CNCフライス加工における工具摩耗は、切削加工において最も基本的な概念の一つです。工具摩耗を定義し理解することは、工具メーカーとユーザーにとって工具寿命を延ばす上で役立ちます。今日の工具コーティング技術は、生産性を大幅に向上させながら、工具寿命をさらに延ばす効果的な手段を提供します。
CNC加工工具の摩耗機構
熱と摩擦は、金属切削において発生するエネルギーの一種です。高い表面負荷によって発生する熱と摩擦、そして工具のすくい面を滑る切削片の高速走行により、工具は非常に過酷な加工環境に置かれます。
切削抵抗の大きさは、加工条件（被削材に硬質成分が含まれているか、断続切削が行われているかなど）に応じて変動する傾向があります。そのため、高温切削下でも強度を維持するためには、工具は優れた靭性、耐摩耗性、高い硬度といった基本的な特性を備えている必要があります。
工具とワークの界面における切削温度は、ほぼすべての工具材料の摩耗率を決定する重要な要因ですが、切削温度を計算するために必要なパラメータ値を決定することは非常に困難です。しかしながら、切削試験の測定結果は、いくつかの経験的手法の基礎となる可能性があります。
切削時に発生するエネルギーは一般的に熱に変換され、通常、この熱の80%は切削片によって持ち去られます（この割合は切削速度など様々な要因によって異なります）。残りの約20%は工具に伝達されます。中程度の硬度の鋼を切削する場合でも、工具温度は550℃を超えることがあります。これは、高速度鋼が硬度を低下させることなく耐えられる最高温度です。多結晶立方晶窒化ホウ素（PCBN）工具で焼入れ鋼を切削する場合、工具と切削片の温度は通常1000℃を超えます。
切削工具の摩耗と工具寿命
工具の摩耗には通常、次のような種類があります: 側面摩耗、スコーリング摩耗、クレーター摩耗、刃先の鈍化、刃先の欠け、刃先の亀裂、壊滅的な故障。
工具寿命には普遍的に受け入れられている定義はなく、通常はワークピースや工具材質、切削プロセスによって異なります。工具寿命の終点を定量的に分析する方法の一つは、許容可能な最大逃げ面摩耗限界（VBまたはVBmaxと表記）を設定することです。工具寿命は、期待工具寿命に関するテイラーの式で表すことができます。
VcTn=C
この式のより一般的な形式は
VcTn×Dxfy=C
ここで、Vc は切削速度、T は工具寿命、D は切削深さ、f は送り速度、x と y は実験的に決定され、n と C は実験または公開された技術データから決定された定数であり、工具材料、ワークピース、および送り速度の特性を表します。
工具の摩耗を抑制し、切削時の高温に耐えるためには、最適な工具母材、コーティング、そして刃先処理技術の継続的な開発が不可欠です。これらの要素に加え、スローアウェイチップに用いられるチップブレーカーやコーナーアーク半径が、様々なワークや切削加工に対する各工具の適合性を決定します。これらの要素を最適に組み合わせることで、工具寿命を延ばし、切削加工をより経済的かつ信頼性の高いものにすることができます。
ツールベースの変更
工具メーカーは、炭化タングステンの粒子径を1～5µmの範囲で変化させることで、超硬工具のマトリックス特性を変えることができます。基材の粒子径は、切削性能と工具寿命に重要な役割を果たします。粒子径が小さいほど、工具の耐摩耗性は向上します。逆に、粒子径が大きいほど、工具の強度と靭性は向上します。微細粒マトリックスは、主に航空宇宙グレードの材料（チタン合金、インコネル合金、その他の耐熱合金など）を加工するブレードに使用されます。
さらに、超硬工具材料のコバルト含有量を6～12%増加させることで、靭性が向上します。そのため、特定の切削プロセスの要件（靭性要件や耐摩耗性要件など）に合わせてコバルト含有量を調整することができます。
工具母材の性能は、外表面近くにコバルトを豊富に含む層を形成するか、あるいは他の合金元素（チタン、タンタル、バナジウム、ニオブなど）を超硬合金材料に選択的に添加することでも向上します。コバルトを豊富に含む層は刃先強度を大幅に向上させ、粗加工および断続切削工具の性能を向上させます。
さらに、ワークピースの材質と加工方法に適したツールマトリックスを選択する際には、破壊靭性、横方向の破壊強度、圧縮強度、硬度、耐熱衝撃性の 5 つのマトリックス特性も考慮されます。たとえば、超硬工具の切れ刃に欠けが生じる場合は、破壊靭性が高いベース材料を使用する必要があります。工具の切れ刃が直接破損または損傷した場合は、横方向の破壊強度または圧縮強度が高いベース材料を使用することが解決策となります。切削温度が高い加工状況 (ドライカットなど) では、通常、硬度の高いツール材料が優先されます。ツールに熱亀裂が見られるような加工状況 (フライス加工で最も一般的) では、耐熱衝撃性に優れたツール材料の使用が推奨されます。
工具母材の最適化と改良により、工具の切削性能を向上させることができます。例えば、イスカルの鋼部品加工用ブレード材種「Sumo Tec」の母材は、耐塑性変形性に優れているため、硬くて脆いブレードコーティングにおけるマイクロクラックの発生を低減できます。Sumo Tecブレードは二次加工により表面粗さとコーティングのマイクロクラックが低減され、ブレード表面の切削熱を低減し、結果として生じる塑性変形やマイクロクラックの発生を抑えます。さらに、鋳鉄加工用インサート用の新ベースは耐熱性が向上し、より高い切削速度を実現しています。
適切なコーティングを選択する
コーティングは工具の切削性能の向上にも役立ちます。現在のコーティング技術には以下のものがあります。
- 窒化チタン (TiN) コーティング: 工具の硬度と酸化温度を高めることができる汎用 PVD および CVD コーティングです。
- 炭窒化チタン（TiCN）コーティング：TiNに炭素元素を添加することで、コーティングの硬度と表面仕上げが向上します。
- チタンアルミニウム窒化物（TiAlN）およびチタンアルミニウム窒化物（AlTiN）コーティング：酸化アルミニウム（Al2O3）層とこれらのコーティングを複合的に適用することで、高温切削プロセスにおける工具寿命を向上させることができます。酸化アルミニウムコーティングは、特にドライおよびニアドライ切削に適しています。AlTiNコーティングは、チタン含有量が多いTiAlNコーティングよりもアルミニウム含有量が高く、表面硬度も高くなります。AlTiNコーティングは、高速切削によく使用されます。
- 窒化クロム (CrN) コーティング: このコーティングは優れた耐凝着性を備えており、構成刃先と戦うための推奨ソリューションです。
- ダイヤモンドコーティング：ダイヤモンドコーティングは、非鉄金属加工用工具の切削性能を大幅に向上させることができ、グラファイト、金属基複合材、高シリコンアルミニウム合金などの高摩耗性材料の加工に非常に適しています。しかし、ダイヤモンドコーティングは鋼材との化学反応によりコーティングと基材間の密着性が低下するため、鋼材部品の加工には適していません。
近年、PVDコーティング工具の市場シェアは拡大しており、その価格はCVDコーティング工具とほぼ同等となっています。CVDコーティングの厚さは通常5～15µmであるのに対し、PVDコーティングの厚さは約2～6µmです。工具母材にCVDコーティングを施すと、望ましくない引張応力が生じますが、PVDコーティングは母材に有益な圧縮応力を与えます。厚いCVDコーティングは、工具の刃先強度を著しく低下させることがよくあります。そのため、CVDコーティングは、非常に鋭利な刃先が求められる工具には適していません。
コーティングプロセスで新しい合金元素を使用すると、コーティングの密着性とコーティング性能が向上します。
最先端の準備
多くの場合、インサートの切れ刃の準備（または刃先不動態化）は、機械加工プロセスの成否を左右する分水嶺となっています。不動態化プロセスのパラメータは、具体的な加工要件に応じて決定する必要があります。例えば、鋼部品の高速仕上げ加工用インサートの刃先不動態化要件は、荒加工用インサートの要件とは異なります。刃先不動態化は、ほぼすべての種類の炭素鋼または合金鋼の加工用インサートに適用できますが、ステンレス鋼および特殊合金の加工用インサートにのみ適用されます。不動態化の量は、最小0.007mm、最大0.05mmです。厳しい加工条件下での切れ刃の性能を向上させるために、刃先不動態化によって小さなT字型のリブバンドを形成することもできます。
一般的に、ほとんどの鋼および鋳鉄の連続旋削加工およびフライス加工に使用されるインサートには、高度な刃先不動態化が必要です。不動態化の程度は、超硬合金のグレードとコーティングの種類（CVDコーティングまたはPCDコーティング）によって異なります。断続切削が頻繁に行われるインサートの場合、刃先不動態化処理またはTリブバンド加工が必須条件となります。コーティングの種類によっては、不動態化の程度は0.05mm近くになる場合があります。
一方、ステンレス鋼や耐熱合金の加工用インサートは構成刃先が発生しやすいため、切れ刃は鋭利な状態を維持する必要があり、わずかな不動態化処理（最小0.01mm）のみ、あるいはさらに少量の不動態化処理をカスタマイズすることも可能です。同様に、アルミニウム合金の加工用インサートにも鋭利な切れ刃が求められます。スパイラル切れ刃は、より大きな切削負荷に耐え、より高い切削除去率を達成し、応力を低減します。スパイラル切れ刃のもう一つの利点は、工具にかかる切削圧力と切削熱を低減することで、工具寿命を延ばせることです。
