JP2005144580A - 加工方法及び装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 加工精度及び加工速度の低下を避け得る加工方法及び装置の提供
【解決手段】 この加工方法では、主軸２に取付けた加工工具Ｔを主軸と共に回転させて被加工物Ｔを加工する際、主軸２の回転数を実質上連続的に増減させながら加工を行う。典型的には、回転数の実質上連続的増減の仕方をパターンＧ１，Ｇ２，・・・，Ｇ８として予め設定しておいて、該設定パターンに従って主軸２の回転数を実質上連続的に増減させながら加工工具Ｔによる加工を行う。加工装置１は、回転数の実質上連続的な増減の仕方が予め設定された回転数変化設定手段７と、該回転数変化設定手段に設定された回転数の実質上連続的な増減の仕方に従って、主軸２の回転数を実質上連続的に増減させる主軸回転手段６と、主軸回転手段６によって規定される実質上連続的に増減する回転数で回転される主軸２に装着される加工工具Ｔとを有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、加工方法及び装置に係り、より詳しくは、主軸に装着された加工工具が主軸の回転に従って回転される際に被加工物を加工するタイプの加工方法及び装置に係る。

主軸に装着された加工工具が主軸の回転に従って回転される際に被加工物を加工する際に、工作装置本体の構造や工具及びその装着部の構造や工具と被加工物との接触部の状態等の種々の原因で発生・成長する種々の振動が重なり合って、工具の刃先が被加工物の被加工部に対して複雑に振れる合成振動が発生し、成長する。この合成振動は、単独部品又は複合部品からなる各部の固有振動のみならず変動し得る相互の結合状態や運動状態に対応する固有振動によって助長され得る。この合成振動の発生・成長原因は複雑であることから、予め正確に予測・確定することは、実際上、困難である。しかしながら、この合成振動による振幅、すなわち、被加工物の被加工部に対する工具の刃先の振幅が大きくなると、被加工部の加工精度が低下したり被加工面の面粗度が大きくなって、被加工物の品質の低下を招く。なお、切削加工の如き加工に際して、該加工中の振動が所定レベルを超えると、主軸回転数を下げることは、知られている。しかしながら、回転数を低下させた状態で加工を行おうとすると、工具の送り速度を低下させざるを得なくなって、加工時間も長くなってしまう。

また、主軸を空回転させた際に主軸回転数に対して工作機械の振動（主軸及びテーブルの振動）が規則的に変動する様を予め測定しておいて、主軸及びテーブルの振動の位相差（相対振幅）及びテーブルの振幅が小さくなる領域を主軸回転数として選ぶことは、提案されている（特許文献１）。更に、工作機械本体のもつ固有振動に起因する異常振動を本体に誘発させると予想される主軸回転数を予め記憶しておき該回転数を考慮して異常振動の発生を回避し得ると期待される主軸回転数で主軸を回転させるようにすることも提案されている（特許文献２）。しかしながら、この特許文献１や特許文献２に開示の技術では、実際に加工を行う際における工具に対するワークの被加工部の負荷の影響による振動の仕方の変動を考慮していないのみでなく、複雑な原因で生じる可能性のある合成振動が徐々に成長した場合に対する対処を欠く。

一方、各種要因が重なり合って加工工具のところに生じる合成振動を直接的に又は間接的に振動ないし振れセンサで検出し該振動ないし振れが所定レベルを超えた場合に、個々の加工機又は工作機械の特性に応じて、該振動ないし振れが小さくなるように回転連結状態（回転位相）や回転数（回転速度）などを調整することも提案されている（例えば、特許文献３や特許文献４）。しかしながら、特許文献３や特許文献４に開示の技術は、センサで振動を検出し該検出結果に応じたフィードバック制御を行うことを前提としているものであるだけでなく、個別の動力伝達系や駆動系や工具の負荷特性等に応じて制御を行おうとするものであり、装置自体の複雑化を避け難いだけでなく、汎用性に乏しい。

なお、主軸移動速度の変化に応じて主軸を加減速回転させることも提案されている（特許文献５）。しかしながら、この特許文献５に開示の技術は、被加工部が直線部からコーナー部に変わる際には主軸移動速度を下げると共に主軸回転速度を下げ、被加工部がコーナー部から直線部に変わる際には主軸移動速度を上げると共に主軸回転速度を上げることにより、一刃当たりの切込み量を一定に保って振動の発生を防止するものであって、工作装置本体の構造や工具及びその装着部の構造や工具と被加工物との接触部の切込み量以外の状態等の種々の原因による振動の発生・成長を防ぐものではない。

以上のとおり、一定の回転数で主軸及び工具を回転させながら加工を行う場合、負荷状態及び回転数に応じて被加工物の被加工部に対して工具の刃先が複雑に振動する合成振動が発生・成長するのを避け難い反面、この有害な合成振動を正確に予測することは実際上極めて難しい。
特開平８−２２９７７２号公報 特開２００２−２８３１８６号公報 特開平９−５７５１０号公報 特開２０００−２１０９２７号公報 特開平５−２００６４８号公報

一般的には、工作機械の主軸の回転数（回転速度）が下がると、加工速度が低下する虞れがあり、また、加工表面の面粗さが増大する虞れもある。従って、加工に応じて、工作機械の回転数をある程度のレベルに維持することが望まれる。

本発明者は、工作機械を用いた切削加工等を実際に行う中で、ある一定の回転数で主軸を回転させながら切削加工等を行っている際に被加工物及び工具の振動が大きくなってきた場合に、主軸の回転数を当該一定の回転数よりも上げたときにも、被加工物及び工具の振動が一時的には低減され得ることを経験した。

本発明は、前記諸点に鑑みなされたものであって、その目的とするところは、加工精度及び加工速度の低下を避け得る加工方法及び装置を提供することにある。

本発明の加工方法は、前記目的を達成すべく、主軸に取付けた加工工具を主軸と共に回転させて被加工物（以下では、ワークともいう）を加工する加工方法であって、主軸の回転数を実質上連続的に増減させながら加工を行うことからなる。

本発明の加工方法では、主軸の回転数を実質上連続的に変化（増減）させるので、ある回転数で主軸が回転している際に該主軸回転数に応じて発生する振動が加工を害する程度に大きく成長する前に主軸の回転数が変わってしまうから、主軸回転数が一定の場合と異なり、振動が大きく成長する虞れが少なく、加工精度が低下する虞れが少ない。また、本発明の加工方法では、主軸の回転数を増減させる、すなわち、（１）一つの加工のうちある時間帯では主軸回転数を増加させるから、主軸回転数を単に低減させる場合と異なり、主軸回転数が過度に低下するのを避け得、主軸回転数の過度な低下に伴う加工速度や加工精度の低下を避け得るだけでなく、（２）一つの加工のうちある時間帯では主軸回転数を低減させるから、主軸回転数を過度に増加させるのも避け得る。

ここで、主軸回転数の増減に関して、「実質上連続的」とは、所望のサンプリング時間間隔の間は主軸回転数が一定であるような場合も含む趣旨である。このサンプリング時間間隔は、典型的には、１秒よりも短く０．１秒程度もしくは０．０１秒程度であるけれども、それ以下であってもよく、場合によっては、数秒程度又はそれ以上であってもよい。なお、工具及び主軸を含む系の慣性能率や回転駆動系の慣性能率に応じて、主軸回転数の増加速度や減少速度は、過度の負荷にならない範囲内で選択される。

主軸回転数の上限（最大値ないし極大値）や下限（最小値ないし極小値）又は基準回転数に対する変動幅（すなわち、最大値−最小値）もしくは変動率（すなわち、（最大値−最小値）／基準回転数）は、加工の種類やワークの種類等各種の加工条件に応じて、選択され得る。

この主軸回転数の増減は、典型的には、主軸回転数の周期的な増減変動により実現されるけれども、所望ならば、周期性のない増減変動であってもよい。

但し、主軸回転数の増減の間に必ず主軸回転数の低減過程が含まれることから、駆動源となる工作機械本体ないしパワープラントの側に動力伝達系や駆動系のバックラッシュができるだけ小さく主軸のガタツキが十分に小さいことが好ましい。従って、動力伝達系や駆動系としては、好ましくは、セラシギアや、プーリや、ＣＶＴ（変速比連続可変型変速機）や、遊星歯車式減速装置や、油圧式回転装置が、用いられる。但し、その代わりに、慣性能率の大きい出力側に回転ブレーキ装置を並設しておくことにより、減速に入る際（及び該減速状態から加速状態に戻る際）のバックラッシュの影響を避けるようにしてもよい。例えば、予想される切削抵抗より大きな回転を得られるはずみ車を設けてもよい。また、回転の動力伝達系や駆動系は、回転数の増大や減少の際に、最大及び最小回転数（回転速度）範囲内で、回転のハンチングが生じ難いものにしておくことが望まれる。

本発明の加工方法では、典型的には、回転数の実質上連続的増減の仕方をパターンないし可変曲線として予め設定しておいて、該設定パターンに従って主軸の回転数を実質上連続的に増減させながら加工工具による加工を行う。本発明の加工方法では、典型的には、回転数の実質上連続的増減の仕方をパターンとして予め設定しておくことが、記憶手段にパターンを記憶させておくことからなり、該記憶手段に記憶された複数のパターンのうちの一のパターンを選択して、該選択パターンに従って主軸の回転数を変化させる。

ここで、パターンの選択は、例えば、工作機械（種類、大きさ等）や被加工物（材料、被加工部の形状等）や工具（種類や大きさや刃先等）や切削油（有無や種類等）等の諸条件に応じて、適宜選択され得る。従って、事前に、データの蓄積をしておくことが好ましい。なお、詳細なデータを欠く場合には、試し削りの如き試し加工を行って、基準になる回転数や該回転数の上・下限を定めておくことが好ましい。

パターンは、多数の数値の列で与えられてもよいけれども、典型的には、一つ又は複数の関数で与えられる。その場合、典型的には、正弦関数の如き関数形に応じた関数発生器又は関数演算器などによって、微小時間間隔ごとの関数値を発生させるようにしておく。そのような関数は、正弦関数のような一つの関数のみからなる代わりに、一つの繰返し周期内で相互に連続的につながる複数の関数からなっていてもよい。後者の例としては、一次関数も含まれ得る。但し、極大値や極小値を採る領域の近傍では、被加工物や工作機械本体及び工具等に応じて、関数値が滑らかに変化するように（唐突な変化にならないように）、二次関数などで近似することが好ましい。一方、多数の数値の列を予め保持しておく場合には、典型的には、一次関数又は二次関数などで補間し得るように、補間演算部分を並設しておく。その場合、典型的には、補間を、一次関数で行うか二次関数などで行うかを予め指定しておき、上述のように、極値近傍では二次関数などで補間し、また、変曲点近傍では三次関数などで補間する。

パターンの指定が一つ又は一組の関数形の指定である場合、関数形を規定する一つ又は複数のパラメータを指定することにより、関数形を確定する。このようなパラメータとしては、例えば、回転数の増減幅や増減の変動周期が含まれる。従って、典型的には、回転数の増減幅及び増減の変動周期のうちの少なくとも一方をパラメータとして指定して、該少なくとも一方を変更可能である。

例えば、正弦波をパターンとして指定する場合、Ｇ＝Ａ・ｓｉｎ（２πｆｔ＋θ）として、関数形が与えられるとすると、回転数の増減幅は振幅パラメータＡで規定され、回転数の増減周期は周波数パラメータｆで規定され、回転数を当初増加させるか減少させるかは位相パラメータθが０であるかπであるかにより規定される。当然ながら、振幅パラメータＡを符号を含めて指定することにより、位相パラメータを別個に指定しないようにしてもよく、また、位相パラメータの異なるものは、別のパターンとして別個準備しておいてもよい。

また、当然ながら、振幅パラメータＡの代わりに、基準回転数Ｎ０に対する変動幅２Ａの大きさの割合すなわち変化率Ｈ＝２Ａ／Ｎ０を指定し、振幅パラメータを（Ｈ・Ｎ０）／２として求めてパターンを決定するようにしてもよい。変化率Ｈは、典型的には、基準ないし基礎回転数Ｎ０を中心にして、１％程度〜１５０％程度の範囲に選ばれる。変化率Ｈが大き過ぎると、上限側では回転数が大きくなり過ぎる虞れがあり、下限側では回転数が小さくなり過ぎる虞れがある。一方、変化率Ｈが小さ過ぎると、合成振動の基礎となる振動のうち共振の生じ易い振動数が十分に変化しないことにより、発生した合成振動が成長するのを確実に避け難くなる虞れがある。但し、当然ながら、変化率Ｈの下限値や上限値は、工作機械や工具や加工の種類等により異なり得る。従って、例えば、入力操作時又は加工時に当該機械特性に合わせて、警告や警報を発したり、加工が停止されるようにしておいてもよい。

更に、当然ながら、周波数パラメータは、角速度２πｆや周期ＴＲ＝１／ｆで代替され得る。なお、ここで、ｔ＝（ｉ・Δｔ）として、時間分解能Δｔを決定するようにしても、繰返し周波数ｆの多少にかかわらず一定の間隔で変動させるように、ｔ＝ｉ・（Δｔ／ｆ）として、回転数変動位相分解能Δｔ／ｆを指定するようにしてもよい。

本発明の加工方法では、典型的には、加工は切削加工であるけれども、ドリルによる穴明など他の種類の加工でもよい。すなわち、本発明の加工方法は、例えば、中ぐり盤や旋盤やフライス盤等における切削加工に用いられる。但し、本発明の加工方法は、ボール盤等による穴明加工に用いられてもよい。なお、この穴明加工を、広義には、切削加工とみなしてもよい。例えば、ドリルによる穴明加工の如きスラスト方向の加工の場合、主軸回転数を連続的に増減させることにより合成振動の成長を抑制し得るだけでなく、切子の排出速度が増減変動するので、切子の排出速度が高くなるときに切子が切れ易くなるから、切子を排出し易くなるという利点もある。

以上において、工具の送り速度は、加工面粗度が加工目的に応じた所望レベル以下に抑えられ得る限り、大きくされる。本発明の加工方法では、主軸回転数を増減させながら加工を行うことにより工具の刃先部の振動が最小限に抑えられ得るので、工具の送り速度を高めることが可能になり、加工速度を高めることが可能になる。

本発明を装置の観点で見ると、本発明の加工装置は、前記目的を達成すべく、回転数の実質上連続的な増減の仕方が予め設定された回転数変化設定手段と、該回転数変化設定手段に設定された回転数の実質上連続的な増減の仕方に従って、主軸の回転数を実質上連続的に増減させる主軸回転手段と、主軸回転手段によって規定される実質上連続的に増減する回転数で回転される主軸に装着される加工工具とを有する。

本発明の加工装置では、典型的には、回転数変化設定手段が、回転数の実質上連続的な増減の仕方が格納される記憶手段を有する。

本発明の加工装置では、典型的には、回転数の増減幅及び増減の変動周期のうちの少なくとも一方をパラメータとして指定して、該少なくとも一方を変更可能である。

また、本発明の加工装置では、典型的には、加工が切削加工又はドリルによる穴明加工である。

次に、本発明の好ましい一実施の形態を添付図面に示した好ましい一実施例に基づいて説明する。

図１には、本発明による好ましい一実施例の加工方法に従って被加工物ないし被工作物すなわちワークＰの加工を行う本発明による好ましい一実施例の加工装置としての工作機械１が示されている。

中ぐり盤の如き工作機械１では、被加工物ないし加工対象物であるワークＰは、ワーク保持台８０のターンテーブル８１上に載置・固定されていて、ターンテーブル８１の回転中心軸線Ｂのまわりで回転可能である。但し、ワーク保持台８０によるワークＰの保持や変位（並進移動や回転等）のさせ方は異なっていてもよく、例えば、回転中心軸線Ｂの延在方向（この例では次に説明する鉛直方向Ｙに一致する）にワークＰが位置調整可能に支持されていても、ワークＰが床Ｅに平行な水平面内で位置調整されるように該水平面内で並進移動可能に支持されていてもよい。

工作機械１は、工具保持部を介して先端部に工具Ｔが取付けられた主軸２を備え、主軸２はその中心軸線Ｃのまわりで回転可能である。工具Ｔは、例えば、先端部の一側縁に刃先Ｔｐを備えたボーリングバーないし中ぐりバイトからなる。工作機械１は、更に、工具位置制御部３を備え、該工具位置制御部３は、工具Ｔないし主軸２を、床Ｅに対して、Ｘ，Ｙ，Ｚ方向に位置決めないし並進移動可能である。より詳しくは、工具Ｔは、ワークＰに対して近接離間する方向（工具Ｔの送り方向）Ｚ並びに該Ｚに垂直な面内で床Ｅの面に平行な水平方向Ｘ及び床Ｅの面に垂直な上下方向Ｙに移動可能に、工作機械１のフレームないし本体部４によって支持されている。すなわち、この例では、説明の簡便化のために、床Ｅの面がＺＸ面に平行で、鉛直方向がＹ方向になるように三次元直交座標系Ｘ−Ｙ−Ｚを採っている。

工作機械１は、各時点ｔ＝ｔｉ（図３参照）において主軸２を指定された回転数Ｎ＝Ｎｉで回転駆動する主軸回転駆動部６を備える。この回転数Ｎ＝Ｎｉは、以下に詳述する回転数増減機構７により与えられる。

回転数増減機構７は、実質上連続的に増減変動されるべき主軸２の回転数の値Ｎ＝Ｎｉを生成・送信するものであって、例えば、図１に示したように、波形パターン記憶部１０と、波形パターン指定パラメータ指定部２１から波形パターン指定パラメータＤ１が与えられる回転数増減パターン決定部２０と、回転数増減振幅パラメータ指定部３１及び回転数増減変化速度（周波数）パラメータ指定部３２から回転数増減振幅パラメータＤ２及び回転数増減変化速度（周波数）パラメータＤ３が夫々与えられる回転数増減波形決定部３０と、分解能パラメータ指定部４１から分解能パラメータＤ４が与えられる回転数増減量決定部４０と、基準回転数パラメータ指定部５１から基準回転数パラメータＤ５＝Ｎ０が与えられ該基準回転数ないし基礎回転数Ｎ０と回転数増減量決定部４０で決定された増減回転数ΔＮｉとから駆動回転数を決定する回転数決定部５０とを有する。

なお、この例では、増減回転数ΔＮｉとして、回転数値自体が与えられるとして説明するけれども、その代わりに、基準回転数Ｎ０で規格化された値すなわち増減割合ないし変化率ｈｉ＝ΔＮｉ／Ｎ０が与えられるようにしてもよい。その場合、当然ながら、回転数決定部５０では、Ｎ＝Ｎｉ＝Ｎ０＋ΔＮｉの演算をする代わりに、Ｎ＝Ｎｉ＝Ｎ０（１＋ｈｉ）の演算をして、演算結果Ｎ＝Ｎｉを主軸回転駆動部６に与えることになる。

波形パターン記憶部１０は、例えば、図２の（ａ）〜（ｈ）に示したような波形パターンＧ１，Ｇ２，Ｇ３，Ｇ４，Ｇ５，Ｇ６，Ｇ７，Ｇ８（以下において、これらを総称するときや一般的に表すときには、符号Ｇｊで表すこともある）を格納している。図２の（ａ）〜（ｈ）は、基準回転数Ｎ０を中心位置（ΔＮ＝０）とし、最大値ｍ１又は最小値ｍ２のうちの絶対値が大きい方を１に規格化した増減割合Δｎ＝ΔＮ／ΔＮ_ｍａｘを示しているものとする。図２では、説明の簡明化のために、ｍ１＝│ｍ２│（＝１）として、示されているけれども、ｍ１>│ｍ２│でも、ｍ１<│ｍ２│でもよい。図２の（ａ）〜（ｈ）ににおいて、横軸は規格化された標準時間ｔｓを表す。

図２の（ａ）及び（ｂ）のパターンＧ１，Ｇ２は、例えば、正弦曲線のような波形であって、パターンＧ１は最大値ないし極大値ｍ１近傍や最小値ないし極小値ｍ２近傍での時間変化が小さく基準回転数Ｎ０（図２の（ａ）や（ｂ）では、縦軸Δｎの値が０の位置）近傍での時間変化が大きく、パターンＧ２は基準回転数Ｎ０近傍での時間変化だけでなく最大値ないし極大値Ｍ１近傍や最小値ないし極小値Ｍ２近傍での時間変化も大きい。なお、両方とも正弦波で近似できるときは、その差異は、回転数の増減変化速度（周波数）Ｄ３＝ｆに帰せしめ得るから、パターンＧ１，Ｇ２は一つの正弦波パターンで代替して、回転数増減変化速度（周波数）パラメータＤ３の大きさで、パターンＧ１，Ｇ２に近似するパターンを生成するようにしてもよい。なお、（ａ）や（ｂ）では、時点ｔｓ＝０の直後において、まず、回転数を増加させる向きに変化させているけれども、上下を反転させて、時点ｔｓ＝０の直後において、まず、回転数を減少させる向きに変化させる点を除き同様な変化を行わせるようなパターンを別個準備しておいても、または、時点ｔｓ＝０の直後に増加させるか減少させるかを指定し得るようにしておいてもよい。

図２の（ｃ）のパターンＧ３は、基準回転数Ｎ０よりも大きい状態を長い間採り基準回転数Ｎ０よりも小さい状態を短時間だけ採るように、回転数を増減させるものであり、一方、図２の（ｄ）のパターンＧ４は、基準回転数Ｎ０よりも小さい状態を長い間採り基準回転数Ｎ０よりも大きい状態を短時間だけ採るように、回転数を増減させるものである。前述のように、時点ｔｓ＝０の直後に、回転数を増大させるか低減させるかを指定し得るようにしておく場合、パターンＧ３，Ｇ４の一方は他方で代替してもよい。勿論、波形自体が異なる場合には、併存させておけばよい。

図２の（ｅ）や（ｆ）や（ｇ）のパターンＧ５，Ｇ６，Ｇ７は、最大値ないし極大値ｍ１の近傍や最小値ないし極小値ｍ２近傍で回転数を滑らかに変える点を除いて、他の箇所では、直線的に回転数を増減するものである。より詳しくは、パターンＧ５では、回転数を上げるときには比較的短時間のうちに回転数を最大値ｍ１まで上げ、下げるときには比較的長時間をかけて回転数を最低値ｍ２まで下げる。一方、パターンＧ６では、回転数を上げるときには比較的長時間をかけて回転数を最大値まで上げ、下げるときには比較的短時間のうちに回転数を最低値まで下げる。なお、パターンＧ７では、回転数の増大や低減を同程度の速さで行なう。これらの場合にも、Ｇ５，Ｇ６，Ｇ７のパターンの夫々を、上下反転させたようなパターンを別のパターンとして予め準備しておいても、その代わりに、時点ｔｓ＝０の直後に増加させるか減少させるかを指定し得るようにしておいてもよい。

図２の（ｈ）のパターンＧ８は、図の（ｄ）のパターンＧ４とほぼ同様であるけれども、基準回転数Ｎ０を超えて回転数を上げる時間を短くするように、基準回転数Ｎ０以上では、基準回転数以下の領域にある場合の大半の時間と比較して急激に直線的に回転数を上げ、且つ最大回転数ｍ１の領域を越えると、基準回転数以下の領域にある場合の大半の時間と比較して回転数を急激に直線的に下げている。また、回転数が基準回転数以下の場合には最小値ないし極小値ｍ２から相当離れた領域でも、相対的に長い時間かけて該領域から回転数の高い領域に戻している。所望ならば、この場合にも、Ｇ８のパターンを上下反転させたようなパターンを別のパターンとして予め準備しておいても、時点ｔｓ＝０の直後に増加させるか減少させるかを指定し得るようにしておいてもよい。

波形パターン記憶部１０では、例えば、以上のようなパターンＧ１〜Ｇ８を、典型的には関数形の形で保持する。関数形は、単一の関数でも複数の関数の組であってもよい（例えば、パターンＧ１は、ｓｉｎ（ｔｓ）で表される）。但し、所望ならば、パターンを表すアナログデータ又はパターンに沿った多数の点の数値データとして保持するようにしておいてもよい。

回転数増減波形パターン決定部２０は、波形パターンパラメータＤ１の指定部２１における波形パターンパラメータＤ１の値の指定、例えばＤ１＝１，２，・・・，又は８に応じて、波形パターン記憶部１０から波形パターンＧ１〜Ｇ８のいずれかを決定パターンＧｊとして取り出す。勿論、格納部１０からパターンデータ自体を取り出す代わりに、指定された（取り出すべき）パターンデータ特定データすなわち波形パターン指定パラメータＤ１の値Ｄ１＝ｊを保持するようにしてもよい。ここで、波形パターンパラメータＤ１の値は、パターンの番号Ｇ１〜Ｇ８に対応して、例えば、１〜８までの間の整数であり得、例えば、Ｄ１＝ｊ＝１の場合には、波形パターンＧ１が指定され、回転数増減波形パターン決定部２０が、波形パターンＧ１のデータを記憶部１０から取り出すか、当該パターンＧ１のデータを取出し可能状態に設定される。

回転数増減波形決定部３０は、回転数増減振幅パラメータ指定部３１で指定される回転数増減振幅パラメータすなわち振幅値Ｄ２と、回転数増減変化速度（周波数）指定部３２で指定される回転数増減変化速度（周波数）パラメータすなわち周波数値Ｄ３とに応じて、回転数増減波形パターン決定部２０で決定された波形パターンＧｊ（この例ではｊ＝１〜８のいずれか）の最終形状を決定する。

ここで、典型的なｍ１＝│ｍ２│＝１の場合、Ｄ２＝Ａとして回転数の増減変動の振幅値Ａを与えるようにしても、Ｄ２＝Ｈ＝２Ａとして変動幅を与えるようにしてもよい。勿論、前述のように、Ｄ２＝Ａｋとして基準回転数Ｎ０で規格化された振幅Ａｋ＝Ａ／Ｎ０（但しＡは振幅値）を与えるようにしても、基準回転数Ｎ０で規格化された変動幅Ｈｋ＝Ｈ／Ｎ０＝２Ａ／Ｎ０を与えるようにしてもよい。

但し、場合によっては、ｍ１≠│ｍ２│であり得、その場合には、パラメータＤ２が一つの数値ではなくて二つの数値Ｄ２_１＝Ａ１（増加側最大振幅値），Ｄ２_２＝Ａ２（減少側最大振幅値）からなる（これらも、基準回転数Ｎ０で規格化されたものＡ１ｋ，Ａ２ｋでもよい）。

また、回転数増減変化速度（周波数）パラメータないし周波数値Ｄ３は、典型的には、単位時間あたりのパターンの繰返し回数すなわち繰返し周波数ｆであるけれども、波形が正弦波などの場合には、角周波数ωであってもよい。また、当然ながら周波数ｆの代わりに、周期ＴＲ＝１／ｆ等で代替されてもよい。

いずれにしても、パラメータＤ１で波形パターンが決定され、パラメータＤ２及びＤ３で、回転数増減波形が具体的に波形Ｇｊ_ｄとして決定される。例えば、波形パターンＧ１を表すΔｎ＝ｓｉｎ（ｔｓ）は、パラメータＤ２＝Ａ，Ｄ３＝ｆにより、波形Ｇ１_ｄを表すΔＮ＝Ａ・ｓｉｎ（２πｆｔ）として決定される（図３）。なお、増減幅Ｈを用いる場合、ΔＮ＝（Ｈ／２）・ｓｉｎ（２πｆｔ）であり、Ｎ０で規格化する場合は、ΔＮ／Ｎ０＝Ａｋ・ｓｉｎ（２πｆｔ）又はΔＮ／Ｎ０＝（Ｈｋ／２）・ｓｉｎ（２πｆｔ）である。ここで、ｔｓ＝２πｆｔとしている。

回転数増減量決定部４０は、分解能パラメータ指定部４１で指定される分解能パラメータＤ４すなわち短いサンプリング時間間隔Ｄ４＝Δｔ毎に、回転数増減量ΔＮｉを決定する。例えば、Ｇ１_ｄの場合、図３に示したように、ΔＮｉ＝Ａｓｉｎ｛（２πｆ）・（ｔｉ）｝である。ここで、ΔＮｉ＝Ｇｊ_ｄ（ｔｉ）、但し、ｔｉ＝ｉ・Δｔである。なお、回転数増減周波数ｆの大小に応じて時間間隔Δｔを変えるようにしてもよい。例えば、回転数増減周波数ｆの多少にかかわらず、主軸２が一定の回転角だけ回転される毎にサンプリングを行うように、Δｔ＝α／ｆ（αは定数）としておいてもよい。なお、ΔＮｉの代わりにΔＮｉ／Ｎ０を決定するようにしてもよいことは、前述の場合と同様である。

回転数決定部５０は、基準回転数パラメータＮ０を加えて、各時点ｔｉにおける指定回転数Ｎｉを求める。すなわち、Ｎｉ＝ΔＮｉ＋Ｎ０＝Ｇｊ_ｄ（ｔｉ）＋Ｎ０として、時間に依存して増減・変動する指定回転数Ｎｉを求める。

各時点ｔｉにおけるこの指定回転数Ｎｉは、工作機械本体４の主軸回転駆動部６に与えられて、主軸２が時点ｔｉにおいて指定回転数Ｎｉで回転駆動される。

ワークＰの加工に際しては、主軸２の先端の工具ＴをワークＰの被加工部Ｐｗに近接せしめた後、例えば、主軸２及びこれに装着された工具Ｔを、指定回転数Ｎｉで回転させながら、工具位置制御部３の制御下で、該工具ＴをＺ方向に所望速度Ｆで送る。

仮に、主軸２及びこれに装着された工具Ｔを一定速度Ｎ０で回転さながら工具ＴをＺ方向に所望速度Ｆで送るケースを想定する。この仮定ケースでは、工作機械１の本体部４等の機械的な構造や形状や各部の質量分布や慣性モーメントなどに起因して、図４の（ａ）に示したように、工具Ｔの刃先部Ｔｐにおける合成振動の振幅（主軸２の観点中心軸線Ｃに垂直な面に沿う方向の振幅）ＶＡが、徐々に且つ次第に指数関数的に大きくなる。その結果、このように一定回転数ないし回転速度Ｎ０に保ったままでは、実質的に加工を継続し得ない程加工を阻害する有害な合成振動ＶＢａになる。

このような状況下で、従来は、振動がある程度以上大きくなると、振動が十分に落ちるまで回転数を下げ、該低下した別の一定回転数で加工を継続的に行っていた。しかしながら、回転数を下げた場合には、当然ながら、工具ＴによるワークＰの加工能力が低下するので、多くの場合工具Ｔの送り速度もある程度低下させざるを得なくなる。更に、回転数が低くなるとワークＰの被切削部Ｐｗに対する工具Ｔの切刃ないし刃先Ｔｐの実効走行速度が小さくなることから、加工面の表面粗さが大きくなり易い。加えて、従来の加工法では、主軸回転数を下げた状態で加工を行っている際に工具Ｔの振動が大きくなってくると、回転数を更に低下させることになり、加工速度の低下及び加工面の表面粗さの増大が一層顕著になる虞れがあったり、加工可能な回転数の下限に達して実際上加工を続行し難くなる虞れもある。

これに対して、工作機械１で実現される本発明の好ましい一実施例による加工方法では、主軸回転数Ｎを積極的に実質的に常時変動させている。従って、ある時点ｔｉ達する前の時点ｔｈにおいて主軸２が特定の回転数Ｎｈで回転されていると仮定すると、当該回転数での加工を継続した場合には、図４の（ａ）において振動状態ＶＢａで示したように少し後の時間帯ｔ_Ｒ１では振動が成長してくるとしても、時点ｔｉにおいて主軸２の回転数ＮがＮｉに変更される（場合によっては、引き続く時点ｔ（ｉ＋１），ｔ（ｉ＋２），・・・，ｔ（ｉ＋ｕ）において回転数が更にＮ（ｉ＋１），Ｎ（ｉ＋２），，・・・に変更される）ことにより、時間帯ｔ_Ｒ１では、主軸２の回転数Ｎが、時点ｔｈにおける回転数Ｎｈから比較的大きくズレた回転数Ｎｉ（又はＮ（ｉ＋ｕ））になっているので、共振周波数がズレ、合成振動のモードも変わるから、回転数Ｎｉの場合の共振に伴う振動の発生・成長が抑制されて別の合成振動状態ＶＢｂになる。勿論、主軸回転数Ｎｉ（又はＮ（ｉ＋ｕ））に応じた別の共振は時間帯ｔ_Ｒ１以降徐々に成長しようとする。但し、この回転数Ｎｉ（又はＮ（ｉ＋ｕ））に対応する共振に応じた振動状態ＶＢｂが無視し難い程度に成長する時間帯ｔ_Ｒ２より十分前の時点ｔｑ（又はｔ（ｑ＋ｖ））に、主軸回転数Ｎが更に別の回転数Ｎｑ（又はｔ（ｑ＋ｖ））に変えてしまっているので、このような振動ＶＢｂの成長も抑制され得、別の合成振動状態ＶＢｃになる。従って、本発明の好ましい一実施例による加工方法では、工具Ｔの振動状態を、ＶＢａ→ＶＢｂ→ＶＢｃ→・・・と移行させることにより、振動が成長するのを避け得、工具Ｔの振動の振幅は、図４の（ｃ）及び（ｂ）において、線Ｖｍの範囲内で模式的に実線で示した微小合成振動に抑えられ得る。

特に、工作機械１で実現される本発明による好ましい一実施例の加工方法では、主軸回転数Ｎは、一方的に低減されるのではなくて、増減せしめられる。工作機械１で実現される本発明による好ましい一実施例の加工方法の場合、少なくとも、主軸回転数Ｎが時間の経過と共に徐々に増加される時間帯を含む。そのような時間帯では、ワークＰの被切削部Ｐｗに対する工具Ｔの切刃Ｔｐの実効走行速度が高められるから、加工速度を高めることが可能になり工具ＴのＺ方向の送り速度を高め得るだけでなく、加工面の表面粗さを低減させることも可能になる。

工作機械１で実現される本発明による好ましい一実施例の加工方法では、典型的には、主軸回転数Ｎは、所望の最大回転数Ｎ０＋Ｍ１（但しＮ０は基準回転数で、Ｍ１＝ｍ１・Ｎ０）と所望の最低回転数（Ｎ０＋Ｍ２）（但し、Ｍ２<０で、Ｍ２＝ｍ２・Ｎ０）との間で、周期的に増減変動せしめられる。従って、主軸回転数Ｎが過度に小さくなるのを確実に避け得るだけでなく、主軸回転数Ｎが過度に大きくなるのも避け得る。

なお、基準回転数Ｎ０をどの程度にするか、基準回転数Ｎ０に対する回転数Ｎの最大増加幅Ｍ１をどの程度にするか、基準回転数Ｎ０に対する回転数Ｎの最大減少幅Ｍ２をどの程度にするか、回転数Ｎの増減変動の繰返し周波数ｆないし周期ＴＲ＝１／ｆをどの程度にするか、回転数Ｎの増加速度又は減少速度ΔＮ／Δｔを最大でどの程度にするか等は、ワークＰの材質や大きさ、被加工部の形状やサイズ（加工領域の断面の大きさや加工深さ）、加工及び工具の種類などに応じて、適宜、事前に試験的な加工を行って予め定めておく。勿論、データを蓄積してある場合には、ワークＰの材質など一部の条件については、事前テストは省略可能である。

［比較試験］
工作機械１で実現される本発明の一実施例の方法に従った試験例ＳＴ１と、従来の方法に従った比較例ＣＴ１とについて、比較試験をおこなった。この比較試験では、ＦＣＤ−４００（球状黒鉛鋳鉄製で、引張り強度：４００Ｎ／ｍｍ^２以上、耐力：２５０Ｎ／ｍｍ^２以上、硬さ：１３０〜１８０ＨＢのもの）からなるワークＰに対して、主軸や工具の大きな振動が避けられ得る範囲で、直径１３０ｍｍの穴をあける中ぐり加工を行った。条件及び結果は、次の表１のとおりである。

この場合、表１からもわかるとおり、送り速度Ｆを２６ｍｍ／分から６０ｍｍ／分へと二倍以上にして加工速度を二倍以上にしても、ビビリが出るのを避け得、加工面粗度をより高めることが可能であることがわかる。

なお、ここでは、刃先の磨耗限界のために加工速度をこれ以上高めることができなかったけれども、試験例の条件下でも振動の問題は生じなかったことから、刃先の送り限界速度が更に高いものを用いれば機械と面粗度の許す範囲内でより高速な加工を行い得ることも実際上確認できた。

なお、図１の工作機械１において、工具送り速度指定部８で、工具ＴのＺ方向の送り速度Ｆ又はその時間的変化のパターンを指定し、該指定に応じて、工具送り制御部９で工具ＴをＺ方向に速度Ｆで送るようにしておく場合には、ワークＰをワーク保持台８０に装着するだけで、実際上、自動的に加工を行うようにし得、省力化も図り得る。その場合、工具送り指定部８における送り速度Ｆを、回転数増減機構７における回転数の増減のタイミングに合わせて変動させるように、全体を一組で指定し得るようにしておいてもよい。

以上においては、中ぐり盤による切削加工の例について説明したけれども、例えば、ボール盤においてドリルによる穴明加工を行う場合、例えば、主軸送り速度を一定に保ったまま工具Ｔたるドリル及びその主軸の回転数を実質的に連続的に増減させると、回転数が大きい領域では切子の排出速度も高くなり回転数の小さい領域では切子の排出速度も低くなるので、排出される切子の厚み（密度分布）にムラが生じ、切子が切断され易くなるから、切子の排出が行われ易くなり加工能率が高められ易い。

本発明による好ましい一実施例の加工方法に従って加工を行う本発明による好ましい一実施例の加工装置としての工作機械の模式的説明図。 図１の工作機械で用いられる種々の回転数増減パターンを示したもので、（ａ）〜（ｈ）は八種類の回転数増減パターンの夫々を示した模式的グラフ（夫々において横軸は時間、縦軸は回転数の変化量）。 図１の工作機械で図２の（ａ）の正弦波的増減パターンを採用した場合においてサンプリング間隔Δｔ毎に回転数の増減量又は増減率を設定する状況を示した説明図。 工作機械における合成振動の成長及び抑制を示したもので、（ａ）は一定回転数で加工を行う従来の方法の場合における合成振動の成長を示した説明図、（ｂ）は回転数を増減変動させることにより、合成振動の成長の抑制を行う様相の全体を示した説明図、（ｃ）は（ｂ）の一部を拡大して示した説明図。

符号の説明

１ 工作機械
２ 主軸
３ 工作位置制御部
４ 工作機械本体部
６ 主軸回転駆動部
７ 回転数増減機構
８ 工具送り速度指定部
９ 工具送り制御部
１０ 波形パターン記憶部
２０ 回転数増減パターン決定部
２１ 波形パターン指定パラメータ指定部
３０ 回転数増減波形決定部
３１ 回転数増減振幅パラメータ指定部
３２ 回転数増減変化速度（周波数）パラメータ指定部
４０ 回転数増減量決定部
４１ 分解能パラメータ指定部
５０ 回転数決定部
５１ 基準回転数パラメータ指定部
８０ ワーク保持台
８１ ターンテーブル
Ａ 振幅
Ｂ ターンテーブルの回転中心軸線
Ｃ 主軸の回転中心軸線
ＣＴ１ 比較例（従来例）
Ｄ１ 波形パターン指定パラメータ
Ｄ２ 回転数増減振幅パラメータ
Ｄ３ 回転数増減変化速度（周波数）パラメータ
Ｄ４ 分解能パラメータ（サンプリング時間間隔）
Ｄ５ 基準回転数パラメータ
Ｅ 床
Ｆ 工具の送り速度
ｆ 回転数増減変化速度（周波数）
Ｇｊ，Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３，Ｇ４，Ｇ５，Ｇ６，Ｇ７，Ｇ８ 波形パターン
ｍ１，Ｍ１ 最大値（極大値）
ｍ２，Ｍ２ 最小値（極小値）
Ｎ０ 基準（基礎）回転数
Ｎｉ 指定回転数
Ｐ ワーク
ＳＴ１ 試験例
Ｔ 工具
Ｔｐ 刃先
ＴＲ 回転数増減変化周期
ｔｈ，ｔｉ，ｔｑ 時点
ｔ_Ｒ１，ｔ_Ｒ２ 時間帯
ΔＮ，ΔＮｉ 増減回転数
Δｔ サンプリング時間間隔
ＶＢａ，ＶＢｂ，ＶＢｃ 振動状態
Ｘ，Ｙ，Ｚ 座標軸（三次元直交座標系）

Claims (9)

1. 主軸に取付けた加工工具を主軸と共に回転させて被加工物を加工する加工方法であって、主軸の回転数を実質上連続的に増減させながら加工を行う加工方法。
2. 回転数の実質上連続的増減の仕方をパターンとして予め設定しておいて、該設定パターンに従って主軸の回転数を実質上連続的に増減させながら加工工具による加工を行う請求項１に記載の方法。
3. 回転数の実質上連続的増減の仕方をパターンとして予め設定しておくことが、記憶手段にパターンを記憶させておくことからなり、該記憶手段に記憶された複数のパターンのうちの一のパターンを選択して、該選択パターンに従って主軸の回転数を変化させる請求項２に記載の方法。
4. 回転数の増減幅及び増減の変動周期のうちの少なくとも一方をパラメータとして指定して、該少なくとも一方を変更可能である請求項１から３までのいずれか一つの項に記載の方法。
5. 加工が切削加工又はドリルによる穴明加工である請求項１から４までのいずれか一つの項に記載の方法。
6. 回転数の実質上連続的な増減の仕方が予め設定された回転数変化設定手段と、
   該回転数変化設定手段に設定された回転数の実質上連続的な増減の仕方に従って、主軸の回転数を実質上連続的に増減させる主軸回転手段と、
   主軸回転手段によって規定される実質上連続的に増減する回転数で回転される主軸に装着される加工工具と
   を有する加工装置。
7. 回転数変化設定手段が、回転数の実質上連続的な増減の仕方が格納される記憶手段を有する請求項６に記載の加工装置。
8. 回転数の増減幅及び増減の変動周期のうちの少なくとも一方をパラメータとして指定して、該少なくとも一方を変更可能である請求項６又は７に記載の装置。
9. 加工が切削加工又はドリルによる穴明加工である請求項６から８までのいずれか一つの項に記載の装置。
   

Images