チタン合金はなぜ加工が難しい素材なのでしょうか？

1 チタン合金の加工の難しさの「犯人」は熱です。

チタン合金機械加工の切削力は、同様の硬度レベルの鋼の切削力をわずかに上回るだけです。 しかし、チタン合金の加工と鋼の加工には複雑な物理現象が関係しているため、チタン合金の加工はさらに多くの障害や困難に直面しています。

ほとんどのチタン合金の熱伝導率は低く、鋼のわずか 1/7、アルミニウムの 1/16 です。そのため、切削中に発生した熱はすぐにワークピースに伝達されず、切りくずによって持ち去られず、1000 ℃に達する温度で切削領域に集中します。以上の値を使用すると、工具の摩耗、欠け、切りくず腫瘍の形成が早まり、さらに切削領域で熱が発生し、工具の寿命が短くなります。

切削プロセス中に発生する高温もチタン合金部品の表面の完全性を損ない、幾何学的精度の低下や加工硬化を引き起こし、疲労強度を大幅に低下させます。

チタン合金の弾性特性は部品の性能向上に役立つ可能性がありますが、切断中のワークピースの弾性変形は重要な振動源です。 切削圧力により弾性変形が発生し、その結果、切削動作のみの場合よりも工具とワークピースとの間の摩擦力が大きくなり、チタン合金の熱伝導率の低下がさらに悪化します。

変形しやすい薄肉部品やリング形状の部品を機械加工する場合、必要な寸法精度を満たそうとすると特有の課題が生じます。 チタン薄肉部品は、工具から押し離されるとすぐに局所的な変形が弾性範囲を超えて塑性変形が発生し、材料の強度と切断点の硬度が大幅に増加するため、特に困難な課題を抱えています。 この時点で、事前に決定された切削速度での加工が高速になりすぎ、工具の急激な摩耗につながります。

 

チタン合金の加工ノウハウ

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、チタン合金を切断するための核となるプロセスのノウハウを次に示します。

(1) ポジアンギュラ形状のインサートを採用し、切削抵抗、切削熱、ワークの変形を低減します。

(2) 工作物の硬化を避けるために一定の送り速度を維持し、切削工具は常に送り状態にあり、フライス加工では 30% の半径方向抜き勾配を使用します。

(3) 加工作業中の熱安定性を達成し、高温加工条件によるワーク表面の変性を防止し、急激な温度上昇から工具を保護するために、高圧および高流量の切削液を適用します。

(4) 最終的に工具の故障につながる可能性のある熱の蓄積や摩耗を避けるために、鋭い刃先を維持してください。

(5) チタン合金を加工する際に最適な結果を得るには、チタン合金を可能な限り柔らかい状態で加工してください。 硬化した材料の機械加工はますます難しくなり、熱処理により強度が増す一方でインサートの摩耗が増加します。

(6）大きなチップ半径または面取りプランジを使用して、各カットに刃先をできるだけ多く組み込むことにより、各点での切削抵抗と熱が低減され、局所的な欠損を防ぐことができます。チタン合金のミーリング加工では、切削速度が工具に最も大きな影響を与えます。寿命は長くなりますが、ラジアル抜き勾配 (加工深さ) は 2 番目に優先されます。

03 チタン加工インサートを活用してチタン加工の課題を解決

チタン合金機械加工インサートの溝摩耗とは、通常、以前の作業で残った加工硬化層の結果として、切り込み深さ方向の前後の局所的な摩耗を指します。 800 ℃を超える温度での工具と被削材の化学反応もその形成に寄与し、さらに溝摩耗の形成に寄与する可能性があります。

チタン加工の一環として、ワークピースのチタン分子がインサートの前に蓄積し、高圧と高温で刃先に「溶接」され、チップ腫瘍として知られるものが形成されます。 この腫瘍が刃先から剥がれると、インサートの超硬コーティングがすべて付着するため、その加工には特別なインサート材料と形状が必要になります。

04 チタン加工に適した工具構造

チタン加工の核心は熱であるため、正確かつタイムリーに刃先を冷却するには大量の高圧切削液を使用する必要があります。 チタン加工用に特別に設計されたフライスが市販されており、この作業に合わせて特別に調整された独自の構成を備えています。