旋盤加工と切削加工の基本的な違いから、それぞれの特徴、適した材料、使用する工具まで徹底解説。金属加工業界での選択肢として、どちらの加工方法が自社の製品に適しているのでしょうか？
鉄の切削加工と材料特性の違いによる加工方法
鉄の材料特性に焦点を当て、切削加工方法や工具選びのポイントを解説。炭素含有量による切削性の違いや適切な加工条件とは？あなたの工場でも応用できる知識を身につけませんか？
金属加工ガイド
鉄の切削加工と材料特性の違いによる加工方法
鉄の材料特性と炭素含有量による切削性の違い
鉄は私たちの生活に欠かせない金属素材ですが、純粋な鉄はそのままでは加工に適していません。実際の製造現場では、炭素を含んだ鋼鉄（炭素鋼）が使用されることがほとんどです。この炭素含有量が、切削加工性に大きく影響します。
炭素鋼は、含まれる炭素量によって以下のように分類され、それぞれ切削性が異なります。
- 低炭素鋼：炭素含有量0.1～0.25%
切削しやすく、変形させやすい特性があります。建築材料などに使用されることが多いです。
- 中炭素鋼：炭素含有量0.25～0.6%
強度と切削性のバランスが良いため、機械部品など幅広い用途で使用されます。
- 高炭素鋼：炭素含有量0.6～1.2%
非常に硬く、切削性は低炭素鋼や中炭素鋼に比べて劣ります。工具や刃物などに適しています。
また、代表的な炭素鋼の種類には次のようなものがあります。
| 種類 | 特徴 | 用途 |
|---|---|---|
| SS材 | 一般構造用圧延鋼材、流通量が最も多い | 建築物、構造物 |
| S-C材 | 機械構造用炭素鋼鋼材 | 機械部品、工具類 |
| SPC材 | 炭素量が少なく柔らかく伸びやすい | 家電製品の板材 |
| SK材 | 強度と耐摩耗性に優れている | 工具、ピン、シャフト |
切削加工を行う際は、材料の特性を十分に理解することが重要です。例えば、炭素含有量が多い高炭素鋼は硬度が高いため、工具の摩耗が激しくなります。そのため、工具材質の選定や切削条件の設定に特に注意が必要です。
また、クロムやニッケルなどの合金元素を添加した合金鋼は、一般的な鉄よりも強度が高く、切削加工が難しくなる傾向があります。これらの材料を加工する場合は、適切な工具選びと加工条件の設定が不可欠です。
旋盤加工やフライス加工など鉄の主な切削加工方法
鉄の切削加工方法は多岐にわたりますが、主な方法としては以下の3つが挙げられます。それぞれの特徴と適した用途を理解することで、効率的な加工が可能になります。
1. 旋盤加工
旋盤加工は、回転する材料に工具を当てて不要な部分を削り取る加工方法です。主に円筒形状の部品製作に適しています。
- 外径加工：外側の円筒面を削る加工
- 内径加工：内側の円筒面を削る加工
- ねじ切り加工：ねじ山を形成する加工
- 突切り加工：材料を切り離す加工
旋盤加工の大きな特徴は、材料を回転させながら加工することで、対称性の高い円形部品を高精度に仕上げられる点です。使用する工具の種類や切削条件によって、様々な形状を創り出すことができます。
2. フライス加工
フライス加工は、回転する工具に材料を当てて削る加工方法です。主に平面や溝、複雑な形状の加工に適しています。
- 正面フライス削り：平面を削る加工
- 輪郭エンドミル削り：複雑な輪郭を削る加工
- 溝削り：溝や凹部を作る加工
- すり割り：キー溝などを削る加工
フライス加工の利点は、複雑な形状や平面、異形状を効率よく加工できる点にあります。コンピュータ制御のマシニングセンタを使用することで、高精度かつ複雑な形状を作り出すことも可能です。
3. 穴あけ加工
穴あけ加工は、材料に穴を開ける加工方法です。ドリルなどの回転工具を使用して行います。
- 穴あけ加工：単純に穴を開ける加工
- 座ぐり加工：ボルトの頭部を沈めるための段付き穴を開ける加工
- リーマ加工：穴の精度を高める仕上げ加工
- タップ加工：内側にねじ山を作る加工
穴あけ加工は、他の加工方法と組み合わせて使用されることが多く、製品の機能性を高めるために欠かせない加工方法です。
これらの加工方法は、加工する材料の特性や求められる精度、生産数量などに応じて選択する必要があります。例えば、高炭素鋼のような硬い材料を旋盤加工する場合は、工具の選定や切削条件の設定に特に注意が必要です。
鉄の強度と硬度の違いが切削工具選びに与える影響
鉄の加工において、「強度」と「硬度」は切削工具選びに大きな影響を与える重要な特性です。この二つは混同されがちですが、明確に異なる概念です。
強度と硬度の違い
- 強度：材料が外部から力を加えられたときに、どれくらいの力で壊れるかを示す尺度です。つまり「壊れにくさ」を表します。
- 硬度：材料の表面が傷つきにくさや変形しにくさを表します。「表面の硬さ」と考えるとわかりやすいでしょう。
イメージとしては、強度が「全体的な丈夫さ」であるのに対し、硬度は「表面の硬さ」と捉えることができます。例えば、ガラスは硬度が高く引っかき傷がつきにくいですが、強度は低いため衝撃で簡単に割れてしまいます。
切削工具選びへの影響
材料の強度と硬度は、適切な切削工具を選ぶ際の重要な判断基準となります。
- 強度が高い材料。
- 工具への負荷が大きくなるため、剛性の高い工具が必要です
- 切削抵抗が大きくなるため、工具の摩耗が激しくなります
- 加工時間が長くなる傾向があります
- 硬度が高い材料。
- 工具の破損リスクが高まります
- 超硬合金やセラミックなど、より硬質な工具材料が必要になります
- 切削速度を下げる必要がある場合があります
例えば、高炭素鋼のような硬度の高い材料を加工する場合は、超硬合金などの硬質な工具材料を選択し、適切な切削条件（速度、送り量、切り込み量）を設定する必要があります。
また、熱処理された材料は硬度が増すため、切削性が低下します。このような場合は、工具の選定だけでなく、切削液の使用や切削条件の最適化が重要になります。
切削条件の最適化
材料の特性に合わせた切削条件を設定することも、効率的な加工のためには欠かせません。
- 切削速度：材料が硬いほど、切削速度は低く設定する必要があります
- 送り量：材料の強度に応じて適切な送り量を設定します
- 切り込み量：材料の硬度が高いほど、浅い切り込みが推奨されます
これらの条件は、材料特性だけでなく、使用する工具や機械の能力、求められる表面粗さなども考慮して総合的に判断する必要があります。
ステンレスやアルミニウムとの切削加工性の比較
鉄（炭素鋼）は最も一般的な金属材料ですが、ステンレス鋼やアルミニウムなど他の金属材料との切削加工性の違いを理解することは、効率的な加工のために非常に重要です。それぞれの材料特性と切削加工時の違いを比較してみましょう。
アルミニウムの切削加工
アルミニウムは鉄に比べて以下のような特徴があります。
- 比重が小さい（アルミニウム：2.7 g/cm³、鉄：7.8 g/cm³）
- 加工性に優れている
- 熱伝導率が高い（熱を逃がしやすい）
アルミニウムは加工性に優れており、切削速度を高く設定できるため、生産性が向上します。しかし、注意すべき点として「構成刃先」の問題があります。アルミニウムは熱伝導率が高いものの、加工品の形状によっては表面が溶着して工具の刃先に付着することがあります。
この問題を解決するためには。
- エアブローを使用して切り粉を頻繁に取り除く
- 切削油を多量に使用し、切り粉を浮かせて除去する
などの対策が効果的です。
ステンレス鋼の切削加工
ステンレス鋼は以下のような特徴を持っています。
ステンレス鋼は「難削材」に分類される材料です。その理由は主に以下の2点です。
- 熱伝導性が低いため、加工時に発生する熱が工具に蓄積し、工具寿命が短くなります
- 加工硬化を起こしやすい（特にSUS304やSUS316などのオーステナイト系ステンレス）
加工硬化とは、一度塑性変形させた後に同じ方向に力を加えると、材料が硬くなって塑性変形しにくくなる現象です。つまり、加工を進めるにつれて材料が硬くなり、加工が困難になっていきます。
ステンレス鋼を加工する際のポイント。
- 適切な冷却方法を選択する
- 切削速度を下げ、送り量を上げる
- 工具の逃げ面の摩耗に注意する
- 硬質の工具材料を使用する
カーボン（CFRP）の切削加工
近年注目されているカーボン素材（特にCFRP：炭素繊維強化プラスチック）も、切削加工において特有の課題があります。
- 比重が小さい（1.5〜1.8 g/cm³）
- 強度が極めて高い（引張強さ SS400：400MPa、炭素繊維：3,530MPa）
- 耐食性が高い（腐食しない）
CFRPも難削材に分類され、炭素粒子が工具を削って寿命を急激に低下させるという問題があります。また、切削中に発生する粉塵は工作機械のベアリングを摩耗させるだけでなく、人体に入ると肺を傷つける恐れもあるため、適切な粉塵対策が必須です。
これらの材料と比較すると、一般的な炭素鋼は比較的加工しやすい材料と言えますが、それでも炭素含有量や熱処理状態によって切削性が大きく変わるため、材料特性に応じた適切な加工方法の選択が重要です。
鉄の切削加工における熱処理と加工硬化の関係
鉄の切削加工において、「熱処理」と「加工硬化」は材料特性と加工品質に大きな影響を与える重要な要素です。これらの関係を理解することで、より効率的かつ高品質な加工が可能になります。
熱処理が切削加工に与える影響
熱処理は鉄鋼材料の組織を変化させ、硬度や強度、粘り強さなどの機械的特性を調整する重要なプロセスです。主な熱処理には以下のようなものがあります。
切削加工と熱処理の順序は非常に重要です。一般的には、切削加工 → 熱処理 → 仕上げ加工という順序で行われることが多いです。その理由は、焼き入れなどの熱処理を行うと材料が硬化し、切削加工が困難になるためです。
ただし、熱処理後の寸法変化（歪み）を考慮する必要があります。熱処理によって材料の寸法が変化すると、精度の高い部品製作が難しくなります。そのため、熱処理後の歪みを見越した設計や、熱処理後の仕上げ加工（研削など）が必要になることがあります。
加工硬化のメカニズムとその対策
加工硬化とは、塑性変形によって材料が硬くなる現象です。切削加工中にも材料表面に塑性変形が生じ、加工硬化が起こります。特にステンレス鋼などのオーステナイト系材料は加工硬化が起こりやすいです。
加工硬化が切削加工に与える影響。
- 切削抵抗の増加：材料が硬くなることで切削抵抗が増加し、工具への負荷が大きくなります
- 工具寿命の低下：切削抵抗の増加により工具の摩耗が早まります
- 表面粗さの悪化：切削条件が不適切だと表面品質が低下します
加工硬化を抑制するための対策。
- 適切な切削条件の設定：切削速度や送り量を適切に設定し、過度の発熱や変形を防ぐ
- 鋭利な工具の使用：切れ味の良い工具を使用し、材料への塑性変形を最小限に抑える
- 十分な冷却：切削液の使用により発熱を抑え、加工硬化を軽減する
- 中間熱処理：加工工程の途中で焼きなましを行い、加工硬化を解消する
熱処理と加工硬化のバランス
実際の製造現場では、熱処理と加工硬化のバランスを考慮した加工プロセスの設計が重要です。例えば、鉄鋼材料を加工する際には。
- 初期段階では焼きなまし状態の材料を使用し、荒加工を行う
- 中間段階で必要に応じて熱処理を行い、内部応力を除去する
- 最終段階で精密加工を行い、必要な寸法精度を確保する
- 製品の用途に応じて最終熱処理を行う
このように、材料特性と加工方法、熱処理のタイミングを適切に組み合わせることで、効率的かつ高品質な製品製造が可能になります。特に高精度な部品や重要な機械部品を製造する場合は、熱処理と加工硬化の関係を十分に理解し、適切なプロセス設計を行うことが不可欠です。