ドリル加工における工具寿命予知の研究

ドリル加工における工具寿命予知の研究

著者 豊嶋 敏雄

雑誌名 福井大学工学部研究報告

巻 36

号 2

ページ 243‑249

発行年 1988‑09

URL http://hdl.handle.net/10098/4264

第36巻 第2号 昭和63年9月

ドリル加工における工具寿命予知の研究

豊 嶋 敏 雄 *

A Study on the 

P r

ediction of Tool Life in  Drilling 

Toshio  TESHIMA 

* 

CReceived Ju

l .  

2

1 .  

1988) 

orilling tests weどe carried out  for  8mm dia.  high‑speed  s七eel drills and S45C steel was used as workpiece material.  The rela七ion‑

ships between七he cutting forces  and  the drill wear

， 

and  the change  of cu七ting foどces immediately before  the drill breakage are examined. 

The main resul七s obtained are  summarized as follows.  1)  It is  difficul七 七o find a obvious relationship between  the  corner wear  land  and  the cu七ting forces. 2)  The corner wear  lands i~nediately

before  the drill  breakages depend on the drilling conditions  consideどably

，

and  the  small  values are obtained  unaer  severe  conditions. 3) Thus

， 

it is  no七 reasonable七ha七 七he drill  life  is  defined by a predetermined  threshold value of  the  co工ner wear  land. 

4) Among七he monitoring objects  to predict  the drill  breakage

， 

the  sudden  increase of the ratio of七he fluctuation  to  the average  cutting  force  is七he most suitable. 

1.緒 言

243 

省人化や作業能率の向上のため，近年機械加工の自動化が著しく進展し FMSの稼動が多くなっ ている。また機械加工中穴あけ作業の占める割合は大きい。従ってドリルの摩耗診断や折損予知は 自動化技術中の重要問題であるO 工具の摩耗診断や折損予知については，従来から多くの研究が 行われており，工具摩耗に伴なう切削抵抗の増加1)‑ぺ切削抵抗の変動仰などの検出による方法が 提案されている。また欠損の判定には， AE信 号6)7) 振動の加速度へ主要電動機の電流値的などを 利用する方法が提案されているO ところで大形重要部品の穴あけ作業中のドリル折損では，材料費 が高価であり，それを不良品として廃棄できないので，残留ドリル折片の排除が必要となり面倒で

*機械工学科

244 

ある。従ってドリルの折損が検出で、きるだけでは不充分である。ドリルの折損予知(寿命判定)や摩 耗診断については，前述のようにそれぞれ特質をもった方法が個別に提案されているが，相互の比 較評価はあまり行われていない。本研究ではドリルの折損予知について，新しい提案を含めていく つかの方法を比較検討した。

2 

.実験装置および方法

ドリルの寿命試験で、は，一定の加工条件で多数回の穴あけ作業を繰返し切削状態の変化や工具 摩耗を観察する必要がある。そのため本研究では，

1回 ご と の 自 動穴 あ け作 業 だ け で なく，複数 回 (例えば10回)の自動位置決め， 自動穴あけ作業が で き る よ う に 試 験 機 と し て 立 形

NC

フライス盤 を使用した。図1に試験片近傍の外観を示す。多 くの場合，最初および10回目ごとの穴あけ作業に 対して切削動力およびドリル摩耗量を測定した。

①はテープゃルに取付けられた切削動力計であり，

②はコラムに取付けられた送り検出用の差動変圧 器である。図2に切削動力計の断面形状を示す。

薄い円筒部にひずみゲージを貼り付けて，スラス

図1 実 験 装 置 外 観 図

トおよびトルクを電気的に検出するよ うになっている。切削抵抗測定用試験 片はゆ15x30のS45C磨 き 丸 棒(Hv=

237)であり，自動繰返し穴あけ作業用 に は 長 方 形 試 験 片(270x 40 x 37)の S45C棒 材(Hv=252)の 表 面 黒 皮 部 を 3剛削ったもので，いずれも市販のも のを熱処理せずに使用した。 穴あけ作

業はゆ 8の 高 速 度 鋼 ド リ ル(SKH9)に 図2 切 削 動 力 計 断 面図 図3 コーナ摩耗幅の

よる深さ25剛の止り穴加工である。切 定 義

削油剤としてケミクーノレSRl(JISW2種1号相当)を約O.71/min供給した。ドリル摩耗としては，

図3に示す外周コーナ摩耗を対象とし， W a， W bの平均値をとった。

3 

.実験結果および考察

3 . 1  

加工特性

図4は図中に示す加工条件で穴あけ作業を繰返した場合の各穴あけ回数におけるトルク，スラス トおよび外周コーナ摩耗幅を示す。一般 に 加 工 深 さ と と も に 切 削 抵 抗 は 増 大 し 図 中 に は 深 さ5胴

から20剛までのトルクおよびスラストの変化範囲(変動量)も示している。穴あけ回数の増加につれ てコーナ摩耗幅並びにトルク，スラストおよびそれらの変動量が増大しているのがわかる。しかし

コーナ摩耗幅と切削抵抗の聞には，図からは明瞭な相関関係は見られないようである。

o Torque‑Cuttlng SC>e't'd 0ム3庁vs

POln¥ ang1. 130・C

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図5は，図4の実験における第1回目と摩耗が急増し て折損のおそれを生じ寿命に達したと判定したときの加

3000 

早送り後切削 工中の記録であるO 図からわかるように，

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送りに入り，送り停止の直前に送り方向の位置決め精度 深さ

2 5

を高めるため

NC

制御に特有の低速送りになり，

酬の穴あけ作業完了後早戻りを行っている。(a)図に見ら ドリルの切れ味がよい聞は切削抵抗の平均 れるように，

深さ 値(静的成分)および振動振幅(動的成分)は小さく，

1500  500  10∞ 

卜"umberof holes 

の増加による切削抵抗の増大(変動量)も小さ L、。しかし

切削抵抗および摩耗の 経過

図4 ドリル摩耗がかなり進行して寿命に近づく と，深さの増

加につれて切削抵抗の平均値，振動振幅および変動量が 増大している。

図6は，図l1(a)に示した加工条件の場合の最初の 穴加工時(a)および ドリル折損直前の加工穴数100個 目(b)の切り くずを示す。加工深さが浅いときは切り 深くなるにつれて穴 くずは円錐らせん形であるが，

周壁の干渉を受けて，図のように短く折断された切 りくずになる。このような経過はドリルの摩耗によっ て変らないが，摩耗が進むと加工深さの浅い位置か

切りくずの平均的大きさ ら切りくずの折断が起り，

が小さくなる。さらに(a)の円錐流れ形切り くずに対 せん断形切りくずになる。 深さの増加や摩耗の増加とともにト して， (b)では長ピッチ形，

このことから， _(a)The 1st Dri11ing  (b)The 1227th Dri11ing  Dri11ing COndition; See Fig.4. 

ルクおよびスラストの静的成分および動的成分が大

切削抵抗および送りの記録例 図

5

きくなることがわかるO

ドリ 以上のような切削状態の変化を考えると，

次のような値 ルの折損予知のための資料として，

の採用が可能と思われる。すなわち， 1)第1回 目の深さ5剛または 20rnm(切削始めと終りの値は ぱらつきやすいため)における平均的なスラスト

，2mm 

またはトルクに対する穴あけ個数による増大量ま

(a)The  1st Dril1ing  (b)The  lOOth Dri11ing  Drilling Condit工on; See Fig.11(a). 

たはその割合，

2 )

深さ

5

酬におけるスラストま

切りくず形状 図

6

たはトルクの平均値に対する 20剛におけるそれら の増大量(変動量)， 3)深さ 20聞におけるスラス

トまたはトルクの平均値に対する振幅量(動的成分)の割合などが考えられる。また

NC

制御の場合 には送り停止直前に送り速度を一度低下させる場合が多い。そのときの切削抵抗の記録は零にもど るまえに一度ある値を示す。その値はドリルの摩耗とともに大きくなる傾向を示し，従ってその静 的成分の大きさが切削抵抗の平均値の最大値に対してどの程度の割合(動力比と呼ぶことにする)に

246 

なるかを利用することも考えられる口

一般にバイト寿命は逃げ面摩耗幅やすくい面摩耗深さで規 定され， ドリルではチゼル摩耗や逃げ面摩耗幅で規定すると

とも考えられるが，外周コーナ摩耗幅が比較的大きく，再研 削の効率を考えるとドリル摩耗寿命を一定の外周コーナ摩耗 幅で規定するのが適当であろう2)また本実験でも外周コーナ 摩耗の増大で寿命に達したと思われる場合が多く，それを測 定対象とした。しかし図4で述べたように，本研究では切削 抵抗とコーナ摩耗幅の間にあまり明瞭な関係がみられず，ま たコーナ摩耗幅がある値を越すと急激に摩耗が進行したり，

折損を起したりするような決った値はなかった。そこで本研

1.0  100 

CPC1eOu剖1In11atntqKaenl Ha9nlde ql  O18mmlgev e133 ・‑13・30' Culting sp.ed  0.63 m厄 130'  Cledrance dngle 11・‑14・

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Cutling  speed  m/s  ^{0.05  0}

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図

8

寿命時のコーナ摩耗幅 と切削速度の関係

図

9

寿命と送りとの関係

EE  15 

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0.05  0.10  01.5  0.10  0.15  0.30  Feed  rate  mm/rev 

図7 寿命時のコーナ摩耗幅 と送りの関係

5000 

4000 

n u n u   n u

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0.1  0.1.  0.6  0.8  1.0  1.1  Cutting  speed  m/s 

図10 寿命と切削速度との関 係

究では，切削抵抗の平均値や振幅が急に大きくなり，または異常音を発生し，引き続き穴あけ作業 を続けると，あと数回以内でドリル折損を起すで、あろう穴あけ回数をもって寿命と定義した。そし て多くの実験をドリル折損まで続けてそれを確めた。すなわち本研究における寿命(穴あけ回数)は，

ある程度引き続き穴あけ作業ができるような摩耗量で定義した余裕のある値ではなく，また折損ま ででもない。あと数回以内に確実に折損するであろう徴候がみられるまでの穴あけ回数である。

上述の寿命時のコーナ摩耗幅と送りの関係を図 7に，切削速度との関係を図 8に示す。それらの 図からわかるように，送りや切削速度が増加するほど，すなわち加工条件が厳しくなるほど寿命時 のコーナ摩耗幅は小さくなっているD 逆に加工条件がおだやかな場合には，コーナ摩耗幅がかなり 大きくなるまで折損を起すことなく使用可能であるO このことからドリル寿命を加工条件にかかわ らず一定の摩耗量で規定することは必ずしも適切ではないと思われるO

図9，図10はそれぞれ寿命と送り，寿命と切削速度の関係を示す。送りまたは切削速度が大きく なるほど寿命は短くなっているが，切削速度の影響が特に大きい。従って加工能率を下げずに寿命 を延ばすには，切削速度をいくぶん低く設定しそのかわり送りを大きくするのが望まし~、。

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121.20・ 4000 

3000 

寿命判定法

図l1(a)，(b)， (c)は，それぞれ図中に示す 加工条件における寿命までのコーナ摩耗幅，

スラストおよびトルクの経過を示す。図(a) に対して， (b)は送りが大きく， (c)は切削速

3 . 2  

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け回数までにある程度増大し以後の増大

トルクは穴あけ回数が増 ⁹ 

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₈ 

8 

•

1000 

は比較的少ない。 Q 

‑

加してもあまり増大していない。切削深さ

30  40  50  60  70  80  Number ot ~治(es

20  10 

5剛から20醐に達するまでのスラストおよ

(a)  一般に切削

びトルクの増大量(変動量)は，

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穴あけ回数の 条件が厳しい場合に大きく，

1.75 

増加とともにいくぶん増大し特に寿命に 近づくと急に大きくなる。その場合，深さ

E  E 115 

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1.00~

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5

皿におけるスラストおよびトルクの値に はあまり変化がなく，主として20剛におけ る値の増大によって変動量は大きくなって いるD 従ってスラストまたはトルクの値よ りは，それらの変動量の急増をもって寿命 を判定するほうがよい。

頼ら⁵⁾は旋削試験において切削抵抗の

5 . 9

kHzの動的成分から逃げ面摩耗幅による

3500 

()  inrust 

o Tcrqu~

3000ト .W.u 

Cuttinq t~珂 0.25 mm/l"'!'''i 

Cunir可白，副司.91 m/s 

2500トClo.司ncPir可"，2・羽・

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80  70  JO  40  50  60 

Number ot holes  (b) 

20  10  O 

寿命判定が可能であると述べている。また ドリル加工では，新谷ら引は切削抵抗変動

20 

49. 

  . .

~

.

1.5 

(本研究の振動量に相当)からマージン摩耗量を知るこ とができるとしている。しかし全ら勺まトルクの動的 成分はドリル回転数と関係し，黄ら川』ま摩耗によって 特性周波数成分が増加することはなく，切削抵抗の動

的成分は摩耗によってあまり変らないとしているoす

g 

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市 川

5888gg~g なわち切削抵抗の動的成分によるドリルの寿命判定の

. 

1000 

可能性については定説が得られていない。 8 

•

本研究では，寿命回数に近づくと既述のようにスラ 500 

...Jn 

30‑ 10  20 

Number 01  holes 

切削抵抗の ストおよびトルクの変動量は急増するが，

記録振幅も図5に見られるように急増する口ベγレコー _(c) 

コーナー摩耗幅，スラスト およびトルクの経過 図11

ダによる記録の解析では，切削抵抗の動的成分に対す る記録の追従性に問題があるが，動的成分に関連した

値とみなして，深さ20剛における切削抵抗の平均値(静的成分)に対する記録振幅の割合を振幅率と ドリル摩耗の少な して求め，図12に示した。送りが小さいときは切削抵抗の平均値が小さいため，

248 

。

CutUr可 0.14 m附..y Cu"lr司 開 骨d 0.63 m危 Cleoaranceo ar、91'13・30 FToint &1'司 130・

• Thru剖

o Tcrqu

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いうちから振幅

40 

ドリル寿命 率が比較的大き

く ，

との関係が明瞭 ‑ •

でないが，送り

が適当な値以上 . 

。

10  20  30  40  50  60  70  80  90  100  110  Number  01  holes 

(bl 

.  。

• 。

• 。

• 。

。

150  50  100 

Number  01  holes  (a) 

の場合には，寿 命に近づいたと き振幅率は急に 大きくなってい

C....thng  r..d  0.2 J3 :mm/r.v  CuUu可 却..d0.63 m~

Cleara町eangl~ 13・

P町 川 町 可 131・

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⁰ 

4 

る

D

従って振幅率の急増をもって寿命の到来を判定で きる

o

NC 制御では，衝撃をやわらげ位置決め精度を高め るため，送り停止直前に送り速度を一度低下させるよ

仁 w~ ，^I吋Ipl'O 0.055  m耐'"

CUlIlr'IQ'.iP岬d 0 63 縄 CI I;'Õ;'.o)，-同 ;，"'q~1ι・ αコ

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1 .0 

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の場合には低速 送りに対応した 場合が多く，

. 

O  ち

。

切削抵抗が図 5 。

切削抵抗の振動率の経過

に示すように記 図1

2

150  50  100 

Number  01  holes  (a) 

録される。その

02 

値の静的最大切 削抵抗に対する 割合を動力比と

Cutllng  fud 0.233 I"t吋，.y

CutlirlQ spPf'd 0.63 m何 CIE'arar.::e i!. ngl~ 13・

Poinl  angle  13 t・

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o Torque  CutllnCJ 1.吋 0.14m耐 ， .y

Cuttirw;] stHd 0.63 m危 ClearancPillngle 13・30

Poinl  arl9'・ 130・

• Thru副

o Torque 

して図1

3

に示し た。図

(a)

で、は定 常送り速度が小

1.0  1.0 

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の送りとの差が

少ないため，動

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(c) 

O  Q 

. 

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0  0.2 

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10  20  30  40  50  60  70.  80  90  100  110  Number 01  holes 

(b) 

.  . 

0 

力比は全般的に 大きくなってい しかし寿命

る白

切削動力比の経過

図13

が近づくと動力 比はさらに急激

に大きくなっている

o(b)

， 

(c)

に示すように，適当な送り速度ではドリル摩耗がかなり進行しでも動 そのため寿命が近つ

e

いたときに動力比が急激に大きくなるのが明瞭であ る

o

従って動力比の急増をもって寿命の到来を判定できる

o

)]比は小さいままであり，

以上のようにドリルの寿命および折損予知についていくつかの方法を考慮した。摩耗量と切削抵 抗の聞には明瞭な関係がみられず，従って摩耗量で寿命を規定する場合には，本研究の範囲で摩耗 寿命の自動診断は困難であった。さらに使用ドリル径が比較的小さく，折損直前のコーナ摩耗幅は 加工条件でかなり異なるので，摩耗量で寿命を規定することは適当でないことがわかった。しかし ドリル折損の直前数回以内の穴あけ作業中に切削状態が急変し， ドリルの折損寿命を予知すること は可能であるo一般に折損の徴候は加工深さの浅い時点よりも深い位置の加工時に顕著に現われる。

本研究における折損予知法のうちでは，切削抵抗またはその変動量の急増よりも振幅率または動力 比の急増を検出する方法がよりよいようであるD なお送り速度が標準的な作業条件よりも小さいと きは，摩耗量の少ない初期から振幅率および動力比がかなり大きく，予知が困難である。さらに動 力比による予知は，自動送りの停止直前に一度低速送りになる場合にのみ適用できるo

4 

. 結 盲

φ8

の高速度鋼ドリルによる

S 4 5 C

炭素鋼の穴あけ試験を行い，切削状態とドリル摩耗および折 損寿命の関係を調べ， ドリル寿命の自動診断法について検討した。その結果，次のような結論を得

T

こ。

1)  コーナ摩耗幅と切削抵抗の聞には明瞭な関係はみられない白

2)  折損直前のコーナ摩耗幅は加工条件によってかなり異なり，厳しいほど摩耗幅は小さし、。

3)  従って比較的小径のドリル寿命を一定のコーナ摩耗幅で規定すること(摩耗寿命の設定)は適当 でない口

4)  ドリルの折損予知法としては，本研究の範囲では，切削抵抗の振幅率の急増を検出する方法が よい。

NC

制御の場合には動力比の急増を検出する方法も利用できる。

参 考 文 献

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小島ほか

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西篠，能;精機学会秋季大会講演論文集(1

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山田;マシニスト，

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黄，堤;精機学会秋季大会講演論文集(1

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250