(57)【要約】      （修正有）【課題】材料の被削性評価に係り、例えば三次元積層造形技術の適用により作製される材料等の好適な切削加工条件を工具摩耗に依存せずに短時間で導出することのできる加工装置及びそれを用いた被削性評価方法を提供する。【解決手段】加工装置は、ＮＣ旋盤と、加工機内に配置され、加工点の切削温度を測定する放射温度計、切削抵抗を測定する切削動力計、切削工具振動を計測する加速度計および切り屑の流出状態を測定する高速度カメラ１０の内、２つ以上を同時に計測可能な被削性評価機構とを有する。【選択図】図１
2020163564.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
切削加工機と、
該切削加工機内に配置され、加工点の切削温度、切削抵抗、切削工具振動および切り屑の流出状態の内、２つ以上を同時に計測可能な被削性評価機構とを有することを特徴とする加工装置。
【請求項２】
前記被削性評価機構は、前記加工機内に被削材を加熱可能な加熱機構と、前記被削材と切削工具近傍の加工点を冷却可能な冷却媒体吐出機構との少なくとも一方を有する請求項１に記載の加工装置。
【請求項３】
前記被削性評価機構は、前記切削温度を計測する、工具被削材間熱電対および／または高速度赤外線カメラと、前記切削抵抗を計測する、切削工具に貼付したひずみゲージおよび／または水晶圧電素子を内蔵した切削動力計と、切削工具の振動を測定可能な加速度計と、切り屑の流出状態を撮像する高速度カメラおよび／または高速度赤外線カメラと、からなる群の内２つ以上を備える請求項１または２に記載の加工装置。
【請求項４】
請求項１乃至３の何れかに記載の計測装置を用いて被削材を切削加工し、、加工点の切削温度、切削抵抗、切削工具振動および切り屑の流出状態の内、２つ以上を同時に計測することで前記被削材の加工条件を導出することを特徴とする被削性評価方法。
【請求項５】
前記切削加工は二次元切削によって行う請求項４に記載の被削性評価方法。
【請求項６】
前記被削材が三次元積層造形品である請求項４または５に記載の被削性評価方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、材料の被削性評価に係り、例えば三次元積層造形技術の適用により作製される材料等の好適な切削条件を広範囲の切削条件から短時間で導出することのできる計測装置及びそれを用いた被削性評価方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
積層造形技術を使えば組成比を容易に変えることができるため新規な合金材料を作製することが比較的容易である。新規材料であるからその好適な加工条件についてのデータは存在しない。三次元積層造形技術の適用により、今後、特徴的な材料が作製されるとともに、材料開発にかかる時間が短縮されることが予想される。作製された新規材料は、除去加工されて所望の形状に完成することが多く、好適な切削条件が必要である。また、上記の材料開発時間に応じて従来法より短縮された時間で完了することのできる被削性評価方法が必要である。
【０００３】
被削性を評価し好適な加工条件を導出する目的で、従来から様々な検討がなされている。特許文献１には、機械加工に係り、加工条件を好適化する加工装置及び加工方法について記載されている。この方法は、加工前の被削材状態及び要求値から、切削条件の好適化を行い、この条件で加工を行う。加工中のその場測定と加工後の被削材の状態から、切削条件をさらに好適化し、高精度加工を実現する装置を提供している。特許文献２には、旋盤の切削工具のチップ先端付近へ熱電対を配設できる半貫通孔を設け、加工中の温度をリアルタイムで測定できる装置を提供している。特許文献３には、加工中に振動する回転工具の変位量を検出する高速度カメラと、回転工具の抵抗を検出する切削抵抗算出部を備え、切削加工を行う工作機械の動特性算出装置を提供している。この方法は、従来の作業者が回転工具をハンマーで叩いて、回転工具の共振周波数を測定するハンマリング試験より正確な値の動的特性を測定できる。特許文献４には、加工機からの振動に同期して発光する複数の光源により、加工部分の状態を静止画として観察できる可視化装置を提供している。これは、難削材の加工時に生じる高周波微振動に対応した早い発光特性を有する複数の光源から光を振動と同期発光させることで高品質な静止画像を撮影できる方法である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−１０２８４３号公報
【特許文献２】特開２０１８−５４６１２号公報
【特許文献３】特開２０１３−１３２７０６号公報
【特許文献４】特開２００７−１９０６４７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記の通り、特許文献１から４の技術は、工具、工具周辺の温度、または工具の変位量をそれぞれ熱電対、レーザー温度計、高速度カメラを用いて測定することで任意の情報を取得し、高精度及び低コストの切削加工を実現し得る有効な発明である。しかし、特許文献１から４に記載されているようなモニタリング装置は、切削現象を個別に測定した事例である。また、熱電対やレーザー温度計を用いた測定は、極めて限られた一点を測定する方法であり、切り屑温度の測定は、対象とされていない。特許文献１から４の技術により新規材料の好適加工条件を導出するには、切削条件の選択範囲、すなわち加工点温度域の制御機構がないことから、切削開始温度は常に室温であるため、難削材に適する加工条件探索が難しい。このように、公知例の技術において、低温から高温の各温度域における被削性を定量的に評価することで好適加工条件を導出する加工装置は提供されていない。
【０００６】
工業的に新規材料の好適加工条件を導出する方法には、所定の加工条件でその材料を切削して工具の加工可能時間を求め、更に異なる加工条件で工具の加工可能時間を求めることを繰り返す摩耗試験を行う。この方法は一つの加工条件において工具に所定量の摩耗が発生するまで加工を継続する必要があるため、極めて長い試験時間を要していた。
【０００７】
本発明の目的は、材料の被削性評価に係り、例えば三次元積層造形技術の適用により作製される材料等の好適な切削加工条件を工具摩耗に依存せずに短時間で導出することのできる加工装置及びそれを用いた被削性評価方法を提供することである。以下、本願明細書では、三次元積層造形技術の適用により作製される新規材料等からなる物品を「三次元積層造形品」または単に「造形体」と記すことがある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は上述した課題に鑑みてなされたものである。すなわち、本願第１の発明の加工装置は、切削加工機と、該切削加工機内に配置され、加工点の切削温度、切削抵抗、切削工具振動および切り屑の流出状態の内、２つ以上を同時に計測可能な被削性評価機構とを有することを特徴とする。
【０００９】
第１の発明の加工装置が備える被削性評価機構は、切削加工機内に被削材を加熱可能な加熱機構と、前記被削材と切削工具近傍の加工点を冷却可能な冷却媒体吐出機構との少なくとも一方を有する構成とすることができる。
【００１０】
第１の発明の加工装置が備える被削性評価機構は、前記切削温度を計測する、工具被削材間熱電対および／または高速度赤外線カメラと、前記切削抵抗を計測する、切削工具に貼付したひずみゲージおよび／または水晶圧電素子を内蔵した切削動力計と、切削工具の振動を測定可能な加速度計と、切り屑の流出状態を撮像する高速度カメラおよび／または高速度赤外線カメラと、からなる群の内２つ以上を備える構成とすることができる。
【００１１】
第１の発明の加工装置において、前記切削抵抗は、水晶圧電素子で構成された切削動力計で計測することができる。
【００１２】
第１の発明の加工装置において、切削工具振動は次のようにして測定することができる。すなわち、刃先支持部材の平行する二平面のうち一方の面にインサートチップを取り付け、他方の面に加速度計をボルト等により取り付けた切削工具を工具ホルダーで保持し、この工具ホルダーをタレットに直接付設することにより加工時に切削工具に発生する振動を計測することができる。またはタレットに切削動力計取付治具を介して取り付けた切削動力計に切削工具を保持した工具ホルダーを付設することにより振動と切削抵抗を同時に計測することができる。
【００１３】
第１の発明の加工装置において、切り屑流出状態は、高速度カメラまたは高速度赤外線カメラで撮像することができる。
【００１４】
本願第２の発明の被削性評価方法は、本願第１の発明の加工装置を用いて被削材を切削加工し、加工点の切削温度と、切削抵抗と、切削工具振動および切り屑の流出状態の内、２つ以上を同時に計測することで前記被削材の加工条件を導出することを特徴とする。
【００１５】
第２の発明の被削性評価方法において、前記切削加工は二次元切削によって行うことができる。
【００１６】
第２の発明の被削性評価方法において、前記被削材を三次元積層造形品とすることができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、材料（例えば三次元積層造形技術の適用により作製される新規材料のように、特性の不明な新規な材料等）の好適な切削条件を工具摩耗に依存せずに短時間で導出することのできる計測装置及びそれを用いた被削性評価方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の計測装置に取付けた各計測器の位置関係を示す図である。
【図２】各計測器の配置を示す図である。
【図３】図１のＡ−Ａ矢視図であり、特に高周波誘導加熱装置による加熱部の形態を示す図である。
【図４】切削動力計の配置を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
本発明者らは加工点の状況をできる限りモニタリングすることにより、工具摩耗に依存せずに好適加工条件を導出することが可能であると考え本発明に想到した。一般に、好適加工条件とは、工具寿命が長く、加工面品位が良好な条件のことである。これは切削抵抗、振動、切り屑流出形態等の情報と相関付けられる。具体的には、２つ以上の情報を同時に計測することで、短時間での好適加工条件の導出が可能になる。例えば、加工条件設定に必要な物性値等が不知の新規材料であっても、加工条件の導出を２００分以内で行うことも可能である。以下に本発明の計測装置が備える被削性評価機構について説明する。
【００２０】
［被削性評価機構を構成する機器］
以下、本発明の計測装置が備える被削性評価機構に係る切削の状態を表す現象（切削温度、切削抵抗、工具振動、切り屑流出状態、切り屑温度）を測定するシステムについて図面を参照しながら説明する。まず、計測器の詳細な回路図を図２に示す。ただし、本発明は、ここで取り挙げた実施形態に限定されるものではなく、その発明の技術的思想を逸脱しない範囲で適宜組み合わせや改良が可能である。
【００２１】
２．１  切削加工機
図１〜図３に示すように、加工機であるＮＣ旋盤１は、被削材８を保持する被削材保持治具２と、被削材保持治具２を把捉保持するつかみ部３及び芯押台４と、切削工具５を設置するタレット６と、主軸７とを備えている。難削材加工時にも精度の高いデータを得るために、機械剛性が高いことが望ましく、角ガイドスライドレール上に主軸台及び刃物台の主要ユニットを配置する機構を有することが好ましい。切削加工機は旋盤の他、マシニングセンタ等を使用することができる。
【００２２】
２．２  切削温度測定機構
被削性評価機構のうち加工点の切削温度の計測が可能な構成はこれを特に限定するものではない。加工点の切削温度は、放射温度計、二色温度計、工具内部に熱電対を配置する方法など、様々な方式で測温できる。中でも、工具−被削材間熱電対法は工具刃先で生じた熱起電力から、接触部の平均温度を求める方法であり、刃先近傍の温度を直接的に得る方法として有効である。切削加工に本方式を適用する場合には、工具と被削材それぞれから電位を引き出す必要があり、回転する被削材に引き出した線が絡みつき易いなど、引き出し線の取り付け方が課題となる。ここで、芯押し台４に水銀接点やスリップリング（東測社製、型式ＳＲ１０Ｍ／１５Ｋ９２）を内蔵させ、被削材の端面から芯押し台内部を通すことにより、熱起電力を引き出す機構を備え付けると、電位へのノイズ混入を抑制することができるため好ましい。もしくは、カーボンブラシを用いて被削材の端面より熱起電力を引き出す機構でもよい。なお、熱起電力から温度に校正する基準データは、別途次の方法で測定した。すなわち、工具材料と被削材それぞれとアルメルクロメル熱電対の接点とを集光加熱によって急速加熱し、その際に発生した熱起電力をそれぞれ計測した。なお、その時の加熱点の温度をアルメルクロメル熱電対で求め、工具材料と被削材間で生じる熱起電力と温度の関係を求めた。切削温度の計測には、高速度赤外線カメラを用いることもできる。この方法は、非接触で比較的広範囲の温度分布を知ることができ、また、特定地の温度の時間変化を知ることができる利点がある。
【００２３】
２．３  切削抵抗測定機構
被削性評価機構のうち切削抵抗の計測が可能な構成はこれを特に限定するものではない。加工時に切削工具に印加される切削抵抗は、切削工具に貼付したひずみゲージから工具のたわみを求め切削応力を導出する方法や、水晶圧電素子を内蔵した切削動力計等により測定可能である。水晶圧電素子を内蔵した切削動力計は、時間的分解能が高く高感度に切削抵抗の測定が可能であるため好ましい。図４に示す通り、タレット６に切削動力計取付治具５０を介して取り付けた切削動力計１３に切削工具５を保持した工具ホルダー５１を付設することにより加工時に切削工具５に印加される切削抵抗を計測することが好ましい。
【００２４】
２．４  切削工具振動測定機構
被削性評価機構のうち切削工具振動の計測が可能な構成はこれを特に限定するものではない。例えば、切削中の工具振動を測定するために工具に加速度計を設置することができる。工具振動は刃先への被削材の凝着状態や、切り屑生成状況と関係し、加工後に形成される新生面の面粗さに関係する。振動振幅が小さく、振動周期が安定しているほど良好な加工条件といえる。加速度計の仕様は、小幅な振幅を感度良く検出するために感度値が高く測定できる周波数範囲が広いことが望ましい。感度値は、０.５［ｍＶ／（ｍ／ｓ２）］以上が好ましく、より好ましくは、１.０［ｍＶ／（ｍ／ｓ２）］以上が好ましい。周波数は、１から１０００Ｈｚ（±０．５％）より広い範囲を測定できることが好ましく、０.４から５０００Ｈｚ（±５％）より広い範囲を測定できる事がより好ましい。図３と図４に第１の実施形態の計測装置への加速度計の設置方案の例を示す。切削工具振動は次のようにして測定することができる。すなわち、刃先支持部材５２の平行する二平面のうち一方の面にインサートチップを取り付け、他方の面に加速度計１２をボルト等により取り付けた切削工具５を工具ホルダー５１で保持し、この工具ホルダー５１をタレット６に直接付設することにより加工時に切削工具５に発生する振動を計測することができる。または、タレット６に切削動力計取付治具５０を介して取り付けた切削動力計１３に切削工具５を保持した工具ホルダー５１を付設することにより振動と切削抵抗を同時に計測することができる。加速度計の取付位置は、刃先支持部材５２上であって刃先取付位置近傍かつ振動が減衰せずに伝搬するところが好ましい。また、加速度計の取付方法には、締結式取付、接着式取付、マグネット式取付などがあるが、高周波数帯で高感度に測定できる締結式取付が好ましい。
【００２５】
２．５  切り屑の流出状態測定機構
被削性評価機構のうち、切り屑の流出状態の計測が可能な構成はこれを特に限定するものではない。切削条件の適否は切り屑の流出状態に影響を及ぼす。切り屑流出状態を観察するため、例えば、高速度カメラを設置することができる。切り屑流出状態とは、切り屑の分断性やカールの状態、振動状態を可視化して示すため、切削点における様々な情報を示す。撮影条件は撮影速度が高い方が好ましく、切削状況をとらえるために、１、０００［ｆｐｓ］以上であるとより好ましく、より好ましくは、５、０００［ｆｐｓ］以上である。図１、図２に示す通り、高速度カメラ１０は、加工点である被削材８の外周端面のおおよそ法線方向に芯押し台４側から被削材８に焦点を合わせるように付設すればよい。ただし、本条件は、ここで取り挙げた実施形態に限定されるものではなく、切り屑流出形態の観察意図に合わせて変更可能である。
【００２６】
２．６  高速度赤外線カメラ
切り屑の流出状態の計測の一形態として、切り屑の温度の計測を適用することもできる。例えば、切り屑の温度を計測するために、高速度赤外線カメラを設置することができる。。切り屑の測温結果と適切な切り屑流出状態が起こる切削条件の関係を得ることは、工具材種の熱伝導率の選定、すなわち適切な工具材種を導出することに利用できる。高速度赤外線カメラの仕様として、より広範囲の温度を測定できる歪層超格子を検出器に有している事が好ましい。図１、図２に示す通り、高速度赤外線カメラ１１は、加工点である被削材８の外周端面のおおよそ法線方向につかみ部３側から被削材８に焦点を合わせるように設置した。ただし、本条件は、ここで取り挙げた実施形態に限定されるものではなく、切り屑流出形態の観察意図に合わせて変更可能である。
【００２７】
被削性評価機構によって、切削温度等の情報の２つ以上を同時に計測可能であれば、短時間での好適加工条件を導出することが可能となる。具体的には、切削温度を計測する 、工具被削材間熱電対および／または高速度赤外線カメラ、切削抵抗を計測する水晶圧電素子で構成された切削動力計、切削工具の振動を測定可能な加速度計、切り屑の流出状態を撮像する高速度カメラおよび／または高速度赤外線カメラ、からなる群の内２つ以上を備えることが好ましい。
【００２８】
２．７  加熱機構
新規材料の加工条件は、これまでにない条件の適用が必要となることも考えられるため、加工点の温度を制御するシステムを備えることが好ましい。被削材を加熱する加熱機構は、高周波誘導加熱装置３０を用いることができる。図２及び図３に示す通り、芯押し台４上部に付設した高周波誘導加熱装置３０は、電流制御部３１と加熱コイル３２とブスバーカバー３３と放射温度計３４とを有する。放射温度計３４は、被削材８の温度測定を行い、電流制御部３１は、放射温度計３４による温度測定からフィードバックを受け、加熱コイル３２（図３で示す）を通電電流の増幅により温度を制御する機構を有する。加えて、本機器は、直径φ１００ｍｍ、厚さＴ２ｍｍの円柱薄肉形状の被削材を効率的に加熱できる出力及び周波数を持つことが望ましい。そのため、少なくとも２０ｋＷ以上、好ましくは３０ｋＷ以上、さらに好ましくは４５ｋＷ以上のものであると効率的な加熱ができる。また、周波数は、５０から１５０ｋＨｚのものが好ましい。試験の効率性を考慮し、ブスバー（図３のブスバーカバー３３に内蔵）と加熱コイル３２が一体構造であり、高周波誘導加熱装置３０内に収容できる大きさ・形状であることが望ましい。また、被削材の加熱手段として、高周波誘導に替えてバーナーやレーザー等を適用してもよい。
【００２９】
２．８  冷却媒体吐出機構
冷却媒体吐出機構として適用することができるのは、被削材を冷却することのできる機能を有する機器である。例えば、常圧クーラント（１ＭＰａ）、高圧クーラント（３から１５ＭＰａ）、クライオジェニック、ＣＯブラスト、水溶性又は油性の加工潤滑液をミスト状に吐出する所謂ＭＱＬ(Ｍｉｎｉｍｕｍ  Ｑｕａｎｔｉｔｙ  Ｌｕｂｒｉｃａｔｉｏｎ)等であることが望ましい。図３及び図４に示すように、冷却媒体吐出管４４は、切削動力計取付治具５０の側面側から加工点に向けて冷却媒体を吐出するように設置することができる。
【００３０】
上述の被削性評価計測装置を用いて被削材を切削加工し、加工点の切削温度、切削抵抗、切削工具振動および切り屑の流出状態の内、２つ以上を同時に計測する被削性評価方法によって、被削材の好適加工条件を短時間で導出することができる。
【００３１】
被削材を加熱可能な加熱機構と、被削材と切削工具近傍の加工点を冷却可能な冷却媒体吐出機構との少なくとも一方を有することで、加工条件の探索範囲が広がり、より好適な加工条件を導出することが可能になる。
【００３２】
以下に被削材の評価及び好適加工条件を導出した事例を具体的に述べる。
【００３３】
（実施例１）
［被削性評価機構の構成］
本実施例の被削性評価用の加工装置が備える被削性評価機構は、タレット６を備えたＮＣ旋盤１を用意し、前述の通りタレット６に切削動力計１３と加速度計１２を取り付け、高速度カメラ１０を被削材８に焦点を合わせるように設置し、切削工具５と被削材８から電位を取り出すことで、工具−被削材間熱電対法により切削温度の測定が可能な構成とした。この被削性評価機構により、加工点の切削温度、切削抵抗、切削工具振動および切り屑の流出状態を同時に計測することができる。本実施例および他の実施例、比較例において、切削動力計１３には、ＫＩＳＴＬＥＲ社製、型式９１２９ＡＡを使用した。加速度計１２には、東陽テクニカ製、型式３５４Ｃ０２を使用した。高速度カメラ１０には、フォトロン社製、型式ＦＡＳＴＣＡＭ Ｍｉｎｉ ＡＸ２００を使用し、撮影速度は５、０００［ｆｐｓ］とした。
【００３４】
被削性評価機構において上記の各種計測機器で計測した信号を高分解能に保存するためには、オシロスコープ２１を用いることが好ましい。全ての実施例および比較例では横河計測社製、型式ＤＬＭ４０３８を用いた。仕様は、高分解で８ｃｈ信号を同時測定可能であり、最大時間測定は２５０Ｍポイントを有することが好ましい。また、材料内部のせん断変形に起因する電気信号の変動を計測するため、次の仕様を満たす機器が望ましい。鋸歯状切り屑が生成した場合のせん断は、数ナノ秒で発生しており、これを計測するためにはオシロスコープの設定をサンプリングレート１［ＭＳ／ｓ］以上とできることが望ましい。図２に示す通り、オシロスコープ２１は、アンプ２０を介して加速度計１２と切削動力計１３と接続され、計測された電気信号は、記録用パソコン２３で記録される。
【００３５】
また、長時間のデータ保存のために、データロガー２２を用いることが好ましい。全ての実施例および比較例では、横河計測社製、型式ＤＬ８５０Ｅを用いた。この仕様は、高分解で４ｃｈ信号を同時測定可能であり、最大２Ｇポイントのメモリーを有し、最大１００［ＭＳ／ｓ］の高速サンプリングレートを有する。図２に示す通り、この装置は、高速度カメラ１０と記録用パソコン２３と接続され、切削動力計１３からの信号を起点に記録が開始され、切削抵抗と切り屑画像を同期した撮像が可能である。
【００３６】
［原料粉末］
三次元積層造形品の原料としてガスアトマイズ法により作製した平均粒子径４０μｍのＡｌｌｏｙ７１８合金粉末を使用した。その組成を表１に示す。
【００３７】
【表１】
2020163564.tif 000003
【００３８】
［被削材］
上記の原料粉末を用いて円柱状（外径φ１０５［ｍｍ］×長さＬ５０［ｍｍ］）の三次元積層造形品を作製した。造形方向は、円柱形状の径方向である。作製した造形品に被削材保持治具用の穴加工を行い、その後、スライス加工及び平行研削して厚さＴ２［ｍｍ］の試験片を切り出して被削材として用いた。造形に使用した三次元積層造形機はＥＯＳ社製、型式Ｍ２９０である。積層造形条件は次の通りとした。
（１）厚さ／層：０．０４ ［ｍｍ］
（２）レーザー出力：２８５［Ｗ］
（３）レーザービーム径：φ０．１［ｍｍ］
（４）走査速度：９６０［ｍｍ／ｓｅｃ］
（５）走査ピッチ：０．１１［ｍｍ］
【００３９】
［切削加工の準備］
被削材は、被削材保持治具２を用いて被削性評価機構のＮＣ旋盤１にチャッキングして固定され、切削加工するための工具を以下の条件でセッティングした。被削材は外径がφ８０［ｍｍ］になるまで使用した。
［切削工具］
（１）工具形状：ＴＣＧＷ１６Ｔ３０８
（２）工具材種：ＷＣ−１０％Ｃｏ、ＴｉＡｌＮコーティング
（３）すくい角：０［°］
（４）逃げ角：７［°］
【００４０】
［切削条件］
以下の条件で被削材の二次元切削加工（被削材の回転と切削工具の径方向送り）を実施した。加工機の機械座標系でＹ軸（主分力方向）とＺ軸（送り分力）とを固定して、Ｘ軸（背分力方向）のみを制御して加工する二次元切削は、切り屑の流出形態が三次元切削と比較して簡素であり、その場観察が容易に実施できるため、被削性評価に好適である。
（１）送り量：０．０５ [ｍｍ／ｒｅｖ]
（２）切削幅：２ｍｍ
（３）切削速度：１０、３０、１００、１５０ [ｍ／ｍｉｎ]
【００４１】
［切削試験の結果］
表２に試験結果を示す。前述の計測器を用いて平均切削温度、平均切削抵抗（合力）、平均工具振動を求めた。また、切り屑流出形態は、高速度カメラを用いた撮像結果から、目視により評価した。ここで、数値で示していない結果については、各切削条件で得られた結果から３段階で評価した。切り屑流出状態は、切り屑が一定方向に流れており、定期的な周期で切れるために絡むことのない状態を〇とし、流出方向が変動し不安定である場合を△とし、切り屑が絡まってしまう場合を×とした。これらの情報を基に総合評価を行い、同様に３段階で評価した。
【００４２】
【表２】
2020163564.tif 000004
【００４３】
上述のように、一般に、好適加工条件とは工具寿命が長く、加工面品位が良好な条件のことである。これは切削抵抗、振動、切り屑流出形態等から相関付けられる。表３から、切削抵抗が低く、切削工具の振幅が小さく、切り屑流出形態が安定している場合を好適加工条件（切削速度３０[ｍ／ｍｉｎ]）として判断できた。表３の実施内容（切削加工とデータ処理の時間を含む）から好適加工条件を導出するまでに要した合計時間は約８０分であり、１００分以下の比較的短時間で好適加工条件を導出できた。
【００４４】
（比較例１）
従来技術における好適加工条件の導出方法について以下に述べる。
［被削性評価機構の構成］
実施例１で使用したＮＣ旋盤１を用いて評価を実施した。但し、本比較例では、切削抵抗、切削温度、工具振動および切り屑流出形態のその場測定はおこなわなかった。
【００４５】
［被削材］
円柱状（外径φ１０５［ｍｍ］×長さＬ１００［ｍｍ］）の三次元積層造形品を作製し被削材とした。造形条件は実施例１と同様である。
［切削工具］
（１）工具形状：ＴＣＧＷ１６Ｔ３０４
（２）工具材種：コーテッド超硬合金：ＷＣ−１０％Ｃｏ、ＴｉＡｌＮコーティング
（３）すくい角：０［°］
（４）逃げ角：７［°］
【００４６】
［切削条件］
以下の条件で三次元積層造形品の切削加工を実施した。φ１０５〔ｍｍ〕の円柱の端面部において、円柱の長手方向の切り込み量を１．５〔ｍｍ〕とし、外径部から円柱中心まで加工し、これを繰り返した。切削速度は、１０、３０、１００、１５０ [ｍ／ｍｉｎ]の４条件とした。切削速度を決めて切削加工を開始し、３０〔ｍ〕切削するごとに切削加工を一時停止してインサートチップの逃げ面最大摩耗幅の測定を行った後に切削加工を再開した。これを繰り返して工具寿命（逃げ面摩耗量０．２〔ｍｍ〕）に達したところで切削加工を終了した。この時の合計切削長さをその切削条件での切削可能距離とした。続けてインサートチップの交換を行い、切削速度を変更して同様の切削加工と逃げ面最大摩耗幅の測定を繰り返した。本比較例で用いた円柱状の被削材は、その寸法と切削条件から算出すると切削長さにして最大７０００〔ｍ〕ほどの切削加工が可能であったため、加工実験の途中で被削材を交換する必要はなかった。
（１）  送り量：０．０５ [ｍｍ／ｒｅｖ]
（２）  切り込み量：１．５[ｍｍ]
（３）切削速度：１０、３０、１００、１５０ [ｍ／ｍｉｎ]
【００４７】
［好適加工条件の導出］
好適加工条件は、逃げ面摩耗が小さくなる条件である。逃げ面摩耗に着目した理由は、逃げ面摩耗が進行すると加工面品位を悪化させるためである。表３に示す通り、工具の摩耗進行速度が小さく、切削可能距離が最長となったのは、切削速度が３０［ｍ／ｍiｎ］の時であることがわかる。この好適条件は実施例１で導出した好適条件と同じ傾向を示している。しかし、本方法は、好適加工条件を導出するまでに約３００分と長時間必要であり、多くの切り屑を排出すると共に時間工数の掛かる評価方法であった。約３００分のうち多くの時間を占めるのは加工ではなく、逃げ面最大摩耗幅の測定である。本比較例では合計数十回の逃げ面最大摩耗幅の測定を行ったため、それだけで２００分以上の時間を要した。
【００４８】
【表３】
2020163564.tif 000005
【００４９】
（実施例２）
［被削性評価機構の構成］
被削性評価機構は、タレット６を備えたＮＣ旋盤１を用意し、前述の通りタレット６に切削動力計１３を取り付け、切り屑流出状態をその場測定できる高速度カメラ１０を被削材８に焦点を合わせるように設置し、被削材８を加熱可能な加熱機構として高周波誘導加熱機３０を備える構成とした。この被削性評価機構により、加工開始温度を室温より高温にすることができるとともに切削抵抗および切り屑の流出状態を同時に計測することができる。
【００５０】
［被削材１］
被削材１は造粒焼結法により作製した平均粒子径７５μｍのＷＣ−４０％Ｃｏ合金粉末から作製した焼結体とした。材料組成を表４に示す。この合金は室温の状態で切削工具と同程度の高硬度を示す難削材である。この合金粉末を用いて粉末冶金法により焼結体を作製した。焼結体は、原料粉末として、ＷＣ粉末とＣｏ粉末をボールミルにより湿式混合し、乾燥した後にφ１５０［ｍｍ］×８０［ｍｍ］にプレス成型し、真空中で１３６０［℃］×２［ｈｏｕｒ］保持して焼結を行った。その後、ワイヤー放電加工機で焼結体をスライス、穴開け加工を行い、平面研削加工を経て実施例１と同様の形状に作製した。
【００５１】
［被削材２］
被削材２は被削材１と同じＷＣ−４０％Ｃｏ合金からなる積層造形体とした。この合金粉末を用いて指向性エネルギー堆積法により積層造形体を作製した。積層造形体は、φ９０［ｍｍ］×８０［ｍｍ］の焼結体を基材として準備し、この外周部に表６に示す超硬合金粉末を付加することで積層造形部を合成し、これを積層造形体とした。造形に使用した三次元積層造形機はＤＭＧ森精機株式会社製、型式Ｌａｓｅｒｔｅｃ６５３Ｄである。積層造形条件は以下の通りとした。外周部に積層造形した円柱は、その後、ワイヤー放電加工機でスライスし、穴開け加工を行い、平面研削加工を経て実施例１と同様の形状に作製した。
（１）厚さ／層：０．４ ［ｍｍ］
（２）レーザー出力：１６００［Ｗ］
（３）レーザービーム径：φ３［ｍｍ］
（４）走査速度：１０００［ｍｍ／ｍｉｎ］
【００５２】
【表４】
2020163564.tif 000006
【００５３】
［切削工具］
工具材質は超硬合金とセラミックスの２種類を準備した。
（１）工具形状：ＴＣＧＷ１６Ｔ３０４
（２）工具材種１：コーテッド超硬合金：ＷＣ−１０％Ｃｏ、ＴｉＡｌＮコーティング
工具材種２：セラミックス：サイアロン
（３）すくい角：０［°］
（４）逃げ角：７［°］
【００５４】
［切削条件］
以下の条件で被削材の二次元切削加工（被削材の回転と切削工具の径方向送り）を実施した。
（１）送り量：０．０５ [ｍｍ／ｒｅｖ]
（２）切削幅：２ｍｍ
（３）切削速度：３０、１００ [ｍ／ｍｉｎ]
【００５５】
［切削加工の準備］
被削材として準備した超硬合金を被削材保持治具２に取り付け、ＮＣ旋盤１にセットした。その他の試験条件は実施例１と同様である。ただし、切削条件の設定項目として加工開始温度（被削材の加熱温度）を追加した。被削材は外径がφ９０［ｍｍ］になるまで使用した。
【００５６】
［切削加工］
加工開始温度は、室温と４００［℃］とした。加工開始温度が４００［℃］のときは、高周波誘導加熱装置を用いて、被削材の温度を制御した。切削抵抗と切り屑流出形態を実施例１と同様に評価した。
【００５７】
［切削試験の結果］
表５に切削試験結果を示す。実験No.２−１に示すように、加工開始温度が室温であった場合、コーテッド超硬合金工具は加工初期にチッピングを生じたため、切削現象の評価はできなかった。実験No.２−１、実験No.２−２に示すように、加工開始温度を４００〔℃〕に設定すると、工具のチッピングは抑制され、切削抵抗の測定が可能になった。しかし、何れも切削抵抗は高い値を示し、工具の摩耗進行速度が高かった。このように工具材種がコーテッド超硬合金の場合、超硬合金の切削加工は非常に困難であり実質的に不可であった。
【００５８】
実験No.２−３は、被削材を積層造形体に変更した。コーテッド超硬合金よりも高温強度の高いセラミック工具を用いて試験した結果、工具摩耗が抑制され、安定した加工ができることを確認した。工具摩耗の抑制は、切削に適した刃先形状が保たれ、切れ味が良い状態が続くことを意味する。そのため、工具摩耗の小さかったセラミック工具を使用した場合は切れ味が良く、切削抵抗が低下した。この条件では、バリの小さい安定的な切り屑が流出され、安定的に切削が継続することを確認した。
【００５９】
［好適加工条件の導出］
加工開始温度の変更により、工具のチッピングを抑制できた。切削が可能となっても、実験No.２−２と実験No.２−３は切削抵抗が高く、切り屑にもバリが多く見られ、良好とは判断できなかった。実験No.２−４では、工具材種をセラミックスに変えたことで、切れ味向上による切削抵抗の低減と良好な切り屑流出形態を確認できた。これらの評価から、好適加工条件として実験No.２−４を導出できた。このように、各種現象を評価することで切削条件のみならず工具材種を含めた加工条件の導出が可能であることを確認した。加熱機構があることで加工条件の探索範囲が広がり、より好適な加工条件を導出することが可能になった。表５の実施内容（切削加工とデータ処理の時間を含む）から好適加工条件を導出するまでに要した合計時間は約８０分であった。
【００６０】
【表５】
2020163564.tif 000007
【００６１】
（実施例３）
二次元切削の切削現象について冷却媒体吐出機構を用いた評価事例について説明する。旋盤機内に設置した高速度カメラで切り屑流出状態をその場観察し、切削中の加速度、切削動力と切削温度を測定した。
【００６２】
［被削性評価機構の構成］
実施例１の被削性評価機構に更に冷却媒体吐出機構を追加した。冷却媒体吐出機構（図示省略）は液体窒素やドライアイス粒子等の冷却媒体を加工点へ向けて配置された冷却媒体吐出管４４を通じて加工点に供給する。冷却媒体吐出機構は、液体窒素を加工点に吐出するもしくは工具内部に液体窒素を流し工具全体を冷却する所謂クライオジェニック切削、加工点に微小なドライアイス粒子を吐出するＣＯブラスト加工、水溶性又は油性の加工潤滑液をミスト状に吐出する所謂ＭＱＬ加工(Ｍｉｎｉｍｕｍ  Ｑｕａｎｔｉｔｙ  Ｌｕｂｒｉｃａｔｉｏｎ)、ニアドライ加工、高圧クーラントを用いた加工等を可能にする。この被削性評価機構により、加工点もしくは工具全体を冷却することができるとともに、加工点の切削温度、切削抵抗、切削工具振動および切り屑の流出状態を同時に計測することができる。
【００６３】
［原料粉末・被削材］
表６に示す組成のＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金から鍛造により実施例１と同様の形状・寸法の被削材を作製した。
【００６４】
【表６】
2020163564.tif 000008
【００６５】
［切削工具］
実施例１と同様の切削工具を使用した。
【００６６】
［切削加工の準備］
加工点に微小なドライアイス粒子を吐出するＣＯブラスト加工、水溶性又は油性の加工潤滑液をミスト状に吐出する所謂ＭＱＬ加工(Ｍｉｎｉｍｕｍ  Ｑｕａｎｔｉｔｙ  Ｌｕｂｒｉｃａｔｉｏｎ)、加工点に低圧（１ 〔ＭＰａ〕）または高圧（１５ 〔ＭＰａ〕）のクーラントを吐出する加工等に対応する冷却媒体吐出機構を準備した。
【００６７】
［切削加工］
所定温度に維持した被削材に以下の条件で二次元切削加工を施した。
（１）送り量：０.２ ［ｍｍ／ｒｅｖ］
（２）切込幅：２［ｍｍ］
（３）切削速度：６０［ｍ／ｍｉｎ］
【００６８】
［切削試験の結果］
表９に切削試験結果を示す。切削温度、切削抵抗、切り屑形態および切削工具の振幅の評価結果を基に総合的に評価した。なお、高圧クーラントを使用した場合には、加速度計の振幅に大きなノイズが生じたため、結果を示していない。切り屑形態の評価は、連続と分断とに分類した。切り屑が連続的に生成すると、切り屑が工具や被削材に絡み、加工状態を不安定にするため、被削性は悪いと判断した。一方で、切り屑が細かく分断されると、加工現象を悪化させることはなく、安定した加工を続けられるため、被削性は良いと判断した。
【００６９】
［好適加工条件の導出］
切削環境を変化させた結果、実験No.３−３に示す高圧クーラントの適用が好適加工条件であると判断できた。高圧クーラントの適用のみ、切削温度を低下させ、切り屑形態を分断させることを確認した。これは、工具の長寿命化と切削加工の安定化に繋がると考えられる。なお、切削抵抗や加工中の切削工具の振幅については切削環境に大きな影響を受けないことがわかった。つまり、本被削材を加工する場合には切削温度と切り屑形態から好適加工条件を決定することができる。このように、評価項目のうち２つ以上の計測結果が得られれば、好適加工条件の導出が可能であることを確認した。表７の実施内容（切削加工とデータ処理の時間を含む）から好適加工条件を導出するまでに要した合計時間は約１８０分であった。本実施例ではクーラントの種類を変更したため他の実施例よりやや時間を要した。
【００７０】
【表７】
2020163564.tif 000009
【００７１】
（実施例４）
高速度赤外線カメラを使用して切り屑の温度を測定した評価事例について説明する。高速度赤外線カメラは、ＦＬＩＲ社製、型式Ｘ６９００ｓｃ ＳＬＳを使用した。
【００７２】
［被削性評価機構の構成］
被削性評価機構は、ＮＣ旋盤１に切削動力計１３と高速度赤外線カメラ１１と高速度カメラ１０とから構成される。この被削性評価機構により、切削抵抗、切り屑温度および切り屑流出形態を同時に計測することができる。
【００７３】
［原料粉末・被削材］
三次元積層造形品の原料としてガスアトマイズ法により作製した平均粒子径８５μｍのＳＵＳ３０４合金粉末を使用した。その組成を表８に示す。
【００７４】
【表８】
2020163564.tif 000010
【００７５】
［切削工具］
切削加工するための工具を以下の条件でセッティングした。本実施例では２種類の工具を使用した。詳細を以下に示す。
実験No.４−１及び実験No.４−２で使用した切削工具
（１）工具：ＴＣＧＷ１６Ｔ３０８（Ｋ種超硬合金  ＷＣ−５％Ｃｏ合金）
（２）すくい角：０［°］
（３）逃げ角：７［°］
実験No.４−３で使用した切削工具
（１）工具：ＴＣＧＷ１６Ｔ３０８（Ｐ種超硬合金  ＷＣ−１０％−３Ｔi合金）
（２）すくい角：０[°]
（３）逃げ角：７[°]
【００７６】
［切削加工］
所定温度に維持した被削材に以下の条件で二次元切削加工を施した。
（１）送り量：０.０５[ｍｍ／ｒｅｖ]
（２）切削幅：２ｍｍ
（３）切削速度：８０、１５０[ｍ／ｍｉｎ]
【００７７】
［切削試験結果］
表１２に試験結果を示す。実験No.４−１と実験No.４−２は、切り屑温度や切り屑流出形態に及ぼす切削速度の影響を調べたものであり、高速度赤外線カメラで測定した切り屑温度は、切削速度の増大に伴い向上し、切り屑の形態は鋸歯状から流れ型に変化した。実験No.４−１と実験No.４−３では、切削速度は同じであるが、工具材種をＫ種超硬合金からＰ種超硬金に変えた。これにより、切り屑温度が増大し、切り屑の形態は鋸歯状から流れ型に変化した。
【００７８】
［好適加工条件の導出］
表１２に示すように好適加工条件として、実験No.４−２と実験No.４−３を導出した。実験No.４−１は切り屑温度が低く、切削抵抗が高い状態であり、鋸歯状の切り屑が生成された。このような鋸歯状切り屑の生成は、切削中に工具の振動を起こしやすく、加工条件としては良好とは言えない。実験No.４−２は切削速度を上げることで切り屑温度が上昇し、切り屑形態が流れ型に変化している。切り屑温度の増大は、切り屑の軟化を示唆し、工具振動が抑制される傾向にあり、すなわち、加工面品位の向上に繋がる。また、実験No.４−３は、切削速度８０［ｍ／ｍiｎ］であるが、熱伝導率の低い工具材種を適用したため、切り屑温度が上昇し、実験No.４−２と同様の効果が生じ、切削状態が安定した。このように、切り屑温度の測定は好適加工条件の導出に有効であった。表９の実施内容（切削加工とデータ処理の時間を含む）から好適加工条件を導出するまでに要した合計時間は約８０分であった。
【００７９】
【表９】
2020163564.tif 000011
【符号の説明】
【００８０】
１  ＮＣ旋盤
２  被削材保持治具
３  つかみ部
４  芯押し台
５  切削工具
６  タレット
７  主軸
８  被削材
１０  高速度カメラ
１１  高速度赤外線カメラ
１２  加速度計
１３  切削動力計
２０  アンプ
２１  オシロスコープ
２２  データロガー
２３  記録用パソコン
３０  高周波誘導加熱装置
３１  電流制御部
３２  加熱コイル
３３  ブスバーカバー
３４  放射温度計
４４  冷却媒体吐出管
５０  切削動力計取付治具
５１  工具ホルダー
５２  刃先支持部材
【図１】
2020163564.tif 000012
【図２】
2020163564.tif 000013
【図３】
2020163564.tif 000014
【図４】
2020163564.tif 000015