チタン・HRSA金属の先進加工：切削性・クーラント・工具の最適化
耐熱超合金やチタンといった金属は非常に手強いですが、加工、工具保持、チップ選定における正しいアプローチとガイダンスがあれば、機械オペレーターは問題領域を克服できます。
人体用インプラント関節から、石油産業の海洋施設向け大型部品、航空宇宙用エンジンタービンまで、耐熱超合金やその他合金は主要製造セグメント全般で日常的に使用されています。しかし、これらの加工は困難を極めます。
最高品質の部品を最短時間で製造することが目標なら、どの工具を使うべきかを理解することが不可欠です。超高密度・高硬度金属が工作機械を唸らせながらも、切削が極端に遅かったり不正確だったりして、工具を使い潰したり生産遅延を招いたりすることは誰も望みません。工作機械の能力を理解することも、難削材に最適な工具を知ることも、同様に重要です。
「HRSAの主要用途は、航空機と発電用の高温域タービン部品です。ブレード、ブリスク、ブラケット、バルブ、マニフォールドなど、複雑で輪郭形状を持つ部品が多い」と、エド・シンコラ氏はAdvanced Manufacturing誌の記事「高温合金を切削するホットな技術」で述べています。
「したがって、一度のクランピングで必要な形状と公差を得るために5軸フライス加工が用いられます。より小さな部品にはソリッド超硬ラウンド工具が必要で、特に剛性の高いツールホルダーが求められます」とシンコラ氏は説明します。
多くの業界が製造プレッシャーにさらされています。品質部品を得るまでの時間は、特に競争の激しい市場では極めて重要です。
「主眼はプロセス信頼性にあります。これら構造部品は極めて高価だからです」と、ウォルターツールズはチタンのポケット加工に関する航空宇宙記事で指摘します。「同時に、市場からのコスト圧力が高い加工性能と生産性を要求しています。」
その「プロセス信頼性」の快適ゾーンに達するには、適切な機械、ワーク保持、工具、工具パス、クーラントをすべて組み合わせた多くのノウハウが必要だと、加工と工具の専門家は言います。チタン、HRSA、合金のためのトップ工具と加工ガイダンスを探ります。
材料の切削性評価を知る
チタン、ステンレス鋼、HRSAを切削する場合、多くの部品にニッケルやクロム、時にはコバルトが含まれます。一般的なニッケル合金には、インコネル、ワスパロイ、ハステロイ、ステンレス鋼（304、316、17-4等）があります。
「ニッケルはタフで耐食性があり、優れた強度と衝撃特性を示します」と、製造コンサルタントのキップ・ハンソン氏は「ニッケル基耐熱合金の金属切削5つのヒント」で述べています。
「シャープな工具と適切な切削条件があれば、純ニッケルの旋削・フライス加工はそれほど難しくありません。しかし、Ni-Span-C 902やモネルK-500のようなニッケル合金は、切削性評価が15％以下です」とハンソン氏は説明します。
そして切削性がすべてです。幸い、今日の多くの機械と切削工具はほとんどの材料を扱えますが、課題は、繰り返し可能でタイムリーな加工プロセスを作るための適切な工具と技術を知ることです。そのために、材料がどう評価されているかを理解することが役立ち、切削性評価チャートの活用が有効です。
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多くの場合、工具サプライヤーが提供するテクニカルガイドの活用も有効です。例えばサンドビック・コロマントのこのガイド：
「アプリケーションガイド：耐熱超合金」
このガイドでは、HRSAについてこう述べています：「各合金グループの物理的特性と加工挙動は、合金の化学的性質と製造過程で受ける精密な冶金プロセスの両方により、かなり異なります。金属が焼鈍されているか時効処理されているかが、その後の加工特性に特に影響します。」
使用材料の組成についてもっと知りたいですか？ 「切削工具選定ガイド：鉄系vs非鉄系金属」をお読みください。
熱に注意、金属加工用クーラントを活用
CNC工作機械で、正確で信頼性の高い切削と適切なチップを得るために必要な切削速度と送りにおける、材料表面での発熱は、過小評価できません。これはチップと工具にとって実に厳しい挑戦となります。
「熱伝導率が低く硬度が高いため、加工中に高温が発生します」と、サンドビック・コロマントは「HRSA材料向け適切な旋削チップの選定」で指摘します。「高強度、加工硬化、付着硬化特性が、最大切込み深さでのノッチ摩耗と、切れ刃にとって極めて研磨的な環境を生み出します。」
どう対策すべきか？ 多くの用途では、切れ刃をタフに保ち、基材に密着させ、変形を防ぐ超硬ベースの切削チップを使用します。
「一般的に、大きな切込み角（丸チップ）を持つチップと、ポジティブチップ形状を選択します。旋削とフライスでは、用途に応じてセラミック材種も使用可能です」とサンドビック・コロマントは説明します。
コーティングとクーラントの役割も忘れてはなりませんと、ケナメタルのプロダクトマネジメントディレクター、スコット・エトリング氏は「熱くなる難削金属」で助言します。
「適切なPVDコーティング、タフな基材、適切な形状、適切な刃先処理、高せん断形状が必要です」とエトリング氏。「鋼のように熱がチップに逃げません。熱はどこかに逃げなければならないため、ほとんどのチタン用途では大量のクーラントが必要です。」
クーラントとHRSAについてさらに知りたい場合は、サンドビック・コロマントのアプリケーションガイドをお読みください。同ツールメーカーは以下を提案しています：
「クーラントはセラミックを用いたフライス加工を除くすべての作業で適用すべきです。量は多く、よく向けられるべきです。高圧クーラントHPC（最大1160 psi）は、工具寿命と安定性の面で良好な結果を示します。」
ワークを剛性保持する
「HRSA加工には、非常に安定した機械、剛性の高いワーク保持、スピンドルとツールホルダー間の非常に剛性の高いインターフェースが必要です」とシンコラ氏は指摘します。
材料と切削工具だけでなく、ワークを所定位置に保ち、今日の機械と革新的切削工具が扱う非常に高い回転数とスループットに耐えられるバランスの取れた強度を維持するために必要な要素があります。
「チタンや他の耐熱超合金の加工では、径方向だけでなく軸方向にも高い切削力が発生し、工具抜け落ちを引き起こす可能性があります」と、ハンソン氏は「高性能加工の教訓：ツールホルダーを忘れるな」で述べています。「適切なタイプのツールホルダーを使用し、工具破損と部品スクラップを防ぐことがさらに重要です。わずか数千分の数インチずつかもしれませんが、非常に高価な部品をスクラップにするには十分な量です。」
サイドロックホルダーを使用しているなら、新しい改良型への切り替え時期かもしれません。多くのベンダーがハイマーの特許技術「Safe-Lock」をライセンスしています。しかし、抜け落ち防止による工具寿命延長だけでなく、ビビリとハーモニクスの低減、機械スピンドルへのダメージ防止の観点からも、HRSA部品加工では油圧チャックの評価に値します。また、CNCにHSK、Capto、KM4X等の技術が採用されているか確認することも重要です。
「そんなに高速で工作機械を回すとき、通常12,000 rpm以上なら、ツールホルダーと切削工具を含むシステム全体を常にバランス調整することを推奨します」と、ケナメタルのシニアグローバルプロダクトマネージャー、ロナルド・ウェスト氏はツールホルダー記事で述べています。「工具寿命が延び、スピンドル摩耗が減ります。コレットチャックやエンドミルアダプターでは、設計と必要ハードウェアの関係でバランス維持が少し難しいですが、一般的に油圧チャックとシュリンクフィットアダプターは高速用途でファインバランスしやすいです。」
HRSA荒加工にはセラミック工具を試す；工具パスを長く保つ
「セラミック切削材料は、FSMとISMの荒加工で優れた生産性を発揮します。その適用は超硬とは大きく異なります……」と、サンドビック・コロマントはHRSA加工のアプリケーションガイドで記しています。その理由は、セラミックが高切削速度を可能にし、「高度に塑性化されせん断されたチップ」を生成するためです。
HRSA荒加工の鍵は、適切な温度に達するための切削速度と送りにありますと専門家は言います。3,000 SFM（約914 m/min）以上の速度が推奨されます。
「最初のステップは、切削域の温度を上げて材料をある程度塑性化し、加工しやすくする適切な速度を設定することです」と、グリーンリーフ社のグローバルマネージャー、ヤン・アンダーソン氏。「そうでなければ、予測不能な工具寿命と格闘することになります。適切な速度を決定したら、送り速度で熱除去を管理します。送りが高ければチップ質量が増え、チップ質量が増えれば切削域から運び去られる熱量が増えます。これが化学的摩耗成分を制御します。」
もう一つの重要ポイント：工具パスをできるだけ長く切削状態に保ち、工具をできるだけ長く生かしておくこと。これにはCAMでの適切なプログラミングで、すべての工具パスにラジアスを強制することが必要です。
「インコネルや他の超合金で私たちが求める重要なプログラミング技術は、工具をできるだけ長く切削状態に保つことです」と、メソッド・マシン・ツールズのプロダクトマネージャー、デール・ミッケルソン氏はAdvanced Manufacturing誌で語ります。「切削に出入りするたびに工具寿命を失うからです。だからヘリカルに部品内部へ下がるポケットルーチンを作ります。平坦部があれば、そこまでヘリカルに切り下げ、それから平坦面を仕上げます。」
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