NACHITECHNICALREPORT
Machining

11A1

Vol.

October/2006■ 寄稿・論文・報文・解説「高速ミーリングにおける鋼材の切削諸特性」
マシニング事業
工具マシナリー

The Cutting Characteristics of Mold Steel Under
The High-speed Milling Condition〈キーワード〉高速ミーリング・ボールエンドミル・工具摩耗・
表面粗さ・リニアモーター（独）理化学研究所 中央研究所 先端技術開発支援センター
アドバンスト・エンジニアリングチーム リーダー
工学博士

安齋 正博

Masahiro Anzai

「高速ミーリングにおける鋼材の切削諸特性」

要1.切削加工の高速化による

旨工業製品を速く、精度良く、それなりの価格で製作することは、製造業にとって常に要求されるところである。切削加工の高能率化をはかるには、切削面積を大きくして送り速度や切込みを増大する高除切削環境の変化

高速化によって顕著な変化が見られるのは、切りくず形態の変化と工具摩耗であろう。
一般的に切削速度が速くなるほど流れ型切りくずが生成され、切削抵抗の変動が少なく、良好な仕去加工がある。
この実現には高剛性や大消費動力を有する大型機が要求されるが、仕上げ寸法に規定があるために、むやみに切込みを大きくできないなど制限がある。
これに比べ切削速度の高速化による高能率化は、この制約が少なく、速く、精度良くしかも安価に工業を得るための有効な手製品（金型、機械部品など）
1）立てとして注目されている 。

上げ面粗さが得られ、良好な加工が実現されるといわれている。
切削速度の高速化に伴い切削温度は上昇し、切削温度と工具摩耗の関係は、実験的に
θＴｎθ＝Ｃθ
θは切削温度、Ｔは工具寿命、で表わされる。ここで、ｎθ、Ｃθは実験によりあらかじめ求める工具材種など
2）による定数を表わす 。

Abstract
Quick, precise manufacturing of industrial
products with a reasonable cost is always required for manufacturing companies. A method that removes a large stock is used in orderto make milling highly efficient and it requiresa larger area for milling, increased feed speed
and milling capability.
However, a large, highly-rigid milling machineis necessary to achieve such high efficiency,
and it will consume a large amount of electricity. In addition, the milling depth is limited andcannot be increased excessively because of thespecified finished dimensions.
In comparison with the aforementioned method, high-speed milling is a highly-efficient,fast, precise and inexpensive method with lesser limitation and is drawing attention as an effective means for milling industrial products
such as molds and machine parts.

1

切削温度に影響する因子としては、切削条件、被削材種、工具刃先形状、切削油剤などがあり、加工条件の中では、切削速度の影響が最も大きい。
したがって、切削速度を上昇させれば温度が上昇し、工具摩耗が促進され、寿命が短くなると一般的にいわれていた。
しかし、高速ミーリングでは、高速側で工具摩耗が減少する場合が見出されており、切削速度の上昇＝工具温度の上昇≠工具摩耗の増大の場合もあることが分かってきた。

2. 高速ミーリングのメリット
ここでいう高速ミーリングは、浅切り込み、高送りをできるだけ少ない種類の工具で加工しようとすれ前提とし、工具にかかる負荷を均一にする断続切ば、最終仕上げRの工具を使用して加工することに削法である。高速に回転したボールエンドミルを用いなり、Pfを小さくすることが表面粗さを小さくするためて、少ない種類の工具で形状加工することによるの残された手段であることが分かる。切削後の表面CAMの軽減も考慮している。高速に回転させて、粗さはできるだけ小さい方が後工程の軽減になって、速く送れば生産性がアップするから当然その方が良さらなるリードタイム短縮が期待できる。
しかし、Pfを小いと思われるが、実は高速ミーリング手法を選択すさくすればそれだけ加工時間がかかり、それを短縮る必然性がある。

するためには、工具を速く送らなければならないが、金型曲面などの形状加工ではボールエンドミルが回転数を変えずに送りを速くすると工具への負荷主に使用され、図1に示すように切削される。すなわが増大する。これを減少させるのには、回転数を増ち、工具進行方向とこれと直角方向にそれぞれ送り大させて1刃当りの送りを小さくすれば良い。かくしをかけて切削する。前者は１刃当りの送り、後者をピッて工具を高速回転させ、送りを速くする高速ミーリン（Pf）と呼ぶ。
１刃当りの送りは、機械、工具クフィード

グの必然性が生ずる。

※1の剛性で決まり、かつチップポケットより大きくできない。
これが削り残し形状におよぼす影響はPfほど大きく2ない。この場合の表面粗さは、近似的にPf /8Rで表φDわされ（Rは工具半径）、工具半径を大きくするかPfを小さくすれば切削後の表面粗さは小さくなる。

送りカプス高さ

R

ピック
フィード Pf

図1 ボールエンドミルによる金型形状加工

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2

「高速ミーリングにおける鋼材の切削諸特性」

3. 各種金型用鋼材の超硬ボールエンドミル加工
における摩耗特性3）

超硬合金製ボールエンドミルで、各種金型用鋼材因子による摩耗であると考えられる。摩耗形態の相を一定距離切削した後の、逃げ面最大摩耗幅と実また、断続切削であるボール違については後述する。

切削速度の関係を図2に示す。 同一鋼材種で塗つエンドミル加工では、回転数が低くなると工具・被削ぶし印は中心刃近傍（r=0.5mm）、白抜き印は外周材の接触時間が長くなること、切屑の排出性が悪化（r=3mm）での工具摩耗を示している。

すること、切削エネルギーの低下など多くの因子が複中心近傍の摩耗は、いずれの鋼材種でも切削速雑に関与している。

度の増加に伴い減少しているが、外周部での摩耗より高速で切削すれば、図3に示すように、一方、は切削速度の増加に伴い増大している。ボールエン

低速側での切りくず厚みに比して高速側でのそれ

ドミルにおける高速域での摩耗増加は、熱に起因すは薄くなっており、せん断角が変化しているのが推るものであり、低速域での摩耗とは明らかに形態がさらに図4に示すように切削速度の上昇に測される。

異なる。低速側では主に圧力凝着に伴う機械的な伴う切削抵抗の減少も見られ、高速での優位性が※2確認されている。

１刃の送り: 0.15 mm/tooth 水溶性クーラント
切削長: 56.25 m 被削材:S50C（16）, SD10（23）,PX5（31）,HPM1（43HRC）
工具回転数: 2,700〜28,000 rpm：S50C：SD10：r＝0.5mm

0.80.7：PX5：HPM1：r＝3.0mm

R10 超硬ボールエンドミル
切り込み: 0.5mm ピックフィード: 0.3 mm
切削長: 56 m 乾式切削被削材: 調質鋼（ 43 HRC)

外周

切りくず厚み（m／min）

逃げ面最大摩耗幅（m／min）

R10 超硬ボールエンドミル
切り込み: 0.5mm ピックフィード: 0.8 mm

0.60.50.4
0.30.20.1
0.00.0100

中心刃近傍

図2200
300
400
実切削速度（m／min）

500

切削抵抗減少切削抵抗（N）

A150
B500C050100
150
実切削速度（m／min）

図432000.080.06

切りくず厚み減少

0.040.0205000

図32501000.10600

各種金型用鋼材をボールエンドミル加工した際の実切削速度と逃げ面最大摩耗幅の関係

2000.12250

10000 15000 20000
工具回転数（rpm）

25000

調質鋼をボールエンドミル加工した際の工具回転数と切りくず厚みの関係

工具仕様
Neg/Neg Neg/Pos Pos/Pos
ABC
アキシャルレーキ （deg） −55−533
ラジアルレーキ （deg） −3
φ（mm）
666
工具径
切り込み: 0.3mmピックフィード : 0.3mm
1刃の送り: 0.05mm/tooth 乾式切削被削材: 調質鋼（43HRC）
工具回転数: 2,700〜28,000rpm
動力計: Kistler 9256A2

試作した各種ボールエンドミルを使用して加工した際の実切削速度と切削抵抗の関係

30000

4. 高速ミーリングにおける表面粗さ
超硬合金製ボールエンドミルで、調質鋼を各工具ど、中心刃近傍は摩耗しないので、高速側で良好な回転数で切削した際の、切削距離と被削材表面粗表面粗さが得られる（図6）。より高速で、切削した方さの関係を図5に示す。低速側では切削長の増加が良好な表面粗さになるということは、一刃当りの送に伴い表面粗さが増加している。一方、15,000rpmりを同一にして加工すると、送り速度をより高速にす

以上の高回転では、切削長に関係なく表面粗さはることができる。さらに、Pfを小さくしても加工効率を一定値を示す。この傾向は、前出のいずれの金型落とすことなく切削でき、後工程の軽減あるいは省鋼材でも同様に観察された。ここでの表面粗さは、略などが可能になることを意味している。
コーテッド超硬合金製ボールエンドミルで、切削速切り込みおよびPfの値から工具中心近傍の形状に度を変えて調質鋼を切削した際の、表面性状、表面依存する。

4）

すなわち、低速側では切れ刃中心が、高速側で粗さおよび切りくず形状を図7に示す 。より高速側

は外周部が摩耗しているため、高速になればなるほで表面性状、粗さともに良好になっており、切削速
その結果度の上昇に伴い切りくず幅が大きくなり、工具回転数（rpm）
2,700

5,000

10,00015,00021,000

切りくずが薄くなっているのが確認できる。

28,00070r＝0.5605040

表面形 V200状

V30V50V100

V300

V400

V500

30200020406080100
切削長さ（m）

V10V30

V50

V100

面
粗 V200
さV300

V400

V500

表面粗さ一定r＝0.310

図5

V10R10 C超硬ボールエンドミル
切り込み: 0.5mm
ピックフィード: 0.3 mm
１刃の送り: 0.15 mm/tooth
水溶性クーラント
被削材:調質鋼（43HRC）

120140調質鋼を各工具回転数でボールエンドミル加工した際の切削長と表面粗さの関係

V10

切り
くず V200
形状

逃げ面
最大摩耗幅

図6

図7Vol.

11A1送り方向

V30V50V100V300V400V500

基本加工条件
被 削 材
プリハードン鋼 HPM1工具
コーティング超硬（R3）刃数
1枚傾 斜 角 度30°
切込量0.3mm
ピックフィード量0.3mm
0.15mm
1 刃 の 送り10m〜500m
切削速度範囲調質金型用鋼材を超硬ボールエンドミルで切削した際の摩耗形態の相違(左：2700ｒｐｍ、右：15000ｒｐｍ）

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Pf方向

表面粗さ
（Rz μm）

80

各切削速度で切削した際の表面性状、面粗さ、切りくず形状
4

「高速ミーリングにおける鋼材の切削諸特性」

5. 焼入れ鋼のコーテッド超硬、cBNボールエンドミルによる高速ミーリング

45HRC程度までの金型用鋼材の超硬ボールエン

経済性などを考慮した場合、55HRC程度なら適当なドミルによる切削では、高速で切削する方が工具寿命、コーテッド超硬ボールエンド
加工条件を選択すれば、良好な結果が得られた。
切削後の表面粗さの点から、ミルが十分実用的であろう。それ以上の高硬度鋼材

ここでは、より高硬度な焼入れ鋼材のコーテッド超硬ボーの切削加工はcBN工具に頼らざるを得ないのが現ルエンドミル、cBNボールエンドミルによる切削特性に状である。
図11は高速ミーリングの実験を継続する発端になっついて述べる。

た実験結果である 。すなわち、焼入れ鋼材をcBNボー被削材加工精度と切削速度の関係をそれぞれ図8、ルエンドミルで切削した際、周速を上げれば上げるほ5）9に示す 。切削速度が約200〜500m/minの範囲

ど工具寿命が延びるという現象である。この現象にで摩耗量が少なく、加工精度が良好である。これは少なからず驚愕して、高速ミーリングは従来の加工法工具摩耗形態と大いに関連がある。図10に各切削と違ったメリットがあるに違いないという確信のもと、速度で300ｍ切削した後の工具摩耗状況を示す。低多くの実験を遂行してきた。

主に欠けが観察され、凝着物も見られるが、速側では、100％cBNボールエンドミル工具と他のcBNボール889m/minではサーマルクラックが観察されて熱的エンドミルで焼入れ鋼を切削した際の切削長と最に損傷した摩耗形態を示す。その中間では正常摩大逃げ面摩耗幅の関係を図12に示す 。

※3

これは前述のコーティングなしの場合と同様の傾向

スcBNはほとんど摩耗していないのが分かる。最適を示している。

な加工条件を見出すことによって60HRCを越す焼1000

焼入れ鋼材をコーテッド超硬ボール
エンドミルで切削した際の切削速度と逃げ面最大摩耗幅の関係

切削長さ300m

60355m／min

4020010

図9100
切削速度（m／min）

0.1

周速大0.05
0100

200

300

400

500rpm

m／min

20000
35000
50000
80000

314-388550-680785-970
1257-1551

600

Cutting Length L m

図1151000

焼入れ鋼材をコーテッド超硬ボール
エンドミルで切削した際の切削速度と加工精度の関係

0.150の一つがここに存在する。

逃げ面最大摩耗幅（mm）

200400 600800
切削速度（m／min）

80

R5 cBN ball-nosed end mill
Depth of cut:0.05mm Pick feed:0.2 mm
Step feed:0.05 mm／tooth Down cut（Dry）
Workpiece:SKD61（die steel,57HRC）

0.2

入れ鋼材であっても低コストで直彫りできる可能性

44m／min100

加工精度（μm）

逃げ面最大摩耗幅（mm）
Flank Wear VB mm

0.25※42,500m/minという高速にもかかわらず、バインダレ電極の切削加工、加工精度、加工が一般的であるが、図87）この範囲で寿命、精度ともに良好である。
耗を呈し、通常、焼入れ鋼材を用いた金型加工では、放電
0.40.35
0.30.250.20.150.10.05006）

57HRCのSKD11を切削した際の逃げ面摩耗量、cBNボールエンドミルで焼入れ鋼を切削した際の最大逃げ面摩耗幅と切削距離の関係

図12889m／min

図10

各切削速度で焼入れ鋼材をコーテッド超硬ボールエンドミルで切削した後の工具摩耗形態の相違

0.16： 60％cBM： 90％cBM：100％cBM

0.120.08

V ： 2500m／min
Ad： 0.05mm
Pf ： 0.4mm
Sz： 0.03mm
披削材：HPM-31（60HRC）

0.04
0

バインダレスcBN
0100200300
切削長（m）

400500焼入れ鋼を各種ｃBNボールエンドミルで切削した際の切削長と最大逃げ面摩耗幅の関係

6. 高速ミーリングにおけるボールエンドミル工具の摩耗特性
前述した実験結果をまとめるとボールエンドミルの8）

引っかき摩耗は材料が軟化するためにもう少し右上摩耗現象は定性的に図13のようになる 。ボールエがりになろうか。圧力に起因する摩耗は、切削抵抗とンドミル加工では高速側に工具摩耗を減少させる加同様に右下がりになろう。初期摩耗を考慮するとさら工条件が存在する。被削材種、工具種、工作機械に左上がりになるであろう。

等に応じて最適な加工条件を探索することは形状

一方、温度による摩耗は古くからいわれてきたよう加工において重要であり、このような摩耗曲線をいくに右上がりになる。これらを総和するとＵ字型の摩耗つ持っているかが高速ミーリングを実現する上で不曲線を示すようになる。

可欠である。

V＝44m／min（5000min-1）

V＝533m／min（60000min-1）

V＝889m／min（100000min-1）←機械的摩耗が主要因

正常（定常）摩耗

熱的摩耗が主要因→9）

図14はなぜこのようになるかを説明したものである 。
ボールエンドミルの摩耗は引っかき乱暴にまとめると、④全摩耗量（①＋②＋③）

最適切削速度域

超硬合金：旋削

比摩耗量（W／L）

逃げ面摩耗Vb（mm）

摩耗、圧力凝着摩耗、温度凝着摩耗の総和よりなる。

超硬合金
コーテッド超硬合金
cBN焼結体Low

図13

切削速度（m／min）③温度擬着による摩耗①硬い粒子による引っかき摩耗②圧力擬着による摩耗（含む初期摩耗）

High

切削速度（切削温度）

各種ボールエンドミル工具における切削速度と摩耗の関係（概念図）

図14 ボールエンドミル工具の基本摩耗機構

7. 高速ミーリングの問題点と課題速度は指令値に追従しなくなる。すなわち、工具はん万能な加工ではないので問題点もある。従来の切仕事をしないで擦ってばかりいるので摩耗が促進さ

削加工での問題点はやはり高速ミーリングでも問題れ工具寿命が短くなる。基礎的なデータを取る場合は、点として残る。重要な問題点の一つにカッタパスや直線かつ一定速度で切削する場合がほとんどであCAD/CAMがあり、高速ミーリング用の最適なカッタるが、実際の形状加工ではむしろ曲面が多くなるた

パスはいかにあるべきかについての結論はでていない。

め高回転、高送り条件で切削することは難しくなる。

ハード的な問題を挙げれば、工作機械、工具、ツーリ

たとえリニアモーター駆動のマシニングセンターを用いングなどはどのような仕様が良いか結論づけられてても微細・複雑形状な加工になると高速での方向転いるとはいいがたい。ここでは工作機械の送り速度換は難しい。の問題点について例をあげる。

20000

4種類のマシニングセンタを用いて焼入れ鋼を形状加工（ゲーム機金型モデル）した際の荒加工、仕上げ加工における指定送り速度と実際の加工時間10）から計算した実送り速度の関係を図15に示す 。指定送り速度が速くても遅くても１刃の送り量を一定に設定しているので、指定送り速度が速い方が高回転であることを意味する。
しかし、加工形状や機械の制約により指定送り速度が速くなればなるほど実送り
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実送り速度（F mm／min）

高速ミーリングのメリットについて上述した。
もちろ

15000
実送り速度が指令値に追従していない領域

10000
5000005000
10000
15000
指定送り速度（F mm／min）

20000

図15 ゲーム機金型モデルを形状加工した際の指定送り量と推定送り量の関係（設定送り速度が増大するほど実送り速度は追従しない）
68. 高速ミーリングの将来（高速ミーリング加工機の将来）（究極のミーリング加工）

前述したように工作機械自体に原理的な問題が種々の問題点が解決され、各要素技術がさらにどのように対処すればよいのであろうか。
ある以上、高度化すればさらなる高精度で迅速な加工が実現

やはりハー周辺の要素技術の開発も重要であろうが、できる。
しかしながら、新たな工具や被削材が開発さドの高度化も重要であろう。ここでは、著者らが開発れれば、やはり削ってみなければ、詳細な摩耗状況に携わった大型と小型の極端に用途が異なるNCなどは判断できない。これらがシミュレーションによっ切削加工機を例にその将来像について触れる。ておおよそ判定でき、削る前に加工条件の最適化

最近開発された大型工作機械（4.5×3×1.7ｍ）

ができれば、それは究極のミーリングになる。コンピューと小型工作機械（0.5×0.5×1.6ｍ）の外観を図16にタの発達を考えればそれほど無理な話でもなく、切示す

11）12）。いずれの機械も駆動系はリニアモーターを採用している。大型機の特徴は4スピンドル・各5（機軸で加工時間の短縮、多種類の加工、省スペースワーク側へ機械を移動す
械の方が軽量の場合は、ることも想定）、大型機にもかかわらず高速ミーリングの概念（φ10で40,000rpm）がそのまま適用できる。
一方小型機は3軸とも2個のリニアモーターを搭載しており、それぞれが相対運動（加速度制御）することφ0.1mm以下の工具を対象とにより振動を抑制し、しているために約毎分20万回転のエアタービンスピンドルを搭載して最適な加工条件に適用できるよう工夫している。このような加工機も将来の金型加工に対してスタンダードになってゆくのではないだろうか？

削のデータベースが併せて構築されればこれらのことは近い将来可能になるだろう。
用語解説※1 ピックフィード
ボールエンドミルで底面を加工するときに切削送り方向に対し90°方向へ横送りをします。このときボールエンドミルでは先端が半球（R）のためフラット面にはならず、R面となります。このときのピッチ（横送り量）がピックフィードです。

※2 圧力凝着
切削速度が遅い場合高速切削に比し、切削抵抗が増大します。また切りくず厚みも高速切削に比し厚くなります。そのため低速切削では、すくい面の磨耗形態は、厚みの厚い切りくずがすくい面に圧縮しながら接触します。その結果すくい面上に切りくずの凝着が発生します。これが圧力凝着です。この圧力凝着が進行すると欠けの原因となります。

※3 サーマルクラック
熱亀裂とも呼ばれています。切削熱による膨張と収縮すなわち急激な昇温と冷却の繰り返しの場合に発生します。工具材種の場合高硬度材（例えばサーメット、セラミックス等）で発生します。加工方法では切削熱の急激な変化が生じやすい加工、すなわちミーリング加工や断続のターニング加工での高速ウェット加工です。
このような高速加工の場合はエアーブローのみでの加工が良い場合もあります。

※4 バインダレスcBN
cBNは立方晶窒化ホウ素（Cubic Boron Nitride）の略でダイヤモンドに次ぐ硬度と熱伝導率を兼ね備えた材質です。cBNは自然界には存在せず、超高温高圧下で人工的に合成されます。このときにcBNの粉末はバインダーと呼ばれる結合材を介して焼結され合金となっています。このバインダー量が多いと（cBN量が少ないと）欠けにくいが摩耗は進行しやすくなります。一方バインダー量が少ないと（cBN量が多いと）欠けやすくなりますが、耐摩耗性は大幅に向上します。しかし最近のcBNはcBN粒子を微粒化することによりバインダーレス化をはかりcBN単層での靭性（欠けにくさ）と耐摩耗性を両立させたバインダーレスcBN焼結体が開発されています。これがバインダーレスcBNです。

参考文献

図16 リニアモーター駆動移動型マルチヘッド
多軸大型金型加工機（キタムラ機械（株）：上）と小型超高速ミーリング機（理化学研究所，（株）
ソデック：下）NACHI TECHNICAL REPORT

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October / 2006

〈発1）精密加工実用便覧、187、日刊工業新聞社（2000）
2）吉田嘉太郎：時末 光編ものづくり機械工学、日刊工業新聞（2003）,983）安斎正博：機械の研究,55、6（2003）,23
4）安斎正博：「金型設計・製作技術」の最新動向を見る,
でか版技能ブックス⑯大河出版（2005）,99
5）第64回切削油技術研究会総会資料「精度を維持・向上する現場の工夫」（2002）,106-107
6）池田直弘・高橋一郎・松岡甫篁・中川威雄：型技術5、8（1991）,92
7）安斎正博・高橋一郎：cBNボールエンドミルによる焼入れ鋼の高速ミーリング，
砥粒加工学会誌，
47，1（2003），
188）松岡甫篁・安斎正博・高橋一郎：はじめての切削加工,工業調査会（2003）,154
9）M. C. Shaw: Metal Cutting Principles, MIT（1960）, 11-17 に加筆
10）第65回切削油技術研究会総会資料「高能率加工の新たな展開」,
切削油技術研究会（2003）,129
11）北村彰浩・高橋一郎・安斎正博・竹内芳美：移動型マルチヘッド多軸加工機の開発（開発コンセプトと評価）,機械学会誌,72，716 ,C編（2006）,36412）安斎正博・高橋一郎：微細形状加工用高速ミーリング機とその切削特性,
機械技術,53,10（2005）,24

行〉 2006年10月20日
株式会社 不二越 開発本部 開発企画部
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