切りくず形成の基礎：金属切削におけるチップの種類と発生メカニズム

切りくず形成（チップ形成）とは

切りくず形成は、ノコ・旋盤・フライスカッターなどの工具を用いて機械的に材料を切削するプロセスの一部です。この形成の理論と工学を理解することは、それら機械と切削工具の開発において重要な位置を占めます。

切りくず形成の形式的研究は第二次世界大戦前後、より高速・高出力切削機械の使用増加、特に新しいハイス切削工具による金属切削の進展に伴い推奨されました。

切りくず形成は通常、フランツによって開発された3分類モデルで記述されます。このモデルは工作機械設計分野で最もよく知られていますが、木工などチップ形成をより詳細に記述する語彙が必要な応用分野でも使用されます。

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チップの種類

1. 連続チップ（連続切りくず）

延性材料を高速・最小摩擦で切削する際に形成されます。工具による連続的な塑性変形でこのタイプのチップが生成されます。

軟鋼・銅は延性材料です。チップ厚さは全長に等しくなります。一般に良好な仕上げ面が得られます。主な欠点は取り扱い・廃棄が困難なこと。連続チップ形成条件：

• 軟鋼など延性材料を使用
• 工具の大すくい角
• 高切削速度
• チップ・工具界面の最小摩擦
• 小切込み深さ

メリット

• 延性材料に良好な仕上げ面
• 工具面・チップ間の最小摩擦ゆえ発熱少ない
• 低消費電力
• 摩耗少なく工具寿命長い

2. 不連続チップ（離散切りくず）

切削中にチップが連続せず、破断を伴って形成される場合を不連続チップと呼びます。

黄銅、青銅、鋳鉄など脆性・硬質金属をワークとして切削時に形成されます。延性材料でも工具・ワーク間摩擦が高い場合に発生。延性材料での不連続チップは仕上げ面悪化・切削速度低下の兆候で好ましくありません。

不連続チップ形成条件：

• 低送り速度
• 工具の小すくい角
• 高切削速度
• チップ・工具界面の高摩擦力
• 過大切込み深さ

メリット

脆性材料での不連続チップ形成は、良好な仕上げ面、工具寿命延長、消費電力低減をもたらします。

デメリット

延性材料で不連続チップが形成されると、ワーク仕上げ面が悪化し、工具の過度な摩耗・損傷を招きます。

3. ビルトアップエッジ付き連続チップ

延性材料切削において、切削温度・圧力とチップ・工具面摩擦が高い場合に形成されます。連続チップに類似しますが、ビルトアップエッジにより粗面になります。材料が工具刃に付着・溶着する原因となります。

発生メカニズム

チップが上方流動し、チップ・工具界面摩擦が高いときに発生。工具先端で発生する熱が極めて高温になり、チップ・工具間の高摩擦により圧縮金属が工具先端に溶着するため「ビルトアップエッジ（BUE）」と呼ばれます。チップがこのBUEを通過すると破断・剥離し「ビルトアップエッジチップ」となります。残ったBUEはワーク表面に付着し厚みを増します。

切削時にBUE付き連続チップが発生する原因

• 延性材料を使用
• 工具の小すくい角
• 切削速度が遅い
• クーラント不足でチップ・工具面摩擦増大
• チップ厚が大きい
• ワーク・工具間の高温
• 工具の高送り速度

メリット

BUE形成の唯一の利点：切削時の高摩擦・高温から工具を保護し、工具寿命を延ばすこと。

デメリット

これらチップ形成は、粗い仕上げ面、すくい角変化、切削力変動をもたらします。