焼入れ鋼加工に最適な工具選定ガイド

焼入れ鋼とは

焼入れ鋼とは、焼入れ後にマルテンサイト組織を持ち、硬度がHRC50以上の鋼を指します。難削材の中で大きな割合を占めます。研削は焼入れ鋼加工の伝統的方法ですが、研削後の形状・位置誤差が複雑で対応困難な場合、旋削、フライス、ボーリング、ドリル、リーマで加工効率を向上させ、問題を解決することがよくあります。

焼入れ鋼の切削特性

焼入れ鋼の切削特性は以下の通りです：

1. 主な切削特性は高硬度、高強度、ほぼ塑性なし。
2. 切削力が大きく、切削温度が高い。
3. 高硬度と脆性により切削時チップが発生しにくく、加工面は低表面粗さが得られる。
4. 切削刃が欠けやすく、摩耗しやすい。
5. 熱伝導率が低い。

焼入れ鋼加工用工具材料の選び方

焼入れ鋼加工では、工具材料を適切に選定することが重要な条件です。焼入れ鋼の切削特性によれば、工具材料は高硬度、耐摩耗性、耐熱性だけでなく、一定の強度と熱伝導率も必要です。

(1) 超硬合金（セメント炭化物）

超硬合金の性能向上のため、超硬合金選定時は適量のTiCまたはNbC超微粒子含有超硬合金を優先すべきです。WC-Co超硬合金にTiCとNbC粒子を添加すると、超硬合金の結晶粒が微細化され、耐摩耗性が向上します。TiCは摩擦係数も低減し、切削温度を下げ、超硬合金の高温割れと熱塑性変形抵抗性を向上させます。同時に、普通超硬合金と比較してWC粒を0.5-1μmに微細化でき、硬度がHRA1.5-2上昇、曲げ強度が600-800MPa向上、高温硬度も上昇します。

焼入れ鋼切削用一般的超硬合金グレード：YM051、YM052、YN05、YN10等。

(2) セラミック工具

アルミナにTiC等の金属元素を添加し、熱間プレスプロセスを採用することで、セラミックスの緻密性を高め、アルミナ系セラミックスの性能を向上させ、セラミックス硬度をHRA95.5、曲げ強度800-1200MPa、耐熱性1200-1300℃に向上。使用時に付着拡散摩耗を低減できます。セラミック工具は焼入れ鋼の旋削、フライス、ボーリング、平削りに適しています。

(3) 立方晶窒化ホウ素（CBN）工具

硬度HV8000-9000、複合曲げ強度900-1300MPa、高熱伝導率、耐熱性1400-1500℃で工具材料中最高。焼入れ鋼の精仕上げと半精仕上げ旋削に非常に適しています。

まとめると、工作機械と環境が許せば、焼入れ鋼切削に最適な工具材料はCBNブレード、次にセラミック工具、最後に新グレード超硬合金工具となります。

焼入れ鋼加工時の切削条件選定

焼入れ鋼の切削条件は、主に工具材料とワーク材料の物理機械的特性、ワーク形状、プロセスシステム剛性、加工代に基づき選定します。切削条件3要素選定時、まず合理的な切削速度選定を考慮し、次に切込み深さ、次に送り速度の順です。

(1) 切削速度 Vc

経験によれば、異なる工具材料で焼入れ鋼を切削する場合の切削速度は：

• 超硬工具：Vc=30〜75m/min
• セラミック工具：Vc=60〜120m/min
• CBN工具：Vc=80〜250m/min

断続切削やワーク材料硬度が高すぎる場合、切削速度を下げるべきで、一般的に最小切削速度の1/2以上とします。

(2) 切込み深さ ap

一般的に加工代とプロセスシステム剛性に基づき選定。一般的にap=0.1〜3mm。

(3) 送り速度 fr

一般的に0.05-0.5mm/rev。ワーク材料硬度が高いか断続切削の場合、単位切削力を低減するため送り速度を下げ、刃先欠けを防止すべきです。

CBN工具で焼入れ鋼を切削する方法

CBN工具は主に各種焼入れ鋼とその他の難削材切削に使用されます。高い金属除去率だけでなく、良好な表面処理品質も持ちます。各種焼入れ鋼切削で研削を効果的に置き換え、工程を削減し生産性を向上できます。CBN工具は高硬度（HV8000-9000）と高耐熱性（1400-1500℃）を持つため、超硬合金の数倍の切削速度で焼入れ鋼を切削でき、耐久性は超硬合金の数倍から数十倍です。CBN工具は低速切削に不向きです。CBN工具は切削プロセスで発生する熱で微小切削領域のワーク材料を軟化させます。

HRC55-65硬度材料切削時、CBN工具切削速度は90-200m/min範囲内とすべきです。フライス加工時：Vc=100-160m/min、分당送りVf=70-160mm/min。リーマ加工時：Vc=60-130m/min、ap=0.1-0.2mm、f=0.07-0.2mm/rev。CBN工具は主に焼入れ鋼の半仕上げと仕上げに使用され、効率は研削の約10倍です。

CBN工具による焼入れ鋼切削例

焼入れ鋼切削は最も代表的な難削材加工の1つです。過去は硬く研削のみ可能と考えられていました。現在、切削技術進歩により、旋削、フライス、平削り、ドリルで研削を置き換えることが一般的になっています。

焼入れ軸受鋼（GCr15）をCBN工具KBN100で旋削加工。ワーク硬度HRC62。ワークはベアリング外輪。切削条件：Vc=115m/min、ap=0.3mm、f=0.1-0.2mm/rev、工具耐久60分、表面粗さRa1.6。

まとめ

現在の経験によれば、工作機械と環境が許せば、焼入れ鋼加工に最も適した工具は立方晶窒化ホウ素（CBN）工具です。