CNC工具寿命の理解：正確な評価と最適化

CNC加工において、工具寿命とは工具先端がワークを切削し始めてから、工具先端が廃棄されるか、または実際のワーク表面長さになるまでの時間を指します。工具先端加工時間は工具メーカーが工具寿命を計算する主要評価指標です。

一般工具の寿命は、各刃の連続加工で15〜20分です。工具寿命はメーカーが実験室の比較的理想的な条件下で測定します。異なるワーク材料の切込み深さと送りに応じて、各刃を15〜20分連続加工し、対応する切削速度と送りの関係を計算して対応する切削パラメータ表を作成します。したがって各社の切削データ表も異なります。

1. 工具寿命は向上可能か？

工具寿命が15〜20分しかないなら、さらに向上可能か？明らかに工具寿命は容易に向上可能ですが、切削速度を犠牲にすることになります。切削速度が低いほど工具寿命増大は顕著です（ただし切削速度が低すぎると加工時振動が工具寿命を減少させます）。

2. 工具寿命向上に実用的意義はあるか？

ワーク加工コストにおける工具コスト割合は非常に小さいです。切削速度を下げても工具寿命が延びても、工具で加工できるワーク数が必ずしも増えるとは限らず、ワーク加工コストが増加します。

工具寿命をできるだけ確保しながら、できるだけ多くのワークを加工できるようにすることが意味を持ちます。

3. 工具寿命に影響する要因

1. 切削速度

切削速度は工具寿命に大きな影響を与えます。指定切削速度の20%超過で工具寿命は半分に、50%超過で元の1/5になります。工具寿命向上には、各ワークの材料、状態、各工具の切削速度範囲を知る必要があります。各社工具の切削速度は異なります。各社提供の関連サンプルから予備調査し、加工中に具体状況に応じて調整すれば、比較的理想的な効果が得られます。荒加工と仕上げ加工の切削速度データは異なります。荒加工は主に余代除去で切削速度低め、仕上げは寸法精度と粗さ確保が主で切削速度高めです。

2. 切込み深さ

切込み深さは切削速度ほど工具寿命に影響しません。各溝には比較的大きな切込み深さ範囲があります。荒加工では切込み深さを可能な限り大きくし、大きな除去率を確保します。仕上げでは寸法精度と表面品質確保のため切込み深さを可能な限り小さくします。しかし切込み深さは溝の切削範囲を超えてはいけません。切込み深さが大きすぎると工具が切削力に耐えられずチッピングします。小さすぎると工具がワーク表面で擦りと押し付けのみを行い、逃げ面が激しく摩耗し工具寿命を低下させます。

3. 送り

切削速度と切込み深さと比較して、送りは工具寿命への影響は小さいですが、ワーク表面品質への影響は大きいです。荒加工では送り増加で除去率向上、仕上げでは送り減少で表面粗さ改善。粗さ許容範囲なら送りを可能な限り増やし加工効率向上を図れます。

4. 振動

3切削要因以外に、振動は工具寿命に大きな影響を与えます。振動原因は機械剛性、治具剛性、ワーク剛性、切削パラメータ、工具溝、工具先端R、逃げ角、工具シャンク突出し長さなど多岐にわたりますが、主因はシステム剛性が加工時切削力に耐えられず、工具がワーク表面で連続振動することです。振動除去・低減には総合的考慮が必要です。ワーク表面振動は工具とワークの連続ノックと理解でき、正常切削ではなく、工具先端に微小クラックとチッピングを生じさせ、これらが切削力を増大させ振動をさらに悪化させ、クラックとチッピングをさらに増大させ、工具寿命を大幅に短縮します。

5. インサート材質

ワーク加工時、主にワーク材料、熱処理要求、断続加工要否を考慮します。例えば鋼加工用インサートと鋳鉄加工用インサートは必ずしも同じではなく、硬度HB215とHRC62用も異なり、断続加工用と連続加工用も異なります。鋼部品には鋼用、鋳物には鋳鉄用、焼入れ硬鋼にはCBNインサートなど。同一ワーク材料でも連続加工なら高硬度インサートで切削速度向上、工具先端摩耗低減、加工時間短縮。断続加工なら靭性重視インサートでチッピング等異常摩耗低減、工具寿命延長。

6. 使用刃数

工具使用中に大量発熱し刃先温度が大幅上昇しますが、非加工時や冷却水冷却で刃先温度低下するため、刃先は常に高温域にあり、連続熱膨張収縮で微小クラックが発生します。第1刃使用時は工具寿命正常ですが、インサート使用刃数増加につれクラックが他切れ刃に広がり、他刃寿命を低下させます。

4. 工具寿命範囲内の加工ワーク数を増やせるか？

工具寿命が15〜20分しかないため、工具の実効切削長が工具寿命範囲内の実際加工ワーク数を決定します。ワークスループット増加とは個別ワーク加工時間と切削長短縮を意味します。工具切削パラメータを適切に調整することでワーク加工時間を短縮できます：

1. 合理的切削速度範囲内で適切に切削速度増加。ワーク切削長は減らせないが加工時間短縮可能。
2. 切込み深さ増加で荒加工回数とワーク実効切削長減少、加工時間短縮。
3. 適切に送り速度増加で切削長実効減少、加工時間短縮。