ステンレス鋼およびチタン合金の切削加工特性に関する研究 ―エンドミル

報
文
ステンレス鋼およびチタン合金の切削加工特性に関する研究
−エンドミル側面切削および正面フライス切削−
Study on Milling Characteristic of Stainless Steel and Titanium Alloy
-Peripheral Milling and Face Milling日開野輔*，小川仁*
Tasuku Higaino, Hitoshi Ogawa
抄
録
エンドミル側面切削および正面フライス切削において，代表的難削材であるステンレス鋼およびチタン合
金の冷却方法の違いによる工具寿命への影響の評価を行った．水溶性切削液の使用は冷却を行わない場合よ
りも工具寿命を悪化させることがわかった．オイルミストの使用は工具寿命の改善がみられたが，切削速度
を高くするとオイルミストの効果は減少することがわかった．また，SUS410 と SUS430 の正面フライス切削
においては，SUS304 よりも比較的被削性が良好であった．Ti6Al4V はエンドミル側面切削および正面フライ
ス切削共に SUS304 よりも工具摩耗の進行が速く，被削性が悪いことがわかった．
１ 緒言
ステンレス鋼やチタン合金は，強度，耐食性等の
工具摩耗測定：マイクロスコープ（キーエンス
VH-7000）
優れた性質を有しており，様々な分野で使用されて
表面粗さ測定：ハンディサーフ（東京精密 E-10A）
いる．
しかし，
熱伝導性が低く切削熱が逃げにくい，
２・２ 切削条件
靭性が高く溶着しやすい，さらにステンレス鋼は加
工硬化が生じやすい等の理由から代表的な難削材と
されている．
そこで，ステンレス鋼とチタン合金のエンドミル
側面切削および正面フライス切削を行い工具摩耗と
表面粗さを調査し，切削条件の違いによる切削性能
の比較を行った．
２ 実験方法
２・１ 使用工具，被削材，使用機器
切削条件は表 1∼3 の通りとした．
表 1 エンドミルの切削条件
被削材
寸法 mm
切削速度 m/min
送り速度 mm/tooth
径方向切り込み mm
軸方向切り込み mm
切削方向
切削油剤
SUS304
Ti6Al4V
60×60×100 50×50×100
75.4
0.08
0.5
10.0
ダウンカット
冷却無し，水溶性切削液，
エアブロー，オイルミスト
Ti6Al4V：エアブローのみ
エンドミルは 4 枚刃φ8mm の TiAlN コーテッド超
硬（日立ツール社製）を用いた．
正面フライス切削ではカッタ直径：80mm，アキ
シャルレーキ：＋22°，ラジアルレーキ：−11°，
真のすくい角：＋23°，コーナー角：45°のカッタ
（サンドビック社製）を用いた．正面フライス用チ
ップは TiN コーテッド超硬 M20 種（サンドビック社
製）を用いた．
また，以下の機器を使用し実験を行った．
加工機：マシニングセンタ（オークマ MD-45VA）
表 2 正面フライスの切削条件（ステンレス鋼）
SUS410
SUS304
被削材
SUS430
寸法 mm
60×60×100 60×30×100
100,150,185
500
切削速度 m/min
0.15
0.3
送り速度 mm/tooth
0.5
切り込み mm
切削方向
センタカット
冷却無し，水溶性切削液，
切削油剤
オイルミスト
SUS430：冷却無しのみ
２・３ 評価方法
*電子機械課
エンドミル側面切削および正面フライス切削共に，
数パス毎にマイクロスコープを用いて工具逃げ面摩
16
耗の評価を行った．ハンディサーフを用いて切削面
14
は，逃げ面摩耗幅 0.2mm もしくはチッピングが発生
12
するまでとした．
表 3 正面フライスの切削条件（チタン合金）
被削材
寸法 mm
切削速度 m/min
送り速度 mm/tooth
切り込み mm
切削方向
Ti6Al4V
純チタン
50×50×100
50,100,150
200
0.1
0.5
センタカット
冷却無し，水溶性切削液，
オイルミスト
純チタン：冷却無しのみ
切削油剤
表面粗さ (μm)
の表面粗さを評価した．また，工具の寿命判定基準
SUS304オイルミスト
SUS304エアブロー
SUS304水溶性切削液
10
SUS304冷却無し
8
Ti6Al4Vエアブロー
6
4
2
0
Ra
Rz
図 2 冷却方法の表面粗さへの影響
900
３ 実験結果
オイルミスト
エアブロー
水溶性切削液
冷却無し
３・１ エンドミル側面切削
図 1 に工具摩耗進行曲線を示す．SUS304 において
冷却無しの場合はそれ以外の冷却条件より逃げ面摩
耗が大きくなっており，9m 切削時点でチッピング
が発生した．冷却無し以外の条件では，工具の摩耗
ビッカース硬さ (HV)
800
700
600
500
は安定して推移しており，
明確な差異は見られない．
400
また，Ti6Al4V は SUS304 に比べ，工具の摩耗が若干
300
大きいが安定して推移しており，SUS304 よりも難削
0
0.02
0.04
0.06
0.08
0.1
0.12
切削面からの距離 (mm)
材であると言える．
図 2 に加工終了後の算術平均粗さ Ra，最大高さ粗
さ Rz を示す．SUS304 において，水溶性切削液を用
いた場合 Ra，Rz ともに大きくなっている．これは
切削油剤の使用による冷却効果で熱応力が高まり工
具に熱クラックが発生したためと考えられる．
図 3 加工硬化層（SUS304）
それ以外の条件での表面粗さに明確な差はみられな
い．
図 3 に切削面からの距離に対する被削材のビッカ
ース硬さの関係を示す．切削面からの距離が大きく
20
なるとともにビッカース硬さは小さくなり，0.1mm
チッピング
18
付近以降は安定して推移している．このことから加
逃げ面摩耗 (μm)
16
工硬化層は約 0.1mm と考えられ，エンドミル加工を
14
する際の切り込みは 0.1mm 以上にすることが望まし
12
い．
10
8
３・２ 正面フライス切削
SUS304オイルミスト
SUS304エアブロー
SUS304水溶性切削液
SUS304冷却無し
Ti6Al4Vエアブロー
6
4
2
３・２・１ SUS304
切削速度 100m/min において冷却方法の違いによ
る影響を調査した．冷却方法としては，冷却無し，
0
0
5
10
切削距離 (m)
図 1 工具摩耗進行曲線
15
水溶性切削液，オイルミストの三種類の比較を行っ
た．図 4 に工具摩耗進行曲線，図 5 に表面粗さを示
す．冷却無しでは，実切削距離 1900m でチッピング
が発生し工具寿命に達したのに対して，水溶性切削
削速度が上がるとともに小さくなっており，切削速
液を使用した場合は，実切削距離 362m で工具寿命
度 185m/min ではオイルミストによる効果はほとん
に達した．水溶性切削液を使用することで，冷却性
どない．
が向上したため，熱衝撃による熱クラックが発生し
３・２・２ SUS410 および SUS430
たためと考えられる．また，オイルミストを使用し
図 7 に SUS410 と SUS430 の工具摩耗進行曲線を
た場合は，冷却無しよりもさらに実切削距離が伸び
示す．SUS430 は SUS410 に比べ工具摩耗の進行が遅
2714m となった．これの原因として，オイルミスト
い．切り込みは 0.5mm と各条件とも同じであるが，
は，水溶性切削液を使用した場合よりも冷却性が低
送りが 0.3mm/tooth，切削速度も 500m/min と高速で
いことと，オイルによる切削抵抗の低減によるもの
あり，比較的被削性が良い．
と考えられる．
３・２・３ Ti6Al4V および純チタン
表面粗さは，水溶性切削液を用いた場合は，冷却
Ti6Al4V と純チタンの工具摩耗進行曲線を図 8 に，
無し加工の場合よりも低い値を示す．また，オイル
表面粗さを図 9 に示す．Ti6Al4V においては，切削
ミストを用いた場合は実切削距離 905m までは冷却
速度が上がると急激に工具寿命が短くなり，切削速
無しより高い値を示すが，それ以降は冷却無し加工
度を 100m/min 以下にすることが望ましい．また，
時とほぼ同じ値で安定して推移する．
Ti6Al4V における加工面の表面粗さは切削速度およ
図 6 に切削速度ごとのオイルミストの効果を示す．
冷却無し 切削速度100m/min
冷却無し 切削速度150m/min
冷却無し 切削速度185m/min
オイルミスト切削速度100m/min
オイルミスト切削速度150m/min
オイルミスト切削速度185m/min
切削速度が高くなるとともに工具寿命が短くなって
いる．また，各切削速度のオイルミストの効果は切
水溶性切削液100m/min 0.15mm/tooth
逃げ面摩耗幅 (μm)
オイルミスト100m/min 0.15mm/tooth
350
300
250
200
150
100
50
0
逃げ面摩耗幅 (μm)
冷却無し100m/min 0.15mm/tooth
450
400
350
300
250
200
150
100
50
0
0
0
1000
2000
3000
1000
2000
実切削距離 (m)
3000
図 6 オイルミストの効果（SUS304）
実切削距離 (m)
図 4 冷却方法の工具寿命への影響（SUS304）
SUS410冷却無し500m/min 0.3mm/tooth
冷却無し100m/min 0.15mm/tooth
SUS430冷却無し500m/min 0.3mm/tooth
水溶性切削液100m/min 0.15mm/tooth
オイルミスト100m/min 0.15mm/tooth
逃げ面摩耗幅 (μm)
表面粗さRa (μm)
0.30
350
0.25
0.20
0.15
0.10
300
250
200
150
100
50
0.05
0.00
0
0
1000
2000
3000
実切削距離 (m)
図 5 冷却方法の表面粗さへの影響（SUS304）
0
500
1000
実切削距離 (m)
図 7 SUS410 と SUS430 の被削性の違い
1500
び工具寿命に関係なく推移していることがわかる．
却無しに比べ切削距離が延び，
実切削距離 2430m で
純 チ タ ン は Ti6Al4V に 比 べ る と 切 削 速 度 が
工具寿命に達した．これは，オイルミストは水溶性
200m/min と高いが，工具摩耗の進行が遅く，被削性
切削液よりも冷却性が低く潤滑性が高いことが理由
は良好であった．純チタンの表面粗さは，Ti6Al4V
と考えられる．また，表面粗さは冷却無しと水溶性
に比べ大きい．
切削液を用いた場合とでは，ほぼ同じであり，オイ
切削速度 100m/min において冷却方法による影響
を調査した．冷却方法としては，冷却無し，水溶性
ルミストを用いた場合はそれらよりも若干高い値と
なった．
切削液，オイルミストの三種類の比較を行った．図
10 に工具摩耗進行曲線，図 11 に表面粗さを示す．
冷却無し 100m/min Ti6Al4V
オイルミスト 100m/min Ti6Al4V
水溶性切削液 100m/min Ti6Al4V
冷却無しでは，実切削距離 1080m でチッピングが発
生し工具寿命に達したのに対して，水溶性切削液を
250
した．水溶性切削液を使用することで，冷却性が向
上したため，熱衝撃による熱クラックが発生したた
めと考えられる．オイルミストを用いた場合は，冷
500
50m/min冷却無しTi6Al4V
100m/min冷却無しTi6Al4V
150m/min冷却無しTi6Al4V
200m/min冷却無し純チタン
逃げ面摩耗量 (μm)
400
逃げ面摩耗量 (μm)
使用した場合は，実切削距離 108m で工具寿命に達
200
150
100
50
0
0
1000
2000
実切削距離 (m)
300
図 10 冷却方法の工具寿命への影響（チタン合金）
200
冷却無し 100m/min Ti6Al4V
オイルミスト 100m/min Ti6Al4V
水溶性切削液 100m/min Ti6Al4V
100
0.3
0
1000
2000
3000
実切削距離 (m)
図 8 切削速度の工具寿命への影響（チタン合金）
50m/min冷却無しTi6Al4V
100m/min冷却無しTi6Al4V
150m/min冷却無しTi6Al4V
200m/min冷却無し純チタン
表面粗さRa (μm)
0
0.25
0.2
0.15
0.1
0.05
0
0.3
表面粗さRa (μm)
3000
0
0.25
0.2
1000
2000
実切削距離 (m)
3000
図 11 冷却方法の表面粗さへの影響（チタン合金）
0.15
４ まとめ
0.1
エンドミル側面切削において
0.05
１）SUS304 におけるエアブローによる切削は切削
0
0
1000
2000
実切削距離 (m)
3000
図 9 切削速度の表面粗さへの影響（チタン合金）
油剤を使用した場合と同等の加工が可能であ
る．
２）Ti6Al4V は SUS304 より被削性が悪い．
３）SUS304 の加工硬化層は約 0.1mm 存在すると考え
られ，切り込みは 0.1mm 以上にすることが望ま
しい．
正面フライス切削において
１）SUS304 と Ti6Al4V のいずれの場合でもオイル
ミストの使用により工具寿命を延ばすことが
できるが，切削速度が上がるとその効果は小さ
くなる．
２）SUS304 と Ti6Al4V のいずれの場合でも水溶性
切削液を使用すると工具寿命が短くなる．
３）被削性は以下の順に良好である．
SUS430 > SUS410 >> SUS304
純チタン> Ti6Al4V
参考文献
１）
（社）日本チタン協会編：
「チタンの加工技術」
，
日刊工業新聞社，pp20-26,pp39-45(1998-1)
２）狩野勝吉：「難削材・新素材の切削加工ハンド
ブ ッ ク 」， 工 業 調 査 会 ， pp205-211 ，
pp220-226(2002-7)
３）「平成 13 年度共同加工試験報告書」
，独立行政
法 人 産 業 技 術 総 合 研 究 ， pp28-39,pp73-75,
(2002-2)