JP2023080047A - 切削加工方法及び切削加工装置 - Google Patents

Abstract

【課題】被加工物の表面に、簡単な手順で好適な圧縮残留応力を付与できる切削加工方法及び切削加工装置を提供すること。【解決手段】先端部に切刃が形成されたエンドミル１３によって被加工物２０を切削加工する切削加工装置１０は、製品寸法となるように被加工物２０の表面の一部を削り取る最終切削加工を行う場合、被加工物２０の表面に圧縮残留応力が生じるように、最終切削加工後に切込み量がゼロとなるアップカットを実施する、または、最終切削加工後に切込み量がゼロとなるゼロカットを複数回実施する。【選択図】 図１

Description

本発明は、切削加工方法及び切削加工装置に関する。

従来、航空機材料として、軽量で比強度が高いアルミニウム合金が使用されている。航空機で使用されるアルミニウム合金の製品は切削加工により形状が付与されるが、切削加工の際に、材料表面と工具間で大きなせん断応力が生じること等により材料表面で塑性変形が発生する。塑性変形すると、材料表面に残留応力が発生することとなる。切削加工の際に生じる残留応力には圧縮残留応力と引張残留応力があり、一般的に引張残留応力は圧縮残留応力と比較して疲労や腐食、そしてひずみ発生の点において不利とされている。

そこで、特許文献１に記載するように、種々の工夫を実施することにより、材料表面に圧縮残留応力を付与するようにしている。

特開２００３－２６６２２８号公報

ところで、切削加工を行う際、できるだけ簡単な手順で圧縮残留応力を好適に付与することが望ましい。その点で、特許文献１の切削加工方法には改善の余地があると考えられる。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、被加工物の表面に、簡単な手順で好適な圧縮残留応力を付与できる切削加工方法及び切削加工装置を提供することにある。

上記課題を解決するための第１の切削加工方法は、先端部に切刃が設けられた工具によって金属材料からなる被加工物を切削加工する切削加工方法において、製品寸法となるように前記被加工物の表面の一部を削り取る最終切削加工を行った後、前記被加工物の表面に圧縮残留応力が生じるように、切込み量がゼロとなるアップカットを実施することを要旨とする。

これにより、被加工物の表面に、簡単な手順で好適な圧縮残留応力を付与できる。

上記課題を解決するための第２の切削加工方法は、先端部に切刃が設けられた工具によって金属材料からなる被加工物を切削加工する切削加工方法において、製品寸法となるように前記被加工物の表面の一部を削り取る最終切削加工を行った後、前記被加工物の表面に圧縮残留応力が生じるように、切込み量がゼロとなるゼロカットを複数回実施することを要旨とする。
これにより、被加工物の表面に、簡単な手順で好適な圧縮残留応力を付与できる。

上記課題を解決するための第１の切削加工装置は、先端部に切刃が設けられた工具によって金属材料からなる被加工物を切削加工する切削加工装置において、製品寸法となるように前記被加工物の表面の一部を削り取る最終切削加工を行った後、前記被加工物の表面に圧縮残留応力が生じるように、切込み量がゼロとなるアップカットを実施する制御部を備えたことを要旨とする。

これにより、被加工物の表面に、簡単な手順で好適な圧縮残留応力を付与できる。

上記課題を解決するための第２の切削加工装置は、先端部に切刃が設けられた工具によって金属材料からなる被加工物を切削加工する切削加工装置において、製品寸法となるように前記被加工物の表面の一部を削り取る最終切削加工を行った後、前記被加工物の表面に圧縮残留応力が生じるように、切込み量がゼロとなるゼロカットを複数回実施する制御部を備えたことを要旨とする。

これにより、被加工物の表面に、簡単な手順で好適な圧縮残留応力を付与できる。

切削加工装置の構成を示すブロック図。 切削工程を示すフローチャート。 側面加工の態様を模式的に示す斜視図。 アップカットを模式的に示す図。 ダウンカットを模式的に示す図。 第１の実験における加工条件を説明する図。 第１の実験における実験結果を示す図。 第２の実験における加工条件を説明する図。 第２の実験における実験結果を示す図。 第３の実験における加工条件を説明する図。 第３の実験における実験結果を示す図。 第４の実験における加工条件を説明する図。 第４の実験における加工条件を説明する図。 第４の実験における加工条件を説明する図。 第４の実験における実験結果を示す図。 第４の実験における実験結果を示す図。 第４の実験における実験結果を示す図。

以下、本発明にかかる「切削加工方法」及び「切削加工装置」を具体化した実施形態について、図面を参照しつつ説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、図中、同一符号を付しており、同一符号の部分についてはその説明を援用する。

（第１実施形態）
図１に示すように、切削加工装置１０は、被加工物２０が固定されるテーブル１１と、テーブル１１を前後左右上下に移動させる移動機構１２と、先端部に切刃が設けられ、テーブル１１に固定された被加工物２０を切削する工具としてのエンドミル１３と、エンドミル１３を回転させる回転機構１４と、移動機構１２や回転機構１４を制御する制御部１５などを備える。なお、本実施形態の切削加工装置１０は、テーブル１１を移動させてエンドミル１３に対して被加工物２０を移動させるものであるが、被加工物２０に対してエンドミル１３を移動させる機構を備えるものであってもよい。

次に、図２に基づいて、切削加工の一般的な工程を説明する。最初に、加工されていない無垢の材料（被加工物２０の元となるもの）を設計寸法に従っておおよその形に切削加工する荒加工が行われる（第１の工程Ｓ１０１）。荒加工では、決められた取り代（加工代）が残された状態の被加工物２０が生成される。

次に、仕上げ加工の準備を行うために、荒加工された被加工物２０に対して中仕上げ加工が行われる（第２の工程Ｓ１０２）。この中仕上げ加工では、仕上げ用の取り代を残すように、被加工物２０が切削加工される。

そして、製品仕様の要求（寸法精度など）に応じて、設計で予め決められた最終的な製品寸法となるように、被加工物２０を切削加工する仕上げ加工が行われる（第３の工程Ｓ１０３）。

この仕上げ加工では、例えば、図３に示すように、切削加工装置１０は、回転機構１４により回転中のエンドミル１３に対して、テーブル１１とともに被加工物２０を移動機構１２によって所定方向（例えば、矢印方向）に移動させることにより、被加工物２０を切削加工する。なお、図３では、エンドミル１３の外周刃で被加工物２０を切削する側面加工の様子を示すものである。

荒加工と、中仕上げ加工と、仕上げ加工は、異なる切削加工装置１０によって実施される。これにより、加工時の負荷を分散させて、加工時の精度を維持するようにしている。ただし、一部又は全部を同じ切削加工装置１０で行ってもよい。この場合であっても、エンドミル１３などにかかる負荷を分散し、寸法精度を維持するために、エンドミル１３などの部品を工程ごとに交換することが望ましい。また、中仕上げ加工及び荒加工を省略してもよい。

ところで、仕上げ加工において、被加工物２０の表面（被加工物２０を組み立てて最終製品とする場合には、最終製品の表面に相当する箇所）を切削加工する場合、被加工物２０の表面に残留応力が発生することが一般的である。そして、残留応力には、圧縮残留応力と引張残留応力があり、引張残留応力は圧縮残留応力と比較して疲労や腐食、そしてひずみ発生の点において不利とされている。そこで、本実施形態の切削加工方法及び切削加工装置１０では、被加工物２０の表面に圧縮残留応力が好適に付与されるように、仕上げ加工において工夫を施している。以下、詳しく説明する。

まず、仕上げ加工における工夫について説明する前に、アップカット（上向削り）と、ダウンカット（下向削り）について説明する。アップカットは、図４に示すように、被加工物２０に対してエンドミル１３の切刃が削り上げるように切削する工法である。つまり、図４に示すように、右回転するエンドミル１３に対して、被加工物２０が当たる面を左から右に送る工法がアップカットである。アップカットでは切削の始まる前に擦り部分が生じエンドミル１３に逃げ面摩耗が生じる。

ダウンカットは、図５に示すように、被加工物２０に対してエンドミル１３の切刃が削り下げるように切削する工法である。つまり、図５に示すように、右回転するエンドミル１３に対して、被加工物２０が当たる面を右から左に送る工法がダウンカットである。一般的にダウンカットはびびり振動が小さく工具寿命に影響が少ないため金属加工で使用されることが多い。

次に、仕上げ加工における加工内容（切削加工の仕方）を変更することにより、残留応力がどのように変化したかについての実験及びその実験結果について図を参照して説明する。

（第１の実験）
第１の実験の前提について説明する。第１の実験で使用したエンドミル１３は、超硬２枚刃エンドミルである。その工具直径は、２０［ｍｍ］であり、すくい角は、１０［度］であり、第１外周逃げ角は、１０［度］であり、リード角は、３０［度］である。また、エンドミル１３の回転数は、３０００［ｒｐｍ］であり、送りは、９００［ｍｍ／ｍｉｎ］であり、１刃あたりの送り量は、０．１５［ｍｍ／１刃］である。また、実験に使用した供試体（被加工物２０に相当）は、航空機構造用に使用されるＡ７０５０－Ｔ７４５１のアルミニウム合金である。

また、残留応力は、Ｘ線残留応力測定装置を用いて、Ｘ線残留応力測定を行った。すなわち、残留応力がない場合の結晶粒は、規則正しく配列した結晶格子で構成されているが、結晶粒に応力が加わることにより応力の方向と結晶の角度により結晶格子面の間隔が変化する。そこで、Ｘ線残留応力測定では、供試体である金属材料にＸ線を照射し、結晶格子面間隔から残留応力を算出している。このＸ線残留応力測定は、非破壊検査である。

なお、この実験では非破壊検査であるｃｏｓα法によるＸ線残留応力測定法を用いた。また、アルミニウム合金は粗大結晶粒を有することから測定時のデバイ環に対する影響を緩和するために供試体を水平揺動させる必要がある。このため、供試体揺動装置を用いた。供試体揺動装置は、Ｘ線照射中に供試体をストローク２．０［ｍｍ］、供試体の移動速度を１．０［ｍｍ／ｓ］で揺動させ、Ｘ線照射面積を増加させた。Ｘ線照射径の直径は、約２．０［ｍｍ］であり、Ｘ線照射面積は、約８．３［ｍｍ＾２］である。

次に第１の実験における各加工内容について図６に基づいて説明する。

加工内容（Ｎｏ１）では、切込み量を０．２［ｍｍ］とするダウンカット（最終切削加工）を１回行ってそのまま終了することとしている。なお、図において、切込み量をＡ［ｍｍ］とするダウンカットを、「ダウン（Ａｍｍ）」と表示する場合がある。同様に、図において、切込み量をＢ［ｍｍ］とするアップカットを、「アップ（Ｂｍｍ）」と表示する場合がある。また、製品寸法となるように被加工物の表面の一部を削り取る切削加工を、最終切削加工と示す。一部を削り取る切削加工とは、切込み量がゼロでない切削加工であり、最終切削加工とは、仕上げ加工において、切込み量がゼロでない切削加工のうち、最後に行われる切削加工のことである。また、アップカット（又はダウンカット）を１回行うとは、被加工物２０の端から端まで回転中のエンドミル１３を移動させることを１回とカウントしている。

加工内容（Ｎｏ２）では、切込み量を０．２［ｍｍ］とするダウンカット（最終切削加工）を１回行った後、切込み量を０［ｍｍ］とするダウンカットを３回行うこととしている。なお、切込み量を０［ｍｍ］とするダウンカットとは、加工時にエンドミル１３と供試体が触れるか触れないかの距離でダウンカットを行うことである。具体的には、最終切削加工で設定されたエンドミル１３と被加工物２０との間における距離を変更することなく、そのままの距離を保ったままダウンカットを行うことにより、切込み量を０［ｍｍ］とするダウンカットを実現できる。なお、切込み量を０［ｍｍ］とする場合、ゼロカット加工と示す場合がある。ゼロカット加工は、切込み量がゼロであるため、最終切削加工の後に、実施されても、最終切削加工とはならない。ちなみに、切込み量がゼロであるといっても、最終切削加工時の削り残しがある場合、ゼロカット時において、当該削り残しを削ることとなる。

加工内容（Ｎｏ３）では、切込み量を０．２［ｍｍ］とするダウンカット（最終切削加工）を１回行った後、切込み量を０［ｍｍ］とするダウンカットを５回行うこととしている。

加工内容（Ｎｏ４）では、切込み量を０．２［ｍｍ］とするアップカット（最終切削加工）を１回行ってそのまま終了することとしている。

加工内容（Ｎｏ５）では、切込み量を０．２［ｍｍ］とするダウンカット（最終切削加工）を１回行った後、切込み量を０［ｍｍ］とするアップカットを３回行うこととしている。なお、切込み量を０［ｍｍ］とするアップカットとは、加工時にエンドミル１３と供試体が触れるか触れないかの距離でアップカットを行うことである。具体的には、最終切削加工で設定されたエンドミル１３と被加工物２０との間における距離を変更することなく、そのままの距離を保ったままアップカットを行うことにより、切込み量を０［ｍｍ］とするアップカットを実現できる。

加工内容（Ｎｏ６）では、切込み量を０．２［ｍｍ］とするダウンカット（最終切削加工）を１回行った後、切込み量を０［ｍｍ］とするアップカットを５回行うこととしている。

加工内容（Ｎｏ７）では、切込み量を０．２［ｍｍ］とするダウンカット（最終切削加工）を１回行った後、切込み量を０［ｍｍ］とするアップカットを１回行うこととしている。

加工内容（Ｎｏ８）では、まず、切込み量を０．２［ｍｍ］とするダウンカット（最終切削加工）を１回行った後、切込み量を０［ｍｍ］とするアップカットを１回行う。その後、切込み量を０［ｍｍ］とするダウンカットを１回行った後、切込み量を０［ｍｍ］とするアップカットを１回行うことを２回繰り返すようにしている（繰り返し加工２往復）。なお、切込み量を０［ｍｍ］とするダウンカットを１回行った後、切込み量を０［ｍｍ］とするアップカットを１回行うことを繰り返し加工と示す場合がある。

加工内容（Ｎｏ９）では、まず、切込み量を０．２［ｍｍ］とするダウンカット（最終切削加工）を１回行った後、切込み量を０［ｍｍ］とするアップカットを１回行う。その後、切込み量を０［ｍｍ］とするダウンカットを１回行った後、切込み量を０［ｍｍ］とするアップカットを１回行うことを４回繰り返すようにしている（繰り返し加工４往復）。

加工内容（Ｎｏ１０）では、まず、切込み量を０．２［ｍｍ］とするダウンカット（最終切削加工）を１回行った後、切込み量を０［ｍｍ］とするアップカットを１回行う。その後、切込み量を０［ｍｍ］とするダウンカットを１回行った後、切込み量を０［ｍｍ］とするアップカットを１回行うことを１９回繰り返すようにしている（繰り返し加工１９往復）。

第１の実験における実験結果について図７に基づいて説明する。図７において、縦軸で示す残留応力［ＭＰａ］が正の値の時は、引張残留応力であることを示し、残留応力［ＭＰａ］が負の値の時は、圧縮残留応力であることを示す。

加工内容（Ｎｏ１）の切削加工を実施した場合、引張残留応力が生じることがわかった。一方、加工内容（Ｎｏ４）の切削加工を実施した場合、圧縮残留応力が生じることがわかった。これにより、仕上げ加工において、最終切削加工をアップカットで実施すると、圧縮残留応力を発生させることが可能であることがわかった。

また、加工内容（Ｎｏ１）の切削加工を実施した場合と、加工内容（Ｎｏ７）の切削加工を実施した場合の比較結果から、最終切削加工の後に、切込み量が０［ｍｍ］のアップカットを実施すると、圧縮残留応力を発生させることが可能であることがわかった。

加工内容（Ｎｏ７）の切削加工を実施した場合と、加工内容（Ｎｏ５）の切削加工を実施した場合とを比較すると、加工内容（Ｎｏ５）の圧縮残留応力のほうが、大きくなる（負側に残留応力が大きくなる）ことがわかった。これにより、最終切削加工の後に、切込み量が０［ｍｍ］のアップカットを複数回連続して実施すると、圧縮残留応力が大きくなることがわかった。

加工内容（Ｎｏ５）の切削加工を実施した場合と、加工内容（Ｎｏ８）の切削加工を実施した場合とを比較すると、加工内容（Ｎｏ８）の圧縮残留応力のほうが、わずかに大きくなることがわかった。その一方で、加工内容（Ｎｏ５）の切削加工を実施した場合と、加工内容（Ｎｏ６）の切削加工を実施した場合とを比較すると、圧縮残留応力の値がほぼ同じであった。しかしながら、加工内容（Ｎｏ８）の切削加工を実施した場合と、加工内容（Ｎｏ９）の切削加工を実施した場合とを比較すると、加工内容（Ｎｏ９）の圧縮残留応力のほうが、小さくなる（正側に残留応力が大きくなる）ことがわかった。さらに、加工内容（Ｎｏ８）～加工内容（Ｎｏ１０）における結果を比較すると、加工内容（Ｎｏ１０）の圧縮残留応力が最も小さくなる（正側に残留応力が大きくなる）ことがわかった。

これにより、最終切削加工の後に、切込み量が０［ｍｍ］のアップカットを複数回連続して実施する場合、所定回数（例えば、３回）以下であることが好ましいことがわかった。さらには、切込み量が０［ｍｍ］のダウンカットを挟まず、切込み量が０［ｍｍ］のアップカットを複数回（例えば、３回）連続して実施するほうが望ましいと考えられる。

以上の結果をまとめると、図７により、ダウンカットの後に切込み量が０［ｍｍ］のアップカットを実施することで、ダウンカットの後に切込み量が０［ｍｍ］のダウンカットを実施するよりも大きな圧縮残留応力を付与することができた。したがって、ゼロカット加工（切込み量が０［ｍｍ］）でも最後の加工方法によって残留応力に大きな影響が生じると考えられる。一方、切込み量が０［ｍｍ］のアップカットを３回行った加工内容（Ｎｏ５とＮｏ８）が最も高い圧縮残留応力となった。ただし、ゼロカット加工の回数が多くなるにつれて圧縮残留応力は減少している。したがって、大きな圧縮残留応力を付与するためには適切な繰り返し回数が存在すると考えられる。なお、第１の実験において、実験に使用する供試体を、炭素鋼（Ｓ５０Ｃ）に変更した場合においても同様の傾向を得られた。

（第２の実験）
第２の実験の前提について説明する。第２の実験で使用したエンドミル１３は、超硬２枚刃エンドミルである。その工具直径は、２６［ｍｍ］であり、すくい角は、１０［度］であり、第１外周逃げ角は、１０［度］であり、リード角は、３０［度］である。ただし、逃げ角再研済みであるため、工具直径は実測で、２５［ｍｍ］となっている。また、実験に使用した供試体（被加工物２０に相当）は、第１の実験と同様に、Ａ７０５０－Ｔ７４５１のアルミニウム合金である。また、残留応力の測定方法は、第１の実験と同様である。

次に第２の実験における各加工内容について図８に基づいて説明する。第２の実験では、回転数を変化させた場合における残留応力を比較している。加工内容（Ｎｏ１１～Ｎｏ１８，Ｎｏ２１～Ｎｏ２８）ごとに、エンドミル１３の回転数［ｒｐｍ］と、送り［ｍｍ／ｍｉｎ］を示している。いずれも、１刃あたりの送り量は、０．１５［ｍｍ／１刃］で、いずれも同じである。この第２の実験結果を図９に示す。

図９に示すように、アップカットでは圧縮残留応力が、ダウンカットでは引張残留応力が生じた。また、回転数が約７０００［ｒｐｍ］以上で、ダウンカットでは回転数の増加による引張残留応力の増加が緩やかになった。一方、アップカットでは約７０００［ｒｐｍ］までは回転数の増加により圧縮残留応力が増加した（負側に残留応力が大きくなった）。しかしながら、約７０００［ｒｐｍ］以上では圧縮残留応力が減少した（正側に残留応力が大きくなった）。アップカットにおける圧縮残留応力の値（残留応力の絶対値）として最小は１８０［ＭＰａ］程度、最大は３４０［ＭＰａ］程度であり２倍近い変化であった。アップカットでは、供試体に対してエンドミル１３が削り上げる様に進むためエンドミル１３と供試体の接触前にはこすり部分が生じる。この際に、加工面にはエンドミル１３の刃先丸みによる押しならし力や擦られることによる熱的影響が作用していると考えられる。なお、第２の実験において、実験に使用する供試体を、炭素鋼（Ｓ５０Ｃ）に変更した場合においても同様の傾向を得られた。

（第３の実験）
第３の実験の前提について説明する。第３の実験で使用したエンドミル１３は、ハイス２枚刃エンドミルである。その工具直径は、２０［ｍｍ］であり、すくい角は、１２［度］であり、第１外周逃げ角は、１１［度］であり、リード角は、２５［度］である。また、エンドミル１３の回転数は、７５０［ｒｐｍ］であり、送りは、１５０［ｍｍ／ｍｉｎ］であり、１刃あたりの送り量は、０．１０［ｍｍ／１刃］であり、周速は、４７［ｍ／ｍｉｎ］である。また、実験に使用した供試体（被加工物２０に相当）は、炭素鋼（Ｓ５０Ｃ）である。また、残留応力の測定方法は、第１の実験と同様である。

次に第３の実験における各加工内容について図１０に基づいて説明する。第３の実験では、最後の加工方法を変化させた場合における残留応力を比較している。

加工内容（Ｎｏ３１）では、切込み量を０．２［ｍｍ］とするダウンカット（最終切削加工）を１回行ってそのまま終了することとしている。

加工内容（Ｎｏ３２）では、切込み量を０．２［ｍｍ］とするアップカット（最終切削加工）を１回行ってそのまま終了することとしている。

加工内容（Ｎｏ３３）では、切込み量を０．２［ｍｍ］とするダウンカットを１回行った後、切込み量を０．１［ｍｍ］とするダウンカット（最終切削加工）を１回行うこととしている。

加工内容（Ｎｏ３４）では、切込み量を０．２［ｍｍ］とするダウンカットを１回行った後、切込み量を０．１［ｍｍ］とするアップカット（最終切削加工）を１回行うこととしている。

加工内容（Ｎｏ３５）では、切込み量を０．２［ｍｍ］とするアップカットを１回行った後、切込み量を０．１［ｍｍ］とするダウンカット（最終切削加工）を１回行うこととしている。

加工内容（Ｎｏ３６）では、切込み量を０．２［ｍｍ］とするアップカットを１回行った後、切込み量を０．１［ｍｍ］とするアップカット（最終切削加工）を１回行うこととしている。

次に、この第３の実験結果を図１１に示す。図１１に示すように、最終切削加工をアップカットで実施するならば、それ以前の加工内容にかかわらず、圧縮残留応力を付与することができると考えられる。なお、第３の実験において、実験に使用する供試体を、Ａ７０５０－Ｔ７４５１のアルミニウム合金に変更した場合においても同様の傾向を得られた。

以上の第１の実験～第３の実験の結果から、本実施形態の切削加工装置１０では、次のような切削加工方法を実施している。

切削加工装置１０は、製品寸法となるように被加工物２０の表面の一部を削り取る最終切削加工を行う場合、被加工物２０の表面に圧縮残留応力が生じるようにアップカットで最終切削加工を実施する。すなわち、切削加工装置１０の制御部１５は、エンドミル１３の回転制御やテーブル１１の移動制御などの各種加工制御を実施して、最終切削加工を行う場合、被加工物２０の表面に圧縮残留応力が生じるようにアップカットを実施する。

また、切削加工装置１０は、最終切削加工の後、切込み量がゼロ（０［ｍｍ］）となるアップカットを実施してもよい。最終切削加工の後、切込み量がゼロ（０［ｍｍ］）となるアップカットを実施する場合、複数回実施することが望ましい。ただし、最終切削加工の後、切込み量がゼロ（０［ｍｍ］）となるアップカットを複数回実施する場合、アップカットの回数は、圧縮残留応力が最も大きくなる所定回数（例えば３回）以下であることが好ましい。また、ダウンカット（ゼロカット加工）を間に挟まずに、連続して複数回のアップカット（ゼロカット加工）を実施することが望ましい。

また、最終切削加工においてアップカットを実施する場合、若しくは最終切削加工後にアップカット（ゼロカット加工）を実施する場合、その回転数は、圧縮残留応力が最も大きくなる回転数を基準として設定される所定範囲内であることが望ましい。所定範囲は、例えば、圧縮残留応力が最も大きくなる回転数の０．７倍～１．４倍の範囲内とすることが望ましい。第２の実験結果のように、約７０００［ｒｐｍ］のときに、圧縮残留応力が最も大きくなる場合、５０００～１００００［ｒｐｍ］の範囲内とすることが望ましい。

本実施形態による効果について説明する。

切削加工装置１０は、製品寸法となるように被加工物２０の表面の一部を削り取る最終切削加工を行う場合、被加工物２０の表面に圧縮残留応力が生じるように、アップカットで最終切削加工を実施する。このため、簡単な手順で、被加工物２０の表面に圧縮残留応力を好適に付与することができる。

また、最終切削加工後に、切込み量がゼロとなるアップカットを実施してもよい。これにより、簡単な手順で、被加工物２０の表面に圧縮残留応力を好適に付与することができる。また、最終切削加工後に切込み量がゼロとなるアップカットを実施する場合、当該アップカットを複数回実施してもよい。これにより、簡単な手順で圧縮残留応力を大きくすることができる。また、最終切削加工後に切込み量がゼロとなるアップカットを複数回実施する場合、当該アップカットの回数は、圧縮残留応力が最も大きくなる所定回数（例えば３回）以下となるようにした。これにより、圧縮残留応力を大きくしつつ、無駄なアップカットを実施する必要がなくなる。

最終切削加工後に切込み量がゼロとなるアップカットを複数回実施する場合、ダウンカットを間に挟まずに、連続して複数回のアップカットを実施するようにした。これにより、同じ回数のアップカットを実施する場合において、より圧縮残留応力を高くすることができる。また、無駄な手間を省くことができる。

また、最終切削加工においてアップカットを実施する場合、若しくは最終切削加工後にアップカット（ゼロカット加工）を実施する場合、エンドミル１３の回転数が、圧縮残留応力が最も大きくなる回転数を基準として設定される所定範囲内となるようにした。これにより、圧縮残留応力を大きくすることができる。

（第２実施形態）
以下に、第２実施形態で実施した第４の実験について説明する。なお、第１の実験と同じ条件については説明を省略する。また、第４の実験では、第１～第３の実験で使用した切削加工装置１０とは異なる切削加工装置１０（構成は同じ）を利用して行っている。このため、同じ加工内容であっても、結果が若干異なる場合がある。

（第４の実験）
第４の実験の前提について説明する。第４の実験で使用したエンドミル１３は、超硬２枚刃エンドミルである。その工具直径は、２０［ｍｍ］であり、すくい角は、１０［度］であり、第１外周逃げ角は、１０［度］であり、リード角は、３０［度］である。また、エンドミル１３の回転数は、３０００［ｒｐｍ］であり、送りは、９００［ｍｍ／ｍｉｎ］であり、１刃あたりの送り量は、０．１５［ｍｍ／１刃］である。また、実験に使用した供試体（被加工物２０に相当）は、Ａ７０５０－Ｔ７４５１のアルミニウム合金である。

次に第４の実験における各加工内容について図１２～図１４に基づいて説明する。

図１２に示すように、加工内容（Ｎｏ１０１）では、切込み量を０．２［ｍｍ］とするダウンカット（最終切削加工）を１回行ってそのまま終了することとしている。

加工内容（Ｎｏ１０２）では、切込み量を０．２［ｍｍ］とするダウンカット（最終切削加工）を１回行った後、切込み量を０［ｍｍ］とするダウンカットを１回行うこととしている。

加工内容（Ｎｏ１０３）では、切込み量を０．２［ｍｍ］とするダウンカット（最終切削加工）を１回行った後、切込み量を０［ｍｍ］とするアップカットを１回行うこととしている。

以降、同様に、加工内容（Ｎｏ１０４，Ｎｏ１０６，Ｎｏ１０８，Ｎｏ１１０）では、切込み量を０．２［ｍｍ］とするダウンカット（最終切削加工）を１回行った後、切込み量を０［ｍｍ］とするダウンカットを、それぞれ２～５回行うこととしている。

また、同様に、加工内容（Ｎｏ１０５，Ｎｏ１０７，Ｎｏ１０９，Ｎｏ１１１）では、切込み量を０．２［ｍｍ］とするダウンカット（最終切削加工）を１回行った後、切込み量を０［ｍｍ］とするアップカットを、それぞれ２～５回行うこととしている。

図１３に示すように、加工内容（Ｎｏ１１２）では、切込み量を０．２［ｍｍ］とするアップカット（最終切削加工）を１回行ってそのまま終了することとしている。

加工内容（Ｎｏ１１３）では、切込み量を０．２［ｍｍ］とするアップカット（最終切削加工）を１回行った後、切込み量を０［ｍｍ］とするダウンカットを１回行うこととしている。

加工内容（Ｎｏ１１４）では、切込み量を０．２［ｍｍ］とするアップカット（最終切削加工）を１回行った後、切込み量を０［ｍｍ］とするアップカットを１回行うこととしている。

以降、同様に、加工内容（Ｎｏ１１５，Ｎｏ１１７，Ｎｏ１１９，Ｎｏ１２１）では、切込み量を０．２［ｍｍ］とするアップカット（最終切削加工）を１回行った後、切込み量を０［ｍｍ］とするダウンカットを、それぞれ２～５回行うこととしている。

また、同様に、加工内容（Ｎｏ１１６，Ｎｏ１１８，Ｎｏ１２０，Ｎｏ１２２）では、切込み量を０．２［ｍｍ］とするアップカット（最終切削加工）を１回行った後、切込み量を０［ｍｍ］とするアップカットを、それぞれ２～５回行うこととしている。

図１４に示すように、加工内容（Ｎｏ１２３）は、加工内容（Ｎｏ８）と同様の加工内容となっている。すなわち、切込み量を０．２［ｍｍ］とするダウンカット（最終切削加工）を１回行った後、切込み量を０［ｍｍ］とするアップカットを１回行い、繰り返し加工を２往復する。また、加工内容（Ｎｏ１２４）及び加工内容（Ｎｏ１２５）は、それぞれ、加工内容（Ｎｏ９）及び加工内容（Ｎｏ１０）と同様の加工内容となっている。

加工内容（Ｎｏ１２６）では、切込み量を０．２［ｍｍ］とするダウンカット（最終切削加工）を１回行った後、切込み量を０［ｍｍ］とするアップカットを１回行う。その後、切込み量を０［ｍｍ］とするダウンカットを１回行う。

加工内容（Ｎｏ１２７）では、切込み量を０．２［ｍｍ］とするダウンカット（最終切削加工）を１回行った後、切込み量を０［ｍｍ］とするアップカットを１回行う。その後、切込み量を０［ｍｍ］とするダウンカットを１回行った後、切込み量を０［ｍｍ］とするアップカットを１回行う。

加工内容（Ｎｏ１２８）では、切込み量を０．２［ｍｍ］とするダウンカット（最終切削加工）を１回行った後、切込み量を０［ｍｍ］とするアップカットを１回行う。その後、切込み量を０［ｍｍ］とするダウンカットを１回行った後、切込み量を０［ｍｍ］とするアップカットを１回行い、最後に切込み量を０［ｍｍ］とするダウンカットを１回行う。

加工内容（Ｎｏ１２９）では、切込み量を０．２［ｍｍ］とするダウンカット（最終切削加工）を１回行った後、切込み量を０［ｍｍ］とするアップカットを１回行う。その後、切込み量を０［ｍｍ］とするダウンカット→切込み量を０［ｍｍ］とするアップカット→切込み量を０［ｍｍ］とするダウンカット→切込み量を０［ｍｍ］とするアップカットをこの順番で行う。

加工内容（Ｎｏ１３０）では、切込み量を０．２［ｍｍ］とするアップカット（最終切削加工）を１回行った後、切込み量を０［ｍｍ］とするダウンカットを１回行う。その後、切込み量を０［ｍｍ］とするアップカットを１回行う。

加工内容（Ｎｏ１３１）では、切込み量を０．２［ｍｍ］とするアップカット（最終切削加工）を１回行った後、切込み量を０［ｍｍ］とするダウンカットを１回行う。その後、切込み量を０［ｍｍ］とするアップカットを１回行った後、切込み量を０［ｍｍ］とするダウンカットを１回行う。

加工内容（Ｎｏ１３２）では、切込み量を０．２［ｍｍ］とするアップカット（最終切削加工）を１回行った後、切込み量を０［ｍｍ］とするダウンカットを１回行う。その後、切込み量を０［ｍｍ］とするアップカットを１回行った後、切込み量を０［ｍｍ］とするダウンカットを１回行い、最後に切込み量を０［ｍｍ］とするアップカットを１回行う。

加工内容（Ｎｏ１３３）では、切込み量を０．２［ｍｍ］とするアップカット（最終切削加工）を１回行った後、切込み量を０［ｍｍ］とするダウンカットを１回行う。その後、切込み量を０［ｍｍ］とするアップカット→切込み量を０［ｍｍ］とするダウンカット→切込み量を０［ｍｍ］とするアップカット→切込み量を０［ｍｍ］とするダウンカットをこの順番で行う。

第４の実験における実験結果について図１５～１７に基づいて説明する。図１５～１７において、縦軸で示す残留応力［ＭＰａ］が正の値の時は、引張残留応力であることを示し、残留応力［ＭＰａ］が負の値の時は、圧縮残留応力であることを示す。また、仕上げ加工の最後にアップカットが行われる場合、白抜きで結果を示す一方で、仕上げ加工の最後にダウンカットが行われる場合、ハッチングで結果を示す。

図１５は、最終切削加工がダウンカットである加工内容（Ｎｏ１０１～Ｎｏ１１１）の結果をまとめたものである。図１６は、最終切削加工がアップカットである加工内容（Ｎｏ１１２～Ｎｏ１２２）の結果をまとめたものである。図１７は、ダウンカットとアップカットを交互に実行する繰り返し加工が含まれる加工内容（Ｎｏ１２３～Ｎｏ１３３）の結果をまとめたものである。

加工内容（Ｎｏ１０１）の切削加工を実施した場合、引張残留応力が生じることがわかった。一方、加工内容（Ｎｏ１１２）の切削加工を実施した場合、圧縮残留応力が生じることがわかった。これにより、最終切削加工をアップカットで実施すると、圧縮残留応力を発生させることが可能であることがわかった。

加工内容（Ｎｏ１０２）及び加工内容（Ｎｏ１１３）の加工を実施した場合、残留応力（引張残留応力及び圧縮残留応力）があまり生じないことがわかった。一方、加工内容（Ｎｏ１０３）及び加工内容（Ｎｏ１１４）の加工を実施した場合、圧縮残留応力が生じることがわかった。これにより、最終切削加工がアップカット及びダウンカットのいずれであっても、仕上げ加工において、アップカットを実施すると、圧縮残留応力を発生させることが可能であることがわかった。一方、最終切削加工がアップカット及びダウンカットのいずれであっても、仕上げ加工において、ダウンカットを１回だけ実施しても、圧縮残留応力を発生させにくいことがわかった。これは、仕上げ加工の最初の１回目において、削り残しを削るからだと考えられる。

加工内容（Ｎｏ１０４～１１１、Ｎｏ１１５～１３３）の加工を実施した場合、圧縮残留応力が生じることがわかった。これにより、最終切削加工がアップカット及びダウンカットのいずれであっても、仕上げ加工において、切込み量を０［ｍｍ］とするゼロカット加工を複数回実施すると、圧縮残留応力を発生させることが可能であることがわかった。

特に、加工内容（Ｎｏ１０６～１１１，Ｎｏ１１７～１２５，Ｎｏ１２７～１２９，Ｎｏ１３１～１３３）の実験結果から、ゼロカット加工を３回実施すると、仕上げ加工がアップカット及びダウンカットのいずれであっても、好適に圧縮残留応力を発生させることが可能であることがわかった。一方で、ゼロカット加工を４回以上実施しても、圧縮残留応力を増加させることは難しいことがわかった。

加工内容（Ｎｏ１０２，Ｎｏ１０４）及び加工内容（Ｎｏ１１３，Ｎｏ１１５）の結果から、仕上げ加工において、ダウンカットを１～２回実施しても、圧縮残留応力を適切に付与できない、若しくは、大きな圧縮残留応力を付与することができないことがわかる。これはおそらく、仕上げ加工において、最初の２回のダウンカット（ゼロカット）では、削り残しを削っているため、ゼロカット加工による圧縮残留応力の付与ができないからだと考えられる。これは、加工内容（Ｎｏ１０３）及び加工内容（Ｎｏ１１４）の結果から、仕上げ加工においてアップカットで削り残しを削った場合には、最終切削加工がアップカットの場合と同様の圧縮残留応力が付与されることからも推測できる。

このことから、削り残しがない状況であれば、ゼロカット加工により圧縮残留応力を適切に付与できると考えられる。このため、エンドミル１３の仕様（硬度など）や切削加工装置１０の仕様（エンドミル１３を固定する力など）を調整し、１回目の仕上げ加工（ゼロカット加工）で削り残しをなくすことができれば、２回目以降のゼロカット加工で圧縮残留応力を適切に付与することができると考えられている。

また、加工内容（Ｎｏ１２７～１２９，Ｎｏ１３１～１３３）の実験結果から、アップカットとダウンカットを交互に実施する場合、ゼロカット加工を３回以上実施するのであれば、適切に圧縮残留応力を付与することができることがわかった。

また、加工内容（Ｎｏ１２６～１３３）の実験結果から、仕上げ加工の最後がアップカットであると、最後がダウンカットの場合に比較して、圧縮残留応力を増加させやすいことがわかった。

以上の第４の実験の結果から、第２実施形態の切削加工装置１０では、次のような切削加工方法を実施している。

切削加工装置１０は、製品寸法となるように被加工物２０の表面の一部を削り取る最終切削加工を行う場合、アップカット又はダウンカットのいずれかで最終切削加工を実施する。そして、切削加工装置１０は、当該最終切削加工の後、切込み量がゼロ（０［ｍｍ］）となるアップカットを実施する、又はゼロカットを複数回実施する。

なお、ゼロカットを複数回実施する場合において、切込み量がゼロ（０［ｍｍ］）となるダウンカットを連続実施するのであれば、３回以上実施することが望ましい。また、ゼロカットを複数回実施する場合において、アップカットとダウンカットを交互に実施するのであれば、ゼロカットを合計２回以上実施することが望ましい。また、仕上げ加工において、ゼロカットを複数回実施する場合、切込み量がゼロ（０［ｍｍ］）となるアップカットを最後に実施することが望ましい。

第２実施形態による効果について説明する。

仕上げ加工においてアップカットを１又は複数回実施するという簡単な手順で、被加工物２０の表面に圧縮残留応力を好適に付与することができる。または、仕上げ加工においてゼロカットを複数回実施するという簡単な手順で、被加工物２０の表面に圧縮残留応力を好適に付与することができる。

その際、切込み量がゼロ（０［ｍｍ］）となるアップカット及び切込み量がゼロ（０［ｍｍ］）となるダウンカットを交互に実施しても、圧縮残留応力を好適に付与することができる。また、仕上げ加工においてゼロカットを複数回実施する場合、切込み量がゼロ（０［ｍｍ］）となるアップカットを最後に実施すれば、圧縮残留応力を容易に増加させることができる。

また、仕上げ加工において切込み量がゼロ（０［ｍｍ］）となるダウンカットを３回以上実施すれば、適切に圧縮残留応力を付与することができる。

（変形例）
・上記実施形態の切削加工装置１０は、エンドミル１３を使用して切削加工を実施できるのであれば、その構成を任意に変更してもよい。例えば、切削加工装置１０として、立型フライス盤、横型フライス盤、万能フライス盤、及びＮＣフライス盤のいずれを採用してもよい。また、旋盤やマシニングセンタであってもよい。また、エンドミル１３の形状は任意に変更してもよい。

・上記第２実施形態において、最終切削加工は、アップカットとダウンカットのいずれであってもよい。

・上記第２実施形態において、仕上げ加工でアップカットを実施するのであれば、１回だけでもよい。これにより、簡単に圧縮残留応力を付与できる。

・上記第２実施形態において、仕上げ加工でゼロカット加工を複数回実施する場合、アップカットとダウンカットを交互に実施しなくてもよい。例えば、どちらか一方を複数回連続して実行したのち、他方を１又は複数回実施してもよい。

・上記第２実施形態において、仕上げ加工でゼロカット加工を複数回実施する場合、最後がダウンカットであってもよい。

１０…切削加工装置、１１…テーブル、１２…移動機構、１３…エンドミル、１４…回転機構、１５…制御部、２０…被加工物。

Claims (12)

1. 先端部に切刃が設けられた工具によって金属材料からなる被加工物を切削加工する切削加工方法において、
   製品寸法となるように前記被加工物の表面の一部を削り取る最終切削加工を行った後、前記被加工物の表面に圧縮残留応力が生じるように、切込み量がゼロとなるアップカットを実施する切削加工方法。
2. 前記最終切削加工を行った後、切込み量がゼロとなる前記アップカットを複数回実施する請求項１に記載の切削加工方法。
3. 前記最終切削加工を行った後、切込み量がゼロとなる前記アップカットを複数回連続して実施する請求項１に記載の切削加工方法。
4. 先端部に切刃が設けられた工具によって金属材料からなる被加工物を切削加工する切削加工方法において、
   製品寸法となるように前記被加工物の表面の一部を削り取る最終切削加工を行った後、前記被加工物の表面に圧縮残留応力が生じるように、切込み量がゼロとなるゼロカットを複数回実施する切削加工方法。
5. 前記最終切削加工を行った後、切込み量がゼロとなるダウンカットを３回連続して実施する請求項４に記載の切削加工方法。
6. 前記最終切削加工を行った後、切込み量がゼロとなるアップカット及び切込み量がゼロとなるダウンカットを交互に実施する請求項４に記載の切削加工方法。
7. 前記最終切削加工を行った後、切込み量がゼロとなるアップカットを最後に実施する請求項４又は６に記載の切削加工方法。
8. ダウンカットで前記最終切削加工を実施する請求項１～６のうちいずれか１項に記載の切削加工方法。
9. 前記工具の側面で前記被加工物を加工する側面加工である請求項１～６のうちいずれか１項に記載の切削加工方法。
10. 前記被加工物は、アルミニウム合金又は鋼から構成される請求項１～６のうちいずれか１項に記載の切削加工方法。
11. 先端部に切刃が設けられた工具によって金属材料からなる被加工物を切削加工する切削加工装置において、
    製品寸法となるように前記被加工物の表面の一部を削り取る最終切削加工を行った後、前記被加工物の表面に圧縮残留応力が生じるように、切込み量がゼロとなるアップカットを実施する制御部を備えた切削加工装置。
12. 先端部に切刃が設けられた工具によって金属材料からなる被加工物を切削加工する切削加工装置において、
    製品寸法となるように前記被加工物の表面の一部を削り取る最終切削加工を行った後、前記被加工物の表面に圧縮残留応力が生じるように、切込み量がゼロとなるゼロカットを複数回実施する制御部を備えた切削加工装置。

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