IMTS 2018：航空宇宙超合金向け高性能研削砥石をマスターする

超合金材料の最適研削方法を深く理解しましょう。今年IMTSに参加される方は、高性能研削に焦点を当てた複数のカンファレンスセッションに注目——日常の加工業務に役立つ技術が見つかります。

航空宇宙・エネルギー分野で広く使われるInconel 718、Hastelloy C-276、Monel K500等の金属は、耐熱・耐食性に優れ、機械的特性は「貧弱な鋼の親戚」を遥かに凌駕します。

「ニッケル基超合金は航空機エンジン総重量の40％以上を占め、燃焼器とタービン部品に用いられます」とNorton | Saint Gobain先進アプリケーションエンジニアリンググループリーダー、K.フィリップ・ヴァルゲーゼ博士はIMTS 2018カンファレンスプレゼンテーション概要で述べています。「採用理由は、高温強度、靭性、極限環境下での劣化耐性というユニークな組み合わせにあります。」ヴァルゲーゼ博士は9月12日（水）午前10時、シカゴIMTSで「ニッケル基超合金の高性能研削」を発表予定です。

残念ながら、これら超合金は研削が非常に困難です。高圧力による加工硬化が常態化し、大半の超合金の熱伝導率が低いため研削ゾーン温度が高く、放置すればワーク損傷を招きます。荒取りと仕上げの間にワークを冷却・「応力除去」させる必要がある場合もあります。

B1112鋼の切削性評価を100％とすると、ほとんどのインコネルは12％、高コバルトL-605（別名Haynes 25）はわずか9％です。さらに研削は通常ワークに対する最終工程の一つであり、スクラップや生産遅延があれば納期遅れに直結します。平面、円筒、センターレスいずれの研削でも、これら超素材への対応は困難を極めます。

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研削砥石タイプ：超合金に適した砥石選定

幸い、高性能研削ショップになる道はいくつかあり、第一歩は最適な研削砥石選定です。多くの専門家は、鋼研削用パラメータが超合金にも同様に適用可能と指摘します。これは、炭素鋼・合金鋼研削で好まれるアルミナ（酸化アルミニウム）砥石が、超合金でも第一選択肢となり得ることを示唆します。これは良い助言ですが、ほとんどの砥石サプライヤーはニッケル基材料専用に設計されたプレミアム製品を提供しています。これらは一般にセラミックアルミナ混合物で、脆いが強固な結合剤により発熱を最小限に抑え、概ね自己刃立て（セルフシャープニング）性を持ちます。

「これら超合金の高性能研削（HPG）プロセスにおいて、低閾値動力/力で切り屑除去でき、低比研削エネルギーで研削可能な特定砥石のみが、高生産性と長砥石寿命という相反する目標を両立させられます」とヴァルゲーゼ博士。

超合金は粘着性があり砥石目詰まりしやすいため、この属性は重要です。また開放粒度（オープングレイン）による発熱抑制も重要で、発熱による熱チェックと微細クラックを防ぎます。最悪、目詰まりした砥石がワーク表面を切削せず擦るだけになると、いわゆる「ホワイトレイヤー」が生じます——航空宇宙では表面完全性を損なうため大問題です。

もちろん砥石選定は多因子依存です。平面研削、円筒研削、クリープフィード研削、センターレス研削で挙動は異なります。実際の超合金材質と除去代も役割を果たします——例えばチタンベベルギア荒研削ではビトリファイドCBN砥石が最適でも、インコネルタービンブレード根元形状クリープフィード研削では先進セラミック砥石が必要となる等です。

高性能機械研削におけるクーラントと切削液の役割

開放粒度・自己刃立て砥石が超合金研削の良い出発点であるように、高品質・良く濾過・適切にメンテナンスされた水溶性切削液（硫黄・塩素添加剤含有で潤滑性付与）もまた良い出発点です。これにより熱起因表面損傷リスクなしで最大材料除去が保証されます。ただし、硫黄・塩素系切削液は粒界腐食リスクで一部航空宇宙企業が使用制限しているため、顧客と確認必須です。

CBN砥石の場合、または顧客が特定水溶性油を禁止している場合は、ストレートオイルを使用しますが、水系クーラントほど放熱効果は高くありません。どの液体でも、その流速はワーク表面での測定値として砥石速度を超えるべきです。特殊形状研削なら、ノズル形状をその形状に合わせ、100％カバーを確保します。最後に、研削は液体を微細粒子に破砕する傾向があり、これら粒子は発癌性があるため、作業者安全のため適切サイズのエアフィルタレーションシステムを常に使用してください。

適切な砥石ドレッサー（修正装置）を選ぶ

超合金はあらゆる研削プロセスの限界を押し広げるため、砥石有効ウィンドウはしばしば非常に狭いです。荒取り用の結合剤・砥粒・硬度が仕上げ精密研削では全く役立たず、工程中砥石交換が必要になることもあります。研削盤オペレーターなら誰でも知るように、砥石交換は日常ですが、生産性向上には自動砥石交換機能付き機械が大きく貢献します。

もう一つの大きな前進は連続ドレッシングです。アフターマーケットアタッチメントもありますが、予算許せば次期CNC研削盤でこのオプションを発注するのがベストです。開放粒度・自己刃立て砥石が超合金で最も効果的であるのと同じ理由で、連続ドレッシングは砥石を常に鋭利に保ちます。研削抵抗低減、表面仕上げ・精度向上、ホワイトレイヤー等のクリティカルな航空宇宙・原子力・医療部品への表面損傷懸念がほぼ解消されます。

現在の研削盤が10代前半（注：製造後10年以上）以上で、負荷が見込めるなら、要求厳しい航空宇宙作業専用設計の最新CNC研削盤への投資を検討すべきです。自動ドレッシング、インライン部品計測、パレットチェンジ、ロボット部品ハンドリング、先進多軸運動制御等を備え、今日の機械工具は投資に値します。高性能研削ショップを目指すなら、ここが最適なスタート地点かもしれません。

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