工 具 ‑ 加 工 物 接 触 面 温 度 の測 定 * 上
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(2) 上 田 ・佐 藤 ・杉田: 工具‑加工物接触 面温度の測定. Fig.. Table. 1. Cutting. 2. Experimental. set-up. conditions. 円盤 の 回 転 面 と垂 直 方 向 に 一 定 速 度 で 移 動 で き る.円 盤 を 所 定 の 周 速 度 で 回 転 さ せ,工. 具 に切 込 み を 与 え て 一 定 速 度 で 送 る こ Fig.. 3. Spectral. transmittance. of Ge filter. characteristics. of amplifier. とに よ っ て 切 削 を 行 う.加 工 物 は 円 盤 の外 周 に沿 っ て 前 加 工 し て あ り,定 切 込 み 加 工 と な る.ス. ピ ン ドル の 回 転 速 度 は 無 段 に. 調節 で き る. 実 験 条 件 を 表1に. 示 す.加. 工 材 料 に は 鋼(S55C)を. い る.円 す い 形 工 具 に30μmの うと き,工. 切 込 み を 与 え,微. 具‑加 工 物 接 触 面 か ら輻 射 さ れ る赤 外 線 の う ち,円. す い 形 工 具 を 透 過 し て き た 赤 外 線 を,工. 具底 面 に あけ た小孔 に. 挿 入 し て あ る 光 フ ァ イ バ に よ っ て 受 光 し,溶 よ って2方. 向 に 分 岐 す る.分. よ って 電 気 信 号 に 変 換 し,マ 2.3. 用いて 小 切 削 を行. 着型 光 カプラに. 岐 さ れ た 赤 外 線 をGe,InSb. に. イ ク ロ コ ン ピ ュ ー タ で 処 理 す る.. 温 度 計. 2.3.1. 基 本構 造. 温 度 計 の 基 本 構 成 を 図2に 射 され た 赤 外 線 の うち,工 100μmの1本. 示 す.工. 具 一加 工 物 接 触 面 か ら輻. の 光 フ ァ イ バ で 受 光 し,融 着 型 光 カ プ ラ に よ り. 2本 の フ ァ イ バ に 分 岐 す る.工 フ ァ イ バ 径145μmに. Fig.. 4. Frequency. 具 内 を 透 過 し て きた 赤 外 線 を コ ア径. 具 内 の 小 孔 の 径 が500μmと. 比 べ て は る か に 大 き い た め,そ. 光. の 設定 位. 1)2(λ)と す る.ま. た,Ge‑IRP,InSb‑IRPそ. な らず,か. つ こ の 間 で 輻 射 率 が 波 長 に よ ら ず 一 定 とみ な す こ と. 置 が 変 化 す る と測 定 精 度 に 大 き く影 響 して く る恐 れ が あ る.. と. が で き る と す る と,そ. ころ が,1本. の. 次 式 で与 え ら れ る.. の 光 フ ァ イ バ で 赤 外 線 エ ネ ル ギ ー を 受 光 し,そ. エ ネ ル ギ ー を 光 カ プ ラ に よ っ て2つ る た め,フ. れ ぞ れ の測 定 可. 能 な 波 長 範 囲 を λ1〜λ2,λ3〜λ4と し,こ れ ら の 範 囲 が 大 き く異. れ ぞ れ の 素 子 か ら の 出 力Λ1,Λ2の 比 は. に 分 岐 す る方 法 を と っ て い. ァ イ バ の 設 定 位 置 に よ っ て 生 じ る受 光 エ ネ ル ギ ー の. (1). 変 化 の 測 定 精 度 へ の 影 響 は除 く こ とが で き る. 伝 送 され た 赤 外 線 は 集 光 レ ン ズ を 介 し て2個. の 異 な る分 光 感. 度 特 性 を も つ 光 電 変 換 素 子 へ 導 き,電 気 信 号 に 変 換 し た 後 増 幅. す な わ ち,輻. し,デ. る.な. ィ ジ タ ル メ モ リー に 記 録 し て マ イ ク ロ コ ン ピ ュ ー タ に よ. り解 析 す る.. り,InSb側. 黒 体 の 輻 射 能 をJλ(λ,T),工 バ ,お. 具 材 料(ア. ル ミ ナ),光. よ び 集 光 レ ン ズ の 分 光 透 過 率 をM(λ),F(λ),G(λ),. た,Ge,InSbの. ファイ ま. 光 電 変 換 素 子 の 分 光 感 度 特 性 をD1( λ),. 射 率 の 影 響 を 受 けず に 温 度 測 定 が で き る こ とに な. お,Fi(λ)はGeフ. ィル タ の 分 光 透 過 特 性(図3)で. に 入 れ る こ と に よ っ て,高. あ. 温 に お け る温 度 計 の 感. 度 を 向 上 させ て い る. 図4は. 温 度 計 に 使 わ れ て い る増 幅 回 路 の 周 波 数 特 性 で あ る.. ほ ぼ100kHzま. で フ ラ ッ トな 特 性 を も っ て お り,InSb,Ge. 精密工学会誌 Vol. 61, No. 10, 1995. の. 1449.
(3) 上田 ・佐藤 ・杉田: 工具‑加工物接 触面温度の測 定. Fig.. 6. Influence. Table. Fig.. 5. Illustration. 応 答 速 度 が1μsと 波 数 特 性 は 図4で 2.3.2. of incidence. face. of optical. of measuring. 2. distance. Characteristics coupler. on temperature. of fused. fiber. fiber. 十 分 高 速 で あ る こ と か ら,2色. 温度計の周. 表 さ れ る こ と に な る.. 均 一 な温 度分 布 を も った領域 へ の適 用. 均 一 温 度 に あ る測 定 対 象 領 域 が 温 度 計 の 感 温 面 よ り大 き い場 合,温. 度 計 の 出 力 は 測 定 距 離 に 影 響 さ れ ず,一. 定 の 出力 が得 ら. れ る こ と は こ れ ま で の 光 フ ァ イ バ 型 温 度 計 と 同 じ で あ る3).そ こ で こ こで は,測. 定 対象 領域 が 感温 面 に比 べ ては るか に小 さい. 場 合 に つ い て,温. 度 計 の 出 力 を 求 め て み る こ とに す る.と. で,工. ころ. 具‑工 作 物 接 触 域 の よ うに 温 度 測 定 領 域 が 微 小 な 場 合,. 領 域 内 の 温 度 分 布 を 無 視 し,一 い.そ. こ で,一. 例 と し て,半. がT0=1500℃ 図5に. 定 温 度 とみ な して よい 場 合 が 多 径R0=0.1mmの. 微小 円形領域. と均 一 状 態 に あ る 場 合 を考 え て み る.. み る よ うに,光. に設 置 され,フ. フ ァイバ の中 心軸 が測 定対 象 面 に垂直. ァ イ バ の 中 心 と測 定 対 象 領 域 の 中 心 は,同. 線 上 に あ る とす る.す. 一直. る と,受 光 面 が 受 光 す る 全 エ ネ ル ギ ー Fig.. Eλ は. 7. Calibration. curve. (2) で 与 え られ る.た. だ し,Jλn(γ,T)は. 測 定領 域 の 法線 方 向へ の. ス ペ ク トル 強 度 で あ り,ξ はdfとdFを 法 線 と の 角 度,ま. 結 ぶ 直 線 と対 象 面 の. た,dF=γ1dγ1dφ1,df=γ2dγ2dφ2で. 温 度 計 の 受 光 す る エ ネ ル ギ ーEλ を 式(2)を 測 定 温 度 を 求 め た 結 果 が 図6で. あ る.光. ファイバ の特 性値 は表. 2の 光 カ プ ラ に 用 い た フ ァ イ バ の 値 を 用 い て い る.図 うに,こ. にみ る よ. れ まで使用 して きた光 フ ァイバ型 の赤 外 線輻 射温 度 計. (InSb‑IRP)で. は 測 定 距 離t=tc(感. じ に な る距 離)か. 温 面 の大 き さが 熱 源 と同. ら 受 光 エ ネ ル ギ ーEλ が 減 少 し始 め,測. 度 に 誤 差 が 生 じ る よ うに な り,tが 低 下 して い る.す. な わ ち,温. 定温. 大 き くな る と と も に 急 速 に. Fig.. 8. Profile. of cutting. groove. 度 計 の 感 温 面 が 熱 源 よ り小 さ い 場 象 領 域 の 大 き さ や 光 フ ァ イ バ の 設 定 位 置(測. 定距. ル. 離)に. 関 係 な く温 度 測 定 が 可 能 で あ る こ と が わ か る.す. なわ. ル の 出 力 比 を と る こ と に よ っ て 温 度 を 求 め る た め, 測. ち,輻. 射 エ ネ ル ギ ー が 十 分 な 場 合,加. 合 は 温 度 測 定 が 可 能 で あ る が,感 な くな る.こ とGeセ. あ る.. 用 い て 計 算 し,. れ に対 し,光. 温 面 が 大 き く な る と測 定 で き. カ プ ラ 型2色. 温 度 計 で はInSbセ. に 対 し て,対. 熱 す る領域 が 小 さい ほ ど. 定 距離 に よって個 々のセ ルの 受光 エ ネル ギ ーが変 化 して もその. そ の 領 域 内 で の 温 度 分 布 を 無 視 す る こ とが で き,測. 出 力 比 を とれ ば 一 定 と な り,測 定 距 離 に か か わ らず1500℃. が る こ と に な る.. 得 られ て い る.し. 1450. た が っ て,温. 精 密 工学 会誌 Vol. 61,. が. 度 が 均 一 に 分 布 して い る対 象 物. No.. 10,. 1995. 2.3.3. 温度 校 正. 定精度 が上.
(4) 上田 ・佐 藤 ・杉田: 工具‑加工物接触 面温度の測定. (a) InSb cell. (a) InSb cell. (a) InSb cell. (b) Ge cell. (b) Ge cell. (b) Ge cell. (c) Temperature history (c) Temperature history. (c) Temperature history. (1) Cutting speed : 390 m/min. (2) Cutting speed : 974 m/min Fig.. 温 度 計 の 出 力 校 正 を 図7に. 示 す.校. 正 に は 加 工 材 料 のS. 9. Output. (3) Cutting speed. : 1948 m/min. wave. 55. C試 片 を 電 気 的 に 一 定 温 度 に 加 熱 し,試 片 か ら輻 射 さ れ る赤 外 線 を 工 具 を 通 し て 光 フ ァ イバ で 受 光 し て検 出 す る こ と に よ り求 めて い る.試 り,白 金. 片 には裏 側 か ら測定 面近 傍 に まで 小孔 が あ けて あ. 白 金 ロ ジ ウ ム熱 電 対 を 埋 め 込 む こ と に よ っ て 温 度 を. 監 視 し て い る.図 で あ る が,測. 中 の 実 線 は 式(1)を. 計 算 して 得 ら れ る 理 論 値. 定 結 果 と 良 い 一 致 を み て い る.1100℃. 以上 の温. 度 校 正 に は理 論 曲 線 を 用 い る こ とに す る. 3. 図8は. 実. 験. 結. 果. 加工 物表 面 に形成 された 切 削条痕 の断面 形 状 を表面 粗. さ計 で 測 定 した 結 果 で あ る.円 す い 形 工 具 に よ っ て 正 常 に 切 り Fig.. くず が 生 成 さ れ て い る こ とが わ か る. 図9にInSb,Geセ. ル の 出 力 波 形,お. 1948m/minの. 表 し て お り,Ge/InSbの て い る.(c)の. of cutting. speed. on increasing. rate. of tempera-. 削速度 を変化 さ. (2)v=974m/min,. 場 合 で あ る.横. Influence ture. よび これ らの波 形 の比. を と る こ と に よ っ て 求 め た 温 度 波 形 を 示 す.切 せ て お り,(1)v=390m/min,. 10. 軸 が 時 間 軸,縦. (3)v. =. 軸 が 出 力電 圧 を. 比 を とる こと に よ って温 度 に 換 算 し. 温度 波 形 が 工 其 加 工 物 接 触 面 の温 度 変 化 を表. して い る. 切 削 開 始 時 に お け る 接 触 面 温 度 の 上 昇 は 極 め て 急 激 で あ り, 図9(2)の. 場 合,切. お い て,11000℃. 削 開 始 後40μs(切. 度 は ゆ っ く り と増 加 し,1200℃ て い る.図9(3)は. の 後,切. に. 削 中の 刃 先 温. に達 して ほ ぼ定 常 状態 とな っ. 切 削 速 度 が1948m/minの. この と き も 切 削 開 始 後40μs(切 す で に1200℃. 削 距 離:0.65mm). ま で 上 昇 し て い る.そ. 場 合 で あ る が,. 削 距 離:1.3mm)に. おい て. に ま で 上 昇 し て お り,そ の 後,1250℃. 温 度 と な っ て い る. 図10は. お い て,定. 常 温 度 の80%の. 温 度 を 求 め,. そ の 温 度 に 到 達 す る に 要 す る 時 間 で 除 す る こ と に よ り求 め て い る.図. 11. Influence. of cutting. 度 は 高 く な り,1000m/minで1200℃. 切 削 開 始 時 に お け る接 触 面 温 度 の 上 昇 速 度 を 調 べ た. 結 果 で あ る.図9に. Fig.. よ り,温 度 上 昇 速 度 は,F1500m/minで. ℃/sと 極 め て 速 い こ とが わ か る.ま. た,切. し,1000m/min以 m/min以. 上 で は1300〜1400℃. か. に 飽 和 す る傾 向 を示 して い る.. お よ そ 108 削速 度 が 速 くな る. 域 か ら輻 射 さ れ る エ ネ ル ギ ー の 平 均 値 を 測 定 し て い る こ と に な. き くな り,v=2000m/minで. の 分 布 状 態 に 依 存 す る が,こ. 切 削 速 度 を100〜2300m/minま. に 達 し て い る.し. こ の 測 定 結 果 は,熱 源 と な る 工 具‑加 工 物 接 触 面 の 温 度 が 均 一 と の 仮 定 の も と に 行 った 結 果 で あ る .す な わ ち,こ の 微 小 領. る.と. 図11は. on temperature. 上 に な る と そ の 影 響 は 小 さ く な り, 2000. と単 位 時 間 当 た りの 発 熱 量 が 増 大 す る こ とか ら,上 昇 速 度 も大 は108℃/sを. speed. の定 常. 越 え て い る. で 変 化 さ せ,切. 削. ころ が,実. 際 に は 微 小 な 領 域 で も温 度 分 布 が あ り,温 度 の 領 域 の 最 高 温 度 は1500〜. ℃ に 達 し て い る と推 定 で き る.こ. の 温 度 は,工. 1600. 作物の鋼の融. 速 度 が 工 具‑加 工 物 接 触 面 温 度 に 及 ぼ す 影 響 を 調 べ た 結 果 で あ. 点 に近 い 温 度 で あ り,工 具 の 冷 却 特 性 か ら工 具 刃 先 温 度 を 推 定. る.温. した 結 果4)に 極 め て 近 い 結 果 が 得 ら れ て い る こ と に な る.. で750℃. 度 と し て は 定 常 温 度 を プ ロ ッ ト し て い る.200 程 度 で あ った も の が,切. m/ min. 削 速 度 上 昇 と と もに 刃 先 温. 精密工学会誌 Vol. 61, No. 10, 1995. 1451.
(5) 上田 ・佐藤 ・杉田: 工具‑加工物接触 面温度の測 定. 4.. 結. に 飽 和 し て い く.. 言. 終 わ りに,円 円 す い 形 工 具 に よ り微 小 切 削 を 行 い,工 ナ の 有 す る透 光 性 と,新. 具材 料 で あ るアル ミ. す い形 工 具 の提 供 を受 けた 日本 タ ング ス テン. (株)に 感 謝 し ま す.. し く開 発 した 光 カ プ ラ型 赤 外 線 輻 射 温 参. 度 計 を 組 み 合 わ せ る こ と に よ り,工 具‑加 工 物 接 触 面 の 温 度 を 測 定 し,そ. の 熱 挙 動 に つ い て 検 討 を 加 えた.得. られた 主 な結果. は 次 の よ うで あ る. (1). 2). 本 研 究 で 用 い た 温 度 測 定 装 置 は工 具‑加 工 物 接 触 面 温 度 3). の よ うな 微 小 領 域 の温 度 測 定 に極 め て 有 効 で あ る. (2). 切 削開 始時 にお け る接 触 面温 度 の上 昇 は極 め て急 激 で. あ り,切 削 開 始 後40μsで1000℃ (3). 1452. の. 度 で あ る.. 5). 接 触 面 温 度 は 切 削 速 度 の 上 昇 と と も に 高 く な る が,. 1000m/min以 (5). 4). 以 上 に 上 昇 し て い る.. 温 度 上 昇 速 度 は非 常 に 速 く,切 削 速 度1500m/min. 加 工 で108℃/s程 (4). 1). 上 の 速 度 に な る とそ の 影 響 は 小 さ くな る.. 切 削 速 度 の 上 昇 に 伴 い,接. 精密 工 学会 誌 Vol. 61,. No.. 触 面 温 度 は1300〜1400. 10,. 1995. 6). ℃. 例 えば,. M. C. Shaw. 考. 文. and A. Vyas. 献 : Heat-Affected. Zones. in Grind.. ing Steel, Ann. CIRP, 43, 1, (1994) 279. J. P. Kottenstette : Measurement Tool-Chip Interface Temperatures, ASME, J. Eng. Ind., 108, 5 (1986) 101. T. Ueda, H. Tanaka, A. Torii and T. Sugita : Measurement of Grinding Temperature of Active Grain Using Infrared Radiation , Pyrometer with Optical Fiber, Ann. CIRP, 42, 1, (1993) 405. T. Ueda, A. Hosokawa and A. Yamamoto : Studies on Temperature of Abrasive Grain in Grinding - Application of Infrared Radiation Pyrometer, ASME, J. Eng. Ind., 107, (1985) 127. 上 田 隆 司,佐. 藤 昌彦,金. 田泰 幸,杉. 田 忠 彰:微. 小切 削にお ける切 り. くず 生 成 温 度(第1報)‑光 フ ァイ バ 型 赤 外 線 輻 射 温 度 計 に よ る 刃 先 温 度 の 測 定,精 密 工 学 会 誌,60,3(1994) 383. 上 田 隆 司,入 山孝 宏,杉 田 忠 彰:レ ー ザ 照 射 部 の フ ラ ッ シ ュ温 度 測 定‑光 カ プ ラ型2色 温 度 計 の 適 用,精 密 工 学 会誌,61,2(1995) 278..
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