切削工具の基礎:種類、材料、用途[PDF付き]
この記事では、切削工具とは何か、その材料、分類、種類を写真付きで解説します。記事末尾でPDFファイルもダウンロード可能です。
切削工具とは?
切削工具とは、楔形で鋭利な刃先を持ち、工作機械に確実に取り付けて、被削材から余分な材料を切り取り、所望の形状・寸法・精度を得るための工具です。
工具材料は被削材より硬く、切削時に発生する熱と力に耐える必要があります。また、クリアランス角など特定の幾何形状を持ち、刃先のみが被削材に接触する設計です。溝の幅・数・形状、すくい面の角度なども重要な要素です。これらに加え、切削速度と送りを最適化することで工具寿命を延ばせます。1枚刃(単一刃)と多枚刃(複数刃)の両タイプがあります。
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切削工具は1つ以上の切れ刃を持ち、1パスで同時切削を行います。最も一般的な分類は、「1パスで実際に切削に関与する主切れ刃の数」によるものです。
一般的名称による分類
この観点から、切削工具は以下の3カテゴリに分類されます。
#1 単一刃工具(シングルポイント切削工具)
主切れ刃が1つのみで、1動作で材料除去を行います。旋削、整形、平削り等で使用。高炭素鋼、ハイス(HSS)、セラミック、ダイヤモンドなど硬い材料で作られます。1刃で全切削を担うため、材料除去率は控えめで、刃先欠損リスクがあります。刃が欠けたら工具全体を交換する必要があります。1枚刃リーマなどが典型例です。
単一刃工具のメリット
- 設計・製作が容易で、時間がかからない。
- コストが大幅に安い。
単一刃工具のデメリット
- 1つの切れ刃が被削材と常時接触するため摩耗が早く、工具寿命が短い。
- 常時接触で温度上昇が速く、工具摩耗加速と加工面の熱影響の両面で不利。
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#2 双刃工具(ダブルポイント切削工具)
画像出典:minaprem.com
2つの切れ刃が1動作で同時切削・せん断を行います。単一刃は1主刃、多刃は2枚超の切れ刃を持ちます。場合によっては「双刃」と「多刃」の2分類のみとすることも。切れ刃はすくい面と逃げ面の交線で形成されるため、双刃工具は2つのすくい面と2つの逃げ面を持ちます。
典型例はドリル。ドリルは2枚超の溝(フルート)を持つこともありますが、一般的な金属切削用ドリルは2溝です。改良型切れ刃を持つドリルは多刃工具に分類されます。
双刃工具のメリット
- 加工時の衝撃・振動を吸収する。
- 固定切削要素を生成可能。
- 単一刃と異なり2刃が同時作業。
双刃工具のデメリット
- 刃先が変形しやすい。
- 工具精度の問題が生じやすい。
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#3 多刃工具(マルチポイント切削工具)
画像出典:fastenersweb.com
3枚以上の切れ刃が1パスで同時切削。2枚刃カッターも多刃に含める見方もあります。切れ刃数は3枚から数百枚まで。すくい面と逃げ面の交線に切れ刃があるため、各切れ刃ごとにすくい面・逃げ面が必要です。
代表例はフライスカッター。フライスカッター(エンドミル等)を除き、ほぼ全てが多刃工具です。小径エンドミルで3枚、大型重切削カッターで40枚程度まで様々です。
多刃工具のメリット
- 1刃あたりのチップ負荷が小さい。
- 高速・高送り・大切り込みが可能。
- 材料除去率と生産性が高い。
多刃工具のデメリット
- 設計・製作が複雑。
- 他タイプより高価。
- 本質的に断続切削となる。
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工具運動による分類
#1 並進運動(トランスレート運動)
物体の全粒子が平行移動する運動。旋盤で使用。
#2 往復運動(レシプロ運動)
上下または前後の直線往復運動。整形盤(シェーパー)で使用。
#3 回転運動(ロータリー運動)
固定軸周りの回転運動。フライス盤、ボール盤で使用。
一般的名称による分類(詳細)
#1 ドリル
円孔あけや締結用。ビット(ドリルビットまたはドライバーチャック)を装着。近年はコードレスバッテリー式が主流。ボール盤、フライス盤、旋盤に取り付けて穴あけ加工に使用。木工、金属加工、建設、工作機械製造、ユーティリティ工事など幅広く用いられます。
#2 フライスカッター
フライス盤やマシニングセンタでフライス加工(稀に他機械も)に使用。工具自体の移動(ボールエンドミル等)や、工具形状による直接切削(ホブカッター等)で材料除去。
#3 フライスカッター(フライカッター)
平面仕上げ用の回転工具で、1枚以上の単一刃工具を装着。フライカッターは単一刃工具を特殊ホルダに取り付けたもの(旋盤バイトに類似)。広い平面加工にフライス盤で使用。手動フライス盤・マシニングセンタでアーバー不要。
#4 シェーパー(整形盤)バイト
単一刃で、旋盤バイトと同様にクリアランス角、すくい角等を持つ。しかし切削行程開始時の衝撃に耐えるため、より剛性が高く重厚。鋳鉄と鋼での横逃げ角はそれぞれ2°と4°程度。主材料はハイスだが、硬い材料には耐衝撃性超硬チップ付きも使用。整形盤で工作物に精密な形状・精度を与える。
#5 プレーナー(平削り盤)バイト
平削り盤では単一刃のみ使用。形状・工具角は旋盤・シェーパーバイトに類似だが、より重厚で断面大。粗い送りで長い切削行程の重切削に対応。ソリッド、鍛造、ビット(超硬、ステライト、ハイス製)の3タイプ。
#6 ボーリングバー
金属加工・木工で常用。建設では数世紀前から木工の穴あけとして用いられる。木工では円形プランジカットに使用。金属では必ずしも円孔でなく、Z軸でプランジしながらX-Y軸でドラッグして真円孔を得る。
#7 リーマ
下穴(ドリル・ボーリング・コア穴)を拡大・仕上げ、良好な面粗度と精密寸法を得る工具。比較的少量の材料除去を行う多歯カッター。刃面はストレート、弱ねじれ、強ねじれのフルートがあり、高精度に研削される。用途・設計・形状で細分類可能。ボール盤でリーマ加工に使用。
#8 ブローチ
工具長手方向に複数の独立した切れ刃(切れ歯)を配列。隣り合う歯の段差が送り量に相当。主材料はハイス(HSS)。工具の直線運動速度が切削速度。切れ刃の輪郭が加工面形状を決定。ブローチ盤で使用。
#9 ホブ
画像出典:dictoolsindia.com
工作物に歯を切る工具。ヘリカル切れ刃を持つ円筒形。溝が全長にわたり切削・切りくず排出を助ける。スプロケット、スプライン等特殊ギア用ホブも存在。ホブ盤でホブ加工に使用。
#10 砥石(グラインディングホイール)
研削・加工用の研磨剤化合物を含有。砥粒が切削能力を持ち、所望の寸法精度と面粗度で仕上げ。研削盤で使用。消耗品だが、用途により数時間〜数年の寿命。切削とともに鈍った砥粒がドラッグ増大で離脱・更新される。
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切削工具形状による分類
#1 ソリッド(一体型)
旋盤のバイトとして旋削加工に典型的に使用。
#2 チップ付き工具(ティップドツール)
本体と切削部で材料が異なる。クランプ、溶接等で接合。超硬チップ付きバイト等が典型。
#3 先端工具(ポイントツール)
刃先が鋭く、全刃が1線に集まる。ホルダ付きダイヤモンド、超硬ポイント工具等。
#4 粒度(グレインサイズ)
砥粒の大きさと量で分類。微粒→より多く除去。粗粒→より多く除去(原文矛盾あり、一般に微粒は仕上げ、粗粒は荒取り)。砥石等の研磨型工具に適用。
#5 工具ビット(ツールビット)
回転しない工具。整形盤・平削り盤で工作物を成形。単一主溝のみ。鋳造非鉄サテライトコバルト、ホルダ付き旋盤バイト等が例。
切削工具材料による分類
#1 高炭素鋼
高炭素で高硬度環境に対応。但高温で硬度低下。400℃まで構造・組織維持可能。
#2 ハイス(高速度鋼:HSS)
高速切削対応。コバルト、タングステン、クロム合金鋼。550〜650℃で作業可能。強靭・耐熱性に優れ、丸鋸刃、ドリルビット等に採用。
#3 セラミック工具
耐熱性最高レベルで最硬質工具の一つ。作業温度1160〜1210℃。旋盤・フライス盤で使用。
#4 超硬合金(セメンテッドカーバイド)
チタン、タングステン等含有。高強度・高硬度。耐摩耗性向上、900〜1000℃対応。
#5 ダイヤモンド
現在最強材料。応力・摩耗・温度耐性に優れる。難削・高硬度材の切削に使用。
#6 研磨剤(アブレッシブ)
鋸歯切削でなく、研削・浸食で材料除去。硬く粗い材料で接触面を摩耗除去。砥石が基本形。
まとめ
以上、「切削工具の種類」について解説しました。漏れやご質問はコメントでどうぞ。面白ければシェアをお願いします。
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