CNC加工を劇的に改善する7つの必須工具コーティング

CNC加工の現場をレベルアップしたいなら、工具コーティング技術がいかに違いを生むかを理解することが不可欠です。次回の難削加工に向け、高性能コーティングの採用を検討すべき理由を紹介します。

優れた超硬材種は重要ですが、その表面に施される優れたコーティングもまた極めて重要です。今回は京セラハードコーティングテクノロジーズのコーティング開発ディレクター、ジョン・W・パジェット博士にインタビューし、切削工具コーティングの最新動向と、それが如何に生産性向上と工具コスト削減に貢献するかを探ります。

エンドミル、ドリル、ルーター向けトップ7コーティング

エンドミル、ドリル、ルーターの大手メーカーである京セラSGSプレシジョンツールズは多数の独自コーティングを提供しています。名称こそ独自ですが、TiNやTiCNといった定番から、比較的新しいコーティングまで揃っています。ここでは代表的な7種類を紹介します。

• Ti-NAMITE（チタン窒化物）
• Ti-NAMITE-A（アルミニウムチタン窒化物）
• Ti-NAMITE-B（チタン二ホウ化物）
• Ti-NAMITE-C（チタン炭窒化物）
• Ti-NAMITE-X（独自ナノコンポジット）
• Di-NAMITE（結晶ダイヤモンド）
• Ti-NAMITE-M（独自ナノコンポジット）

他にもありますが、パジェット博士によれば、2番目のAlTiNとそのシリコン含有系（AlTiN/Si₃N₄）が、幅広い用途でTiNに取って代わる標準的コーティングとなっています。

「おそらく最も一般的で汎用性の高い高性能コーティングであり、ステンレス鋼や一部の超耐熱合金に適しています」と同氏は説明します。「さらに、様々なコーティングにクロムを添加することで、AlTiCrNやAlCrNなど、より高温用途での熱安定性が向上します。」

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適切なコーティングがクラック、剥離、工具破損を防ぐ仕組み

切削工具コーティングは単なる化学物質の組み合わせではありません。コーティングプロセス、刃先処理、コーティング厚、超硬基材の粒度も同等に重要です。

「現在の先進コーティングの多くは、ナノレイヤーやナノコンポジットといったナノ構造を含んでいます」とパジェット博士。「これら超薄膜層の厚みを一定範囲で制御できれば、靭性をほぼ犠牲にせず、硬度と耐摩耗性を向上させられます。また、この多層・多相構造は、工具内部へ進行しようとするクラックを逸らす効果もあります。」

窒化物コーティングの厚みは通常2〜4μmとのこと。コーティングが厚くなるとコーティングと基材の間の応力が増大し、剥離→工具破損につながる恐れがあります。

TiCや従来のCVDコーティング工具を使ったことがある人ならご存知の通り、厚いコーティングは切刃半径を増やし、実質的に工具を「鈍らせ」ます。これは炭素鋼や鋳鉄などでは有利ですが、ステンレス鋼、アルミニウム、工具鋼、超耐熱合金では、鋭い刃先とポジティブすくい角工具が第一選択となります。

高性能加工を検討中？ 詳細は「ハイパフォーマンスマシニングを導入すべきか？」をお読みください。

切削工具コーティングの進化

もちろん、初期のTiCやCVDコーティング時代から技術は大きく進化しました。現在のTiCコーティング工具は、かつてより遥かにシャープです。

「PVDコーティングの適用における進歩には、陰極アーク法とマグネトロン・スパッタリング法の利点を組み合わせようとする陰極設計が含まれます」とパジェット博士。「マグネット配置とパルスアークにより、陰極アーク法からのマクロパーティクルを減らし、より滑らかなコーティングを実現。HiPIMS（高出力インパルス・マグネトロン・スパッタリング）は、スパッタリング法のイオン化率と堆積率を向上させます。プラズマエッチング構成の進歩も、コーティング密着性を高めています。」

マグネトロンやスパッタリングの話は専門的ですが、現場の技術者にとって重要なのは工具寿命と金属除去速度です。被削材がアルミニウムなら、もう一つの新星コーティング、チタン二ホウ化物（TiB₂）を検討すべきだとパジェット博士は指摘します。

TiB₂はアルミニウム合金や非鉄金属加工に最適です。高硬度により、シリコン含有アルミ合金などの摩耗性材料でも優れた耐摩耗性を発揮し、工具破損の主因となるビルトアップエッジを抑制します。

では、刃先処理は切削工具性能にどう影響するのでしょうか？

「研削直後の刃先を顕微鏡で見ると、かなり粗い状態です」とパジェット博士。「高い部分は応力集中点となり、早期破損や刃先劣化の原因になります。しかし刃先処理によりこの粗さを平滑化し、さらにホーニングを施すことで刃先を強化できます。」

工具コーティングが生産性に与えるインパクト

最近切削工具を購入された方なら、先進コーティング品の価格が「標準」コーティングの2〜3倍することに気づかれているはずです。本当にそれだけの価値があるのでしょうか？ パジェット博士は「イエス」と答えます。

性能向上の度合いは、被削材、工具形状、工具パス、工作機械など多くの変数に依存しますが、特定用途では材料除去率が10倍以上向上することもあります。

「高い生産性と長い工具寿命は、ほぼ確実にトータルコストの削減につながります」と同氏は付け加えます。

古い、または出力不足の工作機械ではこれらの生産性向上をフルに活かせないかもしれませんが、工具寿命延長のメリットは依然として享受できます。

「その点を踏まえると、医療や航空宇宙分野では、生体適合性や材料移行の懸念からコーティング工具の使用を躊躇する特定用途もあります」とパジェット博士。「しかし、ほとんどの用途では、新しいコーティングが登場したら評価・テストするのが賢明です。」

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