切削加工における残留応力対策｜基礎知識からケース別の対策方法も紹介

切削加工は、旋盤やフライス盤などの専用機械・工具を使って金属や樹脂といった素材を削る加工技術で、工具を高速で回転させながら対象の素材を削り取ります。

切削加工では、加工プロセスの中で、ワークピース（加工対象物）に熱や力が加わり、材料内部に「残留応力」が発生することがあります。また、すでに材料内部に生じている残留応力によって、加工時に影響が現れるケースも。

この残留応力は、ワークピースに反りや歪みなどの変形が生じる原因の一つであり、切削加工では避けて通れない問題です。

そこで今回の記事では、残留応力の基礎知識や切削加工に及ぼす影響、基本的な対策について解説していきます。また、残留応力の影響が出やすいケースとその対策方法についてもご紹介します。

切削加工における残留応力とは？

はじめに残留応力とはどのようなものか、切削加工においてどのような影響があるのか、切削加工における残留応力の基本的な考えについて見ていきましょう。

残留応力とは？

物体に外力が加わった時、それに応じて内部に生じる抵抗力のことを応力といいます。残留応力とは文字通り「残留した応力」のことで、簡単に言うと、物体に外からかかっていた力が除去された後でも、内部に抵抗力が残った状態を指します。

残留応力が残る原因や変形等の影響が出るきっかけは様々で、物体を削って加工する切削加工もその一つです。

切削加工における残留応力とは？

切削加工では、その加工プロセスの中で変形や摩擦が生じますが、これによって残留応力が発生するといわれています。

残留応力が生じている物体は非常に繊細な力のバランスで状態が維持されているのですが、この状態で無理やり物体の一部を切削してしまうと、残留応力のバランスが崩れて物体の状態が維持できなくなり、歪みや反りといった変形が発生することがあります。

残留応力が切削加工に及ぼす影響

残留応力が切削加工に及ぼす影響について、具体的に見ていきましょう。

応力の影響について

そもそも応力には、物体が外力によって引き伸ばされる時に生じる引張応力と、逆に外力で縮めようとする時に生じる圧縮応力があります。

• 引張応力：引っ張られる時に材料内部で生じる抵抗力
• 圧縮応力：縮められる時に材料内部で生じる抵抗力

この内、物体に引張応力が生じていると、疲労強度が弱くなり、耐久性が低下したり、亀裂や割れ（疲労破壊）が発生する恐れがあります。

一方で、圧縮応力は物体の疲労強度を高めるというメリットがありますが、材料によっては亀裂が生じたり、変形やたわみをもたらすケースもあります。

残留応力の影響について

残留応力の影響は、変形や割れといった状態で現れます。

そして、残留応力の影響は材質によって現れ方が異なり、例えば金属は他の材質と比べて引っ張りや圧縮に強いのですが、この高い剛性と伸びにくさによって残留応力が生じ、また比較的長期間残留しやすい傾向があります。

加えて、残留応力の影響を考える上で難しいポイントは、予測と評価が難しいという点も挙げられます。残留応力による影響は、加工後すぐに現れるだけなく、その後の時間経過によっても影響を及ぼすことがあるからです。

先ほど、残留応力が生じているワークピースを切削加工すると、応力のバランスが崩れて一時的に変形するとご紹介しましたが、時間の経過と共に材料の状態が安定していくと、そのプロセスの中で残留応力が再分布されていき、物体の形状が変化することがあります。物体が時間の経過によって変形していくこのような現象をクリープ現象といい、特に荷重が持続的に加わったり、高温の環境下で顕著に現れます。

そのため切削加工では、このような残留応力による加工精度の悪化を考慮した設計及び対策が不可欠だと言えるのです。

切削加工における残留応力の基本的な5つの対策

次に、切削加工における残留応力の基本的な対策について見ていきましょう。

残留応力の基本対策①：熱処理を行う

熱処理とは材料を加熱・冷却する処理の総称で、代表的なものにアニール処理（焼鈍・焼きなまし）やサブゼロ処理といった方法があります。

いずれの方法も材料を加熱したあと冷却するというのが基本の流れで、素材を変形させるのではなく、温度の変化を活用して材料内部の構造や組織を変化させるのが目的となります。熱処理を施すことで残留応力を取り除き、歪みや反りといった変形を予防します。

残留応力の基本対策②：公差の許容範囲を検討する

設計や加工でどんなに注意を払っても、歪みや反りが発生する恐れがあります。あらかじめ研磨しろを考慮して最終工程で公差に入れていくという手段もありますが、工数が増加したり、修正が難しい場合があるというデメリットも。

このような残留応力による公差の課題を最小限に抑えるためには、熱処理で対策するだけでなく、設計段階で現実的な許容範囲を検討しておく必要があります。また、設計意図が加工者に明確に伝わるようにサイズ公差を指示することで、より精度を高めていけるでしょう。

残留応力の基本対策③：適切な治具を選定する

切削加工における残留応力への対策の一つとして、適切な固定治具を使用することも重要なポイントです。特に曲面加工などにおいては、ワークピースに合った専用治具を選定する必要があります。

また、治具が適切であればクランプ力のバランスが取れ、残留応力の分散にも期待ができます。

残留応力の基本対策④：切削シミュレーションソフトを使う

切削加工は属人化されやすく、技術の習得に膨大な時間を要するという課題があります。その問題解決の一つとして導入が進んでいるのが、切削シミュレーションソフトです。

切削シミュレーションソフトとは、工作機械の動きや切削プロセスの状態を正確にシミュレーションし、設計情報から最適な切削条件やNCプログラムを導き出すことが可能なソフトウェアのこと。ソフトによって機能は異なりますが、ワークピースの残留応力や応力分布などの結果を得るのにも役立ちます。

残留応力の基本対策⑤：最新の切削機械を導入する

切削加工はものづくりの中核であり、日々進化し続けています。例えば、自動工具交換機能を持つNCフライス盤のマシニングセンタはX・Y・Zの3軸加工が主流でしたが、近年では、新たに回転と傾斜が加わった5軸加工に対応したマシニングセンタが登場しています。

さらに、低速で切削せざるを得ない材料の切削能率を向上させるため、レーザー焼入れ装置や研削機能などを備えた複合加工機も開発されています。

最新機械の導入は、高い初期投資や操作するためのスキルトレーニングが必要になるなどのデメリットはあるものの、残留応力による影響を最小限に抑えられることで、不良損金や材料コストが下げられたり、生産効率が向上するなどのメリットもあります。

残留応力の影響が出やすい加工ケースと対策

次に、残留応力の影響が出やすいよくある加工ケースとその対策について詳しく見ていきましょう。

加工ケース別対策①：クランプ点と支持点のバランス崩れ

切削加工する際、ワークピースを工作機械のテーブルに固定して作業しますが、この工程で重視されるのがワークピースを固定する点（クランプ点）と、切削加工中に発生する切削力や振動からワークピースを支える点（支持点）のバランスです。このクランプ点と支持点のバランスが崩れると、残留応力によって反りや歪みが発生する恐れがあります。

対策としては、ワークピースを複数の点で固定したり、切削振動を最小限に抑えるなどの工夫が効果的でしょう。

加工ケース別対策②：材料の剛性不足

切削する材料の剛性が不足していると、ワークピースを固定している治具や装置がきっかけとなって変形してしまうことがあります。この問題には、例えば接着面積を増やす、クランプ力を考慮する、材質を変えるなどの対策が有効です。

また、形状が薄いワークピースを切削する際は、クランプを解いた後の反りにも注意が必要です。この場合、ワークピースを挟むタイプのバイスクランプではなく、接着面を真空状態にして固定する真空チャック（バキュームクランプ）を使用するなどで対策することができます。

切削加工における残留応力対策の重要ポイント

今回は、切削加工における残留応力への対策についてご紹介しました。

切削加工における残留応力への対策は、製品の品質向上のみならず、生産効率の向上やコストの削減にも直結します。現場で発生している問題を見過ごさず、社内全体で取り組むべき課題だと捉えることが大切です。

また、最新技術の導入や設計の見直しに加え、加工者のトレーニングや意識向上も重要なポイントです。私たち宮脇鋼管では、お客様に対して常に最適な提案を行うために、社内の仕組みづくりと人材育成は欠かせないものと考え、新しい技術やノウハウ、問題発見能力を共有し、お客様のお役に立てる会社を全員で目指しています。

鋼管加工のベストアドバイザー宮脇鋼管へ