CNC加工における切り込み深さの習得：精密計算と制御

CNC加工操作があなたの部品完成に必要な方法だと決めたなら、切り込み深さ（DOC）は加工製品の品質に影響するトップ3の最重要パラメータの一つであることを知っておく必要があります。

この記事では、機械加工における切り込み深さの意味、制御が必要な理由、切りくず厚と切り込み深さの違い、計算方法を理解するのに役立ちます。

加工プロセスにおいて、切り込み深さとは単純に切削工具がワークピースにどれだけ深く入り込み、切りくずを作成するために切削するかです。理想的な切削プロセスでは、CNC切削工具がワークピース表面の一定の深さで左に動くと、切りくずが生成されます。この深さを切り込み深さまたはDOCと呼びます。同様のシンプルな応用が必要な場合、チョコレートカールやチョコレート削りがどのように切削されるかを見てみてください。

切り込み深さの値はインチまたはミリメートルで測定され、通常0.1〜1mmの範囲で変化します。

なぜ機械加工で切り込み深さを制御する必要があるのか？

切り込み深さは機械加工プロセスに直接影響します：

• 工具先端での温度上昇；
• 工具摩耗率；
• 加工製品の強度；
• 機械加工表面の品質。

例えば、焼鈍金属では加工硬化金属よりも加工プロセスでビルトアップエッジ（BUE）形成の傾向があります。BUE切りくずタイプは工具先端に切りくずの層が蓄積するものです。したがって、切り込み深さが深すぎると、制御不能なBUEも表面仕上げに悪影響を与えます。

切り込み深さが他の加工要因とどう相互作用するか？

切り込み深さはオペレーターによって制御される独立した加工要因の一つですが、他の要因と相互作用し、ワークピースの結果としての表面とその特性に影響を与えます。

切り込み深さと冷却液

切り込み深さを減らすと切りくずの曲率が減少し、切りくずがより巻きやすくなります。この場合、工具先端で熱が上昇すると、冷却液を追加すればプロセスを冷やせると考えるかもしれません。

しかし、CNC冷却液を追加すると切りくずがさらに巻きやすくなり、工具と切りくずの接触が減少し、熱が工具に集中して工具摩耗を大幅に増加させます。この場合、チップブレーカーが役立つかもしれません。

切り込み深さ、すくい角、切削速度

もう一つの例は熱可塑性プラスチックの加工で見つかります。熱可塑性プラスチックは一般的に低熱伝導率と低弾性率を持ちます。これは、機械加工において工具先端での温度変動の影響を大きく受けることを意味します。切り込み深さ、すくい角、切削速度はすべて、温度上昇と工具先端でのガミーで粘着性のある切りくずの形成を避けるために互いに関連して調整する必要があります。

また、切り込み深さは切削速度と送りに並んで工具寿命に影響するトップ3パラメータの一つであることも知っておく価値があります。

切り込み深さの計算方法

異なる変数間の定量的関係を持つことの意義は、切り込み深さの計算、なぜ工具温度が高くなるのか？なぜ表面仕上げが悪いのか？なぜ切削工具が急速に摩耗するのか？など多くの疑問に答える際に明らかです。

切り込み深さを計算するには、以下のパラメータを指定する必要があります：

• 加工プロセスの種類（フライス、旋削など）
• ワークピース材料
• 工具先端特性
• マシン能力
• 要求される表面仕上げと公差

旋削プロセスにおける切り込み深さ

CNC旋削では、ワークピースが回転しながら工具がワークピースの長さ方向に移動して材料層を除去します。切り込み深さは送りまたは送り速度と同じで、工具が単位時間あたりワークピースの各回転で移動する距離であり、単位はmm/minです。

したがって、切り込み深さは除去される材料の厚さによって単純に定義でき、以下から計算できます：

（計算式は元記事の図を参照）

フライス加工プロセスにおける切り込み深さ

CNCフライス加工プロセスでは、工具が回転しながらワークピースは固定されています。切り込み深さは、工具が1回転でワークピースにどれだけ深く切り込むかです。一般的に、切削深さは直径20mm以上の大径工具では工具直径の4倍、より小さな工具直径では10倍です。

切りくず厚さ値と切り込み深さ値の比較

切りくず厚さと切り込み深さは同じではなく、同じ値を持たないため、これらを区別することが重要です。

これを説明するには、理想的な切削プロセスの図1を詳しく見る必要があります。切り込み深さの値（toで表記）は切りくず厚さ（tc）とは異なります。

図1：理想的な切削プロセス

切りくず除去プロセスは、明確に定義されたせん断面とせん断角φでせん断によって行われます（以下の図2で説明）。これにより、切りくず厚さの値は常に切り込み深さの値より大きくなります。

図2：切りくず形成の基本メカニズム

切削比 vs 切りくず圧縮比

切り込み深さと切りくず厚さの比率to/tcを切削比または切りくず厚さ比と呼び、（r）で表記され、以下のように計算できます：

（計算式は元記事の図を参照）

図1に示すように、せん断角φとすくい角αからも計算できます：

（計算式は元記事の図を参照）

ここで：

φ：せん断角
α：すくい角

この値の逆数を切りくず圧縮比または切りくず圧縮係数と呼び、切りくず厚さが切り込み深さと比べてどれくらいかを示します。

ボーナス：切り込み深さ vs 切削力と動力

切削力と動力を知ることはDOC計算において重要です。これらは以下のような重要なパラメータを提供できます：

• 急速な摩耗を避け、最高の効率と表面仕上げを提供するために必要な強度を持つ工具。
• 最小限の歪みでこれらの力に耐えられるワークピースホルダーと固定具。

必要な動力は単純に切削力と速度の積で、以下のように計算できます：

（計算式は元記事の図を参照）

ここでFcは「切削力」で、工具がワークピースを切削するために及ぼす力であり、工具速度Vと同じ方向に作用します。

総比エネルギーは、表面を切り抜くために必要なせん断力の総エネルギー（us）に、工具と表面間の摩擦を克服するために必要な摩擦比エネルギー（uf）を加えたものです。

（計算式は元記事の図を参照）

せん断比エネルギーと摩擦比エネルギーは切り込み深さに関連し、以下のように計算できます：

（計算式は元記事の図を参照）

切りくず速度は切削速度と以下のように関連します：

（計算式は元記事の図を参照）

したがって、特定のマシンパラメータがある場合、これらの式を逆算して切り込み深さを計算することも可能です。

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結論

切り込み深さは、加工プロセス開始前に考慮すべき非常に重要なパラメータです。前述の通り、切り込み深さの値は、機械加工力と比エネルギーなどの従属加工パラメータに直接影響します。これらの値を計算することは、ワークピースの強度と表面仕上げだけでなく、工具材料、固定具のタイプ、冷却剤の使用可能性にも影響します。