特許 7695974 ワークの加工変質層の測定方法、ワークの加工方法、加工変質層測定装置及び工作機械

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2025-06-11

(45)【発行日】2025-06-19

(54)【発明の名称】ワークの加工変質層の測定方法、ワークの加工方法、加工変質層測定装置及び工作機械

(51)【国際特許分類】

   B23Q 17/20 20060101AFI20250612BHJP

   G01N 3/42 20060101ALI20250612BHJP

【ＦＩ】

B23Q17/20 Z

G01N3/42 E

【請求項の数】 6

(21)【出願番号】P 2023131351

(22)【出願日】2023-08-10

(65)【公開番号】P2025026026

(43)【公開日】2025-02-21

【審査請求日】2023-08-10

【前置審査】

(73)【特許権者】

【識別番号】000154990

【氏名又は名称】株式会社牧野フライス製作所

(74)【代理人】

【識別番号】100099759

【弁理士】

【氏名又は名称】青木 篤

(74)【代理人】

【識別番号】100123582

【弁理士】

【氏名又は名称】三橋 真二

(74)【代理人】

【識別番号】100160705

【弁理士】

【氏名又は名称】伊藤 健太郎

(72)【発明者】

【氏名】手塚 亮

(72)【発明者】

【氏名】吉村 太志

【審査官】戸塚 優

(56)【参考文献】

【文献】特開２０２１－０８５８３５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１１－１４５１９０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平１０－２０６３９５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１１－１０６９３２（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｂ２３Ｑ１／００－４１／００

Ｇ０１Ｎ１／００－３７／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

テーブルに取り付けたワークを主軸に装着した工具で加工する工作機械の機上において、前記ワークの表面の加工変質層を測定する方法であって、
前記工具に換えて、前記ワークに押込むための圧子を前記主軸に装着すること、
前記工作機械の送り装置を用いて前記ワークに前記圧子を押込むこと、
前記圧子を押込むための押込み荷重及び前記圧子の前記ワークへの押込み深さを刻々と測定すること、
前記押込み荷重を前記押込み深さの二次関数で近似したときの係数となる押込み荷重係数を刻々と算出すること、
前記押込み深さに対する前記押込み荷重係数の変化率が、負から十分０に近づいた値になったときに前記圧子の前記ワークへの押込みを停止すること、並びに、
押込みを停止したときの前記圧子の前記押込み深さに深さ換算定数を乗じて加工変質層深さを算出すること、を含むことを特徴としたワークの加工変質層の測定方法。

【請求項2】

前記圧子は、前記ワークの表面の法線方向に沿って押込まれる、請求項１に記載のワークの加工変質層の測定方法。

【請求項3】

前記圧子を押込んで測定する前記押込み荷重は、刻々の前記押込み荷重の変化量の移動平均値が所定の閾値を超えた時点を前記押込み荷重の負荷開始点とする、請求項１に記載のワークの加工変質層の測定方法。

【請求項4】

工作機械のテーブルに取り付けたワークを主軸に装着した工具で荒加工後に、前記工作機械の機上において前記ワークの表面の加工変質層の測定を行い、前記加工変質層の測定後に仕上げ加工を行うワークの加工方法であって、
前記荒加工後に、前記工具に換えて前記ワークに押込むための圧子を前記主軸に装着すること、
前記工作機械の送り装置を用いて前記ワークに前記圧子を押込むこと、
前記圧子を押込むための押込み荷重及び前記圧子の前記ワークへの押込み深さを刻々と測定すること、
前記押込み荷重を前記押込み深さの二次関数で近似したときの係数となる押込み荷重係数を刻々と算出すること、
前記押込み深さに対する前記押込み荷重係数の変化率が、負から十分０に近づいた値になったときに前記圧子の前記ワークへの押込みを停止すること、
押込みを停止したときの前記圧子の前記押込み深さに深さ換算係数を乗じて加工変質層深さを算出すること、並びに、
算出した前記加工変質層深さが、前記ワークの仕上げ代よりも小さい場合に仕上げ加工を行うことを特徴したワークの加工方法。

【請求項5】

テーブルに取り付けたワークを主軸に装着した工具で加工する工作機械の機上において、前記ワークの表面の加工変質層の測定を行う工作機械であって、
前記工具に換えて前記主軸に装着可能であり、前記工作機械の送り装置を用いて前記ワークに押込むことによって圧痕を形成する圧子と、
前記圧子の前記ワークに対する刻々の押込み荷重を測定する押込み荷重検出器と、
前記圧子の前記ワークへの刻々の押込み深さを測定する押込み深さ検出器と、
前記押込み荷重を前記押込み深さの二次関数で近似したときの係数となる押込み荷重係数を刻々と算出し、前記押込み深さに対する前記押込み荷重係数の変化率が、負から十分０に近づいた値になったときに前記圧子の前記ワークへの押込みを停止する圧子押込み停止制御手段と、
前記圧子の押込みを停止したときの前記押込み深さに深さ換算定数を乗じて加工変質層深さを算出する加工変質層深さ演算手段と、
を具備することを特徴とした工作機械。

【請求項6】

テーブルに取り付けたワークを主軸に装着した工具で加工する工作機械に付属し、前記工作機械の機上で前記ワークの表面の加工変質層の測定を行う加工変質層測定装置であって、
前記工具に換えて前記主軸に装着可能であり、前記工作機械の送り装置を用いて前記ワークに押込むことによって圧痕を形成する圧子と、
前記圧子を着脱可能に取り付け、前記圧子の前記ワークに対する押込み荷重を検出するセンサを有する圧子ホルダと、
前記工作機械の制御装置に接続可能な演算装置であって、前記押込み荷重を押込み深さの二次関数で近似したときの係数となる押込み荷重係数を刻々と算出し、前記押込み深さに対する前記押込み荷重係数の変化率が、負から十分０に近づいた値になったときに前記圧子の前記ワークへの押込みを停止し、前記圧子の押込みを停止したときの前記押込み深さに深さ換算定数を乗じて加工変質層深さを算出する演算装置と、
を具備することを特徴とした加工変質層測定装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、ワークの加工変質層の測定方法、ワークの加工方法、加工変質層測定装置及び工作機械に関する。

【背景技術】

【0002】

被加工物（ワーク）の素材は、圧延、引抜き、押出し、鍛造、表面処理等のいくつかの工程を経て作られ、表面には加工変質層が生じる。また、そのワーク素材は、所望の形状、寸法にするために機械加工される。この初期段階では荒加工が施されるため、ワークの表面には加工変質層が生じる。このような加工変質層では、残留歪みによって残留応力が発生しやすくなるため、応力腐食割れ、疲労破壊、クリープ破壊などの要因となりうる。このため、製品段階では、仕上げ加工によって、加工変質層を取り除くように管理される。近年、例えば、航空機部品の軽量高剛性化やジェットエンジンの性能と燃費の両立のためにニッケル基超合金など難削材が多く用いられており、このような材料の加工変質層の管理が益々重要になっている。

【0003】

加工変質層を評価する方法としては、例えば、光学顕微鏡や電子顕微鏡による観察、Ｘ線回折法（ＸＲＤ）、電子線後方散乱解析法（ＥＢＳＤ）、マイクロビッカース試験等が従来から知られている。しかしながら、これらの評価方法は、ワークを切断して断面を観察することや、専用の測定装置や取り扱うための管理資格、測定のノウハウが必要になるため、加工現場において常時実施することは困難である。

【0004】

そこで、例えば、特許文献１には、押込み試験法を活用した三次元硬さ分布測定方法及びシステムが開示されている。押込み試験法とは、試料表面に角錐圧子又は球圧子を押込んだときの荷重－変位曲線から、試料深さ方向の残留応力分布を評価する準非破壊検査法である。図１１には、角錐圧子を押込んだ試料表面の縦断面図を模式的に示す。また、図１２には、押込み試験によって荷重の負荷の開始から除荷されるまでの押込み荷重Ｌ（縦軸）と押込み深さｈ（横軸）との関係を示す。押込み荷重Ｌは、押込み深さｈの二次関数で近似し得ることが分かる。例えば、非特許文献１に記載のように、この二次関数として近似した場合の係数である押込み荷重係数（すなわち、Ｌ／ｈ^２）は、押込み深さが浅い領域では硬化又は軟化した加工変質層の影響を受けるため、押込み深さｈが大きくなるにつれて小さくなる。さらに、角錐圧子を深く押込むと、ある程度の深さからは加工変質層の影響は小さくなり押込み荷重係数がおおよそ一定値になることが知られている。このため、押込み荷重係数の変化から加工変質層の深さを把握することができる。

【0005】

しかしながら、例えば、非特許文献１及び非特許文献２に開示されているインデンテーション法（Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｅｄ Ｉｎｄｅｎｔａｔｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ，ＩＩＴ）のような、一般的な押込み試験法では、予め設定した押込み深さ又は押込み荷重値に到達するまでワークに負荷をかけるため、ワークの表面に必要以上に深い圧痕を残す場合がある。例えば、図１１に示すように、角錐圧子が加工変質層ＷＬの厚さＭを超える圧痕深さＤまで押込まれるような場合である。このため、荒加工工程後に押込み試験法によって加工変質層の深さを評価し、深さに応じて仕上げ加工の実施の要否を判断しようとしても、仕上げ加工工程における除去量を超える深さの圧痕が存在すると、仕上げ加工を行うことができなくなりワークは不良品として扱われる可能性がある。また、一般的な押込み試験法（又はＩＩＴ）では、押込むための圧子の位置や位相の調整が困難であるため、機械加工部品の加工工程中に押込み試験を実施することは困難である。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【文献】特開２０２１－８５８０４号公報

【非特許文献】

【0007】

【文献】肥川周平、岡野成威、望月正人、橋本匡史、手塚亮、「インデンテーション法による加工変質層深さ評価とその曲面形状への適用性検討」、溶接学会全国大会講演概要、第１１２集、一般社団法人溶接学会、２０２３年４月、Ｐ．１６６－１６７

【文献】岡野成威、望月正人、「無応力下の基準硬さに依存しないインデンテーション法による非等二軸残留応力場の準非破壊計測法の提案」、日本機械学会論文集、Ｖｏｌ．８０、Ｎｏ．８２０、日本機械学会、２０１４年、Ｐ．１－１１

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

本発明は、上記事情に鑑み、工作機械上においてワークの加工面の加工変質層の状態を簡便に評価できるワークの加工変質層の測定方法、ワークの加工方法、加工変質層測定装置及び工作機械の提供を目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0009】

本発明の一の態様によれば、テーブルに取り付けたワークを主軸に装着した工具で加工する工作機械の機上において、ワークの表面の加工変質層を測定する方法であって、工具に換えて、ワークに押込むための圧子を主軸に装着すること、工作機械の送り装置を用いてワークに圧子を押込むこと、圧子を押込むための押込み荷重及び圧子のワークへの押込み深さを刻々と測定すること、押込み荷重を押込み深さで関数近似したときの係数となる押込み荷重係数を刻々と算出すること、押込み深さに対する押込み荷重係数の変化率が、負から十分０に近づいた値になったときに圧子のワークへの押込みを停止すること、並びに、押込みを停止したときの圧子の押込み深さに深さ換算定数を乗じて加工変質層深さを算出すること、を含むワークの加工変質層の測定方法が提供される。

【0010】

さらに、本発明の一の態様によれば、工作機械のテーブルに取り付けたワークを主軸に装着した工具で荒加工後に、工作機械の機上においてワークの表面の加工変質層の測定を行い、加工変質層の測定後に仕上げ加工を行うワークの加工方法であって、荒加工後に、工具に換えてワークに押込むための圧子を主軸に装着すること、工作機械の送り装置を用いてワークに圧子を押込むこと、圧子を押込むための押込み荷重及び圧子のワークへの押込み深さを刻々と測定すること、押込み荷重を押込み深さで関数近似したときの係数となる押込み荷重係数を刻々と算出すること、押込み深さに対する押込み荷重係数の変化率が、負から十分０に近づいた値になったときに圧子のワークへの押込みを停止すること、押込みを停止したときの圧子の押込み深さに深さ換算係数を乗じて加工変質層深さを算出すること、並びに、算出した加工変質層深さが、ワークの仕上げ代よりも小さい場合に仕上げ加工を行うワークの加工方法が提供される。

【0011】

また、本発明の一の態様によれば、テーブルに取り付けたワークを主軸に装着した工具で加工する工作機械の機上において、ワークの表面の加工変質層の測定を行う工作機械であって、工具に換えて主軸に装着可能であり、工作機械の送り装置を用いてワークに押込むことによって圧痕を形成する圧子と、圧子のワークに対する刻々の押込み荷重を測定する押込み荷重検出器と、圧子のワークへの刻々の押込み深さを測定する押込み深さ検出器と、押込み荷重を押込み深さで関数近似したときの係数となる押込み荷重係数を刻々と算出し、押込み深さに対する押込み荷重係数の変化率が、負から十分０に近づいた値になったときに圧子のワークへの押込みを停止する圧子押込み停止制御手段と、圧子の押込みを停止したときの押込み深さに深さ換算定数を乗じて加工変質層深さを算出する加工変質層深さ演算手段と、を具備する工作機械が提供される。

【0012】

さらに、本発明の一の態様によれば、テーブルに取り付けたワークを主軸に装着した工具で加工する工作機械に付属し、工作機械の機上でワークの表面の加工変質層の測定を行う加工変質層測定装置であって、工具に換えて主軸に装着可能であり、工作機械の送り装置を用いてワークに押込むことによって圧痕を形成する圧子と、圧子を着脱可能に取り付け、圧子のワークに対する押込み荷重を検出するセンサを有する圧子ホルダと、工作機械の制御装置に接続可能な演算装置であって、押込み荷重を押込み深さで関数近似したときの係数となる押込み荷重係数を刻々と算出し、押込み深さに対する押込み荷重係数の変化率が、負から十分０に近づいた値になったときに圧子のワークへの押込みを停止し、圧子の押込みを停止したときの押込み深さに深さ換算定数を乗じて加工変質層深さを算出する演算装置と、を具備する加工変質層測定装置が提供される。

【発明の効果】

【0013】

本発明の一の態様に係るワークの加工変質層の測定方法によると、工具に換えて主軸に装着した圧子を工作機械の送り装置を用いてワークに押込み、圧子を押込むための押込み荷重及び圧子のワークへの押込み深さを刻々と測定することができる。このため、工作機械の機上において、圧子のワークに対する位置及び位相を調整した上でワークの表面の加工変質層の測定を行うことができ、加工変質層の状態を簡便に評価することができる。さらに、測定した押込み荷重を押込み深さで関数近似したときの係数となる押込み荷重係数の変化率が、負から十分０に近づいた値になったとき、すなわち、押込み荷重に対する加工変質層の影響が小さくなったときに圧子のワークへの押込みを停止し、押込みを停止したときの圧子の押込み深さに深さ換算定数を乗じて加工変質層深さを算出することができる。このように、専用のインデンテーション測定装置を用いることなく、また、ワークを工作機械から取外すことなく、工作機械が元々有している機械構成を利用して、容易かつ迅速にワークの加工変質層の測定及び評価を行うことができる。

【0014】

本発明の一の態様に係るワークの加工方法によると、荒加工後に、工具に換えて主軸に装着した圧子を工作機械の送り装置を用いてワークに押込み、圧子を押込むための押込み荷重及び圧子のワークへの押込み深さを刻々と測定することができる。このため、工作機械の機上において、圧子のワークに対する位置及び位相を調整した上でワークの表面の加工変質層の測定を行うことができ、加工変質層の状態を簡便に評価することができる。さらに、測定した押込み荷重を押込み深さで関数近似したときの係数となる押込み荷重係数の変化率が、負から十分０に近づいた値になったとき、すなわち、押込み荷重に対する加工変質層の影響が小さくなったときに圧子のワークへの押込みを停止し、押込みを停止したときの圧子の押込み深さに深さ換算定数を乗じて加工変質層深さを算出することができる。このため、予め設定した押込み深さ又は押込み荷重値に到達するまでワークに負荷をかけることなく加工変質層深さを算出し、算出した加工変質層深さがワークの仕上げ代よりも大きくなることを防止又は抑制することができる。これによって、ワークを不良品とする確率を低減するとともに、算出した加工変質層深さがワークの仕上げ代よりも小さい場合にだけ仕上げ加工を行うため、無駄な仕上げ加工をしなくても済む。

【0015】

本発明の一の態様に係る工作機械によると、工具に換えて主軸に装着した圧子を工作機械の送り装置を用いてワークに押込み、押込み荷重検出器及び押込み深さ検出器を用いて圧子を押込むための押込み荷重及び圧子のワークへの押込み深さを刻々と測定することができる。このため、工作機械の機上において、圧子のワークに対する位置及び位相を調整した上でワークの表面の加工変質層の測定を行うことができ、加工変質層の状態を簡便に評価することができる。また、圧子押込み停止制御手段によって、測定した押込み荷重を押込み深さで関数近似したときの係数となる押込み荷重係数の変化率が、負から十分０に近づいた値になったとき、すなわち、押込み荷重に対する加工変質層の影響が小さくなったときに圧子のワークへの押込みを停止することができる。さらに、加工変質層深さ演算手段によって、押込みを停止したときの圧子の押込み深さに深さ換算定数を乗じて加工変質層深さを算出することができる。このため、予め設定した押込み深さ又は押込み荷重値に到達するまでワークに負荷をかけることなく加工変質層深さを算出することができる。これによって、ワークを不良品とする確率を低減することができる。

【0016】

本発明の一の態様に係る加工変質層測定装置によると、工具に換えて主軸に装着可能であり、工作機械の送り装置を用いてワークに押込むことによって圧痕を形成する圧子と、圧子に着脱可能に取り付けられ、圧子のワークに対する押込み荷重を検出するセンサを有するツールホルダとを備える。このため、工作機械の機上において、圧子のワークに対する位置及び位相を調整した上でワークの表面の加工変質層の測定を行うことができ、加工変質層の状態を簡便に評価することができる。また、工作機械の制御装置に接続可能な演算装置を備えるため、押込み荷重を押込み深さで関数近似したときの係数となる押込み荷重係数を刻々と算出し、押込み深さに対する押込み荷重係数の変化率が、負から十分０に近づいた値になったときに圧子のワークへの押込みを停止し、圧子の押込みを停止したときの押込み深さに深さ換算定数を乗じて加工変質層深さを算出することができる。これによって、本発明のワークの加工変質層の測定方法を実施する上述の工作機械ではない通常の工作機械に、後付けで、工作機械上で簡単にワークの加工変質層の測定が可能な機能を付加することができる。

【図面の簡単な説明】

【0017】

【図1】図１は、本実施形態に係る工作機械の側面図を示す。

【図2】図２は、圧子をワークに押込む工作機械の側面図を示す。

【図3】図３は、図２のワーク及び圧子の拡大図を示す。

【図4】図４は、圧子を傾斜させてワークに押込む場合の拡大図を示す。

【図5】図５は、圧子が押込まれたワーク表面の加工変質層の断面図を示す。

【図6】図６は、押込み荷重、押込み荷重係数及び押込み荷重係数の変化率と押込み深さとの関係を表すグラフを示す。

【図7】図７は、押込み荷重の時間変化量を表す時系列を示す。

【図8】図８は、ビッカース角錐圧子及びヌープ角錐圧子が押込まれた後のワークの表面を示す。

【図9】図９は、押込み試験を含むワークの加工工程の説明図を示す。

【図10】図１０は、押込み試験を含むワークの加工工程のフローチャートを示す。

【図11】図１１は、従来の押込み試験法における角錐圧子が押込まれた試料表面の断面図を示す。

【図12】図１２は、押込み試験法おける荷重の負荷の開始から除荷されるまでの押込み荷重と押込み深さとの関係を表すグラフを示す。

【発明を実施するための形態】

【0018】

以下、添付図面を参照して、実施形態に係る工作機械を説明する。同様な又は対応する要素には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。理解を容易にするために、図の縮尺を変更して説明する場合がある。

【0019】

図１には、本実施形態に係る工作機械１０の側面図を示す。工作機械１０は、基台となるベッド１２と、ベッド１２の上面に立設されたコラム１４とを備える。ベッド１２の上面には、被加工物であるワークＷを固定具５０（図９参照）によって固定するためのテーブル３０が配置されている。テーブル３０は、案内面を介してベッド１２上を移動できる。また、工作機械１０には、所定の位置を原点とした機械座標が予め設定されており、互いに直交する直動軸として、Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸を含む。本実施形態に係る工作機械１０は立形であり、Ｚ軸は鉛直方向に沿って延在する。また、Ｘ軸及びＹ軸は、Ｚ軸に垂直な平面上、ここでは、水平面上に設定する。工作機械１０では、テーブル３０は、Ｙ軸方向（左右方向）に沿って移動するように構成されている。また、コラム１４の前面に配置されたサドル１６は、Ｘ軸方向（紙面に垂直方向）に沿って移動可能に構成されている。

【0020】

サドル１６の前面には主軸ヘッド１８がＺ軸方向（機械上下方向）に沿って上下動可能に配置されている。また、主軸ヘッド１８の先端側、ここでは、下方側には、主軸ヘッド１８に対してＺ軸に平行な軸線周りに回転可能に構成された主軸２０が取り付けられている。主軸２０には、圧子４２、又は、主軸２０と共に回転しながらワークＷを加工するための工具６２、６４（図９参照）が圧子ホルダ４０又はツールホルダ６０を介して着脱可能に取り付けられる。これによって、工作機械１０は、圧子４２又は工具６２、６４を取り付けるための主軸２０とワークＷを配置するテーブル３０とをＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸に沿って相対移動可能に構成されている。

【0021】

コラム１４の前面側には、サドル１６をＸ軸方向に沿って変位させ、圧子４２又は工具６２、６４とワークＷとをＸ軸方向に沿って相対移動するために、送り装置としてのＸ軸送り装置２２が配置されている。また、コラム１４には、主軸２０に取り付けた圧子４２又は工具６２、６４のＸ軸方向の位置を検出するためのＸ軸位置検出装置２４が配置されている。

【0022】

ベッド１２には、テーブル３０をＹ軸方向に沿って変位させ、圧子４２又は工具６２、６４とワークＷとをＹ軸方向に沿って相対移動するために、送り装置としてのＹ軸送り装置３２が配置されている。また、ベッド１２には、ワークＷを配置したテーブル３０のＹ軸方向の位置を検出するためのＹ軸位置検出装置３４が配置されている。

【0023】

サドル１６には、主軸ヘッド１８をＺ軸方向に沿って変位させ、圧子４２又は工具６２、６４とワークＷとをＺ軸方向に沿って相対移動するために、送り装置としてのＺ軸送り装置２６が配置されている。また、サドル１６には、主軸２０に取り付けた圧子４２又は工具６２、６４のＺ軸方向の位置を検出するためのＺ軸位置検出装置２８が配置されている。

【0024】

図２には工作機械１０の側面図を模式的に示す。また、図３には、ワークＷとこれに押込む圧子４２の拡大図を示す。本図の工作機械１０のテーブル３０は、ベッド１２に対して回転可能に構成されている。このため、ワークＷ表面の法線方向と圧子４２の軸線方向とが一致するようにワークＷの傾斜を調節して、圧子４２をワークＷに対して垂直に押込むことができる。これによって、ワークＷの表面が曲面や傾斜面であっても、圧子４２をワークＷに対して垂直に押込むことができる。

【0025】

なお、ここでは、テーブル３０を回転させることによって、圧子４２をワークＷに対して垂直に押込むとして説明するが、これに限らず、図４に示すように、主軸がワークＷに対して傾斜可能に構成され、圧子４２をワークＷに対して傾斜させることによって、圧子４２がワークＷに対して垂直に押込まれてもよい。

【0026】

図１に示すように、工作機械１０は、ＮＣプログラム格納部３６ａに格納されたＮＣプログラムを実行することによって、各軸送り装置２２、３２、２６、すなわち、Ｘ軸送り装置２２、Ｙ軸送り装置３２及びＺ軸送り装置２６を作動し、圧子４２又はテーブル３０を所望の位置へ移動させるための制御装置としてのＮＣ制御部３６を備える。このため、主軸２０に取り付けられた圧子４２をワークＷの所定の位置に押込むことができる。また、ＮＣ制御部３６は、主軸２０に取り付けた工具６２、６４でワークＷを加工できるように、主軸２０を作動させて、主軸２０及び工具６２、６４を回転するように構成されている。さらに、工作機械１０は、圧子４２及び工具６２、６４を格納する工具マガジン４４を有しており、主軸２０を作動して行う作業の内容、すなわち、加工変質層ＷＬの測定又は機械加工に応じて、主軸２０を作動し、工具マガジン４４から取り出した圧子４２又は工具６２、６４を主軸２０に脱着できるように構成されている。

【0027】

また、工作機械１０は、ワークＷの加工変質層ＷＬを測定して評価するための加工変質層測定装置としての演算装置３８を備える。演算装置３８は、Ｘ軸位置検出装置２４、Ｙ軸位置検出装置３４及びＺ軸位置検出装置２８と電気的に接続され、これらによって検出された位置情報を取得できるように構成されている。Ｘ軸及びＹ軸の位置情報は、ワークＷに対して圧子４２を押込む座標値を表し、Ｚ軸の位置情報は圧子４２の押込み深さｈに対応する座標値を表している。

【0028】

主軸ヘッド１８には、圧子４２をワークＷに押込むことによって圧子４２に作用する荷重である押込み荷重Ｌ（図６参照）を検出するための押込み荷重検出器としての荷重センサ４６が配置されている。荷重センサ４６は演算装置３８と電気的に接続されており、演算装置３８は、荷重センサ４６で検出された押込み荷重Ｌを記録するように構成されている。なお、以下の説明では、荷重センサ４６は主軸ヘッド１８に配置されているとして説明するが、これに限らず、荷重センサはツールホルダ内に設けられてもよいし、テーブルに設けられてもよい。

【0029】

図５には、圧子４２が加工変質層ＷＬに押込まれたワークＷの断面図を模式的に示す。また、図６には、押込み深さｈに対する押込み荷重Ｌ、押込み荷重係数Ｃ及び押込み荷重係数Ｃの変化率（ｄＣ／ｄｈ）の変化の一例をグラフで示す。圧子４２が加工変質層ＷＬに押込まれると、押込み深さ検出部３８ａ及び荷重センサ４６によって押込み深さｈ及び押込み荷重Ｌが時々刻々と検出され、これらは演算装置３８に記録される。演算装置３８は、圧子押込み停止制御手段としての停止制御部３８ｂを有しており、停止制御部３８ｂは、その時点までに計測した押込み荷重Ｌを押込み深さｈの二次関数で近似し、近似した二次関数の係数である押込み荷重係数Ｃ（＝Ｌ／ｈ^２）を刻々と算出する。さらに、押込み荷重係数Ｃの押込み深さｈに対する変化率（ｄＣ／ｄｈ）を刻々と算出する。

【0030】

押込み荷重係数Ｃは、圧子４２を押込んだ直後は加工変質層ＷＬの影響を受けるため減少し、圧子４２がある程度の深さまで押込まれると加工変質層ＷＬの影響が小さくなるため一定値となる。加工変質層ＷＬの影響が小さくなる押込み深さｈ_ｓまで圧子４２が押込まれると、押込み深さｈに対する押込み荷重係数Ｃが一定値Ｃ_Ｓになるため、すなわち、押込み荷重係数Ｃの変化率（ｄＣ／ｄｈ）が負から十分０に近づいた値になる。このとき、停止制御部３８ｂは、ＮＣ制御部３６を介して主軸２０を停止させ、圧子４２の押込みを停止させるように構成されている。実際には、押込み荷重係数Ｃの変化率が厳密に０に収束しないこともあり、十分０に近づいた予め定めた値になったときに、圧子４２の押込みを停止させてもよい。

【0031】

演算装置３８は、加工変質層深さ演算手段としての深さ演算部３８ｃを有しており、深さ演算部３８ｃは、これに予め収録された深さ換算定数を圧子４２の押込みを停止した時点の押込み深さｈ_ｓに乗じて加工変質層深さＺを算出する。押込み荷重Ｌは、押込み深さｈの約７倍までの影響を受けるとされており、押込み荷重係数Ｃは、押込み深さｈの半分の位置での代表値と考えることができる（非特許文献１）。このため、ここでは、停止した時点の押込み深さｈ_ｓに乗じる深さ換算定数は３．５と設定されている。なお、ここでは、深さ換算定数は３．５として設定されているが、深さ換算定数は主に圧子の形状によって変わるため、異なる値の深さ換算定数が使用されてもよい。

【0032】

工作機械１０は、算出した加工変質層深さＺを表示するために演算装置３８と接続された表示装置５２を備える。これによって、ユーザは、算出した加工変質層深さＺが、ワークＷの仕上げ代よりも小さく、仕上げ加工を行えることを視覚的に確認することができる。また、演算装置３８は、工作機械１０を作動し、算出した加工変質層深さＺが、ワークＷの仕上げ代よりも小さい場合は、仕上げ加工へ進み、ワークＷの仕上げ代よりも大きい場合は、そのワークＷの加工を中止させるように構成されている。

【0033】

図７には、押込み荷重Ｌの時間変化量ｄＬを表す時系列を示す。先に述べたように、押込み荷重係数Ｃ（＝Ｌ／ｈ^２）は、押込み荷重Ｌを押込み深さｈの二次関数で近似することによって算出する。このため、押込み荷重Ｌ及び押込み深さｈの測定精度を安定かつ向上させるうえで、圧子４２がワークＷの表面に押込まれ、現実に押込み深さｈが発生した時点を押込み荷重Ｌの負荷開始点とすることが好適である。そこで、演算装置３８は、記録した時々刻々の押込み荷重Ｌの時間変化量ｄＬの移動平均値を算出し、有意に押込み深さｈが発生したと判断し得る所定の閾値ＴＶを超えた時点ＳＰを押込み荷重Ｌの負荷開始点、かつ、押込み深さｈ＝０の位置とするように構成されている。

【0034】

また、演算装置３８を備える工作機械１０は、加工変質層ＷＬの測定に加えて、無応力下での基準硬さに依存しないインデンテーション法を用いて非等二軸応力を計測することができる。具体的には、圧子は、所定の頂角を有し、底面が正方形のビッカース角錐圧子ＶＩ及び所定の頂角を有し、底面が長軸ＬＡ及び短軸ＳＡを有する菱形のヌープ角錐圧子ＮＩを用いて押込み荷重Ｌ及び押込み深さｈを測定することができる。はじめに、ワークＷの加工に先立ち、工作機械１０の主軸２０に取り付けたビッカース角錐圧子ＶＩ及びヌープ角錐圧子ＮＩを、ワークＷと同材種で構成された無応力状態の基準テストピース（図示省略）に押込むことによって、押込み荷重Ｌ及び押込み深さｈをそれぞれ測定する。測定した押込み荷重Ｌ及び押込み深さｈから、同じ押込み深さｈにおけるビッカース圧子ＶＩの押込み荷重Ｌに対するヌープ圧子ＮＩの押込み荷重Ｌの押込み荷重比ηを算出する。

【0035】

つぎに、図８に示すように、工作機械１０の軸送り装置２２、３２、２６を用いて、底面の長軸ＬＡを第１の方向であるＸ軸方向へ向けたヌープ角錐圧子ＮＩをワークＷに押込むことによって、ヌープ角錐圧子ＮＩのワークＷへの押込み深さｈ及び第１の押込み荷重Ｌ１を測定する。さらに、工作機械１０の軸送り装置２２、３２、２６を用いて、底面の長軸ＬＡをＸ軸方向と直行する第２の方向としてのＹ軸方向へ向けたヌープ角錐圧子ＮＩをワークＷに押込むことによって、ヌープ角錐圧子ＮＩのワークＷへの押込み深さｈ及び第２の押込み荷重Ｌ２を測定する。また、工作機械１０の軸送り装置２２、２６、３２を用いて、ビッカース角錐圧子ＶＩをワークＷに押込むことによって、ビッカース角錐圧子ＶＩのワークＷへの押込み深さｈ及びビッカース角錐圧子ＶＩを押込むための第３の押込み荷重Ｌ３を測定する。ここで、ヌープ角錐圧子ＮＩの位相を９０度変更する方法は、主軸２０の割出し位置決め機能、又は、テーブル３０の割出し位置決め機能を用いて行う。

【0036】

演算装置３８は、このようにして計測した押込み荷重比η、第１の押込み荷重Ｌ１、第２の押込み荷重Ｌ２及び第３の押込み荷重Ｌ３から、各押込み深さｈにおけるＸ軸方向の第１の残留応力であるＸ軸応力σ^ｘ及びＹ軸方向の第２の残留応力であるＹ軸応力σ^Ｙを以下の計算式で算出することができる。
Ｆ１＝（Ｌ２―η×Ｌ３）
Ｆ２＝（Ｌ１―η×Ｌ３）
Ｆ３＝（α２―η×α３）
Ｆ４＝（α１―η×α３）
σ^ｘ＝（Ｆ１×Ｆ３－Ｆ２×Ｆ４）／（Ｆ４×Ｆ４－Ｆ３×Ｆ３）
σ^ｙ＝（Ｆ２×Ｆ３－Ｆ１×Ｆ４）／（Ｆ４×Ｆ４－Ｆ３×Ｆ３）
ここで、α１は、ヌープ圧子ＮＩの長軸ＬＡ方向と応力方向を平行にして押込んだ際の応力値と荷重変化量の変換係数、α２は、ヌープ圧子ＮＩの長軸ＬＡ方向を応力方向と垂直にして押込んだ際の応力値と荷重変化量の変換係数、α３は、ビッカース圧子ＶＩを押込んだ際の応力値と荷重変化量の変換係数をそれぞれ表し、これらはワークＷの材料により定まる定数である。このようにして算出した残留応力σ^ｘ、σ^Ｙが正の値であれば、測定点には圧縮方向の力が作用しており、ワーク材料が破断する危険性は小さく、このワークＷは良品とされる。一方、負の値であれば、測定点には引張り方向の力が作用しており、ワーク材料が何らかの欠陥を起点として破断する危険性をはらんでおり、このワークは不良品とされる。なお、ここでは所定の頂角を有したビッカース角錐圧子ＶＩ及びヌープ角錐圧子ＮＩについて説明したが、これに限らず、所定の頂角を有さない底面が正方形の角錐圧子及び底面が菱形の角錐圧子を用いてもよい。その場合には、上記計算式の各種係数が変わることになる。

【0037】

図９及び図１０に示す説明図及びフローチャートに沿った押込み試験を含むワークＷの加工工程の説明を通じて、本実施形態に係るワークＷの加工変質層ＷＬの測定方法、ワークＷの加工方法、演算装置３８及び工作機械１０の作用効果を以下に説明する。

【0038】

はじめに、ステップＳ５１０へ移行し、ツールホルダ６０を介して主軸２０に取り付けられた荒加工用の工具６２を使用してワークＷの荒加工を行う。荒加工が終了すると、ステップＳ５２０へ移行して、ワークＷの加工面に生じた加工変質層ＷＬを測定するために押込み試験を行う。

【0039】

押込み試験を開始すると、ステップＳ１０へ移行し、工具６２に換えて工具マガジン４４から取り出した圧子ホルダ４０に装着された圧子４２を主軸２０に取り付ける。ここでは、一例として、ヌープ角錐圧子ＮＩを圧子４２として使用する。圧子４２を主軸２０に取り付けるとステップＳ２０へ移行し、軸送り装置２２、３２、２６を作動して、圧子４２をワークＷに押込む位置まで移動させると共に、圧子４２の軸線方向がワークＷの表面の法線方向と一致するようにテーブル３０の傾斜を調整する。これらの調整が終了すると、ステップＳ３０へ移行して主軸２０の位相を割り出して調整する。ヌープ角錐圧子ＮＩを使用して第１の押込み荷重Ｌ１を測定する場合には、長軸ＬＡがＸ軸方向に沿うように、すなわち平行となるように位相を調整する。また、第２の押込み荷重Ｌ２を測定する場合には、長軸ＬＡがＹ軸方向に沿うように位相を調整する。位相の調整が終了すると、ステップＳ４０へ移行して、圧子４２が取り付けられた主軸２０を所定のアプローチ速度でワークＷへ向けて下降させ、ステップＳ５０へ移行する。

【0040】

ステップＳ５０では、荷重センサ４６を作動し、押込み荷重Ｌの測定を開始する。演算装置３８は、記録した時々刻々の押込み荷重Ｌの時間変化量ｄＬの移動平均値を算出し、有意に押込み深さｈが発生したと判断し得る所定の閾値ＴＶを超えた時点ＳＰを押込み荷重Ｌの負荷開始点、かつ、押込み深さｈの測定開始点として、ステップＳ６０へ移行する。

【0041】

ステップＳ６０では、圧子４２が加工変質層ＷＬに押込まれると、押込み深さ検出部３８ａ及び荷重センサ４６によって押込み深さｈ及び押込み荷重Ｌが時々刻々と検出される。演算装置３８は、これらの検出されたデータを記録し、停止制御部３８ｂは、その時点までに計測した押込み荷重Ｌを押込み深さｈの二次関数で近似して二次関数の係数である押込み荷重係数Ｃ（＝Ｌ／ｈ^２）を刻々と算出する。さらに、停止制御部３８ｂは、押込み荷重係数Ｃの押込み深さｈに対する変化率（ｄＣ／ｄｈ）を刻々と算出する。圧子４２が、加工変質層ＷＬの影響が小さくなる押込み深さｈ_ｓまで押込まれることによって、押込み荷重係数Ｃが一定値Ｃ_Ｓになり、押込み荷重係数Ｃの変化率（ｄＣ／ｄｈ）が負から十分０に近づいた予め定めた値になると、停止制御部３８ｂは、ＮＣ制御部３６を介して主軸２０の下降を停止させ、圧子４２の押込みを停止させる。深さ演算部３８ｃは、これに予め収録された深さ換算定数を圧子４２の押込みを停止した時点の押込み深さｈ_ｓに乗じて加工変質層深さＺを算出する。加工変質層深さＺを算出すると、ステップＳ８０へ移行し、主軸２０を上昇させて圧子４２をワークＷから引き抜く。

【0042】

圧子４２を引き抜くとステップＳ９０へ移行し、ヌープ角錐圧子ＮＩを圧子４２として使用する場合であって、第１の押込み荷重Ｌ１又は第２の押込み荷重Ｌ２の一方の測定が終了していない場合は、ステップＳ３０へ移行し、主軸２０の位相を変更して、測定が終了していない第１の押込み荷重Ｌ１又は第２の押込み荷重Ｌ２を測定する。ヌープ角錐圧子ＮＩを使用した第１の押込み荷重Ｌ１及び第２の押込み荷重Ｌ２の両方の測定が終了した場合や圧子４２としてビッカース角錐圧子ＶＩを使用している場合は、ステップＳ１００へ移行する。

【0043】

ステップＳ１００へ移行し、ヌープ角錐圧子ＮＩ又はビッカース角錐圧子ＶＩを用いた計測が終了していない場合は、ステップＳ１０へ移行し、工具マガジン４４から計測に使用するヌープ角錐圧子ＮＩ又はビッカース角錐圧子ＶＩを取り出して、主軸２０に取り付ける圧子４２を交換する。圧子４２を交換すると、これを用いてステップＳ２０からステップＳ７０までの押込み荷重Ｌの測定を行う。ヌープ角錐圧子ＮＩ及びビッカース角錐圧子ＶＩの両方を用いた計測が終了すると、ステップＳ１１０へ移行し、演算装置３８は、測定かつ算出した、加工変質層深さＺ、押込み荷重比η、第１の押込み荷重Ｌ１、第２の押込み荷重Ｌ２、第３の押込み荷重Ｌ３、各押込み深さｈにおけるＸ軸方向の第１の残留応力であるＸ軸応力σ^ｘ及びＹ軸方向の第２の残留応力であるＹ軸応力σ^Ｙを表示装置５２に出力する。

【0044】

押込み試験が終了すると、ステップ５３０へ移行し、演算装置３８は、算出した加工変質層深さＺが、ワークＷの仕上げ代よりも小さい場合は、ステップＳ５５０へ移行し、工作機械１０を作動して、圧子４２を仕上げ加工用の工具６４に取り換えて仕上げ加工を行う。一方、算出した加工変質層深さＺがワークＷの仕上げ代よりも大きい場合は、ステップＳ５４０へ移行し、そのワークＷの仕上げ加工を中止する。

【0045】

本実施形態に係るワークＷの加工変質層ＷＬの測定方法、ワークＷの加工方法、演算装置３８及び工作機械１０によると、工具６２、６４に換えて主軸２０に装着可能であり、工作機械１０の軸位置検出装置を備えた軸送り装置２２、３２、２６を用いてワークＷに押込むことによって圧痕を形成する圧子４２と、圧子４２のワークＷに対する押込み荷重Ｌを検出する荷重センサ４６とを備える。このため、工作機械１０の機上において、圧子４２のワークＷに対する位置及び位相を調整した上でワークＷの表面の加工変質層ＷＬの測定を行うことができ、加工変質層ＷＬの状態を簡便に評価することができる。また、工作機械１０のＮＣ制御部３６に接続可能な演算装置３８を備えるため、押込み荷重Ｌを押込み深さｈで関数近似したときの係数となる押込み荷重係数Ｃを刻々と算出し、押込み深さｈに対する押込み荷重係数Ｃの変化率（ｄＣ／ｄｈ）が、負から十分０に近づいた値になったときに圧子４２のワークＷへの押込みを停止し、圧子４２の押込みを停止したときの押込み深さｈ_Ｓに深さ換算定数を乗じて加工変質層深さＺを算出することができる。これによって、従来からある押込み試験法とは異なり、予め設定した押込み深さ又は押込み荷重値に到達するまでワークＷに負荷をかけることなく加工変質層深さＺを算出することができ、ワークＷを不良品とする確率を低減して加工変質層ＷＬの測定及び評価を行うことができる

【0046】

また、本実施形態に係るワークＷの加工変質層ＷＬの測定方法、ワークＷの加工方法、演算装置３８及び工作機械１０によると、工作機械１０のテーブル３０は、ベッド１２に対して回転可能に構成されている。このため、ワークＷ表面の法線方向と圧子４２の軸線方向とが一致するようにワークＷの傾斜を調節して、圧子４２をワークＷに対して垂直に押込むことができる。これによって、ワークＷの表面が曲面や傾斜面であっても、圧子４２をワークＷに対して垂直に押込むことができ、押込み荷重Ｌ及び押込み深さｈを精度よく測定することができる。

【0047】

さらに、本実施形態に係るワークＷの加工変質層ＷＬの測定方法、ワークＷの加工方法、演算装置３８及び工作機械１０によると、演算装置３８は、記録した時々刻々の押込み荷重Ｌの時間変化量ｄＬの移動平均値を算出し、有意に押込み深さｈが発生したと判断し得る所定の閾値ＴＶを超えた時点ＳＰを押込み荷重Ｌの負荷開始点とするように構成されている。このため、圧子４２がワークＷの表面に押込まれ、現実に押込み深さｈが発生した時点を押込み荷重Ｌの負荷開始点とすることができ、押込み荷重Ｌの測定精度、ひいては押込み荷重係数Ｃの変化率（ｄＣ／ｄｈ）の精度を安定かつ向上させることができる。

【0048】

また、本実施形態に係るワークＷの加工変質層ＷＬの測定方法、ワークＷの加工方法、演算装置３８及び工作機械１０によると、加工変質層ＷＬの測定に加えて、押込み荷重比η、第１の押込み荷重Ｌ１、第２の押込み荷重Ｌ２、第３の押込み荷重Ｌ３、各押込み深さｈにおけるＸ軸方向の第１の残留応力であるＸ軸応力σ^ｘ及びＹ軸方向の第２の残留応力であるＹ軸応力σ^Ｙを算出することができる。これによって、加工変質層深さＺの算出と合わせて加工変質層ＷＬ内の応力の評価を行うことができる。

【0049】

以上により、本実施形態に係るワークＷの加工変質層ＷＬの測定方法、ワークＷの加工方法、演算装置３８及び工作機械１０は、工作機械１０上においてワークＷの加工面の加工変質層ＷＬの状態を簡便に評価できる。

【0050】

荷重センサ４６を主軸ヘッド１８に内蔵しない、加工変質層の測定を考慮していない通常の工作機械で加工変質層を測定する装置について説明する。この場合は、圧子ホルダ４０内に押込み荷重Ｌを測定する荷重センサを設ければよい。また、演算装置として汎用パソコンを用い、押込み深さ検出部３８ａ、停止制御部３８ｂ、深さ演算部３８ｃをアプリケーションソフトウェアとして、このパソコンにインストールし、パソコンをこの工作機械のＮＣ装置のユーザインターフェイスに接続する。この加工変質層測定装置を通常の工作機械に後付けすることによって、上述の加工変質層の測定方法、ワークの加工方法を実施することができ、さらに、図１の工作機械１０と同等の機能を発揮させることができる。つまり、この加工変質層測定装置は、種々の圧子、荷重センサ内蔵の圧子ホルダ、工作機械の制御装置に接続可能なパソコンとアプリケーションソフトウェアをパッキングした加工変質層測定キットと言える。

【0051】

以上、ワークＷの加工変質層ＷＬの測定方法、ワークＷの加工方法、演算装置３８及び工作機械１０の実施形態について説明したが、本発明は上記の実施形態に限定されない。例えば、主軸の向きが鉛直な立形工作機械に代えて、主軸の向きが水平な横形工作機械であってもよい。上記のほか、当業者であれば、上記の実施形態の様々な変形が可能であることを理解できると考えられる。

【符号の説明】

【0052】

１０ 工作機械
２０ 主軸
２２ Ｘ軸送り装置（送り装置）
２６ Ｚ軸送り装置（送り装置）
３２ Ｙ軸送り装置（送り装置）
３６ ＮＣ制御部（制御装置）
３８ 演算装置（加工変質層測定装置）
３８ａ 押込み深さ検出部
３８ｂ 停止制御部（圧子押込み停止制御手段）
３８ｃ 深さ演算部（加工変質層深さ演算手段）
４２ 圧子
４６ 荷重センサ（押込み荷重検出器）
Ｌ 押込み荷重
Ｌ１ 第１の押込み荷重
Ｌ２ 第２の押込み荷重
Ｌ３ 第３の押込み荷重
ｈ 押込み深さ
ＮＩ ヌープ角錐圧子
ＶＩ ビッカース角錐圧子
ＷＬ 加工変質層

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】