作業場で CNC フライス盤や旋盤が音を立てて鳴っているのを見たことがある人なら、「どうしてあの鋭い工具が一日中金属を研削しても磨耗しないのだろう?」と思ったことがあるかもしれません。 10 年以上、自動車エレクトロニクス用の小さなアルミニウムボスから頑丈なトレーラーのホイールハブに至るまで、あらゆるものを製造するカスタム機械加工部品を供給してきた者として、私は切削工具の材質が部品の品質と生産速度の両方を左右することを学びました。私は数え切れないほど多くのツールマテリアルを試してきましたが、今日は最も一般的なツールマテリアルと、それぞれが毎週作成するパーツとどのように連携するかを説明します。
まずは、切削工具の元祖である高速度鋼（HSS）から始めましょう。 DIY の木製椅子の脚を回したり、薄いアルミニウム シートに穴を開けたりしたことがあるなら、HSS を使用したことがあるはずです。丈夫で比較的安価で研ぎやすいため、賭け金の少ない少量の作業に最適です。 「高速」部品は、高温でも硬さを保つ能力に由来するため、ワークに溶け込まずに普通の炭素鋼よりも高速に稼働できます。ただし、ここに問題があります。ハイスは刃先が熱くなりすぎると軟化するため、焼入れ鋼やチタンなどの超硬材料の切断には適していません。当店では、顧客が新しい工業用ポンプでテストするためにワンオフのグラファイト自己潤滑銅スリーブ (リンク: /oem-metal-parts/cnc-machining-parts/graphite-self-lubricating-copper-sleeve.html) を必要とする場合など、主にカスタム プロトタイプ部品に HSS を使用しています。これらのジョブは本番環境の最大速度で実行するわけではないため、HSS は問題なく機能します。また、小さなタップチップはフルエンドミルのように打撃を受けないため、柔らかい真鍮やアルミニウムのねじ山をタッピングするのにも最適です。
次は、HSS のさらに上のステップである超硬合金、または略して超硬です。これは現代の機械加工の主力製品であり、当社が小型車のエンジン マウント用に製造するアルミニウム合金機械加工ボス (リンク: /oem-metal-parts/cnc-machining-parts/aluminum-alloy-machined-boss.html) を含め、当社の生産工程の 70% に使用されています。カーバイドは、小さなタングステンカーバイド粒子がコバルトと結合して作られた複合材料であるため、HSS よりもはるかに硬く、たとえば 2 ～ 3 倍硬く、非常に高い温度 (キッチンのオーブンよりもはるかに熱い最高 1,500°C) でもその硬さを維持します。つまり、CNC マシンをフルチルトで稼働させ、10 個の部品を作成しても工具が摩耗することなく、厚いアルミニウム ブロックを数時間ではなく数分で切断できることを意味します。唯一の欠点は?ハイスよりもはるかに脆いため、薄い材料をタップしたり、衝撃を受けやすい繊細な切断を行うような用途には使用できません。すぐに先端が欠けてしまいます。また、鋼製トレーラーホイールハブを加工する場合など、より硬い材料にはコーティングされた超硬インサートも使用されています。コーティング (通常は窒化チタンまたはダイヤモンド状カーボン) により摩擦が軽減されるため、工具の寿命が長くなり、仕上がりがより滑らかになります。これは、トレーラーのホイール ハブなど、しっかりと取り付ける必要がある部品にとって非常に効果的です。
待ってください、トレーラーといえば、サーメットとセラミック工具について話しましょう。これらは、焼入れ鋼やその他の非常に硬い金属を切断するための絶対的な猛獣です。サーメットはセラミックと金属の混合物であるため、超硬よりも硬く、耐熱性に優れていますが、それでも純粋なセラミックよりも若干柔軟性があります。当社では、トレーラー ホイール ハブ スピンドル (リンク: /oem-metal-parts/cnc-machining-parts/trailer-wheel-hubs-spindle.html) などの部品の中仕上げおよび仕上げ切削にサーメットを使用しています。これらの部品は、摩擦なく回転するために鏡のように滑らかな表面が必要です。純粋なセラミック工具はさらに硬く、酸化アルミニウムまたは窒化ケイ素でできており、超硬工具では数分で切れてしまうような、すでに 50 HRC 以上の熱処理が施された硬化鋼を切断することができます。獲物は？サーメットとセラミックはどちらも超硬よりもはるかに脆いため、軽くて安定した切断にしか使用できません。工具をワークピースにぶつけたり、間違った角度で動かしたりすると、コンクリートの上にコーヒーマグを落としたように割れてしまいます。これらは、道路での衝撃を受ける頑丈なトレーラーハブではなく、医療機器や航空宇宙部品の部品など、速度よりも仕上げが重要な高精度の作業用に保存されています。
次に、立方晶窒化ホウ素 (CBN) と多結晶ダイヤモンド (PCD) という超硬質材料の高級品があります。 CBN は地球上で 2 番目に硬い材料 (ダイヤモンドに次ぐ) で、圧縮された窒化ホウ素粒子から作られています。当社では、10,000 ポンド以上の重量を運ぶ頑丈なトレーラー ホイール スタンピング ハブ ハウジング (リンク: /oem-metal-parts/cnc-machining-parts/trailer-wheel-hubs-stamping-hub.html) 用の硬化工具鋼の機械加工など、最も過酷な作業にのみ CBN ツールを使用します。 CBN は鋼を軟化させることなくフルスピードで切断できるため、これらの部品を研削するよりもはるかに効率的です。 PCD は基本的にダイヤモンドであり、炭化物基板に結合した多結晶ダイヤモンドです。ダイヤモンドはこれらの材料に付着しないため、アルミニウム、銅、さらにはグラファイトなどの非鉄金属の切断に最適です (一方、鉄はダイヤモンドを溶解するため、鋼には PCD を使用しないでください)。電気自動車に組み込まれるアルミニウム部品を加工する場合、適切に機能するには 0.001 インチ以内などの非常に厳しい公差が必要となるため、当社では PCD 工具を使用します。欠点は？ CBN と PCD はどちらも非常に高価なので、他に何も仕事ができない場合にのみ使用し、無駄を避けるためにすべてのカットを最適化するようにしています。
さて、最近の大きな変革者であるコーティング工具に触れずに切削工具について語ることはできません。待ってください。先ほど超硬のコーティングについて触れましたが、今では非常に多くの種類があり、それらによって大きな違いが生じます。たとえば、アルミニウム部品を加工する場合、当社では超硬工具にダイヤモンド コーティングを使用します。これは、アルミニウムはコーティングされていない工具に「くっつき」、ワークピース全体にガンクが残り、仕上げが損なわれる傾向があるためです。ダイヤモンド コーティングが焦げ付き防止鍋のように機能するため、パーツがきれいに滑らかに仕上がります。また、ステンレス鋼部品には炭窒化チタンコーティングを使用しています。これは熱に強く、摩擦を軽減するため、工具を摩耗させることなく機械をより速く稼働させることができます。新しいコーティングの中には自己潤滑特性を備えているものもあります。これは、前述したグラファイト自己潤滑銅スリーブのような部品にとっては大きな問題です。部品には一貫した潤滑表面が必要であり、コーティングされた工具は加工中にその表面を維持するのに役立ちます。
私がよく目にする新人の機械工 (および一部の小規模な部品工場) が犯すよくある間違いは、作業に適した工具材料を間違って選択することです。たとえば、厚いスチールのトレーラーハブに安価な HSS ツールを使用すると、ひどい部品が 1 つでき、ツールは 5 分後に壊れてしまいます。あるいは、軟質アルミニウムのプロトタイプに超高価な PCD ツールを使用すると、過剰なツールに数千ドルを無駄にすることになります。私たちにとって重要なのは、工具の材質と部品の材質、生産量、および必要な仕上げを一致させることです。たとえば、トレーラー ホイール ハブ キット (リンク: /oem-metal-parts/cnc-machining-parts/trailer-wheel-hubs-kit.html) を大量に製造する場合、定期的に交換できるほど安価でありながら、インサートごとに最大 100 以上の部品を保持できるほど硬いため、コーティングされた超硬インサートを使用します。少量で高精度のカスタム パーツの場合は、余分な研磨を行わずに完璧な仕上げを得るためにサーメット ツールに散財することがあります。
結局のところ、切削工具の材料は単なる抽象的なエンジニアリング用語ではなく、私たちが製造する部品、顧客にどれだけ早く届けられるか、そしてどれだけのコストがかかるかに直接影響します。このビジネスに 10 年携わった後、工具の材料をケチると、部品の品質の低下、納期の遅れ、顧客の不満など、ほとんどの場合、しっぺ返しが返ってくることが分かりました。自動車用のシンプルなアルミニウムボス、仕事用の頑丈なトレーラーハブ、または産業機械用のカスタムグラファイトスリーブが必要な場合でも、適切な切削工具を選択することが、お客様と同じように機能する部品を製造する方法です。
ここで述べたコンポーネントであれ、まったく異なるものであれ、カスタムの機械加工部品をお探しの場合、私のチームと私には、適切なツールと材料を選択して部品を納期どおりに予算内で適切に製造する専門知識があります。プロジェクトについてご相談になりたい場合は、いつでも喜んでお手伝いいたします。
参考文献
ASMインターナショナル。 （2016年）。切削工具の材料。 ASM ハンドブック、第 16 巻: 機械加工。
デガーモ、EP、ブラック、JT、コーザー、RA (2020)。製造における材料とプロセス (第 13 版)。ワイリー。
機械ハンドブック (第 31 版)。 （2020年）。産業用プレス。
