CNCフライス盤における切削力効率に影響を与える主要因

CNCフライス盤で金属を切削する際、工具がワークに切り込みワーク材料をチップに変形させるために必要な力を切削力と呼びます。切削力は切削動力の計算、工具・工作機械・治具の設計、切削条件の策定の重要な基礎となります。自動化生産では、切削力を用いて切削プロセスと工具の作業状態を監視することもできます。

CNCフライス盤の切削力と切削動力

1. CNCフライス盤の切削力の発生源

切削力の発生源は、一方面ではチップ形成過程での弾性変形と塑性変形時に生じる抵抗、他方面ではチップと工具すくい面の間の摩擦抵抗、およびワークと工具逃げ面の間の摩擦抵抗です。

2. 切削力とその分解

切削時の総切削力Fは空間力です。測定と計算を容易にし、工作機械、治具、工具設計、プロセス分析のニーズを満たすため、Fはしばしば互いに直交する3つの切削分力Fc、Fp、Ffに分解されます。

(1) 主切削力Fcは、総切削力Fを主運動方向に投影したもので、その方向は基面に垂直です。Fcは工作機械動力、工具強度、治具設計、切削条件選定の重要な基礎です。Fcは経験式または単位切削力kc（単位：N/mm）で計算できます：Fc=kc・Ad=kch・Db・D=kcap・f。

(2) 背分力Fpは、総切削力Fを送り方向に垂直な成分力です。ワーク変形とシステム振動を引き起こす主要因です。

(3) 送り分力Ffは、総切削力Fを送り運動方向に投影した切削分力です。工作機械送り機構と工作機械送り動力の設計・チェックの主要な基礎です。

切削力は総切削力FをFcとFDに分解し、FDをFpとFfに分解します。それらの関係はFf=FD・sin(kr)、Fp=FD・cos(kr)です。

3. CNCフライス盤の切削動力

切削動力とは、切削過程で切削力によって消費される動力を指し、Pmで表し、単位はkWです。外径旋削の場合、主切削力Fcと送り分力Ffの動力消費の合計です。送り分力Ffの動力消費は非常に小さい（わずか1〜5%）、一般的なFfの動力消費は無視でき、Fpは仕事をしないため、式Pm=Fc・υc×10⁻³（注：原文の式に単位換算の誤りあり、修正）が得られます。ここでFcは主切削力（N）、υcは切削速度（m/s）です。

工作機械の伝達効率を考慮すると、切削動力Pmから工作機械のモータ定格出力PEが得られます：PE≥Pm/η、ここでηは工作機械の伝達効率で、一般的に0.75〜0.85です。

CNCフライス盤の切削力に影響を与える主な要因

1. ワーク材料の影響

ワーク材料の強度と硬度が高いほど、切削変形はわずかに減少しますが、総切削力は依然として増加します。加工強度と硬度が類似した材料では、塑性が大きいと工具との摩擦係数も大きくなるため切削力が増加します。脆性材料では塑性変形が小さいため、チップと工具すくい面の摩擦が小さく、切削力は小さくなります。

2. CNCフライス盤の切削条件の影響

(1) 切り込み深さapと送り量f

fとapが増加すると切削面積が増え主切削力も増加しますが、影響の度合いは異なります。旋削では、apを2倍にすると主切削力は約2倍になります；fを2倍にすると主切削力は68%〜86%しか増加しません。したがって、切削プロセスで主切削力と切削動力を考慮する場合、切り込み深さを増やすよりも送り量を増やす方が有利です。

(2) 切削速度υc

YT15超硬合金工具で45鋼を加工する場合（ap=4mm、f=0.3mm/r）の切削速度が切削力に与える影響曲線。塑性金属を切削する場合、ビルトアップエッジ領域ではビルトアップエッジの成長が工具の実効すくい角を増やし、チップ変形を減らし、切削力を減らします；逆にビルトアップエッジの減少は切削力を増やします。ビルトアップエッジがない場合、切削速度υcが増加すると切削温度が上昇し、すくい面摩擦が減少し、変形が減少し、切削力が減少します。したがって、生産性向上のために高速切削がよく使用されます。脆性金属を切削する場合、υcが増加しても切削力はわずかに減少します。

3. CNCフライス盤工具の幾何学的パラメータの影響

(1) すくい角

すくい角は切削力に最も大きな影響を与えます。塑性金属を切削する場合、すくい角を増やすと被削材の押出変形と摩擦を減らし、チップ排出をスムーズにし、総切削力を減らせます；脆性金属を切削する場合、すくい角の切削力への影響は明確ではありません。

(2) 負ランド（ネガティブチャンファ）

鋭利な切削刃に負ランドを研削すると、刃先強度が増して工具寿命が延びますが、このとき被削材の変形が増加し切削力が増加します。

(3) 切り込み角

切り込み角が切削力に与える影響は、主に切削厚さと切れ刃先端円弧長の変化を通じて変形に影響し、それにより切削力に影響します。切り込み角は主切削力Fcに対する影響は小さいですが、背分力Fpと送り分力Ffの比率には顕著な影響があります。F'Dはワークが工具に及ぼす逆推力です。F'p=F'D・cos(kr)、F'f=F'D・sin(kr)であるため、切り込み角krを増やすと送り分力F'fが増加し、背分力F'pが減少します。細長いワークを旋削する際、より大きな切り込み角を選択してワークの曲げ変形を減らしたり防止したりできます。

4. その他の要因の影響

工具とワーク材料の摩擦

同一切削条件下では、ハイス工具の切削力が最大、次いで超硬工具、セラミック工具が最小です。切削時に切削液を使用すると切削力を減らせ、切削液の潤滑性能が高いほど切削力低減効果が顕著です。工具逃げ面摩耗が激しいほど摩擦が大きくなり、切削力が増加します。