1790 年にチタンが発見されて以来、人類はその驚異的な特性を得るために 1 世紀にわたって研究を続けてきました。 1910 年に人類は初めて金属チタンを製造しましたが、チタン合金の応用への道のりは長く険しいものでした。ようやく工業生産が実現したのは40年後の1951年でした。
チタン合金は、高い比強度、耐食性、耐高温性、耐疲労性という特徴を持っています。同じサイズのチタン合金の重量は鋼の60％にすぎませんが、合金鋼よりも強度が高くなります。チタン合金は、その優れた特性により、航空、航空宇宙、発電設備、原子力、船舶、化学製品、医療機器などでますます広く使用されています。
チタン合金の加工が難しい理由
チタン合金の熱伝導率の低さ、加工硬化の強さ、切削工具との親和性の高さ、塑性変形の少なさという4つの特徴が、チタン合金の加工の難しさの本質的な理由となっています。切削指数は易切削鋼の20％に相当します。
低い熱伝導率
チタン合金の熱伝導率は、45# 鋼の熱伝導率のわずか約 16% です。加工中に熱を逃がすことができず、刃先が局所的に高温になり（加工中の刃先温度は45#鋼の1倍以上）、工具の拡散摩耗が発生しやすくなります。
厳しい加工硬化
チタン合金の加工硬化現象は明らかであり、表面硬化層はステンレス鋼よりも深刻であり、工具境界への損傷の増加など、後続の加工に特定の困難を引き起こす可能性があります。
ツールとの親和性が高い
チタン含有超硬合金との密着性が高い。
塑性変形が小さい
45鋼の約1/2の弾性率なので弾性回復力が大きく摩擦が激しいです。同時に、ワークピースもクランプ変形しやすくなります。
チタン合金加工の技術的なヒント
チタン合金の加工メカニズムの理解とこれまでの経験に基づいて、チタン合金を加工するための主なプロセスのヒントは次のとおりです。
(1) 切削抵抗、切削熱、ワーク変形を軽減するために、ポジティブアングル刃形を使用します。
(2) ワークの硬化を避けるため、一定の送りを維持してください。切削プロセス中、工具は常に送り状態にある必要があります。フライス加工時の半径方向の切削深さ ae は半径の 30% である必要があります。
(3) 加工プロセスの熱安定性を確保し、過度の温度による表面の変質や工具の損傷を防ぐために、高圧および高流量の切削液を使用します。
(4) 刃先を鋭利に保ちます。鈍い工具は熱の蓄積と摩耗の原因となり、工具の故障につながりやすくなります。
(5) チタン合金は硬化すると加工しにくくなるため、できるだけ柔らかい状態で加工してください。熱処理により材料の強度が増し、刃の摩耗が増加します。
(6) 大きな刃先半径または面取りを使用して、できるだけ多くの刃を切り込みます。これにより、各点での切削抵抗と熱が軽減され、局所的な損傷を防ぐことができます。チタン合金をフライス加工する場合、すべての切削パラメータの中で切削速度が工具寿命に最も大きな影響を及ぼし、次に半径方向の切削深さが続きます。
チタン加工の問題をブレードから解決
チタン合金の加工時に発生する刃溝摩耗は、切り込み深さ方向の表裏の局部的な摩耗です。多くの場合、前の加工で残った硬化層が原因で発生します。 800 度を超える加工温度での工具と被削材の化学反応と拡散も、溝摩耗が発生する原因の 1 つです。加工中、ワークピースのチタン分子がブレードの前に蓄積し、高圧高温下でブレードに「溶着」して構成刃先を形成するためです。構成刃先が刃から剥離すると、刃の超硬皮膜が剥がれてしまいます。したがって、チタン合金の加工には特殊な刃材と形状が必要です。
チタン加工に適した工具構造
チタン合金加工のポイントは熱です。熱を素早く除去するには、大量の高圧切削液をタイムリーかつ正確に刃先に噴射する必要があります。チタン合金加工に特化した独自のフライス構造が市販されています。
具体的な加工方法から
旋回
チタン合金製品は旋削加工時に良好な面粗さが得られやすく、加工硬化も深刻ではありませんが、切削温度が高く工具の摩耗が早いです。これらの特性を考慮して、工具と切削条件に関して主に次のような対策が講じられています。
工具材質：YG6、YG8、YG10HTを工場の現状に合わせて選定します。
工具形状パラメータ: 適切な工具の前後角度、丸い工具先端。
低い切削速度、適度な送り速度、深い切り込み、十分な冷却、外周回転時に工具先端がワーク中心より高くならないと引っかかりやすくなります。薄肉部品の仕上げ加工や旋削加工を行う場合、工具の主振れ角は大きく、通常は 75 ～ 90 度にする必要があります。
フライス加工
チタン合金製品のミーリング加工は断続的な切削となるため、旋削加工に比べて切り粉が刃に付着しやすく、加工が困難です。粘着性のチップの歯が再びワークピースに食い込むと、粘着性のチップが叩き落とされて工具材料の小片が取り除かれ、刃先が欠けてしまい、工具の耐久性が大幅に低下します。
フライス加工方法：通常はダウンフライス加工を使用します。
工具材質：ハイスM42。
一般に合金鋼の加工ではダウンミーリングは使用されません。工作機械の送りねじとナットの間の隙間の影響により、ダウンミーリングの際、フライスがワークに作用し、送り方向と同じ力が加わるため、ワークの破損が発生しやすくなります。テーブルが断続的に動き、カッター破損の原因となります。ダウンミリングの場合、切り込みを開始するときにカッターの歯が硬い皮膚に当たり、カッターが破損する原因になります。しかし、リバース加工の切りくずは薄いものから厚いものまであるため、最初の切り込み時にカッターとワークとの乾摩擦が起こりやすく、カッターの焼き付きや欠けが悪化します。チタン合金をスムーズに加工するには、一般的な標準フライスと比較して前角を小さくし、後角を大きくする必要があることにも注意してください。加工速度は遅く、できるだけ鋭い歯のフライスを使用し、シャベルの歯のフライスは使用しないでください。
タッピング
チタン合金製品のタップ加工では、切りくずが小さいため刃物や被削材に付着しやすく、加工面の粗さ値が大きく、トルクが大きくなります。タップ加工時のタップの選択や操作を誤ると加工硬化が起こりやすく、加工能率が極端に低下したり、場合によってはタップの折損が発生したりすることがあります。
1 条のタップを使用することを優先する必要があります。歯数は標準タップより少なく、通常は 2 ～ 3 歯です。切削テーパ角は大きくする必要があり、テーパ部の長さは3～4山が一般的です。切りくずの排出を容易にするため、切削テーパ部にマイナス角研削も可能です。テーパーの剛性を高めるために、タップを短くするようにしてください。タップとワークとの摩擦を低減するため、テーパの逆テーパ部を標準よりも適度に大きくしてください。
リーミング
チタン合金のリーマ加工では工具の摩耗は深刻ではなく、超硬リーマとハイス鋼リーマの両方を使用できます。超硬リーマを使用する場合は、リーマのチッピングを防ぐため、ドリル加工と同等の加工系剛性を採用する必要があります。チタン合金をリーマ加工する際の主な問題は、リーマ加工の仕上がりが良くないことです。穴壁面への刃の固着を防ぐため、リーマ刃の幅をオイルストーンで狭くする必要がありますが、十分な強度を確保する必要があります。一般に刃幅は0.1～0.15 mmです。
刃先と校正部分の間の移行は滑らかな円弧である必要があります。摩耗後は適時に修復する必要があり、各歯の円弧のサイズが一定である必要があります。必要に応じて、バックテーパーの校正部分を増やすことができます。
掘削
チタン合金の穴あけは難しく、加工中にドリルが焼けて折れるという現象がよく起こります。これは主に、ドリルビットの研削不良、切りくず除去の時期尚早、冷却不良、プロセスシステムの剛性不足など、いくつかの理由によるものです。したがって、チタン合金の穴あけでは、適切なドリルビットの研削、大きなトップ角度、外刃前角度の減少、外刃後角度の増加に注意を払う必要があり、バックテーパーを従来の 2 ～ 3 倍に増やす必要があります。標準的なドリルビット。頻繁に工具を後退させ、切りくずの形状と色に注意しながら適時に切りくずを除去します。穴あけ中に切りくずが羽のように見えたり色が変わったりする場合は、ドリルビットが鈍くなっているため、適時に工具を交換して研ぐ必要があります。
ドリルジグは作業台に固定し、ドリルジグのガイドナイフ表面を加工面に近づけ、短いドリルビットを使用するようにしてください。もう1つの注目すべき問題は、手動送りが採用されている場合、ドリルビットが穴内で前後に動かないようにしてください。そうしないと、ドリル刃が加工面に擦れて、加工硬化が発生し、ドリルビットが鈍くなります。
研削
チタン合金部品の研削における一般的な問題は、粘着性の切りくずが砥石車の詰まりや部品表面の焼けを引き起こすことです。その理由は、チタン合金は熱伝導率が悪く、研削部が高温となり、チタン合金と砥粒が結合、拡散し、強く化学反応を起こすためです。切りくずの付着や砥石の詰まりは、研削比の大幅な低下につながります。拡散と化学反応の結果、ワークピースの表面が焼け、部品の疲労強度が低下します。これは、チタン合金鋳物を研削する場合に顕著です。
この問題を解決するために、次のような対策が講じられています。
適切な砥石材質を選択してください: 緑色炭化ケイ素 TL。砥石硬度はやや低め：ZR1。
チタン合金材料の切削加工を総合的に効率化するには、工具材料、切削液、加工パラメータの側面から制御する必要があります。
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