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チタン部品の最新の旋削技術

最新のチタン旋削技術
チタンは特殊な性質は、それより広範なアプリケーションを作る持っています。高い強度/重量比、優れた靭性と優れた耐食性。 チタン合金は、医療用インプラント、ゴルフクラブヘッド、および軍用鎧の製造に使用できます。

しかし、チタン合金部品の旋削加工は非常に困難であり、機械加工技術者を困難にします。 彼らは、チタン合金の超性能がその機械加工性の「能力」を大幅に低下させ、その切削プロセスを非常に困難にしていると考えています。

この見解は理にかなっていますが、包括的なものではありません。本論文では、最新のターニングチタン加工方法について説明します。 機械加工技術者にとって、さまざまな用途(レーシングパーツ、水中呼吸装置など)で機械加工が困難な材料を処理し、新しい切削技術を適用すると役立ちます。

チタン合金メーカーのRTI International MetalsのシニアプロジェクトスペシャリストであるBillHeadlandが指摘しました。 多くの加工工場は、チタン加工を恐ろしい道と見なしていますが、実際、チタン合金は幅広い製品をカバーしていますが、どの加工を行っているかを知っておく必要があります。チタン合金には多くのグレードがあり、その中には機械加工が難しいものとそうでないものがあります。 市販の純チタン(CPグレード)は、医療部品、熱交換器、眼鏡フレームの製造で一般的に使用される非合金材料です。 CPグレードは耐食性に優れており、加工が比較的簡単です。 しかし、他のチタン合金と比較して、その強度は非常に低く、粘着性があり、柔らかいです。

合金を純チタンに添加すると、結晶相(結晶構造)が変化し、材料の特性と機械加工性も変化します。 αチタン合金および準αチタン合金には、ニッケル、アルミニウム、バナジウムなどの添加剤が含まれています。 これらの中間グレードのチタン合金の被削性は非常に良好です。 アルファベータチタングレードには、より多くのアルミニウムとバナジウムが含まれる場合があります。 工業用の主流のチタン合金Ti6Al4Vは、約6%のアルミニウムと4%のバナジウムを含むアルファ-ベータチタン合金グレードです。 Ti6Al4Vとその変種は、現在使用されているチタン合金の約50〜70%を占めています。

鉄、クロム、その他の成分が添加されたベータグレードのチタン合金は、加工が最も難しいグレードの1つです。 高い破壊靭性と高サイクル疲労に対する優れた耐性により、ベータグレードの機械的特性は、ハステロイのニッケル基合金および類似の材料に類似しています。 典型的な応用例は、水中発射戦術ミサイルの折り畳み可能な尾部をトリガーするために使用される軽量スプリングの製造です。


さまざまなチタン合金は、異なる切削特性を示します。 一部の人々は、Ti6Al4Vワークピースを機械加工するのに必要な時間は、通常、鉄片の3倍であると考えています。他の人は、Ti5553ベータワークピースを機械加工するのに必要な時間はTi6Al4Vワークピースを機械加工するのに必要な時間の2倍だと言います。

旋削加工において、チタン合金の最も重要な特性は熱伝導率が低いことです。 切削中に発生する高温は、ワークピースに吸収されにくく、工具の刃先に集まります。 過度の熱は、刃先とチップの間に化学反応を引き起こし、クレーターの摩耗を引き起こします。

また、チタン合金は硬化する傾向があるため、押出しではなくせん断で金属を除去することが重要です。 さらに、チタン合金は高い強度を備えていますが、弾性率も低くなっています。 これは、チタン合金が他の材料よりも比較的弾力性があり、刃先から離れやすいことを意味します(特に軽負荷切削中)。 チタン合金のこれらの特性を考慮して、チタン合金の旋削加工を成功させるためには、切削速度、送り速度、切削深さのバランスを達成することが重要です。



切削速度は、切削熱の生成に影響する主な要因です。 Sandvik Coromantの旋削専門家Stefan Gyllengahmは、工具メーカー向けの工具グレードの開発に3年半を費やしました。 この間に、彼は実験室でTi6Al4V切断テストを実施し、その結果、切断速度を慎重に選択する必要があることが示されました。場合によっては、切削速度が10%-15%増加すると、工具寿命が40ピースから6ピースに減少します。これは、切削速度の調整が多すぎることを示しています。また、工具寿命を短くしない切削速度で旋削する場合、送り速度が増加すると、過剰な熱の限界範囲があるため、工具寿命に有害な臨界温度に達することも発見しました。

工具形状は、熱放散のためにチップ形状を制御する上で重要な役割を果たします。 幅の広いチップと薄いチップは、形成されるチップと切れ刃の間の接触面積を拡大し、それによって切れ刃での熱の蓄積を減らします。 より少ない熱が発生薄く、チップを回す場合、切断速度を速くすることができます。


たとえば、-5°の標準リード角を持つCタイプ(80°)ダイヤモンドブレードを使用して荒加工を行う場合。 切りくずの厚さは送り速度にほぼ等しくなります。リード角45°の四角い刃を使用すると、切断された金属(および切断熱)が長い刃先に沿って広がります。円形ブレードは、理論的にこの概念を最大化します(ただし、切り込みの深さが小さい場合のみ)。Gyllengahmによると、切込みが浅い場合、通常、丸いチップで非常に薄い切りくずが得られます。ただし、内接円が12.7 mmの円形の刃は、切込みが2 mmを超えると有効なリード角が小さくなることを考慮すると、正方形の刃を使用することが好ましい。 同じ切込み深さで、角型ブレードはまだ45°のリード角を持っているためです。

Bill Skoretzは、Patriot Forgeの加工部門のマネージャーです。同社は、低合金鋼やステンレス鋼から特殊グレードのアルミニウム合金やチタン合金、そして時には顧客のチタン合金部品まで、幅広い原料を提供しています。チタン合金の旋削加工の課題を議論する際、彼は旋盤用のクーラントジェットの経験に注目しました。この耐食性チタン合金グレードは研磨性です。チタン合金の弾力性により、確実な工具形状を使用し、工具ヘッドの形状を強調する必要があります。ツールの下部または前面の角が小さすぎると、ツールが張力を生成し始め、多くの問題が発生します。 したがって、ツールヘッドの正の幾何学的角度と刃先のサポートの間で最適なバランスを見つける必要があります。

Skoretzは、歴史的な観点から切削工具の開発について説明しています。 超硬工具の開発前は、主に鋼の切削に高速度鋼工具が使用されていました。 超硬工具の出現により、正の幾何学的角度を使用できるようになりましたが、機械には十分な出力が必要です。 負のすくい角インサートは、チタン合金材料の折り畳みまたは収縮のみを可能にし、それを除去することを困難にします。 しかし彼はまた、ブレードの正のすくい角が大きすぎる場合、チタン合金材料に張力を形成することも警告しました。したがって、圧縮応力と引張応力のバランスを見つける必要があります。彼は、過去に0.1mmまたは0.13mmの表面を持つT字型のランドを持つ刃が刃先に使用されたことに言及しました。 「それが最後長くないので、安全のためメインブレードは、あまりにも鋭い刃先を使用することはできません。」彼はまた、機械加工でオイルベースの切削液を使用しますが、主に冷却能力ではなく潤滑特性を使用します。他の加工工場でも、材料を除去するためのさまざまな解決策があるため、チタンを加工する方法が異なります。

チタン材料の除去にはさまざまな解決策があるため、他の加工工場でもチタンの旋削方法が異なります。

Rayco Machineのビジネスの30%はレーシングパーツを扱っており、その多くは高価なチタンパーツです。トップレーシングチームは、軽量で高強度の部品に追加料金を支払う意思があるためです。 ルールで許可されている最小重量で車を維持しながら、全体の体重の分布を制御し続けます。たとえば、回転部品や非吊り下げ部品(ホイールやブレーキコンポーネントなど)の質量を減らすと、加速と操縦性能が効果的に向上します。 Raycoのターニングチタン部品には、ブレーキキャリパーとローターの間を走る部品が含まれます。


レイコのプレジデントであるグレッグコックスは、スコレッツと同様に、チタン合金を成功させるにはバランスのとれたアプローチが必要であると述べました。 彼は、切削パラメータを選択するとき、加工中にワーク材料を押し込まないことが非常に重要であると信じています。さもないと、加工硬化が発生し、加工に大きなトラブルを引き起こす可能性があります。Raycoで一般的に使用される処理パラメーターは次のとおりです。切削速度120sfm、送り速度0.13-0.20mm。

切込みの深さも重要です。 繰り返しますが、適度な切込みが最適です。 Raycoの最大切込み深さは0.8〜1mmです。 Raycoのチタン部品は、最大200個のバッチで処理できますが、ほとんどは5〜20個です。コックスは、Raycoの同社はまた、プロセスを改善し続け、発現したが、チタンは非常に高価であり、部品の陳腐化につながることがないように無謀行動することはできませんので、それは、切削パラメータに来るときは注意が必要です。チタン合金の価格は非常に急速に上昇し、昨年の47ドル/ポンドから68ドル/ポンドに上昇しました。 チタン合金の価格が高いため、ワーク材料の在庫も厳しくなります。


ダイビング機器メーカーAtomic AquaticsのR&Dおよび製造部門のゼネラルマネージャー、Scott Holland氏は語った。 チタンで水中呼吸用マスクを加工する場合、「加工時間を短縮し、より多くの部品を加工し、工具寿命を延ばすために、常に加工効率を継続的に改善しようとしています。」しかし、彼らがより多くの部品を加工しようとしたとき、それは突然壊れたツールでした。したがって、Hollandは最適なバランスポイントを達成したいと考えていますが、このバランスは単なる数字と手順ではありません。Hollandは、チタンの加工で10年近くの経験があり、ワークピースと工具の形状を観察し、このバランスをマスターするために切削ノイズを聞くことに依存しています。オランダは、チタン合金の加工も比較的簡単であると述べました。 「鋭い工具を使用し、自分の推定時間に工具を変更すると、限られた範囲でしかチタンを加工できません。あなたはそれをあなたの方法で試すことができますが、それは必ずしも機能しません。 チタン合金の加工には一定のルールがありますが、これらのルールをマスターすれば便利です。

チタン合金の使用の増加は、チタン合金の効率的な旋削に焦点を合わせた切削技術の開発を促進しました。 Sandvik Coromantのプロセス管理およびテクニカルサポートのシニアマネージャーであるChris Mills氏は強調します。 化学的摩耗は、チタン合金を旋削するときの主要な工具故障メカニズムであり、高温での切削は化学的摩耗を加速します。

熱い削りくずが工具のすくい面に引かれると、実際にコバルトがブレードから「押し出され」ます。ミルズは、2つのステップで切断温度を下げる方法を説明しています。最初のステップは、工具形状設計(45°のリード角を持つ正方形または丸刃など)を使用して、切りくずの厚さを減らして切削温度を下げることです。 結果として生じるクレーターの摩耗を減らし、最終的にはより高い送り速度とより長い工具寿命を可能にします。2番目のステップは、特殊な形態の高圧クーラントを使用することです。 このクーラントは高圧であるだけでなく、非常に正確な層流スプレーパターンも示します。 クレーターの摩耗を避けるためにすくい面との接触を最小限に抑えるために、切りくずを保持するために切りくずとブレードのすくい面の間に「水くさび」を形成することができます。

SandvikのJetbreak冷却システムは、直径1.27 mmのノズルと標準の乳化クーラントを備えた1000-3000 psiで利用できます。 冷却効果があるだけでなく、切りくずを持ち上げるための揚力も発生し、切りくずとすくい面の間の摩擦と温度が低下します。 このシステムを使用して、切断速度を50%向上させます。

ミルズは、上記の2つの冷却戦略を組み合わせた効果について説明しています。-5°リード角CNMGインサートで最適化された切削パラメーター(切削速度:40m / min。送り速度:0.3mm / rev)でチタン合金を加工する場合、工具寿命は約20分です。45°リード角の丸刃または角刃で加工する場合。 切削速度は50〜60m / minに増加し、送り速度は0.4mm / revに増加し、同様の工具寿命を維持できます。より多くのワーク材料を同時に除去できるため、スクエアブレードのみで生産性を2倍にできます。 高圧冷却システムを使用する場合、切断速度をさらに50%上げることができます。


高圧クーラントは、(外部パイプの代わりに)機械シャフト内部の通路を介して輸送する必要があります。 冷却液は、Captoによって制御されるSandvik Captoクイックチェンジツールチャックの専用コネクタを流れます。 この高圧冷却システムは、機械の設置時に簡単に設置できます。

定期的な機械加工チタン部品(特に大型で高価な航空機部品)ワークショップのために、生産性が50%増加し、それらは専用の工作機械チャック及び高圧冷却システムがインストール購入する価値が投資されています。
この高圧冷却システムは、他のワーク材料ほどクレーター摩耗を生じないため、チタン合金の旋削加工においてユニークな利点があります。
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