平成 13 年度卒業論文

トラバースクリープフィード研削特性

高知工科大学
知能機械システム工学科
1020169 和田 快也
指導教員 松井 敏 教授

目次

１．緒言

---------------------------------------------------------- 1

1. 1 研削加工自動化の現状 ------------------------------------------------

1

1. 2 砥石と工作物の位置合せの現状 ----------------------------------------

2

1. 3 本研究の目的 --------------------------------------------------------

4

２．砥石位置合わせ自動化の考え方
2. 1 クリープフィード研削の応用
2. 2 前年度の研究概要---------------------------------- 5------------------------------------------

5----------------------------------------------------

6

３．実験方法および実験装置---------------------------------------- 7

3. 1 実験方法 ------------------------------------------------------------

7

3. 1. 1 研削実験 -------------------------------------------------------

7

3. 1. 2 研削抵抗の測定-------------------------------------------------

9

3. 1. 3 砥石寿命の判定------------------------------------------------

10

3. 1. 4 表面粗さの測定------------------------------------------------

10

3. 2 実験装置 -----------------------------------------------------------

11

４．実験結果及び考察--------------------------------------------- 13

4. 1 ドレッシング条件と総研削量（砥石寿命）の関係 -----------------------

13

4. 2 ドレッシング条件と研削抵抗の関係 -----------------------------------

16

4. 3 ドレッシング条件と表面粗さ18-----------------------------------------

５．結言--------------------------------------------------------- 24

謝辞--------------------------------------------------------- 24

参考文献----------------------------------------------------- 25

１．緒言

1. 1

研削加工自動化の現状人間が行う加工作業を機械が代行すること，すなわち加工作業の自動化の目的は，作業者の肉体的な疲労やリスク，精神的な負担を軽減することである．また，最近では，熟練技能者の不足や，人間が関わるために生じる様々な制限を取り払うことなども目的として上げられるようになってきた．例えば，作業者と工作機械との物理的な距離の制限である．
人間が行わなければならない作業を自動化することにより，日本から海外の工作機械を操作することも，宇宙空間などの人間が工作機械の近くにいることが困難な場所での作業も可能になる．
機械加工の自動化・無人化は，1960 年代後半から 70 年代の NC 工作機械の普及により急速な発展を遂げ，現在は作業のほとんどが自動化された工作機械も多い．多くの工作機
械は，加工の状況をインプロセスで監視し，収集した情報をフィードバックして加工を制御することで自動化を実現している．しかし，研削加工は比較的簡単なシーケンス動作を主体としていたため，他の工作機械に比べて NC 化が立ち遅れていたが，現在は，研削盤においても NC 化が進み，総合的な自動化を目的とした研究が行われている．
図１に示す通り，平面研削盤において，自動化が実現されているのは NC 制御が行われている研削加工サイクルに関する作業だけであり，そのほかは一部を除いて自動化されていない．研削盤の自動化が遅れている一つの原因として，研削加工の性質が上げられる．
研削加工は一般に最終仕上工程として用いられるため，研削に至る以前の加工で，加工物の状態が変化していることも多い．加工後に表面処理などを施した場合は形状に歪みが生じるが，そのようなわずかな形状誤差であっても，研削加工では大きな支障になる．そのため，作業者が工作物の状態を認識して，加工時の切込み量を変更するといった制御が必要となる．工作機械の自動化を考えた場合，加工中に様々な現象を工作機械自身が測定し，判断しなければならない．例えば，工作物の寸法や形状，加工面の状態，切くずの生成状態，工具の摩耗や破損などである．しかしこれらの測定や判断は，熟練した技能者のカンや経験に依存しているのが現状で，作業を代行できる計測装置や制御装置はまだ実現していない 1) ．

1

1. 2

砥石と工作物の位置合せの現状研削を行う場合，まず砥石と工作物の位置を正確 に合わせる必要がある．NC 平面研 削盤における切込み方向の動きは，図２に示すように，あらかじめ決定された加工原点を基準に，プログラミングされた移動量だけ砥石が下降して，そこから研削が開始される．よって，プログラマは，工作物の高さを考慮し，砥石の下降量を決定しなければならない．
しかし，研削前の工作物表面は図２のように，熱処理などによって数マイクロメートルから数十マイクロメートル程度，形状に誤差が生じている場合があるため，前もってマイクロメートルオーダで工作物の高さを知ることは難しい．一般に行われている普通研削では一回の切込み量が数マイクロメートルから，大きくても十数マイクロメートルと少ないため，図３に示すように，例えばプログラムで自動的に最初の切込み位置を決めた場合，もし加工面にそれよりも高い場所があれば過大切込みになり，研削焼けや砥石作業面の損傷を引き起こす恐れがある．
過大切込みを避けるため，砥石下降量を図面上から算出した値よりも少なくプログラミングすることが行われているが，この場合は，図２のようにエアカット時間が増えるため能率が低下する．

平面研削盤の作業手順

2

：手作業

工作物 取外 し：一部自動化加工状 況監 視

研削

図１

位置合わせ

工作物取付け砥石取り付けプログラミング：自動化

砥石
加工原点

エアカット

工作物
図２

砥石と工作物との位置関係

過大切込み

砥石加工原点工作物
図３

砥石降下量の設定が不適切な場合の例

能率低下と過大切込みの両方を防ぐためには，図４および図５に示すように，工作物の全面に砥石を走査させて最高点を探し出し，その高さを加工原点とする方法も行われている．この作業は，現在手作業により行われているため，作業者の経験とともに，時間も必要とする．
位置合わせに対する従来の研究としては，センサを利用するものがあるが 2) ，センサでは 1 点しか計測できないことや，精度の問題などで普及していない．
このため，砥石と工作物の位置合わせ作業は，平面研削盤の自動化を進める上での大きな課題の１つとなっている．

3

工作物
矢印のように砥石を走査させる
図４

工作物表面の最高点を見つけるための砥石の動き

砥石
加工原点

工作物

図５

1. 3

最高点に加工原点を合わせた場合の普通研削の例

本研究の目的そこで本研究は，数値制御平面研削盤の自動化の中で，砥石の位置合わせ作業を自動化するための技術を開発することを目的とする．

4

２．砥石位置合わせ自動化の考え方

2. 1

クリープフィード研削の応用

センサにより正確で信頼性のある位置合わせを行うことは困難であると考え，センサを使用せずに，砥石と工作物との位置合わせをする方法を検討した．その方法として，図６に示すクリープフィード研削 3) を応用することを考えた．
クリープフィード研削は，主に成形研削に用いられる研削方法で，非常に遅い速度でテーブルを送るかわりに，通常の数十倍から数百倍の切込み量を与えて，工作物を 1 パスで加工することができる．
この技術を利用し，普通研削で仕上げることを前提に，加工物表面の状態を問題としない量を一度に切込んで粗研削することによって，加工前の位置合せを簡略化できるのではないかと考えた．

普通研削

クリープフィード研削

砥石砥石

工作物

工作物

図６

普通研削とクリープフィード研削の違い

5

2. 2

前年度の研究概要

今まで，クリープフィード研削が用いられるのはプランジ研削がほとんどで，トラバース研削に使用された例は見られなかったが，前年度の研究 4) で，幅 100mm×長 150mm の工作物について，トラバースクリープフィード研削を行い，以下の結果を得ている．
1) 研削液供給方法
研削点に対して確実に研削液を供給するために，図７に示 すようなクーラントガイドが必要である．
2) 研削砥石の種類
WA 砥石よりも砥粒を構成する結晶が小さく，自生作用の大きい SG 砥石の方が適している．
3) ドレッシング送り速度と切込み量限界の関係
ドレッシング送り速度が速いほうが限界切込み量は大きい．
4) 研削能率
普通研削と同等以上の研削能率を得られる．
また，条件を適切に選択すれば，幅 100mm×長さ 150mm の工作物を，途中でドレッシングすることなくクリープフィード研削が可能なことが確認されている．しかしながら，どの程度の工作物表面積まで研削可能であるかは確認されていない．

図７

クーラントガイド

6３．実験方法および実験装置

3. 1

実験方法

本研究は砥石と工作物の位置合わせを自動化することが目的であるから，１度工作物の全面を粗研削できれば，それ以降はクリープフィード研削である必要はない．今回使用する研削盤の加工可能な工作物最大寸法は，チャック面積と同じと考えて，幅 300mm×長さ600mm である．よって，この加工可能な最大寸法に相当する面積を，途中でドレッシングすることなくトラバースクリープフィード研削することを目標として，ドレッシング条件が砥石寿命などに及ぼす影響を検討した．

3. 1. 1

研削実験

工作物を，チャック上に設置された動力計に固定して研削した．
1 回の切込み量を３通り，送り速度を３通り，合計９通りのドレッシング条件を設定し，各ドレッシング条件でドレッシングしてから，所定のクリープフィード研削条件で研削し，砥石寿命を比較した．表１にドレッシング条件を，表２にクリープフィード研削条件を示す．
研削には，幅 100mm×長さ 150mm の工作物の全面を，送り量 25mm でアップカットのみ４回クリープフィード研削するプログラムを使用した．
最大加工面積を幅 300mm×長さ 600mm と設定しているので，今回使用した幅 100mm×長さ 150mm の工作物では，プログラムを 12 回実行した時点で実験終了とし，それ以上の研削は行わなかった．

7表１
ドレッサ
切込み回数
１回の切込み量
送り速度

研削砥石研削液工作物
切込み量
テーブル送り速度
送り量
クーラントガイド

ドレッシング条件
自転形単石ドレッサ（図８）
６回
10，20，30μm
100，300，500mm/min

表２ クリープフィード研削条件
3SG46I12V クレノートン φ305mm×32mm×φ76.2mm
シンセティック#870 ユシロ化学工業 希釈率20倍
S45C，幅100mm×長さ150mm
500μm (アップカット研削）
300mm/min
25mm×４回
全てのクリープフィード研削に使用

図８

自転形単石ドレッサ

8

3. 1. 2

研削抵抗の測定

動力計からの信号をチャージアンプで増幅し，オシログラフィックレコーダとパソコンに接続したデータ収集システムを使用して研削抵抗を記録した．
研削抵抗は図９に示すようなアナログ波形として記録されるが，そのままでは分析が困難なので，アナログ波形を数値化した．
図９に示すように，アナログ波形は研削中と研削外とに分けられる．そこで，１パス分の研削中の波形を図 10 のように３等分し，Ａ，Ｂ，Ｃそれぞれの部分の平均値で研削抵抗を示した．

研削中

図９

研削外

記録された研削抵抗波形

A

図 10BC

研削抵抗波形の分割

9

3. 1. 3

砥石寿命の判定砥石寿命の判定には研削抵抗を用いた．今回使用した研削盤は，クリープフィード用モータの電流値が基準の数値を超えた場合に，テーブルが停止して，研削が停止する構成になっている．昨年度の研究から，テーブル停止時の研削抵抗は，接線抵抗で 170N 前後であることが求められているので，接線抵抗が 170N に達するか，目標の最大面積に達するまで研削を行った．
ただし，４章で詳述するように，砥石寿命は研削抵抗が急激に変動し始める時点で判定し，その時点までの総研削量で表した．

3. 1. 4

表面粗さの測定

加工後に工作物の表面粗さを測定した．表面粗さ測定は，最初の研削面の１パス目と，最終研削面の最終パスの２回行い，両者を比較した．また，ばらつきが予想されるので，それぞれの場合について３箇所ずつ測定し，平均値を求めた．

10

3. 2実験装置

本研究に使用した NC 平面研削盤の型式と本体仕様および写真を表３と図 11 に，使用した測定機器の型式・仕様と写真を表４と図 12 から図 15 に示す．
ドレッサはドレッサ摩耗の影響をなくすために，図８に示した自転形単石ドレッサを使用 5) し，1 回の実験ごとにドレッシングを行った．
昨年度の研究から，研削開始点に研削液を十分に供給する必要性が指摘されているので，今回の実験も，図７に示したクーラントガイドを使用して行った．

表３

NC平面研削盤の仕様

本体製造元
型式

日立精工株式会社
GHL-NB306M（FANUC

テーブル作業面積（長さ×幅）
テーブル左右送り速度
砥石の大きさ（外径×幅×内径）
砥石回転数
砥石軸用電動機
テーブル駆動方式
クリープフィード方式
クリープフィード用電動機
クリープフィード送り速度600mm×300mm
2～25m/min
φ305mm×32mm×φ76.2mm
1800min -1
AC 3.7kW
油圧送りピニオン・ラック送り
100W （安川電機製）
10～1000mm/min

図 11

NC 平面研削盤の外観

11Series0-MC付）

表４ 使用した測定機器の型式・仕様
型式（製造元）
仕様
9254
測定範囲
Fx，Fy -500～500N(KISTLER)
Fz-1000～1000N

測定機器
３成分動力計
マルチチャンネル
チャージアンプ
オシログラフィック
レコーダ
表面粗さ形状測定器

データ収集システム

図 125019B(KISTLER)
OR1400(横河電機)SARFCOM 480A-12(東京精密）

NR-2000(KEYENCE)

動力計

チャンネル数測定範囲
チャンネル数

最大３チャンネル±10～999000pC
最大８チャンネル

測定範囲

X軸(横方向)Z軸(縦方向)

記録倍率

縦方向
横方向

チャンネル数
測定レンジ

最大16チャンネル
±0.25V～±10V

図 13

100mm
800μm

50000倍2000倍チャージアンプ（左）とオシログラフィックレコーダ（右）図 14

表面粗さ形状測定器

図 1512

データ収集システム４．実験結果および考察

4. 1

ドレッシング条件と総研削量（砥石寿命）の関係

図 16 は，ドレッシング送り速度をパラメータとして，各ドレッシング切込み量での研削量と接線抵抗の関係を表している．グラフが途中で終わっているものは，その段階で接線抵抗が 170N に達したため，実験を終了したものである．
図 16 に見られる顕著な現象は，それぞれの図に赤い破線の○で示したように，接線抵抗が 120N 前後から急激に変動している部分が数箇所あることである．この部分では，研削中の火花，研削音ともに非常に激しくなった．しかし，研削抵抗が急増してから数秒後までに，火花も研削音もおさまり，研削抵抗も増加する前より低い値まで減少した．
研削抵抗が減少した原因としては，過大な研削抵抗のため，砥石作業面に目こぼれが発生し，砥石の自生作用が促進されたことが考えられる．この結果として，砥石寿命が延びているように見られる．しかしながら，この場合は，通常の自生作用と違って，過大抵抗による砥粒の脱落や破砕であるため，研削焼けなどの不良が生じる場合がある．今回の場合も，研削焼けが確認できた箇所があったので，正常な仕上がり面とは言えず，このような状態を無視して砥石寿命を考えることは好ましくないと判断した．
そこで，研削は接線抵抗が 170N に達する時点または，目標の最大面積に達するまで行ったが，砥石寿命の判定は上記の現象が最初に発生した時点とした．

13

( A )ドレッシング切込み量

260

接線抵抗 N

23010μm
ドレッシング送り速度100mm/min
300mm/min
500mm/min

200
170140110
80502019172533414935866748290748290748290

3

研削量 ×10 mm( B )ドレッシング切込み量

20μm

接線抵抗

N

260
230
200
170140110
80
502019172533414958
3

研削量 ×10 mm( C )ドレッシング切込み量

260

66

330μm

接線抵抗 N2302001701401108050201917253341研削量

図 1649583×10 mm

663

研削量と接線抵抗の関係14図 17 に，ドレッシング切込み量をパラメータとして，各ドレッシング送り速度での研削量と接線抵抗の関係を示す．同様に，図 18 に，ドレッシング送り速度をパラメータとして，各ドレッシング切込み量での研削量と接線抵抗の関係を示す．なお，グラフが途中で終わっているものは，その段階で砥石の寿命と判定したものである．
図 19 に，ドレッシング切込み量をパラメータとして，ドレッシング送り速度と総研削量の関係を示す．また，図 20 にドレッシング送り速度をパラメータとして，ドレッシング切込み量と総研削量の関係を示す．ここで示す総研削量とは，砥石寿命と判定するまでに研削した工作物の総体積である．なお，今回の研削条件では，90×10 3 mm 3 が総研 削量の最大値である．
図 19 から，ドレッシング送り速度を大きくすると総研削量が増加することがわかる．
ドレッシング送り速度が 500mm/min の場合は，砥石寿命に達する前に研削を中止しているので，砥石寿命点まで研削を続ければ総研削量はさらに大きくなるものと考えられる．また，図 20 から，ドレッシング切込み量を大きくすると，総研削量が増加することがわかる．ドレッシング送り速度が 500mm/min の場合には，ドレッシング切込み量による総研削量の違いはないが，これも砥石寿命に達する前に研削を中止したためであり，砥石寿命点まで研削を続ければ，ドレッシング切込み量による違いが出るものと考えられる．
ドレッシング送り速度とドレッシング切込み量のそれぞれを大きくした場合に，総研削量が増加する原因としては，次のような理由が考えられる．ドレッシング送り速度を速くすると，砥石作業面の仕上がりが粗くなるため，砥石の目詰まり起きにくくなる．目詰まりが起きにくいことは，そのまま研削量の増加につながる．また，ドレッシング切込み量を大きくすると，砥粒の破砕が促進され，大きな切れ刃が出現しやすくなり切れ味が向上する．
図 19 と図 20 を見て特徴的なのは，ドレッシング送り速度を 300mm/min から 500mm/minに変化させた場合の総研削量の増加が著しいことである．原因については，今のところわからないが，ドレッシング送り速度 300mm/min と 500mm/min の間で砥石作業面の仕上がりについて，境界のようなものが存在すると推察する．
以上の結果から，ドレッシング送り速度を 500mm/min にすれば，目標とした最大面積(幅300mm×長さ 600mm)まで，途中でドレッシングすることなく研削できることが明らかになった．

15

( A )ドレッシング送り速度 100mm/min

180

ドレッシング切込み量
10μm
20μm
30μm

160
接線抵抗 N

140
120
1008060
40201917253341495833

研削量 ×10 mm

6674829082908290( B )ドレッシング送り速度 300mm/min

180160接線抵抗 N

1401201008060
4020191725334149583

研削量 ×10 mm

66743( C )ドレッシング送り速度 500mm/min

180160接線抵抗 N

14012010080
6040201

図 179172533 4149
58
33
研削量 ×10 mm

6674

各ドレッシング送り速度での研削量と接線抵抗の関係

16

( A )ドレッシング切込み量 10μm

180

ドレッシング送り速度100mm/min
300mm/min
500mm/min

160
接線抵抗 N

140
120
10080
60
4020
19172533

4149
58
33
研削量 ×10 mm

667482907482907482

90( B )ドレッシング切込み量 20μm

180160接線抵抗 N

140
120
10080
60
4020
1

91725

33
4149
58
33
研削量 ×10 mm

66( C )ドレッシング切込み量 30μm

180160接線抵抗 N

140
120
10080
60
40201917253341493

研削量 ×10 mm

図 1858663

各ドレッシング切込み量での研削量と接線抵抗の関係

17

総研削量 ×103mm3

1009080706050403020100

ドレッシング切込み量
10μm30μm100

図 1920μm

300
ドレッシング送り速度 mm/min

500

ドレッシング送り速度と総研削量の関係

総研削量×103mm3

ドレッシング送り速度100mm/min
300mm/min
500mm/min

100908070605040302010010

図 2020ドレッシング切込み量

30μm

ドレッシング切込み量と総研削量の関係

18

4. 2

ドレッシング条件と研削抵抗の関係

ドレッシング条件が研削抵抗に及ぼす影響を調べた．研削抵抗は２回目研削面の４パス目を研削した時の接線抵抗で比較した．第２面の４パス目を選択した理由は，研削初期の方が砥石摩耗などの影響が少なく，ドレッシング条件の影響を正確に評価できると考えたからである．
図 21 にドレッシング切込み量をパラメータとして，ドレッシング送り速度と接線抵抗の関係を，図 22 にドレッシング送り速度をパラメータとして，ドレッシング切込み量と接線抵抗の関係を示す．なお，この場合の接線抵抗は，上述した第２面４パス目の接線抵抗である．
図 21 から，ドレッシング送り速度が大きいほど，研削抵抗が小さい値になることがわかる．これは，ドレッシング送り速度が速い場合，砥石作業面の仕上がりが粗くなって目詰まりが起きにくいためだと考えられる．
また，図 22 から，ドレッシング切込み量が大きいほど，研削抵抗が小さくなることがわかる．この原因としては，ドレッシング切込み量が小さいと，砥石作業面の砥粒の脱落やへき開が起きにくいが，逆にドレッシング切込み量が大きいと砥粒の破砕等が起きやす
く，大きく鋭い切れ刃が出現して，より小さな力で工作物を削ることができるためと考えられる．

19ドレッシング切込み量

12030μm

N10μm

100

接線抵抗

1408020μm

6040200100300500

ドレッシング送り速度 mm/min
図 21

ドレッシング送り速度と接線抵抗の関係

ドレッシング送り速度100mm/min
300mm/min
500mm/min

140N100

接線抵抗12080604020010

図 2220ドレッシング切込み量 μm30

ドレッシング切込み量と接線抵抗の関係

20

4. 3

ドレッシング条件と表面粗さの関係

図 23 に，ドレッシング送り速度と表面粗さの関係を示す．また同様に，図 24 にドレッシング切込み量と表面粗さの関係を示す．
図 23 から，ドレッシング送り速度が大きい方が表面粗さは大きくなる傾向が見られる．
しかしながら，ドレッシング切込み量が 20μm と 30μm の場合に，ドレッシング送り速度300μm での表 面粗さが， 最も大 きくなっている．この原 因については，今 のところわかっていない．
一方，図 24 から，ドレッシング切込み量を大きくすると，表面粗さは大きくなることがわかる．

21

( A ) ドレッシング切込み量

算術平均粗さRaμm

76

１パス5

最終パス10μm

43210100300

ドレッシング送り速度μmmm/min( B ) ドレッシング切込み量 20μm

7

算術平均粗さRa

500

6543210100300
ドレッシング送り速度 mm/min( C ) ドレッシング切込み量

算術平均粗さRaμm

750030μm

65432
10100300
ドレッシング送り速度

図 23500mm/min

ドレッシング送り速度と表面粗さの関係

22

算術平均粗さRa μm

7( A ) ドレッシング送り速度 100mm/min

6１パス

5最終パス

432
101020ドレッシング切込み量 μm

算術平均粗さRa μm

730( B ) ドレッシング送り速度 300mm/min

65432
10102030

ドレッシング切込み量 μm

算術平均粗さRaμm

7( C ) ドレッシング送り速度 500mm/min

6543210102030

ドレッシング切込み量 μm
図 24

ドレッシング切込み量と表面粗さの関係

23

５．結言

チャック面積に相当する工作物を途中でドレッシングすることなく，トラバースクリープフィード研削出来る条件を検討するとともに，ドレッシング条件が砥石寿命等に及ぼす影響を調査した結果，次のようなことがわかった．
(1) ドレッシング送り速度を 500mm/min にすると，目標であるチャック面積に相当する工作物を，途中でドレッシングすることなく研削できる．
(2) ドレッシング送り速度やドレッシング切込み量を大きくすると，砥石寿命が延びる．
(3) ドレッシング送り速度やドレッシング切込み量を大きくすると，研削抵抗が小さくなる．
(4) ドレッシング送り速度やドレッシング切込み量を大きくすると，表面粗さが粗くなる．

今後の課題としては，次のようなことについて検討が必要であると考えられる．
(1) クリープフィード研削条件と砥石寿命の関係について．
(2) 砥石摩耗特性について．
(3) 従来の研削法との総合的な比較について．

謝辞

本研究を行うにあたって，実験および論文作成の全てにおいてご指導頂きました，高知
工科大学知能機械システム工学科松井敏教授に深謝致します．

24参考文献

1) 稲崎一郎：研削加工の知能制御を目指して，マシニスト，25，1(1981)68
2) 斎 藤 義 夫 ： 実 用 性 の 高 い 加 工 状 態 認 識 用 イ ン プ ロ セ ス セ ン サ ， マ シ ニ ス ト ， 29 ，8(1985)84
3) 古川勇二，大石進：クリープフィード研削の基礎とその応用，マシニスト，24，6(1980)35
4) 中越順哉，川村聡：トラバースクリープフィード研削の基礎特性－砥石と工作物位置合わせの効率向上－，(2001)
5) 松井敏，堀内毅：自転形単石ドレッシングに関する研究，精密工学会誌，59，3(1993)25