JPH074734B2 - 切削装置の切削状況監視装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〈産業上の利用分野〉 本発明は、鋼管や丸棒などの鋼材の端面を切削する面取
機などの切削装置の切削状況を監視する装置に関する。

〈従来の技術〉 通常、圧延機などで製造された鋼管や丸棒などの鋼材
は、所定の長さに切断されて製品とされるのであるが、
その切断加工の段階で生じた切断面の不揃いやバリなど
を除去するため、あるいは需要家の端面取りとか外面取
りなどの要求を満たすために、面取加工が施される。

この面取加工を行う面取機としては、例えば第３図に示
すように、鋼管１をクランプ２で固定した状態で、バイ
ト３を取付けたバイトホルダ４を回転軸５を介して駆動
装置６によって鋼管１の軸心と同一軸上で回転させなが
ら、サーボモータ７によってバイト３を鋼管１の端面に
押し当てて切削するものが多く用いられている。

その切削に用いられるバイト３には、フェーシングと称
する端面取りや、リーミングと呼ばれる内面取り、さら
にチャンファリングあるいはベベリングと呼ばれる外面
取りの３種類があり、目的に応じてその１個ないし３個
を組み合わせてバイトホルダ４にセットして面取加工が
行われる。

例えば、第４図（ａ）は外面取りの場合を示したもの
で、バイトホルダ４に固定されたシャンク8aの先端にク
ランプされたベベル用チップ9aによって外面が切削され
るが、その際、シャンク8b,8cにクランプされたチップ9
b,9cによって端面のルートフェースおよび内面のチャン
ファも同時に切削される。

また、第４図（ｂ）は端面取りを示したもので、シャン
ク8dにクランプされたフェーシング用チップ9dによって
端面が切削されると同時に、シャンク8e,8fにクランプ
されたチップ9e,9fにより外面のチャンファおよび内面
のリーミングも切削されるものである。

〈発明が解決しようとする課題〉 ところで、上記したように面取作業において、面取機の
切削状況を監視するために、それぞれの面取機毎に少な
くとも１人の作業員を配置しなければならないという問
題がある。その理由としては、以下の２点が挙げられ
る。

バイトの欠損あるいは摩耗などにより、いつ切削不良
が発生するか予測がつかないため、作業員による常時監
視を必要とすること。

バイトの欠損について、発明者らが調査したところ、ク
レータ摩耗やヒビ割れが主なもので、その原因として前
工程の定尺切断時において発生した内面バリによるヒー
トクラックや衝撃力によるものであることが判明してい
る。

バイトの欠損あるいは摩耗が発見された場合には、速
やかにバイトを交換して再度面取りを行う必要があるこ
と。

さらに、この面取工程の下流に設けられている面検場に
おいて、通常の端面検査以外に、面取品質の保証および
面取機作業員の人的ミス防止のために、面取部のチェッ
クを行う必要があり、その作業負荷を増大化させるとい
う問題もある。

このような問題に対処するために、例えば特開昭61−38
847号公報に開示されているように、切削中の切削振動
または加速度を測定し、第１の時間帯の所定の周波数帯
域の面積パワーと、第２の時間帯の所定の周波数帯域の
面積パワーとの比の変化を監視して切削状態の異常や切
削工具の欠損などを検出する方法が提案されている。

しかながら、この方法では、切削監視に適した周波数帯
域を事前に探索しておかねばならないこと、また、切削
装置をメンテナスした後は必ずその周波数帯域の適・不
適を調査しておかねばならないこと、さらに、周波数帯
域の面積パワーを求めるために、FFT（高速フーリエ解
析装置）を必要とするが、その入力信号は適当な前処理
を施さなければ目的に適した最適な解析結果が得られな
いことなどの使用上の難問があり、再現性のある結果を
得ることは困難である。また、装置の構成が複雑であ
り、かつ高価であるという問題もある。

本発明は、上記のような課題を解決すべくなされたもの
であって、既存の切削装置にも容易に装着でき、また市
販の安価な測定器を用いて切削中における切削工具の欠
損や摩耗などを検出することの可能な装置を提供するこ
とを目的とする。

〈課題を解決するための手段〉 本発明者らは、切削装置の切削監視について鋭意検討し
た結果、切削装置の軸方向切削反力を測定することによ
り、バイトの欠損や摩耗などを精度よく検出することが
できることを見出し、この知見に基づいて本発明を完成
させるに至った。

すなわち、本発明の要旨とするところは、切削される鋼
材の一部を把持装置によって把持して、この鋼材の端面
をバイトを用いて切削する際の切削状況を監視する装置
であって、前記把持装置をベースに固定する固定ボルト
の反バイト側に装着されて、鋼材の切削時における切削
開始から切削終了までの軸方向切削反力を測定するワッ
シャ型圧縮ストレンゲージロードセルと、予め切削鋼材
のロットの最初の複数本の切削加工時に測定された軸方
向切削反力のピーク値から算出された平均値を用いて、
欠損判定設定値，摩耗判定設定値および未完切削判定設
定値をそれぞれ設定する設定装置と、前記ワッシャ型圧
縮ストレンゲージロードセルによって測定される切削鋼
材の切削時の軸方向切削反力を入力して、前記設定装置
で設定された前記欠損判定設定値，摩耗判定設定値およ
び未完切削判定設定値とを順次比較して、前記いずれか
の設定値を超えたと判定されたときには、警報制御装置
に異常の警報信号を発する演算装置と、からなることを
特徴とする切削装置の切削状況監視装置とすることによ
り、上記目的を達成するものである。

〈作用〉 鋼材の端面加工は、回転方向トルクと軸長手方向トルク
の合成トルクによって切削加工がなされることがよく知
られている。そのうち、回転方向トルクは、バイトを装
着したバイトホルダを回転させるモータなどの駆動装置
の負荷電流を測定することにより得ることができる。し
かし、それらの駆動系の慣性モーメントが大きいことか
ら、回転方向トルクのみではバイトが大きく欠損した場
合は検出できることもあるが、小さい欠陥・摩耗が発生
した場合は検出することが困難である。

一方、軸長手方向トルクはバイトに直接作用する力であ
るから、この軸長手方向トルクを測定することにより、
バイトの欠損や摩耗によって生じる小さなトルクの変化
を検出することが可能である。

そこで、本発明者らが、切削装置の切削時における切削
トルクを精度よく検出可能なロードセルを種々調査した
ところ、レボウ社製の“ボルトフォースセンサ（BOLT F
ORCE SENSOR）”なるワッシャ型圧縮ストレンゲージロ
ードセル（以下、ロードワッシャと略称する）が適して
いることを見出した。

このロードワッシャによる測定実験の状況について、以
下に詳しく説明する。

まず、第５図に示すように、チャック装置２のA,B,Cの
３点における組付けボルト11a,11b,11cにロードワッシ
ャ（モデルNo.3711−312,容量3175kg）10a,10b,10cをそ
れぞれ装着してナット12a,12b,12cで固定して、鋼管１
の端面を切削している間における軸長手方向トルクによ
って生じる軸方向切削反力（以下、単に反力という）の
測定を行ってみた。

その結果を第６図（ａ），（ｂ），（ｃ）にそれぞれ示
す。図から明らかなように、Ｃ点での反力の測定値が、
他のA,Bの２点に比べて切削装置の特性をよく現してお
り、切削監視を行うのに適していることがわかる。

ついで、前記Ｃ点におけるロードワッシャ11cを用い
て、内面チップが正常なものと摩耗量の大きいものとの
比較実験を、外径;159.0mmφ×肉厚;6.0mmtの鋼管につ
いて行った。そのときの反力の変化の状況を、ピース毎
に平均して第７図（ａ）に示した。内面チップが正常で
あるピースNo.1〜３については、反力がほぼ20kgである
のに対し、摩耗量が大きい内面チップの場合はピースN
o.4,5はいずれも21kg以上と５％以上の差があり、その
有意差が明らかである。

さらに、同様にして、端面チップの正常なものと欠損し
たものとのそれぞれの反力の変化を比較測定した結果を
第７図（ｂ）に示した。端面チップが正常であるピース
No.1〜３については、反力がほぼ20kgであるのに対し、
欠損したチップを用いたピースNo.4,5はいずれも23kg以
上と15％以上の差があり、その有意差は明らかである。

これらの知見をもとにしてさらに種々の測定試験を行っ
たところ、切削加工時の反力は、正常な切削時と切削工
具の欠損時では、被切削材の外径，管厚，そのグレード
や端面加工の形状、また面取機の主軸回転数，切削送り
速度などの要因によって変化することも判明した。した
がって、上記の諸条件に対する正常な切削時における反
力を標準化しておく必要がある。

第８図は、チップが正常なときの切削１サイクルの反力
の特性の一例を示したものである。図において、反力Ｔ
を時刻t_Sでチャッキング開始から測定開始すると、反力
零点T_oから立ち上がりはじめ、チャッキング終了の時刻
t₁で初期反力値T_Sになり、切削を開始した時刻t₂の後で
ピーク反力値T_pに到達する。そして、切削を完了した時
刻t₃までのΔｔ（＝t₃−t₂）の間は、反力ＴはΔＴの幅
で変動しながらピーク反力T_pが出現し、測定終了時刻t_E
で再びT_oに戻る。

そこで、このピーク反力T_pを標準値として、同一ロット
の鋼管を同一条件で切削する時におけるピーク反力T_pと
比較するようにすれば、バイトの欠損あるいは摩耗状況
を検出することが可能である。

しかし、実際には、ロードワッシャあるいはチャッキン
グ装置の締め付け変動などの影響を受けて、ピーク反力
T_pあるいは初期反力値T_Sが変動するから、それらの影響
をなくするために、標準値を切削開始時刻t₂から切削完
了時刻t₃までのΔｔにおける反力Ｔを積分して、下記
（１）式に基づいて積分反力値Ｓを求めるようにしても
よい。

あるいは、初期反力値T_Sを風袋とみなして、下記（２）
式に示すようにピーク反力値T_pと初期反力値T_Sとの差T_M
を監視するようにしてもよい。

T_M＝T_p−T_S ……………（２） なお、ピーク反力値T_pの測定は、サンプリングによらざ
るを得ないが、所定のサンプリング時間におけるサンプ
リング値の最大値を選択するようにすればよい。

ここで、上記したピーク反力値T_pあるいは積分反力値S,
反力差値T_Mを標準値として用いる場合は、１本の測定値
のみでは不安定であるので、例えば３本など複数本につ
いて測定し、それらの平均値を用いるようにするのがよ
い。

このようにして求められた標準値を、バイトの欠損判定
または摩耗判定あるいは未完切削判定に用いる場合は、
以下のような処理を行ってそれぞれの設定値とする。

欠損判定モードの場合； 欠損判定モードにおいてピーク反力値T_pを標準値に用い
る場合の設定値T_pSは、下記（３）式により決定する。

T_pS＝k₁₁・_ｐ ……………（３） ここで、k₁₁は定数，_ｐはピーク反力値の平均値であ
る。

上記したロードワッシャの測定実験結果から、バイトが
欠損したときの反力の大きさは、正常時の15％以上であ
ることが判明している。したがって、この定数k₁₁は、
例えば1.15の係数とするようにすればよい。

そして、この設定値T_pSを超えた場合にバイトが“欠
損”したと判定して警報を発するとともに、例えば切削
装置を緊急停止させる処置を講ずるようなインタロック
を組むようにする。

なお、積分反力値S,反力差値T_Mを標準値とする場合は、
下記（４），（５）式を用いるようにすればよい。

S_S＝k₁₂・ ……………（４） T_MS＝k₁₃・_Ｍ ……………（５） ここで、k₁₂，k₁₃は定数、，_Ｍは標準値である積分
反力値S,反力差値T_Mそれぞれの平均値である。

摩耗判定モードの場合； 摩耗判定モードにおいてピーク反力値_ｐを標準値に用
いる場合の設定値T_pTは、下記（６）式により決定す
る。

T_pT＝k₂₁・_ｐ ……………（６） ここで、k₂₁は定数である。

上記した欠損判定設定値の決定と同様に、測定実験結果
から、バイトが摩耗したときの反力の大きさは、正常時
の５％以上であることが判明しているから、定数k₂₁の
値は例えば1.05とする。そして、この設定値T_pTを超え
た場合にバイトが“摩耗”したと判定して警報を発す
る。

なお、積分反力値，反力差値_Ｍを標準値とする場合
は、下記（７），（８）式を用いるようにすればよい。

S_T＝k₂₂・ ……………（７） T_MT＝k₂₃・_Ｍ …………（８） ここで、k₂₂，k₂₃は定数である。

未完切削判定モードの場合； 未完切判定モードにおいてピーク反力値T_pを標準値に用
いる場合の設定値T_pUは、下記（９）式により決定す
る。

T_pU＝k₃₁・_ｐ …………（９） ここで、k₃₁は定数である。

例えば鋼管に付着したバリが大きい場合あるいは鋼管の
位置決めが拙い場合に、バイトが切削すべき端面に当た
らずに切削ができないことが時々生じる。このような状
態を早期に検出して改善しようとするのが、この未完切
削判定モードである。それ故、例えば反力が標準値の50
％以下であれば警報を発するようにするとよいので、定
数k₃₁は例えば0.50とする。

なお、積分反力値，反力差値_Ｍを標準値とする場合
は、下記（10），（11）式を用いるようにすればよい。

S_U＝k₃₂・ ……………（10） T_MU＝k₃₃・_Ｍ …………（11） ここで、k₃₂，k₃₃は定数である。

これらの工程の流れを第１図にまとめて示した。

なお、上記の説明において、軸方向切削反力を検出する
際に、チャッキング装置に加わる反力を用いるようにし
たが、本発明は、それに限定されるものではなく、例え
ば面取機を軸方向に位置制御するサーボモータ７（前出
第３図参照）の取付け部のボルトに取付けても同様の作
用を得ることが可能である。

また、上記したサーボモータ７の負荷電流を検出するよ
うにすれば、軸方向切削反力を検出するのと同等の作用
を得ることができる。

すなわち、第９図は、チップが正常なときのサーボモー
タの負荷電流の１サイクルの波形の一例を示したもので
あるが、負荷電流Ａは、切削開始時刻t₂で無負荷電流A_o
（電流零点）から立ち上がり始めて、ピーク電流A_pに到
達し切削完了時刻t₃までピーク電流A_pを維持することか
ら、前出第８図の反力Ｔと同様の特性を描くことがわか
る。したがって、ピーク電流A_pの変動を監視するように
すれば、バイトの欠損状況を把握することが可能であ
る。

〈実施例〉 以下に、本発明の実施例について、第２図を参照して説
明する。第２図は、本発明方法に係る監視装置の一実施
例を示す構成図である。図中、従来例と同一部材は同一
符号を付してある。

図に示すように、チャック装置２のベース固定ボルト11
にロードワッシャ10を装着してナット12をトルクレンチ
で締め付けて固定した。このロードワッシャ10の検出信
号Ｔを動歪アンプ13で増幅し、演算装置14に入力して演
算される。

また、演算装置14には、設定装置15を介して欠損判定モ
ードおよび摩耗判定モードさらに未完切削判定モードの
各設定値が設定される。

さらに、警報制御装置16によって、欠損警報あるいは摩
耗警報，未完切削警報が発せられるとともに、欠損とい
う重大故障が発生した場合は、面取機の駆動装置６を非
常停止させる。

外径;177.8mmφ×肉厚;30.0mmtの鋼管の端面取りの切削
を実施する際に、上記のように構成した監視装置を適用
した。

そのときの面取機の切削回転数は280rpm,フィード速度
は0.46mm/sである。

まず、最初の３本について反力を測定したところ、その
ピーク反力の平均値が148kgであったので、欠損判定設
定値を170.2kg,または摩耗判定設定値を155.4kg,さらに
未完切削設定値を74kgに、それぞれ設定装置15を介して
設定した。

その結果、最初の３本は順調に切削することができた
が、４本目で端面チップが欠損して警報を発したので、
直ちに面取機を停止して端面チップを交換し、引き続き
切削を行った。

なお、上記した実施例は面取機を対象にして説明した
が、本発明はそれに限るものではなく、例えば管端のネ
ジ切削などにも適用できることはいうまでもない。

〈発明の効果〉 以上説明したように、本発明によれば、簡易な手段で軸
方向の切削反力を検出することができるから、早期にバ
イトの欠損あるいは摩耗さらには未完切削を判定するこ
とができ、切削能率および製品品質を向上させることが
でき、さらに省力化に大いに寄与する。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の工程を示す流れ図、第２図は、本発
明に係る監視装置の一実施例を示す構成図、第３図は、
面取機の従来例を示す側面図、第４図は、面取りの例を
部分的に示す側面図、第５図は、ロードワッシャの測定
実験の状態を示す側面図、第６図は、ロードワッシャの
測定実験における測定データを示す特性図、第７図は、
チップの比較実験の結果を示す特性図、第８図は、切削
加工１サイクルにおける反力の推移を示す特性図、第９
図は、切削加工１サイクルにおけるサーボモータの負荷
電流の推移を示す特性図である。 １……鋼管（鋼材）,2……チャック装置（把持装置）,3
……バイト,4……バイトホルダ,5……回転軸,6……駆動
装置,7……サーボモータ,8……シャンク,9……チップ,1
0……ロードワッシャ（ワッシャ型圧縮ストレンゲージ
ロードセル）,11……固定ボルト,12……ナット,13……
動歪アンプ,14……演算装置,15……設定装置,16……警
報制御装置。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭62−15060（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−166948（ＪＰ，Ａ) 特開 昭49−6264（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−142048（ＪＰ，Ａ) 特公 昭56−45739（ＪＰ，Ｂ２)

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】切削される鋼材の一部を把持装置によって
   把持して、この鋼材の端面をバイトを用いて切削する際
   の切削状況を監視する装置であって、前記把持装置をベ
   ースに固定する固定ボルトの反バイト側に装着されて、
   鋼材の切削時における切削開始から切削終了までの軸方
   向切削反力を測定するワッシャ型圧縮ストレンゲージロ
   ードセルと、予め切削鋼材のロットの最初の複数本の切
   削加工時に測定された軸方向切削反力のピーク値から算
   出された平均値を用いて、欠損判定設定値，摩耗判定設
   定値および未完切削判定設定値をそれぞれ設定する設定
   装置と、前記ワッシャ型圧縮ストレンゲージロードセル
   によって測定される切削鋼材の切削時の軸方向切削反力
   を入力して、前記設定装置で設定された前記欠損判定設
   定値，摩耗判定設定値および未完切削判定設定値とを順
   次比較して、前記いずれかの設定値を超えたと判定され
   たときには、警報制御装置に異常の警報信号を発する演
   算装置と、からなることを特徴とする切削装置の切削状
   況監視装置。