切削とダイレスフォーミングを複合した新しい逐次加工技術の開発
日本工業大学 基幹工学部 機械工学科教授 二ノ宮 進一（平成 28 年度 一般研究開発助成 AF-2016013）
キーワード：切削加工，変形加工，逐次加工，複合加工機，ダイレスフォーミング
【複合化の種類】

１．研究の目的と背景除去加工 ＋ 除去加工

工作機械は，マシニングセンタ機能と旋盤機能を持つ複合加工機が一般的となり，さらに，研削機能やレーザ加工機能など，「除去加工」＋「除去加工」の複合化は多くの切削用工作機械で主に行う加工取り組み例がある 1)．また，アディティブ・マニュファク

除去加工チャリング（ＡＭ）等の「付加加工」を搭載した工作機械が市販されている．しかし，「除去加工」と「変形加工」多軸化・多機能化の複合例は少ない 2)．近年の切削加工用工作機械の複合化

・切削加工＋切削加工（MC＋旋盤機能）
・切削加工＋研削加工
・切削加工＋レーザ加工
・切削加工＋放電加工
・切削加工＋その他除去加工

除去加工 ＋ 付加加工 （AM など）除去加工 ＋ 変形加工について，加工法による分類として整理したものを図 1 に

図 1 切削用工作機械の複合化（加工法による分類）示す．本研究は，この新しい複合加工技術の開発に関する基礎的研究である．
切削加工は，工具軌跡を指示することで工作物を任意の形状に成形できる．塑性加工は，工作物に弾性限度以上の外力を加えて形状を変化させて目的の形状に成形する方(a)旋削→曲げ法であり，鍛造、金属プレス、圧延加工、押出加工、絞り加工など種々の方法がある．著者は，この切削による除去加工と塑性加工（変形加工）を複合させて逐次行うことで，これまでに不可能であった形状を有する部品加工が実現できると考えた．
(b)逐次曲げ本研究では，除去加工だけでは難しい形状の加工を実現するため，「除去加工」と「変形加工」を複合化させ，こ(c)フライス→曲げ①裏面

れを逐次行う技術を提案した．まずは基礎実験として，切表面

削と曲げ，あるいは切削と張出し成形の複合化を試み，任意形状の成形に向けて基本的な加工特性を調査した．次に応用展開として，旋削による六角穴加工と六角穴逐次張り出し成形の複合の可能性を検討した．

(d) フライス→曲げ②(e) 旋削→ｲﾝｸﾘﾒﾝﾀﾙﾌｫｰﾐﾝｸﾞ

図 2 切削・変形加工の例（3D モデル）

２．切削・変形複合逐次加工の概要
切削機械で変形加工を実現するためには，素材の変形強加工（バーリング加工）やインクリメンタルフォーミング

度よりも工作機械剛性の方が十分に大きい必要がある．提を採用することで，加工形状の自由度は高くなる 3, 4)．

案する「切削・変形複合逐次加工」は，被加工材を切削除去して肉厚を薄くした箇所を変形加工させる新しい加工

３．切削・変形の連続逐次加工実験法である．本加工法で成形可能な形状モデルの例を図 2 に

3.1

旋削と曲げ・絞り変形の逐次加工示す．変形加工後の被加工材は，切削工具が干渉するよう回転曲げやヘラ絞りを応用した逐次加工の例（外周旋削な形状にすることも可能である．また，素材寸法よりも外→曲げ・絞り）を図 3 に示す．まず，曲げ対象部を切削バ側に張り出す形状に加工することもできる．

イトで所望の肉厚に外周旋削し，その後，半球工具（また加工機には，旋盤や，フライス盤，５軸複合加工機等がはラジアス工具）によって薄肉部を母材との境界部で変形利用できる．当然ではあるが，これらの機械は各種の切削させる．この際，半球工具に押付けられた薄肉部は，応力加工を施すことが可能である．変形加工の成形軌跡に，切集中により母材との境界部で曲げ変形が作用する．材料肉削で利用する工具送り軌跡を用いる．また，伸びフランジ厚が大きく剛性の高い部位が板抑えの役割を持つ．この工

半球工具

①
材料回転②旋削③
変形④旋削⑤変形(a)半球工具（SR6mm）

加工抵抗 N

表 1 切削・曲げ逐次加工の基本実験条件【旋削】汎用旋盤（LR‐55A） テクノワシノ【フライス加工】汎用フライス盤 OKK
被加工材
アルミ合金 A5056： 外径 ϕ80mm
切削条件【旋削】CVD 片刃バイト，N＝550rpm，f=0.05mm/rev.
【フライス加工】ϕ13mm フラットエンドミル
ϕ12mm ラジアスエンドミル，コーナーR1.0mm
曲げ・張出し 超硬製半球工具 A1：ϕ12mm，工具回転無し，
条件
N=83rpm，f=0.05mm/rev，水溶性切削油(c)4 工程逐次（高さ 5mm×4）

図 4 外周旋削・曲げの例（切削残し幅=板厚 1mm）

図 3 旋盤による外周旋削→曲げの逐次加工の工程例

使用機械(b)1 工程 4 連フランジ（高さ 10mm）

600
500
400
300
200
1000

板厚1.0㎜
板厚0.5㎜

加工抵抗 N

左片刃バイト

600
500
400
300
200
1000

板厚1.0㎜
板厚0.5㎜

00 20 40 60 80 100

20 40 60 80 100
加工時間 s

加工時間 s(a)工具送り方向（曲げ方向）(b)ワーク回転方向

図 5 SR6mm 工具による変形加工時の加工抵抗（材料高さ=切削深さ：10mm）

程を繰り返すことによって任意の形状に成形できる．表 1に本研究で用いた基本的な実験条件を示す．
汎用旋盤を用いて，アルミ円筒材の外周を突っ切りバイトで溝加工を施して，高さ 10mm，厚さ 1mm のフランジを形成した後に，このフランジの側面から，先端を研磨した ϕ12mm の超硬半球工具（図 4(a)）で曲げ変形させた．
外周溝旋削を 1 工程とし，曲げ変形を 1 工程として連続で(a)内周旋削・曲げ (b)内周旋削・曲げ（4 工程逐次）

4 連のフランジ加工を行った後の被加工材サンプルの外（切欠き付ワーク）(c)外周旋削・曲げ（切欠き付ワーク）

図 6 旋削・曲げの逐次加工の例（幅 1mm，高さ 5mm×4）

観を図 4(b)に示す．変形加工により，切削工具が容易に入り込めないようなフランジ軸形状に成形することができた．次に，素材の端部の 1 壁のみに対して，深さ 5mm 毎影響し，変形荷重を付与する箇所によってモーメントも変で外周旋削し，その都度曲げ変形を行う工程を 4 回繰り返化するため，機械剛性を考慮した切削残し厚さおよび切りした逐次加工結果を図 4(c)に示す．被加工材は，曲げ変形残し高さを決定する必要がある．今回使用した工作機械でによって元の素材寸法から工具送り方向に突き出した．今は，問題のない範囲であった．

回は，変形工具の軌跡を軸方向に直線 5mm と固定したた

また，切削時に R 付き工具を採用して，被加工溝コーナめ，この加工条件では，フランジ部は段付に広がる形状にー部に適度な R を設けることで，変形時に材料破断が生なった．変形加工時の変形工具軌跡を逐次 NC 制御するこじ難くなることを確認した．とで，後工程の変形の影響によって前工程で変形した箇所内周を旋削して，連続で逐次 4 回成形した結果を図 6(a)が戻ることを抑制できるため，ダイレスフォーミングの可に示す．変形部は外径側に拡張されたが，この変形条件で能性が示唆された．

は複数回実施しても薄肉部が大きく拡がらずバーリング

なお，切削後の材料幅（1mm）は，半球工具と接触した箇所は変形後にいずれも約 0.9mm に薄くなった．

加工のようになった．また，被加工材に予め切欠きを設けた場合，複雑な形状に変形した（図 6(b)）．

工作機械への影響を調査するため，切削で残す材料幅をまた，予めワークに切欠きを設けて切削し，残った各薄変更し，SR6mm 工具で変形させる際の実際の加工抵抗を肉部の回転方向側の一部を先行して変形させ，その後回転測定した（図 5）．切削深さを 10mm とし，半球工具先端変形を行うことで，変形後の曲げ部同士の干渉を回避した部を溝部から 1mm 離して変形加工しているため，半球工プロペラ形状が加工できることを確認した（図 6(c)）．

具と変形対象壁との加工開始時の接触箇所は，溝底部から高さ 7mm の位置からになる．材料幅 1mm の曲げ加工時

3.2

フライス削りと曲げの逐次加工において工具送り方向の最大加工抵抗は約 600N で，ワーフライス盤を用いて，ϕ12mm ラジアスエンドミルでアク回転方向の最大加工抵抗は約 1/7 であった．材料幅

ルミブロックの上面に深さ 10mm の複数の溝切削加工を0.5mm にすることで，加工抵抗はいずれの方向も大幅に減行い，切削で残される材料幅を変更した各壁面に対して，少している．このように曲げの断面係数は，板厚の 2 乗で半球工具を直線送りして曲げ加工を行った（図 7(a)）．材

料幅が 0.5mm では，母材の境界部で直線的に容易に曲げ変形前変形できた．材料幅 2mm でも直線的な変形は可能であっ変形後たが，半球工具が接触する時の加工負荷が大きくなった．
材料幅 1mm では，半球工具の回転方向によらず，縮みフランジのような曲面になって変形した．
次に，フライス盤を用いて，板厚 10mm のアルミ材にϕ4mm の貫通穴をあけ，各下穴の裏表両側から ϕ12.4mm で板厚2mm

0.5mm

1mm 1mm
Down(a)フライス削り・曲げ(b)穴あけ・穴拡げ（送り曲げ 1 工程：高さ 10mm）（下穴付き 1 工程のみ：t1mm）

図 7 フライス削り・曲げの例（壁幅 0.5～2mm）

ザグリ加工し，その後，半球工具によって穴拡げ加工のような変形を施し，リフレクタのような形状加工を試 みた． 中央に 残る 壁の厚みは1mm とした．SR6mm の半球工具を回転さ加工後の材料外観せながらグリスを塗布して押し込むことで，工具と接触する平底部は鏡面を呈する凹面に加 工でき ること を確 認した（図7(b)）．
3.3

工具接触部の性状旋削と張出し成形の逐次加工

アルミ材（ϕ80mm）を中ぐりバイトで内径 ϕ50mm に端面旋削し，変形箇所の肉厚を 1.5mm にした．その後，回転中心から張出し時
工具送り方向の加工抵抗10mm の位置に半球工具を押し当て，張出し成形させた．表 1 の変形条件で，設定変形高さを 5mm とし，変形時に切削油の有無で比較した．いずれも材料中央部が押し出されて変形し，凸状になった（図 8）．工(a)切削油なし(b)切削油あり

図 8 張出し成形結果と加工時の抵抗（切削油の有無）（AL5054:ϕ80mm,内径 ϕ50mm，肉厚 1.5mm，設定張出し高さ 5mm）

具との接触面は，切削油ありでむしれの無い面性状になった．変形加工時のバニシング効果が得られていると考えられる．変形加工時の工具送り方向の加工抵
抗は，いずれも最大 1kN 程度であり，切削油を付与する

5mm
ABCことによって，安定した変形加工が行われていることがわ

AAB
CBCかった．
本技術は，張出し成形のみを逐次で行える．そこで，半球工具の押込み位置を 3 ヶ所に分け，順次，変形加工した(a)張出し位置と加工順序（A→B→C の場合：各 5mm）

（図 9）
．変形高さは半球工具が接触した A～C の位置からインクリメンタルで 5mm とし，第 1 次から第 3 次の被加工材の中心から外側（A→B→C）の順と，外側から中心（C→B→A）の順で比較した．実験の結果，両者の形状は異なり，A→B→C 順では材料は外周に低く広がり，最大第1次
成形
第2次
成形

変形高さは約 10mm となった．C→B→A 順では，鋭角に突出し，最大変形高さは 14.2mm となった．加工箇所および順序を上手く選択することで，さまざまな形状に張出し第3次成形加工できることを示した．

加工順序 A→B→C

加工順序 C→B→A

さらに，被加工材端面 ϕ50mm の位置で，溝部底面の肉(b)張出し順序を変更した被加工材の外観

厚が 1mm になるように中グリ加工した後，半球工具で溝図 9 切削・張出し逐次加工における張出し位置の影響部を 5mm 変形させた（図 10）．この場合は，材料中央部が突出してこないように材料裏側から心押え治具で押さ変形軌跡を設定することで，任意の形状にインクリメンタえている．材料の回転軌跡に沿ったリング状の張出し成形ルフォーミングを行える可能性を見出した．

ができることを確認した．半球工具と干渉した面は，工具R 形状が転写され凹状になり，また，加工面はバニシング作用により良好であった．このように切削軌跡に対応した

3.4

旋削による六角穴あけと六角形状の張出し逐次加工

アルミ材の中心部に旋削で ϕ6.2mm で止まり穴をあけ，穴底部の肉厚を 1.5mm 残した．その穴に対して，図 11(a)に示すブリゲッティ社製の六角穴ブローチツール(G8-E6)を用いて，旋盤で六角穴ブローチ加工を施した．このブローチツールのホルダーは，旋盤主軸による材料の回転運動を利用して，刃具端面を微小傾斜させて偏心させ，六角の各コーナー部が順次ローテーションしながら押し込まれることによって，回転しながら六角穴を形成させる加工(a)半球工具にて張出し成形中の様子法である（図 11(b)）．その後，そのまま同一ブローチ工具を変形工具として，穴底部を送り方向に押し出し，六角形状の張出し成形を試みた．この張出し成形時も，刃具のコーナー部によって，六角穴底部のコーナーが順次押し出されるため，小さな力で張出し成形が可能となることを明らかにした．
(b)成形後の材料表面

４．まとめ(c)成形後の材料裏面

図 10 中グリ旋削・張出し成形の例（幅 1mm，溝深さ 5mm）

本研究では，切削・変形複合逐次加工を提案し，旋削やフライス削りを応用した数種類の基礎実験の結果，従来では不可能な形状の加工が実現できる可能性があることを示した．切削時のコーナーR 付与の効果や，変形時の潤滑油の効果についても明らかにした．変形後の被加工面は，バニシング作用によって良好な加工面を得ることもわかった．
また，旋削による六角穴あけと六角形状の張出し逐次加工では，回転運動を利用して順次六角コーナー部をブロー(a)六角穴ブローチツール(G8-E-6)

チ加工し，その後に同一工具で材料底部を張出し成形させることに成功した．微小変形する箇所を随時変更しながら加工することによって，少ない力で張出し成形ができる可能性を示した．
今後は，材料強度と工作機械の主軸剛性との関係などを解析等によって明らかにするとともに，NC 加工機を用いた変形軌跡制御および変形用工具の最適化について検討していく予定である．

謝

辞(b)旋盤による六角穴加工の状況

本研究は，公益財団法人天田財団の助成金で実施した．
研究成果は，国際工作機械技術者会議（IMEC2018），欧州国際会議および国内学会にて発表させていただいた．天田財団には，心より感謝申し上げます．

参考文献
1) 例 え ば , Website of Yamazaki Mazak Co., https://www.
mazak.com/
2) 二ノ宮進一：切削加工機械-マシニングセンタ系，特集(c)成形後の材料表面(d)成形後の材料裏面

図 11 六角穴ブローチ加工・六角形状張出し成形の例（AL5054:ϕ80mm，六角穴対辺距離 6mm，肉厚 1.5mm，設定張出し高さ 1.2mm）

JIMTOF2014 にみる新技術，機械と工具，Vol.5, No.1
(2015) pp.10-15.
3) 平松信也，森田 昇，山田 茂，高野 登，大山達雄：インクリメンタルフォーミングによるマイクロ張出し成4) 帯川 利之, 関根 務, 伯谷 知美, 沼尻 省吾：マイクロ形，第一報：ピラミッド形状の張出し特性，砥粒加工学

インクリメンタルフォーミングによる薄膜のダイレス

会誌，Vol.48 No.11 (2004) pp.635-640.

3D 造形，生産研究，Vol.61 No.6 (2009) pp.1001-1005.