切削・研削・特殊加工・表面処理・ 数値制御工作機械1 生産工学基礎 - 3 -...
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２次元切削モデル
切削抵抗：R （切削力F）工具すくい角：γ工具逃げ角：αせん断角：φ摩擦角：θ切り取り厚さ：h切屑厚さ：hc切削速度：V切削幅：b（紙面に垂直）
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切削工具用語（基本）JIS B-0170 (1993)切屑の４種類（機械工学便覧では３種類に分類）
流れ型切屑 せん断型切屑
むしり型切屑 亀裂型切屑
精密工学会HP 精密工学基礎講座から図表引用
切屑 chip
流れ形：flow type せん断形：share type, sew tooth type連続的にせん断破壊。 断続的にせん断破壊。
むしり形：tear type 亀裂形：crack type材料の延性が大きく、すくい面との 瞬間的に脆性破壊。摩擦が非常に大きい。
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構成刃先: Built-up edge
γγ’
γ ≤ γ’
せん断角 （2次元切削モデルの項で説明）切削速度の増加とともにせん断角が増加し，切削抵抗が下がる。
構成刃先の良い面・悪い面構成刃先の生成により見かけ上のすくい角が大きくなり，切削抵
抗が小さくなる。刃先も保護される。しかし加工精度が悪化し、被削面にむしれ形状が発生して仕上げ面性状が著しく悪化する。
機械加工学(鳴瀧，中島著，コロナ社)より転載
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切削工具• ドリル drill
•バイト turning tool
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切削工具刃部角度の呼び記号
角度の単位は [ ̊ ]、半径の単位は[mm]
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刃先交換チップの呼び記号の付け方 旧超硬工具協会規格(JIS B4120では追加あり）
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平フライス工具による上向き切削と下向き切削（Up cut milling, Down cut milling/Climb milling )
正面フライス工具による平面削り
フライス盤のほかにも・旋盤 lathe・平削り盤 planing machine・形削り盤 shaping machineなどがある。
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切削温度
• 変形域内の要素で成立する基礎方程式
∂θ/∂t = K(∂2θ/∂x2 + ∂2θ/∂y2) - vx ∂θ/∂x – vy ∂θ/∂y + αω/Jρcθは温度、 vx vyは要素速度のｘ､ｙ成分、ωは塑性仕事率でω = 2 k γmax、αは塑性仕事のう
ち熱に転化する部分の割合、Kは熱拡散率、Jは熱の仕事当量、ρは密度、cは比熱。
・ 移動熱源、熱移流、熱伝導などの問題が関係するため数値解法で解くのが主流。
•
•
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工具材種• ダイヤモンド
• CBN(Cubic Boron Nitride)立方晶窒化ホウ素
• セラミックス：Al2O3系, Si3N4系の２系統が主流
• サーメット：TiC基(or TaC基)+ Mo-Ni結合材 炭化・炭窒化・窒化の焼結合金
• ステライト：Co基(or Cr基)+W+Fe+C 鋳造合金
• 超硬合金：WC基+Co結合材 焼結合金– 平均粒径が1µm以下のものを超微粒子超硬合金と呼ぶ
• 高速度工具鋼SKH: 0.7~0.9%C+Cr, Mo,W,V.Coなど
• 合金工具鋼SKS:0.75~1.5%C+Cr, W,V.Coなど
• 炭素工具鋼SK: 0.6~1.5%Cの高炭素鋼
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工具材料の硬さと靭性１）
１）三菱マテリアル株式会社Home Pageから引用Copyright © 2003 MITSUBISHI MATERIALS CORPORATION ALL RIGHTS RESERVED
旋削加工 Ｔｕｒｎｉｎｇ
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理論的加工面粗さ H ≈ f2/8r
Fp: 主分力 principal forceFf: 送り分力 feed forceFt: 背分力 thrust forceR: 合成切削抵抗 resultant cutting resistance
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せん断角φ, すくい角γ, 摩擦角θ rc = h / hc ：切削比 cutting ratio tan φ = rc cos γ / ( 1 – rc sinγ)
h
A
B C
C’
D
D’せん断歪み γsγs = CC’ / BE
= (CE – C’E) / BE= CE/BE - C’E/BE= tan(π/2 – φ) –tan(γ – φ)= cot φ + tan (φ – γ)= cos γ / sin φ cos(φ – γ)
鋼切削で２～５。材料試験値より非常に大きい。
-φφ
B C
C’E
/2 -
せん断歪速度 γsγs = Vs / BE = {γs V sin φ}/ BEせん断歪速度 103 ~ 104 程度で材料試験値より非常に大きい。
-φφ
B C
C’E
/2 -Vs
V
切削理論• 最大せん断応力説
– せん断面およびせん断方方向は合成切削力方向と45ºの角度をなすと仮定(Krystof, 1939)
• 最小エネルギー説
– 切削エネルギーを最小にする方向にせん断が生じると仮定(Merchant, 1945)
φ = π/4 – (β – α) = π/4 – (θ – γ) ・・・JIS用語準拠
せん断角理論（せん断角を求める理論。せん断角から切削抵抗やせん断歪も決定できる。）
直線すべり線場モデル(Lee & Shaffer, 1951)剛塑性境界AO、主応力面AB、工具すくい面BOで囲まれる三角
形領域を塑性域と仮定。最大せん断応力方向（すべり線）は互いに直交する２方向がある。塑性域内はすべり線場となっている。
三角形すべり線場とモールの応力円の対応関係を参照
φ=η+α と 2β+2η =π/2 の関係から φ = π/4 - β + α
15杉田忠彰・上田完次・稲村豊四郎、基礎切削加工学、共立出版から作図。
A
B
C
Oφ
α
η
chip
cutter
2η
2β β σ
τ
σs
σr
τr
τs
BOBC
AB
AO
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F = ( τs b h / sin φ ) /cos ωせん断破壊仕事率Us は
Us = V F cos (θ - γ) = V τs b h cos (θ - γ) / sin φ cos ω= V τs b h cos (θ - γ) / sin φ cos (φ + θ – γ )
∂Us/ ∂ φ = 0 φ = π/4 − (θ − γ)/2
せん断破壊の最小エネルギー説（Merchant’s equation)
（せん断仕事による）切削エネルギーが最小となる方向にせん断が生じ、破壊すると仮説。
第１の解：∂Us/ ∂ φ = 0 φ = π/4 − (θ − γ)/2第２の解： τs = τ0/ {1 – k tan(φ+θ-γ)} とみなして
∂Us/ ∂ φ = 0 φ = (Cot-1 k)/2 − (θ − γ)/2
工具損傷と工具寿命
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工具寿命の判定基準は、工具逃げ面摩耗幅VBを利用することが多い。
VBがわかれば、刃先後退量KSは算出できる。
VB
KS
γ
α
（旧版 機械工学便覧 応用編 B2-pp.125,図299)
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Taylorの工具寿命方程式Taylor’s Tool Life Equation(Frederick Winslow Taylor, 1856-1915)
• V Tn = Const.• V Tn fα dβ = Const. （拡張版）
– Ｖ：切削速度(m/min)、Ｔ：工具寿命(min)、ｆ：送り、ｄ：切り込み
• 数値例：– 鉄鋼材料の旋削
セラミック工具 n=1~0.5, 超硬工具0.8~0.3, 高速度工具鋼0.3~0.1程度
α < 1, β very small
Log T
Log V
Log C1
Log C2
Log ∆T1Log ∆T2
∆C
Log V = -nLogT + Log C1 VTn = C1
旋削加工の実験結果を工具寿命ー切削速度の両対数グラフにプロットする。そのデータの近似曲線から VTn=C が導かれる
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工具寿命 例題１Q1. Taylor工具寿命方程式が適用可能とする。
切削速度150m/minで工具寿命40min、200m/minで20minの工具がある。切削速度300m/minでは工具寿命は何分か？
A1. Taylor工具寿命方程式より、VTn=Const. が成立する。V1T1
n=V2T2n より 150×40n = 200×20n
150× (2×20)n = 200×20n
2n =200/150 よって n = log2(4/3)=0.415037300m/minでは 300Tn = 150×40n が成立すると考える。
Tn = (1/2) ×40n
T = {(1/2) ×40n}1/n
= (1/2)1/n×40= (1/2)2.409421×40= 0.188231×40= 7.529256 Ans. 約7.53分
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工具寿命 例題２
Ｑ３：新しい工具を切削速度V1で使用
するときの工具寿命がT1Limit、V2
ではT2Limitとする。今、V1の切削速
度で時間T11（ただしT11 < T1Limit）
だけ使用した工具を、V2の切削速
度で使用すると、残り時間⊿T2は
いくらか？
Ａ３：使用可能なＣの部分は図よりC1からCLimitまでである。
V1T1Limitn = V2T2Limit
n, V1T11n = V2T21
n より T2Limit=(V1/V2)1/nT1Limit, T21=(V1/V2)1/nT11 となる。さらに(V1/V2)1/n= (T2Limit/T1Limit)よって
⊿T2 = T2Limit – T21 = (V1/V2)1/n(T1Limit – T11)= (T2Limit/T1Limit) (T1Limit – T11)
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経済切削速度
• 加工コスト
Cp = K1{t1 + t2 + (t3/T)t1}+(t1/T)K2K1:単位時間当たりコスト、K2：切れ刃当たりコスト
ｔ１：切削時間、ｔ２：工作物交換時間、ｔ３：工具交換時間
(拡張版)テイラーの工具寿命方程式の成立が前提。
V Tn fα dβ = Const.ある容積を切削すると考えると、ｔ１はVに反比例し、
Vの関数となることに留意。コスト最小の切削速度は
ｄＣｐ／ｄＶ＝０を解いて求める。
• Ve = C f-α d-β / (1/n – 1)n (t3+K2/K1)n
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切削油剤(旧機械工学便覧B2-p.126)
• 不水溶性油剤– 脂肪油～動物油・植物油～油膜強度大・潤滑性大・冷却性小
– 鉱物油～マシン油等～潤滑性良・冷却性良・洗浄作用良
– 混合油～鉱物油＋脂肪油
• 水溶性油剤– エマルジョン～鉱油・脂肪油＋界面活性剤、水で白濁～切削10~30倍、研削
20~50倍に希釈、冷却性大、潤滑性やや良、防錆劣、W1種– ソリュブル～界面活性剤主＋鉱油等～50~100倍希釈、冷却性大、潤滑性不
良、洗浄作用良、W2種– ソリューション～防錆剤（無機塩類＋有機アルカリ）～冷却性最大、防錆力良、
潤滑性なし、W3種• 極圧油剤
– 硫化油～鉱物油・脂肪油＋硫化物・塩化硫黄～極圧膜により潤滑性最大
– 塩化油～脂肪油・パラフィン＋塩化物～極圧膜により潤滑性最大
– その他（固体潤滑）～黒鉛、硫化モリブデンなど
主機能： 潤滑作用（切削抵抗減少、工具寿命延長、仕上げ面品位向上）冷却作用（工具寿命延長、加工精度向上）抗溶着作用（仕上げ面粗さ向上、切削抵抗減少）切屑排出作用（作業性向上）
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2.5 研削 Grinding• 固定砥粒加工と遊離砥粒加工
• 切削加工との違い
– 多点切削、微小切り込み、高速研削速度、
– 砥石切れ刃の自生作用
• 研削過程：
– 弾性接触期：この段階では弾性変形のみ
– 掘り起こし期：砥粒の両側に被削材が隆起
– 切削期：被削材が切屑として削り取られている
• 砥石の３要素（砥粒、結合剤、気孔） ５因子（砥粒材質・粒度・結合度・組織・結合材質）
砥石損耗
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目づまり(loading)：切れ刃の摩耗による切れ味の低下で、気孔に切り屑が溜まった状態の損耗。目直し(dressing)を行うことで切れ味は回復する。
目つぶれ(glazing)：砥粒切れ刃が平らにすり減る摩滅（attritional wear)で、特に切りくずが付着した状態の損耗。目直し(dressing)を行うことで切れ味は回復する。
目こぼれ（shedding, breaking)：結合剤橋の破壊または砥粒が原粒のまま脱落する損耗。砥石結合度が不当に低い場合に起きる。
砥石の幾何学的な摩耗は 形直し(ツルーイング、truing)により修正する。
目直しと形直しは、その目的は異なるが、ドレッサを用いて行う作業の内容は同じである。
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砥粒 Abrasive grain • ダイヤモンド 合成ダイヤが主 600度以上で結合剤が酸化し劣化
• cBN 立方晶窒化ホウ素 Cubic Boron Nitride– 窒化ホウ素の閃亜鉛鉱型同素体 1300度まで安定
– 水・アルカリと反応 鋼系研削に適す
• Al2O3 酸化アルミニウム 商標名:アランダム Alundum– ボーキサイトを電気炉で溶融
– Ａ砥粒，ＷＡ砥粒: WAはwhite Alundum• SiC 炭化珪素 カーボランダム Carborundum
– Ｃ砥粒，ＧＣ砥粒: Green Carborundum• ジルコニア（二酸化ジルコニウム、ZrO2) 融点2600℃、カルシュウム
イオンなどを置換・固溶させた安定化ジルコニウムはジルコニアに比べ高強度、高靭性。1993年に開発されたジルコニア複合材は高い抗折強度（3GPa, ジルコニアで1.5GPa, アルミナで0.6GPa)
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結合剤 Bond• ビトリファイド質 V
– 長石 陶石 耐火粘土と媒溶剤で砥粒を混合・成形・乾燥・焼結
1300度で数日間焼結
• レジノイド質 B– 熱硬化性樹脂 弾性あり 乾式研削向き
• ラバー質 R• マグネシア質 Mg
– マグネシアセメントで結合
• シリケート質 S– 水ガラスで結合 発熱不可向き 薄物
• シェラック質 E– 熱硬化性のシェラック樹脂（動物性天然樹脂） 薄刃 切断用
• メタル質 M– 銅 黄銅 ニッケル 鉄粉末等をアルミ外筒などに薄くコーティング
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砥石表示法
• 形状 縁形 寸法 砥粒 粒度 結合度 組織補助記号 使用最高周速度– 寸法：外形×厚さ×穴径
– 砥粒：Ａ ＷＡ Ｃ ＧＣ Ｈ など
– 粒度：基本は1inch当りの篩目の数で規定
– 結合度：Ａ（極軟）～Ｚ（極硬）
– 組織S： 密 0 ~ 25 粗 、砥粒率Vg = 62 – 2S– 使用最高周速度： m/min
– 砥粒率は砥石容積中における砥粒容積の百分率であり、砥粒率から組織を換算して算出している。
JIS R6004:2010研削材および研磨材、といし並びに研磨布紙 用語及び記号
JIS R4242:2015 結合研削材といし 一般的要求事項
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外面研削 模式図
工作物
砥石a = 平均砥粒切れ刃間隔 mmV = 砥石周速 m/minv = 工作物周速 m/minR = 砥石半径r = 工作物半径
EF = g =2(av /V) √ t (1/D + 1/d) ：砥粒切り込み深さ
切屑HECFHの最大厚みEFは、設定切り込み t とは異なる
∠FCE = ∠DCO1 = α + β に留意。円弧EC,CFを直線とみなすと、△ECFは∠ＥＦＣが直角の直角三角形CE = v×(a/V) = av/V であり、EF=CE × sin (α+β)sin (α+β) は △O1CO2 から導出。例えば余弦定理を利用。
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スパークアウト
プランジ研削において、砥石切込み量を一定に保ったまま研削を続ける加工方法。研削システムの弾性変形量を除去するために行われる。
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ホーニング・超仕上げ・ラッピング・ポリッシング
• Honing 機械工学便覧 β3-170ページ– 砥石の回転運動と（上下または水平）揺動運動
– 円筒研削では交叉条痕クロスハッチが特徴
– 砥石圧力 0.5～3MPa以下 研削速度 ~30 m/minまで
• Super Finishing（超仕上げ） β3-170– 砥石の振動運動(200～3000min-1, 振幅1～4mm程度)が特徴
– 円筒研削では正弦波状条痕が特徴
– 砥石圧力 0.05～0.3MPa以下 研削速度 5~30 m/min• Lapping β3-172
– 軟質金属でできた工具Lapを使用。湿式と乾式。
• Polishing β3-172 鏡面加工法として重要。
ホーニング加工
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超仕上加工
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ELID研削 Electrolytic In-process Dressing Grinding
• （原義的には鋳鉄ボンド）電解インプロセスドレッシング研削
• 理化学研究所 大森 整・中川威雄
• 加工しながら砥石をドレッシング（目立て）するので、常に砥石の切れ味が鋭く、超精密研削が可能。
• 世界的に高い評価で、導入している企業 多数。
• 砥石材種、加工物材種、ドレッシング条件などの組合せに志向性が強く、最適な組合せでないと、期待ほどの高精度仕上げは難しいとの指摘あり。
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2.6 特殊加工・表面処理
• 放電加工 Electrical Discharge Machining, EDM– 形彫り放電加工 Die-Sinking EDM– ワイヤ放電加工 Wire-EDM
• 電解加工 Electrochemical Machining, ECM• 電子ビーム加工 Electron Beam Machining• イオンビーム加工 Ion Beam Machining• レーザビーム加工 Laser Beam Machining• プラズマ加工 Plasma Machining• …（機械工学便覧を参照のこと）
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放電加工
図２ 単発放電現象（出典１）
図１ 形彫り放電加工の原理図（放電点は1か所のみ）（出典１）
出典1：国枝正典：放電加工の基礎と将来展望 - I 基礎 - , 精密工学会誌、Vol.71, No. 1, (2005-1), pp. 58 -62.
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図３ コンデンサ放電回路（出典１）
図４ トランジスタ放電回路（出典１）
出典1：国枝正典：放電加工の基礎と将来展望 - I 基礎 - , 精密工学会誌、Vol.71, No. 1, (2005-1), pp. 58 -62.
出典2：国枝正典：放電加工の基礎と将来展望 - II 将来展望 - , 精密工学会誌、Vol.71, No. 2, (2005-2), pp. 189 - 194.
図５ 主要な加工特性とそれらを満たすための放電電流波形（出典２）
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放電加工 Electrical Discharge Machining
• 絶縁媒質中での（絶縁破壊による）アーク放電に基づく溶融加工
– 灯油系加工液・不燃性加工液～形彫り放電加工
– 純水～ワイヤ放電加工
– 気体（不活性ガス、空気）～実験段階
– 絶縁破壊・通電・アーク放電・溶融蒸発・絶縁回復
• 高硬度材の加工に適する
• パルス電流周期：10-7~10-3 sec• パワー密度：10~104 W/m2, • パルスエネルギ：10-3~10 J/Pulse
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放電加工
• 電極（工具電極あるいは加工電極と呼ばれる）
– 高硬度、高融点、高熱伝導材質が望ましい
• 銅、グラファイトが標準的。AgW, CuWなどの焼結合金。
– 形彫り放電加工では加工部形状の反転形状を基準とし、（加工間隙＋加工面粗さ＋２＊仕上げ代）を差し引いた形状にする。陽極接続が多い。
– ワイヤ放電加工ではΦ0.02~0.35mm直径の金属線。陰極接続が多い。
• 加工液（絶縁材料）
– 灯油系加工液：灯油（Kerosene）は洗浄能力が高い。酸化による錆び防止
– 不燃性加工液：灯油系加工液の火災事故から誕生
– 純水：ワイヤ放電加工
• 加工条件– 導体粉末の混入により加工速度（g/sec)の向上報告あり
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電解加工：電解作用を利用した陽極金属の溶解加工
• 電極工具：陰極、被加工物：陽極
– 低電気抵抗、高強度、耐食性 材料
– 加工しやすい材質（純銅など）
• 加工液：電解液～導電性
– 硝酸ナトリウム水溶液 NaNO3、
– 塩化ナトリウム水溶液 NaCl• 長所・短所：
– 電極消耗が無い
– 熱溶融では無いので熱変形・加工変質層が無い
– 加工速度が放電加工に比べ大きい
– 加工精度は放電加工に比べ劣り、腐食性のある電解液を扱う
– 大電流電源や電解液の循環装置が必要
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電解加工
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イオン化傾向:金属が水又は水溶液中で電子ｅ-を放出して陽イオンになろうとする性質。
標準単極電位-3.04 -2.93 -2.76 -2.71 -1.55 -1.662 -1.185 -0.762 -0.744 -0.447 -0.403 -0.28 -0.257-0.138 -0.1262 0 0.342 0.851 0.800 1.118 1.498
Li>K>Ca>Na>Mg>Al>Mn>Zn>Cr>Fe>Cd> Co>Ni>Sn>Pb>H>Cu>Hg>Ag>Pt>Au「貸(K)そうか(Ca)な(Na)、ま(Mg)あ(Al)当(Zn)て(Fe)に(Ni)すん(Sn)な(Pb)ひ(H)ど(Cu)す(Hg)ぎ(Ag)る借(Pt)金(Au)」
イオン化傾向が大きいとは：陽イオンになりやすい→電子を放出しやすい→酸化されやすい
イオン化傾向の大きい金属単体を、イオン化傾向の小さい金属イオンを含む水溶液に浸漬すると、イオン化傾向の大きい金属が酸化されて溶解し、イオン化傾向の小さい金属が還元されて析出する。
酸化：電子を奪われる変化またはそれに伴う反応。本来はある純物質が酸素と結合する場合。
アノード（陽極）面では金属の溶解、酸素の発生などの酸化反応（陽極酸化）が、カソード（陰極）面では金属の析出、水素の発生などの還元反応（陰極還元）が進む。
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表面処理技術（表面被覆、表面改質）
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表面処理
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めっき：電気めっき:めっきしようとする金属イオンを含む電解質溶液に2本の電極を浸し、
直流を通電させ、陰極（cathode)に金属を被覆する方法。無電解めっき(electroless plating): 化学めっきとも呼ばれ、外部から電流を流すこと
なく、溶液中の金属イオンを還元剤により化学的に還元して、素材表面にめっき皮膜を作らせる方法。主にニッケル・コバルト・銅・銀などのめっきに適用され、非金属のプラスチックなどにも適用できる・ピンホールが少なく厚さ制御ができるなどの特徴がある。
溶融めっき(hot dipping)： 溶融金属中に処理しようとする素材を浸漬し、引き上げて表面に付着した溶融金属を凝固させ被膜層を形成する方法。溶融亜鉛めっき薄板鋼板はトタン、溶融スズめっき薄板鋼板はブリキと呼ばれる。
陽極酸化(anodizing)：金属表面に耐食性・耐摩耗性・装飾性を与えるために酸化膜を生成させる電解処理
のこと。主にアルミニウムを対象とした処理方法で、電解溶液中で被処理物を陽極にして通電することにより陽極表面に酸化皮膜層（Al2O3)を生成させもので、通称アルマ
イト処理と呼ばれる。電解液は一般には硫酸が使用されるが、クロム酸系やシュウ酸系が使用される場合もある。皮膜にはナノメートルレベルの微細な孔があいているので、処理後、沸騰水や加圧水蒸気、化学薬品などにより封孔処理が行われる。微細孔は染料などを吸着しやすいので多彩な色調に染色可能である。
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化成処理 Conversion treatmentクロム系化成皮膜 Chromium conversion treatment
六価クロム系化成皮膜 （クロメート処理）
クロム酸または重クロム酸塩を主成分とする溶液中に被処理物を浸漬しその表面に防食皮膜を生成させる方法。耐食性向上や塗装下地処理を目的として行われる。金属は亜鉛、アルミニウム、マグネシウムおよびその合金などで、銅、銀などに処理すると変色防止効果がある。
三価クロム系化成皮膜
安全とされる三価クロムを主成分として、六価クロム系化成皮膜生成の代替策として開発された。耐食性など六価クロム系と比較してもそん色無いとされる。
リン酸塩処理 Phosphate treatmentリン酸塩を含む水溶液を用いて化学的に皮膜を形成する方法で、浸漬あるいはスプレー、刷毛塗りなどの方法がある。おもに鉄鋼材や亜鉛めっき鋼鈑を対象とした塗装の下処理方法で、素地金属と塗膜との密着性向上を目的として行われる。
3 工作機械・数値制御工作機械
NC（Numerical Control): 数値制御1nmを駆動命令単位とする超精密工作機械の例FANUC Robonano α-oib: http://www.fanuc.co.jp/ja/product/robonano/index.htmJTEKT AHNO5: http://www.jtekt.co.jp/products/cut_pages/ahn05.htmlSodick Ultra NANO 100:http://www.sodick.co.jp/product/nano/index.html
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数値制御プロセス
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NCコードで用いられるアドレスとその意味
CAMの内容（２部構成： Main processor; Post processor）を表している。
（便覧β7 生産システム工学編より引用）
（便覧β7 生産システム工学編より引用）
