JP2023056878A - アルミ材の切削方法、切削条件の決定方法及びアルミ材切削用工具 - Google Patents

Abstract

【課題】切屑を細かくすることで切屑処理が容易になり、生産性や自動化率の向上を図ることができるアルミ材の切削方法、切削条件の決定方法及びアルミ材切削用工具を提供する。【解決手段】すくい面１２ａを有する工具１０を用いたアルミ材の切削方法であって、すくい面１２ａの垂直すくい角をα、切削速度をＶｃとしたとき、α≧－４０°、好ましくはα≧－１５°とされ、Ｖｃ≧２６２０ｅ＾０．１６αとされている。また、好ましくはＶｃ≧４９６０ｅ＾０．１６αとされている。また、更に好ましくはＶｃ≧７４４０ｅ＾０．１６αとされている。【選択図】図２

Description

本開示は、アルミ材の切削方法、切削条件の決定方法及びアルミ材切削用工具に関する。

従来から、アルミ材の切削においては、（１）切刃のすくい角が大きい工具を選ぶ、（２）切削速度は高速とする、（３）クーラントを使用することで加工能率を向上させるという考え方がある。

また、難削材、鋳物、硬脆材料等の材料においては、すくい角を負にすることがある。
すくい角を負にする目的は、難削材を加工する際に刃先の強度を増大させることや、鋳物や硬脆材料を加工する際に仕上げ面を良好にすることである。

なお、アルミホイールを切削するものではあるが、例えば特許文献１には、すくい角を負にすることでアルミ上面塗装の欠けを防止する切削方法が開示されている。

特開２０１７－２４１２４号公報

加工能率を向上させるために上記（１）～（３）の考え方に従うと、加工能率は向上させられるが切屑の細かな分断ができない。このため、長い切屑（いわゆる流れ型の切屑）の処理がネック工程となり、全体としての生産性や自動化率の向上が難しくなる。

また、流れ型の切屑を分断するためにチップブレーカを設けることがあるが、アルミ材のような延性材料の場合、インサート形状の工夫によって対処するには限界がある。

また、刃先へ大量のクーラントを供給することで切屑の分断や処理を行うことがあるが、この場合、クーラントの使用によるコストアップ、環境への負荷、周囲への飛散による清掃が必要になる。

本開示は、このような事情に鑑みてなされたものであって、クーラントを大量に使用することなく、切屑を細かくすることで切屑処理が容易になり生産性や自動化率の向上を図ることができるアルミ材の切削方法、切削条件の決定方法及びアルミ材切削用工具を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本開示のアルミ材の切削方法、切削条件の決定方法及びアルミ材切削用工具は以下の手段を採用する。
すなわち、本開示の一態様に係るアルミ材の切削方法は、すくい面を有する工具を用いたアルミ材の切削方法であって、前記すくい面の垂直すくい角をα、切削速度をＶｃとしたとき、α≧－４０°とされ、Ｖｃ≧２６２０ｅ＾０．１６αとされている。

また、本開示の一態様に係る切削条件の決定方法は、すくい面を有する工具を用いたアルミ材の切削における切削条件の決定方法であって、前記すくい面の垂直すくい角をα、切削速度をＶｃとしたとき、α≧－４０°、かつ、Ｖｃ≧２６２０ｅ＾０．１６αとする。

また、本開示の一態様に係るアルミ材切削用工具は、アルミ材を切削する工具であって、すくい面と逃げ面とを有し、前記すくい面のすくい角は、－４０°以上０°以下とされ、前記すくい面と前記逃げ面とが交差する刃先は、半径が１０μｍ以下とされている。

本開示によれば、切屑を細かくすることで切屑処理が容易になり、生産性や自動化率の向上を図ることができる。

本開示の一実施形態に係る工具の正面図である。 本開示の一実施形態に係る工具の側面図である。 本開示の一実施形態に係るインサートの斜視図である。 鋸歯型の切屑が生成されている様子を示す概念図である。 旋削用バイトおよびフェイスミルカッターを使用した切削における切削速度と切屑の種類との関係について示した図である。 図５に基づいて横軸にすくい角α、縦軸に切削速度Ｖｃをとったグラフである。 流れ型の切屑が生成されている様子を示す概念図である（比較例）。

以下、本開示の一実施形態に係るアルミ材の切削方法及びアルミ材切削用工具について図面を参照して説明する。

本実施形態に係る切削方法及び工具は、アルミ材（アルミニウム合金製の被切削材料２０）を切削する方法及びそれに使用される工具に関するものである。
一般的に、アルミニウム合金は、硬度が低い、被削性が良好、融点が低い、延性が大きいという特徴を有する。

アルミニウム合金としては、例えば２０００系アルミニウム合金や７０００系アルミニウム合金が例示される。

図１及び図２に示すように、工具１０は、ボディ１１及びボディ１１に取り付けられたインサート１２を備えている。

インサート１２は、すくい面１２ａ及び逃げ面１２ｂを有している。また、すくい面１２ａと逃げ面１２ｂとが交差する稜線は刃先１２ｃとされている。

図２に示すように、すくい面１２ａは、すくい角αが－４０°以上（好ましくは－１５°以上）、かつ、５度以下（好ましくは０°以下）となるように設定されている。

ここで、すくい角αとは、刃を鋭くする成分である垂直すくい角（Ｎｏｒｍａｌ ｒａｋｅ ａｎｇｌｅ）のことであり、被切削材料２０の切削面２１に対して直交する面とすくい面１２ａとの間に形成される角度のことである。詳細には、すくい面１２ａ上であって切刃（刃先１２ｃ）が延在する方向に垂直な線が、背分力方向（仕上げ面（切削面２１）の法線方向）となす角度のことである。このすくい角αは、アキシアルすくい角及びラジアルすくい角だけでなく、刃先形状（ノーズＲ、チャンファ等）を含めて決まる。
なお、すくい角αは、切削面２１に対して直交する面よりも切削方向の後方が正であり、前方が負である。

すくい角αを所定の角度とするためには、例えば以下の方法が採用される。
すなわち、図１及び図２に示すような旋削用バイト（工具１０）の場合、フラットインサート（インサート１２）のすくい面１２ａが所望のすくい角αに傾くように設計された専用のボディ１１を製作しておけば、標準的なフラットインサート（カタログに掲載されているような一般に購入可能なもの）を専用に設計されたボディ１１に取り付けるだけで、すくい角αが所定の角度とされた工具１０が作製される。

また、図３に示すようなフェイスミルカッターに使用されるインサート１２の場合、標準的なフラットインサートに追加工を施すことで、すくい角αが所定の角度とされた工具１０が作製される。

以上のように構成された工具１０を使用する本態様に係る切削方法では、切削速度Ｖｃがすくい角αとの間で所定の関係を満たすように設定されている。
これによって、図４に示すように、生成される切屑２３を鋸歯型とすることができる。

これは、すくい角αと切削速度Ｖｃとが所定の関係を満たすようにすくい角α及び切削速度Ｖｃを決定することで、せん断ひずみ（せん断変形量）を増大させてせん断面（図４においてＳで図示）の加工硬化・脆化を促進する効果、及び、ひずみ速度を上げて破壊靭性を低下させるとともにせん断強さを増大させて脆性破壊しやすい状態とする効果が相乗して、切屑２３の脆性破壊が容易に発生し得る状態になることに起因している。

このような切削加工を行う場合、刃先１２ｃをシャープエッジとすることが好ましい。具体的には、刃先１２ｃの丸みの半径を１０μｍ以下とすることが好ましい。
これによって、切削抵抗の主分力の増加を抑制して、仕上げ面への影響を小さくすることができる。
ここで、刃先１２ｃの断面形状は、必ずしも円弧である必要はなく、他の曲線、多角形による線、面取り等でもよく、これらを円弧で近似したときの半径が１０μｍ以下となっていればよい。

なお、例えば通常の工具の使用においてすくい角を負にする目的は、刃先を鈍くすることで刃先強度を上げるとともに、合成切削力の向きを刃先から工具中心に向けることで工具のチッピングや欠損を防止することである。その場合、一般的には、刃先に丸みを持たせるホーニング（刃殺し）によって刃先の強度を更に増大させる。
一方、本実施形態のように刃先１２ｃを鋭くする（半径を１０μｍ以下にする）と刃先１２ｃが欠けやすくなる。このため、すくい角αを負にすることと刃先１２ｃを鋭くすることとは通常であれば相反する技術思想である。
しかしながら、アルミ合金のような軟質金属を脆性破壊によって切屑２３を生成する本実施形態の切削方法においてはこれらの両立が可能となる。

なお、切り取り厚さｔは、例えば０ｍｍ以上０．１５ｍｍ以下とされている。
ただし、切り取り厚さｔはせん断ひずみ及びひずみ速度とは無関係なパラメータであり、本実施形態においてせん断ひずみ及びひずみ速度と関係のあるパラメータはすくい角α及び切削速度Ｖｃである。

図５には、工具１０としての旋削用バイト又はフライス用フェイスミルカッターを使用した切削におけるすくい角α及び切削速度Ｖｃと切屑２３との関係が示されている。
なお、図５において、「◎」は細かな鋸歯型の切屑２３のみが生成された場合、「○」は鋸歯型の切屑２３のみが生成された場合、「△」は鋸歯型の切屑２３が生成された場合、「▲」は流れ型の切屑２３が分断されるが鋸歯型ではない場合、「×」は鋸歯型の切屑２３が生成されずに流れ型の切屑２３が生成された場合を表している。

図６には、図５に示す表に基づいて、横軸にすくい角α、縦軸に切削速度Ｖｃをとったグラフが示されている。
図６に示されたグラフによれば、「△」のプロットに基づいて少なくとも鋸歯型の切屑２３が生成されるような閾値（１）、「○」のプロットに基づいて鋸歯型の切屑２３が生成されるような閾値（２）、「◎」のプロットに基づいて細かな鋸歯型の切屑２３が生成されるような閾値（３）を導くことができる。

以上の結果から、少なくとも鋸歯型の切屑２３を生成するためには、すくい角αが－４０°以上、好ましくは－１５°以上の範囲で、切削速度Ｖｃが以下の関係（閾値（１）に対応）を満たすことが必要である。
Ｖｃ≧２６２０ｅ＾０．１６α ・・・（１）

また、鋸歯型の切屑２３のみを生成するためには、すくい角αが－４０°以上、好ましくは－１５°以上の範囲で、切削速度Ｖｃが以下の関係（閾値（２）に対応）を満たすことが好ましい。
Ｖｃ≧４９６０ｅ＾０．１６α ・・・（２）

また、細かな鋸歯型の切屑２３のみを生成するためには、すくい角αが－４０°以上、好ましくは－１５°以上の範囲で、切削速度Ｖｃが以下の関係（閾値（３）に対応）を満たすことが更に好ましい。
Ｖｃ≧７４４０ｅ＾０．１６α ・・・（３）

なお、すくい角αの下限を「－４０°以上、好ましくは－１５°以上」としたのは以下の理由による。
すなわち、材料の脆化だけを目的とするならマイナス側で絶対値が大きいほど優れているということになるが、他への悪影響が大きくなる。例えば、加工における摩擦角にもよるが、すくい角αが－５０°の場合は、バリが生じ易く背分力も過大になり精度も劣化しやすくなる。また、すくい角αが－６０°の場合は、切屑の排出が困難になる。そして、すくい角αが－７０°以下の場合は、切屑を排出しないですべてがバリとなる。以上より、実用上切屑の処理のために設定できる負のすくい角は－４０°程度となる。
また、試験（図５及び図６参照）に基づいて、より確実に鋸歯型の切屑２３を生成し得る範囲として、－１５°が設定されている。

また、実用化されているアルミニウム合金の切削速度の上限（６０００ｍ／ｍｉｎ程度）を踏まえて、閾値（１）～閾値（３）の各式から、すくい角αの上限を「５度以下、好ましくは０°以下」としている。

本実施形態によれば、以下の効果を奏する。
α≧－４０°の範囲（好ましくはα≧－１５°の範囲）において、Ｖｃ≧２６２０ｅ＾０．１６αとすることで、少なくとも鋸歯型の切屑２３を生成することができる。また、Ｖｃ≧４９６０ｅ＾０．１６αとすることで、鋸歯型の切屑２３のみを生成することができる。更には、Ｖｃ≧７４４０ｅ＾０．１６αとすることで、細かな鋸歯型の切屑２３のみを生成することができる。これにより、切屑２３が細かくなるので切屑２３の処理が容易になり、生産性や自動化率の向上を図ることができる。

また、すくい角αと切削速度との組合せにより切屑２３を細かくすることができるので、チップブレーカを設ける必要がない。このため、例えば工具１０がフェイルミルの場合、チップポケットを大きくする必要がなくなり多刃化が可能となる。これにより、加工能率の向上や工具の長寿命化が可能となる。

ここで、比較例に係る図７には、すくい角αが０°よりも大きい一般的なインサート４２が示されている。このインサート４２は、すくい面４２ａ、逃げ面４２ｂ及び刃先４２ｃに加えてチップブレーカ４２ｄを有している。
アルミ材の通常の切削において、切屑２３は、チップブレーカ４２ｄによってカールしながら流れ出る。この切屑２３（流れ型の切屑２３）は、やがて被切削材料２０などの他の部分に接触する。これによって、切屑２３の根元付近にはカールと逆方向の曲げモーメントが作用して亀裂２３ａが生じて、この亀裂２３ａを起点に切屑２３が破断する（これにより生じた切屑２３を「分断された流れ型の切屑」と呼ぶ）。

また、刃先１２ｃは、半径が１０μｍ以下とされているので、主分力の増加を抑制して、仕上げ面への影響を小さくすることができる。

なお、上記の実施形態は、切屑処理が問題となりやすい旋削やφ５０以上の外径を有するフライス工具に適用されて好適である。

また、上記の実施形態はアルミニウム合金に高ひずみ速度で大変形を与えることで材料を脆化させるという考え方に基づくものであるが、この考え方はアルミニウム合金以外の高延性材料にも適用可能である。ただし、延性がより高い材料の場合、より大きな絶対値の負のすくい角または切削速度が望ましくなる。

以上の通り説明した本実施形態に係るアルミ材の切削方法及びアルミ材切削用工具は、例えば、以下のように把握される。
すなわち、本開示の一態様に係るアルミ材の切削方法は、すくい面（１２ａ）を有する工具（１０）を用いたアルミ材の切削方法であって、前記すくい面の垂直すくい角をα、切削速度をＶｃとしたとき、α≧－４０°とされ、Ｖｃ≧２６２０ｅ＾０．１６αとされている。

本態様に係るアルミ材の切削方法によれば、生成される切屑（２３）を鋸歯型とすることができる。すくい角αと切削速度Ｖｃとが所定の関係を満たすようにすくい角α及び切削速度Ｖｃを決定することで、せん断ひずみ（せん断変形量）を増大させてせん断面の加工硬化・脆化を促進する効果、及び、ひずみ速度を上げて破壊靭性を低下させるとともにせん断強さを増大させて脆性破壊しやすい状態とする効果が相乗して、切屑の脆性破壊が容易に発生し得る状態になることに起因している。これにより、切屑が細かくなるので切屑処理が容易になり、生産性や自動化率の向上を図ることができる。

また、すくい角と切削速度との組合せにより切屑を細かくすることができるので、チップブレーカを設ける必要がない。このため、例えばフェイルミルの場合、チップポケットを大きくする必要がなくなり多刃化が可能となる。これにより、加工能率の向上や工具の長寿命化が可能となる。

なお、アルミ材とは、アルミニウム合金製の被切削材料のことである。アルミニウム合金としては、例えば２０００系アルミニウム合金や７０００系アルミニウム合金が例示される。

また、本開示の一態様に係るアルミ材の切削方法は、Ｖｃ≧４９６０ｅ＾０．１６αとされている。

本態様に係るアルミ材の切削方法によれば、生成される切屑を鋸歯型のみとすることができる。

また、本開示の一態様に係るアルミ材の切削方法は、Ｖｃ≧７４４０ｅ＾０．１６αとされている。

本態様に係るアルミ材の切削方法によれば、生成される切屑を細かな鋸歯型のみとすることができる。

なお、上記の切削方法においては、α≧－１５°とされることが好ましい。

また、本開示の一態様に係るアルミ材の切削方法において、前記工具は、逃げ面（１２ｂ）を有し、前記すくい面と前記逃げ面とが交差する刃先（１２ｃ）は、半径が１０μｍ以下とされている。

本態様に係るアルミ材の切削方法において、工具は、逃げ面を有し、すくい面と逃げ面とが交差する刃先は、半径が１０μｍ以下とされているので、主分力の増加を抑制して、仕上げ面への影響を小さくすることができる。

なお、通常の工具の使用においてすくい角を負にする目的は、刃先を鈍くすることで刃先強度を上げるとともに、合成切削力の向きを刃先から工具中心に向けることで工具のチッピングや欠損を防止することである。その場合、一般的には、刃先に丸みを持たせるホーニング（刃殺し）によって刃先の強度を更に増大させる。
一方、本態様のように刃先を鋭くする（半径を１０μｍ以下にする）と刃先が欠けやすくなる。このため、すくい角αを負にすることと刃先を鋭くすることとは通常であれば相反する技術思想である。
しかしながら、アルミ合金のような軟質金属を脆性破壊によって切屑を生成する本態様の切削方法においてはこれらの両立が可能となる。

また、本開示の一態様に係る切削条件の決定方法は、すくい面を有する工具を用いたアルミ材の切削における切削条件の決定方法であって、前記すくい面の垂直すくい角をα、切削速度をＶｃとしたとき、α≧－４０°、かつ、Ｖｃ≧２６２０ｅ＾０．１６αとする。

また、本開示の一態様に係る切削条件の決定方法は、Ｖｃ≧４９６０ｅ＾０．１６αとする。

また、本開示の一態様に係る切削条件の決定方法は、Ｖｃ≧７４４０ｅ＾０．１６αとする。

なお、上記の切削条件の決定方法においては、α≧－１５°とされることが好ましい。

本態様に係るアルミ材切削用工具は、アルミ材を切削する工具であって、すくい面と逃げ面とを有し、前記すくい面のすくい角は、－４０°以上０°以下とされ、前記すくい面と前記逃げ面とが交差する刃先は、半径が１０μｍ以下とされている。

本態様に係るアルミ材切削用工具は、アルミ材を切削する工具であって、すくい面と逃げ面とを有し、すくい面のすくい角は、－４０°以上０°以下とされ、すくい面と逃げ面とが交差する刃先は、半径が１０μｍ以下とされているので、主分力の増加を抑制して、仕上げ面への影響を小さくすることができる。

なお、通常の工具の使用においてすくい角を負にする目的は、刃先を鈍くすることで刃先強度を上げるとともに、合成切削力の向きを刃先から工具中心に向けることで工具のチッピングや欠損を防止することである。その場合、一般的には、刃先に丸みを持たせるホーニング（刃殺し）によって刃先の強度を更に増大させる。
一方、本態様のように刃先を鋭くする（半径を１０μｍ以下にする）と刃先が欠けやすくなる。このため、すくい角αを負にすることと刃先を鋭くすることとは通常であれば相反する技術思想である。
しかしながら、切削速度を高速化することで脆性破壊によって鋸歯型の切屑を生成する場合、これらの両立が可能となる。

１０ 工具
１１ ボディ
１２ インサート
１２ａ すくい面
１２ｂ 逃げ面
１２ｃ 刃先
２０ 被切削材料
２１ 切削面
２３ 切屑
２３ａ 亀裂
４２ インサート
４２ａ すくい面
４２ｂ 逃げ面
４２ｃ 刃先
４２ｄ チップブレーカ

Claims (10)

1. すくい面を有する工具を用いたアルミ材の切削方法であって、
   前記すくい面の垂直すくい角をα、切削速度をＶｃとしたとき、
   α≧－４０°とされ、
   Ｖｃ≧２６２０ｅ＾０．１６αとされているアルミ材の切削方法。
2. Ｖｃ≧４９６０ｅ＾０．１６αとされている請求項１に記載のアルミ材の切削方法。
3. Ｖｃ≧７４４０ｅ＾０．１６αとされている請求項１に記載のアルミ材の切削方法。
4. α≧－１５°とされている請求項１から３のいずれかに記載のアルミ材の切削方法。
5. 前記工具は、逃げ面を有し、
   前記すくい面と前記逃げ面とが交差する刃先は、半径が１０μｍ以下とされている請求項１から４のいずれか記載のアルミ材の切削方法。
6. すくい面を有する工具を用いたアルミ材の切削における切削条件の決定方法であって、
   前記すくい面の垂直すくい角をα、切削速度をＶｃとしたとき、
   α≧－４０°、かつ、Ｖｃ≧２６２０ｅ＾０．１６αとする切削条件の決定方法。
7. Ｖｃ≧４９６０ｅ＾０．１６αとする請求項６に記載の切削条件の決定方法。
8. Ｖｃ≧７４４０ｅ＾０．１６αとする請求項６に記載の切削条件の決定方法。
9. α≧－１５°とする請求項６から８のいずれかに記載の切削条件の決定方法。
10. アルミ材を切削する工具であって、
    すくい面と逃げ面とを有し、
    前記すくい面の垂直すくい角は、－４０°以上０°以下とされ、
    前記すくい面と前記逃げ面とが交差する刃先は、半径が１０μｍ以下とされているアルミ材切削用工具。

Images