平成２４年度 研究報告 大分県産業科学技術センター

難削性金 属 材料の切 削加工技術 の高度化に関 する 研究（第 3 報）
―コーテッド超硬エンドミルによる難削材の効率的切削加工技術の開発―
大塚裕俊・水江宏・橋口智和
機械・金属担当

Study on end milling difficult-to-machine alloys(the 3rd report)-High efficient machining with coated carbide endmills Hirotoshi OHTSUKA・ Hiroshi MIZUE・ Tomokazu HASHIGUCHI
Mechanics and Materials Engineering Group

要旨
難削性金属材料の切削加工技術の高度化のため，前年度のエンドミルの切れ刃形状を改良した不等リー ド エ ン ド ミ ル を 用 い て ， ス テ ン レ ス 鋼 (SUS304)の 切 削 加 工 実 験 を 行 っ た 結 果 ， 等 リ ー ド エ ン ド ミ ル に比較して不等リードエンドミルでは切削抵抗の変動が小さく切削距離が伸びる結果が示された．また，より加工条件の厳しいポケット形状を対象とした切削加工実験を行った結果，不等リードエンドミルの方 が ス テ ン レ ス 鋼 （ SUS304） で は 工 具 寿 命 が 大 幅 に 増 大 し た ．

1.

さらにポケット形状加工では，ねじれ角が交互にはじめに36°と 39°である直径 8mm，4 枚刃の(Ti, Al)N コーテ

ステンレス鋼など難削材は，エンドミル加工におけィングされた超硬ストレートエンドミル（不等リードエる被削性の向上が常に求められている．今回は，ステンンドミル）を用いる（市販品：以下エンドミル(C)）．

レス鋼を対象として，前年度に開発されたコーテッド超この比較対照用として，材質がほぼ同等の超硬ストレー

硬エンドミル工具をさらに改良した不等リードエンドミ

トエンドミル（ねじれ角がすべて 45°）を利用する

ルを加工実験に適用する．また加工形状として，直線切（市販品：以下エンドミル(D)）．

削に加え加工条件の厳しいポケット形状の切削加工も実

なお被削材はステンレス鋼 SUS304 を用いる．

施する．

2.2

本研究では，被削材の加工効率向上の手段として，実験装置と手順

Fig.1 に用いる実験装置の概略を示す．上記の材料か一刃ごとにねじれ角を変化させた不等リードエンドミル

ら作製した被削材 1，2 を立形マシニングセンタ(MC)のを適用する．昨年度の知見により切れ刃形状を改良したテーブル上に取り付ける．被削材 1 は工具寿命試験（直本工具を用いて比較試験を行い，工具寿命向上について線切削およびポケット形状切削）に用いられ，被削材 2の有効性を示す．また製品加工で頻出する凹部形状（ポは 3 成分工具動力計上に保持され切削抵抗の測定に用いケット形状）について，等リードエンドミルとの比較実られる．切削抵抗の測定は Table 1 右の Rｄ，Ad に示さ験を行い有効性を検証する．

れるように，被削材についてエンドミルの軸方向と径方2.
2.1

向に一定の切込み量を与えて XY 平面内での直線端面切実験装置と方法削により行う．工具寿命試験の標準切削条件も Table 1

切削工具と被削材

左に示す．切れ刃や切りくずの外観についても適宜に観工具として，ねじれ角が交互に 30°と 32°である直察する．

径 8mm，4 枚刃の(Ti, Al)N コーティングされた超硬ス
トレートエンドミル（不等リードエンドミル：Fig.2）

ZHolderを用いる（（株）信栄製作所で製作：以下エンドミル(A)）．これは今回開発された工具である．その比較対Y照用として，前回利用した超硬ストレートエンドミル

EndmillX（ねじれ角がすべて 30°）を用いる（（株）信栄製作

Dynamometer
M/C table所で製作：以下エンドミル(B)）．なお工具母材は超微粒子超硬合金であり，従来よりも硬度や耐酸化性が向上

Workpiece 1

した被膜を用いている．

Fig.1
18

Workpiece 2

Setup for experiment平成２４年度 研究報告 大分県産業科学技術センター

Table 1

Cutting conditions for experiments

Experiment
Cutting conditions
Cutting speed V m/min(Spindlespeed) S min－1
Feed per tooth fz
mm/toothCutting direction
Free length of tool mm
Tool runout
Radial depth of cut Rｄmm
Axial depth of cut Aｄmm

まで工具をらせん状に振り下ろし，ついで Fig.3 に示す

Tool wear
experiment(Straight&Concave)
75
3000

Cutting forcemeasurement

工具パスと Table 1 左に示す条件で工具を外側にスパイ

75
3000

ト形状の加工を行い，定数個の加工終了ごとに切削抵抗0.03, 0.01*(0.08*mm/cycle
Z direction: radius=1*mm)
Down cut32≦ 6μm
0.4 (standard)

0.03

88

ラル状に広げていくことで行う．さらに連続してポケッの測定と切れ刃や切りくずの観察を行う．以上を市販エンドミル(C)(D)について行う．Table 2 にエンドミル(A)～(D)のねじれ角と工具メーカを示す．

Down cut32≦ 6μm
0.4Workpiece

SUS304(Straight &C
oncave cutting)

Coolant

Dry air

SUS304(Straightcutting)
Dry air* Cutting conditions for initial helical millingfor concave cutting

Fig.3 Tool paths and milled workpiece used fortool wear experiment (Dimensions of the shape 40×40×8mm)

Table 2 Coated carbide endmills (φ8mm, 4 flutes)
used for experiments
Manufacturer
Cutting edge
Unequal helix angle

Endmill(B)30°Equal helix angle

3.

SHIN-EIOSGSEISAKUSHO Co., CORPORATION
Ltd. (developed(commercialendmill)product)
Endmill(A)Endmill(C)30°, 32°36°, 39°3.1

実験結果と考察

直線切削加工ステンレス鋼 SUS304 は鋼材として広く利用されている．本研究では開発されたエンドミル(A)(B)を用いて直線切削加工を行い，工具寿命等について比較評価を行っ

Endmill(D)45°

た．
不等リードエンドミル(A)の結果については，Fig.4に見られるように，切削距離の増大とともに工具摩耗が(a) ↓←(b)30°

次第に進展し，切削距離 25m で工具寿命となった．工具
摩耗の特徴は，切れ刃先端形状が逃げ面とすくい面を含100°めて面取り状に鈍化していくようにチッピングが起こり摩耗が進行していく点である．そして切削距離とともに，32°

切れ刃全面にわたって工具摩耗やチッピングが大きくなった．そして刃先が赤熱して切れ刃全面への被削材の溶着が発生し，工具寿命を迎えた．

(a) Side edge

Fig.2
2.3

(b) Bottom edge

Unequal helix angle endmill (Endmill(A))
実験条件

工具寿命試験（直線切削ないしポケット形状切削）に用いる切削条件を Table 1 左に示す．直線切削は直線端面切削の繰り返しにより行うが，ある切削距離ごとに切削抵抗の測定と切れ刃や切りくずの観察を行う．以上について開発エンドミル(A)(B)について比較実験を行う．
これに対しポケット形状加工では，*印で示す条件による切削開始時のヘリカル穴加工が必要である．Fig.3 にポケット形状加工に用いられる工具パスとその加工状況

Fig.4
Photographs of cutting edge (Endmill(A)Workpiece: SUS304)

を示す．加工順序はまず被削材の中心において深さ 8mm

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また切削抵抗の測定値については，切削距離とともFig.7 は切削抵抗の変動の大きさを評価する指標としに被削材に対する法線方向成分 Fx が他成分と比べて切て，切削抵抗成分 Fx の分散σ2 の変化を示したものであ

削距離とともにゆるやかに増大したが，工具寿命に近づる．これによれば，不等リードエンドミル(A)の方が工くにつれ急激に増大していった（Fig.6）．切りくず形

具寿命時まで低い値で推移していることがわかる．

状については，新品工具時は光沢のある細い短冊形状を呈するが，切削距離の増大とともに，徐々に表面のせん断による横筋が大きくなっていき，端面にギザギザが発生していった．さらに切削距離 20m を過ぎると切りくずが大きく千切れるようになり，工具寿命時には切りくずの細かい破断やむしれが増大した．切りくずの色も銀色からやや鈍い色に変化した（Fig.5）．
以上の結果と比較のため，等リードエンドミル(B)について同じ条件で実験した際の切削抵抗の測定値（法線方向成分 Fx）の変化を Fig.6 中の○印で示す．これによれば，不等リードエンドミル(A)に比べて Fx は切削
Fig.7 Relation between cutting length and cuttingforce (Endmill(A) Workpiece: SUS304)

開始からやや直線的に増大している．また不等リードエンドミル(A)の切削距離がエンドミル(B) よりも 25%以上伸びていることがわかる．

3.2

ポケット形状切削加工

続い て， エン ド ミル(C)(D) を用 いて ステ ン レス 鋼
SUS304 のポケット形状加工を行い，工具寿命等について比較評価を行った．
不等リードエンドミル(C)の結果については，まず切れ刃の変化では，Fig.8 に見られるように，切削個数の増大とともに工具摩耗が次第に進展し，切削個数 60 で工具寿命となった．

Fig.5 Photographs of chip (Endmill(A)SUS304)

Workpiece:

Fig.8 Photographs of cutting edge (Unequal helix
Angle Endmill(C) Workpiece: SUS304)
工具摩耗の特徴は，前節と同様に切れ刃先端形状が逃げ面とすくい面を含めて面取り状に鈍化していくようにチッピングが起こり摩耗が進行していく点である．そ
して切削個数増大とともに，切れ刃全体において工具摩耗やチッピングが大きくなり，刃先が赤熱して切れ刃へ

Fig.6 Relation between cutting length and cuttingforce (Endmill(A) Workpiece: SUS304)の被削材の溶着が発生し工具寿命を迎えた．ヘリカル穴20

平成２４年度 研究報告 大分県産業科学技術センター

加工によりエンドミル底刃も損傷するが，Fig.9 に示すように底刃外周部から摩耗や欠けが切削個数とともに成長している．
切削抵抗の測定値については，切削個数とともに被削材に対する法線方向成分 Fx がゆるやかに増大していき，工具寿命が近づくとその増加率が大きくなった（Fig.11）．
切りくず形状については，当初は銀色の短冊状切りくずであるが，切削個数 30 を過ぎて切りくずの千切れが多くなった．また徐々に表面のせん断による横筋が大きくなりそこから破断するものが増えていった．工具寿命時にはほとんど切片状に断裂した切りくずとなり，切りくずの色も銀色からやや鈍い色に変化した（Fig.10）．

Fig.11
Relation between cutting length andcutting force (Unequal helix Angle Endmill(B)Workpiece: SUS304)
以上の結果と比較のため，等リードエンドミル(D)について同じ条件で実験した際の切削抵抗の測定値（法線方向成分 Fx）の変化を Fig.11 中の○印で示す．
これによれば不等リードエンドミル(C)の切削距離が等リードエンドミル(D)よりも 4 倍程度大きく伸びていることがわかる．また双方とも特徴的な切削抵抗の増加傾向を示すことがわかる．また前節と同様，その切削抵抗の変動値についても等リードエンドミル(D) よりも工具寿命時まで低い値で推移していた．

4.

おわりに開発された不等リードエンドミル等を用いて，切削加工実験（直線切削およびポケット形状切削）によるス
テンレス鋼 SUS304 の適切な加工条件の研究を行い，次Fig.9 Photographs of cutting edge (Unequal helix
Angle Endmill(C) Workpiece: SUS304)の結果を得た．
(1) 開発された不等リードエンドミルによる SUS304 の直線切削では，標準切削条件において切削距離 25m0となり，比較したエンドミルの切削距離 20m に対し30て 25％以上工具寿命が延びた．

1mm(2) 市販の不等リードエンドミルによる SUS304 のポケット形状切削では，標準切削条件において切削個数60 となり，比較したエンドミルの切削個数 15 に対して工具寿命が 4 倍程度延びた．

60(3) SUS304 の直線切削およびポケット形状切削では，いずれも切れ刃先端が面取り状に鈍化していく摩耗形態を示した．切削抵抗の被削材に対する法線方向成分 Fx が，工具寿命が近づくに従い増加率が大き45くなった．

Fig.10 Photographs of chip (Unequal helix Angle
Endmill(C) Workpiece: SUS304)

追記

本研究は，平成 24 年度の九州各県工業系公設試連携研究の一環として実施されました．

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