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工作機械産業
砥石表面形状の定量化に貢献する技術の研究・開発
研削加工で重要となるのがドレッシングであるが、ドレッシングの良しあしで砥石表面が異なるため、仕上げ面粗さや研削抵抗が変わってくる。しかし砥石表面形状を定量化できないため、ドレッシングの良しあしは作業者の技量に依存している。そこで、砥石表面上にどのような切れ刃が形成されているかを定量化することを目的として、電荷結合素子(CCD)カメラでの観察とレーザー変位計での測定の二つが研究・開発されているので、それぞれについて紹介する。
CCDカメラによる砥石表面の観察
砥石表面を画像で観察する方法として実用化されているのが、ナガセインテグレックスと佐世保工業高等専門学校の川下智幸教授と坂口彰浩教授が共同開発した砥石表面観察装置「GRIDE EYE」である。これは砥石表面を観察するカメラと照明が一体になったカメラユニットと、照明用電源、砥石の原点信号を取り込む光電センサー、カメラに撮影タイミングの指示を出す信号処理ユニット、学習用パソコン(PC)で構成されている。
単独の装置であるため、他社の研削盤にも取り付けることができる。カメラユニットはテーブルチャックに置いて使用できるポータブルタイプである。カメラは150万画素のものを用いている。画像から砥粒がどのくらいあるかを定量的に判断できるため、しきい値を設定しておけば、ドレッシングの終了タイミングの目安とすることができる。
また研削前後の同一位置での画像を比較することができる。そのため、画像の差分を取ることで砥石表面の砥粒が摩耗していないか、あるいは砥粒と砥粒の間に目づまりが生じていないかを判断でき、再ドレッシングの必要性を明確化できる。現在広く使われている人工知能(AI)技術の一つである機械学習は画像処理と相性がよいため、今後は砥石面の見た目だけで再ドレッシングの時期を見極められるようになると考えられる。
レーザー変位計による砥石表面の3D測定
筆者は日本大学の内田元助教と東京ダイヤモンド工具製作所とともに、ダイヤモンド砥石のドレッシングの自動化技術を開発している。この自動化技術でキーとなるのが砥石表面形状の3次元(3D)計測である。
図1に試作した自動ツルーイング・ドレッシング装置の概略図を示す。これは汎用旋盤をベースに試作した。ドレッシングの対象となる砥石は軸付きダイヤモンド砥石(軸付き砥石)とした。軸付き砥石は旋盤の主軸に取り付け回転させた。
一方、旋盤の刃物台には試作したロータリードレッサーを取り付けた。ロータリードレッサーにはツルーイング用とドレッシング用の2枚の砥石を用い、刃物台を軸付き砥石に対して45度傾斜させることで、2枚同時に取り付けても別々に使用できるようにした。また、刃物台を自動で駆動するため、切り込み軸と送り軸にそれぞれステッピングモーターを設置した。
次に軸付き砥石とロータリードレッサーの接触検知のため、刃物台にアコースティック・エミッション(AE)センサーを取り付けた。これにより、軸付き砥石とロータリードレッサーの接触を自動で検知でき、ツルーイングおよびドレッシングの開始位置まで自動で移動させることができる。
また旋盤の横送り台には砥石径を測定するためにデジタルマイクロスコープを取り付けた。さらに横に、砥石表面を測定するためのレーザー変位計を取り付けた。測定は回転させた軸付き砥石に対して、砥石幅方向に送りながら行った。測定した砥石全面の高さ情報から砥石表面の3D分布図が得られる。なお、砥石表面の測定時には、旋盤主軸の後端に取り付けたロータリーエンコーダーの信号を同時に取得するようになっている。
前述したロータリードレッサーの移動、接触検知、砥石径測定、砥石表面測定の四つの機能を一つのプログラムで制御し、ツルーイングおよびドレッシングを自動化できる装置を試作した。
図2にツルーイングおよびドレッシング時のロータリードレッサーの動作を示す。本装置で行うツルーイングおよびドレッシングの流れは次のとおりである。
まず、ロータリードレッサーのツルーイング砥石を回転させながら軸付き砥石に近づける。このとき、ツルーイング砥石と軸付き砥石の接触をAEセンサーで検知する。砥石同士が接触してAE波が検出されたらロータリードレッサーの移動を停止する。ここで、ドレッサーを軸付き砥石から切り込み方向に0・5ミリメートル手前に離したところをツルーイング開始位置とする。これは、軸付き砥石表面に大きな凹凸があった場合、凸部で砥石同士が強く接触することを防ぐためである。
その後、ドレッサーを軸付き砥石の幅方向に往復させながら、同時に一定速度で切り込み続ける。事前に指定した往復回数のツルーイングが終了すると、ドレッサーを退避させ、デジタルマイクロスコープで砥石径を測定する。
図3に撮影した軸付き砥石を示す。これを2値化することで軸付砥石の砥石部を検出し、画像中の砥石部のピクセル数をカウントすることで砥石径を算出する。得られた砥石径と目標として設定した砥石径を比較し、目標の砥石径に達していなければ再度ツルーイングを行い、目標の砥石径に達していればツルーイングを終了する。
ツルーイング後はドレッシングに移行する。ドレッシングはツルーイングと同様の動作をドレッシング用砥石で行う。ドレッシング後、レーザー変位計で砥石表面の測定を行う。図4が得られた砥石表面の3D分布図である。砥石表面を0マイクロメートルとし、軸中心に向かうほど負の値となるように示している。砥面の凹凸が大きく、砥粒が突出している様子がわかる。
メタルボンド砥石の場合、ドレッシングはボンド部を除去しているため、相対的に砥粒を突き出させている。そのため、ドレッシング砥石が砥石面を往復するたびに少量ずつボンド部が除去され、ボンド部が低くなり、砥粒突き出し量が増加したものと考えられる。この砥粒突き出し量が目標値に達していなければ再度ドレッシングを行い、目標値に達していればドレッシングを終了する。
砥粒突き出し量の違いと研削抵抗
砥石表面状態の違いが研削抵抗に及ぼす影響を調べてみた。ドレッシング往復回数を0(ドレッシングなし)、1、10、20往復の4条件で比較した。工作物を三成分動力計を介して工作機械のテーブルに取り付け、平面研削を繰り返した際の法線抵抗を測定した。工作物には長さ87ミリメートルのS25Cを使用し、主軸回転数毎分3000、送り速度毎分300ミリメートル、切り込み量1往復当たり0・04ミリメートルとし、14往復研削した。また、2往復ごとに砥石表面形状の測定を同一機上で行った。
図5(a)に砥粒突出し量の測定結果を示す。ドレッシング0往復の結果がもっとも砥粒突き出し量が小さく、ドレッシング往復回数が多いほど加工を継続しても砥粒突き出し量が大きいことがわかる。
一方、図5(b)に加工時の法線抵抗の結果を示す。ドレッシング往復回数が多いほど加工時の抵抗が小さいことがわかる。また、ドレッシング0往復と1往復の結果を比較すると、初期の抵抗に大きな差はない。
しかし、ドレッシング0往復では抵抗が上がり続け、研削6往復目に研削焼けが発生したのに対して、ドレッシング1往復では研削抵抗が砥石幅1ミリメートル当たり9ニュートン程度でとどまりそれ以降も続けて研削ができた。これより、往復回数が少なくてもドレッシングの効果が表れることがわかった。
また、ドレッシング20往復したものは抵抗の上昇が緩やかであり、往復回数が多いほど抵抗が低い状態を長期間維持できることがわかった。
研削抵抗はいわゆる切れ味の指標であり、抵抗が小さければ送り速度を上げるなどして加工能率を上げることができる。この研削抵抗に影響する砥粒突き出し量を定量化することで、ドレッシング条件などを最適化できるようになるものと期待している。
【執筆】
日本大学
理工学部 機械工学科
教授 山田 高三
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