1790 年にチタンが発見されて以来、人類は 1 世紀以上にわたってその驚異的な特性を探求してきました。 1910 年に金属チタンが初めて製造されましたが、チタン合金を使用するまでの道のりは長く、困難でした。工業生産が現実になったのは 1951 年になってからです。
チタン合金は、比強度、耐食性、高温耐性、疲労耐性が高いことで知られています。同じ体積の場合、重量は鋼鉄のわずか 60% ですが、合金鋼よりも強度があります。このような優れた特性を活かし、チタン合金は航空、宇宙、発電、原子力、船舶、化学、医療機器など様々な分野で活用が進んでいます。
チタン合金の加工が難しい理由
チタン合金の 4 つの主な特性 (低い熱伝導率、顕著な加工硬化、切削工具との高い親和性、および限られた塑性変形) が、これらの材料の加工が難しい主な理由です。切断性能は易切断鋼の20％程度しかありません。
低い熱伝導率
チタン合金の熱伝導率は、45# 鋼の熱伝導率のわずか約 16% です。加工中に熱を伝導する能力が限られているため、刃先の温度が大幅に上昇します。実際、加工中のチップ温度は 45# 鋼の温度を 100% 以上上回る可能性があります。この高温により、切削工具に拡散摩耗が容易に発生します。
厳しい加工硬化
チタン合金は顕著な加工硬化現象を示し、ステンレス鋼と比較してより顕著な表面硬化層が形成されます。これは、工具の摩耗の増加など、その後の加工で課題を引き起こす可能性があります。
切削工具との高い親和性
チタン含有超硬合金との密着性が高い。
塑性変形が小さい
45 スチールの弾性率は約半分であるため、大幅な弾性回復と激しい摩擦が生じます。さらに、ワークピースはクランプ変形を受けやすくなります。
チタン合金の加工技術のヒント
チタン合金の加工メカニズムの理解とこれまでの経験に基づいて、これらの材料を加工するための主な技術的推奨事項は次のとおりです。
- 切削抵抗を最小限に抑え、切削熱を低減し、ワークピースの変形を低減するために、正の角度形状のブレードを使用します。
- ワークの硬化を防ぐために一定の送り速度を維持します。切削プロセス中、工具は常に送り状態にある必要があります。フライス加工の場合、半径方向の切削深さ (ae) は工具半径の 30% である必要があります。
- 高圧および高流量の切削液を使用して、加工中の熱安定性を確保し、過度の温度による表面の変質や工具の損傷を防ぎます。
- 刃先を鋭く保ちます。鈍い工具は熱の蓄積と摩耗の増加を引き起こし、工具の故障のリスクを大幅に高めます。
- チタン合金は可能な限り最も柔らかい状態で機械加工します。CNCマシニング加工熱処理により材料の強度が増し、刃の摩耗が促進されるため、硬化後はさらに困難になります。
- 切断時に大きな先端半径または面取りを使用して、刃の接触面積を最大化します。この戦略により、各点での切削力と熱が軽減され、局所的な破損を防ぐことができます。チタン合金をフライス加工する場合、工具寿命に最も大きな影響を与えるのは切削速度であり、次に半径方向の切削深さが続きます。
チタン加工の問題をブレードから解決します。
チタン合金の加工時に発生する刃溝の摩耗は、刃の表裏に沿って切り込み深さ方向に沿って局部的に摩耗します。この摩耗は、多くの場合、以前の機械加工プロセスで残った硬化層によって引き起こされます。さらに、800℃を超える加工温度では、工具と被削材の間の化学反応と拡散が溝摩耗の形成に寄与します。
加工中に、高圧と高温によりワークピースのチタン分子がブレードの前面に蓄積し、構成刃として知られる現象が発生することがあります。この構成刃先がブレードから剥がれると、ブレード上の超硬コーティングが剥がれる可能性があります。その結果、チタン合金を加工するには、特殊なブレード材料と形状を使用する必要があります。
チタン加工に適した工具構造
チタン合金の加工は主に熱の管理を中心に行われます。熱を効果的に放散するには、大量の高圧切削液を正確かつ迅速に刃先に塗布する必要があります。さらに、チタン合金加工用に特別に調整された特殊なフライス設計も利用可能です。
具体的な加工方法から
旋回
チタン合金製品は旋削加工時に良好な面粗さが得られ、加工硬化も激しくありません。ただし、切削温度が高いため、工具の摩耗が早くなります。これらの特性に対処するために、当社では工具と切削パラメータに関して主に次の対策に重点を置いています。
工具材料:工場の現状に基づいて、工具材料としてYG6、YG8、YG10HTが選択されます。
工具形状パラメータ:適切なツールの前後角度、ツールチップの丸み。
外側の円を回転させるときは、低い切削速度、適度な送り速度、より深い切削深さ、および適切な冷却を維持することが重要です。工具の先端がワークピースの中心より高くならないようにしてください。そうなると、工具が引っかかる可能性があります。さらに、薄肉部品の仕上げ加工や旋削加工を行う場合、工具の主偏向角は通常 75 ～ 90 度にする必要があります。
フライス加工
チタン合金製品のミーリング加工は断続的な切削となるため、旋削加工に比べて切り粉が刃に付着しやすく、加工が困難です。再び粘着歯がワークに食い込むと、粘着した切りくずが叩き落とされて工具材料の小片が取り除かれ、チッピングが発生し、工具の耐久性が大幅に低下します。
フライス加工方法:一般的にはダウンミーリングを使用します。
工具材質:ハイス鋼M42。
ダウンミリングは通常、合金鋼の加工には使用されません。これは主に工作機械の送りねじとナットの間の隙間の影響によるものです。ダウンフライス加工中、フライスがワークピースと係合すると、送り方向の分力が送り方向そのものと一致します。この位置合わせにより、ワークテーブルが断続的に移動する可能性があり、工具が破損する危険性が高まります。
さらに、ダウンフライス加工では、カッターの歯が刃先で硬い層に遭遇し、工具の損傷を引き起こす可能性があります。逆フライス加工では、切りくずが薄い状態から厚い状態に移行するため、切削の初期段階で工具とワークピースの間で乾燥摩擦が発生しやすくなります。これにより、切りくずの付着や工具の欠けが悪化する可能性があります。
チタン合金のよりスムーズなフライス加工を実現するには、標準のフライスと比較して前角度を小さくし、後角度を大きくするなど、いくつかの点を考慮する必要があります。シャベル歯のフライスを避け、より低いフライス速度を使用し、鋭い歯のフライスを選択することをお勧めします。
タッピング
チタン合金製品をタッピングする際、小さな切粉が刃物やワークに付着しやすくなります。これにより、面粗さとトルクが向上します。タップの選定・使用方法を誤ると加工硬化が発生し、加工能率が非常に低下したり、場合によってはタップの折損につながる場合があります。
タッピングを最適化するには、1 スレッドインプレイスのスキップされたタップの使用を優先することをお勧めします。タップの歯の数は標準タップよりも少なく、通常は約 2 ～ 3 歯です。より大きな切削テーパ角度が望ましく、テーパ部分の寸法は一般的にねじ山の 3 ～ 4 倍の長さになります。切りくずの除去を容易にするために、負の傾斜角を切削テーパーに研削することもできます。タップを短くするとテーパーの剛性を高めることができます。さらに、逆テーパーは、テーパーとワークピース間の摩擦を軽減するために、標準よりわずかに大きくする必要があります。
リーミング
チタン合金をリーマ加工する場合、一般に工具の摩耗は深刻ではないため、超硬リーマと高速度鋼リーマの両方を使用できます。超硬リーマを使用する場合、リーマの欠けを防ぐために、ドリル加工で使用されるものと同様のプロセスシステムの剛性を確保することが不可欠です。
チタン合金の穴をリーマ加工する際の主な課題は、滑らかな仕上げを実現することです。穴壁面への刃の固着を避けるため、十分な強度を確保しつつ、オイルストーンを使用してリーマ刃の幅を慎重に狭くする必要があります。通常、ブレードの幅は 0.1 mm ～ 0.15 mm にする必要があります。
刃先と校正セクションの間の移行部は滑らかな円弧を特徴とする必要があります。摩耗が発生した後は、各歯の円弧サイズを一定に保つために定期的なメンテナンスが必要です。必要に応じて、パフォーマンスを向上させるためにキャリブレーションセクションを拡大できます。
掘削
チタン合金の穴あけには大きな課題があり、加工中にドリルビットが焼けたり破損したりすることがよくあります。これは主に、不適切なドリルビットの研削、不十分な切りくず除去、不十分な冷却、システムの剛性の低さなどの問題が原因で発生します。
チタン合金を効果的に穴あけするには、次の要素に焦点を当てることが重要です。ドリルビットを適切に研削すること、より大きな上部角度を使用すること、外刃の前角度を小さくすること、外刃の後角度を大きくすること、および後部テーパーを調整することです。標準ドリルの2～3倍です。切粉の形状や色を確認しながら、頻繁に工具を後退させて切粉を速やかに除去することが重要です。穴あけ中に切りくずが羽のように見えたり色が変わったりする場合は、ドリルビットが鈍くなっていることを示しており、交換するか研ぐ必要があります。
さらに、ドリル治具は、ガイドブレードを加工面に近づけて作業台にしっかりと固定する必要があります。可能な限り短いドリルビットを使用することをお勧めします。手動送りを使用する場合は、穴内でドリルビットを前進または後退させないように注意する必要があります。ドリルの刃が加工面に擦れて、加工硬化やドリルの切れ味が悪くなることがあります。
研削
研削時に発生する一般的な問題CNCチタン合金部品切粉の付着による砥石の目詰まりや部品の表面焼けなどが含まれます。これは、チタン合金の熱伝導率が低く、研削ゾーンが高温になるために起こります。これにより、チタン合金と研磨材の間に結合、拡散、および強力な化学反応が引き起こされます。
粘着性の切粉や砥石の詰まりにより、研削率が大幅に低下します。さらに、拡散や化学反応によりワークピースの表面が焼け、最終的に部品の疲労強度が低下する可能性があります。この問題は、チタン合金鋳物を研削する場合に特に顕著です。
この問題を解決するために、次のような対策が講じられています。
適切な砥石の材質を選択してください: 緑色炭化ケイ素 TL。砥石硬度はやや低め：ZR1。
チタン合金材料の切削は、全体的な加工効率を高めるために、工具材料、切削液、加工パラメータを通じて制御する必要があります。
もっと詳しく知りたい、お問い合わせがございましたら、お気軽にお問い合わせくださいinfo@anebon.com
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Anebon は国際市場での拡大に注力しており、ヨーロッパ諸国、米国、中東、アフリカに強力な顧客ベースを確立しています。当社は品質を基盤として優先し、すべての顧客のニーズを満たす優れたサービスを保証します。
投稿日時: 2024 年 10 月 29 日