切削加工 ステンレス の特徴と加工方法や難削材の工具選定

切削加工 ステンレス の特徴と加工方法

切削加工で直面するステンレスの難削性の要因

 

ステンレス鋼は金属加工の世界では「難削材」と呼ばれ、切削加工における難易度が非常に高い素材として知られています。この難削性には明確な理由があります。

 

まず第一に、ステンレスは熱伝導率が極めて低いという特性を持っています。一般的な鉄鋼材料と比較すると、熱の伝わりにくさが顕著です。これにより、切削加工時に発生する熱が工具の先端部分に集中してしまいます。この熱集中は以下の問題を引き起こします。

• 工具の先端部分が急激に摩耗する
• 工具のチッピングや破損のリスクが高まる
• 工具寿命が大幅に短くなる

次に重要な要因は、ステンレスの高い粘性です。この粘り強さにより、切削時に以下のような現象が生じます。

• 切りくずが長く連続的になりやすい
• 切りくずが工具に絡みつく傾向がある
• 切削抵抗が大きくなる

さらに特筆すべきは、ステンレスの加工硬化性です。加工硬化とは、材料に力を加えると次第に硬くなっていく現象です。ステンレスは切削を続けるほど硬くなっていくため、以下の問題が発生します。

• 切削の進行に伴い材料が硬化し、さらに切削しにくくなる
• 工具への負荷が増大する
• 切削面の品質が低下する可能性がある

これらの特性が重なることで、ステンレスの切削加工は他の金属材料と比較して特殊な対応が必要となります。適切な知識と技術なしでステンレスの切削に挑むと、工具の早期破損や加工品質の低下を招く恐れがあります。

 

切削加工に適したステンレスの種類と被削性指数

 

ステンレス鋼には多様な種類があり、その金属構造や成分によって切削性が大きく異なります。加工目的に合わせて適切なステンレスを選択することは、効率的な切削加工の第一歩です。

 

被削性指数とは
切削のしやすさを客観的に評価する指標として「被削性指数」があります。この数値は大きいほど加工しやすく、小さいほど加工が難しいことを示します。基準となる炭素鋼（S45C）の被削性を100とした場合の相対値で表されます。

 

主なステンレスの種類と被削性
ステンレスは主に以下の3つの系統に分類され、それぞれ切削特性が異なります。

1. オーステナイト系ステンレス
   • 代表例：SUS304、SUS316
   • 被削性指数：30〜45程度
   • 特徴：粘性が高く加工硬化しやすいため、最も切削が難しい系統
   • 用途：耐食性が求められる環境での使用が多い
2. マルテンサイト系ステンレス
   • 代表例：SUS410、SUS420
   • 被削性指数：40〜50程度（未硬化処理の場合）
   • 特徴：硬度が高いが、熱処理によって被削性を改善できる
   • 用途：刃物や工具などの高硬度が必要な部品
3. フェライト系ステンレス
   • 代表例：SUS430
   • 被削性指数：50〜55程度
   • 特徴：加工硬化が少なく比較的切削しやすい
   • 用途：家電製品や内装材など

快削ステンレスの特性
切削加工の効率を高めるために開発された「快削ステンレス」は、通常のステンレスと比較して格段に加工しやすい特性を持ちます。

• SUS303（オーステナイト系快削鋼）：被削性指数約60
• SUS416（マルテンサイト系快削鋼）：被削性指数約65
• SUS430F（フェライト系快削鋼）：被削性指数約80

これらの快削ステンレスには、硫黄(S)やモリブデン(Mo)などの快削成分が添加されており、切りくずの分断性を向上させ、工具寿命を延ばす効果があります。

 

ただし、快削ステンレスには以下のデメリットも存在します。

• 耐食性が一般的なステンレスより低下する
• 硫黄(S)などの成分により強度や靭性が低下する場合がある
• 用途によっては使用できない場合がある（医療機器など）

製品の要求特性と加工効率のバランスを考慮し、最適なステンレス材料を選定することが重要です。

 

ステンレス切削加工に最適な工具選定のポイント

 

ステンレスの切削加工において、工具の選定は成功の鍵を握ります。適切な工具を使用することで、加工効率の向上、工具寿命の延長、加工品質の確保を実現できます。

 

工具材質の選択
ステンレス切削に適した工具材質には以下のようなものがあります。

• 超硬合金工具：耐熱性と耐摩耗性に優れ、ステンレス加工の標準的な選択肢
• コーティング処理された工具：TiNやTiAlNなどのコーティングで耐熱性と潤滑性を向上
• セラミック工具：高速切削や高硬度材料の加工に適しているが、脆さに注意が必要
• CBN工具：高硬度材料の加工に適しているが、コストが高い

特にステンレス加工では、コーティング処理された超硬合金工具が最もバランスが良いとされています。コーティングにより工具表面の摩擦係数が低減され、発熱を抑制する効果があります。

 

加工方法別の工具選定
加工方法によって適切な工具が異なります。

1. 旋盤加工
   • 大きめのバイトを使用して熱容量を確保
   • ポジティブなすくい角を持つチップで切削抵抗を低減
   • 熱処理や耐摩耗コーティングされた工具の使用を推奨
2. フライス加工
   • ねじれ角が強く鋭利な刃を持つエンドミルを使用
   • 多刃タイプを選ぶと1枚あたりの負荷を分散できる
   • アップカット（上向き）よりダウンカット（下向き）切削が推奨される
3. 穴あけ加工
   • デュアルリードタイプのドリルが効果的
   • ステップドリル法（徐々に穴径を拡大する方法）の採用
   • コバルトハイスや超硬製ドリルの使用

工具形状のポイント
ステンレス切削に適した工具形状の特徴。

• すくい角：適度なポジティブすくい角（5°〜15°程度）で切削抵抗を低減
• 逃げ角：適度な値（6°〜10°程度）で摩擦熱の発生を抑制
• 刃先Rの大きさ：適度なR（丸み）をつけることで刃の強度を確保

工具の使用条件
工具を最適に使用するための条件。

切削条件	推奨設定	理由
切削速度	低〜中速	過度な熱発生を防ぐため
送り量	中〜大きめ	加工硬化層に留まらないため
切込み量	中〜大きめ	加工硬化層を一度に除去するため

工具メーカーは、ステンレス加工に特化した専用工具シリーズを提供していることが多いため、加工対象や条件に合わせた専用工具の選定も検討すべきです。工具の初期投資はコストがかかりますが、工具寿命の延長や加工品質の向上によって、長期的には経済的なメリットをもたらします。

 

ステンレス切削加工における熱対策と切削油の重要性

 

ステンレスの切削加工において、熱の管理は最重要課題の一つです。ステンレスの低い熱伝導率により、切削時に発生する熱は分散せず、工具の先端部分に集中します。この熱による悪影響を最小限に抑えるためには、適切な熱対策が不可欠です。

 

熱による悪影響
切削時の過度な熱発生は以下のような問題を引き起こします。

• 工具の早期摩耗や破損
• 加工面の焼け（変色）
• 加工精度の低下
• 寸法精度の悪化（熱膨張による）
• 加工硬化の促進

効果的な熱対策

1. 切削速度の適正化
   • 高速切削は生産性を高めますが、発熱も増加します
   • ステンレス加工では、一般的な鉄鋼材料の60〜70%程度の切削速度が推奨されます
   • 具体的な速度は材質や工具によって異なりますが、SUS304の場合、超硬工具で50〜80m/min程度が目安です
2. 断続的な加工
   • 長時間の連続加工は熱の蓄積を招きます
   • 定期的な中断や複数のパスに分けた加工を検討しましょう
   • ただし、頻繁な中断は加工硬化層の形成を促進するため、バランスが重要です
3. 切削油（クーラント）の活用

切削油は単なる潤滑剤ではなく、ステンレス加工において必須のツールです。適切な切削油の使用により、以下の効果が得られます。

• 冷却効果：工具と材料の温度上昇を抑制
• 潤滑効果：摩擦を低減し、切削抵抗を下げる
• 洗浄効果：切りくずを効率的に排出
• 防錆効果：加工面の錆びを防止

切削油の種類と選定
ステンレス加工に適した切削油は大きく分けて以下の2種類があります。

種類	特徴	適用場面
水溶性切削油	冷却性に優れる経済的火災の危険性が低い	高速切削中〜粗加工発熱の多い加工
不水溶性切削油	潤滑性に優れる防錆効果が高い冷却性はやや劣る	精密加工低速切削タッピング加工

ステンレスの切削加工では、工具や材料の温度が600〜1000℃近くまで上昇するため、発火の危険性を考慮すると水溶性切削油が推奨されます。

 

切削油の効果的な使用方法
切削油の効果を最大化するためのポイント。

• 十分な量の供給：切削点に確実に届くよう適切な量を供給
• 高圧供給：切削点に直接届けるために高圧で供給
• ミスト状の供給：細かい霧状にすることで冷却効果を高める
• 加工条件に合わせた濃度調整：水溶性切削油の場合、推奨濃度を守る

切削油を効果的に使用することで、工具寿命を2〜3倍に延ばし、加工面品質を大幅に向上させることが可能です。環境への配慮から切削油を使用しない「ドライ加工」も注目されていますが、ステンレスの加工においては、現状では切削油の使用が推奨されています。

 

ステンレス鋼の加工方法と種類の詳細情報

切削加工におけるステンレスの表面品質向上テクニック

 

ステンレスの切削加工において、高品質な表面仕上げを実現することは、製品の機能性と美観の両面で重要です。特にステンレスは表面の美しさが求められる場面が多いため、適切な表面品質向上テクニックを習得することが不可欠です。

 

切削条件による表面品質の最適化
表面粗さに影響を与える主な切削条件と最適化方法。

1. 送り速度の調整
   • 一般的に、送り速度を遅くすると表面粗さは改善します
   • しかし、極端に遅い送り速度は工具の摩耗や加工硬化を促進する可能性があります
   • 最適な送り速度はSUS304の場合、仕上げ加工で0.05〜0.15mm/rev程度が目安です
2. 切削速度の最適化
   • 適切な切削速度は表面品質と工具寿命のバランスを取ることが重要
   • 仕上げ加工では、中速〜やや高速（80〜120m/min程度）が推奨されます
   • ただし、切削速度の増加に伴い冷却を強化する必要があります
3. 切込み量の設定
   • 仕上げ加工では浅い切込み（0.1〜0.5mm程度）が一般的
   • 複数回に分けた切削よりも、一度の適切な切込みの方が良好な表面が得られることも多い
   • 安定した切削状態を維持できる最小切込み量を下回らないよう注意が必要です

工具による表面品質の向上
工具選択と調整による表面品質向上のポイント。

• 工具の刃先R（コーナーR）：大きいRほど表面粗さは改善しますが、びびり振動のリスクも高まります
• 工具材質：超硬合金やセラミックなど耐摩耗性の高い材質を選択し、刃先の鋭利さを維持します
• 工具ホルダーの剛性：剛性の高いホルダーを使用することで振動を抑制し、表面品質を向上させます
• 刃先処理：ホーニングやラッピングにより刃先を整えることで、表面粗さを改善できます

バニシング処理による表面改善
ステンレスの表面品質をさらに向上させる方法として、切削加工直後にバニシング処理を行う手法があります。

• バニシングとは工具で材料表面を押し付けて塑性変形させ、表面を平滑化する加工法
• 切削加工後の同一チャックで処理可能なため、位置精度を維持できる
• 表面粗さの大幅な改善（Ra0.8→Ra0.2程度）が可能
• 表面硬度の向上や残留応力の改善にも効果がある

表面欠陥の防止テクニック
ステンレス切削で発生しやすい表面欠陥とその防止法。

表面欠陥	発生原因	防止策
バリ（かえり）	鈍い工具不適切な切削条件	鋭利な工具の使用適切な送り速度の設定出口面の支持
びびりマーク	工具や機械の振動切削剛性不足	剛性の高い工具の使用チャッキング力の強化切削条件の最適化
焼け（変色）	過度な発熱冷却不足	適切な切削速度の選択十分な冷却断続的な加工
引っかき傷	切りくずの絡まり工具経路の問題	効果的な切りくず処理工具経路の最適化適切な切削油の使用

これらの表面品質向上テクニックを適切に組み合わせることで、ステンレスの美しい表面仕上げを実現し、製品の付加価値を高めることができます。特に医療機器や食品機械など高い衛生性が求められる製品では、表面品質の向上が機能性にも直結するため、これらのテクニックの習得が重要です。

 

切削加工におけるステンレスの種類別最適加工条件

 

ステンレスは多様な種類があり、それぞれの特性に合わせた最適な加工条件を設定することが、高品質かつ効率的な切削加工につながります。ここでは主要なステンレス種類別の最適加工条件について詳しく解説します。

 

オーステナイト系ステンレス（SUS304、SUS316など）の加工条件
オーステナイト系は最も一般的ですが、加工硬化しやすく切削が難しい特性があります。

• 切削速度：30〜80m/min（超硬工具使用時）
• 送り量：0.1〜0.25mm/rev（荒加工）、0.05〜0.15mm/rev（仕上げ加工）
• 切込み量：1.0〜3.0mm（荒加工）、0.2〜0.5mm（仕上げ加工）
• 工具選定：ポジティブすくい角（10°〜15°）、適度なコーナーR
• 冷却方法：高圧水溶性切削油を豊富に供給

加工のポイント。

• 加工硬化層を一度の切込みで除去するよう心がける
• 十分な送り量を確保し、同じ場所での摩擦を最小限にする
• 工具の振れやたわみを抑制するため、突き出し量を最小限にする

マルテンサイト系ステンレス（SUS410、SUS420など）の加工条件
マルテンサイト系は硬度が高く脆い特性があります。

• 切削速度：40〜90m/min（焼なまし状態）、20〜50m/min（硬化状態）
• 送り量：0.15〜0.3mm/rev（荒加工）、0.05〜0.15mm/rev（仕上げ加工）
• 切込み量：1.0〜2.5mm（荒加工）、0.2〜0.5mm（仕上げ加工）
• 工具選定：耐摩耗性コーティング工具、正のすくい角（5°〜10°）
• 冷却方法：水溶性切削油の使用

加工のポイント。

• 可能であれば焼なまし状態で加工し、その後熱処理する
• 断続切削を避け、安定した切削状態を維持する
• 硬化状態での加工時は、工具の摩耗に注意する

フェライト系ステンレス（SUS430など）の加工条件
フェライト系は比較的加工しやすい特性があります。

• 切削速度：50〜100m/min
• 送り量：0.15〜0.35mm/rev（荒加工）、0.05〜0.2mm/rev（仕上げ加工）
• 切込み量：1.0〜3.5mm（荒加工）、0.2〜0.5mm（仕上げ加工）
• 工具選定：標準的な超硬工具、適度なすくい角（5°〜12°）
• 冷却方法：通常の水溶性切削油

加工のポイント。

• 比較的容易に加工できるが、切りくずが長くなりやすいため注意
• 適切なチップブレーカーの選択が重要
• 良好な表面粗さを得やすい

快削ステンレスの加工条件
快削ステンレス（SUS303、SUS416、SUS430Fなど）は添加された快削成分により切削性が向上しています。

• 切削速度：通常のステンレスより20〜30%高速可能
• 送り量：0.15〜0.4mm/rev（荒加工）、0.05〜0.25mm/rev（仕上げ加工）
• 切込み量：1.0〜4.0mm（荒加工）、0.2〜0.8mm（仕上げ加工）
• 工具選定：標準的な超硬工具でも対応可能
• 冷却方法：通常の切削油で十分

加工のポイント。

• 切りくずが分断されやすく、排出性に優れる
• 工具寿命が通常のステンレスより2〜3倍延びることがある
• 一般的なステンレスよりも高い切削条件で加工可能

二相ステンレス（SUS329J4Lなど）の加工条件
オーステナイト相とフェライト相の混合構造を持つ二相ステンレスは。

• 切削速度：30〜70m/min
• 送り量：0.1〜0.25mm/rev（荒加工）、0.05〜0.15mm/rev（仕上げ加工）
• 切込み量：0.8〜2.5mm（荒加工）、0.2〜0.5mm（仕上げ加工）
• 工具選定：耐摩耗性の高いコーティング工具
• 冷却方法：高圧切削油の供給を推奨

加工のポイント。

• オーステナイト系とフェライト系の中間的な切削性
• 高強度のため工具への負荷が大きい
• 切削条件の微調整が重要

ステンレスの種類によって最適な加工条件は大きく異なります。これらの条件は一般的な目安であり、実際の加工では使用する機械や工具、加工形状などに応じて調整が必要です。最初は安全側の条件から始め、状況を見ながら徐々に最適化していくアプローチが推奨されます。

 

ステンレスの切削性と最適加工条件の詳細