(1)論文. 高 速 切 削 時 に お け る切 削 熱 の挙 動 に関 す る研 究* 平 尾 政 利**. 寺 島 淳 雄***. Behavior. Masatoshi. HIRAO,. Atsuo. of. 朱. Cutting. TERASHIMA,. 浩允 †. in. Youn. Joo,. Ho. Heat. 白 瀬 敬 一 ††. High. Speed. 安 井 武 司**. Cutting. Keiichi. SHIRASE. and. Takeshi. YASUI. Many researches about cutting temperature have been reported, because of the great influence of a tool face temperature on a tool wear. However, there is few report about cutting heat. The cutting conditions (cutting speed, feed, etc.) and accuracy of temperature measurement in recent cutting are quite different from those in the past. In case of cutting a material like aluminum, for instance, the cutting speed is usually adopted as 1000m/min much higher than that in the past. The behavior of cutting heat (heat into chip, work and tool) in high speed cutting has been investigated applying theory and experiment methods in the present study. The heat generated in the cutting process is distributed to three parts such as main shear plane, rake face and clearance face. In this experiment, the work materials are AISI 1045 steeland Aluminum alloy A5052, and each cutting speed is up to 400m/min and 850m/min. The cutting heat are measured by accurate thermometers at different depths of cut and flank contact lengths. In addition, the heat ratio of chip, work and tool is calculated from theory. Experimental data are similar to theoretical results. Results of this research show that higher the cutting speed, higher the percentage of heat into the chip and lower the percentage of heat in the tool and work. Key words: high speed cutting, cutting heat, cutting temperature, chip, tool, work 1.. は. じ. め. に. 2.. 切 削工 具 面 の 温度 に関 す る研 究 は古 くか ら行 われ てお り,報 告 鋤 も. 切 削 温 度 の 熱 的 解 析3). 連 続 切屑 を生成 す る よ うな普 通 の延性 金 属 の 切 削で は 消費 され るエ. 多 い.こ れ は工 具 面 温 度 が 工具 摩 耗 に大 き く影 響す るた め で あ る.し. ネル ギー の大 部 分 は 図1の よ うに,せ ん 断 面 で切 屑 が作 られ る際 の塑. か し切 削 中 に発 生 す る熱 量 に 関 して は ほ とん ど報告 はな く,50年 前 に. 性 変 形,工 具 す くい 角 と切 り屑 との 間 の摩 擦,工 具逃 げ面 と被 削材 表. 簡 単 な 報告 が あ るの み で あ る.こ の 報 告 で は実験 そ の もの が非 常 に 古. 面 との 間 の摩 擦 と3っ に 使 われ,こ れ らほ とん どが 熱 に 変 換 され る.. く,切 削速 度 な ど実 験 条件 が 今 日 とは か な りか け離 れ て い る. 今 日の 高速 切 削 で は,1000m/min以. 上 の切 削 速度 が 採 用 され て い る.. こ こで は,こ れ らの熱 源 で発 生 した 熱 量 が切 屑,被 削材,工 具へ 流 入 す る割 合R1,R2,R3を. 求 め る.. こ の よ うな高 速 切 削 で は 工具 摩耗 が 異 常 に進 行 し,切 削 不能 にな る こ とが 予 想 され る.し か し現 実 に は こ の よ うな高 速切 削 が 可能 にな っ て い る大 き な理 由 と して,コ ー テ ィ ッ ド切 削 工 具 の進 歩 に よ る もの と し. (A) せ ん 断 面の 平 均温 度. θs. せ ん 断 面で 単位 時 間,単 位 面積 当 た りに 発生 す る熱量 をq1と し,い ま切 屑 に 流 入 す る 熱 量 をR1q1と. てい る. と ころで,一 般 の連 続 切 り くず を生 成 す る よ うな 延性 金 属 の切 削 に お い て,消 費 され るエ ネ ル ギー の 大 部 分 は 次の3つ に使 わ れ,こ れ ら. す る と被 削 材 に 流 入 す る 熱 量 は. (1‑rR1)q1と な る. R1q1の 加 熱 の た めに せ ん断 面 の 平均 温 度 θsは次の よ うに表 され る.. の ほ とん どが熱 に変 換 され る. (1)せ ん断 面 で 切 り くず が つ く られ る際 の せん 断 仕 事. (1). (2)工 具す くい 面 と切 りくず の 間の 摩 擦仕 事お よび,そ れ に よる切 り くず 内 部 で の塑 性 変 形 (3)工 具逃 げ 面 と仕 上 げ 面 の 間 の摩 擦 仕 事 お よび,そ れ に よる仕 上げ 面表 層 の塑 性 変 形. θ0;周辺 温度,c1,ρ1;θ0と θsの平 均 温度 の対 す る切 り くず(被 削材)の 比熱 お よび比 重,v;切. 削 速度,わ;切. 削幅,t;切. 込み,φ;せ. ん断角. 7, 1998. 1067. 上記 の よ うに,切 れ刃 先 端 で 発 生 した膨 大 な 熱 は 工具 や 被 削材,切 屑 に流 入 して,そ れ ぞ れ の 温 度 を上 昇 させ る。切 削 熱 の大 部 分 は,高 速切 削 に な る につ れ て,従 来 い われ て い る以 上 に この発 生 した熱 の 大 部分 が 切屑 に移 動 して い る傾 向 にあ る と考 え られ る.そ こで,本 研 究 で は,高 速切 削 時 に発 生 す る熱 量 の 挙 動,す な わ ち切 屑 へ移 動 す る熱 量、工 具 へ 移動 す る熱 量 、被 削 材 へ移 動 す る熱 量 を理論 的,実 験 的 に 明 らか に す る こ とを 目的 とす る.. * ** ***. 原 稿受付. 平成10年1月9日. 正 会 員. 金 沢 大 学 工 学 部(金. 沢 市 小 立 野2‑40‑20). 金沢大学大学院工学研究科 †. ††. 韓 国 国立 天 安 工 業 専 門 大 学(257‑1. 正 会 員. BUDAE. DONG. 大阪大学工学部(吹 田市山田丘2‑1). CHON‑ANSI) Fig.1. Generated. 精密工学会誌. heat. in cutting. Vol . 64,. No..
(2) 平尾 ・寺 島 ・朱 ・白瀬 ・安井:高 速切削時 における切削熱の挙動 に関する研究. 次 に(1‑R1)q1な. る熱 源 に よる被 削材 の 温度 上 昇か らせ ん 断面 の平 均. 温 度 を 求め,こ の2つ の 方 法 で 求 めた せ ん 断 面温 度 上 昇 が等 しい と い う条件 か らR1を 求 め る. 」.CJeagerの. 解 析 よ り単 位 時 間 、 単 位 面 積 当 た りの 発 熱 量 が. (5) よ って,切 (W),工. り屑 へ 流入 す る熱 量Qc(W),被. 削材 へ 流入 す る熱 量9w. 具 へ流 入 す る熱 量 ②(W)は 次 式 よ り得 られ る.. (1‑R1)g、 な る矩 形 熱 源 が せ ん 断 方 向 に 脇 な る速 度 で 移 動 す る場 合, (6) せ ん断 面 の 平均 温 度 θ5は次 の よ うに表 され る. そ れ ぞ れ をgで. (2). 割 る と,切. Rc(%),Rw(%),R∫(%)は,次. 屑,被. 削 材,工. 具 へ の切 削 熱 の 流入 割 合. の よ う に な る.. ただ しん黒 は温 度 肌 にお け る被 削材 の熱 伝 導 率,多 は切 削 の せ ん断 ひ ずみ で あ る.よ って,式(1),(2)を 等 しい とお いてRlを 求 め る こ とがで き る.. 3.. (B1す くい 面 の摩 擦 に よ る上 昇 温 度. 3.1. △θf. す くい面 で は 単 位 時 間,単 位 面積 当た りに発 生 す る熱 量 をg2と し, 品g2が 切 り屑 に 入 り,残 りの(1‑R2)g2は. 工 具 に入 る もの と して考 え. る.. 実. 験. 方. 法. 実験 の 原理. 図2の よ うに切 込み の 変 化 と逃 げ 面接 触 長 さ を制 限 させ るチ ップ を 用 い て 切 削す る.切 込 み を変 化 させ る こ とに よ り,せ ん 断 面,す くい 面 接 触 面 にお け る単位 時 間 、単位 面 積 あ た りの 発 熱 量 を,逃 げ 面接 触 長 さを 制限 させ るチ ップ を用 い る こ とに よ り逃 げ面 接 触 面 にお け る単 位 時 間 、単位 面積 あ た りの発 熱 量 を求 め る こ とが で き る.各 熱源 にお. 切屑 の工 具 に 接 す る 面 の摩 擦 に よ る平 均 上 昇 温度 △の は. け る発 熱 量 を求 め る こ とが で きれ ば,2章. で述 べ た切 削 理 論 よ り,切. 屑,工 具,被 削 材 へ の流 入 割 合 を導 く こ とがで き る. なお ここ で,切 込 み変 化 で使 用す るチ ップ は逃 げ 面の 加 工 が され て いな い チ ップ(以 降 ニ ュ ーチ ップ と呼ぶ)で あ り,逃 げ 面 を加 工 され ただ しβは切 り屑 と工 具 の接 触 長 さ,島,」陥 は 最 終 温度 にお け る切 り. たチ ップ に よ る実 験 は送 り速度 を一 定 とす る.. 屑 の熱 伝 導 率お よび 温度 伝 達 率 切 り屑 の 工具 に接 す る面 の平均 温 度 θ'はせ ん断 面 の平 均 温度 上昇 θs と摩 擦 に よ る平 均 温 度 上昇 △θfを加 えた もの で あ る か ら, (3) ま た 工具 側 か らみ たす くい面 の 平 均 温度 θご は熱 伝 導 論 よ り, (4) た だ し 島 は温 度 θ'にお け る工 具 の熱 伝 導 率,Aは. 面積 係 数 とい う.. そ して,式(3)と 式(4)を等 しい とお く とR2は 次 式 の とお りで あ る.. (a) Depth of cut Cn. (C1逃 げ 面 の摩 擦 に よる 上 昇温 度. θw. 逃 げ面 に お い て は,単 位 時 間,単 位 面積 当た りに 発 生す る熱 量 をq3 と し,R、g3が 工 具 に入 り,残 りの(1‑R3)gは. 被 削材 に入 る もの と して. 考 え る.被 削材 の工 具 に接 す る面 の 摩 擦 に よる 上 昇 温度 θwにつ いて は,原 理 的 に(B)に 述 べ た切 削温 度 の 計 算 方 法 と全 く同様 で あ るの で 重 複 を避 け る. (D) 各部 へ の流 入 割 合 につ いて こ こでせ ん 断 面 面積,す くい 面,逃 げ 面 に お け る接 触 面積 をA1,A2, A,と し,Cは 実 験 よ り得 られ る単 位 時 間 当た りの発 熱 量 で 次式 の よ う に示 され る.. 1068. 精密 工学 会誌 Vol. 64,. (b) Flank contact length Fig2. No.. 7,. 1998. Variation. in contact. length.
(3) 平尾 ・寺 島 ・朱 ・自瀬 ・安井:高 速切 削時における切削熱の挙動 に関す る研究. Fig.4. Relation between each length and shear angle (Cutting. speed : 214m/min). 4。 デ ー タ 整 理 に 必 要 な事 項 Fig.3. 32. Experimental. apparatus. 4.1 熱 量 計 の熱 容 量 につ い て 熱 量計 の うち,水 と接 す る実 験器 具 に つ い ては,そ の接 し方 に よ っ. 実験装置. 図3に 本 実 験 で 使 用 した 実 験 装 置 の概 略 を示 す.断 熱 材 を巻 い た熱 量 計 に1rの 水 を 入 れ,切. 削 中 に 発 生 した 切 削 熱 を 水 に吸 収 させ る.. そ して,そ の 聞 の上 昇 温度 か ら総 発 熱 量 を求 め る 。ま た,温 度 セ ンサ を切 屑 か ら守 るた め に,防 護 ネ ッ トを取 り付 けた.被 削材 に はS45C, Aluminum(5052)の2種 30㎜. 類 を 用 い,そ れ ぞ れ 外 径32,34mm,内. の パ イ プ状(切 削 幅 は1㎜,2㎜. る.使 用 した 工 作機 械 はS45Cの. 実 験 で は 汎 用数 値 制 御 ボー ル 盤(砥 々. 産 業 製 νRND‑1003形),Aluminumを (松浦 機 械製 作所 製:FX‑1)で. 径. で あ る)}こ 仕 上 げ た もので あ. て水 に 相 当す る熱 容 量(水当量)と して考 慮 した.実験 器 具 の水 当量 を表 1に 示 す.番 号2‑4は 浸 水 部 分 の水 当量,番 号6は 水没 部 分 の 水 当量,物 性値 は 室 温(20℃)の値 で あ る. これ はS45Cを 用 いた 実 験 にお け る熱 容 量 で あ るが,Aluminumに. つ. い て も同様 に考 慮 して い る, 熱 容 量 が 班000オ ー ダ の もの を 無視 す る と,熱 薫 計 の 熱 容 量〃 は次 の値 を持っ. M=水. 用 い た 実 験 で は マシ ニ ングセ ン タ. の熱 容 量+熱. 量 計 の水 当量. あ る.こ れ をエ ン ドミル(東 芝 タ ンガ ロ. イ 製=TCB‑390)と ス ロー ア ウ ェイ チ ップ(同 社 製:超 硬,す くい 角5 ° ,逃 げ角6°)1枚 刃 で 切 削 を行 う.水 の 上昇 温度 は,位 置 と深 さ. 4.2. を変 え た4本 の 温 度 セ ン サ で水 温 を測 定 し,そ の 平 均 上 昇温 度 を用 い. 切 削 中の 上 昇 温度Δ7(℃),切 削時 間 τ(s)および熱 量 計 の 熱容 量M(J/. る.温 度 セ ンサ は,白 金 測 温抵 抗 体 で あ り,熱 電 対 な どに比 較 して 精. 切 削理 論 との 比 較 心. kg・K)か ら,こ の 閥 の総 発 熱 量 ρ(W)は,. 度 が 高 く,1!1000℃ の分 解 能 を持 っ.温 度 校 正 は4本 の 白金 測 温 抵 抗 体 (7). をそれ ぞれ3種 類 の 沸 点 の 異 な る 液 体(蒸 留水(100℃1,ア セ トン(56.3 ℃),エ タ ノール(78.3℃))と. 蒸 留 水 の 融 点(0℃)の 合 計4点 で 行 っ た.. ま た,切 削 と同 時 に切 削 抵抗 と して ス ラ ス ト,ト ル ク をKisder動 力 計(typc9272)で 測 定 す る こ とに よ り切 削 理 論 か らも発 熱 量 を算 出 し, 実 際の 温 度 上昇 との比 較 を 行 っ た.. と表 され る. ま た,籾 削理 論 か らせ ん断 面 お よび す くい面 で 発 生す る熱 量q1,q2 を計 算 す る場 合,主 分 力 はM2/rに,送 る。 こ こで,〃2は. り分力 はス ラス トF2に 相 当す. トル ク(N・m),rは 被 削材 の 半 径(m)で あ る.. Table I Water equivarent of the calorimeter (S45C). 精密工学会誌 Vol. 64, No. 7, 1998. 1069.
(4) 平尾 ・寺島 ・朱 ・白瀬 ・安井:高 速切 削時における切削熱 の挙 動に関する研究. Fig.5. Temperature. Fig.6. of 4 sensors. Relation between torque and cutting speed (S45C). 5,3 切 削抵 抗 5.. 実. 験. 結. 果. 図6に 切 削 速度 に対 す る トル クの 変化 を,ニ ュ ーチ ップ お よび逃 げ 面 を加 工 した チ ップ ご とに表 した もの で る.籾 削 速度 の 上昇 と と もに. 5.1 切 削機 構. トル ク の値 が減 少 して い る.同様 に ス ラ ス トにつ い て も傾 向 を示 した.. 各接 触 面 を変 化 させ るに 当 た って 切 削機 構 が 同一 でな けれ ば比 較 で. また,切 込 み の 変化 にお い て も これ と同様 の傾 向 であ っ た.. き ない.す な わ ち,せ ん 断 角 が 一 定で な けれ ば な らない.切 削 後 の切. 5.4. 屑 厚 さよ りせ ん 断 角 を算 出 した 結 果 を 図4に 示 す.. 図7は 各 接 触面,す なわ ちせ ん断 面,す くい 面 にお け る 単位 時 間 、単. 逃 げ 面接 触 長 さ を変化 させ た実 験 に お い て は25.5。 で一 定 で あ り, また 切 込み の 変 化 で は最 大で2.の. 違 い と な り,ほ ぼ 同一 の切 削機 構. を持 つ とい え る.よ っ て,切 込 み お よび逃 げ 面接 触 長 さを 変化 させ る こ とで発 熱 量 を求 め る こ とが で き る. 5.2. 位 面 積 にお け る発熱 量q1,q2の グ ラ フで あ る.な お,逃 げ 面 にお ける 発熱 量93に つ い て は,こ こで は省 略 した. 理 論 値 と実験 値 では ほ ぼ 同 じ傾 向 を示 して い る.ま た,中 ・ 低速域 にお い て せ ん断 面,す くい面 の発 熱 量 は せ ん断 面 の 方 が切 削 速度 に対. 温度 上昇 測 定. 図5は,切. 各熱 源 に お ける 発 熱 量. す る増 分 が 大 きか った.し か し,高 速 切 削 域 にお い て それ らの傾 向は. 削 速度214m/min,送. り速度0。12mm1τevに お け るニ ュー. み られ ず,逆 にす くい 面 の方 が 切 削 速度 に 対 して 増 分 が大 きい よ うで. チ ップ を用 い,被 削 材 と して アル ミニ ウム を切 削 した際 の 温度 上 昇 を. あ る.. 測 定 した 結果 で あ る.切 削 終 了後 は,主 軸 に よ る撹 搾 が な くな る ため. 5,5. に ば らつ きがみ られ るが,温 度 の上 昇 す る とき の傾 きは,4本. のセ ン. サ と も,ほ ぼ 一 致 して い る.. 各 部 へ の流 入 熱 量. 図8は 各 部へ 流 入 す る熱 量 を 示 した もの で あ る.前 節 で得 られ た各 熱源 にお ける発 熱 量 を2章 で述 べ た熱 的 解 析 を用 い て発 熱 量 の分 配 を. この条 件 に お い て,4本 の セ ンサ の上 昇 温度 を平 均 す る と1435℃ に. 算 出 し,式(6)よ. り切 屑 ・工 具 ・被 削材 へ 流 入 す る熱 量 を求 め た.. な り,こ れ を切 削上 昇温 度 とす る.ま た,切 削 中は,工 具 の 回転 と送. ほ ば理 論 値 と実験 値 が 一致 して い る が,切 削 速度 の 増加 とと もに理. りに よ る撹 搾 に よっ て水 温 は 均 一 に な るが,わ ず か なが ら水 温 は上 昇. 論 値 と実験 値 が 逆転 して い る部 分 もみ られ る.こ れ は,切 削理 論 で は. す る(0.073℃).こ の こ と を考慮 した 結 果,切 削 の み にお け る上 昇温 度. 逃 げ 面 の発 熱 をな い もの と してい るが,実 際 は 高速 にな るにつ れ,逃. は切 削 上 昇温 度 と撹搾 上昇 温 度 との 差 とな り,この 条件 では1.362℃ で. げ面 で の接 触 に よる被 削 材表 面 との 摩擦 が大 き くな り,そ こ での発 生. あ った.よ って この 条件 にお ける 総発 熱 量 は66L5Wと. 熱 量 も大 き くな る た めだ と考 え られ る.. な る.. (b) Aluminum. (a) S45C Fig.7. 1070. 精 密工 学会 誌 Vol. 64,. No.. 7, 1998. Generated. heat on shear. and crater.
(5) 平尾 ・寺 島 ・朱 ・白瀬 ・安 井:高 速切削時 における切削熱の挙動に関する研究. (a) S45C. (b) Alminium Fig.8. Generating. heat of inflow. to each part. Fig.9. Ratio of heat flow. (a) S45C. (b) Aluminium. しか し,熱 量 の流 入 す る傾 向 と して は,従 来 言 われ て い る よ うに,. 謝. 辞. 切 屑 へ の流 入 が ほ とん どで あっ た.ま た,被 削 材 に残 存 す る熱 量の 増 分 は わず かで あ り,工 具 に は,切 削 速度 の 増加 に か かわ らず ほ ぼ一 定 の 値 を示 した.. 本研 究 を進 め る に あた り,実 験 用 チ ップ の製 作 を して いた だ い た東 芝 タ ンガ ロイ(株)の 関係 各 位,な. 5.6 流 入 熱 量割 合. らび に快 適 な実 験 環境 を提 供 を して. 頂 い た石 川 県 工業 試 験場 の広 崎 憲一 氏 に 深 く謝 意 を表 します.. 図9に 切 削熱 の流 入 割 合 を示 す.各 部へ の流 入割 合 は,被 削材 と工. ま た,実 験 に協 力 い た だ いた 金 沢大 学4年 の 三尾 俊 介氏,な らびに,. 具 の熱 伝 導 率,切 削条 件 な どに よって 変 わ るが,そ れ ぞれ の被 削 材 に. 多大 に有 益 な ご助 言 を頂 い た金 沢 大 学 の 浅 野久 志 技 官,儘. 対 す る理 論 値 と実験 値 は差 が あ ま りみ られ ず,よ く一 致 して い る.こ. (現 日立建 機(株))に 深 く感 謝 の 意 を表 しま す.. の ことか ら,こ の実 験 装 置 を使 用 しての 切 削熱 流 入 割 合 を求 め る こ と. 田知 憲 氏. なお 本 研 究 の 一 部 は,(財)ス ズ キ財 団 よ り助 成 を受 け て行 わ れ た こ とを付 記 し,感 謝 の意 を表 します.. は 妥 当で あ る と言 え る. 流入 割 合 の傾 向 と して は,従 来 言 わ れ て い る とお り,切 削 速 度 の 上 昇 とと もに切 屑 へ の 熱 量流 入 割 合 は 増 加 し,反 対 に 被 削材 ・工 具 へ の. 参. 考. 文. 献. 流入 割 合 は減 少 して い る. 6.. ま. と. め. (1)切 込 み や逃 げ 面接 触 長 さ を変 化 させ る こ とに よ り,切 屑,被 削 材,工 具 へ の 切 削熱 の 流 入 割 合 を求 め る こ とがで きた 。 (2)切 削熱 の切 屑 へ の流 入 割 合 は,切 削 速 度 の 上 昇 と とも に増 加 し,被 削 材,工 具 へ は 減 少 して い く. (3)高 速切 削 に な る につ れ て,逃 げ 面 で の 摩擦 に よる発 熱 は無 視 で きな くな る.. 1)A.O.Schmidt & J.R Roubik:Distribution of Heat Generated in Drilling, Trans. ASME, 71(1949) 2)A.O.Schmidt et al,A Thermal-Balance Method and Mechanical Investigation for Evaluating Machinability, Trans ASME, 67, 4(1945) 225. 3)E.G.Loewen & M.0 Shaw:On the Analysis of Cutting Tool Temperature,Trans.ASME(1954-2) 4)A.O.Schmidt,W.W.Gilbertand O.W.Boston A Thermal-BalanceMethod and Mechanical Investigation Machinability, Trans. ASME, 67,(1945). 精密工学会誌 Vol. 64, No. 7, 1998. 1071.
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(2) 平尾 ・寺 島 ・朱 ・白瀬 ・安井:高 速切削時 における切削熱の挙動 に関する研究. 次 に(1‑R1)q1な. る熱 源 に よる被 削材 の 温度 上 昇か らせ ん 断面 の平 均. 温 度 を 求め,こ の2つ の 方 法 で 求 めた せ ん 断 面温 度 上 昇 が等 しい と い う条件 か らR1を 求 め る. 」.CJeagerの. 解 析 よ り単 位 時 間 、 単 位 面 積 当 た りの 発 熱 量 が. (5) よ って,切 (W),工. り屑 へ 流入 す る熱 量Qc(W),被. 削材 へ 流入 す る熱 量9w. 具 へ流 入 す る熱 量 ②(W)は 次 式 よ り得 られ る.. (1‑R1)g、 な る矩 形 熱 源 が せ ん 断 方 向 に 脇 な る速 度 で 移 動 す る場 合, (6) せ ん断 面 の 平均 温 度 θ5は次 の よ うに表 され る. そ れ ぞ れ をgで. (2). 割 る と,切. Rc(%),Rw(%),R∫(%)は,次. 屑,被. 削 材,工. 具 へ の切 削 熱 の 流入 割 合. の よ う に な る.. ただ しん黒 は温 度 肌 にお け る被 削材 の熱 伝 導 率,多 は切 削 の せ ん断 ひ ずみ で あ る.よ って,式(1),(2)を 等 しい とお いてRlを 求 め る こ とがで き る.. 3.. (B1す くい 面 の摩 擦 に よ る上 昇 温 度. 3.1. △θf. す くい面 で は 単 位 時 間,単 位 面積 当た りに発 生 す る熱 量 をg2と し, 品g2が 切 り屑 に 入 り,残 りの(1‑R2)g2は. 工 具 に入 る もの と して考 え. る.. 実. 験. 方. 法. 実験 の 原理. 図2の よ うに切 込み の 変 化 と逃 げ 面接 触 長 さ を制 限 させ るチ ップ を 用 い て 切 削す る.切 込 み を変 化 させ る こ とに よ り,せ ん 断 面,す くい 面 接 触 面 にお け る単位 時 間 、単位 面 積 あ た りの 発 熱 量 を,逃 げ 面接 触 長 さを 制限 させ るチ ップ を用 い る こ とに よ り逃 げ面 接 触 面 にお け る単 位 時 間 、単位 面積 あ た りの発 熱 量 を求 め る こ とが で き る.各 熱源 にお. 切屑 の工 具 に 接 す る 面 の摩 擦 に よ る平 均 上 昇 温度 △の は. け る発 熱 量 を求 め る こ とが で きれ ば,2章. で述 べ た切 削 理 論 よ り,切. 屑,工 具,被 削 材 へ の流 入 割 合 を導 く こ とがで き る. なお ここ で,切 込 み変 化 で使 用す るチ ップ は逃 げ 面の 加 工 が され て いな い チ ップ(以 降 ニ ュ ーチ ップ と呼ぶ)で あ り,逃 げ 面 を加 工 され ただ しβは切 り屑 と工 具 の接 触 長 さ,島,」陥 は 最 終 温度 にお け る切 り. たチ ップ に よ る実 験 は送 り速度 を一 定 とす る.. 屑 の熱 伝 導 率お よび 温度 伝 達 率 切 り屑 の 工具 に接 す る面 の平均 温 度 θ'はせ ん断 面 の平 均 温度 上昇 θs と摩 擦 に よ る平 均 温 度 上昇 △θfを加 えた もの で あ る か ら, (3) ま た 工具 側 か らみ たす くい面 の 平 均 温度 θご は熱 伝 導 論 よ り, (4) た だ し 島 は温 度 θ'にお け る工 具 の熱 伝 導 率,Aは. 面積 係 数 とい う.. そ して,式(3)と 式(4)を等 しい とお く とR2は 次 式 の とお りで あ る.. (a) Depth of cut Cn. (C1逃 げ 面 の摩 擦 に よる 上 昇温 度. θw. 逃 げ面 に お い て は,単 位 時 間,単 位 面積 当た りに 発 生す る熱 量 をq3 と し,R、g3が 工 具 に入 り,残 りの(1‑R3)gは. 被 削材 に入 る もの と して. 考 え る.被 削材 の工 具 に接 す る面 の 摩 擦 に よる 上 昇 温度 θwにつ いて は,原 理 的 に(B)に 述 べ た切 削温 度 の 計 算 方 法 と全 く同様 で あ るの で 重 複 を避 け る. (D) 各部 へ の流 入 割 合 につ いて こ こでせ ん 断 面 面積,す くい 面,逃 げ 面 に お け る接 触 面積 をA1,A2, A,と し,Cは 実 験 よ り得 られ る単 位 時 間 当た りの発 熱 量 で 次式 の よ う に示 され る.. 1068. 精密 工学 会誌 Vol. 64,. (b) Flank contact length Fig2. No.. 7,. 1998. Variation. in contact. length.
(3) 平尾 ・寺 島 ・朱 ・自瀬 ・安井:高 速切 削時における切削熱の挙動 に関す る研究. Fig.4. Relation between each length and shear angle (Cutting. speed : 214m/min). 4。 デ ー タ 整 理 に 必 要 な事 項 Fig.3. 32. Experimental. apparatus. 4.1 熱 量 計 の熱 容 量 につ い て 熱 量計 の うち,水 と接 す る実 験器 具 に つ い ては,そ の接 し方 に よ っ. 実験装置. 図3に 本 実 験 で 使 用 した 実 験 装 置 の概 略 を示 す.断 熱 材 を巻 い た熱 量 計 に1rの 水 を 入 れ,切. 削 中 に 発 生 した 切 削 熱 を 水 に吸 収 させ る.. そ して,そ の 聞 の上 昇 温度 か ら総 発 熱 量 を求 め る 。ま た,温 度 セ ンサ を切 屑 か ら守 るた め に,防 護 ネ ッ トを取 り付 けた.被 削材 に はS45C, Aluminum(5052)の2種 30㎜. 類 を 用 い,そ れ ぞ れ 外 径32,34mm,内. の パ イ プ状(切 削 幅 は1㎜,2㎜. る.使 用 した 工 作機 械 はS45Cの. 実 験 で は 汎 用数 値 制 御 ボー ル 盤(砥 々. 産 業 製 νRND‑1003形),Aluminumを (松浦 機 械製 作所 製:FX‑1)で. 径. で あ る)}こ 仕 上 げ た もので あ. て水 に 相 当す る熱 容 量(水当量)と して考 慮 した.実験 器 具 の水 当量 を表 1に 示 す.番 号2‑4は 浸 水 部 分 の水 当量,番 号6は 水没 部 分 の 水 当量,物 性値 は 室 温(20℃)の値 で あ る. これ はS45Cを 用 いた 実 験 にお け る熱 容 量 で あ るが,Aluminumに. つ. い て も同様 に考 慮 して い る, 熱 容 量 が 班000オ ー ダ の もの を 無視 す る と,熱 薫 計 の 熱 容 量〃 は次 の値 を持っ. M=水. 用 い た 実 験 で は マシ ニ ングセ ン タ. の熱 容 量+熱. 量 計 の水 当量. あ る.こ れ をエ ン ドミル(東 芝 タ ンガ ロ. イ 製=TCB‑390)と ス ロー ア ウ ェイ チ ップ(同 社 製:超 硬,す くい 角5 ° ,逃 げ角6°)1枚 刃 で 切 削 を行 う.水 の 上昇 温度 は,位 置 と深 さ. 4.2. を変 え た4本 の 温 度 セ ン サ で水 温 を測 定 し,そ の 平 均 上 昇温 度 を用 い. 切 削 中の 上 昇 温度Δ7(℃),切 削時 間 τ(s)および熱 量 計 の 熱容 量M(J/. る.温 度 セ ンサ は,白 金 測 温抵 抗 体 で あ り,熱 電 対 な どに比 較 して 精. 切 削理 論 との 比 較 心. kg・K)か ら,こ の 閥 の総 発 熱 量 ρ(W)は,. 度 が 高 く,1!1000℃ の分 解 能 を持 っ.温 度 校 正 は4本 の 白金 測 温 抵 抗 体 (7). をそれ ぞれ3種 類 の 沸 点 の 異 な る 液 体(蒸 留水(100℃1,ア セ トン(56.3 ℃),エ タ ノール(78.3℃))と. 蒸 留 水 の 融 点(0℃)の 合 計4点 で 行 っ た.. ま た,切 削 と同 時 に切 削 抵抗 と して ス ラ ス ト,ト ル ク をKisder動 力 計(typc9272)で 測 定 す る こ とに よ り切 削 理 論 か らも発 熱 量 を算 出 し, 実 際の 温 度 上昇 との比 較 を 行 っ た.. と表 され る. ま た,籾 削理 論 か らせ ん断 面 お よび す くい面 で 発 生す る熱 量q1,q2 を計 算 す る場 合,主 分 力 はM2/rに,送 る。 こ こで,〃2は. り分力 はス ラス トF2に 相 当す. トル ク(N・m),rは 被 削材 の 半 径(m)で あ る.. Table I Water equivarent of the calorimeter (S45C). 精密工学会誌 Vol. 64, No. 7, 1998. 1069.
(4) 平尾 ・寺島 ・朱 ・白瀬 ・安井:高 速切 削時における切削熱 の挙 動に関する研究. Fig.5. Temperature. Fig.6. of 4 sensors. Relation between torque and cutting speed (S45C). 5,3 切 削抵 抗 5.. 実. 験. 結. 果. 図6に 切 削 速度 に対 す る トル クの 変化 を,ニ ュ ーチ ップ お よび逃 げ 面 を加 工 した チ ップ ご とに表 した もの で る.籾 削 速度 の 上昇 と と もに. 5.1 切 削機 構. トル ク の値 が減 少 して い る.同様 に ス ラ ス トにつ い て も傾 向 を示 した.. 各接 触 面 を変 化 させ るに 当 た って 切 削機 構 が 同一 でな けれ ば比 較 で. また,切 込 み の 変化 にお い て も これ と同様 の傾 向 であ っ た.. き ない.す な わ ち,せ ん 断 角 が 一 定で な けれ ば な らない.切 削 後 の切. 5.4. 屑 厚 さよ りせ ん 断 角 を算 出 した 結 果 を 図4に 示 す.. 図7は 各 接 触面,す なわ ちせ ん断 面,す くい 面 にお け る 単位 時 間 、単. 逃 げ 面接 触 長 さ を変化 させ た実 験 に お い て は25.5。 で一 定 で あ り, また 切 込み の 変 化 で は最 大で2.の. 違 い と な り,ほ ぼ 同一 の切 削機 構. を持 つ とい え る.よ っ て,切 込 み お よび逃 げ 面接 触 長 さを 変化 させ る こ とで発 熱 量 を求 め る こ とが で き る. 5.2. 位 面 積 にお け る発熱 量q1,q2の グ ラ フで あ る.な お,逃 げ 面 にお ける 発熱 量93に つ い て は,こ こで は省 略 した. 理 論 値 と実験 値 では ほ ぼ 同 じ傾 向 を示 して い る.ま た,中 ・ 低速域 にお い て せ ん断 面,す くい面 の発 熱 量 は せ ん断 面 の 方 が切 削 速度 に対. 温度 上昇 測 定. 図5は,切. 各熱 源 に お ける 発 熱 量. す る増 分 が 大 きか った.し か し,高 速 切 削 域 にお い て それ らの傾 向は. 削 速度214m/min,送. り速度0。12mm1τevに お け るニ ュー. み られ ず,逆 にす くい 面 の方 が 切 削 速度 に 対 して 増 分 が大 きい よ うで. チ ップ を用 い,被 削 材 と して アル ミニ ウム を切 削 した際 の 温度 上 昇 を. あ る.. 測 定 した 結果 で あ る.切 削 終 了後 は,主 軸 に よ る撹 搾 が な くな る ため. 5,5. に ば らつ きがみ られ るが,温 度 の上 昇 す る とき の傾 きは,4本. のセ ン. サ と も,ほ ぼ 一 致 して い る.. 各 部 へ の流 入 熱 量. 図8は 各 部へ 流 入 す る熱 量 を 示 した もの で あ る.前 節 で得 られ た各 熱源 にお ける発 熱 量 を2章 で述 べ た熱 的 解 析 を用 い て発 熱 量 の分 配 を. この条 件 に お い て,4本 の セ ンサ の上 昇 温度 を平 均 す る と1435℃ に. 算 出 し,式(6)よ. り切 屑 ・工 具 ・被 削材 へ 流 入 す る熱 量 を求 め た.. な り,こ れ を切 削上 昇温 度 とす る.ま た,切 削 中は,工 具 の 回転 と送. ほ ば理 論 値 と実験 値 が 一致 して い る が,切 削 速度 の 増加 とと もに理. りに よ る撹 搾 に よっ て水 温 は 均 一 に な るが,わ ず か なが ら水 温 は上 昇. 論 値 と実験 値 が 逆転 して い る部 分 もみ られ る.こ れ は,切 削理 論 で は. す る(0.073℃).こ の こ と を考慮 した 結 果,切 削 の み にお け る上 昇温 度. 逃 げ 面 の発 熱 をな い もの と してい るが,実 際 は 高速 にな るにつ れ,逃. は切 削 上 昇温 度 と撹搾 上昇 温 度 との 差 とな り,この 条件 では1.362℃ で. げ面 で の接 触 に よる被 削 材表 面 との 摩擦 が大 き くな り,そ こ での発 生. あ った.よ って この 条件 にお ける 総発 熱 量 は66L5Wと. 熱 量 も大 き くな る た めだ と考 え られ る.. な る.. (b) Aluminum. (a) S45C Fig.7. 1070. 精 密工 学会 誌 Vol. 64,. No.. 7, 1998. Generated. heat on shear. and crater.
(5) 平尾 ・寺 島 ・朱 ・白瀬 ・安 井:高 速切削時 における切削熱の挙動に関する研究. (a) S45C. (b) Alminium Fig.8. Generating. heat of inflow. to each part. Fig.9. Ratio of heat flow. (a) S45C. (b) Aluminium. しか し,熱 量 の流 入 す る傾 向 と して は,従 来 言 われ て い る よ うに,. 謝. 辞. 切 屑 へ の流 入 が ほ とん どで あっ た.ま た,被 削 材 に残 存 す る熱 量の 増 分 は わず かで あ り,工 具 に は,切 削 速度 の 増加 に か かわ らず ほ ぼ一 定 の 値 を示 した.. 本研 究 を進 め る に あた り,実 験 用 チ ップ の製 作 を して いた だ い た東 芝 タ ンガ ロイ(株)の 関係 各 位,な. 5.6 流 入 熱 量割 合. らび に快 適 な実 験 環境 を提 供 を して. 頂 い た石 川 県 工業 試 験場 の広 崎 憲一 氏 に 深 く謝 意 を表 します.. 図9に 切 削熱 の流 入 割 合 を示 す.各 部へ の流 入割 合 は,被 削材 と工. ま た,実 験 に協 力 い た だ いた 金 沢大 学4年 の 三尾 俊 介氏,な らびに,. 具 の熱 伝 導 率,切 削条 件 な どに よって 変 わ るが,そ れ ぞれ の被 削 材 に. 多大 に有 益 な ご助 言 を頂 い た金 沢 大 学 の 浅 野久 志 技 官,儘. 対 す る理 論 値 と実験 値 は差 が あ ま りみ られ ず,よ く一 致 して い る.こ. (現 日立建 機(株))に 深 く感 謝 の 意 を表 しま す.. の ことか ら,こ の実 験 装 置 を使 用 しての 切 削熱 流 入 割 合 を求 め る こ と. 田知 憲 氏. なお 本 研 究 の 一 部 は,(財)ス ズ キ財 団 よ り助 成 を受 け て行 わ れ た こ とを付 記 し,感 謝 の意 を表 します.. は 妥 当で あ る と言 え る. 流入 割 合 の傾 向 と して は,従 来 言 わ れ て い る とお り,切 削 速 度 の 上 昇 とと もに切 屑 へ の 熱 量流 入 割 合 は 増 加 し,反 対 に 被 削材 ・工 具 へ の. 参. 考. 文. 献. 流入 割 合 は減 少 して い る. 6.. ま. と. め. (1)切 込 み や逃 げ 面接 触 長 さ を変 化 させ る こ とに よ り,切 屑,被 削 材,工 具 へ の 切 削熱 の 流 入 割 合 を求 め る こ とがで きた 。 (2)切 削熱 の切 屑 へ の流 入 割 合 は,切 削 速 度 の 上 昇 と とも に増 加 し,被 削 材,工 具 へ は 減 少 して い く. (3)高 速切 削 に な る につ れ て,逃 げ 面 で の 摩擦 に よる発 熱 は無 視 で きな くな る.. 1)A.O.Schmidt & J.R Roubik:Distribution of Heat Generated in Drilling, Trans. ASME, 71(1949) 2)A.O.Schmidt et al,A Thermal-Balance Method and Mechanical Investigation for Evaluating Machinability, Trans ASME, 67, 4(1945) 225. 3)E.G.Loewen & M.0 Shaw:On the Analysis of Cutting Tool Temperature,Trans.ASME(1954-2) 4)A.O.Schmidt,W.W.Gilbertand O.W.Boston A Thermal-BalanceMethod and Mechanical Investigation Machinability, Trans. ASME, 67,(1945). 精密工学会誌 Vol. 64, No. 7, 1998. 1071.
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