(57)【要約】【課題】穴明け加工によって穴が形成されるときに生じるバリの高さを事前に予測することが可能な穴明け加工装置及び穴明け加工方法を提供することを目的とする。【解決手段】穴明け加工装置１は、被加工対象を穴明け加工する切削工具の駆動状況に基づいて切削抵抗を測定する切削抵抗測定部４と、切削抵抗と被加工対象に形成される穴周りに生じるバリの高さとの相関関係を記憶する記憶部６と、切削工具による穴明け加工時に測定された切削抵抗と相関関係に基づいて、穴明け加工時に生じるバリの高さを予測するバリ高さ予測部７とを備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被加工対象を穴明け加工する切削工具の駆動状況に基づいて切削抵抗を測定する測定部と、
前記切削抵抗と前記被加工対象に形成される穴周りに生じるバリの高さとの相関関係を記憶する記憶部と、
前記切削工具による穴明け加工時に測定された前記切削抵抗と前記相関関係に基づいて、前記穴明け加工時に生じる前記バリの高さを予測する予測部と、
を備える穴明け加工装置。
【請求項２】
予測された前記バリの高さに基づいて、前記切削工具の駆動を制御する制御部を更に備える請求項１に記載の穴明け加工装置。
【請求項３】
前記被加工対象における前記切削工具の位置を算出する位置算出部を更に備え、
前記制御部は、前記切削工具の位置に基づいて、前記切削工具の駆動を制御する請求項２に記載の穴明け加工装置。
【請求項４】
被加工対象を穴明け加工する切削工具の駆動状況に基づいて切削抵抗を測定するステップと、
前記切削抵抗と前記被加工対象に形成される穴周りに生じるバリの高さとの相関関係を記憶するステップと、
前記切削工具による穴明け加工時に測定された前記切削抵抗と前記相関関係に基づいて、前記穴明け加工時に生じる前記バリの高さを予測するステップと、
を備える穴明け加工方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被加工対象を切削して穴を形成する穴明け加工装置及び穴明け加工方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
航空機等の組立工程において、複数の部品をリベットやボルト等の締結部材で結合する場合、精度の高い穴公差が要求されるため、単一の部品ごとに穴明けせずに、複数の部品を組み合わせた状態で穴明けする。
【０００３】
なお、特許文献１では、穴開け加工ユニットに係る発明であって、主軸モータ交換のための分解・組み立て工程を必要とせずに、メンテナンス性を向上させる技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−５０９４２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
穴明け加工が完了すると、形成された穴の周囲にバリが発生する。そのため、複数の部品を組み合わせた状態で穴明けした後、組み合わされた複数の部品を一旦ばらしてバリ取りや穴内部の清掃をしている。しかし、部品の形状、部品の位置関係、組み合わせ状態等によっては、穴明け加工した後、バリ取りや清掃ができない場合がある。
【０００６】
穴明け加工後、どうしてもバリ取りできない場合は、確認試験を繰り返すことによって、バリの高さを所定値以内に抑える加工条件を確立してから、実際の加工を実施していた。そのため、穴明け加工の度に別途確認試験を実施しており、加工に要する時間が長期化していた。
【０００７】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、穴明け加工によって穴が形成されるときに生じるバリの高さを事前に予測することが可能な穴明け加工装置及び穴明け加工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】
【０００８】
上記課題を解決するために、本発明の穴明け加工装置及び穴明け加工方法は以下の手段を採用する。
すなわち、本発明に係る穴明け加工装置は、被加工対象を穴明け加工する切削工具の駆動状況に基づいて切削抵抗を測定する測定部と、切削抵抗と被加工対象に形成される穴周りに生じるバリの高さとの相関関係を記憶する記憶部と、切削工具による穴明け加工時に測定された切削抵抗と相関関係に基づいて、穴明け加工時に生じるバリの高さを予測する予測部とを備える。
【０００９】
この発明によれば、切削抵抗とバリの高さに相関関係があることに基づいて、被加工対象に形成される穴の周囲に生じるバリの高さが、穴明け加工時に測定された切削抵抗と記憶部に記憶された相関関係に基づいて予測される。したがって、本発明を適用することで、ある被加工対象において生じるバリの高さを確認するための確認試験を省略することができる。ここで、切削工具の駆動状況に基づく切削抵抗とは、切削工具がドリルである場合、ドリルを軸線方向に駆動させる送りモータ又は軸線周りに駆動させる主軸モータの電流値に基づく負荷、主軸に設けられたロードセルによって測定される負荷などである。
【００１０】
上記発明において、予測されたバリの高さに基づいて、切削工具の駆動を制御する制御部を更に備えてもよい。
【００１１】
この発明によれば、切削工具の駆動は、予測されたバリの高さに基づいて制御され、切削工具の駆動状況が変化することから、穴明け加工時の切削抵抗も変化する。その結果、穴明け加工時に生じるバリの高さを変化させることができる。例えば、予測されたバリの高さが、所定値に近づいた場合、切削工具の駆動状況を変化させることによって、バリの高さを所定値以内に抑えることができる。
【００１２】
上記発明において、被加工対象における切削工具の位置を算出する位置算出部を更に備え、制御部は、切削工具の位置に基づいて、切削工具の駆動を制御してもよい。
【００１３】
この発明によれば、切削工具の位置に応じて、切削工具の駆動状況が変化する。一般に、被加工対象に形成される穴の周りに生じるバリは、切削工具が入口側又は出口側の穴を形成しているときに生じる。本発明では、切削工具の先端が被加工対象内にあるときと、切削工具の先端が被加工対象に入り始め入口側の穴を形成している又は切削工具の先端が被加工対象を貫通して出口側の穴を形成しているときとで、切削工具の駆動状況を変化させることによって、穴明け加工時に生じるバリの高さを変化させつつ、加工に要する時間を変化させることができる。
【００１４】
また、本発明に係る穴明け加工方法は、被加工対象を穴明け加工する切削工具の駆動状況に基づいて切削抵抗を測定するステップと、切削抵抗と被加工対象に形成される穴周りに生じるバリの高さとの相関関係を記憶するステップと、切削工具による穴明け加工時に測定された切削抵抗と相関関係に基づいて、穴明け加工時に生じるバリの高さを予測するステップとを備える。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、穴明け加工によって穴が形成されるときに生じるバリの高さを事前に予測することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の一実施形態に係る穴明け加工装置を示すブロック図である。
【図２】同実施形態に係る穴明け加工装置を示す側面図である。
【図３】切削時の負荷と時間の関係を示すグラフである。
【図４】穴明け加工時のワークとドリルを示す断面図である。
【図５】穴明け加工時のワークとドリルを示す断面図である。
【図６】バリ高さとスラスト荷重の関係を示すグラフである。
【図７】バリ高さと回転数の関係を示すグラフである。
【図８】バリ高さと穴数（使用時間）の関係を示すグラフである。
【図９】バリ高さと穴数（使用時間）の関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の一実施形態に係る穴明け加工装置１について、図面を用いて説明する。
穴明け加工装置１は、ドリル１４（切削工具）によって、ワーク１７（被加工対象）を切削して、ワーク１７に円形状の穴を形成する。穴明け加工装置１を用いることによって、ワーク１７に穴が形成された穴明け加工品を製作することができる。切削によってワーク１７に穴が形成されると、ドリル１４の入口側及び出口側の穴の周囲にバリが発生する。本実施形態の穴明け加工装置１は、穴明け加工時に発生するバリの高さを予測して、予測された結果に基づいて穴明け加工する。ワーク１７は、単一部材でもよいし、複数の部材が積層されたものでもよい。本実施形態は、例えば航空機の主翼の構造部材（例えばウイングボックス）、胴体の構造部材など、穴明け加工後に、バリ取りなどが困難である部分に適用するとよい。
【００１８】
穴明け加工装置１は、図２に示すように、主軸モータ２、送りモータ３、支持部１０、ヘッド部１１、主軸１２、チャック１３、ドリル１４、台部１５等からなる。
【００１９】
主軸モータ２は、電力を受けて駆動し、主軸１２を軸線周りに回転させる。主軸モータ２は、例えばヘッド部１１に設けられる。送りモータ３は、電力を受けて駆動し、主軸１２を軸線方向（送り方向）に移動させる。送りモータ３は、例えば支持部１０に設けられる。
【００２０】
支持部１０は、台部１５上に設置され、ヘッド部１１を介して主軸１２を支持する。ヘッド部１１は、図２に示すように、例えば支持部１０の側面に設けられており、主軸１２を支持する。ヘッド部１１は、送りモータ３による駆動力が伝達されて、支持部１０の側面に沿って上方向又は下方向に移動する。なお、ヘッド部１１は、図２の構成と異なり、支持部１０の延長上に設けられてもよく、このときヘッド部１１は支持部１０の延長上で上方向又は下方向に移動する。
【００２１】
主軸１２は、上端がヘッド部１２に設けられており、ヘッド部１２にて主軸モータ２の駆動力を受けて軸線周りに回転する。また、主軸１２は、ヘッド部１２が上下動することによって、その移動にあわせて上方向又は下方向に移動する。主軸１２の下端にはチャック１３が設けられる。
【００２２】
チャック１３は、主軸１２の先端に設けられており、ドリル１４を挟持する。チャック１３の開閉によって、ドリル１４の交換が可能である。チャック１３を介して主軸１２の先端に設けられたドリル１４は、ヘッド部１１の移動に伴って、送り方向に移動する。ドリル１４は、切削工具の一例であり、軸線周りに回転しながら、送り方向に移動することによって、ワーク１７を切削できる。テーブル１６は、台部１５上に設置され、穴明け加工時にワーク１７を保持する。なお、穴明け加工装置１は、通常のボール盤形式ではなく、ワーク１７が支持部１０に直接固定される構成でもよい。
【００２３】
上記構成を有する穴明け加工装置１において、ドリル１４がワーク１７へ降下し、ワーク１７を切削しながら、貫通することによって、ワーク１７に貫通穴が形成される。
【００２４】
穴明け加工装置１は、図１に示すように、更に切削抵抗測定部４と、位置算出部５と、記憶部６と、バリ高さ予測部７と、主軸回転速度制御部８と、送り速度制御部９を有する。
【００２５】
切削抵抗測定部４は、ワーク１７を穴明け加工するドリル１４の駆動状況に基づいて切削抵抗を測定する。ドリル１４の駆動状況とは、ドリル１４の回転速度や送り速度等である。切削抵抗は、例えば、ドリル１４を軸線方向に駆動させる送りモータ３の電流値に基づいて算出される負荷、ドリル１４を軸線周りに駆動させる主軸モータ２の電流値に基づいて算出される負荷、主軸１２に設けられたロードセル（図示せず。）によって測定される負荷などである。
【００２６】
位置算出部５は、穴明け加工時のワーク１７におけるドリル１４の先端位置を算出する。位置算出部５は、例えばドリル１４の駆動開始時の初期位置と、ワーク１７の表面位置、ワーク１７の板厚、ドリル１４の送り速度等に基づいて、送り方向でのドリル１４の位置を算出する。また、位置算出部５は、測定された切削抵抗の変化に基づいて、ドリル１４の先端がワーク１７内部にあるのか、ドリル１４の先端がワーク１７に入り始め入口側の穴を形成している又はドリル１４の先端がワーク１７を貫通して出口側の穴を形成しているのかを算出してもよい。
【００２７】
記憶部６は、切削抵抗とワーク１７に形成されるドリル１４の入口側及び出口側の穴周りに生じるバリの高さとの相関関係を記憶する。一般に、切削抵抗とバリの高さに相関があることから、ワーク１７毎の相関関係を予め用意して記憶しておくことによって、各相関関係をワーク１７毎のバリの高さの予測に用いることができる。ワーク１７の相関関係は、ワーク１７の材質や板厚、ワーク１７に形成する穴径等によって変化する。記憶部６に記憶される切削抵抗とバリの高さの相関関係は、テストピースによる確認試験から取得される。
【００２８】
図６は、バリ高さ[inch]とスラスト荷重[N]の関係を示すグラフであり、確認試験によって得られた測定結果がプロットされている。図６の測定条件は、ワーク１７の材質が、Al7075、板厚が7.6mm、穴径が16mmである。図６によれば、スラスト荷重が大きいほど、すなわち切削抵抗が大きいほど、バリ高さが高くなる傾向にあることが分かる。記憶部６に記憶される相関関係は、測定結果のうち、各設定条件（図６の例では、インチ単位での毎回転送り量［ipr］）におけるバリ高さの最大値を抽出して得られる。
【００２９】
図７は、バリ高さ[inch]と回転数[rpm]の関係を示すグラフであり、確認試験によって得られた測定結果がプロットされている。図７の測定条件は、ワーク１７の材質が、Ti-6Al-4V、板厚が5mm、穴径が16mmである。図７によれば、回転数が低いほど、すなわち切削抵抗が大きいほど、バリ高さが高くなる傾向にあることが分かる。記憶部６に記憶される相関関係は、測定結果のうち、各設定条件（図７の例では、回転数［rpm］）におけるバリ高さの最大値を抽出して得られる。なお、材質によっては、回転数が低くなるほど切削抵抗が大きくなる場合もあれば、回転数が高くなるほど切削抵抗が大きくなる場合もある。
【００３０】
バリ高さ予測部７は、ドリル１４による穴明け加工時に測定された切削抵抗と、記憶部６に記憶された相関関係に基づいて、穴明け加工時に生じるバリの高さを予測する。
【００３１】
主軸回転速度制御部８は、バリ高さ予測部７で予測されたバリ高さに基づいて、主軸モータ２の駆動を調整し、主軸１２の回転速度を制御する。送り速度制御部９は、バリ高さ予測部７で予測されたバリ高さに基づいて、送りモータ３の駆動を調整し、主軸１２の送り速度を制御する。また、主軸回転速度制御部８、送り速度制御部９は、位置算出部５で算出されたドリル１４の位置に基づいて、主軸モータ２、送りモータ３それぞれの駆動を制御する。なお、主軸回転速度制御部８と送り速度制御部９による制御は、いずれか一方でもよいし、両者でもよい。
【００３２】
次に、本実施形態に係る穴明け加工方法について説明する。
まず、被加工対象とするワーク１７を穴明け加工装置１のテーブル１６上に設置する。また、形成する穴径等に合わせて、ドリル１４を選定し、ドリル１４をチャック１３に設置する。
【００３３】
そして、ワーク１７の材質、板厚、形成する穴径等に対応した相関関係を記憶部６から読み出し、バリ高さ予測部７に設定する。そして、主軸１２の駆動を開始させ、ドリル１４を回転駆動、送り駆動させながら、ワーク１７を切削する。図４に示すように、ドリル１４の先端がワーク表面に当接してからワーク１７の内部にあるまでの間は、バリが形成される要因は無い。そのため、位置算出部５がドリル１４の先端位置を算出しながら、ドリル１４の送り速度を高速にして、ワーク１７を切削する。図４のワーク１７は、複数の板状部材１８，１９が積層されている場合を示す。なお、本明細書の加工時における負荷のデータは、ワーク１７が単一の板状部材である場合のデータである。切削抵抗は、図３に示すように、ドリル１４の先端がワーク表面に当接してからワーク１７の内部にあるまでの間（図３の（１）までの期間）、上昇又はほぼ一定の値となる。図３は、負荷（切削抵抗）と切削時間の関係を示しており、軸線周りの回転方向における負荷と、軸線方向である送り方向における負荷それぞれを示している。
【００３４】
そして、位置算出部５によって算出された先端位置に基づいて、ドリル１４の先端がワーク１７に入り始め入口側の穴を形成している又はドリル１４の先端がワーク１７を貫通して出口側の穴を形成していると判断されたとき、ドリル１４の送り速度を低速にする。切削抵抗は、図３に示すように、ドリル１４の先端がワーク１７に入り始め入口側の穴を形成している間、上昇し、ドリル１４の先端がワーク１７を貫通して出口側の穴を形成している間（図３の（１）から（２）までの期間）、低下し、図５に示すように、ドリル１４が穴から抜けると切削抵抗は０に近くなる。また、測定された切削抵抗と相関関係に基づいて、バリの高さが予測される。予測されたバリの高さが予め設定した所定値よりも低くなりそうな場合は、現在のドリル１４の回転速度、送り速度を継続する。一方、予測されたバリの高さが所定値よりも高くなりそうな場合は、現在のドリル１４の回転速度、送り速度を低下させて、バリの高さが所定値よりも低くなるように調整する。
【００３５】
以上より、穴明け加工において、切削抵抗とドリル１４の入口側及び出口側のバリの高さに相関関係があることに基づいて、ワーク１７における材質、板厚、穴径等を設定した後、その設定条件にあった相関関係を使用することによって、ワーク１７に形成されるドリル１４の入口側及び出口側の穴の周囲に生じるバリの高さが、穴明け加工時に測定された切削抵抗に基づいて予測される。
【００３６】
従来は、本実施形態と異なり、切削抵抗とバリ高さの相関関係を使用してバリ高さを予測することは無かった。一方、本実施形態は、切削抵抗を低減して、ドリル１４の入口側及び出口側の穴のバリの発生を防止するだけでなく、実際に測定された切削抵抗に基づいて、穴の周りに発生するバリの「高さ」を予測できる。
【００３７】
従来は、あるワーク１７において、主軸１２の回転速度又は送り速度を設定して、その設定条件によって発生するバリを確認する確認試験を行っていた。そして、従来の確認試験は、切削抵抗の影響を考慮していなかったため、穴明け加工作業毎に行われる必要があった。一方、本実施形態は、穴明け加工作業毎に切削抵抗が変化しても、測定された切削抵抗によって、ドリル１４の入口側及び出口側の穴に発生するバリの高さを予測できるため、穴明け加工作業ごとの確認試験が不要になる。
【００３８】
また、本実施形態では、予測されたバリの高さに基づいて、ドリル１４の駆動が制御される。そして、ドリル１４の駆動が制御されて、ドリル１４の駆動状況が変化することによって、穴明け加工時の切削抵抗も変化する。その結果、穴明け加工時に生じるバリの高さを変化させることができる。例えば、予測されたバリの高さが、所定値に近づいた場合、ドリル１４の駆動状況を変化させることによって、バリの高さを所定値以内に抑えることができる。例えば、ドリル１４の回転速度又は送り速度を低減、又は増加することによって、バリの高さを抑えることができる。
【００３９】
従来は、確認試験を複数回繰り返すことによって、バリの高さを所定値以内に抑えるための設定条件が得られたが、本実施形態では、予測されたバリの高さに基づいて、ドリル１４の駆動が制御され、更にそのときの切削抵抗によってバリ高さを変化させることができるため、確認試験によらずに、バリ高さを所定値以内に抑えることができる。
【００４０】
更に、切削抵抗は、同一種類のワーク１７を切削する場合でも、回数が多くになるにつれて（時間を経るにつれて）、変化する傾向にある。図８及び図９は、バリ高さと穴明け加工回数（穴数）の関係を示している。図８の測定条件は、ワーク１７の材質が、Ti-6Al-4V、板厚が8.9mm×２枚、穴径が16mmであり、２枚重ねの同一材質板の１枚目の出口側（ワーク１７内部）のバリ高さを測定したものである。図９の測定条件は、ワーク１７の材質が、Al7075-T6、板厚が8.9mm、穴径が11mmである。従来は、確認試験によってワーク１７毎の設定条件が得られるとしても、穴明け加工回数（経過時間）に応じた設定条件まで取得することは手間がかかる。一方、本実施形態では、穴明け加工時の切削抵抗に基づいて、ドリル１４の駆動が制御され、バリの高さを変化させることができる。したがって、同一種類のワーク１７を複数回切削して、切削抵抗が変化する場合でも、バリ高さを所定値以内に抑えることができる。
【００４１】
更に、本実施形態では、ワーク１７におけるドリル１４の位置に基づいて、ドリル１４の駆動が制御される。したがって、ドリル１４の位置に応じて、ドリル１４の駆動状況が変化する。一般に、ワーク１７に形成されるドリル１４の入口側及び出口側の穴の周りに生じるバリは、ドリル１４が入口側又は出口側の穴を形成しているときに生じる。したがって、ドリル１４の先端がワーク１７内にあるときと、ドリル１４の先端がワーク１７に入り始め入口側の穴を形成している又はドリル１４の先端がワーク１７を貫通して出口側の穴を形成しているときとで、ドリル１４の駆動状況を変化させることによって、穴明け加工時に生じるバリの高さを変化させつつ、加工に要する時間を変化させることができる。
【００４２】
例えば、図４に示すように、ドリル１４の先端がワーク１７内にあるときは、ドリル１４の回転速度、送り速度を高速にし、ドリル１４の先端がワーク１７に入り始め入口側の穴を形成している間、又はドリル１４の先端がワーク１７を貫通して出口側の穴を形成し始めて、図５に示すように貫通し終えるまでの間は、ドリル１４の回転速度、送り速度を低速にする。このとき、測定された切削抵抗との相関関係に基づいて、ドリル１４の入口側及び出口側の穴に発生するバリの高さが予測されて、回転速度、送り速度が調整される。その結果、本実施形態では、ドリル１４の回転速度、送り速度を一定に制御する場合に比べて、加工時間を短縮しつつ、穴明け加工時に生じるバリの高さを抑えることができる。
【符号の説明】
【００４３】
１  穴明け加工装置
２  主軸モータ
３  送りモータ
１０  支持部
１１  ヘッド部
１２  主軸
１３  チャック
１４  ドリル
１５  台部
１６  テーブル
１７  ワーク（被加工対象）
【図１】
2013066956.tif 000003
【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】
2013066956.tif 000009
【図８】
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【図９】
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