切削加工では、加工工程中やその後に「残留応力」が生じることがあります。この残留応力は、製品の寸法精度や機械的特性に悪影響を与えるため、対処が必要です。今回は、残留応力の基本的な仕組みやその影響を解説し、実際の加工現場で取るべき対処法について詳しく紹介します。
残留応力とは？
残留応力とは、外力が取り除かれた後も、材料内部に残る応力のことです。切削加工では、以下の要因で残留応力が発生することがあります：
- 加工熱
切削工具とワークの摩擦による熱が発生し、材料が局所的に膨張・収縮することで応力が残ります。 - 機械的変形
工具の切削力による塑性変形がワーク内部に応力を蓄積させます。 - 加工条件の不均一性
切削速度や送り速度が不均一な場合、加工面に不均一な応力が発生します。
残留応力が引き起こす問題
残留応力を放置すると、製品の品質に深刻な影響を及ぼします。主な例として：
- 寸法変化
加工後に材料が歪み、寸法が変わることで設計通りの形状にならない場合があります。 - 疲労強度の低下
応力集中が生じることで、疲労強度が低下し、部品の寿命が短くなる可能性があります。 - 破損のリスク
内部応力が限界を超えると、亀裂や破損が発生することがあります。
残留応力への対処方法
残留応力の発生を抑えるには、加工条件や後処理を適切に管理することが重要です。以下に、具体的な対処法を挙げます。
1. 加工条件の最適化
切削速度と送り速度の調整
- 切削速度を適切に選ぶことで、加工熱の発生を抑制できます。例えば、高速切削は熱の発生を減少させることがありますが、工具の寿命とのバランスを考える必要があります。
- 送り速度も均一にすることで、加工面に均等な応力を与えられます。
切削工具の選定
- 工具材質：耐熱性の高い工具を使用することで、熱応力を抑える効果があります。
- 工具形状：切れ味の良い工具を選択することで、切削力を低減し、塑性変形を抑えられます。
2. 中間熱処理
焼なまし処理
加工中に生じた残留応力を低減するために、焼なまし処理を行います。特に、大型ワークや複雑な形状の部品には有効です。
- 方法：一定の温度まで加熱した後、ゆっくりと冷却する。
- 効果：応力を均一化し、歪みを防止。
3. 振動時効処理
振動時効処理は、振動を与えることで材料内部の残留応力を緩和する方法です。加工後すぐに応力を解消できるため、量産工程でも取り入れられます。
- 適用例：航空機部品や精密機械部品。
- メリット：コストが比較的低く、処理時間も短い。
4. 多段加工
多段階に分けて加工することで、残留応力の蓄積を防ぎます。
粗加工と仕上げ加工の分離
粗加工後に十分な時間を置いて応力を解放させてから仕上げ加工を行います。このプロセスは、大型部品や高精度が求められる部品に有効です。
5. 測定とモニタリング
残留応力の管理には、測定とモニタリングが欠かせません。
非破壊検査
- X線回折法や超音波法を用いて、材料内部の応力分布を確認します。
- 定期的な測定で問題を早期に発見できます。
加工中のリアルタイムモニタリング
- 加工中の温度や振動をモニタリングすることで、異常を検知し、早期に対処可能です。
まとめ
切削加工における残留応力は、製品の品質や寿命に大きな影響を与えるため、適切な対策を講じることが不可欠です。加工条件の最適化や熱処理、多段加工といった対策を組み合わせることで、残留応力を効果的に抑えることができます。また、非破壊検査やリアルタイムモニタリングを導入することで、より高度な品質管理が可能になります。
残留応力の管理を徹底することで、製品の信頼性と顧客満足度を高め、競争力を強化しましょう。
