JP4196206B2 - 切削加工方法及び加工経路作成方法 - Google Patents

Description

本発明は、コーナ部や溝部のように切削面積が大きくなる部分（本明細書及び特許請求の範囲においては便宜上、単にコーナ部と記す。）を有する形状を切削加工する切削加工方法及び同方法における加工経路作成方法に関するものである。

コーナ部の切削加工において、過大な切削負荷やビビリ振動の発生を抑制し、効率よく、あるいは高速に加工をするための方法としては、従来、工具径方向の切込み量を小さくするという方法がある（例えば、特許文献１，２参照）

特開２００２−１３２３１５号公報 特開２００２−２８３１１８号公報

しかしながら上記従来技術では、工具径方向に切込み量を小さくしても、コーナ部(最壁寄り経路)における工具のビビリ振動の発生を抑制することが困難であった。このようなビビリ振動の発生は、コーナ部において工具の撓み方向（倒れ方向）が急激に変わり、撓み戻りがおきて工具軸方向部分の加工面との接触範囲が瞬間的に増大（切削負荷も増大）することによると考えられる。このような現象は、工具径方向の切込み量を抑制しても、工具軸方向の切込み量が大きければ避け得ない。特に、工具の突き出しを長くして加工しなければならない場合は、この傾向が顕著になる。

図１２に、コーナ部において工具の撓み方向が急激に変わる様子を示す。図１２（ａ）に示すように、工具１２Ａの撓み方向は、加工経路（工具経路）１２Ｂ中、コーナ部１２Ｃの通過前において矢印ア方向であったのが、コーナ部１２Ｃにおいて矢印ア方向からイ方向に急変する。工具１２Ａの撓み方向が急変すると、撓み戻りが起こり、同図（ｂ）に示すように、工具軸方向ｚ部分の加工面１２Ｄとの接触範囲ＬがＬ１からＬ２に瞬間的に増大する。これが工具１２Ａのビビリ振動の発生要因となっている。なお、図中、Ｘ，Ｙ，Ｚは３次元空間の各軸を示す。
そこで、工具軸方向ｚの切込み量を小さくすることが考えられるが、これでは全加工経路におけるボリュームが著しく増大し、加工経路の計算量、計算時間、更に経路データ量、加工時間も極めて増大することになった。

特許請求の範囲の請求項１に記載の発明の目的は、全加工経路におけるボリュームの増大、つまり、加工経路の計算量、計算時間、更に経路データ量、加工時間等を大幅に増大させることなく、コーナ部における過大な切削負荷やビビリ振動の発生を抑制でき、加工を高速化できる切削加工方法を提供することにある。
特許請求の範囲の請求項２に記載の発明の目的は、請求項１の切削加工方法の実現に好適な加工経路作成方法を提供することにある。

上記目的を達成するために、特許請求の範囲の請求項１に記載の発明は、コーナ部を有する形状を切削加工する方法において、加工経路をコーナ部区間と非コーナ部区間とに分け、コーナ部区間については、非コーナ部区間における工具軸方向の単位切込み量よりも小さく設定された微小切込み量での工具軸方向の切削を順次繰り返す、微小切削繰返し加工を行い、該繰返し加工が前記単位切込み量に達したときに、該コーナ部区間における微小切削繰返し加工から該コーナ部区間に続く次の非コーナ部区間の切削加工へ移行することを特徴とする。
特許請求の範囲の請求項２に記載の加工経路作成方法は、請求項１に記載の切削加工方法において、切削加工時の工具軸方向の単位切込み量で等高線状の全体加工経路を作成する第１工程と、該第１工程で作成した全体加工経路中のコーナ部を検索する第２工程と、該第２工程で検索されたコーナ部について前記工具軸方向に、前記単位切込み量よりも小さく設定された微小切込み量での追加経路を作成する第３工程と、前記第１工程で作成した全体加工経路と前記第３工程で作成したコーナ部追加経路を実際の加工順に並び替える第４工程と、前記コーナ部における各加工経路間を各々繋ぐ乗移り経路を作成する第５工程とを備えることを特徴とする。

特許請求の範囲の請求項１に記載の発明では、加工経路をコーナ部区間と非コーナ部区間とに分け、コーナ部区間については、非コーナ部区間における単位切込み量よりも小さな微小切込み量で切削を繰り返す、微小切削繰返し加工を行う。そして、微小切削繰返し加工による切削が非コーナ部区間における単位切込み量に達したときに、微小切削繰返し加工から非コーナ部区間の切削加工へ移行するようにした。
これによれば、コーナ部の切削加工において過大な切削負荷やビビリ振動の発生を抑制できる。また、加工経路の計算量、計算時間、更に経路データ量、加工時間等（加工経路におけるボリューム）の増加は、全加工経路に及ぶものではなく、必要最小限度、つまりコーナ部に限られるので、切削加工全体として見れば、過大な切削負荷やビビリ振動の発生が抑制された高速加工が実現できる。
特許請求の範囲の請求項２に記載の発明は、第１工程で、切削加工時の工具軸方向の単位切込み量で等高線状の全体加工経路を作成し、第２工程で、全体加工経路中のコーナ部を検索し、第３工程では、検索されたコーナ部について工具軸方向に、単位切込み量よりも小さく設定された微小切込み量での追加経路を作成する。そして第４工程では、第１工程で作成した全体加工経路と第３工程で作成したコーナ部追加経路を実際の加工順に並び替え、第５工程では、コーナ部における各加工経路間を各々繋ぐ乗移り経路を作成するようにしたので、請求項１の切削加工方法を容易に実現できる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。なお、本明細書で参照される各図間において、同一符号は同一又は相当部分を示す。
図１は、本発明による切削加工方法の一実施形態の説明図である。この図において、Ｘ，Ｙ，Ｚは３次元空間の各軸を示す。
図１に示す切削加工方法は、例えば図２に示すようなコーナ部２１１を有する角筒状又は角箱状の加工形状２１２をＮＣ工作機械を用いた切削加工によって得るときに適用される。
図１に示す実施形態において、切削加工は、Ｘ，Ｙ平面上における加工経路１１１（後述加工経路１、８、１５、２２を抽象化して示す加工経路）全体をコーナ部区間１１２と非コーナ部区間１１３とに分け、コーナ部区間１１２については、次のように行う。
すなわち、コーナ部区間１１２は、非コーナ部区間１１３における切削加工時の工具軸方向ｚの単位切込み量Ｃ１よりも小さく設定された微小切込み量Ｃ２での工具軸方向ｚの切削を順次繰り返す、微小切削繰返し加工を行う。
そして、この微小切削繰返し加工が、非コーナ部区間１１３における切削加工時の工具軸方向ｚの単位切込み量Ｃ１に達したときに、コーナ部区間１１２における微小切削繰返し加工からこのコーナ部区間１１２に続く次の非コーナ部区間１１３の切削加工へ移行する。つまり、単位切込み量Ｃ１での通常の切削加工に戻る。
なお、コーナ部区間１１２をコーナ１１４の前後のどの程度の範囲にするかは任意に設定される。

上述した微小切削繰返し加工を含む切削加工を、４つのコーナ部２１１（図２参照）を一巡するまで繰り返す。一巡後、非コーナ部区間１１３の所定位置、つまり全加工の開始位置（Ｘ，Ｙ）で工具１１５を切込み量Ｃ１だけ下降させ、その高さ位置（Ｚ）で再び微小切削繰返し加工を含む切削加工を、４つのコーナ部２１１（図２参照）を一巡するまで繰り返す。以下同様の切削加工を繰り返し、図示加工形状２１２を得る。

図１中の各加工経路に付された数字は、図示コーナ部２１１における加工順序を示す。つまり、初めに加工経路１による切削加工（単位切込み量Ｃ１の切削加工）を行い、コーナ部区間１１２（コーナ部２１１）手前の所定位置において工具１１５が上昇し、その後、加工経路２による切削加工を行う。加工経路２によるコーナ部区間１１２の切削加工が終わると、工具１１５は加工経路３による加工開始位置に移動し、加工経路３による加工を行う。以後、同様に加工経路７まで微小切込み量Ｃ２での切削を繰り返す。つまり、コーナ部区間１１２における微小切削繰返し加工を行う。図１中の工具１１５は、この微小切削繰返し加工から単位切込み量Ｃ１での通常の切削加工に戻った直後の状態を示す。

工具１１５が加工経路１１１（図２参照）を一巡し、加工経路８による切削加工を行ってきて、コーナ部区間１１２手前の所定位置に達すると、この工具１１５が上昇し、その後、加工経路９による切削加工を行う。以後、同様に、加工経路１４まで微小切込み量Ｃ２での切削を繰り返す。
その後も、コーナ部区間１１２においては、加工経路１６〜２１まで、次に加工経路２３〜２８まで、各々微小切込み量Ｃ２での切削加工（微小切削繰返し加工）を行う。この場合、加工経路１６は加工経路１５から、加工経路２３は加工経路２２から、各々工具１１５が上昇した後、行われる切削加工の経路である。

図１において、加工経路１と８、８と１５及び１５と２２の各間隔は、単位切込み量Ｃ１に等しい。また、加工経路２と３、３と４、４と５、５と６及び６と７の各間隔（微小間隔）は、微小切込み量Ｃ２に等しい。加工経路９〜１４、１６〜２１及び２３〜２８間において工具１１５軸方向に微小間隔で刻まれた加工経路間の各間隔も微小切込み量Ｃ２に等しい。この例では、加工経路７と９、１４と１６及び２１と２３の各間隔も微小切込み量Ｃ２に等しく設定されている。
なお各加工経路１〜２８は、ここでは工具１１５の、軸方向ｚの切削有効範囲の下限位置における経路を示しており、各々等高線（Ｚ軸上の同一座標値）上にある。また図１中の点線は、コーナ部区間１１２における微小切削繰返し加工において、１回の微小切込み量Ｃ２の切削を終了する毎に次の切削開始箇所に移動する工具１１５の軌跡（乗移り経路）を例示する。

このような切削加工方法によると、加工経路をコーナ部区間１１２と非コーナ部区間１１３とに分け、コーナ部区間１１２については、非コーナ部区間１１３における単位切込み量Ｃ１よりも小さな微小切込み量Ｃ２で切削を繰り返す、微小切削繰返し加工を行っているので、コーナ部２１１の切削加工において過大な切削負荷やビビリ振動の発生を抑制できる。具体的には、突き出し寸法の長い（撓みの大きい）工具１１５を用いても、コーナ部２１１の切削加工において切削負荷が極めて小さく抑えられ、ビビリ振動が殆ど発生しない加工が可能、換言すればコーナ部２１１において高速送り加工が可能となる。
切削負荷を極めて小さく抑える方法として、従来は工具径方向の切込み量を小さくしているのに対して、本発明においては工具軸方向の切込み量を小さくしている。従来方法では、切削加工過程における工具高周速部の切り粉厚、加工面に対する工具軸方向接触範囲共に大となるのに対して、本発明方法によれば、上記切り粉厚、工具軸方向接触範囲共に小となり、本発明方法においてビビリ振動が殆ど発生しない要因となっている。
また、微小切削繰返し加工による切削が非コーナ部区間１１３における単位切込み量Ｃ１に達したときに、微小切削繰返し加工から非コーナ部区間１１３の切削加工へ移行するようにした。つまり、加工経路の計算量、計算時間、更に経路データ量、加工時間等（加工経路におけるボリューム）の増加は、全加工経路に及ぶものではなく、コーナ部区間１１２に限られるので、切削加工全体として見れば、過大な切削負荷やビビリ振動の発生が抑制された高速加工が実現できる。

次に、上述切削加工方法における加工経路の作成方法について説明する。
図３は、同上加工経路の作成方法の一例を示すフローチャートである。
まずステップ３０１において、図４に示すように、単位切込み量Ｃ１で等高線状の全体加工経路１、８、１５、２２を作成する。
ステップ３０２では、上記全体加工経路１、８、１５、２２中のコーナ部２１１を検索する。
コーナ部２１１の検索方法には、例えば図５〜図７に例示する方法があるが、いずれの方法を採ってもよい。
図５は、全体加工経路１、８、１５、２２の折れ角度θで検索する方法を例示する。折れ角度θが、（ａ）図に示すように鈍角であれば非コーナ部と判定され、（ｂ）図に示すように鋭角であればコーナ部と判定される。
図６は、前工程の加工残り幅ｗ１を平面的に仮想（自工程の加工経路をオフセットして仮想）し、加工残り幅ｗ１で検索する方法を例示する。加工残り幅ｗ１が、（ａ）図に示すように所定のしきい値ｗ０未満であれば非コーナ部と判定され、（ｂ）図に示すようにしきい値ｗ０以上であればコーナ部と判定される。なお図６中のΔｒは、前工程工具半径から自工程工具半径を引き算した値である。
図７は、前工程の加工残り（切削ボリューム）を演算によりシミュレーションし、自工程の加工経路でシミュレーションしたときの切削ボリュームで検索する方法を例示する。切削ボリュームｖ１が、（ａ）図に示すように所定のしきい値ｖ０未満であれば非コーナ部と判定され、（ｂ）図に示すようにしきい値ｖ０以上であればコーナ部と判定される。

ステップ３０３では、検索されたコーナ部２１１に限り、工具軸方向ｚに、上記単位切込み量よりも小さく設定された微小切込み量Ｃ２での追加経路（コーナ部追加経路）を作成する。
コーナ部追加経路の作成方法には、例えば図８及び図９に例示する方法等があるが、いずれの方法を採ってもよい。
図８及び図９はコーナ部経路複写方法であって、このうち図８は工具軸方向複写方法、図９は加工形状沿い複写方法を例示する。図８に例示する工具軸方向複写方法では、追加経路を工具軸方向ｚに、各高さ毎に複写し、図９に例示する加工形状沿い複写方法では、追加経路を加工形状沿い（矢印ウ方向）に、各高さ毎に複写する。
図８及び図９に例示する方法の他、ステップ３０１における全体加工経路１、８、１５、２２の作成方法と同様の方法で等高線状の加工経路（図１中の加工経路２〜６、９〜１３、１６〜２０及び２３〜２７参照）を追加作成するコーナ部経路創生方法がある。

ステップ３０４では、ステップ３０１で作成した全体加工経路１、８、１５、２２と、ステップ３０３で作成したコーナ部追加経路を、実際の加工順に並び替える（図１０参照）。なお、図１，図１０から分かるように、加工経路７は加工経路１に、加工経路１４は加工経路８に、加工経路２１は加工経路１５に、更に加工経路２８は加工経路２２に、各々含まれる。

ステップ３０５では、コーナ部２１１における各加工経路（図１中の加工経路１〜７、８〜１４、１５〜２１及び２２〜２８）間を各々繋ぐ乗移り経路（図１１中の点線参照）を作成する。
ステップ３０３〜３０５はステップ３０２で検索された全てのコーナ部２１１について実行される。
以上述べた加工経路作成方法によれば、図１に示す切削加工方法を容易に実現できる。

本発明方法の一実施形態の説明図である。 本発明方法が適用される加工形状の一例を示す斜視図である。 図１に示す切削加工方法に適用される加工経路作成方法の一例を示すフローチャートである。 図３中のステップ３０１において作成される全体加工経路の一例を示す図である。 図３中のステップ３０２におけるコーナ部検索方法の一例を説明するための図である。 同じく他の例を説明するための図である。 同じく更に他の例を説明するための図である。 図３中のステップ３０３におけるコーナ部追加経路の作成方法の一例を説明するための図である。 同じく他の例を説明するための図である。 図３中のステップ３０４における経路並び替えの説明図である。 図３中のステップ３０５において作成される乗移り経路の一例を示す図である。 コーナ部の切削加工におけるビビリ振動の発生を説明するための図である。

符号の説明

１〜２８，１１１：加工経路、１１２：コーナ部区間、１１３：非コーナ部区間、１１４：コーナ、１１５：工具、２１１：コーナ部、２１２：加工形状、Ｃ１：単位切込み量、Ｃ２：微小切込み量。

Claims (2)

1. コーナ部を有する形状を切削加工する方法において、
   加工経路をコーナ部区間と非コーナ部区間とに分け、コーナ部区間については、非コーナ部区間における工具軸方向の単位切込み量よりも小さく設定された微小切込み量での工具軸方向の切削を順次繰り返す、微小切削繰返し加工を行い、該繰返し加工が前記単位切込み量に達したときに、該コーナ部区間における微小切削繰返し加工から該コーナ部区間に続く次の非コーナ部区間の切削加工へ移行することを特徴とする切削加工方法。
2. 請求項１に記載の切削加工方法において、
   切削加工時の工具軸方向の単位切込み量で等高線状の全体加工経路を作成する第１工程と、
   該第１工程で作成した全体加工経路中のコーナ部を検索する第２工程と、
   該第２工程で検索されたコーナ部について前記工具軸方向に、前記単位切込み量よりも小さく設定された微小切込み量での追加経路を作成する第３工程と、
   前記第１工程で作成した全体加工経路と前記第３工程で作成したコーナ部追加経路を実際の加工順に並び替える第４工程と、
   前記コーナ部における各加工経路間を各々繋ぐ乗移り経路を作成する第５工程とを備えることを特徴とする加工経路作成方法。
   

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