ボーリングマシンの精密加工におけるメリットと仕様を徹底解説

ボーリングマシンの仕様

要素と工具ビットの間の寸法は2軸周りで変更可能で、内面を垂直・水平両方向に切削できます。切削工具は通常単一刃で、M2およびM3ハイス鋼またはP10およびP01超硬合金製。ヘッドを回転させることでテーパー穴加工も可能です。

ボーリングマシンは様々なサイズとスタイルがあります。小物は旋盤で、大物はボーリングマシンで加工します。ワークの典型的な直径は1〜4メートル（3フィート3インチ〜13フィート1インチ）ですが、最大20メートル（66フィート）まで対応可能です。電力需要は最大200馬力（150kW）に達します。

穴の冷却はボーリングバーの空洞通路を通じて行われ、クーラントが自由に流れます。タングステン合金ディスクがストラップに密封され、ボーリング時の振動と振れを抑制します。制御システムはコンピュータベースで、自動化とより高い一貫性を実現します。

なぜボーリング加工が必要なのか

ドリル加工は既存穴の公差を縮小することを目的とするため、いくつかの設計上の考慮事項があります。まず、穴の大径長さは切削工具のたわみにより推奨されません。次に、通り穴が止まり穴（ワーク厚みを貫通しない穴）より好まれます。

これらの要因により、ドリル加工と深穴加工は本質的に困難な分野であり、特殊工具と技術が必要です。それでも、印象的な精度で深穴を生み出す技術が開発されています。ほとんどの場合、切削ポイントが径方向に対向し、それらのたわみ力が相殺し合う多点切削に関係します。

通常、切削刃近くの穴に圧力下で切削液を工具を通じて供給することも含まれます。ガンドリルとキャノンドリルは古典的な例です。これらの加工技術は、当初は銃砲身と大砲身の製造のために開発されましたが、現在では多くの業界で広く生産に使用されています。

ボーリング加工の仕組み

CNCコントローラーには様々な定数ボーリングサイクルが用意されています。これらはプログラムされたサブプログラムで、工具を連続切削→退避→送り→切削→退避→開始位置復帰などの動作で移動させます。

外径旋削で発生するほとんどの旋削操作は、ボーリング加工でも見られます。外径旋削ではワーク長さが工具突き出しに影響せず、工具ホルダーサイズを操作中に生じる力と応力に耐えられるものに選択できます。しかし、内径旋削やボーリングでは、工具の選択がワーク穴の直径と長さによって大きく制限されます。

すべての加工に適用される一般則は、最高の安定性と精度を得るために工具突き出しを最小限に抑えることです。ドリル加工では穴の深さが突き出しによって決まります。より大きな工具径を使用すると安定性が向上しますが、チップ排出と半径方向移動のためにワークの穴径分のスペースを考慮する必要があるため、それでも可能性は限られます。

ボーリングの安定性制限は、生産計画と準備時に特別な注意を払う必要があるため設定されています。工具形状と選択された切削条件が切削力に与える影響、様々なタイプのボーリングバーと工具クランプが安定性に与える影響を理解することで、振動を最小限に抑えることができます。

切削力の重要性

切削時に接線力と半径方向切削力が工具をワークから押し離そうとし、たわみを引き起こします。

接線力は工具を下方と中心線から離れる方向に押します。穴の内径の曲率により、逃げ角も減少します。したがって、小径穴では特にインサートの逃げ角が十分で、工具と穴壁の接触を避けることが重要です。

半径方向たわみは切込み深さを減少させます。径精度に影響するだけでなく、切削力の変化に伴いチップ厚も変化します。これにより、刃先から工具ホルダーに伝わる振動が生じます。工具の安定性とクランプが振動量と、それが増幅されるか抑制されるかを決定します。

切削力に影響を与える要因

● インサート形状

インサート形状は切削プロセスに決定的な影響を与えます。ポジティブインサートはポジティブすくい角を持ちます。刃先角と逃げ角の合計は90度未満。ポジティブすくい角は接線切削力を低減しますが、逃げ角または刃先角を犠牲にします。

逃げ角が小さいと工具とワークの摩耗リスクがあり、摩擦が振動を引き起こす可能性があります。すくい角が大きく刃先角が小さい場合、より鋭い切れ刃が得られます。鋭い切れ刃は材料により容易に食い込みますが、刃先やその他の不均一摩耗により損傷しやすくもなります。

刃先摩耗はインサート形状の変化を意味し、逃げ角を減少させます。したがって、仕上げ加工ではワークの要求表面仕上げがインサート交換のタイミングを決定します。一般的に、仕上げでは刃先摩耗0.004〜0.012インチ、荒加工では0.012〜0.040インチが目安です。

● すくい角

すくい角は切削力の軸方向と半径方向成分に影響します。小さいすくい角は大きな軸方向切削力成分を生み、大きなすくい角はより大きな半径方向切削力をもたらします。

軸方向切削力はボーリングバーに沿って方向付けられるため、操作への悪影響は最小限。振動を避けるためには小さいすくい角を選ぶのが望ましいですが、すくい角はチップ厚とチップ流れ方向にも影響するため、妥協が必要になることがよくあります。

小さいすくい角の主な欠点は、切削力が大きなすくい角よりも短い切れ刃区間に分散されることです。また、刃先がワークに出入りする際に急速な負荷と解放が繰り返されます。

ボーリングは通常、事前加工された穴で軽切削として実行されるため、小さいすくい角は一般的に問題になりません。15度以下のすくい角が通常推奨されます。ただし、15度のすくい角では、半径方向切削力が0度の場合のほぼ2倍になります。前ページに示した典型的なボーリングバーは、すくい角0度のインデキサブルインサートを使用しています。

● ノーズ半径

インサートのノーズ半径も切削力の分布に影響します。コーナー半径が大きいほど、半径方向と接線方向の切削力と振動の発生が大きくなります。ただし、これは半径方向切削力には当てはまりません。工具の半径方向たわみは、切込み深さとチップ半径の関係によって影響されます。

切込み深さがチップ半径より小さい場合、半径方向切削力は切込み深さの増加とともに増加します。切込み深さがチップ半径以上の場合、半径方向たわみはすくい角によって決まります。

したがって、切込み深さよりわずかに小さい頂点半径を選ぶのが良い考えです。これにより、最大コーナー半径の利点（より強い切れ刃、より良い表面仕上げ、切れ刃へのより均一な圧力）を活用しながら、半径方向切削力を最小限に抑えられます。