創成点固定による小径ボールエンドミル加工の高精度化
－切削抵抗３分力の測定－
小島 龍広*1，扇谷 保彦*2，矢澤 孝哲*2，吉村 太志*2
*1長崎大学工学部教育研究支援部，*2長崎大学工学部機械システム工学科
1. 緒 言
近年，ＮＣ工作機械の高速化や切削工具の性能向上などに伴い，金型などの微細形状加工には小径ボールエンドミルに よる切削加工が増えている．しかしながら，小径ボールエンドミルは加工時の切削抵抗によって工具がたわみ易く，加工 精度に大きな影響を及ぼす．本研究は，小径ボールエンドミル加工において，創成点の位置を工具切れ刃上の特定の箇所 に固定した切削を行うことにより，工具たわみの変化を抑制することで，加工精度の向上を図ることを目的としている．
本報告では，プリハードン鋼を用いて創成点の位置を固定した切削を行い，切削抵抗３分力を測定した結果を述べる．
2. 工具切れ刃上の創成点を固定した切削方法
図１は工具が工作物を３軸制御加工で創成する様子を２次元で示している．図の工具位置において，工具切れ刃上の創 成点の位置をそれぞれa，b，cとする．工具に作用する切削抵抗を，創成点において加工面の法線方向の力Ｆと単純化し て考えると，切削条件が一定ならば力Ｆも一定である．このとき力Ｆの工具軸直角方向分力Fa，Fb，Fcが工具をたわま せる力とみなすことができる．工具送りを図のように与えた場合，３軸制御加工では工作物形状（勾配）に応じて創成点 の位置が切れ刃外周部aから先端部cの方へと移動する．このため工具軸直角方向分力も図のFa＞Fb＞Fcのように変化 する．この工具軸直角方向分力に工具たわみ量は比例するので，創成点の位置が変化することで工具たわみ量も変化する．
図２は創成点を切れ刃上の特定の箇所に固定し，４軸制御加工で創成する様子を示している．創成点の位置を特定の箇 所に固定し工具姿勢を変化させながら切削すると，工具軸直角方向分力Fa，Fb，Fcを一定に保つことができる．それゆ え工具たわみ量も一定に保たれる．すなわち，工具切れ刃上の創成点を特定の箇所の一点に固定し，工具たわみ量を一定 に保ちながら切削を行えば，加工精度の向上が期待できる．
3. 実験方法
実験に使用した工作機械は，CNC 円テーブルを付加し４軸制御仕様とした立型３軸制御マシニングセンタである．図 ３に切削実験の様子を示す．工具にはR=0.5mmの超硬ボールエンドミルを用い，工具の突出し長さは15mmに設定した．
被削材にはプリハードン鋼（NAK80：HRC40）を用い，３分力切削動力計（KISTLER：9251A）を介して工作物ホルダ に固定されている．切削実験では，工作物座標系x-y-zを図３のように設定し，工作物をCNC円テーブルで回転させ傾斜 面を直線切削した．この時，図４に示す工具切れ刃上の創成点Pとボール部中心を結んだ線が工具軸となす角をで表し，
図３ 切削実験の様子 図１ ３軸制御加工 図２ ４軸制御加工
切削力 工具送り
a b
c
Fa
Fb
Fc
F
F
F
工作物形状に応じて創成点の 位置が変化→たわみ量が変化
工具
工作物 創成点
切削力 工具送り
a b
c F
F
F
Fa Fb
Fc 創成点を切れ刃上の特定の 箇所に固定→たわみ量が一定
工具
工作物 創成点
ボ－ル エンドミル
切削動力計 工作物
ホルダ
CNC 円テ－ブル
工作物 回転
y z x
この角度に等しくなるように工作物を傾斜させている．工具創成点Pの位置は＝20°, 30°, 40°, 50°, 60°, 70°の６箇所を 用いて切削した．また，切削送りは y軸の上昇方向に行っており，ピックフィードはx軸負方向に与え，上向き切削を 行った．表１に切削条件を示す．実験では，創成点の位置および切込み量tが切削抵抗に及ぼす影響について検討した．
切削抵抗については，図４に示す３分力Fx, Fy, Fzを測定した．図５に３分力Fx, Fy, Fzの合力Fxyzの工具軸直角方向分
力Fxyzを示す．本報告ではこのFxyzが工具をたわませる力とみなし考察する．
4. 実験結果および考察
図６に切削抵抗３分力の時間波形の例を示す．表１の切削条件を基に，切込み量 t=0.15mm，創成点の位置を＝40°に 固定した切削を行い，動力計で得られた切削開始から終了までの切削抵抗を示している．３分力のピーク値の平均値は Fxは約2N，Fyは約3N，Fzは約5Nであり，３分力ともほぼ一定値となっている．この時間波形の各ピーク値の平均値 を用いて創成点の位置と３分力の関係を表したものを図７に示す．の増加に伴いFxとFzは若干増加しているがFy は逆に減少している．図８に創成点の位置および切込み量tとFxyzとの関係を示す．切込み量tがFxyzに及ぼす影響を
見ると，t=0.03mmの約2Nに比べてt=0.15mmでは約6Nと３倍程度大きくなっている．その一方で，創成点の位置が
Fxyzに及ぼす影響は，t=0.15mmではの増加に伴い1N程度増加しているもののt=0.03mmではあまり変化していない．
5. 結 言
工具創成点の位置を固定した小径ボールエンドミル加工において，被削材にプリハードン鋼（HRC40）を用い，創成 点の位置および切込み量が切削抵抗に及ぼす影響について検討した．その結果，今回の切削条件で切削する場合，切込み 量が大きくなると切削抵抗も大きくなる．その一方で，創成点の位置が変化しても切削抵抗の変化はあまり認められない．
謝 辞
本研究の一部は，日本学術振興会科学研究費補助金（奨励研究，課題番号22917019，平成22年度）の助成により行わ れたものであることを記し，謝意を表します．また，切削実験を行うにあたって，長崎大学工学部教育研究支援部 久田 英樹氏，前田政継氏にご協力頂きました．ここに記して深く謝意を表します．
図４ 創成点Pおよび３分力Fx, Fy, Fz 表１ 切削条件
図５ 工具軸直角方向分力Fxyz
図６ 切削抵抗３分力の時間波形 図７ 創成点の位置と３分力の関係 図８ 創成点の位置とFxyzの関係 工具半径: R 0.5 mm
刃数 2 枚 主軸回転数 24000 min-1 送り速度 1600 mm/min 一刃あたり送り量 0.033 mm/刃 切込み量: t 0.03, 0.15 mm ピックフィード量: d 0.05 mm 切削方式 上向き切削
工具送り 工具送り
t d
Fy P Fz
z y
ピックフィード
工具軸
R
工作物
工作物 切削動力計 工具
創成点 工具
Fx Fy
x y
工具 工具送り
Fx
Fy
Fz
Fxyz
Fxyz'
工作物 z
x y 0
F F
F z
x y
=0.15mm
[deg]
切削抵F F F [N]x, y, z t
抗
20 30 40 50 60 70
0 2 4 6 8
=0.15mm
[deg]
切削抵F [N]
=0.03mm t
t
xyz'抗
20 30 40 50 60 70
0 2 4 6
Fz 8
Fy Fx
切 削時 間 切F F F [N]削抵 x, y, z
[sec]
抗
0.12 0.24
0 0 2 4 0 2 4 0 2 4
