切削力

切削力とは何ですか?

切削力とは、切削工具の侵入に対する素材の抵抗のことです。力の方向と大きさは、旋削加工、フライス加工、穴あけ加工など、製造機械(多くはCNC)で行われるさまざまな切削工程ごとに異なります(旋削加工中の例は下の図1を参照してください)。これらの高度に動的な切削力を測定して解析することで、切削工程を最適化することができます。

どのように切削力を測定できますか?

機械加工における切削力は、さまざまな技術を使用して測定できますが、中でも動力計は最も効果的かつ信頼性を期待できます。一部の動力計は圧電効果に基づいています。ただし、歪ゲージや圧電式センサなど、機械工具コンポーネントに直接組み込まれている、適切な力センサまたはロードセルを使用することで、一体型ソリューションをカスタマイズすることもできます。切削力の測定用として、3成分固定式動力計、6成分固定式動力計、4成分回転式動力計の3種類の主要な圧電式動力計があります。

なぜ切削力を測定するのでしょうか?切削力を測定する理由は何ですか?

切削工程では、工具に高い機械的応力、熱応力や化学的応力がかかり、切削性能と工具の摩耗に影響を与えます。金属切削加工は最も重要な機械加工プロセスで、あらゆる種類の技術製品の基本とも言えます。製造された製品は、納得できる品質とコスト効果を提供することが期待されます。そのため、切削工程によって満たすべき要件も常に上昇し続けています。こうした要件を満たすには、切削工程の詳細な知識が欠かせません。その主要な指標として、作用力とモーメントがあります。

特に新しい工具の開発時には、その動作を理解することが非常に重要です。具体的には、どのような切削力が発生するのか、異なる状況では工具はどのように動作するのか(プロセスの安定性)、力のピークを回避しつつ(耐用年数を延ばす)、引き続き機械加工を迅速かつ効率的に進められるよう、工具をどのように設計できるのか、といったことです。

開発中に正確に測定できなければ、プロセスの信頼性と不良品の防止を達成することはできません。例えば、時計メーカーがケースのフライス加工を行う場合、噛み合い条件が常時変化する場合であっても、プロセスがスムーズかつ安定して実行され、工具に過剰な応力がかからないようにする必要があります。

1つの可能性として、力/モーメント測定をCNC機械の高度なプログラミングに活用し、インテリジェントな機械加工戦略を構築することもできます。力信号をさまざまなオプション経由で機械に接続し、プロセスの改善に役立てられます。それによりトレーサビリティが向上し、持続可能な機械加工作業につながります。

そのため、工具の摩耗の解析、つまり工具の機械的負荷の測定と解析は、以下のための基礎となります。

  • 切削工程の改善 
  • 切削工具の改善(形状、コーティング)
  • 補助装置(クーラントなど)の改善
  • 機械構造とコンポーネントの寸法決定
  • 機械加工戦略の比較と最適化 
  • プロセスモデルとシミュレーションの検証 
  • 測定した力を機械制御システムに組み込む、インテリジェントなプログラミングの実施

これらを実現するために、以下を行います

  • 塑性加工プロセスで適用される力の測定・解析
  • 特性定数(被削性に関連する具体的な力)の検出 
  • プロセスで引き起こされるエネルギーに関する情報の提供
  • NC(数値制御)での非同期処理など、高度なプログラミングコマンドの活用

圧電式動力計は、機械加工プロセスを測定・解析・最適化するために、学術分野や産業分野の研究開発で広く用いられています。

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