JP6700061B2 - 旋削加工方法及びそれを用いた工作機械 - Google Patents

Description

本発明は、びびり振動の発生を抑えた旋削加工方法及びそれを用いた工作機械に関する。

旋盤等の主軸にワークの一端側を保持させ旋削加工する場合に、被旋削物が長尺部材になると半径方向の剛性が低下するために加工精度が低下したり、びびり振動が発生してしまう問題があった。
従来は、びびり振動の発生を抑えるために心押し手段にてワーク先端のセンター部を支持したり、ローラガイド等のサポート手段にてワークの側部を振れ止め支持する方法が採用されていた。
しかし、これらの従来技術はワークの加工形状に制約を与えたり、特別なセンター支持機構や側部のガイド機構を必要とする等の課題があった。

特許文献１には、慣性モーメント等により、回転速度を変動させる際の変動幅及び変動周期を算出し、それに基づいて回転速度の変動を制御することで、びびり振動を抑制する方法を開示する。
したがって、同公報に開示する旋削方法は、ワークの回転速度変化を制御するためのものである。
特許文献２には、粗加工チップと仕上加工チップとを刃先が１８０°ずれた位置になるように配置し、旋削加工する技術を開示する。
しかし、同公報に開示する加工方法はでは旋削の安定性が低下してしまい、ワークの剛性の低い場合は利用できない問題があった。

特開２０１４−７９８６７号公報 特開２０１４−１９５８５６号公報 特開２０１０−２７１８８０号公報

本発明は、旋削加工時におけるびびり振動の発生を容易に抑制することができ、生産性の高い旋削加工方法及びそれを用いた工作機械の提供を目的とする。

本発明に係る旋削加工方法は、１つ又は２つの主軸と、２つ以上の刃物台を備えた旋削加工装置を用いたワークの旋削加工方法であって、回転可能な主軸にワークを保持し、第１刃具の刃先と第２刃具の刃先との回転中心軸線まわり配置を、対向１８０°バランス配置に対して所定のオフセット角φ_１だけオフセットした状態に配置した状態で旋削加工することを特徴とする。
ここで、第１刃具の刃先と第２刃具の刃先との回転中心軸線まわり配置を、対向１８０°バランス配置に対して相対的にずらすことにより、各刃先（切れ刃）で生じる再生びびり振動をキャンセルすることにより、このびびりの発生を抑えることができると推定される。
回転可能な主軸には、回転数が制御されたものやオープンループ制御されたもの等が含まれ、特に限定はない。

本発明は、１つ又は２つの主軸と、２つ以上の刃物台を備えた旋削加工装置を用いたワークの旋削加工方法であって、回転可能な主軸にワークを保持し、第１刃具のみあるいは第１刃具の刃先と第２刃具の刃先とを回転中心軸線まわりに対向配置し、前記第１刃具と第２刃具との刃先のうち、一方又は両方を前記回転中心軸線まわりにオフセット角φ_２とφ_３との範囲（揺動角Δφ）にて揺動運動させながら旋削加工してもよい。
また、上記２つの旋削加工方法を組み合せてもよい。
この場合に、刃先のオフセットは刃先の逃げ角が所定の角度を下回らないようにオフセットするものであるのが好ましい。
ここで所定の角度とは、異常な工具損耗や刃先力を生じさせずに、すくい角を大きくとることができるギリギリの角度であって、０〜７°の範囲である。
好ましくは、０〜３°の範囲である。

また、本発明に係る工作機械は、回転制御された主軸と、前記主軸の回転中心軸線まわりに対向配置した第１刃具をセットする第１セット手段と、第２刃具をセットする第２セット手段とを備え、前記主軸にワークを保持し、旋削加工する際のびびり振動の検出手段と、前記びびり振動の有無を判別する判別手段と、前記判別手段にてびびり振動有りと判別された際にそのびびり振動の周波数を算出する演算手段と、前記演算手段にて得られたびびり振動の周波数に基づいて前記第１刃具の刃先と第２刃具の刃先との回転中心軸線まわり配置を、対向１８０°バランス配置に対して前記第１セット手段と第２セット手段とのうち、一方又は両方に所定のオフセット角φ_１となるように移動制御手段を有することを特徴とする。
また、回転制御された主軸と、前記主軸の回転中心軸線まわりに第１刃具をセットする第１セット手段のみあるいは対向配置した第１刃具をセットする第１セット手段と、第２刃具をセットする第２セット手段とを備え、前記主軸にワークを保持し旋削加工する際のびびり振動の検出手段と、前記びびり振動の有無を判別する判別手段と、前記判別手段にてびびり振動有りと判別された際にそのびびり振動の周波数を算出する演算手段と、前記演算手段にて得られたびびり振動の周波数に基づいて前記第１セット手段又は第２セット手段の一方又は両方を回転中心軸線まわりにオフセット角φ_２とφ_３との範囲に揺動制御する揺動制御手段とを有するようにしてもよい。
さらには、上記移動制御手段と揺動制御手段の両方を備えてもよい。
ここで刃具のセット手段とは、刃先のワークに対する切り込み量、送り方向の送り量及び回転中心軸線まわりに所定の角度範囲移動制御できれば、その構成に制限はない。
例えば、タレット旋盤や多軸制御された刃物台を有する旋削加工装置が例として挙げられる。
対向タレットを用いる場合には、２つのタレットの送り方向の位置を完全に一致させる場合のみならず、送り位置に相対的な差がある場合も本発明に含まれる。
また、刃物台に取り付けた刃具の角度を調整することで、対向する２つの刃先が不等ピッチに配置される場合等も本発明に含まれる。
本発明は、ワークの一端側を主軸で保持し、反対側をテールストックやセンターサポートにて支持されるものも含まれる。

従来、単に２つのバイト等の刃具の刃先を回転中心軸線まわり上下１８０°ずらして配置したバランスカットでは、上下の刃具にて同時に旋削加工を行うために２倍の加工能率が得られるだけでなく、上下の加工点で生じる旋削力が釣り合うためにワークの静的たわみを抑えることが理論的には可能であるものの、びびり振動に対する安定性が低い問題があった。
これに対して本発明は、対向配置した２つの刃具の刃先を対向１８０°の等ピッチに対して、一方の刃具の刃先を最適なピッチ角差Δθが得られるように所定のオフセット角φ_１だけずらした位置に配置した状態で旋削加工を行う不等ピッチターニングあるいは刃具の刃先を回転中心軸線まわりに所定の振動角Δφだけ、揺動運動させながら旋削加工を行うスイングターニングを行うことで、容易にびびり振動の発生を抑えることができる。
なお、不等ピッチターニングとスイングターニングとでは、びびり振動を抑える機序が異なるものの、安定した旋削性が得られる点で同様の効果が認められる。
本明細書で用いるピッチ角差及びオフセット角の内容を図１１に示す。

また、このような旋削加工の実施に適した工作機械として本発明は、びびり振動の検出手段と、びびり振動の有無の判別手段と、そのびびり振動の周波数に基づいて最適なピッチ角差Δθの演算手段、あるいは最適な揺動角Δφの演算手段を備えたので、びびり振動の発生を抑えた生産性の高い工作機械が得られる。

本発明は、旋削加工における被旋削物にびびり振動が発生するのを抑える点で、各種形状の製品の旋削に適用できる。
特にワークの直径Ｄ，ワークの長さＬとすると、Ｌ／Ｄ≧６以上の長尺ワークの旋削に好適である。

不等ピッチターニングの模式図を示す。 （ａ）はスイングターニングの模式図を示し、（ｂ）はスイングターニングに不等ピッチターニングを組み合せた例、（ｃ）は上下の刃先を揺動させた例を示す。 本発明に係る工作機械の制御フローチャートの例を示す。 第１の実験条件を示す。 φ＝０°の時の旋削表面の凹凸の計測結果を示す。 φ＝１５°の時の旋削表面の凹凸の計測結果を示す。 φ＝３０°の時の旋削表面の凹凸の計測結果を示す。 第２の実験条件を示す。 第２の実験結果（加工結果）を示す。 スイングターニングの実験条件を示す。 本明細書におけるピッチ角差Δθとオフセット角φとの定義を示す。 切り込みと送りの関係を（ａ），（ｂ）に示す。 不等ピッチターニングの変形例を示す。

本発明に係る旋削加工方法の例を以下、説明する。
図１は、不等ピッチターニングの模式図を示す。
ワークＷの一端側を主軸１０側にチャックし、回転制御する。
第１刃具（バイト）１１の刃先１１ａと第２刃具（バイト）１２の刃先１２ａとの配置を対向１８０°バランス配置に対して回転中心軸線まわりに、オフセット角φ_１だけずらした状態でワークを両側から同時に旋削する。
ここで、最適なオフセット角φ_１は下記の数式（１）で求めたピッチ角差Δθを参考にすることができる。
ここで、ｎは主軸の回転数，ｆｃはびびり振動の周波数を示し、ｍは０，１，２，３，・・・・の値をとる。
ここで、ｍは０が好ましい。
最適なオフセット角φ_１の値は、ワークの剛性や旋削条件にて異なり、φ_１は上記式（１）にて求めたΔθに対して１／４Δθ〜３／４Δθの範囲が好ましい。
図１は、ワークの外周旋削の例を示したが、ワークの端面加工やテーパー加工等、加工方法に制限はない。

図２（ａ）は、スイングターニングの模式図を示す。
ワークＷの端側を主軸１０側にチャックし、回転制御する。
第１の刃具１１の刃先１１ａを所定のオフセット角φ_２とφ_３との範囲の揺動角Δφ、所定の周期、例えば２０Ｈｚ等にて、揺動させながら旋削加工をする。
また、この周期を例えば１Ｈｚ以下の極低周波数としてもよい。
オフセット角φ_２は０°も含まれる。
この場合も最適な揺動角Δφは旋削条件によっても異なる。
また、図２（ｂ），（ｃ）はスイングターニングに不等ピッチターニングを組み合せた例である。
（ｂ）は上側の刃先だけを揺動させたが、（ｃ）は下側の刃先も揺動させた例である。
図２もワーク外周加工の例を示したが、ワークの端面加工やテーパー加工等各種加工に適用できる。

図３に、本発明に係る工作機械の制御系のフローチャートの例を示す。
加工開始（ステップＳ_１）を出すと、加速度センサ等の外部センサあるいは外乱オブザーバ（オブザーバ）により、振動あるいは切削負荷を監視できる状態で、旋削加工が開始される（ステップＳ_２）。
ここで、外乱オブザーバとは支持したワークを回転させる駆動手段もしくは刃物台の駆動手段に入力する電流参照信号と前記駆動手段から出力する角度／位置検出信号とに基づき、前記駆動手段への外乱を推定することをいう。
具体的には、本発明者の一部によって提案された特許文献３の内容を取り込むことができる。
その際に、ＦＦＴなどの周波数解析により加速度もしくは切削負荷等の周波数成分を解析し（ステップＳ_３）、びびり振動の有無の判別手段として、例えばその周波数成分が所定の閾値を超えると判定された場合（ステップＳ_４）には、びびり振動の検出手段にて、その信号を検出し、びびり振動数ｆｃ（びびり振動の周波数）を特定する。
例えば、下記の数式（２）にて求めることができる。
ここで、Ｅ：ヤング率，Ｉ：断面２次モーメント，Ａ：断面積，ρ：密度，λは定数，ｌ：長さである。
びびり振動の周波数が特定できると、他の旋削条件を基に前記数式（１）にて求められるΔθを参考にしてオフセット角φ_１あるいは揺動角Δφを設定することができる。
不等ピッチターニングを実行するには、ステップＳ_５〜Ｓ_７−２へと進み、スイングターニングを実行するには、ステップＳ_８〜Ｓ_１０−２へと進み、加工が終了（ステップＳ_１１）する。

次に実験結果について説明する。
第１の実験は、不等ピッチターニングを行った。
加工ワークとして、直径３３ｍｍ，長さ２００ｍｍのアルミニウム合金の丸棒を用いた。
アッパー側に配置したタレットとロアー側に配置したタレットにそれぞれ超硬チップからなるバイトを取り付け、図４に示すような条件で旋削加工を行った。
２つのチップの対向１８０°からのオフセット角φを０°，１５°，３０°の条件で旋削加工し、その後に旋削表面の凹凸を送り方向及び周まわりに測定した結果を図５〜図６に示す。
φ＝０°の場合には、びびり振動が大きく発生したが、φ＝１５°ではびびり振動の発生が認められなかった。
また、φ＝３０°のときはφ＝０°よりも凹凸が減少していた。
なお、びびり振動の周波数は５１６Ｈｚと計測された。
このことから本発明に係る旋削加工方法は、びびり振動を抑制するのに有効であることから明らかになった。

第２の実験条件及び設定パラメータを図８，９に示す。
バイトにはタンガロイ社製のＰＣＬＮＲ２０２０を用い、チップとしてはＣＮＭＭを用いた。
また、その結果を図９の表に示す。
表中、バランスとは１８０℃対向配置を示す。
この結果から、旋削条件によっても最適なオフセット角φ_１が相異し、本実験条件内では式（１）にて求めた（Δθ＝θ）に対して１／４θ付近に最適条件が認められた。
また、ワーク径によっては最適なオフセット角φ_１は１／２θ，３／４θ付近に表れた。

次に第３の実験として、スイングターニングを行った。
図１０に示した実験条件にて、オフセット角φ_１及び揺動角Δφを比較検討した。
図中Ｓは主軸の回転数，Ｆは送り速度，ｔは切込み量を示す。
まず始めに、第１の刃具と第２の刃具を１８０°対向配置し、バランスカットしたところ、ワークの先端から約５０ｍｍまでびびり振動が発生した。
それに対して、オフセット角φ_１＝３．３°，周波数２０Ｈｚで揺動角Δφ＝１．４°揺動させたところ、びびり振動の発生が全くなかった。

次に本発明の展開例を説明する。
不等ピッチターニングの場合に、図１２（ａ）に示すように第１刃具１１と第２刃具１２との切り込み方向と送り方向（送り位置）とを同じ条件にする場合の他に、本発明は図１２（ｂ）に示すように第１刃具１１と第２刃具１２とで、ワークＷに対する送りの位置を相対的にずらしてもよい。
この場合に、切り込み量を同じにするのみならず、第１刃具１１と第２刃具１２とで切り込み量に差を設けてもよい。
なお、第１刃具１１と第２刃具１２とは、刃具の形状が同一である場合のみならず、相互に異なってもよい。
また、不等ピッチターニングにおいて１８０°対向位置から、例えば第１刃具１１の刃先１１ａを所定の角度だけオフセットさせる場合の他に、図１３に示すように刃具の姿勢を変化させることで再生びびり振動を抑えてもよい。

１０ 主軸
１１ 第１刃具
１２ 第２刃具

Claims (4)

1. １つ又は２つの主軸と、２つ以上の刃物台を備えた旋削加工装置を用いたワークの旋削加工方法であって、
   回転可能な主軸にワークを保持し、第１刃具の刃先と第２刃具の刃先との回転中心軸線まわり配置を、対向１８０°バランス配置に対して所定のオフセット角φ_１だけオフセットした状態に配置した状態で旋削加工するものであり、前記所定のオフセット角φ _１ はびびり振動の周波数を算出する演算手段にて得られたびびり振動周波数に基づいて決定されたものであることを特徴とする旋削加工方法。
2. １つ又は２つの主軸と、２つ以上の刃物台を備えた旋削加工装置を用いたワークの旋削加工方法であって、
   回転可能な主軸にワークを保持し、第１刃具の刃先と第２刃具の刃先とを回転中心軸線まわりに対向配置し、前記第１刃具と第２刃具との刃先のうち、一方又は両方を前記回転中心軸線まわりにオフセット角φ_２とφ_３との範囲（揺動角Δφ）にて揺動運動させながら旋削するものであり、前記オフセット角φ _２ とφ _３ はびびり振動の周波数を算出する演算手段にて得られたびびり振動周波数に基づいて決定されたものであることを特徴とする旋削加工方法。
3. 主軸と、前記主軸の回転中心軸線まわりに対向配置した第１刃具をセットする第１セット手段と、第２刃具をセットする第２セット手段とを備え、
   前記主軸にワークを保持し、旋削加工する際のびびり振動の検出手段と、
   前記びびり振動の有無を判別する判別手段と、
   前記判別手段にてびびり振動有りと判別された際にそのびびり振動の周波数を算出する演算手段と、
   前記演算手段にて得られたびびり振動の周波数に基づいて前記第１刃具の刃先と第２刃具の刃先との回転中心軸線まわり配置を、対向１８０°バランス配置に対して前記第１セット手段と第２セット手段とのうち、一方又は両方に所定のオフセット角φ_１となるように移動制御手段を有することを特徴とする工作機械。
4. 主軸と、前記主軸の回転中心軸線まわりに第１刃具をセットする第１セット手段のみあるいは対向配置した第１刃具をセットする第１セット手段と、第２刃具をセットする第２セット手段とを備え、
   前記主軸にワークを保持し旋削加工する際のびびり振動の検出手段と、
   前記びびり振動の有無を判別する判別手段と、
   前記判別手段にてびびり振動有りと判別された際にそのびびり振動の周波数を算出する演算手段と、
   前記演算手段にて得られたびびり振動の周波数に基づいて前記第１セット手段又は第２セット手段の一方又は両方を回転中心軸線まわりにオフセット角φ_２とφ_３との範囲に揺動制御する揺動制御手段とを有することを特徴とする工作機械。