金属加工・金属切削加工

金属の反り・歪みの種類と原因

2018.09.12

金属の反りと歪み

これらの変形は、加工中に熱や力を加えられることによって生じます。
メタルスピード(湯本電機)で行っている切削加工は、高速に回転する刃物で、もしくは高速で回転させた素材に刃物を当てることで素材を削り取っていく加工です。
刃物や素材に大きい負荷がかかる加工方法であります。

反りとは
文字通り材料が反ることです。
平らな台の上に置くと、加工物と台の隙間から光が漏れて見えることで微小な反りも確認することができます。

歪みとは
物体に外力を加えた際に生じる、伸び・縮み・ねじれなどの変化の割合のことです。
物体は加えられた外力に応じて伸びたり縮んだりと変形します。
例えば、金属の丸棒を引っ張ると、引っ張られた方向へ延びます。
このときの元の形状から変形した割合のことを歪みといいます。

歪みの種類

縦ひずみと横ひずみ
縦ひずみ・・・丸棒の長さ方向の伸び縮みの変化のこと。
横ひずみ・・・径方向の変化のこと。

静ひずみと動ひずみ
静ひずみ・・・時間的に変化が遅いひずみのこと。
       例)構造物の経時劣化によるひずみ等
動ひずみ・・・時間とともに変化するひずみのこと。
       例)ブレーキを掛けた時に車両が受けるひずみ等
ひずみと動ひずみの境目には明確な定義はありません。

残留応力

歪みの原因として残留応力があります。
残留応力とは、外力を除いた後も物体内に存在する応力のことをいいます。
通常は、物体の内側から外側に向かってかかる力と、外側から内側に向かってかかる力のバランスが取れていることで一定の形状を保っています。
このバランスが崩れると、より大きな力が加わっている方向へと変形が起きます。
加えられた外力が大きいほど残留応力が大きくなり、この残留応力が大きいほど変形も大きくなります。
素材にももともと素材形成時の残留応力が残っています。
そのため、加工する際には素材の残留応力にも気を配る必要があります。

反り・歪みが起きやすい加工

硬い材質
硬い材質は切削時に材料にかかる負荷が特に大きくなります。
負荷の大きさに応じて残留応力も大きくなるので、反りや歪みのもとになりやすい材質です。
ロックウェル硬さ表示でHRC60以上になると切削加工自体が難しくなります。

厚みの薄い形状
薄い形状への加工では、反りが出やすい加工です。
薄くなれば薄くなるほど反ります。
冶具で固定して削ったとしても、冶具を外せば反り・歪みを生じてしまうことがあります。

鋳造品
金属は熱すると膨張し、冷えると縮みます。
鋳造とは金属を高温で溶かし、鋳型に流し込んで形成する方法のことです。
形成する形状によっては、厚みや部位によって熱が冷える速度に差が生まれます。
肉厚の薄いところや表面は早く固まり、厚みのある部分や内部は冷えるのに時間がかかります。
冷えるのに時間がかかる内部が、周囲の母材を引っ張る向きに残留応力が残り、歪みが起こります。

溶接
局所的に加熱→冷却されることで生じる変化から、歪みが起こりやすい加工と言えます。
金属は加熱されると金属の原子間の結合力が弱まり、膨張します。
ところが周りの母材に固定されているので、原子間の結合力が弱い状態では変形は起こらず元の状態が維持されます。
形成するときに冷却されると、分子間の結合力が回復し収縮しようとします。
この収縮しようとする力が周囲の母材の拘束力を超えると、変形として現れます。
周囲の母材が変形しやすい柔らかいものであったり、薄い板材では座屈変形(波打つような形に変形)が発生します。
変形として現れなかった力は材料内に残留応力として残ります。
特にアルミ板の溶接による変形は、拘束力の作用しない面方向で角変形や曲がり変形が起こりやすくなります。
アルミ自体は溶接に不向きな材質ですが、溶接をすると歪みが発生しやすいので加工前に工夫が必要です。

ステンレス加工
ステンレス(SUS)は熱伝導性が非常に悪いという性質があります。
「ステンレス(SUS)の特徴 錆びない理由やその用途・メンテナンス)の記事参照)
通常、加工で発生した熱は加工物や削りカスに逃げて行きますが、ステンレスの場合は加工物側に逃げる熱の量が少なくなります。
その熱がチップの先端にたまり、工具摩擦によって切削抵抗が大きくなり、ますます加工熱が発生するという悪循環を招きます。
加工熱が大きくなると、工具の破損だけでなく、被切削物であるステンレスの歪みも大きくなります。


メタルスピード(湯本電機)では、こうした加工のトラブルを減らすべく、熟練の職人たちが日々加工方法に工夫を凝らしています。
アルミ加工、ステンレス加工、金属加工はメタルスピードにお任せください。 短納期で高品質の金属加工部品を大阪・東京より全国へお届けします。
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