速度と送り

速度と送り、または送りと速度という用語は、工作機械の実際の使用において、切削速度と送り速度という 2 つの別個のパラメータを指します。これらは、切削プロセスに複合的な影響を与えるため、ペアとして考えられることがよくあります。ただし、それぞれを単独で検討および分析することもできます。

切削速度（表面速度または単に速度とも呼ばれる）は、切削工具とそれが作用するワークピースの表面との間の速度差（相対速度）である。単位時間あたりのワークピース表面上の距離の単位で表され、通常は表面フィート/分（sfm）またはメートル/分（m/分）である。^[1]送り速度（ソリッドコンパウンド、フィードレート、または単にフィードとも呼ばれる）は、カッターがワークピースに沿って進む相対速度であり、そのベクトルは切削速度のベクトルに対して垂直である。送り速度の単位は、工具とワークピースの動きによって決まり、ワークピースが回転する場合（たとえば、旋削やボーリングの場合）、単位はほぼ常にスピンドル1回転あたりの距離（インチ/回転 [in/rev または ipr] またはミリメートル/回転 [mm/rev]）である。^[2]工作物が回転しない場合（フライス加工など）の単位は通常、時間あたりの距離（インチ/分[in/minまたはipm]またはミリメートル/分[mm/min]）ですが、回転あたりの距離やカッター歯あたりの距離が使用されることもあります。^[2]

カッター形状や工作機械の剛性、工具設定などの変数を理想的に最大化（および無視できる定数まで低減）できれば、スピンドルに供給できる電力（キロワットまたは馬力）が不足している場合にのみ、特定のワークピース材料とカッター材料に対して最大速度と送りが使用できなくなります。もちろん、現実にはその他の変数は動的であり、無視できるものではありませんが、それでも、使用可能な電力と使用される送りと速度の間には相関関係があります。実際には、剛性不足が通常、制限的な制約となります。

機械工具の文脈以外では、「速度と送り」は、製品またはプロセスの技術的な詳細を指すために口語的に使用されることがあります。^[3]

切削速度は、使用される機械加工操作に関係なく、ワークピースの表面での速度として定義できます。軟鋼の切削速度 100 フィート/分は、旋削操作のようにワークピース上を通過するカッターの速度であっても、フライス加工操作のようにワークピースを通り過ぎるカッターの速度であっても同じです。切削条件は、軟鋼のこの表面速度の値に影響します。

図式的に言えば、ワークピース表面の速度は、工具とカッターの境界面における接線速度、つまり、材料が工具の刃先を通過する速度と考えることができますが、「どの表面に焦点を当てるか」については、いくつかの有効な答えがあるトピックです。穴あけとフライス加工では、工具の外径が広く認められた表面です。旋削と穴あけでは、表面は切削深さのどちら側でも定義できます。つまり、開始面または終了面のいずれかです。関係者がその違いを理解している限り、どちらの定義も「間違い」ではありません。経験豊富な機械工は、これを「旋削元の直径」と「旋削先の直径」と簡潔にまとめました。^[4]彼は「から」を使用し、「から」を使用し、「から」を使用し、他の人が使用しないことを認めながら、その理由を説明しています。関係する最大直径（ドリルまたはエンドミルの外径、旋削加工されたワークピースの開始直径）に焦点を当てる理由は、ここが接線速度が最も高く、熱発生が最も多く、これが工具摩耗の主な要因となるからです。^[4]

それぞれの材料と加工条件には最適な切削速度があり、この速度から主軸回転数 ( RPM ) を計算できます。切削速度の計算に影響する要因は次のとおりです。

• 加工対象材料（鋼、真鍮、工具鋼、プラスチック、木材）（下表参照）
• カッターの材質（高炭素鋼、高速度鋼（HSS）、超硬合金、セラミックス、ダイヤモンド工具）^[5]
• カッターの経済的な寿命（生産された部品の量と比較した、再研磨または新規購入のコスト）

切断速度は、最適な切断条件が存在するという前提で計算されます。これには以下が含まれます。

• 金属除去率（少量の材料を除去する仕上げ切削は、速度を上げて実行できます）
• 切削液の完全かつ一定の流れ（適切な冷却と切りくずの排出）
• 機械と工具のセットアップの剛性（振動やびびりの低減）
• 切削の連続性（旋盤で四角形の材料を加工する場合など、断続的な切削と比較して）
• 材料の状態（ミルスケール、鋳物に形成される白鋳鉄による硬い部分）

切削速度は、材料メーカーまたはサプライヤーから入手できる定数のセットとして与えられます。最も一般的な材料は参考書またはチャートで入手できますが、切削条件に応じて常に調整されます。次の表は、1 つの条件セットにおけるいくつかの一般的な材料の切削速度を示しています。条件は、工具寿命 1 時間、ドライ切削 (クーラントなし)、中程度の送り速度であるため、状況によっては正しくないように見える場合があります。これらの切削速度は、たとえば、十分なクーラントが利用できる場合や、改良されたグレードの HSS (コバルトを含むものなど) が使用される場合に変わることがあります。

材料の被削性評価は、さまざまな材料の被削性を定量化しようとします。これは、パーセンテージまたは標準化された値として表されます。アメリカ鉄鋼協会(AISI) は、180表面フィート/分(sfpm)で旋削試験を実施して、さまざまな材料の被削性評価を決定しました。次に、160 ブリネル B1112 鋼に 100% の被削性評価を任意に割り当てました。被削性評価は、各材料の通常の切削速度、表面仕上げ、および工具寿命の加重平均を測定することで決定されます。被削性評価が 100% 未満の材料は B1112 や材料よりも加工が難しく、100% を超える値は加工が容易になることに注意してください。

切削性評価は、切削速度または工具寿命を決定するために、テイラー工具寿命方程式VT ⁿ = Cと組み合わせて使用​​できます。B1112 の工具寿命は、切削速度 100 sfpm で 60 分であることがわかっています。材料の切削性評価が 70% の場合、上記の既知の情報を使用して、同じ工具寿命 (60 分) を維持するには、切削速度を 70 sfpm にする必要があることがわかります (同じツールが使用されていると仮定)。

銅合金を計算する場合、機械の定格は 600 SFM の定格を 100 と仮定して算出されます。たとえば、リン青銅 (グレード A～D) の機械加工性定格は 20 です。これは、リン青銅が 600 SFM の 20% の速度、つまり 120 SFM で稼働することを意味します。ただし、165 SFM は一般に「グレード鋼」の基本的な 100% 定格として受け入れられています。^[12] 式 切削速度 (V) = [πDN]/1000 m/分 ここで、D = ワークピースの直径 (メートルまたはミリメートル)、N = スピンドル速度 (rpm)

スピンドル速度は、機械のスピンドルの回転周波数で、毎分回転数 (RPM) で測定されます。推奨速度は、希望する表面速度 (sfm または m/分) から逆算し、直径 (ワークピースまたはカッター) を組み込むことで決定されます。

スピンドルには以下が保持されます。

• 材質（旋盤チャックなど）
• ドリルのドリルビット
• フライス盤のフライスカッター
• 木工ルーターのルータービット
• 木材シェーパーまたはスピンドルモルダーのシェーパーカッターまたはナイフ
• 研削盤の研削砥石。

スピンドル速度が速すぎると、工具の早期摩耗や破損、工具のチャタリングなどの原因となり、危険な状態につながる可能性があります。材料と工具に適したスピンドル速度を使用すると、工具寿命と表面仕上げの品質が大幅に向上します。

特定の機械加工操作では、ほとんどの場合、切削速度は一定のままです。したがって、スピンドル速度も一定のままです。ただし、旋盤またはスクリュー マシンでの面削り、成形、突切り、および溝加工操作では、常に変化する直径の機械加工が行われます。理想的には、これは、切削がワークピースの面を横切って進むにつれてスピンドル速度を変更し、一定の表面速度 (CSS) を生み出すことを意味します。CSS を実現するための機械的配置は何世紀にもわたって存在していましたが、工作機械の制御に一般的に適用されたことはありませんでした。CNC 以前の時代では、 CSSの理想はほとんどの作業で無視されていました。CSS を必要とする特殊な作業では、それを達成するために特別な努力が払われました。CNC 制御旋盤の導入により、自動化された CSS 機械加工プロセスの監視と制御による実用的で日常的なソリューションが提供されました。機械のソフトウェアと可変速電気モーターにより、旋盤は、カッターがパーツの中心に近づくにつれてスピンドルの RPM を上げることができます。

研削砥石は、最大安全速度で作動するように設計されています。研削盤のスピンドル速度は可変ですが、これは砥石の安全動作速度に十分注意して変更する必要があります。砥石は摩耗すると直径が小さくなり、有効な切削速度が低下します。一部のグラインダーには、この切削能力の低下を補正するスピンドル速度を上げる機能があります。ただし、砥石の定格を超えて速度を上げると、砥石が破損し、生命や身体に重大な危険が生じます。

一般的に、スピンドル速度と送り速度は、木工では金属加工ほど重要ではありません。丸鋸や帯鋸、ジョインター、厚みプレーナーなどの電動鋸を含むほとんどの木工機械は、一定の RPM で回転します。これらの機械では、切削速度は送り速度によって調整されます。必要な送り速度は、モーターのパワー、加工する木材やその他の材料の硬さ、切削工具の鋭さによって大きく異なります。

木工における理想的な送り速度は、モーターの速度を低下させない程度に遅く、かつ材料が焦げない程度に速い速度です。ブラックチェリーやメープルなどの特定の木材は、他の木材よりも焦げやすい傾向があります。適切な送り速度は、材料を手で送る場合は「感覚」で、電動フィーダーを使用する場合は試行錯誤で通常得られます。厚み調整機(プレーナー) では、木材は通常、ゴム製または波形鋼板製のローラーで自動的に送られます。これらの機械の中には、通常はプーリーを変更することで送り速度を変更できるものもあります。送り速度が遅いと、木材の長さに関係なくより多くのカットが行われるため、通常は表面がより細かくなります。

ルーター、スピンドル モルダーまたはシェーパー、ドリルの操作では、スピンドル速度が重要になります。古くて小型のルーターは、通常 20,000 ～ 25,000 rpm の固定スピンドル速度で回転することがよくあります。これらの速度は小型ルーター ビットには適していますが、直径が 1 インチ (25 mm) または 25 ミリメートルを超えるような大型ビットを使用すると危険で、チャタリングの原因となる場合があります。大型ルーターは現在、速度が可変で、大型ビットには低速が必要です。木材の穴あけには一般に金属よりも高速のスピンドル速度が使用され、速度はそれほど重要ではありません。ただし、直径の大きいドリル ビットでは、焼けを防ぐために低速が必要です。

切削送りと速度、およびそれらから導かれるスピンドル速度は、ツールにとって理想的な切削条件です。条件が理想的でない場合は、スピンドル速度の調整が行われます。この調整は通常、RPM を最も近い利用可能な速度、または (知識と経験を通じて) 適切であると判断される速度まで下げることです。

機械加工可能なワックスなどの一部の材料は、さまざまなスピンドル速度で切断できますが、ステンレス鋼などの他の材料は、カッターとワークピースの両方が過熱しないように、切断速度が重要であるため、より慎重な制御が必要です。ステンレス鋼は冷間加工で非常に簡単に硬化する材料の 1 つであるため、送り速度が不十分であったり、スピンドル速度が不適切であったりすると、ワークピースが急速に硬化してツールの切削動作に抵抗するため、理想的な切削条件が得られない可能性があります。切削液をたっぷりと塗布すると、これらの切削条件を改善できますが、速度を正しく選択することが重要な要素です。

ほとんどの金属加工に関する書籍には、さまざまなカッターやワークピースの材質に対するスピンドル速度と送り速度のノモグラムまたは表が掲載されています。また、使用されているカッターの製造元からも同様の表が入手できる可能性があります。

SFM または MPM がわかれば、すべての加工操作のスピンドル速度を計算できます。ほとんどの場合、フライスカッターや旋盤で回転するワークピースなどの円筒形の物体を扱っているので、この円形物体の周囲の速度を決定する必要があります。この周囲の速度 (円周上の点が静止点を通り過ぎる速度) は、物体の回転速度 (RPM) と直径によって異なります。

例として、スケートボードのライダーと自転車のライダーが道路に沿って並んで走行している様子が挙げられます。路面速度 (この 2 人のライダーの道路に沿った速度) が一定であれば、2 人の車輪 (スケートボードのライダーは大きく、自転車のライダーは小さい) の回転速度 (RPM) は異なります。この回転速度 (RPM) は、一定の路面速度 (道路に沿った速度) と、車輪のサイズ (カッターまたはワークピース) の既知の値に基づいて計算されます。

この値を推定するには、次の式^[13]を使用することができる。

正確な RPM が常に必要なわけではなく、近似値で十分です。たとえば、機械工が手作業で計算を行う場合、 の値を 3 にしたい場合があります。 ${\displaystyle {\pi}}$

${\displaystyle RPM={CuttingSpeed\times 12 \over \pi \times Diameter}}$

例えば、切断速度が100フィート/分（軟鋼上の普通のHSS鋼カッター）、直径が10インチ（カッターまたはワークピース）の場合

${\displaystyle RPM={CuttingSpeed\times 12 \over \pi \times Diameter}={12\times 100ft/min \over 3\times 10inches}={40revs/min}}$

メートル法の数値を使用した例では、切断速度が30m/分、直径が10mm（0.01m）の場合、

${\displaystyle RPM={Speed \over \pi \times Diameter}={1000\times 30m/min \over 3\times 10mm}={1000revs/min}}$

ただし、より正確な計算を行うには、単純さを犠牲にして、次の式を使用できます。

${\displaystyle RPM={Speed \over Circumference}={Speed \over \pi \times Diameter}}$

同じ例を使って

${\displaystyle RPM={100ft/min \over \pi \times 10\,inches\left({\frac {1ft}{12\,inches}}\right)}={100 \over 2.62}=38.2revs/min}$

そして上記と同じ例を使って

${\displaystyle RPM={30m/min \over \pi \times 10\,mm\left({\frac {1m}{1000\,mm}}\right)}={1000*30 \over \pi *10}=955revs/min}$

どこ：

• RPM はカッターまたはワークピースの回転速度です。
• 速度は、材料の推奨切断速度（メートル/分またはフィート/分）です。
• 直径は ミリメートルまたはインチで表​​されます。

送り速度とは、カッターが送られる速度、つまりワークピースに対して前進する速度です。旋削とボーリングの場合、1 回転あたりの距離の単位で表されます (通常、インチ/回転[ ipr ] またはミリメートル/回転)。フライス加工の場合も同様に表すことができますが、フライス加工の場合は時間あたりの距離の単位 (通常、インチ/分[ ipm ] またはミリメートル/分) で表されることが多く、カッターに何本の歯 (またはフルート) があるかを考慮して、各歯の意味を決定します。

送り速度は以下に依存します:

• 工具の種類 (小型ドリルまたは大型ドリル、高速または超硬、ボックスツールまたはリセス、薄型フォームツールまたはワイドフォームツール、スライドローレットまたはタレットストラドルローレット)。
• 希望する表面仕上げ。
• スピンドルで利用可能な電力（カッターまたはワークピースの停止を防ぐため）。
• 機械およびツールのセットアップの剛性（振動やチャタリングに耐える能力）。
• ワークピースの強度（送り速度が速いと薄壁チューブが潰れる）
• 切削される材料の特性、チップフローは材料の種類と送り速度によって異なります。理想的なチップ形状は小さく、早く分離して工具とワークから熱を運び去ります。
• タップ、ダイヘッド、ねじ切りツールのインチあたりのねじ数(TPI)。
• 切削幅。切削幅が直径の半分未満の場合、チップ薄化と呼ばれる幾何学的現象により、実際のチップ負荷が減少します。生産性と工具寿命を縮める摩擦を回避するために、チップ薄化の影響を相殺するには、送り速度を上げる必要があります。

特定の切削操作に使用する送り速度を決定する場合、単一ポイント切削工具の場合は、すべての切削作業が 1 点で行われるため (つまり、「1 つの歯」で行われるため)、計算は非常に簡単です。フライス盤またはジョインターでは、複数の先端/複数の溝を持つ切削工具が使用されるため、必要な送り速度は、カッターの歯の数と、歯ごとに切削する材料の必要な量 (チップ負荷として表されます) によって決まります。切削刃の数が多いほど、許容される送り速度は高くなります。つまり、切削刃が効率的に機能するには、擦るのではなく、切断するのに十分な材料を除去する必要があり、また、作業の公平な分担を行う必要があります。

スピンドル速度と送り速度の比率によって、切削の強さと形成される切りくずの性質が制御されます。

この式^{[14]は、カッターがワークに進入またはワークの周りを移動する送り速度を計算するために使用できます。これは、フライス盤、ボール盤、およびその他の多くの工作機械のカッターに適用されます。旋盤の送り速度は}1回転あたりの送りとして与えられるため、この式は旋盤での旋削操作には使用しないでください。

${\displaystyle FR={RPM\times T\times CL}}$

どこ：

• FR = インチ/分または mm/分で計算された送り速度。
• RPM = カッターの計算された速度です。
• T = カッターの歯の数。
• CL =歯当たりのチップ負荷または送り。これは、カッターの各歯が受け取るチップのサイズです。

切削速度と送り速度は、切削深さと組み合わされて材料除去率を決定します。材料除去率は、単位時間あたりに除去できるワークピース材料 (金属、木材、プラスチックなど) の体積です。

速度と送りの選択は、理論的モデリングは必要かつ有用であるものの、環境が非常に多変量であるため、特定のケースの現実を完全に予測することはできないという点で、気象学や薬理学などの応用科学の他の例に似ています。天気予報や薬の投与量をかなりの精度でモデル化できるものの、完全に確実ではないのと同様に、機械工はチャートと数式を使用して、特定のジョブに最適なおおよその速度と送りの値を予測できますが、ジョブを実行するまで正確な最適値を知ることはできません。CNC 加工では通常、プログラマーが、計算と一般的なガイドラインで提供できる範囲で最大限に調整された速度と送り速度をプログラムします。次に、オペレーターは、機械を稼働させながら、視覚、聴覚、嗅覚、温度、許容値の保持、およびツール チップの寿命に基づいて値を微調整します。適切な管理により、修正された値は将来の使用のためにキャプチャされるため、後でプログラムを再度実行するときに、この作業を繰り返す必要はありません。

しかし、気象学や薬理学と同様に、理論と実践の相互関係は、情報技術のおかげで理論部分がより進歩するにつれて、数十年にわたって発展してきました。たとえば、工作機械ゲノムプロジェクトと呼ばれる取り組みは、インターネットに接続されたあらゆるショップで、特定の設定に最適な速度と送りの組み合わせを予測するために必要なコンピューターモデリング（シミュレーション）を提供することを目指しており、現地での実験やテストが少なくて済みます。^[15]唯一の選択肢が独自の機器の動作の測定とテストである代わりに、他の人の経験とシミュレーションの恩恵を受けることになります。ある意味では、「車輪の再発明」ではなく、「遠隔地で他の人がすでに開発した既存の車輪をより有効に活用」できるようになります。

速度と送りは、少なくとも 1890 年代から科学的に研究されてきました。この研究は、通常、工学研究所で行われ、資金は、企業、政府(軍隊を含む)、大学という 3 つの基本的な機関から提供されています。これら 3 つのタイプの機関はすべて、多くの場合、共同パートナーシップを通じて、この目的のために多額の資金を投資してきました。このような研究の例を以下に紹介します。

1890年代から1910年代にかけて、フレデリック・ウィンスロー・テイラーは旋削実験^[16]を行い、それが有名になり、大きな影響を与えました。彼は工具寿命に関するテイラーの式を開発しました。

シンシナティフライス盤会社のホルツとデ・レーウによる科学的研究^[17]は、FWテイラーがシングルポイントカッターに対して行ったことと同じことをフライスカッターに対して行った。

「第二次世界大戦後、多くの新しい合金が開発されました。[米国]の生産性を向上させるには、新しい基準が必要でした。メトカット リサーチ アソシエイツは、空軍材料研究所と陸軍科学技術研究所の技術支援を受けて、1966 年に最初の機械加工データ ハンドブックを出版しました。この本に記載されている推奨速度と送りは、当時のあらゆる材料、操作、硬度に対して、制御された条件下で最適な工具寿命を決定するための広範なテストの結果です。」^[4]

AISI 304ステンレス鋼の旋削加工における切削パラメータの変化が表面の完全性に与える影響に関する研究では、送り速度が表面品質に最も大きな悪影響を及ぼすことが明らかになり、所望の粗さプロファイルを達成することに加えて、速度と送りが加工面のマイクロピットやマイクロ欠陥の生成に与える影響を分析する必要があることがわかりました。^[18]さらに、送り速度と粗さの値を関連付ける従来の経験的関係は、低切削速度には十分に適合しないこともわかりました。

• Brown & Sharpe。「Brown and Sharpe 速度と送りチャート」。自動スクリュー マシン ハンドブック。プロビデンス、ロードアイランド州: Brown & Sharpe Manufacturing Co.
• Brown & Sharpe 2. 「カムとツールの設計: 表面切削速度チャート」。自動スクリュー マシン ハンドブック。プロビデンス、ロードアイランド州: Brown & Sharpe Manufacturing Co.{{cite book}}: CS1 maint: numeric names: authors list (link)
• Brown & Sharpe 3. 「材料の機械加工性、構成および機械加工性チャート」。自動スクリュー マシン ハンドブック。プロビデンス、ロードアイランド州: Brown & Sharpe Manufacturing Co.{{cite book}}: CS1 maint: numeric names: authors list (link)
• カリー、ロン（1988）「フィッティングと機械加工」メルボルン、ビクトリア州：RMIT出版。ISBN 0-7241-3819-6。
• Flórez Orrego, Daniel Alexander; Varela Jiménez, Luis Bernardo; Escobar Atehortua, Julian David; López Ochoa, Diana María (2010 年 11 月 25 日)。AISI 304 オーステナイト系ステンレス鋼の旋削加工における切削パラメータの変化が表面の完全性に与える影響(PDF)。ブラジル国際トライボロジー会議: TriboBr。リオデジャネイロ。ISSN 2179-3956  。
• Smid, Peter (2003)。「送り速度方程式」。CNCプログラミング ハンドブック。Industrial Press, Inc. ISBN 9780831131586。
• スミッド、ピーター（2008）、CNCプログラミングハンドブック（第3版）、ニューヨーク：インダストリアルプレス、ISBN 9780831133474、LCCN  2007045901。
• テイラー、フレデリック・ウィンスロー（1907）「金属切削技術について」、米国ペンシルベニア州フィラデルフィア：ASME。
• ウッドベリー、ロバート S. (1972)、工作機械の歴史研究、ケンブリッジ、マサチューセッツ州、米国: MIT プレス、ISBN 9780262730334。
• Zelinski, Peter (2010-12-15)。「オンライン オプティマイザー: 近日公開: マシン ツール ゲノム プロジェクトにより、ほぼすべてのマシン ショップで、マシニング センターをより生産的に使用できるようになります。ショップは、自分のマシンやツールを自分でタップしなくても、タップ テストの結果から恩恵を受けることができます。」Modern Machine Shop。83 ( 9 )。米国オハイオ州シンシナティ: Gardner Publications Inc: 70–73。

• Groover, Mikell P. (2007)。「金属加工の理論」。現代製造業の基礎(第 3 版)。John Wiley & Sons, Inc. pp. 491–504。ISBN 978-0-471-74485-6。

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