産業技術総合研究所 中国センター 大谷敏昭
１．緒言
黒セラミック工具は焼入れ鋼の連続切削において比較的優れた性能を示すことが報告されている1）が、その断続切削における性能についての報告は少ない。企業の現場での工作物は溝や穴の明いたものが多いため、断続切削における工具性能を明らかにすることが、当工具の実用性を評価するためには必要である。
このような観点から、当工具による焼入れ鋼の断続切削を行い、工具損傷特性を検討するとともに、欠損発生検出および予知の可能性を探るために、欠損発生時の切削抵抗およびAEの変化特性を検討した。
２．実験方法
被削材は、代表的な金型材であるSKD11鋼（焼入れ焼戻し材、硬度HRC60）を採用した。その形状は、断面に図1に示すような溝のある、直径70mm、長さ350mmの丸棒であり、それを旋盤（ジョージ・フィッシャー社製NDM25／50型）のチャックおよび心押しセンタで支持して外周切削を行った。表1に実験条件を示す。工具寿命は、ⅤＢ値が0.2mmに達した時または欠損発生時とした。同一条件で５回くり返し切削した。図２～図４における横棒付の寿命データは、平均値、最長値、最短値を示したものである。
切削抵抗は工具台を兼ねたキスラー社製9257A型検出器＋5007型アンプで、AEはホルダ後端に固定した富士セラミックス社製1045S型センサ＋減衰器（－40dB）＋N F社製 AE912型プリアンプ＋NF社製9640型データチェンバーで測定（合計増幅率は20dB）した。
３．実験結果
断続切削を行った全切れ刃において、ⅤＢ値が0.2mmに達する前に欠損が発生した。
３．１ 切削条件と工具寿命の関係
図2は、数種類の切削速度における、断続切削持と溝のない同材質同寸法の被削材の切削（すなわち連続切削）時の工具寿命を比較したものである。連続切削では主に摩耗で寿命に至り、切削速度が100m／min付近で寿命が最長になるのに対して、断続切削では何れも欠損により寿命となり、寿命値は連続切削の約10分の1以下であり、切削速度が250m／min付近で最長になることがわかる。
図3および図4は、切込みおよびチャンファ角度と工具寿命の間係である。切込みが0.1mm付近で、またチャンファ角度が25°付近で寿命が長いことがわかる。
また、送りが0.02mm／rev付近以上では寿命が低下したが、それ以下では寿命はほぼ一定だった。チャンファ幅が0.1mm以下では寿命が低下したが、それ以上では寿命はほぼ
一定だった。
３．２ 欠損発生時の切削抵抗およびAEの変化
工具の食付き時、切削中、工具の離脱時の何れにおいても欠損が発生した。図5は、それぞれの場合の背分力およびAE波形の変化例である。欠損発生により値が変化することがわかる。図にも示されているが、欠損発生により、切削抵抗は減少したがAE波振幅は減少する場合と増加する場合があった。なお、今回の実験においては全欠損数の約2分の1が切削中に発生した。
欠損形状は刃先付近を起点として、すくい面が剥離するものと、逃げ面が剥離するものとの2種類に大別された。工具の食付き時に発生した欠損形状は全て後者であり、被削材が最初に接触する地点（チャンファ面上）付近を起点とするものであったことより、被削材の打撃により欠損したものと考えられる。
図6は、欠損面積と欠損発生時の背分力変化率（欠損発生時の減少値／欠損直前の値）の関係である。かなりばらつきはあるが、欠損面積の増大につれて値が増加する傾向が認められる。
３．３ 欠損直前の背分力、送り分力の急増
実験を行った全切れ刃のうち約3分の2において、欠損直前に背分力および送り分力が急増した。図7は、背分力急増例を主分力の変化と同時に示したものである。この急増は、連続切削時に示された2）ような、工具刃先の変形によるものと考えられる。
４．結言
焼入れ鋼の断続旋削について、実験条件の範囲で得られた主な結果は以下の通りである。
①断続切削では工具は欠損で寿命に至り、その寿命は連続切削時の寿命の約10分の1以下であった。
②切削速度、切込み、送りおよびチャンファ形状と工具寿命との関係を示した。
③欠損は、工具の食付き時、切削中、離脱時の何れにおいても発生し、その際に切削抵抗およびA Eの値が変化した。その変化により欠損の検出が可能である。また、欠損面積と欠損発生時の切削抵抗の変化率との間には相関が認められた。
④実験を行った全切れ刃のうち約3分の2で、欠損発生直前に背分力および送り分力が急増した。従って、その場合には欠損発生の予知が可能である。
参考文献
1）大谷ら：CBNおよびセラミック工具による焼入れ鋼の旋削，精密機械，49，6（1983），p804
2）大谷ら：焼入れ鋼の仕上切削における切削抵抗の特性，精密工学会誌，54，10（1988），p1969
表1 実験条件
| 工具材種 工具形状 チャンファ形状 被削材 | 黒セラミック（Al2O3＋Carbide） (-5，-6，5，6，15，15，0.8) 25°×0.16mm， 25°×0.11mm， 25°×0.06mm， 40°×0.06mm， 15°×0.06mm SKD11（HRC60） |
| 切削速度 切込み 送り 切削油剤 | 50～500m／min 0.05～0.20mm 0.005～0.04mm／rev なし（乾式） |
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