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快削鋼の快削鋼の仕上げ
仕上げ面形成に面形成に関する研究する研究大石 健司*・山本 祐**

Study on Surface Formation of Free Cutting SteelKenji Oishi * ,Yu Yamamoto **Abstract
Lead free cutting steel has been widely used because it has good machinability under various cutting
conditions. However, the use of lead free-cutting steel decreases because lead has been bad for theenvironment. Therefore lead-free free-cutting steel has been developed. In addition, the dull edge tools takethe place of the sharp edge tools. In this paper, the influence of cutting edge roundness and tool material
are examined for luster on surface of free-cutting steel. As the result, it has been clarified that the surfaceof lead-free free-cutting steel is less than that of S45C-steel, and that the dull edge tool makes the surface
lustrous.
Key words:
words: free cutting steel, gloss, surface roughness, dull edge, sharp edge

１．緒言

切削加工による生産現場では，自動化・無人化によるコスト削減が重要である。その実現のためには，切りくずの処理性がよいこと，工具の寿命が長いこと，切削抵抗が小さいことが不可欠となっている。
切りくずの処理性は製品の歩留まりや品質に大きく関与する。工具寿命が長いと，工具の交換回数が減り，生産性が向上する。切削抵抗が小さいと，製品の精度が上がる。
快削鋼１)とは，この特性を付加するために，鋼に快削添加物を加えて被削性を向上させたものである。
硫黄快削鋼，鉛快削鋼，カルシウム快削鋼などがある。特に，自動車部品や OA 機器などに鉛快削鋼が従来からよく使われていた。しかし，鉛は環境に悪く EU(RoHS 指令)，日本(J-MOSS)など世界各国で使用が制限されている。そのため，非鉛快削鋼の開発が進められているが，仕上げ面粗さに関して十分な品質が得られていないようである。また，仕上げ面の光沢に対しても要求が難しくなってきている。
一方，切削工具も変遷している。従来の工具は超硬合金や高速度鋼などを研削仕上げした刃先が鋭いものが使われていた。しかし，旋削用工具では最近は，焼結したままの超硬合金にさらにコーティングをした，刃先の丸いコーテッド工具が大多数を占めるに至っている。
そこで本研究では快削鋼の旋削仕上げ面の光沢に*電子機械工学科**専攻科生産システム工学専攻(現：㈱みやび堂）

関して，工具の切刃丸みと材質の影響について検討した。
２．実

験

２．１ 実験方法
NC 旋盤で丸棒の乾式長手切削を行い，仕上げ面の粗さと表面の観察，および光沢度の測定を行った。
光沢度は市販の光沢計を使用して測定角度 20°で測定した。仕上げ面の粗さは，最大高さ Rz を求めた。
切削条件は切削速度 V=50～ 200m/min，送りf =0.2mm/rev， 切 込 み d =0.1mm， コ ー ナ 半 径
r =0.8mm，切 刃 丸 み 0,20,40,60µm と し て ，それぞれ組み合わせて実験を行った。
２．２ 被削材
被削材は，鉛快削鋼 2 種類(フル Pb 鋼，Pb+S+Ca)，非鉛快削鋼(0.05％S 鋼)，および比較材として機械構
表 1

被削材の快削成分

鋼 種
鉛快削鋼(フル Pb 鋼)

化学成分(wt%)
SPbCa

0.009

0.17<.0002

鉛快削鋼(Pb+S+Ca)

0.044

0.170.0016

非鉛快削鋼(S)

0.046

<.005

<.0002

S45C（ベース）

0.008

<.005

<.0002

平成 22 年 8 月 31 日受理

造用炭素鋼 S45C，共に大同特殊鋼(株)製を使用した。
快削成分のみを表１に示す。

第 33 号（平成 23 年）
被削材

工具

２．３ 工 具・ホルダー：PSBNR33K12・刃部形状：-6,-6,6,6,15,15,0.8
・チップ：超硬合金（P20，K10），コーテッド工具（TiN，Al2O3，(Ti,Al)N 系），サーメット
・チップ形状：SNMG120408，SNGA120408
２．４ 実験装置
・NC 旋盤：滝沢鉄工所(株)TSL-360CNC・粗さ計：(株)ミツトヨ サーフテスト 306
・光沢計：HORIBA グロステェッカ IG-331

鉛快削鋼(フルPb鋼)

鉛快削鋼(Pb+S+Ca)

31
非鉛快削鋼
(S)

S45C

刃先の鋭利な工具（超硬K10）

紀要

刃先の丸い工具（コーテッド工具（TiN)）

弓削商船高等専門学校

図２ 仕上げ面の表面写真（V＝200m/min）
鉛快削鋼（Pb+S+Ca）

非鉛快削鋼（S）

S45C

切刃の丸い工具（コーテッド（TiN））

切刃の鋭利な工具（超硬K10－sharp）

鉛快削鋼（フルPb鋼）

図３ 仕上げ面の顕微鏡写真（V＝200m/min）

図１ 切削速度と仕上げ面粗さの関係

３．実験結果および実験結果および考察
および考察
３．１ 従来の従来の工具と工具と最近の最近の工具の工具の比較
従来の切れ刃の鋭利な工具として研削仕上げした
超硬 K10 と，切刃の丸い工具に焼結したままの超硬に，コーティングしたコーテッド工具(TiN)を使用して，仕上げ面の比較した。図 1 に切削速度と仕上げ面粗さの関係，図 2 に仕上げ面の外観写真，図３に仕上げ面の顕微鏡写真，図 4 に光沢度の測定結果を示す。
まず，２つの工具を比較する。図 1 に示すようにいずれの工具でも低速では構成刃先により粗さが大きく，光沢がない。切削速度 100m/min 以上の仕上げ面粗さは，切刃の鋭利な工具では被削材による粗さの違いが認められない。一方，切刃が丸い工具では，

図４ 被削材，工具と光沢度の関係（V=200m/min）
被削材種による粗さに多少の違いがあるものの，両工具でほぼ同様の粗さを示している。ところが，加工面の外観では図３に示すように，いずれの被削材
でもコーテッド工具の方が超硬 K10 より光沢のある面であり，送りマークも明確であることがわかる。
さらに，図４の光沢度の測定結果から，コーテッド工具の方が明らかに光沢度の大きい面となっていることがわかる。

快削鋼の仕上げ面形成に関する研究

32(大石・山本）

図５ 切刃丸みと仕上げ面粗さの関係（V=200m/min）

コーテッド工具（(Ti,Al)N系）①②③④①②③④①②③④①②③④①②③④①②③④①②③④①②③④S45C

非鉛快削鋼（S）

鉛快削鋼（Pb+S+Ca）

鉛快削鋼（フルPb）

超硬P2010mm

図６ 仕上げ面の外観（V=200m/min)

切刃丸み(µm)① 0② 20③ 40④ 60

弓削商船高等専門学校

第 33 号（平成 23 年）

超硬P20

材質

02033

コーテッド（（Ti,Al)N系）
4060

0204060

鉛快削鋼（Pb+S+Ca）
非鉛快削鋼（S）
S45C

被削材

鉛快削鋼（フルPb鋼）

工
切刃丸み具(µm)

紀要

図７ 仕上げ面の顕微鏡写真

図８ 切刃丸みと光沢の関係
次に４種類の被削材を比較する。コーテッド工具
では，仕上げ面は S45C と鉛快削鋼(Pb+S+Ca)が光沢のある面が得られる。一方，鉛快削鋼(フル Pb)と非鉛快削鋼(S)は仕上げ面に斑点状に白く曇っている部分がある。さらに，光沢度で比較すると鉛快削鋼(フル Pb)が鉛快削鋼(Pb+S+Ca)より大きいことがわかる。また，超硬 K10 では，仕上げ面の外観と光沢度に被削材質の違いがほとんどなく，いずれも光沢度が低いことがわかる。
これらのことから，刃先の丸い工具は刃先の鋭利なものより光沢のある面が得られることがわかる。
これは，切刃が丸いものは，刃先逃げ面の微小なバニシング作用で光沢のある面が得られたと考えられる
３．２ 切刃丸みの切刃丸みの影響
みの影響
3.1 の結果より，切刃が鋭利な工具より切刃が丸い工具の方が光沢のある面が得られることがわかった。そこで，切刃丸みを変えたときの仕上げ面の光沢と粗さを調べた。工具は超硬 P20 とコーテッド工具 ((Ti,Al)N 系 ) の 二 種 類 を 用 い ， 切 刃 丸 み

0,20,40,60µm，切削速度 200m/min とした。図５に切刃丸みと仕上げ面粗さの関係，図６に仕上げ面の外観写真，図７に仕上げ面の顕微鏡写真，図８に光沢度と切刃丸みの関係を示す。
まず，切刃丸みの影響を比較する。図 5 示すように ， 超 硬 P20 の 仕 上 げ 面 粗 さ は ， 切 削 速 度 が200m/min 以上では，どの被削材も切刃丸みによる粗さの違いがほとんどない。また，コーテッド工具
も切削速度が 200m/min では仕上げ面粗さに違いがない。しかし，図６に示すように，超硬 P20 とコーテッド工具のどちらも切刃丸みが大きくなると光沢のある面が得られている。さらに，図８に示すように，切刃丸みが大きい方が光沢度が大きくなる傾向があることがわかる。
次に，工具材質で比較する。図６から，コーテッド工具の方が超硬 P20 より光沢のある面がえられていることがわかる。しかし，詳細に観察すると図 7のようにコーテッド工具では超硬 P20 に比べて，仕上げ面に斑点状に白く曇っているところがあること

快削鋼の仕上げ面形成に関する研究

34(大石・山本）

図９ 切削速度と仕上げ面粗さの関係

超硬P20

コーテッド工具(Ti,Al)N 系

Al2O 3

サーメット

超硬P20

コーテッド工具(Ti,Al)N 系

Al2O 3

鉛快削鋼 （フルPb鋼）

鉛快削鋼（ Pb+S+Ca）

非鉛快削鋼（ S）

S45C

図１０ 仕上げ面の外観写真（V=200m/min）

サーメット

10mm


弓削商船高等専門学校
コーテッド（（Ti,Al)N系）

コーテッド（Al2O3)

サーメット

S45C

非鉛快削鋼（S）

鉛快削鋼（Pb+S+Ca）

鉛快削鋼（フルPb鋼）

超硬P20

紀要

図 11 仕上げ面の顕微鏡写真（V=200m/min）

図 12 被削材，工具と光沢度の関係（V=200m/min）がわかる。しかしながら図８に示すように，光沢度はコーテッド工具の方が大きい結果となっている。
また，超硬 P20 の光沢度は被削材種による差が小さいが，コーテッド工具では被削材種による差が大きいことがわかる。
これらの結果から，切刃丸みが大きい方が光沢のある面が得られやすいことがわかった。さらに，本
実験の範囲では，切刃丸み 60µm が一番光沢のある面が得られた。これは，刃先が丸いため逃げ面側のバニッシング効果により，光沢のある面が得られた

第 33 号（平成 23 年）

35と考えられる。また，工具材質ではコーテッド工具が超硬より光沢のある面が得られた。一方，快削鋼
では鉛快削鋼(Pb+S+Ca)が一番光沢のある面が得られている。
３．３ 工具材質の工具材質の影響
3.2 の結果より，切刃丸みが大きい方が光沢のある面が得られることがわかった。また，二種類の工具の違いによっても仕上げ面の光沢が違うことがわかった。
このことから，工具材質の違う工具での仕上げ面粗さと光沢を調べた。切刃丸みを 40µm の一定として，超硬 P20，コーテッド工具((Ti,Al)N 系，Al2O3)，およびサーメットの 4 種類用いた。図９に切削速度と仕上げ面粗さの関係，図 10 に仕上げ面の外観写真，
図 11 に仕上げ面の顕微鏡写真，図 12 に被削材，工具と光沢度の関係を示す。
図９ に示す よう に， 仕上 げ面 粗さは 切削 速度
200m/min 以上では，どの被削材も工具材質による違いがほとんどないことがわかる。しかし，図 10に示すように，外観の光沢は工具と被削材により違いがある。鉛快削鋼(Pb+S+Ca)は他の快削鋼より良好な面が得られる。しかし，快削鋼はコーテッド工具のとき超硬 P20 より仕上げ面が白く曇ることがわかる。さらに，光沢度はコーテッド工具(Al2O3)で切削したときが，どの被削材も光沢度が大きくなることがわかる。また，非鉛快削鋼はサーメットのとき光沢度が大きいことがわかる。
つまり，どの被削材もコーテッド工具(Al2O3)が光沢のある面が得られやすいが，快削鋼では白く曇りやすい。コーティング材質による凝着性の低下の効果と考えられる。快削鋼で曇るのは快削添加物の影響と考えられるが，詳細は明らかでない。また，
非鉛快削鋼はサーメットのとき光沢のある面が得られることもわかった。
４．光沢と光沢と被削性の被削性の関係
3 章の実験結果から，仕上げ面の外観と光沢度は切刃丸みが大きい方が良好であることがわかった。

主分力

送り分力

図 13 切れ刃丸みと切削抵抗

主分力

送り分力

快削鋼の仕上げ面形成に関する研究

４．１ 切削抵抗
図 13 に超硬 P20，およびコーテッド工具((Ti,Al)N系)で切削した時の，切刃丸みと切削抵抗の関係を示す。切刃丸みが大きくなると切削抵抗も大きくなることがわかる。また，被削材で比較すると，どちらの工具材質でも，鉛快削鋼(Pb+S+Ca)が一番小さい
く，非鉛快削鋼(S)は S45C とほとんど変わらないことがわかる。

切削抵抗（kgf）

主分力

送り分力

50

100150
切削速度V（m/min）

４．２ 切りくずの観察
りくずの観察図 15 に切削速度 200m/min で切削したときの切りくず形態を示す。工具は超硬 P20，コーテッド工具((Ti,Al)N 系，Al2O3)，およびサーメットの４種類である。どの被削材でも切刃丸み，工具材質が変わっても切りくずの形態に変化はない。
非鉛快削鋼（S）

1009080706050403020100

切削抵抗（kgf）

超硬P20
コーテッド工具（(Ti,Al)N系)
コーテッド工具（Al2O3）
サーメット
超硬P20
コーテッド工具（(Ti,Al)N系)
コーテッド工具（Al2O3）
サーメット

鉛快削鋼（Pb+S+Ca）

超硬P20
コーテッド工具（(Ti,Al)N系
コーテッド工具（Al2O3）
サーメット
超硬P20
コーテッド工具（(Ti,Al)N系コーテッド工具（Al2O3）
サーメット

主分力

送り分力

5020036

図 14 は切刃丸み 40µm の同一で，工具材質が異なる場合切削抵抗と切削速度の関係を示す。工具材質が変わっても切削抵抗ほぼ同一であることがわかる。
したがって，光沢を得るために切刃丸みを大きくすると切削抵抗がわずかに大きくなることがわかった。刃先が丸くなると切れ味が悪くなるためである。

またこの時，仕上げ面の粗さにはほとんど影響ないことがわかった。また，工具材質では仕上げ面粗さに違いはなかったが，光沢度はコーテッド工具(Al2O3)がどの被削材でも大きいことがわかった。そこで，この光沢度が高い条件では被削性にどう影響するかを検討する。

1009080706050403020100(大石・山本）

100150
切削速度V（m/min）200

図 14 切削速度と切削抵抗の関係（切刃丸み 40µｍ）
工具材質

被削材

切刃丸み(µ m)

鉛快削鋼(フルPb鋼)

鉛快削鋼(Pb+S+Ca)

非鉛快削鋼 (S)S45C

0超硬P202040

本実験の工具の条件範囲では，被削材質により切りくず形態は決まる。被削材別では鉛快削鋼が短く折断した切りくずを生成し，非鉛快削鋼の切りくずは S45C と同様に長くつながっている。切りくず処
理性に対し，鉛の効果が大きいことが分かる。
仕上げ面の光沢を得るために切刃丸みと工具材質を変えても，切りくずの形状にほとんど影響がないことがわかった。

60５． 結コーテッド工具(Ti,Al)N系

02040サーメット

Al2 O360404020mm

図１５ 切りくず形態

言

快削鋼の仕上げ面形成に関して切れ刃丸みと工具材質の影響を調べた結果，以下の結論が得られた。
1．切刃丸みが大きいと光沢面になりやすい。
2．本実験の範囲では切刃丸み 60µm が最も光沢度が大き い。
3．コーテッド工具(Al2O3)の切刃丸み 40µm はどの被削材も光沢のある面が得られるが，快削鋼はS45C より白く曇る部分が多い。
4．切刃丸みによる仕上げ面粗さ，切りくず形態への影響はなく，切削抵抗がわずかに上昇する。
5．鉛快削鋼(Pb+S+Ca)は快削鋼の中では光沢のあ弓削商船高等専門学校

紀要る面が得られ，切りくず処理性もよく，切削抵抗も小さい。
6．鉛快削鋼(フル Pb 鋼)は光沢のある面は得にくい。
ただし，切りくず処理性はよく，切削抵抗も小さい。
7．非鉛快削鋼は光沢面は得にくい，さらに，切りくず処理性は悪く，切削抵抗も S45C とほぼ同じである。

参考文献
1) 中山一雄，上原邦雄：新版機械加工，(1997)，朝倉書店
2) HORIBA：ハンディ光沢計 グロスチェッカ I シ
リーズ便利帳3) 津枝正介，長谷川嘉雄，中野哲夫：刃先の微小丸味が切削現象に及ぼす影響(第１報)，日本機械学会
論文集(第３部)，26 巻，166 号(1960)pp803-808
4) 馬越弘典，山本祐：2007 年度卒業論文“快削鋼の仕上げ面の研究”(2007)
5) 天野正章：切削加工条件が仕上げ面形成に及ぼす影響－切刃の影響－，日本機械学会中国四国学生会
第 38 回学生員卒業研究発表講演会(2008)

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