バインダレス cBN 工具を用いたチタン合金の高速切削加工 廣崎憲一* 舟田義則* 坂谷勝明* チタン合金の切削加工においては，一般に工具刃先の温度上昇が著しく，工具と被削材との間に激し い溶着現象が引き起こされ，その結果比較的少ない切削加工距離で工具損傷が発生する。そこで，本研 究 で は チ タ ン 合 金 の 加 工 能 率 の 改 善 を 図 る た め ， 高 い 耐 熱 性 を 示 す バ イ ン ダ レ ス cBN 工 具 の 適 用 を 提 案 し た 。 Ti -6Al -4V 合 金 を 被 削 材 と し ， 切 削 速 度 250m/ min, 送 り 速 度 0.15mm/ rev, 切 り 込 み 量 0.5mm， 及 び 高 圧 ク ー ラ ン ト を 供 給 す る 高 速 加 工 条 件 下 で 旋 削 加 工 実 験 を 行 っ た 結 果 ， バ イ ン ダ レ ス cBN 工 具 は 逃 げ 面 摩 耗 幅 0.1mm 到 達 時 で 切 削 距 離 が 2400m で あ り ， 超 硬 合 金 ， cBN, 多 結 晶 ダ イ ヤ モ ン ド 工 具 に 比 べ ， 著しく工具摩耗が抑えられ，鋭利な工具刃先が維持されることがわかった。 キ ー ワ ー ド ： チ タ ン 合 金 ， バ イ ン ダ レ ス cBN， 工 具 摩 耗 ， 高 速 切 削 High Speed Cutting of Titanium Alloy using a Binderless cBN Tool Kenichi HIROSAKI, Yoshinori FUNADA and Katsuaki SAKAYA In general, the temperature rise in the cutting edge is significant in cutting process of titanium, and it promotes strongly the adhesion between tools and work materials, resulting in tool failure in relatively short duration. Therefore, in order to improve processing efficiency of cutting of titanium alloys, a binderless cBN tool which had a high temperature durability was proposed to apply in cutting of titanium alloy. Turning tests of Ti6Al-4V alloy were conducted under a high speed condition in cutting speed of 250m/min, feed rate of 0.15mm/rev, depth of cut of 0.5mm with an application of a high pressure coolant. As a result, the cutting length was 2400m when the width of flank wear land of the tool reached to 0.1mm, and it was confirmed that a binderless cBN tool exhibited very low tool wear and kept sharp cutting edge compared to the tools made of conventional materials such as sintered carbide, cBN and polycrystalline diamond with Co-based binder. Keywords：titanium alloy, binderless cBN tool, tool wear, high speed cutting １．緒 言 切削温度の上昇を抑えるために，切削速度を小さく チ タ ン 合 金 は ， 金 属 の 中 で も 比 強 度 (引 張 強 度 ／ してい るのが現状である。図 1に各 種金属の標準切削 密 度 )が 大 き く ， 耐 熱 性 ・ 耐 腐 食 性 に 優 れ て い る こ 速度を示すが，アルミニウム合金や炭素鋼材料に比 とから，宇宙航空関係や化学プラントの材料として べて，チタン合金の切削速度は極度に低く，その値 多用されている。また，チタン合金は生体適合性に は 60m/min程 度 と さ れ る 。 そこで本研究では，チタン合金の高能率加工を も優れており，人体に埋め込まれる医療用インプラ 目的に，耐熱性に優れた新素材工具であるバインダ ン ト 材 料 と し て も 応 用 さ れ て い る 1)。 しかしながら，チタン合金は切削加工の立場から みると，一般的には難削材と言われ，加工能率が極 アルミニウム合金 （多結晶ダイヤ） め て 低 い 材 料 で あ る 2 ), 3 ) 。 そ の 加 工 特 性 と し て は ， アルミニウム合金 （超硬合金） 比切削抵抗が大きく，熱伝導率が小さい，さらには 炭素鋼 (超硬合金） チタン合金 （超硬合金） 化学的活性が高いことなどから，工具刃先の切削温 度が非常に高く，一般に鋼系材料の切削加工に比べ 0 る と 200℃ 程 度 高 く な る 傾 向 に あ る 1 ) 。 し た が っ て ， * 工具メーカーカタログより 400 800 1200 1600 切削速度 m/min 図1 機械電子部 -1- 各種材料の標準切削速度 2000 レ ス cBN 工 具 を ， 切 削 工 具 と し て 適 用 し ， そ の 加 表1 切削工具の材料特性と機械的性質 工性能について検討を行った。 主成分 含有率 (vol%) 粒径 (μm) 結合材 ビッカース 硬度 HV(R.T.) 超硬合金(K10) 炭化タングステン ９２ ＜１ Ｃｏ １７５０ ｃＢＮ 立方晶窒化ホウ素 ８０ ５ Ｃｏ ４０００ 多結晶ダイヤモンド ダイヤモンド ８５ ５ Ｃｏ ７０００ ＜１ なし ５０００ 工具材種 ２．実験方法 ２．１ バ イ ン ダ レ ス cBN 工 具 一 般 に ， 切 削 工 具 に 用 い ら れ る cBN 焼 結 体 は cBN(立 方 晶 窒 化 ホ ウ 素 )粒 子 と 10∼ 50体 積 %の 結 合 立方晶窒化ホウ素 ＞９９．９ バインダレスｃＢＮ 剤 (バ イ ン ダ )を 混 合 し 高 温 高 圧 下 で 焼 結 し 作 製 さ れ 表2 る 。 一 方 ， バ イ ン ダ レ ス cBN工 具 は 新 製 造 技 術 に よ り ， さ ら な る 高 温 高 圧 条 件 下 で hBN(六 方 晶 窒 化 ホ Ｔｉ－６Ａｌ－４Ｖ合金 被削材 ウ 素 )粒 子 を 直 接 焼 結 す る こ と に よ り cBN粒 子 を 合 超硬合金(K10) ｃＢＮ 多結晶ﾀﾞｲﾔﾓﾝﾄﾞ 工 具 成して作製される。本実験に用いた切削工具の材料 特 性 と 機 械 的 性 質 を 表 1に 示 す 。 市 販 さ れ て い る 焼 ン ダ レ ス cBN 工 具 は cBN 粒 子 が 99.9% 以 上 の 高 含 有 ＊ｃＢＮ工具は35ﾟ－0.2mmのネガランド付き 切削速度 (m/min) 率 と な る 。 し た が っ て ， cBN粒 子 本 来 の 特 性 が そ の ま ま 得 ら れ ， 耐 熱 温 度 が 1350℃ ， ビ ッ カ ー ス 硬 度 は 5000HVの 高 い 値 を 示 す 4 ) 。 ２５０ １００,２５０,３６０ 送り速度 (mm/rev) ０．１５ 切り込み量 (mm) ０．５ 切削液：水溶性 エマルジョンタイプ 希釈率：30倍 供給圧力：30MPa クーラント ２．２ バインダレス ｃＢＮ ( -5, -5, 5, 5, 15, 15, 0.8 ) 工具形状 結体工具にはバインダ成分が含まれているが，バイ 切削加工条件 切削加工条件 表２に加工実験における切削加工条件を示す。加 工実験は旋盤によるチタン合金の旋削加工を行い， ノズル 工具寿命を評価した。実験に供した工具は，表 1 に 示 し た バ イ ン ダ レ ス cBN 工 具 及 び 市 販 品 工 具 の 4 30 m m クーラント 25 deg 種 類 と し た 。 市 販 品 工 具 は Co を バ イ ン ダ と す る 超 硬 合 金 (K10)， cBN， 多 結 晶 ダ イ ヤ モ ン ド 工 具 と し た 。 工 具 形 状 は 横 す く い 角 ， 前 す く い 角 を -5°,ア 工具 プ ロ ー チ 角 15°及 び ノ ー ズ 半 径 0.8mm と し ， 刃 先 図2 は 約 0.01mm の ホ ー ニ ン グ を 施 し た 。 た だ し ,市 販 加工実験の外観 欠損の発生とし，その際の切削距離を工具寿命とし 品 の cBN 工 具 は 35°,0.2mm の ネ ガ ラ ン ド が 施 し て た 。 VB 値 は 初 期 の 工 具 刃 先 位 置 を 基 準 と し て 摩 耗 ある。被削材は，工業用または医療用として幅広く 幅を測定した。測定する際には工具摩耗部にチタン 利 用 さ れ て い る Ti-6Al-4V 合 金 ( ブ リ ネ ル 硬 さ 合金の溶着物があるため，フッ硝酸水溶液により溶 311HB)を 用 い た 。 加 工 条 件 は ， 切 削 速 度 が 現 状 の 着物を除去した。 標 準 加 工 条 件 の 4 倍 程 度 と な る 250m/min， 送 り 速 度 が 0.15mm/rev， 切 り 込 み 量 は 0.5mm と し た 。 バ ３．実験結果及び考察 イ ン ダ レ ス cBN 工 具 に 関 し て は 切 削 速 度 が 100 及 ３．１ び 360m/min に つ い て も 実 験 を 行 っ た 。 ま た ， 図 2 図 3 に，工具材種の違いによる工具寿命の比較を に示すように，工具の冷却効果を考慮し 5) ，クーラ 高 速 加 工 に お け る 工具材 種 の 適 性 示 す 。 工 具 寿 命 の 判 定 基 準 と な る VB 値 は 0.2mm ン ト は 水 溶 性 切 削 液 ( エ マ ル ジ ョ ン 型 ： 30 倍 希 釈 と し た 。 た だ し ， バ イ ン ダ レ ス cBN 工 具 の 場 合 は ， 液 )を 用 い ， 工 具 す く い 面 に 対 し 25°の 仰 角 で ， 工 予想以上に工具寿命が長くなったため，被削材の制 具 刃 先 か ら 30mm の 位 置 よ り 30MPa の 高 圧 供 給 を 限 上 VB 値 を 0.1mm と し た 。 図 3 よ り ， 超 硬 合 金 行った。 工 具 及 び cBN 工 具 は 顕 著 に 工 具 寿 命 が 短 く ， 超 硬 工 具 寿 命 の 判 定 は ， 逃 げ 面 摩 耗 幅 (VB 値 )ま た は 合 金 で は わ ず か 90m, cBN 工 具 で も 400m で あ っ た 。 -2- 5000 鏡 (SEM)像 を ， 図 5 に 同 じ く 工 具 刃 先 の 断 面 形 状 を VB 0.1mmで加工中止 切削距離2400ｍ 工具寿命 ｍ 4000 示す。断面形状の測定には触針式表面粗さ計を用い た。超硬合金工具は他の工具に比べ，すくい面摩耗 被削材：Ti-6Al-4V 切削速度:250m/min 送り速度:0.15mm/rev 切り込み:0.5mm クーラント:高圧式 (圧力30MPa) 3000 2000 が著しく進行しており，それに伴って工具刃先が後 退している。これは，明らかに工具の耐熱性の低さ を 示 す 摩 耗 形 態 で あ る 。 cBN 工 具 は ネ ガ ラ ン ド が 工具寿命判定基準：VB値 0.2mm 施 し て あ る た め 観 察 し 難 い が ， cBN 工 具 及 び 多 結 1000 晶ダイヤモンド工具は，超硬合金工具に比べすくい 面摩耗量は小さく，耐熱性の高さまたは切削温度の 0 超硬 合金 ｃＢＮ 多結晶 ﾀﾞｲﾔﾓﾝﾄﾞ ﾊﾞｲﾝﾀﾞﾚｽ ｃＢＮ 低さが推察される。しかし，工具すくい面の切り屑 離脱部では，バインダ部における粒塊離脱の痕跡が 工具材種 図3 工具寿命の比較 みられ，これが進行すると工具刃先の欠損の原因に な る 。 こ れ ら に 対 し ， バ イ ン ダ レ ス cBN 工 具 は ， すくい面の摩耗が他の工具材種に比べ進行していな いのが特徴的であり，工具刃先もシャープエッジの 状 態 を 保 持 し て い る 。 こ れ は ， バ イ ン ダ レ ス cBN ０．１ｍｍ 切削距離９０ｍ 切削距離４００ｍ (a) 超硬合金 (b) cBN 工具の耐熱性と結合強度の高さを示しているものと 考えられる。 ３．２ バインダレスｃＢＮ工具の摩耗特性 バ イ ン ダ レ ス cBN工 具 に つ い て 切 削 速 度 の 違 い に 切削距離１５００ｍ 切削距離２４００ｍ (c) 多結晶ダイヤモンド (d) バインダレスcBN よる工具寿命と工具摩耗速度を評価した。切削速度 ※ VB 0.1mmで加工中止 図4 は 100, 250, 360m/minの 3通 り と し ， 工 具 寿 命 の 判 定 工具寿命時の刃先の損耗状態 基 準 は VB 値 0.1mm と し た 。 ま た ， 工 具 摩 耗 速 度 は 0.02mm 切 削 開 始 か ら 工 具 寿 命 に 至 る ま で の VB値 を 切 削 距 離でプロットし，その回帰直線の傾きにより求めた。 図 6に ， バ イ ン ダ レ ス cBN工 具 の 工 具 寿 命 と 工 具 0.1mm (a) 超硬合金 摩耗速度に及ぼす切削速度の影響を示す。また，図 (b) cBN 7に 工 具 寿 命 時 の 刃 先 の SEM像 を 示 す 。 図 6よ り ， 切 削 速 度 が 100, 250, 360m/minと 高 く な る に つ れ て ， 工 具 摩 耗 速 度 は 1桁 ず つ 上 昇 す る 傾 向 が み ら れ ， 切 (c) 多結晶ダイヤモンド (d) バインダレスｃＢＮ 削 速 度 が 最 も 低 い 100m/min の 場 合 が 最 も 小 さ く な ※ VB 0.1mmで加工中止 った。 すくい面摩耗 一方，工具寿命を評価すると，切削速度 測定位置 100m/min の 場 合 は ， 図 7(a) に み ら れ る よ う に 工 具 工具 0.42mm 図5 すくい面に大きな剥離が発生したため，切削距離 工具寿命時の刃先の断面形状 2000mに 留 ま っ た 。 こ れ に 対 し ， 切 削 速 度 250m/min 多 結 晶 ダ イ ヤ モ ン ド 工 具 は ， 工 具 寿 命 が 1500m と の場合は，本実験条件の中で最も工具寿命が長くな 比較的長いが実用的な切削距離とはいえない。これ っ た 。 こ れ は ， 図 7(b) よ り 100m/min の 場 合 と 同 様 ら に 対 し ， バ イ ン ダ レ ス cBN 工 具 は ， VB 値 が に工具すくい面の境界部に剥離がみられるが，その 0.1mm に 到 達 し た 時 点 で 切 削 距 離 が 2400m と 優 れ 規模は非常に小さく，切削に影響を及ぼさなかった た耐工具摩耗性を示した。 ためと考えられる。さらに，工具が切り屑及び被削 材と擦過する領域で，初期の工具表面と異質な滑ら また，図 4 に工具寿命時の刃先の走査型電子顕微 -3- え，これによって急激に工具摩耗が進行したものと 3500 被削材:Ti-6Al-4V 送り速度:0.15mm/rev 切り込み量:0.5mm クーラント：高圧式(30MPa) 3000 工具寿命判定基準：VB値 0.1mm 考えられる。したがって，工具寿命を長くするため 工具寿命 m 2500 欠損発生 2000 0.01 1500 1000 工具摩耗速度 μm/m には最適な加工条件が存在するものと考えられる。 0.1 ４．結 チタン合金の高能率加工を目的に，切削工具とし て 耐 熱 性 に 優 れ た バ イ ン ダ レ ス cBN 工 具 を 適 用 し ， その加工性能について検討を行った。 般 市 販 品 の 超 硬 合 金 ， cBN， 多 結 晶 ダ イ ヤ モ ン ド 1E-3 工 具 に 比 べ ， バ イ ン ダ レ ス cBN工 具 は 著 し く 高 い 0 100 200 300 400 耐摩耗性を示した。 切削速度 m/min 図6 言 (1)Ti-6Al-4V合 金 の 切 削 加 工 実 験 を 行 っ た 結 果 ， 一 500 0 削 温 度 が バ イ ン ダ レ ス cBN工 具 の 耐 熱 臨 界 温 度 を 越 1 4000 (2)バ イ ン ダ レ ス cBN工 具 は ， 比 較 的 低 速 切 削 領 域 では工具摩耗速度が小さいが，すくい面の剥離が バ イ ン ダ レ ス cBN工 具 の 工 具 寿 命 と 工 具 摩耗速度に及ぼす切削速度の影響 発生しやすい傾向にある。加工能率と工具寿命を 高めるためには最適な加工条件が存在する。 (a) 切削速度 : 100m/min 切削距離 : 2000 m 謝 辞 本研究を遂行するに当たり，終始適切なご助言 を頂いた金沢工業大学教授新谷一博氏，助教授加 藤秀治氏に感謝します。また，貴重な切削工具を (b) 切削速度 : 250m/min ご提供頂いた住友電気工業㈱，工作機械をご提供 切削距離 : 2400 m 頂いた高松機械工業㈱に感謝します。 参考文献 1)(社 )チ タ ニ ウ ム 協 会 編 . チ タ ン の 加 工 技 術 . 日 刊 工 (c) 切削速度 : 360m/min 切削距離 : 200 m 業 新 聞 社 , 1992. 2)Narutaki, N. ; Murakoshi, A. ; Motonishi, S. Study on ０．１ｍｍ Machining of Titanium Alloys, Annals of the CIRP. Vol.32, No.1,1983, p.65-69. 図7 3)臼 杵 , 鳴 滝 , 山 根 . Ti-3Al-8V-6Cr-4Mo-4Zrの 旋 削 加 切削速度の違いによるバインダレス cBN工 具 の 刃 先 の 損 耗 状 態 工 に 関 す る 研 究 . 精 密 工 学 会 誌 .Vol.61, No.7, 1995, p.1001-1005. か な 面 が 観 察 さ れ る 。 こ れ は ， バ イ ン ダ レ ス cBN工 4)Kato, 具 の cBN粒 子 が 変 態 ま た は 酸 化 す る こ と に よ っ て 脆 H. ; Shintani, K. ; Sumiya, H. Cutting performance of a binder-less sintered cubic boron 弱な層を形成したと考えられ，この層が切り屑と工 nitride tool in the high-speed milling of gray cast iron. 具の間で緩衝材となり，工具材自身の剥離を生じ難 Journal of Materials Processing Technology. No.127, くさせたことも工具寿命が長くなった要因と考えら 2002, p.217-221. れ る 。 し か し ， 切 削 速 度 360m/min の 場 合 ， 工 具 表 5)廣 崎 , 藤 井 , 坂 谷 . チ タ ン 合 金 の 適 応 制 御 加 工 − 面 に 250m/min と 同 様 の 滑 ら か な 面 が 形 成 さ れ て い 切 削 温 度 拘 束 に よ る 加 工 条 件 の 選 定 − .2000年 度 る に も か か わ ら ず ， わ ず か 200mで VB値 0.1mmに 到 精密工学会秋季大会学術講演会講演論文集. 達 し た 。 こ の 原 因 は ， 図 ７ (c)の す く い 面 上 に ク レ 2000, p.109. ータ摩耗がみられることから，切削速度が高いと切 -4-
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