2018 Fiscal Year Annual Research Report
Development of virtual machining simulator for coupled simulation in variable spatial and time resolutions
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17H03158
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| Research Institution | Kobe University |
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Principal Investigator |
白瀬 敬一 神戸大学, 工学研究科, 教授 (80171049)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
西田 勇 神戸大学, 工学研究科, 助教 (40776556)
佐藤 隆太 神戸大学, 工学研究科, 准教授 (60376861)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | 切削力シミュレーション / エンドミル加工 / 工作機械 / 連成シミュレーション |
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| Outline of Annual Research Achievements |
加工現象をモデル化して予測することは，加工効率や加工精度の改善，さらには加工トラブルの回避に非常に有効である。このため本研究課題では多目的・多用途に利用可能なエンドミル加工の切削力シミュレータを開発している。この切削力シミュレータは被削材をボクセルモデルで表現する点に特徴があり，解析する空間分解能と時間分解能を任意に変更することで，切削力シミュレータが多目的・多用途に使用できるようにしている。
①多様な工具切れ刃形状に対応できるの静的切削力シミュレーションの研究では，前年度の研究成果に基づいて工具の弾性変形および工具把持部の変形を考慮した切削力シミュレーションを実現した。単に切削力によって弾性変形が決まるのではなく，弾性変形の大小によって切削力が増減するため，そのバランスを考慮する必要があるが，加工面創成シミュレーション結果は実験結果をよく一致した。
②工具振動の影響を考慮した動的切削力シミュレーションの研究では，解析の時間分解能と空間分解能を小さくしていくと長い計算時間と膨大なメモリを要するという問題に対して，計算の並列処理やメモリの管理を工夫して解決策を検討したが，抜本的な解決策は得られなかった。
③動的切削力シミュレーションに基づく加工面創成シミュレーションの研究は，②の解決策が得られずシミュレーションの途中で計算機が異常停止する。このため，①の加工面創成シミュレーション結果を用いて加工誤差を補正する研究を新たに実施して，5軸加工により工具の位置と姿勢を修正してシミュレーションで予測される加工誤差が補正できることを確認した。
④動的切削力と工作機械動特性との連成シミュレーションの研究では，工作機械の動特性シミュレータと静的切削力シミュレータを統合した連成シミュレーションを実現できた。この研究成果をまとめた学術論文が日本機械学会の論文賞に選ばれた。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本研究課題では4つの到達目標を設定して研究実施計画を立案していた。目標①の多様な工具切れ刃形状に対応できるの静的切削力シミュレーションでは，前年度の研究成果に基づき工具の弾性変形および工具把持部の変形を考慮した切削力シミュレーションを実現することを目標としていた。単に切削力によって弾性変形が決まるのではなく，弾性変形の大小によって切削力が増減するため，そのバランスを考慮する必要があるが，目標は計画どおりに達成され加工面創成のシミュレーション結果は実験結果をよく一致した。目標②の工具振動の影響を考慮した動的切削力シミュレーションでは，長い計算時間と膨大なメモリを要するという問題に対して，計算の並列処理やメモリの管理を工夫して解決策を引き続き検討したが，抜本的な解決策は得られなかった。目標③の動的切削力シミュレーションに基づく加工面創成シミュレーションは，目標②が解決せず動的切削力シミュレーションが実現していない。代わりに①静的切削力シミュレーションに基づく加工面創成シミュレーション結果を用いて加工誤差を補正する研究を新たに実施して，5軸加工により工具の位置と姿勢を修正してシミュレーションで予測される加工誤差が補正できることを確認した。目標④の動的切削力と工作機械動特性との連成シミュレーションでは，工作機械の動特性シミュレータと静的切削力シミュレータを統合して連成シミュレーションを実施した。また，工具と工作物の接触時と非接触時とでは剛性が変化することから，接触時と非接触時の工作機械全体の動特性を新たに調査した。さらに，工作機械の案内面とボールねじの非線形摩擦特性を動特性シミュレータのモデルに組込み，振動特性の変化をシミュレーションで表現できることを確認して目標は計画どおりに達成された。以上のことから，本研究課題は当初の実施計画に対して「おおむね順調に推移している」と判断した。
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| Strategy for Future Research Activity |
本研究課題は当初の実施計画に対して「おおむね順調に推移している」ことから，次年度以降も実施計画に沿って研究を実施していく。目標①では工具の弾性変形および工具把持部の変形を考慮した静的切削力シミュレーションと加工面創成シミュレーションが実現できたので，工具の振れ回りの影響を静的切削力シミュレーションと加工面創成シミュレーションに反映させる。これにより工具の振れ回りに起因する加工面のうねりをシミュレーションで再現することを目指す。目標②では長い計算時間と膨大なメモリを要するという問題の抜本的な解決策が得られていないが，工具と工作物の接触剛性の非線形特性をモデルに組み込む。具体的には工具が工作物へ近づく方向に運動する場合は剛性を大きく，工具が工作物から離れる方向に運動する場合は剛性を小さくする。目標③では目標②の抜本的な解決策が得られないことから，静的切削力シミュレーションの範囲で加工面創成シミュレーションを行う。静的切削力シミュレーションでも100Hz程度の現象であれば解析可能で，既に工具の振れ回りの影響を考慮した加工面創成シミュレーションは実現している。目標④では工作機械の動特性シミュレータの高度化に注力する。工作機械の案内面とボールねじの非線形摩擦特性を動特性シミュレータのモデルに組込むことに成功しており，今後は加工中に工作機械のテーブル駆動系のサーボモータにトルク外乱を加えるという全く新しい加振実験を行い，得られる加工中の接触剛性の変化に合わせた動特性シミュレーションを実施する。これにより工具と工作物間の接触剛性の非線形特性を表現できるようにする。
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Research Products
(9 results)
