大分県産業科学技術センター 平成１９年度 研究報告

機上計測を用いた超精密金型部品の高効率切削加工技術の研究―高硬度材の小径エンドミル加工に関する研究―大塚裕俊 ＊・水江宏 ＊・城門由人 ＊・秋国元 ＊＊・嶽正好 ＊＊中川元彦 ＊＊＊・栗林仁 ＊＊＊＊ ・須藤勝蔵 ＊＊＊＊＊＊

機械・金属担当・ ＊＊ ㈱テオリック・ ＊＊＊ ㈱戸高製作所＊＊＊＊

大分県立工科短期大学校・ ＊＊＊＊＊ 北九州市立大学

Study on End Milling for Hardened Steel Using in-situ Measurement System-Application of Tool Paths with a Constant Cutting Engagement Angle for End Milling Cavity MoldsH.OHTSUKA ＊・H.MIZUE ＊ ・Y.KIDO ＊・G.AKIKUNI ＊＊ ・M.DAKE ＊＊M.NAKAGAWA ＊＊＊・J.KURIBAYASHI ＊＊＊＊・K．SUDO ＊＊＊＊＊＊

Mechanical and Metallurgical Engineering Division・ ＊＊ Teoric Cooperation・ ＊＊＊ Todaka Cooperation＊＊＊＊

要Oita Institute of Technology・ ＊＊＊＊＊ The University of Kitakyusyu

旨
高硬度材の小径エンドミル加工について，切削抵抗と工具寿命に影響する切削関与角を制御した工具パスの適用を検討した．ひし形のポケット加工について，切削関与角を一定値以下に制御することを含む３レベルの工具パスを作成して実験した結果，SKD-11 (HRC60)材のポケット加工では，切削関与角を一定値以下となるようにした工具パスで寿命が最大となり，小径エンドミル加工での工具寿命の伸長に効果があることがわかった.

1.

はじめに法が有効であるかどうかを確認する．

2.

高硬度材のエンドミル加工では，微小な切込み量でも大き切削抵抗一定化のための送り速度制御な切削抵抗が生じるので，工具損傷を防ぐためには適切なこれまでの研究によれば，式(1)に示す２次多項式モデル

加工条件や工具経路を選択することが非常に重要である．

により，２次元平面内のエンドミル加工において切削抵抗のとりわけ近年，HrC60 程度の高硬度材の加工，直径 1mm予測と制御が可能となっている．ここで Fｘｙは２次元平面内で以下の小径エンドミル工具の利用などが増えており，工具折の切削抵抗の合力の時間平均値であり，tｍと L はそれぞれ損の防止や工具寿命の伸長はますます重要な問題となって変形前の最大切りくず厚さと切削円弧長である（Fig. １）．6いる．

つの係数βは抵抗測定実験により決定される．

これについては送り速度を場所ごとに適切に与えることで切削抵抗を一定化し 1)，とりわけ内側コーナ加工で起こる過Fｘｙ = β0＋β1tｍ＋β2L＋β11tｍ2＋β22L2＋β12tｍL(1)

大な切削抵抗を避けようとする方法がある．しかしながら中小径以上のエンドミルを用いた実際の金型加工では，切削抵抗を一定化としても直線切削のみを行った場合に比べて内側円弧切削では工具寿命が短くなるという現象が生じる．すなわち切削抵抗以外で工具寿命に大きな影響を与える切削関与角（幾何的パラメータ）を制御しなければならない 2)．よって切削抵抗の一定化を図ると同時に，工具パスパターン（幾何パターン）を適切に設計しなければならない．
そこで本研究では，主に直径 1mm 以下の小径エンドミル
工具を用いた基本形状のポケット加工を対象として，切削抵抗一定の条件のもとで切削関与角（幾何的パラメータ）の調Fig. 1 Geometrical relationship in concave contour end

整レベルに基づく数種類の工具パスパターンを与え，工具milling

寿命実験を実施する．そして小径エンドミルについても本手

9大分県産業科学技術センター 平成１９年度 研究報告

4.

切削抵抗の一定化は，式(1)の予測式とエンドミルと被加4.1

工物のとの干渉に関する幾何的関係から，切削抵抗の目標値に応じてエンドミル中心の送り量 fz を決定することで行う．

実験装置と方法

被削材と切削工具工具としてねじれ角 35°，2 枚刃のストレート型のコーテッ
ド超硬エンドミルを用いる．直径は 1.5～0.2mm までの 5 種と3.

工具パスパターンの設計

し，被削材はダイス鋼 SKD-11(硬さ HRC60)を用いる．クーラ

加工対象は鋭角 45°のひし形のポケット形状である．なントはミストクーラントを用いる．

お，ひし形の一辺の長さと加工深さをエンドミル径に応じて4.2

Table １に示す．なお軸方向切込み量 Ad は加工深さと等し実験装置と手順

被削材を立形マシニングセンタ(MC)のテーブル上に取りいとする．

付け，工具寿命試験を行う．実験は中央部のヘリカル加工

工具パスとして通常は輪郭形状に沿ったパスパターンが（穴あけ加工）からポケット部加工までを１本の同じ工具で行用いられる（Fig.２(A)）．この場合には鋭角内側コーナ部ではい，工具寿命に達するまで同一形状のポケットを連続加工す常に 120°以上の切削関与角が生じ工具寿命に大きな影響る．また切削抵抗の測定は，圧電素子を用いた 3 成分工具を与える．次にこの急峻な切削関与角を緩和する目的で，動力計で保持された被削材により行う．Table １にエンドミル(A)のパスの内側コーナ部にＲを配したパスパターンを用いる

各径毎の加工形状と加工条件について示す．ポケット１個あ（Fig.２(B)）．さらにパスパターンを大幅に変更し，常に切削たりの加工時間や切削距離にはヘリカル加工の時間や距離関与角が一定値以下となる工具パスパターンを用いる（Fig.

も含まれている．

２(C)）．なおパスパターン(A)については Table １の径方向切込み量をパス間ピッチとし，それに対応する切削関与角をもTable 1 Cutting conditions for experimentsって (C)での上限値とした．なおパスパターン(A)(B)については，切削抵抗予測式に基づいて内側コーナ部で Table １の基準送り速度よりも送りを大きく減少させる．その処理により，ポケット形状１個あたりの加工時間は(A)(B)(C)でほぼ等しくなる．
（A）

（B）

Tool diametermm

φ1.5

φ0.8

φ0.6

φ0.4

φ0.2

Pocket Edge
length mm

5.0

3.0

2.5

1.75

1.0

Spindle speedrpm

6000

9000

12000

20000

30000

Radial depth of
0.027
cut mm

0.015

0.01

0.007

0.004

Axial depth
cut mm

1.5

0.8

0.6

0.4

0.2

Standard feed
rate mm/tooth

0.002

0.002

0.002

0.002

0.002

Cutting time
min/pocket

27

1217

1111

Cutting
length(A)mm/pocket

619

343

505

430

181

Cutting length (C)mm/pocket

1468

815

691

634

413

of

Table 2 Numbers of cut pockets（C）

Fig.2 Cutter path patterns for diamond shaped cavity

10Tool diameter
mm

φ1.5

φ0.8

φ0.6

φ0.4φ0.2

Path pattern (A)103243

Path pattern (B)206---Path pattern (C)42104610大分県産業科学技術センター 平成１９年度 研究報告(a)new tool(b)4 pockets(c) 8 pockets

された工具パスパターンは工具寿命の伸長に有効であることがわかった．すなわち切削関与角が大きいほど工具寿命に与える影響が大きくなることが小径エンドミルにおいても確かめられた．

6.

おわりに高硬度材の小径エンドミル加工について，切削抵抗に加Fig.3 Change of bottom cutting edges(φ0.2mm)

えて切削関与角を制御した工具パスの適用を検討し次の結果を得た．

5.

実験結果と考察(1) ひし形ポケット加工について，工具寿命に大きな影響をポケット形状の加工による寿命試験について，各径のエン与える切削関与角に着目し，それを一定値以下に制御ドミル毎の加工個数の比較を Table 2 に示す．またφ0.2mmすることを含む 3 レベルの工具パスを作成した．

エンドミルの工具パスパターン(C)での底刃の変化を Fig.3 に(2) SKD-11(HRC60)材のポケット加工に，作成された３種類示す．の工具パスを適用した結果，切削関与角を一定値以下切削抵抗の測定結果によれば，切削関与角を一定値以となるようにした工具パスで寿命が最大となり，小径エン下に調整した工具パスパターン(C)を用いた場合は，切削抵ドミル加工での工具寿命の伸長に効果があることがわか抗値の一定化が常に十分に達成されていることがわかった．

った．

またいずれのケースでも工具寿命の進展とともに切削抵抗値が次第に増加することが確かめられた．なお実験に用いた小参考文献

径エンドミルの場合，いずれも最終的には工具折損が生じて(1) 垣野義昭，大塚裕俊，中川平三郎，廣垣俊樹，佐々加工不能となったためそれまでの加工個数をカウントした．

木将志：焼入鋼のエンドミル加工に関する研究(第１報)，
精密工学会誌，66，5(2000) 730．

また単位時間あたりの体積除去率がほぼ等しい条件下では，Table 2 で明らかなように，切削関与角の最大値を調整(2) 大塚裕俊，山路伊和夫，中川平三郎，垣野義昭：高した順すなわち工具パスパターン(B)(C)の順に加工数は増

硬度金型材のエンドミル加工に関する研究, 2004 年度加しており，エンドミルの工具寿命が延びている．よって切削精密工学会春季大会講演論文集，(2004)．

抵抗一定化のもとで最大切削関与角を制御することで作成

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