4J29コバール合金と022Cr17Ni12Mo2ステンレス鋼材料のシールシェルの分析を通じて、高速ミーリングおよびリーマ技術を使用して難削材を加工する方法が提案され、これにより、加工精度と加工効率が向上するだけでなく、部品の形状や内穴の工夫はもちろん、省エネにも貢献します。 工具コストを削減します。
1 プリアンブル
さまざまな深宇宙環境における宇宙船の性能と耐用年数を向上させるために、航空宇宙部品には主にチタン合金や高温合金などの耐熱性に優れた材料が選択されています。 このような合金材料は加工性が悪く、加工が困難である。 切削工具の選択 高い要求と高い加工コスト。 このような難削材の特性に応じて、難削材の加工技術を研究し工具寿命を延ばすことで、宇宙機支持部品の精度向上や加工効率の向上に貢献します。 同時に、企業の市場潜在力を拡大し、より大きな経済的利益を生み出すことができます。 。
2 問題の概要
長方形シリーズのシーリングシェルは、同社が近年新たに開発した製品部品で、図1に示すように、材質は主に4J29コバール合金とステンレス鋼です。 製品設計構造にはガラス封止技術の使用が必要であるため、この種の封止シェル部品の表面および内穴の表面粗さに対する要求はより高くなり、その結果、加工難易度の増加、工具寿命の短縮、工具コストの増加、そして処理効率が低下します。 合格率は低いです。
3 問題分析
特定のタイプのシールシェルを分析するために、4J29 コバール合金と 022Cr17Ni12Mo2 ステンレス鋼を例にとると、シールシェル部品の構造は類似しており、内部キャビティの穴の列を加工する必要があります。 この穴列はガラス封止ピンに使用され、ガラス封止接続技術では列穴の内面粗さ値が Ra=0.8μm であることが必要です。 ガラス封着工程では不良品が多発し、歩留まりが低い。 設計者と職人の分析によると、シールシェル列穴の内面の表面粗さはガラスシールの歩留まりに重要な影響を与えます。 穴列のバリや内部キャビティの形状や溝加工は除去が難しく、部品のシール効果にも影響します。
3.1 部品穴内壁の品質に影響を与える原因の分析
生産ラインで使用される独自の穴列加工技術は、ドリリング→リーマです。 4J29コバール合金材は可塑性に優れているため、加工時に刃物に固着しやすくなっています。 ステンレス鋼（022Cr17Ni12Mo2）は高温硬度が高く、放熱性が低いため、他の金属材料とは異なります。 親和性が強いため [1]、主に以下の点でドリルビットの摩耗が早くなります。
ドリルビットの主刃の摩耗が早すぎて、欠けが発生することもあります。 難削材の穴あけ加工では、温度が高く、切削変形やチリングが激しく、工具が固着しやすく構成刃が発生し、同じ部品の内穴ごとに面粗さが不均一になります。加工中にドリルビットの摩耗状態を検出したり制御したりすることはできません。 難削材の加工に適したタングステンコバルト超硬ドリル（YG、YT、YW）を使用して、内穴の面品位と加工効率の向上を図ります。 工具摩耗の原理 [2] によれば、YG 工具は低速切削中に依然として凝着摩耗が支配的ですが、YT 工具はある程度の酸化摩耗と拡散摩耗を同時に伴うことがわかります。ボンドの摩耗として。 YW ツールには 3 種類の摩耗があります。 摩耗メカニズムは同じ位置を占めるため、低速切削には YG 超硬ドリルが適しており、高速切削には YW または YG 超硬ドリルが使用できます。 この摩耗原理に従って、穴列を加工するために適切なドリルビットを選択した後、内穴の表面品質が向上します。 しかし、小径タングステンコバルト超硬ドリルビットは価格が高いため、工具のコストが高くなり、量産・加工効率が高くありません。
3.2 部品の形状と内部キャビティの表面品質に影響を与える理由の分析
4J29コバール合金材やステンレス鋼材（022Cr17Ni12Mo2）を加工する場合は、通常の粒度の超硬工具を使用して加工します。 フライスは底刃と側刃の摩耗が早く、工具寿命が短いため、切削速度は50m以下しか取れません/minの範囲を選択した場合、加工効率が低くなります。 アルミニウム基合金の加工と比較すると、フライスの寿命はアルミニウム基合金の加工の1/5にすぎません。 314 ステンレス鋼の加工と比較して、フライスの寿命は 314 ステンレス鋼の加工のわずか 1/3 です。
このような難削材の切削加工では、切削領域で多量の切削熱が発生しやすく、加工部品の寸法精度や性能に大きなダメージを与えます。 切削熱の放散は、切削液と内部冷却ツールによってのみ行われます。 このような構造の密閉シェルは、内穴や内腔が小さいため、小径工具や異形工具が多く使用されます。 大量の切削熱はすぐに放散することが難しく、工具の摩耗が早まり、部品の表面粗さが増大します。 高すぎて技術的要件を満たさない場合は不適格と判断されます。 穴の間隔が狭い場合、オリフィスの面取りによって隣接する開口のサイズが破壊されます。 面取りが小さすぎると、バリにフランジが残り、シールの品質に影響を与えます。
4 問題解決
4.1 穴内壁品質の向上
シールシェルの内穴の表面粗さは不均一であるため、加工方法の改善と適切な工具の選定が必要です。 試し切りプロセスを通じて、穴列加工技術はまず内穴のドリル加工→リーマ加工→精密フライス加工に変更され、内穴の表面品質は明らかに向上しましたが、穴の数が多く、工具はまだ未加工です。小径フライスを使用して内穴の精密加工を行うと摩耗が速く、切りくず絡みや工具隙間の現象が発生し、加工効率はまだ高くなく、工具のコストも増加します。 第二に、ドリル→リーマ→ファインボーリングに変更されます。 内穴の表面粗さは要件を満たしており、単穴の加工効率は向上しますが、小径ボーリング工具全体をカスタマイズする必要があり、工具コストが高く、ボーリング工具寿命が短く、満足できません複数列の穴。 つまらない。
定径穴リーミング技術を参照すると、リーミングプロセスの口径は一般的に 3 ～ 100 mm です。 リーマの切れ刃が長いため、リーマ加工時に各切れ刃が同時に切削に参加するため生産効率が高く、穴の仕上げ加工に広く使用されています。 最終的な加工技術は、ドリル→リーマ→リーマと決まります。 小径穴のリーマ加工技術（<φ2mm) has="" not="" been="" adopted="" in="" our="" company,="" a="" suitable="" domestic="" small-diameter="" custom="" carbide="" reamer="" is="" selected="" (see="" figure="">
計算と試し切りにより、合理的な切断パラメータを選択します。 原理は以下の通りです。
リーマツール情報や収集したリーマパラメータを確認し、ステンレス鋼などの難削材を加工します。 リーマ速度は速すぎないようにして [3]、切削速度 vc=(6 ～ 12) m/min、送り速度 f=(0) を基準値として選択します。 05 ~ 0.1) mm/r。 長方形シールシェルの内腔径は(1.7~1.8)mmであるため、加工時の主軸回転数nと送り速度vfを計算するためにφ1.8mmのリーマを選択します。ここで、vc=7m/min 、f=0.06mm /r。
切削速度 vc=πDn/1000 (D は工具径、n は主軸速度) なので、主軸速度 n=1000vc/(πD)=1000×7/(3.14×1.8) )≈1238(r/min)。
これから送り速度vf=fn=0.06×1238≒74(mm/min)を計算できます。
計算結果に従って、実際の加工および切削パラメータは n{{0}(1200-1300) r/min、vf=(70-80) mm として選択されます。 /minでドリリング→リーマ→リーマの工程を採用しています。 シェルのシールにより穴間隔がコンパクトで穴径が小さいため、リーマ加工前のマージンは0.05mmに抑えられます。 最終的な実際の加工効果を図3に示します。φ1.83mmリーマのリーマ穴数が1000個を超えても、内穴の表面粗さRaは0.8μmに達し、加工要件を満たし、加工効率が向上します。
4.2 表面処理品質と工具寿命の向上
高温合金、チタン合金、ステンレス鋼など、高温硬度が高く放熱性が悪い材料の加工効率と工具寿命を向上させるために、輸入超硬工具が荒加工や仕上げ加工によく使用されます。ツールの使用コストが非常に高くなります。 コーティングされていない超硬合金、TiAlN PVD コーティングされた超硬合金、PCBN など、チタン合金を高速で切削するときのさまざまな工具材料の摩耗の違いを比較分析したところ、PCBN 工具材料は高い切削速度、低い送り速度で使用されることがわかりました。チタン合金を背面切削で切削する場合、比較的安定した切削抵抗と低い面粗さ値が得られます[4]。 高速ミーリングの原理を応用し、国産PCBN工具を使用することにより、高切削性を実現しました。高速かつ小送りの加工方法により、工具寿命が向上します。
複数回の試行切削と検証を通じて、解析により、難削材を高速で切削する場合、刃当り送り fz と背面噛み合い ap との相互作用が、比較的高い信頼確率の範囲内で面粗さに大きな影響を与えることが示されました。影響。 この現象は、刃当たりの送りまたは加工深さが面粗さに及ぼす影響が、加工深さと刃当たりの送りの選択に密接に関係していることを示しています。 対照的に、中低速の切削条件では、さまざまな切削パラメータ間の相互作用は明らかではないか、相互作用がありません。 このため、特定の切削条件においては、刃当たりの送りやバックカット量が面粗さに及ぼす一要素の影響を調べるだけでは、加工面粗さの値を正確に予測することはできません。 したがって、理想的な面粗さを得るためには、一刃当たりの送り速度を決定する際に、バック噛み込み量と組み合わせて選択する必要があり、またその逆も同様です。
4-刃の国産超硬フライスは、形状や内部キャビティの高速荒加工に最適です。 バックエンゲージメントapと切削厚aeが小さいため、工具の下端と側端を効果的に保護できます。 発生した切削熱は急速に伝導し、工具先端の構成刃先の確率が減少し、それに応じてミーリング速度 vc と 1 刃あたりの送り速度 fz が増加します。これにより、加工品質が確保されるだけでなく、加工効率も向上します。 荒フライスの加工摩耗時間を計算するには、有効に使用された摩耗部分を切り取るだけでよく、カッターの残りの部分は、研いだ後に再度荒加工する必要があるため、稼働率が大幅に向上します。カッターのコストを削減します。
難削材から発生するバリについては、現状の技術要件を満たすには手作業では除去が困難なため、CNC加工を採用し、面取りフライス加工にはTiCコーティングを施したハイス材を選定しています。 粗フライス加工により品質が向上すると、シェル部品は微細になります。フライス加工中に発生するバリは比較的小さく、面取りフライスは部品の輪郭トラックに従って処理するだけでよく、鋭いエッジがスムーズに移行します。 シーリングシェルの穴のフランジ加工やバリは、面取りフライスによる穴の面取り→リーマによる微細リーミングという加工方法を採用し、バリをなくして接合します。 改良前後の工具の切削条件を表1に、シェルの加工効果を図4、図5に示します。
表1 改善前と改善後の工具切削パラメータ
写真
写真
図4 4J29コバール合金シェルの加工効果
写真
図5 ステンレス鋼材（022Cr17Ni12Mo2）シェルの加工効果
5 難削材リーマ技術の普及と応用
特定のタイプのプッシュロッド部品 (図 6 を参照) は、加工が難しい材料である 00Cr17Ni14Mo2 ステンレス鋼で作られています。 外周にφ5mm貫通穴加工、深さ15mm、表面粗さ値Ra=1.6μmが必要です。 本来の工程はフィッター穴あけ→穴壁研磨です。 材質がステンレス鋼であるため、フィッター加工ではドリルを使用して穴を開けるため、ドリルビットの摩耗が早く、穴の位置が公差から外れ、内穴の研磨効率が悪くなります。 したがって、改良されたプロセスは、旋盤穴あけ→ボーリングです。 旋削加工ではプッシュロッド部分をクランプするための専用工具を使用する必要があり、専用工具のサイズが大きすぎるため、取り付けが容易ではありません。 したがって、実際の加工では表面粗さ値Ra=1.6μmは保証されていますが、加工効率は向上していません。 00Cr17Ni14Mo2 ステンレス鋼の原因 ボーリング工具の摩耗が早く、工具のコストが高くなります。
写真図6 プッシュロッドの平面図
小径穴のリーマ加工で培った経験を活かし、マシニングセンタでのドリリング→リーマ→リーマという加工技術により、φ5mmスルーホールの加工能率の低さと表面粗さ値Raの保証の難しさの課題を解決しました。 2}}.6μm。 実装プロセスは次のとおりです。
基準値を選択します: 切削速度 vc{{0}}(6~12) m/min、送り f=(0.15~0.2) mm/r。 加工中の工具速度と送り速度を計算するには、φ5mm リーマを選択します。vc=7m/min、f=0.18mm/r となります。
切削速度 vc=πDn/1000 (D は工具径、n は主軸速度) なので、主軸速度 n=1000vc/(πD)=1000×7/(3.14×5) )≈445 (r/min)、送り量 vf=fn=0.18×445≈80 (mm/min)。
計算結果に従って、実際の加工および切削パラメータは次のように選択されます: 主軸速度 n {{0} (450-500) r/min、vf=({{3} ｝）mm/min、リーマ前の取り代を0.1mmに管理し、最終的に実加工を行います。 最終的な加工物を図7に示します。 φ5.02mmリーマ（図8参照）のリーマ穴数が500以上の場合、表面は内孔の粗さ Ra は 1.6 μm に達することができ、プロセス要件を満たし、加工効率が向上します。 製作した位置決めツール（図9参照）は構造が簡単でクランプが容易です。
写真
図7 加工後のプッシュロッドの実物
写真
図8 φ5.02mmリーマ
写真
図 9 プッシュロッド加工における位置決めツールの効果
6 得られる効果
この研究により、当社は難削材加工の技術経験を蓄積してきました。 その後の研究開発では、リーマ技術を参考に高温合金やチタン合金などの難削材の部品の加工も可能となり、良好な実績をあげています。 例えば、φ2.12mmリーマを使用し、超合金材のリーマ加工や直径写真、深さ40mm以上の深穴加工も可能です。 リーマ加工技術により工具コストの削減だけでなく、加工効率も向上します。 改善前後の部品加工効果の比較については、表2-表4を参照してください。
表2 改善前と改善後の長方形のシーリングシェル穴の加工写真
表3 改良前と改良後のプッシュロッド穴の加工
写真
表4 改善前後の工具コスト
写真
表 2 から表 4 から、改良された加工方法の使用により加工品質が向上し、部品の合格率が 99 パーセントに増加し、生産効率が 33 パーセント増加し、工具コストが向上したと結論付けることができます。大幅に削減されました。
7 結論
航空宇宙分野における新素材や難削材の出現により、切削加工技術への要求が高まっています。 難削材の切削特性を徹底的に研究し、新素材の特性をより多く習得することによってのみ、切削に適合する工具を選択することができます。 工具切削状態監視システムを導入し、工具の使用状況をリアルタイムに監視します。 異なる材料の異なる耐用年数に応じて、工具を適時に判断して選択できるため、コストを削減し、効率を向上させると同時に、宇宙船の支持部品の加工精度を向上させることができます。 効果。
