CNCフライス盤における切削力と生産効率の関係

CNCフライス盤で金属を切削する際、切削工具がワークに切り込み、ワーク材料を切りくずに変形させる力を切削力と呼びます。切削力は切削動力の計算、切削工具・工作機械・治具の設計、切削条件の策定における重要な基準となります。自動生産では、切削プロセスと切削工具の作業状態を切削力によって監視することもできます。

CNCフライス加工の切削力と切削動力

1. CNCフライス盤の切削力の発生源

一方では、切りくず形成過程における弾性変形と塑性変形による抵抗です。他方では、切りくずと工具すくい面、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・計算の容易さ、工作機械・治具・工具設計、プロセス分析のニーズに応えるため、Fはしばしば互いに直交する3つの切削成分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準です。Fcは経験式または単位切削力Kc（単位：N/mm²）で計算できます：Fc = Kc・ad = Kc・hd・bd = Kc・ap・f。

(2) 背分力Fpは、総切削力Fの送り方向に垂直な成分です。ワーク変形とシステム振動の主な要因となります。

(3) 送り分力Ffは、総切削力Fの送り方向における切削成分です。工作機械の送り機構設計と送り動力の主な基準となります。

切削力FはFcとFdに分解され、FdはFpとFfに分解され、その関係はFf = Fd・sinκr、Fp = Fd・cosκrとなります。

3. CNCフライス盤の切削動力

切削動力とは、切削過程で切削力が消費する動力を指し、Pmで表し、単位はkWです。外径旋削では、主切削力Fcと送り分力Ffが消費する動力の和です。送り分力Ffが消費する動力の割合は小さい（わずか1〜5%）、一般的にFfの消費動力は無視でき、Fpは仕事をしないため、Pm = Fc × vcとなります。ここでFcは主切削力（N）、vc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出力Peを計算できます：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とします。

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。脆性材料を加工する場合、塑性変形が小さく、切りくずと工具すくい面の摩擦が小さいため、切削力は小さくなります。

2. 切削条件の影響

(1) 切込み深さapと送り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、影響度は異なります。旋削では、apを2倍にすると主切削力も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、切削過程で主切削力と切削動力を考慮する場合、切込み深さを増やすより送りを増やす方が有利です。

• 切削速度vc。

YT15超硬工具で45鋼を加工（ap=4mm、f=0.3mm/rev）する際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、切りくず溶着領域では、切りくず溶着の成長により工具の実すくい角が大きくなり、切りくず変形が減少し切削力が減少します。逆に切りくず溶着の減少は切削力を増加させます。切りくず溶着がない場合、切削速度vcの増加に伴い切削温度が上昇し、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用いられます。脆性金属を切削する場合、vcが増加しても切削力はわずかに減少するのみです。

3. 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。塑性金属を切削する場合、すくい角を大きくすると被削材の押出し変形と摩擦を減らし、切りくず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顕著ではありません。

(2) マイナス面取り。鋭利な切れ刃にマイナス面取りを施すと刃先強度が向上し工具寿命が延びますが、この時被削金属の変形が増加し切削力が増加します。

(3) 主切込み角。主切込み角の切削力への影響は、主に切削厚と工具先端円弧長の変化を通じて変形に影響し、結果として切削力に影響します。主切込み角は主切削力Fcにはあまり影響しませんが、背分力Fpと送り分力Ffの比率には明確な影響があります。F'dはワークから工具への反力です。F'p = F'd・cosκr、F'f = F'd・sinκrであるため、主切込み角κrを大きくすると送り分力F'fが増加し、背分力F'pが減少します。細長ワークを旋削する場合、より大きな主切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：切削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、セラミック工具の順です。切削過程で切削液を使用すると切削力を低減でき、切削液の潤滑性能が高いほど切削力低減効果は顕著です。摩擦が大きいほど工具摩耗は深刻になります。