切削加工における切削抵抗が加工硬化層に及ぼす影響 ·...

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切削加工における切削抵抗が加工硬化層に及ぼす影響

引地力男 T 油田功二t-1 原田正和t-1 上野孝行tt 吉満真-ttt

Effect of Cutting Resistance on Work Hardened Surface Layer in Metal Cutting

Rikio HIKIJI， Koji ABURADA， Masakazu HARADA， Takayuki UENO

and Shinichi YOSHIMITSU

Finish machining used to be carried out in grinding， but it is being replaced by cutting with very smal1 undeformed

chip thickness. In super precision process， the effect of the cutting conditions and complicated factors on the machined

surface integrity is a serious problem. In this research， work hardened surface layer was dea1t with as an evaluation of

machined surface integrity and the effect of the mechanical factors on work hardening was investigated experimentally in

orthogonal cutting. As a result， it was found that work hardened surface layer was affected not only by the shear angle

varied under the cutting conditions， but also by the thrust force of cutting resistance.

Key"匂rds:Work Hardening， Work Hardened Surface Layer， Cutting Resistance， Thrust force， Orthogonal Cutting

1 .緒 Eコ

超精密切削加工で見られるように，切削加工機械の

加工精度の向上に伴い，製品の仕上げ加工を切削でお

こなおうとする傾向が強まっている(1) しかしながら，

切削加工により生成される表面の品位，つまり表面粗

さと加工変質層は材料の疲労強度などに大きな影響を

与える(2)~ (5)ため，加工変質層の生成機構の理解は，高

品位の切削加工をおこなう上で重要で、ある.

一般に材料は外力または内部応力によりひずみを受

けて母材硬さより硬化するので，切削加工により発生

した加工硬化を調べることにより，加工変質層に関す

る様々な情報が簡単に正確に得られることが予測され

る.加工変質層は加工に伴って生じる母材とは性質の

異なる部分で，機械的要因，熱的要因，結晶学的要因

等が関係するため，その生成機構は非常に複雑で，切

削面以下の断面硬さを求めた研究は数多い(6)~(X)が，せ

ん断変形領域を含む切れ刃近傍の材料の硬さ分布に及

ぼす支配因子について具体的に検討した例は少ない.

T機械工学科

十「学生課実習係

T十 T電子制御工学科

本研究は切削加工における加工変質層を支配する因

子を機械的要因に絞り，実験により明らかにすること

を目的とする.前報(9)では，加工変質層の形態の中で，

機械的エネルギによる塑性変形が成因となって生成さ

れる加工硬化層に着目し，せん断変形領域および切削

面以下の断面硬さの分布状況より，加工硬化層に及ぼ

す力学的因子を実験的に抽出した.今回は，加工硬化

層の生成に影響をもたらすと考えられる切削抵抗につ

いて検討する.

2.研究の背景

加工変質化層の評価方法は数多く検討されている

が，測定方法によってその値が大きく異なる(10). 加

工硬化層の測定には結晶粒の微細なひずみも測定結

果に影響を及ぼす硬度測定法が妥当である.白樫ら

は，加工変質層の推移をシミューレートし，硬度分

布と加工硬化層のひずみとの対応を計算および実験

で明らかにした(11)そして，すくい角が大きくなる

とひずみの値は小さくなりその分布も浅くなるとし

た(11)(12) さらに，工具逃げ面に働く垂直応力が大き

くなると，ひずみ分布が深くなることも示した(12)

奥島らは切削抵抗から刃先力を割り出し，その刃先

9

引地力男油田功二原田正和上野孝行吉満真一

Table 1 Cutting conditions

Rake angle y deg. 0， 5 Clearance angle s deg. 6 Undeformed chip thickness h rnrn I 0.1，0.15， 0.2 Cutting speed V m1min 10

N.B. Rake angles of _50 and 100

are also applied to 60・40Brass.

Table 2 Bulk and chip hardness

A斗

一苅一

0

3

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、、J-nkU

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U一14

2

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Work materials

Bulk hardness HV 0

Chip hardness HV

HV川V。

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H

Fig.l Quick stop test

Hv庁ho

Fig.2 Definition of inflection point

力と加工硬化層深さとの関係を明らかにした(13) こ

れらのことより，切削時に作用する力が加工硬化層

の生成に何らかの影響を及ぼすことが予測される.

3.加工硬化層の生成機構

3・1 実験方法加工硬化層の生成機構について

検討するため，形削り盤にて，焼なまし処理を施した

幅3mm長さ 50mmの板材を用いて，乾式の二次元切削

で、急停止実験を行った(14) そのようすを図lに示す.こ

れは，バイトによる切削がある程度進んだら，バイト

の後方にラムに固定した押し出し棒が被削材取り付け

台を押し出すので，バイトと被削材との相対速度がゼ

ロになり切削が停止する仕組みになっている.すなわ

ち，急とは相対速度がゼロになるように切削を突然停

止することである.しかし，切削速度が低下しはじめ

てから停止するまである距離だけ切削が進行するが，

中山間の方法で確認したところ，完全に停止するまで

の距離は 0.02mm以下であった.この程度なら本研究

の目的に充分許しうるものと考える.切削条件を表 l

に示す.被削材種には60-40黄銅を用い，比較のため，

材料特性の異なるS25CとSUS304も用いた.このとき，

切削幅方向の塑性流動の影響を防ぐために，二枚の被

削材の側面どうしを重ね合わせ，その長手方向の端面

を切削した.なお，加工硬化層に及ぼす切削抵抗の影

響を調べるために，圧電素子タイプの動力計にて切削

抵抗も同時に測定した.切削終了後，切りくず生成領

域の部分をワイヤ放電加工機で切り出し，それを重ね

合わせ面を測定面になるように樹脂に埋め込み，エメ

リ研磨紙#6∞.#1500にて研磨後さらにパフで研磨

面が加工硬化しないようにラッビングし，マイクロ

ピッカース硬度計(荷重 :0.49N)で，切れ刃近傍およ

び深さ方向に断面硬さ分布を測定した.本実験で使用

した各被削材の平均的な母材硬さと切りくずの硬さを

ピッカース硬度にて表2に示す.

10


3.2 実験結果

3・2・1 加工硬化層でのせん断変形領域と塑性変

形領域の厚さこれまでの研究によれば，切削加工

面下には，厚さ dをもっせん断変形領域があり，その

下方には厚さ dをもっ塑性変形領域が広がっている(15)

~(l 8) これは流動層生成仕事によりせん断変形領域と

同時に生成される(13)(19) せん断変形領域を定義するの

に，山本ら(初)は，材料の硬さが切削抵抗に対応するこ

とから，切りくず生成領域の部分の断面を微小切削し

て切削抵抗を測定し，その変曲点によりせん断変形領

域の幅を求めた.そこで，本研究では直接硬さ分布の

変曲点からせん断変形領域を求めた.図2は硬さ分布

の変曲点からせん断変形領域を求める方法を示す.ま

ず，急停止実験で得た切りくず生成領域の断面の硬さ

分布(21)を求めて，次に工具すくい面に平行に，工具側，

中心部，自由面側の 3ヶ所についてそれぞれの深さ方

向の硬さ分布の変曲点， sとeを求めた.変曲点の定義

としては，硬さ分布の最下位部である母材硬さから

0.025mm間隔で、加工面に向かつて上方に硬化率Hv周v。(Hv:局所硬さ， Hvo:母材硬さ)を調べていき， HvjHv。がひとつ前の値より 10%以上変化したとき，そのひと

つ手前を変曲点sとした.その変曲点より，刃先位置

から点sまでのせん断変形領域の厚さ 3と，点sから

母材硬さに到達するところまでの塑性変形領域の厚さ

dを求めた.これらの結果と切削抵抗との関係につい

てf食言すした.

図3は，切削抵抗と加工硬化層のせん断領域の厚さ

3との関係を示す.(a)は60-40黄銅， (b)はS25C，(c)は

SUS304をそれぞれ示す.図中， 0は主分力 Fc，ムは

背分力 Ft，口は切削抵抗の合力 R (FcとR との合力)

である.図より以下のことがわかる.

(1) 背分力のせん断変形領域に及ぼす影響が大きい.

(2) せん断変形領域はSUS304の場合が最も厚く，切

削抵抗が増加すると，せん断変形領域の厚さも比

較的大きく増加する.

前報で，すくい角が減少すると加工硬化層のせん断

変形領域の厚さ dよりも，塑性変形領域の厚さ dのほ

うが相似的に厚くなることが明らかになった.そこで

切削抵抗と塑性変形領域の厚さ dについて調べた.

図4はその結果であり，それぞれ，図3のときと同

様，(a)は60-40黄銅， (1:-)はS25C，(c)はSUS304を示す.図

より以下のことがわかる.

(1) 塑性変形領域の場合も背分力の影響が大きい.

(2) 塑性変形領域は 60-40黄銅と SUS304の場合が厚

く，切削抵抗が増加すると，せん断変形領域の厚

さも比較的大きく増加する.

1.5

EB '0

0.5卜60-40Brass

tf!>6. 6. ~ヂthdAO 口o 口

00 [[!] 0 口

。。500 1000 1500

Cutting resistance Fc， Ft， R N

(a) 60-40Brass

1.5

1.0 ロロ己

S25C '<コ

0.5 I 0 Fc I I 6. Ft I l 口 R I

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0.0

0

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500 1000 1500 2000 2500 3000 3500


(b) S25C

1.5 ， ' ，，. ，_.，

SUS304 ロ11.0

戸』ロ』

'0 6. 0 口

A2。きttJ口口6. U [ [

0.5

。。500 1000 1500 2000 2500


(c) SUS304

Fig.3 Relationship between cutting resistance and o

すなわち， 60-40黄銅の場合は，切削抵抗はせん断

変形領域よりも塑性変形領域に比較的大きく影響を及

ぼし， SUS304はせん断変形領域にも塑性変形領域に

も影響を及ぼすことがわかる.なお， S25Cの場合は，

他の二者に比較すると，せん断変形領域および塑性変

形領域に及ぼす影響は比較的小さい.

3・2・2 せん断変形領域とせん断ひずみとの関係

加工硬化層のせん断変形領域は，切りくず生成領

域でのせん断領域が切削面以下まで及んだものと定義

11

真一吉満孝行上野正和原田功二油田力男ヲ|地

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/'， /'，

.... ........t:s 司

• • • : 0 ・....0 ・一や':'0 0

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1.5

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0.4

戸』戸口

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口

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I 0 Fc I I 1::. Ft I l 口 R I

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A

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0

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0.0

0 10 4 6

Shear strain r s

1500 500 1000


(a) 60-40Brass δ

Table 3 Comparison of theoretical and experimental values onω(S25C)

Relationship between shear strain and Fig.5 1.5

r deg. hmm ωlh deg. ωdeg. 。 0.1 53.43 。 0.15 52 50.66 。 0.2 51.17

5 0.1 50.88

5 0.15 50.75 58.73

5 0.2 56.24

S25C

司口

口

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口0 0

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1.0

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500

0.5

0.0

0

Table 4 Comparison of theoretical and experimental

values onω(SUS304)

3500

(b) S25C

r deg. hmm ωlh deg. ωdeg. 。 0.1 51.34 。 0.15 55.07 。 0.2 60.73 56

5 0.1 57.03

5 0.15 61.38

5 0.2 64.13 I

口

SUS304

I 0 Fc I I 1::. Ft I l 口 R I

口口

ム O

三。

田

口

ム

1::.1::.(0)

1::. 0

1.5

1.0

0.5

g g

で3

料で数多くの ωについて調査した.その式を(1)と(2)に

示す.

2500 nu nu

nu

内

4

N

pu

t

o

F

0

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u

C

Au nu

RJ

0.0

0

(1)

ω=ω。-k 1 Y (2)

ここで， ω。は材料によって決まる角度で，k1は0.25

である.ω について，今回の急停止実験で得られたも

のと中山らが定義したもの ω的と比較した結果が表3，

4である.なお，ここで、は鉄系の材料が中心だったの

で， S25CとSUS304について説明する.これらの表よ

り，切取り厚さが小さい場合は理論値に近い値をとる

ことがわかる.切取り厚さが大きい場合，理論値との

ずれが大きいのは，同じすくい角でもせん断角戸が多

少大きくなるため，切削抵抗の合力のなす角が一定の

場合は， ωの値が変化するからである.

γ) ω=手+戸-y = f (被削材，

12

Relationship between cutting resistance and d

すれば，切りくずが受けたせん断ひずみと加工硬化層

のせん断変形領域の厚さとも何らかの関係が予測され

る.図5にせん断ひずみ 1'8と加工硬化層のせん断変形

領域の厚さ 3との関係を示す.せん断ひずみは，まず

切りくずの厚さからせん断角戸を算出し，それから求

めたものである.図より，同じせん断ひずみでもせん

断変形領域の厚さが異なることがわかる.

3.2・3 切削抵抗の合力とせん断面とのなす角

中山ら(22)は切削抵抗の合力とせん断面とのなす角 ω

はすくい角と被削材質によって決まるとし，鉄系の材

Fig.4


(b) Measuring method

Fig.6 Experimental procedure

4.加工硬化層の深さ

3章で，切削抵抗が加工硬化層のせん断変形領域よ

り塑性変形領域が加工硬化層深さに大きく影響を与え

ることが明らかになった.急停止実験では切削条件の

範囲が限定されるため，切削方式を変えて，せん断変

形領域および塑性変形領域を含んだ全体的な加工硬化

層深さと切削条件との関係について検討した.

4・1 実験方法実験は図6(a)に示すようなホル

夕、、に幅3mm長さ 30mmの被削材を固定し，このホルダ

を旋盤に取り付け，工具を半径方向に送って乾式の断

続二次元切削を行った.通常行われるフライス盤や形

削り盤を利用した二次元切削では切削速度に限界があ

るが，図6(a)に示す切削方式で、は常用切削速度領域で

の二次元切削が可能である.切削速度を上げると温度

も上昇するが，切削温度を工具・工作物熱電対法的で

実測した結果，いずれの実験の場合も断続切削のせい

もあり，最高温度は再結晶温度より l000C以上も低く，

また奥島ら(24)の実験式で求めた場合でも今回の実験条

件の範囲内では温度の影響は無視できるものとした.

3章での実験と同様，被削材は主に 60-40黄銅を用い，

その比較として S25C，SUS304を用いた.これらはあ

らかじめ焼なまし処理を施しである.工具は超硬KI0

スローアウェイチップを用いた.切削条件を表5に示

す.なお，表中の各種被削材における各条件の範囲や

基準値が異なるのは，構成刃先の発生や，機械の剛性

によるびびり振動等を防ぐためである.また，山本(25)

は切削の繰り返し回数が増えると変質層深さも深く

なっていくが，ある回数になると一定となることを実

験的に示した.今回，切削回数が5回以上で加工硬化

層深さが安定したので，以後の実験では切削回数は10

回とした.

加工硬化層の深さは切削が定常状態になった部分

(切削開始から 10mm)の試験片をワイヤ放電加工機で

切り出し，それを樹脂に埋め込み切削方向に垂直な方

向の試験片断面を 3章と同様な方法でラッピングし，

マイクロビッカース硬度計(荷重 :0.49N)で図6(b)に

示すように，切削面から深さ方向に断面硬さ分布を測

定した.そして，母材硬さに到達するところまでを加

工硬化層深さ DHとした.

4・2 実験結果図7は60-40黄銅の切削条件の

変化にともなう切削抵抗と加工硬化層深さ DHとの関

係を示す.(a)はすくい角，(b)は切削速度， (c)は切取り厚

さをそれぞれ変化した場合を示す.図中， 0は主分力

Fc，ムは背分力Ft，口は切削抵抗の合力R(FcとRと

の合力)である.図より以下のことがわかる.

(1) 背分力の加工硬化層深さに及ぼす影響が大きい.

(2) 加工硬化層深さに及ぼす影響はすくい角の変化が

顕著に現れる.

すくい角の変化はせん断角に大きく影響を及ぼす.

すくい角や切削速度が大きいほどせん断角は増加し，

加工硬化層は浅くなる.また切取り厚さが増えると

せん断角は漸増するが，急停止実験の結果同様，切削

抵抗が増加するため塑性変形領域が厚くなり，結果と

して加工硬化層が深くなる.

S25Cの場合を図8，SUS304の場合を図9に示す.二

者とも 60-40黄銅の場合と同様な結果を示す.

Table 5 Cutting conditions

Work materials 60-40Brass S25C SUS304

Rake angle y deg. -30，ー10，0，10，30 咽 10，-5，0， 5， 10， 15， 20 ー10，-5，0，5，10，15，20

Clearance angle s deg. 6 6 6

Undefonned chip thickness h mm 0.05， 0.1， Q.♀， 0.4 0.05，仏1，0.2 0.05， Q.l， 0.2

Cutting speed V m/min l.Q， 50， 100 50，100，150 10，5i}， 100

N.B. Under lines: Standard values.

13

真吉満孝行上野正和原因功二油田力男引地

一氏

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l∞o 8∞ 2∞ 4∞ 6∞ Cutting resistance Fc， Ft， R N

3500

(b) Cutting speed

一ロ一司一柳N

一

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(b) Cutting speed

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Q ↓ r =O~eg. ~ 2.0卜...v司令rr/min....トー

云↓ Undeformedchip thicksess is varied.

~ L

若 1.5t 一一一 -----------;;0.トー… '-'7ト一一一一一一一一一一ー一一一一一一つ合ト … 一一一一一一一ーメ7 ・トーーーー -'D--- ~ 一一

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S レ一一-i-7fi--一一__Lど--------~ 一一一一仁二ご"zl1.0トー一一一〆ーー一一ート一一一一どず...!・-一一一-"一一一一一I---Eト-Fc I さ~. V t メノケb'; 1_ ~ -F; I £ トパ /子 Iー日， R I 言。5~---..~三 j 二~.)一一ーー・一一一一』ーー・・・4注 rt! ~ -

o ， ~ 0.0 t 品。 iα目。3500 3000 1000 1500 2000 2500


500

(c) Undeformed chip thickness

Fig.8 Relationship between cutting resistance and DH

(S25C)



(60-40Brass)

変形領域よりも塑性変形領域に及ぼす影響のほう

が大きい.

SUS304の場合は，切削抵抗が増加すると，せん

断変形領域の厚さも比較的大きく増加する.

背分力が加工硬化層深さに及ぼす影響は大きい.

加工硬化層深さは，切削条件の変化にともなう切

削抵抗と一義的な関係がある.

(2)

(3)

(4)

14

E司

加工硬化層を生成する力学的因子を明らかにするこ

とを目的として， 60-40黄銅， S25C， SUS304の二次元

の切削実験をおこない，切りくず生成領域の断面硬さ

分布と切削抵抗との関係より以下の結論を得た.

切削条件による切削抵抗は，加工硬化層のせん断

結5.

、‘，ノ咽・1

〆'E、、

切開IJ加工における切削抵抗が加工硬化層に及ぼす影響

(3 ) 渡部正気，古市博，高硬度鋼の疲労強度に及ぼす研削加工の

影響(第2報，疲労き裂生成との関連)，機論， 57-535，C(1991)，

l∞2-1007.

(4 ) 西谷弘信，薬師寺輝敏，鹿毛正治，炭素鋼焼なまし材の回転

曲げ疲労強度に及ぼす表面加工層の影響，機論， 58-553， A

(1992)， 1575-1580.

( 5) 村上敬宜，堤一也，藤嶋正博，疲労強度に及ぼす表面粗さの

影響の定量的評価，機論， 62-597， A(1996)， 1124-1131.

(6 ) 浅枝敏夫・西本廉，加工屑による熱処理歪(仕上面加工屑に

関する研究第 3報)，精密機械， 20-10(1954)， 38ト383.

(7 )松井正己，平面の超仕上げに関する研究ー超仕上げ面の加

工変質層深さについてー，精密機械， 24-10(1958)， 539-543.

(8 ) 益子正巳・隈部淳一郎，低い削り速度でも良い表面精度をう

る二，三の新しい切削加工法(低温切削，反転仕上切削，超

音波振動切削)，機誌， 62-480(1959)， 91-104.

( 9) 引地力男・油田功二・原田正和・上野孝行・吉満真一，切削

加工における材料特性が加工硬化層に及ぼす影響，鹿児島工

業高等専門学校研究報告， 34， (1999)， 5・9.

浅枝・小野，機械の研究， 2， 5(1950)， 249-251.

白樫高洋・帯川利之・笹原弘之・和田武司，切削加工変質層

生成過程のシミュレーション解析(第l報) 一残留応力分布

の予測法の提案と妥当性の検証一，精密工学会誌， 5 9-10

(1993)， 1695-17∞. (12) 白樫高洋・帯川利之・笹原弘之・和田武司，切削加工変質層

生成過程のシミュレーション解析(第2報) ー残留応力分布

への影響因子と応力分布制御の可能性一，精密工学会誌， 59-

12(1993)， 2∞3-2008.

(13) 奥島啓弐・垣野義昭，切削加工面の生成機構に関する研究，機

論第3部， 34-261(1968)， 97ト978.

(14) 中山一雄，切削機構に関する研究(第3報)ーすくい面近傍

における変形の観察ー，精密機械， 24・10(1958)，548・552.

(15) 岩田一明・上田完次・奥田孝一，走査型電子顕微鏡直接観察

によるパリ生成機構の解析，精密工学会誌， 48-4(1982)， 510司

515.

(16) 橋村雅之・DavidA. Domfeld，フライス切削のぼり生成に及ぼ

す縦すくい角の影響，精密工学会誌， 64-11(1998)，1658-1663.

(17) 臼井英治・牧野亮哉，低速流れ形切削における応力，ひずみ

分布，精密機械， 33-4(1967)， 245-251.

(18) 勇田敏夫，田頭孝介，二次元切削により生ずる加工変質領域

の観察，精密機械， 39-3(1973)， 312引 7.

(19) 中山一雄・田村清，切削抵抗における寸法効果

研究一，精密機械， 31-3(1965)， 240・249.

山本重男・中島宏興・宮地博文，構成刃先が生成する切削速

度域における低合金鋼の切削抵抗，鉄と鋼， 80・6(1994)，469・

474.

(21) 荒木透・山本重男・内仲康夫，テルライドその他の快削性介

在物を含有する軟鋼の切削挙動の微視的観察，鉄と鋼， 54-4

(1968)， 444・454.

(22) K.Nak:ayama and M.Arai， On the Storage of Data on Metal Cutting

Forces， Annals ofthe CIRP， 25，1(1976) ，13・18.

(23) K.Nak:ayama， M.C.Shaw and R.C.Brewer， Relationship Between Cut-

ting Forces， Temperatures， Built-up Edge and Surface Finish， Annals

oftheCIRP，14，(1966) ，211-223.

(24) 奥島啓弐・垣野義昭，切削中の被削材内部の温度分布につい

て(第 l報)ー測定法と切削表面層の温度分布一，精密機械，

34-11(1968)， 726-730.

(25) 山本明，切南Ij加工による金属表面層の研究(第2報)一切削

角を変化した場合一，精密機械， 15・7(1949)，143・147.

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(SUS304)

(1) 森脇俊道，切削加工の軌跡，精密工学会誌， 65-1(1999)， 25-

30.

(2 ) 原田正治，西田新一，遠藤達雄，末弘健次郎，福島良博，山

口弘幸，共析鋼の高サイクル回転曲げ疲労(第 I報，疲労強

度に及ぼす表面粗さおよび微小表面欠陥の影響)，機論， 53-

487， A(1987)， 401-407.

参考文献

切削加工における切削抵抗が加工硬化層に及ぼす影響 ·...

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