切削加工に向いている材料、不向きな材料とは？

はじめに

切削加工とは、工作物から不要な部分を工具で削り取ることで、所望の形状・寸法・表面性状を得る加工方法です。金属加工の中でも極めて汎用性が高く、自動車・航空・医療・金型・精密機器などあらゆる産業で用いられています。

しかし、すべての材料が切削加工に適しているわけではありません。材料の物理的・化学的特性によって、切削性（＝削りやすさ）は大きく異なります。本稿では、切削加工に向いている材料、不向きな材料の特徴を整理し、代表的な素材ごとの評価や、切削性を改善するための工夫について詳述します。

1. 切削性とは何か？

切削性とは、工作物がどれだけスムーズに切削できるかを示す総合的な指標で、以下のような要素が関係します：

• 切削抵抗（工具にかかる力）
• 発熱量（工具寿命に影響）
• 切りくずの処理性（短くて崩れやすいか）
• 工具摩耗のしやすさ
• 表面粗さ（仕上がりの美しさ）
• 振動の発生しやすさ

これらを踏まえ、材料の機械的性質や化学的性質（硬度、延性、靭性、熱伝導率、加工硬化性など）によって、向き・不向きが判断されます。

2. 切削加工に向いている材料

2-1. 炭素鋼（低炭素鋼、中炭素鋼）

• 特徴：
  • 加工性が良好
  • 安価で入手性が高い
  • 切削時に適度な切りくずが出る
• 用途：
  • 自動車部品、機械構造部品、ボルト・ナットなど
• 代表材質：
  • S15C, S45Cなど

低炭素鋼は延性が高く、刃物へのダメージが少ないため初学者向けともされます。一方で粘りが強すぎると切りくずが長くなるため、適切な切削条件の設定が必要です。

2-2. 快削鋼（硫黄・鉛・リンなどを添加した鋼）

• 特徴：
  • 切りくずが短く工具寿命が長い
  • 工場の生産効率が高まる
• 用途：
  • 大量生産部品、ねじ、歯車、継手など
• 代表材質：
  • SUM22, SUM24L（鉛添加鋼）、S45CMnなど

快削鋼は添加元素が工具との摩擦を減らす役割を果たすため、高速切削に向いています。ただし、溶接性や強度が若干低下する場合もあり、用途選定に注意が必要です。

2-3. アルミニウムおよびアルミ合金

• 特徴：
  • 軽量、柔らかい、熱伝導率が高い
  • 高速切削が可能
  • 表面仕上げ性に優れる
• 用途：
  • 航空機部品、電子機器、筐体、ヒートシンク
• 代表材質：
  • A1050（純アルミ）、A2017（ジュラルミン）、A5052（汎用合金）

アルミニウムは非常に加工性が良く、超硬工具やダイヤモンド工具との相性も良好です。ただし純アルミ（1000系）は粘りがあり、切りくずが絡みやすい傾向があります。

2-4. 黄銅（真鍮）

• 特徴：
  • 快削性が非常に高い
  • 切削抵抗が小さく、工具寿命が長い
• 用途：
  • 水栓金具、接点部品、装飾品、楽器など
• 代表材質：
  • C3604（快削黄銅）

黄銅は切削がしやすい代表例であり、旋盤加工で鏡面仕上げに近い仕上がりが得られます。切りくずも小さく処理しやすいのが特徴です。

2-5. 樹脂（プラスチック）

• 特徴：
  • 柔らかく、切削抵抗が小さい
  • 発塵が少なく、静音性が高い
• 用途：
  • 試作部品、医療機器部品、電子機器筐体
• 代表材質：
  • アクリル、ポリアセタール（POM）、ポリカーボネート

ただし、柔らかすぎる樹脂は切削時に変形したり、溶けたりするため、回転数や送り速度に注意が必要です。

3. 切削加工に不向きな材料

3-1. 焼入れ鋼（硬度が高い鋼材）

• 特徴：
  • 硬度HRC50以上の材は工具摩耗が激しい
  • 通常は研削加工が主
• 例：
  • HRC60の金型用鋼（SKD11等）

高硬度材は超硬工具やCBN工具（立方晶窒化ホウ素）を用いれば加工可能ですが、一般的な切削加工とは別領域になります。

3-2. チタンおよびチタン合金

• 特徴：
  • 比強度が高いが、加工硬化しやすく発熱しやすい
  • 工具摩耗が非常に早い
• 用途：
  • 航空宇宙、医療、化学機器
• 対策：
  • 低速・高送りの条件で加工、切削油の使用を徹底

チタンは熱伝導率が低く、切削時の熱が工具に集中しやすいため、専用工具や精密な冷却が必要になります。

3-3. ステンレス鋼（特にオーステナイト系）

• 特徴：
  • 加工硬化性が高く、粘りがあり切りくずが絡む
  • 熱伝導率が低く、発熱が工具に集中
• 用途：
  • 食品機械、医療機器、建築材料
• 対策：
  • シャープな工具を用い、冷却とチップ排出を最適化

SUS304などは特に切削が難しいとされ、切削油の選定や工具材質の工夫が求められます。

3-4. ゴムや軟質ウレタン

• 特徴：
  • 弾性が大きく、切削工具を押し返す
  • 切削というより「ちぎれる」状態になりやすい

基本的に旋盤などの切削加工には不向きで、打ち抜きや熱溶着、成形加工などが主流です。

3-5. 鋳鉄（球状黒鉛鋳鉄：FCD等を除く）

• 特徴：
  • 切りくずが粉状で工具摩耗が激しい
  • 内部に気泡や鋳巣があると刃物が欠ける
• 用途：
  • 工作機械ベッド、エンジンブロックなど

普通鋳鉄（FC200など）は切削性が悪くはないものの、工具への負荷が大きく、クーラントや切削条件に配慮が必要です。

4. 切削性を向上させる工夫

材料自体の特性が劣っていても、以下の工夫で切削性を改善できる場合があります：

5. 材料別の切削加工性評価（表）

まとめ

切削加工における材料選定は、加工コスト・工具寿命・品質・加工効率を大きく左右する要素です。切削に向いている材料としては、中炭素鋼、快削鋼、アルミ合金、黄銅などが挙げられ、これらは良好な表面性や高い加工速度が得られます。一方、チタンやステンレス、焼入れ鋼、ゴムのような材料は切削が難しく、特殊な工具や条件が必要になります。

選定時には、材料特性のみならず、加工機械の剛性・工具の選定・クーラント使用法・量産性なども踏まえて総合的に判断することが重要です。