機械分野

令和4(2022)年度重点共同研究

加速度センサを用いたインプロセス工具摩耗監視システムの開発担当部所 ： 栃木県産業技術センター 機械電子技術部
400

切削力[N]

背景300

部品製造コスト低減のため、切削工具は可能な限り長時間使用することが望ましいが、工具の個体差や突発的な欠け等により、同条件加工でも工具寿命の正確な予測が困難であることから、リスク回避の観点から早期の工具交換が行われている。そのため、工具図 同条件における工具寿命の差の摩耗状態を見える化し、工具交換のタイミングを把握できる手法が求められている。
そこで本研究では、エンドミルを用いた２軸加工における加速度と切削力の関係を実験的に明らかにし、データ処理プロセスを検討するとともにソフトウェアを独自開発することでインプロセス工具摩耗監視システムの開発を行った。
図 突発的な刃の欠け（例）
200

１回目
２回目
３回目

1000020406080
切削長[m]

100120140

研究目標と結果
研究目標●２軸加工におけるインプロセス工具摩耗監視の実現
実施内容
0.2300

切削力（Y方向）[N]

加速度[m/s2]

切削力[N]

800.6600.440200.200.0060120 180 240
切削方向[deg]

3000.2

切削力[N]

0.6

1000.45060120 180 240
切削方向[deg]300

2002.01.00.060120 180 240
切削方向[deg]

200

切削力（X方向）[N]0.200.0060120 180 240
切削方向[deg]

切削力（X方向）[N]60120 180 240
切削方向[deg]300② インプロセス工具摩耗監視システムの開発
加速度をPCにリアルタイム出力可加速度の電荷出力を電圧に変換能なデータロガーを採用するとともに、固定位置毎に基準データを取得し、同位置の基準データと評価データの比を算出可能なソフトウェアを独自開発す
データロガー
加速度センサ×２
プリチャージアンプ
ることで、インプロセス工具摩耗監視 ㈱小野測器
横河計測㈱ DL950
NP-2120 エミック㈱ 504-E-4-PSシステムの開発を実現した。
図 システム構成

0.80.060

120 180 240
切削方向[deg]

300

360

切削力[N]
加速度[m/s2]

図 被削材固定位置変更時の比較

基準データの１切込み毎の絶対値最大値（X方向）

加速度信号をCSV等にファイル変換せず直接取込が可能

1.00.20

図 半径方向切込み変更時の比較

3600.450

360

3000.6

10000.00.80.4

50

360

1.00.6100500360

加速度[m/s2]

切削力[N]

加速度[m/s2]

0.50300

150

150

1.0

100

3.0

③奥・右側
Vc100 ae0.1 X方向
加速度（X方向）[m/s^2]

1.5

1504.050②奥・中央
Vc100 ae0.1 X方向
加速度（X方向）[m/s^2]0.00

切削力（X方向）[N]
加速度（X方向）[m/s^2]

2005.000.20

360

2500.8加速度[m/s2]

40300

360

10001.0

切削力（X方向）[N]

0.3350300

図 切削速度変更時の比較
20060300

120 180 240
切削方向[deg]

1503600.4120 180 240
切削方向[deg]

60

切削力（Y方向）[N]

Vc200 ae0.1
Y方向
加速度（Y方向）[m/s^2]

0.8

10080

6002001.0

Vc100
ae0.1
Y方向
加速度（Y方向）[m/s^2]
120

15000

360

加速度[m/s2]

140120 180 240
切削方向[deg]①奥・左側
Vc100 ae0.1 X方向
加速度（X方向）[m/s^2]

0.1

500.0
600.50.04.03.53.02.52.01.51.00.50.01000.100.60

切削力（X方向）[N]150

加速度[m/s2]

加速度[m/s2]0.3

4000.720200

Vc200 ae0.1
X方向
加速度（X方向）[m/s^2]

切削力[N]

切削力[N]

6020

加速度[m/s2]

切削力[N]

0.40.6100120

切削力[N]

0.580

加速度[m/s2]

切削力（X方向）[N]
加速度（X方向）[m/s^2]

0.7

100

切削力[N]

140

切削力（X方向）[N]

Vc100
ae0.1
X方向
加速度（X方向）[m/s^2]120

切削力[N]

140

円加工後、+Y方向に抜ける① ２軸加工における加速度と切削力の関係の調査
切削条件や被削材固定位置を変えた際の加速度と切削力の関係を明らかにするため、加速度センサを加工機の主軸に設置し、φ6mm１枚刃被削材
AlCrSiNコーティング超硬スクエアエンドミルを用いて、切削動力計に固定Y+方向に接近し、１周円加工を実施した64チタン圧延材（AMS4911）に対し、側面切削による円加工を実施し、切削動力計
加速度と切削力を比較した。
図 円加工の状況（１）切削条件を変えた際の加速度と切削力の関係
Vc100 ae0.1 X方向・切削速度が変わると、特定の方向の加速度と切削力の関係が変化
・同切削速度では、半径方向切込みを変えても加速度と切削力の関係は大きく変化しない。 ⇒同条件なら、切削力変動を加速度で推定可能
Vc100 ae0.6 X方向（２）被削材固定位置を変えた際の加速度と切削力の関係
・加工機の構造等の影響で、被削材固定位置が変わると加速度と切削力の関係が変化 ⇒切削力推定に固定位置の影響を考慮する必要あり

基準データの１切込み毎の絶対値最大値（Y方向）評価データの１切込み毎の絶対値最大値（X方向）

評価データの１切込み毎の絶対値最大値（Y方向）

閾値等の設定評価結果の時系列
推移（X方向）PC＋開発ソフトウェア

評価結果の時系列
推移（Y方向）評価結果の「瞬間値」「移動平均値」「加工開始から現時点までの全平均値」を表示

摩耗状態表示（X方向）

摩耗状態表示（Y方向）

図 開発ソフトウェア
切削力[N]

350

１回ずつ交互に加工を実施

切削力[N]

図 加工モデルと加工パス

250
200

2.297
1.797

150

1.297

1000.797

各固定位置の２回目を基準加速度5000.2970

図 段取り状況2.797

加速度 基準比（X方向）300

加速度 基準比

400

右・
２回目
左・
２回目
右・
１回目
左・
１回目

③ 実証試験
②で開発したシステムの実証のため、２か所に固定した被削材に対して製品を模擬したモデルを多数個切削し、加速度を評価した。
なお、切削条件はVc=100m/min、fz=0.1mm/tooth、ap=1.9mm、ae=0.4mmとし、水溶性切削液を用いて試験を行った。
その結果、加速度基準比と切削力の傾向は一致し、２軸加工におけるインプロセス（製品加工中）の工具摩耗監視を実現した。

5

加工回数1015

図 実証試験結果

まとめ●エンドミル側面切削の２軸加工における加速度と切削力の関係を明らかにした。
●インプロセス工具摩耗監視システムを開発し、インプロセス（製品加工中）の工具摩耗監視を実現した。

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