CNCフライス工具 摩耗は切削加工における最も基本的な命題の 1 つです。工具の摩耗を定義し理解することは、工具メーカーとユーザーが工具の寿命を延ばすのに役立ちます。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の寿命をさらに延ばす効果的な手段を提供します。
CNC加工工具の摩耗メカニズム
熱と摩擦は、金属切削で生成されるエネルギーの形態です。高い表面負荷によって生成される熱と摩擦、および工具のすくい面に沿って滑るチップの高速により、工具は非常に厳しい加工環境に置かれます。
切削力の大きさは、加工条件（ワークピース材料に硬い成分が含まれているか、切削が中断されているかなど）に応じて変動する傾向があります。したがって、高い切削温度でも強度を維持するために、工具は優れた靭性、耐摩耗性、高硬度などの基本的な特性を備えている必要があります。
工具とワークピース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。ただし、切削テスト測定の結果は、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熱に変換され、通常この熱の 80% が切りくずによって持ち去られると一般的に考えられます (この割合はいくつかの要因、特に切削速度によって異なります)。残りの約 20% が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°C 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) 工具で硬化鋼を切削する場合、工具と切りくずの温度は通常 1000°C 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。
工具寿命の定義は普遍的に受け入れられているものではなく、通常はさまざまなワークピースや工具材料、さまざまな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1つの方法は、許容可能な最大側面摩耗限界（VBまたはVBmaxで示される）を設定することです。工具寿命は、予想工具寿命の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。
最適な工具基材、コーティング、刃先処理技術の継続的な開発は、工具の摩耗を制限し、切削時の高温に耐えるために不可欠です。これらの要素と、スローアウェイ インサートで使用されるチップ ブレーカーおよびコーナー アーク半径によって、さまざまなワークピースおよび切削操作に対する各工具の適合性が決まります。これらすべての要素を最適に組み合わせることで、工具寿命を延ばし、切削操作をより経済的で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サイズを1〜5µmの範囲で変更することで、炭化工具のマトリックス特性を変更できます。基材の粒子サイズは、切削性能と工具寿命に重要な役割を果たします。粒子サイズが小さいほど、工具の耐摩耗性が向上します。逆に、粒子サイズが大きいほど、工具は強くて丈夫になります。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、その他の高温合金など）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%に増やすことで、より優れた靭性が得られます。したがって、コバルト含有量は、靭性や耐摩耗性など、特定の切削プロセスの要件に合わせて調整できます。
工具マトリックスの性能は、外表面近くにコバルトを多く含む層を形成するか、または他の合金元素（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によっても向上できます。コバルトを多く含む層は、刃先の強度を大幅に高め、それによって荒削り工具や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合っ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 つの他のマトリックス特性も考慮されます。たとえば、超硬工具の刃先が欠ける場合は、破壊靭性が高いベース材料を使用する必要があります。ツールの刃先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。ツールの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を使用することをお勧めします。
工具ベース材料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、鋼部品の加工用イスカルのスモウテックブレードグレードのベース材料は、塑性変形に対する耐性が優れているため、硬くて脆いブレードコーティングのマイクロクラックの可能性を減らすことができます。スモウテックブレードの二次加工により、コーティングの表面粗さとマイクロクラックが低減され、ブレード表面の切削熱とそれに伴う塑性変形とマイクロクラックが減少します。さらに、鋳鉄加工用インサートの新しいベースは耐熱性が向上し、切削速度が向上します。
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に炭素元素を加えることで、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の複合アプリケーションにより、高温切削プロセスの工具寿命が向上します。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多く、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、より優れた耐付着性を備えており、積層刃の防止に最適な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、非鉄材料を加工するための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、金属マトリックス複合材、高シリコンアルミニウム合金、その他の高研磨性材料の加工に非常に適しています。ただし、ダイヤモンドコーティングは鋼との化学反応によりコーティングと基材の接着力が破壊されるため、鋼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が拡大しており、その価格はCVDコーティング工具と同等です。CVDコーティングの厚さは通常5〜15µmですが、PVDコーティングの厚さは約2〜6µmです。工具基材に塗布すると、CVDコーティングは望ましくない引張応力を生み出しますが、PVDコーティングは基材に有益な圧縮応力をもたらします。厚いCVDコーティングは、工具の刃先の強度を大幅に低下させることがよくあります。そのため、非常に鋭い刃先を必要とする工具にはCVDコーティングを使用できません。
コーティングプロセスで新しい合金元素を使用すると、コーティングの接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、インサートの刃先処理（または刃先不動態化）は、加工プロセスの成否を左右する分岐点となっています。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に使用するインサートの刃先不動態化要件は、荒加工に使用する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、0.007mmと小さく、0.05mmと大きくすることができます。過酷な加工条件で刃先を強化するために、刃先不動態化によって小さなT字型の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。不動態化の量は、炭化物のグレードとコーティングの種類 (CVD 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、刃先不動態化を徹底するか、T リブ バンドの処理が必須条件となります。コーティングの種類によっては、不動態化の量が 0.05 mm 近くになることがあります。
対照的に、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になりやすいため、切れ刃は鋭いままである必要があり、わずかに不動態化（0.01mm程度）するか、さらに少量の不動態化をカスタマイズすることができます。同様に、アルミニウム合金の加工用インサートにも鋭い切れ刃が必要です。スパイラル切れ刃は、より大きな切削負荷に耐え、より高い金属除去率を達成し、応力を軽減できます。スパイラル切れ刃のもう1つの利点は、工具に作用する切削圧力と切削熱が減少するため、工具寿命を延ばせることです。
