Challenge to develop high-precision boring tools based on self-excited vibration theory
| Project/Area Number |
21K03949
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 20010:Mechanics and mechatronics-related
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| Research Institution | Oita University |
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Principal Investigator |
劉 孝宏 大分大学, 理工学部, 教授 (60230877)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
松崎 健一郎 鹿児島大学, 理工学域工学系, 教授 (80264068)
中江 貴志 大分大学, 理工学部, 准教授 (80579730)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2024-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2022)
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| Budget Amount *help |
¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000)
Fiscal Year 2023: ¥1,040,000 (Direct Cost: ¥800,000、Indirect Cost: ¥240,000)
Fiscal Year 2022: ¥1,040,000 (Direct Cost: ¥800,000、Indirect Cost: ¥240,000)
Fiscal Year 2021: ¥2,080,000 (Direct Cost: ¥1,600,000、Indirect Cost: ¥480,000)
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| Keywords | 自励振動 / 回転体の振動 / 多角形化現象 / リーマ加工 / 不等分割刃 / ボーリング加工 / 時間遅れ系 |
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| Outline of Research at the Start |
自動車の駆動部品に多用されているボーリング加工では，加工時に加工穴が多角形化し，加工精度の低下や，加工コストの悪化をもたらしており，その対策は急務である。本研究では，リーマ加工にターゲットを絞り，不等分割刃リーマの刃配置の最適化を図ることにより，多角形化現象を完全抑制可能な新たなリーマ加工工具を開発する。理論解析により最適化の状態を数値的に評価可能な統一的評価基準を定め，評価基準により求められた最適な不等分割刃リーマについて実験的に検証する。
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| Outline of Annual Research Achievements |
ドリル加工やリーマ加工などに代表されるボーリング加工では，加工中に工具が振動し，加工穴が多角形化する現象が多発している。この現象は，多角形化現象と呼ばれ，この現象が発生した場合，加工穴の真円度を著しく低下させる。本研究では，ボーリング加工の中でも特に，リーマ加工を主たるターゲットとし，多角形化現象を完全に抑制可能な，最適切れ刃角度配置を求めることが第一の目的である。また，リーマには刃数や直径の異なるものがあり，統一的に評価することが難しい問題がある。そこで，本研究では，多角形化現象を抑制可能な角度配置を，統一的に評価できる理論的基準値（以後，基準値と呼ぶ）を決定することを第二の目的としている。
令和4年度は，(1)遺伝的アルゴリズムを用いた4枚刃リーマの多角形化現象を最も抑制可能な不等分割刃リーマの理論的最適化，(2)数値計算により最適化された4枚刃リーマの試作と基礎実験，(3)基準値としての準静的特性根の検討と数値計算，(4)7枚刃および8枚刃リーマの最適化の検討開始を主な計画としていた。
4枚刃リーマに関しては，令和3年度に作成した遺伝的アルゴリズムを活用し，最適な不等分割刃配置を複数選定し，試作および基礎実験を行った。基礎実験の結果，等分割刃リーマと比較し，極めて良好な真円度形状を得ることができた。基準値に関しては，準静的特性根と特性根の実部最大値の相関を調査した。これらの研究成果を日本機械学会Dynamics and Design Conference 2022で研究発表した。また，7枚刃および8枚刃リーマに関しては，数値計算をスタートし，試験的な実験も実施した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
令和4年度は，主に4枚刃リーマ工具の多角形化現象を防止するための不等分割刃配置について研究を進めた。数値計算は，リーマ回転数が100Hzおよび9角形までの範囲で特性根を計算し，そのうち実部が最大の特性根を評価基準とした。選定したリーマは，等分割刃リーマ，市販で使用されている不等分割刃リーマ（86-94-97-83 deg.），遺伝的アルゴリズムで選定した不等分割刃リーマ（165-70-75-50 deg.）および（133-30-99-98 deg.）である。理論解析から，等分割刃リーマの不安定度が最も大きいこと，不等分割刃リーマ（86-94-97-83 deg.）はほとんど不安定度の低下が見られないこと，最適化されたリーマは，不安定度をかなり下げることができることがわかった。
実験における回転数は3200rpm～9600rpm，送りは0.067，0.2，0.4mm/revであり，リーマの直径は5mmである。実験結果から，等分割刃リーマでは，主に3角形および5角形が発生し，不等分割刃リーマ（86-94-97-83 deg.）では，やや真円度は向上するものの3角形および5角形が発生した。理論的に最適化した不等分割刃リーマ（165-70-75-50 deg.）では，多角形化現象はほぼ完全に抑制できた。一方，不等分割刃リーマ（133-30-99-98 deg.）では12角形が発生した。数値計算の範囲を広げると，不等分割刃リーマ（133-30-99-98 deg.）では，12角形が大きな不安定を有することがわかった。実験と並行して理論解析を進めることで，より最適な角度配置を選定可能である。
また，基準値については，4枚刃リーマでも準静的特性根と特性根の最大値の間におおむね線形的な相関が得られた。これらの成果は，当初の研究計画と同じ進捗であるため，おおむね順調に進展しているとした。
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| Strategy for Future Research Activity |
令和4年度では，4枚刃の不等分割刃リーマの最適設計を実施した。令和5年度では，以下のような計画で実施予定である。
(1)令和4年度に7枚刃および8枚刃リーマの理論解析を開始し，試験的な実験も実施した。令和5年度では，7枚刃および8枚刃リーマについて，遺伝的アルゴリズムによるより詳細な数値計算を行い，多角形化現象を抑制可能な不等分割刃リーマの角度配置を決定する。
(2)選定したリーマの試作を行い，加工実験を実施する。実験結果および理論解析結果との比較検討を行う。
(3)これまで実施した6枚刃および4枚刃の理論解析結果から，リーマの刃数により不安定特性根の最大値や準静的特性根の最大値が変化することがわかった。そのため，刃数が変化しても統一的に角度配置の善し悪しを判断できる基準値をあらためて検討する。
(4)多角形化現象は，自励振動の一種であるため，同一条件で実験した場合でも多角形化現象の発生状況が異なることがある。従って，単に1つの加工穴の真円度のみで工具の評価をすることは難しいことがわかってきた。そこで，今後は加工したすべての加工穴の真円度を統計的に評価する手法を検討する。
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Report
(2 results)
Research Products
(4 results)
