切削性の理解：定義、重要性、測定技術

切削加工という製造プロセスは、金属とプラスチックを切削する汎用性と効果の高い手段です。非常に微細なディテールをタイトな公差で作れ、試作や少量部品の製造に高いコスト効率を発揮します。

しかし、切削加工が全ての材料で等しくうまくいくわけではありません。このプロセスは強力な回転切削工具を使って材料の一部を除去するため、材料は切削工具が貫入できる程度に軟らかくなければなりません。そうでなければ工具自体が損傷し、部品品質が低下します。逆に軟らかすぎると、切削工具との接触で材料が望ましくない形で変形し、歪んだ使えない部品になります。

金属が切削工具でどれだけ容易に切削できるかを示す特性を切削性と呼びます。しかし、金属の切削性を決定する要因は多数あるため、この特性を定量化するのは困難です。本記事では切削性の基本：定義、最も切削性の良い材料、切削性の向上方法、測定方法について解説します。

切削性とは？

切削性とは、材料を切削工具で切削する容易さまたは難しさの尺度です。最小限の動力で切削でき、周囲に変形を生じさせない材料は、より多くの労力を要し変形を生じさせる材料より切削性が良いと言えます。

実務では、切削性の良い材料を使用することで短期的・長期的なメリットが得られます。短期的には、タイトな公差、最小限の変形、良好な表面仕上げを持つより良い部品が得られ、硬い材料よりも速く製造できます。長期的には、工具摩耗の低減と工具寿命の延長につながり、最終的に機械加工工場のコスト削減になります。

では、なぜ機械加工者は常に最も切削性の良い材料だけを使わないのでしょうか？問題は、切削性がしばしば材料性能の犠牲の上に成り立っており、その逆もまた真だからです。強い材料は通常、弱い材料より切削が難しいため、エンジニアは切削性と性能のトレードオフを迫られることがよくあります。

与えられた材料の切削性は、材料群の科学的な物理的特性（構成元素）と、特定のワーク材料の状態（どう作られたか）の両方に依存します。材料の物理的特性は固定的ですが、ワークピースの状態は大きく変わり得ます。

物理的特性には：

• 加工硬化
• 熱膨張
• 熱伝導率
• 弾性率

状態要因には：

• 微細組織
• 結晶粒径
• 熱処理
• 硬度
• 引張強さ

切削性の良い材料

アルミニウム

切削加工に最も適した材料の一つで、比較的安価で多くの一般的な合金が製造されています。6061が切削用の標準的な汎用グレードですが、アルミニウム2011や8280のような一般的でない合金はさらに切削性が良く、非常に小さな切りくずと優れた表面仕上げを生み出します。

鋼

鋼は一般的にアルミニウム合金より切削が難しいですが、303ステンレス鋼のような適度な炭素含有量のグレードが最も切削性に優れます（炭素が多すぎると硬すぎ、少なすぎると粘り気が出ます）。鉛を添加剤として使用すると鋼の切削性が向上し、切りくず排出が改善されます。硫黄も鋼の切削性を高めます。

その他の金属

その他の切削性の良い金属には様々な真鍮合金があり、比較的軟らかいですが引張強さが良好です。同様に、銅も良好な切削性を持ち、電気伝導性などの特性を兼ね備えています。

プラスチック

熱可塑性プラスチックは切削が難しい場合があります。切削工具で発生する熱でプラスチックが溶けて工具に付着するためです。これを踏まえ、切削に適したプラスチックにはABS、ナイロン、アクリル、デルリンなどがあります。

材料の切削性向上

金属の物理的特性は固定的ですが、ワークピースの状態を変えて切削性を高めたり、合金に添加元素を加えて切削性を改善したりできます。

• 添加元素： 与えられた材料の切削性を改善する方法の一つは、切削しやすくする他の元素を組み込むことです。例えば鋼の切削では、鉛と硫黄の添加でワークピースが切削しやすくなります。
• 熱処理： 金属は特性を変えるために加熱と冷却を経ることが多く、熱処理で硬度を下げて切削しやすくできます。例えばニッケル基合金の焼鈍は切削性向上につながります。
• 外部要因： ワークピース材料自体を変えずに切削を容易にすることも可能です。例えば、切削工具材料、切削速度、切削角度、作業条件、その他のパラメータを調整することで、難削材でも切削しやすくできます。

切削性の測定方法

材料の切削性に多くの異なる要因が影響するため、切削性は定量化しにくい曖昧な概念と見なせます。

しかし、エンジニアと材料科学者は、消費電力（材料切削に必要なエネルギー）、切削工具寿命（特定材料切削時の工具摩耗速度）、表面仕上げ（切削後の材料の滑らかさ）といった指標で切削性を測定しようとしてきました。

• 消費電力： 材料を切り抜くのに必要な力で切削性を評価し、標準的なエネルギー指標で測定します。
• 切削工具寿命： 与えられた材料を切削する際の工具持続時間を計測して切削性を評価します。
• 表面仕上げ： 切削時に生成されるビルトアップエッジの程度を観察して切削性を評価します。高切削性材料はビルトアップエッジを生成しません。

残念ながら、これらの方法のどれも完全に信頼できるわけではありません。独立した要因が消費電力、工具摩耗、表面仕上げに影響を与えるためです。

米国鉄鋼協会（AISI）は、旋削試験に基づく切削性評価システムも作成しました。これらの評価はパーセンテージで表され、160ブリネルのB1112鋼（任意に選定）の切削性を100%として相対的に示します。B1112より切削性が高い金属は100%以上、低い金属は100%未満の評価になります。