CNC加工の世界では、万能なアプローチなど存在しません。アルミニウムに鏡面仕上げを施すパラメータをチタンに適用すると、切削工具は数秒で破壊されてしまいます。材料の基本的な特性、すなわち硬度、熱伝導率、延性、加工硬化性は、加工戦略のあらゆる側面を決定づけます。
機械に搭載される特定の材料に合わせて加工方法を調整する方法を理解することは、熟練した機械工の証です。優れた品質の実現、効率の最大化、そして工具寿命の延長の鍵となります。このガイドでは、最も一般的な材料群を加工するための重要な考慮事項と主要な戦略を概説します。
1. 炭素鋼と合金鋼（主力製品）
鋼鉄は機械工場で最も一般的な材料ですが、炭素含有量や熱処理条件によってその挙動は大きく異なります。
材料の挙動：鋼は強度と靭性によって特徴付けられます。低炭素鋼（「軟鋼」）は比較的柔らかく、長く糸状の切削片を生成します。高炭素鋼および合金鋼（1045鋼や4140鋼など）は硬く、研磨性が高く、より多くの熱とより硬い切削片を生成します。
主要な加工戦略:
- 剛性は最優先事項です：鋼材加工には高い切削力が必要です。振動を抑え、精度を維持するには、剛性の高い機械、堅牢なワーク保持装置、そして短い工具突出しが不可欠です。
- 熱と切りくずの管理：高品質のフラッドクーラントを使用することで、熱を放散し、切りくずを切削領域から効果的に排出します。高強度合金鋼の場合、旋削インサートのチップブレーカー形状は、高強度で高温の切りくずを管理する上で非常に重要です。
- 工具：コーティングされた超硬合金は業界標準です。アルミニウムチタンナイトライド（AlTiN）のようなコーティングは、優れた耐熱性と耐摩耗性を備えています。
- 速度と送り：切削速度は適度に保ちつつ、送り速度は一定かつ確実に維持してください。送り速度が遅すぎると工具が擦れて摩擦が生じ、過剰な熱が発生し、工具の摩耗が早まります。
2. アルミニウム合金（高速スペシャリスト）
アルミニウムは軽量で加工性に優れていることで高く評価されていますが、その柔らかさゆえに特有の課題があります。
材料の挙動：アルミニウムは柔らかく、熱伝導率が高く、粘り気のある性質で知られています。これが、主な課題である構成刃先（BUE）につながります。構成刃先とは、材料が工具の刃先に溶着し、表面仕上げと工具寿命を損なうものです。
主要な加工戦略:
- スピードが命：アルミニウム加工の第一のルールは、非常に高い切削速度（SFMまたはm/分）を使用することです。これにより、工具は熱が蓄積してBUE（材料損傷）が発生する前に、材料をきれいに切断することができます。高い熱伝導率により、熱の大部分はチップに効率的に排出されます。
- 強力な切りくず排出：アルミニウムは大量の切りくずを生成します。高圧・大容量のクーラントまたは強力なエアブラストは、切りくずを瞬時に除去し、工具のフルートに詰まって工具の破損につながるのを防ぐ上で不可欠です。
- アルミニウム専用工具：切りくず排出スペースを最大限に確保するため、刃数が少ないエンドミル（通常2枚または3枚）を使用してください。刃は高度に研磨され、刃先は鋭利である必要があります。
- 適切なコーティング（またはコーティングの欠如）：コーティングなしの研磨済み超硬ソリッド工具が最適な選択肢となる場合が多いです。コーティングを使用する場合は、ジルコニウム窒化物（ZrN）やダイヤモンドライクカーボン（DLC）など、非常に滑らかで非鉄金属に特化したものを使用してください。アルミニウムと化学的親和性を持つ標準的なTiAlNコーティングは避けてください。
3. ステンレス鋼（タフ＆グミチャレンジ）
ステンレス鋼は耐食性に優れていることで知られていますが、特性の組み合わせに問題があるため、機械加工が最も難しい材料の 1 つです。
材料特性：ステンレス鋼は靭性が高く、加工硬化傾向が強く、熱伝導率が非常に低いという特徴があります。そのため、熱は切りくずから逃げることなく、工具の刃先に直接集中します。
主要な加工戦略:
- 加工硬化への対策：工具がワークピースに接触したり、こすれたりしないように注意してください。一定かつ高い送り速度は絶対に必要です。表面が加工硬化すると、切削がほぼ不可能になる可能性があります。
- 強力な冷却: 切削領域に直接高圧フラッドクーラントを噴射して、工具先端の極端な熱の蓄積を防ぎます。
- 切削速度の低下: 炭素鋼と比較すると、高熱を管理し、工具の焼損を防ぐために、切削速度を大幅に低下させる必要があります。
- 鋭利なポジティブ レーキ工具: 非常に鋭利なポジティブ刃先を持つ強靭な超硬合金グレードを使用して、材料を突き抜けるのではなく、きれいに切断します。
- 硬い切りくずへの対処：切りくずは非常に硬く、糸を引く性質があります。強力なチップブレーカーを備えたインサートを使用し、切りくずを破砕して切削液が切削部に到達できるように、ペックドリルサイクルを検討してください。
4. チタン合金（耐熱性の専門家）
チタンは驚異的な強度対重量比を備えていますが、主にその熱特性により、機械加工が非常に難しい素材です。
材料挙動：チタンは熱伝導率が非常に低く、ステンレス鋼よりもさらに悪いです。高温でも強度を維持するため、切削中に発生する熱はほぼ完全に工具に吸収されます。また、加工硬化しやすく、工具材料と化学反応を起こす可能性があります。
主要な加工戦略:
- 熱は絶対的な敵です。戦略のあらゆる側面において、熱の発生を最小限に抑えることに重点を置く必要があります。
- 低速切削：これは最も重要なルールです。高速切削は工具の瞬時の破損につながります。
- 切削片負荷の維持：切削速度が低い間は、一定かつ比較的高い送り速度を維持します。これにより、厚い切削片が形成され、熱を逃がしやすくなります。
- 切れ味は最優先事項です。できるだけ鋭い刃先と正すくい角を持つ超硬工具を使用してください。刃先に摩耗の兆候が見られたら、すぐに交換してください。
- 高圧冷却剤は必須です: 工具を冷却するためだけでなく、チタンチップは特定の条件下では可燃性であるため、その発火を防ぐためにも、大量の高圧冷却剤を流す必要があります。
5. エンジニアリングプラスチック（低温スペシャリスト）
プラスチックは多様なグループですが、低い融点と柔軟性に関連する共通の加工上の課題があります。
材料の挙動：プラスチックは熱伝導率と融点が低いため、切削によって発生した熱が放散されず、材料が溶けて工具が固まり、仕上がりが悪くなることがあります。また、プラスチックは柔軟性があり振動しやすい性質があり、ガラス繊維や炭素繊維を充填すると摩耗性が高くなります。
主要な加工戦略:
- 溶解を避ける: 非常に鋭い切削工具 (多くの場合、「O フルート」エンド ミルなど、アルミニウムの切削工具と同様の形状のもの) を使用して、摩擦を最小限に抑えながら材料をきれいに切断します。
- 切りくずを直ちに除去：切りくずは溶融して表面に再付着するのを防ぐため、直ちに除去する必要があります。熱衝撃や部品の汚染を防ぐため、液体クーラントよりも強力なエアブラストが好まれることが多いです。
- 慎重なワーク保持: 部品の変形や損傷を防ぐために、クランプ圧力を下げてください。
- 研磨剤入りフィラーにご注意ください：ガラス繊維や炭素繊維を充填したプラスチックの場合、工具の摩耗率は非常に高くなります。適切な工具寿命を確保するには、ダイヤモンドコーティングまたは超硬合金製の工具が必要です。
結論
CNC加工を熟知するには、単一の「最良」な切削方法を知ることではなく、あらゆる材料が独自のパズルを解くことを理解することが重要です。鋼鉄の強度、アルミニウムの粘性、チタンの熱感受性など、材料の特定の挙動に合わせて工具、パラメータ、冷却戦略を調整することで、困難な作業を成功させ、高品質で収益性の高い成果へと変えることができます。