切断加工と剪断加工の違い、特徴、注意点

 切断と剪断の違いと種類

切削加工とは、被加工物を切断し、異なる物体に分離することを指す。切断は、製造業だけでなく、私たちの日常生活でも最も広く使われている加工方法のひとつである。また、切断と似た言葉に剪断があります。ここでは、切断と剪断の違い、切断加工の種類について紹介する。

• 切断と剪断の違い

カッティングとは、何かを切る、切り離すという意味である。つまり、切断とは加工物を切り離すことである。切断には、のこぎりのような工具を使って切断する方法や、電気アークを使って材料を溶かす方法など、さまざまな方法がある。シャーリングはこれらの切断工程のひとつである。

剪断とは、間隔が狭く、反対向きの一対の横方向外力の作用下で、外力の方向に沿って部品の断面が変位・変形することを指す。変形できなくなると破壊的切断が始まり、これが剪断の作業原理である。最も身近な剪断工具のひとつは「はさみ」で、紙に対して上下に力を加えることで紙を剪断する。

• 切断加工の種類と特徴

切削加工は、切削に使用する工具によって以下の5種類に分類される。

ガス切断： ガスの燃焼によって発生する熱を利用して、鋼材を溶かしたり切断したりする。ガスカッターを使用する場合は、溶接と同様にアセチレンなどのガスを燃焼させ、炎の熱で材料を溶かす。反射材や厚板を切断できるという利点がある。その反面、900℃近い高温を必要とするため、熱変形や材料の劣化を引き起こす可能性がある。また、ステンレスやアルミなど酸化しにくい素材は切断できないというデメリットもある。

機械的切断： 工作機械の機械的な力を利用して切断する方法。使用する機械によって様々な切断方法があるが、切断と剪断が主な方法である。切断は、グラインダーなどの工具を使って材料を少しずつ削っていく。シャーリングはプレス機やシャーリングマシンを使って行う。切断もシャーリングも切断スピードが速いという利点がある。カッティングはかなり厚いものも加工できるが、シャーリングはあまり厚いものは加工できない。

ウォータージェット： 細いノズルから水または水と研磨剤の混合液を噴射して材料を切断する方法を指す。加工時に熱が発生しないため、チタンなど他の方法では切断が難しい素材も加工できる。水に濡らせない材料は加工できない。

アーク切断（プラズマ切断）： 放電時に発生するアーク（プラズマ）の熱を利用して、材料を溶かして切断する方法。ワークと電極の間にアークが発生するため、導電性の材料しか切断できない。一方、ステンレスやアルミなど、ガス切断では加工できない素材も加工できる。また、厚い材料も切断でき、ガス切断やレーザー切断に比べてランニングコストが安いという利点がある。

レーザー切断： レーザー光線をレンズで集光し、その熱で材料を溶かして切断する。レーザーは光と同じ性質を持っているため、以前は研磨材やステンレスなど光を反射しやすい素材の加工は難しかった。しかし、近年はそうした素材も加工できる機械が増えている。複雑で精密な形状を美しい切断面で加工できるのがメリットだが、機械が高価で厚い素材は加工できないというデメリットもある。

• シャーリングの種類と特徴

剪断は切断の一種ですが、剪断加工にはさまざまな種類があり、工程や目的によって使い分けられます。ここでは、代表的なシャーリング加工を5つ紹介する。

シャーリング（切断）： 大きな材料（コイルや切断された長さのある材料など）から材料を加工しやすい所定の大きさに切り離す工程。木板を生産に使用する加工機に適した大きさに切断する工程と考えることができる。主にシャーリングマシンと呼ばれる機械を使用する。比較的加工費が安いのが特徴だが、厚みのあるものは加工しにくい。

型抜き（スタンピング）： 型抜きはその名の通り、金属板から目的の形状を打ち抜く工程である。スタンピングの基本とも呼ばれる。紙をアーカイブするための穴あけに似ている。型抜きは金型を使用するため、同じ形状の製品を大量生産するのに適しています。

ノッチング（パンチング）： 金属板の端の一部だけを切り落として切り欠き形状にする加工。他の加工と異なり、部分的に切断するのが特徴である。打ち抜き加工後に切り欠き形状のみを追加する場合や、モーターコアのように切り欠きの多い形状を作る場合に適している。

エッジ処理（トリミング）： 画像の「トリミング」のように、ワークの外周の余分な部分を切り取ること。通常、トリミングは他の工程を経た製品に対して行われ、どの工程でトリミングを行うかがコストダウンのポイントになる。

スプリッティング： 分割は剪断とよく似ているが、その特徴は分割された部分の間に余分な材料が捨てられることである。これはおにぎりの包装フィルムのようなものだ。上部のテープを引っ張ると、真ん中のフィルムが細く切れ、左右に分かれる。

 シャーリング用機械 4台

シャーリングは、切断の分類では機械的切断に属する。そのため、シャーリングには様々な機械が使用される。ここでは、シャーリングに使用される主な機械の種類とその特徴を紹介する。

シャーリングマシン

シャーリング・マシンは、はさみのように上刃と下刃の間で材料を剪断する機械である。パンチング・マシンの仲間である。ハサミで紙を切るように、薄すぎたり柔らかすぎたりする材料は、刃の隙間に沿って変形してしまい、剪断することができない。また、厚すぎる素材は剪断抵抗が大きく、切断することができない。切断できる厚さは素材によって決まる。

プレス機

パンチングマシンとは、プレス加工に使用される機械で、金型を使ってシート状の素材をクランプし、高い圧力を加えて変形させる。使用する金型によって、切断、打ち抜き、曲げなど様々な加工を施すことができる。また、スタンピングだけでなく、ノッチング、トリミング、スプリッティングなども行うことができる。専用の金型を使用するため、同一形状の製品を大量生産するのに適しており、熟練工を必要とせず高精度な加工ができる。

タレットパンチプレス

タレットパンチプレスは、ユニバーサルダイを使用して加工できるプレスの一群である。ユニバーサルダイとは、主に穴型（丸穴や角穴など）のことで、これを至近距離で連続的に打ち抜き、様々な形状に加工します。主にブランキングや穴あけ加工に使用される。ユニバーサルダイを使用するため、小ロット多品種生産から大ロット生産まで対応できる。

ファインブランキングプレス

ファインブランキングプレスもスタンピングマシンの仲間で、精密シャーリングに使われる機械の一つである。シートを上下からクランプし、プレスが必要な部分と不要な部分に圧力をかけ、シートを打ち抜く。シートを強力にプレスするため、ステンレスのような加工が難しい素材でも高精度に打ち抜くことができる。自動車精密部品の加工方法の一つとして、その利用が拡大している。

 

 切断時の注意事項

板材の切断・剪断加工には、加工メカニズムの違いによって注意しなければならないことがある。以下は、切断・剪断の際に注意が必要な事項である。

• 切断時の注意

切断の際には、板厚に注意する必要があります。基本的に厚くなればなるほど、切断時の加工は難しくなる。鋼材の場合、加工しやすい板厚は以下の通りです：

鋼板：厚さ13mm以下

アングル・スチール：厚さ13mm以下

丸鋼：ロッド径13mm以下

• シャーリングに関する注意事項

シャーリングも切断の一種だが、加工できる板厚は薄くなる。

鋼板：厚さ9mm以下

アングル・スチール：厚さ9mm以下

丸鋼：ロッド径10mm以下

また、剪断加工では、断面精度と剪断力を加えるツール（パンチとダイ）のクリアランスに注意しなければならない。例えば、厚い材料を加工する場合は、薄い材料を加工する場合よりもパンチとダイのクリアランスを大きくする必要がある。しかし、クリアランスが大きいと、剪断時の段差変形が大きくなる。また、バリが発生することもあり、剪断後に研削やバリ取りが必要になることもある。

要約する

切断とは材料を切ることであり、シャーリングは切断の一種である。剪断とは、材料に対して上下にずらした力である剪断力を利用して材料を切り離す方法である。切断方法には、ガス切断、機械切断のほか、アーク切断、レーザー切断などがある。剪断には、シャーリング、型抜き、ノッチング、トリミング、スプリッティングなどがある。シャーリングによく使われる装置には、シャーリングマシン、パンチングマシン、タレットパンチングマシン、ファインブランキングプレスなどがある。切断を行う際には、シートの厚さに注意する必要がある。一般的には、最大13mmまでと考えることが推奨されている。