SO P材加工における複合的な課題

被削材のISO P分類には、一般に鋼材と呼ばれる金属が含まれる。鋼は、航空宇宙用途に使用される耐熱航空宇宙合金のような材料のレベルでは、明らかな加工上の問題はないが、合金鋼と鉄は、すべての産業で最も広く適用されている被削材です。そのため、さまざまな物性を持つ合金鋼が開発され、切削性能にもさまざまな問題が生じている。ISO P鋼の加工は、大量生産に伴う経済的な問題に加え、部品メーカーや加工用工具メーカーにとって大きな課題となっています。

ISOシステム

ISOの金属加工ワーク材分類体系では、6つのカテゴリーに分類されています。Kグループは鋳鉄を対象としています。ニッケル系やチタン系を含む耐熱超合金はSグループに属します。Hグループの材料は硬度によって特徴付けられ、基本的に45～65HRCに硬化された鋼鉄が含まれます。ステンレス鋼（クロムの含有量が12％以上の合金）はMグループに属します。Nグループは非鉄金属で、主にアルミニウム、銅、真鍮が含まれます。最後にP分類は、400HBまで硬化した合金とクロム含有量12％以下のステンレス合金を含む、非合金、低合金、高合金鋼を含んでいます。また、一部のロングチッピングマリーブルアイアンもISO Pグループに含まれます。

この分類は、主に各材料の主要な物理的特性に基づいています。これらの特性は、基本的に材料が加工されたときにどのように反応するかを決定し、その結果、加工が切削にどのような影響を及ぼすかを決定します。Kグループの金属は研磨性が特徴で、工具の摩耗を早めます。Sグループの耐熱超合金は一般に熱伝導率が低く、切削部に熱が集中し、切削工具を変形させることがあります。Hグループの金属は硬度が高いため、工具に大きな圧力がかかり、発熱も大きい。Mグループは、切削加工で被削材が変形することで硬くなる歪み硬化で区別されます。切削圧力の増大と発熱により、ノッチ摩耗などの問題が発生する。Nの金属は、切削工具に付着しやすく、刃こぼれ、仕上げ面の悪化、切削工具の破損などの原因となります。

上記の5つのISOグループには、それぞれ多かれ少なかれ特徴的な物性があるため、切削工具は、その物性が切削工具に及ぼす悪影響をある程度打ち消すように設計することができる。例えば、Hグループの材料を切る工具は強度に優れ、Nグループの金属を切る工具は切れ味が良く、切り屑の流れが良くなるように設計され、付着物の発生を最小限に抑えることができます。

一方、ISO Pグループのワークには、より複雑な課題があります。一般的な鋼材と大きく異なる合金鋼は、極端ではないものの、切削工具に影響を与える特性を複数、あるいはすべて示す可能性があるのです。例えば、低合金鋼の粘着性に対抗するために設計された鋭い刃先の工具は、別の鋼組成の研磨特性に耐えられない場合が多いのです。さらに、特殊な合金鋼の開発は、顧客の部品に要求される特定の性能に適合する材料を求めて、絶え間なく続けられています。

金属切削について

合金鋼の加工において、工具の性能のバランスを取ることは、細いロープの上で踊るようなものです。そのバランスを取るには、金属切削の本質と、被削材と切削工具の相互作用を理解する必要があります。

切削加工は、包丁で切るような「割る」作業ではありません。被削材に圧力をかけ、変形させ、切りくずとして削り取るのです。この剪断作用には、さまざまな副次的効果が伴います。材料を十分に変形させるために必要な機械的な力は、大きな圧力と800～900℃の温度につながる熱を発生させます。また、切削の中断や硬い介在物のある部品の加工では、切削工具に衝撃が加わる。機械的な問題だけでなく、高い熱と圧力は切削材と被削材の化学反応を引き起こし、拡散やクレータリングという形で化学摩耗を発生させる可能性があります。最後に、金属切削には高いレベルの摩擦が伴います。トライボロジーとは、ある温度と圧力で互いに接触している表面を調べ、その表面がどの程度変化するかを判断する科学である。これらの力や相互作用は、さまざまな結果をもたらします。おそらく最も重要なものは、工具が摩耗することでしょう。

異なる鋼、異なるツール

鋼製ワークの加工による影響は、合金鋼の組成や製造工程によって異なります。例えば、炭素含有量が0.25％以下の非合金鋼は、自動車の車軸など、強度や耐衝撃性、耐破壊性が求められる用途で開発されたものです。このような圧延・鍛造合金は、切りくずが壊れにくく、切削工具の表面をこすってクレータ摩耗や接着の問題まで発生させます。これらの組成に対して、切削工具は、被削材をより効率的にせん断するために鋭い刃を持つように設計され、また化学摩耗に耐え、切削面に潤滑性を与えるためにコーティングが採用されています。

一方、マンガンなどの元素を含む合金含有率が5％を超える高合金鋼は、油圧部品や工作機械部品など、耐摩耗性や剛性が要求される部品に使用するために焼入れを行うことが可能で、このような高合金鋼を使用した切削工具もあります。一般に生成される切り屑は成形しやすく、割れにくいが、これらの合金を加工する工具は高圧・高温にさらされる。また、鋳造や鍛造で作られた素形材は、表面が粗く、金型からの介在物の可能性もあるため、靭性と耐摩耗性を兼ね備えた切削工具が必要となります。

経済的配慮

機械加工の伝統的な目標は、より多くの部品をより速く生産することであり、そのために最もアグレッシブな切削パラメータを適用することが必要です。しかし、この単純な目標には別の問題があります。切削条件の選択には、経済性が大きく影響することがあります。エキゾチックな合金から作られる航空宇宙部品のような部品は、比較的少量で生産されることがほとんどです。メーカーは、プロセスの信頼性を最大限に高め、高価なワークピース材料とすでに投資された高価な製造時間を維持することを目的として、部品を加工するペースを上げています。その結果、高度な被削材で採用される速度と送りは、通常、生産性は高いが保守的です。

鉄鋼部品の加工は、しばしば異なるアプローチをとります。多くの鉄鋼部品は、安価なワーク材から加工された比較的単純な部品の経済的利益を最大化するために、大量かつ可能な限り迅速に製造されています。生産性向上への典型的な道である切削速度の高速化には、高い切削温度で強度を維持できる切削工具基材が必要です。合金鋼の種類も増え、メーカーや加工工場では、用途に応じた工具の材種や形状を切削工具メーカーに相談する必要が出てきた。工具の開発は、合金鋼のさまざまな問題に対応できる工具を開発することを目的としている。メーカーは、熱、圧力、化学、摩耗のメカニズムを克服するために設計されたコーティングと形状で、より鋭く、より強い工具を求めています。

環境意識

鋼材の加工パラメータの選択には、比較的新しい考慮事項が影響します。現在、多くのメーカーが、環境に配慮した「グリーン」な加工を追求しています。これには、エネルギー消費量の削減や、加工プロセスで発生する廃棄物の最小化などが含まれます。エキゾチックメタルを加工する際には、技術的な加工上の課題が依然として主要な関心事ですが、鋼材を加工する際には、環境への配慮が重要性を増しています。

エネルギー消費量を削減する方法のひとつに、切削速度の低減があります。多くの場合、メーカーは送り速度と切り込み深さを比例的に増加させることで生産性を維持することができます。省エネに加え、このような戦略は工具の寿命を延ばすことにもつながります。その結果、同じ数のパーツを製造するために消費される切れ刃や「使い捨て」インサートの数が減り、加工作業で発生する廃棄物の流れが減少します。また、低い切削速度で加工すると発熱が少なくなるため、金属加工工程で発生する好ましくない廃棄物である金属加工用冷却液の使用量を減らすことができます。

結論

ISO P鋼は、日常的な部品に広く使用されているため、この合金を含む加工作業には、通常、強い関心や分析が行われることはありません。しかし、鋼材には様々な加工上の課題があり、慎重に工具を選択することで克服できることをメーカーが理解すれば、大量の部品を加工する場合、加工生産性を少し改善するだけで、収益性や環境保全に大きく貢献することができるようになります。

HOME