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広島県立西部工業技術センター 生産技術アカデミー　山下弘之

１．　試験の概要

ステンレス鋼の穴加工は企業においては依然難しいとされる加工技術であり，これに対し工具メーカ各社は専用ドリルを多数提案・販売している。その中で広島県呉市にある工具メーカ（A社）が独自の刃先形状を考案し通常のハイスドリルに適用して販売している。現在は主に日曜大工用品店向けの汎用ドリルということで販売を行っているが，今後は一般工場向けへ販売拡大を目指している。

そこで今回の共同加工試験では，昨年度に引き続き当該工具と他社製工具との加工特性比較を中心に加工試験を行った。加工試験では，品質工学の機能性評価を適用し電力量と加工時間の関係を基本機能としたＳＮ比および感度により比較を行った結果，２つの工具で違いが見られた。

２．　使用したドリルの比較

写真1に今回使用したドリルを示す。昨年度は直径6.5mmのドリルを使用したが，今年度は配布ドリルと同径の直径6mmのドリルとした。ドリル刃先形状に対する考察は昨年と同様。①は図^1）に示すように逃げ面が平面研削部から連続的に変化する形式で，シンニングを施した刃先形状を有している。チゼル角は115°程度でチゼル部刃長も1mm程度である。②は逃げ面にスリーレーキと呼ばれる加工を施したチゼル部形状となっている。

①Ａ社製ハイス：特許出願済み

②B社製TiCNコーテッド粉末ハイス

写真1　使用ドリルの刃先形状

３．　使用機器

加工機　　　：　大阪機工PCV-40Ⅱ

使用ドリル　：　①Ａ社　ハイス　φ6.0mm

　　　　　　　　②Ｂ社　TiCNコーテッド粉末ハイス　φ6.0mm

工具観察　　：　マイクロスコープDH-2700

主軸電力測定　：　日置電気電力計3193

切削抵抗測定　：　キスラー9257B三成分動力計（Z方向(スラスト荷重)のみ測定）

４．　試験方法

４．１　検討項目および試験条件

　昨年度は工具寿命試験を行わず，以下の加工時の特性を①②③の工具について比較・検討した。

①主軸消費電力，切削抵抗（スラスト荷重）の比較

②加工時の加工部周辺の温度状態の比較（赤外線熱画像装置により測定）

③穴内面の表面粗さの比較（切り屑等による損傷部は除く）

今年度は，品質工学の機能性評価を適用し，以下の考え方で３種類の工具比較を実施することとした。

ドリル性能評価は，加工可能穴個数(寿命)，加工後の穴精度（加工精度），加工時間（加工能率）などの観点で評価が行われている。ただ寿命試験は材料や工具に加え時間がかかるなどの問題があり，もっと簡便な評価方法が必要である。そこで昨年度評価した加工時の主軸電力を取り上げ，これに品質工学の機能性評価を適用することとした。項目は以下の通り。

①新品時の切削特性の評価　　　　　　　　　　②工具摩耗を含めた切削特性評価

③ドリル素材の影響(ドリル素材を同じとした場合の特性比較)　　　④コーティングの影響

試験条件は表1に示す。昨年の結果から切削速度,送り速度を設定した。被削材はフェライト系ステンレス鋼(ＳＵＳ４３０)。

表１　ドリル加工条件

　　　　　　　　　ドリル加工時の切削速度と送り速度の組み合わせは４通り

（①10m/minと0.08mm/rev，②10m/minと0.12mm/rev，

③15m/minと0.08mm/rev，④15m/minと0.12mm/rev）

４．２　解析方法

ドリルの機能を考えた場合，少ない消費電力で穴加工が安定して行えることが重要である。また回転数や送り速度などの加工条件もその設定範囲が広い方がドリルを利用する上では有利である。図1に切削時の主軸電力の変化を示す。ドリル先端部が材料に食い込んでいくにつれ電力，荷重が上昇し，材料中を加工する際はほぼ一定の値を示す定常状態となり，最後に材料から抜け出る際には徐々に電力，荷重が小さくなる。安定した加工であれば材料中を加工する電力は一定で，その累積電力は時間に比例して大きくなる。そこで材料中を加工する領域を対象に，累積電力と累積時間の比例関係から品質工学のゼロ点比例式による解析でＳＮ比および感度を求め，これをもとに安定性および所要電力について評価することとした。²⁾ すなわち加工時の電力変動がなく安定しており，また電力消費が少ないことが理想として解析を行った。図１に示すように材料中を加工する際の電力変動を１０区間にわける。また加工前後の無負荷時の電力変動をそれぞれ５区間，合わせて１０区間に分け，時間に対する累積電力量を計算する。累積時間を信号因子，累積電力を特性値として表２，３のように整理する。この際，電力変動の最大・最小，工具摩耗の有無は誤差因子として扱った。これに対し加工条件の切削速度，送り速度は一定状態で加工するのが普通であり，今回はその影響を見る因子として扱ったのでＳＮ比を求める際は誤差と扱わないものとした。

図１　加工時の電力波形の変化の様子

表２　実験データ形式(摩耗の有無を含めない場合)

表３　実験データ形式(摩耗の有無を含めた場合)

注）４通りの送り速度と切削速度の組み合わせにより，板厚20mmを加工する時間が違うことから信号因子：M1,M2,M3･････,M9,M10は，送り速度と切削速度の組み合わせ毎に４通りある。

注）累積時間と累積電力量は平方根とする。

５．　試験結果および評価

５．１　新品時の切削特性評価

Ａ社製ハイス，Ｂ社製TiCNコーテッド粉末ハイスにより，表１の条件でＳＵＳ４３０に1穴の加工を行い，その際の主軸電力を測定した。加工時の所要電力はマシニングセンター主軸の制御用インバータから電動機に供給される三相電源から求めた。またドリルは１条件毎に新しいものを使用した。図２に測定した２つのドリルの電力波形の一部を示す。この電力波形を基に時間毎に累積電力量を求め，表４に示すように整理しＳＮ比および感度を求めた。ハイスの場合の計算手順を以下に示す。

（Ａ社　上：条件①(0.08mm/rev,10m/min)　　　　　　　　　　（Ｂ社　上：条件①(0.08mm/rev,10m/min)

　　　　　　下：条件③(0.12mm/rev,10m/min))　　　　　　　　　　　　　　下：条件③(0.12mm/rev,10m/min))

図２　穴加工時の電力波形

表４　　試験データ（ハイスの場合）

注）４通りの送り速度と切削速度の組み合わせにより，板厚20mmを加工する時間が違うことから信号因子：M1,M2,M3･････,M9,M10は，送り速度と切削速度の組み合わせ毎に４通りある。

注）累積時間と累積電力量は平方根とする。

（ＳＮ比および感度の計算手順：摩耗の有無を含めない計算：ハイスの場合）

全二乗和　　St＝ｗ11²＋w12²＋w13²＋･･･････＋w168²＋w169²+w1610² (自由度１６０)

　　　　　　　＝0.4948²+0.7003²+0.8579²+･･････+1.6542²+1.7749²+1.8949²＝255.6888

線形式　　　L1＝w11×M11+w12×M12＋･････＋w19×M19＋w110×M110

　　　　　　　＝0.4948×0.4948+0.7003×2.2803+････+4.8373×1.4774+5.0990×1.5564=43.7623

L2＝w21×M21+w22×M22＋･････＋w29×M29＋w210×M210=38.0956

　　　　　　　　　　　　　　　　：　　　　　　　　　　　　：

L15＝w151×M151+w152×M152＋･･･＋w159×M159＋w1510×M1510＝35.8312

L16＝w161×M161+w162×M162＋･･･＋w169×M169＋w1610×M1610=34.2973

　有効序数　　　　　r1～16 r1＝M11²+M12²+M13²+････+M19²+M110²

r1,2,9,10＝R1＝1.6124²+2.2803²+2.7928²+･･････+4.5607²+4.8373²+5.0990²＝143.0

r3,4,11,12＝R2＝1.3228²+1.8708²+2.2912²+･･････+3.7416²+3.9686²+4.1833²＝96.25

r5,6,13,14＝R3＝1.3228²+1.8708²+2.2912²+･･････+3.7416²+3.9686²+4.1833²＝96.25

r7,8,15,16＝R4＝1.0723²+1.5165²+1.8574²+･･････+3.0331²+3.2171²+3.3911²＝63.25

比例項の変動　　Ｓ_β＝(L1+L2+L3＋･･･+L15+L16)²／４(R1＋R2+R3+R4) ＝242.0107 (自由度1)

電力量の最大・最小の違いによる変動

Ｓ_Ｎ×β＝((L1+L3+･･+L13+L15)²＋(L2+L4+･･+L14+L16)²)／２(R1+R2+R3+R4)－Ｓ_β＝0.4529 (自由度1)

切削速度の違いによる変動

　Ｓ_Q×β＝ ((L1+L2+L5+L6+L9+L10+L13+L14)²／４(R1+ R3)

＋(L3+L4+L7+L8+L11+L12+L15+L16)²)／４(R2+R4)－Ｓ_β＝1.8253 (自由度1)

送り速度の違いによる変動

　Ｓ_M×β＝((L1+L2+L7+L8+L17+L18+L23+L24)²／４(R1+R2)

＋(L9+L10+L15+L16+L25+L26+L31+L32)²)／４(R3+R4)－Ｓ_β＝0.1256 (自由度1)

無負荷・切削時の違いによる変動

　Ｓ_M‘×β＝((L1+L2+L3+L4+L13+L14+L15+L16)²／２(R1+R2+R3+R4)

＋(L17+L18+L19+L20+L29+L30+L31+L32)²)／２(R1+R2+R3+R4)－Ｓ_β＝10.9573 (自由度1)

誤差変動　　　Ｓｅ＝St－Ｓ_β－Ｓ_Ｎ×β－Ｓ_Q×β－Ｓ_M×β－Ｓ_M‘×β＝0.3170 (自由度155)

誤差分散　　　Ｖｅ＝Ｓｅ／１５５＝0.0020

プールした誤差変動　　　ＳN＝Ｓｅ＋Ｓ_Ｎ×β＝0.7699

プールした誤差分散　　　ＶＮ＝ＳＮ／１５６＝0.0049

ＳＮ比　　　　　　　　　＝１０Log（（Ｓ_β－Ｖｅ）／VN／４(R1＋R2+R3+R4)）＝14.878

感度　　　　　　　　　　＝１０Log（（Ｓ_β－Ｖｅ）／４(R1＋R2+R3+R4)）＝－8.189

上記と同様の計算をTiCNコーテッド粉末ハイスも行い，求めた両ドリルのＳＮ比および感度を表５に示す。

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