研究論文

表面テクスチャを有するロータリ工具の摩耗への影響
河田圭一＊１、牧俊一＊２、石川和昌＊１

Tool Wear of Rotary Cutting Tool with Surface Texture
Keiichi KAWATA ＊ １ , Shunichi MAKI ＊ ２ and Kazumasa ISHIKAWA ＊ １
Research and Development Division, AITEC * 1 * 2
耐熱合金などの難削材の切削加工では、低い切削速度や短い工具寿命が生産性の問題となっている。そこで本研究では、ロータリ工具のすくい面にレーザで加工したテクスチャの効果により摩擦を小さくすることで、難削材加工における工具の長寿命化を目指している。本報では、炭素鋼を対象に複合加工機を用いた駆動型ロータリ切削実験を行い、工具寿命について調べた。その結果、工具回転方向によって工具摩耗の状態が大きく異なり、適正な回転方向が存在することが分かった。しかし、昨年度の研究で得られた有意なテクスチャの効果は、本実験では認められなかった。工具温度の上昇が油膜形成に大きく影響しており、今後難削材へ適用するためには、油剤やテクスチャ形状などの検討が重要である。

１．はじめに
工具回転方向耐熱合金やステンレスなどの難削材の切削加工では、送り方向鋼材や非鉄金属の加工に比べ、切削速度が上げられない回転方向ことや工具寿命が異常に短いことが問題となっている。
このため、一般の加工に比べると加工時間が長くなり、生産コストに占める工具費の割合も高くなる。グローバ

ロータリ工具ル化したものづくりの国際的競争力を高めるためにも低コスト化が望まれており、そのためには難削材の高能率加工が必須となっている。そこで、本研究では、複合加被削材工機を用いた駆動型ロータリ切削により、切削点への効図１

果的な油剤供給および工具すくい表面に設けたテクスチ
表１ャの効果により低摩擦化することで、難削材の切削加工

ロータリ切削の加工条件

被削材における工具の長寿命化を目指している。
これまで、アルミニウム合金を対象とした駆動型ロー工具

タリ切削を実施し、ロータリ工具の回転方向が切りくず加工実験の概略図

炭素鋼（JIS S45C）
工具材種：超硬合金
工具直径：10mm

工具回転速度120m/min

切削速度120m/min

送り0.4mm/rev

示してきた。本報では、炭素鋼を対象に駆動型ロータリ

径方向切り込み0.5mm

切削を実施し、工具摩耗について調べた結果を報告する。

傾斜角30 度

オフセット角8度とすくい面間の潤滑に大きく影響すること

1)

や、ロータリ工具のすくい面にテクスチャを設けることにより油剤の保持能力が向上し、高い潤滑効果が得られること

2)を

２．実験方法MQL（植物油 30mL/h）

実験は、複合加工機を用いた駆動型ロータリ切削によ切削油剤り行った。加工実験の概略図を図１に示す。ロータリ工

OoW（植物油 30mL/h 水 1L/h）
Dry

具の傾斜軸は複合加工機の B 軸を使用して割り出した。
これまでの実験結果１）より、図１に示す工具回転方向に示されているので、本実験では図１に示す回転方向を正おいて、すくい面への油剤引き込み効果が大きいことが回転とした。なお、この状態で、工具回転軸をフリーに＊

1 基盤技術部（現工業技術部

自動車・機械技術室）＊

2 基盤技術部（現独立行政法人 宇宙航空研究開発機構）

0.35
MQL

テクスチャ

観察位置

切れ刃

逃げ面摩耗幅，mm0.3

OoW0.25

Dry0.20.15
0.10.05

テクスチャ

00102030

加工時間 ，min

図３

逃げ面摩耗に及ぼす油剤の影響

テクスチャなし（逆回転）図２

すくい面上に作製したテクスチャの SEM 像

テクスチャなし
テクスチャあり

0.25

より工具は図１に示す方向とは逆向きに回転する。工具摩耗について調べるため、被削材は炭素鋼 S45C とした。
加工条件を表１に示す。本実験では、工具回転速度と切削速度の比が１になるように設定した。
ロータリ工具は、製作を簡便にするため超硬合金製の丸棒を使用した。すくい面となる丸棒の端面は、平面研

逃げ面摩耗幅 ，mm

して従動型ロータリ切削を行うと、切りくずとの摩擦に0.20.150.10.05MQL

削後、ダイヤモンドペーストにより鏡面に仕上げた。丸棒をそのまま工具として利用しているため、工具には逃げ面がない。このため、8 度だけ加工点を上方にオフセットすることにより、逃げ角を設けた。これにより、すくい角は－8 度となる。

001020
加工時間，min

図４

逃げ面摩耗幅の変化

30

図２に、すくい面（工具端面）に加工したテクスチャの３つの加工方法について実験を行った。なお、MQLの SEM 像および観察位置を示す。テクスチャは波長

は、１時間に 30mL の植物油を圧縮空気により加工点に349nm のナノ秒レーザを用いて加工した。テクスチャ形噴霧する加工方法である。OoW は、MQL の条件に加え、状は幅約 2μm、深さ約 2μm の溝形状とし、放射状（端１時間に 1L の水を混ぜて噴霧する加工方法であり、本面径方向）にピッチ 20μm で加工した。切れ刃の欠けを実験では最も冷却能力が高い。Dry は、油剤を全く使用防ぐため、テクスチャは刃先から約 20μm の位置から中しない加工法である。工具の回転方向は正回転とし、す心方向に 0.8mm 加工した。レーザ加工後、溝形状のエくい面にテクスチャのない工具を用いた。

ッジ部が 1μm 程度盛り上がったため、ダイヤモンドペーストで再度磨いて盛り上がりを除去した。

図３に、加工時間に対する逃げ面摩耗幅の変化について調べた結果を示す。摩耗幅の増加割合は、冷却効果の高い OoW の場合に最も大きく、MQL の場合に最も少な

３．実験結果及び考察くなった。すくい面を観察すると、OoW の場合、他の加3.1 切削油剤が逃げ面摩耗に及ぼす影響

工方法に比べ刃先の欠損が多く見られ、その結果、逃げ一般に、切削加工では潤滑を得るために切削油が用い面摩耗の進行も速くなっていることが分かった。ロータられる。そこで、油剤の供給方法が逃げ面摩耗に及ぼすリ切削は工具が回転しているため、通常の切削加工に比影響について調べるため、極微量潤滑法（以下、MQL）、べ工具への加工熱の流入が多く、工具の温度は非常に高油膜付水滴加工（以下、OoW）、ドライ加工（以下、Dry）くなる。このため、冷却能の高い OoW では熱衝撃が大きくなり、刃が欠損しやすくなったと推測される。MQL逆回転でロータリ切削が行われることが多いため、比較の方が Dry に比べ摩耗の進行は遅いことから、工具温度のため工具を逆回転させたときの実験も行った。逆回転が上昇しても微量の油剤により、ある一定の潤滑効果はの実験にはテクスチャのない工具を使用した。

得られると考えられる。

まず、ロータリ工具の回転方向の影響について考察す

3.2 工具の回転方向およびテクスチャの影響る。逃げ面摩耗幅が 200μm に達する時点を工具寿命にテクスチャを有する工具を用いて MQL により加工し達したと判定すると、正回転では逆回転に比べ２倍以上、た時の逃げ面摩耗幅の変化を測定した結果について図

工具寿命が長くなった。これは、これまでに行ったアル４に示す。これまでの実験から、ロータリ工具の回転方ミニウム合金を対象とした実験結果と同様、正回転の方向が潤滑性に大きく影響し、正回転させた場合に切りくが切りくずとすくい面の間に油剤が引き込まれやすいたずとすくい面の間に油剤が引き込まれやすく、潤滑効果めと考えられる。このことを確認するため、マイクロスの高いことが分かっている。しかし、一般には本実験のコープにより、すくい面の状態を観察した。切削距離がおよそ 90m のときの状態を図５に示す。(a)が正回転、(b)が逆回転した場合である。逆回転の場合、切りくずが溶着してすくい表面を引き剥がしたような大きな欠損が、工具全周にわたり観察された。一方、正回転の場合には、被削材の付着は観察されるものの、大きな欠損は見られなかった。また、切りくずの接触幅は、正回転では約380μm であるのに対し、逆回転では約 620μm と大きくなった。すくい表面に付着している被削材の流出方向は、工具の回転方向で異なっており、これにより切りくずの1mm(a)

テクスチャなし（MQL、正回転）

接触長さは逆回転の方が長くなり、工具の温度上昇も高いと思われる。以上のことから、工具への被削材の溶着状態が変わり、逆回転時の工具摩耗が大きくなったと推

1 mm
(b)

テクスチャなし（MQL、逆回転）(a)

テクスチャあり(b)

テクスチャなし

1 mm(c)

テクスチャあり（MQL、正回転）

図５

ロータリ工具すくい面の観察結果（加工距離約 90m）

図６10min 経過した時の逃げ面の様子

250

700

200500

工具軸に働く力，N

主軸に働く力，
N

600

400
300

テクスチャなし（逆転）200

テクスチャなし

100

テクスチャなし（逆転）テクスチャなし

50

テクスチャあり

100

150

テクスチャあり000

図７1020
加工時間，min3002030

加工時間 ，min

主軸に働く力の比較測される。

10

図８

工具軸に働く力の比較合も大きくなった。

次に、テクスチャの効果について考察する。図４に示主軸や工具軸に働く力は、テクスチャの有無に関係なしたように、テクスチャの有無に関係なく工具摩耗の進く同程度の値で推移しており、テクスチャの効果はほと行は全く同じであり、昨年度までの研究で見られたテクんど認められなかった。この原因として、実験中の工具スチャの効果はほとんどなかった。しかし、図６に示す

温度上昇は 150℃以上と非常に高く、油剤に使用した植ように、経過時間がおよそ 10min の逃げ面を観察すると、物油では、切りくずとすくい面の間で油膜を維持するこ

テクスチャを有する工具では比較的工具の欠けや異常摩とができなかったことが考えられる。このことから、今耗は少なかった。

後、温度の高い状態でも油膜を維持できる油剤の検討が図５(c)に示したように、切削距離が 90m の時点では、必要となる。

すくい面に加工したテクスチャ形状は明瞭に確認できる。
しかし、加工の進行とともに、テクスチャの溝に被削材４．結びが入り込んで埋められていくとともに、刃先近傍では摩本研究では、炭素鋼を対象に複合加工機を用いた駆動耗してテクスチャは消失した。これらの問題を解決する型ロータリ切削実験を行い、工具寿命について調べた。

ため、切りくずの詰まらない溝形状の検討やテクスチャ

その結果、工具回転方向によって工具摩耗の状態が大きの摩耗を防ぐため、コーティングなどの硬質化処理が必く異なり、正回転の場合に工具摩耗は小さくなった。し要と考えられる。

かし、昨年度の研究で見られた有意なテクスチャの効果

3.3 切削力の測定結果は本実験では得られなかった。その原因として、工具温図７に、複合加工機の主軸に働く力、図８に、ロータ度の上昇が大きく影響しており、今後難削材へ適用するリ工具を保持している工具軸に働く力を測定した結果をためには、油剤やテクスチャ形状などのさらなる検討が示す。

必要と分かった。

主軸に働く力は、加工初期では工具の回転方向に関係文献なく同程度であったが、逆回転では正回転に比べ増加の割合は大きくなった。

1)度年次大会講演論文集，4，263(2010)

工具軸に働く力は、加工初期では、正回転に比べ逆回転の方が 3 割ほど小さくなった。これは、本実験では工具軸を 30 度傾斜させて傾斜切削しており、逆回転ではこれを助長する方向に切削するのに対し、正回転では打ち消す方向に切削しているためである。しかし、逆回転の方が逃げ面摩耗幅の増加が大きいため、抵抗の上昇割

河田、糸魚川、則久、石川：日本機械学会 2010 年

2)

河田、糸魚川、則久、石川：2010 年度精密工学秋季大会講演論文集，185(2010)