切削加工における溶着とは|溶着発生の原因と対策

溶着とは切削熱で溶けたワークの一部が、切削工具の先端に付着する現象です。 溶着は特にアルミニウムや軟鉄などの柔らかいワークで生じやすく、工具寿命の悪化や製品不良の発生などさまざまなトラブルを引き起こします。 この記事では切削加工における溶着の原因と、その対策について解説します。

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溶着のメカニズム

切削加工の際、工具とワークが接触している部分は、高温・高圧となります。その環境下で、物理的・化学的な要因から、加工によって生じた切粉の一部が工具に付着する現象が「溶着」です。

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溶着はワーク材質によって発生しやすさが異なり、比較的延性の高いアルミニウムや軟鉄で生じやすくなります。 溶着が発生する温度は材料の種類によって異なりますが、比較的低速で切削する際に溶着が発生しやすい傾向にあります。一方で温度が高すぎると、溶着した材料が軟化するため溶着が発生しにくくなります。

溶着に起因して発生する課題

溶着の発生で起こる課題として、以下のようなものがあげられます

  • 工具寿命に影響を与える
  • チッピングなどの大きな問題につながる
  • 製品不良を発生させてしまう

工具寿命に影響を与える

工具に溶着したワーク(構成刃先)は、切削を続ける中で成長し、大きくなると溶着状態を維持できずに工具から剥がれ落ちます。この際、工具の刃先も一緒に剥がれ落ちるため、工具寿命に影響を与えます。 また溶着による切削性の低下で切削時間が長くなり、摩耗量が増える点も工具寿命に影響を与える要因のひとつです。

チッピングなどの大きな問題につながる

溶着によって発生した構成刃先は、脱落時に工具のチッピング(微小な欠け)を引き起こします。 チッピング は、振動や衝撃の他、工具に溶着したワーク(被削材)が剥がれ落ちる際に、刃先も含めて剥がれてしまう現象を指します。チッピングが発生すると、切削抵抗が高くなり仕上げ面の劣化が発生してしまいます。チッピングによって生じた微小な亀裂により工具破損などの大きな問題につながるため、注意が必要です。

製品不良を発生させてしまう

溶着により切削工具の溝が埋まってしまうことで、切粉が排出しにくくなります。 排出できなかった切粉は工具とワークの間に嚙みこむ可能性があり、噛みこんだ切粉によって加工不良が起こる可能性があります。 また刃具に溶着した切粉(構成刃先)は、成長と脱落を繰り返すため、切込み量やすくい角が変化することで加工精度が悪化してしまいます。

溶着が発生しやすい加工シーン

溶着は切削熱で溶けやすいアルミニウムや、軟鉄などの柔らかいワークを加工する際に生じやすい現象です。また切削工具とワークとの相性にも左右され、特に化学反応しやすい活性な組み合わせの場合には溶着が発生しやすくなります。 加工時の条件としては「工具とワークが擦ってしまう面積が大きい」「切粉の排出がしにくい」場合に発生しやすくなります。

溶着の対策方法

溶着の対策方法としては、工具選定によるものと切削条件によるものがあります。

工具選定による対策

溶着が起きにくい工具選定のポイントとしては、すくい面・すくい角やクーラントの方式、工具材質やコーティングの有無などが挙げられます。

すくい面が鏡面のものを選定する

切削時に生じる切粉が溶着を引き起こすため、いかに切粉を排出するかが重要です。切削工具の中で、切削時に生じた切粉が通過していく面をすくい面とよび、このすくい面が鏡面のものを選定することで、切粉の排出性を向上することが可能です。

すくい角の大きい工具を選定する

切削工具のすくい面と切削点の垂線のなす角をすくい角とよびます。 すくい角を大きくすることで、ワークに切削工具が入り込む角度が小さくなるため、切粉の厚みが薄くなります。切粉は薄い方が排出しやすいため、すくい角を大きくすることで切粉の排出性を向上させることが可能です。 すくい角が大きいほど切れ刃の強度が低下するため、注意が必要です。

クーラント / スルースピンドルクーラントを利用する

切削点が高温になることで溶着が発生しやすくなるため、クーラントを用いて冷却しながら切削加工を行うことで溶着の発生を低減できます。 外部からクーラントの供給がうまくできないような状況であれば、内部から刃先にクーラントが供給されるようなスルースピンドルクーラントの利用が効果的です。

工具材質やコーティングを考慮する

溶着は、切削工具の材質とワークの材質が活性である場合に発生しやすくなります。そこで工具を選定する際には、ワークと不活性な材質の選定が重要になります。 また仮に工具が活性な材料であったとしても、工具にコーティングを行うことで、溶着の発生を抑えることができます。

切削条件による対策

加工パスや切削点の冷却、切削点の温度を考慮した切削条件の設定が、溶着を抑えるためのポイントとなります。

加工パスを考慮する

溶着を抑えるためには、加工パスの選定が重要です。 ステップ加工のように擦れが発生するような加工パスを選択してしまうと、擦れにより発生した切粉の影響で溶着が発生しやすくなります。

切削点の冷却を行う

切削点が高温になることを防ぐために、クーラントの使用が効果的です。 クーラントは切削時の冷却性向上に加え、潤滑性も向上できるため、発生した切粉を効率よく排出することが可能です。 切削加工時の溶着を抑えるためには、切削点の冷却が大きな効果を発揮します。

切削点の温度を一定にする

切削点の温度上昇を抑え、一定に保つことも溶着の抑制に効果的です。 切削速度(回転数)や送り速度が上昇することで温度上昇に繋がるため、切削点の温度が上昇しないような速度に最適化するといいでしょう。

溶着発生の原因と対策まとめ

この記事では切削加工における溶着の発生の原因と、その対策について解説しました。 溶着を防ぐためには、材料の特性や工具との相性を知り、コーティング工具などの最適な切削工具を選定していくことが重要です。 構成刃先の防止と合わせて対策していきましょう。

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