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切断という概念は、人類が発見した最も初期の、そして最も深遠な種を定義づける考えの一つです。鋭利な刃物の使用は、人類が周囲を征服するための基礎となってきました。良くも悪くも、それによって環境を利用し、原材料を加工して、さらに我々の自然な能力を高めるツールや物を作り出すことができるようになりました。
切断は我々の生活に密接に織り込まれており、今日でも人類文明を変革し続けています。人類が鋭利な物を使用した最初の記録は、約260万年前の前期旧石器時代にまでさかのぼります。
ホモ・ハビリスとして知られるこれらの初期の人類は、考古学者によってチョッパーと呼ばれる原始的な形の石器を使用していました。これらは、ハンマーストーンを使って小石の片面を特徴的に剥離して鋭利な刃を形成することで作られました。
これらの原始的な手持ち石器によって、初期の人類は肉や動物の皮、毛皮を切ることができるようになりました。しかし、さらに重要なのは、木工を通じてより高度な道具を作る能力を初期の人類に与えたことです。
切断は、我々が経験する中でも直感的な形態の物質操作の一つです。最も基本的な形では、高度に方向性のある力を加えることによって物理的な物体を分離することです。この切断力を効果的にするためには、力を加えるために使用する道具が、切断される材料よりも局所的な変形に対して抵抗力が強くなければなりません。
つまり、効果的に道具の力を伝えるためには、切断工具は切断される材料よりも硬くなければならないのです。切断工具が材料にせん断力を加えると、工具の接点で応力が蓄積し始めます。
これが増加するにつれて、材料は変形し始めます。この力がある一定の点を超えると、材料の弾性限界を超え、変形は永久的になります。この閾値を超えると、材料は最終強度に達し、構造的な破壊を起こします。
人類の切断工具における次の大きな進歩は、石器時代から青銅器時代への移行期に起こりました。紀元前6000年頃から始まった銅器時代として知られるこの移行期に、人類は銅の製錬実験を始めました。
銅は比較的低い融点と柔軟性を持ち、ナイフや斧などの鋭利な刃を持つ道具に成形しやすかったです。また、非常に豊富で、純粋な形で地面から拾えることもよくありました。
初期の金属細工師たちは、合金化のプロセスを実験し始めました。合金化とは、複数の金属を正確な組み合わせで溶かし合わせて、合金として知られる特定の材料を形成することです。
最終的に、銅にスズなどの金属を加えることで、青銅として知られるより硬い合金ができることが発見されました。紀元前3300年から1200年頃に起こった青銅器時代は、人類が初めて金属道具を広く使用した時期を示しています。
青銅製の切断工具や武器は簡単に鈍くなり、腐食しやすかったものの、その鋭さと薄いデザインは石刃の道具よりも優れていることが証明されました。
青銅器時代の技術的に顕著な特徴の一つは、冶金学の出現でした。金属の物理的および化学的挙動を研究することで、金属をベースとする材料の特性を用途に合わせて修正することができるようになりました。
例えば、切断工具には硬度、衝撃に対する抵抗力または靭性、高い耐摩耗性が必要です。金属の物理的特性を操作する鍵は、その微細構造にあります。
原子レベルでは、金属の原子は結晶格子と呼ばれる秩序ある三次元配列に並んでいます。しかし、この結晶格子は決して材料全体に及ぶことはなく、金属が液体から固体の結晶相に変化する際に小さな構造として成長します。
これらは結晶粒として知られ、それぞれがかなり一貫した配列パターンを持っていますが、通常そのパターン内に不規則性を伴って形成されます。結晶粒内の不規則性が結晶格子内の原子の全平面の不整合を引き起こすような構造の乱れを生じさせると、転位として知られる欠陥が生じます。
力が加わると、転位は原子の平面が互いにすべり、再調整するメカニズムを提供します。この構造のシフトが材料を横断することで、金属が塑性変形し、永久的に変形する原因となります。
合金化は、転位が広がるのを止める一つの方法です。合金では、ベース金属の構造内の一部の原子が、溶質として知られる合金元素の原子に置き換えられます。
添加された原子は、ベース金属とは異なる結合特性を持ち、結晶粒の不規則性にある余分な原子を引き付けたり、反発したりして、その場所に固定し、転位の移動を止めることができます。
転位はまた、結晶粒界と呼ばれる結晶粒間の領域によっても妨げられます。転位はもはやこの境界を越えて不連続な結晶粒構造に移動できないため、金属内の結晶粒サイズを制御することで、その硬度を制御することができます。
結晶粒が小さいほど結晶粒界が多くなり、転位が材料全体を移動しにくくなり、硬度が増します。材料内の結晶粒のサイズと数は、通常、結晶化の速度を制御することで操作されます。この過程では通常、熱処理技術が使用されます。
加工硬化または冷間加工は、金属をより硬くするもう一つのプロセスです。この技術は、材料の意図的な塑性変形に依存しています。金属が塑性変形すると、転位が移動し、追加の転位が生成されます。
材料内の転位が多いほど、それらはより多く相互作用し、固定またはもつれ合います。これにより、転位の移動性が低下し、材料が硬化します。加工硬化は転位をより多く作り出すことに依存しているため、原子が再配列して過程を元に戻すことができないほど低い温度で行わなければなりません。
青銅器時代の終わり頃、炉の設計の進歩により、より多くの酸素を供給して高温を生み出すことができるようになりました。ブルーマリーとして知られるこれらの製錬炉は、鉄を処理することができるようになりました。
酸化鉄鉱石から使用可能な金属を抽出することは、銅やスズの製錬よりもはるかに困難でした。鉄の初期の魅力は、その豊富さと単一の用途による経済的な実行可能性にありました。
非常に高温では、鉄は炭素を吸収し始めます。炭素含有量が約2.5%から4.5%になると、銑鉄が形成されます。銑鉄は高い炭素含有量のため脆くなり、加工や成形には理想的ではありません。
ブルーマリーは一般的に、鉄を完全に溶かさずに、結晶化温度以上で熱間加工することでこれを緩和しました。ブルームは機械的に鍛造されて固められ、成形され、不純物をスラグとして排出する過程で形を整えられました。
冶金学者たちは、鉄の高炭素含有量が脆さの問題の根源であることに気づくにつれ、鉄をより加工しやすくするために炭素含有量を減らすためのより実用的な方法を実験しました。
炉技術の次の発展は溶鉱炉でした。溶鉱炉は鉄鉱石を完全に溶かして銑鉄を大量に作ることができました。銑鉄は通常、インゴットに鋳造され、さらなる加工のための中間材料として使用されました。
溶鉱炉は鉄の生産を劇的に増加させ、中世のヨーロッパで非常に一般的になりました。18世紀後半までに、製鉄業者たちは、パドル炉を使用して鋳造された銑鉄を低炭素含有量の錬鉄に変換する方法を学びました。
炉は溶融鉄を加熱し、パドラーが長いL字型の道具を使ってかき混ぜる必要がありました。これにより、酸素が溶融銑鉄と結合し、ゆっくりと炭素を除去することができました。この過程で鉄の塊が炉内に蓄積していきました。
パドル炉は、低炭素で脆いが非常に鋳造しやすく耐摩耗性の高い鋳鉄を生産するのに使用することができました。これらの特性により、19世紀の産業化する世界で鋳鉄が主要な構造用金属となりました。
鉄の炭素含有量が2%未満に減少すると、合金鋼が形成されます。全体的に、鋼は鉄よりもはるかに強く、硬いですが、はるかに脆くありません。その特性は、マンガン、クロム、バナジウム、ニッケル、タングステンなどの元素と合金化することで、さらに用途に合わせて変更することができます。
19世紀後半まで、人類はパドル炉の登場にもかかわらず、鉄から炭素を除去することの困難さのため、ごくわずかな鋼しか生産していませんでした。鉄鋼業は非効率な生産プロセスに悩まされ、鋼は構造用途には高価で未検証の金属でした。
2人1組で作業する場合、パドラーと助手は12時間のシフトで約1500kgの低炭素鉄しか生産できませんでした。さらに、激しい労働、熱、煙のため、パドラーの平均寿命は非常に短く、ほとんどが30代で亡くなりました。業界全体が自動化の欠如に苦しんでいました。
1856年、エンジニアのヘンリー・ベッセマーは、炭素含有量を減らすために溶融鉄に酸素を導入するより効率的な方法を考案しました。ベッセマー法として知られるこの技術は、溶融金属に酸素を吹き込み、炭素を二酸化炭素に変換しました。
このプロセスは安価で効果的でしたが、過度に攻撃的でした。後に、正しい炭素レベルを維持しながら不純物を減らすのに役立つスピーゲル鉄マンガン合金の添加によって改良されました。
ベッセマー法のその他の後の改良には、プロセスからリンを除去するのに役立つ石灰石の添加が含まれ、生産される鋼の脆さをさらに減少させました。
この革新により、鋼の生産コストが劇的に減少しました。1867年から1884年の間に、鋼のレールの価格は80%以上下落しました。この新しい技術の結果として、世界の鋼鉄産業の成長が始まりました。
1900年までに、ベッセマー法は、ドイツの技術者カール・ウィルヘルム・シーメンスによって開発されたより効率的な平炉法に取って代わられました。この新しい技術により、1基の炉で100トンもの量を製造することが可能になりました。
鋼鉄産業の爆発的な成長は、1901年に世界初の10億ドル以上の価値を持つ企業、アンドリュー・カーネギーのUSスチール社の誕生に直接つながりました。
産業化する世界が金属を主要な工学材料として使用するようになるにつれ、金属を成形し形作る新しい技術のクラスが進化し、それらはすべて切断のプロセスに完全に依存していました。
柔らかい有機材料に鋭い刃を使用する場合とは異なり、金属を効率的に切断するには、高レベルの剛性、精密な制御、そして大量の力が必要です。
この問題に対処するため、工作機械として知られる装置が開発されました。これらは、切れ刃に力を非常に制約された方法で加えながら、工作物を剛性的に保持することができます。
最初の原始的な形態の工作機械は、完全に手動で動かす回転に基づいていました。弓旋盤は、木や一部の軟質金属のような柔らかい材料を回転させながら、または旋削しながら成形することを可能にしました。
この概念は最終的に、人力、動物の力、流水、そして最終的には蒸気機関によって動かされるより大きな旋盤へと成長しました。発明家のジェームズ・ワットが初めて蒸気機関の実験を行ったとき、完全に穴あけされたシリンダーの必要性から、最初の真の工作機械、ボーリングミルと呼ばれる旋盤の変種が開発されました。
これは1774年に産業革命家のジョン・ウィルキンソンによって発明されました。この水力駆動の機械は、直径1メートルのシリンダーを1.5ミリ以下の精度で穴あけすることができました。
1800年までに、正確なねじ山を切ることができる最初の旋盤が、イギリスの工具メーカー、ヘンリー・モーズリーによって設計・製作されました。モーズリーのねじ切り旋盤は、送りねじと可動式の刃物台を組み合わせ、初めて切削工具を切削の間に正確に再配置することを可能にしました。
この切削工具制御のメカニズムは、事実上すべての現代の工作機械の先駆けとなりました。工作機械の次の主要な発展は、旋盤の進化として現れました。
旋盤では、固定された切削工具が動く間に工作物が回転します。ミルでは、切削工具自体が動力を得て工作物を横切ります。1820年、アメリカの発明家で製造業者のイーライ・ホイットニーは、マスケット銃を大量生産するためにミリングの使用を先駆けました。
部品が互換的に生産される工作機械ベースの大量生産の概念は、当時としては革命的でした。これは、兵器工場間の部品生産を標準化するために、アメリカが標準測定システムを採用するきっかけにもなりました。
1875年までに、現代の製造業で使用される標準的な工作機械のセットが確立されていました。旋盤、ミル、研削盤、形削り盤、のこぎり、ブローチ盤がすべて、新しい大量生産の時代の同時代人によって使用されており、これらの精密機械の多くは、25ミクロンつまり1000分の1インチの精度を容易に達成していました。
世紀の変わり目までに、中央の電動モーター電源が蒸気に取って代わり、統合された電動モーターがすぐに標準となりました。
1940年代後半、アメリカ空軍の複雑な航空宇宙部品の生産を増加させるための探求に導かれ、パンチテープ上の符号化された指示を使用して自動化された方法で工作機械を制御する新しい方法が考案されました。
MITのサーボメカニズム研究所が先導したこの概念は、プログラムから工作機械の動きを制御する電子プロセッサと、加工操作の指示をプログラムするコンピューターに依存していました。
1955年に、この新しい形態の工作機械が業界で利用可能になったため、NC（数値制御）という用語が造られました。1970年代半ばまでに、集積回路製造の爆発的な増加により、これらの機械は完全にコンピューターベースの操作ワークフローを採用し始め、CNC（コンピューター数値制御）として知られるようになりました。
この新しいクラスの工作機械は、産業界でかつて見たことのないレベルの自動化を開始し、機械が25ミクロンをはるかに下回る精度を達成できるだけでなく、前例のないレベルの再現性を持ち、単一のプログラムから数千の部品を生産しても、それらの間に大きな偏差がないことを可能にしました。
この大規模なパラダイムシフトは、何百万年もの間、手で切削工具を操作して物体を形成する慣行を、抽象的なコンピューター指示を通じて材料を形成するという概念に一挙に変えました。
単純な手動の刃物工具が生み出す比較的低い力の遅い切断作用とは異なり、工作機械の台頭は切削工具に対する新しいレベルの需要を生み出しました。
それらはすぐに、より大きな力を、したがってより多くの力をカッターを通じて集中させることができる大きな剛性のある巨大なものに成長しました。より速い送り速度とより積極的な材料除去量が可能になり、当時の切削工具材料の限界を押し広げました。
手動の工具と同様に、工作機械で使用される工具は硬度と靭性の両方を必要としますが、比較的積極的な使用の性質のため、高温での硬度（または高温硬度）と耐摩耗性の両方が重要な特性となります。
産業革命の間に普及した炭素鋼は、硬く摩耗に非常に強かったものの、150°Cという低い温度で軟化し始めました。これにより、軽い機械使用と手工具に限定されていました。
1910年、クルーシブル・スチール社によって、金属切削における炭素鋼の限界に特に対処するための新しいクラスの合金が最初に導入されました。高速度鋼として知られるこれらの合金は、軟化せずにより高い切削速度とより高い温度に耐えることができました。
これらの特性は、0.5%から1%の炭素を含む鋼に加えられた様々な合金金属から得られました。これらの合金金属は通常、タングステン、モリブデン、またはその2つの組み合わせで、約10%の組成です。
また、クロム、バナジウム、コバルトなどの他の元素とも合金化され、用途に応じてその特性をさらに変更しています。高速度鋼工具の寿命を延ばすために、多くの表面処理も開発されてきました。
最も古く一般的なコーティングの1つは、黒色酸化物です。これはドリルやタップによく見られ、黒色酸化物表面処理は工具上での作業材料の蓄積を防ぐために行われます。
高速度鋼に使用されるより現代的なコーティングの1つは窒化チタンです。このコーティングは、工具の熱処理に大きな変化を与えない十分に低い温度で物理蒸着プロセスによって適用されます。
窒化チタンは、切削工具の切削寿命を大幅に延ばし、最大3倍まで延長し、未処理の工具と比較して操作速度を最大50%まで増加させることができます。
窒化チタンアルミニウムもまた、より高品質な工具において、より高温での性能が優れているため、最終的に窒化チタンに取って代わりました。
鉄を完全に排除した特殊な高性能合金として知られる鋳造合金工具も開発されています。これらの耐久性を向上させた工具は、通常の高速度工具鋼の高温硬度をさらに改善しますが、脆さが増加するというデメリットがあります。
これらは一般的に、硬い包含物を持つ金属や、堅く鱗状の材料を切断するために使用されます。また、現代の工具に見られるほとんどの合金元素が豊富に供給されておらず、一般的に少数の国から調達されていることにも注意すべきです。
例えば、コバルトは主にコンゴ民主共和国から調達され、中国はモリブデンの最大の供給国です。相対的な希少性と少数のサプライヤーへの依存は、工具のコストに直接影響を与え、その導入以来、世界的な上昇傾向を示しています。
切削工具設計における次の大きな進歩は、1893年にヘンリー・モイッサンによって始まりました。人工ダイヤモンドを作る方法を探す中で、砂糖と酸化タングステンを充填しながら、アーク炉でタングステンの亜炭化物を溶かしました。
炭化した砂糖が酸化物を還元し、タングステンを炭化させました。生成された材料は炭化タングステンで、極めて硬く、ダイヤモンドの硬度に近づき、サファイアを超えていました。また、水の密度の約16倍でした。
これらの特性にもかかわらず、それは極めて脆く、ほとんど産業用途がありませんでした。それから約40年後、炭化タングステンをコバルトバインダーと組み合わせることで、鋳鉄や非金属材料の加工において優れた性能を示す最初の商業用カーバイド工具が発売されました。
しかし、鋼の切削は非常に侵食性が高いことが判明しました。さらなる開発により、炭化タングステンの一部または全部が他の炭化物、特に炭化チタンや炭化タンタルに置き換えられました。
これにより、現代の複合カーバイド切削工具材料の開発につながり、鋼の高速加工が可能になりました。カーバイドベースの工具または焼結カーバイドの製造プロセスは、溶融冶金で作られた以前のカッターとは劇的に異なります。
プロセスは、結合剤を含む構成化合物の慎重なボールミリングから始まり、粉末にします。次に、その粉末を2000気圧を超える圧力で形状に圧縮し、最後に約1500°Cで焼結します。
焼結カーバイド工具は簡単にあらゆる形状に成形できるため、交換可能な切削インサートを金属工具本体に取り付けるインサート工具の使用が可能になりました。
これにより、特に大規模製造において、工具の切れ刃のみを効果的にサービスすることが可能となり、高価な工具研磨の必要性を排除しました。
高速度鋼工具と同様に、1970年代までにカーバイド工具も物理蒸着を通じて高性能コーティングを適用することで、その性能を向上させました。窒化チタン、炭化チタン、セラミックス、さらにはダイヤモンドなどのコーティングは、工具の摩擦をさらに減少させ、特に硬くて摩耗性の高い材料において、摩耗性の摩耗とクレーター形成に対するより大きな抵抗を提供しました。
焼結カーバイドは室温では鋼工具よりもはるかに硬いですが、その真の利点は、硬度を得るために熱処理に依存せず、高温でも硬度を保持できることにあります。
これにより、カーバイド工具は金属工具よりも速く、より積極的に運転することができますが、その製造プロセスの性質上、非常に脆く、衝撃に弱いです。
その他のより特殊な形態の工具には、セラミック切削工具、天然ダイヤモンド、合成多結晶ダイヤモンドがあります。これらはすべて、特に非常に高温で極めて硬いという共通の特性を持っていますが、限定的な用途しか持たないほど脆いという特徴もあります。
これらの特殊なカッターは一般的に、非常に硬い作業材料に対して軽く滑らかな高速切削を行う用途に使用されます。また、これらの材料の非常に高い高温硬度の特性が、研削加工に理想的であることにも注目すべきです。
研削加工では、カーバイド、セラミックス、ダイヤモンドなどの硬い研磨材の集合体が研削砥石などの工具に固定されています。作業材料と接触すると、各研磨粒子が切削を行い、結果として材料のバルク除去が行われます。
粒子が摩耗で鈍くなると、その鈍い刃が材料の上を引きずる摩擦により、工具から破断し、新しい粒子が露出します。研削は小さな量の材料を高度に制御された方法で除去できるため、非常に硬い材料を高精度で成形するのに理想的です。
この過程の1つの欠点は、鈍くなった集合体による摩擦が工作物内に大量の熱を発生させることですが、これは精密作業のための冷却で緩和することができます。
レーザー切断や放電加工などの電気的な侵食加工プロセスなど、非機械的な材料切断方法が開発されてきましたが、いずれも機械的な切断の汎用性と効率性に取って代わることはできていません。
製造業は今や、3Dプリンティングのような付加的なプロセスが減算的な材料形成の慣行を覆そうとする、分岐する原則の新しい時代に入っています。
現在でも依然として主要な技術ではありますが、何世紀にもわたって使われてきたミリング、旋削、ブローチング、研削などの方法は、より広範な自動化と統合の利用に直面しています。これにより、コストが低下し、アクセシビリティが向上し、今後数十年にわたって部品製造の主要な方法としての将来を確保しています。
20世紀の終わりに、CNC技術の出現により、機械工の操作方法に進化がもたらされました。彼らの手動作業がコードベースの操作に移行したのです。コードで考えることは、かつて手作業だった多くの産業に浸透し、重要な問題解決スキルとなりました。
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