1. 加工ひずみとは？
加工ひずみとは、金属や樹脂などの材料を加工する際に発生するひずみ（変形）のことを指します。機械加工、塑性加工、溶接などの過程で、材料に内部応力が生じ、寸法精度や強度に影響を与えることがあります。
加工ひずみは、材料の種類や加工方法によって発生の仕方が異なり、適切な対策を取らないと製品の品質低下や破損の原因となることがあります。そのため、製造現場ではひずみの発生要因を正しく理解し、適切な管理を行うことが重要です。
2. 加工ひずみが発生する主な原因
加工ひずみはさまざまな要因によって発生しますが、主な原因は以下の通りです。
(1) 機械加工によるひずみ
機械加工では、工具による切削や研削の際に、材料の内部に応力が発生します。特に以下のような要因がひずみの原因となります。
- 切削や研削時の熱による材料の膨張・収縮
切削工具が材料を削る際に摩擦熱が発生し、局所的に高温になります。その後、急激に冷却されることで材料の寸法変化が生じ、ひずみが発生します。 - 工具の切削抵抗による内部応力の発生
切削工具が材料に力を加えることで、内部応力が発生し、ひずみにつながります。 - 不適切なクランプや固定方法による変形
加工中の固定方法が適切でないと、加工後に材料が元の形状に戻ろうとする力が働き、ひずみが発生します。
(2) 塑性加工（鍛造・圧延・曲げ加工）によるひずみ
塑性加工では、材料に強い圧力を加えて成形するため、以下のような要因でひずみが発生します。
- 局所的な応力集中による変形
特定の部位に大きな力が加わると、応力が集中し、その部分にひずみが生じます。 - 加工硬化による内部応力の蓄積
金属は繰り返し加工されると硬化する特性があり、加工硬化が進むと内部応力が高まり、最終的にひずみが発生します。 - 加工中の温度変化による影響
高温で加工した材料が急冷されると、温度差によるひずみが発生します。
(3) 溶接によるひずみ
溶接加工では、高温で材料を溶融し、冷却する過程でひずみが発生しやすくなります。
- 溶接熱による膨張と冷却収縮
溶接時に局所的に加熱され、冷却する際に収縮することでひずみが発生します。 - 溶接順序や方法の影響
適切な溶接順序を考慮しないと、不均一な応力分布が生じ、ひずみが大きくなります。 - 溶接後の残留応力
溶接が完了した後も、材料内部に応力が残ることで、時間の経過とともに変形することがあります。
3. 加工ひずみの影響
加工ひずみが発生すると、以下のような問題が生じる可能性があります。
- 寸法精度の低下
製品の寸法誤差が大きくなり、設計通りの仕上がりにならない。 - 強度の低下
内部応力が残ることで、材料の強度や耐久性が低下する。 - 組立不良
部品同士が正しく組み合わず、機械や製品の性能に影響を与える。 - 疲労破壊のリスク増加
ひずみが大きいと、応力集中が発生し、繰り返し荷重による疲労破壊のリスクが高まります。
4. 加工ひずみを抑える対策
加工ひずみを最小限に抑えるためには、以下の対策が有効です。
(1) 加工条件の最適化
- 切削速度や送り速度を適切に設定する
適切な加工条件を設定することで、熱や応力の発生を抑えることができます。 - 切削液を使用し、発熱を抑える
切削液を適切に使用することで、熱の発生を抑え、ひずみを軽減できます。 - 工具の選定と適切な刃先角度を考慮する
最適な工具を選択し、切れ味を維持することで、ひずみの発生を最小限にできます。
(2) 残留応力の緩和
- 焼鈍や低温焼鈍を行い、内部応力を除去する
金属材料の場合、熱処理を行うことで内部応力を除去し、ひずみを抑えることができます。 - 溶接後の熱処理を実施する
溶接後に適切な熱処理を行うことで、溶接ひずみを低減できます。 - 時間をかけて材料を自然時効させる
材料を一定期間放置することで、内部応力が均等になり、ひずみを抑えることができます。
(3) クランプ・固定方法の工夫
- 加工時の固定方法を見直し、応力を均等に分散させる
適切なクランプ方法を採用することで、ひずみを抑えることができます。 - 曲げ加工時に適切な押さえ治具を使用する
適切な治具を使用することで、均一な力を加え、ひずみを軽減できます。
(4) CAD/CAMの活用
- シミュレーションを活用し、加工プロセスの最適化を行う
デジタルシミュレーションを活用することで、ひずみを予測し、最適な加工方法を検討できます。 - ひずみを考慮した設計を行う
設計段階でひずみを考慮することで、最適な形状を決定できます。
5. まとめ
加工ひずみは、金属加工や溶接などの過程で避けられない現象ですが、適切な加工条件の設定や熱処理の活用によって、その影響を最小限に抑えることができます。製造現場での正しい管理が、高品質な製品作りにつながります。
