チタン合金の加工が難しい理由とその対処法

チタンは 1950 年代に開発された重要な構造金属です。 チタン合金は、高強度、優れた耐食性、高い耐熱性を備えているため、さまざまな分野で広く使用されています。 世界の多くの国がチタン合金材料の重要性を認識し、研究開発を重ね、実用化されてきました。 1950 年代から 1960 年代には、航空宇宙エンジン用の高温チタン合金と機体用の構造用チタン合金が主に開発されました。 1970 年代には、耐食性のチタン合金が開発されました。 1980年代以降、耐食性チタン合金や高強度チタン合金の開発が進められてきました。 開発する。

チタン合金は、その加工が難しい特性により、製造業に一定の課題をもたらしています。

チタン合金の密度は一般に約 4.51g/立方センチメートルで、これは鋼鉄の 60% にすぎません。 純チタンの密度は普通鋼の密度に近いだけです。 一部の高強度チタン合金は、多くの合金構造用鋼の強度を超えています。 そのため、チタン合金の比強度（強度・密度）は他の金属構造材料に比べて非常に大きく、単位強度が高く、剛性が高く、軽量な部品を製造することができます。 チタン合金は、航空機のエンジン部品、フレーム、外板、ファスナー、着陸装置に使用されています。 さらに、チタン合金は自動車部品、医療機器、電子3C産業でも広く使用されています。

チタン合金を加工する際の切削抵抗は、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り、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 にすぎません。 そのため、チタン合金の切削中に発生する熱がすぐにワークに伝わりにくく、切りくずによって奪われることもありません。 その代わりに、それは切削領域に蓄積し、発生する温度は1000度以上に達する可能性があり、工具の刃先が急速に摩耗し、亀裂が発生し、ビルトアップエッジが生成され、刃先が急速に摩耗します。切削領域でより多くの熱が発生し、工具の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、疲労強度が大幅に低下す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有益である可能性がありますが、切断プロセス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遠ざかって反発し、工具とワークピースの間の摩擦が切削動作を上回ります。 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ことは容易ではありません。 工具で被削材を押し出すと、薄肉部の局所的な変形が弾性範囲を超えて塑性変形するため、切削点の材料強度と硬度が大幅に上昇します。 この時点で、当初設定されていた切削速度が高くなりすぎて、工具の摩耗がさらに加速します。

したがって、チタン合金の加工の難しさの主な原因は「熱」です。

これらの課題を克服し、チタン合金をうまく加工するには、いくつかのアプローチを採用できます。 これらには次のものが含まれます。

(1) ポジティブアングル形状チップを使用することで、切削抵抗、切削熱、ワークの変形を低減します。
(2) ワークの硬化を避けるため、一定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でなければなりません。 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) チタン合金は焼入れ後は加工が難しくなり、熱処理により強度が増し刃の摩耗が増加するため、できるだけ柔らかい状態で加工してください。
(6) 工具先端の円弧半径または面取りを大きくして、工具刃先をできるだけ切削に挿入します。 これにより、あらゆる点で切削抵抗と熱が軽減され、局部的な破損が防止されます。 チタン合金をフライス加工する場合、切削パラメータの中で切削速度が工具寿命 vc に最も大きな影響を及ぼし、次に半径方向の工具の噛み合い (加工深さ) ae が影響します。

一般にチタン合金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・拡散も溝摩耗の原因の一つです。 なぜなら、機械加工プロセス中に、ワークピースのチタン分子がブレードの前に蓄積し、高圧と高温の下でブレードに「溶接」され、構築された刃先が形成されるからです。 構成刃先が刃先から剥離すると、インサートの超硬コーティングも一緒に取り除かれるため、チタン加工には特殊なインサート材質と形状が必要になります。

切削速度、送り速度、切込み深さなどの切削条件も、切削工具の性能と完成品の品質を決定する上で重要な役割を果たします。 最適な切削パラメータは、加工されるチタン合金の種類によって異なりますが、熱を減らし加工硬化を防ぐために、通常はより遅い切削速度とより高い送り速度を推奨します。

適切な冷却システムを使用することは、切削工具とワークピースを適切な温度に保つために重要です。 エマルジョンなどの水性クーラントは、材料と化学反応を起こさずに効果的な冷却と潤滑特性を提供するため、チタンの加工に広く使用されています。
課題にもかかわらず、チタンは依然として非常に人気のある材料であり、現代の多くの用途に不可欠です。 適切な切削工具、切削条件、冷却システム、高度な機械加工技術を使用することで、この材料の機械加工の困難を克服し、その可能性を最大限に引き出すことができます。