JPWO2018011990A1 - 加工プログラム生成装置及び加工方法 - Google Patents

Abstract

多刃工具の有効刃数に基づいて設定した工具（４１）の領域毎に加工条件を記憶する記憶部（２７）と、被加工物及び工具の刃部の形状と工具経路とから加工時に被加工物と接触する工具（４１）の領域を演算する接触領域演算部（２５）と、被加工物と接触する工具の領域に対応して記憶部（２７）に記憶されている加工条件、及び工具経路に基づいて加工プログラムを生成する加工プログラム生成部（２９）とを備える加工プログラム生成装置。

Description

本発明は、ＮＣ工作機械で被加工物を加工する加工プログラムを生成する加工プログラム生成装置及び加工方法に関するものである。

ＮＣ工作機械は、加工プログラムによって加工の指令が入力され、入力された加工指令に従い送り軸や主軸を駆動し、加工を行う。加工プログラムは、工具が移動する経路を表す各送り軸の座標Ｘ、Ｙ、Ｚ、Ａ、Ｃ、送り軸の送り速度を表すＦコードや、主軸の回転速度を表すＳコードなどで記述される。同一の工作機械で同一形状の被加工物を加工する場合であっても、加工プログラムは同一に定められず、様々な加工プログラムが考えられる。加工プログラムの出来の良し悪しによっては、ＮＣ工作機械が被加工物を加工する時間や被加工物の精度が変わる。また、加工に使用する工具に合わせて、加工プログラムを適切に記述しないと、工具の性能が生かしきれない。

特許文献１には、ＮＣ工作機械で被加工物を効率良く加工するため、１刃あたりの移動量を一定にし、工具と被削材の接触点の相対速度を一定にする数値制御装置が開示されている。

特許文献２には、刃数６枚刃の多刃のボールエンドミルで、ノ−ズ部において底刃を設けた２枚の切れ刃と、底刃の長さに当る部分を欠落させた他の４枚の切れ刃とがある工具が開示されている。

特開２００１−９６７２号公報 特開平１０−１５１５１１号公報

ＮＣ工作機械は、加工プログラムによって加工の指令が入力される。加工プログラムの中では、送り速度の指令をＦコードで、工具の回転速度の指令をＳコードで、予め加工プログラム中に記述しておく必要がある。

特許文献１に記載の発明は、送り速度と工具の回転速度を逐次演算しながら、加工している。この方式は、ＮＣ工作機械での演算の負担が増え、演算時間かかかり、加工が遅くなる。また、特許文献１では、特許文献２の多刃ボールエンドミルのように刃数が変わる工具について考慮していない。そのため、特許文献１の数値制御装置では、特許文献２の多刃ボールエンドミルを使用する場合でも、工具の各部位の中で、一番加工負荷が小さくなる送り速度の遅い加工条件で加工しなければならない。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、多刃のエンドミル工具を使用したときに加工時間を短縮できる加工プログラムを生成する加工プログラム生成装置及び加工方法を提供することを目的とする。

前述の目的を達成するために、複数の切れ刃を有する工具を用いて被加工物を加工する加工プログラムを生成する加工プログラム生成装置において、前記工具の部位毎の有効刃数に基づいて設定した前記工具の領域毎に加工条件を記憶する記憶部と、前記被加工物及び前記工具の刃部の形状と工具経路とから、加工時に前記被加工物と接触する前記工具の領域を演算する接触領域演算部と、前記接触領域演算部で演算した前記被加工物と接触する前記工具の領域に対応して、前記記憶部に記憶されている加工条件、及び前記工具経路に基づいて加工プログラムを生成する加工プログラム生成部と、を備えた加工プログラム生成装置が提供される。

これにより、特許文献２のような多刃ボールエンドミルを使用した場合、回転中心から離れた部位に６枚の切れ刃（有効刃）があり、６枚刃の部位で加工するときは、有効刃の数が多い分だけ単位時間あたりの切削量を多くできる。言い換えると、有効刃数を増やしたことにより１刃あたりの切削量が減り、減った分だけ送り速度を上げて、１刃あたりの切削量を増やすことが可能となる。送り速度が上がれば、加工時間を短縮することになる。しかし、回転中心側に近い部位では切れ刃が２枚しかないため、１刃あたりの刃先に加わる負荷は大きくなり、６枚の有効刃の部位と同じ加工条件で加工すると、チッピングし易い。加工に用いる際には、２枚刃の部位と６枚刃の部位のどちらが使われるか分からないため、２枚刃の部位で加工が行われても工具が破損しないように、送り速度などの加工条件は２枚刃が耐えうる条件に合わせる必要がある。本発明では、工具の部位毎の有効刃数に基づいて設定した工具の領域毎に加工条件を記憶しているため、最適な加工条件を設定することができる。

また、複数の切れ刃を有する工具を用いて被加工物を加工する加工方法において、 前記工具の部位毎の有効刃数に基づいて設定した前記工具の領域毎に加工条件を定め、前記被加工物と接触する前記工具の領域に応じた加工条件を用いて前記被加工物を加工することを特徴とした加工方法が提供される。

本発明によれば、工具の有効刃数が多い領域と工具の有効刃数が少ない領域に対応した最適な加工条件を設定するので、工具を破損させることなく、加工時間を短縮させることができる。

本発明の実施の形態を表した加工プログラム生成装置のブロック図である。 本発明の実施の形態で生成された加工プログラムを用いたＮＣ工作機械の側面図である。 本発明実施の形態で生成された加工プログラムで用いる多刃工具の図である。 工具の姿勢を変えずに本発明を実施した場合の工具の移動を模式的に表した図である。 工具の姿勢を変えて本発明を実施した場合の工具の移動を模式的に表した図である。

図１は、本発明の加工プログラム生成装置１１である。加工プログラム生成装置１１の代表的な例としては、ＣＡＭ（ｃｏｍｐｕｔｅｒ ａｉｄｅｄ ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ）システムが知られている。

加工プログラム生成装置１１は、入力部２１を備える。オペレータは、入力部２１から加工プログラム生成装置１１に被加工物の情報、工具の情報、加工条件などを入力する。被加工物の情報とは、加工終了後の被加工物の形状、加工前の被加工物の素材の形状、被加工物の取付け位置、被加工物の材質、取付具の寸法がある。工具の情報とは、工具の直径や長さなどの形状寸法、被加工物の材質ごとの最適な切削速度、各部位における有効刃数、工具の領域の範囲、工具ホルダの寸法がある。加工条件は、工具と被加工物との相対的な送り速度、工具の回転速度、１刃あたりの送り量、切込み量、ピックフィード量、被加工物に対する工具の走査パターンがある。また、工作機械の情報は、Ｘ、Ｙ、Ｚ、Ａ、Ｃ軸のストローク、各送り軸の最大送り速度、主軸の最高回転速度、主軸周り、テーブル周りの形状寸法は、予め記憶部２７に記憶されている。

加工プログラム生成装置１１は、工具経路生成部２３を備える。工具経路生成部２３は、入力部２１から入力された情報に基づき、回転する工具が被加工物の形状を創生する際の工具の移動経路である工具経路を求める。

加工プログラム生成装置１１は、接触領域演算部２５を備える。接触領域演算部２５は、工具経路生成部２３が生成した工具経路と入力部２１から入力された情報とに基づき、工具経路上の各位置において、工具のどの領域と接触して被加工物を切削して加工面を創生したかを特定する。

加工プログラム生成装置１１は、記憶部２７を備える。記憶部２７は、入力部から入力された加工条件を記憶する。また、加工条件は工具の領域毎に対応付けされて、記憶部２７には工具の領域毎に適した加工条件が個別に記憶される。さらに、加工条件は、工具毎又は、荒加工、仕上げ加工などの加工種別毎に記憶される。

加工プログラム生成装置１１は、加工プログラム生成部２９を備える。加工プログラム生成部２７は、工具経路生成部２３で生成された工具経路をＮＣ装置７１が解釈できるＸ、Ｙ、Ｚ、Ａ、Ｃの座標値で記載された加工プログラムに変換する。更に、接触領域演算部２５で特定した加工面を創生した工具の接触領域に基づき、記憶部２７に工具の接触領域毎に記憶された加工条件から該当する加工条件を抽出し、加工プログラムにＦコード（送り軸速度の指令）やＳコード（主軸回転速度の指令）などの手段により加工条件を入力する。加工プログラム生成部２７は、加工プログラムに加工条件を入力した後、加工プログラムを出力する。

加工プログラム生成装置１１は、加工条件判定部３１を備える。加工条件判定部３１は、加工プログラム生成部２９が記憶部２７から抽出した加工条件が、記憶部２７に記憶された工具の領域毎の加工条件のうち、加工時間が短くなる加工条件か加工時間が長くなる加工条件かを判定する。加工条件判定部３１は、工具経路中で加工時間が長くなる加工条件の箇所を探す。

加工プログラム生成装置１１は、工具姿勢変更部３３を備える。工具姿勢変更部３３は、加工条件判定部３１が探し出した加工時間が長くなる加工条件の箇所で工具姿勢を変更する。工具姿勢変更部３３は、加工時間が短くなる加工条件が設定されている工具の領域で加工が行われる工具姿勢になるようにＡ軸又はＣ軸を動作させる。同時に、工具姿勢変更部３３は、被加工物の加工される箇所が変わらないようにＸ、Ｙ、Ｚ軸も移動させる。工具経路生成部２３は、工具姿勢変更部３３による変更に基づいて、工具経路を再生成する。ここで工具姿勢とは、工具４１の軸線と被加工物４３の加工面とのなす角度のことであり、工具４１の軸線を傾けても、被加工物４３を取り付けているテーブル６７を傾けてもよい。

加工プログラム生成装置１１は、干渉演算部３５を備える。干渉演算部３５は、主軸周りの形状の情報を記憶部２７から読み取る。また、干渉演算部３５は、工具姿勢変更部３３が新たに定めた工具姿勢を読み取る。更に、干渉演算部３５は、入力部２１から工具の形状、被加工物の形状、及び素材の形状の情報を受け取る。これらの情報に基づき、シミュレートすることで、工作機械の構造体が被加工物と干渉するか否かを演算する。工具姿勢の変更を行う工具経路上のそれぞれの位置において、工作機械の構造体と被加工物とが干渉するか否かを演算する。工作機械の構造体と被加工物とが干渉する場合は、その位置での工具姿勢の変更を中止する。

図２は、本願発明のプログラム生成装置により生成された加工プログラムに基づき、被加工物４３を加工するＮＣ工作機械５１である。ＮＣ工作機械５１は、基部となるベッド５３と、ベッド５３に立設するコラム５５と、図示しないＺ軸直動送り軸によりコラム５５に対してＺ方向に移動するサドル５７と、図示しないＸ軸直動送り軸によりサドル５７に対してＸ方向に移動するＸスライダ５９と、図示しないＡ軸回転送り軸によりＸスライダ５９に対してＡ方向に回転する主軸頭６１と、主軸頭６１に内蔵されたモータと軸受けにより回転可能に支持された主軸６３と、図示しないＹ軸直動送り軸によりベッド５３に対してＹ方向に移動するとＹスライダ６５と、図示しないＣ軸回転送り軸によりＹスライダ６５に対してＣ方向に回転するテーブル６７を有する。工具４１は、主軸６３に交換可能に保持される。被加工物４３は、テーブル６７に載置される。

オペレータはＮＣ装置７１に加工プログラムを入力し実行する。ＮＣ装置７１は、入力された加工プログラムに記載された通りにＮＣ工作機械５１の各送り軸Ｘ、Ｙ、Ｚ、Ａ、Ｃを制御することで、工具４１と被加工物４３を相対的に移動させる。また、ＮＣ装置７１は入力された加工プログラムに記載された通りに主軸６３の回転を制御することで、主軸６３に保持された工具４１を加工プログラムに記載された回転速度で回転させる。これにより、工具４１は被加工物４３を切削加工する。

図３は、本実施形態で使用した工具４１である。工具４１は、６枚の切れ刃を有する多刃のボールエンドミルである。工具４１は、３枚の切れ刃４１ａが工具先端まで延びて形成されている。工具４１の他の３枚の切れ刃４１ｂは、工具先端まで届かないように形成されている。このため、工具を回転させたときに、切削に寄与する刃である有効刃の数が３枚になる領域と６枚になる領域が生じる。領域を区分けする手法は様々考えられるが、ボールエンドミルの場合は、工具先端の刃先の描く軌跡が球になっている部分の球の中心を通る直線と工具の回転軸線Ｃとがなす角度で表現できる。工具４１の場合は、２０°が有効刃の数が３枚になる領域と６枚になる領域の境と言うことができる。工具４１を回転させたときに切削に寄与する刃である有効刃の数は、工具の回転軸線Ｃに対する角度が２０°未満の領域において３枚である。工具の回転軸線Ｃに対する角度が２０°以上の領域において、有効刃は６枚である。

被加工物４３の加工面は、有効刃３枚の領域Ａで加工が行われる部分と有効刃６枚の領域Ｂで加工が行われる部分の２つに分ければよい。但し、工具の回転軸線Ｃに対する角度が２０°近傍で加工を行うと、有効刃３枚の領域Ａと有効刃６枚の領域Ｂの両方が被加工物の加工に利用されることを考慮する必要がある。本実施形態で加工条件とは特に送り速度であり、送り速度を上げることが目的である。加工条件として送り速度を設定する際に、有効刃が６枚のときの速い送り速度で加工したときに、有効刃３枚の領域Ａが含まれていると、有効刃が３枚の領域Ａには速度超過になり工具が欠損する可能性が高まる。そのため、２０°近傍では、送り速度が遅い有効刃が３枚の送り速度に合わせる必要がある。そのため、領域は、余裕を鑑みて２０°でなく２５°で区分けする。

接触領域演算部２５では、工具４１の回転軸線と被加工物の加工面の法線とのなす角度を求め、この角度で領域を表す情報として、加工プログラム生成部２９に渡せばよい。加工プログラム生成部２９は、記憶部２７を参照し、角度が２５°以上の場合は有効刃が６枚の領域Ｂ用の加工条件を取得し、２５°未満の場合は有効刃が３枚の領域Ａの加工条件を取得する。

実施例における被加工物４３の材質は金型用鋼である。金型用鋼に対する図３のボールエンドミルの推奨送り速度は、有効刃が３枚の領域Ａでは４８００ｍｍ／ｍｉｎであり、有効刃が６枚の領域Ｂでは９６００ｍｍ／ｍｉｎである。オペレータが、入力部２１から工具の領域毎に送り速度を入力し、記憶部２７に記憶させる。

図４は、各面の傾斜角度が異なる傾斜面を有する被加工物４３をＸ、Ｙ、Ｚの直動送り軸を用い、Ａ、Ｃの回転送り軸を用いずに等高線加工する加工プログラムを生成する場合の３軸加工の実施例である。この場合は、オペレータは、入力部２１から傾斜面を有する被加工物４３の情報と、工具４１の情報と、等高線加工という情報を入力する。等高線加工とは、Ｘ軸送り軸とＹ軸送り軸とで工具を移動させ、等高線を描くような工具経路で被加工物４３を加工する。１周分の等高線に相当する工具経路で加工したのち、斜面に沿って下方へピックフィード量だけ移動し、再びＸ、Ｙ軸で違う高さに等高線を描くように加工を行う。これを繰り返して加工する手順を等高線加工という。

工具経路生成部２３は、入力された情報に工具経路を生成される。図４は、生成された工具経路の一部であって、説明のために等高線加工の１周分の等高線でなる工具経路１０１、１０２、１０３、１０４を図示したものである。実際には、工具経路生成部２３は、図４に図示されていない工具経路も生成する。

次に、接触領域演算部２５が、被加工物４３と接触する工具４１の領域を演算する。接触領域演算部２５が演算することにより、工具経路１０１では有効刃が３枚の領域Ａで加工が行われることが求まる。同様に、接触領域演算部２５が演算することにより、工具経路１０２、１０３、１０４では有効刃が６枚の領域Ｂで加工が行われることが求まる。

次に、加工プログラム生成部２９が、記憶部２７より送り速度を読み出し、工具経路に送り速度の指令を付加し、加工プログラムを生成する。工具経路１０１には、送り速度を４８００ｍｍ／ｍｉｎにする指令が付加される。工具経路１０２、１０３、１０４には、送り速度を９６００ｍｍ／ｍｉｎにする指令が付加される。

オペレータが、生成された加工プログラムをＮＣ装置７１に入力し、実行することで、ＮＣ工作機械５１で加工が行われる。加工プログラム生成装置１１が生成した工具経路毎に適切な送り速度が付加された加工プログラムで加工するため、ＮＣ工作機械５１は工具を破損することなく短時間に効率よく加工を行うことができる。仮に、ＮＣ工作機械５１が送り速度を全ての経路で４８００ｍｍ／ｍｉｎに設定した加工プログラムを用いて加工すると、加工時間が長くなってしまう。また、ＮＣ工作機械５１が工具４１の送り速度を全ての経路で９６００ｍｍ／ｍｉｎに設定した加工プログラムを用いて加工すると、工具経路１０１を加工する際に工具４１の送り速度が適正値を超過し、工具４１が欠損したり、工具４１の寿命が短くなったりする。

図５は、図４と各面の傾斜角度が同じ傾斜面を有する被加工物４３をＸ、Ｙ、Ｚ、Ａ，Ｃ軸の５軸加工で等高線加工する加工プログラムを生成する場合の５軸加工の実施例である。工具経路生成部２３と接触領域演算部２５の工程は、図４と同様である。

加工プログラム生成部２９が加工プログラムを出力する前に、加工条件判定部３１が加工条件に改善の余地がないかを判定する。３軸加工の実施例では、工具経路１０１において有効刃が３枚の領域で被加工物４３を加工するため、送り速度が遅い加工条件が選択されている。そこで、加工条件判定部３１は工具経路１０１において送り速度を上げる余地があると判定する。

次いで、工具姿勢変更部３３が、加工条件判定部３１が判定した工具経路１０１において、工具姿勢を変更し、有効刃が６枚の領域Ｂで加工できる工具姿勢と位置を求める。工具姿勢変更部３３が求めた有効刃が６枚の領域Ｂで加工できる工具姿勢と位置に基づいて、工具経路生成部２３は、図５に示すように回転送り軸Ａ軸で工具姿勢を傾ける工具経路を生成する。新たに生成された工具経路を読み取った加工プログラム生成部２９は、工具経路１０１でも有効刃が６枚の領域Ｂで加工が行われるため、工具姿勢を傾けて送り速度９６００ｍｍ／ｍｉｎに設定する加工プログラムを出力する。この加工プログラムでは、ＮＣ工作機械５１が工具経路１０１でも有効刃が６枚の領域Ｂで速い送り速度で加工を行うため、工具を欠損することなく、加工時間が図４の加工よりも短縮される。

干渉演算部３５は、工具姿勢変更部３３が工具経路生成部２３へ工具姿勢と位置の変更を送出する前に、工具の切れ刃以外の部分や主軸と被加工物とが干渉するか否かを干渉演算部３５で演算が行われる。図５の例では干渉がないため、工具姿勢の変更が行われる。

本実施例では、領域を有効刃３枚の領域Ａと有効刃６枚の領域Ｂの２つの領域に分けたが、有効刃の枚数に加え、工具の回転中心と一致し、切れ刃の回転速度がゼロになるポイント（ヌルポイント）の近傍領域を含めた３つの領域に分けることができる。この場合は、工具姿勢変更部３３は、干渉により有効刃６枚の領域Ｂが選択できない場合に、ヌルポイントから外れた有効刃３枚の領域Ａで加工が行うように工具姿勢を変更する。

１１ 加工プログラム生成装置
２１ 入力部
２３ 工具経路生成部
２５ 接触領域演算部
２７ 記憶部
２９ 加工プログラム生成部
３１ 加工条件判定部
３３ 工具姿勢変更部
３５ 干渉演算部
４１ 工具
４３ 被加工物

Claims (6)

1. 複数の切れ刃を有する工具を用いて被加工物を加工する加工プログラムを生成する加工プログラム生成装置において、
   前記工具の部位毎の有効刃数に基づいて設定した前記工具の領域毎に加工条件を記憶する記憶部と、
   前記被加工物及び前記工具の刃部の形状と工具経路とから、加工時に前記被加工物と接触する前記工具の領域を演算する接触領域演算部と、
   前記接触領域演算部で演算した前記被加工物と接触する前記工具の領域に対応して、前記記憶部に記憶されている加工条件、及び前記工具経路に基づいて加工プログラムを生成する加工プログラム生成部と、
   を備えることを特徴とした加工プログラム生成装置。
2. 前記加工条件は、前記工具と前記被加工物との相対的な送り速度である請求項１に記載の加工プログラム生成装置。
3. 前記加工条件は、前記工具と前記被加工物との相対的な送り速度及び前記工具の回転速度の組合せである請求項１に記載の加工プログラム生成装置。
4. 前記工具と前記被加工物とが干渉しない範囲で、前記送り速度が速くなる前記工具の領域が前記被加工物と接触するように前記工具と前記被加工物との相対的な姿勢を変える工具姿勢変更部を備える請求項２に記載の加工プログラム装置。
5. 前記記憶部は、前記工具の領域を前記工具の回転軸線に対する角度の範囲として記憶する請求項１に記載の加工プログラム生成装置。
6. 複数の切れ刃を有する工具を用いて被加工物を加工する加工方法において、
   前記工具の部位毎の有効刃数に基づいて設定した前記工具の領域毎に加工条件を定め、
   前記被加工物と接触する前記工具の領域に応じた加工条件を用いて前記被加工物を加工することを特徴とした加工方法。

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