チタン合金はなぜ加工が難しい材料なのか

なぜチタン合金は加工が難しい材料だと思われるのでしょうか?その処理メカニズムや現象についての深い理解が不足しているためです。

1. チタン加工の物理現象

チタン合金加工の切削抵抗は、同じ硬度の鋼に比べてわずかに高いだけですが、チタン合金の加工の物理現象は鋼の加工よりもはるかに複雑であるため、チタン合金の加工は非常に困難に直面しています。

ほとんどのチタン合金の熱伝導率は非常に低く、鋼鉄の 1/7、アルミニウムの 1/16 に過ぎません。したがって、チタン合金の切断過程で発生する熱は、すぐにワークピースに伝達されたり、切りくずによって奪われることはなく、切断領域に蓄積され、発生する温度は1000℃にも達し、損傷を引き起こす可能性があります。工具の刃先が急速に摩耗し、亀裂が入り、切れてしまいます。刃先の蓄積、すなわち摩耗した刃先の急速な出現により、切削ゾーンでより多くの熱が発生し、工具寿命がさらに短くなります。

切削プロセス中に発生する高温もチタン合金部品の表面の完全性を破壊し、その結果、部品の幾何学的精度が低下し、疲労強度を著しく低下させる加工硬化現象を引き起こします。

チタン合金の弾性は部品の性能にとって有益ですが、切断中のワークピースの弾性変形は振動の重要な原因となります。切削圧力により「弾性」ワークピースが工具から離れて反発するため、工具とワークピースの間の摩擦が切削動作よりも大きくなります。摩擦プロセスでも熱が発生するため、チタン合金の熱伝導率が低いという問題がさらに悪化します。

この問題は、変形しやすい薄肉部品やリング状部品を加工する場合にはさらに深刻になります。チタン合金の薄肉部品を期待どおりの寸法精度で加工するのは簡単な作業ではありません。工具で被削材を押し出すと、薄肉の局所的な変形が弾性範囲を超えて塑性変形が生じ、切削点の材料強度と硬度が大幅に上昇するためです。このとき、当初決められた切削速度での加工が高速になりすぎ、さらに工具の摩耗が激しくなります。

チタン合金の加工の難しさは「熱」が元凶！

2. チタン合金の加工技術ノウハウ

チタン合金の加工メカニズムの理解と過去の経験に基づいて、チタン合金を加工するための主なプロセスのノウハウは次のとおりです。

(1) ポジアングル形状のインサートにより、切削抵抗、切削熱、ワークの変形を低減します。

(2) ワークの硬化を防ぐため、送りは一定にしてください。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。半径方向の切削量 ae は、フライス加工時の半径の 30% としてください。

(3) 加工プロセスの熱的安定性を確保し、過度の温度によるワーク表面の変質や工具の損傷を防ぐために、高圧および大流量の切削液が使用されます。

(4) 刃先は鋭利に保つようにしてください。切れ味の悪い包丁は発熱や磨耗の原因となり、包丁の故障につながりやすくなります。

(5) チタン合金をできるだけ柔らかい状態で加工します。焼き入れ後は加工が困難になるため、熱処理を行うことで材料の強度が向上し、刃の摩耗が増加します。

(6) ノーズRや面取りを大きくし、刃先をできるだけ深く切り込みます。これにより、各点での切削抵抗と熱が軽減され、局部的な破損を防ぐことができます。チタン合金のフライス加工において、工具寿命 vc に最も大きな影響を与えるのは切削条件 vc であり、次いで径方向の切削量 (加工深さ) ae が影響します。

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3. チタン加工の課題を刃物から解決

チタン合金加工時に発生する刃溝摩耗は、切込み深さ方向に沿った表裏の局所的な摩耗であり、前加工で残った硬化層が原因となることが多いです。800℃を超える加工温度での工具と被削材の化学反応や拡散も溝摩耗の発生原因の一つです。加工中、ワークピースのチタン分子がブレードの前面に蓄積し、高圧高温下でブレードに「溶接」され、ビルドアップエッジが形成されるためです。構成刃先が切れ刃から剥離すると、インサートの超硬コーティングが剥がされるため、チタン加工には特殊なインサート材質と形状が必要です。

4. 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霧する必要があります。独自構造のチタン合金加工専用フライスが市販されています。