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課題

本発明は、回転軸を中心に回転自在な金属製の回転部材把持して、該回転部材と協動して同軸回転する加工装置における前記回転部材の温度測定装置を提供する。

解決手段

本温度測定装置は、前記回転部材の回転中の理想温度を設定する理想温度設定手段と、前記回転部材の回転中の実温度を測定する温度測定手段と、該温度測定手段で測定された実温度と、その時点における前記理想温度設定手段で設定された理想温度との差が、予め設定された閾値を超えているか否かを検知する検知手段と、を備える。

概要

背景

一般に、エンドミルタップドリルのごとき金属製の工具等の回転部材旋回し、これにより固定されたワーク(加工対象物)を加工する装置や、逆に工具等が固定されワーク自体が旋回する旋盤用のバイトといった加工装置が存在する。これらの金属加工装置の工具等は、通常加工において十分な強度を有しているが、長時間使用や連続使用したりすると摩擦摩耗が発生し、所定の閾値摩耗限界)を超えたときには、大きく摩耗又は場合によっては瞬時に破損することがある。その場合、工具等を交換する必要が生じる。とりわけ、昼夜連続の加工を行う場合には、人が気づいて対応するのに遅れが生じる場合が多く、工具等の交換により機械が長時間停止して加工時間が増加したり、破損あるいは破断した工具により、ワーク(加工対象物)に二次的損傷が生じたりする問題があった。

したがって、工具等の回転部材が作動中(回転中)にその破断や耐用限界を検知する方法の提供を求めるニーズは大きい。このニーズに対して、従来は、工具等やワークごとに経験則で加工装置の作動や工具等の交換時期を調整していた。具体的には、従来は、工具先端から発せられる音や工具の振動摩擦熱により工具先端部が局所的に赤熱された際の色合いにより、職人芸で予兆と判断・対処するか、同一材料で同一径の工具を用い、同条件(加工対象物が同じで加工速度、加工方法が同じ)場合は、それまで破損が生じた時間経験を基に工具を交換するなどして、破損になる前に工具交換することで防止していた(詳細には後述)。

しかしながら、経験則では、工具等の破損・破断等に適切に事前対応することができない。また、作動中にオンマシンで工具等に作用する負荷や振動をリアルタイムで検知する方法がなく、その意味でも工具等の破損等や過大な摩擦摩耗の発生をリアルタイムで防止することができなかった。

また、工具以外にも、近年工業会で実用化されてきた摩擦攪拌接合装置回転ツールも大きな摩擦摩耗が生じる回転部材であり、その機械的性能劣化や交換時期の判定をいかに判断するかも重要となってきた。

概要

本発明は、回転軸を中心に回転自在な金属製の回転部材を把持して、該回転部材と協動して同軸回転する加工装置における前記回転部材の温度測定装置を提供する。本温度測定装置は、前記回転部材の回転中の理想温度を設定する理想温度設定手段と、前記回転部材の回転中の実温度を測定する温度測定手段と、該温度測定手段で測定された実温度と、その時点における前記理想温度設定手段で設定された理想温度との差が、予め設定された閾値を超えているか否かを検知する検知手段と、を備える。

目的

本発明は、上記課題を解決すべく創作されたものであり、金属製の工具等の回転部材の破断等に繋がる摩擦摩耗の限界について、その回転中の温度上昇に注目して回転作動中にリアルタイム予知(検知)することで、工具等の破損や過大な摩耗を防止するとともに交換時間ロスやワークの二次的損傷を防止し得る温度測定装置を提供する

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

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請求項1

回転軸を中心に回転自在な回転部材把持して、該回転部材と協動して同軸回転する加工装置における前記回転部材の温度測定装置であって、前記回転部材の回転中の理想温度を設定する理想温度設定手段と、前記回転部材の回転中の実温度を測定する温度測定手段と、該温度測定手段で測定された実温度と、前記理想温度設定手段で設定された理想温度との差が、予め設定された閾値を超えているか否かを検知する検知手段と、を備える、ことを特徴とする温度測定装置。

請求項2

前記理想温度設定手段により設定される理想温度は、前記回転部材及び温度測定装置の運転条件における理想温度を予め設定された算出式により算出される、ことを特徴とする請求項1に記載の温度測定装置。

請求項3

前記算出式は、Ts:密度をρ,比熱をC,外部との熱伝達率をα,円柱初期温度をT0,急激な変化を想定してステップ応答における外部ステップ温度Tm: ρCD/4αである、ことを特徴とする請求項1又は2に記載の温度測定装置。

請求項4

前記理想温度設定手段により設定される理想温度は、所定時間と温度との関係を示す時間/温度テーブルから決定する、ことを特徴とする、請求項1に記載の温度測定装置。

請求項5

前記検知手段は、前記閾値を超えたときに限界温度として検知する、ことを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の温度測定装置。

請求項6

前記限界温度は、請求項2〜4のいずれか1項に記載の理想温度のうちいずれか温度が閾値を超えたときに限界温度として検知する、ことを特徴とする温度測定装置。

請求項7

回転軸を中心に回転自在な回転部材を把持して、該回転部材と協動して同軸回転する加工装置における前記回転部材の温度測定装置であって、前記回転部材の回転中の実温度を測定する温度測定手段と、前記温度測定手段で測定された実温度の変化度を検出する温度変化検出手段と、前記温度変化検出手段で検出された実温度の変化度が予め設定された条件を超えているか否かを限界温度として検知する限界検知手段と、を備える、ことを特徴とする温度測定装置。

請求項8

前記温度測定手段による実温度の測定は、所定時間ごとに所定時間実行する、ことを特徴とする請求項7に記載の温度測定装置。

請求項9

前記温度測定手段による実温度の測定は、前記回転部材の動作ごとに各動作時間中に実行する、ことを特徴とする請求項7に記載の温度測定装置。

請求項10

前記温度測定手段で測定される実温度は、各測定時間中の最高温度実温度値として設定される、ことを特徴とする請求項7〜9のいずれか1項に記載の温度測定装置。

請求項11

前記温度変化検出手段は、測定された実温度とそれまでに測定された実温度との変化率を前記変化度として算出し、前記限界温度検知手段では、算出された変化度が予め設定された閾値を超えたか否かを検知する、ことを特徴とする請求項7〜10のいずれか1項に記載の温度測定装置。

請求項12

前記温度変化検出手段は、測定された実温度とそれまでに測定された実温度との温度差を前記変化度として算出し、前記限界温度検知手段では、算出された変化度が予め設定された閾値を超えたか否かを検知する、ことを特徴とする請求項7〜10のいずれか1項に記載の温度測定装置。

請求項13

前記温度変化検出手段は、各所定時間又は各動作時間あたりの前記実温度の積分値を前記変化度として算出し、前記限界温度検知手段では、算出された変化度が予め設定された閾値を超えたか否かを検知する、ことを特徴とする請求項8又は9に記載の温度測定装置。

請求項14

請求項7〜13のいずれか1項に記載の温度測定装置であって、さらに、前記回転部材の回転中の所定時間時における理想温度を設定する理想温度設定手段と、該温度測定手段で測定された実温度と、その時点における前記理想温度設定手段で設定された理想温度との差が、予め設定された閾値を超えているか否かを検知する検知手段と、を備える、ことを特徴とする温度測定装置。

請求項15

前記限界温度を検知したときに警告信号発信する、ことを特徴とする請求項5又は6に記載の温度測定装置。

請求項16

前記限界温度を検知したときに、前記回転部材の回転を減速又は停止するように制御する、ことを特徴とする請求項5〜15のいずれか1項に記載の温度測定装置。

請求項17

前記温度測定手段は、前記回転部材に配設してされた、その温度を測定する温度測定素子と、該温度測定素子から温度測定手段を用いて生成された温度測定結果を送信する送信手段とを備える、ことを特徴とする請求項1〜16のいずれか1項に記載の温度測定装置。

請求項18

前記回転部材は、エンドミルタップドリル又は摩擦攪拌溶接用の回転ツールであり、これにより固定された加工対象物を加工する、ことを特徴とする請求項1〜17のいずれか1項に記載の温度測定装置。

請求項19

回転軸を中心に回転自在な回転部材を把持して、該回転部材と協動して同軸回転する回転装置において前記回転部材に当接して前記回転部材を加工する治具の温度測定装置であって、前記治具の理想温度を設定する理想温度設定手段と、前記治具の実温度を測定する温度測定手段と、該温度測定手段で測定された実温度と、その時点における前記理想温度設定手段で設定された理想温度との差が、予め設定された閾値を超えているか否かを検知する検知手段と、を備える、ことを特徴とする温度測定装置。

請求項20

回転軸を中心に回転自在な回転部材を把持して、該回転部材と協動して同軸回転する回転装置において前記回転部材に当接して前記回転部材を加工する治具の温度測定装置であって、前記治具の実温度を測定する温度測定手段と、前記温度測定手段で測定された実温度の変化度を検出する温度変化検出手段と、前記温度変化検出手段で検出された実温度の変化度が予め設定された条件を超えているか否かを限界温度として検知する限界検知手段と、を備える、ことを特徴とする温度測定装置。

請求項21

前記治具は、バイト又はバイトである、ことを特徴とする請求項19又は20に記載の温度測定装置。

技術分野

0001

本発明は、金属製の工具等の回転部材摩擦摩耗限界について、回転作動中にリアルタイムに検知することで、工具等の破損や過大な摩耗を防止し得る温度測定装置に関する。

背景技術

0002

一般に、エンドミルタップドリルのごとき金属製の工具等の回転部材が旋回し、これにより固定されたワーク(加工対象物)を加工する装置や、逆に工具等が固定されワーク自体が旋回する旋盤用のバイトといった加工装置が存在する。これらの金属加工装置の工具等は、通常加工において十分な強度を有しているが、長時間使用や連続使用したりすると摩擦摩耗が発生し、所定の閾値摩耗限界)を超えたときには、大きく摩耗又は場合によっては瞬時に破損することがある。その場合、工具等を交換する必要が生じる。とりわけ、昼夜連続の加工を行う場合には、人が気づいて対応するのに遅れが生じる場合が多く、工具等の交換により機械が長時間停止して加工時間が増加したり、破損あるいは破断した工具により、ワーク(加工対象物)に二次的損傷が生じたりする問題があった。

0003

したがって、工具等の回転部材が作動中(回転中)にその破断や耐用限界を検知する方法の提供を求めるニーズは大きい。このニーズに対して、従来は、工具等やワークごとに経験則で加工装置の作動や工具等の交換時期を調整していた。具体的には、従来は、工具先端から発せられる音や工具の振動摩擦熱により工具先端部が局所的に赤熱された際の色合いにより、職人芸で予兆と判断・対処するか、同一材料で同一径の工具を用い、同条件(加工対象物が同じで加工速度、加工方法が同じ)場合は、それまで破損が生じた時間経験を基に工具を交換するなどして、破損になる前に工具交換することで防止していた(詳細には後述)。

0004

しかしながら、経験則では、工具等の破損・破断等に適切に事前対応することができない。また、作動中にオンマシンで工具等に作用する負荷や振動をリアルタイムで検知する方法がなく、その意味でも工具等の破損等や過大な摩擦摩耗の発生をリアルタイムで防止することができなかった。

0005

また、工具以外にも、近年工業会で実用化されてきた摩擦攪拌接合装置回転ツールも大きな摩擦摩耗が生じる回転部材であり、その機械的性能劣化や交換時期の判定をいかに判断するかも重要となってきた。

先行技術

0006

特開2012−92205号公報

発明が解決しようとする課題

0007

そこで、本発明は、上記課題を解決すべく創作されたものであり、金属製の工具等の回転部材の破断等に繋がる摩擦摩耗の限界について、その回転中の温度上昇に注目して回転作動中にリアルタイム予知(検知)することで、工具等の破損や過大な摩耗を防止するとともに交換時間ロスやワークの二次的損傷を防止し得る温度測定装置を提供することを目的とする。

課題を解決するための手段

0008

第一の本発明は、回転軸を中心に回転自在な金属製の回転部材を把持して、該回転部材と協動して同軸回転する加工装置における前記回転部材の温度測定装置であって、
前記回転部材の回転中の理想温度を設定する理想温度設定手段と、
前記回転部材の回転中の実温度を測定する温度測定手段と、
該温度測定手段で測定された実温度と、前記理想温度設定手段で設定された理想温度との差が、予め設定された閾値を超えているか否かを検知する検知手段と、
を備える、ことを特徴とする温度測定装置を提供する。

0009

第一の本発明では、工具等の回転部材の理想温度と実測温度との差が予め設定した所定の閾値を超えた場合、に破損等の予兆と検知することができる。

0010

工具部材等の回転部材の内部温度と破損等の予兆との関係があることが知得されたため、第一の本発明では、実温度と予め設定した理想温度との乖離が所定の閾値を超えるかを判定し、閾値を超えた場合は、破損等の限界温度として検知することとしている。以下に理想温度の設定としての代表的な具体例を示す。

0011

前記理想温度設定手段により設定される理想温度は、
前記回転部材及び温度測定装置の運転条件における理想温度を予め設定された算出式により算出されることが好ましい。

0012

また、前記算出式の例は、



Ts:密度をρ,比熱をC,外部との熱伝達率をα,円柱初期温度をT0,急激な変化を想定してステップ応答における外部ステップ温度
Tm: ρCD/4α
である。

0013

この例では、予め理想温度を材質や運転条件に対して理論的に設定された数式から導出できるものとしている。

0014

また、前記理想温度設定手段により設定される理想温度は、
時間と温度との関係を示す時間/温度テーブルから決定する、ことが好ましい。

0015

理想温度は、所定の算出式から算出されるもの以外には、ユーザが加工条件等に応じて予め理想温度を検証・設定しておき、これに応じて決定するものであってもよい。どの段階が破断等の予兆か否かの判断をユーザそれぞれの設定に任せることができる。

0016

これらの2つ例では、回転部材の形状、材質や運転条件、環境条件にすべて理論数式で対応することが困難であることに鑑みて、誤差等も含めた好適な温度/時間テーブルを設定したり、その回転部材や運転条件、環境条件特有のものとしてユーザサイドで経験則により導出された理想温度を設定することができるようにしている。

0017

また、前記検知手段は、前記閾値を超えたときに限界温度として検知してもよく、前記限界温度は、上記算出式から得た理想温度、ユーザ設定の理想温度または両者のいずれかが閾値を超えたときに限界温度として検知してもよい。

0018

また、第二の本発明は、回転軸を中心に回転自在な回転部材を把持して、該回転部材と協動して同軸回転する加工装置における前記回転部材の温度測定装置であって、
前記回転部材の回転中の実温度を測定する温度測定手段と、
前記温度測定手段で測定された実温度の変化度を検出する温度変化検出手段と、
前記温度変化検出手段で検出された実温度の変化度が予め設定された条件を超えているか否かを限界温度として検知する限界検知手段と、
を備える、ことを特徴とする。

0019

また、この温度測定装置の場合、
さらに、前記回転部材の回転中の所定時間時における理想温度を設定する理想温度設定手段と、
該温度測定手段で測定された実温度と、その時点における前記理想温度設定手段で設定された理想温度との差が、予め設定された閾値を超えているか否かを検知する検知手段と、
を備えても良い。

0020

第二の本発明では、温度上昇量の限界を設定せず、実温度の変化度の限界を設定することとしている。第一の本発明では温度の上昇量から破損等の予兆となる限界温度を検知していたが、これだけでは好適な破損等の予兆を検出できない場合もあり得ることが知得されてきた。たしかに、第一の本発明でもユーザサイドでも理想温度を設定することができ、自由度を高めて対応できるが、破損等の直前まで温度上昇が小さく、破損等の直前に一気に温度上昇するようなケースでは、温度の変化量だけでは予兆を捉えにくい場合もある。

0021

第二の本発明では、このことを考慮しつつ検証した結果、温度上昇量が大きくなる前に実温度の変化度(例えば変化率温度傾斜))が大きくなる場合を知得し、これを破損等の限界予兆として検出することとした。一方、この実温度の変化度のみでも全てのケースで対応できないこともあり得るため、理想温度を設定し、実温度の変化量の閾値とする第一の本発明を第二の本発明と組み合わせることも可能である。

0022

また、第二の本発明の前記温度測定手段による実温度の測定は、所定時間ごとに所定時間実行しても良く、
前記温度測定手段による実温度の測定は、前記回転部材の動作ごとに各動作時間中に実行しても良い。

0023

実温度は、加工時間ごとに測定するケースや、各加工ごと(例えばエンドミルにおける穿孔加工の各加工ごとや側面加工の各パスごと)に測定するケースが考えられる。

0024

また、前記温度測定手段で測定される実温度は、各測定時間中の最高温度実温度値として設定されることが好ましい。

0025

また、前記温度変化検出手段は、測定された実温度とそれまでに測定された実温度との変化率を前記変化度として算出し、
前記限界温度検知手段では、算出された変化度が予め設定された閾値を超えたか否かを検知する。

0026

検出される実温度の変化度として、実温度の変化率の限界を閾値として設定することも考えられる。

0027

また、前記温度変化検出手段は、測定された実温度とそれまでに測定された実温度との温度差を前記変化度として算出し、
前記限界温度検知手段では、算出された変化度が予め設定された閾値を超えたか否かを検知しても良い。

0028

検出される実温度の変化度として、上述したような実温度の変化率でみる場合以外にも、例えば1回前(または数回前)との差や数回分の平均との差など、現在の実温度とそれまでに測定された実温度との温度差の限界を閾値として設定することも考えられる。

0029

さらに、前記温度変化検出手段は、各所定時間又は各動作時間あたりの前記実温度の積分値を前記変化度として算出し、
前記限界温度検知手段では、算出された変化度が予め設定された閾値を超えたか否かを検知しても良い。

0030

温度の変化度を実温度の積分値の限界を閾値として設定することも考えられる。実際の測定データでは、温度が常に上昇している場合だけではなく、上昇・下降を繰り返しながら全体傾向としては温度上昇しているようなケースもあり、このような場合に特に好適である。

0031

また、第一および第二の本発明ともに、前記限界温度を検知したときに警告信号発信してもよい。

0032

さらに、前記限界温度を検知したときに、前記回転部材の回転を減速又は停止するように制御することが好ましい。

0033

限界温度を検知し、破断等の予兆と判断されたときには、回転部材を減速したり停止したりする制御を行うことで、実際に工具の破断等を事象の発生前に回避することができ、工具の破断等による交換時間ロスを低減することができる。

0034

また、前記温度測定手段は、前記回転部材に配設してされた、その温度を測定する温度測定素子と、該温度測定素子から温度測定手段を用いて生成された温度測定結果を送信する送信手段とを備える、ことができる。

0035

また、前記回転部材は、たとえば、エンドミル、タップ、ドリル又は摩擦攪拌溶接用の回転ツールであり、これにより固定された加工対象物を加工する、ことが好ましい。

0036

また、他の第一の本発明は、回転軸を中心に回転自在な金属製の回転部材を把持して、該回転部材と協動して同軸回転する回転装置において前記回転部材に当接して前記回転部材を加工する治具の温度測定装置であって、
前記治具の理想温度を設定する理想温度設定手段と、
前記治具の実温度を測定する温度測定手段と、
該温度測定手段で測定された実温度と、その時点における前記理想温度設定手段で設定された理想温度との差が、予め設定された閾値を超えているか否かを検知する検知手段と、
を備える。

0037

また、第二の本発明では、
回転軸を中心に回転自在な回転部材を把持して、該回転部材と協動して同軸回転する回転装置において前記回転部材に当接して前記回転部材を加工する治具の温度測定装置であって、
前記治具の実温度を測定する温度測定手段と、
前記温度測定手段で測定された実温度の変化度を検出する温度変化検出手段と、
前記温度変化検出手段で検出された実温度の変化度が予め設定された条件を超えているか否かを限界温度として検知する限界検知手段と、
を備える。

0038

回転部材が加工対象物であって、固定された加工治具自体を上記温度上昇による破断等の予兆検出にも利用することができる。

0039

前記加工治具は、たとえば、バイト又はバイトである。

発明の効果

0040

本発明の温度測定装置によれば、金属製の工具等の回転部材の破断等の摩擦摩耗の限界について、その温度上昇に注目して回転作動中にリアルタイム予知(検知)することで、工具等の破損や過大な摩耗を防止するとともに交換時間ロスやワークの二次的損傷を防止することができる。

図面の簡単な説明

0041

本発明の温度測定装置を備える加工装置(エンドミル装置)を示した例示図であり、左図は加工装置の縦方向の略断面図であり、右図は加工装置の写真図である。
温度測定手段で測定された切削工具の温度を示す電気信号の流れの一例を示すブロック図である。
本実施形態におけるエンドミルの温度測定方法の一例について説明したフロー図である。
加工対象物(被削材)をエンドミルでドライ加工およびMQL加工した場合のエンドミル内部の実測温度及び理想温度(算出温度)と加工時間との関係、実測温度と理想温度との差と、その差の限界を示すしきい値(閾値)とを示したグラフ図であり、左図はドライ加工時、右図はMQL加工時(MQL:エンドミルに油剤供給する加工)を示している。
ドライ加工時のエンドミルの温度上昇と、進行方向(Y方向)の切削力の上昇との経時的な違いについて説明したグラフ図である。
MQL加工時のエンドミルの温度上昇と、進行方向(Y方向)の切削力の上昇との経時的な違いについて説明したグラフ図である。
加工対象物(被削材)をエンドミルでMQL法(MQL法:エンドミルに油剤供給する加工)により側面加工をした場合のエンドミル内部の実測温度と加工時間との関係を示すグラフ図であり、(a)は1回の側面加工(=1パス)を単位時間として、パス数と工具の内部温度との関係を示しており、(b)は1パス目図7(a)の(1)参照)での時間と工具内部温度との関係を示しており、(c)は124パス目(図7(a)の(2)参照)での時間と工具内部温度との関係を示している。
加工対象物をエンドミルでドライにより側面加工をした場合のエンドミル内部の実測温度と加工時間との関係を示すグラフ図であり、1回の側面加工(=1パス)を単位時間として、パス数と工具の内部温度との関係を示しており、工具内部温度は各パスでの最高温度が表示されている。
加工対象物をエンドミルで水溶性油剤供給により溝加工した場合のエンドミル内部の実測温度と加工時間との関係を示すグラフ図であり、1パスを単位時間として、パス数と工具の内部温度との関係を示している。
加工対象物(被削材)を水溶性油剤供給による穿孔加工をした場合のエンドミル内部の実測温度と加工時間との関係を示すグラフ図であり、1回の穿孔加工(=1加工)を単位時間として、加工数と工具の内部温度との関係を示している。
加工対象物(被削材)を水溶性油剤供給による穿孔加工をした場合のエンドミル内部の実測温度と加工時間との関係を示すグラフ図である。

発明を実施するための最良の形態

0042

図1は、第一および第二の本発明の温度測定装置を備える加工装置(エンドミル装置)を示した例示図であり、左図は加工装置の縦方向の略断面図であり、右図は加工装置の写真図である。なお、図1の加工装置では、工具としてエンドミルを使用しているが、工具はエンドミル以外のドリル、タップ、摩擦攪拌接合用の回転ツールであってもよい。

0043

図1では、回転部材としてエンドミルを使用する場合における第一の本温度測定装置を有する加工装置が示されており、右図に示すように、第一の本温度測定装置は、軸回転する本体部としての主軸と、主軸の下端で同一軸線上に連結されて主軸と協動回転する筒状のツールホルダとを有しており、ツールホルダはその下端で同一軸線上にエンドミルを把持し、エンドミルは主軸と協動回転する。また、本温度測定装置は、図1左図のように温度測定手段として、熱電対と、熱電対からの信号を処理する電子基板と、電子基板で処理した信号を外部送信する送信機(送信手段)と、電源供給部(図示しない)とを備えている。電子基板には、熱電対からのアナログ信号増幅する増幅器と、増幅されたアナログ信号をデジタル信号に変換するA/D変換器と、が備えられている。

0044

また、ホルダには、軸方向に延びて下端で開放する中空空間が設けられ、その外周部から中空空間に連通する連通孔が形成されている。図示しないが連通孔は、ホルダの軸長方向に対して略直交する方向に延びるようにして形成されている。なお、ツールホルダの先端付近には、コレットナットがホルダが組み込まれており、エンドミルをツールホルダの先端で保持している。

0045

また、エンドミルにも軸方向に延びる中空孔が設けられ、ここでは、中空孔は上端から下端まで貫通させているが、本明細書で貫通孔とは上端から下端に至る途中まで穴あけした半貫通孔の状態をも含んでいる。

0046

温度測定装置での温度測定素子(温度測定手段)としては、熱電対、サーミスタ、及び、白金測温抵抗体等であって、エンドミルの貫通孔に装着可能に構成されている。温度測定素子は、貫通孔の下部に装着された状態で、ツールホルダと同軸で回転するエンドミルの温度をリアルタイムで測定可能となっている。そして、温度測定素子は、上述する電子基板、外部の受信機を介してデータ収集解析用パソコン送信可能に構成されている。

0047

電子基板(マイコン)とA/D変換器と増幅器と送信機は、ツールホルダの内部または外周部に設けられている。電子基板からの信号は、送信機を介してエンドミルの温度をリアルタイムで受信機に無線または有線により送信する。送信機は、データ収集・解析用PCに接続されて、エンドミルの温度データを収集解析する。

0048

図2は、温度測定部で測定された切削工具の温度を示す電気信号の流れの一例を示すブロック図である。この例では、熱電対からの電気信号の流れを示している。図2中の各矢印は、熱電対で測定されたエンドミルの温度を示す電気信号の流れであって、信号伝送路形式によって有線方式実線で示し、無線方式破線で示している。この例では、接点補償回路電位増幅部、A/D(アナログデジタル)変換器、及び、デバイス制御回路で、温度受信部が構成されている。また、この例では、コントローラ及び無線通信デバイスで、送信部が構成されている。

0049

また、図2に示すように、この例では、無線受信記録出力装置外部ユニットが構成されている。無線受信・記録出力装置は、電気信号の流れに沿って上流側から下流側に、無線受信デバイスシリアル・USB(Universal Serial Bus)変換器、パーソナルコンピュータ等の記録・演算装置、及び、ディスプレイプリンタ等の出力装置を備えている。また、図2中の破線で示す無線受信デバイス間の無線通信規格は、Wi-Fi(Wireless Fidelity)、Blue-tooth(ブルートゥース)、無線LAN(Local Area Network)、及び、ZigBee(ジグビー)等を使用可能である。

0050

次いで、図3を参照しながら、本実施形態におけるエンドミルの温度測定方法の一例について説明する。温度測定方法の一例としては、ツールホルダを準備する工程S1、ツールホルダ2の先端にエンドミルを装着する工程S2、エンドミルの中空孔に温度測定素子を装着する工程S3、温度測定素子を用いて、ツールホルダと同軸で回転するエンドミルの温度を測定する工程S4、温度測定素子の測定結果を電子基板(増幅器、A/D変換器、マイコン)で受信する工程S5、を順に行うことによる温度測定方法を挙げることができる。

0051

ツールホルダ内部に温度計測ユニットを配置し、それと接続した熱電対等の温度測温素子を、エンドミル先端の切削刃近傍に、内部軸方向に形成した細穴を利用して挿入し、温度測定素子をエンドミルと加工対象物との接触面の温度の両者の摩擦熱により生じた昇温観測に適した位置まで到達させることにより、エンドミルの到達温度、つまり加工中のエンドミル先端温度を取得することができ、加工現場の温度の真値に極めて近い値として得ることができる。

0052

さらに、旋回中のエンドミル内部に設置した温度測定素子とこれに電気的に接続した送信機を以って、温度計測結果パソコン(データ収集・処理用端末)に送信することにより、リアルタイムに正確な工具温度モニタリングすることができるとともに、温度の時間的推移を解析することによって、エンドミルの破損に繋がる予兆として認識する。次に、実際に測定した工具の実測温度を解析し、破断の予兆を検知する方法について説明する。

0053

図4は、加工対象物(被削材)をエンドミルでドライ加工およびMQL加工した場合のエンドミル内部の実測温度及び理想温度(算出温度)と加工時間との関係、実測温度と理想温度との差と、その差の限界を示すしきい値(閾値)とを示したグラフ図であり、左図は
ドライ加工時、右図はMQL加工時(MQL:エンドミルに油剤供給する加工)を示している。なお、切削条件、被削材、エンドミルについては、図4の各グラフ図の下に示している。また、理想温度は図4下段に示す予め算出された算出式によりリアルタイムに算出されるものである。閾値は、予め設定される固定値である。

0054

図4左図のドライ条件では、9.0S付近から実測温度が理想温度から離れて増加し始め、実測温度が10.8S付近から急激に上昇し、11.0Sで破断していることがわかる。この図からエンドミルが破断より所定時間前t(=1.0S弱)からの実測温度と理想温度との差を検知すれば、破断の予兆を検知することができることが理解される。具体的には図3の左図の場合、実測温度と理想温度との差の閾値を所定温度(20℃)に設定しておけば、破断の1.0S程度前に破断予兆ができる。本温度測定装置では、この閾値を超えたときに警告信号を発信することとしている。好ましくは、加工装置の回転を停止するよう制御する。

0055

図4右図のMQL条件では、21.0S付近から実測温度が理想温度から離れて増加し始め、実測温度が24.1S付近から大きく上昇し、26.0S前後で破損(破断まではいたっていない)し、その後、実測温度が大きく低下している。この図からエンドミルが破損より所定時間前t(=2.0S弱)からの実測温度と理想温度との差を検知すれば、破損の予兆を検知することができることが理解される。具体的には図3の右図の場合、実測温度と理想温度との差の閾値を所定温度(50℃)に設定しておけば、破断の2.0S程度前に破損予兆ができる。本温度測定装置では、この閾値を超えたときに警告信号を発信することとしている。より好ましくは、加工装置の回転を停止するよう制御する。

0056

これらから加工条件を変更しても金属材料の工具において、実測温度と理想温度との差に閾値を設け、これを限界条件として検知すれば、摩擦摩耗による破損・破断の予兆を検知し、事前に装置の作動制御をして破損・破断を防止することができることが理解される。このことは、エンドミル以外の上記金属製の回転部材(工具)でも同様であることが検証された。また、破断・破損まで至らない場合であっても耐用限度を超え、交換を要するような工具であっても同様に検知できることが検証されている。

0057

次に、図5図6には、異なる条件におけるドライ加工時とMQL加工時のエンドミルの温度上昇と、進行方向(Y方向)の切削力の上昇との経時的な違いについて説明する。

0058

回転型の加工装置の場合は、工具の進行方向(Y方向)の切削力を測定できる。この進行方向(Y方向)の切削力は、工具の破断・破損直前に急激に上昇する。したがって、この切削力を測定すれば破断・破損の予兆を検知できる。ただし、切削力の変化は、破断等の直前の短時間に急激に生じるため検知できても装置の停止等の制御が間に合わないケースも考えられる。これに対して、温度上昇の方が切削力上昇よりも早い段階で検出される場合が多く、その意味で本温度測定装置のように温度上昇で破断等を予知する方法の方がより事前に装置の作動制御をすることができる場合が多い。このことの検証結果は、図5図6のとおりである。

0059

図5のドライ加工の場合は、1秒、図6のMQL加工の場合は、2秒ほど工具の進行方向(Y方向)の切削力よりも温度上昇の方が破断等の予兆を早く検知できることがわかる。

0060

次に第二の本発明の温度測定装置において、実際に測定した工具の実測温度を解析し、破断の予兆を検知する方法について説明する。第二の本温度測定装置を有する加工装置は図1図3と同様であり、説明を省略する。
図7は、加工対象物(被削材)をエンドミルでMQL法(MQL法:エンドミルに油剤供給する加工)により側面加工をした場合のエンドミル内部の実測温度と加工時間との関係を示すグラフ図であり、(a)は1回の側面加工(=1パス)を単位時間として、パス数と工具の内部温度との関係を示しており、(b)は1パス目(図7(a)の(1)参照)での時間と工具内部温度との関係を示しており、(c)は124パス目(図7(a)の(2)参照)での時間と工具内部温度との関係を示している。なお、図7(a)〜(c)に示すように工具内部温度は各パスでの最高温度が表示されている。

0061

なお、図7実験例では、エンドミルとしては、SUS304材料のφ5コーテッドハイスエンドミルを用いており、切削速度Vc=80m/min,1刃あたりの送り量fz=0.02mm,半径方向の切込み深さae=1.25mm,軸方向の切込み深さap=7.5mmを切削条件とした。

0062

図7(b)を参照すれば、エンドミルに油剤供給されるため各パスごとの工具内部温度は、最初は室温近似の温度から上昇し、最高温度に到達し(図7(b)では約200℃)、概ね温度変化せず、加工が終了すると温度が下降しているのがわかる。

0063

図7(a)に示すようにパス(図中丸印)を繰り返しても100パス程度までは緩やかな温度上昇をするが、110〜120パスでやや大きく温度上昇し、120パスを超えたあたりでより急激に温度上昇し、124パスで工具が破断している。図7(c)に示すように最後の124パスでの工具内部温度は、最高温度は約400℃であり途中までは他のパス同様に温度上昇は見られないが、18secあたりから急激に温度上昇し、一気に破損していることがわかる。したがって、このパス内での温度上昇を検知しても破断まで時間が短く破断予測指標としては望ましくない。

0064

また、上述する第一の本発明の温度測定装置の場合、図7(a)に示すような工具内部温度の各パスごとの最高温度が所定温度以上上昇した際に破断前と判断する考え方であるが、図7(a)のような例の場合、110〜120パスあたりでは温度上昇量自体はそれほど大きくないため、どの温度を閾値とするかの判断が難しい。閾値を小さくすると測定精度や実際の切削時の誤差を考慮すると、破断と無関係のときまで破断前兆と判断してしまうおそれがある。その反面、閾値を大きくすると120パスを超えた状態まで破断前兆を捉えることができないこととなり、最後のパス又はその直前で一気に温度上昇し破断に至るような場合に閾値を設定してしまうと破断予測できないこともあり得る。

0065

一方、図7(a)の例では、100パスを超えたあたりから明らかに温度上昇率(温度の変化度)が大きく変わっている。実温度の上昇量よりも温度の変化度の方が大きくなっていることがわかる。第二の本発明の温度測定装置では、この温度の変化度の上昇を破断前兆と捉えて検出することとしている。温度の変化度の捉え、所定以上の変化度を検出したときこれを限界温度と判断する具体的な手法については後述する。

0066

次に、他の実験例について検証する。
図8は、加工対象物をエンドミルでドライにより側面加工をした場合のエンドミル内部の実測温度と加工時間との関係を示すグラフ図であり、図7(a)と同様に1回の側面加工(=1パス)を単位時間として、パス数と工具の内部温度との関係を示しており、工具内部温度は各パスでの最高温度が表示されている。
なお、図8の実験例では、ドライによる側面加工である以外の切削条件は図7の例と同様である。

0067

図8に示すようにパス(図中丸印)を繰り返すと25パス程度までは緩やかな温度上昇をする。図7(a)よりは上昇率が高いがこれはドライ条件のため冷却効率が低下していることが原因と考えられる。その後、25パスを超えると急激に温度上昇し、28パスで工具が破断している。

0068

図8の例では、20パスを超えたあたりから明らかに温度上昇率(温度の変化度)が大きく変わっており、実温度の上昇量よりも温度の変化度の方が大きくなっていることがわかる。従って、この例でも温度の変化度の上昇を破断前兆と捉えて検出することとし、所定以上の変化度を検出したときこれを限界温度と判断することができる。

0069

図9は、加工対象物をエンドミルで水溶性油剤供給により溝加工した場合のエンドミル内部の実測温度と加工時間との関係を示すグラフ図であり、図7(a)、図8と同様に1パスを単位時間として、パス数と工具の内部温度との関係を示している。なお、図9の実験例では、水溶性油剤供給による溝加工である以外の切削条件は図7図8の例と同様である。

0070

図9に示すように、パス(図中丸印)を繰り返すと、85パス程度までは緩やかな温度上昇を経て、その後、急激に温度上昇し、90パスで工具が破断している。

0071

図9の例では、緩やかな温度上昇期に一端、温度低下したりする例であり、特に実温度そのものの上昇量だけで閾値を設けると破断前兆を予測し難い例であるため、温度の変化度のみならず、実温度の上限に閾値を設けたり、第一の本発明のように理想温度との差を検出して所定閾値の範囲内かの判定する方法と組み合わせることも考えられる。

0072

図8の例では、20パスを超えたあたりから明らかに温度上昇率(温度の変化度)が大きく変わっており、実温度の上昇量よりも温度の変化度の方が大きくなっていることがわかる。従って、この例でも温度の変化度の上昇を破断前兆と捉えて検出することとし、所定以上の変化度を検出したときこれを限界温度と判断することができる。

0073

図10は、加工対象物(被削材)を水溶性油剤供給による穿孔加工をした場合のエンドミル内部の実測温度と加工回数(穿孔加工数)との関係を示すグラフ図であり、1回の穿孔加工(=1加工)を単位として、加工数と工具の内部温度との関係を示している。なお、図10に示すように工具内部温度は各加工工程中の最高温度が表示されている。

0074

なお、図10の実験例では、ドリルによる穿孔加工であり、ドリルとしてはSUS304材料のφ10コーテッドハイスドリルを用いており、切削速度Vc=15m/min,1回転あたりの送り量f=0.15mm/rev,深さd=1.5mmを切削条件とした。

0075

図10に示すように加工(図中丸印)を繰り返しても加工数90程度までは緩やかな温度上昇をするが、加工数90で一気に温度上昇し、破断している。

0076

図11は、図10と同様に加工対象物(被削材)を水溶性油剤供給による穿孔加工をした場合のエンドミル内部の実測温度と加工回数(穿孔加工数)との関係を示すグラフ図であり、ドリルとしてはSUS304材料のφ8コーテッドハイスドリルを用いており、切削条件として切削速度Vc、1回転あたりの送り量fも同様であるが,深さdは12mmである。

0077

図11に示すように加工(図中丸印)を繰り返しても加工数11程度までは緩やかな温度上昇をするが、加工数12〜13で一気に温度上昇し、破断している。

0078

次に、温度変化の変化度の具体的算出方法について例示する。ここでは、
(1)測定された実温度とそれまでに測定された実温度との変化率を変化度として算出する方法
(2)測定された実温度とそれまでに測定された実温度との温度差を前記変化度として算出する方法
(3)各所定時間又は各動作時間あたりの実温度の積分値を前記変化度として算出する方法
が例示される。

0079

以上、本発明の実施形態について図面に基づいて説明したが、具体的な構成は、これらの実施形態に限定されるものではない。本発明の範囲は、上記した実施形態の説明ではなく特許請求の範囲によって示され、更に特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。

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