住友電工のバインダーレスCBN&PCD工具が難削材加工の耐久性と汎用性を再定義

困難な加工ジョブでは複数回の工具交換が必要になることがあり、工具寿命を延ばす耐久性の高い工具が強く求められます。住友電工のバインダーレスCBNとバインダーレスPCD工具が、難削材加工に長寿命・高硬度切削オプションを提供する仕組みを紹介します。

住友電工は常に製品ラインの近代化に取り組んできました。

その研究開発の最新成果は、チタン合金などの難削材加工において、エンドユーザーにより高い汎用性をもたらす一連の切削工具です。

住友電工のエンジニアたちは、バインダーレスCBN（立方晶窒化ホウ素）とバインダーレスPCD（多結晶ダイヤモンド）工具の開発に成功しました。

これらの製品は、ナノメートルまたはサブミクロンレベルの粒子を、金属バインダー材を使わずに直接結合させています。この「バインダーレス」技術は、従来のCBN/PCDより硬く、熱伝導率に優れ、より高い効率を実現し、生産性、工具寿命、汎用性を重視する機械技師に大きなメリットをもたらします。

「お客様は常に、より長持ちし、より良い仕上げ面を残し、コストがかからない工具を求めています」と、住友電工のアプリケーションエンジニア、ジョージ・シェンデル氏。

「だからこそ、バインダーなしの製品を開発することは、常に開発者の目標でした。バインダーは切削工具材料の弱いリンクだと感じていたからです。しかし、今回のソリューションが生まれるまで、誰もそれを実現できませんでした。」

バインダーレスCBNとPCDの科学

新しく開発されたプロセスで、住友電工のエンジニアたちは、従来の粒度より100倍小さい、コンパクトに配置可能な炭素の微細結晶粒を開発しました。これらの粒は、バインダー材を介さず互いに直接結合しており、非常に高い硬度を実現しています。

「従来の金属バインダーを使用する方法では、切削刃に不純物が混入します。バインダーなしで製造すれば、非常に純粋な切削刃が得られ、より長持ちし、ユーザーにとって非常にコスト効果的になります」とシェンデル氏。

「材料を焼結すると、これらの微細粒の間の立方晶格が互いに組み合わさり、粒度は実際に成長します。それでも従来製品よりはるかに小さい粒ですが、それらが互いに結合し、立方晶格の相互組み合わせが非常に強固になります」とシェンデル氏。

同氏は、このタイプの切削工具の究極の目的は「硬いこと」だと説明します。従来工具でバインダーを使って材料を合成すると、材料粒子間の結合が弱まり、工具インサートが破損しやすい箇所が生じ、切削刃が形状を失い、機能しなくなることを意味します。

「バインダーを使わないことで、粒子間の結合を粒子自体より強くし、切削材料の特性を向上させます」とシェンデル氏。

バインダーレス材料の用途

住友電工の2つのバインダーレス製品は：

バインダーレスCBN（NCB100）：

• チタン合金、コバルトクロム合金、超硬合金、その他の難削材の高能率仕上げ加工に最適。
• 比類なき寸法精度と表面粗さの低減、大幅に改善された工具寿命による最適なコスト効率を提供。

バインダーレスPCD（NPD10/DA90）：

• 超硬および硬脆材料、主にタングステンカーバイドとセメントカーバイドの仕上げ加工に最適。
• 長期間にわたり優れた寸法精度を維持。
• ナノ多結晶ダイヤモンドによる優れた耐摩耗性で、超硬の高精度加工を実現。
• 従来ダイヤモンド工具比で工具インデックス（交換/調整）回数を大幅削減し、作業効率向上とトータルコスト削減に貢献。

前述の通り、CBNはチタンとチタン合金に高い有用性を示し、PCDはタングステンカーバイドやセメントカーバイドなどの硬脆材料に用いられます——これらは現在、ほとんどが研削で加工されています。

「NPD10バインダーレスPCD切削刃で超硬エンドミルを切削できます。一部のダイカストメーカーは超硬パンチに、レンズキャビティ/金型メーカーはレンズ用の実際のキャビティ切削に使用しています」とシェンデル氏。「通常ならそのブロックを製造するために研削が必要でしたが、今では直接切削が可能です。」

新しいバインダーレス技術は工具寿命を大幅に向上させるため、エンドユーザーのスループット増大につながります。これは非常に意義深いとシェンデル氏は説明します。

「サイクルタイムを短縮することで、メーカーはより速く操業でき、1日あたりの生産数が増える——つまり利益増大です」と同氏。「または、ジョブショップなら少量ロットをより速く完了でき、機械が次のジョブに早く空くため、年間処理件数が増えます。これは常に大きなプラスです。」

ショップがより生産的になれば、機械オペレーターもそれほど多く必要ありません、と同氏は付け加えます：「今、人手不足に悩んでいるなら、この工具はより少ない人数でより多く生産できるよう支援します。」

航空宇宙・医療業界へのメリット

バインダーレスCBNとPCD工具は特定業界で用いられます。

例えば、バインダーレスCBN工具は主に航空宇宙と医療業界で使用されます。航空宇宙では大量のチタンとチタン合金を使います。医療業界でもチタン、膝関節や股関節などのインプラントにコバルトクロムを使用します。

これらの業界での部品製造は高コストになりがちですが、工具性能による部品単価削減が、これらの顧客の総合的なコスト削減に貢献します。

住友電工のNCB100バインダーレスCBNを用いたチタン合金旋削試験では、以下の結果が得られました：

• 安定したチップコントロールと長寿命刃先により、超硬を用いた現行の安定仕上げプロセスを置き換える優れた候補となる
• 切削時間3倍長
• 除去材料量9倍
• ダウンタイム最小化
• オペレーター介入削減
• 冗長工具の不要化
• 無人運転の実現

コスト削減もメリットです、とシェンデル氏。

「これらの製品は高価格帯ですが、投資対効果は顧客に大きな価値を示しています。」

多くのケースで、従来PCD（DA90）でも荒・仕上げをコスト効率よくこなせるとシェンデル氏は付け加えます。「DA90で荒取り、NPD10バインダーレスで仕上げ——これがコスト効率の良いやり方です。」

「超硬で鏡面仕上げが必要な場合、または超硬で極めて厳しい公差を保持しなければならない場合、バインダーレスオプションなら従来PCDよりワークサイズを制御でき、部品ごとのはるかに優れた一貫性が得られます。」

「私たちの目標は常に、エンドユーザーのボトムラインを押し上げ、プロセスを可能な限り収益性と効率性の高いものにすることです」とシェンデル氏。「現在の加工法と比較して、ユーザーの部品単価を見ます。なぜなら、私たちの狙いは生産性を高めることだからです。」

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