難切削材の加工www.tool-tool.com－BW Professional Cutter Expert www.tool-tool.com

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1．はじめに

　本研究所の研究分野は広範囲であり実験装置は多種多様で、かつ斬新なものが多い。　近年、超高真空・高温等の雰囲気中での理工学実験装置の依頼が多く、その中で使用する部品も耐熱怯や高温強度に優れた材料が必要とされる。　これらの材料の中には難切削材が多々含まれており、その加工にはそれ相応の手段が必要である。　今回、このような難切削材を金属工作室現有の工作機械で加工した実例を紹介する。

2．難削材の諸特性（難削性）と切削に及ぼす影響

　　（1）難削材の諸特性

　タイトルには、切削が難しい材料ということで「難切削材」としたが、ー般的には「難削材」といわれており、以後「難削材」と表現を統一する。
　難削材を加工するためには、難削材個々の特性（難削性）を理解することが重要である。
　表－1に種々の難削材の諸特性（難削性）とその材料例を示す。

難削材の諸特性（難削性）	打　　　　料　　　　例
熱伝導性が低い	超耐熱合金・チタン合金・ステンレス
加工硬化性が大きい	耐熱鋼・高マンガン鋼
延性が大きい	純ニッケル・純銅・純アルミ・純鉄
熱膨張率が大きい	ステンレス鋼・オ－ステナイト系
アブレッシブ物質を含有	高Siアルミ合金・複合材料・ハイス
高抗張力	高張力鋼・ダイス鋼
工具材種との親和　大	純チタン・ステンレス鋼・チタン合金・超耐熱鋼
方向性がある	FRM・高Siアルミ合金
高硬度・高脆性	セラミックス・ガラス

表－1　種々の難削材の諸特性（難削性）とその材料例

　このように種々の材料が難削性をもち、切削条件を悪化させ加工を困難にしている。　また、表－1には挙げていないが、超微細形状加工を行う場合や超精密加工を行う場合も切削条件が厳しく、難削材の領域に属するものである。

　　（2）難削材が切削に及ぼす影響

　切削時の問題（トラブル）要因は、難削材個々の難削性によるものである。
　表－2に難削材の難削性と切削時のトラブル要因を示す。
　これら難削材に見られる個々の特性を知り、それぞれの切削工具に及ぼす影響を少なくする切削条件を設定することが必要である。

難　　　削　　　性	切削時のトラブル要因
高靭性	切削面　・悪
アブレッシブな物質含有（Si）	加工精度　・低
高引張強度、高弾性率	加工変形　・大
高硬度	切屑処理　・悪
熱伝導率・低	工具寿命　・短
熱変形・大	刃先摩耗・大
加工硬化性・大	チッヒ°ング　・大
工具材料との親和性・大	切削抵抗　・大
工具材料との反応性・大	切削熱発生・高

表－2　難削性と切削時のトラブル要因

3．難削材に適した切削条件

　機械加工を行う上で重要な切削条件を順に挙げると、工作機械の剛性・保持具の剛性・クーラント（冷却装置）・切削速度・切削工具等がある。

　　・工作機械の剛性

　工作機械の剛性は、機械加工をする上で全ての精度がここで決まると言っても過言ではない。工作機械の自重が軽いと、重い被削物を加工するときや高速回転で加工するとき心が振れてしまい高精度の加工ができない。　また、据付けもしっかり行わないと振れの原因につながる。　したがって、自重の重い据付けのしっかりした工作機械が望ましい。　当工作室では、自重の軽い汎用工作機械がただ置かれている状態なので通常の工作には十分だが、より高精度な加工を行うことは難しい。

　　・保持具の剛性

　保持具の剛性は、切削を行う切削工具を保持する部分であり、振れ精度・送り精度に関わる重要な役割を担っている。

　　・ク－ラント（冷却装置）

　ク－ラントは、難切削材の加工の場合特に重要な位置を占めている。　個々の難削性の違いにより、供給方法や冷却液の種類を変えないと、逆に精度を悪くしたり冷却液と被削材の化学反応につながったりするからである。当工作室では、汎用工作機械のため、ク－ラントの設備がないので乾切削を行っているが、必要に応じてミスト・エア－による冷却を行っている。

　　・切削速度

　工作物を加工する場合、原理的には切削速度を上げれば仕上げ面はきれいになりそうだが、実際は先に述べたような機械の剛性不足による被削物の振れや切削面の摩擦等により逆に仕上げ面が悪くなることがある。個々の機械の剛性や、被削物の違いにより、最適な切削速度を選定することが重要である。

　　・切削工具

　被削物に接して実際に加工を行っているのが切削工具であり、種々の切削条件を改善することで難削材の加工も可能になる。
　切削工具の材質について適した条件を考えると、チップの材質は高温硬度の高いものが適しており、CBN焼結体がその代表的なものである。
　近年、コ－テッド超硬合金も高温硬度及び耐摩耗特性に優れており、被削物の材質の違いによって選択することが望ましい。　あと、加工硬化しやすい難削材には、切削抵抗を考慮してポジティブなすくい角が有効であり、高靭性な超微粒子合金やコーテッドハイスなどが選択される場合が多い。
　最近は、超微粒子合金の開発が進んで靭性かつ耐摩耗特性が高度化しており、この表面にTiNなどのPVDコ－テイング処理を施すことで耐溶着性、および耐磨耗特性などに優れた、ポジティブなすくい角の切れ刃が可能になる。
　CBN焼結体は、切削時に刃先で発生する800℃～1000℃程度の高温度における硬度が他の工具材種に比べて最高となる特性を有している。　とくに高硬度鋼などの硬度が高い被削材の切削には、CBN焼結体が最適である。
　ダイヤモンド焼結体は、チタン材のように超硬合金・工具材料などと拡散現象を発生しやすいものには有効である。　また、切れ刃先端部がシャープになるため、純銅などの軟材質の精密切削加工には最適な工具材種である。
　この他に、上記以外の工具材種でも切れ刃形状や最適な切削条件を選定することで難削材を加工することが出来る。

4．工作室現有の工作機械による旋削加工

　これまでに述べてきたことをふまえて、工作室現有の旋盤とフライス盤で難削材の旋削加工を試みた。被削材は、近年高真空・高温度の雰囲気中で使用する試料ホルダ－等の製作依頼が多いが、その材質として、よく使われるモリブデンを被削材として選択した。

　　（1）旋盤によるモリブデンの加工

　モリブデンを以下の条件で旋削加工を試みた。
・φ20mmのモリブデン丸棒を使用
・3通りの切削速度（200・370・740回転／min）で端面削りを行う
・チップホルダーに固定されたチップ刃先は、毎回新しい部分を使用
・送り速度を0．05mm／1回転とし、他の切削条件は変えない

旋削加工を行った様子を、写真－1に示す。

　　　写真－1端面削りの仕上げ面　左から740・370・200回転／min

　端面削りの仕上げ面は、切削速度を上げると仕上げ面が良くなっているのがわかる。
　しかし、これ以上切削速度を上げても、切削面の摩擦によってチップの刃先が摩耗し、さらに高速回転時に生じる振動の問題もあり良好な仕上げ面は得られない。
　特にモリブデンの場合、工具先端の刃先が鋭利でないとむしれが生じてしまう。
　さらに、端面切削を行うと中心に向かうほど周速度が低くなり切削速度が低下するので中心付近の仕上げ面が悪くなる。
　モリブデンを加工するためには、工具材種として、高温高硬度でかつ靭性のあるコ－テッド超硬合金やサーメット等を用いるのが望ましい。そして、常に良好な切削面を得るために適度な回転数と切り込み量、送り速度等の条件を適切に選択することでよい切削を行うことが出来る。

　　（2）フライス盤によるモリブデンの加工

　モリブデンを以下の条件で旋削加工を試みた。
　　・使用するモリブデン板は4t×12×8（mm）
　　・縦・横フライス盤でそれぞれ2×2（mm）の溝削り加工を行う

　旋削加工を行った様子を写真－2に示す。

写真－2　左：縦フライス盤による加工　　　　　右：横フライス盤による加工

　モリブデン板を溝削り加工するとき、縦フライス盤を使用したφ2mmのエンドミルによる加工よりも横フライス盤を使用したφ100mmのメタルソーによる加工の方がせん断応力が加わり亀裂や破断の要因となってしまう。
　加工形状の違いによってフライス盤を使い分けたり、加工工程を含めて亀裂や破断を起こしにくい被削材の保持等を考えなくてはならない。　また、切り屑の処理も考えてク－ラントの方法を選択することも必要である。縦フライス盤による加工を行う場合、工具刃先は高速で回転しているので、切削油が浸透しやすいようミスト・エア－によるクーラントが望ましい。

5．まとめ

　今回、難削材の特性と切削におけるトラブルの要因を理解し、それに適した切削条件を選択し、金属工作室現有の工作機械で加工した実例を紹介した。
　難削材の切削を極めるには全ての最良の切削条件を選択し加工を行うことが重要だが、工作機械の剛性等いくつかの条件を選択できない状態にあるのが金属工作室の現状である。　今後、超微細加工や他の高温材料等の難削材やセラミックスを加工するには、剛性の高いNC旋盤やNCフライス盤、マシニングセンタなどの工作機械が必要になってくる。　しかし、現時点でそれはかなわないので、ク－ラントや他の工作方法（研磨等）も含めていろいろな方向から難削材を加工する方法を検討していきたいと考える。

6．参考引用文献

　日刊工業新聞社　「機械技術」

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2008年12月13日星期六

鋳造と鍛造（ちゅうぞうとたんぞう）www.tool-tool.com

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鋳造とは・・・金属を溶かし鋳型に流し込んで器具をつくること。
鍛造とは・・・加熱して変形しやすくした金属をハンマーでたたいて一定の形に加工すること。

☆金属の成形方法について

金属を成形する方法は大きく分けて二つの方法があります。

一つは鋳造（ちゅうぞう）といって砂や金属で作った型のなかに、溶かした金属を注ぎ込んで必要な形にする加工方法のことを鋳造といい、この方法で作られたものを鋳物といいます。鋳造にはたくさんの方法がありますが複雑な形状でも自由自在に造形できる点が大きな特長です。

もう一つが鍛造（たんぞう）です、金属をハンマーなどでたたいて形を整える方法を鍛造といいます。昔から日本刀や農機具をつくるのにこの方法を用いました。　

でも同じように形を作るのになぜ鋳造と鍛造の二つの方法があるのでしょうか、鍛造には鋳造にない形を整えながら製品自体を強くする特長があります。これはちょうどお餅を作るのと同じで、熱いご飯を杵でたたくことで粘り気がでて、おいしいお餅になります。お餅はご飯を握って作ったおにぎりと違って、落としてもバラバラになりません。これと同じように鍛造は金属をたたいているうちに粘り気（靭性）を増し、さらに金属の中にある余分な泡やガスを無くし強い製品を作ることができるのです。

次回は、鋳物と鍛造についてもう少し具体的に書いてみます。

鋳物とは

鋳物の歴史について

鋳物の歴史は古く、紀元前４０００年ごろメソポタミアで始まったといわれています。銅を溶かして
形に流し込み、いろいろな器物を作ったのが始まりです。鋳物は人間の物づくりの中で最も古いもののひとつといえます。

日本に鋳物作りの技が伝わったのは、紀元前数百年頃といわれています。１世紀に入ると銅鐸、銅鏡、刀剣などが作られるようになり、奈良時代になると、仏像や梵鐘などがつくられました。鋳物作りが広まったのは平安時代なかば以降といわれています。

鋳物が現代工業の形態をとるようになったきっかけは、１８世紀にイギリスで起きた産業革命です。工場制工業の発展と共に、鋳物が広く機械文明の中に採用されるようになりました。日本では江戸時代末期になって近代化への動きが活発になり、幕府はオランダから技術を導入しキュポラ（溶鉱炉の一種）を建設しました、これが近代化のさきがけとなりました。

長い歴史の中で、鋳物はいつの時代も重要な役割を担い今日まで受け継がれています。

銑鉄鋳物（せんてついもの）とは
(一般に鋳鉄と呼ばれている)

　
鋳物にも使用する金属材料によっていくつかの種類があります。その中で最も広く使われているのが銑鉄鋳物です。

銑鉄は、鋼など他の鉄素材に比べて、より多くの炭素を含んでいることが特長です。

この炭素が鋳造の重要な鍵をにぎっています。炭素が多いほど溶け易く、溶けるとどんな形にでも鋳込めるため鋳造しやすくなります、また炭素は鉄が固まるとき結晶化して黒鉛になりますが、そのとき膨張して全体の体積の縮みを補うことになります。

銑鉄（せんてつ）とは

銑鉄とは高炉や電気炉などで鉄鉱石を還元して取り出した鉄のことです。

炭素を2～7％も含みそのほかクロム、マンガン、リン、ケイ素、イオウなどをふくんでいます。

銑鉄は非常に硬くてもろい性質をしています。無理に曲げようとすれば割れてしまいまた赤く熱すると少し力を加えただけで崩れてしまいます。

銑鉄は炭素を多く含み過ぎているため焼きを入れることはできません、焼きを入れると割れてしまいます。しかし炭素が多いと溶けやすいので圧延や鍛造には使われず製鋼や鋳造の原料として用いられます。

中国では紀元前１２世紀頃から銑鉄を生産していたそうです。

鋳鉄の種類　　　鉄鋳物を材料別に分類すると次のようになります。

１、鉄鋳物
　１－１鋳鉄
　　　　１－１－１普通鋳鉄
　　　　　　　　　　　・ネズミ鋳鉄（ズクFC100～FC350）
　　　　　　　　　　　・白鋳鉄（白銑）
　　　　　　　　　　　・班鋳鉄
　　　　１－１－２高級鋳鉄
　　　　　　　　　　　・球状黒鉛鋳鉄（ダクタイルFCD350～FCD800）
　　　　　　　　　　　・ミーハーナイト鋳鉄
　　　　　　　　　　　・オーステナイト鋳鉄
　　　　　　　　　　　・高クロム鋳鉄
　　　　　　　　　　　・高ケイ素鋳鉄
　　　　　　　　　　　・その他
　１－２可鍛鋳鉄
　　　　　　　　　　　・黒心可鍛鋳鉄（マレーブルFCMB）　
　　　　　　　　　　　・白心可鍛鋳鉄(マレーブルFCMW)　　　　　　　　
　１－３鋳鋼
　　　　１－３－１炭素鋼(SC360～480)
　　　　１－３－２特殊鋼
　　　　　　　　　　　・クロムモリブデン鋳鋼(SCCrM1～SCCrM3)
　　　　　　　　　　　・ニッケル鋳鋼
　　　　　　　　　　　・ステンレス鋳鋼（SCS1～SCS24）
　　　　　　　　　　　・その他

鋳鉄の中ではネズミ鋳鉄と球状黒鉛鋳鉄（ダクタイル鋳鉄）です。
当社製品では
ネズミ鋳鉄・・・・・・ポンプのクロスヘッド、メインギヤなど、試錐機のスイベルケース、ドラム、ブラケットなどがあります。
ダクタイル鋳鉄・・・ＫＲ-100Ｈのターンテーブル
マレーブル鋳鉄・・・鋳物配管類

精密鋳造とは
精密鋳造の種類はロストワックス鋳造法、シェルモード鋳造法、ショウプロセス鋳造法などありますが、今回は代表的なロストワックス鋳造方についてのべます。

ロストワックス鋳造法とは
ロストワックス法とは、まず製造目的物と同じ形状の模型を蝋（ワックス）で精密に作り、その周囲を耐火物で固めます。次に加熱して蝋を流出（ロスト）させたあとの空間に、溶融金属を注入して冷却し鋳物を造る方法で、蝋のかわりにプラスチックなどを使う場合もあります。

この技術は紀元前最初に古代エジプトで開発され、中国を経て日本にも奈良時代に渡来しました。古代のロストワックス法は、天然の蜜蝋をつかうため非常に手間と費用がかかる鋳造法でしたが、近年化学の発達により蜜蝋に近いワックスの開発が進みこの鋳造法が広く普及しました。ロストワックスの精度とは
精密鋳造といわれているロストワックス法は、どの程度の精度で鋳物ができるかといえば100ミリ以下のもので±0.25～±1.0ミリ、鋳肌の凹凸は 35Ｓ（あるメーカーの例）で極めて滑らかです。その理由として鋳型が一体で、鋳物の合わせがないためと、型を造る耐火物の素材の粒子が細かいため寸法精度が高くできるのです。

ロストワックスの特長とは
1）完成品とほとんど同じ形状、寸法のワックス模型を使うので、精度の高い素材が得られる。
2）硬度が硬いものや、粘りのあるものなど機械加工が難しい材質でも整形できる。

3）複雑な形状の部品が量産可能。
4）部品を簡単に一体化できるので加工方法の制限を考えることなく自由な設計が可能。
5）ワックスが相手のため金型の磨耗が少なく、半永久的に使える。

当社の製品としては、半自動モンケンに使用するキャッチャーのフックやロッドホルダーの駒（40.5）などがロストワックス法で作られています。