JP6541170B2

JP6541170B2 - 切削工具の評価方法及び評価装置

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Publication number: JP6541170B2
Application number: JP2014254112A
Authority: JP
Inventors: 弘輝大岸; 山本　和弘; 和弘山本
Original assignee: Daihatsu Motor Co Ltd; Tungaloy Corp
Current assignee: Daihatsu Motor Co Ltd; Tungaloy Corp
Priority date: 2014-12-16
Filing date: 2014-12-16
Publication date: 2019-07-10
Anticipated expiration: 2034-12-16
Also published as: JP2016112648A

Description

本発明は、フライス等の切削工具に作用する切削抵抗等の特性を評価する、切削工具の評価方法及び評価装置に関する。

従来、正面フライス加工およびエンドミル加工に用いられる切削工具として、回転中心軸を有するホルダに切削インサートが装着されたスローアウェイ式の転削工具が用いられている。このような転削工具に用いられる切削インサートは、一般的に、上面、下面および側面を有し、上面と側面との交線部に切刃が形成された構成となっている。切削工具は、ホルダを回転させながら、切刃を被削材に接触させることによって、被削材を切削することができる。

上記のような切削工具では、被削材を切削する際にこの切削工具に作用する切削抵抗を極力低減することが求められる。従来、この切削抵抗の評価は、例えば、キスラー社製の切削抵抗測定器（切削抵抗動力計）によって被削材に作用する３つの分力（主分力、送り分力、背分力）を測定することにより行われている。より具体的には、上記の３つの分力のうち、主分力（Ｎ）を切削抵抗値として用いる場合（例えば特許文献１参照）や、これら３つの分力の合力（Ｎ）を算出し、これを切削抵抗値として用いる場合（例えば特許文献２参照）等がある。

特開２００７−８３３８１号公報特開２０１１−１１５９３４号公報

例えば自動車の製造のように、形状、大きさ及び機能の異なる多種の部品を切削加工する必要がある場合において、上記のような切削抵抗の測定方法を用いると以下のような不具合が生じ得る。すなわち、自動車を製造するような場合には、多種の部品を切削加工する必要があり、そのために多種の工作機械を使用することになる。したがって、被削材の種類と工作機械の種類との組み合わせの数が非常に多くなり、その組合せ毎に切削抵抗を測定しなければならず、その測定作業が非常に煩雑なものとなる。

本発明は上記の事情に鑑みてなされたものであり、多種の被削材の切削及び多種の工作機械に切削工具を使用する場合であっても、普遍的かつ容易に切削抵抗を検出可能な切削工具の評価方法及び評価装置を提供することを目的とする。

本発明は、上記の課題を解決するためのものであって、切削抵抗動力計を使用することなく切削工具の切削抵抗を評価する方法において、工作機械に取り付けられた切削工具によって試験ワークに対する所定距離の切削を行うとともに、前記切削工具を駆動する主軸モータの動力値を制御装置によって取得し、前記制御装置は、前記動力値を前記切削抵抗と見做し、前記動力値を閾値と比較することにより前記切削抵抗を評価するというものである。

このように、工作機械に切削工具を取り付けた状態で試験ワークを切削し、その際に主軸モータの動力値を取得し、この動力値を切削抵抗と見做すことにより、多種の工作機械に対して切削工具が使用される場合であっても、全ての工作機械に対して普遍的に切削抵抗の評価を行うことができる。

しかも、この評価を行う場合には、切削工具を通常の切削作業と同様に工作機械に取り付けるだけでよいので、従来のような切削抵抗測定器の設置作業を行う必要がなくなり、この準備作業を容易に行うことができる。また、本発明では、被削材が従来の切削抵抗測定器では対応できないような大型のものであったとしても、この被削材を通常の切削作業と同様に載置台に載置するだけでよいため、多様な被削材に対する切削抵抗の評価も容易に行うことが可能である。

本発明に係る切削工具の評価方法では、前記制御装置は、前記動力値を前記閾値と比較することにより前記切削工具の耐摩耗性を評価することが望ましい。

このように、主軸モータの動力値に基づいて、切削工具に作用する切削抵抗の評価を行うとともにその耐摩耗性の評価をも行うことにより、特定の部品を大量生産する場合に最適な切削工具を選定でき、これによって本発明は、切削加工が必要な部品における製造コストの大幅な低減化に大きく寄与することになる。

本発明は、上記の課題を解決するためのものであって、切削抵抗動力計を使用することなく切削工具の切削抵抗を評価する装置において、工作機械に取り付けられた切削工具によって試験ワークに対する所定距離の切削を行ったときに、前記切削工具を駆動する主軸モータの動力値を取得する制御装置を備え、前記制御装置は、前記動力値を前記切削抵抗と見做し、前記動力値を閾値と比較することにより前記切削抵抗を評価し、かつ、前記動力値を前記閾値と比較することにより前記切削工具の耐摩耗性を評価するというものである。この評価装置によれば、上述した切削工具の評価方法と同様に、多種の被削材の切削及び多種の工作機械に切削工具を使用する場合であっても、普遍的かつ容易に切削抵抗を検出できる。

本発明によれば、多種の被削材の切削及び多種の工作機械に切削工具を使用する場合であっても、普遍的かつ容易に切削抵抗を検出することが可能になる。

図１は、本発明に係る切削工具の評価方法を使用する工作機械の概念図である。図２は、本発明に係る切削工具の評価方法を説明するためのグラフである。

以下、本発明に係る切削工具の評価方法及び評価装置を実施するための形態について図面を参照しながら説明する。

この評価方法は、例えば、フライスカッタ、エンドミルといった切削工具（転削工具）によって被削材を切削した際に、この切削工具に作用する切削抵抗を評価するためのものである。図１は、この評価方法に使用されるＮＣ制御式の工作機械（マシニングセンタ）を示す。このＮＣ工作機械１は、被削材（試験ワーク）２を載置する載置台３と、切削工具４を回転駆動する主軸モータ５と、切削工具４を所定方向に移動させる駆動ステージ６と、主軸モータ５及び駆動ステージ６の制御を行うＮＣ制御装置７と、このＮＣ制御装置７に接続される制御ＰＣ８とを主に備える。

載置台３は、載置された被削材２を固定する固定具（図示せず）を備える。この載置台３は、所定方向（Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸方向）に移動可能に構成され得るが、所定位置に固定されていてもよい。この載置台３に載置される被削材２としては、例えば、自動車のエンジンに使用されるアルミニウム製のシリンダヘッド等が挙げられる。

主軸モータ５は、駆動ステージ６を介してＮＣ制御装置７に接続されている。この主軸モータ５には、切削工具４が連結されている。本実施形態では、この切削工具４として正面フライスカッタを例示する。この切削工具４は、切刃を有する複数のスローアウェイインサート９と、スローアウェイインサート９を保持するホルダ１０とを備える。複数のスローアウェイインサート９は、所定の間隔をおいてこのホルダ１０に保持されている。ホルダ１０は、連結具（図示せず）を介して主軸モータ５の回転軸に連結されている。

駆動ステージ６は、ＮＣ制御装置７による数値制御によって、主軸モータ５をＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸方向に移動させることができる。これにより、主軸モータ５に連結される切削工具４もこの主軸モータ５と同様に移動させることができる。

ＮＣ制御装置７は、図示しない演算部（ＣＰＵ）、記憶部（ＲＡＭ、ＲＯＭ）、モニタ及び入力インターフェース等を備える。このＮＣ制御装置７では、入力インターフェース及びモニタを介して、使用する切削工具４の情報、被削材２に関する情報、切削条件（回転速度、送り速度、切込量等）等の情報がオペレータによって入力され、これらの情報は、記憶部に記憶されることになる。

ＮＣ制御装置７の記憶部には、ＮＣ制御に使用される制御プログラムが記憶されており、このプログラムには、ゲイン、フィルタ等の各種機能も含まれている。演算部は、この制御プログラム及び入力された各種情報（データ）に基づいて、所定の演算処理を行った後に、演算結果に応じた制御によって駆動ステージ６及び主軸モータ５を駆動する。

また、このＮＣ制御装置７は、主軸モータ５から出力される出力信号を受信するように構成される。ＮＣ制御装置７は、主軸モータ５の出力信号の他、ＮＣ制御装置７の記憶部に記憶される各種情報を制御ＰＣ８に送信できる。

制御ＰＣ８は、図示しない演算部（ＣＰＵ）、記憶部（ＲＡＭ、ＲＯＭ）、モニタおよび入力インターフェースを備える。この制御ＰＣ８の記憶部には、ＮＣ制御装置７から送信された主軸モータ５の出力信号その他の各種情報が記憶される。また、この記憶部には、ＮＣ制御装置７から受信した主軸モータ５の出力信号に基づいて、この主軸モータ５の動力値（電力値）又は電流値を演算する演算プログラム、切削工具４の切削距離と主軸モータ５の動力値との関係若しくは切削工具４の切削距離と主軸モータ５の電流値との関係を作図するプログラム等の各種プログラムが記憶されている。

なお、ＮＣ工作機械１によって被削材２を切削加工する場合において、主軸モータ５が始動してから切削工具４による切削が始まるまでの間に、切削工具４及び主軸モータ５が空転する時間帯が存在する。したがって、この空転中においても主軸モータ５から動力値又は電流値に係る信号が出力されることになる。制御ＰＣ８の記憶部には、主軸モータ５の空転時における動力値又は電流値を、ゼロ（原点）として設定するように補正するプログラム（原点合わせ機能）が記憶されている。換言すれば、このゼロ（原点）補正プログラムを使用することにより、空転時における主軸モータ５の動力値又は電流値と、切削時における主軸モータ５の動力値又は電流値との差が切削抵抗として評価されることになる。なお、ＮＣ工作機械１の機種によっては、切削抵抗と見做される動力値又は電流値に比べて、空転時の動力値又は電流値が極めて小さな値となる場合がある。このような場合には、上記のプログラムによるゼロ（原点）補正を行わなくてもよい。

制御ＰＣ８の演算部は、記憶部に記憶される情報及び各種プログラムに基づいて、例えば、主軸モータ５の動力値又は電流値、そして、この動力値と切削工具４の切削距離との関係、又はこの電流値と切削工具４の切削距離との関係を演算し、その結果をモニタに表示させることができる。なお、制御ＰＣ８としては、特に限定されることなく各種コンピュータが使用され得るが、例えば、ノートＰＣ、又はスマートフォンその他のタブレット型端末が携帯性、省スペースの観点から特に適している。また、制御ＰＣ８とＮＣ制御装置７とは、有線のみならず、無線によっても通信可能である。

なお、主軸モータ５から出力される信号がアナログ信号である場合には、ＡＤ変換器等のアナログ入力デバイスにより、この信号をデジタル信号に変換した上で制御ＰＣ８に入力することが望ましい。

以下、上記構成のＮＣ工作機械１による切削工具４の評価方法について説明する。本方法では、切削工具４に作用する切削抵抗を評価するとともに、切削工具４の耐摩耗性をも評価できる。

この方法では、まず、被削材２である試験ワークを載置台３に載置して固定するとともに、切削工具４である正面フライスカッタを工作機械１に装着した後、所定の数値制御によって試験ワークの切削を行う。切削加工中は、主軸モータ５の出力信号がＮＣ制御装置７に送信され、さらに、この信号が制御ＰＣ８に送信される。また、ＮＣ制御装置７は、試験ワークに対する切削工具４の切削距離に関する情報を制御ＰＣ８に送信する。

制御ＰＣ８は、取得した各種情報に基づいて、所定の演算を行い、例えば、主軸モータ５の動力値（ｋＷ）又は電流値（Ａ）をモニタに表示させることができる。この動力値又は電流値については、予め閾値を定めて記憶部に記憶させるとともに、演算部によって、取得した動力値又は電流値と、閾値とを比較させることも可能である。演算部は、取得した動力値又は電流値を、設定された閾値と比較することにより、切削抵抗が所期のものであるか否かの判定を行うことができる。制御ＰＣ８のモニタには、演算部によるこの判定結果が表示される。

また、制御ＰＣ８は、演算部による演算により、被削材２である試験ワークに対して所定の切削距離の切削を行ったときの主軸モータ５の動力値又は電流値をモニタに図示できる。図２は、モニタに図示され得る切削距離と動力値との関係を示すグラフである。この図２では、縦軸に主軸動力値（ｋＷ）、横軸に切削距離（ｍ）がとられている。

切削距離は、実際に駆動ステージ６が切削工具４を水平方向に移動させた距離を表示することも可能であるが、被削材２が試験ワークである場合には、所定の切込量、例えば２ｍｍの切込量で切削した場合に、これを例えば０．３ｍの切削距離に換算して集計することも可能である。すなわち、試験ワークの所定位置において、ホルダ１０の軸線方向における２ｍｍの切込量で試験ワークの厚さ（深さ）方向に切削を行い、２ｍｍの切込量の切削を行う度に、０．３ｍの切削距離に換算してこれを加算していくのである。

図２では、４つの切削工具４Ａ〜４Ｄに関して、同じ条件の被削材（試験ワーク）２を同じ切削条件で切削した場合の結果を示す。本実施形態において、各切削工具４Ａ〜４Ｄには、諸元の異なるスローアウェイインサート９による正面フライスカッタが使用される。この図２は、例えば定格出力３ｋＷの主軸モータ５において、その約７０％の出力である２．１ｋＷを閾値として設定するとともに、各切削工具４Ａ〜４Ｄに対して切削抵抗の測定試験を行った場合の結果を示している。なお、図２は、１．４８ｍ、７．３ｍ、１４．９ｍ、及び２２．２ｍの各切削距離における主軸モータ５の動力値を取得して制御ＰＣ８のモニタに図示したものである。

図２に示すように、各切削工具４Ａ〜４Ｄは、いずれも切削距離２２．２ｍまでの切削を行った場合に、閾値である２．１ｋＷを下回っており、所期の使用に適したものであることが判る。また、各切削工具４Ａ〜４Ｄに共通するのは、切削距離が増加するにつれて動力値も増加するということである。これは、切削距離の増加によって切削工具４が徐々に摩耗したことを意味する。

このように、所定の切削距離の切削を行い、主軸モータ５の動力値を取得するとともに、この動力値における増加の程度を確認することによって、切削工具４の摩耗の程度、換言すれば切削工具４の耐摩耗性を評価することが可能になる。制御ＰＣ８は、切削距離と動力値との関係をモニタに表示させるとともに、各切削距離における動力値を閾値と比較することにより、切削工具４の耐摩耗性（良否）を判定し、その判定結果をモニタに表示させることができる。すなわち、制御ＰＣ８は、ＮＣ工作機械１に取り付けられた切削工具４の切削抵抗を評価するだけでなく、切削工具４の耐摩耗性をも評価可能な評価装置として機能するのである。なお、制御ＰＣ８は、図２と同様に、例えば、縦軸に主軸モータ５の電流値（Ａ）、横軸に切削距離（ｍ）を設定して、電流値と切削距離の関係をモニタに図示することができる。

以上説明した切削工具４の評価方法によれば、主軸モータ５の出力信号に基づいてその動力値又は電流値を評価装置としての制御ＰＣ８で取得し、この動力値又は電流値を所定の閾値と比較することによって、切削工具４に作用する切削抵抗が適正なものか否かを評価することができる。このように、主軸モータ５の動力値（絶対値）又は電流値を切削工具４の切削抵抗と見做して評価すれば、被削材２の大きさや形状に関係なく、また、ＮＣ工作機械１の機種にも関係なく、切削工具４の評価を普遍的かつ適正に行うことが可能になる。

なお、制御ＰＣ８は、サンプリングによって主軸モータ５の動力値又は電流値を取得し得るが、サンプリングにより取得した動力値又は電流値のデータのうち、最高値を切削抵抗と見做して評価してもよく、また、取得したデータの平均値を切削抵抗と見做して評価してもよい。動力値又は電流値の最高値を切削抵抗として評価することにより、ＮＣ工作機械１における主軸モータ５の出力の割合（余力）を好適に管理できる。また、動力値又は電流値の平均値を切削抵抗として評価すれば、取得した値のばらつきを抑制して精度の良い切削抵抗の評価を実現できる。

また、本発明では試験ワークに対して所定の切削距離の切削を行った場合における切削工具４の耐摩耗性をも評価できるため、部品の大量生産に適した切削工具４を比較しながら選定することが可能になる。したがって、本発明は、部品の量産によって製造コストの低減を目標とする場合に最も適した評価方法であるといえる。本発明は、比較的小型の工作機械１を多種及び多数使用して部品を量産する場合に特に有効である。

さらに、この切削工具４の評価方法では、通常の切削と同様に、切削工具４をＮＣ工作機械１に取り付け、被削材２である試験ワークを載置台３に載置するだけで、切削抵抗を評価できるため、その準備作業が従来よりも簡易で容易になる。

従来の切削抵抗測定器には、被削材２をこの測定器に載置し、この被削材２を切削したときに作用する分力（主分力、送り分力、背分力）を測定するタイプのものがあるが、被削材が大型のものになると、切削抵抗測定器に載置できず、切削抵抗を測定できないという事態も生じ得る。しかしながら、本発明に係る切削工具４の評価方法では、通常の切削と同様に、被削材２である試験ワークを載置台３に載置するだけでよいので、上記のような従来の不具合が生じることはない。

また、既述のような従来の切削抵抗の評価方法では、多種の部品を切削加工により製造するような場合において、大きさや形状の異なる被削材２に対する切削抵抗を考慮すると、画一的に評価することが困難になる場合がある。しかしながら、本発明であれば、主軸モータ５の動力値又は電流値を切削抵抗と見做すことにより、大きさや形状の違いに影響を受けることのない切削工具４の評価を実現できる。このことは、多種のＮＣ工作機械１を使用して切削を行う場合にも有効であり、全ての工作機械１に共通する指標（絶対値）である動力値又は電流値に着目することで、普遍的かつ容易に切削工具４を評価することができる。

なお、本発明に係る切削工具４の評価方法及び評価装置は、上記実施形態の構成に限定されるものではない。また、本発明に係る切削工具４の評価方法及び評価装置は、上記した作用効果に限定されるものでもない。本発明に係る切削工具４の評価方法及び評価装置は、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。

上記実施形態では、切削工具４として正面フライスカッタを使用した例を示したが、これに限定されない。本発明は、正面フライスカッタ、エンドミルの他、主軸モータ５に取り付けられ得る各種転削工具に適用可能である。

上記実施形態では、ＮＣ制御装置７と制御ＰＣ８とを備えた例を説明したが、これに限定されない。例えば、制御ＰＣ８が実行する制御をＮＣ制御装置７で実行してもよい。この場合には制御ＰＣ８を省略してもよい。すなわち、本発明における「制御装置」には、制御ＰＣ８、ＮＣ制御装置７のいずれもが含まれる。また、ＮＣ制御装置７は制御ＰＣ８と同様に、切削工具４の切削抵抗及び耐摩耗性を評価する評価装置としても機能し得る。また、上記の実施形態では、主軸モータ５の出力信号がＮＣ制御装置７を経由して制御ＰＣ８に送信されていたが、これに限らず、この出力信号を制御ＰＣ８によって直接的に取得するようにしてもよい。

上記の図２の説明では、切削距離が１．４８ｍ、７．３ｍ、１４．９ｍ、２２．２ｍのときの主軸モータ５の動力値を取得した例を示したが、これに限定されず、他の切削距離を適宜設定できる。また、上記の実施形態では、主軸モータ５における動力値の閾値を２．１ｋＷに設定した例を説明したが、これに限定されず、主軸モータ５の能力に応じて適宜設定してもよい。同様に、制御ＰＣ８によって取得される主軸モータ５の電流値に対する閾値についても、主軸モータ５の能力に応じて適宜設定できる。

上記の実施形態では、試験ワークに対して切削工具４による切削を行って切削抵抗を評価したが、これに限定されず、例えば実際の製品用の被削材２を切削する際に、この評価方法を実施して、切削工具４に作用する切削抵抗を監視してもよい。この場合において、切削工具４に作用する切削抵抗が所定の閾値を越えた場合に、制御ＰＣ８からオペレータに対して警報を発するようにしてもよい。

上記の実施形態では、制御ＰＣ８の記憶部に記憶されるゼロ（原点）補正プログラムを使用して、切削抵抗の測定時に動力値又は電流値のゼロ（原点）補正を行う場合を例示したが、これに限定されない。例えば、測定データをＣＳＶ形式のファイル等として制御ＰＣ８の記憶部に保存するとともに、データ編集ソフト（表計算ソフト、グラフ作成ソフト）を用いて事後的に動力値又は電流値のゼロ（原点）補正を行うようにしてもよい。

上記の実施形態では、主軸モータ５側に駆動ステージ６が設けられたＮＣ工作機械１の例を示したが、これに限らず、載置台３側に駆動ステージ６が設けられてもよく、また、主軸モータ５側と載置台３側の両方に駆動ステージ６が設けられていてもよい。

１工作機械
２被削材（試験ワーク）
４切削工具
５主軸モータ
８制御装置

Claims

切削抵抗動力計を使用することなく切削工具の切削抵抗を評価する方法において、
工作機械に取り付けられた切削工具によって試験ワークに対する所定距離の切削を行うとともに、前記切削工具を駆動する主軸モータの動力値を制御装置によって取得し、
前記制御装置は、前記動力値を前記切削抵抗と見做し、前記動力値を閾値と比較することにより前記切削抵抗を評価し、かつ、前記動力値を前記閾値と比較することにより前記切削工具の耐摩耗性を評価する、切削工具の評価方法。
切削抵抗動力計を使用することなく切削工具の切削抵抗を評価する装置において、
工作機械に取り付けられた切削工具によって試験ワークに対する所定距離の切削を行ったときに、前記切削工具を駆動する主軸モータの動力値を取得する制御装置を備え、
前記制御装置は、前記動力値を前記切削抵抗と見做し、前記動力値を閾値と比較することにより前記切削抵抗を評価し、かつ、前記動力値を前記閾値と比較することにより前記切削工具の耐摩耗性を評価する、切削工具の評価装置。