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工具材料の性能を評価する基本特性

切削工具を適切に使用するためには、基本特性をよく理解しておくことが大切です。

基本特性	内容	詳細解説
高温硬度特性	高温における硬さが大きいこと。切削時の発熱によって工具が高温にさらされますが、切削温度下で工具の硬さが工作物より十分に大きいこと（４倍以上）が必要です。高温硬度が大きいと切刃の塑性変形による損傷も起こりにくくなります。	→
耐摩耗性	工具欠損などがおこらなくて正常な状態での漸進的な摩耗が少ないこと。
耐欠損性	工具切刃の小さな欠けであるチッピングや比較的大きな欠損・はくりが起こりにくいこと。一般に高温硬度が高い材料ほど靭性が低くなって、耐欠損性が損なわれます。
耐熱衝撃性	断続切削では切刃が繰り返し加熱・冷却されるので、熱的衝撃による疲労破壊やサーマルクラックが生じにくいことが必要になります。
高温化学安定性	高温化学安定性の低い工具では、切削温度が高くなると酸化摩耗や拡散摩耗が起こりやすくなります。超硬合金やハイスを使って重切削するときに問題になることがあります。
耐溶着性	切刃に被加工物が溶着しにくい性質を指し、被加工物と工具材質の組み合わせによって溶着性が変わります。溶着が起こると、加工精度や仕上げ荒さが悪くなるとともに、切屑がかみこみが起こりやすくなって、工具欠損の原因になることもあります。
皮膜の耐はくり性	切削条件が厳しいと、母材の塑性変形や熱疲労が原因になってコーテッド工具の皮膜が母材から剥離することがあります。

工具特性間のトレードオフの関係
　　高温硬度特性と耐欠損性の関係
　　高温化学安定性・耐溶着性と耐熱衝撃性の関係
　

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Welcome to BW tool world! We are an experienced tool maker specialized in cutting tools. We focus on what you need and endeavor to research the best cutter to satisfy users’ demand. Our customers involve wide range of industries, like mold & die, aerospace, electronic, machinery, etc. We are professional expert in cutting field. We would like to solve every problem from you. Please feel free to contact us, its our pleasure to serve for you. BW product including: cutting tool、aerospace tool .HSS Cutting tool、Carbide end mills、Carbide cutting tool、NAS Cutting tool、Carbide end mill、Aerospace cutting tool、Фрезеры’Carbide drill、High speed steel、Milling cutter、CVDD(Chemical Vapor Deposition Diamond )’PCBN (Polycrystalline Cubic Boron Nitride) ’Core drill、Tapered end mills、CVD Diamond Tools Inserts’PCD Edge-Beveling Cutter(Golden Finger’PCD V-Cutter’PCD Wood tools’PCD Cutting tools’PCD Circular Saw Blade’PVDD End Mills’diamond tool ‘Single Crystal Diamond ‘Metric end mills、Miniature end mills、Специальные режущие инструменты ‘Пустотелое сверло ‘Pilot reamer、Fraises’Fresas con mango’ PCD (Polycrystalline diamond) ‘Frese’Electronics cutter、Step drill、Metal cutting saw、Double margin drill、Gun barrel、Angle milling cutter、Carbide burrs、Carbide tipped cutter、Chamfering tool、IC card engraving cutter、Side cutter、NAS tool、DIN tool、Special tool、Metal slitting saws、Shell end mills、Side and face milling cutters、Side chip clearance saws、Long end mills、Stub roughing end mills、Dovetail milling cutters、Carbide slot drills、Carbide torus cutters、Angel carbide end mills、Carbide torus cutters、Carbide ball-nosed slot drills、Mould cutter、Tool manufacturer.

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現在よく使われている切削工具用材料には次のようなものがあります。

工具材料	説明	特徴	主な対象工作物材料
ダイヤモンド	もっとも硬い材料であるダイヤモンドの単結晶を成型した工具。	○耐熱・耐摩耗性に優れる。構成刃先を生じにくい。鋭利な刃先の成型が可能で鏡面切削に向く。 ×靭性に乏しくて欠けやすい。鉄系材料では摩耗が大きい。	アルミニウムなどの非鉄金属
ダイヤモンド焼結体	ダイヤモンド微粉にコバルトなどを添加して焼結した多結晶焼結体。	○ダイヤモンド工具と同様だが、焼結体にすることにより靭性が向上している。 ×鋭利な刃先は作りにくい。	非鉄金属、超硬合金、セラミックス
cBN焼結体	ダイヤモンドに次ぐ硬さを持つcBNにコバルト、炭化チタンなどを添加して焼結した多結晶焼結体。	○鉄系を含む高硬度材料の切削が可能。 ×軟質材料の加工では摩耗が大きくなる。	高硬度焼入れ鋼、工具鋼、超硬合金
セラミックス	酸化アルミニウム、炭化チタン、窒化珪素などの硬質材料を焼結した材料。 結合添加剤を含まないため、高温硬度、摩耗特性に優れる。	○高温硬さ、耐摩耗性に優れる。 ×靭性に乏しく欠けやすい。	鋳鉄、耐熱合金、焼入れ鋼、工具鋼
サーメット	炭化チタン、窒化チタンにニッケル等を添加して焼結した材料。	セラミックスと超硬合金の中間の性質を持つ。	炭素鋼、合金鋼、
超硬合金	炭化タングステン粉末に炭化チタン・炭化タンタルなどを添加して、コバルトで焼結した材料。	○硬さ、耐摩耗性、靭性をバランスよく備え、切刃の信頼性が高い。 ×	炭素鋼、合金鋼、ステンレス鋼、各種難削材料
高速度工具鋼（ハイス）	鉄をベースとし、タングステン・クロム・バナジウム・モリブデンなどを加えた合金工具鋼。	○靭性に優れ、良好な成形性を持つ。 ×耐熱性・耐摩耗性に劣る。	炭素鋼、合金鋼
コーテッド工具	超硬合金やハイスにＰＶＤ・ＣＶＤによって炭化チタンや酸化アルミニウムを被覆した工具。 耐摩耗性・摩擦特性が改善される。	○母材の高靭性と被覆材の耐摩耗性・耐溶着性などを併せ持つ。 ×衝撃・熱サイクルなどがあるとき、母材と被覆材の密着性に問題がある。	炭素鋼、合金鋼、ステンレス鋼、高硬度焼入れ鋼

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切削用超硬質工具材料の、用途による呼び方をJISB4053―1998では規定している。ここで言う超硬質工具材料とは表1に示す材料が対象であり、それらの材料とともにそれを表す記号が定められている。
　その上で工具の用途に関して、切削の対象とする被削材と、そこに出てくる切屑の形状によって表2に示すP、M、Kの3類し、さら個々の用途がどのような被削材をどのような切削方式と作業条件下で使われるかによって細分類している。その一部を表3に示す。
　　例：HW-P10・切りくずの出る鋼を作業条件の比較的良い状態で旋削するための超硬合金製工具
　　　　　　　　　　　　　（超硬合金の場合単にP10のみ表記でも良い）

表1 工具材料記号と分類¹⁾

	材料記号	材料の分類
超硬合金	HW HT HF HC	一般に超硬合金と呼ばれているもの 一般にサーメットと呼ばれているもの 一般に超微粒子超合金と呼ばれているもの 超硬質合金を母材としたものにコーティングしたもの
セラミックス	CA CM CN CC	酸化物セラミックの主成分がAl2O3であるもの 酸化物以外含んだセラクの主成分がAl2O3の セラミックを母材としたものにコーティングしたもの 窒化セラミックの主成分がSi3N4であるもの
ダイヤモンド	DP	主成分が多結晶性ダイヤモンドであるもの
窒化ホウ素	BN	主成分が多結晶性窒化ホウ素であるもの

表2 用途記号(大分類) ¹⁾

記号	用途
P	連続型切りくずの出る鉄系金属の切削用途
M	連続型若しくは非連続型切りくずの出る鉄系金属または非鉄金属の切削用途
K	非連続型切りくずの出てくる鉄系金属、非鉄金属または非金属の切削用途

表3 使用材料の分類の例¹⁾

使用分類記号	被削材	切削方式	作業条件
P10	鋼、鋳鋼	旋削、ねじ切り、フライス削り	高―中速で小―中切削面積の時、または作業条件が比較的良いとき
K10	鋳鉄および特殊鋳鉄 (非連続切りくずが出る場合)	旋削、フライス削り、中ぐり	中速で小―中切削面積のとき、またはK列中の一般的作業の時
	高硬度鋼	旋削	低速で小切削面積の時、または振動のない作業条件の時
	非鉄金属、非金属材料、複合材料	旋削、フライス削り	比較的振動がない作業条件の時
	耐熱合金、チタンおよびチタン合金	旋削、フライス削り

1) JIS B 4053―1998 切削用超硬質工具の使用分類及び呼び記号の付け方

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工具として優れた性質を持つ超硬合金あるいはセラミックを母材として、その表面に炭化チタン(TiC)、窒化チタン(TiN)、酸化アルミニウム(Al₂O₃)などを単層あるいは２－３層に薄くコーティングした工具である。
　 元来コーティングに使われる材料は耐摩耗性、耐熱性、耐食性に優れた性質を持っているが、この材料を使って単独に工具を成形することが難しい。しかし近 年の蒸着技術の発展により、これらの材料を他の材料にコーティングすることにより、コーティング材料と母材両方の優れた性能を引き出して、従来にない優れ た切削工具が作られるようになった。蒸着の方法としては化学的処理より行うCVD法と物理的な処理によるPVD法があるが、いずれの方法を用いるかは母材 との密着性を加味して決定される。ただPVD法は特殊な母材を必要としないことから最近ではCVD法より多用されているようである。
　コーティン グの膜厚は5－10μm程度のものが多い。種類の違う物質をコ－ティングすることでそれぞれの物質の特徴を生かによる工具の性質を示したもの である。最近ではこれらの物質の他にダイアモンドライクカーボーン(DLC)をコーティングした工具が発表されている。ここでDLCは気相合成法により合 成されるダイヤモンドに似た高硬度・電気絶縁性・赤外線透過性などを持つカーボン薄膜である。

表1 コーティング物質の特徴¹⁾

	コーティング法	色調	硬度 HV	主な特徴
Al2O3	PVD、CVD	透明─灰色	2200―2400	高温高圧下で安定耐> すくい面摩耗・耐酸化性に優れる。
TiN	PVD、CVD	金色	2000-2400	高硬度かつ化学的に安定 酸化開始温度：約600℃
TiC	PVD、CVD	銀白色	3200-3800	高硬度、耐逃げ面摩耗に優れる
TiCN	PVD、CVD	バイオレット－灰色	3000-3500	TiN,TiCの中間の性質、 Ｎ，C量で細く材質制御が可能、 酸化開始温度：約500°C
(Ti,Al)Ｎ	PVD、CVD	バイオレット－黒色	2300-2500	耐熱衝撃性大、耐酸化性大、 酸化開始温度：約800℃

1) 精密工学会、精密加工実用便覧、(2000)、p94、日刊工業新聞社

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　 工具は被削物に食い込むことによって切削を行う。例えば図1のような状態で工具が右から左に移動して被削物の中に押し込まれて切削が行われる。この刃物 の先端の角度βを刃物角と言い、被削物と工具の間に空間をつくるための角度を逃げ角γという。工具の進行方向の前面には切屑が発生し切屑をすくいとるよう な役割をしている面があり、これをすくい面、その面の垂直面に対する角度をすくい角αと呼ぶ。すくい面が図のように垂直面に対して右側にある時のすくい角 を正、反対側にある場合、すくい角は負であるという。

　 被削材料の硬度が高いときは刃物角小さすぎるとチッピングや欠損が発生しやすくなるので、刃物角を大きくしたほうがよく、逆に、軟鋼や加工硬化 性の被削材質および溶着性の大きな粘い被削材質を切削する場合は、切れ味をよくし、切削性を増すために刃物角を小さくしたほうがよい結果が得られる。
　また超硬合金などの高硬度の工具材料のもので鉄鋼材料を高速で切削することが一般に使われるが、このような工具材料は刃先が欠けやすい性質があるので、刃先の欠損を防ぐために刃先にチャンファと呼ばれる面取りを施したり、すくい角を負にする方法が取られる。

　切屑はすくい面に沿って流れていくので、すくい角が切屑の厚さと流れ方向を決定づける。 すくい角が大きくなると切屑せん断角が小さくなり、切屑厚みも薄くなる。 その結果、切削力が小さくなって切削温度が低下する、工具摩耗が低減（SCM)　(SUS)　 するという効果が得られる。 しかし、すくい角を大きくしすぎると刃先強度が低下し、高硬度材料の加工時などに刃先が欠けやすくなるという問題が生じる。したがって重切削の時はすくい 角を大きくする。それでも足りない場合は負のすくい角をつけることもある。
　 負のすくい角をもつ工具の場合、すくい面上に材料の一部が付着・滞留し（これをデッドメタルと言う）、これが刃先に代わって切削することがある。 しかしこのデッドメタルは切りくず生成状態や工具の寿命、仕上げ面粗さなどに影響を及ぼす。これの原因についてはまだ明らかでない。

　工具が工作物と干渉しないようにつける角度が逃げ角である。 逃げ角は工具と工作物の間の接触を避けるためのものであり、それほど大きくとる必要はない。 一般に逃げ角を大きくすると切刃強度が低下し、機械的衝撃に弱くなる。 しかし、逃げ角の大きい工具は摩耗が進んでも逃げ面摩耗幅が大きくならない、びびり振動が起こりにくくなるというメリットがある。 また、アルミニウム合金などの延性材料の切削では、逃げ角を大きくすると逃げ面付着物が生じにくくなるということもある。

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　 切削仕上げ面から遠ざかる側の切れ刃を横切れ刃、切削仕上げを生成する切れ刃またはそれに近い側の切れ刃を前切れ刃という。横切れ刃角は工具の切込み運 動をする方向、つまり旋削工具でいえば本体の軸心方向と横切れ刃とが挟む角を言い、前切れ刃角は本体の軸心方向と直角な線と前切れ刃を挟む角である(図 １)。しかしJISB 0170－1993工具用語規格ではこれらの角度は定義されていない。

横切れ刃角を大きくした場合、次のような影響がある。
　　・ 送り量が同じ場合、被削物との接触長さが長くなるので切りくずの厚みが薄くなる。
　　・ 切削力が長い切れ刃に分散されるので工具寿命が長くなる。
　　・ 切りくず幅は大きくなるので破断されにくくなり、切りくず処理がしにくくなる。
　　・ 背分力が大きくなるので細くて長いものの切削では、被削材が曲がることがある。
　従って、硬くて発熱量の多い切削を行うときや、粗削りで被削材の径が大きい場合、また機械に剛性があるときに大きい横切れ刃角が適している。

　前切れ刃角は工具と切削面が摩耗するのを防ぐために通常は5－15°程度にするが、この角が小さい場合は次のような影響がある。
　　・ 刃先強度は大きくなるが、刃先に熱が発生しやすい。
　　・ 切削抵抗の背分力が大きくなり、切削中にびびり振動が発生する。

図1 前切れ刃角と横切れ刃角¹⁾

1) 稲田重男、寺田利邦、中沢弘、大学課程 機械工作、p65 (1995)、オーム社

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Welcome to BW tool world! We are an experienced tool maker specialized in cutting tools. We focus on what you need and endeavor to research the best cutter to satisfy users’ demand. Our customers involve wide range of industries, like mold & die, aerospace, electronic, machinery, etc. We are professional expert in cutting field. We would like to solve every problem from you. Please feel free to contact us, its our pleasure to serve for you. BW product including: cutting tool、aerospace tool .HSS Cutting tool、Carbide end mills、Carbide cutting tool、NAS Cutting tool、Carbide end mill、Aerospace cutting tool、Фрезеры’Carbide drill、High speed steel、Milling cutter、CVDD(Chemical Vapor Deposition Diamond )’PCBN (Polycrystalline Cubic Boron Nitride) ’Core drill、Tapered end mills、CVD Diamond Tools Inserts’PCD Edge-Beveling Cutter(Golden Finger’PCD V-Cutter’PCD Wood tools’PCD Cutting tools’PCD Circular Saw Blade’PVDD End Mills’diamond tool ‘Single Crystal Diamond ‘Metric end mills、Miniature end mills、Специальные режущие инструменты ‘Пустотелое сверло ‘Pilot reamer、Fraises’Fresas con mango’ PCD (Polycrystalline diamond) ‘Frese’Electronics cutter、Step drill、Metal cutting saw、Double margin drill、Gun barrel、Angle milling cutter、Carbide burrs、Carbide tipped cutter、Chamfering tool、IC card engraving cutter、Side cutter、NAS tool、DIN tool、Special tool、Metal slitting saws、Shell end mills、Side and face milling cutters、Side chip clearance saws、Long end mills、Stub roughing end mills、Dovetail milling cutters、Carbide slot drills、Carbide torus cutters、Angel carbide end mills、Carbide torus cutters、Carbide ball-nosed slot drills、Mould cutter、Tool manufacturer.

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BW специализируется в научных исследованиях и разработках, и снабжаем самым высокотехнологичным карбидовым материалом для поставки режущих / фрезеровочных инструментов для почвы, воздушного пространства и электронной индустрии. В нашу основную продукцию входит твердый карбид / быстрорежущая сталь, а также двигатели, микроэлектрические дрели, IC картонорезальные машины, фрезы для гравирования, режущие пилы, фрезеры-расширители, фрезеры-расширители с резцом, дрели, резаки форм для шлицевого вала / звездочки роликовой цепи, и специальные нано инструменты. Пожалуйста, посетите сайт www.tool-tool.com для получения большей информации.

BW is specialized in R&D and sourcing the most advanced carbide material with high-tech coating to supply cutting / milling tool for mould & die, aero space and electronic industry. Our main products include solid carbide / HSS end mills, micro electronic drill, IC card cutter, engraving cutter, shell end mills, cutting saw, reamer, thread reamer, leading drill, involute gear cutter for spur wheel, rack and worm milling cutter, thread milling cutter, form cutters for spline shaft/roller chain sprocket, and special tool, with nano grade. Please visit our web www.tool-tool.com for more info.

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コーナとは、一つの切れ刃と他の切れ刃とがつながる、角の比較的小範囲の切れ刃部分を言う。これをノーズと言う場合もある。このコーナに丸みがある場合、このコーナを丸コーナという。そしてこの丸コーナの丸みの呼び半径をコーナ半径、あるいはノーズ半径という（図１）。

　コーナ半径は刃先の強度と仕上げ面粗さに直接影響するので、送りの2－3倍にとるのが普通である。
コーナ半径を大きくしたときの影響を次に示す。
　　・ コーナの丸みが仕上げ面に転写されるので半径が大きい場合仕上げ面粗さが向上する（図2）。
　　・ 刃先にかかる力が分散されるので刃先強度が増す。
　　・ 半径を大きくしすぎると抵抗が増すのでびびりの原因となる。
　　・ 逃げ面摩耗、およびすくい面摩耗が減少する。したがって工具寿命が伸びる。
　　・ 大きくしすぎると切りくず処理性は悪くなる。
したがって、次のような場合はコーナ半径を大きくすることができる。
　　・ 黒皮、断続切削のように刃先の強度を必要とするとき
　　・ 荒削りで直径の大きい被削材を切削するとき
　　・ 機械に剛性があるとき

図1 切削工具の切刃の関係　　　　図2 コーナ丸みと仕上げ面の関係

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