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　被削材を削るために工具が必要とする力である。この力は被削材からみれば被削材が削られることに対する抵抗力ということもできる。3次元空間内で作用するこの力は三つの成分の力に分解することができる。図1(a)は旋削の場合、図1(b)はフライス切削の場合である。
　 まず図1(a)では切削力Pの3成分としては被削物の回転円に関して円周接線方向の力Pcと、回転面内でPcと直交する力Pt、それに回転軸に平行な力 Pfに分解できる。ここでPcは直接切削に関わるので主分力、Pfは工具を軸方向に送るために必要な力であることから送り分力、またPtは工具を被削物に 押し付けるために必要な力でこれを背分力という。これら主分力、送り分力、背分力を切削力の3分力という。
　ここで主分力は主軸を回転するために必要な動力の大きさをきめる要素でもあり、発熱量にも影響する。送り分力は送り機構に必要な動力をきめる要素である。また背分力は被削物や工具のたわみを起こす原因にもなるのでこれが大きいと寸法精度にも影響を与える。
　 同様に図1(b)の場合も切削力は3成分に分解できるが、旋削の場合とそれぞれの力の呼び方が異る。すなわち、接線分Ptaを接線方向分力、 Prを半径方向分力、Paを軸方向分力という。ここでの接線方向分力は旋削の主分力、軸方向分力は送り分力、また半径方向分力は背分力に相当する。
　主分力Pcまたは接線方向分力Ptaを切削断面積Ａで徐した値 を比切削抵抗という。 主な材料の比切削抵抗は、　鋼： 1.7～10 GPa、 鋳鉄： 0.7～3.7 GPa、　アルミニウム： 0.5～1.1 GPa である。
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　 延性材料であるアルミニウムあるいは軟鋼などを比較的低速度で切削すると、切削部分での被削材の物理・化学的変化により被削材の一部が刃先に付着し、あ たかも新しい刃先が出来たように振る舞う。これを構成刃先と呼ぶ。この付着物は加工硬化されて硬く、切削工具の刃先にかわって切削作用する。この状態で切 削を継続すると構成刃先は更に成長するが、ある程度大きくなると切削力に耐えることができなくなり構成刃先は脱落する。しかし切削部分での条件が変わらな い限り構成刃先は再度発生し、また脱落・再生の過程を繰り返す。
図1 構成刃先の生成 1) 　　　　　　図2 構成刃先の生成過程1)
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加 工によって材質的に変化した表面層を加工変質層と呼ぶ。その原因は機械的エネルギによるもの、熱エネルギによるもの、この両者を複合したものなどが考え られる。機械的エネルギによるものでは塑性変型による表面の格子欠陥の乱れや増加、結晶粒の変形、微細化、あるいは表面流動などを起こす。また熱エネルギ によるものでは相変態、組織変化、熱亀裂の発生を起こす。
　このような加工変質層では残留歪みを起こしているために、残留応力が発生しポテンシャルエネルギの形でエネルギが蓄えられている。そのため加工変質層部分は生地に比べてエネルギレベルが高く、化学変化がおきやすい。このことは耐食性も劣ることになる。
　切削加工による加工変質層の深さは最大400μm程度を見込めばよいが、実験式としては加工変質層の厚さy0は次式(1)で与えられている。
　　　　　　　　　　(1)
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工 具と被削物の間で継続的に発生する振動をびびり振動といい、その振動発生の要因から強制びびり振動と自励びびり振動に大別される（図1）。びびり振動が 発生すると被削物上に振動に対応した痕跡( びびりマーク )が残り仕上げ面を悪くする。この時異常な振動音が発生し、工具を損傷させる原因となるばかりでなく、工作機械の一部を破損させることさえある。
　 強制びびり振動は切削系のどこかに振動源があり、その影響をうけて発生する。振動源としては工作機械内部にある駆動装置の振動、フライス加工における断 続的な切削力、あるいは工作機械外から伝わってくる振動などである。一方、自励びびり振動は特定の振動源がなくても工作機械の動特性と切削過程が重なっ て、ある条件を満たしたときに発生する。重切削や、高速切削の時に発生しやすい。

BW Bewise Inc. Willy Chen willy@tool-tool.com bw@tool-tool.com www.tool-tool.com skype:willy_chen_bw mobile:0937-618-190 Head &Administration Office No.13,Shiang Shang 2nd St., West Chiu Taichung,Taiwan 40356 TEL:+886 4 24710048 / FAX:+886 4 2471 4839 N.Branch 5F,No.460,Fu Shin North Rd.,Taipei,Taiwan S.Branch No.24,Sec.1,Chia Pu East Rd.,Taipao City,Chiayi Hsien,Taiwan
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びびり振動には強制びびり振動と、自励びびり振動がありいずれの形態を持っているかによってその抑止策も異る。
　 強制びびり振動の場合は振動源の特定とそれのからの振動伝達を遮断することである。それには防振対策を施すとか、振動源そのものを別のところにおくなど の方法をとる。または工作機械系の固有振動数が振動源の周波数と一致しているときは、振動源からでる振動数を変えることも効果がある(表1)。
　 自励びびり振動の場合は系の振動応答性に問題があるので、抑制手法としては自動制御論が使われる。そこで対象となるパラメータは単位面積当りの切削力 γ、切削幅b、あるいは主軸が1回転するに要する時間Tなどの切削条件、そのほか工作機械全体の動特性Gなどが対象になる(表2)。表では制御する手法と して何に注目して考えるかを中心にまとめてある。
表1 強制びびり振動抑制法1) 強制振動の種類 抑制法 具体例 内部発生振動 振動源の除去
振動伝達経路の遮断
振動周波数の変更 ポンプなどの機外持ち出し
フレキシブルカップど
回転数の変 外来振動 振動伝達経路の遮断・防振 防振基礎、ラバーマウントなど 切削力 切削力の低下
強制振動数の変化 工具形状の工夫
カッタの刃数変更、不等ピッチカッタ (一般的な抑制法) 工作機械系の動剛性向上
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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。
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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）
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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。
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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。
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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。
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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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