JP2005125480A

JP2005125480A - 工具寿命の診断機能を有する切削加工方法

Info

Publication number: JP2005125480A
Application number: JP2004056945A
Authority: JP
Inventors: Masahiro Higuchi; 誠宏樋口; Shoichi Shimada; 尚一島田; Kazushi Obata; 一志小畠
Original assignee: Allied Material Corp
Current assignee: Allied Material Corp
Priority date: 2003-09-30
Filing date: 2004-03-02
Publication date: 2005-05-19

Abstract

【課題】切削加工を行いながら工具切れ刃の摩耗状態を監視し、加工物にダメージを与える以前に、摩耗した工具の交換が可能な切削加工方法を提供する。
【解決手段】ＡＥ（アコースティックエミッション）と切削抵抗の測定を行いながら加工を行い、前記ＡＥ信号の振幅分布解析と前記切削抵抗の１/f^βゆらぎ解析により、前記工具の工具寿命を診断し、工具交換時期を判定する。前記工具寿命の判定は、ＡＥ振幅分布のフラクタル次元と切削抵抗の１/f^βゆらぎのスペクトル指数により自動判定する。
【選択図】なし

Description

本発明は、切削工具の摩耗状態を検出しながら加工を行う方法に関するものであり、特に単結晶ダイヤモンド切削工具を用いた鏡面加工において、工具の寿命診断を行い工具の交換時期を決定し、切削加工の自動化ができる方法に関する。

近年、超精密切削加工の対象の一つとして、素粒子物理学の実験的研究に必要な線形加速器に用いる、約１００万枚の加速管ディスクをダイヤモンド切削工具により加工を行うものがある。このような加工では自動化が不可欠であり、その実現に当たって工具寿命を認識し、欠損による加工物への致命的なダメージを防止する要素技術の確立が必要である。
従来の切削加工法では、工具の寿命は、切れ刃の摩耗量がある基準値に達したことをもって判定し、その予測は、テーラーの工具寿命式と呼ばれる数学的モデルを基にしている。しかし、この方法は個々の切削条件とマッチした工具寿命式がある場合に限定される上、生産現場での工具摩耗量の測定が作業効率を著しく低下させるため、一般的には利用されていないのが現状である。特に、上記のように自動化が必要な切削加工において、工具摩耗量のオフライン測定は自動化に逆行するものであり、そのオンライン測定が要望されている。

工具摩耗量を監視しながら切削加工を行うものとして、３分力水晶圧電型力センサで切削抵抗を測定し、その特徴量の変化から単結晶ダイヤモンド工具のクレーター摩耗の進行を間接的に評価しながら切削加工を行う方法がある。（例えば、非特許文献１参照）
この方法では、主分力と背分力との比、パワースペクトルの１/f^βゆらぎ、自己相関関数の減衰比などの特徴量を抽出し、それらを基に工具の摩耗状態を評価し、寿命を判定している。
日本機械学会（No.02-25）第４回生産加工・工作機械部門講演会講演論文集

しかしながら、非特許文献１に記載の方法で工具摩耗状態の監視を行った場合、突発的に発生する切れ刃のチッピングに対して、上記の特徴量はほとんど変化しない。そのため、仕上げ面粗さを悪化させない程度の微小なチッピングが頻発しても、まったく検出されない。言い換えると、クレーター摩耗がかなり進行して、工具刃先の欠損が起こらない限り、工具の寿命を認識することができないため、加工物にダメージを与えてしまうという問題があった。

このようなことから、本発明は、工具の寿命をオンライン測定の困難な摩耗量で判定するのではなく、摩耗と相関があり寿命予測の先行指標になる物理量を検出することで、切削加工を行いながら工具切れ刃の摩耗状態を監視し、加工物にダメージを与える以前に、摩耗した工具の交換が可能な切削加工方法を提供するものである。

本発明は、ＡＥにより切れ刃の脆性損傷の発生を検出するとともに、すり減り摩耗が進んだ切れ刃が寿命を迎える時期に、切削抵抗の変動がランダムからカオスに遷移する特徴を検出することで、信頼性の高い工具寿命の診断機能を有するダメージフリーの切削加工方法としたものである。

本発明の切削加工方法の第１の特徴は、切削加工中の工具の摩耗状態を監視しながら切削加工を行う方法であって、
ＡＥ（アコースティックエミッション）と切削抵抗の測定を行いながら加工を行い、前記ＡＥ信号の振幅分布の解析によるフラクタル次元の変化と、前記切削抵抗のカオス解析によるカオス変動への遷移とを検出することにより、前記工具の工具寿命を診断し、工具交換時期を判定することである。

第２の特徴は、前記工具寿命の判定を、切削力のパワースペクトルの１/f^βゆらぎにより自動判定することである。

第３の特徴は、前記工具寿命の判定を、ＡＥ振幅分布のフラクタル次元により自動判定することである。

本発明の切削加工方法は、ＡＥにより突発的に発生する切れ刃のチッピングを常に監視しながら、同時に切削抵抗の変動からクレーター摩耗の進行の程度を検出することで、工具刃先の欠損が精度良く予測され、これが発生する前に工具交換を行うことができるので、加工物にダメージを与えることを防止できる。

本発明の切削加工方法を、代表的な切削工具である単結晶ダイヤモンドバイトを使用して、無酸素銅を切削する加工を例にあげて説明する。バイトのシャンクにはＡＥセンサが接着されており、切削加工の過程で放出されるＡＥ信号を検出し、デジタルオシロスコープで測定できるようになっている。測定されたＡＥ信号の大きさ別の頻度分布であるＡＥ振幅分布は、べき乗則分布を示すので、その指数であるフラクタル次元により、工具の健全性を判定することができる。すなわち、変形に起因するＡＥのフラクタル次元は、通常２以上であるのに対して、チッピングのような脆性損傷に起因するＡＥのフラクタル次元は１〜２の値になる。従って、２以下のフラクタル次元をもつＡＥが頻繁に出始めると、切れ刃に脆性損傷が頻発したと判定され、工具寿命につながる刃先の欠損が起こる予兆を得たことになる。

そして上記のＡＥセンサとは別に、バイトのシャンクの下部には３分力水晶圧電型センサが設置されており、これにより切削抵抗を検出するようになっている。切削抵抗は、工具が正常な切削作用を行っている時は微小変動し、そのアトラクタは凝縮した様相を見せる。一方、切れ刃が欠損した場合の切削抵抗は激しく変動し、そのアトラクタは引き伸ばしと折り畳みのある特異な振る舞いを見せる。この両者の切削抵抗をカオス解析（リアプノフ解析と相関次元解析）すると、前者はランダム変動であり、後者はカオス変動であることが明らかになった。従って、この特徴を工具の寿命診断における指標とし、工具寿命を判定することができる。

なお、上記の特徴を瞬時に抽出することは困難であるため、短時間で工具寿命を判定するためには、１/f^βゆらぎを利用して特徴抽出を行うことが望ましい。時系列的に変動する切削抵抗を、周波数fに関するスペクトル密度S(f)に変換すると、fとS(f)の両対数グラフは負勾配の直線関係、すなわちスペクトル密度S(f)は１/f^βに比例するフラクタル性を示す。切削抵抗がランダム変動する状態では、スペクトル指数βは１以下の値を示すのに対して、カオス変動する状態では、１以上の値を示す。従って、この数値を元に工具寿命を正確に判定することが可能になる。

上記の２つの特徴量を用いた工具寿命の診断の手順を図１に示す。まず、測定された切削抵抗のパワースペクトル解析を行い、１/f^βゆらぎのスペクトル指数βを求める。また、これと併行して測定されるＡＥの振幅分布解析を行い、フラクタル次元ｍを求める。次に、上記で得られた２つの特徴量を寿命判定基準（β＞１かつｍ＜２）と照合する。すなわち、２つの特徴量が寿命判定基準を満たす場合には、工具は寿命と判断され切削加工を中止し、また、寿命判定基準を満たさない場合には、工具は健全と判定され切削加工を続行する。以上のように、本発明の切削加工法では、漸進的なすり減り摩耗を切削抵抗の１/f^βゆらぎ特性より検出し、突発的なチッピングなどの脆性損傷をＡＥ振幅分布特性により検出することで、切削加工条件に依存しない寿命判定基準によって工具の健全性を評価することができる。

単結晶ダイヤモンドバイトを使用し、無酸素銅（ＡＳＴＭＦ６８クラス１）の超精密切削加工を行った場合に発生する工具損傷に伴うＡＥを観察した。単結晶ダイヤモンドバイトとして、すくい面が（１００）で刃先が＜１００＞方向のチップが設けられたものを用い、この工具のシャンクに３分力水晶圧電力センサを取り付け、また広帯域ＡＥセンサをシリコングリスで密着固定し、ローノイズタイプのプリアンプとディスクリミネータで増幅したエンベロープ波形をデジタルオシロスコープで測定した。工具仕様、切削条件および測定条件を表１に示す。

図２は、上記の条件で切削加工を行った時の、工具刃先のすくい面のレーザー顕微鏡写真であり、切削距離が３４９．８、３６３、４２９ｋｍの時点で撮影したものである。白い部分が工具刃先のすくい面である。３６３ｋｍ切削後の図２（ｂ）と４２９ｋｍ切削後の図２（ｃ）を比較すると、切れ刃先端の欠け（黒い影部分）が大きくなっている。この状況を見るとチッピングが発生したものと考えられる。しかし、レーザー顕微鏡により撮影した写真ではチッピングであるかどうかの断定はできないため、上記の切削距離において検出されたＡＥ信号の特徴を調べた。

図３および図４は、切削距離ごとに検出されたＡＥ波形の一例とこのＡＥに対する両対数表示の振幅分布を示したものであり、図３は、切削距離が３４９．８〜４２９ｋｍの間のもの、図４は、切削距離が７５９〜８２５ｋｍの間のものである。なお、図４（ｂ）および（ｄ）のＡＥ波形の縦軸は振幅が非常に大きな値をもつＡＥが検出されたため、（ａ）および（ｃ）とは異なるスケールで示している。これらＡＥの単位時間あたりの事象数を振幅ごとに整理するＡＥ振幅分布解析を行い、その傾きであるフラクタル次元ｍを求めた。図５は切削距離に対する前述のフラクタル次元ｍの変化を示したものである。また、図６は切削抵抗のパワースペクトル解析を行い、１/f^βゆらぎより求めたスペクトル指数βの切削距離による変化を示したものである。さらに、図７は切削距離による仕上げ面粗さＲｚの変化を示したものである。仕上げ面粗さ（縦軸）において、切削初期に極度に高い値がでたため、Ｒｚが０．６〜１．０μｍの間は省略してある。

図４に示すように、７７２．２ｋｍや８２５ｋｍにおいて振幅が非常に大きな値をもつＡＥが検出された。また図示は省略したが７９８．６ｋｍにおいても同様のＡＥが検出された。図５を見ると、この時のフラクタル次元ｍは２未満の値を示しており、切れ刃にチッピングが生じたものと考えられる。フラクタル次元ｍの変化は、７７２．２ｋｍ以降において２未満を示し始め、切削距離が増加するに従い２未満を示す頻度が多くなった。また図６からわかるように、６７９．８ｋｍを過ぎた時点でスペクトル指数βは１．０よりも大きくなり右上がりの傾向を示している。一方、図７の仕上げ面粗さを見ると、６００ｋｍを過ぎたあたりから変動が大きくなり、７００ｋｍを過ぎたあたりから次第に大きくなり、９００ｋｍで急増している。したがって、工具は切削距離９００ｋｍで寿命になったと考えられる。この仕上げ面粗さの悪化は、上記のフラクタル次元ｍとスペクトル指数βの変化と関連しており、切削加工中にＡＥ振幅分布解析と切削抵抗の１/f^βゆらぎ解析を行い、両特性値を求めることで寿命診断が可能となり、工具欠損が起こる前に工具交換を行うことができる。

実施例１と同様に、単結晶ダイヤモンドバイトを使用して無酸素銅の超精密切削加工を行い、工具の損耗を一定切削距離ごとにレーザー顕微鏡で観察した。また、被削材の仕上げ面粗さを測定し、両者の変化から工具の寿命を判定した。一方、切削過程では、実施例１と同様に、工具シャンクに取り付けた３分力水晶圧電型力センサと広帯域ＡＥセンサを用いて切削抵抗とＡＥをそれぞれ測定した。そして、切削抵抗の１/f^βゆらぎのスペクトル指数βとＡＥ振幅分布のフラクタル次元ｍを解析し、実施例１と同様に寿命を判定した。
前記の寿命判定基準が切削条件に依存するか否かを明らかにするため、切削面積（２×１０^−５ｍｍ^２）を一定にし、単位時間あたりの除去体積を変化させた切削条件の下での切削加工を行った。

切削条件については、実施例１の表１と同様であるが、切削速度については上記のように単位時間あたりの除去体積を変化させるため、９．４ｍ／ｓ、１２．６ｍ／ｓ、１５．６ｍ／ｓの３種類の条件で行った。除去体積は、切削速度が９．４ｍ／ｓの場合は０．１８８ｍｍ^３／ｓ、１２．６ｍ／ｓの場合は０．２５１ｍｍ^３／ｓ、１５．６ｍ／ｓの場合は、０．３１２ｍｍ^３／ｓである。

図８は切削加工終了時の工具刃先の状態を表している。刃先には切屑流出方向に生じた境界摩耗とチッピングが観察される。このように損耗した切れ刃で切削された被削材の仕上げ面粗さは、図９に示すように切削初期の仕上げ面粗さに比較して、１．３倍ほど大きくなっている。この結果より、それぞれの加工に用いた工具が寿命であると判断した。

図１０と図１１は工具損耗の進行に伴う切削抵抗とＡＥの特徴を示す図であり、図１０はスペクトル指数βを、図１１はフラクタル次元ｍの変化を示す。いずれの切削条件においても、工具寿命に近づくとスペクトル指数βは１より大きな値を示し、またフラクタル次元ｍは２よりも小さな値を示している。以上のことから、異なる切削条件で使用された工具の寿命が、切削抵抗とＡＥの特徴による寿命判定基準（β＞１かつｍ＜２）で察知され、この寿命判定基準は切削条件に依存しないことが分かった。

本発明は、ダイヤモンド切削工具による無酸素銅などの連続大量加工が必要とされる超精密切削加工において、工具損耗の自動監視と工具寿命の自動診断などに用いることができる。

本発明の工具寿命の診断手順を示すフローチャート図。実施例１における単結晶ダイヤモンドバイトの刃先のレーザー顕微鏡写真。実施例１において、本発明の切削加工法により切削距離ごとに検出したＡＥ波形と、ＡＥに対する両対数表示の振幅分布を示す図。実施例１において、本発明の切削加工法により切削距離ごとに検出したＡＥ波形と、ＡＥに対する両対数表示の振幅分布を示す図。実施例１における切削距離とフラクタル次元ｍとの関係を示す図。実施例１における切削距離とスペクトル指数βとの関係を示す図。実施例１における切削距離と仕上げ面粗さとの関係を示す図。実施例２における切削加工終了時の工具刃先のレーザー顕微鏡写真。実施例２における切削距離と仕上げ面粗さとの関係を示す図。実施例２における切削距離とスペクトル指数βとの関係を示す図。実施例２における切削距離とフラクタル次元ｍとの関係を示す図。

Claims

切削加工中の工具の摩耗状態を監視しながら切削加工を行う方法であって、
ＡＥ（アコースティックエミッション）と切削抵抗の測定を行いながら加工を行い、前記ＡＥ信号の振幅分布の解析によるフラクタル次元の変化と、前記切削抵抗のカオス解析によるカオス変動への遷移とを検出することにより、前記工具の工具寿命を診断し、工具交換時期を判定することを特徴とする切削加工方法。
前記工具寿命の判定を、切削力のパワースペクトルの１/f^βゆらぎにより自動判定することを特徴とする請求項１記載の切削加工方法。
前記工具寿命の判定を、ＡＥ振幅分布のフラクタル次元により自動判定することを特徴とする請求項１記載の切削加工方法。