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機械加工において、工具ビットとは、金属旋盤、形削り盤、平削り盤などで使用される非回転式の切削工具のことです。このような切削工具は、鋸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、「単刃切削工具」という定型句で呼ばれることもよくあります。切削刃は特定の加工作業に合わせて研磨され、必要に応じて再研磨または再成形することができます。研磨された工具ビットは、切削中は工具ホルダによってしっかりと固定されます。
バックレーキは、切削面の外側と内側の長さの違いによって切削屑が自然にワークに向かって湾曲するの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、ワークから工具にかかる圧力に対抗する効果もあります。
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、切削工具の動きに対する被削材の抵抗を部分的に相殺する役割を果たし、切削する材料に合わせて最適化することができます。例えば、真鍮の場合はバックレーキとサイドレーキを0度に設定する必要がありますが、アルミニウムの場合はバックレーキを35度、サイドレーキを15度に設定します。
ノーズ半径を設けることで、切削面の仕上がりが滑らかになります。これは、ノーズ半径が前の切削面と重なり合い、尖った工具で生じる凹凸を解消できるためです。また、半径を設けることで先端部の強度も高まります。鋭利な先端部は非常に脆いためです。ノーズ半径は、荒削り、中仕上げ、仕上げといった加工工程や、切削対象となる材料（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のためのもので、実際の切削刃以外の工具部分が加工物に接触しないようにするためのものです。前面クリアランス角は通常8度、側面クリアランス角は10～15度で、想定される送り速度によって部分的に異なります。
必要な作業を行う上で最小限の角度が推奨される。なぜなら、刃先が鋭くなるにつれて、刃先の背後の支えが弱くなり、切断時に発生する熱を吸収する能力が低下するため、工具の強度が低下するからである。
切削を行う上で、工具上部のすくい角は必ずしも正確である必要はないが、効率的に切削を行うためには、後方すくい角と側面すくい角に最適な角度が存在する。
当初、すべての工具ビットは、適切な焼き入れと焼き戻しを施した高炭素工具鋼で作られていました。しかし、20世紀初頭に高速度鋼（HSS）、 1930年代に超硬合金、セラミック、ダイヤモンドカッターが登場して以来、これらの材料は、ほぼすべての切削用途において、従来の工具鋼に徐々に取って代わってきました。現在、ほとんどの工具ビットは、HSS、コバルト鋼、または超硬合金で作られています。
超硬合金、セラミックス（立方晶窒化ホウ素など）、ダイヤモンドは、HSSよりも硬度が高く、ほとんどの場合、HSSよりも速い材料除去が可能です。これらの材料は鋼鉄よりも高価で脆いため、通常、切削工具の本体は鋼鉄製で、より硬い材料で作られた小さな刃先が取り付けられます。刃先は通常、ねじ込み式またはクランプ式（この場合はインサートと呼ばれます）で固定されるか、鋼鉄製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ぼすべてに、交換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、これらの材料が支える非常に高い切削速度と送り速度では、切削チップがシャンクに固定しているろう付け材を溶かすほど高温になることがあります。経済性も重要です。インサートは左右対称に作られているため、最初の切削刃が鈍くなったら回転させることで新しい切削刃を使用できます。中には、裏返すことで1つのインサートで最大16個の切削刃を使用できるものもあります。インサートには多くの種類があり、荒削り用、仕上げ用などがあります。また、ねじ切りや溝切りなどの特殊な作業用に作られたものもあります。業界では、インサートの形状、材質、コーティング材、サイズを表すために標準化された命名法が用いられています。
成形工具は、成形対象部品に似た形状に精密研削加工されます。成形工具は単一の加工工程として使用できるため、ボックス工具など、スライド（前面、背面、垂直方向）やタレットにおける他の多くの加工工程を省略できます。成形工具は、ワークに送り込みながら、1つまたは複数の直径を旋削します。成形工具を使用する以前は、直径の旋削は複数のスライドとタレットの加工工程で行われていたため、部品の製作に多くの労力を要していました。例えば、成形工具は複数の直径を旋削できるだけでなく、単一の加工工程で部品を切断することもできるため、タレットのインデックス操作が不要になります。単軸加工機の場合、タレットのインデックス操作が不要になることで、部品の1時間当たりの生産量を大幅に向上させることができます。
長時間の加工作業では、成形工具の摩耗を軽減するために、別のスライドまたはタレットステーションに荒削り工具を取り付けて材料の大部分を除去するのが一般的です。
成形工具にはさまざまな種類があります。インサート成形工具は、短～中規模の加工（50～20,000個）で最も一般的に使用されます。円形成形工具は、工具をホルダー内で回転させることで工具先端の摩耗を何度も研磨できるため、通常はより長い加工に適しています。また、軽い仕上げ加工に使用できるスキビング工具もあります。成形工具は、コバルト鋼、超硬合金、または高速度鋼で作られています。超硬合金は非常に脆く、ビビリが発生すると欠けやすいため、取り扱いには特に注意が必要です。
成形工具を使用する際の欠点は、工具の幅に応じて、ワークへの送り速度が通常、1回転あたり0.0005インチから0.0012インチと遅いことです。幅広の成形工具はより多くの熱を発生させ、通常はびびり振動の問題を引き起こします。熱とびびり振動は工具寿命を縮めます。また、旋削される部品の最小直径の2.5倍よりも幅の広い成形工具は、部品が折れ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は、タレットからのサポートを使用して旋削長さを旋削される部品の最小直径の2.5倍から5倍に増やすことができ、これによりびびり振動を減らすこともできます。欠点はあるものの、余分な工程がなくなるため、成形工具の使用が最も効率的なオプションとなることがよくあります。
高価な硬質切削刃を実際に切削を行う部分だけに限定することで、工具コストを削減できる。また、支持工具ホルダーはより強靭な鋼材で作ることができ、これは安価なだけでなく、切削刃材よりも脆くないため、通常は作業に適している。
ツールホルダーは、切削動作に次のような追加特性をもたらすように設計することもできます。
なお、工具ホルダーの設計において、強度よりも剛性が重視されることが多いため、ほとんどの鋼合金の剛性には比較的大きな差がなく、使用する鋼材は特に硬かったり強かったりする必要はありません。
ツールポストは、金属加工旋盤において、工具ビットを直接保持する部分、または工具ビットを収容するツールホルダーを保持する部分です。ツールポスト（基本型、ロッキング型、クイックチェンジ型、タレット型など）とツールホルダー（形状や機能が異なる）には、非常に多様な設計が存在します。
ボックスツールは、旋盤やねじ切り盤のタレットに取り付けられます。基本的には、フォロワーレストを一緒に持ち運ぶツールポストです。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ーレスト（通常はV字型または2つのローラー[ 2 ]付き）が、ワークピースを囲む本体（ワークピースの周りに「ボックス」を形成する）に互いに向かい合うよう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、フォロワーレストがそれに抵抗し、剛性を提供します。別の一般的なボックスツールでは、フォロワーレストの代わりに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」、もう1つのローラーは「バーニッシングローラー」と呼ばれます。ローラーはワークと一緒に回転し、完成した旋削加工の傷を減らします。互いのたわみ力を打ち消すために、（レストの代わりに）対向するツールビットを使用することもできます（「バランスドターニングツール」と呼ばれます）。この場合、ボックスツールは形状、機能、同一性において中空フライスと重なり始めます。
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行程で自由に揺動するクラッパーボックスと呼ばれる工具ホルダがよく使用されます。次の切削行程では、クラッパーボックスは「カチッ」と音を立てて切削位置に戻ります。その動きは、バタフライバルブのような逆止弁の動きに似ています。
フライカッターは、1つまたは2つの工具ビットが取り付けられたフライス加工用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、正面切削を行います。フライカッターは、工具ビットが回転ユニットの一部となるタイプの工具ビットです（他のほとんどの工具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、その技術開発は今日でも続いています。1900年頃までは、ほとんどすべての工具ビットは使用者自身が製作しており、多くの機械工場には鍛冶場がありました。実際、優秀な機械工には鍛冶の知識が求められており、鋼の熱処理の化学と物理学は（今日の科学と比べると）十分に理解されていませんでしたが、熱処理の実践的な技術は非常に高度で、ほとんどの熟練した金属加工職人が容易に習得できるものでした。工具ビットは、焼き入れに適した十分な炭素含有量を持つ炭素工具鋼で作られていました。各ビットはハンマーで鍛造され、焼き入れされ、その後砥石で研磨されました。熱処理の詳細や先端形状は、個々の経験と好みに委ねられていました。
1890年から1910年の間に、フレデリック・ウィンスロー・テイラーが工具ビットとその切削性能（形状、冶金、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、工具寿命を含む）の研究に科学的手法を適用したことで、大きな技術的進歩が起こりました。彼はモーゼル・ホワイトやさまざまな助手とともに、高速度鋼（その特性は合金元素の混合物と熱処理方法の両方から得られる）を開発しました。彼の切削実験では、何トンものワークピース材料が削り取られ、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ました。これらの実験は、主にウィリアム・セラーズ（ミッドベール・スチールとクランプ造船所の主要人物）によって、後にベスレヘム・スチールによって後援されました。[ 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しい材料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）も決定しました。彼は工具寿命予測のテイラー方程式を開発しました。テイラー以降、個々の職人の手による黒魔術が金属加工技術の最高峰であるという考え方はもはや当然のこととは見なされなくなった。これは19世紀から20世紀にかけて、日常生活の物質文化において科学と芸術が融合する（応用科学）という大きな潮流の一部であった。
ステライトはすぐに高速度鋼と並んで、単刃カッターの材料として使われるようになった。ダイヤモンド旋削は古くから行われていたが、これらの新しい高価な金属が登場するまで、切削インサートという概念は機械加工で一般的に使われることはなかった。それ以前は、ほとんどの単刃カッターは工具鋼から完全に鍛造され（先端は研磨されていた）、現在では（ある材料の）別個の先端を（別の材料の）ホルダーに取り付けることがより一般的になった。市販の超硬合金（1920年代）やセラミックインサート（第二次世界大戦後）の開発により、この傾向は加速した。なぜなら、超硬合金やセラミックはさらに高価で、シャンクとして使うにはさらに不向きだからである。しかし、技術の発展は、古い方法をすぐに置き換えることはなかった。1900年から1950年の間は、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くなかった。
今日、自動車部品などの大量生産で使用される単刃カッターでは、超硬合金やセラミックを使用したインサート工具が、HSSやコバルト鋼の工具をはるかに上回っています。その他の機械加工の場面（例えば、ジョブショップ、工具室、趣味の作業など）では、後者も依然として広く使われています。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の表記体系全体が開発されています。超硬合金とセラミックの配合は増え続けており、ダイヤモンドの使用もこれまで以上に増えています。切削速度、送り速度、切削深さ、切削界面温度は上昇し続けており（後者は液体、空気、またはエアロゾルによる十分な冷却によって相殺されています）、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ための競争は、研究開発費と工具購入償却費が生産性向上による節約額（例えば、賃金コストの削減）よりも低い限り、工具メーカーによる技術開発を継続的に促進します。