35CD4 高張力鋼-は、その優れた性能により航空宇宙の精密円筒部品に広く使用されていますが、高硬度、高い切削難易度、薄肉部品の容易な変形、厳しい公差要件などの技術的な困難があります。-これらの技術的困難に対応して、材料特性と部品の精密寸法および特殊なプロセス要件を組み合わせることにより、複数のプロセスをカバーするリーン加工スキームが策定されました。加工工程における外径旋削加工、内径ボーリング加工、斜め穴加工、軸受穴加工などのキーリンクのパラメータや工具を最適化し、ショットピーニングやホーニングの順序を調整することで、加工変形や寸法ずれなどの問題を解決しました。最終的に、部品の安定した量産が達成され、関連するプロセスは、難削材の精密部品の機械加工の基準となる可能性があります。--
パート 1
導入
航空宇宙機器の性能の進歩は、コアコンポーネントの加工精度と信頼性に大きく依存します[1]。高張力鋼 35CD4 は、高強度、高焼入性などの優れた特性により、航空宇宙用の精密円筒部品に最適な材料となっています。しかし、この材料の高い切削抵抗と顕著な加工硬化傾向は、不規則な形状と容易に変形すること、および円筒部品の厳しい精度寸法公差と組み合わされて、従来の機械加工プロセスに重大な課題をもたらします。
この製造上の課題を克服するために、この論文では 35CD4 の材料特性と円筒部品のプロセス要件に焦点を当て、リーン加工プロセスに関する研究を実施します。プロセス設計の最適化、工具選択の改善、加工パラメータの調整などの一連の対策により、加工変形や寸法偏差などの重要な問題が体系的に解決され、安定した信頼性の高い量産ソリューションが実現しました。
本稿では、同様の航空宇宙用精密部品の加工に技術的な参考を提供することを目的として、この技術の研究開発の考え方と検証プロセスを系統的にレビューします。
パート 2
航空宇宙用精密円筒部品のプロセス特性
当社が製造するある航空宇宙用精密円筒部品は35CD4製で、その形状は図1に示します。この部品は異形部品であり、変形しやすい特殊な構造であり、肉厚も比較的薄いです。内穴と外円の公差は厳しく要求され、ラグのベアリング穴は精密穴であり、部品の内部には斜めの穴があるため、関連する寸法公差の管理が困難です。この円筒部品の技術的特徴は主に以下の点に反映されています。
図1 円筒部の外形
2.1 材料特性
(1) 金属特性
35CD4 高強度合金鋼-は、航空宇宙産業で一般的に使用される中-炭素ニッケル-クロム-モリブデン鋼です。その化学組成を表 1 に示します。他の金属と比較して、この鋼は化学的、物理的、機械的特性において独特の利点を持っています。
表1. 35CD4の合金元素とパラメータ（化学組成）
(2) 35CD4の材質特性
主に以下の4点が挙げられます。
①強度が高い。低炭素、低合金鋼であるため、非合金鋼よりも強度が高いため、「低-合金高-強度鋼」と呼ばれます。-
②降伏強度が高い。その降伏点は非合金鋼の降伏点よりも高い-。同じ荷重の下で、この材料で作られた部品の重量は 20% ～ 30% 削減できます。
③可塑性、靭性に優れています。合金元素の割合が比較的少ないため、優れた塑性と靭性を兼ね備えています。 ④ 焼入性が高い。合金組成にはニッケル、クロム、モリブデンなどの元素が含まれており、鋼の過冷却オーステナイトを高度に安定に保つことができます。空気焼入れによりマルテンサイト組織やベイナイト組織が得られます。
(3) 材料加工特性。この材料には通常、焼ならし + 焼戻しと焼入れ + 焼戻しの 2 つの熱処理状態があります。これら 2 つの状態に対応する硬さを表 2 に示します。
表2 材質の硬度
表２からわかるように、この材料は硬度、引張強度ともに高いレベルにある。クロムやマンガンなどの元素も豊富に含んでいます。これらの要因が重なって加工が難しくなり、典型的な加工が難しい材料となります。--具体的な処理の困難さは次のとおりです。
1) 高い切削抵抗。この材料は高い硬度と強度、高い原子密度と結合力、優れた破壊靱性と長期可塑性を備えています。-切削加工中は切削抵抗が大きいだけでなく、切削抵抗の変動も大きくなります[2]。
2) 高い切削温度。切削変形には多くの電力が消費され、多くの熱が発生します。大量の切削熱が切削ゾーンに集中し、高温環境が形成されます。-
3) 加工硬化の傾向が高い。この材料は優れた可塑性と靭性を示し、高い強度係数を備えています。切削力と切削熱の複合効果により、重大な塑性変形が生じ、加工硬化が起こります。同時に、切削熱により材料は周囲の媒体から水素、酸素、窒素原子を吸収し、硬くて脆い表面層を形成し、切削の難易度がさらに高まります。
4) 工具の摩耗が激しい。切削中の高い切削抵抗と温度により、工具と切りくずの間の摩擦が増大し、工具材料が被削材材料と親和性相互作用を起こしやすくなります。材料中に硬質粒子が存在し、加工硬化が激しいため、工具は切削中に凝着摩耗、拡散摩耗、摩耗摩耗、境界摩耗、溝摩耗の影響を非常に受けやすく、最終的には切削能力を失います。
5) 切りくずの処理が難しい。この材料は強度、可塑性、靭性が高いため、切断中にリボン-のような切りくずが絡みつき、安全上の問題を引き起こし、切断プロセスを妨げ、部品表面に傷を引き起こすため、表面粗さの要件を満たすことが困難になります。
6) 切削変形が大きい。機械加工中の高い切削温度と高い材料可塑性により、熱変形が起こりやすく、正確な寸法や形状を保証することが困難になります。
(4) 材料処理スキーム 原材料が焼き入れおよび焼き戻し処理を完全に完了できるようにするには、熱処理の前に鍛造ブランクを粗加工し、各断面の肉厚を確保する必要があります。-<30mm. Simultaneously, a datum is machined on the rough-machined blank to facilitate the connection between rough and finish machining processes. The blank and the rough-machined shape of the part are shown in Figures 2 and 3, respectively.
図 2: 空白
図 3: 大まかな機械加工された形状-
2.2 プロセスの特性 この部品には、いくつかの高精度の寸法要件があります。-製品の品質を確保するには、すべての精密寸法パラメータを総合的に考慮して、安定した信頼性の高いプロセス フローを設計する必要があります。部品の主な精度寸法を図 4 に示します。
図 4: 部品の主な精度寸法
(1) 精密外径 ポート部の精密外径は mm で、公差幅はわずか 0.022mm です。内穴サイズはφ83.37mmで肉厚2.81mmに相当します。この寸法公差の要件は厳しく、部品の壁は薄く、加工の難易度は非常に高くなります。 (2) 精密内穴：精密内穴の直径はφmm、公差は0.04mmです。この内穴の外円に対する同軸度の条件はφ0.04mm、円筒度の条件はφ0.02mm、穴深さは287.5mmです。
(3) 延長された傾斜穴: 図 5 に示すように、部品の耳の位置にある傾斜穴の直径は mm、部品の軸との角度は 45 度です。この穴を加工するときは、工作機械のスピンドルを部品に対して 45 度の角度に調整する必要があります。工具と治具との干渉を避けるために、加工工具には長い突き出し構造が必要であり、この部品を加工する際の大きな課題となっています。
図 5: 延長された傾斜穴とベアリング穴
(4) 軸受穴: 図 5 に示すように、耳の軸受穴の直径は mm です。この穴は、部品の左端面からのみ加工できます。工具の突出し量が大きく、直径公差の要件が厳しいため、寸法精度の保証が困難. 2.3 特殊加工
上記の処理要件に加えて、このパーツには次のようないくつかの特別な処理ステップが必要です。
1) ショットピーニング。ショットピーニング範囲は部品の外径ですが、直径φmmの外径部分は避けてください。内穴へのショットピーニングは厳禁です。
2) クロムメッキ。クロムメッキ部分は直径φmmの内穴です。クロム層の厚さは 20 ～ 25 μm の間に制御する必要があります。
3) カドミウムメッキ。カドミウムメッキ部分はクロムメッキ部分を除く全面となります。
4) 塗装。塗装範囲は部品の外径ですが、直径φmmの外径部分は避けてください。
パート 3
航空機精密シリンダー加工工程設計
このシリンダー部品の材料特性、精度寸法、特殊加工の分析に基づいて、加工計画を表 3 に示します。
表 3 プロセス計画
パート 4
航空機精密シリンダー加工工程検証
4.1 耳の外径の仕上げ
35CD4材は密着力が強く、加工時に切りくずが割れにくいです。低い加工パラメータを使用すると、部品の端面に深い切削マークが現れ、表面材料が引き裂かれたような外観になります。この問題を解決するには、外径旋削加工パラメータを調整する必要があります。具体的な最適化パラメータを表 4 に示します。パラメータの最適化により、部品の端面の切削マークが除去され、加工端面が滑らかになり、中心からエッジまで一貫した加工品質が維持されます。最適化された端面の状態を図6に示します。
表 4 端面旋削パラメータの最適化
図 6 端面旋削終了後の部品の状態
4.2 外径精密旋削加工
14 番目の CNC 旋削操作は、この部品の加工における重要なプロセスです。この操作では、セルフセンタリング チャックとセンター レストを使用して外径をサポートします。-具体的な加工要件を図 7 に示します。部品の精密外径公差は 0.024mm で、加工は 3 段階で実行する必要があります。特定の加工パラメータを表 5 に示します。材料の粘度が高いため、鋭利な外径旋削インサートが必要です。推奨チップ先端半径は R0.2mm です。チップ先端半径が大きすぎると、部品の表面粗さ要件を保証できなくなります。
図 7 CNC 旋削プロセスの要件 表 5 外部旋削パラメータの最適化 仕上げ後の部品の外径は 88.85 ～ 88.89 mm となり、図面の要件を超えます。根本原因を探る前にサイズを調整するには外径に余裕を持たせて手作業で研磨するしかありません。解析の結果、クランプ中にセンターレストで支持される外径の真円度は、部品の回転振れに大きな影響を与えることがわかりました[3]。高精度の公差要件の下では、この影響は特に顕著です。公差外の部品のクランプ外径を測定したところ、真円度の変化は 0.020～0.035 mm でした。これは部品の外径の公差外の変動と基本的に一致しています。--この問題を解決するには、参照プロセスの技術要件を最適化および修正する必要があります。第11工程の外径旋削加工では、外径の真円度を0.01mm以内に管理することが明確に要求されます。具体的な改善要件を図8に示します。第11工程に真円度管理要件を追加したところ、第14工程の外径旋削加工の寸法安定性が大幅に向上しました。外径の変動幅を88.865～88.875mmに低減し、変形量を0.01mm以内に抑えることができました。外径公差が要件を満たしていることを確認するために、オペレーターによる局所的な調整は必要ありません。安定性テストにより、1 つの切削工具チップで 4 つの部品を安定して加工できることが確認されました。ただし、工具が摩耗した後は寸法精度が保証されません。
図 8: ベースライン プロセスの改善要件
4.3 内穴底面の肉抜き改善
第 14 工程の CNC 旋削加工中に、図 9 に示すように、部品の底部に加工欠陥が現れ、直径 1 mm、高さ 0.3 mm の残留ボスとして現れました。当初の加工計画では、フラット エンド ミルを使用して底部の余分な部分を除去し、次に大径のボーリング ツールを使用して穴を開け、最後に底面の位置を揃える予定でした。-フライスで底取り代を除去する場合、工具振れは0.01mm以内に抑える必要があります。ただし、フラットエンドミルの底面の面取りが小さいため、部品の底面を平坦な状態に加工することはできません。-フラットエンドミルを図 10 に示します。-
図 9: 底部の欠陥
図 10: フラットエンドミル-
この問題を解決するために、図 11 に示すように、底部を小径のボーリング カッターに置き換えることによって加工スキームが最適化されました。機械加工テストでは、底部の穴あけにボーリング カッターを使用すると、ボスの欠陥が完全に解消されることが証明されました。-
図 11: 追加されたボーリング カッター
4.4 内部穴加工の最適化
14 回目の CNC 旋削作業中に、内部穴ボーリングにより、その後のホーニングのために片側に 0.05 mm の余裕が残ります。しかし、ボーリング加工後、内部穴にさまざまな品質欠陥が発生しました。欠陥の種類と割合を表 6 に示します。これらの欠陥は、その後のホーニングプロセスに重大なリスクをもたらします。
表 6. 欠陥の種類と割合
分析の結果、上記の欠陥の主な原因は 3 つあることが判明しました。まず、内径ボーリング工具の直径が小さすぎるため、工具剛性が不足し、ボーリング後の穴寸法が不安定になりました。第 2 に、材料の粘度が高いため、従来の仕上げパラメータを使用すると切断が不安定になり、切りくずの破壊が悪く、切りくずが渦を巻いて穴の壁を傷つけます。第三に、切削速度が遅すぎて、部品の寸法精度と表面粗さの要件を満たしていませんでした。
これらの問題を解決するために、以下の最適化策が実施されました。まず、内径ボーリング工具を大径のものに交換して工具剛性を向上させます。最適化されたボーリング工具を図 12 に示します。次に、切削速度を上げて仕上げ加工の切り込み深さを増やします。第三に、内部冷却システムを最適化して、切削液がボーリング工具の先端に直接作用できるようにします。ツールの最適化の比較を表 7 に示します。
図 12 最適化されたボーリング工具
表 7 ツールの最適化の比較
4.5 拡張斜め穴の最適化
13番目の拡張斜め穴の横フライス加工では、当初計画では、φ6mm拡張フライスを使用して穴をφ7.3mmに拡大し、加工後の実際の穴径は7.1～7.2mm、寸法変動は0.1mmであった。プログラムを調整してφ7.5mmに加工したところ、穴径は7.35～7.42mmとなり、ばらつきは0.07mmまで減少しました。最後にストレートシャンクリーマで仕上げ加工をしましたが、穴径は7.62～7.69mmで寸法が非常に不安定でした。
最初の最適化では、リーマをボーリング工具に置き換えたところ、加工後の穴径は 7.60 ～ 7.72 mm となり、公差要件を超えて部品が廃棄されました。最終的に最適化された計画は、斜め穴加工に直径 7 mm の可変直径フライスを使用することで、機械加工部品の合格率が 100% に達するというものでした。拡張斜め穴加工用の工具を図13に示します。
a) ストレートシャンクエンドミル b) ストレートシャンクリーマ c) ボーリングカッター d) 異径エンドミル 図 13 拡張斜め穴加工ツール
4.6 軸受穴加工の改善
軸受穴の第 13 工程では、穴径の要件は mm です。当初の計画では、φ20mmエンドミルでφ34.4mmまでフライス加工し、ボーリングカッターで仕上げ寸法まで穴を開ける予定でした。しかし、加工後、穴壁に振動痕が現れ、複数のパラメータ調整を行っても解決できませんでした。加工ツールを図 14 に示します。
a) ボーリングカッター b) エンドミル 図 14 軸受穴加工ツール
4.7 部品に対するショットピーニングの影響
最初の精密穴加工計画は、片側に 0.05 mm の許容差を持つ内穴の CNC 旋削精密ボーリング、0.02 mm の穴径公差と 0.02 mm の円筒度を確保するためのホーニング、そして最後に部品の外径のショット ピーニングでした。しかし、ショットピーニングにより部品の内穴が変形し、軸中心位置で直径が0.015～0.025mm増加しました。一部の部品は公差の上限を超えたため、廃棄されました。
この問題を解決するために、お客様と相談の上、ショットピーニングの後にホーニングを行うという工程順序を調整しました。ショットピーニング後の内穴の変形は約 0.025 mm で、ホーニング用に確保された 0.05 mm の片面の取り代で完全にカバーされました。-調整後、ホーニング後の内穴径公差は0.010mm以内、円筒度は0.015mm以内に制御でき、絞り要求を満足することができた。ショットピーニングによる内穴への影響を表 8 に示します。
表8 ショットピーニングによる内部穴管理への影響（単位：mm）
パート5
結論
加工検証段階での無駄のない最適化と改善を何度も繰り返した結果、この航空宇宙用精密円筒部品は安定した量産を実現しました。従来の加工経験は、35CD4 材料の加工の難しさにはもはや適用できません。加工の課題を克服するには、プロセスの最適化、工具の選択の最適化、加工パラメータの最適化などの複数の対策が必要です [4]. 35CD4 高張力鋼-は優れた性能を持っていますが、より高い加工の課題ももたらします。実際の生産では、具体的に工具モデルを選択し、合理的な加工パラメータを定式化する必要があります。新しい加工技術の発展に伴い、このような加工が難しい材料の加工難易度は徐々に低下するため、関連する加工経験を継続的に要約して蓄積する必要があります。{10}{11}}さらに、ショットピーニングプロセスは部品の精度寸法に不可逆的な影響を及ぼします。これは、プロセス設計が体系的なプロジェクトであることを示しています。科学的かつ合理的な加工計画を立て [5] 、製品の品質を確保しつつ効率的な生産を実現するためには、論理的なルールに従い、各工程間の相互影響を十分に考慮した工程配置が必要です。
