ツールビット

機械加工において、工具ビットは金属旋盤、シェーバー、プレーナーで使用される非回転切削工具です。このようなカッターは、のこぎりやウォータージェットカッターなどの他の切削工具と区別するために、シングルポイント切削工具という定型句で呼ばれることもよくあります。刃先は特定の機械加工作業に合わせて研磨されており、必要に応じて再研磨または再形成できます。研磨された工具ビットは、切削中はツールホルダーによってしっかりと保持されます。

バックレーキは、切削の外側部分と内側部分の長さの差により、ワークに自然に曲がる切りくずの方向を制御するのに役立ちます。また、工具をワークに引き込むことで、ワークからの工具への圧力を打ち消すのにも役立ちます。

サイド レーキとバック レーキは、切りくずの流れを制御し、カッターの動きに対するワークの抵抗を部分的に打ち消し、切断する特定の材料に合わせて最適化できます。たとえば、真鍮ではバック レーキとサイド レーキは 0 度ですが、アルミニウムではバック レーキ 35 度とサイド レーキ 15 度を使用します。

ノーズ半径は、以前のカットと重ねることができ、先の尖った工具で生じる山と谷をなくすことができるため、カットの仕上がりがより滑らかになります。また、半径があることで先端が強化されます。鋭い先端は非常に壊れやすいからです。ノーズ半径は、荒加工、中仕上げ、仕上げなどの加工操作や、切断される部品の材質（鋼、鋳鉄、アルミニウムなど）によって異なります。

その他の角度はすべてクリアランス用であり、実際の刃先以外の工具のどの部分もワークに接触しないようにします。フロント クリアランス角度は通常 8 度ですが、サイド クリアランス角度は 10 ～ 15 度で、予想される送り速度によっても異なります。

刃先が鋭くなるにつれて刃先の後ろのサポートが弱くなり、切断によって発生する熱を吸収する能力が低下するため、工具が弱くなるため、必要な作業を実行できる最小角度が推奨されます。

切断するために工具上部のすくい角が正確である必要はありませんが、効率的に切断するには、後方すくい角と側面すくい角に最適な角度が必要です。

もともと、すべての工具ビットは、適切な硬化と焼き戻しを施した高炭素工具鋼で作られていました。高速度鋼(HSS) (20 世紀初頭)、焼結炭化物(1930 年代)、セラミックカッター、ダイヤモンドカッターが導入されて以来、ほぼすべての切削用途で、これらの材料が徐々に以前の種類の工具鋼に取って代わってきました。今日のほとんどの工具ビットは、HSS、コバルト鋼、または炭化物 で作られています。

超硬合金、セラミック（立方晶窒化ホウ素など）、ダイヤモンドはいずれも HSS よりも硬度が高く、ほとんどの場合、HSS よりも速く材料を除去できます。これらの材料は鋼よりも高価で脆いため、通常、切削工具の本体は鋼で作られ、より硬い材料で作られた小さな刃が取り付けられます。刃は通常、ねじ止めまたはクランプで固定されるか（この場合はインサートと呼ばれます）、鋼のシャンクに ろう付けされます（これは通常、超硬合金の場合のみ行われます）。

高性能切削工具のほとんどすべてに、インデックス可能なインサートが使用されています。これにはいくつかの理由があります。まず、これらの材料によってサポートされる非常に高い切削速度と送りでは、切削チップの温度が、シャンクに固定しているろう付け材料を溶かすほど高くなることがあります。経済性も重要です。インサートは対称的に作られているため、最初の切れ刃が鈍くなったら回転させて新しい切れ刃を出すことができます。一部のインサートは反転できるように作られており、インサート 1 つあたり最大 16 の切れ刃を備えています。インサートには多くの種類があり、荒加工用、仕上げ加工用があります。その他は、ねじ切りや溝切りなどの特殊な作業用に作られています。業界では、インサートの形状、材料、コーティング材料、サイズを表す標準化された命名法を採用しています。

フォーム ツールは、成形する部品に似たパターンに精密に研磨されます。フォーム ツールは単一の操作として使用できるため、スライド (前面、背面、垂直) やタレット (ボックス ツールなど) からの他の多くの操作が不要になります。フォーム ツールは、ワークに送り込むときに 1 つ以上の直径を回転させます。フォーム ツールを使用する前は、直径は複数のスライドおよびタレット操作によって回転されていたため、部品の製造に多くの作業が必要でした。たとえば、フォーム ツールは多くの直径を回転できるだけでなく、単一の操作で部品を切断できるため、タレットのインデックス付けが不要になります。シングル スピンドル マシンの場合、タレットのインデックス付けが不要になることで、1 時間あたりの部品生産率が大幅に向上します。

長時間実行されるジョブでは、フォーム ツールの摩耗を減らすために、別のスライドまたはタレット ステーションで 荒削りツールを使用して材料の大部分を除去するのが一般的です。

フォーム ツールにはさまざまな種類があります。インサート フォーム ツールは、短距離から中距離の作業 (50 ～ 20,000 個) に最もよく使用されます。円形フォーム ツールは、通常、より長い作業に使用されます。これは、ツールがホルダー内で回転するため、ツールの摩耗を何度もツールの先端から削り取ることができるためです。軽い仕上げカットに使用できるスカイビング ツールもあります。フォーム ツールは、コバルト鋼、超硬合金、または高速度鋼で作ることができます。超硬合金は非常に脆く、チャタリングが発生すると欠けてしまうため、特別な注意が必要です。

フォームツールを使用する場合の欠点は、ワークへの送りが通常遅く、ツールの幅に応じて 1 回転あたり 0.0005 インチから 0.0012 インチであることです。幅の広いフォームツールはより多くの熱を発生し、通常はチャタリングの問題を引き起こします。熱とチャタリングによりツール寿命が短くなります。また、旋削するパーツの小径の 2.5 倍よりも幅の広いフォームツールでは、パーツが破損するリスクが高くなります。^[1]より長い長さを旋削する場合、タレットのサポートを使用して旋削長さを旋削するパーツの最小直径の 2.5 倍から 5 倍に増やすことができ、これもチャタリングの削減に役立ちます。欠点はありますが、余分な操作がなくなるため、フォームツールを使用するのが最も効率的なオプションになることがよくあります。

高価な硬質切削チップを実際の切削を行う部分に限定することで、工具のコストが削減されます。サポートツールホルダーはより頑丈な鋼で作ることができ、安価であるだけでなく、通常は最先端の材料よりも脆くないため、作業に適しています。

ツールホルダーは、次のような切削動作に追加の特性を導入するように設計することもできます。

• 角度アプローチ – ツールの移動方向
• バネ荷重 – 過度の負荷がかかったときに工具ビットが材料から離れる方向にたわむ
• 可変オーバーハング - 作業の必要に応じてツールビットを延長または引き込むことができます
• 剛性 - ツールホルダーは実行する作業に応じてサイズを調整できます
• 切削液または冷却剤を作業エリアに直接供給する

通常、ツール ホルダーの設計では強度ではなく剛性が重視されるため、ほとんどの鋼合金の剛性には比較的差がないため、使用する鋼は特に硬く、または強くする必要はありません。

ツールポストは、金属加工旋盤の一部で、ツールビットを直接保持するか、ツールビットを含むツールホルダーを保持します。ツールポスト (基本ツールポスト、ロッカー ツールポスト、クイック チェンジ ツールポスト、ツールポスト タレットなど) とツールホルダー (さまざまな形状と機能を持つ) には、さまざまな設計があります。

ボックスツールは、タレット旋盤またはスクリューマシンのタレットに取り付けられます。これは基本的に、フォロワレストを伴ったツールポストです。ツールビット（または複数のツールビット）とコンパクトなフォロワレスト（通常はV字型または2つのローラー付き^{[2] ）は、}ワークピースを囲む本体（その周りに「ボックス」を形成）内に互いに反対側に取り付けられます。ツールビットがワークピースに横方向のたわみ力を加えると、フォロワレストがそれに対抗して剛性を提供します。別の一般的なタイプのボックスツールでは、フォロワレストではなく2つのローラーを使用します。1つのローラーは「サイジングローラー」と呼ばれ、もう1つのローラーは「バニシングローラー」と呼ばれます。ローラーはストックと一緒に回転し、完成した旋削の傷を減らします。反対側のツールビットを（レストの代わりに）使用して、互いのたわみ力を相殺する場合があります（「バランスのとれた旋削工具」と呼ばれます）。この場合、ボックスツールは、形状、機能、および同一性の点で中空ミルと重なり始めます。

シェーパー、スロッター、プレーナーでは、ラムまたはベッドの戻りストロークで自由にスイングするクラッパー ボックスと呼ばれる一種のツールホルダーがよく使用されます。次の切削ストロークでは、クラッパー ボックスは切削位置に「カチッ」と戻ります。その動きは、バタフライ スタイルの チェック バルブの動きに似ています。

フライ カッターは、1 つまたは 2 つのツール ビットが取り付けられたフライス カッターの一種です。ビットはスピンドルの回転に合わせて回転し、面取りを行います。フライ カッターは、ビットが回転ユニットの一部であるツール ビットの応用例です (他のほとんどのツール ビットは直線的に使用されます)。

工具ビットは何世紀にもわたって使用されてきましたが、その技術的発展は今日でも続いています。 1900 年頃までは、ほぼすべての工具ビットはユーザーによって作られ、多くの機械工場には鍛冶場がありました。 実際、優れた機械工には鍛冶の知識が求められ、鋼の熱処理の化学と物理学は(今日の科学と比較すると) よく理解されていませんでしたが、熱処理の実用的な技術はかなり進んでおり、ほとんどの熟練した金属加工業者が十分に理解していました。 工具ビットは、十分に高い炭素含有量を持つ炭素工具鋼で作られており、硬化が良好です。 各ビットはハンマーで鍛造され、焼き入れされ、次に砥石で研磨されました。 熱処理と先端形状の正確な詳細は、個人の経験と好みの問題でした。

1890年から1910年にかけて、フレデリック・ウィンスロー・テイラーが科学的手法を用いて工具ビットとその切削性能（形状、冶金学、熱処理、および結果として生じる速度と送り、切削深さ、金属除去率、工具寿命など）の研究を行ったことで、大幅な技術的進歩が遂げられた。彼は、マウンセル・ホワイトや様々な助手とともに、高速度鋼を開発した（その特性は合金元素の混合と熱処理方法の両方に由来する）。彼の切削実験では、何トンもの被削材が削られ、何千もの工具ビットが消費され、山のような切りくずが発生した。実験は主にウィリアム・セラーズ（ミッドヴェイル・スチールとクランプ造船所の社長）と後にベスレヘム・スチールによって後援された。^[3]テイラーは、シングルポイント・カッターを作るための新素材を開発しただけでなく、最適な形状（すくい角、逃げ角、ノーズ半径など）も決定した。彼は工具寿命予測に関するテイラーの式を考案した。テイラー以降、個々の職人の黒魔術が金属加工技術の最高レベルを代表することは当然のこととは考えられなくなった。これは、日常生活の物質文化（応用科学）において科学と芸術が融合した、19世紀から20世紀にかけてのより大きな傾向の一部であった。

ステライトはすぐに、高速度鋼に続いてシングルポイントカッターの材料として使われるようになりました。ダイヤモンド旋削は以前から行われていましたが、切削インサートのアイデアが機械加工に一般的に適用されるようになったのは、これらの新しい高価な金属が登場してからのことでした。それ以前は、ほとんどのシングルポイントカッターは工具鋼だけで鍛造され（その後、先端が研磨されていました）、今では別の先端（ある材料）をホルダー（別の材料）に取り付けることがより一般的になっています。市販の超硬合金（1920年代）とセラミックインサート（第二次世界大戦後）の開発により、この傾向は加速しました。超硬合金とセラミックはさらに高価で、シャンクとして使用するにはさらに適していないためです。ただし、技術の進歩により、古い方法がすぐに置き換えられたわけではありません。1900年から1950年の間、機械工が炭素工具鋼から工具を鍛造することはまだ珍しいことではありませんでした。

今日、大量生産（自動車部品など）で使用されるシングルポイントカッターのうち、超硬およびセラミックを使用したインサート工具は、HSS またはコバルト鋼工具をはるかに上回っています。その他の機械加工コンテキスト（ジョブショップ、ツールルーム、および趣味の実践など）では、後者が依然としてよく使用されています。各インサート形状タイプに名前を付けるための業界標準表記法の完全なシステムが開発されました。超硬およびセラミック配合物の数は増え続けており、ダイヤモンドがかつてないほど使用されています。速度、送り、切り込み深さ、および切削界面の温度は上昇し続け（後者は、液体、空気、またはエアロゾルによる大量の冷却によって相殺されます）、サイクルタイムは短縮し続けています。製品メーカー間の生産単位コストを下げる競争は、R&D およびツール購入償却のコストが生産性の向上（たとえば、賃金経費の削減）によって節約された金額よりも低い限り、ツールメーカーによる技術開発を継続的に促進します。

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