JP4568139B2 - 自動旋盤及びこれによる裏面加工方法 - Google Patents

Description

本発明は自動旋盤及びこれによる裏面加工方法に関する。

自動旋盤にあっては、図３（Ａ）に示されるごとく、被加工物たる棒部材１１を主軸のブッシュ１２で回転自在に支持し、該棒部材をその長手方向軸線まわりに回転させると共に該軸線方向へ送り出し、上記軸線方向に対しブッシュに近い定位置にある刃物台に支持されている刃物１３を半径方向に移動させ、ブッシュ１２から軸線方向に突出せる被加工物を先端たる一端から加工する。この主軸に支持されている状態での加工を正面加工と称し、所定の加工終了後に刃物１３により被加工物を切取り位置１４で切り取って製品を得る。

製品によっては、上記正面加工後に、図３（Ｂ）に見られる、上記主軸に対して軸線方向先方に位置するチャック１５へ被加工物１１を受け渡すように上記一端にてチャック１５で把持してから該被加工物１１を切り取り、このチャック１５を上記主軸側へ移動させながら、他端、すなわち切り落とし端たる自由端から刃物１３により追加加工を行うことがある（図３（Ｂ）参照）。この正面加工後のチャックでの保持後に、被加工物を追加加工することを裏面加工と称している。

このように、自動旋盤で棒部材の裏面加工が行われる場合、被加工物は主軸からチャックに持ち変えられているので、裏面加工側にはブッシュが存在せず、片持ち状態での切削加工となる。正面加工時でも被加工物はブッシュにより片持ちで支持されているが、この場合、図３（Ａ）でも判るように、刃物１３による加工は軸方向にてブッシュ１２に近い位置で行われる。すなわち、被加工物は片持ち基点の近傍で加工を受ける。これに対し、裏面加工時は、図３（Ｂ）でも判るように、被加工物１１は片持ちの自由端から刃物１３により切削加工が開始される。片持ち基点より大きく離れた位置での切削加工が切削時の切削抵抗により被加工物に撓みｂを生じさせる（図３（Ｂ）参照）。したがって、この撓みは、刃物が被加工物に対して自由端に近い位置にあるとき程大きく、すなわち刃物に対しての被加工物の半径方向での逃げが大きくなる。この逃げは切り込みのための刃物の半径方向での移動量よりも少なく、しかも切削されないということを意味する。その結果、加工終了時には、軸方向に一定の直径をもつ部分を加工しようとしても、図３（Ｃ）のごとく、自由端に向けて大径に拡がる半径誤差ｃをもったものとなり、自由端ではこの誤差が許容値を超えることがある。

このような誤差を許容限度に収めるためには、一般に、片持ちでの切削可能な加工長、すなわち、被加工物の片持ち基点から加工位置、すなわち切削点までの距離、換言すれば裏面加工時の被加工物の長さは被加工物の材質により異なり、軟材、例えば銅合金のときは、被加工物の切削直径の２．５倍、硬材、例えば鋼材のときは６倍に近い値をとる。すなわち、このように撓みに起因する加工誤差許容限度に収めるには、被加工物の可能最大長が短くなってしまう。

撓み量を許容量以下とするには、撓み量を常時検出し、その撓み量を規制すべく切込み量を補正制御することが考えられる。

従来、許容値内の撓みに係わる加工に関しては、自動旋盤についてではないが、内面研削盤について、片持ち状態における撓み補正制御として、砥石軸の中間部位に撓み非接触センサを配置し、それによって軸の撓み変位量を計測し、その値を用いて必要とする砥石
位置での最大撓み量を計算で算出し、その結果の値で撓みを補正する制御方法及び装置が特許文献１に開示されている。
特開２００３−３００１３２

上述の特許文献１による方法は、撓み以外の形状変形が存在しない被加工物または被測定物の場合においてリアルタイムで計測が可能であるため限定領域での適用は有利である。すなわち、砥石を支持する軸は、その直径は変わることがないので、センサをこれに近接配置して軸の撓みを検出し、その検出値から研削部位における撓み量を推定できる。

しかし、自動旋盤での裏面加工により小物ねじ切り加工のような場合、刃物の位置が軸線方向で固定位置にあるので、被加工物は被加工物の長手方向、すなわち、軸線方向に移動させることになり、更に切削により被加工物の直径がリアルタイムで変化するため、撓みセンサを被加工物に近接させることによるリアルタイムでの撓み計測は容易でなくなる。さりとて、刃物にセンサを近接配置しても被加工物の撓みは計測できない。したがって、特許文献１の計測方法は自動旋盤の裏面加工に適用することはできない。

上記自動旋盤による裏面加工の場合には、被加工物が片持ち状態であり、撓みは先端荷重に対し、被加工物の切削長さの３乗に比例し、更に被加工物の切削直径の４乗に反比例する物理的な条件が存在するために、該被加工物の切削による形状の寸法の変化が計測を特に困難にしているのである。

本発明は、このような事情に鑑み、きわめて簡単な手段で、裏面加工時の撓みを許容値以内に収めることができる自動旋盤及びこれによる裏面加工方法を提供することを目的とするものである。

＜裏面加工方法＞
本発明は、自動旋盤による裏面加工時に、被加工物の一端をチャックで片持ち状態で把持しつつ該被加工物を旋削加工する裏面加工方法に関する。

かかる方法において、本発明は、ヤング率Ｅの被加工物の他端たる自由端での加工中における許容最大撓み量ｂを設定する第一工程と、比切削抵抗Ｋ、主軸軸線方向での定められた被加工物の送り量ｆ、上記ヤング率Ｅ及び上記許容最大撓み量ｂから係数αをα＝（３πＥｂ）／（６４Ｋｆ）として求める第二工程と、加工中に変化する被加工物の片持ち基点から切削点までの長さＬそして最小外径Ｄを逐次取り込む第三工程と、逐次更新されたＬ，Ｄを用いて半径方向での刃物の切込み量ｄをｄ＝（αＤ^４）／Ｌ^３として求める第四工程とを有し、この切込み量ｄのもとで旋削することを特徴としている。

また、上記方法において、第二工程で被加工物の送り量ｆに代えて、切込み量ｄを用いて、係数αに代え係数βをβ＝（３πＥｂ）／（６４Ｋｄ）として求めることにより、第四工程でｆ＝（βＤ^４）／Ｌ^３として送り量を定め、この送り量ｆのもとで切削を行うことができる。すなわち、ｄとｆのいずれか一方を予め定め、撓みが許容最大撓み量ｂ内に収まるように他方を制御することができる。

＜自動旋盤＞
上述した本発明の方法を実施するための本発明の自動旋盤は、半径方向での切込み量ｄを制御する制御手段を有し、該制御手段は、ヤング率Ｅの被加工物の他端たる自由端での加工中における許容最大撓み量ｂ、比切削抵抗Ｋ、主軸軸線方向での定められた被加工物の送り量ｆ、上記ヤング率Ｅを設定しこれらのデータを記憶する記憶手段と、該記憶手段からのデータにもとづき係数αをα＝（３πＥｂ）／（６４Ｋｆ）として求める第一演算手段と、加工中に変化する被加工物の片持ち基点から切削点までの長さＬそして最小外径Ｄを逐次取り込む取込み手段と、逐次更新されたＬ，Ｄを用いて半径方向での刃物の切込み量ｄをｄ＝（αＤ^４）／Ｌ^３として算出する第二演算手段とを有し、この切込み量ｄのもとで切削の切込みを司る刃物台をＸ軸で制御することを特徴としている。

本発明においても、既述した方法の発明の場合と同様に、刃物の送り量ｆと切込み量ｄとの関係を入れ替えることができる。すなわち、記憶手段で予め設定される被加工物の送り量ｆに代えて切込み量ｄを予め設定し、第一演算手段で係数αに代えて係数βを求め、第二演算手段で切込み量ｄに代えて送り量ｆを求め、この送り量ｆのもとで切削の送りを司る主軸をＺ軸で制御することで同様の加工を行うことができる。

＜発明の原理＞
本発明の方法そして装置は次のような原理に基づく。

撓みは、本来、切削力Ｐ、被加工物の片持ち基点から切削点までの距離Ｌ、被加工物の直径Ｄに関係があり、その中で切削力Ｐはその反力となる切削抵抗Ｒを伴う。

切削抵抗Ｒは、周知のように、切削の送り量ｆと切削の切込み量ｄに関係することから、上記撓みを所定の許容値以下に保つ条件のもとでは上記Ｌの変化に応じて上記ｄまたは上記ｆを制御することにより任意長尺物の加工が可能となる。なお上記切削の送り量ｆは主軸軸線方向即ちＺ軸での被加工物の移動量を言い、切込み量ｄは半径方向即ちＸ軸での刃物の移動量を言う。

被加工物、例えば棒部材の撓みｂは、材料力学等の一般教材で知られているごとく、切削力Ｐ、片持ち基点からの切削点までの距離Ｌ、被加工物のヤング率Ｅ、被加工物の直径Ｄに関係し、これらを数式で示すと、
ｂ＝（６４ＰＬ^３）／（３πＥＤ^４） ……………………………（１）
となる。なおπは円周率である。

また、（１）式での切削力Ｐは、切削点において反力としての切削抵抗Ｒと釣り合っており、その値は等しい。それ故、（１）式の切削力Ｐは切削抵抗Ｒに置き換えることができる。

一方、切削抵抗Ｒは、切削の送り量ｆ、切削の切込み量ｄに関係するが、加工条件が複雑に絡み合い、一般に実験による近似式が公知されている。

しかし近似式は説明を複雑にするため、ここでは一般に用いられている切削抵抗Ｒの次の理論式（２）式（旋盤作業法：理工学社刊）を用いることにする。

Ｒ＝Ｋｆｄ …………………………………………………………（２）
なお、Ｋは比切削抵抗で切りくず断面積１ｍｍ^２当りの荷重であり、被加工物の材料により異なる定数である。

ここで（２）式を（１）式に代入し、上記切削の切込み量ｄを求めると、
ｄ＝（３πＥｂＤ^４）／（６４ＫｆＬ^３） ……………………（３）
が得られる。

（３）式を、変数となる被加工物の直径Ｄ及び片持ち基点から切削点までの距離Ｌと、
それ以外の定数に分け、この定数をαとすると、（３）式は次の（４）式に置き換えられる。

ｄ＝（αＤ^４／Ｌ^３） ……………………………………………（４）
但し、α＝（３πＥｂ）／（６４Ｋｆ）
（４）式において係数αの各要素それぞれの値が決まると、切削の切込み量ｄは、上記Ｌまたは上記Ｄの値に応じて算出される。

このように上記切込み量ｄの値が決まると切削点での撓み量ｂの許容値範囲内の上記Ｌまたは上記Ｄの被加工物の切削が可能となる。

なお算出された上記切込み量ｄの値は、切削点での撓み量ｂが許容値以下である定常状態における切削抵抗Ｒのもとでの切削の切込み量の値となる。

上記（４）式は、切削の切込み量ｄで展開しているが、切込み量ｄを設定値とすると、同様の要領で切削の送り量ｆでも展開ができる。

かくして、本発明によれば、先ず、最大許容撓み量ｂを被加工物の製品としての加工精度から定め、また、切削時の被加工物の送り量ｆを設定する。さらに、被加工物の材料から比切削抵抗Ｋそしてヤング率Ｅは既知なので、これらの値から係数α（＝（３πＥｂ）／（６４Ｋｆ））を求め、加工中の被加工物の片持ち基点から切削点までの距離Ｌと最小径Ｄとを逐次更新して取り入れて、切込み量ｄを求め、この切込み量ｄで加工を行うことにより、切削点での撓み量ｂは許容値以下となることとなり、加工能率を落とさずに製品の精度が確保できることとなる。また、上述したごとく、送り量ｆと切込み量ｄとの関係を入れ替えて展開すると、一定の切込み量ｄを予め設定して、送り量ｆを制御することもできる。

本発明は、以上のように、裏面加工において、切削時に被加工物の送り量と刃物の切込み量とのいずれか一方、被加工物の材料により定まる定数、そして加工中の寸法から、撓み式にもとづいて、上記送り量と切込み量の他方が決定され、その値にもとづいて切削加工することにより、加工能率を低下させずに切削点での被加工物の撓みを許容値以下に抑えることができ、結果として高能率で高精度の製品を得る。換言すれば、本発明によれば、加工条件が従来と同じならば、従来よりも長い被加工物の加工が可能となり、従来複数工程で切削加工を行ってきたものを一工程で加工でき、加工時間の短縮が図られる。この点でも生産性が高まる。

以下、添付図面にもとづき本発明の実施の形態を説明する。

図１において、符号１は自動旋盤の制御部を示しているが、この制御部１には、裏面加工に関する手段のみを示し、他の制御手段は捨象されている。上記制御部１は、自動旋盤の裏面加工のためのチャック支持盤２、そして刃物台３に接続されている。チャック支持盤２は、図示しない主軸台の軸線方向先方に位置していて、上記刃物台の刃物によって正面加工を受けた被加工物を該被加工物を先端側で把持した状態で、主軸の方へ移動可能となっている。刃物台３は、上記主軸台の近傍位置で軸線方向では不動となっており、該刃物台３により支持されている刃物のみが半径方向に移動可能となっている。

被加工物は加工プログラムにしたがい加工される故、該被加工物を把持するチャックを有するチャック支持盤２もプログラムにしたがい軸線方向に移動し、また刃物台３は刃物
が半径方向にプログラムにしたがい移動する。したがって、上記チャック支持盤２の軸線方向移動量から、被加工物の片持ち基点（チャックで保持されている位置）から刃物までの距離Ｌ、そして刃物台３に対する刃物の半径方向移動量から被加工物の直径Ｄがそれぞれ算出できる。

制御部１は記憶部１Ａ、取込み部１Ｂ、第一演算部１Ｃそして第二演算部１Ｄを有している。

記憶部１Ａでは、外部からの設定入力により、最終加工精度から決まる被加工物についての切削加工中の切削点（刃物の刃先が切り込む位置）での最大許容撓み量ｂ、生産性から決まる刃物に対する被加工物の軸線方向での送り量ｆ、被加工物の材質から定まる比切削抵抗Ｋそしてヤング率Ｅがそれぞれ定数として入力でき、記憶されるようになっている。

一方、取込み部１Ｂは、切削加工の進行により刻々と変化する値として、上記チャック支持盤２の面から上記距離Ｌ、刃物台３から被加工物の直径Ｄが逐次取り込まれ、更新して行くようになっている。

上記記憶部１Ａは、上記定数ｂ，ｆ，Ｋ，Ｅを伝達すべく第一演算部１Ｃに接続されている。この第一演算部１Ｃでは、これらの定数のもとで、係数αを次式にもとづき算出する。

α＝（３πＥｂ）／（６４Ｋｆ）
上記第一演算部１Ｃと取込み部１Ｂとは、第二演算部１Ｄに接続されている。この第二演算部１Ｄでは、取込み部１Ｂからの更新された新しいＬ，Ｄの値と、第一演算部１Ｃからの係数αとを受けて、刃物の切込み量ｄを次式のもとづき算出する。

ｄ＝（αＤ^４）／Ｌ^３
上記第二演算部１Ｄは刃物台３に接続されており、第二演算部１Ｄで算出された切込み量ｄで刃物を切込み移動させる。

かかる本実施形態装置における切削加工工程について、図２のフローチャートをも用いて、さらに詳述する。

（１）先ず、被加工物の材料（材質）が決まると、そのヤング率Ｅ、加工精度の許容値で決まる最大許容撓み量ｂ、被加工物の比切削抵抗Ｋ、切削の送り量ｆの各定数が求まる。

（２）図２のごとくこれらの定数は制御装置の入力ステップ（ステップＳ３１）で記憶部１Ａに入力され、次にプログラムにしたがい第一演算部１Ｃで係数αの計算（ステップＳ３２）が実行される。

（３）次に、加工中に変化する被加工物の直径Ｄと片持ち基点から切削点までの距離Ｌの値が逐次更新して取込み部１Ｂへ取り入れられる（ステップＳ３３）と、その値はパラメータとして上記第一演算部１Ｃからの係数αと共に第二演算部１Ｄに取り込まれ、それにより切削の切込み量ｄの計算（ステップＳ３４）が行われる。この計算（ステップＳ３４）は、上記Ｌまたは上記Ｄの値に応じ逐次に補正値として算出する。

（４）ｄについての計算結果は刃物の切込み量ｄを決め、これにしたがい刃物が半径方向に移動して切込みを行う。

本発明における各種計算及び制御過程はプログラム化され、記録媒体に記録され、更に該記録媒体を制御装置に付加し、該制御装置の切込み方向での制御を司る基本の加工制御プログラム、すなわち、刃物が片持ち基点近傍で設定されている加工制御プログラムの流れに上記記録媒体から読み出されたプログラムをサブプログラムとして上記基本の加工制御プログラムに組み込まれる（ステップ３５）。サブプログラムを組み込まれた上記基本の加工制御プログラムは、切削加工開始点において切込み量の制御情報（ステップ３６）を切込み駆動制御手段に出力する。

本発明において、裏面加工における被加工物の形が複雑で直径が軸線方向にて変化しているときには、取込み部へ取り込む直径Ｄは最小直径部の外径値を入力すればよい。そうすることにより、実際よりも大きめの撓み量として予想計算されるので、切込み量が抑制されて実際に生ずる撓みが許容撓み量を超えることはない。

本発明において、切込み量ｄを一定値として予め設定し、送り量ｆを制御することも可能である。その場合、図１において、記憶部１Ａへは送り量ｆに代えて切込み量ｄを入力し、第一演算部１Ｃでは係数αに代えて係数βをβ＝（３πＥｂ）／（６４Ｋｄ）として算出し、第二演算部１Ｄでは切込み量ｄに代えて送り量ｆがｆ＝（βＤ^４）／Ｌ^３として算出される。そしてこの送り量ｆにもとづき、チャック支持盤２の移動が制御されることとなる。

本発明の一実施形態装置の概要構成図である。 図１装置における加工を示すフローチャートである。 従来の方法での加工の様子を示し、（Ａ）は正面が加工時、（Ｂ）は裏面加工時、（Ｃ）は裏面加工終了時をそれぞれ示す。

符号の説明

１ 制御手段（制御部）
１Ａ 記憶手段（記憶部）
１Ｂ 取込み手段（取込部）
１Ｃ 第一演算手段（第一演算部）
１Ｄ 第二演算手段（第二演算部）
ｂ 撓み量
ｄ 切込み量
ｆ 送り量
Ｄ 直径
Ｅ ヤング率
Ｋ 比切削抵抗
Ｌ 片持ち基点から切削点までの距離
α 係数
β 係数

Claims (4)

1. 自動旋盤による裏面加工時に、被加工物の一端をチャックで片持ち状態で把持しつつ該被加工物を旋削加工する方法において、ヤング率Ｅの被加工物の他端たる自由端での加工中における許容最大撓み量ｂを設定する第一工程と、比切削抵抗Ｋ、主軸軸線方向での定められた被加工物の送り量ｆ、上記ヤング率Ｅ及び上記許容最大撓み量ｂから係数αをα＝（３πＥｂ）／（６４Ｋｆ）として求める第二工程と、加工中に変化する被加工物の片持ち基点から切削点までの長さＬそして最小外径Ｄを逐次取り込む第三工程と、逐次更新されたＬ，Ｄを用いて半径方向での刃物の切込み量ｄをｄ＝（αＤ^４）／Ｌ^３として求める第四工程とを有し、この切込み量ｄのもとで旋削することを特徴とする自動旋盤における裏面加工方法。
2. 自動旋盤による裏面加工時に、被加工物の一端をチャックで片持ち状態で把持しつつ該被加工物を旋削加工する方法において、ヤング率Ｅの被加工物の他端たる自由端での加工中における許容最大撓み量ｂを設定する第一工程と、比切削抵抗Ｋ、半径方向での定められた刃物の切込み量ｄ、上記ヤング率Ｅ及び上記許容最大撓み量ｂから係数βをβ＝（３πＥｂ）／（６４Ｋｄ）として求める第二工程と、加工中に変化する被加工物の片持ち基点から切削点までの長さＬそして最小外径Ｄを逐次取り込む第三工程と、逐次更新されたＬ，Ｄを用いて軸方向での被加工物の送り量ｆをｆ＝（βＤ^４）／Ｌ^３として求める第四工程とを有し、この送り量ｆのもとで旋削することを特徴とする自動旋盤における裏面加工方法。
3. 被加工物の裏面加工時に被加工物の一端をチャックで片持ち状態で把持して該被加工物を旋削する自動旋盤において、半径方向での切込み量ｄを制御する制御手段を有し、該制御手段は、ヤング率Ｅの被加工物の他端たる自由端での加工中における許容最大撓み量ｂ、比切削抵抗Ｋ、主軸軸線方向での定められた被加工物の送り量ｆ、上記ヤング率Ｅを設定しこれらのデータを記憶する記憶手段と、該記憶手段からのデータにもとづき係数αをα＝（３πＥｂ）／（６４Ｋｆ）として求める第一演算手段と、加工中に変化する被加工物の片持ち基点から切削点までの長さＬそして最小外径Ｄを逐次取り込む取込み手段と、逐次更新されたＬ，Ｄを用いて半径方向での刃物の切込み量ｄをｄ＝（αＤ^４）／Ｌ^３として算出する第二演算手段とを有し、この切込み量ｄのもとで切削の切込みを司る刃物台をＸ軸で制御することを特徴とする自動旋盤。
4. 被加工物の裏面加工時に被加工物の一端をチャックで片持ち状態で把持して該被加工物を旋削する自動旋盤において、軸方向での送り量ｆを制御する制御手段を有し、該制御手段は、ヤング率Ｅの被加工物の他端たる自由端での加工中における許容最大撓み量ｂ、比切削抵抗Ｋ、半径方向での定められた刃物の切込み量ｄ、上記ヤング率Ｅを設定しこれらのデータを記憶する記憶手段と、該記憶手段からのデータにもとづき係数βをβ＝（３πＥｂ）／（６４Ｋｄ）として求める第一演算手段と、加工中に変化する被加工物の片持ち基点から切削点までの長さＬそして最小外径Ｄを逐次取り込む取込み手段と、逐次更新されたＬ，Ｄを用いて軸方向での被加工物の送り量ｆをｆ＝（βＤ^４）／Ｌ^３として算出する第二演算手段とを有し、この送り量ｆのもとで切削の送りを司る主軸をＺ軸で制御することを特徴とする自動旋盤。

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