研究論文

木質材料切削工具の耐久性向上に関する研究− TiC被 覆 放 電 表 面 処 理 工 具 に よ る 木 材 の 周 刃 フ ラ イ ス 切 削 −福 田 聡 史 ＊１、 太 田 幸 伸 ＊１、 来 川 保 紀 ＊１

Improvement of Durability of Wood Cutting Tool
− Performance of TiC Coated Tool
Piled up by Electrical Discharge in Wood Milling −Satoshi FUKUTA,Yukinobu OHTA and Yasunori KITAGAWA
Industrial Technology Division,AITEC ＊ １
木 材 の 周 刃 フ ラ イ ス 切 削 に お い て 、 SKD1 、 SKH2 の 工 具 に よ り 、 ヒ ノ キ 、 ス プ ル ー ス 、 ブ ナ 、 ナ ラ の 4
樹 種 を 切 削 し 、 工 具 摩 耗 形 態 を 調 べ た 。 そ の 結 果 、 ブ ナ は SKD1 、 SKH2 の 摩 耗 が 同 程 度 で あ っ た の に 対し て 、 他 の 3 樹 種 は 、 SKD1 の 摩 耗 が SKH2 の 約 1/2 で あ っ た 。 ま た 刃 先 の 摩 耗 量 は 、 樹 種 の 密 度 に 依 存しなかった。
更 に 、 耐 久 性 を 向 上 さ せ る た め 、 SKD1 を 対 象 に 、 放 電 表 面 処 理 法 に よ り TiC 被 覆 を 施 し た 工 具 を 作 製した。被膜処理した工具でスプルースを切削した結果、未処理に比べ初期摩耗は非常に小さく、切削長3800m に お い て 刃 先 後 退 量 が 約 1/2 に な り 、 耐 久 性 向 上 が 確 認 で き た 。

１．はじめに

2.2

放電表面処理および工具調製

切削加工は木質材料を利用する上で必須の工程であ

放電表面処理は、 Ti と対象処理工具を電極として加り、木質材料が持つ優れた表面性状や木目などを生かす

工液中でパルス放電を行うことにより、放電により消耗ためには、加工機械の精度に加え、切削条件、工具の性した電極材料の Ti が分解された加工液構成元素である能が大きく影響している。加工面品質、加工精度の向上

C と反応し、硬質の炭化物 TiC となる。これが対極のは、その後の研磨工程の負担を軽減するだけでなく、塗対象工具表面に被膜として形成される方法である。装置

装工程や品質にも影響を及ぼすことが考えられる。の概要を図１に示す。

工具の耐久性向上の観点からは、超硬工具や各種コー本処理は、母材内部まで処理が進む傾斜被膜が得られティング工具の利用が考えられるが、木質材料の切削にるため、母材との密着性が高いことから、硬度と同時においては、ある程度の刃先の鋭利さが要求される。そのある程度の靭性も要求される木材切削工具において有効ため本研究では、硬質被膜の調製が可能であることおよな処理であることが予想される。

び、生成被膜の密着性が高く １）、鋭利な刃先が形成でき処理は EDCOAT 仕様の NC 型彫放電加工機（三菱電ることに着目し、合金工具鋼(SKD1)を母材として放電機㈱製）を用い、電極は Ti 粉末の成形体である。ピー

表面処理２−５）した工具の耐久性を調べた。

切削試験は周刃フライス切削とし、切削樹種、工具材加工液
C質による工具摩耗形態などを観察し、その結果に基づき工具調製条件等を検討した。

ピーク電流値

Ti電極
CCC

電源
パルス制御

TiC被膜

パルス幅

処理工具

２．実験方法2.1

放電表面処理装置の概要

工具母材

未処理工具の母材は、高速度工具鋼(SKH2)および合金工具鋼( SKD1)を用いた。また、被膜処理工具の母材には合金工具鋼を用いた。
＊１

図１

オフタイム

処理時間

工業技術部

応用技術室

すくい面

すくい面（表面研削）
逃げ面

逃げ面

図２

工具調製の概要

刃付け研磨(a)(b)

ナイフエッジ型触針
処理部

すくい面

処理部

40°

面

測定長さ

げ

50

切削部

015逃

2400rpm

切削円

110°

工具20

送り速度 600mm/min

図５

被削材

刃先線プロファイルの測定法

被削材

図３

測定した。本測定は、工具をすくい角 35 °、逃げ角 15

切削試験の概要°に設定し、切削速度 1800mm/min、切削深さは 20、401009および 80 μ m で、主分力と背分力を求めた。被削材は厚さ 9mm のスプルース柾目板を用い、処理部と未処理被削材
送り速度 1800mm/min

部の切削抵抗を求めた。抵抗の測定は 30Hz のサンプリングで行い、切削中の平均値を求めた。

15°35°（所定切込み深さ）

処理部
切削試験部位2.6

刃先線プロファイルおよび刃先後退量の測定

刃先線プロファイル測定の概要を図５に示す。プロフ
ァイルの測定にはナイフエッジ型触針を用い、触針式粗さ計（TAYLOR HOBSON 社製 Form Talysurf）によロードセル

り測定した。ナイフエッジの形状は、エッジ幅 0.9 ㎜、
図４

切削抵抗測定の概要

先端断面の丸み半径 2.5 μ m である。図５のとおり、

ーク電流値 8A、パルス幅 8 μ sec、オフタイム 256 μ sec

工具はすくい面が垂直となるように設置し、触針を切れの条件で 20min 間処理を施した。電極の揺動はエッジ刃線に沿って移動してプロファイルを測定した。に垂直方向とし、液流は処理面に沿って平行に流した。

刃先後退量は、切削試験前と各切削長におけるプロフ処理は、工具のすくい面に施した。処理後のすくい面

ァイルを比較し、その変化量の平均値を刃先後退量としは粗面であるため、処理を施した後すくい面を平面研削た。

し、さらに逃げ面から刃付け研磨を行った後、切削試験に用いた。工具調製の概要を図２に示す。
2.3

被削材

３．実験結果および考察
3.1

未処理工具の工具摩耗

未処理工具の摩耗形態を調べる切削試験では、ヒノキ、未処理工具 2 種（SKH2、 SKD1）を用い、被削材 4

スプルース、ブナおよびナラの気乾材を用いた。それぞ樹種の切削試験を行った。切削長 1200m における刃先れの密度は 0.43、0.45、0.55、0.67g/cm3 である。また、を図６に示す。図は刃先角の２等分線上から観察したも被膜処理工具による切削試験にはスプルースを選択しので、中央の刃先欠損部を介して上部がすくい面、下部た。

が逃げ面である。両工具ともに、切削樹種によって刃先

2.4

切削試験欠損部の大きさが異なり、ブナ、ヒノキ、スプルース、切削試験の概要を図３に示す。工具の刃先角は 40 ° 、ナラの順で欠損部が大きくなった。また、全ての樹種にすくい角は 50 ° 、逃げ角は 10 °に設定した。切削は、おいて、 SKD1 よりも SKH2 の刃先欠損部が大きかっ

切削円直径が 150mm、有効刃が 1 刃の下向き削りで、た。すくい面、逃げ面の様子は、SKD1 ではすくい面に回転数 2400rpm、送り速度 600mm/min、切削深さ 1mm摩耗痕が観察されたが SKH2 では観察されなかった。の条件で行った。

一定切削長（ 1200m）における樹種毎の切削抵抗（背処理工具の評価は、図３のとおり処理部をオフセット分力）を図７に示す。一般的に、切削が進行し刃先が鈍して切削し、未処理部との比較を行った。

化するに従って背分力は増加することが知られている。

2.5

図７の結果は図６の観察から得られる刃先エッジ部の鈍切削抵抗測定

供試工具の評価において、刃先の鋭利さを評価するた化程度とよく一致している。

めに切削抵抗の測定を行った。その概要を図４に示す。

刃先線プロファイルから求めた刃先後退量を図８に示切削試験において、一定切削長毎にカッタブロックからす。刃先後退量は、背分力増加と同様の傾向を示してい供試工具を取り外し、２次元平削りにおける切削抵抗をる。工具母材のビッカース硬さを測定した結果、両工具

ヒノキ

50μm
未処理部分

図９

ｽﾌﾟﾙｰｽ

処理部分

未処理部分

処理部分
（平面研削後）放電表面処理面（表面研磨前・後）ブナ

ビッカース硬さ ＨＶ

2000

ナ

ラ
摩耗部

樹種800

切断

400-10-5051015

母材表面からの距離 （μｍ）
μｍ）

SKD1

図10SKH2（切削長 1200m）
図６12000-15

摩耗部

未処理処 理1600

放電表面処理の母材として SKD1 を供試することとし切削樹種と工具母材毎の刃先た。
3.2切削長：1200m

ヒノキ

放電表面処理部近傍のビッカース硬さ

放電表面処理面を図９に、処理表面近傍のビッカース硬さを図10に示す。測定は、処理面を斜めに切断し、図 10

SKD1SKH2スプルース

放電表面処理工具のように硬さを測定した。図９左の処理部分は未処理部分と比較して明らかに粗面化し、刃付け研磨後の刃先のブ ナ鋭利さに影響を及ぼした。そこで、処理面の平面研削を実施し、図９右の処理部分に示す平滑面を得た後、刃付

ナ ラ

け研磨を実施して切削試験に用いた。一方、処理面のビ0.00.5

1.01.52.0

2.53.0

背分力 (N/mm)

処理面最上面に向かって傾斜的に増加する傾向が見られ一定切削長（ 1200m）における樹種毎の切削抵抗（背分力）

図７ッカース硬さは図 10 のとおり、母材表面下 5 μ m からた。従って、処理工具は平面研削で処理面を仮に 10 μ m程度除去しても、刃先部は HV1400 程度の硬さが確保

ヒノキできている。

SKD1スプルース

3.3SKH23.2 に示す処理を行った工具で切削長 3800m までのブ ナ切削試験を行った。工具の刃先線プロファイルを図11に示す。切削開始直後の時点では、未処理部分は平滑であナ ラ
0510152025

刃先後退量 （μm）

図８

切削試験結果刃先後退量（ 1200m 切削後）るが、処理部分はおよそ 20 μ m 程度のうねりが生じている。これは処理面の凹凸が刃先線に影響した結果と推定されるが、被削材表面の品質に特に影響は及ぼさなかった。切削長と刃先後退量の関係を図12に示す。未処理部、処理部ともに刃先は後退したが、処理部の後退量は母材の硬さはほぼ同等（ HV780 程度）であったにもか未処理部の後退量と比較して少なかった。処理部は切削かわらず、図６〜８に示すように、SKH2 よりも SKD1長 720m までは、初期 0m のプロファイルがほぼ維持さの刃先の摩耗は少なかった。また刃先後退量に対して被れ、未処理部と比較して明らかな後退量の減少が確認で削材の密度や硬さは関係しなかった。以上の結果から、きた。 2300m になると処理部も部分的に後退量が大き20
切削長：0m(μm)

10

未処理部分 処理部分
720m 2300m 3800m

017.0

17.5

18.018.5

19.019.5-10-20
刃先線座標
図11

刃先線プロファイル14
刃先後退量 （μm）

(mm)

耗は認められなかった。図６の観察結果からも未処理の12

場合、SKD1 はすくい面側に摩耗を生じる傾向が確認で未処理部

10

きたが、すくい面側に被膜処理を施すと摩耗が抑制でき8耐久性が向上した。

6
処理部

4４．結び2木材の周刃フライス切削において、切削樹種や工具材

001000

2000

3000

4000

き、放電表面処理法による TiC 被膜処理によって工具切削長 (m)

図12

質による工具摩耗形態の相違を調べた。その結果に基づの耐久性向上を試み、以下の結果を得た。

切削長と刃先後退量の関係( 1) 刃先の摩耗に対して、樹種の密度は依存しなかっ
未処理工具逃げ面た。また、今回の切削条件では、合金工具鋼(SKD1)

処理工具

すくい面の刃先後退量は、高速度鋼(SKH2)の値よりも小さかった。

試験前( 2) 未処理工具において確認された刃先の摩耗痕は被50μm

処理面

膜処理面では観察されず、被膜の耐摩耗性が確認できた。その結果、処理工具の刃先後退量が減少したと推察され、耐久性の向上が確認できた。

試験後( 3) 放電表面処理を施すと、処理面は粗面となるが、処理面平面研削によって粗さを向上させた後、刃付け研磨を行うことにより、刃先線に若干のうねりが生じるものの鋭利な刃先を得ることができた。

すくい面(4) 被膜面はすくい面のみ施しても有効であった。

図13

謝

工具刃先

辞

本研究の遂行にあたり、名古屋大学大学院生命農学研くなるが、これは未処理面である逃げ面の摩耗の進展に究科 横地秀行助教授、三菱電機株式会社名古屋製作所より、その脆弱部に欠損が生じた結果であると思われる。

杉浦忠直氏に多大なご協力をいただきました。厚く感謝

従って、図 12 のとおり、720m 〜 2300m の間で処理工いたします。

具の刃先後退量はやや増加する結果となったが、その後の後退傾向は緩やかになった。
切削試験前後の工具刃先を図13に示す。未処理部分では刃先先端からすくい面に摩耗が生じた。刃先先端部分のすくい面を観察した結果（図 13 左最下 ）、摩耗は鱗状に生じるとともに、刃先が鈍化していることが観察された。それに対して、処理部分のすくい面には顕著な摩文献1) 毛呂俊夫ほか：塑性と加工 ,41( 476) ,865-870( 2000)
2) 毛呂俊夫ほか：精密工学会誌 ,67( 1) ,114-119( 2001)
3) 松川公映ほか：材料,49(10),1169(2000)
4) 松川公映ほか：三菱電機技報 ,75( 7) ,465-468( 2001)5) 後藤明弘，毛呂俊夫，松川公映：電気加工学会誌 ,34(75),38-43(2000)