(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
先端に切削工具を備えたスライド軸と、該スライド軸の先端近傍をスライド可能に支持する油静圧軸受装置と、前記スライド軸の後端に接続して該スライド軸のスライドを駆動する駆動装置と、前記油静圧軸受装置と前記駆動装置との間に備えられ前記スライド軸を滑り移動可能に支持して送り機構の摩擦を模擬する滑り軸受装置と、前記油静圧軸受装置と前記滑り軸受装置との間のスライド軸に備えられ工具部の軸方向変位を模擬してばね定数を変更可能な第１のばね手段と、前記滑り軸受装置と前記駆動装置との間のスライド軸に備えられ駆動装置の動力伝達部の軸方向変位を模擬してばね定数を変更可能な第２のばね手段と、前記滑り軸受装置に軸受予荷重を付与してスライド軸の摩擦力を調節可能な摩擦力調整手段と、該摩擦力調整手段による軸受予荷重を計測する予荷重計測手段と、前記切削工具の軸方向変位を計測する工具変位計測手段と、を備えたことを特徴とする加工装置。
【請求項２】
前記第１及び第２のばね手段は、厚さが異なる複数の板ばねを交換可能に備えていることを特徴とする請求項１に記載の加工装置。
【請求項３】
前記摩擦力調整手段は、前記滑り軸受装置に支持したスライド軸に圧下ブロックを介して軸受予荷重を負荷する押付装置であることを特徴とする請求項１又は２に記載の加工装置。
【請求項４】
前記工具変位計測手段は、切削工具の軸方向変位を計測するレーザ変位計であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の加工装置。
【請求項５】
前記駆動装置に切削動力計を備えたことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の加工装置。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１つに記載の加工装置を用いた加工機械の構造仕様設計方法であって、前記摩擦力調整手段により前記滑り軸受装置に付与する軸受予荷重を変更することで前記スライド軸の摩擦力を段階的に調節する操作と、前記第１及び第２のばね手段のばねを交換してばね定数を段階的に調節する操作とを組み合わせ、各操作の調節ごとに切削工具による切削を行って再生びびり振動の発生限界を求める作業を、前記切削工具の切削幅を変更して実施し、前記切削工具の切削幅を変更し前記各操作の調節を行うごとのびびり振動の発生限界から夫々のびびり振動安定領域を求め、該びびり振動安定領域に基づいて、前記滑り軸受装置の好適摩擦力と、前記第１及び第２のばね手段の好適ばね定数を求めることを特徴とする加工機械の構造仕様設計方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、切削加工機等の加工機械の振動、特に再生びびり振動が発生する原因を明らかにして、加工機械の再生びびり振動安定のための設計指針を提供できる加工装置及び加工機械の構造仕様設計方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
加工機械を開発する際の主な要求性能としては、加工精度と加工能力が挙げられ、これらは製品の品質及びコストに大きな影響を与える。従って、要求性能を満足する加工機械の構造仕様を定量的に明確にすることは、加工機械の設計・開発を行う上で非常に重要となる。これまで、加工精度に関係する工具とワークの位置決め精度については、様々なモデルが考案され、構造仕様が位置決め精度に及ぼす影響について多くの研究が行われている。
【０００３】
他方、構造仕様が加工能力に影響を与える主要因としては再生びびり振動があり、再生びびり振動の発生は製品の品質を大幅に低下させるばかりでなく、工具・加工機械本体に損傷を与える場合もある。従って、加工機械本体が再生びびり振動を抑制できる構造仕様を備えていることは重要である。
【０００４】
従来、再生びびり振動が発生した場合の対策としては、切削条件・工具・切削油等を変更することが一般的に行われているが、このような対策では試行錯誤を繰り返すことになって安定状態を得るまでに時間を要する場合があり、又、この対策では加工ができなくなる場合もある。
【０００５】
従って、これまでは、既存の加工機械の特性を前提として、再生びびり振動を予測し、予測した再生びびり振動を抑制するための研究、或いは、比較的単純なモデルを用いて構造仕様が再生びびり振動に与える影響についての研究等がなされてきた。
【０００６】
しかし、加工機械を新規に開発する際の再生びびり振動抑制対策としては、単に剛性の最大化に主眼が置かれており、再生びびり振動の発生を定量的に予測して加工機械の設計に活用できるような技術は存在しなかった。
【０００７】
スライス装置の振動予測方法として、動的歪み測定においては、工作物の試験加工によるフライス装置の動的歪みを測定し、再生びびり振動予測システムにおいては、試験加工における加工条件及び測定データを入力し、フライス装置の動的コンプライアンスを計算し、フライス装置条件を決定し、実際の加工においては、その加工条件及びフライス装置条件を入力し、加工歪みを計算し、加工歪みの変位により機械加工における再生びびり振動の影響を判定するものがある（特許文献１参照）。
【０００８】
又、ワークの表面粗さが小さくなる加工条件を得るための切削試験機であって、主軸台に回転自在に軸支され、ワークまたは工具を保持して回転する主軸と、ワークの面粗度を検出する面粗度検出手段と、切削加工時に前記工具に加わる切削抵抗を検出する切削抵抗検出手段と、切削加工時における前記工具の温度を検出する温度検出手段とを備えたものがある（特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００６−１０２９２７号公報
【特許文献２】特開２００６−１０２８６４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかし、前記特許文献１、２に記載のものは、いずれも、加工精度を高めるための手法に関するものであり、再生びびり振動の発生を定量的に予測することによって、加工機械の設計段階において活用できるような構造仕様を提供できるものではない。
【００１１】
本発明は、上記従来の問題に鑑みてなしたもので、再生びびり振動が発生する原因を明らかにして、加工機械の再生びびり振動安定のための設計指針を提供できるようにした加工装置及び加工機械の構造仕様設計方法に関するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、先端に切削工具を備えたスライド軸と、該スライド軸の先端近傍をスライド可能に支持する油静圧軸受装置と、前記スライド軸の後端に接続して該スライド軸のスライドを駆動する駆動装置と、前記油静圧軸受装置と前記駆動装置との間に備えられ前記スライド軸を滑り移動可能に支持して送り機構の摩擦を模擬する滑り軸受装置と、前記油静圧軸受装置と前記滑り軸受装置との間のスライド軸に備えられ工具部の軸方向変位を模擬してばね定数を変更可能な第１のばね手段と、前記滑り軸受装置と前記駆動装置との間のスライド軸に備えられ駆動装置の動力伝達部の軸方向変位を模擬してばね定数を変更可能な第２のばね手段と、前記滑り軸受装置に軸受予荷重を付与してスライド軸の摩擦力を調節可能な摩擦力調整手段と、該摩擦力調整手段による軸受予荷重を計測する予荷重計測手段と、前記切削工具の軸方向変位を計測する工具変位計測手段と、を備えたことを特徴とする加工装置、に係るものである。
【００１３】
上記加工装置において、前記第１及び第２のばね手段が、厚さが異なる複数の板ばねを交換可能に備えていることは好ましい。
【００１４】
又、上記加工装置において、前記摩擦力調整手段が、前記滑り軸受装置に支持したスライド軸に圧下ブロックを介して軸受予荷重を負荷する押付装置であることは好ましい。
【００１５】
又、上記加工装置において、前記工具変位計測手段が、切削工具の軸方向変位を計測するレーザ変位計であることは好ましい。
【００１６】
又、上記加工装置において、前記駆動装置に切削動力計を備えたことは好ましい。
【００１７】
本発明は、前記加工装置を用いた加工機械の構造仕様設計方法であって、前記摩擦力調整手段により前記滑り軸受装置に付与する軸受予荷重を変更することで前記スライド軸の摩擦力を段階的に調節する操作と、前記第１及び第２のばね手段のばねを交換してばね定数を段階的に調節する操作とを組み合わせ、各操作の調節ごとに切削工具による切削を行って再生びびり振動の発生限界を求める作業を、前記切削工具の切削幅を変更して実施し、前記切削工具の切削幅を変更し前記各操作の調節を行うごとのびびり振動の発生限界から夫々のびびり振動安定領域を求め、該びびり振動安定領域に基づいて、前記滑り軸受装置の好適摩擦力と、前記第１及び第２のばね手段の好適ばね定数を求めることを特徴とする加工機械の構造仕様設計方法、に係るものである。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、再生びびり振動が発生する原因を明らかにして、加工機械の再生びびり振動安定のための設計指針を提供できるという優れた効果を奏し得る。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の加工装置の一実施例を示す側面図である。
【図２】本発明が適用される２次元切削加工機械の例を示したもので、（ａ）は突切り加工機の側面図、（ｂ）は外周旋削加工機の平面図である。
【図３】図２の切削加工機械を２自由度の振動系としてモデル化した振動モデルを示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明の実施の形態を図示例と共に説明する。
【００２１】
図２は本発明が適用される２次元切削加工機械の例を示したものであり、図２（ａ）は回転しているワークＷを切削工具１で突切り加工する突切り加工機を示し、図２（ｂ）は回転しているワークＷの外周を切削工具１で切削する外周旋削加工機を示している。図２（ａ）、（ｂ）の加工機械では、切削工具１と工具ホルダ２からなる工具部３が、スライドテーブル４に固定されている。該スライドテーブル４は送りネジ５の回転により支持フレーム６に沿って送り移動される送り機構７を構成している。前記送りネジ５は駆動軸８及び該駆動軸８を支持する支持軸受９とカップリング１０等からなる動力伝達部１１を介してモータ１２に接続されている。
【００２２】
図２に示すような２次元切削加工を行う加工機械では、切削工具１の刃先の切削点に、切削力として、ワークＷの回転を止めようとする方向の主分力Ｆ２と切込方向の背分力Ｆ１とが発生する。
【００２３】
図３は、図２の２次元切削加工機械を２自由度の振動系としてモデル化した振動モデルの概略図であり、図３の振動モデルでは、切削加工機械で一般に問題となることが多い再生びびり振動に注目し、再生びびり振動は一般に切取り厚さを変化させる方向（図２では送り方向Ａの方向）において発生し易いため、切削工具１による切削方向（送り方向Ａ）の振動のみを考慮した。又、切削力についても、送り方向Ａに対向する背分力Ｆ１についてのみ考慮し、影響が小さい他の成分については除外した。
【００２４】
図３の振動モデルでは、図２において最初に背分力Ｆ１を受ける切削工具１及び工具ホルダ２からなる工具部３を第１のマスｍＢと見做すと共に、前記工具部３は軸方向の変位を生じる第１のばね要素ＫＢと看做した。前記第１のマスｍＢ及び第１のばね要素ＫＢは工具部の仕様を表わす。
【００２５】
図２のスライドテーブル４は第２のマスｍＳと見做し、更に、スライドテーブル４を送りネジ５によって送り方向Ａへ移動する際に送りネジ５とスライドテーブル４との間に発生する摩擦力ｆｆが背分力Ｆ１に対して減衰効果を発揮することから、前記送り機構７に対応して、第２のマスｍＳと支持フレームＵとからなる摩擦減衰要素Ｖを設定した。前記第２のマスｍＳ、支持フレームＵ及び摩擦減衰要素Ｖは送り機構の仕様を表わす。
【００２６】
更に、図２の駆動軸８、支持軸受９及びカップリング１０からなる動力伝達部１１は軸方向の変位を生じる第２のばね要素ＫＳと看做し、前記背分力Ｆ１が第２のばね要素ＫＳを介して図２のモータ１２へ伝達するようにした。前記第２のばね要素ＫＳは動力伝達部の仕様を表わす。
【００２７】
図３の振動モデルにおいて、前記摩擦減衰要素Ｖに対して軸受予荷重Ｐを付与することにより摩擦力を調節できるようにし、又、第１のばね要素ＫＢ及び第２のばね要素ＫＳの夫々のばね定数を調節できるようにすることで、図２に示すような種々の加工機械の仕様に対応できるようにした。図３中、ＣＢ，ＣＳは第１及び第２のばね要素ＫＢ，ＫＳの構造減衰を表わすが、これは前記摩擦減衰要素Ｖの減衰に比して非常に小さいため除外することができる。ｍＮは支持フレームＵの質量、ＫＮは前記支持フレームＵのばね定数、ＸＸは送り力を表わす。
【００２８】
図１は、前記図３の振動モデルに基づいて製作した本発明の加工装置の一実施例を示している。図１において、５０は先端に切削工具１を備えたスライド軸であり、該スライド軸５０の先端近傍は、油静圧軸受５１を備えた油静圧軸受装置５２によりスライド可能に支持している。この油静圧軸受装置５２の油静圧軸受５１は、背分力Ｆ１が負荷しても背分力Ｆ１方向における摩擦力の変化は非常に小さく、また摩擦力自体の値も非常に小さいので、背分力Ｆ１のみを後方の振動系へ伝達することができる。
【００２９】
前記スライド軸５０の後端には、該スライド軸５０のスライドを駆動する駆動装置５３が接続されている。この駆動装置５３は、サーボモータ５４の回転力により送り装置５５を介してスライド軸５０を送り方向Ａへ移動できるようにしている。前記サーボモータ５４の主軸は大型の複列円錐ころ軸受で支持することにより十分な剛性と軸方向精度が確保され、又、サーボモータ５４を採用することで高精度な回転速度を実現している。前記駆動装置には切削動力を計測する切削動力計５６を設けている。
【００３０】
前記油静圧軸受装置５２と前記駆動装置５３との間には、支持フレーム５７を有して前記スライド軸５０をスライド可能に支持することで図２の送り機構７の摩擦（図３の摩擦減衰要素Ｖ）を模擬する滑り軸受装置５８を設けている。滑り軸受装置５８における支持フレーム５７とスライド軸５０との滑り部分には加工機械の案内部として用いられるフッ素系樹脂（キャプテンインダストリー社製ターカイトＢ［登録商標］）とＳ４５Ｃの組み合わせ等を用いることができる。前記滑り軸受装置５８には、スライド軸５０に軸受予荷重Ｐを付与してスライド軸５０の摩擦力を調節できるようにした摩擦力調整手段５９を設ける。該摩擦力調整手段５９としては、前記滑り軸受装置５８に支持したスライド軸５０に圧下ブロック６０を介して軸受予荷重Ｐを負荷する押付装置６１を用いることができる。前記圧下ブロック６０には、前記摩擦力調整手段５９によってスライド軸５０に付与される軸受予荷重Ｐを計測する予荷重計測手段６２を設けている。予荷重計測手段６２としてはロードセル等を用いることができる。
【００３１】
前記油静圧軸受装置５２と前記滑り軸受装置５８との間のスライド軸５０には、図２の工具部３の軸方向の変位（図３の第１のばね要素ＫＢ）を模擬するばね定数が調節可能な第１のばね手段６３を設ける。又、前記滑り軸受装置５８と前記駆動装置５３との間のスライド軸５０には、図２の動力伝達部１１の軸方向の変位（図３の第２のばね要素ＫＳ）を模擬するばね定数が調節可能な第２のばね手段６４を設けている。前記第１及び第２のばね手段６３，６４は、厚さが異なる複数のフランジ状の板ばね６５を交換して装着できるように構成されている。
【００３２】
前記油静圧軸受装置５２には、前記切削工具１の軸方向の変位を計測するための工具変位計測手段６６を設けている。該工具変位計測手段６６は、切削工具１の軸方向の変位を計測するレーザ変位計６８を備えた場合を示している。又、必要に応じて切削工具１によるワークＷの切削加速度を計測する加速度計６７を備えてもよい。
【００３３】
次に、図１の実施例の作動を説明する。
【００３４】
駆動装置５３のサーボモータ５４により送り装置５５を介してスライド軸５０を送り方向Ａにスライドさせると、スライド軸５０の先端に備えた切削工具１は回転するワークＷに押付けられてワークＷの切削を行う。この時の切削力の背分力Ｆ１は、第１のばね手段６３、滑り軸受装置５８及び第２のばね手段６４を介して駆動装置５３に伝えられる。
【００３５】
ここで、図２の工具部３を模擬した第１のばね手段６３は、板ばね６５を交換することによりばね定数を調節することができ、又、図２の動力伝達部１１を模擬した第２のばね手段６４は、板ばね６５を交換することによりばね定数を調節することができ、更に、図２の送り機構７を模擬した滑り軸受装置５８は、摩擦力調整手段５９によってスライド軸５０に付与する軸受予荷重Ｐを変更することによりスライド軸５０の摩擦力を調節することができる。
【００３６】
前記スライド軸５０に背分力Ｆ１を負荷したときにおける背分力Ｆ１と第１のばね手段６３の変位との関係、及び、背分力Ｆ１と第２のばね手段６４の変位との関係、滑り軸受装置５８において摩擦力調整手段５９によりスライド軸５０に付与する軸受予荷重Ｐを調節し滑り速度を変化させたときの摩擦力について、夫々同定を行った。その結果、前記第１のばね手段６３は工具部３の軸方向の変位を良好に表わし、第２のばね手段６４は動力伝達部１１の軸方向の変位を良好に表わし、滑り軸受装置５８の摩擦力調整手段５９による軸受予荷重Ｐの調節は送り機構７の摩擦力を良好に表わすことが判明した。
【００３７】
上記したように、第１のばね手段６３におけるばね定数を調節する操作と、第２のばね手段６４におけるばね定数を調節する操作と、摩擦力調整手段５９により滑り軸受装置５８の摩擦力を調節する操作を組み合わせ、各操作の調節を行うごとに、再生びびり振動の発生限界を求める試験を行った。更に、前記切削工具１を切削幅が異なるものに交換し、切削幅を変更したときの再生びびり振動の発生限界を求める試験を行った。そして、前記切削工具の切削幅を変更し、更に、第１のばね手段６３と、第２のばね手段６４と、滑り軸受装置５８を調整して実施した試験により得られた夫々の再生びびり振動の発生限界から、夫々における再生びびり振動安定領域を求めた。
【００３８】
図３の振動モデルに基づいて製作された図１の加工装置に基づいた再生びびり振動の予測は、実際の加工機械で試験した結果と良く一致しており、従って、前記試験で得られた再生びびり振動安定領域のデータは開発段階での加工機械の再生びびり振動抑制に有効に適用できることが判明した。
【００３９】
即ち、従来、再生びびり振動抑制の方法としては装置剛性を高めることに主眼が置かれていたが、この指針は必ずしも正しくなく、本発明のように、装置各部の剛性と減衰を最適化することで、より確実な再生びびり振動安定性が得られることが判明した。
【００４０】
従って、前記したように切削工具の切削幅に対応した前記滑り軸受装置５８の好適な摩擦力と、前記第１及び第２のばね手段６３，６４の好適なばね定数の組み合わせによる再生びびり振動安定領域が求められるので、前記受装置５８の好適な摩擦力に基づいた送り機構７を設計し、第１のばね手段６３の好適なばね定数に基づいて切削工具１及び工具ホルダ２からなる工具部３の剛性強度を設計し、第２のばね手段６４の好適なばね定数に基づいて駆動軸８、支持軸受９及びカップリング１０からなる動力伝達部１１の剛性強度を設計することができる。
【００４１】
尚、本発明は上述の実施例にのみ限定されるものではなく、例えば、工具部及び動力伝達部を更に分割して複数のばね手段によって模擬するようにしてもよいこと、本発明の加工装置は種々の加工機械における再生びびり振動安定領域を求めることができること、その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。
【符号の説明】
【００４２】
１  切削工具
３  工具部
７  送り機構
１１  動力伝達部
５０  スライド軸
５１  油静圧軸受
５２  油静圧軸受装置
５３  駆動装置
５６  切削動力計
５８  滑り軸受装置
５９  摩擦力調整手段
６０  圧下ブロック
６１  押付装置
６２  予荷重計測手段
６３  第１のばね手段
６４  第２のばね手段
６５  板ばね
６６  工具変位計測手段
６８  レーザ変位計
【図１】
0005782942.tif 000002
【図２】
0005782942.tif 000003
【図３】
0005782942.tif 000004