チップ形成の基礎：図解、種類、影響要因を徹底解説

チップ形成とは、切削加工において工具がワーク材料を機械的に除去し、切りくず（チップ）を生成するプロセスです。このチップはその特性によって、連続チップ、不連続チップ、ビルトアップエッジを伴う連続チップなどに分類されます。

チップとは何か

チップは、フライス盤、旋盤、鋸などの切削工具で材料を機械的に切断する際に発生する副産物です。第二次世界大戦と、特に金属切削用の高速度鋼工具のようなより高速・高出力の切削工具の登場により、チップ形成に関する研究が活発化しました。Franz（1958年）とKivima（1952年）はこの分野で画期的な研究を行いました。

チップはどのように形成されるか

旋盤、鋸、フライスカッターなどの切削工具がワークと接触すると、工具の切れ刃が材料を変形させ、せん断・分離させることでチップが形成されます。

チップの種類

切削加工において生成されるチップの種類は、ワーク材料、切削速度、送り速度、工具形状などの要因によって決まります。主なチップの種類は以下の通りです。

連続チップ

連続チップは、一定の厚さを持つリボン状のコイルを形成します。低炭素鋼、銅、真鍮、アルミニウム合金などの延性材料を、高い切削速度と工具切れ刃への圧縮・せん断圧力で切削する際に発生します。鋭い切れ刃と低い工具・チップ摩擦もチップ形成を助けます。

切れ刃の手前には主変形域があり、工具・チップ接触面の摩擦により二次変形域でワーク材料が変形します。この領域の厚さは摩擦に関連します。軟らかい金属を低速・低すくい角で切削すると表面歪みが生じ、軟質金属の加工結果が悪化します。

連続チップは滑らかな切削と優れた表面品質をもたらし、工具寿命を延ばし消費電力を削減します。チップが絡まるのを防ぐため、切削工具にはチップブレーカーが装備されることが多く、これは旋削加工で頻繁に見られます。

不連続チップ

鋳鉄、青銅、高炭素鋼などの脆性材料を中程度の速度で加工すると不連続チップが生成されます。これらのチップは互いに緩く連結されています。材料が延性を失いひずみ時に破断するため、チップの流れが周期的に断裂します。

チップ形成中、切削力は頻繁に変化します。このチップは、高い工具・チップ摩擦、大きな送り、大きな切り込み深さによって生成されます。延性材料を切削する際、不連続チップは工具寿命と表面仕上げを低下させます。

不連続チップ形成では、切削工具と保持装置の剛性が振動、寸法精度不良、表面仕上げ不良、工具損傷を引き起こす可能性があります。短いため、連続チップより取り扱いが容易で、廃棄も簡単です。

ビルトアップエッジを伴う連続チップ

切削中、工具・チップ界面の高摩擦によりチップ材料が工具すくい面の先端に融着し、ビルトアップエッジが形成されます。チップが常に工具に接触している場合、これが顕著になります。これは工具の切れ刃の延長と見なせます。一時的で不安定なビルトアップエッジが形成されます。

加工によってその破片が除去されます。加工後、チップと加工面が部分的に付着することがあり、表面仕上げが悪化します。しかし、切れ刃をコーティングすることで工具摩耗を減らし、工具寿命を延ばす効果もあります。

セグメントチップ／セレーションチップ

セレーションチップは不均質チップとも呼ばれます。大きな高せん断ひずみ域と小さな低せん断ひずみ域が交互に現れるため、ノコギリの歯のような外観を呈します。この周期的なチップ形成により準連続的となります。チタン合金、ニッケル基超耐熱合金、オーステナイト系ステンレス鋼などの難削材を高速で加工する際に発生します。

チップの分類（Franzの分類）

1900年代半ば、アメリカのエンジニア、Norman Franz博士が製造現場でのチップを研究し、3つの主要な分類を提唱しました。Franzによれば、ほとんどのチップは以下の3タイプのいずれかに分類されます。

タイプIチップ

工具の楔作用による上向きの力が材料の垂直引張強度を超えることで、切れ刃の手前で材料が破断して形成されます。繊維が強く容易に分離する木材などの繊維質材料の切削で重要です。

タイプIチップは、浅い切削角を持つ工具で切削する際に形成されやすく、チップの大きさは切削長さのみで制限されます。これは、細い口を持つよく調整されたカンナで得られる木材の削り屑として最適なチップ構造です。

タイプIIチップ

工具の楔角によって材料がせん断破壊するときに形成されます。材料は工具切れ刃の先端から、対角線上に前方かつ上方へ向かって表面に達する短い傾斜面で破壊します。このラインに沿った変形により上向きにカールしたチップが生成されます。通常、中程度の角度で切削する際に発生し、金属などの延性材料でもタイプIIチップが生成されます。連続的な切りくず（スワーフ）を生むこともあります。

タイプIIIチップ

90°の切削角で材料が圧縮破壊する前に形成されます。弱い材料や非延性材料では微細な粉塵状チップとなりますが、多くの場合、廃材が工具の手前に盛り上がる「スノープラウ」効果をランダムに生じます。

このタイプのチップはルーターで形成されます。木工用スクレーパーは、適切に研磨・使用すればタイプIIチップに似た薄いタイプIIIチップを生成します。薄い廃棄チップは圧縮破壊の体積を減らし、タイプIIの明確なせん断面に一致させます。

チップ形成に影響を与える要因

チップ形成には以下のような複数の要因が影響します：

• 材料特性： 延性材料は連続チップを、脆性材料は不連続チップを形成しやすい。
• 切削速度と送り速度： 高速・高送りは連続チップ形成を促進し、低速・低送りは不連続チップを生みやすい。
• 工具形状： 切削工具の刃先角度と鋭さはチップ形成に大きく影響する。
• 潤滑と冷却： 切削油やクーラントの使用により摩擦と温度を低減し、チップ形成に影響を与える。
• ワーク温度と硬度： これらも形成されるチップの種類に影響する。
• 工具材質とコーティング： 切削工具の材質とコーティングもチップ形成に影響を与える。