2021 年度実施状況報告書

超硬合金切削加工結果と加工状態の比較による加工中の加工精度モニタリング

研究課題

研究課題/領域番号	21K04539
研究機関	富山高等専門学校
研究代表者	山本桂一郎富山高等専門学校, その他部局等, 教授 (40321418)
研究期間 (年度)	2021-04-01 – 2024-03-31
キーワード	直彫り加工 / ロバストパラメーター設計 / 波形解析
研究実績の概要	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。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狙いとして研究を進めた。一般に加工の結果を評価する方法は，加工後のワークの品質特性で評価する。しかし，加工後でしか評価ができないということは，工程の手戻りの原因となり直行率の低下を招く。従って，モニタリングが難しい精密加工における加工状態の把握について，加工中の工作機械の状態を多方面の動的計測データを取得し，その結果と，加工後のワークの品質特性を比較することによって加工結果を予測することが必要である。エンドミルや砥石などの多刃工具の加工現象の状態を把握するためには，回転する刃物が繰り返しワークに当たる切り始めとワークから離れる切り終わりを確実に捉える必要があるが，その工具一刃あたりの現象を捉えることは，工作機械の進歩によるスピンドルの高速化によってますます難しくなっている。切削シミュレーション技術も進歩し，CAEで金属の加工現象を解析する研究も進んでいるが，精密なシミュレーションによる検証技術の開発には至っていない。そこで，本年度は，加工機の主軸消費電力と同時に，動力計と振動計による加工負荷状態を同時に計測し，加工後の品質評価で得られた結果と比較検討することにより，加工状態の正確な把握につなげることを目的とし，計測システムの構築を行った。
現在までの達成度 (区分)	現在までの達成度 (区分) 2: おおむね順調に進展している理由本研究は，回転する多刃工具の加工挙動を捉え，加工結果との比較により加工状態を明らかにすることで，高精度高効率加工につなげ，加工工程の低コスト化を図ることである。加工挙動を計測するために，加工電力の計測とNCトルク制御信号，加工負荷，振動波形の同時計測可能な評価システムを構築している。現在，主軸スピンドルの電力，加工負荷を計測するための切削動力計の動力，振動計測システムによる3軸振動波形の同時取得のための設備が整っている。実際に計測しデータの取得が可能であることを確認している。加工後の状態の評価方法については，すでに計測が可能であるため，計測が可能であることを確認している。エンドミルによるフライス加工で検証を行った結果，加工後の状態によって加工時の動力波形，振動波形に特徴があることが分かった。このデータをもとに，波形解析を行い，特徴量を抽出し，加工時の製品精度の予測について検討を進める。
今後の研究の推進方策	これまでの研究で構築した計測システムを用いで，超硬合金の直彫り加工を行い，データを取得する。この加工のデータ取得が確実になること，加えて，生産効率向上と高精度化が見込めた段階で，加工条件の最適化に関する実験や加工結果の予測に関する分析を行うため，どのような加工状態でどのような加工結果になるかを統計的に解析する。さらに，工具寿命の延長を目指す実験や，市場動向より得られた情報から，その他の生産量の多い材種についても，生産能率向上と高精度化の両立を狙った加工を行い汎用性の確認を行う計画である。
次年度使用額が生じた理由	今年度の研究において，計画を順調に進捗させるために，計測システムの構築を優先した。したがって，材料費等の支出が計画通りとはならなかった。また，コロナウイルス感染症の影響により，予定した出張を実施することができなかった。　次年度においては，その未使用額を材料費と出張費に充てる計画である。