金型・部品加工業専門コンサルティング

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ラフィングエンドミル

FAQ

【技術ワンポイント】エンドミルのリード角の強弱の使い分けについて(ハイヘリカル・エンドミルなど)

 

エンドミル側面の刃のねじれの角度のことを、「ねじれ角」とか「リード角」と言います。

また、下図のように、ねじれ角度の強いエンドミルと、弱いエンドミルがあります。

エンドミルのねじれ

http://jp.misumi-ec.com/maker/misumi/fs/tech/monoq/basic/detail/detail29.html

「ものづくりQ&A 基礎編 エンドミル加工 | 株式会社ミスミ」サイトより (最終閲覧日:2016年4月17日)

 

ねじれの強いエンドミルを、ハイヘリカル・エンドミルと呼ぶこともあります。

今回は、このねじれ角が違うことにどんな意味があり、どう使い分けるかに触れてみたいと思います。

 

まず、ねじれ角のあるエンドミルのねじれ角度は、30度くらいが一般的です。

そして、ねじれ角度が大きくなると(上の図で言う「強ねじれ」)、大工さんが使うカンナのように、切削の切れ味はどんどん良くなります。

 

その理由は、同じ切削送り量ならば、切りくずの厚みが薄くなることで、切削抵抗が下がるためです。

切削抵抗の影響要因の中で、切りくずの厚みの影響は非常に大きく、その厚みを薄くできることで切削時の抵抗が下がります。

横切れ刃角と切りくず厚みの関係

http://carbide.mmc.co.jp/technical_information/tec_turning_tools/tec_hsk-t/tec_turning_technical/tec_turning_cutting_edge

「横切れ刃角/前切れ刃角/切れ刃傾き角 | 三菱マテリアル株式会社」サイトより (最終閲覧日:2016年4月17日)

 

上図の一番左のケースが、ねじれ角度が0°の場合、一番右が30°の場合です。

着目したいのが、hで示されている切りくず厚さであり、0°よりも、30°の方が、hの切りくず厚さが薄くなっています(0.87hとなっているので、0°の場合の87%の厚さになっている)。

 

このねじれ角度がもっと大きくなれば、さらに切りくず厚さは薄くなります。

その最たる例が、数年前に一世を風靡した、下図のような「高送りカッター」です。

http://www.sandvik.coromant.com/ja-jp/knowledge/milling/application_overview/face_milling/high_feed_milling

「切込角が小さなカッター | サンドビック株式会社」サイトより (最終閲覧日:2016年4月17日)

 

これら「高送りカッター」などと呼ばれる工具は、横方向の刃の角度を15°など、極端に寝かせ、同じ送り量であっても、ねじれ角度の少ない工具よりも、5倍以上、切りくず厚さを薄くできます。

言い換えると、同じ切りくず厚さであれば、ねじれ角度の少ない工具よりも、5倍以上、送り量を上げることができます。

もし興味があれば、図を描いてみると、よくわかります。

 

さて、エンドミルのねじれ角について、前述したように切れ味、切削性に影響があるわけですが、加工品質にどのような影響があるのでしょうか。

切削性にとても良い影響のある、強ねじれエンドミルですが、加工品質において、一つ注意点があります。

 

0°のものと、下図の「工具」のような、ねじれ角の強いものを比較すると、わかりやすいのですが、強ねじれのエンドミルは、下図のような「側面切削」において、各側面の刃が材料に接触するタイミングに、時間差が生じるので、ねじれが強いほど、うねりが生じやすくなります。

エンドミルの側面切削

http://jp.misumi-ec.com/vona2/detail/110600014060/

「XACシリーズ超硬ハイヘリカルエンドミル 高硬度鋼加工用・多刃・45°ネジレ/レギュラータイプ | 株式会社ミスミ」サイトより (最終閲覧日:2016年4月17日)

http://jp.misumi-ec.com/maker/misumi/fs/tech/monoq/basic/detail/detail30.html

「ものづくりQ&A 基礎編 エンドミル加工 |  株式会社ミスミ」サイトより (最終閲覧日:2016年4月17日)

 

まとめると、ねじれが強い工具は、切削性、切れ味は上がるので、仕上げ面粗さは良くなりますが、例えば、立ち壁の深いポケット切削などの場合、加工面にうねりが出やすくはなりますので、留意したいところです。

 

それと、もう一つ留意点があります。

薄板ワークの加工に使用すると、弱ねじれのエンドミルに比べて、ワークのビビリが発生する可能性があります。

 

下の右図のように、横方向の刃に角度がつくと、切削時に上下方向に力が分散します。

横切れ刃角による力の分散

http://carbide.mmc.co.jp/technical_information/tec_turning_tools/tec_hsk-t/tec_turning_technical/tec_turning_cutting_edge

「横切れ刃角による影響 | 三菱マテリアル株式会社」サイトより (最終閲覧日:2016年4月17日)

 

つまり、エンドミルを引き抜いたり、押し込んだり、はたまた、ワークを上下方向に押したり、引き込んだりする力が発生します。

 

昔、ハイス製の太いラフィング・エンドミルの重切削加工において、エンドミルが抜けるというのがよくありましたが、最近はそういった工具の使用も減ってきたので、工具が抜け落ちるというのは少なくなったようですが、ワークに対する影響は考慮しなくてはいけません。

 

まとめると、ハイヘリカル工具などの強ねじれのエンドミルを使用するにおいては、薄板ワークや、剛性の強いクランプの出来ないワークにおいては、ビビリの発生確率が高まります。

 

最後に、刃持ち、工具寿命の影響についてですが、強ねじれのエンドミルの特に、先端部においては、下図のような刃先の先端角度が鋭利になるため、欠損しやすくなります。

エンドミルのシャープコーナー部

http://nachi-tool.jp/blog/index.php?e=37

「ギャッシュランドとシャープコーナの比較 | 株式会社不二越」サイトより (最終閲覧日:2016年4月17日)

 

したがって、基本的には、ねじれの弱いエンドミルよりも、硬い材料には向かないと言えます。

ただし、最近では、靭性を改善し、高硬度用のハイヘリカルエンドミルも販売されているので、全てに当てはまるわけではありません。あくまで原理・原則です。

しかし、工具を使い分ける・使いこなすためには、原理・原則を知っておくことは重要です。

 

ここで、ねじれの強弱によるエンドミルの特性を、各評価指標ごとに比較するとこのようになります。

  • 送り方向の切削抵抗
    • 弱ねじれ<強ねじれ(良)
  • 上下方向の切削抵抗
    • 弱ねじれ(良)>強ねじれ
  • 仕上げ面粗さ
    • 弱ねじれ<強ねじれ(良)
  • 加工面のうねり
    • 弱ねじれ(良)>強ねじれ
  • 刃先先端の欠損リスク
    • 弱ねじれ(良)>強ねじれ

 

加工形状や求める精度、品質、コストなどを勘案し、使い分けたいものです。

 

 

※ 実際の加工においては、工具材種だけでなく、被削材の物性、機械剛性、工具の消耗状態、被削材のクランプ状態などの外的要因で、如何様にも状態は変化するため、実際の加工においては、自己責任のうえ、充分な確認・検証を行ったうえで、加工してください。

 

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代表:村上 英樹(中小企業診断士)

愛知県刈谷市 TEL 0566-21-2054

 

具体的にどのラフィングエンドミルを使ったらよいか教えてください

 

具体的に、どのラフィングエンドミルを使ったらよいか教えてください。

前回の「ラフィングエンドミルのメリットと工具特性を教えてください」に引き続き、このような質問をいただきました。

 

具体的には、下記の工具を検討しているとのことです。

  • 三菱マテリアル社:VASFPR (バイオレットファインラフィングエンドミル(S))
  • OSG社:FX-MG-REE

 

それぞれの工具の特徴をみていきます。

 

三菱マテリアル社:VASFPR ですが、メーカーサイトの説明では、「高級粉末ハイスの母材に、新開発のバイオレットコーティングを施したラフィングエンドミルです。」と、書かれていますので、工具材種は、ハイス種となりますので、切削時の発熱により、硬度が低下する温度は、500℃を超えたあたりになります。ただし、コーティングが施されているので、各被削材ごとの推奨条件は、それを前提とした加工条件となっています。

例えば、メーカーのカタログに記載されている、S55C相当の加工条件で見ると、φ10の場合(側面切削)、

  • 主軸回転速度(rpm):1,350回転
  • 送り速度(mm/分):250ミリ

これを、切削速度、回転あたり送り量に換算しますと、

  • 切削速度(m/分):42.39メートル
  • 回転あたり送り量(mm/rev):0.18ミリ

と、なっております。

 

次に、OSG社:FX-MG-REE を、見ていきます。

こちらの工具母材は、超硬合金となっておりますので、一般的には、切削時の発熱により、硬度が低下する温度は、1000℃付近になります。

また、こちらの工具に付与されているFXコーティングは、下記のサイトに紹介されておりますが、酸化開始温度は、850℃となっておりますので、先に紹介した、三菱マテリアル社:VASFPRよりも、高速な加工が期待できます。

http://www.e-ocs.com/service/fx/index.html

 

例えば、メーカーのカタログに記載されている、S55C相当の加工条件で見ると、φ10の場合(側面切削)、

  • 主軸回転速度(rpm):2,500回転
  • 送り速度(mm/分):500ミリ

これを、切削速度、回転あたり送り量に換算しますと、

  • 切削速度(m/分):78.5メートル
  • 回転あたり送り量(mm/rev):0.2ミリ

と、なっております。

 

では、どちらを使うとよいのか、ですが、

加工速度だけで比較すると、超硬母材で作られている、OSG社:FX-MG-REE の方が適していると言えると思います。

 

では、三菱マテリアル社:VASFPR は、どういった場合に適しているかというと、超硬工具よりも、ハイス種の方が靭性は勝っているので、欠損が大きな問題になるような、例えば、長時間の無人運転を仕掛け、かつ加工時間よりもリスク低減の方を優先したいような場合、例えば、夜間や週末の無人運転などに適していると思います。

 

また、OSG社:FX-MG-REE の方の側面切削の条件に記載されているae値は、0.3Dで、三菱マテリアル社:VASFPRは、0.5Dとなっております。

CAMでデータ作成する際には、このあたりにも気をつけたいものです。ただし、この差は、加工時間に大きく影響を与えるものではないと思います。

 

OSG社:FX-MG-REEを使って高速切削をするうえでは、0.3DくらいのXY方向の切り込み量が適しているのだと思います。

 

CAMでデータ作成を行うなど、安定した切り込み量で、加工できるのであれば、超硬母材のラフィングエンドミルを使うことで、効率的に加工できるかと思います。

 

 

※ 実際の加工においては、工具材種だけでなく、被削材の物性、機械剛性、工具の消耗状態、被削材のクランプ状態などの外的要因で、如何様にも状態は変化するため、実際の加工においては、自己責任のうえ、充分な確認・検証を行ったうえで、加工してください。

 

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ラフィングエンドミルのメリットと工具特性を教えてください

 

「ラフィングエンドミルのメリットと工具特性を教えてください」

クライアント企業から、このようなご質問をいただきました。

 

今回のFAQは、この点についてまとめてみます。

まず、加工現場でラフィングエンドミルといえば、下図のような工具を指して呼んでいます。
ラフィングエンドミルの刃の山の頂点の形状

http://jp.misumi-ec.com/vona2/detail/223000435379/?

「オーエスジーのラフィングエンドミル (ハイス)|MISUMI-VONA」サイトより (最終閲覧日:2016年4月1日)

 

上の図にも書いておりますが、工具の外周には、丸などの頂点を持つ凹凸が波状に付いています。

これは、回転すると、ちゃんと凹のところに次の山の凸部が来るように設計されており、工具を回転させると、外周の刃の凹凸はまっすぐの直線に近くなります。

 

この外周刃の凹凸により、次のようなメリットが得られます。

  • 切りくずがつながらずに、細かく分断される。
  • 切削油が凹部に入り込み、切削中の工具にまとわりつきやすく、冷却・潤滑効果が高まる。

 

よく切削性を評価する要素として、次の3つが言われます。

  1. 工具の寿命
  2. 仕上がり加工精度
  3. 切りくずの対処のしやすさ

 

このまさに3番目の「切りくずの対処のしやすさ」において、ラフィングエンドミルは、細かく分断された切りくずがモリモリ出ることで、特に荒取り加工において、効果を発揮します。

 

では、チップ式のスローアウェイ工具での荒取り加工と何が違うのでしょうか?

 

このラフィングエンドミルを使うことの最大の効果は、外周刃が波状になっていることで、Z深さ方向(工具の軸方向)やXY方向(工具直径方向)で深く切り込む場合であっても、もし外周に凹凸のないスローアウェイ工具であれば、ビビリが発生してしまうような切削抵抗の高い加工であっても、ラフィングエンドミルであれば、ビビリを抑えて加工することができます。

 

ただし、この効果は、特に、Z深さ方向(工具の軸方向)の切り込み深さが浅い場合には、その効果は発揮しにくいと考えます。

理由は、外周刃の当たる範囲が少なくなるためで、そのような浅い切り込みの加工であれば、超硬スローアウェイチップによる高速送りで加工した方が、加工効率は高いと考えます。

 

これは、下図のような外周刃に凹凸のないソリッドエンドミルと、ラフィングエンドミルとの比較においても同様かと考えます。
凹凸のないソリッドエンドミル

http://jp.misumi-ec.com/vona2/detail/110600007850/

「TSCシリーズ超硬ラジアスエンドミル 4枚刃/スタブタイプ|MISUMI-VONA」サイトより (最終閲覧日:2016年4月1日)

 

では、上記の外周刃に凹凸のないソリッドエンドミルやチップ式のスローアウェイと、ラフィングエンドミルをどう使い分けると良いのでしょうか。

 

次のような場合で積極的に、ラフィングエンドミルを使われてはいかがでしょうか。

  • XY方向(工具直径方向)の切り込み幅において、半径よりも多く切り込む場合。凹凸のないソリッドエンドミルやチップ式のスローアウェイは、半径以上切り込むと、とたんにビビリやすくなります。
    _
  • Z深さ方向(工具の軸方向)において、工具直径と同じくらい切り込む場合(その時、XY方向(工具直径方向)の切り込み幅も大きい場合)。凹凸のないソリッドエンドミルやチップ式のスローアウェイは、Z深さ方向(工具の軸方向)の深い加工は、ビビリやすかったり、そもそも刃長が足りなかったりもします。
    _
  • 外周から自由にアプローチできるような凸形状の3次元加工の場合。逆に凹形状でフラット形状のラフィングエンドミルを使う場合、Z方向アプローチが厳しくなります。ボール形状のラフィングエンドミルなら加工できますが、側面の凹凸外周刃よりも、先端のボール部の凹凸効果は少なそうです。
    _
  • ワークに剛性がなく、ワーク自体に振動・ビビリが発生しやすいような形状の場合。スローアウェイ工具などの高速回転する工具では叩いてしまい、ビビッてしまう場合。

 

切削加工において、仕上げ加工は加工面や寸法などの品質が影響するので、スピードアップにどうしても制約を受けますが、荒取り加工は、いかに効率良く素材を除去していくか、ここが勝負になります。

 

さまざまな切削工具が開発されており、どの工具を選ぶか、わりと硬直的になってしまいがちですが、そもそもどういった効用があるのか、理解したうえで、使い分けたいものです。

 

 

※ 実際の加工においては、工具材種だけでなく、被削材の物性、機械剛性、工具の消耗状態、被削材のクランプ状態などの外的要因で、如何様にも状態は変化するため、実際の加工においては、自己責任のうえ、充分な確認・検証を行ったうえで、加工してください。

 

 

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