機械加工性の理解:測定と重要な要素

まず、最初に答えるべき質問、つまり「被削性とは何ですか?」から始めましょう。簡単に言うと、被削性とは、望ましい部品品質を達成するために材料を切断 (機械加工) できる容易さのことです。ここでの部品の品質とは、寸法精度、公差、表面仕上げなどの特性を指します。

一般に、機械加工性の高い材料は、機械加工にかかる時間と電力が少なくて済み、工具の摩耗が少なく、表面品質が優れています。当然のことながら、生産の観点からは、機械加工性の高い材料が常に好ましいです。ただし、これは、高い強度、性能、熱安定性を求める設計者の視点と必ずしも一致するとは限りません。機械加工が容易な材料の場合は、必ずしもそうとは限りません。

これにより、さまざまなエンジニアリング要件の間に興味深いトレードオフが生じます。これについては、この記事で詳しく説明します。

機械加工性に影響を与える要因

材料の機械加工性について議論する際には、数多くの要因が関係します。これらは、素材の核となる特性、製造後の処理、および切断条件から生じます。

1.材料特性

機械加工性に影響を与える最も重要な特性は材料特性です。各材料には独自の一連の特性があるため、エンジニアは情報に基づいた意思決定を行うために、各特性が機械加工性に与える影響を理解する必要があります。

1.1 硬度

硬度は、表面を「切る」ことがどれだけ難しいかを定義するため、材料の機械加工性を決定する重要な要素です。機械加工ツールは主にワーク表面と相互作用するため、硬度は機械加工性の重要な特性です。

一般に、インコネルなどのより硬い材料は、工具がより大きな力を加える必要があるため、切断するためにより多くの力を必要とします。さらに、硬い材料を加工する場合、工具の摩耗が早くなります。つまり、硬度が高いということは、被削性が低いことを意味します。

1.2 靭性

靱性は、被削性を決定するもう 1 つの重要なパラメータです。高炭素鋼のような靭性の高い材料は、切削力の吸収と変形に対する耐性に優れているため、より高い切削力とより耐久性のある工具が必要になります。

さらに、強靭な材料は延性が高いため、長くて糸状の切りくずが生成されます。これはスムーズな切削動作と効果的な熱伝達を維持するのに適していますが、長い切りくずが頻繁に工具に絡みつき、切削遅れやワークピースの表面摩耗の原因となります。

1.3 熱伝導率

機械加工プロセスでは、材料のせん断により熱が発生します。したがって、効果的な切断プロセスのためには、切断界面での熱管理が非常に重要です。熱伝達に関しては、これは材料の熱伝導率に大きく依存します。

難削材は一般に熱伝導率が低いため、切断面で発生した熱エネルギーがすぐに放散されません。これにより、ワークピースや工具の熱軟化、工具寿命の低下、寸法精度の低下など、いくつかの悪影響が生じます。このような材料の典型的な例はチタンです。チタンにはこれらすべての問題があります。

また、熱伝導率が低いと、発生した熱が効果的に伝達されないため、高い切削速度や送りの使用が妨げられます。

2.切削条件

機械加工性は、材料が切断されたときにどのように動作するかによって決まります。したがって、材料の特性とは別に、切削条件も材料の被削性に影響します。

2.1 切断パラメータ

機械加工における主な切削パラメータは、切削速度、送り、および切込み深さです。これら 3 つすべてを最適化すると、材料除去率が高くなるため、生産の観点から有益です。ただし、これが常に可能であるとは限りません。

一般に、切削速度が高くなると、過剰な発熱と摩擦により工具の摩耗が発生し、材料の加工性が低下します。ただし、ほとんどの場合、表面仕上げは改善されます。同時に、切削送りが増加すると、切りくず負荷と切削抵抗が増加します。これにより、ツールが損傷し、過度の振動が発生する可能性があります。

切込み深さは、切削抵抗、電力消費、発熱にも正の相関があります。これらは工具やワークへの衝撃です。さらに、切込み深さが深くなると、機械的応力や熱応力が発生し、表面の完全性に悪影響を及ぼします。

さらに、切込み深さも切削プロセスの動的安定性に大きく寄与します。一定の制限を超えて増加すると、びびり振動が発生する可能性があり、工具や機械に有害です。

2.2 切削工具

CNC カッターには、機械加工性に大きな影響を与える複雑な幾何学的特徴があります。最もわかりやすい例はすくい角（刃先の角度）です。ネガティブすくい角は切削負荷を軽減し、切りくず生成を改善します。これは高い被削性の証拠です。ただし、ツールが弱くなることもあります。

同様に、もう 1 つの要素は逃げ角であり、工具の摩耗や熱放散などの機械加工性指標に影響を与えます。

2.3 冷却と潤滑

機械工は、材料の被削性を高めるために、工具とワークピースの界面に冷却剤や潤滑剤を塗布することがよくあります。これらにより、材料の熱除去と摩擦特性が強化され、よりスムーズな切削動作、より良い表面仕上げ、より長い工具寿命がもたらされます。

2.4 工作機械の状態

CNC 機械の状態も、機械加工性を決定するもう 1 つの要素です。古い機械は一般に軸ドライブに遊びがあり、動的な切削負荷がかかると振動が大きくなります。これにより機械加工が困難になり、機械は難削材を処理できなくなります。

機械加工性評価とは何ですか?

エンジニアのツールボックスには多種多様な機械加工可能な材料が含まれているため、機械加工性の観点からそれらを比較するのは難しい場合があります。材料の被削性を評価する一般的な方法の 1 つは、被削性の評価によるものです。

被削性評価の標準機能は、比較に便利な参照材料を備えていることです。たとえば、標準材料の 1 つは、機械加工性評価が 100% の C36000 真鍮です。材料の切断が困難になると、それぞれの評価が低下します。たとえば、AISI 1018 の評価は 70% であり、平均的な機械加工性を示しています。

被削性チャートが重要な理由

一般に、機械加工性の評価は、すべての CNC 機械工場にある機械加工性チャートに文書化されています。ナビゲートしやすい機械加工性チャートを使用すると、エンジニアリング材料の全範囲にわたって機械加工性を迅速かつ簡単に比較できます。

この評価システムの主な目的は、エンジニアリング上の決定をサポートすることです。設計エンジニアにとって、選択している特定の材料の製造上の複雑さを理解するのに役立ちます。これは実際の状況で役立ちます。

たとえば、難削材を選択する場合は、特別な注記を使用して設計図面にその旨を示したり、機械工が設計意図を完全に理解できるように表面仕上げ要件を具体的に含めたりすることができます。機械工にとっては、工具、切削パラメータ、潤滑/冷却条件の選択に役立ちます。

機械加工性を向上させるさまざまな方法

機械工場は、材料をより機械加工しやすくするためにいくつかの戦略を採用しています。これにより、加工の生産性が向上し、コストが削減され、製品の全体的な品質が向上するなど、いくつかの利点が得られます。

熱処理

材料特性の被削性への依存性については、前のセクションで詳しく説明しました。したがって、機械加工性の向上について話すとき、材料特性を変更することがアクションのリストの最優先のアイデアになります。

熱処理は材料の被削性を高める効果的な方法です。たとえば、スチールやアルミニウムなどの一般的な CNC 材料は、硬度を下げ、結晶粒構造を微細化し、内部応力を緩和するために焼きなまされることがよくあります。

材料添加剤

材料添加剤の使用は、機械加工性を改善するもう 1 つの方法です。中心的なテーマは、基材の格子構造に材料添加剤を組み込んで、その機械的特性を機械加工しやすいものにすることです。

たとえば、真鍮のような銅合金を形成するために亜鉛を添加すると、純銅の被削性が大幅に向上し、力や摩擦が低減され、切りくず形成が改善されます。実際、多くの機械加工性評価基準では、その高い機械加工性により、亜鉛含有銅合金 C36000 が基準材料として使用されています。

冷却剤/潤滑剤

切削条件、特に冷却剤/潤滑剤の使用を最適化すると、被削性が大幅に向上します。このような薬剤を使用すると、工具とワークピースの界面でのトライボロジー特性が向上し、ワークピースの材料の切削が容易になります。

潤滑剤は摩擦とそれに伴う発熱を軽減し、工具の摩耗や熱による応力などの要因を軽減します。さらに、機械工はより積極的な切削パラメータを使用できるようになり、材料除去率が向上します。

クーラントは、切断界面での熱放散特性を高めます。より多くの熱が切削ゾーンから効率的に伝達されるため、熱応力、寸法の不正確さ、工具の破損が減少します。

切削パラメータの最適化

最後に、情報に基づいて切削パラメータを選択することも、材料の機械加工性にプラスの影響を与えることができます。ほとんどの場合、方程式は単純です。速度、送り、切込み深さを高くすると、被削性が低下します。また、その逆も同様です。

ただし、直感に反するケースもいくつかあり、メーカーは金属切削の基本原理をよく理解する必要があります。たとえば、ビルトアップエッジの場合です。機械工が工具インサート上で材料の付着率が高く、工具寿命に悪影響を及ぼしていることに気付いた場合は、切削速度を上げるか、送りを少し増やすと、刃先の蓄積と工具の摩耗を減らすという点で有益である可能性があります。

被削性はどのように測定されますか?

材料の被削性を計算する標準的な方法はありませんが、一般的に受け入れられているシステムがいくつかあります。これらのほとんどは 2 つの主要な要素に依存しています。1 つは材料の被削性を推定するための一連の基準、もう 1 つは比較の便宜のために他の材料をランク付けするための参照材料です。

切削工具の寿命

切削工具の寿命は、生産性、品質、財務に直接影響するため、被削性の最も実用的な尺度の 1 つです。原理は、交換または再研磨が必要になるまでに、切削工具がどのくらいの期間材料に使用できるかという観点から材料の被削性を評価することです。もちろん、これはツールの形状定数などの他のすべての要素を考慮しています。

当然のことながら、被削性の高い材料は工具の摩耗や熱による損傷が少ないため、工具の寿命が長くなります。一方、スチールのような難削材は、工具をすぐに摩耗させます。

これを数学的に測定する方法の 1 つは、テイラーの工具寿命方程式を使用することです。

ここで、Vc と T はそれぞれ切削速度と工具寿命に相当します。他のパラメータは切削条件と工具材料に関連しており、これらは被削性解析のために固定されたままになります。基準材料と同様の工具寿命を維持しながら、より高い切削速度を可能にする材料は、より機械加工しやすいと考えられます。

表面仕上げ

表面仕上げは、機械加工性を測定するためのもう 1 つの一般的なパラメータです。機械加工性の変化はほとんどの場合、表面品質の変化に直接反映されるため、これは実行可能なパラメータです。たとえば、硬い材料は機械加工性が低く、欠けや摩擦により表面仕上げが粗くなります。

また、表面仕上げ自体の測定も非常に便利です。ほとんどの場合、機械工にとってそれは目に見えて観察できます。さらに、エンジニアは使いやすい表面テスターを利用して、機械加工された表面の表面仕上げを迅速にマッピングすることもできます。

消費電力

機械加工では切削抵抗により電力が消費されます。切断しにくい材質の場合、切断にはより大きな力が必要です。したがって、より多くの電力を消費します。簡単に切断できる材料の場合は、逆のケースになります。

機械加工性と消費電力の間には非常に単純な関係があるため、材料の機械加工性を表す一般的な尺度です。

機械加工性の評価

被削性評価は、材料の被削性を測定するもう 1 つの方法です。他の方法ほど科学的ではありませんが、機械工場環境で広く利用されている非常に実用的な方法です。

一般的な CNC 材料とその機械加工性

CNC 加工材料のプール全体は大きすぎて参加できません。したがって、このセクションでは、材料の被削性の一般的な概要を示すために、CNC 材料の代表的なサンプルとその相対的な被削性評価を共有します。

材料カテゴリ材質被削性 (%)金属快削黄銅 (C36000)100アルミニウム (6061-T6)90-95オーステナイト系ステンレス鋼 (AISI 304)30-40チタン (グレード 5、Ti-6Al-4V)20-25プラスチックポリエチレン (HDPE)90ポリカーボネート80ポリ塩化ビニル(PVC)70複合材料炭素繊維強化ポリマー40-50ガラス繊維強化ポリマー30-40セラミックアルミナ(酸化アルミニウム)30ジルコニア(二酸化ジルコニウム)15有機材料針葉樹(松など)90広葉樹(オークなど)70