金属切削チップの種類・形成・加工への影響を徹底解説

金属を様々な形状・サイズに切削する過程で、チップとして材料が失われます。異なる切削プロセスにより異なるタイプのチップが生成されます。本記事では、様々な材料を加工する際に見られるチップの種類について解説します。

金属切削プロセスにおけるチップとは

金属を所望の形状・サイズにするため、様々な工作機械と技術を用いて金属表面から余分な金属を除去します。この除去され変形した金属をチップと呼びます。

チップの詳細に入る前に、金属切削で使用される基本用語を見てみましょう。

すくい面

使用される切削工具の面です。

すくい角

• すくい面と加工面の法線との間の角度
• 大きなすくい角は切削性を向上させ、切削力も低減する
• しかし、工具すくい面での金属バックアップが減少し、工具先端強度と工具を通じた放熱が低下するため、一定限度内でしか増やせない
• 15度程度が目安。必要に応じてゼロや負の値も取り得る

逃げ角（クリアランス角）

• 工具下面（逃げ面）と加工面との間の角度
• 工具が金属表面を擦ったり損傷させたりしないよう与えられる
• 切削力を増加させるため、5〜6度程度で使用される
• 逃げ角とも呼ばれる

チップ形成

• 工具が金属表面に接触すると、工具すくい面と接触する金属面が弾性圧縮され、次に塑性圧縮される。これによりせん断が発生し、最終的に降伏または破壊が開始される
• 最終的に変形した金属（チップ）が工具面上を流れて除去される
• チップは除去され、切削条件に応じて摩擦によりさらに変形する

金属切削におけるチップの種類

金属切削プロセスには3つの基本的なチップタイプがあります：

1. 連続チップ
2. 不連続チップ
3. ビルトアップエッジ（BUE）を伴う連続チップ

1. 連続チップ

切削作業中に形成されるチップが間隔なく連続している場合、これを連続チップと呼びます。延性材料を切削する際に形成されます（例：鋼）。

連続チップ形成の理由：

• 切削速度が高いこと： 連続チップ形成には高い切削速度が必要。速度が十分高ければ、チップが破断する前に新しい材料が切削される
• すくい角が大きいこと： 大きなすくい角は金属チップのスムーズな流れを助け、連続チップを生成
• 材料が延性であること： 材料の延性は連続チップ生成の最重要因子の一つ。延性が高いほど連続的なチップが生成される
• 摩擦係数が可能な限り低いこと： 摩擦係数が高いと大量の熱が発生し、材料が脆化して連続チップ形成に不向きになる
• 切り込み深さ： 連続チップ生成には切り込み深さが浅い必要がある。深すぎるとチップ破断傾向となる

連続チップの効果：

• 良好な表面仕上げ： 浅い切り込みと高切削速度により、連続チップでは優れた表面仕上げが得られる
• 低消費電力： 低摩擦係数と潤滑剤使用により、連続チップでは切削消費電力が低い
• 工具寿命向上： 材料が延性で摩擦が少なく潤滑剤を使用するため、切削工具寿命が延びる

2. 不連続チップ

金属切削プロセスでチップの破断・破壊が生じる場合、不連続チップと呼びます。鋳鉄などの脆性材料を切削する際に形成されます。

不連続チップ形成の理由：

• 低切削速度： 低速では切削工具が前進する前にチップが破断し、不連続チップが生成される
• 小さいすくい角： 小さいすくい角はチップを押し出す方向に働き、湾曲させず不連続チップを生成
• 脆性材料の使用： 延性材料と異なり、脆性材料は破断傾向があるため不連続チップが形成される
• 高摩擦力： 高摩擦力は発熱を招き、材料を脆化させ不連続チップ形成の原因となる
• 大きな切り込み深さ： 切り込み深さが増すと除去材料厚も増加。厚み増加により破断しやすくなり不連続チップが形成される

不連続チップの効果：

• 大量材料除去： 不連続チップ形成では大量の材料が除去され、工作物と要求寸法の差が大きい場合に有利
• 低速での工具寿命向上： 小さいすくい角が低速での工具寿命向上に寄与
• チップ処理が容易： 不連続チップは小さく容器に詰めやすいため、処分・リサイクルが容易

3. ビルトアップエッジ（BUE）を伴う連続チップ

工具と工作物間の摩擦が非常に高いときに形成される連続チップの一種です。高摩擦と高温により、ごく少量の材料がチップ上に溶着します。

BUE形成の理由：

• 高温： BUE形成の主因は過剰温度。非常に高温（金属融点以上）により一部の金属が溶着し、チップ上にビルトアップを形成。他の理由も高温に関連
• 極めて高い摩擦： 工具と工作物の相対的な温度上昇の主因は高摩擦であり、これがBUE形成の主要因となる
• クーラント不足： 温度上昇の要因としてクーラント（通常オイルと水の混合）の不十分な使用
• 材料タイプ： 連続チップ形成には延性材料が必要。したがって延性材料でBUEが形成される
• 小さいすくい角： 小さいすくい角は連続チップ形成に必要なため、BUE形成の一因となる

BUEを伴う連続チップの効果：

• 工具寿命延長： 形成されたチップが工具を高温から保護するため工具寿命が延びる
• 粗い表面仕上げ： 作業面上のビルトアップにより粗い表面が形成される
• 消費電力増大： 小さいすくい角と大きな切り込み深さにより消費電力が増加

まとめ

金属切削プロセスでは3種類のチップが形成されます。連続チップ形成は優れた表面仕上げをもたらし、工作物に好影響を与えます。不連続チップ形成は工作物に好影響と悪影響の両方を持ちます。BUEを伴う連続チップ形成は主に工作物に悪影響を与えます。