| 研究課題/領域番号 |
18K03892
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| 研究機関 | 沼津工業高等専門学校 |
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研究代表者 |
藤尾 三紀夫 沼津工業高等専門学校, 制御情報工学科, 教授 (70238541)
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| 研究期間 (年度) |
2018-04-01 – 2023-03-31
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| キーワード | 磨き加工用ＣＡＭ / セラミックファイバーブラシ / 表面粗さ / ５軸制御 / 凹凸球面 |
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| 研究実績の概要 |
CAD/CAMシステムが高度化される中，切削加工後の金型表面の磨き加工は熟練技術と多くの手作業の時間を要し，自動化が求められている．一方，近年オンマシンでバリ取りや一部の磨き加工を実現する工具が市販され，これらを活用して自由曲面に対応した工具経路を生成することで磨き加工を自動化できる可能性が出てきた．そこで本研究ではこれらの工具を用いて5軸制御することで磨き加工をオンマシンで自動化する「オンマシン自動磨き加工用５軸CAMシステム」を開発し，自由曲面磨き加工の自動化の実現を目的としている．
第１ステップでは，ブラシにより磨き加工が可能かどうかの検証を行うため，半径120mmで，表面粗さRa5μmの凸型円弧面および凸型球面において，磨き加工を実施した．目標面の表面粗さは汎用的な金型の表面粗さであるRa0.2μmを目標とし，これらの形状で磨き加工が可能であることが確認できた．なお，加工対象としてはアルミ合金を用いた．
第２ステップでは，対象形状に半径120mmの凹型円弧と凹型球面および凹凸面を有する曲面を追加し，送り速度や主軸回転数，ブラシ径，切り込み量を変えて磨き加工実験を行った．また３ＤＣＡＤであるRhinocerosのAPIを用いて等高線工具経路と走査線工具経路を生成するＣＡＭの基本システムを構築した．そして，生成された等高線および走査線工具経路で磨き加工実験を行った．その結果，凹凸面における切り込み量の意味が異なり，凹凸状態により切り込み量や回転数を変える必要がある事がわかった．また，工具経路については差異がなく，面に対して同一姿勢が連続する方が磨けないことがわかった．
今後は凹凸面が組み合わさった円弧面や球面，また凹凸で曲率の異なる異形形状を対象に，機上ポリッシングツールや多結晶ダイヤモンド焼結体(PCD)を利用した磨き加工を適用し，システムの構築を進める必要がある．
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
4: 遅れている
理由
平成３０年度は，直径15mmのブラシを用いて，半径120mmの凸型の円弧面および球面を対象に磨き加工実験を行った．３軸制御と５軸制御での磨き加工を同一工具，同一経路で行い，３軸では幾何形状が劣化する一方，５軸では劣化無しに，目標のRa0.2μmで磨き加工できることを確認した．また主軸回転数は遠心力により接触面接が減らない2400rmp，送り速度は1200mm/minが適切である事が明らかになった．また工具経路は，法線ベクトルが常に変化する経路が有効である事が明らかになった．
令和元年度は，凸型および凹型の円弧面および球面を対象に，磨き量を0.2，0.0，-0.2mm（Ｚ軸上方向）に変えて磨き加工を行った．その結果，凹凸面では切り込み量の意味が異なり，同一条件では磨くことができないことが明らかになった．またブラシ径を6，15，25mmに変えて凸面を磨いた結果，ブラシの形状の差異による剛性の違いにより，6，25mmではブラシが変形して磨くことができないことが明らかになった．
令和２年度は，凹凸型が複合した円弧面および球面の磨き加工実験に取り組んだ．まず，半径120mmの凹凸型円弧面が連続する形状に磨き加工を行ったが，凹凸面で切り替え条件と，凹，凸面での条件を連続的に切り替える必要がある事がわかった．また，新たに機上ポリッシングツールおよびPCB工具を利用した磨き加工実験を行うためにツールを導入した．しかし，コロナウイルスの影響で学生が登校禁止となり，凹凸面での磨き加工実験ができなかった．
令和３年度は，加工実験に用いた５軸加工機の切削油供給装置およびコンプレッサーに故障が発生し，コロナウイルスの影響もあり日程調整ができず，加工実験ができなかつた．そのため，３次元CADであるRhinocerosのAPIを用いたCAMシステムの高度化を行い，複雑な形状にも対応できるように改良した．
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| 今後の研究の推進方策 |
オンマシンでの磨き加工用ツールとしてセラミックファイバーブラシを適用した結果，凹凸面が複合した形状での切り込み量の差が大きく，凹凸面において切り込み量を適切に切り替える必要がある事が明らかになった．今後は，複合した凹凸面を対象に，ブラシを用いて切り込み量をどう制御すべきか検討を進めていく必要がある．また新たな磨き加工用ツールとして導入した，機上ポリッシングツール砥石（ラバーボンド砥石）について，まずは，対象となる形状や大きさ，および適切な工具経路の生成から，磨き加工方法を含め，磨き加工が可能化の検証を行う必要がある．そして，磨き加工実験を行うことにより条件の特性を調べ，磨きに適用できるか，またその有効性を検証する必要がある．これらを円滑に行うため，現在５軸加工機の切削油供給装置およびコンプレッサーの修理を行っている．
併せて，オンマシンで利用できる鏡面磨き加工用ツールとして多結晶ダイヤモンド焼結体（ＰＣＤ）工具を用いた鏡面磨き加工についても導入し，対象となる形状や大きさ，および適切な工具経路の生成方法を含め，磨き加工の特性について検証する必要がある．さらに，これらの加工実験で得られた情報を反映したＣＡＭソフトの開発のため，３次元ＣＡＤのRhinocerosを活用した複雑な形状にも対応できる汎用的なコードを開発する．
最終段階として，曲率の異なる凹凸面を含む比較的簡単な形状を対象に，部位と工具による磨き加工条件を磨き加工実験により求める．そして，凹凸面を含む比較的簡単な形状を対象に，加工部位に応じて，適合する磨き加工用工具を使い分けて磨き加工実験を行うテスト加工を行う．そして磨かれた曲面の形状精度と仕上げ面あらさに基づいて，工具経路や磨き加工条件の評価を行い，最終的に提案するCAMシステムの総合的な検証と評価を行う．
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| 次年度使用額が生じた理由 |
令和２年度に，１年遅れで磨き加工用ツールである機上ポリッシングツール砥石（ラバーボンド砥石）を導入した．しかし，従来使用していたセラミックファイバーブラシとの加工条件，特に切削油の条件が異なるため，その調整にメーカとの打ち合わせと調整の時間を要し，コロナウイルスの影響を受けて，令和３年度にずれ込んだ．またリモート講義により，学生が加工実験に参加できず，加工実験に至らなかった．令和３年度後半には，加工実験の準備を進めたが，加工実験に用いた５軸工作機械の切削油供給装置が夏に故障し，その原因により更にコンプレッサーが故障した．この中でも数回加工実験を行ったが，途中で機械停止等が生じ，またコロナウイルスの影響で，学生が参加できず，加工実験ができなかった．
このため，令和４年度に入り，５軸工作機械の修理を行い，機上ポリッシングツール砥石の導入とメーカとの磨き加工条件の調整，併せてその次のステップとなる，鏡面磨き加工用ツールである多結晶ダイヤモンド焼結体（ＰＣＤ）工具の導入し早期に加工実験を再開する必要がある．並行して，早急に加工実験を開始し，ツールの導入及び専用ＰＣ導入によるＣＡＭシステムの開発も進める必要がある．
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