機械加工プロセスでは、切りくずの形成と排出は、機械、工具、ワークピースに損傷を与えることなく切削プロセスをスムーズに進めると同時に、オペレーターの安全も確保するため、非常に重要です。切りくずの形成は、機械加工技術の分野で他のどのトピックよりも科学的な注目を集めていますが、これらの科学的発見を実用的で使用可能なモデルに変換することは困難であることが判明しています。ここでは、実用的な観点からチップ形成を検討します。

機械加工における理想的な切りくず生成とは何ですか? 2

図 1: チップ形成の簡略化されたモデル

機械加工プロセス中、除去された材料はせん断面内で塑性変形とせん断を受け、被加工材料の特性に応じて長いまたは短い切りくずの形で排出されます。機械加工プロセスのせん断領域では、かなりの量のエネルギーが消費されます。非圧縮性材料を加工する場合、せん断面内で材料が変形してもその体積は変化しません。変形が単純なせん断であると仮定し、材料層のスタックをせん断面に平行に配置すると、切りくずの形成はこれらの材料層のせん断プロセスと見なすことができます。

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1 材料特性と切りくず形成

2 切りくずの形態と形状の分類

2.1 理想的な切りくず形成、ショートヘリカルタイプ

2.2 非常に短い切りくずを避ける

2.3 長いリボン状の切りくずを避ける

材料特性と切りくず形成

多くの要因が切りくずの形成、特にワーク材料の特性に影響を与えます。金属の切断プロセスでは、被削材の塑性変形とそれに続くせん断加工が行われます。弾性および塑性材料の挙動は、このプロセスにおいて決定的な役割を果たします。ワークピースの材質が異なれば、せん断強度と延性の組み合わせも異なります。被削材の延性とは、破断する前に変形できる程度を指します (図 2 を参照)。被削材の延性が高いほど、切りくずは長くなります。経験則として、材料の延性が約 25% を超えると、切りくずは長いものから非常に長いものまで変化します。

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図 2: 切りくず形成に対するワーク材料の塑性および弾性特性の影響。

ワーク材質によっては長い切りくずが発生する場合があります。長く延性のある切りくずを生成するものもあれば、短い切りくずを生成するものもあります。この方法は、さまざまな種類のワーク材料を分類するために ISO システムでも使用されます。各 ISO グループ (P、M、K、N、S、H) は予測可能な切りくずを生成するため、工具と切削条件の選択は材料の挙動に一致する必要があります。 ISO グループ P (鋼) は、延性が比較的高く、長い切りくずを形成する傾向がある材料で構成されています。チップの許容可能な形状と長さを維持するには、適切な予防措置を講じる必要があります。

ISO グループ K (鋳造材料) および H (焼き入れ鋼) には、短い切りくずを生成する延性の低い材料が含まれています。これにより、切りくず制御が簡素化されます。 ISO グループ M (ステンレス鋼)、S (超合金)、および N (非鉄材料) には、延性が比較的低いが粘性が顕著な材料が含まれています。これらの材料は、いわゆる「ビルトアップエッジ」チップを形成します。

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図 3: 切りくずの形態と形状の分類。

切りくずの形態と形状の分類

チップは非常に長いものから非常に短いものまで分類でき、理想的なチップは極端なものを避けます。切りくずが短すぎると加工が断続的になり、早期の工具刃欠けや工具寿命の短縮につながる可能性があります。工具寿命の観点からは、切りくずは長い方が好ましい。長く滑らかな形状の切りくずにより、加工プロセス中の微振動が少なくなり、表面品質が向上します。ただし、切削プロセス自体の観点からすると、長い切りくずは理想的ではありません。それらは機械、ワークピース、工具を損傷し、オペレーターにとって危険な状態を引き起こす可能性があります。また、チップコンベアで排出の問題を引き起こす可能性があり、生産のダウンタイムが増加します。