チタン加工のヒント: 切削液、速度、工具、加工硬化の制御-

なぜチタンは最先端で異なる挙動をするのか

チタン合金は機械加工が難しいとよく言われますが、その理由はスキルの問題ではなく物理的なものです。 4 つの特性があらゆる最先端の意思決定を支配します。

低い熱伝導率: Ti-6Al-4V で約 7 W/(mK)、炭素鋼の約 7 分の 1 であるため、切削熱がチップやワークに流入せず、刃先に集中します。

高い化学反応性: 切削温度ではチタンが工具表面に溶着する傾向があり、かじり、欠け、急速な逃げ面摩耗を引き起こします。

低い弾性率: 約 110 GPa、鋼の約半分であるため、細い部品は工具からたわみ、びびり、工具は切削ではなく摩擦します。

加工硬化: 機械加工された表面は変形するにつれて硬化するため、同じ表面を 2 回目に通過するか、切断部に位置する工具が母材金属よりも硬い材料と接触します。

実際の結果は、チタン加工のほとんどをカバーするルールです。つまり、工具を噛み合わせた状態に保ち、硬化層の下を切削するのに十分な送りを維持し、決して工具を擦らないようにすることです。これらの部品の材料は通常、バーとロッドについては ASTM B348、シートおよびプレートについては ASTM B265、Ti-6Al-4V シートについては AMS 4911、または ELI 外科グレードについては ASTM F136 に供給されます。

切削速度と送り開始点

以下の図は、Ti-6Al-4V の旋削、フライス加工、穴加工の作業開始点です。工具の剛性、クーラントの供給、部品の剛性を考慮してトリミングする必要があります。

ほとんどのチタン工具の故障の原因は 2 つの習慣です。1 つは工具が前進せずに接触したままになる滞留、もう 1 つは加工硬化された表面を軽く仕上げる作業です。どちらもプログラミングによって排除する必要があります。部品が細い場合、ステディまたは心押し台で部品を支持する方が、工具の破損を防ぐよりもコストが低くなります。

工具形状と超硬合金の選択

ほとんどの旋削加工やフライス加工には、ISO 513 グループ K のコーティングされていない微粒超硬を使用し、摩擦ではなくせん断するシャープなポジすくい形状を備えています。

コーティングが必要な場合は、アルミニウム-クロムベースのコーティングが推奨されます。チタン-ベースのコーティングはワークピースと化学的に相互作用する可能性があります

溝、すくい面、切れ刃を研磨します。工具を鏡面仕上げにすることで、チタンの主な摩耗メカニズムである凝着を軽減します。

ノーズ半径を適度に保ち、エッジの欠けを防ぐのに十分な大きさと、薄い壁にかかる半径方向の力を制御するのに十分な大きさに保ちます。

フライス加工の場合は、仕上げ用には刃数が多く、荒加工用には切りくずの余地が多く、刃数が少なく、刃数が少ない強力なポジすくいカッターを選択してください。{0}

穴あけの場合は、深さが許す限りツール冷却剤を使用して、-点または薄くした-ウェブ形状を分割します。-

チタンでは切れ味は優先されるものではなく、必須条件です。刃先が摩耗したり欠けたりすると、すぐに切削温度が上昇し、粘着力が増加して刃先の摩耗がさらに進みます。工具交換間隔は、固定稼働時間ではなく摩耗測定に基づいて設定する必要があります。

切削液の選択: よくある誤解を正す

チタンには、ワークピース自体が熱を伝導しないため、潤滑とエッジからの熱の除去の両方を行う液体が必要です。硫黄またはリンの化学反応に基づいた極圧添加剤を含む流体は、工具とチップ上に保護膜を形成し、金属間の接触を制限し、工具の寿命を延ばします。--

塩素を含む極圧流体は、難鋼鋼にはよく推奨されますが、チタンには間違った選択です。{0}}切削時に到達する温度では、塩素化残留物がチタンを攻撃し、応力腐食割れや粒界攻撃を引き起こす可能性があるため、そのような液体を使用する場合は部品を徹底的に洗浄する必要があります。塩素化切削液は、まさにこの理由から、多くの航空宇宙プロセス仕様で制限されています。正しいアプローチは、硫黄またはリンベースの極圧添加剤を使用した塩素を含まない配合であり、塩素系潤滑剤、クリーナー、またはマーキング液が部品に触れた場合は文書化された洗浄操作です。{4}

水溶性極圧流体は、穴あけ、リーマ加工、一般旋削加工に適しています。{0}

ニートオイルは、タッピングやねじ転造など、潤滑が重要で冷却が二次的な場合に使用されます。

希薄な混合物は潤滑性を失い、濃厚な混合物は発泡して残留物が残るため、希釈濃度は屈折計で制御する必要があります。

-ツールを介して、要求の厳しい作業向けに 70 bar クラス以上の高圧を供給し、切りくずを洗い流し、エッジを直接冷却します

液体は他の材料に使用されるオイルと混合してはならず、タンクには混入油や切り粉が入らないようにしてください。

剛性、冷却、切りくず処理、安全性

工具のオーバーハングを最小限に抑え、形状が許す限り切削ゾーンの近くでワークをクランプします。

厳密なセットアップと厳密なマシンを使用してください。チタンはたわみを直接びびり、仕上げの悪さ、加工硬化に変換します。

遠隔からのフラッド冷却に頼るのではなく、大量のクーラントを切削ゾーンに直接噴射して熱サイクルを遮断します。

送りを停止するのではなく形状と送りで切りくずを分断し、切りくずをポケットから取り除いて再切削されないようにします。

細かい切り粉や粉塵を集める：乾燥したチタンの粉は可燃性であるため、蓄積を避け、蓋付きの容器を使用し、細かい粉塵が蓄積する可能性のある乾燥した状態でチタンを機械加工しないでください。

鉄汚染が表面に到達しないように、専用の工具や固定具を使用して、チタンの作業エリアを鋼鉄の作業エリアから隔離してください。

次のバッチでプロセスを繰り返すことができるように、切削パラメータ、工具寿命、表面仕上げを記録します。

加工後の検査は寸法以上の検査を行う必要があります。チタンにとっては表面の完全性が重要です。磨き、かじり、または加工硬化した表面は、引張残留応力を隠し、後で疲労を引き起こす可能性があります。-良好な光の下での目視検査、表面粗さの測定、および仕様が要求する場合には、アルファケースまたは汚染層のチェックが作業を完了します。

よくある質問

Q: Ti-6Al-4V の場合、どの程度の切削速度を使用する必要がありますか?
コーティングされていない超硬の場合、旋削およびフライス加工の場合は 30 ～ 60 m/min、高速度鋼の穴あけには 8 ～ 15 m/min の開始範囲が適切に機能します。最終的な値は、剛性、冷却剤の供給、部品の剛性によって異なります。

Q: チタンはステンレス鋼と同じ切削液で加工できますか?
自動的ではありません。チタンでは、高温の塩素化残留物が応力腐食割れを引き起こす可能性があるため、塩素化極圧添加剤を含む流体は避けてください。硫黄またはリンを添加した塩素を含まない液体を使用してください。{1}

Q: チタンに適した超硬グレードはどれですか?
ISO 513 グループ K のコーティングされていない微粒子グレードで、シャープなポジティブすくい面形状が標準的な選択肢です。-コーティングが必要な場合は、チタン-ベースのコーティングよりもアルミニウム-クロムベースのコーティングが推奨されます。

Q: チタンはなぜ機械加工中に加工硬化するのですか?
工具が通過するにつれて表面層が変形して硬化します。軽くこすると、切れ込みの滞留部分がこの硬化層に接触するため、切り込みと送りの深さは、その下を切るのに十分な深さでなければなりません。

Q: チタンにはスルーツールクーラントが必要ですか?{0}}
すべての作業に必須ではありませんが、工具の送出による高圧により、熱が除去され、切削ゾーンから切りくずが洗い流されるため、穴あけや深いポケット加工における穴の品質と工具寿命が大幅に向上します。{0}{1}

Q: チタンの加工には火災の危険がありますか?
固体チタンはそうではありませんが、細かい切り粉やほこりは発火する可能性があります。機械と床に乾いた微粉が付着しないようにし、蓋付きの容器を使用し、粉塵が蓄積する可能性のある乾式切断条件を避けてください。