(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転する工具を主軸に装着して工作物を加工するときに発生するびびり振動を回避する工具回転速度選定方法であって、
基準工具を装着した主軸系の固有振動数の解析値である解析基準固有振動数を計算する基準固有振動数解析工程と、
前記基準工具を主軸に装着して測定した固有振動数である実測固有振動数を測定する固有振動数実測工程と、
所定固有振動数について、前記解析基準固有振動数と前記実測固有振動数の差である補正値を演算する補正値演算工程と、
前記基準工具を除く工具を装着した主軸系の固有振動数の解析値である解析固有振動数を計算する固有振動数解析工程と、
前記解析固有振動数を前記補正値を用いて補正して予測固有振動数を演算する固有振動数補正工程と、
前記予測固有振動数を用いて推奨工具回転速度を演算する、工具回転速度演算工程と、を備える工具回転速度選定方法。
【請求項２】
前記基準工具として形状パターンと寸法の異なる複数の基準工具を備える、請求項１に記載の工具回転速度選定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回転工具用いて工作物を加工するときの工具軸の固有振動数を用いてびびり振動を回避する工具回転速度選定方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
回転工具を用いた加工においてびびり振動を防止するために、基準工具を装着して実測した固有振動数の周波数と、基準工具単体の形状・材質から算出される固有振動数の周波数の比を補正係数として求め、この補正係数と使用する回転工具の形状から算出される固有振動数を乗じて算出した固有振動数の周波数を用いて、びびり振動の起きない工具回転速度を設定する従来技術１（例えば、特許文献１参照）がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−３４０６２７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
工具の動剛性が小さくて質量の小さい小型の工具の場合は工具の特性値が支配的で固有振動数が決まるため、従来技術１の補正係数による固有振動数の計算でも誤差は少ない。しかし、工具単体の動剛性が大きい場合や質量が大きい場合は、固有振動数は工具と主軸系を含む複数の質量、ばね、減衰からなる連成系の振動モデルとして決定されるので、複数の固有振動数を持つ。従来技術１では工具のみの特性値から１個の固有振動数を算出している、このため、複数の固有振動数を持つ場合は、どの固有振動数でびびり振動が発生するか不明である。さらに、正確な固有振動数の予測ができずびびり振動の防止回転速度に誤差を生じる恐れがある。
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、大型の工具を用いた場合にも、正確な固有振動数の推定を可能にして、びびり振動を回避する工具回転速度選定方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記の課題を解決するための請求項１に係る発明の特徴は、回転する工具を主軸に装着して工作物を加工するときに発生するびびり振動を回避する工具回転速度選定方法であって、
基準工具を装着した主軸系の固有振動数の解析値である解析基準固有振動数を計算する基準固有振動数解析工程と、
前記基準工具を主軸に装着して測定した固有振動数である実測固有振動数を測定する固有振動数実測工程と、
所定固有振動数について、前記解析基準固有振動数と前記実測固有振動数の差である補正値を演算する補正値演算工程と、
前記基準工具を除く工具を装着した主軸系の固有振動数の解析値である解析固有振動数を計算する固有振動数解析工程と、
前記解析固有振動数を前記補正値を用いて補正して予測固有振動数を演算する固有振動数補正工程と、
前記予測固有振動数を用いて推奨工具回転速度を演算する、工具回転速度演算工程と、を備えることである。
【０００７】
請求項２に係る発明の特徴は、請求項１に係る発明において、前記基準工具として形状パターンと寸法の異なる複数の基準工具を備えることである。
【発明の効果】
【０００８】
請求項1に係る発明によれば、基準工具を装着した主軸系の固有振動数の解析値と実測値の差である補正値を用いて、使用工具を装着した主軸系の固有振動数の解析値を補正するので、使用工具を装着した主軸系の正確な固有振動値が算出できる。そのため、びびり振動の発生しない推奨工具軸回転速度を正確に選定できる。
【００１０】
請求項２に係る発明によれば、形状パターンと寸法の異なる複数の基準工具を備えることで、使用工具に近い特性を持つ基準工具の補正値を用いることができ、より正確な使用工具の固有振動値が算出できる。そのため、びびり振動の発生しない推奨工具軸回転速度をより正確に選定できる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本実施形態の工具・主軸系の固有振動数の測定方法を示す図である。
【図２】基準工具を装着した系のコンプライアンスの周波数応答を示す図である。
【図３】推奨工具回転速度選定方法の工程を示す工程図である。
【図４】補正値の演算の概念を示す図である。
【図５】基準工具を装着した系と使用工具を装着した系のピーク対を選定する概念を示した図である。
【図６】補正値を用いて使用工具を装着した系の固有振動数を補正する概念を示した図である。
【図７】基準工具のパターンを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の実施形態を図１〜図７に基づき説明する。
図１は工具２を装着した主軸１の概略と、固有振動数測定装置３を用いてインパルス応答試験により固有振動数を測定する概念を示した図である。
主軸１は、工具２を保持するスピンドル１１と、スピンドル１１を回転自在に軸受１２、１３を介して支持するハウジング１６をそなえる。スピンドル１１の軸方向の中央部にはモータロータ１４が固定され、ハウジング１６にモータステータ１５が固定されている。
【００１３】
インパルス応答試験は、スピンドル１１を静止した状態で、センサ３２を固定した工具２をハンマー３１で打撃し、そのときに出力される信号を固有振動数演算装置３３で演算して測定する。
図２は主軸・工具系のコンプライアンスの周波数応答を示す図で、横軸が周波数、縦軸がコンプライアンスである。固有振動数はコンプライアンスが図２のａ、ｂ、ｃ、ｄ等のピークを示す位置である。
【００１４】
再生びびり振動は、固有振動数近辺で切屑厚みの周期的変動が発生して、切削力の変動が増大することにより発生する。このため、工具の刃先の作用周期を固有振動数に一致させて切屑厚みの変動を無くすれば防止できることが知られている。このため、固有振動数をｆ（Ｈｚ）、工具刃数をｅ、１以上の整数をｎ、工具回転速度をＮ（ｍｉｎ−１）とすると、Ｎ＝（ｆ・６０）／（ｅ．ｎ）で算出される工具回転速度で加工するとびびり振動が発生しないことが知られている。
【００１５】
主軸系は振動モデルとしてみた場合、工具２・スピンドル１１・モータロータ１４の質量、工具２・スピンドル１１・軸受１２・軸受１３のばねなどで構成されている。このため、複数の質量とばねが連成された振動系として複数の固有振動数が存在する。この固有振動数の周波数とコンプライアンスを、質量、ばね、減衰係数を定めてモーダル計算することで解析的に求めることができることが知られている。
複数の固有振動数を持つ系のびびり振動は、コンプライアンスの大きな固有振動数で発生する可能性が高いが、必ずしも順位通りに決まるものではなく、コンプライアンスの上位の固有振動数の中の１つで発生することが多い。
【００１６】
びびり振動を回避する推奨工具回転速度選定方法について、図３の工程図に基づき説明する。
初めに、基準工具２をスピンドル１１に装着した状態でインパルス応答試験を行い、図２の実線に示すようなコンプライアンスの周波数応答線図を測定する（Ｓ１）。平行して、基準工具２をスピンドル１１に装着した系の解析を行い、図２の破線に示すようなコンプライアンスの周波数応答線図を演算する（Ｓ２）。基準工具を装着した系の実測値と解析値の対応ピークを決定する。具体的には、図２において、コンプライアンスの実測値と解析値の最大値同士を対応するピーク対ａとする、ピーク対ａから周波数の降順（または昇順）で同じ順番のピークを対応するピーク対ｂ、ｃ，ｄとする。対象とするピークは実測値において所定の閾値より大きい値の４個のピークとする。（Ｓ３）。
【００１７】
基準工具を装着した系の補正値を演算する。図４にピークｂの具体例を示す、ピークｂの解析による周波数をＭｆｋｂ、実測による周波数をＭｆｂとすると、周波数補正値ΔｆｂはΔｆｂ＝Ｍｆｂ−Ｍｆｋｂとなる。ピークｂの解析によるコンプライアンスをＭＣｋｂ、実測によるコンプライアンスをＭＣｂとすると、コンプライアンス補正値ΔＣｂはΔＣｂ＝ＭＣｂ−ＭＣｋｂとなる。同様にして夫々の対応ピーク対毎に、周波数補正値Δｆａ〜Δｆｄと、コンプライアンス補正値ΔＣａ〜ΔＣｄを演算する（Ｓ４）。使用工具をスピンドルに装着した状態の解析を行い、周波数応答線図を演算する（Ｓ５）。基準工具を装着した系の解析値と使用工具を装着した系の解析値の対応ピークを決定する。具体的には、図５に示すように、Ｓ３で決めた基準工具を装着した系の解析値のピークａに使用工具を装着した系の解析値の最大ピークを対応させ、ピーク対ａから周波数の降順（または昇順）で同じ順番のピークを対応するピーク対ｂ、ｃ，ｄとする（Ｓ６）。使用工具を装着した系の固有振動数の周波数とコンプライアンスの予測値を演算する。具体的には、図６に示すように、使用工具を装着した系の解析のピーク値ａ、ｂ、ｃ，ｄの周波数とコンプライアンスの値に、夫々対応する周波数補正値Δｆａ〜Δｆｄと、コンプライアンス補正値ΔＣａ〜ΔＣｄを加算し、周波数予測値ｆｈａ〜ｆｈｄとコンプライアンス予測値Ｃｈａ〜Ｃｈｄを演算する（Ｓ７）。推奨順位と推奨工具軸回転速度の決定。推奨順位はコンプライアンス予測値の大きい順とする。順位１番目の推奨工具軸回転速度Ｎ１はＮ１＝（ｆｈａ・６０）／（ｅ．ｎ）となる。ここで、ｅは工具の刃数でｎは１以上の整数である。（Ｓ８）。推奨工具軸回転速度とその推奨順位を出力する（Ｓ９）。
【００１８】
以上のように、本発明によれば基準工具の解析値と実測値差から求めた補正値を用いて、使用工具の解析値を補正して求めた予測固有振動数の周波数から、びびり振動を発生しない推奨工具軸回転速度を算出するので、実測定をすることなく、正確な推奨工具軸回転速度を設定できる。さらに、複数の固有振動数のコンプライアンス順位に基づき、複数の推奨工具軸回転速度を推奨順位と共に出力するので、複数の固有振動数をもつ主軸系に対しても確実にびびり振動を発生しない推奨工具軸回転速度を算出できる。
【００１９】
上記の説明では、１つの基準工具の補正値を用いた例について述べたが、図７に示すように複数の基準工具を準備しておき、使用工具の形状が２つの基準工具の中間に位置する場合は、２つの基準工具の補正値の平均値を用いて補正してもよい。
【符号の説明】
【００２０】
１：主軸系  ２：工具  ３：固有振動数測定装置  １１：スピンドル  １２、１３：軸受１４：モータロータ  １５：ステータ  １６：ハウジング  ３１：ハンマー  ３２：センサ  ３３：固有振動数演算装置  
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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