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【徹底解説】構成刃先とは?構成刃先のメカニズムと対策を紹介

【徹底解説】構成刃先とは?構成刃先のメカニズムと対策を紹介

更新日:
2024/03/18 (公開日: 2024/03/18 ) 著者: 甲斐 智
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塑性加工徹底解説シリーズ除去加工
     

切削加工は、切れ刃のある工具で鋼材などの材料を切削する加工です。
硬く鋭利な金属によってそれよりも軟らかい材料を削ることで、切りくずが排出されます。
切り屑にも色々な種類があり、切削条件や工具、切削する金属の種類によって、そのときの条件に応じた切りくずが、工具のすくい面に沿って排出されます。
ただし、いつも同じ条件で加工が行われることはなく、ちょっとした条件の変更は必ず起こります。
問題はそのような条件変更の際に起こりやすくなります。
切削には大きな切削力が働き、かなり高い温度条件の下で行われることから、切り刃には常に圧力と温度が掛かっています。そのような状態から、少しの条件変更が加わることで起こる問題のひとつに「構成刃先」の発生があります。

このコラムでは、構成刃先の原因やメカニズム、その問題点などを解説し、さらに予防・対策についてご紹介します。

構成刃先について|このコラムでは「徹底解説シリーズ」と題して、いつもより一歩踏み込んだ内容でお送りしています。日頃の業務のお役に立てれば幸いです。
このコラムでは「徹底解説シリーズ」と題して、いつもより一歩踏み込んだ内容でお送りしています。日頃の加工や業務のお役に立てれば幸いです。

構成刃先

「構成刃先」について、構成刃先の生成過程やその影響などを紹介します。

構成刃先とは

切削工具の刃先には、切削加工中に切り屑の一部がくっつく(凝着、融着)ことがあり、そのくっついた切り屑はまるで刃先の一部のようワークを切削します。
このくっついた切り屑を、構成刃先と呼びます。
図1は、そのイメージ図です。

構成刃先について|図1 構成刃先
図1 構成刃先

以下では、構成刃先はどのようにして刃先にくっつくのかを解説します。

構成刃先の生成

切削加工中、ワークの切込み部分はせん断力によって切り屑となり、すくい面に沿って排出されます。
ワークの材料が硬度が小さく粘りやすい材質(たとえばアルミニウム・黄銅・軟鋼など)である場合は、切削応力や切りくずと工具の摩擦で生じた高い圧力と高い切削・摩擦温度によって、加工硬化を起こして刃先に押し付けられます。
特に、ワーク材料がアルミニウムや軟鋼などの延性に富んだ材料で、工具材がハイスの場合は構成刃先が生成されやすいです。ワーク材料と切れ刃の結びつく性質(親和性)が強い場合に、発生し易いのです。
刃先は高温であるため物理的かつ化学的変化によって融着(凝着)し、構成刃先となります。
構成刃先は、硬く脆さもあるため、短時間で刃先の凝着が剥がれます。

図2は、構成刃先の生成から脱落するまでの過程をあらわしています。

構成刃先について|図2 構成刃先の生成
図2 構成刃先の生成
①発生 構成刃先が刃先に凝着します。(図の赤い部分)
②成長 刃先への凝着が成長し、ある程度の大きさになります。
③分裂 刃先の凝着が部分的に剥がれ始めます。
④脱落 剥がれた構成刃先は全体が剥がれ、脱落します。脱落した構成刃先の一部は、切削面に凝固します。

以上の発生から脱落までが繰り返されます。この間の時間周期は、0.1秒から0.02秒です。
構成刃先は繰り返し刃先に凝着し、構成刃先の生成を止めるまで、刃先は鋭さが欠けた刃先で、ワークを加工し続けることになります。

構成刃先ができる前後の切削加工の状態の比較

図3では、構成刃先ができる前後の切削加工の状態を紹介します。

構成刃先について|図3 構成刃先の変化イメージ
図3 構成刃先の変化イメージ

図3の黒点線の図は、はじめにワークを切削していた状態です。
図3の青色実線の図は、構成刃先ができたときの、ワークの切削している状態です。
2つを比較すると、次のことが分かります。

  • ワークの切削は構成刃先が行っています。
  • 構成刃先による切削刃は、元の鋭角ではなく、丸みを帯びています。
  • 切りくずの厚さが、薄くなっています。(せん断角が大きくなっています)
  • すくい角が大きくなっています。(そのためせん断角も大きくなっています)
  • 仕上げ面が粗く、以前より深くなっています。
  • 構成刃先がこのままではなく、短い周期で生成し直されれば、刃先状態が常に変わることで切削状態が常に変わり、仕上げ面の粗い状態がさらに粗くなっていきます。

構成刃先による影響

構成刃先が切削加工するワークや工具、切れ刃に及ぼす影響について解説します。

切削精度への影響

構成刃先は絶えず形状が変化するため、すくい角が変化します。
すくい角が小さく切れ刃の切れ味が十分でないと、切込み深さが十分にならず寸法精度が悪くなります
構成刃先ができるとすくい角は大きくなりますが、変動が激しいことと、切れ刃は構成刃先で切れ味が良くないため、寸法精度に悪影響を及ぼします。

仕上げ面への影響

ワークを構成刃先で切削することで切れ味が悪くなり、ワークを本来の刃先で切削しないことから仕上げ面の状態が悪くなります。さらには、構成刃先の脱落したくず粉が仕上げ面上に落ちて、仕上げ面に傷をつけるなどで、仕上げ面の品質が低下します。
図3では仕上げ面が大きく波打っているように書かれていますが、正常な仕上げ面は光がきれいに反射して光沢のある表面になるはずです。
構成刃先で切削された場合の仕上げ面は、実際に大きな凹凸があるわけではなく、表面の細かな凹凸によって光が錯乱して曇って見える、品質が劣って見える状態です。

工具寿命への影響

構成刃先は、工具の刃先に凝着してから脱落することが短周期で行われるため、切れ刃の摩耗も通常の切削時より激しくなります。
また脱落時に、切れ刃の一部が一緒に剥がされることもあり、いわゆるチッピングが発生すると予想されます。
大きな構成刃先の脱落時には同時に切れ刃の大きな脱落を伴うこともあり、切れ刃の欠損によって使用できなくなることもあります。
以上のように、構成刃先によって、工具の寿命は短くなります。

刃先の保護

構成刃先で工具の刃先が覆われると刃先が構成刃先材量で保護されるため、逆に刃先の寿命が延びることもあります。
粗削りで良いようなワークの場合には、構成刃先で工具の切れ刃を保護できることを利用して工具の寿命延長を計る方法もあります。
ただし、構成刃先ができて生成と脱落が周期的に行われれば、工具への摩耗やチッピングの発生というリスクがあります。

構成刃先の予防と対策

構成刃先の生成を防ぐ方法を紹介します。
また、構成刃先ができてしまった場合の無効化する方法についても解説します。

切削条件の変更による構成刃先対策

切削速度を上げる

構成刃先が発生する場合には切削速度を上げます。切削速度を上げることで、切削抵抗と摩擦の増加により切削部の熱量が増加するため切削部の温度が上がります。
切削部の温度が再結晶温度程度まで上がれば、構成刃先が生成されません。
またワーク材料が再結晶温度程度まで上がれば、刃先に凝着した構成刃先も軟化して脱落し、再度発生しても刃先に凝着することはなく、切りくずとともに排出されます。
再結晶温度は、材料によって異なります。鋼の場合、軟鋼の溶融温度の60%くらいの温度が目安です。
例として、材料に対する再結晶温度は次のようになります。

炭素鋼 約600℃
アルミ 約250℃
SUS材 約700℃

送り量・切り込み量を変える

超硬材を使った工具の場合、切削工具の送り量と切込み量を増加させます。
これらの条件変更で切削温度が上昇するため、➀の切削速度を上げたときと同様、構成刃先が消滅します。
逆にハイスのような耐熱性が低い切削工具の場合は、刃先が軟化することがあるため、切込み量と送りを小さくします。
切り込み量、送り量を小さくすることで構成刃先ができるまでの温度に達せず、圧力が掛からないため構成刃先を生成させません。

すくい角

すくい角は30°以上にします。
すくい角が大きくなると、切削抵抗が小さくなり、せん断角に影響して構成刃先ができにくくなります。また構成刃先分の体積が保てないことから、構成刃先が生成できにくくなります。
超硬材の切削工具の場合は、逆にすくい角は小さい方が切削温度を維持できるため構成刃先の生成抑制になります。

工具の見直しによる構成刃先対策

工具材とワーク材(被削材)の親和性が良いほど構成刃先が生成され易くなります。
親和性は、工具材と被削材の物質としての結合易さや相性が良いことです。
親和性が高いと、切削加工時に発生した高温の切削熱に刃先とワークが反応して、簡単に溶着します。

  • 鋼材と工具の親和性
      サーメット→超硬→ハイス と、親和性が高くなります
      超硬と鋼材の親和性が高い要因は、超硬に含まれるタングステンです
  • 非鉄材(アルミなど)との親和性が低い工具材料は、PCD工具やCBN工具です

切削油剤による構成刃先対策

潤滑性能が高い不水溶性切削油剤を使用することで、構成刃先の予防になります。
不水溶性切削油剤を使用すると切削工具刃先とワーク間の摩擦が少なくなるため、切りくずが排出しやすくなり構成刃先の予防効果が期待できます。
水溶性切削油剤は、高速切削時には刃先を守ったりワークなどへの熱影響を避ける効果がありますが、切削温度が低くなるため構成刃先が生成しやすくなるデメリットがあります。
ここまで構成刃先ができるメカニズムや対策方法などを説明しました。
構成刃先については、大学や企業の研究機関で理論解析と実験が行われ、対策や利用方法などの研究が進んでいますが、本記事ではわかりやすさを重視して基本事項の紹介に留めています。

本記事の内容が、切削加工の品質向上や工具の寿命延長に役立てば幸いです。

〈構成刃先の関連キーワード〉

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この記事の編集者・プロフィール

甲斐 智(KAI Satoshi)
甲斐 智(KAI Satoshi)

1979年 神戸生まれ
多摩美術大学修了後、工作機械周辺機器メーカーの販売促進部門
15年以上に渡り、工作機械業界・FA業界のWebマーケティングに携わる
メーカーでは各種技術専門誌へ寄稿
文部科学省「学校と地域でつくる学びの未来」参加企業

2020年に「はじめの工作機械」を立ち上げ(はじめの工作機械とは

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