49巻 9号 特 研 (1997.9) 生 産 研 究 集 2 究 解 説 金型 加 工 用高速 ミー リ ング High SpeedMilling for Die and Mold Making 中 川 威 雄 * Takeo NAKAGAWA ボ ー ル エ ン ドミル に よ る切 削加 工 にお い て ,工 具 回転速度 が増 せ ば加 工 時間 を短縮 す る と共 に表 面 の 平滑 さを増 す こ とが で きる.こ の こ とは 自由曲面 をもつ 金型 製作 の迅 速 化 につ なが り1高 速 ミ ー リング と して注 目 されてい る.高 速 ミー リン グ技術 は実 際 の金 型 工 場 でだんだん と使用 され るよ うに な って い るが 1耐 熱性 の優 れ た cBNを 工 具 と して用 い れ ば切 削速 度 が 1,000m/min又は主 軸 回 転数 50,000rpmを越 す よ うな超 高速領 域 の超 高速 ミー リング も可能 で ある こ とが わか って きた.最 近 では各所 で工作機 の 開発 も活発 に進 め られているの で近 い将 来鉄 系材 料 の超 高速 ミー リン グの時 代 が至1来 しよ う。 1日は じ め に 中心 とな り, 一 部 の 荒加 工 をヽ 除 い て は重 切 削 は行 われ な い 。特 に 自由 曲面等 で は , ボ ー ル エ ン ドミルの 送 リピ ッ 機械 部 品 の生 産 工 場 にお い て は , 品 質 の 向上 と コス ト の 削減 は永 遠 の 課題 で あ る。 特 に世 界 的 な経 済競 争 の 中 チ を細 か くす る こ とに よって 表面粗 さを減少 させ 後仕 上 にあ って , 生 産 コス ト削減 の 要 求 は と りわ け厳 しい もの が る。 多 くの機 械 部 品 は型 を使 って 成 形 され て い るが , "か つ 型 に よって生 産 され る素 形 材 に つ い て も, “早 く “ "供 安く 給 す る こ とは必須 の命題 とな ってい る。素形材 加 工 時 間 を長 くして い る。小 径 工 具 に よる切 削 時 間 を短 げ工 程 を削減 す る こ とが 出来 るが , そ の こ とが また切 削 縮 す る には , 切 削 工 具 の 回転 数 を よ り早 くして , 送 り速 度 を よ り早 くす れ ば よい 。そ こ に高速 ミー リ ン グの存 在 意義が あ る。 生 産 の ネ ックは , こ の 型 の生 産 が簡単 には早 く安 く出来 な い こ と, 即 ち型 の生 産 には 時 間 が か か り価 格 も高 い こ と とされ て い た。 しか し, 少 量 生 産が 一 般化 し, 商 品サ イ ク ルが短期 化 し, 新 商 品 開発 期 間 を短縮 化 す る動 きの うにボ ー ルエ ン ドミルが 使用 され る 中 で , 型 製作 時 間 の 削減 と コス ト低 減 要 求 は益 々厳 しい で は表 面 に凹 凸が 生 ず るの は避 け られ な い が , よ り滑 ら もの となってい る。 型 製作 は設計 ・加 工 ・組付 ・仕 上 げ ・トライ ・修 正 と い った順 で行 われ る。 設 計 の 分 野 で は C A D が 導 入 され , さ らには成形 シ ミュ レー シ ョン な どに よ り, 型 設計 の 合 理化 と共 に信頼性 も向上 して い る。型 加 工 は N C プ ロ グラ 2 . 鉄 の 時代 に入 った高速 ミー リング 金型 の よ うな 自由 曲面 の切 削加 工 で は , 図 1 に 示 す よ 1 ) 。 ー ルエ ン ボ ドミル ￨ 工 具 (ボ ー ル エ ン ドミル ) (自由曲面) ミング を含 め 最 も多 くの工 数 を要 し, こ の工 程 の 時 間短 縮 が型 製作 にお け る リー ドタイ ムの 短 縮 と コス トの 削減 には不可欠 の もの とされてい る。 型加工 の大 部分 は切 削加 工 で 行 われ , エ ン ドミル に よ る フライス切 削 を用 い て 行 われ るが , 複 雑 な形状 を もつ 型加 工 で は , 工 具 径 の大 きな もの を使 用 で きな い 。 した が って小 径 工 具 が 多用 され , そ の こ と もあ って軽 切 削 が *東 8 京大学生産技術研 究所 第 2 部 ピックフィー ド E P f ] 図 1 自 由曲面 の ボ ー ルエ ン ドミル加 工 49巻 9号 (1997.9) 生 産 研 究 385 か な面 を 得 る に は 送 リ ピ ッチ を細 か くす る必 要 が あ る 。 に問題 が あ ったか らに他 な らな い 。高速 で切削 を行 えば, この こ とは 同 時 に 切 削 加 工 に 要 す る時 間 を 長 く して し ま 切刃 に高熱 が発生 し, 工 具 が 短時 間 で損傷 して しま う。 しか し, 最 近 の工 具材 料 の 発展 は 目覚 ま しい ものが あ る。セ ラ ミック コー テ イ ン グ した超 硬 工 具 は この 高速 ミ う。高速 ミー リ ングでは工 具 の 回転速度 を早 くし,そ れ に応 じて加工能率 を上 げ送 りを早 くす る。 この よ うな高 速 ミー リ ング採用 によ り切削加 工 の高能率化 は図 2に 示 力 す金型加工の例 か らも理解で きる . 同時に工 具 の送 リピッチを細か くすれ ば表面粗 さは図 3 の ように大幅 に改良されるの.こ のように高速 ミー リング ー リ ン グに耐 え る工 具材 料 で あ る こ とが わか って きた。 また , 刃 先 に負 の す くい 角 をつ け る こ とに よつて刃 先 の チ ッ ピ ン グ を避 け る こ とに も成 功 して い る。 図 4 は 鉄系 の 金型材 の切 削加 工 の 過去 。現在 ・将 来 を ま とめ た もの は高能率 と高精度 の加 工が 同時 に実現で きる利点 を持 っ てい る.こ の よ うな高速 ミー リングの利点は ここで改 め て述べ るまで もな く,ず っと以前 よ り知 られて い たこと で あ る。 この よ う に金 型 製作 の 現場 にお い て は , ミー リ ン グの速 度 を よ り高速 化 す る こ とに大 きな期待 が寄せ ら れて い る °. で,事 実 アル ミ合金 の切削加工 ,特 に航空機部品産業 で は一般的 に活用 され きた。 この高速 ミー リ ングが金型製 3 . 金 型 の 高速 ミー リングの例 作 に これ まで用 い られなか った理由は,切 削工 具 の寿命 金型 加 工 で 高速 ミー リ ン グが適用 され , 実 際 に大 きな 効果 を上 げ て い る例 の報告 が次 第 に多 くな って い る。 図 5 は トヨ タ 自動 車 の金 型 工 場 にお け る鍛 造 金型 に適用 した 高速切肖J 高速 D N C 運 転 1001000 min‐ 1 主軸 回転数 切削送 り 用 い る こ とに よ り放 電加 工 や加 工 後 のみが き工 程 さえ も 省 略 した こ とが全 体 の 加 工 時 間短縮 に大 き く寄与 して い る. さ らに図 6 は 小径 2 φ のボ ー ル エ ン ドミルエ 具 1 本 の 6.000 1111in l 0.6m/1nin 10m/min 切込 み量 ピックフィー ド 9。 小径 工 具 を 例 で あ り, 加 工 時 間 に大幅 に低 下 して い る 通常切削 0,l llllm ■ 0.2mm ステ ップフィー ド 1.Omm ← 加工 時 間 38分 5時 間 41分 切削長 さ 1751111 NCテ ー プ長 ー ボ ルエン ドミル ← 61000111 ■ サー メッ ト R5 被削材材質 S50C 硬 切削方式 Down-c ハイス R 5 度 H B 206 t Dry 図 2 高 速 と通常切削 との比 較 (新潟鉄 工 ) ０ １ m) ０ ２ ■■１ ︶ 赳毅 翌 摯 Pf=0.2 mm (Rmax=1.350 μ 高 速 ミー リ ン グ Coathg Pf=0.5mm (Rmax=4.795 μ H il 5T [百 l■輛 孫 yI蔵 而 i 「「丁 下Vl 市 贋 「 結 体 ポ ー ル エ ン ドミル R5mm l 1 切 削 工 具 :特 殊 CBN焼 l 斜 面 ,乾 式 切 肖1,Down― ctt l 切 削 条 件 :15度 l 工 具 : ボ ー ル エ ン ドミ ル m) 被 加 工 材 料 : ダ ィス鋼 0.2 N=50,000min lF=5,000mm/min d=0.lmm Pf=0.2hm l 図3 ピ ック フ イー ドと表 面 粗 さ (新潟 鉄 工 ) Ⅱ Rc45 1 送 り (mm/cutting edge) 図 4 金 型 ボ ー ル エ ン ドミル 加 工 の 過 去 。現 在 ・将 来 ( 松岡) 49巻 9号 (1997.9) 15,000rpm) ① Machine s口ndle speed 13,500‐ oaJng ② T o d H i g h n g d l y , M― uo 田 ③ Soi Caerum(Rough&lnish) lvlanufacturing time Past processing Machiningcenteril』 101 hilj New processtng Machiningcenter 101 図 5 高 速 ミー リ ン グの実用 夕1(ロ ー アア ー ム熱 間鍛 造金型 ) (ト ヨタ) 生 産 研 究 い られる工 具材料 としては焼結 cBN工 具 が考 え られ る。 cBN工 具 は図 7に 示す ように現在 の ところ鉄系材料 の切 削 には最 も耐摩耗性 が 高 い と信 じられている工 具材料 で あるの.し か し,同 時 に超硬 に比較 して靭性が劣 り,加 工 時 に切刃 のチ ッピングの発生が危惧 される。cBN工 具 に はバ イ ンダ量の大小 によって,靭 性 の高 い もの か ら靭 性 の まで各種 の材 質が発 売 されて い る。バ イ ンダ EDMの低 い も71『 185 量が多 く靭性 の高 い ものは主 として鋼材用 に,バ イ ンダ 量が少 な く靭性 の低 い ものは硬質鋳鉄 な ど適 して い る と 言われてい る。 しか し,切 削速度が 1,000m/minのような 高速 ミー リ ング領域では,バ イ ンダ量が多 い と発生す る 高温 の切 削熱 に よってバ イ ン ダ部分がおか されるので , 出来るだけバ イ ンダ量の少ない材質が望 ましい。 靭性 の劣 るバ イ ンダ量が少ない cBN材 を用 い て, しか も発生す る ピ ッチ ングの危険 を避 け るには,工 具 刃 先 に 負 のす くい角 をつ ける対策 をとらざる を得 ない。負のす くい角 の採用 によって切れ味が低下するが,幸 い 図 8に 実験結果 を示す よ うに切れ味が劣 った分 は高速化す るこ とによって切れ味が向上 し,超 高速切削では負 のす くい 角で も満足 な切削 を行 うことができる°。 これ らの こ とか ら図 9に 示す よ うな高密度焼結 cBNを 超硬本体 に ロ ウ付 け した負 めす くい角 を持 つ cBN工 具が超高速 ミー リング 用 として開発 された 9. 図 6 エ アベアリングミー リングマシンによる切削夕1 (コンロッド)(2φ,30,000 rpm,送り6m,24 min) (新潟県工業技術総合研究所) み で 熱 間鍛 造用 コ ネ クテ ィ ン グ ロ ッ ド金型 の キ ャ ビテ イ 部 の全 加 工 を行 った例 で あ る °。 しか も, こ の例 で は使用 す る マ シエ ングセ ン タの主 軸 の ベ ア リ ン グが空 気 軸 受 で も問題 な く加 工 で きた こ とが 示 され て い る。空 気 軸 受 け は高速軸受 け寿 命 が長 い こ とに期待 が 集 まって い る。 これ らの金型 加 工 で は, 高 速 ミー リ ングの採用 に よ り, 送 リ ピ ッチ を細 か くして表 面仕 上 げ精 度 を向上 す る と共 に, 小 径 ボ ー ル エ ン ドミル を用 い る こ とに よ り, 従 来放 電加工 で行 ってい た底 の R 部 の 形状 加 工 も切 削 で行 って い る. こ の場合 工 具 の種 類 を減 らす と共 に, N C カ ッター 5 . 超 高速 ミー リングの 実験結果 前 述 の c B N ボ ー ル エ ン ドミルエ 具 と, 新 潟 鉄 工 製 の 100× 103Ψ m 超 高速 ミー リ ン グ盤 を用 い て金 型材 の超 高 ー 速 ミ リ ン グ を行 った 。鍛 造用 プ リハ ー ドン ダイス鋼 を 5 0 × 1 0 3 r p m で切 削 した結 果 は , 図 1 0 に 示 す よ う に 5 × 1 0 3 r p m と比 較 して工 具寿 命 の低 下 は認 め られ なか った D . そ れ どころ か 両 速 度 領域 にお い て , 超 硬 合 金 に比 べ て , は るか に長寿 命 を示 し, c B N 工 具 の 耐久性 の 高 さを示 し た。 10000 パ ス を求 め る手 間 も減少 して い る。 但 し, 小 径 工 具 で は 工 具 の ア ス ベ ク ト比 L / D が 大 きい ため 当然 びび り振 動 を 発生 し易 くな るので , 側 壁 が 直 角 に切 り立 った壁 を持 つ 金型 には この種 の切 削加 工 の み で は加 工 出来 な い 。 つ ま り, 小 径 工 具 に よる切 削加 工 にお け る深 い キ ャ ビテ イの 加 工 の形状 的制約 は解消 されて い る訳 で はな い. 4 口よ り高 い切削熱 に耐 える c B N 工 具 これ ら高速 ミー リ ン グの 実 際 の 金型工 場 で の 成功 に刺 激 され て , よ り高速化 へ の挑 戦 が進 んで い る. よ り高速 の切 削 , こ こで は超 高速 と呼 ぶ こ と とす るが , こ れ に用 10 Toughness(Bending strength)Kgf/mm2 図 7 切 削用工具材料 の硬 さと靭性 49巻 9号 生 (1997.9) 昭 8 こ 6 ∝4 研 究 387 さ らに同 じ工 具 で焼 入 れ ダイ ス鋼 の切 削 実験 を行 った ところ, 図 1 1 に 示 す よ う に, 驚 い た こ とに超 高速 で は工 11)。 これ は , 超 高速 具摩 耗 が 減 少 す る傾 向 が認 め られ た 切 削 で は , 切 削 熱 に よ り, 焼 入 れ材 が軟化 す る こ とに よ 切肖I条件 : S50C HB206 15・ 斜面 ・ ルR5-2枚刃 ホ ルエンドミ f=0.05 ml1/tooth 置 2 主 軸 回転 速 度 産 って , 摩 耗 が減 るので は な い か と考 え られ て い るが , 本 4 6 8 粗さ7点測定 NE×1 04 min l] 当 の ところは不 明 で あ る。 同 じような超 高 速 で か え って工 具 寿命 が 延 長 す る現 象 は 同 じc B N 工 具 を使 った 図 1 2 の よ うな フェイ ス ミル を使 3 0 ,0 0 011in 1(Vmax=420o/min) った鋳鉄 の切削実験 で も認 め られて い る。6 , 0 0 0 m / m i n ま で の 結 果 を 図 1 3 に ま と め て い る が , 明 らか に 2 ∼ 3 , 0 0 0 m / m i n の超 高速切 削領 域 で は工具摩耗 の減少 が 認 め 2 ) 。この 実験 結 果 は連 続 加 工 に近 い フ ェ イ ス られ て い る Cutting Area A Ecm コ 200 400 600 800 1000 1200 》 フ ィ ー ド方 向 の 切 削 面 4 1 1 さ 結 体 ド ルエンド ミルに よ る S 5 0 C 切 削 ・ 速切削 にお ける ム シ レの改 善効 果 (新潟鉄 工 池 田) 図8 高 ［日日□ ｍ＞ ﹄“①〓 出口‘一﹄ ネガ ランド 付 き C B N 焼 維雌 H耐謂 li鸞 :差 ;=;:;;ffi""""'l tr:ao,ooonin-',v=r.zEI-1,55rn/uin Pf‐0.2■II Down―cut,Dry θ=30° 0 loo 200 300 400 500 600 Cuting Length L Em] 巨]1l Effect of cutting sPccd on CBN toolin lnilling of quenchcd die stcel(SICD61,HRc57) (池田他) ー ルエ ン ドミル (松岡) 図 9 高 速 ミー リ ング用 cBNボ C u t t i n g A r e aA [ c m ' ] ［日日］ ｍ＞ ﹄“①〓 出口“［﹂ 200 400 600 800 1000 1200 't=407* 700m/nin 0 =75' O N=50,000nin-1 =30" O N = 5 0 , 0 0 0 n i n - 1V = 7 8 5 - 1 0 4 0 m / n i n 0 0 = 30" 7 0 4 n / n i n v = 7 9 5 , 0 0 0 n i n t N = n f:0 . 05nn/to oth F =5,000/500un/nin d =0.1nu Pf=0.2nn Down-cut, DrY 0 0 0 loo 200 300 400 500 600 Cuting Length L Em] =-80 RP=-6. A「 ミー リ ング試験 に用 い た cBN平 面 フライスエ具 図 10 Effect of cutting specd on CBN tool wear in llllilling of pre― 図 12 超 高速 (松岡 。高橋他) 田他 ) hardened dic steel(SKD61,HRc36) (池 49巻 9号 生 産 研 究 6 . 超 高 速 ミー リン グ マ シ ン 現 在 開発 され て い る高速 ミー リ ングマ シ ンの うち , ボ ー ル エ ン ドミルの工 具外周部 で 2 , 0 0 0 m / m i n 以上 の超 高速 ＴＩ＼Ｅ︶＞ 側躙 轟 Ｓ 度 が 出せ る機種 が 幾 つ か存在 す る。 この うち最 初 の 新 潟 鉄 工 の機種 は 1 9 9 0 年頃 に開発 され た もので , 軸 受 け にセ ラ ミックボ ー ルベ ア リ ン グ を用 い て い る。 こ れ は 1 0 0 × 103Ψ m の 回転 数 を もち , 今 話題 の超 高速 ミー リ ン グの 可 能性 を実 証 す るキ ッカケ とな った機種 で あ る。 これ よ り 高速 回転 の もの は最 近理 研 ( 北村 機械 , 東 芝機 械 , フ ァ ナ ック と共 同開発 ) で 開発 され た。1 5 0 X 1 0 3 r p m の 主 軸 回転 数 を持 ち主軸 が空 気 軸受 け とな ってい る 1 の 。 他 の機 マ 種 と して ザ ック ( 豊田工 大 ) の 4 0 番 で 4 0 × 1 0 3 r p m の 1 10 1oo looo 10000 工具寿命 T(min) 図 13 切 削速度 と工具寿命お よび寿命 に至 るまでの除去量 の関係 (高橋 。松 岡他) 機 種 が あ り, 主 と して アル ミ合 金 切 削用 に開発 され た も の で , 通 常 の ボ ー ルベ ア リ ン グを使用 して い る。 この機 種 の特徴 は送 り速度 が 6 0 m / m i n と 極 め て高速 が 出せ る点 で あ る. こ の 高 速度 送 りは通常 の ボ ー ルス ク リュ ー で 実 現 して い る。 7.お わ り に ミル の 結 果 が あ るが , フ ェ イ ス ミル で も切 刃 が 被 加 工 材 に 常 に接 触 して な い 断 続 切 削 で は , 更 に 摩 耗 が 減 少 し長 何 と い っ て も超 高 速 ミー リ ン グで cBN工 具 ボ ー ル エ ン ドミル の 速 度 限 界 が い ま だ 見 え な い 点 は 興 味 が つ きな い 寿 命 が 得 られ る こ とが わか って ぃ る. つ ま りこの 実験 結 果 で は 2 ∼ 3 , 0 0 0 m / m i n で最大寿 命 が 得 られて い るが , ボ ー ル エ ン ドミル で の最 大寿 の 命 速 度値 は更 に高 くな る こ と こ ろ で あ る。NC送 りや 工 作 機 械 の 限 界 が 高 速 化 の 支 障 とな っ て い る と した ら,そ れ を打 ち破 る工 夫 を加 え て ほ しい もの で あ る。 とが予想 され る. (1997年6月 18日受理) 以上 の 2 つ の 実験 結 果 が 示 す こ とは , ボ ー ル エ ン ドミ ル に よる金型 材 と鋳 鉄 の加 工 で は , c B N 工 具 を用 い る 限 り今 の ところ工 具 寿 命 か らみ た速 度 の 限 界 は把握 され て い な い こ と となる。 高速 化 す れ ば す る程加 工 能率 は上 が り, 工 具寿 命 も問題 とな ってい な い ので あ る。 これ はボ ー ル エ ン ドミルで は , 工 具 切 刃 が 被 加 工 材 に触 れ る 時 間 は極 め て短 時 間 で あ り, 大 部 分 の 時 間 は空 冷 され て い る こ とに依 ってい る と思 われ る. 但 し, ボ ー ル エ ン ドミル の 底 の 中心 刃 部 は速 度 が 遅 く, ま た接 触 時 間 も長 い ので 必 ず しも この理 屈 は通用 しな い 可 能性 が あ る。 したが っ て工 具 の 中心 刃 の 形状 は益 々重 要 と な り, 将 来 は工 具 を 少 し傾 け て切削す る等 の工 夫 も必要 となる可 能性 もあ る。 参 考 1)池 文 献 田,松 岡,中 川 :精 密工学会中国四国支部 [最近 の金型 製作法]講 習会テキス ト (1990),1. 2)池 田,手 塚 :型 技術 ,5,8(1990),91. 3)池 田,高 橋 ,松 岡,中 川 :型技術 ,6,8(1991),45 4)松 岡 :機 械技術 ,43,6(1995),19. 5)古 谷 :理研 シンポジウム第 2回 ラ ピ ッ ドプロ ダク トマニュ フアクチ ヤリングテキス ト (1996),20. 6)嶽 岡 :機械技術 ,43,6(1995),25。 7)精 密工作便覧,精 密工学会編 (1992),49. 8)池 田,高 橋 ,松 岡,中 川 :1990年 度精密工学会秋季大会 学術講演会論文集 (1990),1115. 9)松 岡,池 田 :型技術協会第 3回 高速 ミー リング研究委員会 テキス ト (1993),1. 10,11)池 田,高 橋 ,松 岡,中 川 :型技術 ,8,8(1993),78. 12)高 橋 ,安 斎 :機 械 と工具,40,5(1996),44. 13)中 川 ,安 斎 ,高 橋 ,新 野 ,松 岡 :1997年 度精密工 学会秋 季大会講演予定.
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