機械加工

機械加工とは、切削工具を用いて被加工物（ワークピースはしばしば「ワーク」とも呼ばれる）から材料を除去するあらゆるプロセスを指します。従来の機械加工では、材料を除去するために工具とワークピースの間に相対運動が必要となります。非従来型の機械加工プロセスでは、放電加工（ EDM）における電流など、他の材料除去方法が用いられます。ほとんどの機械加工では、工具またはワークピースのいずれかを（横方向の回転または横方向の移動によって）動かすことで、この相対運動が実現されます。工具の形状、相対運動、およびワークピースへの工具の食い込み具合によって、加工後のワーク表面の所望の形状が決定されます。

機械加工は、従来型の加工と非従来型の加工に分類できます。従来型の加工は、加工する形状に基づいて2つのカテゴリに分けられます。1つは円形形状の加工で、旋削、穴あけ、リーマ加工、ねじ切りなどが含まれます。もう1つは様々な形状や直線形状の加工で、フライス加工、ブローチ加工、鋸引き、研削、成形などが含まれます。

切削工具は、1つまたは複数の鋭利な切削刃を持ち、被削材よりも硬い材料でできています。切削刃は、切削屑を被削材から分離する役割を果たします。切削刃には、工具の2つの面が接続されています。

• レーキ面、そして
• 側面。

新たに形成された切りくずの流れを誘導するすくい面は、一定の角度で配置されており、これをすくい角「α」と呼びます。すくい角は、加工面に垂直な平面を基準として測定されます。すくい角は正または負の値をとります。工具の側面は、工具と新たに形成された加工面との間に隙間を設け、表面を摩耗から保護し、仕上げの劣化を防ぎます。加工面と側面との間のこの角度を逃げ角と呼びます。切削工具には、大きく分けて2種類あります。

• シングルポイントツール、および
• マルチカッティングツール

単刃工具は、旋削、穴あけ、平面加工に使用できる切削刃が1つだけ備わっています。加工中、工具の先端は加工対象物の元の加工面よりも下まで食い込みます。先端は、ノーズ半径と呼ばれる一定の半径に丸められている場合があります。

多刃工具は複数の切削刃を持ち、通常は回転によって加工対象物に対して移動します。穴あけ加工やフライス加工では、旋削加工用の多刃工具が使用されます。これらの工具の形状は単刃工具とは異なりますが、工具の幾何学的要素の多くは類似しています。

切削加工中の切りくず形成は、切削工具前方の一次せん断領域における材料の激しい塑性変形によって生じる。切りくずの形態と断片化は、切削パラメータ、工具形状、および被削材の微細構造に依存する。連続、断片化、または不連続の切りくずは、加工される金属の機械的特性と変形メカニズムに応じて形成される可能性がある。^{[ 7 ] [ 8 ]}

切削加工中に形成されるチップの形態と破砕は、鋼の微細構造や水素吸収などの環境要因に大きく影響されます。水素は格子欠陥に蓄積し、切削ゾーンの局所的な塑性変形プロセスを変化させ、チップ​​の分断や表面層の微小亀裂の形成に影響を与えます。^{[ 9 ] [ 10 ]}

• プラズマビーム加工
• ウォータージェット加工とは、水（通常はガーネットなどの研磨材も含む）の噴射を用いてワークピースを切断し、ワークピースの厚み全体にわたって切削する加工方法です。ウォータージェットカッターは、2軸式で2次元形状を加工できるものもあれば、5軸式でほぼあらゆる3次元形状を加工できるものもあります。
• 放電加工（EDM）は、帯電した金属棒またはワイヤ（ワイヤ放電加工）を使用してワークピースから材料を除去する加工方法です。この方法では、穴を開けたり、特定の形状を切り抜いたりすることができます。EDMの利点は、切削幅を非常に小さくできること、ワイヤを穴に通すことができるため、ワークピースの端を切り抜くことなく複雑な形状を切り出すことができ、プラグとソケットをぴったりと嵌め込む加工も可能になることです。
• 高速加工（HSM）は、高いスピンドル回転速度、高速送り速度、最適化された切削パラメータを使用して、精度と表面品質を維持しながら材料除去率を大幅に向上させる高度な製造技術です。元々は航空宇宙産業や金型製造産業向けに開発されたHSMは、チタン、焼入れ鋼、複合材などの硬くて切削しにくい材料を効率的に加工することを可能にします。このプロセスでは、切削工具とワークピースの接触時間を最小限に抑えることで熱歪みと工具摩耗を低減し、多くの場合、特殊な工具、高性能工作機械、高度なCAMプログラミングが組み込まれています。高速加工は、複雑な形状、厳しい公差、優れた表面仕上げが求められる産業で広く適用されており、生産時間の短縮と部品性能の向上に貢献しています。^{[ 12 ]}

加工が必要な未加工のワークピースは、完成品にするために材料の一部を削り取る必要があります。完成品とは、設計図や青写真で定められた仕様を満たすワークピースのことです。例えば、ワークピースには特定の外径が必要な場合があります。旋盤は、金属ワークピースを回転させ、切削工具で金属を削り取ることで、必要な直径と表面仕上げに一致する滑らかで丸い表面を作り出すことができる工作機械です。ドリルは、円筒形の穴の形に金属を削り取ることができます。金属の除去に使用できるその他の工具としては、フライス盤、のこぎり、研削盤などがあります。これらの技術の多くは、木工にも用いられています。

機械加工では、ワークピースが設計図や設計図の仕様を満たすために、多くの細部に注意を払う必要があります。寸法精度に関する明らかな問題に加え、ワークピースの表面仕上げ、つまり表面の滑らかさを適切に実現するという問題もあります。ワークピースの加工面に見られる仕上げ不良は、クランプの不備、工具の摩耗、または装置の不適切な位置決めなどが原因である可能性があります。チャタリングと呼ばれるこの表面仕上げ不良は、ワークピースの加工面に波状の凹凸や規則的な波状の仕上げとして現れることがよくあります。

機械加工は通常、目的と切削条件によって2つのカテゴリーに分けられます。

• 粗削り
• 仕上げカット

荒削りは、加工対象物から大量の材料をできるだけ速やかに、つまり高い材料除去率（MRR）で除去し、目的の形状に近い形状を作りつつ、後続の仕上げ加工のために材料を一部残すために用いられます。仕上げ加工は、部品を完成させ、最終的な寸法、公差、表面仕上げを実現します。生産加工では、通常、加工対象物に対して1回以上の荒削りを行い、その後1回または2回の仕上げ加工を行います。荒削り加工は、送り速度と切削深さを高くして行われます。送り速度は0.4～1.25  mm/rev（0.015～0.050  in/rev）、切削深さは2.5～20  mm（0.100～0.750  in）が一般的ですが、実際の値は加工対象物の材質によって異なります。仕上げ加工は、送り速度と切削深さを低く設定して行われます。送り速度は0.0125～0.04  mm/回転（0.0005～0.0015 インチ/回転）、切削深さは0.75～2.0  mm（0.030～0.075 インチ）が一般的です。切削速度は、仕上げ加工よりも荒加工の方が低速です。

切削加工においては、切削工具の冷却と潤滑のために切削油が用いられることが多い。切削油を使用するかどうか、また使用する場合は適切な切削油を選択することは、通常、切削条件の検討範囲に含まれる。

今日では、他の金属切断方法もますます普及しつつあります。その一例がウォータージェット切断です。ウォータージェット切断では、620MPa  （90,000psi ）以上の高圧水を用いて金属を切断し、完成品を得ることができます。このプロセスはコールドカッティングと呼ばれ、レーザー切断やプラズマ切断 とは異なり、熱影響部による損傷を排除します。