JP2008213097A

JP2008213097A - 鉄鋼材の切削加工方法及び切削加工条件設定方法

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Publication number: JP2008213097A
Application number: JP2007054988A
Authority: JP
Inventors: Koichi Akazawa; 浩一赤澤; Taku Osada; 卓長田
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2007-03-06
Filing date: 2007-03-06
Publication date: 2008-09-18
Anticipated expiration: 2027-03-06
Also published as: JP4964621B2

Abstract

【課題】種々の鉄鋼材に対して汎用的に工具寿命を延長できるようにする。
【解決手段】ビッカース硬度（Ｈｖ）が１７０以下の鉄鋼材に対し、切削速度（Ｖ）が以下の関係式（１）
ｅｘｐ｛（０．１５２・Ｈｖ＋７３４）／（０．１９９・Ｈｖ＋１２３）｝≦Ｖ≦ｅｘｐ｛（０．１５２・Ｈｖ＋７９４）／（０．１９９・Ｈｖ＋１２３）｝・・・（１）
を満たす条件下で切削加工を行う。
【選択図】図４

Description

本発明は、鉄鋼材の切削加工方法及び切削加工条件設定方法に関するものである。

鋼材製品の多くは切削加工等の２次加工が行われることが多い。鉄鋼材の切削加工工程において生産効率、生産コスト及び製品品質に大きな影響を与える因子として、切削工具の寿命が挙げられる。工具寿命は、製品品質に影響を与える他、生産ラインの連続自動化を阻害する要因となるため、工具の長寿命化に対するニーズは高い。これまでに、工具の長寿命化を図るべく、例えば、添加成分の調整により工具表面に保護膜を生成する鋼材や、工具表面への硬質セラミクス等のコーティング技術が研究されている。一方、切削条件の選定により工具磨耗を低減させることが実際の加工ラインにおいて行われているが、その方法は、試行錯誤的なアプローチが取られることが多く、経験に頼っているのが現状である。なお、下記の非特許文献１には、切削温度により工具磨耗が変化することが示されている。
杉田忠彰他、基礎切削加工学、共立出版、ｐ１２６（図４．３６）

鉄鋼材には様々な合金元素が添加され、また熱処理が行われることにより、鋼材硬さも大きく変化するため、前述した工具表面へのコーティング技術では、種々の鉄鋼材に対して汎用的に工具寿命を延長することは困難である。また、試行錯誤的に切削条件を選定する方法では、各種鉄鋼材に対してそれぞれ切削条件を選定する必要があり、非常に手間がかかる。しかもこの方法でも、様々な鋼材に対して汎用的に工具寿命を延長することは困難である。

そこで、本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、種々の鉄鋼材に対して汎用的に工具寿命を延長できるようにすることにある。

前記の目的を達成するため、本発明者は、工具磨耗量に関して鋭意研究を重ねた結果、切削速度が一定であっても、鉄鋼材の硬度によっては硬度の低下に伴って工具磨耗量が増大することがあることを見出した。そこで、本発明者は、磨耗の支配的因子が硬度によって変化することがその原因であるとの推測に基づき、鉄鋼材硬度と切削速度と工具磨耗量との相関を得ることによって本発明を完成するに至った。

具体的に、本発明は、鉄鋼材を切削加工する方法であって、ビッカース硬度（Ｈｖ）が１７０以下の鉄鋼材に対し、切削速度（Ｖ）が以下の関係式（１）
ｅｘｐ｛（０．１５２・Ｈｖ＋７３４）／（０．１９９・Ｈｖ＋１２３）｝≦Ｖ≦ｅｘｐ｛（０．１５２・Ｈｖ＋７９４）／（０．１９９・Ｈｖ＋１２３）｝・・・（１）
を満たす条件下で切削加工を行う鉄鋼材の切削加工方法である。

本発明では、鋼材硬度、切削速度及び工具磨耗量の相関を調査した結果に基づいて規定された関係式（１）を満足するように切削速度（Ｖ）を調整して切削加工を行うため、ビッカース硬度（Ｈｖ）が１７０以下の種々の鉄鋼材に対して、汎用的に工具寿命を延長することができる。なお、ここでいう切削加工には、旋削、中ぐり、フライス削り、みぞ削り、ブローチ削り等が含まれる。

前記切削加工方法において、ビッカース硬度（Ｈｖ）が１００以上の鉄鋼材の切削加工を行うようにしてもよい。

そして、切削工具の刃先温度が６４０℃から７００℃の範囲となる条件化で切削加工を行うのが好ましい。

前記鉄鋼材は、純鉄又は機械構造用炭素鋼鋼材であるのが好ましい。

本発明は、鉄鋼材を切削加工するときの条件を設定する方法であって、ビッカース硬度（Ｈｖ）が１７０以下の鉄鋼材の切削加工に適用され、切削速度（Ｖ）を、以下の関係式（１）
ｅｘｐ｛（０．１５２・Ｈｖ＋７３４）／（０．１９９・Ｈｖ＋１２３）｝≦Ｖ≦ｅｘｐ｛（０．１５２・Ｈｖ＋７９４）／（０．１９９・Ｈｖ＋１２３）｝・・・（１）
を満たすように設定する鉄鋼材の切削加工条件設定方法である。

本発明では、鋼材硬度、切削速度及び工具磨耗量の相関を調査した結果に基づいて規定された関係式（１）を満足するように切削速度（Ｖ）を調整するため、ビッカース硬度（Ｈｖ）が１７０以下の種々の鉄鋼材に対して、汎用的に工具寿命を延長できる条件下で鉄鋼材の切削加工を行うことが可能となる。

ここで、ビッカース硬度（Ｈｖ）が１００以上の鉄鋼材の切削加工に適用されるようにしてもよい。

そして、切削工具の刃先温度が６４０℃から７００℃の範囲となるように切削速度を設定するのが好ましい。

以上説明したように、本発明によれば、ビッカース硬度（Ｈｖ）が１７０以下の種々の鉄鋼材に対して、汎用的に工具寿命を延長することができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。

まず、鉄鋼材の最適な切削加工条件を導出する前段階として、様々な硬さの鉄鋼材を用意して実際に切削試験を行い、各鉄鋼材に対する工具の磨耗量の調査を行った。この切削試験では、鉄鋼材として、純鉄及び機械構造用炭素鋼鋼材を用いた。ここで用いた炭素鋼鋼材は、Ｓ１０Ｃ、Ｓ１５Ｃ、Ｓ２０Ｃ、Ｓ３０Ｃ、Ｓ４０Ｃ及びＳ４５Ｃ（何れもＪＩＳＧ４０５１に規定）である。鉄鋼材の硬度は、ビッカース硬度計を使用して測定し、測定時の荷重は１０ｋｇｆとした。切削試験は、外周旋削加工とし、このときの切削条件を表１に示す。

表１中、「乾式」とは、切削油を用いずに加工を行う切削方式を意味し、「Ｐ１０」は、工具材種を超硬合金のＩＳＯ分類による呼び名で表記したものであり、Ｐ１０種を意味している。なお、ＩＳＯ分類では、バインダ成分やＷＣの粒径によってＰ種、Ｍ種、Ｋ種に分類されており、Ｐ種は、例えばＰ１０種、Ｐ２０種等に分類されている。「ＳＮＭＧ１２０４０５」は、工具形状をスローアウェイインサートのＩＳＯ分類による呼び名で表記したものである。この表記中、Ｓは四角形、Ｎはチップの逃げ角がゼロ、Ｍは表面精度がＭ級、Ｇは溝穴付き、１２は切刃長が１２ｍｍであることを示している。

切削試験で外周旋削加工を行った工具の磨耗量を評価したので、その結果を図１に示す。この工具磨耗量は、切削距離２０００ｍにおける工具の逃げ面の磨耗幅を光学顕微鏡を用いて測定することによって行ったものである。

図１に示すように、鉄鋼材の硬度（Ｈｖ）が１７０以上の場合には、鉄鋼材が硬くなるほど工具磨耗量が増大している。この傾向は一般的な傾向である。一方、鉄鋼材の硬度（Ｈｖ）が１１０以下の場合には、鉄鋼材の硬さの低減に伴って工具磨耗量が低下している。また、硬度（Ｈｖ）が１１０〜１７０の間では、鉄鋼材の硬度によらず工具磨耗量がほぼ一定となっている。この切削試験により、鉄鋼材の硬度（Ｈｖ）によって磨耗量の傾向が異なることが分かった。

硬度（Ｈｖ）による磨耗量の傾向の違いは、磨耗の支配的因子が異なることに起因していると推測される。すなわち、硬度（Ｈｖ）が１７０以上の場合には、機械的な引っかき磨耗であるアブレシブ磨耗となることで、硬度（Ｈｖ）の増大とともに磨耗量が増大する傾向にあると考えられる。一方、硬度（Ｈｖ）が１１０以下の場合には、硬度（Ｈｖ）が低いほど磨耗量が大きくなっていることから、切削された鉄鋼材が工具へ凝着することが引き金となる凝着磨耗となっていると推測される。つまり、硬度が低い場合には、被削材の凝着し易さと工具磨耗量との間に強い相関があると考えられ、切削中の刃先の温度と工具磨耗量との間に強い相関があると推測される。

そこで、鉄鋼材の硬度（Ｈｖ）と切削中の刃先温度との関係を求めるため、有限要素法による切削シミュレーションを行った。なお、このシミュレーションには、伊藤忠テクノソリューションズ製切削シミュレーションソフト「advantedge」を使用した。シミュレーションでは、表１に示す切削条件と同様の条件とし、硬度（Ｈｖ）を６０、８０、１００、１２０、１４０、１６０として６水準での解析を行った。

解析結果を図２に示す。同図に示すように、鉄鋼材の硬度（Ｈｖ）と刃先温度（Ｔ）とは以下の関係式（ａ）
Ｔ＝０．８９９Ｈｖ＋５５６．１・・・（ａ）
を満たす相関関係となっており、硬度（Ｈｖ）の低下とともに刃先温度（Ｔ）は低くなる。そして、硬度（Ｈｖ）が１６０のときの刃先温度（Ｔ）が７００℃であるのに対し、硬度（Ｈｖ）が６０のときには刃先温度（Ｔ）が６００℃まで低下している。一方、硬度（Ｈｖ）が１００〜１６０の範囲であれば工具磨耗量が小さくなるため、刃先温度（Ｔ）が約６４０〜７００℃の条件下で切削を行えば、工具磨耗量が小さくなると言える。

刃先温度（Ｔ）は切削速度（Ｖ）の影響を受け易いので、切削速度（Ｖ）を調整することにより刃先温度（Ｔ）の調整を行うことが可能と考えられる。そこで、各硬さの鉄鋼材に対して切削速度（Ｖ）を変化させた切削シミュレーションを行った。このシミュレーションでは、切削速度（Ｖ）を５０、１００、１５０、２００、２５０ｍ／分として５水準での解析を行った。

図３はその解析結果を示している。この図は、各鉄鋼材に対するデータを平均化したものであり、縦軸の値は切削速度（Ｖ）が２００ｍ／分のときの刃先温度の値を基準として各切削速度における刃先温度を相対値とした刃先温度比（Ｔｒ）である。刃先温度比（Ｔｒ）と切削速度（Ｖ）とは以下の関係式（ｂ）
Ｔｒ＝０．２２１Ｌｎ（Ｖ）−０．１６９５・・・（ｂ）
を満たす相関関係となっており、この解析結果より、刃先温度比（Ｔｒ）は切削速度（Ｖ）の増加とともに上昇し、その関係は対数で表されることが分かった。この２００ｍ／分のときの刃先温度に対する相対値を示す刃先温度比（Ｔｒ）と切削速度（Ｖ）との相関を表す関係式（ｂ）と、各鋼材硬度（Ｈｖ）に対する刃先温度（Ｔ）の相関を表す関係式（ａ）とにより、工具磨耗量が小さくなる切削速度（Ｖ）の範囲を求めることができる。すなわち、各鋼材硬度（Ｈｖ）に対するそれぞれの刃先温度（Ｔ）が６４０〜７００℃の範囲になるように切削速度（Ｖ）を規定すればいいので、次式のようになる。

前記関係式（１）は、ある硬度（Ｈｖ）の鉄鋼材に対する切削速度（Ｖ）の上限値と下限値を規定するものであり、切削速度（Ｖ）の上限値及び下限値を図４に示す。同図に示すように、鉄鋼材の硬度（Ｈｖ）が小さいときほど、切削速度を大きくする一方、硬度（Ｈｖ）が大きいときには切削速度（Ｖ）を小さくすればいいことが分かる。

切削速度（Ｖ）が前記上限値及び下限値の範囲内にあれば工具磨耗が低減されるため、関係式（１）は鉄鋼材の最適な切削加工条件を汎用的に設定するための相関式となる。したがって、関係式（１）を満足するように切削速度（Ｖ）を調整すれば、ビッカース硬度（Ｈｖ）が１７０以下の種々の鉄鋼材に対して、汎用的に工具寿命を延長できる条件下で鉄鋼材の切削加工を行うことが可能となる。このため、例えば切削加工機の制御部に、被削材の硬度（Ｈｖ）に対する切削速度（Ｖ）の範囲を制限するようなプログラムを組み込んでおけば、工具寿命を延長できる切削条件を自動的に設定できるようになる。

なお、送り速度よりも切削速度（Ｖ）の方が、刃先温度に対する寄与が大きいことを確かめているので、その点について言及しておく。この解析では、前記同様のシミュレーションソフトを用い、切削速度（Ｖ）を前記同様、５水準とする一方、送り速度を０．２５ｍｍ／分、０．ｌ０ｍｍ／分の２水準とした場合の刃先温度の変化を解析した。この結果を図５に示す。同図の縦軸は、切削速度（Ｖ）が２００ｍ／分のときの刃先温度を基準とした刃先温度比（Ｔｒ）であり、刃先温度比（Ｔｒ）は切削速度（Ｖ）の変化によって値が異なる一方、送り速度の変化に対してはそれほど値が変化しないことがわかる。

次に、前記関係式（１）を満たした切削加工方法による効果を検証するために実際に行った切削試験について説明する。この切削試験は、硬度（Ｈｖ）と切削速度（Ｖ）との組合せを変えた種々の切削条件で鉄鋼材の切削を行ったものである。実施例として、硬度（Ｈｖ）が６８、１００、１１７、１４４の４種類、比較例として硬度（Ｈｖ）が６８、１００、１４４、２４５の４種類とした。それぞれの切削速度（Ｖ）は表２に示すとおりであり、図４に実施例及び比較例をプロットしている。試験結果を表２に示す。

表２から明らかなように、実施例では工具磨耗量が何れも１００μｍ未満と低減されているのに対し、比較例では工具磨耗量が１００μｍを超えている。この試験結果から、関係式（１）を満たすように鉄鋼材の硬度（Ｈｖ）に対して切削速度（Ｖ）を設定することにより、工具磨耗量を低減でき、工具の寿命を延長することができる。また、鉄鋼材の硬度（Ｈｖ）を熱処理や塑性加工等により調整して、前記の関係式（１）を満足するようにすれば、刃先温度を６４０〜７００℃に調整できるため、鋼材硬度を調整することによって工具寿命を延長することができる。

以上説明したように、関係式（１）を満足するように切削速度（Ｖ）を設定することにより、硬度（Ｈｖ）が１７０以下の種々の鉄鋼材に対して、汎用的に工具寿命を延長することができる。

鉄鋼材の硬度と工具の磨耗量との相関を示す特性図である。鉄鋼材の硬度と刃先温度との相関を示す特性図である。切削速度と刃先温度比との相関を示す特性図である。鉄鋼材の硬度に対する切削速度の上限値及び下限値を示す特性図である。刃先温度比に対する切削速度及び送り速度の影響を説明するための特性図である。

Claims

鉄鋼材を切削加工する方法であって、
ビッカース硬度（Ｈｖ）が１７０以下の鉄鋼材に対し、切削速度（Ｖ）が以下の関係式（１）
ｅｘｐ｛（０．１５２・Ｈｖ＋７３４）／（０．１９９・Ｈｖ＋１２３）｝≦Ｖ≦ｅｘｐ｛（０．１５２・Ｈｖ＋７９４）／（０．１９９・Ｈｖ＋１２３）｝・・・（１）
を満たす条件下で切削加工を行う鉄鋼材の切削加工方法。
ビッカース硬度（Ｈｖ）が１００以上の鉄鋼材の切削加工を行う請求項１に記載の鉄鋼材の切削加工方法。
切削工具の刃先温度が６４０℃から７００℃の範囲となる条件化で切削加工を行う請求項１又は２に記載の鉄鋼材の切削加工方法。
前記鉄鋼材は、純鉄又は機械構造用炭素鋼鋼材である請求項１から３の何れか1項に記載の鉄鋼材の切削加工方法。
鉄鋼材を切削加工するときの条件を設定する方法であって、
ビッカース硬度（Ｈｖ）が１７０以下の鉄鋼材の切削加工に適用され、
切削速度（Ｖ）を、以下の関係式（１）
ｅｘｐ｛（０．１５２・Ｈｖ＋７３４）／（０．１９９・Ｈｖ＋１２３）｝≦Ｖ≦ｅｘｐ｛（０．１５２・Ｈｖ＋７９４）／（０．１９９・Ｈｖ＋１２３）｝・・・（１）
を満たすように設定する鉄鋼材の切削加工条件設定方法。
ビッカース硬度（Ｈｖ）が１００以上の鉄鋼材の切削加工に適用される請求項５又は６に記載の鉄鋼材の切削加工条件設定方法。
切削工具の刃先温度が６４０℃から７００℃の範囲となるように切削速度を設定する請求項５又は６に記載の鉄鋼材の切削加工条件設定方法。
前記鉄鋼材は、純鉄又は機械構造用炭素鋼鋼材である請求項５から７の何れか1項に記載の鉄鋼材の切削加工条件設定方法。