新たなツールと戦略でISO Sの素材を活用

ワークピース材料のISO S分類には、耐熱超合金（HRSA）とチタン合金が含まれています。これらの材料は、高温での硬度と強度を備えているため、航空宇宙、エネルギー、その他の重要な用途に幅広く使用されています。しかし、これらの耐熱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。これを受けて、切削工具メーカーは、材料の加工性に対応し、ISO Sグループ合金の信頼性、安定性、および比較的経済的な加工を可能にする製品と応用戦略を開発しました。また、これらの工具メーカーは、メーカーに新しい工具や戦略を紹介するとともに、機械加工者に、今日の先端材料には適用できない可能性が高い旧式の加工技術を見直すよう提案しています。

はじめに

機械加工性の要因

機械加工性とは、機械加工プロセスに対する金属の反応を表す言葉である。被削性には、加工時に発生する機械的な力、切りくずの生成と排出、熱の発生と伝達、切削工具の摩耗と破損という4つの基本的な要素が含まれます。これらの要素のいずれか、またはすべてが過剰に作用すると、その材料は「難削材」とみなされる。

HRSAやチタン合金の加工を、何十年にもわたって鋼や鉄などに使われてきたのと同じ工具や技術で行おうとすると、工具寿命、工程時間、信頼性、部品の品質など、被削性の問題が生じます。ニッケル基合金やチタン基合金を念頭に置いた工具が開発されたのは、ここ数年のことです。これらの比較的新しい素材の加工は、従来の金属の加工に比べて必ずしも難しいものではなく、単に異なるものなのです。

例えば、「難しい」素材を加工する場合、通常は慎重に作業を進め、送り速度、切り込み量、回転数などの切削パラメータを抑えて使用します。しかし、このような高機能素材に特化して開発された切削工具では、むしろ切り込み量や送り速度を大きくするのが基本です。このような積極的なパラメータに対応するために開発された工具には、高温での刃先強度やコーティングの密着性に優れた細粒の超硬合金があり、特に加工硬化したワークによるノッチへの耐性に注意が払われています。また、これらの高性能合金の荒加工や仕上げ加工用に、セラミックやPCBN製の工具も開発されている(下記の「継続的な工具開発」参照)。

具体的な加工性の要因については、HRSAは機械的または力に関連する問題を抱えており、タフアイアンやスチールと大きな違いはありません。しかし、熱の発生と放出には大きな違いがある。金属を切削して材料を変形させると熱が発生するが、切削時に発生する切粉は熱を逃がすことができる。しかし、これらの素材で作られた分割されたチップでは、その役目を十分に果たせないことが多いのです。また、耐熱素材自体が熱伝導性に乏しいという問題もあります。切削部の温度は1100℃～1300℃にもなり、熱を逃がすことができないと、工具やワークに熱が溜まってしまいます。その結果、工具寿命が短くなり、さらにはワークの変形や金属特性の変化を招くことになります。

この問題を解決するためには、切削工具の強度に対する認識を改める必要があります。鋭利な刃を持つ切削工具は一般的に弱いと考えられていますが、工具温度の上昇を抑制するためには、鋭利な切削工具を使って材料を変形させるよりも切断する方が、熱の発生を抑えることができます。そのためには、刃先の強さを追求した工具を、十分な出力と安定性、耐振動性を備えた工作機械で使用する必要がある。

また、ひずみや析出硬化の傾向もHRSAの加工を複雑にしている。ひずみ硬化とは、切削加工の応力と高温にさらされることで、切削部分の材料が硬くなることです。ニッケルやチタンをベースにした合金は、鋼よりもひずみ硬化の傾向が強い。析出硬化は、静止していた合金元素が高温で活性化することにより、被削材に硬い部分ができる。いずれの場合も、切削工具を1回通すだけで材料の構造が大きく変化し、2回目の切削では、より硬い表面を切削しなければならないことになる。解決策としては、パスの回数を最小限にすることです。例えば、深さ5mmの切削パスを2回使って10mmの材料を除去する代わりに、深さ10mmの切削パスを1回使った方が良いでしょう。多くの場合、シングルパス加工は不可能ですが、理論的には目標となります。

このアプローチでは、従来、小さな切り込みと軽い送り速度で複数回のパスを行っていた仕上げ工程を見直す必要があります。その代わりに、加工者はパラメータを可能な限り増加させる可能性を探すべきです。そうすることで、表面仕上げだけでなく、工具寿命も向上させることができます。

また、仕上げパスの切り込みをやや深くすると、切れ刃の最も鋭い部分が、部品のひずみや析出硬化した部分の下に位置することになります。しかし、仕上げ加工の深さが深すぎると、振動が発生し、表面仕上げに悪影響を及ぼす可能性があります。積極性と慎重さの最適なバランスを見つけることが重要である。

信頼性と経済性

ニッケルやチタンをベースとした合金専用に開発された今日のツールや戦略を用いれば、技術的な問題なく機械加工を行うことができます。現在の課題は、単にワークを加工することではなく、与えられた時間内に与えられたコストでワークを正確に加工することです。その目的は、プロセスの信頼性と生産経済性を向上させることです。

高価な素材とそれを使って作られる部品を考えると、加工プロセスは完全に信頼できるものでなければなりません。信頼性の高い加工プロセスを求める一方で、メーカーにはスクラップ部品を生産する余裕はありません。適切な工具と加工パラメータを使用することで、安定した加工結果を得ることができます。

加工パラメータについては、切り込み量や送り速度を上げることで生産性が向上します。また、切削速度を上げることで部品の加工を促進することができますが、これはまだ十分に活用されていません。現在、ニッケルやチタンを主成分とする合金で使用されている切削速度は、鋼で使用されている速度よりもまだ低い。しかし、現在の研究では、適切な工具寿命を維持しながら、さらに高い切削速度を可能にする切削工具の特性を開発することに重点が置かれています。

切削工具だけでなく、高圧ダイレクトクーラント（HPDC）システムの使用など、金属切削プロセスの他の要素も生産性の向上に役立ちます。ISO S素材の切削速度が50m/minであれば、HPDCを使用することで200m/minの切削速度が可能となり、生産量が4倍になります。

工具寿命は、HRSAを加工する際に新たな視点で見ることができる生産性のもう一つの要素です。従来の工具寿命の測定は、交換が必要になるまでの切削時間を分単位で数えていました。もう一つの指標はコストです。

例えば、あるワークの製作に2時間かかり、20分ごとに工具を交換しなければならないとすると、そのパーツを完成させるためには6本の工具を購入しなければならない。このように考えると、ツールコストを削減し、ツール寿命を20分ではなく30分にすることが目標になります。

しかし、HRSAやチタン合金で作られた高価な部品を加工する場合、工具費は部品の全体的な価値のごく一部に過ぎません。より適切な指標は、工具の使用率であり、工具の使用率指数とも呼ばれます。2つのサンプルツールを比較した場合、1つのツールが10分で1つのワークを作成した場合、ツールコストはワーク1つにつき1つのツールとなります。一方、別のツールは、異なる方法で使用されており、使用時間は5分しかありませんが、2つの部品を製造することができます。2つ目の工具の寿命は1つ目の工具の半分ですが、部品の生産量は2倍になります。そのためには、できるだけ多くの正しい部品を、できるだけ短い時間で、しかも納得のいく価格で作ることが必要です。HRSAで作られたパーツのコストが高いことを考えると、工具使用率指数の方が真の生産性を測るのに適している。

結論

常にそうであるように、新しく開発された金属切削技術の利点を最大限に生かすには、その技術を特定の作業に適用するための最適な方法を知ることが重要である。HRSAやチタンベースの合金などの高性能なワークピース素材の進歩に伴い、工具メーカーも新しい合金の加工プロセスで生産性を最大化するための新しい方法を開発し続けています。メーカーにとっては、新しい工具が入手可能であることを認識し、それを適用するための最良の方法について工具メーカーが総合的な知識を持っていることが有益である。

工具開発の継続

約100年前にさまざまな形で特許を取得したステンレススチールは、現代のHRSAへの第一歩でした。最初のステンレス合金は、酸化や腐食を防ぐためにクロムを添加したもので、基本的なステンレス合金のクロム含有量は重量比で10.5％以上。その後、ステンレス鋼の硬度と靭性を高めるためにニッケルが添加された。その後、ステンレス鋼の硬度と靭性を向上させるために、ニッケルが添加されるようになりました。過酷な環境下で使用されるようになると、ニッケルの割合が増加し、最終的にニッケルが合金の主成分となりました。現在、インコネル718として知られているHRSA合金718は、ニッケルが50～55％、クロムが17～21％、その他の元素が10％で、残りは鉄である。現在のHRSAとチタンベースの合金は、優れた強度、耐熱性、耐食性、信頼性を備えています。

このような新しい素材に直面したとき、メーカーはまず、既存の加工方法を適用しようとします。しかし、このような特殊な材料や加工に適した工具や技術を取り入れてこそ、本当の意味での生産性が得られるのです。

例えば、1980年代半ば、Secoは科学者とエンジニアで構成される「アルファグループ」を設立し、ステンレス鋼をより生産的に加工する方法を模索していた。このグループは、多くのステンレススチールメーカーと協力して、新しい超硬合金のグレードや形状、ステンレススチール用の特殊な切削方法を開発した。1990年代に入ると、この取り組みは、より性能の高いHRSA素材にも拡大された。

炭化物の等級、コーティングおよび幾何学に加えて、金属切断プロセスの特定の区分のHRSA機械加工の生産性を最大限に活用する用具は開発された。大まかな加工を目的としたSecoのCS100シアルセラミックグレードは、高い化学不活性、耐摩耗性、靭性を備え、長く一貫した工具寿命を実現します。一般的な大まかな旋回アプリケーションパラメータには、150 m/min.から305 min.の切削速度、0.2~0.4mm/revの送り速度、0.5mm~3.75mmの深さカットなどがあります。

CS100は、ニッケルベース合金の連続仕上げ旋削用に設計された強靭で耐摩耗性の高いPCBN材種であるSecomax CBN170によって補完されている。

CBN170材種は、工具寿命を向上させるウィスカーセラミックバインダーを採用しており、これにより、切れ刃の交換に必要な機械の停止回数を減らすことができます。CBN170材種は、ニッケルベース合金の仕上げ加工において、厳しい表面仕上げ、公差、切り込み長さの要求を満たすことを目的としています。CBN170は、クーラントを使用した連続切削で、最大0.5mmの切り込み量、300m/minから400m/minの切削速度で使用できるように設計されています。CBNの含有率は65%で、粒径は2μmです。チップには25μmのエッジホーニングが施されています。

HRSA加工における工具寿命と生産性の向上を目的とした他の開発には、SecoのJetstream Tooling高圧ダイレクトクーラント(HPDC)システムのような技術がある。クーラントの噴射により、切りくずがすくい面から離れ、切りくず処理と工具寿命が改善され、より積極的な加工パラメータの適用が可能になります。切りくずが急速に冷却されることで、切りくずがもろくなり、破断しやすくなるケースもあります。

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