JP2018187713A - 歯切工具の異常検出方法 - Google Patents

Abstract

【課題】歯車加工時に使用される歯切工具の異常検知においても、その工具の形状や大きさに関わらず、異常が発生した位置を正確かつ迅速に検知できる歯切工具の異常検出方法を提供する。【解決手段】本発明の歯切工具の異常検出方法は、切削加工前に歯切工具１の切刃の状態を計測する第１ステップと、第１ステップにおいて計測したデータから所定のしきい値を設定する第２ステップと、切削加工終了後または切削加工中断後に歯切工具の切刃の状態を再度計測し、しきい値を超えた場合に歯切工具の異常を検出したと判断する第３ステップと、から構成される。【選択図】図２

Description

本発明は、歯切工具を用いて被削材への加工を行う際における歯切工具の異常検出方法に関する。

従来より、刃物を回転しながら被削材を切削加工する工作機械において、切削加工中に刃物の欠けが生じた場合、刃物だけでなく被削材自体も損傷を受ける。そのため、切削加工中または切削加工後において刃物の状態を検出するセンサを工作機械に備えている。

例えば、特許文献１には刃物の刃欠けの有無を検出する光ファイバ付き反射型光電スイッチおよび刃取付位置検知信号を出力する刃取付位置検知回路を使用することで、反射型光電スイッチからの検出信号と刃取付位置検知信号との比較（差異）によって刃物の欠けを検知する技術が開示されている。

また、特許文献２には回転ブレードに近接して渦電流センサを配置することで、回転ブレードと渦電流センサとの距離の変化に伴うコイルのインピーダンスの変化により回転ブレードの摩耗や破損を検出できる技術が開示されている。

特開昭６１−２５２０５１号公報 特開平８−３９５４０号公報

しかし、特許文献１開示された検出手段では光電スイッチを使用しているので、切削加工中に切削液の影響を受けた場合に誤検知や高精度での計測が困難になるという問題があった。また、特許文献２開示された検出手段では切削液の影響を受けることで誤検知等の誤作動が発生するという問題はない。

ところが、歯車加工時に使用される歯切工具（ピニオンカッタやスカイビングカッタ）を使用した場合、被削物（ワーク）によって検査対象である歯切工具の形状や大きさが異なるので正確な検査が困難であった。また、歯切工具の形状や大きさによらず異常の検知を正確に行うためには、工作機械内で都度調整ネジ等のジグを使用することで計測位置の微調整を行う必要があるので、その確認に時間や手間を要するという問題があった。

そこで、本発明においては歯車加工時に使用される歯切工具の異常検知においても、その工具の形状や大きさに関わらず、異常が発生した位置を正確かつ迅速に検知できる歯切工具の異常検出方法を提供することを課題とする。

前述した課題を解決するために、本発明は切削加工前に歯切工具の切刃の状態を計測する第１ステップと、第１ステップにおいて計測されたデータから所定のしきい値を設定する第２ステップと、切削加工終了後または切削加工中断後に歯切工具の切刃の状態を再度計測し、しきい値を超えた場合に前記歯切工具の異常を検出したと判断する第３ステップと、を含む歯切工具の異常検出方法とした。

また、歯切工具の切刃の状態については渦電流センサおよびロータリエンコーダを用いて計測することもできる。なお、ここで歯切工具とはスカイビングカッタ、ピニオンカッタ、シェービングカッタ、ホブのうちのいずれかの歯切工具で構わない。

本発明の歯切工具の異常検出方法を用いることで、歯車加工時に使用される歯切工具の異常検知においても、その工具の形状や大きさに関わらず、異常が発生した位置を正確かつ迅速に検知できるという効果を奏する。

本発明の歯切工具の異常検出方法により異常を検出する際に使用される工作機械の内部構造の模式図を示す 本発明の歯切工具の異常検出工程の手順（フローチャート）を示す 歯切工具を用いた切刃状態の異常検出測定結果（電圧値）を示す。

まず、歯切工具における異常を検出する際に使用される工作機械の内部について図面を用いて説明する。本発明の一実施形態である上述した工作機械の内部構造の模式図を図１に示す。この工作機械は図１に示すように内部に、主軸を介して工具（歯切工具）１を把持し、回転させるスピンドル２が上方に取り付けられている。スピンドル２は内部に図示しないロータリエンコーダ（角度エンコーダ）を有している。このロータリエンコーダは、後述する渦電流センサ３により歯切工具１の異常を検知した場合に異常箇所（どの箇所の切刃に異常が発生したか）を正確に把握することができる。

また、主軸の先端に装着された歯切工具１を構成する各切刃の状態を検出するために、工作機械のテーブル上に渦電流センサ３が取り付けられている。この渦電流センサ３は、歯切工具１の大きさや設置位置に応じて追随できるように、スピンドル２のＸ−Ｙ−Ｚ位置を移動することで自在に高さ調整ができる構造となっている。そして、この渦電流センサ３は図示しないセンサアンプを介して本発明の工作機械が備えているＣＮＣ制御部と電気的に接続されている。このセンサアンプは、スキップ信号をＣＮＣ制御部へ出力できるアンプである。

なお、渦電流センサ３は図１に示すように渦電流センサ収容ボックス１０内に収容することもできる。すなわち、歯切工具１を用いた被削材の加工時においては被削材の一部（いわゆる切粉）が周囲に飛散することで渦電流センサ３に接触することを防ぐため、渦電流センサ３を渦電流センサ収容ボックス１０内に収容することができる。その際、渦電流センサ３は図１に示すＺ軸に沿って自由に昇降できるので、渦電流センサ３が下降することで渦電流センサ３内に収容された後、蓋部２０を閉じる構造である。

また、渦電流センサ３を用いて歯切工具１の状態を検出する場合には、渦電流センサ収容ボックス１０の蓋部２０が開いて渦電流センサ３が上昇する構造である。さらに、渦電流センサ３およびスピンドル２は、共に図示しない台座部分が工作機械のテーブル上を図１に示すＸ軸とＹ軸に沿って移動することで互いの距離を自在に設定できる。

次に、本発明である歯切工具の異常検出工程（ステップ）を図面を用いて説明する。図２は、歯切工具における異常を検出するまでの手順となるフローチャートを示す。まず、切削加工前に歯切工具の切刃の状態を計測する（第１ステップ）。この時、歯切工具の切刃の状態は、図１に示すように渦電流センサおよびスピンドルに内蔵されたロータリエンコーダを用いて計測する。具体的には、スピンドルの主軸の先端部分に取り付けられた歯切工具を回転させながら、歯切工具の各切刃における変位量（電圧値）を渦電流センサにより計測する。

同時に、スピンドルにはロータリエンコーダが内蔵されているので主軸の回転量、すなわち歯切工具の各切刃の位置と渦電流センサにより計測された電圧値を同期計測することで歯切工具の切刃ごとの状態を計測できる。

次に、第１ステップで計測されたデータ（電圧値）から所定のしきい値を設定する（第２ステップ）。これは後述するステップにおいて歯切工具の各切刃における異常の有無は判断する指標とするためである。つまり、設定したしきい値よりも大きい電圧値が計測された場合には、その歯切工具の切刃には刃欠けが存在する（異常がある）ことを示すものである。

このしきい値を設定した後、歯切工具を用いた通常の切削加工（歯切工具がスカイビングカッタの場合にはスカイビング加工）を開始する。切削加工中に歯切工具における異常負荷などの異常が検知されなければ切削加工は完了したことになる。しかし、切削加工中に何かしらの異常を検知した場合には、切削加工を一旦中断し、歯切工具における異常の有無を確認する。

切削加工中断後の歯切工具に対して、その切刃の状態を渦電流センサにより再度計測する。再計測した結果、渦電流センサにより計測した電流値が当初設定したしきい値を超えた場合には歯切工具の異常を検出したと判断する（第３ステップ）。このとき、歯切工具の各切刃の状態を確認して、切れ刃に異常摩耗や欠けが無いかを確認する。

これに対して、再計測した結果、渦電流センサにより計測した電流値がしきい値を超えていない場合には、被削材の一部（切り粉）が歯切工具の切刃間に挟みこんだことによる異常発生の場合がある。この場合には切刃間に挟みこんだ切り粉を取り除き、切削加工を再開する。

また、切削加工が正常に完了した場合であっても、定期または不定期に歯切工具の切刃の状態を確認することができる。その際にも、歯切工具の各切刃を渦電流センサを用いて電圧値を計測する。計測した電圧値が当初設定したしきい値を超えた場合に、上述した場合と同様に異常があると判断する（第３ステップ）。

本発明の歯切工具の異常検出方法により実際の歯切工具を用いて異常の検出状況を確認したので、その確認結果について図面を用いて説明する。この確認時に用いた歯切工具は、直径６０ｍｍ、切刃数５０枚のスカイビングカッタ（モジュールｍ＝１．１５）であり、全切刃５０枚のうちすでに１７枚の切刃が欠損しているものとした。

この歯切工具を用いて、図１に示すように工作機械のスピンドル２の先端部分に取り付けた状態で回転させながら渦電流センサ３により歯切工具１の全切刃の状態を計測した。渦電流センサ３を用いて計測した結果（電圧値）を図３に示す。図３の縦軸は渦電流センサ３により計測された電圧値を示し、横軸は歯切工具全周における切刃位置を角度（単位：°）で示している。

計測に用いた歯切工具は全周が３６０°であり、総切刃数が５０であることから、１刃当りの角度は、３６０°／５０刃＝７．２°となる。なお、歯切工具の切刃位置の計測については、工作機械のスピンドルに内蔵されたロータリエンコーダを用いて歯切工具の回転量を角度単位に換算した。

本測定では、まず上述の歯切工具と同じタイプで切刃が折損していない完全な歯切工具を用いて切刃の状態を計測し（第１ステップ）、図３に示す電圧値０．６Ｖにしきい値を設定した（第２ステップ）。図３に示す波形データの山部分（上限値側）は歯切工具の刃底部分の測定結果を示し、谷部分（下限値側）は歯切工具の刃先部分の測定結果を示す。今回の測定結果では歯切工具の刃底部分における電圧値は０．８〜０．９Ｖであり、刃先部分は０．４〜０．５Ｖであった。本計測結果より、横軸が０°〜２２１°付近までの波形データはほぼ規則的（周期的）に電圧値が推移しており、この間の切刃については折損している箇所は存在しないと判断できる。

これに対して、図３に示すように横軸が２２１°〜２５８°の区間（Ａ区間）と２６４°〜３５６°の区間（Ｂ区間）については当初のしきい値を大きく超えた電圧値（約１．３Ｖ）が計測された。これらのしきい値を超えた電圧値が計測された区間は、検出された信号が正常でなかったことから歯切工具の切刃が欠損された箇所であると判断できる（第２ステップ）。

以上の計測結果より、切削加工前に歯切工具の切刃の状態を計測する第１ステップと、第１ステップにおいて計測されたデータから所定のしきい値を設定する第２ステップと、切削加工中断後に歯切工具の切刃の状態を再計測し、しきい値を超えた場合に歯切工具の異常を検出したと判断する第３ステップの各手順による判断手法を用いることで、歯切工具における刃欠けなどの異常箇所を検出できた。

１ 歯切工具
３ 渦電流センサ

Claims (3)

1. 切削加工前に歯切工具の切刃の状態を計測する第１ステップと、前記第１ステップにおいて計測されたデータから所定のしきい値を設定する第２ステップと、切削加工終了後または切削加工中断後に前記歯切工具の切刃の状態を再度計測し、前記しきい値を超えた場合に前記歯切工具の異常を検出したと判断する第３ステップと、を含むことを特徴とする歯切工具の異常検出方法。
2. 前記歯切工具の切刃の状態は、渦電流センサおよびロータリエンコーダを用いて計測することを特徴とする請求項１に記載の歯切工具の異常検出方法。
3. 前記歯切工具は、スカイビングカッタ、ピニオンカッタ、シェービングカッタ、ホブのうちのいずれかであることを特徴とする請求項１または２に記載の歯切工具の異常検出方法。
   

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