CNC 加工の一種である CNC フライス加工は、多点フライス カッター ツールによる高い切断効率と精度により、製造業で一般的に使用されています。
ほとんどの人は、精密な物理的オブジェクトを作成するための 3D プリントの方が馴染みがありますが、CNC フライス加工ははるかに古くから存在しており、現在でも広く使用されています。 CNC フライス盤は 1952 年に初めて商業的に使用されました。それ以来、より複雑な機械の開発や自動化など、数多くの進歩が行われてきました。
この記事では、CNC フライス加工について詳しく説明します。フライス盤がどのように機能するか、どのような製品を生産できるか、そしてフライス加工が部品にとって正しい選択であるかどうかについて説明します。
CNC フライス加工は、回転スピンドルに取り付けられた切削工具がワークピースから材料を選択的に除去する製造プロセスです。この操作はコンピュータ数値制御 (CNC) システムによって自動化されています。 CNC 旋削加工（工作物が固定された切削工具に対して回転する）とは異なり、CNC フライス加工では、工作物は固定テーブルにしっかりと取り付けられます。しかし、最新のフライス盤では、このテーブルを直線的に移動したり、異なる平面上で回転したりすることができ、工具をさまざまな角度で作業できるようになります。
5 軸または多軸 CNC フライス盤などの高度な CNC フライス盤は、工具の傾斜やワークピースの回転を通じて機能を強化し、ワークピースを別の機械に移動することなく、複雑な形状をより正確かつ効率的に作成できるようにします。
フライス加工プロセスの完全な概要は、それがどのように機能するかの全体像を把握するのに役立ちます。一般的に、プロセスは以下の 3 つのステップに分類できます。
2D 図面または初期設計コンセプトが提供されると、エンジニアは Autodesk Inventor や SolidWorks などの CAD ソフトウェアを使用して部品の詳細な 3D モデルを作成します。この CAD モデルには、寸法、重要な特徴、公差、下書き線、ねじ山表示などの重要な詳細がすべて含まれています。 CAD ソフトウェアを使用すると、設計者は製造プロセスを開始する前に設計を効率的に視覚化し、分析し、改良することができます。
CNC フライス盤は CAD モデルを直接解釈できないため、これらのモデルをマシンと互換性のある形式に変換する必要があります。この変換は、CAD モデルを機械可読命令に変換する CAM ソフトウェアによって行われます。
CAD モデルを CAM システムにインポートすることにより、CNC プログラムが生成されます。このプログラムは、主に主軸速度、移動方向、切り込み深さなどの工具動作パラメータに焦点を当てた G コードと、工具交換、機械の電源オン/オフなどのさまざまなタスクを処理する M コードで書かれることがよくあります。およびその他の補助機能。
多くの CAM ソフトウェア パッケージには、設計者やエンジニアが CNC プログラムを検証し、意図したとおりに動作することを確認できるシミュレーション機能が含まれています。これは、実際の製造が開始される前に潜在的な問題を特定するのに役立ち、最終的には時間とリソースの両方を節約します。
オペレータは切削工具をスピンドルに取り付け、ワークピースをワークテーブル上にしっかりと配置します。次に、CNC プログラムをフライス盤にインポートし、フライス加工を開始します。最新のフライス盤は高度に自動化されており、多くの場合、自動工具交換装置 (ATC) が装備されており、手動介入なしで操作中に機械が工具を切り替えることができます。これにより中断が最小限に抑えられ、ダウンタイムが短縮されます。
望ましい結果に応じて、プロセスには複数のパスが必要になる場合があります。通常、最初の作業では大きな切削工具を使用して材料を素早く除去し、大まかな形状を実現します。後続の仕上げサイクルでは、より細かい工具とより遅い速度を使用して表面を磨き、部品を最終寸法、表面品質、必要な公差に近づけます。
CNC フライス加工は、さまざまな操作を実行してワークピースにさまざまな形状や機能を作成できる多用途のプロセスです。一般的な操作の種類をいくつか次に示します。
スラブミリングとも呼ばれるプレーンミリングは、作業テーブルと平行な平らな表面を加工するために使用されます。切削動作は主に円筒形カッターの円周上で行われ、幅広で平らな表面の加工に適しています。
正面フライス加工は平面フライス加工と似ていますが、通常は面 (底面) と円周 (側面) の両方に歯のあるカッターを使用します。この設計により、正面フライス加工で材料を効率的に除去し、優れた仕上げを備えた大きくて平らな表面を作り出すことができます。単独で、または平面フライス加工後に使用して、表面仕上げを改善したり、特定の輪郭を実現したりできます。
角度フライス加工では、シングル アングル カッターやダブル アングル カッターなど、特定の角度を備えたフライス カッターを使用して、ワークピースに角度のあるフィーチャを加工します。角度フライス加工によって生成される一般的なフィーチャには、ダブテール溝、面取り、およびワークピースの主軸に対して垂直でも平行でもない角度で配向された V 字型スロットが含まれます。
フォームフライス加工は、特別な形状のカッターを使用して、ワークピース上に輪郭、曲線、溝などの独特のプロファイルを 1 回のパスで加工するプロセスです。通常、歯車の歯や複雑な金型表面などの複雑な形状を作成するために使用されます。
これは、部品の側面の平坦な表面または傾斜した表面をフライス加工するプロセスを指します。通常、ワークピースの側面に沿って切断して、垂直面、角度のある面、または輪郭のある面を作成します。
スロッティングでは、ワークピースに狭いチャネルまたは溝を切り込みます。この操作には通常、エンド ミルまたはスロット カッターを使用して、直線、長方形、V 字形のスロットなど、さまざまな形状やサイズのスロットを作成することが含まれます。スロット フライス加工は、キー溝、ギアの歯、および正確で真っ直ぐな溝を必要とするその他の形状などの用途に広く使用されており、治具やボルトを固定するための T スロット フライス加工などの特殊な形状も含まれる場合があります。
ストラドルフライス加工は、カラーによって間隔をあけて同じアーバーに取り付けられた 2 つのサイドフライスを使用して、2 つの平行な表面を同時に加工する操作です。これは一般に、ワークピースの反対側を機械加工してそれらが平行であることを確認するために使用され、正方形または六角形の表面を作成するために適用されることがよくあります。
ギャングフライス加工は、複数のカッターを同じスピンドルに取り付けて、複数の表面またはフィーチャを単一パスで同時に加工するフライス加工操作です。この方法により、加工時間が大幅に短縮され、複雑な部品形状や複数の表面を処理できます。
CNC フライス加工は自動プロセスであり、一度セットアップすると数日間継続的に実行でき、 部品を一貫して効率的に生産します。デジタルテンプレートと自律加工の使用により、人的エラーが最小限に抑えられ、 非常に高い精度が得られます。最新のフライス盤はますます進歩しており、正方形、面取り、角度、スロット、 複雑な曲線や円形さえも作成できます。
さらに、CNC フライス加工は、金属、プラスチック、エラストマー、セラミック、複合材料など、 幅広い 素材 を加工できます。この多用途性により、CNC フライス加工はほぼあらゆる部品の製造に適しています。以下に典型的なアプリケーションの例をいくつか示します。
CNC フライス加工は、チタンやアルミニウムなどの材料を採用した多くの航空部品の製造に適用できます。これらの素材は軽量で耐久性があります。フライス加工プロセスは、精度と精度に対する厳しい要件を満たすことができます。エンジン部品、着陸装置部品、燃料パネルはこの技術によって製造されます。
自動車産業では、精度を損なうことなく効率を高める必要があるため、フライス加工が使用されています。したがって、このプロセスを使用して製造されるコントロールパネル、アクスル、自動車金型などの製品に適しています。
CNC フライス盤は高い汎用性と精度を備えているため、エレクトロニクス産業に最適です。 CNC フライス盤は、伝送に必要な導体と金属を成形するだけでなく、これらの導体を収容するポリマー基板も成形します。
CNC フライス加工により、メスやインプラントなどの医療機器の製造によく使用されるさまざまなグレードのチタンやステンレス鋼から部品を製造できます。プロテーゼなどの医療部品には、正確かつ独自の設計が必要です。したがって、このような部品には CNC フライス加工が適した方法です。
フライス加工は、精度、柔軟性、効率が高いため、プロトタイピングや金型の作成に最適です。 CNC フライス盤はさまざまな複雑な形状や材料を処理でき、正確な加工結果が得られます。これにより、設計者はアイデアを物理的なプロトタイプまたは金型に迅速に変換し、さらなる評価と最適化が容易になり、製品開発プロセスがスピードアップされ、製造コストが削減されます。
CNC フライス盤は汎用性が高いですが、制限もあります。おそらく最大の欠点はコストです。大量生産に適した最も基本的な CNC マシンであっても高価であり、マシンが高度になるにつれて、購入とメンテナンスの両方の面でコストは増加するばかりです。
もう 1 つの制限は、パーツのサイズと形状に関連しています。部品のサイズは CNC 機械の寸法によって制限され、形状は切削工具の物理的能力によって制限されます。たとえば、部品表面の下のアンダーカットや凹み領域などのフィーチャを実現するには、特別なツールや高価な多軸機械が必要です。
CNC フライス加工にも人為的ミスがまったくないわけではありません。これらのハイテク機械の操作にはスキルが必要であり、特定の作業用にフライス盤をセットアップするには時間がかかり複雑で、経験豊富なオペレーターが必要となる場合があります。
CNC フライス加工について一般的に理解できたところで、次の疑問が残ります。CNC フライス加工はプロジェクトにとって正しい選択ですか?決定に役立つ重要な側面を詳しく見てみましょう。
CNC フライス加工は、複雑で非対称な形状の作成に優れています。部品に複雑な形状、鋭角、または複数の表面の特徴がある場合は、CNC フライス加工が適している可能性があります。ただし、円形または対称の部品の場合は、CNC 旋削の方が効率的である可能性があります。
CNC フライス加工は小規模から中規模の生産に最適です。プロジェクトにカスタム部品、プロトタイプ、または数量限定が含まれる場合、CNC フライス加工が経済的で効率的なオプションと考えられることがよくあります。ただし、生産量が多い場合は、射出成形やスタンピングなどの他の方法の方がコスト効率が高い場合があります。
CNC フライス加工は多用途であり、金属、プラスチック、セラミック、複合材料などの幅広い材料に使用できます。プロジェクトでさまざまな材料を正確に切断する必要がある場合、CNC フライス加工が信頼できるソリューションとなります。
CNC フライス加工は高い精度と柔軟性を提供しますが、特に単純な設計や大量生産の場合、コストが高くなる可能性があります。プロジェクトの複雑さと必要な数量に基づいて、費用対効果の比率を比較検討することが重要です。
CNC フライス加工の主な強みの 1 つは、±0.01 mm (±0.0004 インチ) までの高精度と厳しい公差を実現できることです。ただし、許容値が高くなると、より多くのエンジニアリング リソースが必要になり、コストも増加するため、プロジェクトで実際にこのレベルの精度が必要かどうかを検討することが重要です。
CNC フライス加工が部品にとって正しい選択かどうかを評価するときは、特定の用途について考えてください。たとえば、部品がスタンドアロンであり、他のコンポーネントと統合する必要がない場合、極端に厳しい公差は必要ない可能性があります。このような場合、3 軸フライス盤を使用して標準化された公差を選択すると、よりコスト効率の高いソリューションとなる可能性があります。一方、プロジェクトに精度が最優先される航空宇宙、医療、自動車などの業界が含まれる場合は、たとえ最小の偏差であっても問題ありません。機能障害を引き起こす可能性があります。このような場合、多軸フライス盤を使用する方が適切な場合があります。
部品の公差要件が不明な場合は、経験豊富な CNC 加工パートナーと協力することで、正しい決定を下すことができます。プロジェクトの目的と仕様について詳細に話し合うことで、不必要な精度に過度の費用をかけることなく、理想的な許容差を決定できます。
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いくつかの CNC フライス盤から選択でき、それぞれが異なるタスクに適しています。デザインと機能に基づいて、主に次の 2 つのタイプがあります。
立形フライス盤では、切削工具を保持するスピンドルが垂直に向けられています。この構成により、加工中の視認性が向上し、小さな部品や細かい精度が必要な作業に最適です。垂直フライス盤は、より一般的なタイプの CNC フライスで、スロット切断、穴あけ、輪郭加工によく使用されます。
初期購入と継続的なメンテナンスの両方の観点から、設置面積が小さく、コストが低くなります。ただし、縦型ミルは非常に大きな部品や重い部品の処理に苦労する可能性があり、高精度は得られますが、大規模生産の場合は横型ミルよりも遅くなる可能性があります。
横型フライス盤は、縦型フライス盤と同じ操作の多くを実行できますが、構成が異なります。主軸は水平に配置されており、より重いワークの加工に適しています。水平スピンドルの安定性により重切削が可能となり、大量の材料を迅速に除去できます。このため、横型フライス盤は比較的単純な部品の大量生産に最適です。さらに、優れた切りくず除去能力により、より良い表面仕上げが実現され、工具寿命が延長されます。ただし、横型フライス盤は高価であり、小規模な機械工場では設置が困難な場合があります。
CNC ミルは、移動できる並進軸と回転軸の数 (自由度とも呼ばれます) によっても分類できます。 CNC フライス盤の一般的なタイプは次のとおりです。
3 軸フライス盤では、切削工具が X、Y、Z 軸に沿って移動できます。このタイプの加工は、初期コストが低く、使いやすいため、最も一般的です。ほとんどの標準的な形状を作成でき、プログラムと操作がより簡単です。動作が比較的単純であるため、複雑な形状を必要とせず、高い部品スループットとプロセス効率の恩恵を受ける多くのプロジェクトに適しています。
4 軸フライス盤は 3 軸フライス盤のすべての機能を備えており、A 軸として知られる 1 つの軸が追加されています。これにより、A 軸を中心に切断するためにワークピースを回転させることができます。これは、円筒またはピースの側面の周囲で部品を切断する必要がある場合に特に役立ちます。
これらの機械は 3 つの直線軸 (X、Y、Z) に沿って動作し、さらに 2 つの回転軸 (A、B、C 軸から選択) を追加して、機械ベッド、ツール ヘッド、またはその両方を回転させることができます。この機能により、複数のセットアップが不要になり、1 回のセットアップで 5 つの面の加工が可能になります。その結果、5 軸フライス盤は非常に複雑な形状を高精度で製造できるため、航空宇宙部品、チタン部品、医療機器、ガス タービン部品に最適です。
L線形軸:
CNC フライス盤の直線軸は、直線経路に沿った切削工具の移動を担当します。あなたが機械に向かうオペレーターであると想像してください。
回転軸:
フライス盤の種類に関係なく、標準の CNC フライス盤を構成する重要なコンポーネントは次のとおりです。
マシン ベッド:マシン ベッドは、マシンの他のすべてのコンポーネントが取り付けられるベースです。通常、安定した基礎を提供し、振動を吸収するために重い鋼鉄または鋳鉄で作られています。
ワークテーブル:CNC ミルのワークテーブルはマシン ベッド上にあります。加工中にワークピースを所定の位置に固定します。標準的な CNC ミルには X 方向と Y 方向に移動するワークテーブルが付いていますが、一部の高度な 5 軸 CNC ミルはベッドを回転させて、より高度な加工操作を容易にすることができます。
駆動コンポーネント:駆動コンポーネントは、さまざまな機械要素に電力を供給し、その動きを制御する役割を果たします。これらのコンポーネントには、サーボ モーターまたはステッピング モーター、ボールネジ、リニア ガイドが含まれます。サーボ モーターは、ドライバーを介して電気エネルギーを機械的な動きに変換し、機械の軸に沿ったワークテーブルまたはスピンドルの正確な動きを可能にします。ボールネジとリニアガイドにより、この動きがワークテーブルと切削工具に正確に伝達されます。
冷却システム:冷却システムは、冷却液 (通常は水溶性油や切削液などの液体) を切削領域に供給することにより、加工中の温度を調整するように設計されています。このシステムは、切削工具とワークピースから発生する熱を低減し、工具の摩耗やワークピースの熱変形を防ぎます。さらに、クーラントは切削ゾーンから切りくずや破片を洗い流すのに役立ち、全体的な加工品質を向上させ、工具寿命を延ばします。
スピンドル ：スピンドルには、ツール ホルダーが配置されるテーパー部分が含まれています。また、回転アセンブリと切削工具を取り付けるためのシャフトも含まれています。スピンドルは切削工具を所定の位置に保持し、動作中にその動きを制御します。
ツール ホルダー:ツール ホルダーは油圧を使用してスピンドルにクランプされ、ツールをクランプするように設計されています。
インターフェイス:CNC ミルのインターフェイスは通常、機械に取り付けられた画面と入力デバイス (キーボードやタッチスクリーンなど) で構成されます。このインターフェイスは機械を直接制御するために使用され、一部の基本的な CNC プログラミングもそれを通じて実行できますが、より複雑なプログラミングは通常オフラインで行われます。
CNC フライス盤の基本コンポーネントに加えて、高度な CNC フライス盤には、効率を大幅に向上させるさまざまな追加機器が組み込まれていることがよくあります。一般的なアドオンには次のようなものがあります。
自動工具交換装置 (ATC):自動工具交換装置は、加工プロセス中にさまざまな切削工具を自動的に切り替える装置です。工具を交換するために機械を手動で停止する代わりに、ATC は工具ライブラリから適切な工具を選択し、必要に応じてスピンドルに取り付けます。これにより、加工プロセスが高速化され、ダウンタイムが短縮され、より複雑な操作を手動介入なしで効率的に完了できるようになります。
切りくず管理システム:切断領域から切りくずや破片を効率的に除去するために、コンベアや送風機などの切りくず管理システムが追加されることがよくあります。これにより、作業エリアを清潔に保つことができ、CNC マシンを手動清掃のために頻繁に停止することなく継続的に稼働させることができるため、加工稼働時間が向上します。
ロボット アーム:ロボット アームは人間の腕の動きと機能を模倣し、原材料の積み込み、完成部品の取り外し、ワークピースの位置変更、治具や工具の交換など、さまざまな作業を自動化するために使用されます。ロボット アームを CNC 操作に統合することで、メーカーは反復的なタスクを自動化し、生産効率を向上させ、完全無人製造を可能にし、手動介入の必要性を減らすことができます。
お気に入りのコーヒーマグをキッチンの床に落とすことを想像してみてください。ここで、転倒後にスマートフォンの画面がクモの羽ばたき、または地震中の補強されていないコンクリートの壁がひび割れていることを想像してください。これらの日常の例は、警告なしに突然の破損につながる可能性のある物質的な特性であるBrittlenessを強調しています。安全性と信頼性のために重要な状態：建物、橋、または製品の脆い成分は、説明されていないと壊滅的に失敗する可能性があります。歴史は厳しいリマインダーを提供します。最も有名なRMSタイタニックは、極寒の大西洋の水域で脆くなり、曲げよりも衝撃に割れ、災害に貢献しています。エンジニアとデザイナーは、曲がったり引き伸ばされたりする延性材料とは異なり、脆いものがストレスの下でスナップする傾向があるため、脆性に細心の注意を払っています。 この投稿では、Brittlenessとは何か、それが硬度と靭性とどのように異なるかを探ります。また、ガラスや鋳鉄のような材料が脆弱である理由、およびエンジニアリングデザインでの脆性をテストおよび軽減する方法も説明しています。 brittlenessとは何ですか？ 材料科学の脆性は、事前にプラスチックの変形をほとんどまたはまったくない材料の骨折する傾向を指します。簡単に言えば、脆い材料は曲がったり、伸びたりすることはありません。壊れます。もろい物体を曲げようとすると、プラスチックの変形を起こすのではなく、すぐにクラックまたはスナップします。これはその反対です延性、故障する前に、重大なプラスチック変形（たとえば、ワイヤーに引き込まれたり曲がったりする）を維持する材料の能力。非常に延性のある金属（銅や金など）は曲がったり、伸ばしたり、かなり引き出したりすることができますが、脆性材料（ガラスやセラミックなど）が小さな弾性ひずみだけの後に骨折します。 骨格と延性、靭性、硬さ 脆弱性と延性を比較すると、骨折前に粗末に材料がどれだけの材料を変形できるかにかかっています。脆性材料は非常に低い延性を持ち、小さなひずみでそのブレークポイントに達します。延性のあるものは、重大な塑性変形を維持できます。金属では、一般的な経験則は、休憩時の伸長〜5％がしばしば呼ばれることです脆い、一方、〜5％が考慮されます延性（材料およびテスト依存性、セラミックとガラスは通常1％をはるかに下回っています）。実際には、脆い材料はほとんど警告を与えません。彼らはスナップする前に目に見えて曲げたり首を曲げたりしません。にストレス - ひずみ曲線、延性材料は、収量と長いプラスチック領域を示しますが、脆性材料は、最小限の可塑性で突然の骨折までほぼ直線的に弾力性があります。 タフネス破壊前に材料が吸収するエネルギーを説明します（ストレス - ひずみ曲線の下の領域）。通常、材料が高強度と良好な延性を組み合わせると増加します。それは、脆性の厳格な「反対」ではありません。ゴム製のタイヤは、変形して衝撃を吸収するため、困難です。アニールされたガラスは、柔軟に変形できないため脆く、鋭い打撃はそれをひび割れさせることができます。 硬度別の概念です。これは、ひっかき傷や局所的なインデンテーションに対する抵抗です。素材は非常に硬いが脆弱な場合があります。たとえば、ダイヤモンドは引っ掻きに抵抗しますが、可塑性の欠如は、鋭い打撃の下でチップまたは切断することができます。逆に、比較的柔らかいもの（ゴムのような）は、変形する可能性があるため、衝撃に対する亀裂に抵抗する可能性があります。要するに、硬度は局所的な変形に対する耐性に関するものですが、脆性は骨折の挙動を説明しています。 脆性材料の例とそれらがどのように失敗するか 多くの日常的および産業材料は、脆い行動を示しています。ここにいくつかの例があり、それらがストレスの下でどのように失敗するかを示します。 ガラス：普通のガラス（窓ガラスや飲料ガラスなど）は、古典的な脆性素材です。圧縮は非常に硬くて強いですが、引張ストレスや衝撃の下では、柔軟に変形することはできません。硬い床にガラスを落とすと、通常は大きな鋭い破片に骨折します。故障は亀裂の伝播によるものです。小さな欠陥または衝撃点が亀裂を開始すると、プラスチックの変形がほとんどなくガラスを通り抜けます。この脆弱性はその構造に由来します。シリカネットワークは硬くてアモルファスであり、金属とは異なり、ストレスを和らげるモバイル脱臼はありません。興味深いことに、特別な治療法は、ガラスの壊れ（たとえば、表面圧縮応力を導入するために熱処理することによって生成される強化ガラス）を変えることができますが、まだ脆弱ですが、小さくて鈍いダイイスのようなピースに壊れる傾向があります（したがって「安全ガラス」）。フロントガラスで使用されるラミネートガラスは、2つのガラスのプライをプラスチックの中間層（通常はPVB）に結合するため、亀裂が形成されると、層状層がピースを一緒に保持します。これらの処理は故障モードを緩和しますが、根本的にガラスは曲げずに割れて失敗します。 セラミック：セラミックも同様に脆いです。セラミックの花瓶を棚からノックすると、へこみではなくチップまたは粉砕されます。構造的には、セラミックはイオン的および/または共有結合されており、しばしば多結晶です（磁器にもガラスの相が含まれています）。たとえば、磁器プレートでは、原子格子は剛性です。ストレスをかけると、原子面は簡単に滑ることができません。イオン固体では、小さなシフトが同様の充電イオンを並べてもたらし、強く反発し、亀裂が開始されます。転位運動は制限されており、結合は方向性があるため、セラミックは硬度と圧縮強度が高くなりますが、緊張や曲げの下でスナップする傾向があります。それらが故障すると、骨折表面は通常きれいになり、結晶面に沿ってファセットされます（切断）。容量を超えて装填されたセラミックタイルは、体を突破し、清潔でガラスのような骨折で壊れる亀裂が発生し、実質的に目に見える収量はありません。 鋳鉄（特に灰色の鋳鉄）：鋳鉄は金属ですが、特定のグレードは脆いことがあることで有名です。古い鋳鉄製のエンジンブロックや鋳鉄パイプの亀裂を見たことがあるなら、脆性骨折を目撃したことがあります。灰色の鋳鉄（骨折表面の灰色にちなんで名付けられた）は、比較的高い炭素含有量を持っています。炭素は、鉄マトリックス全体に分布するグラファイトフレークを形成します。これらのフレークは内部亀裂と強いストレス濃縮器のように振る舞うので、金属は壊れる前にあまり伸びることはできません。その結果、鋳鉄は圧縮が非常に強い（均等にサポートされている場合）が、緊張や衝撃の下で突然故障する可能性があります。対照的に、延性（結節性）鉄は、グラファイトが誘導され、球状結節を形成する修正鋳鉄です（通常はマグネシウム処理を介して）。それははるかに脆く、粉砕するのではなく衝撃下で変形します。これについては、デザインセクションでさらに説明します。 コンクリート：コンクリートは固体で岩のように見えるかもしれません（そしてそれはそうです）が、それは脆い材料の別の例です。圧縮下では、コンクリートは非常に強く、非常に大きな負荷を運ぶことができます。ただし、緊張（引っ張ったり曲げたりする）では、単純なコンクリート亀裂が簡単に亀裂があります。セメントペーストとハードミネラル凝集体の混合は、粗末な流れる能力を備えた剛性マトリックスを形成するため、小さな張力株は微小亀裂を開いてすぐに合体します。そのため、鉄筋コンクリートが非常に一般的です。鋼鉄の鉄筋は、張力を運ぶように埋め込まれ、延性（および靭性）を加えるように埋め込まれています。鋼は、セクションを一緒に保持し、突然の脆性崩壊よりも警告を保持し、警告を提供し、徐々に拡大します。 その他の脆い材料：他にも多くの例があります。高炭素または高度に硬化したツール鋼は、和らげないと脆くなる可能性があります。より高い炭素と硬度が延性を低下させるため、曲がったときにファイルまたは非常に硬いナイフブレードがスナップする場合があります。鉛筆の「鉛」のように、グラファイトは脆弱です。その層状構造により、平面がスライドしてマークを残すことができますが、スティックは控えめな力の下で簡単に壊れます。一部のポリマーも脆いです。ポリスチレン（使い捨てのカトラリーや古いCDのケースで使用される剛性プラスチック）は、曲がるのではなくスナップする傾向があります。 なぜいくつかの材料が脆弱なのですか？ 脆性を理解するために、マイクロスケールと原子スケールの材料内で何が起こるかを見るのに役立ちます。材料は原子結合と微細構造が異なり、これらの違いはストレスへの反応を決定します。 結晶金属では、非局在化された金属結合とモバイル脱臼は通常、プラスチックの流れを可能にします。スリップが簡単な場合、ストレスの再分配と亀裂のヒントが鈍化します。結合が非常に方向性がある場合、またはクリスタルが動作可能なスリップシステムをほとんど提供していない場合、可塑性は制限されています。亀裂が核形成して伝播するまでストレスが集中します。 次に、微細構造がその亀裂がどのように成長するかを決定します。鋭い包含物、硬い第2フェーズ、毛穴、または弱いインターフェイスは、亀裂の発射サイトと経路として機能します。温度とひずみ速度も重要です。温度の低下またはひずみ速度が高いと、可塑性が削減され、脆性骨折に向かって挙動が押し上げられます。環境はバランスを傾ける可能性があります。原子の水素は亀裂を加速しますが、穀物結合の分解（例えば、顆粒間腐食や不純物の分離など）は境界に沿った凝集を減らします。 簡単に言えば、プラスチックの宿泊施設が希少で亀裂運転部隊が支配しているときに、脆性が現れます。材料が脱臼を自由に動かしたり、亀裂先端でエネルギーを消散させたりできない場合、故障は突然であり、ほとんど警告を与えません。 脆性を測定またはテストする方法は？ Brittlenessは、ストレス下での材料の挙動に関するものであるため（変形がほとんどなく破壊）、密度や融点のように調べることができる単一の「Brittleness Number」はありません。代わりに、エンジニアは、延性、骨折の靭性、衝撃エネルギーのテストを使用して間接的に特徴づけています。 脆性挙動を測定する標準的な方法の1つは、引張試験です。ストレスと緊張が記録されている間に犬の骨標本が引っ張られ、ストレス - ひずみ曲線が生成されます。脆性応答は、低い領域では、ほとんどまたはまったく降伏領域を持つ、突然の骨折へのほぼ線形の弾性経路です。 2つのクイックインジケーター - 破損時のエリアと面積の削減 - は、延性の尺度です（そして、brittle性を反比例させます）。脆い材料は、低い伸長と面積の最小限の減少を示します（ネッキングはほとんどまたはまったくありません）。金属の場合、テストのセットアップとレポートはASTM E8に従います。 Charpy V-Notch Impact Testでは、振り子が揺れ動く棒が打たれ、振り子エネルギーの損失（スイング高さの変化による）がジュールの吸収エネルギーとして記録されます（j）。低吸収エネルギーは、脆性反応を示します。高エネルギーは靭性を示します。結果は標本のサイズとノッチのジオメトリに依存するため、シャルピーエネルギーは、基本的な材料定数としてではなく、比較と温度研究に最適です。複数の温度でテストを実行すると、延性から脆性の遷移がマッピングされます。エンジニアは骨折の表面も読みます。明るい、ファセット/切断の特徴は脆性骨折を示唆していますが、鈍い繊維状の外観は延性があることを示します。 もう1つの重要な尺度は、平面鎖骨折の靭性です（kIC）、亀裂の成長に対する材料の抵抗を定量化する骨折 - 機械的パラメーター。これは、事前に砕いた試験片の精度テストから決定され、亀裂が伸び始めた臨界応力強度係数を表します。脆性材料は低いkですICしたがって、欠陥の耐性が低いため、極端な亀裂は比較的低いストレスで故障を引き起こす可能性がありますが、丈夫で延性のある材料はkが高いですIC亀裂を鈍らせたり逮捕したりできます。エンジニアは、骨折データを使用して、許容される欠陥のサイズを設定し、突然の骨折に対して設計します。 デザインの脆性障害を防ぐ方法 脆性性は突然の壊滅的な失敗につながる可能性があるため、エンジニアはそれに対処するための戦略を開発しました - 異なる材料を選択するか、材料と設計を変更して脆性行動を危険にさせることにより。 材料の選択と治療 脆性の故障を避ける最も簡単な方法は、緊張、曲げ、または衝撃の部品に対してより延性のある材料を選択することです。構造設計者は、しばしば、壊れる前に屈服して曲がる鋼またはアルミニウム合金を好みます。高い硬度、高温能力、または特定の電気挙動などの特性が必要な場合（本質的に脆性オプション（技術セラミック、ディスプレイガラスなど）を指定する必要があります。鋼では、消費されている高炭素微細構造は非常に硬いが脆い。強化は、タフネスの大きな利益と少し硬く取引します。鋳鉄は別のケースを提供します。灰色の鉄はフレークグラファイトのために脆い。少量のMgまたはCEを追加すると、紡錘体グラファイトを備えた延性（結節性）鉄が生成され、ストレス濃度が低下し、延性と耐衝撃性が著しく改善されます。 複合材料 脆性マトリックスとより延性のある相を組み合わせると、靭性が高まります。鉄筋コンクリートのペアコンクリート（脆性）で鋼鉄鉄筋（延性）を備えているため、セクションが緊張を運び、突然の崩壊を避けることができます。同様に、繊維強化ポリマーとセラミックマトリックスコンポジット埋め込みガラス、炭素、またはアラミド繊維を埋め込む亀裂、偏向、引き抜き、亀裂の成長に必要なエネルギーを増加させます（骨折の靭性が高くなります）。 ジオメトリと安全因子を設計します 鋭い角とノッチを避けることにより、ストレス濃縮器を減らします。寛大なフィレットを使用してください。荷重が最も高い厚さまたはrib骨を追加します。薄いガラスシートは、厚いペインよりもはるかに簡単に壊れます。セラミックとガラスの場合、表面圧縮を誘導する（たとえば、焼き戻し）は、亀裂を開始するためにより高い引張応力を必要とすることにより、明らかな靭性を高めます。脆性部品はほとんど警告を与えないため、設計者はより高い安全因子を使用し、定期的な検査をスケジュールします。たとえば、航空宇宙では、脆弱な方法で動作できるコンポーネントは、X線または超音波で内部亀裂をチェックします。 環境制御 温度と環境は、材料がどのように変形し、骨折するかを変えます。低温で合金が脆くなった場合は、最小サービス温度を設定するか、寒冷気候のために延性から脆性への移行温度が低いグレードを選択します。同様に、水素のピックアップがリスク（高強度鋼の水素包含）である場合、充電を最小限に抑える予防コーティングとプロセスを使用し、吸収された水素を追い出すためにベイクアウト（熱排除）を実行します。 […]
精密加工は、最先端のCNCマシンを使用して、非常に緊密な寸法許容範囲と優れた表面仕上げを備えたコンポーネントを生成する重要な製造プロセスです。これらの部品は、形状だけでなく、信頼できる機能、正確なフィット感、再現性のためにも設計されています。
プラスチック製造では、熱可塑性科学と熱硬化細胞は、射出成形、CNC加工、3D印刷、および押し出しで一般的に使用される2つの主要なプラスチック材料です。どちらもポリマーで作られており、これは長くて繰り返される分子の鎖で構成されています。顕微鏡の下では、熱可塑性は絡み合った自由に流れるロープのように見えますが、熱セットはしっかりと織られたネットワークに似ています。
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