JP6049476B2 - 切削加工温度の測定方法 - Google Patents

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Description

本発明は、切削加工時の工具の温度を測定する方法に関する。
一般に、切削加工の際には、（１）被削材の剪断変形、（２）すくい面上での摩擦、（３）逃げ面での摩擦、等によって熱が発生する。この熱は、工具や被削材の温度を上昇させる。その結果、工具の熱的磨耗が生じたり、被削材の仕上面品位に悪影響が生じたりする。
しかし一方で、被削材が温度上昇することには、切削抵抗が低下するという利点や、構成刃先が低減するという利点もある。
従って、切削加工時の工具の温度を把握することは、切削加工を最適に行うために重要である。
特に、近年においては、超精密切削加工の分野において、単結晶ダイヤモンド工具が用いられている。単結晶ダイヤモンド工具は、６００℃程度の耐熱性しかないため、切削温度について、より一層の管理が必要である。
また、融点が低い樹脂等の被削材に切削加工を施す場合、切削温度を相応の低温（１００〜２００℃）に抑える必要がある。一方で、切削温度を抑えるために切削速度を抑制し過ぎると、凝着や構成刃先を生じてしまうという問題がある。
従って、単結晶ダイヤモンド工具が用いられる場合や樹脂等の被削材に切削加工を施す場合に、切削加工時の工具の温度を把握することは、切削加工を最適に行うためにより一層重要である。
切削加工時の工具の温度を把握するために、従前は、（１）輻射温度計を用いる方法、（２）工具と被削材とを熱電対として利用する方法、が利用されている。例えば、（２）の方法を採用した切削試験器が、特開２００６−１０２８６４号公報に記載されている。
（２）の方法による温度測定の原理を、図４に示す。工具５２と被削材５３とが熱電対を形成することで、切削加工時の工具５２の温度を測定することができる。具体的には、切削加工装置５０において、被削材５３はチャック５１、水銀層５４及びリード線６１を介して電圧測定部６５に接続されており、一方、工具５２もリード線６２を介して電圧測定部６５に接続されており、両者の間の熱起電力が測定されるようになっている。
特開２００６−１０２８６４
しかしながら、単結晶ダイヤモンド工具が用いられる場合には、当該工具が絶縁体であるため、前記（２）の方法が採用できない。同様に、樹脂等の被削材に切削加工を施す場合にも、当該被削材が絶縁体であるため、やはり前記（２）の方法が採用できない。一方、前記（１）の方法は、温度測定精度の点で十分でない。
本発明は、以上の知見に基づいて創案されたものである。本発明の目的は、単結晶ダイヤモンド工具が用いられる場合や樹脂等の被削材に切削加工を施す場合であっても、切削加工時の工具の温度を高精度に測定できる方法を提供することにある。
本発明は、導電性を有するシャンクと、前記シャンクに銀ろうによって固定された、導電性を有しない工具と、を備えた切削加工装置による切削加工温度を測定する方法であって、前記シャンクに第１のリード線を接続する工程と、前記銀ろうに第２のリード線を接続する工程と、前記第１のリード線と前記第２のリード線との間に生じる熱起電力を測定する工程と、を備えたことを特徴とする切削加工温度の測定方法である。
本発明によれば、工具自体が導電性を有しない場合において、当該工具を固定する銀ろうが導電性を有することを利用し、当該銀ろうと導電性を有するシャンクとの間で生じる熱起電力を測定することによって、切削加工温度を測定することができる。従って、例えば単結晶ダイヤモンド工具のような絶縁体工具が用いられる場合であっても、切削加工時の工具の温度を高精度に測定できる。また、本発明は、被削材が導電性である必要もないため、樹脂等の被削材に切削加工を施す場合にも有効である。
本発明において、測定された熱起電力に基づいて対応する切削加工温度を算出する工程を更に備えることが好ましい。この場合、切削加工温度の把握が容易である。例えば別の温度測定実験等によって換算式を確立しておき、当該換算式を適用することで、測定された熱起電力（電圧値）を切削加工温度に変換することができる。
本発明は、導電性を有しない工具として単結晶ダイヤモンド工具が用いられる場合に、特に有効である。なぜなら、単結晶ダイヤモンド工具は、きわめて熱伝導率が高いため、当該単結晶ダイヤモンド工具を固定する銀ろう部分の温度を、当該単結晶ダイヤモンド工具の温度として同視可能であるからである。
また、導電性を有するシャンクは、通常は超硬材で形成されている。より具体的には、例えばＳＫ材で形成され得る。
また、本発明は、以上のような測定方法を直ちに実施できるように構成された切削加工装置である。すなわち、本発明は、導電性を有するシャンクと、前記シャンクに銀ろうによって固定された導電性を有しない工具と、前記シャンクに接続された第１のリード線と、前記銀ろうに接続された第２のリード線と、前記第１のリード線と前記第２のリード線とに接続され両者の間に生じる熱起電力を測定する電圧測定部と、を備えたことを特徴とする切削加工装置である。
この場合、測定された熱起電力に基づいて対応する切削加工温度を算出する温度算出部を更に備えることが好ましい。
あるいは、本発明は、シャンクと、前記シャンクに銀ろうによって固定された、導電性を有しない工具と、を備えた切削加工装置による切削加工温度を測定する方法であって、前記銀ろうにそれぞれ第１のリード線と第２のリード線とを接続する工程と、前記第１のリード線と前記第２のリード線との間に生じる熱起電力を測定する工程と、を備えたことを特徴とする切削加工温度の測定方法である。
本発明によれば、工具自体が導電性を有しない場合において、当該工具を固定する銀ろうが導電性を有することを利用し、当該銀ろうに生じる熱起電力を測定することによって、切削加工温度を測定することができる。従って、例えば単結晶ダイヤモンド工具のような絶縁体工具が用いられる場合であっても、切削加工時の工具の温度を高精度に測定できる。また、本発明は、被削材が導電性である必要もないため、樹脂等の被削材に切削加工を施す場合にも有効である。
本発明においても、測定された熱起電力に基づいて対応する切削加工温度を算出する工程を更に備えることが好ましい。この場合、切削加工温度の把握が容易である。例えば別の温度測定実験等によって換算式を確立しておき、当該換算式を適用することで、測定された熱起電力（電圧値）を切削加工温度に変換することができる。
本発明は、工具として単結晶ダイヤモンド工具が用いられる場合に、特に有効である。なぜなら、単結晶ダイヤモンド工具は、きわめて熱伝導率が高いため、当該単結晶ダイヤモンド工具を固定する銀ろう部分の温度を、当該単結晶ダイヤモンド工具の温度として同視可能であるからである。
また、シャンクは、通常は超硬材で形成されている。より具体的には、例えばＳＫ材で形成され得る。
また、本発明は、以上のような測定方法を直ちに実施できるように構成された切削加工装置である。すなわち、本発明は、シャンクと、前記シャンクに銀ろうによって固定された、導電性を有しない工具と、前記銀ろうにそれぞれ接続された第１のリード線及び第２のリード線と、前記第１のリード線と前記第２のリード線とに接続され、両者の間に生じる熱起電力を測定する電圧測定部と、を備えたことを特徴とする切削加工装置である。
この場合、測定された熱起電力に基づいて対応する切削加工温度を算出する温度算出部を更に備えることが好ましい。
本発明によれば、工具自体が導電性を有しない場合において、当該工具を固定する銀ろうが導電性を有することを利用し、当該銀ろうと導電性を有するシャンクとの間で生じる熱起電力を測定することによって、切削加工温度を測定することができる。従って、例えば単結晶ダイヤモンド工具のような絶縁体工具が用いられる場合であっても、切削加工時の工具の温度を高精度に測定できる。また、本発明は、被削材が導電性である必要もないため、樹脂等の被削材に切削加工を施す場合にも有効である。
あるいは、 本発明によれば、工具自体が導電性を有しない場合において、当該工具を固定する銀ろうが導電性を有することを利用し、当該銀ろうに生じる熱起電力を測定することによって、切削加工温度を測定することができる。従って、例えば単結晶ダイヤモンド工具のような絶縁体工具が用いられる場合であっても、切削加工時の工具の温度を高精度に測定できる。また、本発明は、被削材が導電性である必要もないため、樹脂等の被削材に切削加工を施す場合にも有効である。
本発明の一実施の形態の切削加工装置の概略図である。 切削加工時間の経過に応じた熱起電力の測定結果を示すグラフである。 本発明の他の実施の形態の切削加工装置の概略図である。 従来の工具温度測定の原理図である。
以下に、添付の図面を参照して、本発明の実施の形態を詳細に説明する。
図１は、本発明の一実施の形態の切削加工装置の概略図である。本実施の形態の切削加工装置１０は、導電性を有するシャンク１１と、導電性を有しない工具１２と、を備えている。シャンク１１と工具１２とは、銀ろう１５によって固定されている。また、シャンク１１には第１のリード線２１が接続されており、銀ろう１５には第２のリード線２２が接続されている。第１のリード線２１と第２のリード線２２とは、両者の間に生じる熱起電力を測定するための電圧測定部２５に接続されている。さらに、本実施の形態の切削加工装置１０は、測定された熱起電力に基づいて対応する切削加工温度を算出する演算部（温度算出部）２８を更に備えている。
本実施の形態では、導電性を有しない工具１２として単結晶ダイヤモンド工具が用いられている。単結晶ダイヤモンド工具１２は、きわめて熱伝導率が高いため、当該単結晶ダイヤモンド工具１２を固定する銀ろう１５の温度を、当該単結晶ダイヤモンド工具１２の温度として同視可能である。また、導電性を有するシャンク１１は、ＳＫ材で形成されている。
本実施の形態によって行われる切削加工温度の測定、すなわち、熱起電力の測定は、切削加工中において継続的に行われてもよいし、適宜のサンプリング間隔を置いて間欠的に行われてもよい。継続的に測定が行われた場合の測定結果の一例が、図２に示されている。
図２は、先端半径が０．５Ｒである単結晶ダイヤモンド工具を用いて、無酸素胴を被削材として、４つの異なる切削加工条件（例えば４つの異なる切削速度）下で切削加工が行われた際の熱起電力の測定結果を示している。各切削加工条件における切削加工温度は、別の温度測定実験等によって得られていた換算式（例えば、測定電圧値×８３３（℃／ｍＶ））を適用することで、それぞれ、２５℃、１７℃、１５℃、８℃として把握することができる。
以上のように、本実施の形態によれば、単結晶ダイヤモンド工具１２自体は導電性を有しないが、当該単結晶ダイヤモンド工具１２を固定する銀ろう１５が導電性を有するため、当該銀ろう１５と導電性を有するシャンク１１との間で生じる熱起電力を測定することによって、切削加工温度を測定することができる。これにより、切削加工時の工具１２の温度を高精度に測定できる。また、本実施の形態は、被削材が導電性である必要もないため、樹脂等の被削材に切削加工を施す場合にも有効である。
また、本実施の形態によれば、実際に行われる切削加工条件下で切削加工温度が測定されるため、加工の種類毎に（旋削加工、ミーリング加工、ドリル加工、等）、更には、工具形状毎に（Ｒ形状、角形状、突っ切りなどの線形形状、等）、高精度な切削加工温度の測定が可能である。
なお、以上に説明した実施の形態では、切削加工装置１０として、予め第１のリード線２１、第２のリード線２２、電圧測定部２５及び演算部２８が設けられていたが、本発明はそのような態様に限定されない。本発明は、導電性を有するシャンクと、当該シャンクに銀ろうによって固定された導電性を有しない工具と、を備えた既存の切削加工装置に対して有効である。その場合、シャンクと銀ろうとに熱電対を形成させるために、シャンクに第１のリード線を接続する工程と、銀ろうに第２のリード線を接続する工程と、第１のリード線と第２のリード線とを熱起電力測定のための電圧測定装置に接続する工程と、が必要となる。
続いて、図３を用いて、本発明の他の実施の形態の切削加工装置について説明する。図３は、本発明の他の実施の形態の切削加工装置の概略図である。本実施の形態の切削加工装置１０’では、第１のリード線２１’と第２のリード線２２’とが、異種の金属材料からなる熱電対を構成し、銀ろう１５’にそれぞれ接続されている。
ここで、第１のリード線２１’と第２のリード線２２’とを銀ろう１５’に確実に接続するために、工具長さ方向の銀ろう１５’の幅（シャンク１１’と工具１２との間の切欠部の幅）は、０．５ｍｍ以上とされている（図１の実施の形態の場合には、０．１ｍｍ程度でもよい）。
本実施の形態のその他の構成は、図１に示した実施の形態と同様である。図３において、図１に示した実施の形態と同一の構成要素には同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する。
本実施の形態によっても、図１の実施の形態と同様の作用効果が得られる。また、本実施の形態は、シャンクが導電性を有しない場合においても有効である。
１０、１０’ 切削加工装置
１１、１１’ シャンク
１２ 工具
１５、１５’ 銀ろう
２１、２１’ 第１のリード線
２２、２２’ 第２のリード線
２５ 電圧測定部
２８ 演算部
５０ 切削加工装置
５１ チャック
５２ 工具（導電性を有する）
５３ 被削材（導電性を有する）
５４ 水銀層
６１、６２ リード線
６５ 電圧測定部

Claims (16)

  1. 導電性を有するシャンクと、
    前記シャンクに銀ろうによって固定された、導電性を有しない工具と、
    を備えた切削加工装置による切削加工温度を測定する方法であって、
    前記シャンクに第１のリード線を接続する工程と、
    前記銀ろうに第２のリード線を接続する工程と、
    前記第１のリード線と前記第２のリード線との間に生じる熱起電力を測定する工程と、を備えたことを特徴とする切削加工温度の測定方法。
  2. 測定された熱起電力に基づいて、対応する切削加工温度を算出する工程
    を更に備えたことを特徴とする請求項１に記載の切削加工温度の測定方法。
  3. 前記導電性を有しない工具は、単結晶ダイヤモンド工具である
    ことを特徴とする請求項１または２に記載の切削加工温度の測定方法。
  4. 前記導電性を有するシャンクは、超硬材で形成されている
    ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の切削加工温度の測定方法。
  5. 導電性を有するシャンクと、
    前記シャンクに銀ろうによって固定された、導電性を有しない工具と、
    前記シャンクに接続された第１のリード線と、
    前記銀ろうに接続された第２のリード線と、
    前記第１のリード線と前記第２のリード線とに接続され、両者の間に生じる熱起電力を測定する電圧測定部と、
    を備えたことを特徴とする切削加工装置。
  6. 測定された熱起電力に基づいて、対応する切削加工温度を算出する温度算出部
    を更に備えたことを特徴とする請求項５に記載の切削加工装置。
  7. 前記導電性を有しない工具は、単結晶ダイヤモンド工具である
    ことを特徴とする請求項５または６に記載の切削加工装置。
  8. 前記導電性を有するシャンクは、超硬材で形成されている
    ことを特徴とする請求項５乃至７のいずれかに記載の切削加工装置。
  9. シャンクと、
    前記シャンクに銀ろうによって固定された、導電性を有しない工具と、
    を備えた切削加工装置による切削加工温度を測定する方法であって、
    前記銀ろうにそれぞれ第１のリード線と第２のリード線とを接続する工程と、
    前記第１のリード線と前記第２のリード線との間に生じる熱起電力を測定する工程と、を備えたことを特徴とする切削加工温度の測定方法。
  10. 測定された熱起電力に基づいて、対応する切削加工温度を算出する工程
    を更に備えたことを特徴とする請求項９に記載の切削加工温度の測定方法。
  11. 前記導電性を有しない工具は、単結晶ダイヤモンド工具である
    ことを特徴とする請求項９または１０に記載の切削加工温度の測定方法。
  12. 前記シャンクは、超硬材で形成されている
    ことを特徴とする請求項９乃至１１のいずれかに記載の切削加工温度の測定方法。
  13. シャンクと、
    前記シャンクに銀ろうによって固定された、導電性を有しない工具と、
    前記銀ろうにそれぞれ接続された第１のリード線及び第２のリード線と、
    前記第１のリード線と前記第２のリード線とに接続され、両者の間に生じる熱起電力を測定する電圧測定部と、
    を備えたことを特徴とする切削加工装置。
  14. 測定された熱起電力に基づいて、対応する切削加工温度を算出する温度算出部
    を更に備えたことを特徴とする請求項１３に記載の切削加工装置。
  15. 前記導電性を有しない工具は、単結晶ダイヤモンド工具である
    ことを特徴とする請求項１３または１４に記載の切削加工装置。
  16. 前記シャンクは、超硬材で形成されている
    ことを特徴とする請求項１３乃至１５のいずれかに記載の切削加工装置。
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