JP2002525211A - 工具の状態を監視する方法 - Google Patents

工具の状態を監視する方法

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JP2002525211A JP2000570526A JP2000570526A JP2002525211A JP 2002525211 A JP2002525211 A JP 2002525211A JP 2000570526 A JP2000570526 A JP 2000570526A JP 2000570526 A JP2000570526 A JP 2000570526A JP 2002525211 A JP2002525211 A JP 2002525211A
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Abstract

(57)【要約】 工作機械用の切削工具（１０）は、基板（２０）と、異なるラマンスペクトルを有する材料、例えばＴｉＮ、ＴｉＡｌＮ、ＴｉＡｌＸＮ（ただしＸは、Ｙ、Ｃｒ、Ｎｂ、Ｗ、Ｍｏなど）、ＡｌＮ、ＴｉＣ、ＺｒＮ、ＴｉＺｒＮ、ＣｒＮ、ＶＮなどの材料の１または複数の被覆層（１２〜１８）とを有する。ラマン分光プローブ（２２）は、ラマンスペクトルを検出し、識別する。工具が摩耗するにつれて、異なるラマンスペクトルを有する異なる層が検出され、工具を交換しまたは再度被覆することが必要であるときに警告を与えることができる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】 本発明は、工作機械に使用されるタイプの切削工具の状態を監視するための方
法および装置に関する。
【０００２】 工具の状態を監視するための様々な方法が、既に知られている。例えば、Reni
shaw plcによって販売されているタイプの度量衡学的なプローブを使用して、例
えば工具の破損した切削先端を検出することができ、その寸法を直接測定するこ
とによって摩耗を監視することができる。また、工具先端の形状を光学的に検出
することも可能である。しかし、特に自動化された環境では、そのような直接的
な方法を補うことが可能であることが有用であろう。
【０００３】 既知の非直接的な光学的な監視技法は、工具表面での赤外線の反射率の測定を
含む。しかし、最良の結果のためには、検出器が工具先端の表面に対して直角で
あることが必要であり、それによって、様々に異なる形状の工具先端を監視する
場合に問題が生じる。工具先端上に水が存在することも、その赤外線反射率に影
響を及ぼす可能性がある。
【０００４】 その他の非直接的な技法は、使用中の工具によって発生した振動、または使用
中に生成される音の放出の監視を含む。しかし、これらは工具の設計、例えばそ
の形状や寸法に非常に左右される。その結果、測定結果を解釈することが困難に
なる可能性がある。このようにする場合、それぞれ特定の設計の工具について、
それらが摩耗していく場合の振動または音の放出の挙動履歴を事前に確立するこ
とが必要である。
【０００５】 本発明は、そのような方法の代替物を提供することを求める。
【０００６】 広く述べたように本発明は、例えばラマン効果によって１または複数のシフト
した波長の光を引き起こすために光でその表面を照らし、そのシフトされた１ま
たは複数の波長を検出することによって、切削工具の状態を監視する装置および
方法を提供する。
【０００７】 一態様において本発明は、監視される工具が第２の材料の第２の層または基板
の上に存在する、第１の材料の少なくとも１つの層を備え、第１および第２の材
料は、照らされたときにシフトした波長の異なるスペクトルを有する方法におい
て、波長がシフトしたスペクトルを引き起こすために光で工具の表面を照らすス
テップと、得られたスペクトルを検出しかつ分析するステップであって、第１お
よび第２の材料のいずれかが工具の表面に在るかを決定する方法を提供する。
【０００８】 したがって、第１の層が擦り減るとき、そのような分析によって、第２の材料
のスペクトルの存在が明らかにされる。スペクトルは、ラマンスペクトルである
ことが好ましい。
【０００９】 本発明の第２の態様は、第２の材料の第２の層または基板の上に存在する、第
１の材料の少なくとも１つの層を備え、第１および第２の材料が照らされたとき
にシフトされた波長の異なるスペクトルを有する切削工具を提供する。
【００１０】 本発明の第３の態様は、監視される工具に近接しまたは接触させることが可能
なプローブと、プローブを介して工具の表面を照らすための光源とを備え、それ
によってシフトした波長のスペクトルを発生し、プローブは、スペクトルの光を
集めかつ分析器に送出し、分析器がそのスペクトルから工具の状態を決定するた
めの手段を備える工具の状態を監視するシステムを提供する。
【００１１】 次に、本発明の好ましい実施形態について、添付図面を参照しながら例を挙げ
て述べる。
【００１２】 図１には、切削工具の先端１０が示されている。例えばこれは、完全に自動化
された高性能／高速度の機械環境において、使用に特に適する工具とすることが
できる。この先端は基板２０を含み、その上には複数の硬質被覆層１２〜１８を
備えている。層１２〜１８は、プラズマ気相成長法によって付着された超格子被
覆でよく、窒化チタン（ＴｉＮ）と、ＴｉＡｌＮやＴｉＡｌＸＮ（ただしＸ＝Ｙ
、Ｃｒ、Ｎｂ、Ｗ、Ｍｏなど）などの関連する合金とを主成分とすることができ
る。その他の可能な材料には、ＡｌＮ、ＴｉＣＮ、ＺｒＮ、およびＴｉＺｒＮが
含まれる。２種以上のこのような材料を、様々な層の内部で交互にすることがで
きる。
【００１３】 ＴｉＡｌＮ／ＺｒＮ超格子被覆などのいくつかの適切な材料が、L.A.Donohue
他による「Investigation of superlattice coatings deposited by a combined
steered arc evaporation and unbalanced magnetron sputtering technique」
Surface and Coatings Technology, 76-77(1995), Pages 149-158に記載されて
いる。
【００１４】 図示する４層よりも多くの層を存在させることができ、またはより少ない層（
基板２０上にただ１つの層または２層が存在する可能性を含む）を存在させるこ
とができる。例えばそれぞれの層１２〜１８は、ＴｉＮとＴｉＡｌＮが交互に配
置されたものでもよい。
【００１５】 基板２０は、第一鉄でもよく（例えば高速度鋼またはステンレス鋼）、または
超硬タングステンカーバイドでもよい。
【００１６】 このような工具の状態および摩耗状態は、ラマンプローブ２２を使用して試験
することができる。この例では、励起したレーザ光を送出する光ファイバ２４と
、レーザ光を単色にするのを助ける選択性狭帯域フィルタ２８（ファイバ２４内
で発生したプラズマ線とどのような蛍光やラマン散乱も除去する）とを有する。
ミラー３０は、入射レーザ光をノッチフィルタ３２に向けて反射する。これは、
光に対する入射角が低い、例えば１０°の、ホログラフィックな、またはルーゲ
イトノッチフィルタ（rugate notch filter）が好ましい。このフィルタは、レ
ーザ波長の光を対物レンズ３４を介して工具先端１０に向け反射し、同時にその
他の全ての波長の光を透過させる（したがって除去する）。したがってこのフィ
ルタは、励起光を単色にする際、フィルタ２８と同様の機能を果たす。
【００１７】 励起光の結果としてラマン散乱が、工具先端１０で生じる。ラマン散乱は全方
向で再度放射が行われるバルク効果であるため、十分な量のラマン光が対物レン
ズ３４を介して後方散乱し、フィルタ３２へと通過する。これは、例えば、ほと
んどの光が矢印３６で示すように反射されるであろう赤外線反射率の測定とは対
照的である。したがって、プローブ２２を確実に工具先端１０の表面に対して直
角に位置合せすることは必要ではない。これは、任意の工具の形状を任意の角度
から測定できることを意味する。さらに、赤外線反射率などのその他の光学的技
法とは異なり、ラマンは、工具先端に水が存在することによる影響を実質的に受
けない。
【００１８】 ラマン散乱光はフィルタ３２によって濾光されるが、これは、実質上レーザと
同じ波長を有する反射光およびレーリー散乱光を拒絶するのに非常に効果的であ
る。次いでラマン散乱光は、光ファイバ２６を介し、図２に見られる分析および
検出の装置へと戻っていく。
【００１９】 図２は、簡単な（したがって比較的廉価な）分析装置の例である。光ファイバ
２６を通っていくラマン散乱光は、ビームスプリッタ３８によって２つの経路に
沿って分割される。そのような経路の１つは狭帯域フィルタ４０を通過するが、
このフィルタは、例えばレーザ波長から５５０ｃｍ-1シフトしたラマン散乱光を
選択する。これは、光検出器４２によって検出される。もう１つの経路では、狭
帯域フィルタ４４が、レーザ波長から（例えば）６４０ｃｍ-1シフトした光を選
択し、次いでこの光は検出器４６によって検出される。ビームスプリッタ３８は
、従来型の５０／５０のビームスプリッタでよく、または、例えば２つの選択さ
れた波数を互いに正規化するようなその他の比率で光を分割することができる。
あるいはビームスプリッタ３８は、エッジフィルタの形の二色性にすることがで
き、これによって、ある波数より上の全ての光を反射し、一方でその波数より下
の全ての光を透過させる。これは、ビームスプリッタ内の利用可能な信号の損失
の量を著しく減少させるため、光学的効率がより高いという利点を有している。
当然ながら、フィルタ４０、４４は、ある値より上の波数を透過させ、ある値よ
りも下の波数を反射する二色性ビームスプリッタ３８を使用して、交換すること
が可能である。ビームスプリッタ３８に二色性帯域フィルタを使用し（フィルタ
４０の必要性を高めまたは無くす）、またはノッチフィルタを使用する（フィル
タ４４の必要性を高めまたは無くす）など、様々な他の代替例が可能である。
【００２０】 図２に示すシステムの代替例は、入射するラマン散乱光を回折格子に利用する
ことである。これにより、様々なラマン波数を異なる角度で分散させる。その場
合、１または複数の光検出器４２、４６を適切な位置（好ましくはスリットの後
ろに適切な集束光学部品とともに）に配置して、注目する特定のラマン帯域また
は複数の帯域を検出することができる。
【００２１】 ラマン分析装置の詳細と、フィルタ３２の構成についての考察を、本発明者の
欧州特許第０５４３５７８号に見出すことができる。
【００２２】 実験によれば、ＴｉＮのラマンスペクトルは、５５０ｃｍ-1付近に著しいピー
クを有することが明らかにされた。合金中のアルミニウム含有量が増加するにつ
れて、このピークはより高い波数へと移動する。ＴｉＡｌＮの純粋な多格子組成
物が形成されるとき、そのピークは６４０ｃｍ-1付近に位置する。中間組成物の
場合、そのピークはこれら２つの値の間に在る。したがって、図１の層１２〜１
８が、ＴｉＮとＴｉＡｌＮが交互にされたものである場合、フィルタ４０および
４４は、上述のようにそれぞれ５５０ｃｍ-1および６４０ｃｍ-1に調整される。
これらの層がその他の材料で作られる場合、フィルタの調整は、当然ながらそれ
に応じて選択される。
【００２３】 図３は、工具先端が摩耗するにつれて、かつ次に続く層が露出するにつれて、
光検出器４２、４６によって検出された結果的な信号が深さに応じてどのように
変化するかを示している。深さｄが浅く、外側のＴｉＮ層１８が無傷なままであ
る場合、光検出器４２によって検出された５５０ｃｍ-1の信号の値は比較的高く
、検出器４６によって検出された波数６４０ｃｍ-1の値は比較的低い。これらを
図３に、それぞれ線５０、５２で示す。工具先端が摩耗し、外側の層１８が擦り
減るにつれて、次の層１６が露出するようになる。したがって、深さｄがより深
いと、５５０ｃｍ-1の信号５０は降下し、一方６４０ｃｍ-1の信号５２は上昇す
る。摩耗の量がより多く、ＴｉＡｌＮ層１６が擦り減って、ＴｉＮ層１４が露出
すると、信号５０は再び上昇し、一方信号５２は降下し、以下同様である。基板
に最も近い底部層は、ＴｉＮであることが好ましい。外側の層は、ＴｉＮの代わ
りにＴｉＡｌＮにすることが可能であろう。
【００２４】 図３に示す応答曲線５０、５２のピークおよびトラフの値は、互いに対して正
規化されており、実際の検出器４２、４６の出力の絶対値は、図示するものと全
く同じにはならない。しかし実際により重要になるであろうことは、これらの出
力が互いに対してどのように変化するかということである。これを評価する簡単
な一方法を図２に示すが、この場合２つの検出器の出力は、差動増幅器４８で互
いに比較される。
【００２５】 工具先端１０が工作機械上で使用中であり、通常の摩耗を受ける場合、その状
態は、プローブ２２を使用する一連の定期検査によって監視することができる。
このような定期検査は、例えば毎日でもよく、またはＣＮＣ制御における機械加
工サイクルの一部としてプログラミングすることができ、特にその制御が外部コ
ンピュータによって直接制御される場合にプログラミングすることができる。こ
のコンピュータは、光検出器４２、４６の出力（または増幅器４８の出力）の一
連の読取りを行うことができ、図３に見られる曲線５０、５２のピークおよびト
ラフをカウントし、それによって、擦り減った層１２〜１８の数をカウントする
。これら層のあらかじめ定めた数が擦り減ったとき、コンピュータ制御は、その
工具の使用を停止し、代わりに別の工具を使用するようにプログラミングするこ
とができ、あるいは、アラームを起動しまたは工具の交換が必要であることを示
すメッセージを発生させるようにプログラミングすることができる。
【００２６】 波数５５０ｃｍ-1および６４０ｃｍ-1は、単に例として与えられた。ＴｉＮお
よびＴｉＡｌＮのラマンスペクトルにおけるその他のピークを使用することがで
きる。例えばＴｉＮは、ＴｉＡｌＮの場合には存在しない８００ｃｍ-1付近にピ
ークがあることが見出された。ＴｉＮとＴｉＡｌＮの間の中間組成物は、８００
ｃｍ-1で対応する信号レベルを生成する。したがって、このピークの高さを、層
１２〜１８の摩耗の監視に使用することができるであろう。この場合、フィルタ
４０は、８００ｃｍ-1に調整され、一方フィルタ４４は、合金中のアルミニウム
含有量がはっきりとわかるほどには変化しないバックグラウンドの波数に調整さ
れる。その他の変化は、１５０ｃｍ-1と４００ｃｍ-1の間のＴｉＮとＴｉＡｌＮ
のラマンスペクトルにおいて明らかであり、適切な構成によって、Ａｌ組成を分
析するため、この領域でのピーク高さ、位置、および／または半値幅を監視する
ことができる。
【００２７】 本発明は、ＴｉＮとＴｉＡｌＮの層が交互にされた工具先端に限定されない。
組成がＴｉＡｌＸＮ（ただしＸは、Ｙ、Ｃｒ、Ｎｂ、Ｗ、Ｍｏなど）である様々
な材料の特徴的なピークを、同様の手法に用いることができる。層１２〜１８の
１または複数は、特にマーカとして選択された材料（例えばＣｒ）で作られたも
の、またはその材料がドープされたものでよく、その理由はこの材料が、フィル
タ４０、４４の１つによって検出することができる、特定の特徴的な波長、また
は特徴的な蛍光、発光などのスペクトルで強力なラマンピークを有するからであ
る。この材料で作られた１層または２層のみを、基板２０に、または基板２０に
接近させて設けることができ、したがって検出器の出力を監視するコンピュータ
制御により、この特徴的な波数を検出して、工具がついに基板付近にまで摩耗し
たことを示す表示としてその波数を使用することができる。
【００２８】 当然ながら多くのその他の材料を使用することができ、基板２０上には１層ま
たは２層のみを存在させることができ、または、図１に示す４層よりも多くの層
を存在させることができる。材料がＴｉＡｌＮの形のものである場合、選択され
た元素Ｘは、得られる多層構造および／または得られる合金の放射特性に応じて
異なる。材料は、共鳴ラマン散乱を示すマーカ用に選択することができ、すなわ
ちこの材料は、特定のレーザ波長で励起されたときに非常に強いラマン信号をも
たらす（これは光ファイバ２４を伝わるレーザ励起のために使用される）。
【００２９】 特に強いラマンピークをもたらすマーカ層の代わりに、工具先端１０の他の層
または複数の層に存在するラマンピークが明らかに無い材料層を設けることも可
能である。層の１つに特に適する材料は、ＣｒＮまたはＶＮのいずれかである。
例えば、高速度鋼または超硬タングステンカーバイドの基板の直上に、厚さ１μ
ｍ程度のＣｒまたはＶＮの層を存在させることができる。この上には、ＴｉＮ、
ＴｉＺｒＮや上述のその他の材料など、検出可能なラマンサインを有する従来の
硬質摩耗工具被覆材料のいずれも存在させることができる。
【００３０】 図７は、ＴｉＺｒＮに関するラマンスペクトル９０、ＣｒＮに関するスペクト
ル９２、およびＶＮに関するスペクトル９４を示す。ＴｉＺｒＮは、２００ｃｍ -1 と３００ｃｍ-1との間にはっきりした１つのピークと、５００ｃｍ-1付近にも
う１つのピークとを有することがわかるが、これらはＣｒＮまたはＶＮの場合に
は存在しないものである。そのようにＴｉＺｒＮを外側の摩耗層として使用する
ことができ、図２に示すような分析器を使用して、これらのピークの１つを検出
する。外側の層が擦り減ると、ラマン信号が消える。これは、基板が露出せずに
ＣｒＮまたはＶＮの硬質摩耗被覆が依然残されている間にそのようになる。した
がって、機械加工される製造中の製品に、基板によって許容し難い表面仕上げが
生じると思われる前に、工具を交換しまたは再度被覆することが必要であるとい
う警告が与えられる。
【００３１】 異なる材料のマーカ層に対する代替例は、その他の層１２〜１８よりも厚さが
厚いか、または薄い層を使用することである。そうすると、周期的に受信された
ラマン信号をコンピュータで監視することにより、曲線５０または５２のピーク
の１つが他よりもさらに広く、または狭くなることが示され、異なる厚さのマー
カ層に達したことを示す。
【００３２】 また、ラマン、蛍光、または発光以外の別の分光シフティング特性を示す材料
の、１または複数のマーカ層を使用することも可能である。
【００３３】 工作機械上で通常使用される冷却剤は、それ自体が蛍光を示す可能性がある。
もしそうなら、工具先端１０上にそのような冷却剤が存在することにより、測定
され分析されるラマン信号が隠蔽されるであろう。この問題の１つの解決策は、
蛍光しない冷却剤を使用することである。別の解決策は、以下に論じるように、
測定する前に、ウォータジェットで冷却剤を洗い落とすことである。あるいは本
発明は、冷却剤も潤滑剤も使用しない、最新の非潤滑式切削工具と共に使用する
場合に特に有用である。
【００３４】 次に、実際の摩耗を測定し分析するための、様々な可能なシステムについて述
べる。
【００３５】 図４は、例えば高ｒｐｍ工作機械における切削工具５６の回転式コンベヤ５４
を示す。測定ステーション５８には、図１による光ファイバプローブ２２と、（
任意選択で）ウォータジェットを送出してステーション５８に設置された工具５
６から冷却剤を洗浄するためのノズル６０とが設置されている。光ファイバ２６
は、ラマンシステム６２に、ラマン散乱光を戻す。ラマンシステム６２は、図２
に示すようなものでよい（簡単なバージョンの）。使用中、回転式コンベヤ５４
は矢印６４の方向に回転し、各工具５６を交互に測定ステーション５８へ指し示
す。このステーションでは、コンピュータ制御下で、ノズル６０からのウォータ
ジェットにより工具を清浄し（必要ならば）、プローブ２２およびラマンシステ
ム６２によって上述の手法により測定を行う。この測定の結果は、コンピュータ
により記憶され、個別の各工具５６の摩耗および状態について日々の記録を与え
る。特定の工具５６が非常に摩耗して使用できないことが検出されたなら、コン
ピュータはこの事実についてフラグを立てることができ、交換する必要があるそ
れらの工具のリストを生成する。問題の工具がすぐに交換されない場合、その工
具を使用せずに、その代わりに回転式コンベヤ５４に別の同一の工具を使用する
ように、コンピュータシステムにプログラミングすることができる。
【００３６】 図５は、図４に類似する構成を示す。しかし、光ファイバ接続２６およびプロ
ーブ２２の代わりに直接的な光接続を使用し、ラマンシステム６２は、欧州特許
第ＥＰ０５４３５７８号に記載されているシステムに類似する。したがって顕微
鏡の対物レンズ６５は、測定ステーション５８に設置されている。レーザ照明は
、システム６２内の光路に注入される。望むなら、ビームスプリッタまたは取外
し可能なミラー６８を設けることができ、ステーション５８での工具５６を、ビ
デオカメラ７０によって顕微鏡の対物レンズを通して視覚的に検査することが可
能になる。あるいは、望むなら、工具表面の２次元画像を、欧州特許第ＥＰ０５
４３５７８号に記載されているラマンシステム６２の一部を形成するＣＣＤ検出
器（図示せず）上に、形成することができる。この２次元画像は、白色光の中で
形成することができ、工具表面の目視検査を補助し、またはレーザによってもた
らされた照明の中で形成することができる。あるいはこの画像は、選択されたラ
マン帯域の光の中で形成することができ、したがってこの画像により、工具上の
ある場所とその他の場所とで摩耗がどのように異なるかが示される。ビデオカメ
ラまたはＣＣＤによる視覚的な監視を使用して、工具先端の破損またはその形状
のその他の欠陥に関し、工具先端を走査することができる。
【００３７】 図４および図５のシステムのいずれかでは、プローブ２２または顕微鏡の対物
レンズ６５（および設けられている場合はノズル６０）を１つの工具から別の工
具へと順に指し示すことが可能であり、矢印６４で示すように回転式コンベヤ内
の工具を指し示す代わりに、工具は静止した状態に保持される。また、図４およ
び５のシステムのいずれかでは、プローブ２２または顕微鏡対物レンズによる焦
点が工具先端に正確に合わせられるのを確実にするため、オートフォーカスシス
テムを設けることが可能である。
【００３８】 ラマンシステム６２が、例えば図２に示すように比較的簡単である場合、この
システムは、個別の工作機械の工具用回転式コンベヤに組み込むことが可能であ
る。しかし、本発明が、多くの工作機械を備える大型製造プラントで使用される
場合、特に欧州特許第ＥＰ０５４３５７８号に係るより費用のかかるシステムが
使用される場合、ラマンシステム６２とそれに関連するプローブ２２または顕微
鏡の対物レンズ６５を含めた部品とを、ポータブルトロリ（portable trolley）
に組み込むことが好ましいであろう。その場合、これは、製造プラントの回りを
回転し、順に各工作機械の回転式コンベヤ上の測定ステーション５８に合体させ
ることができる。適切な合体接続は、工作機械の回転式コンベヤ上とトロリ上（
または光ファイバプローブ２２）の両方になされることができ、光学部品と測定
ステーション５８との正確な位置合せを確実にする。
【００３９】 図６は、機械加工サイクル中、「進行中の」工具先端の測定および監視に使用
することができる代替のシステムを示す。機械加工センタなどの工作機械のベッ
ド上に、工具設定プローブを設けることが知られている。このような工具設定プ
ローブは電気機械的でもよく、Renishaw plcから市販されている。機械加工の前
に、任意選択で機械加工サイクルのほかの時に、工具が工具設定プローブの測定
先端に接触するようにし、それによって、接触すると起動信号が発生する。この
起動信号によって、機械制御は工具の瞬間的な位置の読取りを行い、それによっ
て、今後の機械加工のためオフセットを発生させる。
【００４０】 図６は、工作機械のベッド８２上に取り付けられた、工具設定プローブ８０を
示す。しかし、この工具設定プローブ８０は、その針状ステム８６から測定先端
８８に達する光ファイバ８４を有する点が変更されている。破線で示すように、
工具５６が測定先端８８に接触するようになると、プローブ８０は、通常の方法
で起動信号を発生させ、その信号を機械制御（図示せず）に送り返す。加えて工
具のオフセットを普通に発生させ、機械制御は、光ファイバ８４に接続されたラ
マンシステム６２から読取りを行うようになる。低コストのため、ラマンシステ
ム６２は、図２に示すシステムに類似することが好ましい。
【００４１】 図６には、ただ１つの光ファイバ８４が示されている。適切なビームスプリッ
タ（二色性が好ましい）を使用してレーザ入力光をシステム６２内の光路に折り
曲げることにより、レーザ入力はこの光ファイバを伝わると共にラマン散乱光を
戻す。あるいは、レーザ光を送出するために、別個の光ファイバを使用すること
ができ、プローブ８０の測定先端８８まで走る光ファイバ８４と並行に延びる。
【００４２】 前述のように、図６に示すシステムは、オートフォーカス装置を含むことがで
きる。望むなら、ラマン測定は、接触後に工具５６を測定先端８８から短距離後
退させた後に行うことができる。
【００４３】 工具５６の先端の「進行中の」ラマン測定について他の可能性は、任意の工具
設定プローブ８０から離れた工作機械のベッド上の位置に測定ステーションを設
けることである。この測定ステーションは、図１に示すようなプローブ２２を含
むことができる。このようにして工具５６は、ときどきこのステーションのプロ
ーブ２２付近に至り、機械コンピュータ制御から受け取った指示によりラマン測
定が行われる。
【００４４】 他の可能性は、工具で工作物を機械加工しながら、その位置で工具のラマン測
定を行うことである。適切な光ファイバおよび焦点距離が長いレンズを、機械加
工センタの可動スピンドルと共にまたは旋盤の工具タレットと共に移動する、非
回転式の構造に取り付けることもできる。この場合このレンズは、機械加工を行
いながら工具先端上に焦点が合わせられる。
【００４５】 上述のラマン工具状態監視システムは、多数の被覆層を有する工具先端を調べ
ること以外のその他の方法に使用することができる。例えば、工具先端の応力を
監視することができる。これは、問題の材料の特徴的なラマンピーク、すなわち
波数がシフトしあるいは応力の結果として広がりまたは狭くなった特徴的なラマ
ンピークを監視することによっておこなう。また、工具先端の酸化は、酸化が生
じるにつれて変化するラマン帯域を調べることによって監視することもできる。
【００４６】 層１２〜１８の中のマーカ層に代わる物として、基板２０は、上に重なる被覆
が擦り減るときに検出することができる特徴的なラマンピークを有する材料でも
よい。図４〜６に示す実施形態によれば、リアルタイムでの定量的測定に基づき
、各工具５６に関する寿命予測を行うことが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 切削工具の先端およびラマンプローブを示す概略図である。一定尺度で表され
ていない。
【図２】 図１のプローブによって獲得されたラマンスペクトルの分析および検出装置の
概略図である。
【図３】 図１の工具先端の表面が摩耗するにつれて、２つのラマン信号が深さｄに対し
てどのように変化するかを示すグラフである。
【図４】 回転式コンベヤの切削工具に対する代替のラマン監視システムを示す図である
。
【図５】 回転式コンベヤの切削工具に対する代替のラマン監視システムを示す図である
。
【図６】 工作機械上の工具設定プローブと一体化されたラマンシステムを示す図である
。
【図７】 工具先端被覆用の適切な材料のラマンスペクトルのグラフである。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ムンズ ウルフ−ディエーター イギリス エス７ １エスエル シェフィ ールド オークデイル ロード 14 Ｆターム(参考） 2F065 AA51 AA63 CC10 FF00 FF04 FF41 FF67 GG04 GG24 JJ03 JJ05 JJ26 LL02 LL20 LL21 LL22 LL42 MM22 PP11 PP24 QQ23 QQ25 QQ29 QQ31 QQ42 QQ51 SS02 SS09 SS13 TT04 3C029 CC10

Claims (9)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 切削工具の状態を監視する方法において、１または複数のシ
    フトした波長の光を引き起こすために光で工具の表面を照らし、および前記１ま
    たは複数のシフトした波長を検出することを特徴とする方法。
  2. 【請求項２】 監視される工具は、第２の材料の第２の層または基板の上に
    存在する、第１の材料の少なくとも１つの層を備え、前記第１および第２の材料
    は、照らされたときにシフトした波長の異なるスペクトルを有する方法において
    、 波長がシフトしたスペクトルを引き起こすために光で前記工具の表面を照らす
    ステップを備え、 得られたスペクトルを検出しかつ分析するステップであって、前記第１および
    第２の材料のいずれかが前記工具の表面に在るかを決定することを特徴とする請
    求項１に記載の方法。
  3. 【請求項３】 照らされたときにシフトした波長の異なるスペクトルを有す
    る異なる材料の複数の層が存在することを特徴とする請求項２に記載の方法。
  4. 【請求項４】 前記第１および第２の材料の少なくとも１つは、ＴｉＮ、Ｔ
    ｉＡｌＮ、ＴｉＡｌＸＮ（ただしＸは、Ｙ、Ｃｒ、Ｎｂ、Ｗ、Ｍｏなど）、Ａｌ
    Ｎ、ＴｉＣ、ＺｒＮ、ＴｉＺｒＮ、および超格子材料から選択されることを特徴
    とする請求項２または請求項３に記載の方法。
  5. 【請求項５】 前記第２の材料が、ＣｒＮおよびＶＮから選択されることを
    特徴とする請求項２ないし４のいずれか１項に記載の方法。
  6. 【請求項６】 前記波長がシフトした光がラマンシフト光であることを特徴
    とする請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の方法。
  7. 【請求項７】 第２の材料の第２の層の上に存在する、第１の材料の少なく
    とも１つの層を備え、前記第１および第２の材料は、照らされたときにシフトし
    た波長の異なるスペクトルを有する切削工具において、前記第２の材料は、Ｃｒ
    ＮおよびＶＮから選択されることを特徴とする切削工具。
  8. 【請求項８】 工具は、第２の材料の第２の層または基板の上に存在する、
    第１の材料の少なくとも１つの層を備え、前記第１および第２の材料は、照らさ
    れたときにシフトした波長の異なるスペクトルを有する工具の状態を監視するシ
    ステムにおいて、 監視される工具に近接しまたは接触させることが可能なプローブと、シフトし
    た波長のスペクトルを引き起こす、前記プローブを介して前記工具の表面を照ら
    すための光源と、分析器とを含み、前記プローブは、前記スペクトルの光を集め
    かつ分析器に送出し、前記分析器は、前記第１および第２の材料をそれらのシフ
    トしたスペクトルから識別し、工具の状態を決定することを特徴とするシステム
    。
  9. 【請求項９】 シフトした波長のスペクトルがラマンシフトスペクトルであ
    ることを特徴とする請求項８に記載のシステム。
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