ISO-S材料を加工するための業界固有のツールと戦略
革新的なエンジニアリングとテクノロジーは、医療、発電、航空宇宙部品製造などの重要な産業において継続的な進歩をもたらします。これらの産業で作られる精密部品の製造には、高い耐熱性と耐摩耗性、極めて高い靭性、そして揺るぎない品質と信頼性を備えたワークピース材料が必要です。その代表的な材料がISO-S合金、すなわちニッケル、コバルト、鉄を主成分とする耐熱合金（HRSA）やチタンである。これらの材料は、高温での硬度、強度、耐クリープ性、耐腐食性を備えており、重要な用途に幅広く使用されています。はじめに
革新的なエンジニアリングとテクノロジーは、医療、発電、航空宇宙部品製造などの重要な産業において継続的な進歩をもたらします。これらの産業で作られる精密部品の製造には、高い耐熱性と耐摩耗性、極めて高い靭性、そして揺るぎない品質と信頼性を備えたワークピース材料が必要です。その代表的な材料がISO-S合金、すなわちニッケル、コバルト、鉄を主成分とする耐超合金（HRSA）やチタンである。これらの材料は、高温での硬度、強度、耐クリープ性、耐腐食性を備えており、重要な用途に幅広く使用されています。
しかし、この合金の優れた特性は、従来の鉄や鋼とは異なる加工特性をもたらします。ISO-S材料の加工が難しいのは、合金は熱伝導率が低いとも呼ばれるように、熱の伝わり方が悪いからです。機械加工で発生する熱（摂氏1100度から1300度）は、切り屑に含まれて運ばれるのではなく、工具やワークに吸収されます。そのため、工具の寿命が短くなったり、部品の歪みが発生したりします。また、これらの合金は加工時にひずみや析出硬化を起こす傾向があり、切削抵抗が増大して工具寿命がさらに短くなる。最後に、これらの材料の粘着性のある挙動は、制御不能なビルドアップエッジ（BUE）やノッチの摩耗を引き起こします。このような粘着性は、材料の延性としても知られており、アルミニウムのような柔らかい材料によく見られる特徴です。
ISO-S材料の加工の難しさと部品のコストを考慮して、メーカーは部品の信頼性と品質を第一に考えた加工改善を追求していますが、サイクルタイムの短縮は2番目の優先事項となっています。これらの高性能合金の利点を最大限に生かすためには、高度な工具と応用戦略が必要です。工具メーカーは、特定の産業用途向けに生産性と信頼性の高いソリューションを提供するために、これらの工具や技術を微調整しています。
医療用アプリケーション
医療用インプラントが正常に機能し、体内で拒絶反応を起こさないためには、化学的に不活性で、体液による腐食を完全に防ぐ必要があります。ISO-S材料の生体適合性と耐腐食性は、整形外科用、歯科用、およびその他の医療用部品の優れた基盤となります。
医療用インプラントの製造は急速に拡大しています。工業化された地域では人口の平均年齢が上昇し、人口の平均体重も増加しています。この2つの要因は、膝関節や股関節の摩耗と、それに伴う交換部品の需要に直結しています。また、美容や歯の健康への関心の高まりとともに、歯科用インプラントの人気も高まっています。
人工膝関節の部品
人工膝関節は2つの基本部品で構成されています。大腿骨コンポーネントは、太ももの骨の先端にある丸い顆（か）を模したもので、上肢の骨である大腿骨に取り付けられています。大腿骨コンポーネントは、ポリマーカップの上に乗っており、このポリマーカップは、下腿骨（脛骨）の上部に取り付けられた第2の基本コンポーネントであるチタントレイの中に入っています。
ISO-S材料は熱伝導率が低いため、ほとんどの機械加工でクーラントの使用が義務付けられています。しかし、医療関連の規制当局は、残留クーラントによる汚染について厳しい規定を設けており、厳しく時間のかかる洗浄工程を要求しています。そのため、工具メーカーは、クーラントやエマルジョンを使用せずに、医療用部品を「ドライ」で加工する方法を開発しています。例えばSecoは、Ti6Al4Vチタン製のティバルトレイを、特殊なTスロットエンドミルとフォームエンドミルで加工するクーラントフリーのプロセスを開発しました。この作業は10分以内に完了し、良好な工具寿命、優れた製品品質、コンタミネーションフリーの部品を得ることができます。
ISO-S合金の熱伝導率の低さによる影響を軽減するためのもう一つの取り組みとして、研削加工を機械加工に置き換えることが挙げられます。あるメーカーでは、研削加工後の大腿骨・膝関節部品の寸法が規格外になることが多く、その結果、スクラップ率が20〜30％に達していましたが、長時間の研削加工で発生する熱が部品にストレスを与え、部品を歪ませてしまいます。
この問題を解決するために、Secoのアプリケーションエンジニアは、マシニングセンタで大腿骨部品を加工するための5つのステップの方法を開発しました。このプロセスでは、ボールエンドミルと、加工中に部品を回転させることができるセンターロックシステムを備えた部品固定具を使用する。この倣い加工法は、複雑な3Dパーツを製造する際によく見られる、パーツクランプの剛性が低いセットアップに適しています。加工時間は、全体で約7分。また、加工後は研磨作業のみとなり、研磨作業にかかる時間は研削後に行っていた研磨作業よりも短くなります。
歯科用小型部品
特殊な加工方法を用いることで、ISO-S素材の加工における課題を克服することができます。高送り加工法（サイドバー参照）は、生産性と長い工具寿命を両立させることができる。CoCr鋼製の歯科部品の荒加工では、Secoのエンドミルラインの直径3mmのJHF 180カッターを、テーブル送り速度4,000mm/min、軸方向切込み2mm、径方向切込み0.2mm、切削速度66m/minで使用した。コバルトクロム鋼の場合、工具寿命は175分でした。
医療や歯科の小型部品の多くは、研究所や歯科医院の小型高速マシニングセンタで加工されています。これらの機械で使用される小型カッターには、小さなインプラントなどのプロファイリング加工に特徴的な、急速に変化する切り屑の負荷に耐えられるような設計が求められる。そこでSecoは、Mini JM905とJM920を開発しました。これらのツールは、直径0.1mmから2.0mmの4枚刃で、最大16×Dまでのロングオーバーハングのものがあります。小型でありながら、特殊な小部品生産に必要な強度と安定性を備え、一般的なワークの要求を満たす寸法を実現しています。
発電分野
ISO-S材料は、世界の発電業界でも使用される機会が増えています。風力、水力、太陽光などのグリーンエネルギーが注目されていますが、現在、世界の電力の60％以上は、可燃性の燃料を使って生産されています。その大部分はガスタービンや蒸気タービンで発電されています。また、タービンの高効率化も進められています。例えば、高強度かつ軽量なチタン製の部品は、タービンの低圧部で毎分高回転時に発生する求心力を軽減し、回転速度の高速化を実現します。また、エンジンの高効率化に必要な高温に対応するため、燃焼部にはチタン製部品に加えてHRSA製部品も使用されています。
新しい耐熱合金、より大きな挑戦
効率と性能の向上を追求するために、ISO-S合金は常に進化し続けています。金属メーカーは、ますます厳しくなるアプリケーションの要求を満たすために、より高い機能を持つ合金を開発しています。例えば、ニッケルベースのインコネル738やコバルトベースのSFX414などの確立されたHRSAは、摂氏850度から1200度の範囲の温度で動作するように設計されています。GTD 262やRene 108などの最新のHRSAは、摂氏1200度から1600度の温度で動作するように設計されています。この新しい合金は、それに比例して加工上の課題も大きくなります。
Secoは最近、発電用タービンの静的部品に使用される新しい高機能合金の加工を支援した。この材料は耐熱性が高いため、加工の難易度は高くなり、標準材料であるインコネル718の切削速度が25～35m/minであるのに対し、18m/minしか達成できなかった。
既存の工具は、タービンの1セグメント（320mmの切削長）だけで消耗してしまい、タービンメーカーはより長い工具寿命を求めていました。Secoは、厳しい切削条件での安定性を向上させるデュアルコアデザインを採用した780の工具形状に基づいて、特別なカッターを開発した。切削速度18m/min、歯当たりの送り0.015mm、テーブル送り43mm/minの条件で使用された。この新しい工具でタービンセグメント（640mm）を2本加工したところ、工具寿命が100％向上した。さらに、切削速度を16m/minに下げ、歯当たりの送りを0.017mmにすることで、工具寿命を800mmまで延ばすことができた（＋150％）。
航空宇宙コンポーネント
HRSAは高温で強度を維持し、優れた耐クリープ性と耐食性を提供するため、合金は最新の航空宇宙エンジンの重量の50％を占めています。
航空宇宙用タービンにおけるISO-S材料の用途は、エネルギー生産用タービンの用途と同様です。しかし、多くの場合、航空宇宙産業の許容範囲はより厳しいものです。例えば、Secoはタービンブレードのモミの木状のルートプロファイルを加工するための特別なツールを開発しています。一部のエネルギー用途のルートプロファイルの公差は10ミクロンの範囲ですが、一部の航空宇宙プロファイルの公差は0～5ミクロン(0. - 0.005)と厳しいものです。
構造用チタン
タービンの低温部に加えて、チタンの軽量性と強度はランディングギアなどの航空宇宙構造部品にも活かされています。もともとランディングギアの部品は重くて強いのですが、一般的な材料で作ると非常に重くなります。
軽量なランディングギアを製造するために使用される、より軽くて強い新しいチタン合金は、以前に適用されていたチタン合金よりも加工が困難です。そのような最近開発された合金の1つがチタン5553で、5％のアルミニウム、5％のモリブデン、5％のバナジウム、3％のクロムを含むことからこのように呼ばれています。チタン5553の利点はその高い引張強度にあり、Ti6Al4V基準材の910MPaと比較して1160MPaとなっています。この高い引張強度により、切削速度はTi6Al4Vを使用した場合よりも50％低いレベルに制限されます。
積層型合金
1つのISO-S材料でも加工が難しいのに、2つの異なる材料を組み合わせて加工するとなると、さらに大変なことになります。航空宇宙分野では、異なる材料を積層した部品を加工するケースがあります。課題は、適切なチップコントロールを行い、振動やバリを発生させずに「サンドイッチ」や「ハイブリッド」を加工することです。
典型的な例としては、チタンとステンレスの組み合わせが挙げられる。ステンレスとチタンには、強度が比較的高く、切削した材料がエンドミルに付着しやすいという接着性があるという特性がある。
Secoは、チタン6Al4V/オーステナイト系ステンレス鋼で構成されたエンジンマウントを加工するために、チタン加工用に特別に設計された超硬工具JHP 770を使用しました。この工具は、差動フルート間隔、ラジアルリリーフ、特別に形成されたチップスペースを備えています。また、冷却孔を設けることで、ワークの付着を最小限に抑え、切りくずを排出することができます。積層材の加工では、まずステンレスを通過させ、次にチタンを通過させました。難削材であるチタンのパラメータを全体に適用した。チタンは熱伝導率が低いため、切削速度は50m/min、送り量は0.036mm/rev、切り込み量は3mm、円弧補間で下降させている。
HSSの選択肢
超硬工具は多くの場面で性能的に優れていますが、ISO-S素材を効果的に加工する唯一の方法というわけではありません。場合によっては、高速度鋼カッターの方が生産性やコスト面で優れていることもあります。
ランディングギア部品などの大型航空宇宙部品の多くは、チタンやステンレスのソリッドビレットから加工されている。このような部品には、直径50mmまでの高性能ハイス工具が大量の材料を除去することができる。このハイス工具は、低回転・高トルクの機械で、チタンやステンレスの効果的な荒加工、さらには仕上げ加工に威力を発揮する。また、大径・大幅の切削が可能なため、超硬工具よりも低い回転数でも競争力のある除去率を実現しています。
先進的なハイス工具の例として、コバルト含有量8％、硬度67HRCのJCO710 HSS-Coカッターがある。この工具の特徴は、摩擦と刃の蓄積を減らすための研磨されたフルートと、許容できない表面粗さの値の原因となるチャタリングのリスクを減らすための軽快な切削を行う可変フェイスプロファイル形状です。このカッターは、大型のチタン部品を製造するメーカーで使用され、800分以上の工具寿命を実現しました。
結論
重要な用途で使用されるISO-S材料の加工作業におけるメーカーの目標は、最高の品質、信頼できる一貫性、そして生産性です。金属メーカーがますます要求の厳しい高性能アプリケーションに対応するために新しい合金を開発するのと同様に、切削工具メーカーも、ISO-S材料の加工上の課題を克服し、メーカーが加工目標を達成できるように設計された新しい切削工具材料と戦略を生み出しています。
ISO-Sミリング戦略
慎重に設計された工具と切削方法の組み合わせにより、ISO-S素材の生産性とコスト効率の高い加工を実現します。
これは、切削力を半径方向から軸方向に移動させる方法で、軸方向の小さな切込みとテーブルの高送りを組み合わせたものです。この手法では、切屑が薄くなり、熱が刃先から逃げ、切削抵抗が減少するため、振動が抑えられ、加工作業が安定します。高送り加工は、熱の発生を抑えて工具の寿命を延ばすだけでなく、従来のフライス加工に比べて最大200～300％もの高い切り屑排出率を実現します。
高送り加工には、様々な工具を使用することができます。例えば、Secoのグローバル・エンドミル・ラインでは、48～62HRCの高硬度鋼やコバルトクロム合金の加工用に設計されたJHF180工具を提供している。この工具は、剛性の高い0.9度のテーパーネックデザインを採用しており、工具のたわみを抑え、深いキャビティの加工を可能にし、面粗度を向上させます。工具の形状は、切屑が刃先から離れるように排出されるように設計されています。フェイスミル、スロッティング、ランピング、ヘリカル補間、ランピング、Zレベル加工など、高送りのフライス加工に適しています。
ISO-S材を加工するためのその他の戦略は、特定の作業、ワークピースの材質、および使用する機械によって異なります。従来のアプローチでは、軸方向と半径方向の切り込み量と平均的な送り速度を1-1のバランスで行います。SecoのHPMラインのような特殊なカッターを使用した高性能加工では、軸方向の大きな切り込みと半径方向の全幅の切り込みを利用して、大量の金属除去を行います。高速加工では、半径方向の切り込み量が少なく、軸方向の切り込み量が大きいカッターを使用します。この方法では、生産性を高めるために高い切削速度を使用することができます。これらの異なる加工方法を効果的に実施するには、使用する工作機械の性能や、加工プロセスを実行するために必要な大規模なプログラムやファイルを処理するCNCシステムなど、さまざまな要因が絡み合います。
チタンの加工には、特殊な操作や工具が必要となります。適度な切削速度を使用することで、工具とワークの間の化学反応を促進する可能性のある過剰な熱の発生を避けることができます。可能な限りクーラントを使用してください。シャープな切れ刃は、ワークからの切り屑の剪断を容易にすることで、切削抵抗を低減します。ハイフィード戦略も同様です。
