CBN工具による高硬度鋼の旋削温度測定t 論文
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(2) MahfudzALHUDA・. 山田 ・上田 二CBN工. Table. Fig. 1. Schematic. illustration. of experimental. System. of two-color. た りの 送 り の量 が 小 さ い た め,数 す る こ と に な る が,こ. 回 工 具 刃 先 が 小 孔 上 を通 過. れ ら す べ て を計 測 し,穴. characteristics. of amplifier. Fig. 4. Calibration. curve of two-color. pyrometer. の 中央 を通 過 て 高 周 波 数 ノ イ ズ を カ ッ ト し,デ. 切 削 抵 抗 は加 工 材 料 ホ ル ダ に 固 定 し た圧 電 型3軸. 動 力計. ん 記 録 した 後,マ. ィジ タル メモ リー にい った. イ ク ロ コ ン ピ ュ ー タ で 処 理 さ れ る.そ. れ の 素 子 の 分 光 感 度 特 性 が 異 な る た め,2つ. よ っ て 測 定 して い る.. 使 用 した 加 工 材 料 を 表1に. Frequency. pyrometer. した と き の 信 号 を 測 定 値 と し て 採 用 して い る.. (Kistler)に. conditions. set-up. Fig. 3. Fig. 2. 1 Experiniental. 具による高硬 度鋼の旋削温 度測定. 示 す.加. を と る こ と に よ り温 度 に換 算 す る こ と が で き る.な. 工 しや す いS45C(焼. お,. き な ま し)を 用 い て 温 度 測 定 法 を確 立 し,そ の 後 硬 度 が 高 く. InSb素. て 難 削 材 で あ るSUJ2,S55C(焼. カ ッ ト し,高 温 に お け る 温 度 計 の 感 度 を 向 上 させ て い る.. る.工. 具 材 と し て,微. 材(TiN)で 積%,密. 粒CBN粒. 強 固 に焼 桔 した チ ッ プ(CBN含 度 は 約3000kg/mm2)を. 2.2. 入 れ)の. 有 率 は 約60体. 100kHzの. 入 力 ま で 損 失 の な い 応 答 性 を示 して お り,本 研 究. 温 度 校 正 は 切 削 に 使 用 した と 同 じ材 質 のCBNチ. 温 度 計 の 基 本 構 造 を 図2に. 示 す.測. 定対 象 物 か ら輻射 され. た 赤 外 線 を グ レ ー デ ッ ド型 光 フ ァ イバ(石 束 定 数:3.95×103μm1)に. 英,コ. ア 径100μ. よ っ て 受 光 し,光. の 光 フ ァ イ バ に 分 岐 し た 後,集. して 分 光 感 度 特 性 の 異 な る2つ 伝 送 す る.測. 光 電 変 換 素 子 の 増 幅 回 路 の 周 波 数 特 性 で あ る.約. い て 行 っ た.熱. 温度計. ラ に よ っ て2本. 図3は. ィ ル タ を 配 置 し て赤 外 線 の 短 波 長 領 域 を. へ の適 用 に は十 分 であ る こ とが わ かる .. 用 い た.. 温度計測 法. 2.2.1. m,集. 加 工 に 適 用 して い. 子 を 微 粒 セ ラ ミ ッ ク ス結 合. 子 側 にGeフ. れぞ. の 素 子 の 出力 比. カプ. 光 レンズ を介. の 光 電 変 換 素 子GeとInSbへ. 定 信 号 は 電 気 信 号 に 変 換 さ れ,フ. ィル タ に よっ. に 加 熱 し,そ. の と き試 料 か ら 輻 射 さ れ る 赤 外 線 を 光 フ ァ イ バ. で 受 光 して い る.2つ 図4に. 示 す.図. 送 損 失,光. の 素 子 か らの 出 力 比 と温 度 と の 関 係 を. 中 の 実 線 は 輻 射 エ ネ ル ギ ー,光. 電 変 換 素 子 の 分 光 感 度 特 性,な. 度 で あ る.両. ッ プ を用. 電 対 を埋 め 込 ん だ チ ッ プ を 電 気 的 に 一 定 温 度. フ ァ イバ の伝. どで決 まる理論 感. 者 は よ く一 致 して お り,十 分 な 精 度 が 得 ら れ て. い る こ とが わ か る.. 精 密 工 学 会 誌Vol.. 64,. No. 11, 1998. 1685.
(3) Mahfudz. AL. HUDA・. Fig. 5. 山田 ・上田:CBN工. Illustration. of optical. 具 による高硬度鋼 の旋削温度測 定. fiber setting. Fig. 7 Influence of measuring distance on temperature measured when temperature of object is uniform. Fig. 6. Illustration. of energy. 2.2.2. 受光 エ ネ ルギ ー. 図5に. 示 す よ う に,切. accepted. at incidence. fiber. Fig. 8. 削 中,小. Output wave when pierced. で あ る.こ. の図 に. ッ プ の 先 端 部 は 強 度 を持 た せ る た め,お 込 み が0.1mmで. よそ. 100μmの. ラ ン ドが つ け て あ る.切. と か ら,実. 際 の 切 削 は ラ ン ドで 行 わ れ て い る こ と に な る.す. な わ ち,ラ. ン ドの 部 分 が す くい 面 に相 当 す る か ら,バ. あるこ. dF=r1dr1dθ1i,df=r2dr2dθ2.r2の. イ トに. 最 大 値r2. r2max=htanξmaxで. 与 え ら れ る.こ. 図6の. よ う に,測. 具 に よ る 引 っ か き に 近 い 状 況 に あ る と考 え る こ と が で き る.. 度 計 の 受 光 エ ネ ル ギ ー を式(1)を. 従 っ て,ラ. した 結 果 を 図7に. に な る が,領. 密 に は こ の 部 分 も温 度 分 布 を持 つ こ と. 域 が 小 さ い こ と か ら,こ. こ で は,均. 一 温 度 と見. な して 扱 う こ と に す る, そ こで,温. 形 に モ デ ル 化 して 考 え る と,温. 度 測 定 状 態 は 図6の. 円 よ うにな. 測 定 距 離,2ξ. の 温 度 が1000℃. 円形. と均 一 状 態 に あ る 場 合 に つ い て,温. 示 す.測. 用 い て 求 め,温. 定 距 離hが. 度 に換 算. 大 き く な る とGeや. InSb単 独 の 温 度 計 で は 急 激 に低 下 して お り,正 確 な 温 度 が 測 定 で き な い.と 1000℃. 度 が 均 一 と見 な した 領 域 を 直 径100μmの. こ で,hは. 定 対 象 領 域 の 半 径Rsが50μmの. で,そ. え る こ とが で き る.厳. 受 光. は 受 光 角 で あ る5)。. よ る切 削 よ りは む しろ 負 の す くい 角 を も っ た 円 す い 形 状 の 工. 部 分 が 最 も 高 温 に な る と考. maxはdFが. す る 輻 射 線 を 放 射 す る 対 象 面 内 の 円 形 領 域 の 半 径 で あ り,. MAX. ン ドの 約100μmの. hole is used. 孔 に挿 入 され た光 フ ァイバ. の 受 光 面 と測 定 対 象 物 と の 距 離 は0.5m搬 見 る よ う に,チ. face of optical. こ ろ が,こ. れ ら の 比 を とっ た2色. 温 度計 で は. が 測 定 さ れ て お り,正 確 な 温 度 計 測 が 可 能 で あ る こ. とが わ か る.す. な わ ち,均. 一 温 度 分 布 で あ れ ば,測. 定距 離 に. 関 係 な く正 確 な温 度 計 測 が 可 能 で あ る こ とが わ か る.. る 、 温 度 測 定 対 象 面 は 感 温 面 上 を切 削 速 度 で 通 過 して い く こ と に な る が,図. は 対 象 物 が 中 央 に 来 た 時 を示 して い る.こ. 図 に お い て,光. フ ァ イバ の 受 光 面 が 受 光 す る 全 エ ネ ル ギ ー. E2は. の. 次 式 で 与 え ら れ る.. 3.. 3.1. 結. 果. よ び 動 力 計 か ら の 測 定 波 形 を 図8に. ら,切 削 抵 抗 の 主 分 力F,InSb素 らの 出 力 で あ る.切. こ こで,Jλ. 験. 切 り くず の 影 響. 温 度 計,お. (1). 実. 示 す.上. 子 か らの 出 力,Ge素. か. 子か. 削 抵 抗 の 波 形 を 観 察 す る こ と に よ り,抵. n(r,T)は 測 定 領 域 の 法 線 方 向 へ の ス ペ ク トル 強 度 で あ り,dfお よ びdFは そ れ ぞ れ 測 定 対 象 面 お よ び 光. 抗 が 大 き く低 下 し て い る 点 か らバ イ ト先 端 が 小 孔 上 を 通 過 す. フ ァ イ バ の 受 光 面 上 の 微 小 領 域,rは. 抗 が 減 少 す る 前 に 大 き な 出 力 が 現 れ て い る.こ. 測 定 対 象 領 域 の 中 心0. か らdfま で の 距 離,ξ. はdfか. らdFを. 線 と の 角 度,Rはdfか. らdFま. で の 距 離 で あ る.こ. 1686精. 密 工 学 会 誌Vol.. 64, No.. 結 ぶ 直 線 と対 象 面 の 法. 77, 1998. の と き,. る と き を知 る こ とが で き る.と. に 示 す よ う に,工. こ ろ が,温. 度 計 に は,切. 具 先 端 が 小 孔 を 通 過 す る 前 に,切. 光 フ ァ イバ の 感 温 領 域 に 入 っ て し ま い,高. 削抵. れ は,図9 り くず が. 温 な 切 り くず か ら.
(4) Mahfudz. Fig. 9. Measuring. condition. when pierced. AL. HUDA・. 山 田 ・上田:CBN工. hole is used. Fig. 12 Fig.. 10. Measuring Tool. condition passing. when point. plugged through. the. 図8か. wave when. plugged. of measuring. result. hole. Influence. of measuring. distance. ら得 られ た 温 度 と図11か. た 結 果 が 図12で Output. Comparison. hole is used. Fig. 8. Fig. 11. 具 による高硬度鋼 の旋削温度測定. あ る.被. on temperature. measured. ら得 ら れ た 温 度 を比 較 し. 削 材 がS45C(annealing)の. 場 合,. 貫 通 穴 の 温 度 と非 貫 通 穴 の 温 度 と の 間 に ほ と ん ど差 は な く,. hole is used. 切 り くず の 影 響 は 無 視 で き る ほ ど小 さ い こ とが わ か る.一 の 赤 外 線 を検 出 して し ま う た め と 考 え ら れ る.そ. こで,動. 力. 方,被. 削 材 がSUJ2の. 場 合,非. 計 の 出 力 が 大 き く減 少 す る 部 分 と 時 間 的 に一 致 し た 点 で 出 力. ℃ ほ ど低 く な っ て い る.硬. さ れ る ピー ク を工 具 刃 先 か ら の 出 力 信 号 と 見 な す こ と に し. が 高 く な る た め,そ. た.. る.. こ こ で,切. り くず か ら輻 射 され る赤 外 線 の 測 定 温 度 へ の 影. 響 を 調 べ て お く必 要 が あ り,図10に. 示 す よ う な非 貫 通 穴 を. しか し,い ず れ の 場 合 に も そ の 影 響 は 小 さ く,特. 3.2. 温度 分布 の影響. な わ ち,非. の 加 工 で 穴 が 貫 通 す る 状 態 と して お. 測 定 対 象 面 の 温 度 が 均 一 な場 合,正. に 示 す よ う に切 り くず か らの 赤 外 線 は 遮. こ と は2。2.2節 の 検 討 で わ か っ た.本. 具 先 端 が 通 過 す る と き は 穴 が 貫 通 して お り,. に断わ ら. な い 限 り貫 通 穴 を 使 っ て 実 験 をす る こ と にす る.. 込 み よ り も 小 さ く,1回. 断 さ れ る が,工. は 切 り くず 温 度. の 影 響 が 大 き く な っ た もの と考 え られ. 用 い て 測 定 を行 っ た.す. く.こ れ に よ り,図. 貫 通 穴 の底 面 の厚 さは切. 貫 通 穴 に よ る 温 度 は お よ そ10. 度 が 高 いSUJ2で. 小 さ い た め,均. 確 な温度 計測 が で き る 研 究 で は,測. 一 温 度 と 見 な す こ と に し た が,そ. の影 響 を調. 工 具先 端 か らの赤外 線 を光 フ ァイバ は 受光 す る こ とがで き. べ て お く必 要 が あ る.図13は. る 。 この と き の 測 定 波 形 を 図11に. 位 置 を変 化 させ て 測 定 した 結 果 で あ る.温 度 分 布 が あ る場 合 一般 には測 定距 離 の影 響 を受 ける こと にな るが ,こ の 図 よ. 示 す.図8に. う な切 り くず に よ る 波 形 は 観 察 さ れ て お らず,切. 見 られ た よ 削抵 抗 が 大. き く低 下 す る 点 で 温 度 計 の 出 力 が 得 られ て い る.な. お,温. 度. 図5に. 定領 域 が. 示 す 光 フ ァイバ の設 置. り,測 定 距 離 を 変 化 さ せ て も測 定 温 度 が ほ ぼ 一 定 で あ る こ と. 計 の ピ ー ク 出 力 は 動 力 計 の 出 力 よ り も時 間 的 に わ ず か に 早 く. か ら,温 度 分 布 の 影 響 を 無 視 す る と した 取 扱 い が 妥 当 で あ る. 現 れ て い る.. こ とが わ か る.. 精 密 工 学 会 誌Vo1.. 64, No. 11, 1998. 1687.
(5) Mahfudz. AL. HUDA・. Fig. 14. 山 田 ・上田:OBN工. Influence. Fig. 15. 具によ る高硬度鋼の旋 削温 度測定. of cutting. speed on tool edge temperature. of depth. of cut on tool edge temperature. Influence. Fig. 16. Fig. 17. 3.3. 結 果 を 図14か. り,切 込 み が 刃 先 温 度 に 及 ぼ す 影 響 を 調 べ た ら 図16に. of work materials. on tool edge temperature. 示 す.被. 削 材 と してSUJ2を. 得 ら れ た 結 果 を を ま と め る と 次 の よ う に な る.. 用い. (1) 本 温 度 測 定 法 に よ り,旋 削 加 工 に お け る 工 具 刃 先 温 度. て い る.. を 計 測 す る こ と が で き る.. 切 削 速 度 が 速 く な る に した が い 刃 先 温 度 は ほ ぼ 直 線 的 に 上 昇 して お り,切. (2). 程 度 で あ っ た も の が,200m/minで. 近 い 温 度 に 上 昇 して い る.50℃. は. (3). 異 な れ ば工具 寿命 に (4). 削 速 度 に 比 べ 送 りや 切 込 み の 影 響 は 小 さ く,. わ ず か に温 度 上 昇 す る 程 度 で あ る.温. は800℃. で. に も達 す る.. 送 りや 切 込 み の 影 響 は 小 さ く,わ ず か に 温 度 上 昇 す る 程 度 で あ る.. 大 き く影 響 す る と い わ れ て お り,無 視 で き る 温 度 で は な い こ とが わ か る.切. 切 削 速 度 の 影 響 は 大 き く,100m/minで700℃ あ っ た もの が,200m/minで. 削 速 度 の 影 響 を 大 き く受 け る こ と が わ か る 。. 100m/minで700℃ 800℃. Influence. of feed rate on tool edge temperature. に 大 き く影 響 す る と考 え られ る 逃 げ 面 側 の 温 度 を 計 測 した.. 加工条 件の影 響. 切 削 速 度,送. Influence. SUJ2,焼. 入 れ 鋼S55C,焼. た 場 合,焼. 度 の み に 注 目す れ ば,. き な ま し鋼S45Cを. 入 れ 鋼S55Cが. 加工 し. 最 も 高 く,S45Cで. 刃 先温. 度 が 最 も低 い 。. 生 産 性 を 上 げ る に は 送 りや 切 込 み を大 き くす る こ とが 得 策 と い え る. 3.4. 終 わ り に,CBN工 被削材 の影響. 被 削 材 に焼 入 れ したS55C,SUJ2,お S45Cを. 場 合,切. 示 す.た. 込 み が0.1mmで. 鋼SUJ2(Hv=510)の い る.硬. 場 合,温. 参. だ し,焼. 1). した.. 度 が 一 番 高 く,軸 受. 場 合 に 比 べ て お よ そ50℃. さ の 低 い 焼 き な ま し鋼S45C(Hv=210)で. 高 くな っ て は,加. 工. 2). 3). 条 件 が 過 酷 で あ る に もか か わ ら ず 最 も 低 い こ と が わ か る. 4) 4.. 結. 言 5). 旋削 加工 中のCBN工. 具 刃 先温 度 を光 カ プラ型2色 温 度計. を用 いて測 定 す る方法 につ い て検討 した.加 工材 料 表 面性 状. 1688. 精 密 工 学 会 誌Vol.. 提 供 を受. 64, No. 11, 1998. 考. 文. 献. は温 度 が低 く. て 本 温 度 計 で 計 測 不 可 能 で あ る か ら,0.8mmに 焼 入 れ 鋼S55C(Hv=700)の. BN250)の. 感 謝 しま す.. よ び焼 き な ま した. 用 い た場 合 の 測 定 結 果 を 図17に. き な ま したS45Cの. 具(SUMIBORON,. け た住 友 電 気 工 業(株)に. 例 え ば:M.. Konenberg:. Mdachining. Science. and. Application,. Theory. and Practice for Operation and Development of Machining Processes, Pergamon Press, Oxford, (1966). 例 えば:杉 田忠 彰,上 田 完次,稲 村 豊 四郎:基 礎 切 削加 工学, 共 立 出版,(1990). P. Muller-Hummeland M. Lahres:TemperatureMeasurementon Diamond-CoatedToolsduring Machining, Ind. DiamondRev.,5 5, 265 (1995) 78. 村 上 大 介,森. 口 秀 樹,池. ヶ谷 昭 彦,野. 布 測 定 法 の 開 発(第1報),1997年 演 会 講 演 論 文 集,(1997)147. 上 田 隆 司,入 山 考 宏,杉 田 忠 彰:レ 測 定,精 密 工 学 会 誌61,2(1995)278.. 村 俊 雄:工. 具の切 削温 度分. 度精 密 工学 会秋 季 大会学 術講 ーザ 照 射部 の フ ラ ッシュ温度.
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