皆さんこんにちは、アキヤマエヌシーテープセンターの秋山です。

今回は、切削時に材料の塑性変形がどのようにバリを生成するかを物理的に解明。バリを設計段階から抑えるための形状設計の指針を提案します。

設計者の皆さん、こんにちは。アキヤマエヌシーテープセンターの秋山です。皆さんは、部品の加工を依頼した際に、予期せぬ「バリ」の発生に頭を悩ませた経験はありませんか。「バリ取りの追加工数でコストが膨らんでしまった」「微細なバリが製品の性能や安全性を損なう原因になった」など、バリはものづくりにおける永遠の課題とも言えます。この記事では、なぜバリが発生するのか、その根本的なメカニズムを材料と工具の観点から解き明かし、設計段階からバリを抑制するための具体的なヒントをお届けします。

1. なぜバリは発生するのか？：材料の塑性変形という物理現象

まず、バリが発生する最も基本的な理由から見ていきましょう。多くの方が、切削加工を「刃物でスパッと綺麗に切り取る」イメージで捉えているかもしれません。しかし実際には、材料は単に切断されているのではなく、工具によって大きな力を加えられ、「塑性変形」という現象を起こしながら引きちぎられるようにして分離しています。塑性変形とは、材料が力を受けて変形した後、力を取り除いても元の形に戻らなくなる性質のことです。この、元に戻らない変形が加工面の端に残り、意図しない突起となったものが「バリ」の正体です。

2. 切削の瞬間に起きているミクロの世界

もう少し詳しく、工具の刃先で何が起きているかを見てみましょう。工具が材料に食い込んでいくと、刃先の前面では材料が強く圧縮されます。この圧縮力によって材料内部に応力がたまり、やがて材料が耐えられる限界を超えると、せん断変形が起こり、亀裂が発生します。この亀裂が進展することで、切りくずが本体から分離していくのです。しかし、特に工具が材料から抜け出る最後の瞬間、材料を支える部分がなくなるため、綺麗に分離しきれずに一部がむしり取られるように伸びてしまいます。この伸びて残った部分が、いわゆる「出口バリ」と呼ばれるものです。

3. バリの出方を左右する材料の特性

バリの発生しやすさは、加工する材料の特性に大きく依存します。ポイントとなるのは「延性」、平たく言えば材料の「粘り強さ」です。例えば、アルミニウム合金やステンレス鋼のように延性が高い材料は、粘りがあるため変形しやすく、大きく伸びてバリとなりやすい傾向があります。一方で、鋳鉄のように脆い材料（脆性材料）は、大きな変形をせずにポキッと割れるように分離するため、バリの発生は少なくなります。設計段階で材料を選定する際には、その材料が持つ機械的特性だけでなく、こうした加工性、特にバリの出やすさも考慮に入れることが重要です。

4. 工具形状がバリの大きさを決める

材料だけでなく、加工に使う工具の形状もバリの発生に深く関わっています。特に重要なのが、刃先の「すくい角」です。すくい角とは、切りくずが流れていく面の角度のことで、この角度が大きいほど刃先は鋭利になります。鋭利な工具は、材料を切り分ける際の抵抗が少なく、塑性変形を小さく抑えることができます。その結果、バリの発生も少なくなります。逆に、すくい角が小さい、あるいは摩耗して切れ味の鈍った工具は、材料を「切る」というより「押しのける」力が強くなり、より大きな塑性変形を引き起こし、大きなバリを生成する原因となります。

5. 設計段階でできるバリ対策：エッジ形状の工夫

では、設計者はこのバリ問題にどう立ち向かえばよいのでしょうか。最も効果的な対策の一つが、部品のエッジ形状を工夫することです。前述の通り、バリは工具が材料から抜け出るエッジ部分で特に発生しやすくなります。そこで、設計段階でこのエッジにあらかじめ「C面取り」や「R形状」を指示しておくのです。なぜこれが有効かというと、エッジを直角（90度）のままにするのではなく、鈍角にすることで、工具が抜け出る際の材料の変形を緩やかにし、引きちぎられるような破壊を防ぐことができるからです。このわずかな設計上の配慮が、後工程であるバリ取り作業の工数を劇的に削減し、コストダウンと品質の安定化に直接つながります。

6. まとめ：物理現象の理解が品質とコストを両立させる

ここまで、バリが材料の塑性変形という物理現象によって発生すること、そしてその発生が材料特性、工具形状、部品形状の相互作用によって決まることを解説してきました。バリは単なる「加工ミス」ではなく、切削という行為に伴う必然的な現象なのです。しかし、そのメカニズムを正しく理解すれば、闇雲に対策するのではなく、設計という最も上流の段階で、論理的にその発生をコントロールすることが可能になります。設計段階での小さな工夫が、最終的な製品の品質、コスト、そして納期を大きく改善する鍵となります。

7. 設計と加工の連携が生み出す価値

優れた製品は、優れた設計と優れた加工技術が一体となって初めて生まれます。設計者の皆さんが加工の原理を少しでも理解することで、加工現場とのコミュニケーションはより円滑になり、潜在的な問題を未然に防ぐことができます。逆に、私たち加工側も、設計者の意図を深く汲み取る努力が欠かせません。このように、設計と加工が互いの領域を理解し、連携を深めていくことこそが、お客様の要求を満たす最適なものづくりを実現する最短ルートだと考えています。


もし、設計や加工方法のことでお困りでしたら、私たちのような加工の専門家が、その知見を活かして何かお役に立てることがあるかもしれません。

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