主要な機械加工プロセス：整形、旋削、穴あけ、フライス加工の基礎

この記事では機械加工プロセスの種類について解説します。主な種類は以下の4つです：1. 整形と平削り、2. 旋削と穴あけ、3. 穴あけ、4. フライス加工。実際の加工現場とその分析への理解が必要ですが、ここでは極めて基本的で一般的な加工操作のみを扱います。

1. 整形と平削り

材料除去の基本原理は両者で同じです。最大の違いは、整形では主運動（切削運動）が工具に与えられ送りがワークに与えられるのに対し、平削りではこれが逆になる点です。

切削動作は断続的で、前進ストローク時にのみ切削が行われます。工具（またはワーク）の復帰時に送り運動が行われ、この際は切削作用がありません。図4.34に切削ゾーンの詳細を示します。

実際の切削では、単位時間あたりのストローク数（N）、ストローク長（S）、快返比（R）（変位/ストローク）、切込み深さ（d）、工具角度が主要パラメータとなります。これらを基本加工パラメータに変換するには、断面図を示す図4.34を検討すれば十分です。

一般に直交切削条件は満たされませんが、ここでは直交切削の力学が適用可能と仮定して説明します。動力消費の面では、この仮定でもそれほど不正確ではありません。未切削厚と切削幅は以下の関係で与えられます。

ここでΨは主切れ刃角です。正面図（図4.34）からすくい角はα（正常すくい角とも呼ばれる）となります。図4.35は切削力と推力の成分を示しています。

切削分力F_Cはvと反対方向に作用し、推力F_Tは瞬間表面に垂直に作用します。F_Tはさらに送り分力F_fと加工面に垂直な分力F_nに分解できます。

材料除去率はLdƒNで与えられます（Lはワーク長、Nは単位時間あたりの切削ストローク数）。ワーク幅（B）、ワーク表面を下げる総深さ（H）、切込み深さ（d）、送り（ƒ）、単位時間あたりの切削ストローク数（N）がわかれば切削時間も算出可能です。総時間は以下の通りです。

2. 旋削と穴あけ

旋削は最も一般的な加工の一つです。回転体表面は通常この操作で生産され、平面は端面旋削で生産されます。すべての旋削加工は旋盤で行われます。主な旋削加工の種類は、(i) 円筒形および段付き円筒面の旋削、(ii) テーパー面および回転曲面の旋削、(iii) ねじ切り、(iv) 端面旋削と切断です。内面を加工する場合は一般に穴あけと呼ばれます。

穴あけ加工でも様々な内面回転体を生産できます。ここでは単純な旋削加工の力学について説明し、これを様々な特殊加工に拡張できます。図4.37aは単純な旋削操作を示し、この工具をバイトと呼びます。

この加工の詳細な幾何学は図4.37bに、バイトの各種視図と角度は図4.38に示されています。対応する基本加工パラメータは以下のように求められます。

ここでΨは側切れ刃角です。工具角度が指定されていれば法線すくい角αが求められます。一般に直交条件は満たされませんが、議論の範囲を限定するため直交切削を仮定します。切削速度は以下で与えられます。

Nはワークの単位時間あたり回転数、Dはワーク直径です。切込み深さdはDに比べて非常に小さいため、切削速度は切削幅全体で一定とみなせ、式（4.41）の値と等しいとできます。直交切削条件を満たすには切れ刃が速度ベクトルに垂直である必要があり、工具角度が満たすべき条件は以下のように示せます。

3. 穴あけ加工

最も一般的な穴あけ加工はドリル加工で、通常ツイストドリルを使用します。整形や旋削と異なり、2つの主切れ刃を持ちます。図4.41にドリル加工を示します。

ドリルの1回転あたりの総送り量（送り速度）がƒなら、各切れ刃の分担はƒ/2です。各刃は、もう一方の刃が180°先で仕上げた上面の未切削層を切削するためです（180°回転中のドリルの垂直変位はƒ/2）。未切削厚t₁と切削幅wは以下で与えられます。

rは法線すくい角を評価する切れ刃上の点の半径、Dはドリル公称直径、βは半先端角（図4.41b）、Ψはねじれ角（図4.42）です。

表4.12に典型的なドリル角度とパラメータを示します。

ドリル加工では切削速度や他のパラメータが切れ刃に沿って大きく変化し、現象は非常に複雑です。しかし、ここでは各切れ刃の中点に基づいて計算しています。ドリルに作用するすべての力の効果（図4.43）は、抵抗トルクMと推力Fで表せます。チゼルエッジでの作用は真の切削作用ではなく、楔のように材料に押し込む作用です。しかしチゼルエッジは回転軸上にあるためトルクへの影響は無視できます。

チゼルエッジの推力への寄与は大きいです。総推力Fは以下で表せます。

4. フライス加工

フライス加工は最も汎用性の高い加工で、ほとんどの形状を生成できます。回転対称性のない部品加工に特に不可欠です。旋削、整形、穴あけ工具とは異なり、フライス工具は多数の切れ刃を持ちます。カッタを取り付ける軸をアーバーと呼びます。

フライス加工は大きく横中ぐり（水平フライス）と立てフライス（垂直フライス）に分類されます。横中ぐりではカッタ軸が水平です。図4.44に一般的な横中ぐり操作を示します。横中ぐりは切削と送りの相対方向によりさらにアップカットとダウンカットに分けられます。図4.45aの配置がアップカットです。

切削と送りが同方向（図4.45b）の場合はダウンカットです。ダウンカットではワークがカッタに引き込まれる傾向があるため、アップカットの方が安全で一般的です。しかしダウンカットの方が仕上げ面が良く、工具寿命も長くなります。切れ刃がねじれていると切削が滑らかになり、より良い仕上げが得られます。これは切れ刃が徐々に噛み合うためです。

立てフライスではカッタ軸が垂直で、一般にワーク面に垂直です。図4.47aにストレートカッタを用いた平フライス加工のチップ形成を説明します。カッタ直径D、切込み深さdのとき、ストレート刃カッタでは直交切削となり、チップ形成の運動学は図4.47bのようになります。

すべての切れ刃が加工に参加するため、単一刃の作用のみを考慮すればプロセスの研究が容易になります。テーブル送り速度がƒ（mm/min）なら、1刃あたりの有効送り（mm）はƒ/(NZ)となります（Nはカッタ回転数、Zは刃数）。

ワーク単位幅あたりの材料除去率はƒdで与えられます。図4.47bから明らかなように、切れ刃前の未切削材料厚は徐々に増加し、表面付近で最大となり、その後急速にゼロに戻ります。送り速度がカッタ周速に比べて小さい場合は以下のようになります。

したがって、切削力成分F_CとF_T（図4.48参照）は、切れ刃が切削面を移動するにつれて方向も大きさも変化します。

ストレートカッタで切削する場合、カッタ軸方向の切削力成分はゼロです。平均未切削厚は最大値の半分とみなせます。したがって、

この未切削厚を用いてF_CとF_Tの平均値を近似的に求められます。F_Tは径方向に作用するためトルクを生まず、アーバートルクはF_Cのみによるものです。1刃によるトルクMはF_C(d/2)で、F_Cにほぼ比例します。図4.49は単一刃の作用によるアーバートルク（M）の回転に伴う変化を示します。

全体のトルク（M̅）を得るには、すべての刃によるモーメントを適切に重ね合わせる必要があります。これにより、(i) β < 2π/Z、(ii) β = 2π/Z、(iii) β > 2π/Z の3つの可能性が生じます。図4.50aにこれら3つの可能性を、図4.50bに対応するアーバートルクを示します。図4.50から、ストレート刃カッタでは力とアーバートルクに急激な変動があり、振動問題を引き起こす可能性がわかります。

ヘリカルカッタを使用すると、切れ刃とワークの接触が徐々に始まり徐々に終わります。この場合の単一刃によるアーバートルクと全体トルクは、それぞれ図4.51a、4.51bのタイプになります。加工動力はアーバー速度と平均全体アーバートルクの積で計算できます。平均推力はワーク・カッタ接触弧の中心半径線に沿って作用するとみなせます。