CNC加工における切込み深さ：定義、計算方法、工程最適化

金属部品に対する切込み深さを示すCNCフライス工具

CNC加工において、切込み深さは加工工程全体を左右する重要な切削条件の一つです。切込みが深すぎると、工具、工作機械、ワークに問題が発生します。反対に、慎重になりすぎて切込みを浅くすると、生産時間が長くなります。

切込み深さは、材料、工具、段取り、要求表面品質に合わせて設定する必要があります。適切な値を選定することで、生産性と安定した加工結果のバランスを取ることができます。

CNC加工における切込み深さとは

切込み深さとは、CNC工具が1回の加工パスで、加工前の表面より下へ除去する材料の深さです。カッターが次のパスへ移動する前に除去する量を、加工プログラムで設定します。

切込み深さの測定方法

切込み深さは、ミリメートルまたはインチで表します。通常は、工具の切削方向に沿って、加工前の表面から加工後の表面までの距離を測定します。

切削幅（ステップオーバー）との違い

ステップオーバーとも呼ばれる切削幅は、工具の横方向の接触量を示します。切削幅が横方向への工具接触を表すのに対し、切込み深さは下方向または軸方向への工具接触を表します。フライス加工では、この2つを区別して管理します。

軸方向切削と半径方向切削

CNCフライス加工における軸方向・半径方向の切込み深さ

軸方向切込み深さ（Ap）とは

フライス加工における軸方向切込み深さ（Ap）は、工具軸に沿ってカッターが材料へどの程度深く接触するかを表します。加工資料では、軸方向切削深さとも呼ばれます。

半径方向切込み深さ（Ae）とは

半径方向切込み深さ（Ae）は、カッター径に対する横方向の接触量を表します。隣接する工具パス間で、切れ刃が材料へ横方向にどの程度入り込むかを示す値です。

軸方向・半径方向切込みの相互作用

ApとAeの組み合わせによって、カッターとワークの接触面積が決まります。したがって、切込み深さは単一の数値だけでなく、工具が軸方向と半径方向の2方向から、どのように材料へ接触するかを考慮して設定する必要があります。

CNC加工で切込み深さが重要な理由

材料除去率と生産性

1パス当たりの材料除去量を増やせば、工具経路を追加することなく生産性を高められます。ただし、主軸、クーラント、段取りを安定した運転範囲内に維持する必要があります。

切削抵抗と工作機械への負荷

切込み深さを増やすと、工具、主軸、工作機械構造へ加わる負荷も増加します。そのため、高負荷切削では、主軸負荷が問題を早期に把握するための重要な指標となります。

工具寿命と摩耗

切込み深さが増加すると、発熱と工具摩耗も増加します。設定値が工具の許容範囲を超えると、インサートやエンドミルが早期に摩耗する可能性があります。

表面品質と寸法精度

切込み深さは、表面品質と寸法精度にも影響します。工具接触量が過大になると、工具たわみ、振動、熱負荷が増加し、重要形状に工具痕、寸法変動、幾何学的誤差が発生する可能性があります。

切込み深さの決定方法

ワーク材料の特性

材料特性は、切込み深さを決定する主要因の一つです。アルミニウムでは比較的深い切込みを使用できますが、ステンレス鋼、チタン、焼入れ鋼では、加工を安定させるために切込み量を抑える必要があります。

工具径と工具形状

工具径と工具形状も、許容される切込み深さに影響します。エンドミルの一般的な切込み目安は初期値として利用できますが、実際の試し加工条件は、工具径、刃数、刃先処理、工具突出し量、コーティングに基づいて決定します。

外周フライス加工の仕上げでは、半径方向切込みを工具径の3～5%程度に設定する場合があります。一方、高負荷荒加工では、工具径の30～50%に達することがあります。

工作機械の剛性と利用可能な出力

工具だけでなく、工作機械の能力も切込み深さの上限を決定します。主軸出力、送り軸の駆動能力、ツールホルダの把握力、コラム剛性によって、選択した切削条件で安定して加工できるかが決まります。

ワーク保持の安定性

ワーク保持の安定性も、許容できる工具接触量を制限します。薄肉部、長い突出し形状、ジョー、クランプ、バイスの接触状態などによって、部品が耐えられる切削負荷は異なります。

切込み深さ、送り速度、切削速度のバランス

プログラマーは、送り速度および切削速度と合わせて切込み深さを調整します。切りくず形状、主軸振動のフィードバック、試し加工のデータを確認し、最終的な切削条件を決定します。

切込み深さの計算方法

フライス加工における計算

フライス加工では、1回の加工パスにおける加工前の表面と加工後の表面との垂直距離を、切込み深さとして測定します。

たとえば、ワーク表面がZ0で、工具がZ-2mmまで加工する場合、切込み深さは2mmです。

DOC = |Z_initial − Z_final|

各記号の意味：

• DOC：切込み深さ
• Z_initial：加工前の表面位置
• Z_final：加工後の表面位置

旋削加工における計算

旋削加工では、ワーク直径の変化から切込み深さを計算します。

DOC = (D_initial − D_final) / 2

各記号の意味：

• DOC：切込み深さ
• D_initial：加工前の直径
• D_final：加工後の直径

たとえば、シャフト径を50mmから46mmへ加工する場合：

DOC = (50 − 46) / 2 = 2mm

この加工パスでは、工具がワーク表面から半径方向に2mmの材料を除去します。

材料除去率との関係

切込み深さは、各パスで接触する材料量を決定するため、材料除去率（MRR）へ直接影響します。切込み深さを増やせば生産性を向上できますが、工作機械の出力、工具剛性、切りくず排出が安定した運転範囲内にあることが条件です。

フライス加工における簡易的なMRRの計算式は、次のとおりです。

MRR = Ap × Ae × 送り速度

各記号の意味：

• MRR：材料除去率
• Ap：軸方向切込み深さ
• Ae：半径方向切込み深さ
• 送り速度：工具の1分当たりの送り量

加工方法別の切込み深さ

フライス加工と旋削加工におけるCNC切込み深さ

正面フライス加工

正面フライス加工では、カッターが広い平面を走査するため、切込み深さを比較的小さく設定する場合があります。これにより、インサートへ過大な負荷を与えず、均一な平面を形成できます。

エンドミル加工

エンドミル加工では、ポケット、壁面、輪郭などを加工する際、軸方向と半径方向の切込みを総合的に検討します。それぞれの形状に対して、工具突出し量、コーナ形状、刃部周辺の取り代に適した工具接触量を設定する必要があります。

溝加工

溝加工では、工具の全幅が材料へ接触するため、狭い溝を加工する際は、軸方向切込みと切りくず排出へ特に注意する必要があります。

CNC旋盤加工

CNC旋盤では、工具を半径方向へ送り込み、外径または内径から環状に材料を除去します。部品の要求公差に応じて、荒加工と仕上げ加工の切込み量を分けて設定します。

エンドミルの切込み深さに関する目安

一般的な経験則

エンドミルの切込み深さに関する経験則は、保証値ではなく、初期設定の目安です。実際の工作機械上で検証すべき参考値として使用してください。

溝加工の場合、一般的なエンドミルでは、Apを工具径Dの0.05～0.2倍に設定する場合があります。一方、荒加工または中仕上げ用工具では、Apを最大1D程度まで設定できる場合があります。

仕上げ加工では、軸方向切込みを工具径のごく一部に設定します。荒加工では、工具設計、工作機械の剛性、加工方法によって、工具径に近い値、または工具径を超える軸方向切込みを使用できる場合があります。

工具径が重要な理由

一般に、大径工具は芯厚と剛性に優れているため、より大きな切込み深さを使用できます。一方、細径工具では、工具突出し量を短くし、負荷の小さい進入条件を使用する必要があります。

全幅切削と小さな半径方向切込み

全幅切削では、工具の広い範囲が材料へ接触します。一方、半径方向切込みを小さくすると、切れ刃がより狭い範囲で材料を切削し、切りくずも排出しやすくなります。

推奨値を調整すべき場合

工具突出し量が長い場合、材料が凝着しやすい場合、ポケットが深い場合、または部品の壁面がたわみ始める場合は、切込み深さを調整してください。

試し加工による条件検証

試し加工では、切りくずの色、主軸音、切れ刃の状態、実測した部品の変形や寸法変化を確認できます。これらの情報に基づき、本加工前に選択した条件が適切かを検証します。

材料別の一般的な切込み深さ

工具径と加工方法によって実用上の限界が決まりますが、最終的に許容できる切込み深さは材料特性から大きな影響を受けます。以下の値は、CNCフライス加工における一般的な初期設定の目安です。試し加工と工具メーカーの推奨条件に基づいて検証してください。

Dは工具径を表します。

たとえば、直径10mmのエンドミルでアルミニウムを荒加工する場合、軸方向切込みを5～20mmに設定できる場合があります。一方、同じ工具でチタンを加工する場合は、工具経路と工作機械の能力に応じて2～8mm程度となります。

推奨切込み深さは、あくまで初期設定の目安です。薄肉部では軸方向切込みを小さくする必要があり、深いポケットではカッターの横方向移動量が制限される場合があります。CADファイルをアップロードいただければ、加工チームが条件を確認し、最初の試し加工前に切込み量を調整できます。

切込み深さと加工方法

材料除去量を最大化する荒加工

荒加工では、大量の取り代を効率よく除去することを優先します。切込み深さへ多くの加工負荷を持たせながら、その後の寸法仕上げに必要な安全な仕上げ代を残します。

中仕上げ加工

中仕上げは荒加工後に行い、不均一に残された取り代を整えます。最終仕上げパスを開始する前に、次の工具経路で除去する材料量を均一にします。

表面品質を重視する仕上げ加工

仕上げ加工では切込みを浅くし、慎重な条件を使用します。大量の材料除去ではなく、要求される表面状態、寸法精度、エッジ形状を実現することが目的です。

高能率加工

最新のアダプティブミーリングでは、小さな半径方向切込みと大きな軸方向切込みを組み合わせることがあります。これにより、切りくず負荷を一定に維持しながら、材料除去率を向上できます。

不適切な切込み深さによって発生する問題

過度な工具たわみ

切削抵抗が工具の剛性で支えられる限界を超えると、工具へ過大な負荷が加わります。その結果、切れ刃が加工経路から逃げる方向へたわみ、テーパ状の壁面や寸法不良が発生します。

びびりと振動

工具接触が不安定になると、びびりが発生する可能性があります。繰り返される振動によって加工面へびびり痕が残り、段取り全体から大きな異音が発生します。

工具の早期摩耗

切込み深さが過大になると応力が増加し、刃先の欠け、擦過領域、不均一な摩耗が発生します。これにより、インサートまたはカッターの寿命が短くなる可能性があります。

生産性の低下と過大なサイクルタイム

切込み深さを過度に小さくすると、残った材料を除去するために多くのパスが必要になります。その結果、サイクルタイムが長くなり、部品1個当たりのコストが増加します。

切込み深さとその他の切削条件の違い

CNC加工における切込み深さ、送り速度、切削速度、ステップオーバー、切りくず負荷

切込み深さと送り速度

送り速度は、1分当たりまたは1刃当たりの工具移動量を決定します。一方、工具接触量は、各パスで切れ刃が受け持つ材料量を決定します。

切込み深さと切削速度

切削速度は、切れ刃における工具とワークの相対的な表面速度を表します。切込み深さを大きくしたまま切削速度を上げると、送り速度や主軸負荷が許容範囲内に見えても、発熱と工具摩耗が増加する場合があります。

切込み深さとステップオーバー

ステップオーバーは、工具経路に対する横方向の間隔であり、下方向への切込みではありません。垂直方向の切込み量が変わらなくても、ステップオーバーによって工具接触率が変化し、切りくず厚さも変化します。

切込み深さと切りくず負荷

切りくず負荷は、各切れ刃が受け持つ材料量を表し、送り速度、刃数、主軸回転数と関係します。切込み深さを変更した場合は、他の条件を推測で維持するのではなく、それに合わせて調整する必要があります。

切込み深さのまとめ

切込み深さは、表から単純に選べる固定値ではありません。同じ工具を使用しても、アルミニウムで良好に機能する設定が、ステンレス鋼やチタンにはまったく適さない場合があります。

安定した加工を実現するには、工作機械、工具、ワーク保持が継続して対応できる切込み深さを選定する必要があります。適切なバランスを確保できれば、不要な工具摩耗や工程の不安定化を防ぎながら、効率よく材料を除去できます。

JLCCNCは、試作品および量産部品向けのCNC加工サービスを提供しています。CADファイルをアップロードすると、即時見積もりと製造性評価をご利用いただけます。

切込み深さに関するよくある質問