*1 機械電子研究所
リアルタイムモニタリング微細加工装置の開発
竹下 朋春*1 野中 智博*1 谷川 義博*1 安部 年史*1
Development of Unified High-speed Spindle Unit with Real-time Synchronization Monitoring for Micro Machining
Tomoharu Takeshita, Tomohiro Nonaka, Yoshihiro, Tanigawa, Toshifumi Abe
産業技術総合研究所が発行するものづくり技術調査（平成18年3月発行）によると，金属切削企業の90%が穴あけ 加工を行っている。その工具交換時期は作業者の判断にゆだねられており，特に微細穴加工は，小さな工具を用い るため，加工が難しく，高速回転を要求される。しかし，工作機械が対応していない現状がある。そこで，本研究 は，既存工作機械に簡単に装着し，高速回転と回転加工中の加工力の測定が可能な微細加工装置を開発することを 目的としている。
1 はじめに
現在，消費者ニーズの多様化により，金型加工メー カへも短納期で高付加価値な金型の製作要求が高まっ ている。製作困難な金型には，微細な加工を要求され るものが大半であり，直径0.5mm以下の工具を使用する 加工も多い。部品加工業においては，直径0.5mm以下の 微細穴を一つの部品に数千から数万穴あける加工も行 なわれている。
中小企業の中には，工作機械の主軸回転数が低いた め小径の穴加工の仕事を受注できなかったり，工具の 折損が判断できないためNC工作機械を用いずに人手で 行っているところがある。また，工具の交換時期も経 験とカンに頼っているのが現状である。さらに，小径 工具は製作の困難さから安定した寿命を示しにくく，
突発的な折損も発生する。そのため夜間運転を行い加 工しても，折損により加工できず，加工途中の部品も 使えないという問題点があった。
そこで，テーパシャンク等の工作機械主軸にワンタ ッチで取り付け可能なホルダを有し，既存工作機械の 低速 回転 主 軸 にお いて も ， 本装 置組 込 モ ータ によ り 30000min-1以上の高速回転を提供するものである。
本研究の目的は，本装置に加工力の測定が可能な機 構を組み込むことで，オンマシンでリアルタイムに工 具の折損や加工トルクの判断と，高速回転加工を同時 に行うことが可能な，一体となった加工装置1)の開発 を行うことである。
2 研究，実験方法 2-1 動作原理
本装置は，図1に示すように駆動用モータ部とスピ ンドル部が直交するように構成されている。駆動用モ ータ部には，螺旋状の磁性体と回転角度を検出可能な エンコーダが直結している。同様に，スピンドル部も 螺旋状の磁性体とエンコーダが直結している。モータ を回転させると，直結した螺旋状の磁性体による磁場 が変化することで，対向したスピンドル側の螺旋状の 磁性体も磁気引力により追従し回転する。モータ部と スピンドル部は，任意のギャップを持って磁気引力が 発生することにより，動力の非接触伝達が可能である。
加工力によりスピンドル側の負荷が変化すると，モ ータ側の回転とスピンドル側の回転とのずれが発生す る。駆動側と被駆動側のエンコーダからの回転角出力 のずれを回路で検出することにより，小径ドリル等の 工具摩耗，折損を工作機械上で工具回転中に検出が可 能となる。
図1 リアルタイムモニタリング微細加工装置概念図 エンコーダ
切削工具
トルク 駆動用モータ
スピンドル
エンコーダ 電子回路 磁性体
0 20 40 60 80
0 1 2
最大トルクT (mN・m)
ギャップL (mm)
最大静トルク
2-2 ギャップ変動機構
モータ側の磁性体のギャップを大きくすると，動力 伝達許容負荷が減少するため，より小さい切削力に対 しても大きな回転角度ずれを発生させることが可能で ある。またギャップを小さくすると，許容負荷が増大 し，切削力が大きくなる。従って，2つの磁性体のギャ ップを変化させることで工具径に応じた最適な加工力 の感度設定が可能となる。そこで，モータ側の磁性体 を移動させることにより，ギャップの変更が可能な装 置を開発した。分解構成図を図2に示す。
スピンドルは，ベースフレームを介して工作機械主 軸部に固定されている。このため，変動機構の動作に 無関係である。
モータは，8×18mmサイズのクロスローラガイド2セ ットにより案内されている。変動量は，磁性体を接触 させ，マイクロメータヘッドにより動作開始する位置 を2μm目盛のダイヤルゲージを用いて計測し，ゼロセ ットを行っている。磁性体のギャップは，0から1.8mm まで変動可能となっている。
図2 ギャップ変動機構分解構成図
2-3 試作した加工装置の静トルク特性
試 作し た 本 装 置 のギ ャ ッ プ 変 動機 構 に よ る 特性 を 測定するために，モータ側シャフトを固定し，スピン ドル側にスプリングコレットを介して半径10mmのてこ を設置した。その位置にNC工作機械を用いて固定した デジタルフォースゲージを接触させることにより，各 ギャップにおける最大推力を測定し，本装置の静的な トルク測定を行った。
測定状況を図3に，測定結果を図4に示す。
ギャップ0.5mmの時に，最大トルク45.6mN･m，ギャップ 1mmの時に，最大トルク26.2mN･mであった。
図3 トルク測定状況
図4 ギャップ変動時の最大トルク変化
2-4 加工実験
本装置は，磁気引力を用いて動力を伝達しているた め，加工負荷に対して脱調せずに加工が可能か否かが，
一番の問題点である。
今回は，ギャップ変動機構による装置の評価を行う ため，スピンドル部にドリル等の工具を取付けず，被 削材としてφ3mmのSK-4材を取付けた。
加工実験は，本装置を工作機械の主軸に取付け，工 作機械テーブル上に旋削用のバイトを固定し，本装置 のスピンドルを回転させ，Z軸を下降させる旋削加工に より行った。バイトは，切削動力計上に設置し，旋削 加工時の主分力も同時に測定した。この主分力に被削 材の半径を乗ずることで，切削時のトルクに換算でき る。
本実験の加工条件を表1に，工作機械上での加工の 様子を図5に示す。
ギャップを0.5mmに設定した場合，径方向の切込み 量が0.1mmにおいても切削が可能なことを確認した。径 方向切込み量0.1mm時には，突出し量による影響から，
ワークの倒れが大きかった。
駆動用モータ
スピンドル
マイクロメータヘッド クロスローラガイド
ギャップ変動方向
ベース フレーム
磁性体
デジタルフォース ゲージ
10mm
表1 加工条件
旋削工具 サーメット ノーズR0.2mm 加工ワーク SK4-DG8 φ3mm (HB207) 突出し長さ 15mm
加工長さ 10mm 切削速度 60m/min 送り速度 0.01mm/rev
切込み量 0.1mm，50μm， 10μm， 5μm 切削動力計 KISTLER 9257A
図5 加工状況
ノーズR0.2mmのサーメットチップを用いたことによ り，5μmの切込みにおいても，流れ型の円筒螺旋状切 屑を示した。0.1mmと5μm切込み時の切屑を図6と図7 に示す。
図6 切屑 図7 切屑
（切込み量0.1mm） （切込み量5μm）
ギャップを変更した場合の切削性についても検討を 行い，切込み量が50μm時には，ギャップが1.4mmまで 切削可能で，切込み10μm時においては，ギャップ1.8mm まで同様な切削性を示した。
また，バイトを切削動力計に取り付けて，旋削加工 時のスピンドル駆動のためのトルクに相当する力であ る主分力を，本装置の出力と同時に測定した。ギャッ プを0.7mmに固定し，空転状態から，5μmと10μmの切 込みをそれぞれ行ったときの本装置の出力と切削動力 計の出力を計測し，メモリ機能で同一画面上に表示し たものを図8に示す。図より切込み量の違いによる変化 を，はっきりと観察することができた。
図8 計測結果
3 結果と考察
本研究では，螺旋状の磁性体を用い，動力伝達部の 位相差を検出することで加工力の判断を行う方法を提 案した。本装置での旋削加工実験を行った結果，φ3mm のSK-4材に対して，切込み量0.1mmから5μmまでの切削 が可能なことが分かり，加工力をリアルタイムに検出 することが可能なことが確認できた。
今後は，さらに本装置の特性評価を行い，小径工具 を把持した場合のトルク計測装置との比較検討を行っ ていく予定である。
4 参考文献
1)竹下朋春，他：2005年度精密工学会春季大会学術講 演会講演論文集，H55(2005)
切削動力計 バイトホルダ
184mm
＋Z コレットホルダ
73μm 140μm
空運転時
切込み量 5μm 切込み量 10μm
空運転時
切込み量 5μm 切込み量 10μm
本装置出力 動力計出力
