JP4087608B2

JP4087608B2 - 切削工具、および該切削工具を用いた切削加工方法

Info

Publication number: JP4087608B2
Application number: JP2002016665A
Authority: JP
Inventors: 克彦石井; 正行杉江
Original assignee: Okuma Corp
Current assignee: Okuma Corp
Priority date: 2002-01-25
Filing date: 2002-01-25
Publication date: 2008-05-21
Anticipated expiration: 2022-01-25
Also published as: US6988860B2; JP2003220514A; DE10302627A1; US20030143047A1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、切削工具、および該工具を用いた切削加工方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
工作機械等により切削加工を行う場合には、主軸にエンドミル等の先端に刃をもつ切削工具を装着し、この切削工具を回転駆動しながら加工ワークに当て切削し、所望の形状に加工していた。
【０００３】
このような従来技術の一例として、特開２００１−９６０３に記載されるような加工方法があった。この文献に示されるのは、特にポケット穴等の内側コーナ部を加工する場合に用いられる加工方法であり、図９に示されるような断面形状をもち工具の底面およびその外周に複数の切刃を有する切削工具を工作機械の主軸に装着して、この切削工具の回転角度と、工作機械の座標系における主軸または加工ワークの位置を同期制御し、前記切刃の外端点が所望のインコーナ形状に一致する移動軌跡を描くように切削工具の回転角に応じて切削工具の加工ワークに対する相対位置を制御し、工具軸線方向に切り込み移動するインコーナ加工方法である。図１０に、この加工方法における切削切刃の外端点の刃先軌跡と、その刃先軌跡を描くのに必要な切削工具の加工ワークに対する相対移動軌跡の一例を示す。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ポケット穴等の内側コーナ部を上記文献（特開２００１−９６０３）の方法で加工する場合には、切削工具の回転角を制御する回転軸と切削工具の相対移動（一般的に主軸軸線に垂直な面におけるＸ、Ｙ軸の移動）を制御する送り軸との正確な同期制御を必要とするが、送り軸の送り速度が常に変化することから常に何れかの軸が加速減速を繰り返すことになり、回転軸あるいは送り軸の追従特性の違いによって完全に同期することが困難である。その結果、図１１に示すような、同期ずれに起因した切削工具切刃の外端点の経路誤差εが生じ、加工形状誤差が発生する問題があった。
【０００５】
また、同期制御で、あるタイミングにおける切削工具を装着した主軸への指令ブロック（主軸の回転角度の指令，主軸の位置の指令）から、次の指令ブロックに主軸が移動するとき、図１２に示すように、切削工具の切刃の刃先は回転し、主軸の移動方向に直角な方向の距離が変化するので、ブロックの移動経路において切刃の外周の経路誤差εが発生する問題があった。この問題を回避するため、構成するブロックの移動量を小さくすると、小さい移動ブロックの連続した膨大な直線補間のＮＣデータを必要とし、加工プログラムの演算処理量の増大を招くばかりかその動作を制御するモータ等の制御装置の負担も増え、加工時間が増加してしまっていた。
【０００６】
さらに、図１３に示すように、加工面と反対側に加工せずに残す島残し部がある場合には、上述のような工作機械では、切削工具を回転するとき、刃先の回転半径が大きいと、刃先が島部に干渉し、削ってしまうという問題があった。また、この問題を解決するために、刃先の回転半径の小さい細い切削工具を選択した場合には、Ｌ／Ｄ（工具長さＬ／工具径Ｄ）が大きくなり、工具剛性の低下を招き、その結果、工具の曲がりあるいは加工時の工具のビビリ等の問題が発生していた。
【０００７】
本発明の目的は、制御を簡略化し、上述した同期制御による経路誤差を発生しない切削工具、およびこの切削工具を用いた切削加工方法を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本願請求項１に係る発明は、切削加工装置の切削工具を回転可能な主軸に装着される切削工具であって、前記主軸軸線に垂直な平面における断面形状が略楔形状となる刃部を備え、当該刃部の主軸方向端部における前記略楔形状の頂点部分に相当する前記刃部の刃先の先端部分、または、当該刃先の先端Ｒの中心が、前記主軸軸線上に位置するべく形成されていることを特徴とする。
【０００９】
本願請求項２に係る発明は、切削加工装置の主軸に装着された切削工具を加工ワークに対して相対的に送ることにより、当該加工ワークを所望の形状に加工する切削加工方法であって、前記切削工具として、前記主軸軸線に垂直な平面における断面形状が略楔形状となる刃部を備えるとともに、当該刃部の主軸方向端部における前記略楔形状の頂点部分に相当する前記刃部の刃先の先端部分、または、当該刃先の先端Ｒの中心が、前記主軸軸線上に位置するべく形成されている切削工具を用い、前記切削工具を主軸の回転機構によって回転駆動させることで主軸軸線に垂直な面における刃先のすくい角を可変制御しながら前記切削工具の刃先を加工ワークに当接させつつ当該加工ワークに対して相対的に送って切削することを特徴とする。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明の切削工具および該切削工具を用いた切削加工方法の実施形態について説明する。
【００１２】
本発明の第一の実施形態に係る切削加工装置に装着される切削工具１０を図１に示す。この切削工具１０は切削加工装置の主軸に装着される。切削加工装置には、主軸の位置を制御するモータ、および加工ワークの位置を制御するモータが備えられており、主軸軸線Ｓｃに垂直な面内での加工ワークに対する主軸の位置（Ｘ，Ｙ）を制御する。このＸ、Ｙ軸を送り制御することにより、切削工具１０が平削り加工を行う。また、主軸には、切削工具１０を図１の矢印方向に回転制御するモータと、主軸軸線Ｓｃ方向の上下動を制御するモータが備えられている。
【００１３】
切削工具１０の形状は棒状であり、図１において上側の一端が刃部１２、下側のもう一方の端が切削加工装置へ装着するためのホルダー部１４である。ホルダー部１４が、切削加工装置の主軸の工具ホルダーに挿入され固定される。刃部１２は、楔型をしており、ホルダー部１４の円筒状の部分から突出している。刃先である点Ａは、ホルダー部１４の円筒形状の中心軸上にあり、切削工具１０が主軸に装着されたときには、この円筒形状の中心軸と主軸の回転中心軸Ｓｃは一致するので、切削工具１０の刃先の先端Ａは、切削加工装置に装着されたとき主軸軸線Ｓｃ上に配置されることとなる。このように、切削工具１０先端Ａを主軸軸線Ｓｃと一致させるためには、刃部１２を手作業で刃研して調整するか、工具位置調整機能をもつ工具ホルダーを使用すればよい。従来技術の多数刃の場合には切削点が複数箇所存在するから、工具の回転時にそれらの切削点を一致させるには、工具位置調整機能では対応ができず、また刃研で調整するには熟練した作業が必要であったが、本実施形態の場合、一枚刃であるため、工具の位置調整機能または手作業の刃研で容易に工具先端を主軸中心線と一致させることができる。
【００１４】
この切削工具１０の刃部１２の構成を図２に示す。図２は、切削工具１０を先端方向から見た図である。刃部１２は、加工ワークを切削するための一枚刃の切刃１６と、加工時に切刃１６を支える支持部１８から構成されている。この切削工具１０には、刃部１２の側面から先端の底辺部まで工具切刃１６を配置した構造となっている。切刃１６の刃長はｌｂである。図９に示すような、従来の外端点に切刃を配置した切削工具の場合、主軸の回転駆動により切削加工を行うため、切削工具刃長ｌａは最大で工具の外端点から主軸軸線Ｓｃ付近までしかとることができなかったが、本実施形態の切削工具１０の場合、切削工具の送り軸移動により切削加工を行うため、切削工具刃長ｌｂを大きく設定することができ、切り込み深さ（切り込み量）を大きくすることが可能となる。
【００１５】
本実施形態において特徴的なことは、切削工具１０の主軸軸線方向に所定の長さをもった刃部１２の先端が主軸軸線上に配置されていることである。切削加工装置が主軸のＸ軸、Ｙ軸位置と、主軸回転角を同期制御するが、切削工具１０の切刃１６の先端は主軸軸線上に配置されているため、主軸の回転角が変化しても、Ｘ軸、Ｙ軸上の位置制御の対象となる主軸軸線に対して切刃１６の先端は変化しない。したがって、切刃１６先端の位置は主軸のＸ軸、Ｙ軸上の位置制御にのみ依存するので、回転角とＸ軸、Ｙ軸位置の正確な同期制御が不要となっている。また、刃先の移動経路は、工具切刃１６のすくい角の変化の影響を受けないので、同期制御による経路誤差、指令ブロック間の経路誤差が発生せず、切削工具１０の刃先を所望の加工形状に沿って動作させるような高精度な加工パスを形成することができる。
【００１６】
また、本実施形態の切削加工装置では、上記に説明した切削工具１０を主軸に装着し、刃部１２の切刃１６を加工ワークに当接し、主軸のＸ軸、Ｙ軸位置を制御して送り移動することにより、平削り加工を行う。平削り加工時の切削工具１０の動作の一例を図３に示す。
【００１７】
切削加工装置は、主軸をＸ軸上で駆動するモータ、およびＹ軸上で駆動するモータを制御し、工具１０の刃先を点Ｐ１から点Ｐ２を経由してＰ３へ移動し、同時に主軸の回転駆動部のモータを制御して、点Ｐ１ではθ１であった工具切刃１６のすくい角を、点Ｐ２ではθ２に変化させ、点Ｐ３ではθ３に変化させている。図３のように加工面と対向する位置に加工ワークの島残し部がある場合、通常は切削工具１０が島残し部に干渉してしまい加工することができないが、本実施形態においては、主軸を回転制御して切削工具１０のすくい角θを変化させることにより、干渉を回避している。即ち、切削工具１０の断面形状は、図３に矢印で示すすくい角方向の長さがすくい角方向と直角な方向の長さより長い断面形状であるので、すくい角θを変化させると、切削工具１０の送り方向に対する投影高さｈが加工ワークと島残し部の間隔よりも小さくでき、切削工具１０を通過させることが可能となる。尚、すくい角を変えるとき、主軸の回転駆動部は、記憶している切削工具１０の刃部１２の断面形状データから投影高さを演算している。簡易な例を挙げると、｛（刃部のすくい角方向の長さ）＊ｓｉｎθ｝の式で投影高さｈを演算する。
【００１８】
また、切削加工時に切削工具１０のビビリ（振動）が発生する場合には、切削加工装置がセンサでビビリを検出し、その検出時に工具すくい角をビビリが発生しない角度に変える制御を行うことにより、切削加工時のビビリを抑制することができる。
【００１９】
図４は、加工ワークに、内側コーナを加工する場合の切削工具１０の移動を示す図である。幅ｄは切削工具１０が切削する深さである。内側コーナを加工するときも、加工ワークの島残し部を回避するには、主軸を回転駆動して切削工具１０のすくい角を制御すればよい。また、刃先が主軸軸線上にあるため、刃先をコーナの形状に沿って移動させる場合に、従来技術（特開２００１−９６０３）のように主軸の回転角を同期制御する必要がないので、切削加工装置がコーナ加工するための演算処理、制御処理を簡易化することが可能となっている。
【００２０】
次に、本発明の第二の実施形態に係る切削加工装置について説明する。
【００２１】
第二の実施形態に係る切削加工装置に装着される切削工具２０を図５に示す。切削工具２０の刃部２２の刃先Bは、第一の実施形態と同様に主軸軸線Ｓｃ上に配置される。本実施形態においては、刃先Ｂには水平方向にＲが付けられており、工具先端Ｒの中心が主軸軸線Ｓｃ上にある構成となっている。Ｒの曲面部分が加工面となり、加工ワークを切削することができる。工具先端をＲ付けしたことにより、第一の実施形態の切削工具１０のように切削に刃先の一点のみを使う場合に比べて、工具の刃先寿命を長くできる効果がある。
【００２２】
図６は、切削加工装置の主軸を送り制御したときの切削工具２０の移動を示す図である。このとき、主軸中心位置Ｓｃの軌跡Ｃｄは、加工ワークＷの加工形状に対し工具切刃の工具先端Ｒの半径分水平方向にオフセットされた軌跡を描いている。主軸の回転角も変化しているが、本実施形態の場合にも、主軸軸線から切削工具２０の加工面までの距離が常に半径Ｒであり変化しないので、第一の実施形態と同様に同期制御による経路誤差が発生しない。
【００２３】
次に、本発明の第三の実施形態に係る切削加工装置について説明する。
【００２４】
第三の実施形態に係る切削加工装置に装着される切削工具３０を図７に示す。切削工具は、先端が主軸方向のどの位置においても水平方向にＲ付けがされており、主軸方向の刃先形状が曲線状になっている。
【００２５】
図８は、上述の切削工具３０で、Ｘ軸、Ｙ軸に対して主軸軸線方向（Ｚ軸）の傾斜角が一定の側壁を加工する場合の概略図である。このとき、切削工具３０で加工する場合は、主軸中心位置の移動軌跡ＣｄのＸ軸、Ｙ軸方向の指令位置は、加工形状の工具切削点Ｐｗから主軸中心線までの水平成分のオフセットａを用い、プログラムされた加工形状の工具切削点Ｐｗから中心点Ｏまでの距離ａだけ水平方向にオフセットした点の移動軌跡を生成すればよい。また、Ｚ軸方向の指令位置は、加工形状の工具切削点Ｐｗから中心点Ｏまでの距離ｂだけ垂直（Ｚ軸）方向にオフセットした点の移動軌跡を生成すればよい。
【００２６】
尚、上述した実施形態で説明した切削工具は、代表的な実施例を説明したものであり、当該形状に限定されるものではない。
【００２７】
また、本実施形態の切削加工装置は、放電加工機と比較しても利点がある。即ち、放電加工機では、電極の加工を行い、その後放電加工を行うことになるので加工工程が増加し加工リードタイムの増加とともに加工コストが高いものになってしまっていたが、本実施形態では平削り加工であるため、それらの問題は発生しない。
【００２８】
【発明の効果】
本発明の切削工具においては、切削工具の刃先が主軸軸線上に配置されることにより、回転角の制御と切削工具と加工ワークの相対移動の制御に正確な同期制御を不要とでき、同期制御時の経路誤差をなくすことができる。
【００２９】
また、加工形状に沿って前記切削工具を移動するとき該工具を回転駆動して工具のすくい角を可変制御しながら切削加工するようにするから、加工ワークの島残し部のような他の部材との干渉を回避することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第一の実施形態に係る切削加工装置に装着される切削工具の斜視図である。
【図２】第一の実施形態の切削工具の先端方向から見た構成図である。
【図３】第一の実施形態に係る切削加工装置の切削工具の制御を説明する説明図である。
【図４】第一の実施形態に係る切削加工装置の切削工具の制御を説明する説明図である。
【図５】第二の実施形態に係る切削加工装置に装着される切削工具の斜視図である。
【図６】第二の実施形態の切削工具の刃先の経路を示す説明図である。
【図７】第三の実施形態に係る切削加工装置に装着される切削工具の斜視図である。
【図８】第三の実施形態の切削工具の刃先の制御を説明するための説明図である。
【図９】従来技術の切削工具を示す構成図である。
【図１０】従来技術の切削工具の刃先軌跡および相対移動軌跡を示す図である。
【図１１】従来技術における追従位置誤差に起因する切刃外端点の経路誤差を示す図である。
【図１２】従来技術におけるブロック間の切刃外端点の経路誤差を示す図である。
【図１３】従来技術の切削加工装置のインコーナの切削加工を示す概略図である。
【符号の説明】
１０，２０，３０切削工具、１２，２２，３２刃部、１４，２４，３４ホルダー部、１６，２６，３６切刃、１８，２８，３８支持部。

Claims

切削加工装置の切削工具を回転可能な主軸に装着される切削工具であって、
前記主軸軸線に垂直な平面における断面形状が略楔形状となる刃部を備え、
当該刃部の主軸方向端部における前記略楔形状の頂点部分に相当する前記刃部の刃先の先端部分、または、当該刃先の先端Ｒの中心が、前記主軸軸線上に位置するべく形成されている
ことを特徴とする切削工具。
切削加工装置の主軸に装着された切削工具を加工ワークに対して相対的に送ることにより、当該加工ワークを所望の形状に加工する切削加工方法であって、
前記切削工具として、前記主軸軸線に垂直な平面における断面形状が略楔形状となる刃部を備えるとともに、当該刃部の主軸方向端部における前記略楔形状の頂点部分に相当する前記刃部の刃先の先端部分、または、当該刃先の先端Ｒの中心が、前記主軸軸線上に位置するべく形成されている切削工具を用い、
前記切削工具を主軸の回転機構によって回転駆動させることで主軸軸線に垂直な面における刃先のすくい角を可変制御しながら前記切削工具の刃先を加工ワークに当接させつつ当該加工ワークに対して相対的に送って切削する
ことを特徴とする切削加工方法。