CNCフライス盤における切削力効率を低下させる要因

CNCフライス盤で金属切削を行う際、工具がワークに切り込み、ワーク材料を変形させて切りくずにするために必要な力を切削力と呼びます。切削力は切削動力計算、工具・工作機械・治具設計、切削条件策定の重要な基礎です。自動化生産では、切削力で切削プロセスと工具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フライス盤切削力の発生源

切削力の発生源は、一方面では切りくず形成過程での弾性変形と塑性変形による抵抗、他方面では切りくずと工具すくい面の摩擦抵抗、ワークと工具逃げ面の摩擦抵抗です。

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・計算を容易にし、工作機械・治具・工具設計と工程分析のニーズを満たすため、Fはしばしば互いに直角な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の主運動方向への投影で、方向は基準面に垂直です。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（N/mm）で計算可能：Fc=kc·A_D=kc·h·D_b=kc·a_p·f。

(2) 後方分力Fpは総切削力Fの送り方向に垂直な分力です。ワーク変形を引き起こし、システム振動を生じさせる主要因です。

(3) 送り分力Ffは総切削力Fの送り運動方向における切削分力です。工作機械送り機構と床送り動力の設計・チェックの主要基礎です。

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·sinκ_r；Fp=FD·cosκ_rです。

3. CNCフライス盤の切削動力

切削動力とは切削プロセス中に切削力によって消費される動力で、P_mで表し、単位はkWです。外径旋削時、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の動力消費割合が小さい（わずか1〜5%）ため、一般にFfの動力消費は無視でき、Fpは仕事をしないため、P_m=Fc·υ_c×10^-3の式が得られます。ここでFcは主切削力（N）、υ_cは切削速度（m/s）です。

工作機械伝達効率を考慮すると、切削動力P_mから工作機械モータ出力P_Eが得られます：P_E≥P_m/η、ηは工作機械伝達効率で、一般に0.75〜0.85です。

CNCフライス盤切削力に影響する主要因子

1. CNCフライス盤ワーク材料の影響

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、可塑性が大きいほど工具との摩擦係数も大きく、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、切りくず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フライス盤切削量の影響

(1) 切込み量a_pと送り量f。

fとa_pが増加すると切削面積が増え、主切削力も増加しますが、影響度は異なります。旋削では、a_p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%増加するのみです。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、切込み量を増やすより送り量を増やす方が有利です。

(2) 切削速度υ_c。YT15超硬工具で45鋼を加工（a_p=4mm、f=0.3mm/r）時の切削速度が切削力に与える影響曲線。塑性金属切削時、ビルトアップエッジ領域ではビルトアップエッジ成長により工具実すくい角が増加し、切りくず変形が減少して切削力が減少；逆にビルトアップエッジ減少で切削力増加。ビルトアップエッジがない場合、切削速度υ_c上昇で切削温度上昇、すくい面摩擦減少、変形減少、切削力減少。したがって生産では生産性向上のため高速切削がよく用いられます。脆性金属切削時、υ_c増加で切削力はわずかに減少します。

3. CNCフライス盤工具幾何パラメータの影響

(1) すくい角。すくい角が切削力に与える影響は最大です。塑性金属切削時、すくい角増加で被削材の押出変形と摩擦が減少し、切りくず排出がスムーズになり、総切削力減少；脆性金属切削時、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。鋭利な切れ刃に負ランドを研削すると刃先強度が増し、工具寿命延長になりますが、このとき被削金属変形が増加し、切削力が増加します。

(3) 切込み角。切込み角の切削力への影響は、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。切込み角は主切削力Fcへの影響は小さいですが、後方分力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反力です。F'p=F'D·cosκ_r、F'f=F'D·sinκ_rなので、切込み角κ_rを増やすと送り分力F'fが増加し、後方分力F'pは減少します。細長ワーク旋削時、ワーク曲げ変形を減らす・防止するためにより大きな切込み角を選択できます。

4. その他の要因の影響：工具とワーク材料間の摩擦

同一切削条件下で、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。切削プロセスで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激しくなり、切削力が大きくなります。