(57)【要約】【課題】試作実験をせずに、工具摩耗に対する鋼材成分の影響を定量的に予測する方法を得る。【解決手段】まず、添加元素の量、加工条件などを変えた複数の加工実験（寿命実験）を行い、切削距離と工具摩耗の関係を求める。次に、工具摩耗の量が実測値に合うように予測式の係数（Ｃ１，Ｃ２）を求める。更に、Ｃ１を添加元素の質量％を用いた推定式に用い、添加元素の量や加工条件を変えた場合の摩耗量を予測する。この予測式を用いることで、添加元素が固定であれば、加工条件・工具形状を変化させた場合の摩耗量が予測でき、この結果から加工条件や工具形状を決定できる。また、摩耗量と切削距離の関係が求まるため、工具寿命が予測でき、工具交換のタイミングを決定できる。【選択図】        なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
被加工材料を加工した場合の工具摩耗量を予測する方法において、
添加元素の添加量を種々異ならせた被加工材料を工具で実際に加工して工具摩耗量を測定し、
被加工材料が有する添加元素の質量％の関数を含む工具摩耗量の予測式の係数を、前記測定で得られた測定結果を用いて算出することにより、当該予測式を作成させ、
この作成された予測式に、工具摩耗量が未知の被加工材料の添加元素の質量％を代入することで、当該被加工材料の工具摩耗量の予測値を得ることを特徴とする工具摩耗量の予測方法。
【請求項２】
前記添加元素の質量％の関数は、硫黄、鉛、炭素、クロム、モリブデン、バナジウム、マグネシウム、カルシウム、チタン、ビスマス、アルミニウムから選ばれる１種類以上の添加元素の質量％の関数であることを特徴とする請求項１に記載の工具摩耗量の予測方法。
【請求項３】
前記工具摩耗量の予測式が、工具摩耗に対する力学的な影響を表す第１の係数と、熱的な影響を表す第２の係数を含むことを特徴とする請求項１又は２に記載の工具摩耗量の予測方法。
【請求項４】
前記第１の係数が、被加工材料に含まれる成分の質量％の関数を含むものであることを特徴とする請求項３に記載の工具摩耗量の予測方法。
【請求項５】
請求項１乃至４のうち一つに記載の工具摩耗量の予測方法で予測される摩耗量が、所定の摩耗量となる時間を求め、この時間の経過時を工具交換時期とすることを特徴とする工具交換時期の予測方法。
【請求項６】
請求項１乃至４のうち一つに記載の工具摩耗量の予測方法で予測される摩耗量が、ある経過時間で所望の摩耗量以下となるように、加工条件を決定する加工条件決定方法。
【請求項７】
請求項１乃至４のうち一つに記載の工具摩耗量の予測方法で予測される摩耗量が、ある経過時間で所望の摩耗量以下となるように、工具の形状を決定する工具形状決定方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、被加工材料を加工した場合の工具摩耗量を予測する方法に関し、詳細には、工具摩耗量を測定し、該測定結果を用いて工具摩耗量の予測式の係数を算出し、この算出された係数と前記工具摩耗量の予測式から工具摩耗を予測する方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の工具摩耗予測技術としては下記特許文献１のものが知られている。特許文献１のものは、工具使用時間に対する工具摩耗量のデータを予め多数収集して、実際の工具使用時間を計測し、前記データを参照して工具摩耗量を推定するものである。
【０００３】
【特許文献１】
特開平５−１３８４９７
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
新鋼種開発において被削性の評価を行う場合は、実際に大量の切削試験を行わなければならない。特に工具摩耗に関しては添加物の作用及び切削条件により複雑な傾向を示すため、試作品を実際に使った工具寿命試験が不可欠であり、トライアンドエラーの繰り返しにより膨大な時間を費やしていた。
【０００５】
この点、従来の工具摩耗予測技術は、切削加工中の工具寿命判定や工具欠損などの異常事態検出に関するものであり、工具摩耗予測技術を鋼種開発の鋼材添加物最適化に応用した例はなかった。
【０００６】
本発明は、このような点に鑑みてなされたものであり、添加元素の工具摩耗量に対する影響を試作実験なしに定量的に予測できる方法を提供することを目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の解決しようとする課題は以上の如くであり、次にこの課題を解決するための手段を説明する。
【０００８】
即ち、請求項１の発明は、被加工材料を加工した場合の工具摩耗量を予測する方法において、添加元素の添加量を種々異ならせた被加工材料を工具で実際に加工して工具摩耗量を測定し、被加工材料が有する添加元素の質量％の関数を含む工具摩耗量の予測式の係数を、前記測定で得られた測定結果を用いて算出することにより、当該予測式を作成させ、この作成された予測式に、工具摩耗量が未知の被加工材料の添加元素の質量％を代入することで、当該被加工材料の工具摩耗量の予測値を得る、工具摩耗量の予測方法である。
【０００９】
請求項２においては、前記添加元素の質量％の関数は、硫黄、鉛、炭素、クロム、モリブデン、バナジウム、マグネシウム、カルシウム、チタン、ビスマス、アルミニウムから選ばれる１種類以上の添加元素の質量％の関数であるものである。
【００１０】
請求項３においては、前記工具摩耗量の予測式が、工具摩耗に対する力学的な影響を表す第１の係数と、熱的な影響を表す第２の係数を含むものである。
【００１１】
請求項４においては、前記第１の係数が、被加工材料に含まれる成分の質量％の関数を含むものであるものである。
【００１２】
請求項５の発明は、前記工具摩耗量の予測方法で予測される摩耗量が、所定の摩耗量となる時間を求め、この時間の経過時を工具交換時期とする、工具交換時期の予測方法である。
【００１３】
請求項６の発明は、前記工具摩耗量の予測方法で予測される摩耗量が、ある経過時間で所望の摩耗量以下となるように、加工条件を決定する、加工条件決定方法である。
【００１４】
請求項７の発明は、工具摩耗量の予測方法で予測される摩耗量が、ある経過時間で所望の摩耗量以下となるように、工具の形状を決定する、工具形状決定方法である。
【００１５】
【発明の実施の形態】
次に、発明の実施の形態を説明する。
【００１６】
被加工材料を工具で加工した場合の工具摩耗量のモデル式としては、例えば、下記（１）に示す式が学術的に知られている。
ｄＷ＝Ｃ１・σ・ｅｘｐ（−Ｃ２／Ｔｅｍｐ）        （１）
ここで、ｄＷ：工具摩耗量
σ：工具表面に作用する垂直応力
Ｔｅｍｐ：工具表面の切削温度
である。
【００１７】
上記式（１）において、第１の係数Ｃ１は、被加工材料中の硬質介在物や被加工材料そのものによって、機械的に工具表面が削り取られる現象に対する影響係数であるとされている。また、式（１）における第２の係数Ｃ２は、切削熱により工具表面及び被加工材料の温度が上昇し、工具材の軟化や工具材と被加工材料の化学反応が発生することによる工具摩耗に対する影響係数であるとされている。
【００１８】
第２の係数Ｃ２は熱的な影響を表すものであるため、切削条件、特に切削速度の影響を大きく受けるものであって、鋼種（鋼材の性質）が第２の係数Ｃ２に及ぼす影響は、相対的に小さいと考えられる。これに対し、第１の係数Ｃ１は工具摩耗に対する力学的な影響を表していることから、鋼材の性質に直接左右されると考えられる。
そこで本発明では、先ず、鋼材の性質を決定する鋼材成分と第１の係数Ｃ１の関係を定量化する。具体的には、摩耗量の予測モデル式の前記第１の係数Ｃ１に対し、各鋼材添加物（添加元素）の質量％が線形的に影響すると仮定する。
これにより前記第１の係数Ｃ１は、式（２）のように表される。
Ｃ１＝Ａ−（Ｐ１・Ｘ１）−（Ｐ２・Ｘ２）−…−（Ｐｎ・Ｘｎ）（２）
ここで、Ａ：鋼材添加物無添加時の前記第１の係数Ｃ１の値
Ｐｎ：第ｎ鋼材添加物の前記第１の係数Ｃ１への影響係数
Ｘｎ：第ｎ鋼材添加物の添加質量％
である。
【００１９】
そこで、実際に、鋼材添加物を全く添加しない被加工材料、及び、各鋼材添加物の添加質量％を種々異ならせた被加工材料を用意し、それぞれの被加工材料について工具を用いた実際の加工実験を行い、切削距離と工具の摩耗量を測定する。
この測定された摩耗量を前記式（１）のｄＷに代入し、また、垂直応力σ、工具表面の温度Ｔｅｍｐ、第２の係数Ｃ２は、実測値、あるいは工具形状及び切削速度などの切削条件に基づいて推定した値を代入した上で、当該式（１）を第１の係数Ｃ１を未知とする方程式として解くことにより、第１の係数Ｃ１を算出して得ることができる。このようにして、それぞれの被加工材料について第１の係数Ｃ１を求める。
【００２０】
そして、前記式（２）において、鋼材添加物を全く添加しない被加工材料についての第１の係数Ｃ１の値Ａと、第ｎ鋼材添加物の前記第１の係数Ｃ１への影響係数Ｐｎは、第ｎ鋼材添加物をＸｎ質量％添加した被加工材料について得られる第１の係数Ｃ１をそれぞれ式（２）に代入し、連立させて解くことで得られる。こうして得られた前記値Ａや影響係数Ｐｎを算出して前記式（２）に代入することで、予測式（１），（２）が作成する。
【００２１】
従って、予測したい被加工材料については、その第ｎ鋼材添加物の添加質量％（Ｘ１〜Ｘｎ）を前記式（２）に代入することで、第１の係数Ｃ１を予測値として算出できる。これは、工具摩耗量に対する各鋼材添加物の影響を、定量的に予測できることを意味する。
【００２２】
そして、前記式（１）に、垂直応力σ、工具表面の温度Ｔｅｍｐ、第２の係数Ｃ２（これらは、工具形状及び切削速度などの切削条件に基づいて推定した値を用いれば良い）を代入するとともに、上述のとおり算出された前記第１の係数Ｃ１を代入することで、工具摩耗量ｄＷを予測値として得られる。
このように、鋼材添加物の添加質量％を変化させた場合の工具摩耗量ｄＷを予測することができるから、各鋼材添加物の添加質量％を変化させた新しい鋼種を開発する際、工具摩耗量を確認するための試作実験を大幅に減らすことができる。
【００２３】
なお、上記鋼材添加物は、硫黄、鉛、炭素、クロム、モリブデン、バナジウム、マグネシム、カルシウム、チタン、ビスマス、アルミニウム、マンガン、シリコン、窒素、リン、銅等、種々のものが使用でき、本実施形態の工具摩耗量の予測は応用の幅が広いという利点がある。
【００２４】
また、上記式（１），（２）を使った工具摩耗量の予測方法は、工具が寿命となる時期を予測する予測方法にも応用することができる。即ち、予測したい被加工材料の鋼材添加量と加工条件が決まっているのであれば、この添加量（Ｘ１〜Ｘｎ）を上記式（２）に代入し、得られた係数Ｃ１を式（１）に代入することで、工具の摩耗量と切削距離の関係を予測することができる。この関係と切削速度を用いれば、工具の摩耗量が、適切な加工が行えなくなる摩耗量（以下、「摩耗限界量」と称する）となる時間を求めることができ、この時間が経過した時が工具の寿命であり、新しいものへの交換が必要な時ということになる。
即ち、この予測方法を使えば、工具の交換時期を容易に予測することができ、例えば、工具の交換を自動で行うような自動加工機に適合的である。
【００２５】
また逆に、特定の加工条件において、少なくとも一定の期間は、前述の式（１），（２）によって予測される工具の摩耗量が前記摩耗限界量を超えないように、被切削材料の添加量（Ｘ１〜Ｘｎ）を選定するような使い方も可能である。
この方法を使えば、工具の寿命が長くなるような被加工材料の材質を容易に決定できる。
【００２６】
あるいは、特定の被加工材料について、少なくとも一定の期間は、前述の式（１），（２）によって予測される工具の摩耗量が前記摩耗限界量を超えないように、加工条件（切削速度や切削深さ等）を求めるような使い方も可能である。
この方法を使えば、工具の寿命が長くなるような加工条件を容易に決定することができる。
【００２７】
更には、特定の被加工材料について、少なくとも一定の期間は、前述の式（１），（２）によって予測される工具の摩耗量が前記摩耗限界量を超えないように、工具の形状（すくい角や逃げ角）を求めるような使い方も可能である。
この方法を使えば、工具の寿命が長くなるような工具形状を容易に決定することができる。
【００２８】
（実施例）
次に、実施例を説明する。
まず、被加工材料として、Ｓ４５Ｃベース鋼と、これに硫黄（Ｓ）・鉛（Ｐｂ）を種々の量だけ添加した４種類の圧延材を用意し、計５つの被加工材料について、共通の工具を用いて切削寿命実験を行った。被加工材料のそれぞれの化学成分を表１に示す。なお、表中「Ｃ」は炭素を示す。
【００２９】
【表１】
2004255514.tif 000002
【００３０】
切削寿命実験は、前記５つの被加工材料のそれぞれについて、表２に示すようにＮｏ．１〜３の３つの加工条件で行った。即ち、切削寿命実験は、５×３＝１５通り行われたことになる。
本実施例の実験では、加工条件は切削速度を３段階に異ならせたのみで、切り込み量は各条件で同じとした。
【００３１】
【表２】
2004255514.tif 000003
【００３２】
なお、工具すくい面・逃げ面における垂直応力σと温度Ｔｅｍｐは、被加工材料間で大きな違いはないと考えられる。従って、これらの値は切削条件の違いにのみ依存するとみなし、５種類すべての被加工材料で共通の値を用いた。垂直応力σと温度Ｔｅｍｐは、実験で実測しても良いが、本実施例では、Ｓ４５Ｃベース鋼において切削シミュレーションにより算出した値を用いた。
【００３３】
そして、工具すくい面と逃げ面において実験により得られた摩耗データと工具摩耗予測モデル式による摩耗量が一致するように、第１の係数Ｃ１及び第２の係数Ｃ２を算出した。工具すくい面においてはクレータ摩耗深さ、工具逃げ面においては逃げ面摩耗幅を対象とした。
【００３４】
なお、第２の係数Ｃ２は工具摩耗に対する切削熱の影響を表しており、鋼材添加物の影響は小さいと考えられる。そこで、各被加工材料における第２の係数Ｃ２は、表１のベース鋼において算出されたものを、他の被加工材料（Ｎｏ．２〜５）においても共通して用いることとした。
以上に基づき、第１の係数Ｃ１は被加工材料毎に１つずつの計５つ、第２の係数Ｃ２は共通して１つ、計６つのパラメータについて、前記（１）式により算出される値と実際の測定値との誤差が最小となるように、最急降下法を用いて決定した。
【００３５】
各被加工材料についての係数Ｃ１，Ｃ２（前記６つのパラメータ）の計算結果を、表３・表４に示す。表３は工具すくい面、表４は工具逃げ面についての計算結果である。
【００３６】
【表３】
2004255514.tif 000004
【００３７】
【表４】
2004255514.tif 000005
【００３８】
次に、第１の係数Ｃ１に対し各添加物（本実施例では、硫黄Ｓと鉛Ｐｂ）の質量％が線形的な影響を与えると仮定し、表３，表４に示す第１の係数Ｃ１を、次式（３），（４）式のように表した。なお、この式（３），（４）は、前述の式（２）を具体化したものである。
【００３９】
すくい面：
Ｃ１＝Ａ−（ＰＳ・ＸＳ）−（ＰＰｂ・ＸＰｂ）              （３）
逃げ面：
Ｃ１＝Ａ’−（ＰＳ’・ＸＳ）−（ＰＰｂ’・ＸＰｂ）        （４）
ただし、Ａ，Ａ’：硫黄も鉛も添加されていない場合の第１の係数Ｃ１の値
ＰＳ，ＰＳ’：硫黄の前記第１の係数Ｃ１への影響係数
ＸＳ：硫黄の添加質量％
ＰＰｂ，ＰＰｂ’：鉛の前記第１の係数Ｃ１への影響係数
ＸＰｂ：鉛の添加質量％
である。
【００４０】
上式（３），（４）に表３，表４に示すＸＳ，ＸＰｂの値をそれぞれ代入し、方程式として解いて、Ａ，Ａ’，ＰＳ，ＰＰｂ，ＰＳ’，ＰＰｂ’の各値を得た。
具体的には、上式（３），（４）により算出される予測値と、実際に測定された値との誤差が最小になるように、最小二乗法を用いて、Ａ，Ａ’，ＰＳ，ＰＰｂ，ＰＳ’，ＰＰｂ’の各値を決定した。
【００４１】
これを上式（３），（４）式に代入して、以下の式（５），（６）を得た。
すくい面：
Ｃ１＝１１５００−（６７６００・ＸＳ）−（２４４００・ＸＰｂ）        （５）
逃げ面：
Ｃ１＝１．０１−（３．８・ＸＳ）−（１．８２・ＸＰｂ）              （６）
ただし、ＸＳ：硫黄の添加質量％
ＸＰｂ：鉛の添加質量％
である。以上のようにして、工具摩耗量の予測式が上式（５），（６）として作成した。
【００４２】
後は、予測したい被加工材料のＸＳ，ＸＰｂを上式（５），（６）に代入して第１の係数Ｃ１を算出し、これを、前記表３，表４における係数Ｃ２の値や、切削条件により算出される垂直応力σ、切削温度Ｔｅｍｐの値とともに前記式（１）に代入すれば、当該被加工材料についての工具摩耗量を、実際の試作実験なしに予測することができる。
【００４３】
次に、上記予測の精度を検証する実験を行った。具体的には、Ｓ４５Ｃベース鋼に対し、硫黄，鉛の添加質量％（ＸＳ，ＸＰｂ）を種々異ならせた被加工材料を用意し、前記の式（５），（６）と式（１）から工具摩耗量を予測する一方、実際に当該被加工材料を工具を用いて切削加工し、工具摩耗量を測定した。
【００４４】
図１，図２には、横軸に前記予測値を、縦軸に実際の摩耗量を、それぞれとったグラフ図が示される。なお、図１は工具すくい面、図２は工具逃げ面についてのものである。
【００４５】
図１・図２に示すように、いずれの点も、（実際の摩耗量＝予測値）を示す線（グラフ上に斜め４５°で引かれる直線）に近い位置にプロットされている。これは、本実施例の式（５），（６）を用いた工具摩耗量の予測の精度が十分高いことを示している。
【００４６】
また、適当な被加工材料を１つ用意し、これについて前記式（５），（６），（１）を用いて、切削距離と逃げ面の摩耗量の予測値との関係を求めた。
図３には、この予測値が、当該被加工材料を用いた寿命実験における工具摩耗量の実際の測定値とともに示されている。実際の測定値は予測値に近い点にプロットされており、これからも、本実施例の工具摩耗量の予測の精度が十分高いことが判る。
【００４７】
なお、この工具の逃げ面摩耗量の限界（前記限界摩耗量）を２００μｍと定めた場合、予測値がこの２００μｍに到達するのは、切削距離が５０００ｍをやや超えた時点であると、前記図３から予測できる。
これより、上記切削条件で本被加工材料を加工した場合、切削距離が５０００ｍ余りで工具交換時期が到来することを容易に予測することができる。
【００４８】
【発明の効果】
以上に説明したように、被加工材料の開発の際に本発明の予測方法を用いることにより、添加元素調整の試作実験を大幅に削減できるほか、開発する被加工材料の切削条件の変化や工具に対する工具摩耗量の影響が予め予測できているため、所望する工具摩耗量を満足する適正加工条件や工具の選定が容易である。
【図面の簡単な説明】
【図１】各被加工材料についての工具摩耗量の予測精度検証実験の結果（工具すくい面についてのもの）を示す図。
【図２】各被加工材料についての工具摩耗量の予測精度検証実験の結果（工具逃げ面についてのもの）を示す図。
【図３】切削距離に対する工具摩耗量の関係の予測値を、実際の摩耗量とともに示した図。なお、工具交換時期についても併せて示してある。
【図１】
2004255514.tif 000006
【図２】
2004255514.tif 000007
【図３】
2004255514.tif 000008