切削加工

ハイスピードカメラによる切削加工の可視化

ハイスピードカメラを使えば、ドリルなどの高速で微細な加工過程を詳細に捉えて、理解を深めることができます。切削加工の撮影には高フレームレートと高解像度を備えたハイスピードカメラ、適切な照明装置が必要となります。マシニングセンタ内での撮影の際は、装置のコンパクトさも重要です。ハイスピードカメラによって切削加工の挙動を可視化することで、製品品質の向上、生産効率の改善、コスト削減など、様々な価値が生まれます。

切削加工の撮影のポイント

切削加工の過程をハイスピードカメラで可視化する際には、以下のポイントを抑えることが重要です。

ポイント01 回転速度に合わせて撮影速度を計算する

主にドリル加工やエンドミル加工のようにツールが回転している場合、回転角が何度ごとに現象を見たいかによって、撮影速度を計算します。基本的には回転数（rpm）と同じ撮影速度で、回転角6度ごとに1コマで撮影する場合が多いです。

（例）

3,000rpm × 360度＝1,080,000度/分

108,000度/分 ÷ 60秒＝18,000度/秒

18,000度/秒 ÷ 3,000コマ/秒＝6度/コマ

これをベースに、飛んでいく切粉を観察したい場合や、小径ドリルなどで観察範囲が小さい場合は撮影速度を調整していきます。

ポイント02 撮影環境に応じた機材を用意する

マシニングセンタ内にカメラを設置して撮影する場合、設置箇所が限られるため、小型のカメラが必要となります。窓越しでの撮影の場合は、外部からの照明も届きづらくなるため、少ない照明でも明るく撮影ができる高感度の機種がよいでしょう。奥まったところでの撮影では、せり出し治具を用いて拡大撮影を行います。

いずれの撮影も切粉が飛んでくることがあり、レンズの保護も必要となります。フォトロンでは汎用的な一眼レフ用のレンズ、工業用カメラの規格であるCマウントレンズを使用しているため、レンズ保護フィルターは量販店でも購入することが可能です。

ポイント03 波形や振動のデータと合わせて解析する

切削動力計とハイスピードカメラを同期し測定することで、1つの画面で切削抵抗の波形とスロー映像を確認することができます。波形データのみで評価するよりも、映像があることで現象の理解や共有が促進されます。

画像解析ソフトを使用すれば、ツールの振動（振幅と周波数分布）を画像から非接触で解析できます。

右上のグラフは、追跡ポイントの周波数分布を表していて、X軸は周波数、Y軸は頻度を示しています。下のグラフは、追跡ポイントの振動を示していて、X軸が時間、Y軸がx方向の変位です。おおよそ20μm程度振動している様子が分かります。

ポイント04 赤外線ハイスピードカメラで温度を計測する

切削熱が局所的に集中しやすい状況下では、切削工具材料との化学反応や凝着物の付着が発生し、切れ刃の摩耗やチッピングなどの工具寿命の低下や、加工面の品質低下に繋がります。そのため加工条件の設定では熱をこもらせない工夫が必要となります。

切削点の温度条件は測定が難しく、従来は回転数と切削点温度との関係を定量的に評価することが困難でした。しかし赤外線ハイスピードカメラを使用することで、切削点の温度を非接触で温度計測できます。

撮影システムの構成

切削加工のハイスピードカメラ撮影には、小型・高感度のハイスピードカメラ、レンズ、レンズ保護フィルタ―、照明、三脚またはマグネットベースとアームが必要です。同時に切削抵抗を取得したい場合は切削動力計とデータロガー、ツールの振動を解析したい場合は画像解析ソフト、切削点の温度計測をしたい場合は赤外線ハイスピードカメラを用意します。