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被削性とは、金属を切削（機械加工）して材料を低コストで満足のいく仕上がりで除去できる容易さのことです。 [ 1 ]被削性の良い材料（快削材料）は、切削に必要な動力が少なく、迅速に切削でき、容易に良好な仕上がりを得ることができ、工具に大きな摩耗を引き起こしません。材料の性能を向上させる要因は、多くの場合、被削性を低下させ、重大なエンジニアリング上の課題となります。
加工性は、加工プロセスに関わる変数が多数あるため、予測が難しい場合があります。要因は、被加工材料の状態と物理的特性の 2 つのセットです。[ 2 ]被加工材料の状態には、少なくとも 8 つの要因が含まれます。微細構造、結晶粒径、熱処理、化学組成、加工、硬度、降伏強度、引張強度です。[ 3 ]物理的特性は、弾性率、熱伝導率、熱膨張、加工硬化など、個々の材料グループの特性です。[ 3 ]その他の重要な要因は、運転条件、切削工具の材料と形状、および実行される特定の加工プロセスのパラメータです。[ 3 ]
鋼は、工学において最も重要かつ一般的に使用される材料の一つです。快削鋼は、切削加工で発生する切りくずのサイズを小さくする硫黄や鉛などの元素を含む合金です。 [ 4 ]快削鋼は標準鋼よりも高価ですが、製造コストの削減によってそのコストは相殺されます。
被削性には多くの要因が影響しますが、それを定量化する広く受け入れられた方法はありません。代わりに、被削性は多くの場合、ケースバイケースで評価され、テストは特定の製造プロセスのニーズに合わせて調整されます。比較のための一般的な指標には、工具寿命、表面仕上げ品質、切削温度、工具力、および消費電力などがあります。[ 5 ] [ 6 ]
被削性は、工具の寿命の長さに基づいて評価できます。これは、特性や消費電力が似ている材料を比較する場合に役立ちますが、一方の材料は摩耗性が高く、そのため工具寿命が短くなります。このアプローチの主な欠点は、工具寿命が加工する材料だけでなく、切削工具の材質、切削工具の形状、機械の状態、切削工具のクランプ、切削速度、送り、切削深さなど、他の要因にも依存することです。また、ある工具タイプの被削性を別の工具タイプ（例えば、HSS工具と超硬工具）と比較することはできません。[ 6 ]
工具が材料を切削するのに必要な力は、消費される動力に直接関係します。そのため、工具の力は比エネルギーの単位で表されることがよくあります。これにより、比エネルギーが高いほど被削性が低いという評価方法が生まれます。この方法の利点は、外部要因が評価にほとんど影響を与えないことです。[ 6 ]
表面仕上げは、材料の被削性を測定するために使用されることがあります。柔らかく延性のある材料は、構成刃先を形成しやすい傾向があります。ステンレス鋼や、加工硬化能力の高い他の材料も、構成刃先を形成しやすい傾向があります。アルミニウム合金、冷間加工鋼、快削鋼、およびせん断ゾーンの高い材料は、構成刃先を形成しにくいため、これらの材料は被削性が高いと評価されます。[ 7 ]
この方法の利点は、適切な機器で簡単に測定できることです。この基準の欠点は、多くの場合、無関係であることです。たとえば、粗削りを行う場合、表面仕上げは重要ではありません。また、仕上げ削りでは、自然と良好な表面仕上げが得られる一定の精度が求められることがよくあります。この評価方法は、他の方法と必ずしも一致するとは限りません。たとえば、チタン合金は、表面仕上げ法では高い評価を受けますが、工具寿命法では低い評価を受け、消費電力法では中間の評価を受けます。[ 7 ] [ 8 ]
材料の被削性評価は、さまざまな材料の被削性を定量化しようとするものです。これは、パーセンテージまたは正規化された値で表されます。米国鉄鋼協会（AISI）は、毎分 180 表面フィート(sfpm)で旋削試験を実施して、さまざまな材料の被削性評価を決定しました。 [ 9 ]その後、任意に 160 ブリネル B1112 鋼の被削性評価を 100% としました。[ 9 ]被削性評価は、各材料の通常の切削速度、表面仕上げ、および工具寿命の加重平均を測定することによって決定されます。[ 9 ]被削性評価が 100% 未満の材料は B1112 よりも加工が難しく、100% を超える値を持つ材料は加工が容易であることに注意してください。
被削性評価＝（工具寿命60分での被削材の加工速度）／（標準金属の加工速度）
被削性評価はテイラー工具寿命方程式と併用して使用できます。切削速度や工具寿命を決定するために、B1112 は切削速度 100 sfpm で 60 分工具寿命を持つことが知られています。材料の被削性評価が 70% の場合、上記の既知の情報から、同じ工具寿命 (60 分) を維持するためには、切削速度を 70 sfpm にする必要があることが分かります (同じ工具を使用すると仮定)。[ 1 ]
鋼の炭素含有量は、その被削性に大きく影響します。高炭素鋼は強度が高く、切削工具を摩耗させる炭化物を含む可能性があるため、加工が困難です。一方、低炭素鋼は柔らかすぎるため、加工が困難です。低炭素鋼は「粘着性」があり、切削工具に付着し、刃先が形成されて工具寿命が短くなります。したがって、鋼は中程度の炭素含有量（約0.20%）で最も被削性が高くなります。[ 5 ]
クロム、モリブデン、その他の合金金属は、鋼の強度を高めるためにしばしば添加される。しかし、これらの金属のほとんどは、被削性を低下させるという欠点もある。
鋼材に含まれる介在物、特に酸化物は、切削工具を摩耗させる可能性がある。被削鋼材は、これらの酸化物を含まないものでなければならない。
合金ローター鋼の被削性は、潤滑条件や材料の構造相変化によっても影響を受ける。38KhN3MFA鋼に関する実験的研究では、切削油が切りくずの形状、表面変形機構、切削生成物の形成に大きく影響する一方、鋼の技術的改質は、さまざまな切削条件下における微細構造の応答を変化させることが示されている。[ 10 ] [ 11 ]
鋼材の切削性を向上させるために、金属系および非金属系の様々な化学物質を添加することができる。これらの添加剤は、工具と切削屑の接触面を潤滑したり、材料のせん断強度を低下させたり、切削屑の脆性を高めたりすることで効果を発揮する。従来、硫黄と鉛が最も一般的な添加剤であったが、環境上の理由からビスマスとスズがますます普及しつつある。
鉛は切削ゾーンで内部潤滑剤として作用するため、鋼の被削性を向上させることができます。[ 12 ]鉛はせん断強度が低いため、切りくずが切削刃をより自由に通過できるようになります。少量の鉛を鋼に添加すると、鋼の強度に大きな影響を与えることなく、被削性を大幅に向上させることができます。
硫黄は、切削領域に低せん断強度の介在物を形成することで、鋼の被削性を向上させる。これらの介在物は応力集中点となり、鋼を弱体化させることで、鋼がより容易に変形できるようにする。
ステンレス鋼は、通常の炭素鋼に比べて靭性が高く、粘着性があり、加工硬化が非常に速いため、機械加工性が劣ります。[ 5 ]鋼をわずかに硬化させることで粘着性が低下し、切削しやすくなります。AISI 303 および 416 グレードは、硫黄とリンが添加されているため、機械加工が容易です。[ 13 ]
アルミニウムは鋼鉄よりもはるかに柔らかい金属であり、その加工性を向上させる技術は通常、より脆くすることに依存している。合金2007、2011、および6020は非常に優れた加工性を持つ。[ 13 ]
熱可塑性樹脂は熱伝導率が低いため、機械加工が困難です。[ 12 ]これにより切削領域に熱が蓄積され、工具寿命が短くなり、プラスチックが局所的に溶融します。プラスチックが溶融すると、切削刃によって除去されるのではなく、切削刃の周囲を流れるだけです。高潤滑性クーラントを使用し、切削領域に切りくずが堆積しないようにすることで、加工性を向上させることができます。
複合材料は、プラスチック樹脂の低い熱伝導率と、繊維（ガラス、炭素など）材料の強靭性や耐摩耗性を併せ持つため、加工性が最も劣る場合が多い。
ゴムなどの軟質材料の加工性は、液体二酸化炭素などの超低温冷却剤を使用することで向上します。低温によって切削前に材料が冷却されるため、変形したり切削刃に付着したりするのを防ぎます。これにより、工具の摩耗が軽減され、加工が容易になります。
