わされる。

0072

(数式1)
x"+2ζxωxx'+ωx2x=Fx/mx
(数式2)
y"+2ζyωyy'+ωy2y=Fy/my
ここで、ωxは工具TのX軸方向の固有振動数[rad/sec]、ωyは工具TのY軸方向の固有振動数[rad/sec]であり、ζxはX軸方向の減衰比[%]、ζyはY軸方向の減衰比[%]である。また、mxはX軸方向の等価質量[kg]、myはY軸方向の等価質量[kg]であり、Fxは工具Tに作用するX軸方向の切削動力[N]であり、Fyは工具Tに作用するY軸方向の切削動力[N]である。また、x"及びy"はそれぞれ時間の2階微分を示し、x'及びy'はそれぞれ時間の1階微分を示す。

0073

切削動力Fx,Fyは、切れ刃がワークWを切り取る厚さをh(φ)[m2]、切り込み深さをap[mm」、周方向の切削剛性をKt[N/m2]、半径方向の比切削剛性をKr[%]とすると、次式数式3及び数式4によって算出することができる。
(数式3)
Fx=−Ktaph(φ)cos(φ)−KrKtaph(φ)sin(φ)
(数式4)
Fy=+Ktaph(φ)sin(φ)−KrKtaph(φ)cos(φ)

0074

切削動力Fx,Fyは、工具Tの回転角φ[rad]によって変化するので、切削を開始する角度φstと切削を終了する角度φexとの間で切削動力Fx,Fyを積分し、その平均を求めることによって得られる。また、角度φst及び角度φexは、工具Tの直径D[mm」、切り込み幅Ae[mm」、送り方向、アッパーカットかダウンカットかによって幾何学的に求めることができる。

0075

上記数式1及び数式2に係る固有値Λは、びびり振動の周波数をωcとすると、次式数式5によって表される。
(数式5)
Λ=−(a1±(a12−4a0)1/2)/2a0
但し、
a0=Φxx(iωc)Φyy(iωc)(αxxαyy−αxyαyx)
a1=αxxΦxx(iωc)+αyyΦyy(iωc)
Φxx(iωc)=1/(mx(−ωc2+2iζxωcωx+ωx2))
Φyy(iωc)=1/(my(−ωc2+2iζyωcωy+ωy2))
αxx=[(cos2φex−2Krφex+Krsin2φex)−(cos2φst−2Krφst+Krsin2φst)]/2
αxy=[(−sin2φex−2φex+Krcos2φex)−(−sin2φst−2φst+Krcos2φst)]/2
αyx=[(−sin2φex+2φex+Krcos2φex)−(−sin2φst+2φst+Krcos2φst)]/2
αyy=[(−cos2φex−2Krφex−Krsin2φex)−(cos2φst−2Krφst−Krsin2φst)]/2

0076

そして、前記固有値Λの実部をΛR、虚部をΛIとすると、安定限界における切り込み深さaplim、及び主軸の回転速度nlimは、それぞれ次の数式6及び数式7によって表される。
(数式6)
aplim=2πΛR(1+(ΛI/ΛR)2)/(NKt)
(数式7)
nlim=60ωc/(N(2kπ+π−2tan-1(ΛI/ΛR)))
但し、Nは工具Tの刃数、kは整数である。

0077

そして、上記数式6及び数式7を用い、そのωc及びkの値を任意に変化させながらそのときの限界切り込み深さaplim、及び主軸の回転速度nlimを算出することで、安定限界曲線を作成することができる。

0078

ところで、上述した固有振動数導出装置1では、動力センサ6aによってX軸方向の切削動力Fx及びY軸方向の切削動力Fyを検出することができる。したがって、上記数式3及び数式4から切削剛性Kt[N/m2]及び比切削剛性Kr[%]を算出することができる。

0079

また、加工系の減衰比ζx及びζyは、工具TのX軸方向の固有振動数をωx、Y軸方向の固有振動数をωyとすると、例えば、次の数式8及び数式9によって算出される。
(数式8)
ζx=(ω1x−ω2x)/2ωx
(数式9)
ζy=(ω1y−ω2y)/2ωy
尚、ω1x,ω1y及びω2x,ω2yは、図13に示すように、X軸方向及びY軸方向の各統合コンプライアンススペクトルの最大値がGx及びGyであるときに、Gx/21/2,Gy/21/2に相当するスペクトル波形の周波数である。

0080

また、等価質量はmx、myは次の数式10及び数式11によって算出される。
(数式10)
mx=1/(2Gxζxωx2)
(数式11)
my=1/(2Gyζyωy2)

0081

斯くして、前記固有振動数導出装置1によって得られる切削動力Fx,Fyを基に、上記数式3及び数式4によって切削剛性Kt及び比切削剛性Krを算出するとともに、固有振動数ωx,ωyを基に、上記数式8,9,10及び11を用いて減衰比ζx,ζy及び等価質量mx,myを算出して、得られた固有振動数ωx,ωy、切削剛性Kt、比切削剛性Kr、減衰比ζx,ζy、等価質量mx,myを上記数式5によって、固有値Λの実部ΛR、及び虚部をΛIを算出し、ついで、上記のように、数式6及び数式7を用い、そのωc及びkの値を任意に変化させながらそのときの限界切り込み深さaplim、及び主軸の回転速度nlimを算出することで、安定限界曲線を作成することができる。

0082

このようにして作成される安定限界曲線の一例を図14に示す。

0083

斯くして、この構成の安定限界曲線作成方法によれば、主軸24と直交し、且つ相互に直交するX軸及びY軸の2つの送り軸を備える工作機械20に対応した安定限界曲線を作成することができる。また、この安定限界曲線作成方法では、上述したように、実際の加工時に受ける被加工物の影響など、加工の実態に即したより正確な固有振動数を得て、このような固有振動数を基にして安定限界曲線を作成するようにしているので、より加工の実態に即した正確な安定限界曲線を作成することができる。

0084

以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明が採り得る具体的な態様は何らこれに限定されるものではない。

0085

例えば、上例では、工作機械1として所謂マシニングセンタを例示したが、これに限られるものではなく、本発明を適用可能な工作機械としては、旋盤等、切削加工において再生びびりを生じる可能性のある切削工具を用いた加工が可能な全ての工作機械が含まれる。

0086

また、上例では、切削工具として2自由度系のエンドミルを用いたものを例示したが、これに限られるものではなく、本発明を適用可能な切削工具は、突っ切りバイトなど1自由度系の切削工具であっても良い。

0087

また、上例では、工具Tに作用する切削動力を動力センサ6aによって検出するようにしたが、これに限られるものではなく、主軸モータに供給される電流値から当該切削動力を算出するようにしても良い。

0088

また、上例の固有振動数導出装置1における固有振動数導出部4は、固有振動数を導出する工程において、前記X軸方向及びY軸方向の各送り方向における統合コンプライアンススペクトルを基に、それぞれ大きい順に少なくとも2つの極大のコンプライアンス値を示す周波数を、それぞれ前記切削工具の固有振動数として前記各送り方向毎に導出するように構成されていても良く、前記安定限界曲線の作成においては、前記各送り方向について得られた統合コンプライアンススペクトル、及び前記各送り方向についての前記切削工具の各固有振動数を基に、前記各送り方向についての各固有振動数に対応する減衰比及び等価質量を算出し、得られた減衰比及び等価質量、並びに前記各固有振動数を基に、前記各固有振動数に対応した安定限界曲線を作成するようにしても良い。

0089

このようにすれば、切削工具の想定し得る複数の固有振動数について、それぞれ安定限界曲線を作成することができ、このような安定限界曲線を参照して、実際の加工条件を設定することで、より再生びびりの生じ難い、より安定した加工を実現することができる。

0090

また、上例の安定限界曲線作成方法において、前記各送り方向について得られた統合コンプライアンススペクトル、及び前記切削工具の固有振動数を基に、前記各送り方向についての減衰比及び等価質量をそれぞれ算出し、得られた前記各送り方向についての減衰比及び等価質量、並びに前記固有振動数を基に、予め定められた任意の送り方向における、工具に加わる切削力または減衰比及び等価質量、並びに前記固有振動数を推定し、任意の方向における前記切削工具の再生びびりに関する安定限界曲線を作成するようにしても良い。

0091

1固有振動数導出装置
2 検出加工実行部
3周波数解析部
4 固有振動数導出部
5加速度計
6動力検出台
6a 動力センサ
10制御装置
11動作制御部
12表示装置
20工作機械
24主軸
T工具
W ワーク

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