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 – 2024-03-31
Project Status	Granted (Fiscal Year 2022)
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	超硬合金の加工時に得られた各種データより，加工品質の良し悪しを評価することができれば，生産の手戻りなどを解消でき，コスト削減に寄与することができるのではないかと考え，加工品質の評価として，積算加工電力量と加工重量との比較から加工品質の評価を行った。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。先行研究の文献調査において，加工後の品質特性を用いた評価と，加工電力量を用いた評価で再現性のある実験が行われていることが分かった。そこで，両者を比較する研究を行うこととした。先に述べた通り，主に鍛造用金型の材料である超硬合金を対象として，これらの材料の加工を行った。加工条件は多岐にわたるため，効率的な実験を行うために，JIS Z 9061(2016)で規定されているパラメーター設計の手法を用いて，L18直交表に割り付けて実験を行った。できるだけ多くのデータを取得するために，直交表に割り付けた加工条件による加工結果について，加工中の電力，加工時の振動波形のデータの取得に加え，加工後の評価として，加工量の測定と真円度測定を行った。ここで，パラメーター設計の実験結果から，本研究で対象とした加工の最適な条件を把握することができれば，再現性のある評価方法を選択し，同時測定している振動データと実験結果との比較により，加工中に，加工状態の良し悪しをモニタリングできることになる。そこで，真円度測定による評価と，加工中の電力量と加工量を入出力とした評価との比較を行うことにした。・研究背景に基づいて実験を計画し，パラメーター設計の手法を用いた実験を行った。・真円度評価と電力評価を行った。SN比で再現性が得られなかったが，電力評価の感度において傾向の一致と，絶対値のおおよそ整合した。
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つの条件に水準の設定値に対して計算結果が整合しなかった。電力評価では，５つの条件に水準の設定値に対して計算結果が整合しなかった。このことからも，SN比が再現しなかったことが推察された。実験方法について，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の利得が得られた。ここで，先行調査を行った文献のうち，感度の再現性の考え方について言及があるものがあり，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た。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た。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いる。
Strategy for Future Research Activity	超硬合金の加工について，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。まず，研究背景に基づいて実験を計画し，パラメーター設計の手法を用いた実験を行った。実験結果より，真円度評価と電力評価を行った。SN比で再現性が得られなかったが，電力評価の感度において傾向の一致と，絶対値のおおよそ整合した。再現性は得られなかったが，感度評価を優先で条件を定めていくことで，適切な加工条件が評価が可能であることをが分かった。この結果を用いて，同時測定している振動データとの比較を行い，加工時の状態をモニタリングしながらの加工について検討を行うこととした。最終的には，これらの結果を踏まえ，加工時の振動波形データから，加工時に加工の良し悪しを把握し，生産コスト低減のための仕組みを構築する。