Monitoring of machining accuracy during machining by comparing results of cemented carbide cutting and machining conditions

Research Project

Project/Area Number	21K04539
Research Category	Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
Allocation Type	Multi-year Fund
Section	一般
Review Section	Basic Section 25010:Social systems engineering-related
Research Institution	National Institute of Technology, Toyama College
Principal Investigator	山本桂一郎富山高等専門学校, その他部局等, 教授 (40321418)
Project Period (FY)	2021-04-01 – 2025-03-31
Project Status	Granted (Fiscal Year 2023)
Budget Amount *help	¥3,900,000 (Direct Cost: ¥3,000,000、Indirect Cost: ¥900,000) Fiscal Year 2023: ¥780,000 (Direct Cost: ¥600,000、Indirect Cost: ¥180,000) Fiscal Year 2022: ¥520,000 (Direct Cost: ¥400,000、Indirect Cost: ¥120,000) Fiscal Year 2021: ¥2,600,000 (Direct Cost: ¥2,000,000、Indirect Cost: ¥600,000)
Keywords	超硬合金加工 / ロバストパラメーター設計 / 波形解析 / 直彫り加工 / 加工状態評価 / 品質工学 / 加工精度 / 加工条件
Outline of Research at the Start	焼結金属材料である超硬合金素材の用途は多岐にわたり，特に冷間鍛造や順送り金型などの塑性加工用工具として多く使われている。工業製品の高付加価値化と製造コストの削減のため，超硬合金金型の高精度化，高寿命化が強く求められている。形状と寸法の高精度化と生産効率向上という，相反する技術課題を解決する必要がある。本研究では，超硬合金直彫り加工における加工様態を，加工結果から得られた形状データと主軸振動，加工負荷などを含む，加工時に捉えられる計測データとの比較から，加工中に加工結果を予測し，加工中に不良を発見することで，精度と生産効率の最大化を図ることを目的とする。
Outline of Annual Research Achievements	超硬合金は金属炭化物の粉末を焼結した金属であり，高い硬度を有している。また，高温になってもその硬度が低下しにくいという性質から，切削工具や金型部品で多く用いられている。このような超硬合金の加工法には，切削加工，研削加工，放電加工が主に用いられており，生産量や精度，用途によって使い分けられている。しかしながら，難加工材であるにも関わらず鍛造用金型用超硬合金に要求される加工精度は，形状精度で数μmのオーダーであり，かつ顧客からの納期や価格低減の要求が年々と厳しくなっている。そこで，高精度な仕上げ加工を実現し，かつ短納期と低コストの顧客要求を阻害する，加工後に不良が見つかるといった問題を解決するため，研削加工のモニタリングシステムのシステム開発を試みた。具体的には，超硬合金の加工時に得た電力量などの各種データより加工品質の良し悪しを評価し，良好な加工状態を把握することである。高精度な加工を実現しつつ，生産の手戻りなどを解消すれば，納期とコストの低減に寄与すると考え，検討を行っている。加工品質の評価として，真円度の評価，積算加工電力量と加工重量との評価を行い，最終的には，その結果と加工時の振動波形データの評価結果との比較を行うことで，加工時に加工状態を把握することを目的としている。実験結果より，真円度評価の確認実験の結果と，電力評価の確認実験結果から，SN比の利得の再現性があるとはいえなかった。一方で，電力評価の感度については，約2dbの利得が得られた。そこで，感度を重視して条件を選定することによって，品質特性のばらつきも減少して加工ができるのではないかと考えられた。ここで得られた結果を踏まえ，同時に取得した，エネルギーデータである振動波形についても解析を進めて技術情報を収集することにする。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned. Reason 現在まで行ってきた実験結果より，真円度評価の確認実験の結果と，電力評価の確認実験結果に示すSN比の利得を比較すると，再現性があるとはいえない。真円度評価では，４つの因子，電力評価では，５つの因子に交互作用，あるいは加法性がない結果となった。このことからも，SN比が再現しなかったことが推察される。実験方法についても，誤差因子の効果が出やすいような工夫をはじめとして，研削加工の評価については，さらに検討が必要であることが分かった。一方で，電力評価の感度については，約2dbの利得が得られ，実験結果に再現性があることが確認できた。今回の実験においても，感度を重視して条件を選定することによって，品質特性のばらつきも減少して加工ができるのではないかと考えられる。実験では，エネルギーの次元の関係から平方根を取って計算を行っている。仕事量の次元で評価した場合には，傾き（感度）に改善効果が見られたため，加工効率が向上し，効率の向上に伴って，ばらつきも低減するのではないかと考えられる。したがって，本実験においては，感度の評価が重要であることが分かった。ここで得られた結果を踏まえ，同時に取得した，エネルギーデータである振動波形についても解析を進めて技術情報を収集することにする。
Strategy for Future Research Activity	超硬合金の研削加工について，加工時に取得できる振動波形データから加工状態を把握できるようにするための基礎データとなる加工条件の評価を行った。その結果を以下に示す。・真円度評価と電力評価のSN比の結果からは，再現性を得ることができなかったが，電力評価の感度において，傾向の一致とおおよその整合が得られた。・加工と同時に測定したツール主軸の振動データ（周波数解析を行った結果）と電力データとの比較を行った結果，加工時の状態をモニタリングしながら加工状態を把握できる可能性を示した。これらの結果より，良好な加工条件となる加工状態の把握は達成することができたが，振動波形による加工状態の把握にはさらに検討が必要であることが分かった。さらに検討を重ね，納期とコストの低減に寄与する。加工のモニタリングのシステムの仕組みを構築する。