適切な切削工具材質の選び方（CNC & 旋盤ガイド）

の世界では CNC加工と旋削切削工具は騎士の剣です。適切な切削工具材質の選択は、生産効率の最適化、コスト削減、部品品質の向上にとって最も重要な決定事項の一つです。不適切な工具を使用すると、工具の欠け、表面仕上げの悪化、生産性の低下といった問題に頻繁に直面することになります。

このガイドでは、主要な切削工具の材質について説明し、処理タスクに基づいて最適な選択を行うのに役立つ明確な枠組みを提供します。

切削工具の材質はなぜそれほど重要なのでしょうか?

切削加工では非常に高い熱と圧力が発生します。工具材料は以下のような耐性が必要です。

・耐摩耗性：切りくずによる摩耗を防ぎ、切れ味を維持します。

· 硬度: 特に高温では、処理される材料よりも硬くなければなりません (「赤硬度」と呼ばれます)。

・靭性（じん性）：衝撃や断続的な切削力に耐え、欠けや破損を防ぎます。

· 高温硬度：切削中に発生する高温でも硬度を維持する能力。

あらゆる面で完璧な素材は存在しません。素材選定のプロセスは、特定の加工上の課題に対処するために、これらの特性間の最適なバランスを見つけることです。

主な切削工具材料の詳細な説明

以下は、今日最も一般的に使用されている切削工具材料の種類であり、最も一般的なものから最も特殊なものまでランク付けされています。

高速度鋼（HSS）

概要: タングステン、モリブデン、クロム、バナジウムなどの元素を添加して作られた高級合金工具鋼です。

· 利点: 優れた靭性、低コスト、非常に複雑な工具形状 (ドリル、タップ、ブローチなど) の製造が可能、再研磨が容易。

・デメリット：耐摩耗性、耐熱性（約600℃で軟化）が低く、切削速度が超硬合金に比べて大幅に遅い。

· 最適な用途: 低速加工、断続切削、複雑な形状の工具、非鉄金属加工、修理工場、小ロット生産。

2. 炭化物

概要：タングステンカーバイド（WC）粒子とコバルト（Co）バインダーを用いて粉末冶金法で焼結されたものです。タングステンカーバイドは硬度を、コバルトは靭性を提供します。これは現代のCNC加工における絶対的な主力です。

・利点：優れた耐摩耗性と耐熱性（1000℃まで）を有し、許容切削速度はHSSの2～3倍以上です。汎用性が非常に高いです。

· デメリット: HSS よりも脆く、高価です。

· 最適な用途：鋼、ステンレス鋼、鋳鉄、超合金など、ほとんどの材料の半仕上げから仕上げまで。（注：超硬合金自体は幅広いカテゴリであり、コーティングや組成の調整によって性能が大幅に変化する可能性があります。）

3. コーティングされた超硬合金

概要: CVD (化学蒸着法) または PVD ​​(物理蒸着法) プロセスにより、非常に薄い (数マイクロメートル) 超硬質材料フィルムが硬質合金基板上に蒸着されます。

· 一般的なコーティング:

· 窒化チタン（TiN）：汎用的な金色コーティングで、耐摩耗性を高めます。

· 窒化チタン（TiCN）：TiNよりも耐摩耗性に優れ、青色または灰色です。

・TiAlN（チタンアルミニウム窒化物）／AlCrN（クロムアルミニウム窒化物）：ハイエンドコーティング。切削温度が高い場合、アルミナ層が形成され、非常に高い耐熱性と耐酸化性を有するため、高速加工やドライカットに最適です。

· 利点: コーティングにより表面硬度、熱バリア性能、潤滑性が大幅に向上し、工具寿命が数倍に延びます。

· 最適な用途：ほぼすべての加工シナリオをカバーしており、加工対象材料に応じて選択してください。TiAlNは鋼および鋳鉄の加工に最適です。

4. 陶芸

概要: 主に、アルミナ (Al2O3) ベース (鋳鉄の高速加工に使用) と窒化ケイ素 (Si3N4) ベース (鋳鉄の高速粗加工に使用) の 2 つのカテゴリに分けられます。

· 利点: 超硬合金よりも耐熱性、耐摩耗性が高く、化学的安定性に優れ、切削速度が極めて速いです。

· デメリット: 非常に脆く、衝撃や断続的な切断に対する耐性が低く、アルミニウムなどの粘性材料には適していません。

· 最適な用途: 鋳鉄および超合金の高速仕上げおよびドライ切削。

5. 立方晶窒化ホウ素（CBN）

概要：ダイヤモンドに次ぐ硬度を持つ人工素材。通常、硬質合金インサートに溶接された小型CBNチップの形で販売されています。

· 利点: 硬度と熱安定性が非常に高いため、加工硬化鋼やチルド鋳鉄に最適です。

・デメリット：コストが非常に高く、強度も平均的です。

最適な用途：45HRC以上の硬度を持つ焼入れ鋼（金型鋼、歯車など）の仕上げ加工。「旋削加工の代わりに」最適な選択肢です。 粉砕プロセス.

6. 多結晶ダイヤモンド（PCD

概要: 人工ダイヤモンド粒子を高温高圧下で焼結して作られ、通常は硬質合金基板上に溶接されます。

· 利点: 現在入手可能な切削材料の中で最も硬く、最も耐摩耗性に優れています。

・デメリット：非常に高価で、非常に脆く、鉄系材料（鋼、鋳鉄）と化学反応を起こす（炭素は800℃で拡散する）ため、鉄系金属の加工には使用できません。

· 最適な用途: シリコンアルミニウム合金、複合材料、炭素繊維、プラスチック、銅、高シリコンアルミニウム合金などの非鉄金属および研磨材(研磨材)の高速・高精度加工。

選び方：意思決定フローチャートと重要な要素

アプリケーションに応じてツールの材質を選択するときは、次の順序で考えてください。

1. 加工するワークの材質（ワーク材質） - これが最も重要な要素です。

アルミニウム、銅、複合材料など：PCDは高速、高品質、長寿命を実現する最適な選択肢です。コーティングなしの超硬合金は経済的な選択肢です。

炭素鋼、合金鋼、ステンレス鋼：コーティングされた超硬合金（TiAlN/AlCrN）は汎用的な選択肢です。低速切削や複雑な切削工具には、HSSが依然として有効です。焼入れ硬化鋼（>45HRC）には、CBNが選択されます。

・鋳鉄：コーティングされた硬質合金は非常に効果的です。高速加工にはセラミックが最適です。

・耐熱合金（インコネル合金、チタン合金など）：特殊な強靭性コーティング（AlCrNなど）を施した特殊硬質合金材種が必要です。セラミックスやCBNも適用可能です。

· 非金属（プラスチック、木材など）：コーティングされていない硬質合金またはHSSで通常は十分です。研磨性の強い強化プラスチックの場合は、PCDが最も長寿命です。

2. 処理操作の種類

· 荒加工と仕上げ加工: 荒加工では靭性が求められ (靭性に優れた硬質合金グレードを選択)、仕上げ加工では耐摩耗性と硬度が優先されます (より硬いグレードまたは CBN/PCD を選択)。

· 連続切削 vs. 断続切削：フライス加工は通常断続切削であり、高靭性材料（硬質合金またはHSS）が求められます。一方、外径旋削は通常連続切削であり、より硬く脆い材料（セラミックなど）を使用できます。

3. 工作機械とセットアップ

古い工作機械や剛性が不十分な設定では振動が発生しやすく、より靭性の高い工具（強靭な超硬合金や HSS など）が必要になります。

現代の高速性と高剛性 CNC工作機械 セラミックスやコーティングされた超硬合金の性能を最大限に発揮できます。

4. コストの考慮

・初期コストと単価：CBNブレードやPCDブレードは非常に高価ですが、大量生産においては、耐用年数が極めて長く、加工効率も非常に高いため、部品1個あたりの加工コストを大幅に削減できます。

· 小ロット、試作：コーティングされた超硬合金は、最高の汎用性とコストバランスを提供します。HSSは、非常に複雑な形状や少量の作業にもコスト効率に優れています。