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チタン合金製バルブ部品の製造工程(切削、穴あけ、工具設計)

チタンおよびチタン合金は、航空機およびロケットなどの宇宙船の製造にとって重要な構造材料だけではない。 それはますます機械工学、海洋工学、生物工学および化学工学で使用されています。 例えば、バルブの製造においては、ステンレス鋼製バルブおよびチタン製バルブが両方の酸性媒体に使用されている。 チタン製バルブは寿命が延びています。

合金元素はチタンに添加されてチタン合金を形成し、その強度は著しく向上する。 σbの重要性は350MPaから700MPaに高めることができるので、チタン合金の工業用途の重要性はさらに重要である。 使用される構造に応じて、チタン合金は一般に、αチタン合金(TAで表される)、βチタン合金および(α+β)チタン合金(TCで表される)に分類される。 3つのチタン合金で一般的に使用されているのは、αチタン合金および(α+β)チタン合金である。 チタン合金の被削性が悪いために、多くの困難が実用化されてきた。 チタン合金の相対的な加工性から出発して、Kangding Companyは読者の参照のために使用することができる長年の生産経験を持つ実用的な切削工具を提案しました。

45番鋼の加工性を基準とすると、チタン合金の加工性は約20〜40%であり、ステンレス鋼ほど加工性は良くないが、高温合金よりもやや良好である。 チタン合金の中では、β型チタン合金、α+β型チタン合金、α型チタン合金の被削性が徐々に向上し、純チタンが最も被削性が良い。 すなわち、一般に、材料の硬度が高いほど、合金元素が多く添加され、材料の加工性が悪化する。 チタン合金を加工する場合、材料の硬度がHB300未満であると強い付着現象が発生し、硬度がHB370を超えると加工が極めて困難となる。 したがって、チタン合金材料の硬度をHB以上370以下とすることが好ましい。

Titanium alloy complex surface machining


チタン合金の相対加工条件に関する研究

YT超硬合金インサートはチタン合金の加工には適していません。
なぜなら
1YT超硬合金インサートはチタンを含み、機械加工チタン合金と組み合わせて工具の先端に接着することができる。
2チタン合金を旋削するとき、旋削工具とチップの間の接触は旋削鋼のそれよりはるかに小さく、単位切削工具は旋削工具の接触領域に作用します。 YT超硬チップは壊れやすいので、割れやすくなります。
通常、YGインサートは、耐摩耗性が低いにもかかわらず、製造時にチタン合金を加工するために使用されます。 YG8インサートは通常、荒削りと間欠旋削に、YG3インサートは仕上げ旋盤と連続旋盤用に、そしてYG6Xインサートは一般旋削用に使用されます。
実際には、ニオブ含有硬質合金YA6(これは、微細なタングステン - コバルト超硬合金に属する)の効果がより優れていることが証明されている。 ブレードの耐摩耗性は、少量の希少元素の添加によって改善されます。 オリジナルのYG6Xの代わりに、曲げ強度と硬度もYG6Xより高いです。
高速バナジウム高速度鋼(W12Cr4V4Mo)および高コバルト高速度鋼(W2Mo9Cr4VCo8)は、低速切削または複雑なチタン合金プロファイルの切削に使用できます。 それらはチタン合金を加工するための最良の工具材料ですが、それらの低いコバルト資源と高い費用のために、それらは乏しい資源を保護しそしてコストを削減するためにできるだけ少なく使用されるべきです。

 
工具形状
   チタン合金を切削するとき、切削層の下の金属弾性回復が大きく、機械加工硬度が大きいので、旋削工具の旋削角度α0はすべての工具パラメータの中で最も敏感である。 一般に、より大きい逃げ角は、縁部が金属層に容易に切り込まれて側面の摩耗を減少させることを可能にするが、後部角が小さすぎる(15度未満)場合、金属付着が起こり得る。 後角が大きすぎると、工具が弱くなり、刃が折れやすくなります。 したがって、チタン合金の切削に使用されるほとんどの切削工具は15°の逃げ角を使用します。 工具の耐久性の観点から、α0は15°より小さいかまたは大きいので、旋削工具の耐久性が低下する。 さらに、α0が15°の旋削刃は鋭利で、切削温度を下げることができます。
チタン合金は切削加工中に空気中で酸素、水素、窒素などと硬くてもろい化合物を形成し、工具の磨耗を引き起こします(主に旋削工具のすくい面に)ので、すくい角の値を小さくしてください。 この合金は、低い可塑性およびチップとすくい面との間の小さな接触面積を有し、そしてこの目的のためにもすくい角値を使用すべきである。 こうすることで、切り屑とすくい面との接触面積を大きくすることができるので、切削熱および切削圧力がエッジ付近に過度に集中することがない。 それは熱放散を促進するだけでなく、それはまた切刃を強化しそして集中した切削力のために切刃が崩壊するのを防止する。 そのため、(α+β)チタン合金を超硬工具で加工した場合。 すくい角γ0= 5°を取り、面取りf(幅0.05〜0.1mm)、γf= 0°〜10°を研削し、刃先傾斜角λ= + 3°で工具先端をr = 0.5mmの小さな円弧に研削します。
しかしながら、旋削工具のすくい角が28°から30°の範囲内であるときに工具が最良の耐久性を有することが研究研究により示された。 工具先端の円弧の半径を大きくすると、工具のつぶれも減少します。
チタン合金旋盤用旋削工具の一般的な形状:面取り= 0.3〜0.7 mm、γf = 0°、γ0 = 8°〜10°、α0 = 15°、r = 0.5 mm、λ= 0°、κr = 45°、κ'r = 15°。

 
Handling of difficult titanium parts
切削量が切削温度に及ぼす影響

 
チタン合金TA2をYG8ブレードで回転させると、切削パラメータの変化と切削温度の変化との関係が分かる。 切削速度vが速くなると、加工中の切削温度tが急激に上昇し、切削量fが大きくなると切削温度tも上昇するが、その効果は速度を上げる効果よりも小さい。 切削深さの変化は切削速度にほとんど影響を与えません。
機械加工中の高い切削速度は切削工具を急激に摩耗させる。 さらに、チタン合金は周囲の大気から酸素と水素を吸収する能力を持ち、その結果、いわゆる「構造化アルファ」となり、機械加工された表面を強化します。
切削速度および切削量を選択するとき、切削温度は通常約800℃に維持される。 すなわち、カッタ量fがf.11〜0.35mm / rのとき、切断速度v = 40〜60m / minとなる。

 
切削量が表面粗さに及ぼす影響
チタン合金は応力集中の影響を受けやすく、引っかき傷やへこみが生じると疲労強度が著しく低下するため、チタン合金部品の表面品質は非常に優れています。
切削工具の量は表面品質に大きな影響を与えます。 チタン合金TC6の加工(速度v = 40m /分、切込み深さap = 1mm、逃げ面摩耗h≦0.1mm)から、切削工具の量と機械加工表面の表面粗さとの間の関係を知ることができる。 表面粗さRa 1.6μmを得るためには、スループットf = 0.16 mm / rを選択する必要があります。スループットf = 0.25mm / r、0.35mm / rおよび0.45mm / rの場合、得られた対応する機械加工表面粗さは、Ra 3.2μm、Ra 6.3μmおよびRa 12.5μmである。

チタン合金を切削するとき、表面粗さは切削速度と無関係であり、切削深さの影響は小さい。 表面品質は同じ表面粗さ内で変化する。
チタン合金の仕上げにおいて、Ra 1.6μmの表面粗さを得るためには、YG型超硬合金インサートを使用すべきである。 研削工具の加工面は、γf= 0°、γ0= 10°、α0= 15°、r = 0.5mm、切削量はv = 50〜70mm / min、f = 0.1〜0.2mm / rとする。 、ap = 0.3〜1.0mm;工具がhを摩耗した後、≦0.3mm。
刃先の半径rを大きくし、切削量fを減らし、工具の磨耗を0.15mm減らし、チタン合金を連続的に回転させることにより、表面粗さRa = 1.25〜0.8μmを得ることができる。


3.チタン合金切削と工具設計
3.1旋削加工
チタン合金は、TC4E = 110GPaの弾性率、例えば鋼の約半分の弾性率などの小さな弾性率を有する。 したがって、切削力によって生じる工作物の弾性変形は大きく、それは工作物の精度を低下させることになり、加工システムの剛性はこの目的のために改善される。 工作物は非常にしっかりと固定されなければならず、工作物支持点への工具トルクは最小にされる。 工具は鋭利でなければならず、さもないと振動や摩擦が発生し、工具の耐久性が低下し、ワークの精度が低下します。

チタン合金を切断するとき、切り屑形成は、1〜5mm /分の切断速度範囲内でしか形成することができない。 したがって、通常の製造条件下では、チタン合金を切断したときに、チップの腫瘍は発生しません。 工作物と工具との間の摩擦係数はそれほど大きくなく、良好な表面品質を得ることは容易である。 冷却用潤滑剤を使用しても、チタン合金表面の微細形状を改善するのに効果はない。 チタン合金を切削する際の機械加工された表面の粗さが低いのは、工具上に切りくずがないためです。
しかしながら、切削条件を改善し、切削温度を下げ、工具寿命を延ばしそして火災の危険性を排除するためには、加工中に大量の可溶性クーラントを使用しなければならない。

チタン合金部品の機械加工中には通常発火や燃焼はありませんが、この危険を回避するためにマイクロカッティングプロセス中に発火や燃焼があります。 するべきです:

1.大量のクーラントを使用します。
2.時間内に機械からチップを取り出します。
3.消火設備を備えています。
鈍い道具を時間内に交換する。
5.ワークの表面が汚れていると火花が発生する可能性があるため、この時点では切削速度を遅くする必要があります。
6.薄い切粉に比べて厚い切粉は火花が発生しにくいため、切削量を増やす必要があります。切削速度を上げても温度は上がりません。


チタン合金加工の選択基準:切削温度を下げるという観点からは、切削速度を遅くし、切削量を大きくする必要があります。 切削温度が高いため、チタン合金は大気から酸素と水素を吸収し、ワークピースの表面を硬くてもろくして、工具を過度に磨耗させます。 したがって、処理中、工具先端の温度は過度の温度を避けるために適切な温度に維持されなければならない。

YG 8旋盤工具を使用して断続切削条件下でハードコートチタンワークを回転させる場合、推奨される切削量は次のとおりです。v = 15〜28 m / min、f = 0.25〜0.35 mm / r、ap = 1〜3 mm。



YG3旋削工具を使用してチタン合金ワークピースを連続切削条件で仕上げる場合の推奨切削量は、v = 50〜70 m / min、f = 0.1〜0.2 mm / r、およびp = 0.3〜1 mmです。
表2は、チタン合金の旋削加工に使用できる切削量を示しています。

 
      表2 チタン合金旋削時の切削量
プロセス性能 - チタン合金材料 - 硬度 - 切削代(mm) - 切削速度(mm / min) - 送り(mm / r)
スクラップステアリング - TA1〜7、TC1〜2 - ソフト - >酸化膜厚-18〜36-0.1〜0.25

ゴミ加工 - TA1〜7、TC1〜2 - 軟 - >酸化物厚さ-18〜36-0.1〜0.25
ゴミ旋削 - TA8、TC3〜8-中 - >スケール厚さ-12〜27-0.08〜0.15
ゴミ挽き-TC9〜10、TB1〜2硬 - >酸化スケール厚さ-7.2〜18-0.06〜0.12
荒削り-TA1〜7、TC1〜2 - ソフト - > 2-30〜54-0.2〜0.4
荒削り-TA8、TC3〜8-中→2-24〜54-0.15〜0.3
荒削り - TC9〜10、TB1〜2 - ハード - > 2-15〜30-0.1〜0.2
荒削り-TA1〜7、TC1〜2-soft-0.07〜0.75-37.5〜60-0.07〜0.15
荒削り-TA8、TC3〜8-中-0.07〜0.75-30〜48-0.07〜0.12
荒削り - TC9〜10、TB1〜2〜0.07〜0.75〜18〜36〜0.05〜0.12


 
YG6X旋削工具(硬度HB320-360)を使用してTC4を回転させるのにap = 1 mm、f = 0.1 mm / rの場合、最適な切削速度は60 mm / minです。 これに基づいて、異なる工具送りおよび切削深さの下での切削速度を表3に示す。
 
       表3.チタン合金TC4の切削速度
      AP-1 mmは1〜2 mm 3 mm
       F(mm / r)-0.1、0.15、0.2、0.3〜0.1、0.15、0.2、0.3〜0.1、0.2、0.3
      V(mm / min)-60,52,43,36-49,40,34,28-44,30,26
       チタン合金を機械加工するための典型的な旋削工具は以下の特徴を有する。
1.ブレード材質はYG6XとYG10HTです。
前面角が小さく、一般的にはγ0 = 4°〜6°であり、これはカッターヘッドの強度を向上させる。
ブレードの強度を高めるために、f = 0.05〜0.1mmの負の面取りをする。
後部角度は大きく、一般にα0= 14°〜16°であり、それは後部の摩擦を減少させそして工具の耐久性を改善する。

5.一般的に鋭い角や移行エッジを研削することはできません研削エッジの丸み付け角度はr = 0.5 mmであり、荒削りはr = 1〜2 mmに達することができ、刃先の強度を向上させます。
6.薄肉部品が完成するか回転すると、工具は大きなリード角、通常75〜90°を持ちます。

3.2掘削
チタン合金の穴あけは困難です。 掘削中には、焼損や掘削の中断が頻繁に発生します。 主な理由は、ドリルビットの研削不良、不適切な破片除去、冷却不良、および加工システムの剛性不足です。

(1)ドリルビットの選択:直径5mm以上のドリルには工具材料として超硬YG8を使用するのが最善です; 5mm以下の穴を加工するときは硬度63HRC以上の高速度鋼ドリルビット(M42またはB201など)を使用できます。 深さが直径の2倍未満の場合、傾斜溝(短い)ドリルビットが使用されます。 穴の深さが直径の2倍を超える場合は、ツイストドリルを使用します。 ドリルビットの幾何学的パラメータ:λ= 0°〜3°、αc = 13°〜15°、2φ = 120°〜130°。

 

切りくずの形成を容易にするために、摩擦を減らしそしてドリルの切削能力を改善する。 前縁ストリップの幅は0.1±0.3mmに減らすことができ、交差する縁はドリルビットの直径に応じて0.1Dに研削することができる。 そして二重刃の鋭角2φ= 130°〜140°、2φ= 70°〜80°。 表4は、2点ドリルビットの幾何学的パラメータを列挙している。
       表4.ダブルレーキビットの幾何学的パラメータ
       ドリル径(mm) - 頂角2φ - 第2頂角2φ0 - 第2前縁逃げ角α-b(mm)-c(mm)
      > 3〜6-130°〜140°-80°〜140°-12°〜18° - 〜1.5-0.4〜0.8
      > 6〜110-130°〜140°-80°〜140°-12°〜18°-1.5〜2.5-0.6〜1
      > 10〜18-125°〜140°-80°〜140°-12°〜18°-2.5〜4-0.8〜1
      > 18〜30-125°〜140°-80°〜140°-12°〜18°-4〜6-1〜1.5

旋削用チタン合金外円
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