汎用旋盤では回転速度を自由に設定できません。主軸台の銘板を見ながらレバーを切り替え、機械には決まった段しかありません。計算では1273 1/minが必要なのに、銘板にあるのは1000と1400。どちらの段が正しいでしょうか。ここでは、段がなぜこのように並んでいるのか、一段下げたときにどれだけ切削速度を失うのか、そして高いほうの段がよい選択になるのはどんなときかを学びます。
上に行くほど間隔が広がる理由
典型的な回転速度の銘板を見てみましょう。たとえば45から2000 1/minまでの十二段です。下のほうでは段の間隔はわずか18 1/min、上のほうでは600 1/minもあります。これは偶然ではありません。どの段も、一つ前の段より同じ倍率だけ大きくなっています。この倍率を公比と呼びます。
- φ 公比
- nk ある回転速度の段、nk+1 その一つ上の段（1/min）
- nmax、nmin 最高段と最低段（1/min）
- z 段数
45から2000 1/minまで十二段の銘板では、段と段の間は十一あります。
φ11 = 200045 ≈ 44.4 φ ≈ 1.41
値は標準数列から取られているため、丸められています。63と45では倍率は1.40、125と90では約1.39、180と125ではちょうど1.44です。平均すると1.41になります。
この数列の利点は、どの段でも失う割合が同じになることです。計算で1390 1/minが必要なのに1000に切り替える場合も、174 1/minが必要なのに125に切り替える場合も、不足はどちらも約28 %です。最も不利なケースはどこでも同じです。
| 公比 φ | 一つ下の段を選んだときのvcの最大損失 |
|---|---|
| 1,12 | 11 % |
| 1,25 | 20 % |
| 1,41 | 29 % |
| 1,58 | 37 % |
古い機械や小型の機械では、段数が少なく公比が大きいことがよくあります。そうした機械では、両隣の段をどちらも計算してみる価値が特にあります。
基本ルールとその例外
基本ルールは一つ下の段です。刃先の工具寿命は切削速度に大きく左右され、わずかに速すぎるだけでも寿命が大きく縮みます。切削速度が少し低すぎるのは、たいてい問題になりません。
ただし、切削速度の目安値は一つの数値ではなく範囲で示されます。低いほうの段がこの範囲を下回ると、超硬合金の切れ味が落ちます。鋼では仕上げ面が粗くなり、切削速度がかなり低いと構成刃先ができます。その場合は、範囲内に収まる限り、一つ上の段が正しい選択です。手順は次のとおりです。
- 予定の切削速度から計算上の回転速度を求める。
- 両隣の段について、実際の切削速度を計算する。
- 低いほうの段が目安値の範囲内ならそれを選ぶ。そうでなければ、範囲内に入る場合は高いほうを選ぶ。
- vc 実際の切削速度（m/min）
- d 刃先がいま削っている位置の直径（mm）
- n 設定した回転速度の段（1/min）
役に立つ関係として、両隣の段はちょうど公比の分だけ違います。目安値の範囲の幅が公比以上、つまり上限が下限の1.41倍以上あり、しかも回転速度が銘板の範囲内にあれば、ほとんどの場合どちらかの段が合います。段の値は丸められているので、少し余裕を見ておくと安心です。
例1 – 高いほうの段が正しい場合
C45製、Ø 40 mmの軸を超硬合金のスローアウェイチップで外径長手旋削します。目安値の範囲は140から200 m/min、予定は160 m/minです。
n = 160 · 1000π · 40 ≈ 1273 1/min
段1000 → vc = π · 40 · 10001000 ≈ 126 m/min
段1400 → vc = π · 40 · 14001000 ≈ 176 m/min
1000 1/minでは20 %以上不足し、範囲を下回ります。1400 1/minでは予定値を10 %弱上回りますが、まだ範囲内です。ここでは1400 1/minのほうがよい段です。
例2 – 低いほうの段が正しい場合
S235製、Ø 50 mmのボルトをHSSのバイトで旋削します。目安値の範囲は25から35 m/min、予定は30 m/minです。
n = 30 · 1000π · 50 ≈ 191 1/min
段180 → vc ≈ 28 m/min 段250 → vc ≈ 39 m/min
段180は範囲内で、予定値をわずかに下回ります。250 1/minでは範囲を超えてしまい、HSSには速すぎます。180 1/minを選びます。
例の値は目安値です。工具メーカーの指示が優先されます。
機械が限界に達したとき
直径がとても大きいときやとても小さいときは、銘板の段では足りないことがあります。
- 計算値が最低段を下回る：直径Ø 300 mmの円板を、HSSで切削速度20 m/minで荒削りするとします。計算上は約21 1/minですが、機械は最低でも45 1/minです。すると切削速度は約42 m/minと倍に上がります。この場合は超硬合金のスローアウェイチップが役立ちます。42 m/minはその範囲を下回りますが、チップに無理はかかりません。HSSのままなら、切込み深さと送りを大幅に減らす必要があります。
- 計算値が最高段を上回る：アルミニウム製、Ø 10 mmのピンを超硬合金で切削速度300 m/minで削るには、約9549 1/minが必要です。最高段の2000 1/minでも約63 m/minにしかなりません。刃先が傷むことはありませんが、時間がかかり、仕上げ面が悪くなることがあります。
よくある間違い
- 主軸の回転中に切り替えた：主軸台の歯車が損傷します。取扱説明書で別の方法が認められていない限り、切り替えは停止中にだけ行います。
- 仕上がり寸法で計算した：荒削りでは、チップは素材の径で削っています。例1の軸を直径Ø 50 mmから荒削りする場合、段1400ではそこで約220 m/minとなり、範囲を超えます。
- いつも高いほうの段を選んだ：数秒の節約と引き換えに、工具寿命を大きく失います。先に計算、それから切り替え。
- 取付具の最高回転速度を見落とした：チャックや面板には、それぞれ許容最高回転速度があります。主軸の後ろから突き出る長い棒材は、支えなければなりません。
- レバー位置を読み違えた：多くの機械にはレバーが二本か三本あります。すべてが銘板どおりの位置になって初めて、回転速度が正しくなります。
よくある質問
なぜ単純な等間隔、たとえば180 1/minおきにしないのか？
そうすると最初の段は180と360 1/minになります。大きな直径で100 1/minが必要なときに合う段がなく、下のほうの間隔が大きすぎます。逆に上のほうでは1800と1980 1/minの違いはほとんどありません。同じ倍率にすれば、どの段も比率として同じ大きさになり、刃先にとって大事なのはまさにその比率です。
アプリのどこにありますか？
Geselloのモジュール「切削条件」で、旋削の「機械の段」にあります。お使いの旋盤の段を一度入力しておけば、計算上の回転速度に対して一つ下の段と、その段で実際に得られる切削速度を表示します。関連する式は計算ガイド回転速度と送りを計算するにあります。