栃木県産業技術センター

研究報告No.20 (2023)

経常研究

研削加工における加工機の電力変化による加工負荷の観察
山下健介*

小池 宏侑*

曽田 将来*

Observation of Machining Load by Electric Power of the Machine in Grinding
YAMASHITA Kensuke，KOIKE Hiroyuki and SOTA Masaki
研削加工において目立てのタイミングや加工条件は作業者の熟練度によるところが大きく，技能レス化や不良品低減のため，比較的安価な電力計（電流計）を用いた研削加工状態の見える化が求められている。本
研究では，加工機の電力（電流）変化と加工負荷の関係を明らかにし，不安定加工における電力（電流）への影響を検討することにより，不安定加工状態の推定を行った。その結果，加工時の主軸電流を測定することにより，接線抵抗の推定が可能であること，研削焼けと目づまり割合の推定が可能であることが分かった。
また，高い周波数を有するびびりは，主軸電流から検知が難しい事が分かった。
Key words: 平面研削，電流，加工負荷，目づまり，びびり１はじめにった。

研削加工では加工中に切りくずなどが砥石表面に凝なお研削砥石は#220 の平型砥石（㈱ノリタケカンパニ

着・堆積し切れ味が低下する目づまりや砥粒先端が摩滅

ーリミテド WA220K7V35R），研削液は水道水にて 50 倍する目つぶれなどが起こる。そのため砥石の表面を削希釈した弱導電性研削液（東洋工学㈱ CG-7）を用い、り，切れ味を復活させる目立て作業を行う必要がある。

切削動力計の出力値はデータロガー（横河計測㈱

目立てのタイミングや加工条件が不適切な場合，加工DL950）で測定した。

時に砥石の目づまりやびびりなどが生じて加工負荷が加工機の電力測定は，予備実験により図２に示すとお増加又は変動する。これにより研削面の形状精度や粗さり電力と電流の傾向は一致したため，電流のみを測定すの低下，研削焼けなどが起こり，製品不良に繋がる。一ることとし，図３に示すとおり，加工機配電盤の主軸モ方で，目立てのタイミングや加工条件の設定は作業者のータ配線の三相交流ブレーカーと Y 軸サーボモータ配熟練度によるところが大きく，熟練度によるばらつきの線に電流クランププローブ（横河計測㈱発生や判断が定量的ではないことから OJT における技720931）を取り付け，切削動力計と同様にデータロガー術伝承の課題になっている。そのため技能レス化や不良（横河計測㈱ DL950）で測定した。

720930 ，品低減のため研削加工状態の見える化が求められてい

加工負荷及び電流の評価方法は，加工時間中心の 6 割る。なお加工状態は動力計を用いれば一定の水準で推定を評価領域とした。加工負荷は接線抵抗 Ft，法線抵抗 Fn1)

可能だが ，動力計は高価なため，より低コストな見えの各平均値を算出し，電流値は空転時の電流をゼロとしる化が求められている。て補正後，主軸は R 相，S 相，T 相の合計平均値，Y 軸サ

そこで本研究では，比較的安価な電力計（電流計）にーボモータは平均値を算出した。

着目し，これを用いて加工機の電力変化と加工負荷の関係を明らかにし，不安定加工における電力への影響を検討することにより，不安定加工状態の 推 定 を 目 指 し た 。
２２．１

研究の方法

加工負荷と電力（電流）の測定方法

加工機は平面研削盤（㈱岡本工作機械 PSG-63DXNC）を用い，図１に示すとおり被削材を切削動力計（日本キスラー(合) 9265B）の上に固定治具ごと固定し加工を行*

栃木県産業技術センター

図１

機械電子技術部- 54 -被削材固定状況

栃木県産業技術センター

Fiji 2)を用いて二値化後，画像全体の画素数から黒色部

7.8

1500

5.8
3.8
1.8-0.2

1000
5000-500

画素数の割合を算出した。なお加工を停止すると Y 軸の位置が変化するため，ドレッシング後，規定の加工パスまで加工を行い，砥石表面を観察した。
加工後の被削材の評価は，表面画像をデジタルカメラ-2.2
00.20.40.6

0.8

11.2で撮影し，表面粗さ（Ra，Rku）を接触式表面粗さ測定機

時間 [s]

図２No.20 (2023)

た動画から画像を抽出し画像処理ソフトウェア ImageJ

電力 [W]
電流 [A]

電流[A]

電力[W]

2000

砥石周速度19.3m/s,
テーブル送り速度10m/min,切込み10㎛

研究報告（アメテック㈱ PGI840）で長さ方向 15mm，40mm，65mm

電力と電流の関係の位置を計測し平均値で評価した。
３３．１

結果及び考察

加工機の電流変化と加工負荷の関係

各パターンにおける主軸電流と接線抵抗 Ft の関係を
図４～６に示す。
砥石周速度を変えた場合（パターン 1）は，周速度が大きくなるほど，接線抵抗 Ft に対する電流値の傾きが

図３ 電流測定方法（左：主軸モータ ， 右：Y 軸サーボモータ）大きくなることが分かる（図４）。これは砥石周速度（回転数）が大きくなると回転に必要な電流が多くなる事と砥石周速度[m/s]
テーブル送り速度[m/min]

表１ 研削条件
パターン 1 パターン 212.919.319.325.85101015切込み[㎛]10一致している。

パターン 3

テーブル送り速度を変えた場合（パターン 2）及び，19.310切込みを変えた場合（パターン 3）は，接線抵抗 Ft に対する主軸電流の傾きは大きく変化しないことが分かる（図５，６）。送りや切込みの大小によって接線抵抗 Ft10は増減するが主軸電流と接線抵抗 Ft の関係は変化しな
51015いと考えられる。なおパターン 2 のテーブル送り速度
5m/min の条件は加工初期にびびりが発生した。
全ての条件において主軸電流と接線抵抗 Ft の決定係

２．２

数 R 2 値が１に近い線形性が見られるため，加工時の主軸加工機の電流変化と加工負荷の関係電流を測定することにより，接線抵抗の推定が可能であ

研削条件における電流変化と加工負荷の関係を明らることが分かる。

かにするため，被削材を SS400 （W15×L150×H15mm）とし，砥石周速度 19.3m/s，テーブル送り速度 10m/min，次に砥石周速度 19.3m/s，テーブル送り速度 10m/min，切込み 10 ㎛を基準加工条件と設定し，砥石周速度を変切込み 5 ㎛にて加工した時の Y 軸サーボモータ電流と法更したものをパターン 1，テーブル送り速度を変更した

線抵抗 Fn の関係を図７に示す。結果として線形性はな

ものをパターン 2，切込みを変更したものをパターン 3

く Y 軸サーボモータ電流から法線抵抗 Fn を推定するのとし，合計 7 条件で加工を行った。表１に研削条件を示25す。なお各条件の加工パス数は，合計切込み量が 150 ㎛になるまでとした。

12.9m/sy = 0.0617x
R² = 0.9998

19.3m/sy = 0.0853x
R² = 0.9997

25.8m/sy = 0.1208x
R² = 0.9995

不安定加工状態の推定
電流 [A]

２．３20

不安定加工状態として目づまり状態の推定を行うた
めに目づまりを起こしやすいステンレス

SUS3041510（W20×L81×H24mm）を被削材とし，砥石周速度 25.8m/s，テーブル送り速度 10m/min，切込み 5 ㎛で加工を行った。
また，砥石の目づまり割合を定量化するため，加工後500の砥石表面を高速度ビデオカメラ（㈱フォトロン

50100150
接線抵抗Ft [N]200250

図４ 主軸電流と接線抵抗の関係（パターン 1：砥石周速度）

FASTCAM SA3 model60K）で撮影した。今回用いた砥石は白色であり黒色部が目づまりと考えられるため，撮影し- 55 -栃木県産業技術センター

研究報告No.20 (2023)

後，目づまりや自生作用により鋭い凹凸が少なくなった25

電流 [A]ためと考えられる。

y = 0.0896x
R² = 0.9996

5m/min20

次に加工後の被削材表面画像を図８，砥石表面画像を

1510m/min

y = 0.0853x
R² = 0.9997

15m/miny = 0.0848x
R² = 0.999910

図９に示す。被削材表面は 6 パスに変色が起こり研削焼け発生の可能性があり，25 パスには解消されていることが分かる。また砥石表面については 5 パスにドレッシン

5グの軌跡に沿って目づまりが進行しており，6 パス目以降はドレッシングの軌跡以外にも目づまりが進行して0050

100150接線抵抗Ft [N]200250いることが分かる。このことから，6 パス以降が目づま

図５ 主軸電流と接線抵抗の関係（パターン 2：テーブル送り速度）りによる不安定加工と推定することが出来る。
次に目づまり割合と主軸電流の関係を図 10 に示す。
目づまり割合と主軸電流は一定の線形性が見られる。

25電流 [A]以上の結果から 5 パス時点の目づまり割合 4％前後が

y = 0.0906x
R² = 0.9996

5um

20

研削焼けの閾値として使える可能性があり，主軸電流か15ら研削焼けと目づまり割合をある程度の精度で推定出10um

y = 0.0853x
R² = 0.9997

15um

y = 0.085x
R² = 0.9996

105

来ることが分かる。

表２ 目づまり割合，主軸電流，表面粗さの結果
加工パス数
目づまり
電流
RaRku
(合計切込み量)
割合[%]
[A]
[㎛]
3 (15 ㎛)
1.37
1.74
0.669 6.327
5 (25 ㎛)
3.94
8.58
0.762 5.107
6 (30 ㎛)
6.07
11.54 0.889 3.881
7 (35 ㎛)
8.77
13.92 0.810 3.231
10 (50 ㎛)
7.95
12.81 0.912 4.104
15 (75 ㎛)
8.25
11.82 1.005 3.61425 (125 ㎛)
3.246.03
1.720 3.7330050

図６100150
接線抵抗Ft [N]200250主軸電流と接線抵抗の関係（パターン 3：切込み）

0.015
0.01

電流 [A]

0.005
0-0.005

y = -8E-06x
R² = 0.0053-0.01-0.015-0.02-0.025
0図７2040法線抵抗Fn [N]6080

Y 軸サーボモータ電流と法線抵抗の関係は難しいことが分かる。加工機 Y 軸は加工中にロックするためモータ自体に直接負荷が掛からなかったことが原因として考えられる。
３．２

不安定加工状態の推定

３．２．１

目づまり状態の推定

表２に加工パスごとの目づまり割合，主軸電流，被削材表面粗さの結果を示す。Ra は 3～15 パスでは大きく変わらないが，25 パスでは大きくなった。Ra が増加した理由としてはドレッシング直後の微細粉砕状態から，砥石の自生作用によって砥粒の切れ刃が大きくなった
図８ 被削材表面画像（砥石進行方向は画像右方向）

ことが考えられる。Rku は 5 パスまでは 5 以上である一方，それ以降のパスは 4 前後と小さい。これはドレッシ
ング直後の微細粉砕状態により鋭い凹凸が多く，その- 56 -

栃木県産業技術センター

No.20 (2023)

加工

600

1086420-2-4-6-8-10

加工負荷 [N]400
2000-200-400-600
0.20.40.60.81電流 [A]

空転

研究報告

びびり発生時(1 パス)の加工負荷と主軸電流
加工1086420-2-4-6-8-10

加工負荷 [N]400
2000-200-400-600
0.20.40.60.8

1電流 [A]

空転1.2

時間 [s]

16R [A]T [A]600図９ 砥石表面画像（砥石回転方向は画像上方向）

Fn [N]
S [A]

1.2

時間 [s]図 11

Ft [N]図 12

Ft [N]Fn [N]
R [A]
S [A]
T [A]

定常時(15 パス)の加工負荷と主軸電流

14電流 [A]12源周波数で観察出来る周期のびびりについては判別出

10

来る可能性があるものの，今回発生したような高い周波

y = 1.4583x + 1.246
R² = 0.9206

86数を有するびびりについては，主軸電流から検知することは難しいと考えられる。

42

４002

468

本研究では，研削加工における加工機の電流変化と加10目づまり割合 [%]図 10

おわりに工負荷の関係の調査及び不安定加工状態の推定を行っ目づまり割合と主軸電流の関係た結果，以下の知見が得られた。
（1）加工時の主軸電流を測定することにより，接線抵

３．２．２びびり状態の推定抗の推定が可能であることが分かった。

２．２の実験においてパターン 2 の砥石周速度（2）加工機の主軸電流から研削焼けと目づまり割合を19.3m/s，テーブル送り速度 5m/min，切込み 10 ㎛では加ある程度の精度で推定出来ることが分かった。

工初期（3 パスまで）にびびりが発生した。図 11 にびび（3）高い周波数を有するびびりについては，主軸電流り発生時，図 12 に同加工条件で定常時（15 パス）の加から検知することは難しいことが分かった。

工負荷と主軸電流を示す。びびり発生時は加工負荷が約0.03ｓ周期で変動している。これは主軸回転数である

参考文献

1800rpm（30Hz)とほぼ一致し，加工初期に発生した事を

1) 奥山： "砥粒加工学会誌 ", 59, 6(2015), pp.355-

考えると，ドレッシング時の砥石の形状不良によって主358

軸回転数に同期したびびりが発生した事が考えられ

2) Schindelin， J.; Arganda-Carreras， I. &3)

る 。一方，主軸電流を見ると，びびりに同期した小さ

Frise， E. et al. (2012)， "Fiji: an open-

な変動があるが加工開始前の空転時にも変動があり，びsource platform for biological-image

びりに伴う変動か判断が難しい。今回は主軸モータ配線

analysis "， Nature methods 9(7): 676-682，の三相交流ブレーカーの電流変化を測定していること

PMID: 22743772"

から，電源周波数 50Hz 毎に電流値が変動しているため，観察できる周波数は 50Hz の数分の一の周波数と考えられる。びびりの周期は発生要因によって異なるため，電- 57 -3) 稲崎ら： "精密機械 ", 35, 1(1969), pp.47-53．