JP7331726B2 - 工具摩耗量予測方法及び工具摩耗量予測システム - Google Patents

Description

本発明は、工具摩耗量予測方法及び工具摩耗量予測システムに関する。

切削加工において工具摩耗の予測技術が提案されている。特許文献１では、被加工材に含まれる硬質粒子によって機械的に工具刃先が削り取られるアブレッシブ摩耗に影響を示す項と、高温・高圧環境下で工具成分が被加工材中に拡散することによって摩耗が進展する熱的拡散摩耗に影響を示す項とを加算し、その加算結果を切削抵抗、切削温度、切削距離で積算する演算式により工具摩耗量を予測することを提案している。

特開２００８－２２１４５４号公報

熱的拡散摩耗に対する影響を演算式により予測するには、演算式において熱的拡散摩耗に影響を示す項に、加工中の切削工具と被加工材との接触領域である加工点温度を代入する必要があることから、加工点温度を精度よく測定することが重要である。

しかしながら、切削工具は加工中に発生する切屑の影響などで加工点温度の実測値を得るのは極めて困難であり、加工点温度を推測する演算式による計算値を用いるのが実情である。その場合、実際の加工点温度と計算値とに乖離が発生し、量産現場で工具インターバルの選定を実用化しようとすると、想定より早期に加工品質を悪化させる懸念がある。

上記のような実際の加工点温度と計算値の乖離に対して、切削工具上の任意位置における実測値と計算値とを合わせこんで乖離を抑える方法を考えられるが、工具温度は加工点から温度が低下する温度勾配を持っており、温度の実測位置によって合わせ込み精度が決定される。特に、切削工具のような熱伝導率が低い材料では加工点近傍の温度勾配が大きいため、加工点近傍でいかにして実測し、計算誤差を抑えるかが重要となる。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、その目的は、切削工具の加工点温度に基づいて工具摩耗量の予測精度を高めることができる工具摩耗量予測方法及び工具摩耗量予測システムを提供することにある。

請求項１の発明によれば、被加工材（７）を切削する切削工具（２）の加工点温度に基づいて熱的拡散による工具摩耗量を予測する方法であって、前記切削工具の刃先（４ａ）近傍の第１測定点（Ａ）に設けられた測温部（８）により当該第１測定点の温度を測定する第１手順と、放射熱量測定装置により前記第１測定点と当該第１測定点よりも前記切削工具の刃先（４ａ）側となる第２測定点（Ｂ）との間の温度勾配を求める第２手順と、測定した前記第１測定点の温度と前記温度勾配に基づいて前記第２測定点の温度を求める第３手順と、前記第２測定点の温度をパラメータとした熱伝導解析により前記加工点温度を推測する第４手順と、推測した前記加工点温度に基づいて熱的拡散による工具摩耗量を演算式により予測する第５手順と、を実行する。

一実施形態に係る切削工具による被加工材への切削加工を示す斜視図 切削工具の刃部の刃先における摩耗領域を示す斜視図 ＣＡＥによる熱伝導解析を示す３次元画像 サーモグラフィによる測定温度分布図 各装置による加工点からの距離と温度との関係を示す図 加工距離と逃げ面摩耗量との関係を示す図

以下、一実施形態について図面を参照して説明する。
図１に示すように切削工具装置１は、切削工具２とパソコンなどの処理装置３とから構成されている。処理装置３が演算部３ａと解析部３ｂと予測部３ｃとに相当する。
切削工具２は、刃部４と当該刃部４が固定される支持部５とを含んで構成されている。刃部４は、例えば高強度金属を母材としたサーメットから形成されている。

図２に示すように刃部４は三角形状をなしており、三角形状の頂点となる先端にエッジ形状の刃先４ａを有している。刃部４の先端縁にいわゆる逃げ面４ｂが形成され、上面にすくい面４ｃが形成されている。

図１に戻って、刃部４には図示しない貫通孔が形成されており、その貫通孔に挿入されたボルト６により刃部４が支持部５にねじ止めされている。この支持部５は例えば鉄系材料から形成されており、図示しない制御装置による駆動に応じて切削工具２を所定位置に移動する。

刃部４は、制御装置により切削工具２の移動に応じて丸棒状の被加工材７に接触するように制御される。被加工材７は例えば金属からなる棒状部材であり、切削時に図１に矢印で示すように軸を中心として回転する。刃部４の刃先４ａが回転する被加工材７の外周面に接触すると、被加工材７の外周が切削されることで切削加工される。

ここで、刃部４の側面において刃先４ａの近傍には薄膜温度センサ８が装着されている。この薄膜温度センサ８が測温部に相当する。薄膜温度センサ８は、刃部４の側面において刃先４ａに極力接近した部位、例えば刃先４ａから０．２５ｍｍの部位に絶縁層を介して装着されている。絶縁層は、例えば厚さ１０μｍ程度のＳｉＯ２などがスパッタや蒸着などを成膜して形成されている。絶縁層の形成範囲は、刃部４において切削加工により摩耗しない領域に設定されている。薄膜温度センサ８は、刃部４と絶縁層によって電気的に絶縁されている。

薄膜温度センサ８はＰｔ膜を積層して構成されており、温度変化に伴ってＰｔ膜の抵抗値が変化する。薄膜温度センサ８は、センササイズが極めて小さいことから、刃先４ａに極力接近した部位に配置することができる。尚、図１では薄膜温度センサ８のサイズ及び位置を強調して示している。

絶縁層上には電極９，１０が形成されている。電極９，１０は、薄膜温度センサ８と同種のＰｔ膜からなるもので、スパッタやフォトリソグラフ法などのパターニング成膜技術を用いて形成されている。

各電極９，１０は、薄膜温度センサ８の各端部にそれぞれ接続されており、温度変化に伴う薄膜温度センサ８の抵抗値変化を電気的に出力する。電極９，１０は、刃部４および支持部５に設けられた配線１１を介して処理装置３に電気的に接続されている。

絶縁層上には図示しない保護膜が被覆されており、その保護膜により薄膜温度センサ８及び電極９，１０が周囲の雰囲気から保護されている。保護膜は電気絶縁性材料の例えば厚さ２μｍ程度のＳｉＯ２などよりなり、スパッタや蒸着などにより成膜される。この保護膜により、薄膜温度センサ８は、切削時における水などクーラントから保護されることから、薄膜温度センサ８の電気的な短絡等が防止される。
薄膜温度センサ８は、温度を示す電気信号を処理装置３に出力する。これにより、処理装置３は、刃先４ａ近傍の温度変化を検出することが可能となる

さて、切削工具２による切削時間が長くなると、刃部４の肉厚が工具摩耗により減少する。この工具摩耗は、図２に斜線領域で示すように被加工材７と接触する逃げ面４ｂで発生する。工具摩耗には、被加工材７に含まれる硬質粒子によって機械的に工具刃先が削り取られるアブレッシブ摩耗と、高温・高圧環境下で工具成分が被加工材７中に拡散することによって摩耗が進展する熱的拡散摩耗とがある。

上述した特許文献１では、アブレッシブ摩耗と拡散摩耗とを予測する解析モデルとして下記のモデル式を提案している。
ｄｗ＝ｅＦ・Ｌ｛Ｃ１・Ｈｔｏｏｌ＋Ｃ２・ｅｘｐ（－Ｃ３／ｔｅｍｐ）｝
ｄｗは工具摩耗量、ｅＦはエッジフォース、Ｌは切削距離、Ｈｔｏｏｌは工具材の圧痕幅、Ｃ１～Ｃ３は係数、ｔｅｍｐは工具表面の加工点温度である。
ここで、拡散摩耗による工具摩耗を予測するには、加工点温度を精度良く求め、上記式の熱的拡散摩耗を影響する項、つまりＣ２・ｅｘｐ（－Ｃ３／ｔｅｍｐ）のｔｅｍｐに代入する必要がある。

ところで、加工点温度を求めるには、図３に示すようにＣＡＥによる有限要素法を用いた熱伝導解析により予測することが行われている。以下、ＣＡＥによる有限要素法を用いた熱伝導解析をＣＡＥ解析と称する。
ＣＡＥ解析では、図５に一点鎖線で示すように実際の加工点温度から大きく乖離している。ＣＡＥ解析で加工点温度を精度良く予測するには、加工点に極めて近傍の温度を精度良く求め、その温度をパラメータとして予測する必要がある。

また、図１に示すように放射熱量測定装置であるサーモグラフィ１２により測定対象の温度分布を測定することは可能である。しかしながら、加工点温度を測定しようとすると、図４に示すように加工点が被加工材７内に進入しているとともに切削屑などの影響を受けるので、加工点温度を測定することは困難である。サーモグラフィ１２では、図５に破線で示すようにＣＡＥ解析よりも測定温度の精度が高いものの、実際の加工点温度からは乖離している。一方、サーモグラフィ１２の特徴として、２点間の測定温度の温度勾配の精度は高いといえる。

このような事情から、本実施形態では、次のような手順を実行することにより加工点温度を高精度で求めるようにした。
（１）薄膜温度センサ８により図４に示すように加工点近傍に設定された第１測定点Ａの温度を実測する手順。
（２）サーモグラフィ１２により加工点近傍の第１測定点と当該第１測定点よりも刃先４ａ側となる第２測定点との間の温度勾配を実測する手順。
（３）上記（１）（２）を用いて加工点温度をＣＡＥ解析により高精度に計算する手順。
これらを使用することで、加工点温度を高精度かつ簡易に計算でき、演算式の精度を向上させることが可能となる。
尚、サーモグラフィ１２は、切削工具２の材質や表面状態に合わせて放射率が調整されているものとする。

上記手順を具体的に説明すると、切削工具２の刃先４ａから０．２５ｍｍに設定された第１測定点Ａに装着された薄膜温度センサ８により第１測定点Ａの温度を実測する。これが第１手順に相当する。
次に、サーモグラフィ１２により第１測定点Ａと当該第１測定点Ａから刃先４ａ側となる第２測定点Ｂ、例えば刃先４ａから０．１ｍｍとの間の温度勾配を実測し、それらの温度勾配を処理装置３により求める。これが第２手順に相当する。

次に、第１測定点Ａの測定温度と、第１測定点Ａと第２測定点Ｂとの間の温度勾配とにより第２測定点Ｂの温度を推測する。これが第３手順に相当する。
次に、推測した第２測定点Ｂの温度からＣＡＥ解析により加工点温度を処理装置３により推測する。これが第４手順に相当する。
以上のようにして、図５に実線で示す組合せ曲線のように加工点温度を精度良く推測することが可能となる。

そして、推測した加工点温度を上述した演算式の熱的拡散摩耗が影響する項にパラメータとして代入することで工具摩耗を処理装置３により予測する。これが第５手順に相当する。
熱的拡散摩耗を影響する項に推測した加工点温度をパラメータとして代入することでＣＡＥ解析により工具摩耗を予測する方法は、上記特許文献１に記載されているので省略する。

要するに、第１測定点Ａの温度は薄膜温度センサ８により高精度で検出することができることから、薄膜温度センサ８による測定温度は実温度といえる。
一方、サーモグラフィ１２による測定温度には実温度との誤差が含まれているが、第１測定点Ａと第２測定点Ｂとの間の温度勾配は誤差が相殺されることから精度は極めて高いといえる。

したがって、薄膜温度センサ８による第１測定点Ａの測定温度と、サーモグラフィ１２による第１測定点Ａと第２測定点Ｂとの間の温度勾配とに基づいて、第２測定点Ｂの温度を精度良く推測することができる。また、第１測定点Ａと第２測定点Ｂとは刃先４ａ近傍に設定されていることから、それらの間の温度勾配は高勾配領域である。これにより、第１測定点Ａと第２測定点Ｂとが刃先４ａから離れた低勾配領域に設定されている場合に比較して、温度勾配の精度は一層高いといえる。

以上のようにして推測した第２測定点Ｂの推測温度をパラメータとしてＣＡＥ解析により加工点温度を精度良く推測することができる。
そして、以上のようにして推測した加工点温度を上述したモデル式の熱的拡散摩耗が影響する項にパラメータとして代入することで工具摩耗を精度良く予測することが可能となる。

上述のようにして予測した加工距離に対応した逃げ面摩耗量の予測線と逃げ面摩耗量の実測値とは図６に実線で示すようにほぼ一致することを確認しており、図６に一点鎖線で示すＣＡＥ解析による予測線に比較して本実施形態の予測精度が極めて高いことが分る。

このような実施形態によれば、次のような効果を奏することができる。
加工点近傍の第１測定点Ａにおける薄膜温度センサ８による実測値と、サーモグラフィ１２により測定した第１測定点Ａと刃先４ａ側となる第２測定点Ｂとの間の温度勾配の実測値とに基づいて第２測定点Ｂの温度を推測し、第２測定点Ｂの推測温度をパラメータとしてＣＡＥ解析により高精度かつ簡易的に切削工具２と被加工材７との接触領域の温度を推定できるので、加工品質向上に向けた加工条件選定能力向上と工具インターバル選定の簡易化を行うことができる。
尚、実際のＣＡＥ解析モデルでは図３に示すように切屑屑の形状まで解析できるため、逃げ面４ｂだけでなくすくい面４ｃに対する摩擦予測も同様に推定することが可能である。

（その他の実施形態）
測温部としては、薄膜温度センサ８に代えて熱電対を用いるようにしてもよい。ただし、熱電対を刃先４ａ近傍に形成することは薄膜温度センサを形成するよりも困難である。
クーラントの使用環境下では、クーラントによる熱伝達率の影響を踏まえて計算することで推定することは可能である。これは、薄膜温度センサ８はクーラント使用環境下でも温度実測が可能だからである。

サーモグラフィ１２に代えて、２色サーモを組み合わせて推定するようにしてもよい。ただし、時間応答性、空間分解能はサーモグラフィにより低下する。
旋盤加工のみではなく、ドリル加工やエンドミル加工など回転工具に適用するようにしてもよい。この場合、薄膜温度センサ８による測定温度はテレメータ装置などの無線装置により処理装置３に送信する。
本実施形態で開示した技術を用いることで工具摩耗予測のみならず、構成刃先など刃先溶着物の発生メカニズム解明にも応用可能である。
放射温度計により刃先４ａ近傍の温度勾配を測定するようにしてもよい。

本開示は、実施形態に準拠して記述されたが、本開示は当該実施形態や構造に限定されるものではないと理解される。本開示は、様々な変形例や均等範囲内の変形をも包含する。加えて、様々な組み合わせや形態、さらには、それらに一要素のみ、それ以上、あるいはそれ以下、を含む他の組み合わせや形態をも、本開示の範疇や思想範囲に入るものである。

図面中、２は切削工具、３ａは演算部、３ｂは解析部、３ｃは予測部、４ａは刃先、７は被加工材、８は薄膜温度センサ（測温部）、１２はサーモグラフィ（放射熱量測定装置）である。

Claims (6)

1. 被加工材（７）を切削する切削工具（２）の加工点温度に基づいて熱的拡散による工具摩耗量を予測する方法であって、
   前記切削工具の刃先（４ａ）近傍の第１測定点（Ａ）に設けられた測温部（８）により当該第１測定点の温度を測定する第１手順と、
   放射熱量測定装置により前記第１測定点と当該第１測定点よりも前記切削工具の刃先（４ａ）側となる第２測定点（Ｂ）との間の温度勾配を求める第２手順と、
   測定した前記第１測定点の温度と前記温度勾配に基づいて前記第２測定点の温度を求める第３手順と、
   前記第２測定点の温度をパラメータとした熱伝導解析により前記加工点温度を推測する第４手順と、
   推測した前記加工点温度に基づいて熱的拡散による工具摩耗量を演算式により予測する第５手順と、
   を実行する工具摩耗量予測方法。
2. 前記熱的拡散による工具摩耗量を予測する演算式は、下記の演算式である請求項１に記載の工具摩耗量予測方法。
   Ｃ２・ｅｘｐ（－Ｃ３／ｔｅｍｐ）
   但し、Ｃ２，Ｃ３は係数、ｔｅｍｐは工具表面の加工点温度である。
3. 前記測温部は、薄膜温度センサ（８）である請求項１または２に記載の工具摩耗量予測方法。
4. 前記放射熱量測定装置は、サーモグラフィ（１２）である請求項１から３のいずれか一項に記載の工具摩耗量予測方法。
5. 前記熱伝導解析は、ＣＡＥによる有限要素法を用いた熱伝導解析である請求項１から４のいずれか一項に記載の工具摩耗量予測方法。
6. 被加工材（７）を切削する切削工具（２）と、
   前記切削工具の刃先（４ａ）近傍の第１測定点（Ａ）に設けられた測温部（８）と、
   前記第１測定点と当該第１測定点よりも前記切削工具の刃先（４ａ）側となる第２測定点（Ｂ）との間の温度勾配を求める放射熱量測定装置（１２）と、
   測定した前記第１測定点の温度と前記温度勾配に基づいて前記第２測定点の温度を求める演算部（３ａ）と、
   前記第２測定点の温度をパラメータとした熱伝導解析により前記切削工具の加工点温度を推測する解析部（３ｂ）と、
   推測した前記加工点温度に基づいて熱的拡散による工具摩耗量を演算式により予測する予測部（３ｃ）と、
   を備えた工具摩耗量予測システム。

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