NACHITECHNICALREPORT
Machining

23A2

Vol.

Oct/2011■ 寄稿・論文・報文・解説

マシニング事業「高硬度材の断続切削における加工特性」
Characteristics for Intermittent Machiningof High Hardness Steel〈キーワード〉

高硬度材・断続切削・仕上げ加工・切削温度・超硬工具

精密工具製造所／技術部

山崎 格

Itaru YAMAZAKI

「高硬度材の断続切削における加工特性」

要旨

近年、自動車の快適性への追及、環境への配慮・省エネ対策などから、構成部品に対する高精度化・高硬度化の要求が一段と高まっている。とくに、自動車、産業機械分野における部品に対して、ギアノイズ低減や部品の強度アップのため、焼入れされた高硬度部品を加工するニーズが増えている。
超硬エンドミル、超硬歯切り工具をはじめとして、超硬工具による高硬度材の断続切削の用途は多いものの、その切削温度特性や被削材への影響については、十分に検討されていない。

1. 切削温度特性を知ること

近年、熱処理された高硬度材を超硬工具で加工するニーズが増えている。
しかしながら実際の加工

そこで、本稿では、超硬工具による歯切り、ブロー

現場において、その切削温度や加工特性を知ること

チ加工を想定し、旋盤による高硬度材の断続切削は容易ではない。とくに切削温度については、目にを行ない、切削温度を中心に、その加工特性につい見えず、測定自身が困難である。切削温度特性をて評価したので報告する。

知ることで、切削温度が加工品質に及ぼす影響や、加工条件の選定、工具摩耗を抑制するための手段として十分に活用できる。最近では、
コンピュータシミュ

Abstract
Recently the high precision and high hardness of component parts have been greatly demanded because of pursuit of comfortable drivingof an automobile, consideration of the environment and energy-saving measures. In particular,
the need of machining the quenched parts withhigh hardness has increased in order to reducegear noise and to increase the strength of partsfor automobiles and industrial machines.
The high hardness steel that is intermittently
machined with carbide tools such as carbide end
mills and carbide gear-cutting tools are widelyused in many areas. However, the characteristics
of cutting temperature and impact on the steel
are not sufficiently examined.
Thus, the article covers the evaluation on theimpact on machining characteristics (such as materials, tools and quality) from cutting temperature in the intermittent-lathing of high hardness
steel, in order to confirm the qualities of bothgear cutting and broaching with carbide tools.

レーションソフトを活用し、切削温度を予測できるようになってきているが、解析手法自身はブラックボックス化されており、パラメータの与え方、メッシュの与え方によって解析値が変わることがある。実際の切削温度特性を知ることは、解析の信頼性を高める上でも有意義なことであるといえる。

超硬ホブ

超硬ブローチ
図1

1

超硬エンドミル

高硬度材を断続切削する超硬工具例

2. 実験の方法
1）実験の方法

2）切削温度の測定

実験では、高硬度材を加工する歯切り工具を想定し、旋盤による断続切削を行なう。

従来、切削温度の測定方法として、被削材の切りくずの色による判別法や、放射温度計を用いる方

図2に示す円周6か所に溝を付けた被削材クロム法、赤外線写真による方法、工具又は被削材中にモリブデン鋼SCM440（ 60HRC）を超硬チップにて熱電対を挿入する方法などがあるが、今回、比較的切削し、断続切削とした。表1に加工条件を示す。

簡単に信頼性の高い評価を行なうことが可能な 工具−被削材熱電対法 を用い、工具と切りくずの接触面の平均温度を測定することとした。 工具−被削材熱電対法 とは、工具と被削材との間に熱電対を構成し、工具と被削材との間で生じる熱起電力

図2 ワーク形状
表1
被削材
工具材料形状
切削速度
切込み量
クーラントを利用して工具刃先温度（切削温度）を測定するものである。被削材からの熱起電力の取出しにはスリッ加工条件

プリングを用いた。図3にその実験の概要図を示す。

クロムモリブデン鋼 SCM440（60HRC）
超硬（コーティング無し）
超硬（TiAlN系コーティング）
すくい角ー10°、逃げ角1°
5〜60 m/min
0.025〜0.1 mm/rev
ドライ（無し）被削材
スリップリング

ブラシ
工具

ブラシ
延長棒

絶縁物
動力計

抵抗（100Ω）

チャージアンプ

スリップリング

図3

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実験方法

オシロスコープ

2

「高硬度材の断続切削における加工特性」

3）温度校正これにより、発生する熱起電力から切削温度が求発生する熱起電力から温度を求めるためには、まる。超硬工具は、①コーティング無し、②コーティン

事前に電気炉にて校正をする必要がある（図4）。

グ有りの場合、それぞれ実施し校正する。

超硬と被削材である焼入れ 鋼を電気炉の中にいれ 、温 度 変 化させることにより、発 生 する熱 起 電力と温度の関係が得られる
（図5）。
8
超硬

θ：環境温度V：熱起電力

熱起電力V（mV）

焼入れ鋼

K熱電対基準接点

64

2

コーティング有り工具
V＝9.98×10-3×θ＋2.59××10-10電気炉

図4200400600
環境温度θ
（℃）

オシロスコープ

温度校正方法

図5800

1,000

温度校正結果3. 得られる熱起電力波形と切削温度波形
図6は断続切削中の熱起電力波形、図7は校正という非常に短時間で、定常状態に達しているこ値を用い熱起電力から切削温度に変換し、その波とが特徴である。

0.011,0000.008

8000.006

600

切削温度（℃）

熱起電力V（mV）

形1山を拡大したものである。切削温度は、0.001秒

0.004

2000.002
0400

00.2

0.40.6時間（sec）

図6

断続切削中の熱起電力波

0.81000.020.04時間（sec）

図7

切削温度波形の拡大（超硬工具コート無し、切削速度60m／min、切込み0.05mm／rev）

30.06

4. 切削過程における切削温度の推移
図8は、切削開始部分の切削温度波形を拡大しその領域拡大とともにせん断面でのエネルギーもたものである。これより区間A〜Cの3つの領域がみ急激に増加し、それに伴い切削温度も急激に上昇られる。区間A部は直線的な上昇を示し、区間Bでする。区間Bでは、切りくずが生成され始め、すくいは緩やかに上昇、区間Cでは徐々に定常状態になる。

面と切りくず間の摩擦熱なども付加されるために切区間A（切削距離0.5mm）までに定常状態の80％、削温度は上昇するが、安定した塑性変形に近づく

区間Bでほぼ定常に達していることから切削過程初ことや、発生した熱が周囲に伝播していくため緩や期に急激に温度上昇していることが分かる。これは、かな上昇となる。区間Cでは、塑性変形が安定し、切りくず生成と密接な関係があると推定される。図9

安定した切りくず生成となる。ここでは区間Bよりもの切りくず生成モデルに示すように、区間Aでは切広い範囲に熱が伝播していき、切削温度も安定しりくずは生じておらず急 激な塑 性 変 形が起こり、てくるものとみられる。

切削距離（mm）
1,000

024A

6B

8Tool
Tool

10区間ACworkWork piecepiece

切削温度（℃）

800

600
区間B
400

200

000.002

0.004

0.006

0.008

0.01

区間C時間（sec）

図8

加工開始時の切削温度波形

図9

切りくず生成モデル（超硬工具コート無し、切削速度60m／min、切込み0.05mm／rev）

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「高硬度材の断続切削における加工特性」

5. 切削温度上昇速度
8,000たりの切削温度上昇速度とし、各速度別にプロット1）したものが 図 1 0 である。S 4 5Ｃ（ 2 0 0 H B ） とSCM440の焼入れ鋼（60HRC）において、2,000℃/msecに達する切削速度を比較すると、S45Cでは100m/min、ＳＣＭ440焼入れ鋼では、50m/minの速度で達している。高硬度材の温度上昇は、
Ｓ45Ｃ温度上昇速度（℃／msec）

図8における区間Ａの直線の傾きを単位時間当

6,000

4,0002,000
焼入れ鋼（60HRC）
S45C（200HB）に比べ、約2倍の温度上昇を示しており、定常温度に達するまでの時間が非常に短いことが分かる。焼00100

入れ鋼は、
Ｓ45Cに比べ硬さが硬く切削開始の塑200
切削速度（m／min）

図10

性変化に要する仕事量が大きくなるからである。旋300400

切削温度上昇速度

盤により、一般的に用いられているような条件下では、切削温度を低下させることは、難しいといえる。

6. コーティングと切削温度
図11は、切込み0.1mm/rev、コーティング有り無1,000

し工具における切削速度と切削温度の関係を示し
800

切削温度が上昇していることが分かる。コーティング有り無しによる差は顕著には見られなかった。コーティ
ング工具の持つ耐熱性などにより、工具の母材に流切削温度（℃）

たものである。両者共に、切削速度の上昇に伴い、600400入する熱は減少していると考えられるが、切削温度そのものを低下させることは困難である。

2000

コーティング無し
コーティング有り

010203040
切削速度（m／min）

50

図11 コーティング有無と切削温度（切込み0.1mm／rev）

560

7. 被削材への影響
図12は、切込み0.05mm/rev 、切削速度5、10、30、見られた。これにより、切込みが0.05mm/revの条50m/minにおける切削速度と加工後の被削材硬さ件において、切削速度が10m/min以下であれば被の関係である。任意の3点で測定したビッカース硬さ削材の熱軟化は生じないものといえる。図12の横を×印で表わし、その測定値の平均値を算出したも軸を切削温度に置き換えると、図13の切削温度と加のを図中の青色曲線で表わしている。破線は、加工後の被削材硬さを示したグラフとなる。切削温度

工前の被削材の表面硬さを表わしており、832Hｖでが500℃を超えるような場合において、加工後の被ある。加工後の被削材表面の硬さは、切削速度5〜削材表面の硬さが低下することが分かる。これによ10m/minでは、加工前とほぼ等しい硬さを有していりSCM440での表面の熱軟化は、切削温度500℃をた。
しかし、切削速度30m/minにおいては812Hｖ、超えるような切削条件の際に生じるといえる。

50m/minでは762Hｖと大幅に減少していく傾向が
900

900

ビッカース硬さ（Hv）

加工前の硬さ

800

700

010203040
切削速度（m／min）

図1250800

700
30060

切削速度と被削材の硬さ

400500600
切削温度（℃）

図13700800

切削速度と被削材の硬さ（超硬工具コート有り、切込み0.05mm／rev）

8. 熱軟化抑制に向けて 切込み違い
焼入れ鋼SCM440の熱軟化を抑制するためには、1,000

切削温度を500℃以下にする必要がある。切込みを800小さくしていった場合、図14のように徐々に切削温度が低下していく様子を確認できる。本実験では、実験装置の最小切込みが0.025mmあるためそれ以上の小さな切込みにおける測定はできなかったが、切込みをさらに小さくすることができれば、熱軟化を生じない低い切削温度による加工が可能であると考えられる。

切削温度（℃）

ビッカース硬さ（Hv）

加工前の硬さ

600
400
200000.020.04

図140.06
切込み（mm）

0.08

0.1

切込みと切削温度（超硬コート無し、切削速度30m／min）

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9. おわりに今回、高硬度材の断続切削の評価を行ない、今後、超硬工具を用いた高硬度材を加工する需S45C（200HB）と比べ、高硬度材は非常に短時間要は、増々増加してくると考えられる。これらの技術は、で切削温度が上昇することや、被削材へ及ぼす影響、ブローチ、歯切り工具、エンドミルなどの高硬度材の加工条件による違いについて分かってきた。従来は、断続切削における加工条件の選定や、工具寿命対策、切りくずの色などから切削温度を推測することがコーティングの選定などに幅広く展開が期待される。

多かったが、今回の実験手法は、ワークの品質におNACHIの持つコア技術（工具、材料、機械など）をよぼす影響や切削条件の選定する手段として有効融合させ、今後は新しい加工システムの開発にとりに活用できる。

組み、常に一歩先を行く加工システムを提案していきたい。

参考文献
1）柴坂ほか：2003年精密工学会秋季大会学術講演論文集（2003）133.

関連記事
2）山崎ほか：2008年精密工学会秋季大会学術講演論文集（2008）63.
3）山崎ほか：2009年精密工学会秋季大会学術講演論文集（2009）123.

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Vol.23A2 October / 2011〈発行〉 2011年10月10日
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