論 文
切削加工状態同定のためのインプロセス測定
―第3報 工具摩耗の測定と自動切削試験―
（昭和56年8月31日受理）丹沢恒正
萩原隆徳 小尾誠In-Process Measurment of Cutting Process
-3rd Report The Measurement of Cutting Tool Wear
and Aoutmatic Cutting
Test-TsunemasaTANZAWA TakanoriHAGIHARA MakotoOBI
㎡ Abstract Here the technique of the in・process measurement of tool weat（tool−life）is discribed． Tool−wear is a parameter of estimated function concerning the productivity and economical factors in the cutting process． Measuring method of the tool wear is shown as follows： The tool wear is measured directly when the tool is removed to a proper place at the time of tool changing． The method of the・measurement is to sense the shape of the tool edge by several electric micrometers and to determin the tool wear by comparing it with the first condition． According to the results of the experiments， it is proved that， in the wet cutting， the tool can be m6asured with a comparatively high accuracy． On the other hand， in the dry cutting， the measuring error caused by the cutting temperat・ ure might sometimes apPear． Hδwever， if the cutting temperature is compensated， a high measuring accuracy can be obtained even in the dry cutting． Moreover automatic cutting tests are examined by utilizing a trial device as one of prat三cal methods．
1．緒
言 切削加工工程における加工条件の最適化を計る場 合，その状態を適切に同定する必要がある。なかでも 加工中に，すみやかに最適条件を求め，その条件を維 持しようとする適応制御等フィードバック機能を持つ システムのなかでは，測定技術の適否はその系全体の 優劣を決定すると言っても過言ではない。なぜなら， 実用的には，測定技術が最も遅れていると言われてい るからであり，このため近年インプロセス測定（計 測）という名のもとに多くの研究がなされている1）。 切削加工状態を同定するための状態変数としては， 切削抵抗，切削温度，振動，工具摩耗（寿命）などが あげられる。前報では切削抵抗2），切削温度等3），の 測定法について述べた。今回は工具摩耗の測定に関し て若干の成果を得たのでここに報告する。 切削の進行に伴う工具摩耗は加工能率のみならず加 工精度にも重要な影響を与えることは言うまでもな く，このため従来より非常に多くの研究開発がなされ てきた4）。それらの成果は適応制御システムのセンサ として応用された試．みもいくつかみられるが，、しか し，汎用的にみるならば，まだ解決しなければならな い多くの課題が含まれている。特に，旋削加工等にお いては，その加工機構から直接工具摩耗を測定するこ とは加工中では不可能である。，このため，工具摩耗の インプロセス測定法としては次の二つの方向が考えら れる。 1）完全なインプロセスではないが，加工工程中の 非切削時間を利用し直接工具摩耗を測定する。 2） 工具摩耗の進行に伴って発生する切削抵抗，温1一
度，振動，丁；作精度の変1ヒから1：具摩札を推定する。 直接測定と間接測定であるが・後者は．fンブ．［・セ1・ 測定としては忠実であるが測定精度に問題がある。 ・ 方llll者は測定精度は後者に比較して高いが．1白：接湖定 のため切削中での測定は不μ1「能である。したが〔てす みやかにかつ適切な’‘トン．J／）ンク聞隔で測定を行・）必 要かある。 本研究ては，このよト’1な状況から、完全なrンフロ ．ヒスではないが、轟切削時間に1：具摩耗を直接測定す べき測定装置を試作し，その適否を検討し、1たその 装置を応用Lた自肋切削試験を検詞．Lている。以ド、 測定の原理、その原理にもとついた試作測定装置の特 性実験およひその試作装置を応用したr1動切削実験に ついて順次述べる。 2．工具摩耗の測定原理と装置 従来の検丘・実験等においては，｜：具摩耗の｝則定eよ 切削を一時中断し，1．二具を一・度取りはずして」：具顕微 鏡により直接人聞の手と」iて「測定された。ここで示す 直接測定法は，1．：具を取りはずすことなく．従来人子 に頼っていた部分を機械的に行い．かつ能率よくIL確 に測定しようとするものて．ある。このため．」二作機械 （本研究では旋盤）の加丁の障害とならない適当な場 所（本研究では1：作物・E持センタの∫∼前）に測定ステ ーシeンをもう；t，切削工Fi・itlのアでト’レ時間を棚1 して，この場所に」二具を誘動L．r：具を取りはずすこ となくL具摩耗の測定を行万 二の測定部を図一1に ・丁1す。図中に示されるように，測定部には5個の特製 ・1・型電気ソrク1“’メータか配置さ、h、これらによって 図一1 1．11．摩既測”七瑳置 川， JFt．． 川 「町L Ull 川‘rc‘・1↓班 1’it‘．ll｛． Ttl1 trt．・ tPt． 2，，i｛． O it ： 1、、 、‘‘‘i 「．］．i‘ ‘1 『R 図一2 1：ilt逃げ面摩耗 L具先端の形状が検知糾1、この時の形状変化から．1： 具摩耗が推定される）例こば， 1：具逃！f面摩耗輻（よ 図一2のようにしてポめら」「る。 図一2は．T：具逃げ［ITI 1if g帥’6の測定Ft｝（．川を示Lている。 図で示すように，呼；耗する前ヒ「亨・も［．i圧t∫．f受v）おのおの の電気マr ／・・”一’tの1［IJJを，そ］！ぞ．h∼〃∴t・・2t、 tlt3t tlll．〃∫2、〃’，1とす．ttば，幾何学ll勺関係から tl，＝（，’《i十’llu−2，〃：）一（ntU十Jti3t−2m！’〕 となり，．L具逃1．r［rli摩耗幅L・「f‘は VB＝u・cosθ／tana となる。ただし，θはL具取り臼’け角，alよL具逃げ 角を示す，．ここで，．1：具取り付け角をO，すなわちntlt 十m：r−2m：t＝O，1二具逃げ角a＝5uとすれぱ 1「Jt＝9，52（m1一トnl・a−2〃tL・） となり，図一2中にノ1ミすような簡「iiな演櫛：［「，1路にa／ ・・ て．【：具逃げ面摩耗幅；”IIが求S5られるtコこ二で， 1／RI十1／R3−2／R1＝0 3．実験結果と考察 以トの原那にもとついて，E具「判…〔測定装置を試作 L，試作装置の測’，M／i，Vl三について．1三験した粘果を図一3 に・llす。この．1ミ験はあらかじめ七めた逃げ［貢il相託とな るよう加「：されたデス：・用L具の1ff l…［rllL高を測定し，1‖11 定値と摩耗幅との｛「知E曲線としている。図一3から明ら かなように，IOPtm程度の微少1摯耗幅かFJ 500μm以 ヒの範［iFにわたり線）「多て．，5％エリ、トの誤差て’ある。実 用的にもト1♪な川ll定範囲と誤差であると考えてよいc 次に加1：［程中に1二；≡P判屯の進行状態酎貝｜1定Lた実 験結匡畏を図一4に示す。図一．1は切削開始後，適当なrl．dl… 聞間隔てi：具逃げ1而呼4i芒Olriを測定し、測工後「，il時に1： ！．L．顕徴鏡・こも観察［．、 ：つの測定糸11，↓￡を上t・1・’Zl．．てい る．．いず．iiの結果も切｝］1川／li聞の経．過と三も．二逃1｝』面摩 ↓．〔‘‖E「ポよ1曽む［iして1．・．：傾1「・」（よ認めら．｝1るが、試∩7艮置に より測定1i・一｝：f［A：はLri顕当鏡による｛’・tl．L：／｝小さ い．二の原lq已．，Xf’］lll，｜止1しF、置itり‘lllr定誤’∫：に1．るもレ「〕
切削加工状態同定のためのインプロセス測定 50 40 田30 旨20 10 500 400 3… 婁2。。 100 工具顕微鏡による値（μm） 図一3工具摩耗測定値の校正曲線 ではなく，切削温度による工具熱膨張によるものであ る。すなわち，切削温度による工具熱膨張を考える と，熱膨張は工具の刃先が最も大きく，刃先から遠ざ かるにしたがって小さくなる。この結果，工具は摩耗 したにもかかわらず見かけ上小さくなる。このため， 切削油剤を使用した湿式切削では工具熱膨張は極力小 さくなるため，真の摩耗幅と見かけ上のそれとの差は 非常に小さくなる（図一5）。図一5は前実験（図一4）と全 く同様な切削条件であるが，湿式切削で実験したもの である。測定は試作装置と工具顕微鏡とで先の実験と 同様に行っているが，試作装置による測定値は工具顕 微鏡によるものより若干小さく表われているが，その 差は大きくても10％に満たず，工具摩耗のバラツキの 大きさ等から考えれば，実用的にはほぼ差異がないと 認めてもよいことがわかる。 近年，熱変形に伴う工作誤差の対策から，多く湿式 切削がとられる。このような場合，試作装置は測定精 度からも十分有効な方法である。一方，乾式切削の場 合には実験結果図一4が示す熱膨張誤差を考慮しなけれ ぽならない。しかし，原因が切削温度に伴う熱膨張に よることが明らかなため，その対策は比較的要易と考 えられる。最も簡単と思われる方法の一つを図一6に 示す。図から明らかなように，熱電対により，二点の 温度差を検知し，熱膨張による誤差を補正しようとす 400 350 盲300L
3
響 250勘200
蛋 剤 150 uaK H 100 50 00 1 2 一一。一一工具顕微鏡一●一
実験’値 ． ．／● ・一・ D／ ・ ：V
工作物：S45C， 工具送り：0．15mm／rev， 工具材：SKH4， 図一4 400 350G300
3
晋 250 讐… §、5。 部、。。 50345678910
切削時間（min） 切削速度：155m／min， 切込み：1．5mm， 湿式切削 工具逃げ面摩耗幅測定結果の比較 00 1 2 一→一一工具顕微鏡Q・一
ﾀ験値
6 ● ● ● ■ 工作物：S45C， 工具送り：0．15mm／rev， 工具材：SKH4， 図一5345678910
切削時間（min） 切削速度：155m／min， 切込み：1．5rnm， 乾式切削 工具逃げ面摩耗幅測定結果の比較 る目的で，このように工具ホルダのチップの座の適当 な二点に熱電対をつけ，その温度差から熱膨張の大き さを検出する。このような温度差の測定結果の一例を 示したのが図一6（b）である。ここで測定誤差とは試 作工具摩耗測定装置による測定誤差を示す。図一6（b） から認められるように，測定誤差と温度差とはほぼ比 例関係にあり，比例定数は0．5前後を示す。したがっ て，工具摩耗は試作装置による測定結果から温度差に 比例定数を乗じたものを加えることによって求められ る。このようにして工具摩耗を測定した結果を図一7 に示す。図一7に示す結果は，工具送り0．1mm／rev， 切込み1mmとし，切削速度を140，180，250m／min 3a b 200 貧ユ50 ご 習100 50 0 0 図一6（a）工具温度の測定 o o 0 0 o o o o
12345678910
切削1時間 （min） 「切削時間分 1．5 3．0 6．0 19．8ご差
48 55 67 105 温 度 差 98 102 135 190 比 0．49 0．53 0．46 0．55 400 300 盲3
埋200 蝦 憲 100 図一6（b） 工具切削温度差 oV＝250m／min e．V＝180 0 100 200 300 400 工具逃げ面摩耗幅（μm） 図一7 測定結果と工具顕微鏡による値との関係 の三段階で行い，縦軸は試作装置による測定値を横軸 は工具顕微鏡による結果を示している。これらの結果 を見ると，摩耗幅の極く小さい範囲では若干誤差は認 められるものの，試作装置による測定値は工具顕微鏡 によるそれと非常によく対応し，また加工条件，とく に切削速度による測定特性の変化はなく，実用的測定 法として有効であることがわかる。 4．測定装置の応用（自動切削試験） 切削工具の切削特性を検討したり，工作物の被削性 等の分析あるいはシステムの最適化の予備的実験とし て切削実験がしぼしば行われる。しかし，これらの多 くの実験においては切削条件，さらには切削条件の組 合わせを決定するために，従来は多くの経験的知識に より熟練者が計画し，また工具摩耗の測定も人手に頼 らざるをえなかった。したがって，先に説明した非切 削時間を有効に使って工具摩耗を直接測定する方法 は，測定精度からもこのような切削試験に応用するな ら，非常に効果的であろうと考えられ，以下自動切削 試験について検討する。 本研究で試作，検討した自動切削試験の装置は図一8 で示すように，数値制御旋盤，工具摩耗自動測定装置 およびミニコンピュータによって構成され，インタフ ェイスを介し結ぽれている。大きくは三つの機能をも ち，それぞれの目的およびデータ処理のため次の四つ のサブルーチンからなっている。 1）サブルーチン1：工具摩耗試験 切削時間の経過に伴う工具摩耗の進行状態を知るべ きテストおよび工具寿命である最大工具摩耗に達する までの延べ切削時間（工具寿命時間の検知（VB−t 曲線）。 2）サブルーチン2：工具寿命試験 切削条件と工具寿命時間との関係を求め，工具寿命 式の定数を推定する目的（V−T曲線）。 3）サブルーチン3：最適加工条件の決定 各種材料，工具に対応した最適加工条件の決定。 CONDISION ofEXPERIMENT
MINI−CONPUTER 16K WORDS SAB PROGRAM V，− URVE AB PRO AM V− URVE AB PRO RADETERMIN
ofO．C． SAB PRO AM DA PROCESSMEASURING
STATION 図一8 自動切削試験の概略切削加工状態同定のためのインプロセス測定 4） サブルーチン4：データ処理 切削試験の有意性，信頼性あるいは区間推定，誤差 分析を目的としたデータ処理。 ここでは主に工具摩耗試験および工具寿命試験につ いて述べる。工具摩耗試験（サブルーチン1）におい ては，工具摩耗の測定回数をできるだけ少なくし，か つ正確な工具寿命時間を知ることが最も重要な課題と なる。’サブルーチン1のフローチャートを図一9に示 す。入力テープによって指令された切削時間にしたが INITIAL CUTTIN
CONDITION
DETERMINATION
of FOLLOVVING CUTTING TIMETOo
LIFE
YES
PRINT of VB−t CURVE END 図一9 VB−t試験のフP一チャート 1−一一一一一“一一一一一一否s−−1 1 ▼’EA「㌔〔It’E CT’▼「t／E I I−←一声一一一一一一・一一一一一一一一【 ヨほワ −−−−・−・−−P − −−−−−・−−ロコ−−ロ −−− ｛ 1 ヨらほ ニ ｛ エ ＊ 2ee− VβMAXk ；157’ 一 1￠2 一 （1！19￠2 ytt） 5巧 一 …：：， ￠ ロ の の＿ココ ココ のコエコロロロロのコ エ −ロロ ロコ コロ ロロロ ｛ ｛ ｝ ； ＊ ； ＊ ！ ヰ エ ｛ l l 圭 1 三 l l 1 −一一T−一一一一一一一一トー一一一一・“一一1−一一一一一一一1 4？ 5了 63 T｛（Nlr］TJ〒三s） fr TT（N） CTJ丁TINC SPε三D loq r・s／r’！rJ 15Z P／葦’ln 2￡5 ：’！ぐ1’1 CUT〔1：JG r三三D ち・15 r’rf！FEV・ CVTTIIJS DEI〔：｛ 1．5 r碍！！ 図一10 VB−t試験結果 って，試行切削を行い，その時の摩耗幅から次の切削 時間を求める。この時，入力テープによって指示する データは最初の3回の試行切削時間tl， t2， t3，工具寿 命とする最大工具逃げ面摩耗幅VBm。x，許容工具寿命誤差TAおよび切削条件：切削速度V，送りf，
切込みdとする。結果はプリントされて出力される が，次に実験結果によって切削時間は決定するアルゴ リズムを説明する。図一10に実験結果を示す。すでに 述べたように，最初の3回の切削時間は入力テープに よって与えられる。ここで指定された切削時間彦1，t2， t3の結果測定された工具逃げ面摩耗幅をYB1， VB2， VB3とする。ここで得られたデータから工具寿命であ る最大工具逃げ面摩耗幅VB m。xに達するであろう時 間T’を推定する。次に，推定された工具寿命時間T’ と許容工具寿命時間誤差とTAの和T’＋TAを求め， この和T’＋TAとすでに経過した切削時間との中間 までを次の切削時間とする。すなわち，すでに経過し た切削時間をt。．1，次に工具摩耗を測定するまでの切 削時間をt7？．とすると tn＝（T’十TA −tn−1）／2 となる。ここでT’：工具寿命時間推定値，TA：工具 寿命時間の許容誤差，tn−1：前延切削時間を示す。こ のようなアルゴリズムは切削条件が変わり，工具摩耗 の進行速度がわかっても，工具摩耗測定回数に大差が なく，また工具寿命付近での測定回数を密にして，信 頼性の高い工具寿命時間が求められることを目標とし ている。図一10は工具送りO．15mm／rev，切込み1．5 mm一定とし，切削速度を100，150，225m／minと して自動切削試験を行った結果をTTYに出力させ たものである。いずれの条件においても7回前後の工 具摩耗測定回数で工具寿命時間が求められることがわ かる。 工具寿命試験（サブルーチン2）は工具寿命曲線， すなわち工具寿命式を求める。例えぽ切削速度につい てみるなら，工具寿命時間と切削速度との関係は，一 般的にVTn＝c
として工具寿命式が示される。ここでn，Cは工具・ 被削材によって定まる定数でピ具体的にはこの定数を 求めることになる。このためには，さきの工具摩耗試 験（サブルーチン1）にしたがい何対かの（V，T） を求め工具寿命式にあてはめ，未知D定数n，Cを定 める。ここで重要なことは実鹸回数をできるだけ少な く，かつ信頼性のある値が求められるよう自動的に切 削条件（切削速度）を定めていかなけれぽならない。 5INITIAL CUTTING
