機械加工の切削の種類と工具材質の選び方と精度向上のポイント

機械加工における切削の基礎知識と応用技術

機械加工の切削における主要な種類と原理

 

機械加工における切削とは、工具を用いて材料を削り、目的の形状に仕上げる技術のことです 。この加工の基本原理は「せん断変形」と呼ばれ、刃物が材料に食い込むことで発生する力によって、材料の一部が切りくずとして分離される現象に基づいています 。切削加工は、大きく分けて3つの主要な種類に分類されます 。

• 旋盤加工（旋削加工）: 工作物を回転させ、そこに固定したバイトと呼ばれる工具を当てることで削る方法です 。主に丸い形状の部品（丸物）の製作に用いられ、外径削り、内径削り、ねじ切りなど、多様な加工が可能です 。
• フライス加工: 旋盤加工とは逆に、工作物を固定し、回転するフライスという工具を動かして削る方法です 。平面削り、溝加工、曲面加工など、複雑な形状の加工に適しており、主に四角いブロック形状の材料から部品を削り出す際に用いられます 。
• 穴あけ加工: ドリルなどの工具を回転させて、材料に穴を開ける最も基本的な加工です 。マシニングセンタなどの複合加工機では、穴あけ後にリーマを通して精度を上げたり、ねじ立て（タッピング）を行ったりすることも一般的です 。

これらの加工方法は、それぞれ使用する工作機械や工具が異なり、作りたい製品の形状や求められる精度によって使い分けられます 。例えば、旋盤ではバイト、フライス盤ではエンドミルといった専用の工具が使用されます 。

旋盤加工やフライス加工のより詳細な種類や特徴については、以下のサイトで図解付きで分かりやすく解説されています。
切削加工とは | 切削加工 | なるほど！機械加工入門 | キーエンス

機械加工の切削で重要な工具材質の選び方と比較

切削加工の品質と効率を左右する極めて重要な要素が、工具の材質選定です 。工具には、加工対象である被削材よりもはるかに高い硬度が求められると同時に、切削時の衝撃に耐える「靭性（粘り強さ）」も必要となります 。この「硬さ」と「粘り強さ」は一般的に相反する性質を持つため、両者のバランスを考慮することが、工具選びの基本となります 。
切削工具に使用される主な材質には、以下のような種類があります。

• 高速度工具鋼（ハイス）: 靭性が高く、欠けにくいのが特徴です。比較的安価で汎用性が高いですが、硬度や耐熱性は後述の材質に劣ります 。
• 超硬合金: 現在の切削加工で最も広く使われている材質です 。炭化タングステンなどを主成分とし、高い硬度と耐摩耗性を持ちます。コーティングを施すことで、さらに性能を高めたものが主流です 。
• サーメット: セラミックと金属の複合材料で、超硬合金よりも高温での硬度低下が少なく、仕上げ加工で美しい面を得意とします 。
• セラミックス: 非常に高い硬度と耐熱性を持ち、鋳鉄などの高速加工に適しています。ただし、靭性が低く、衝撃に弱いという欠点があります 。
• CBN（立方晶窒化ホウ素）: ダイヤモンドに次ぐ硬さを持ち、特に焼入れ鋼などの高硬度材料の加工に威力を発揮します 。非常に高価なため、主に仕上げ加工で使われます。
• PCD（焼結ダイヤモンド）: 現在、地球上で最も硬い物質であり、非鉄金属（アルミニウム合金など）や非金属（CFRPなど）の加工において、抜群の工具寿命と面精度を実現します 。

工具材質の選定は、以下の2つのステップで進めるのが一般的です 。

1. 被削材の種類と硬さを確認する: まず、加工する材料が何か（鉄鋼、ステンレス、アルミなど）を確認します。焼入れ処理がされているかなど、硬さも重要な判断基準です。
2. 加工内容（荒加工か仕上げか）を判断する: 大きく削り取る荒加工では靭性が重視され、寸法精度を出す仕上げ加工では硬度や耐摩耗性が重視されます。

例えば、一般的な鋼の荒加工であればコーティング超硬合金、焼入れ鋼の仕上げ加工であればCBNというように、状況に応じた最適な材質を選ぶことが、生産性向上とコスト削減の鍵となります 。

機械加工の切削精度を向上させる条件最適化の秘訣

切削加工で高い精度を実現するためには、工具選定だけでなく「切削条件」の最適化が不可欠です 。切削条件とは、主に「切削速度」「送り速度」「切り込み量」の3つの要素を指し、これらのバランスが加工結果に大きく影響します 。不適切な条件設定は、寸法誤差や面粗度の悪化だけでなく、工具の摩耗を早め、最悪の場合は工具の破損や機械の故障につながる可能性もあります 。
切削精度を向上させるためのポイントは以下の通りです。

• 切削速度の調整: 工具の周速のことで、速すぎると工具摩耗が激しくなり、遅すぎると加工能率が低下します。工具メーカーが推奨する条件を基準に、被削材や加工内容に合わせて調整します。一般的に、高い切削速度は仕上げ面を向上させる効果があります 。
• 送り速度の管理: 工具が1回転する間に進む距離を示します。送り速度を遅くすると、切削抵抗が減り、加工面が滑らかになりますが、加工時間が長くなります。
• 切り込み量の最適化: 工具が材料に食い込む深さのことです。一度に深く切り込みすぎると、切削抵抗が増大し、工具の振動や欠損、加工面の悪化を引き起こします 。荒加工では大きく、仕上げ加工では小さく設定するのが基本です。
• 機械と工具の剛性を確保する: 機械自体の剛性が低い場合や、工具の突き出し量が長い場合は、加工中に「びびり」と呼ばれる振動が発生しやすくなります 。この振動は、加工精度を著しく低下させる原因となるため、工具の突き出し量は可能な限り短くし、機械の能力に合った切削条件を選ぶことが重要です 。

これらの切削条件は互いに影響し合うため、どれか一つだけを変更するのではなく、全体のバランスを考慮して調整することが求められます。近年では、シミュレーション技術やAIを活用して、最適な切削条件を自動で算出するシステムも開発されており、熟練者の経験と勘に頼らない高精度な加工が可能になりつつあります 。

切削条件の最適化は、品質向上だけでなく、工具寿命の延長や加工時間の短縮によるコスト削減にも直結する重要なテーマです。以下の参考リンクでは、タグチメソッドなどの統計的手法を用いた最適化アプローチについても触れられています。
【完全版】旋削加工の切削条件最適化：今日から使える10の秘訣で

機械加工の切削油剤（クーラント）の役割と環境対応の最新動向

切削加工の現場で当たり前のように使われている切削油剤（クーラント）ですが、その役割は非常に多岐にわたります。単に滑りを良くするだけでなく、品質、生産性、そして作業環境の維持に不可欠な存在です 。切削油剤の主な役割は以下の4つに大別されます。

• 潤滑作用: 工具と切りくず、工具と加工面の間に油膜を形成し、摩擦を低減します。これにより、切削抵抗が減少し、加工面のむしれや荒れを防ぎ、良好な仕上げ面（面粗度）が得られます 。
• 冷却作用: 切削加工では、摩擦や塑性変形によって数百度にも達する高温が発生します 。この熱を速やかに奪い去り、工具の軟化や摩耗、加工物の熱変形を防ぎます。
• 洗浄作用: 発生した切りくずや微細な摩耗粉を加工点から洗い流します。これにより、切りくずが加工面に傷をつけたり、工具に巻き付いたりするトラブルを防ぎます 。
• 防錆作用: 加工中のワーク（加工物）や工作機械自体が錆びるのを防ぎます 。特に水溶性の切削油剤にとっては重要な性能です。

切削油剤には、鉱物油などをベースとした「油性（不水溶性）」と、水で薄めて使う「水溶性」の2種類があります。油性は潤滑性に優れ、水溶性は冷却性に優れるという特徴があります 。

独自視点：環境対応と未来の切削油剤

近年、SDGs（持続可能な開発目標）への関心の高まりから、製造業においても環境負荷の低減が大きな課題となっています 。従来の鉱物油ベースの切削油剤は、廃棄時の環境汚染や、ミストによる作業者の健康リスクなどが問題視されてきました 。
こうした背景から、環境に配慮した新しい切削技術や油剤が次々と開発されています。意外なところでは、優れた潤滑特性を持つ「グラフェン」を添加した切削液が、工具寿命の延長や仕上げ面質の向上に貢献するという研究も進んでいます 。

• 植物由来・合成エステルベースの切削油: 菜種油などを原料とし、優れた生分解性を持つため、環境への影響を大幅に低減できます。潤滑性能も高く、加工品質の向上にも寄与します 。
• MQL（Minimum Quantity Lubrication）:「最小限の油剤で加工する」という考え方で、ごく微量の油剤を圧縮空気と共にミスト状にして加工点に供給する技術です。廃油をほとんど出さないため、環境負荷を劇的に削減できます。
• 高圧クーラント: クーラントを高圧で噴射することで、加工点へ確実に油剤を届け、冷却効果と切りくずの排出性を飛躍的に高める技術です。加工の高速化・高能率化に貢献します 。

これらの新しい技術は、単に環境に優しいだけでなく、加工性能の向上やトータルコストの削減にも繋がるため、今後の切削加工におけるスタンダードになっていく可能性があります。

機械加工の切削現場を変えるDX・AI化のメリットと未来

日本の製造業が直面する、少子高齢化による人手不足や、熟練技能者の技術継承といった課題を解決する鍵として、DX（デジタルトランスフォーメーション）とAIの活用が大きな注目を集めています 。これは金属加工、特に切削加工の現場も例外ではありません 。
切削加工現場におけるDX・AI活用の具体的なメリットは以下の通りです。

• リアルタイムでの「見える化」と異常検知: 工作機械に振動センサーや温度センサー、電力モニターなどを設置し、稼働状況をリアルタイムで収集・分析します 。これにより、機械の異常や工具の摩耗を早期に検知し、突発的な故障による生産ラインの停止を防ぎます。これは「予知保全」と呼ばれ、生産効率を最大化する上で非常に有効です 。
• AIによる最適な加工条件の自動生成: 膨大な過去の加工データ（被削材、工具、切削条件、加工結果など）をAIに学習させることで、新しい部品を加工する際に、人間が介在せずとも最適な切削条件を自動で導き出すことが可能になります 。これにより、新人作業者でもベテラン並みの高品質な加工を即座に実現できるようになります。
• 品質管理の高度化: 従来は完成品に対して行われていた品質検査を、加工中のデータ（切削抵抗の変化など）を監視することで、不良が発生する予兆を掴み、その場で修正することが可能になります 。これにより、不良品の発生そのものを未然に防ぎ、品質の安定化と歩留まりの向上を実現します。
• 技能継承のデジタル化: 熟練技能者が持つ「勘」や「コツ」といった暗黙知を、センサーデータと紐づけてデジタル化・形式知化します。これにより、言葉では伝えきれなかった高度な技術を、若手技術者へ効率的に継承していく道が開かれます 。

もちろん、中小企業や町工場にとって、最先端のDX設備を導入するにはコスト面でのハードルが存在します 。しかし、最近では比較的手頃な価格のIoTセンサーや、クラウドベースのAI分析サービスも登場しており、スモールスタートでDXを始めることが可能な環境が整いつつあります。
ベテランの経験とデジタル技術の融合こそが、これからの日本のものづくりを支える重要な鍵となります 。AIが人間の仕事を奪うのではなく、人間がより創造的な仕事に集中できるようサポートする、そんな未来の切削加工現場がすぐそこまで来ています。

製造業におけるDXやAI活用の具体的な事例については、以下の参考リンクで詳しく紹介されています。
5分でわかる！製造業DX ~ AI活用最前線 - MathWorks

 

 

機械加工が一番わかる (しくみ図解)