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1. 実験の背景と目的

旋削加工のような切削加工では，工具（主としてバイト）が工作物を切削するとき 工具に加わる力を切削抵抗と呼ぶ．切削抵抗は，切り屑の生成などの切削現象を理解する 上で不可欠なパラメータで，工作機械，工具，工作物に対して次のような影響を与える．

  • 工作機械：所要動力を決定し，各部に加わる力を知り， 精度や振動を解析する基礎データを与える
  • 工具：工具が受ける力であるから， その強度と変形を知り設計に役立てるばかりではなく，摩耗や寿命にも影響する．
  • 工作物：切削が良好な状況で行われているか否かということ， あるいは被削性の良否と関連をもつ．したがって切削抵抗の大小やその変動は，消費動力，加工精度，仕上げ面あらさ，加工変質層，工具寿命などに大きな影響を 及ぼすので，これを知ることは切削加工にとって極めて重要である

そこで本実験では，以下に列挙する項目を実験目的とする．

  1. 切削加工における切り屑の生成機構を学び， 切削抵抗について理論式の導出される過程を切削条件と関連づけて理解する
  2. 歪みゲージを利用した切削抵抗の測定法について学び， 実際に測定装置の操作を行うことにより一層の理解を深める
  3. 切削加工においては工作物の比切削抵抗に関して寸法効果の 存在することを実験により確認する．


2. 旋削加工における（切り屑の生成機構と）切削抵抗

図2-1に切削工具（バイト）で丸棒の外周面を削る旋削加工の様子を示す． 図中の斜線部分は切り屑として取り去られる部分である． またκ はバイトの切込み角，t，d，l，s はそれぞれ切込み，切削厚さ，切れ刃長さと工作物１回転あたりの送りである． いま工作物の回転数をnw (rpm)，工具の送り速度をVf (mm/s)とすると， 切削厚さd (mm)や切削面積q (mm2)は次のように求められる．


図2-2に旋削加工における切削抵抗の３分力を示す． 切削抵抗Rは工具の切削方向に作用する主分力P1， 送り方向に作用する送り分力P2， 工具の軸方向に働く背分力P3に分ける． 単位切削面積あたりの切削抵抗は比切削抵抗と呼ばれ， ３方向の比切削抵抗をそれぞれKs1，Ks2， Ks3とすると， 切削抵抗と切削条件の関係が次のようになる．


図2-1 旋削加工における切削量

図2-2 旋削加工における切削抵抗の３分力


3. 実験装置と実験条件

１）力の測定原理と動力計の構成

加工力の測定方法としては，動力計に代表される各種力センサを用いるか， 駆動源であるモータの出力を検出して推定するのが一般的である．特に主軸モータや送り軸モータの電流を測定することによって， 比較的簡単に加工動力や加工力の概算値を知ることができる．しかし，精度よく加工力を測定するために動力計が用いられることが多い．動力計としては，力の検出原理によって圧電式と歪みゲージ式の２種類に大別される．

本実験では，３分力を測定する必要があるので図3-1 に示すような構造をもつ３分力歪みゲージ式動力計を用いる． 水平方向（YおよびZ方向）の力は，それぞれの方向のはりに貼った４枚の単軸ひずみゲージ （Y方向はA,B,C,D，Z方向はH,I,J,K）によって伸縮を検出する．垂直方向（X方向）の力は図中の４本のはりに貼った４枚２軸９０°交叉の ひずみゲージP,Q,R,Sによってはりのせん断変形から検出する．

  • 歪みゲージの原理
    歪みゲージは，接着剤で被測定物の表面に張り付けて使用し， 金属抵抗素子の抵抗値変化により，被測定物の表面歪みを測定するものです． 一般に金属材料の抵抗値は外部から力が与えられ，伸ばされれば増加し， 圧縮されれば減少する性質を持っています（式(1)）

    　　　(1)
    金属の長さl，断面積S，電気抵抗R，抵抗率ρ

    したがって流す電流を一定にすれば，歪みゲージが伸縮されることにより抵抗が変化して 出力される電圧の値が変わります（オームの法則：式(2))

    　　　(2)
    電圧V，電流I

    ここで得られた電圧を力に換算して，切削抵抗を測定します．


図3-1 ３分力動力計の構造とひずみゲージの配置

２）実験装置の構成

図3-2に実験装置の構成概略を示す．卓上旋盤の工具ヘッド上に歪みゲージ式３分力動力計を固定し， そして工具ホールダを取り付ける．ブリッジボックスによって歪みゲージのブリッジ回路を構成する． 動歪み計（アンプ）の増幅を経て得られたアナログ電圧信号を A/Dコンバータによってデジタル信号に変換し，パソコンに読み込む．


図3-2 旋削加工における切削抵抗測定装置の概略図

  • 実験装置
    1. 卓上旋盤（光畑製作所）
    2. 歪みゲージ式動力計
    3. 校正装置一式
    4. 回転計、分銅
  • 実験条件
    1. 工具：バイトホルダー（東芝製JSCLCR0808H06）、チップ（CCGT060202FR-J10J740）
    2. 工作物：S45C（φ20）
    3. 切削条件（設定値）
      工作物の回転数：n=100,200 rpm
      切込量：t=0.25,0.5,0.75,1.0,1.25 mm
      送り速度：V=0.07,0.1 4 mm/rev
  • 実験方法
    1. 動力計の校正：分銅を使用してX,Y,Z方向に負荷をかけながら 荷重と出力電圧の関係を調べ、動力計の校正曲線を作成する．
    2. 測定実験：切削条件を20種類に組み合わせて切削実験を行い、 切削抵抗の3分力を測定する．
    3. 1で作成した校正曲線を用いて、切削抵抗を求め、グラフ（切込－切削抵抗）にする．
    4. 3で作成したグラフより、3方向の比切削抵抗Ksを求める．
  • 動力計の校正の様子

    X軸方向に分銅を使用し、重さ（荷重）と出力の関係を調べる．

    X軸同様に、Y、Z軸方向の重さと出力の関係も調べる． 下の写真のようにY、Z方向は滑車を利用して測定する．

  • 出力結果(X軸方向の出力結果)

    重りを1kgfづつ増やしていき、動力計の出力を確認する． 重りを増やすごとに、出力値も増加することが確認できる．

  • 測定実験の様子

  • 実験結果

    実験結果は下のように出力される． この結果と動力計の校正結果から切削抵抗を求める．

 

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